技術資料 SD-26 NMOSリニアイメージセンサの 特性と使い方 目 次 1. はじめに ···················································································································································· 3 2. NMOSリニアイメージセンサの概略 ········································································································ 3 2-1 構成の概略 ··························································································································································· 2-2 電荷蓄積方式の特長 ············································································································································· 2-3 シフトレジスタ読み出し方式の特長 ···················································································································· 3 3 3 3. NMOSリニアイメージセンサの種類と動作 ······························································································ 4 3-1 NMOSリニアイメージセンサの種類 ···················································································································· 3-2 電流出力型NMOSリニアイメージセンサ ············································································································· 4 5 3-2-1 電流出力型の構成 ···························································································································································· 5 3-2-2 電流出力型の動作原理 ···················································································································································· 6 3-2-3 電流出力型の読み出し方式 ············································································································································· 7 3-2-4 電流出力型の端子電圧 ····················································································································································· 7 3-2-5 電流出力型の入出力パルスタイミング ··························································································································· 9 3-3 電圧出力型NMOSリニアイメージセンサ ············································································································· 10 3-3-1 電圧出力型の構成 ···························································································································································· 10 3-3-2 電圧出力型の動作原理 ···················································································································································· 11 3-3-3 電圧出力型の読み出し方式 ············································································································································· 11 3-3-4 電圧出力型の端子電圧 ···················································································································································· 11 3-3-5 電圧出力型の入出力パルスタイミング ··························································································································· 12 4. NMOSリニアイメージセンサの諸特性 ····································································································· 14 4-1 入出力特性 ··························································································································································· 14 4-1-1 電流出力型の入出力特性 ················································································································································· 14 4-1-2 電圧出力型の入出力特性 ················································································································································· 14 4-2 直線性変動率 ························································································································································ 4-3 分光感度特性 ························································································································································ 4-4 感度不均一性 ························································································································································ 4-5 暗出力 ··································································································································································· 4-6 解像度 ··································································································································································· 4-7 残像 ······································································································································································ 4-8 ノイズ ·································································································································································· 14 15 15 16 17 18 19 4-8-1 電流出力型のランダムノイズ ········································································································································· 19 4-8-2 電圧出力型のランダムノイズ ········································································································································· 20 4-9 シフトレジスタの周波数特性 ······························································································································ 21 4-10 紫外線照射による特性の変化 ···························································································································· 22 5. 使用上の注意 ············································································································································· 22 22 23 23 24 25 25 6. 推奨回路 ··················································································································································· 26 6-1 電流出力型用駆動回路 ········································································································································· 26 5-1 蓄積時間の設定 ···················································································································································· 5-2 出力の概算 ··························································································································································· 5-3 使用光源 ······························································································································································· 5-4 受光部の位置精度 ················································································································································ 5-5 使用上の注意 ························································································································································ 5-6 回路基板作成上の注意事項 ·································································································································· 6-1-1 電流電圧変換方式 ··························································································································································· 26 6-1-2 外部電流積分方式 ··························································································································································· 29 6-2 電圧出力型用駆動回路 ········································································································································· 34 6-3 パルスジェネレータ ············································································································································· 39 7. 標準駆動回路 ············································································································································ 40 7-1 回路構成別 ··························································································································································· 40 7-2 機能別 ··································································································································································· 40 7-3 電流出力型用外部電流積分方式標準回路 C7884シリーズ ··················································································· 43 7-3-1 製品の種類 ······································································································································································ 43 7-3-2 仕様 ················································································································································································· 44 7-3-3 推奨回路との比較 ···························································································································································· 44 7-4 パルスジェネレータ標準回路 C8225シリーズ ····································································································· 45 7-4-1 製品の種類 ······································································································································································ 45 7-4-2 仕様 ················································································································································································· 45 7-4-3 スイッチの操作方法 ························································································································································ 45 7-5 マルチチャンネル測定ユニット ··························································································································· 46 8. 信頼性 ······················································································································································· 47 2 ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 図2-2 出力タイミング図 蓄積時間 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ フォトダイオード2への アドレスパルス フォトダイオード3への アドレスパルス フォトダイオードnへの アドレスパルス ○ ○ ○ ○ ムなど多岐にわたる応用に対応できます。 フォトダイオード1への アドレスパルス ○ プも用意されており、他のイメージ素子との結合が容易で す。また分光光度計以外に、イメージリードアウトシステ ○ フォミティ、低消費電力などの特長をもっています。受光 窓は石英の他にファイバオプティクプレートをつけたタイ ○ に対する安定した特性、低暗電流と大飽和電荷量から得ら れる広いダイナミックレンジ、優れた出力直線性とユニ シフトレジスタへの スタートパルス ○ NMOSリニアイメージセンサは、主にマルチチャンネル 分光光度計用検出器として設計された自己走査型フォトダ イオードアレイです。広い受光面積、高紫外感度、紫外線 ○ ○ ○ ○ 1. はじめに ○ ○ 2. NMOSリニアイメージセンサの概略 ○ ○ 出力信号 2 3 .... n ○ ○ 1 1 2 3 .... n ○ 時間 ○ ○ 本章ではNMOSリニアイメージセンサの構成と動作の概 略を説明します。 ○ 2-1. 構成の概略 ○ ○ ○ ○ するシフトレジスタから構成されています。 フォトダイオードのリアルタイム読み出し方式では出力 は光の強さのみに比例しますが、電荷蓄積方式では光の強 さと蓄積時間の積 (露光量)に比例します。したがってフォ ○ ○ ○ ○ 図2-1 NMOSリニアイメージセンサの概略図 2-2. 電荷蓄積方式の特長 ○ フォトダイオードアレイから成る受光部、フォトダイオー ドの信号を読み出すスイッチ部、そのスイッチをアドレス ○ NMOSリニアイメージセンサは図2-1に示すように、 ○ ○ KMPDC0058JA ○ スタートパルス ○ MOS シフトレジスタ ○ ○ クロックパルス ○ フォトダイオード ○ ○ ○ ○ ○ スイッチ ○ ○ ○ ビデオライン 3 ..... n ○ 2 ○ 1 ○ ○ ○ ○ ○ ○ NMOSリニアイメージセンサの場合、各フォトダイオー ドの蓄積時間は、読み出しスイッチをオンして信号を読み 出してから、次に読み出すためにオンするまでの間で、シ フトレジスタのスタートパルス信号の間隔に相当します。 この時間内に生じた光の変化の様子は読み取ることができ ません。また、読み出しの際に各フォトダイオードのス イッチを時刻をずらしてオンさせるため、厳密には蓄積開 始時刻にずれが生じます。そのため一様に光が当たってい ても時間的に光量が変化している場合には各フォトダイ オードの信号出力は一様になりません。 信号電荷を蓄積するフォトダイオード接合容量は有限な ため、出力電荷量には上限が存在します。これを飽和電荷 量と呼びます。飽和露光量以上の光量を当てても信号出力 は増加せず、過剰光に対しては信号を得ることはできませ 2-3. シフトレジスタ読み出し方式の特長 ○ ○ ○ ○ ○ ん。 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ アドレスパルスを作るのが、MOSシフトレジスタです。出 力タイミング図を図2-2に示します。 ○ フォトダイオードの信号を1本の出力ライン (ビデオライン) を通じて読み出していきます。このスイッチをオンさせる ○ ○ す。そして各フォトダイオードに接続されたアドレスス イッチを時刻をずらして順次オンさせることにより、各 ○ イオードにおいて光信号から電気信号に光電変換された電 荷を、一時的にフォトダイオードの接合容量に蓄積しま ○ NMOSリニアイメージセンサの場合、電荷蓄積方式に よって信号読み出しを行います。この方式では、フォトダ ○ ○ ○ KMPDC0057JA トダイオードサイズが小さくても蓄積時間を長くすること によって、微弱光を検出することが可能になります。 NMOSリニアイメージセンサは、時間をずらして各フォ トダイオードの信号を1本の出力ラインを介して読み出し ていく方式をとっています。このため、各フォトダイオー ドに個別に読み出し回路を接続する必要がなく、外付け回 3 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 構成により、以下の2タイプに分類されます。 ○ ○ ○ ○ ○ 浜松ホトニクスのNMOSリニアイメージセンサは、その ○ ○ ○ 1. 電流出力型 S3901～S3904シリーズなど 2. 電圧出力型 S3921～S3924シリーズ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ め、その特色を理解して入射光量、蓄積時間など動作条件 を適切に設定する必要があります。 3-1. NMOSリニアイメージセンサの種類 ○ このようにNMOSリニアイメージセンサは、通常のフォ トダイオードとは異なる読み出し方式を採用しているた 3. NMOSリニアイメージセンサの種類と動作 電流出力型は、外部信号読み出し回路として電流積分方 ○ トパルス間隔 (蓄積時間)は全チャンネルの読み出し時 間より長く設定する必要があります。 ○ スタートパルスを入れると、同時に2つのスイッチがオン してしまうため、異常動作となります。したがってスター ○ 順に送られ、各フォトダイオードに蓄積された信号が読み 出されます。全チャンネルの信号が読み出される前に次の ○ で、スタートパルスを入力すると、アドレスパルスが1 チャンネル目のフォトダイオードのアドレススイッチから ○ 路が簡略化できます。 シフトレジスタに2相のクロックパルスを入力した状態 ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 式を用いることにより、優れた直線性の出力を得ることが でき、特に精度の要求される用途に適しています。また電 流電圧変換方式を用いることにより、高速読み出しを行う ことができます。 電圧出力型は、電流出力型の出力部にビデオライン容量 を用いた電流積分回路とインピーダンス変換回路からなる 信号出力処理回路を内蔵しています。電流出力型を電流積 分方式で読み出した場合に比べると直線性精度が劣ります が、低インピーダンスのボックスカー波形出力がセンサ内 表3-1 NMOSリニアイメージセンサ一覧表 電流出力型 型名 画素数 S3901-128Q, F S3901-256Q, F S3901-512Q, F S3904-256Q, F S3904-512Q, F S3904-1024Q, F S3902-128Q, F S3902-256Q, F S3902-512Q, F S3903-256Q, F S3903-512Q, F S3903-1024Q, F 128 256 512 256 512 1024 128 256 512 256 512 1024 電圧出力型 4 型名 画素数 S3921-128Q, F S3921-256Q, F S3921-512Q, F S3924-256Q, F S3924-512Q, F S3924-1024Q, F S3922-128Q, F S3922-256Q, F S3922-512Q, F S3923-256Q, F S3923-512Q, F S3923-1024Q, F 128 256 512 256 512 1024 128 256 512 256 512 1024 画素サイズ (画素ピッチ × 高さ) (μｍ) 50 × 2500 25 × 2500 50 × 500 25 × 500 画素サイズ (画素ピッチ × 高さ) (μｍ) 50 × 2500 25 × 2500 50 × 500 25 × 500 受光面サイズ [mm (H) × mm (V)] 6.4 × 2.5 12.8 × 2.5 25.6 × 2.5 6.4 × 2.5 12.8 × 2.5 25.6 × 2.5 6.4 × 0.5 12.8 × 0.5 25.6 × 0.5 6.4 × 0.5 12.8 × 0.5 25.6 × 0.5 受光面サイズ [mm (H) × mm (V)] 6.4 × 2.5 12.8 × 2.5 25.6 × 2.5 6.4 × 2.5 12.8 × 2.5 25.6 × 2.5 6.4 × 0.5 12.8 × 0.5 25.6 × 0.5 6.4 × 0.5 12.8 × 0.5 25.6 × 0.5 主な特長 •低消費電力 •優れた出力直線性 •広いダイナミックレンジ 主な特長 •ボックスカー出力波形 •簡単な外部読み出し回路 •広いダイナミックレンジ ○ ○ NC ○ Vss 4 19 NC ○ Vscg 5 18 NC NC 6 17 NC Vscd 7 16 NC ○ Vss 8 15 NC ○ ィブビデオ 9 14 NC ○ ミービデオ 10 13 NC ○ ○ ○ ○ ○ 20 Vsub 11 12 エンドオブスキャン ○ ○ ○ ○ ○ 3 KMPDC0021JA 表3-2 ピン名称 (電流出力型) ○ 入 力 ○ ○ ○ 3-2. 電流出力型NMOSリニアイメージセンサ ○ ○ さらに、近赤外感度を高めたS8380/S8381シリーズも用 意しています。 NC st ○ 線に対し感度をもたせた 「FX」タイプがあり、電流出力 型、電圧出力型のいずれのタイプについて供給が可能です。 NC 21 ○ 他の光学素子とのファイバ結合が容易になります。この他 にファイバの入射面上に蛍光体を塗布し、10～100 keVのX 22 2 ○ 特性が安定しています。また、ファイバオプティクプレー トタイプを用いれば、イメージインテンシファイアなどの 1 1 ○ プティクプレートタイプを示します。石英窓タイプは、紫 外感度が高く、紫外線照射に対しても暗電流や感度などの 2 ○ 表3-1に主な製品ラインアップを示します。なお、型名の サフィックスの 「Q」は石英窓タイプ、「F」はファイバオ 図3-2 ピン配置図 (電流出力型) ○ 部で得られるため、外部読み出し回路の構成を簡単にする ことができます。 ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ も配置されています。図3-1に電流出力型の等価回路、図3-2 にピン配置図、表3-2にピン名称と機能を示します。 ○ 出しスイッチ、シフトレジスタを集積化したものです。この 他にダミーダイオード、アンチブルーミング機能用スイッチ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ は紫外感度が高く、暗電流が小さくなるように設計されて います。図3-3に構造図を示します。同図においてaはフォ トダイオードのピッチ、bはフォトダイオードの拡散層の 幅、cはフォトダイオードの高さを示します。 ○ ○ を一時蓄積する機能を備えています。Vssはフォトダイ オードのアノードに接続されています。フォトダイオード 図3-3 受光部の構造図 (電流出力型) ○ 次のタイミングでエンドオブスキャン (EOS)パルスが出力 されます。 拡散層からなるPN接合フォトダイオードから成り、光信 号を電気信号に変える光電変換機能と、得られた信号電荷 ○ スタは素子の温度上昇を抑えるため、低消費電力タイプに なっています。全画素の読み出しが終わると、最終画素の ○ タ動作が開始し、1チャンネル目から順にアドレススイッ チをオンさせるアドレスパルスを発生します。シフトレジ (2) 受光部 受光部は、P型シリコン基板とその上に形成されたN型 ○ 成されており、外部から2相のクロックパルス φ1、φ2を加 えた状態でスタートパルス φstを加えると、シフトレジス 出 力 ○ φ1、φ2、φstはシフトレジスタへの入力パルス端子で す。シフトレジスタはNチャンネルMOSトランジスタで構 ○ ○ ○ (1) シフトレジスタ 接 地 端子機能 クロックパルス 1 クロックパルス 2 スタートパルス 飽和コントロールドレイン 飽和コントロールゲート グランド (アノード電位) サブストレート電位 無接続 信号出力 スイッチングノイズ出力 エンドオブスキャン ○ 電流出力型NMOSリニアイメージセンサは受光部、読み ○ ○ ○ 3-2-1. 電流出力型の構成 端子 φ1 φ2 φst Vscd Vscg Vss Vsub NC アクティブビデオ ダミービデオ エンドオブスキャン ○ 1.0 µm 酸化シリコン ○ ○ 飽和コントロール ゲート 飽和コントロール ドレイン アドレススイッチ a ダミー ビデオ N型シリコン ○ スイッチ部 ○ ○ Vss アンチブルーミング 機能用スイッチ b 1.0 µm 感光部 アクティブ フォトダイオード アクティブ ビデオ 400 µm アドレススイッチ エンドオブ スキャン ○ スイッチ部 MOSシフトレジスタ ○ 2 ○ 1 クロック ○ st クロック ○ スタート ○ 走査回路部 ○ ○ ○ c ○ 図3-1 構造図 (電流出力型) P型シリコン ○ ○ ○ ダミーダイオード S3901シリーズ a=50 µm b=45 µm c=2.5 mm S3904シリーズ a=25 µm b=20 µm c=2.5 mm S3902シリーズ a=50 µm b=45 µm c=0.5 mm S3903シリーズ a=25 µm b=20 µm c=0.5 mm KMPDA0147JA ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ KMPDC0059JA ○ ダミー ダイオード部 5 ノイズの出力信号を得ることができます。なおスパイクノ イズは、アドレスパルスが入った際に、アドレススイッチ された電荷量で、これが飽和電荷量となります。 図3-4 読み出し部の構造 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ド電位はGND電位に近づいていきます。この放電電荷量は 入射光量に比例して増加しますが、その最大量は初期に充電 ○ ○ ○ シフトレジスタからの アドレスパルス ○ ○ ビデオライン 出力信号 フォトダイオード スイッチ N 負荷抵抗 RL N ○ ○ ○ ○ hυ 印加電圧 V ○ ○ ○ ○ ○ P KMPDC0061JA 図3-5 電流－電圧変換方式の等価回路 シフトレジスタからの アドレスパルス ビデオライン 出力信号 スイッチ ○ のゲート－ドレイン間の浮遊容量を介して現れます。 源から充電されます。スイッチがオフして蓄積が始まると、 充電電荷は光入射で生成された電荷によって放電し、カソー ○ されます。電流－電圧変換読み出し方式の際に、2本のビ デオラインからの信号を外部で差動増幅すれば低スパイク フォトダイオードは逆バイアス状態に初期化されます。この 時フォトダイオード接合容量 CjにはQj=Cj × Vbなる電荷が電 ○ ティブビデオラインからは出力信号とスパイクノイズ信号 が、ダミービデオラインからはスパイクノイズ信号が出力 ○ 続されています。シフトレジスタからのアドレスパルスに より、この2つのアドレススイッチが同時に開き、アク ○ てアクティブビデオラインに接続され、ダミーダイオード は別のアドレススイッチを介してダミービデオラインに接 ○ ランジスタからなるアドレススイッチアレイにより構成さ れています。フォトダイオードはアドレススイッチを介し ○ イオードのカソードをソース、ビデオラインをドレイン、 アドレスパルス入力部をゲートとするNチャンネルMOSト のゲートに入り、スイッチがオンします。その結果、フォ トダイオードのカソードはビデオラインと同電位になり、 ○ (4) 読み出しスイッチ 読み出しスイッチは、フォトダイオードまたはダミーダ ○ ○ ○ うにアルミでシールドされています。 ○ 部でスパイクノイズをキャンセルする際のスパイクノイズ 信号を発生させるためのダイオードです。光に感じないよ ○ (3) ダミーダイオード ダミーダイオードは、電流－電圧変換読み出し方式で外 ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 リコン基板)はGND、ビデオラインは正電位 Vbにバイアス されています。 シフトレジスタからアドレスパルスが読み出しスイッチ 6 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 化されます。 このとき負荷抵抗 RLの両端には充電電流に よる電位差が生じ、出力電圧として検出されます。この出 力はビデオラインバイアス電圧 Vbからの負極性の微分波 形です。この信号読み出し方式を電流－電圧変換方式と呼 び、その動作の概略図を図3-6に示します。なお充電電流 供給の際の等価入力抵抗を下げるとともに、出力を正極性 にするため、図3-7のようにオペアンプを用いた負帰還回 路も用いられます。 シフトレジスタからの アドレスパルス +V フォトダイオードの 電位 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 図3-6 電流－電圧変換方式の動作の概略 ○ GND ○ ○ ○ 低出力時 高出力時 ○ パルス入力部をゲートとするNチャンネルMOSトランジス タで構成されています。フォトダイオードのアノード (シ 再びアドレスパルスにより読み出しスイッチがオンする と、蓄積時間中の放電電荷に相当する電荷が負荷抵抗 RL を通じて電源から充電され、フォトダイオードは再び初期 ○ 出しスイッチはフォトダイオードのカソードをソース、ビ デオライン側をドレイン、シフトレジスタからのアドレス ○ フォトダイオードは、P型シリコン基板上に形成したN 型拡散領域からなるPN接合フォトダイオードです。読み KMPDC0062JA 出力電圧 +V ○ 構成を、図3-5にその等価回路をそれぞれ示し、具体的な 読み出し動作について説明します。 印加電圧 V ○ 図3-4にフォトダイオードと読み出しスイッチの1画素の フォトダイオード ○ 3-2-2. 電流出力型の動作原理 負荷抵抗 RL ○ ○ ○ オードにもう1つこのアンチブルーミング機能用スイッチ をつけ、余剰電荷をそちらから逃がす構造にしています。 ○ 浜松ホトニクスのNMOSリニアイメージセンサでは、ビ デオラインへの通常の信号出力経路とは別に各フォトダイ ○ イオードやビデオラインに拡散し、信号の純度が劣化する ブルーミング現象が起こります。 ○ ○ ると、信号電荷は飽和電荷量以上はそのフォトダイオード に蓄積できず、あふれ出した余剰信号電荷は隣接フォトダ ○ されています。 飽和露光量以上の光量があるフォトダイオードに入射す ○ ゲート、飽和コントロールドレイン Vscdをドレインとす るNチャンネルMOSトランジスタからなるスイッチで構成 ○ (5) アンチブルーミング機能用スイッチ アンチブルーミング機能用スイッチ部はフォトダイオー ドのカソードをソース、飽和コントロールゲート Vscgを 時間 KMPDC0063JA ○ ○ 図3-7 オペアンプを用いた電流－電圧変換方式の等価回路 ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 シフトレジスタからの アドレスパルス ビデオライン ○ ○ ○ フィードバック抵抗 Rf ○ - ○ + フォトダイオード ○ ○ ○ 出力信号 ○ スイッチ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 印加電圧 V ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 放電していきます。この光照射に関係のない電流を暗電 流、その出力を暗出力と呼びます。 (4-5項参照) ○ 実際には、前に述べた光生成電流の他にも、空乏層内の 再結合電流や表面リーク電流によって、充電電荷は徐々に ○ ○ KMPDC0064JA ○ ○ ○ 電荷量 Qに比例し、Vout=Q/Cfとなります。また出力波形 はボックスカー波形のため信号処理は容易になります。し かし出力波形の応答は積分容量 Cfの放電時定数で決まる ため最大読み出し周波数は約100 kHzになります。 図3-10に推奨読み出し回路を示します。この方式を用い た評価回路として浜松ホトニクスはC7884シリーズを用意 しています。C7884シリーズではランダムノイズ成分を低 減させるため、後段にクランプ回路を接続しています。 図3-9 チャージアンプによる電流積分回路の構成図 ○ ○ ○ 分容量 Cfも充電されます。そのため積分回路の出力端子に は正極性の積分波形が得られ、その出力電圧 Voutは充電 ○ ○ ○ ○ リセットパルス ○ ○ ○ ○ 積分容量 Cf シフトレジスタからの アドレスパルス ビデオライン スイッチ 出力信号 + 印加電圧 V フォトダイオード ○ ○ ○ KMPDC0066JA 図3-10 電流積分方式の推奨読み出し回路例 +5 V ○ ○ ます。 ○ ダミービデオラインからの信号をそれぞれ電流－電圧変換 した後、両者の差動をとり、スパイクノイズを除去してい ○ が簡略であるという利点をもっています。 図3-8に推奨読み出し回路を示します。ビデオラインと ○ ○ 方式は低出力領域において精度の要求される測定には適し ません。ただし、高速読み出しが可能であることと、回路 からフォトダイオード接合容量に充電され、フォトダイ オードは初期化されます。同時にその充電電流によって積 ○ 電流電圧変換方式における入出力特性は低出力時には傾き が高出力時より大きくなってしまいます。そのため、この セットパルスを用いて放電させます。読み出しスイッチが オンすると、蓄積期間中の放電電荷に相当する電荷が電源 ○ ピーク値の微分波形の面積に対する割合は低下します。読 み出し時の充電電荷量は微分波形の面積に相当するため、 積分回路の構成図を示します。読み出しスイッチがオンす る直前に、チャージアンプの積分容量 Cfを外部からのリ ○ りますが、低出力時と高出力時の出力波形は完全に相似に はならず、低出力時ほどピークに達する時間は長くなり、 ○ を例にとって、読み出し動作の原理を説明しました。この 方式では微分出力波形のピーク値を信号出力として読み取 る方式を用いれば、低出力領域でも精度の高い信号検出を 行うことができます。図3-9にチャージアンプによる電流 ○ (1) 電流－電圧変換方式 前項では電流－電圧変換によって光信号を検知する方式 ○ ○ 3-2-3. 電流出力型の読み出し方式 (2) 電流積分方式 一方、外部回路で充電電流を積分し充電電荷量を求め ○ 図3-8 電流－電圧変換方式の推奨読み出し回路 st EOS 1 1 ダミー ビデオ ○ ○ +5 V ○ ○ ○ ○ NC 10 pF アクティブ ビデオ - Vscd + OP-AMP (JFET ○ Vsub 5.1 kΩ + +2 V + ○ ○ + ○ Vss アクティブ Vsub ビデオ Vscd NC ○ ○ Vscg ○ + ○ ダミー ビデオ ○ ○ + KMPDC0065JA ○ ○ ○ ○ +2 V ○ 2 5.1 kΩ Vss ○ 2 2 Vscg ○ 1 EOS ○ 1 EOS ○ st 2 RESET OPEN ○ 10 kΩ st EOS ○ ○ ○ 10 k st KMPDC0023JA 3 - 2 - 4 . 電流出力型の端子電圧 表3-3に推奨端子電圧を示します。 2相のクロックパルス φ1, φ2とも正極性パルスで、推奨 振幅電圧 Vφは5 V、最小は4.5 V、最大は10 Vです。スター トパルス φstも正極性パルスで、振幅電圧 Vφstはクロック パルス電圧と同じです。シフトレジスタの動作にはDC電 圧の印加は必要ありません。Vss, Vsub, NC端子はいずれ も接地します。 7 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 表3-3 推奨端子電圧 (電流出力型) クロックパルス電圧 スタートパルス電圧 し、同時に飽和電荷量が低下するため注意が必要です。こ の飽和コントロールゲート電圧 Vscgと飽和出力電荷量の 関係を図3-14に示します。 エンドオブスキャン端子は10 kΩの抵抗で5 Vにプルアッ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 暗出力 ○ 0 2 4 6 8 10 ○ ○ 0 ○ ビデオバイアス電圧 (V) 図3-13 微分出力応答時間－ビデオバイアス電圧 ○ ○ ○ ○ KMPDB0061JA ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 300 200 V =5 V V =10 V 100 S3901-512Q 電流電圧変換方式 0 0 2 4 6 8 10 ビデオバイアス電圧 (V) KMPDB0062JA 図3-14 飽和出力電荷量－飽和コントロールゲート電圧 50 40 ○ ○ X. ○ MA ○ 6 ○ ○ 推奨バイアス S3901 20 S3904 ○ 4 30 ○ ビデオバイアス範囲 10 ○ ビデオバイアス電圧 (V) 8 飽和出力電荷量 (pC) ○ ○ ○ 10 ○ 図3-11 ビデオバイアス電圧マージン (電流出力型) ○ ○ プすると、 最終画素出力が出た次のφ2のタイミングで5 V から負極性の信号が得られます。 1 ○ この設定でもブルーミング現象が生じる場合は、Vscgを正 電位にすればブルーミング抑制の効果は高まります。ただ 2 ○ デオラインバイアス電圧 Vbと同じ値です。飽和コント ロールゲート Vscgは接地します。入射光強度が特に強く、 飽和電荷量 ○ Vbを適切に設定する必要があります。 飽和コントロールドレイン電圧 Vscdの推奨電圧は、ビ 3 ○ 時間のVb依存性の測定例を示します。 このように使用状 況に応じてクロックパルス電圧 Vφ、ビデオバイアス電圧 S3901∼S3904シリーズ V =10 V 外部電流積分方式 ○ を5 V, 10 Vとして電流－電圧変換方式で読み出したとき の、クロックパルスが入ってから微分波形のピークまでの 4 ○ 量、暗出力のVb依存性の測定例でVbが2 Vのときの値に規 格化した値を示しています。図3-13にはS3901-512QのVφ 図3-12 飽和電荷量、暗出力－ビデオバイアス電圧 ○ ると出力波形の応答が速くなります。この様子を図3-12、 13に示します。図3-12はVφを10 Vにしたときの飽和電荷 V ○ くなります。同時に暗出力も大きくなりますが、飽和出力 電荷量ほど大きな変化はありません。反対にVbを小さくす 単位 Max. 10 0.4 10 0.4 Vφ-2.5 - ○ します。Vφを大きな値に設定すれば、Vbの設定可能な範 囲は広がります。Vbを大きくすると飽和出力電荷量が大き ○ ます。最大は (Vφ-2.5) V、最小は1.5 Vです。 このVφに対してVbの設定可能な電圧範囲を図3-11に示 ○ える電圧がこれに相当します。Vbの推奨電圧はクロックパ ルス電圧から3 V引いた値で、Vφが5 Vの時には2 Vとなり Typ. 5 Vφ Vφ-3.0 Vb 0 ○ 3-2-2項で説明したように、ビデオラインには正のバイ アス電圧 Vbを加えます。電流－電圧変換方式や、電流積 分方式の読み出し回路のオペアンプの非反転入力端子に加 ○ ○ ビデオバイアス電圧 飽和コントロールドレイン電圧 飽和コントロールゲート電圧 Min. 4.5 0 4.5 0 1.5 - Vb=2 V時に対する 飽和電荷量、暗出力の変化率 (倍) 記号 Vφ1, Vφ2 (H) Vφ1, Vφ2 (L) Vφst (H) Vφst (L) Vb Vscd Vscg High Low High Low 微分出力上昇時間 (ns) 項 目 2 V =5.0 V, Vb=Vscd=2.0 V 外部電流積分方式 ○ ○ ○ MIN. 5 6 7 8 9 10 ○ クロックパルス振幅 (V) ○ KMPDB0043JA 8 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ○ 4 ○ 0 飽和コントロールゲート電圧 (V) KMPDB0063JA スタートパルス φstの大きさはφ1, φ2と同じであり、High レベルでシフトレジスタが動作を始め、信号読み出しを開 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ レベルの間に、φ2は一度だけHighレベルからLowレベルに 変化しなければいけません。 ○ nsオーバーラップしていなければなりません。さらに、シ フトレジスタを正常に動作開始させるためには、φstがHigh ○ ○ 始するため、スタートパルスの間隔で信号蓄積時間が決め られます。φstは最低200 nsの保持が必要で、φ2と最低200 ○ がりで得られるため、クロックパルスの周波数とビデオ データレートは等しくなります。 ○ X1, X2を入れてください。またφ1, φ2とも、最低200 nsの 保持が必要です。フォトダイオードの信号はφ2の各立ち上 ○ φ1, φ2の上昇／下降時間が20 ns以上かかる場合は、(上 昇時間／下降時間 - 20) ns 以上のクロックパルススペース ○ 補な関係にあっても構いませんが、両パルスが同時にHigh になる時間がないようにしてください。 ○ 図3-15に電流出力型の入出力パルスのタイミング図を、表 3-4にクロック条件を、表3-5に波形条件をそれぞれ示します。 2相のクロックパルス φ1, φ2は完全に分離していても相 ○ 3-2-5. 電流出力型の入出力パルスタイミング ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 また、電流出力型のフォトダイオード電位のリセット動 作は、アドレススイッチが開いている読み出し期間内に行 われるため、アドレスパルスに同期した φ2のパルス幅が短 すぎると残像現象の原因になります。φ2は走査動作の機能 しかないため、同じクロックパルス周波数の場合、φ2のパ ルス幅をφ1に比べ長く取る方が、特性的には有利です。た だし、1 MHz以上の高速読み出しの場合には、φ1とφ2の デューティ比は1:1にしてください。 電流出力型の信号を外部電流積分方式で読み出す場合、 この他に積分容量をリセットさせるリセットパルス φreset が必要になります。 図3-16に示すようなタイミングのパル スを用いれば、前述のパルス条件を満足させながら、φ1と φresetを共用することができます。フォトダイオードのリ セット電位を常に安定させるため、φresetの立ち上がりを φ2の立ち下がりより最低50 ns以上離す必要があります。こ の場合もφ1に比べφ2のパルス幅を長く取った方が、フォト ダイオード電位のリセット時間、出力の取り込み時間の点 で有利ですが、φresetのパルス幅が短すぎると積分容量の リセットが完全に行われず、逆に外部回路に起因する残像 現象が発生するため注意が必要です。 表3-4 クロック特性 (電流出力型) 項目 動 作 周 波 数 (Vb = 2 V , V φ= 5 V ) クロックパルスライン容量 (5 V バ イ ア ス ) 飽和コントロールゲート容量 (5 V バ イ ア ス ) ビデオライン容量 (2 V バ イ ア ス ) 記号 f S3901 S3902 S3903 S3904 S3901 S3902 S3903 S3904 S3901 S3902 S3903 S3904 -1 2 8 Q -2 5 6 Q -5 1 2 Q -2 5 6 Q -5 1 2 Q -1 0 2 4 Q -1 2 8 Q -2 5 6 Q -5 1 2 Q -2 5 6 Q -5 1 2 Q -1 0 2 4 Q -1 2 8 Q -2 5 6 Q -5 1 2 Q -2 5 6 Q -5 1 2 Q -1 0 2 4 Q Cφ C scg Cv M in . 0.1 - Typ . 21 36 67 27 50 100 12 20 35 14 24 45 7 11 20 10 16 30 M a x. 2000 - 単位 kH z M in . 200 Typ . 20 - M a x. - 単位 - 20 - 200 - - pF pF pF pF pF pF 表3-5 パルス波形条件 (電流出力型) 項目 スタートパルス上昇／下降時間 スタートパルス幅 クロックパルス上昇／下降時間 クロックパルス幅 スタートパルス－クロックパルス 2 間 オーバーラップ時間 クロックパルススペース S 3 9 0 1 -12 8 Q S 3 9 0 1 -25 6 Q S 3 9 0 1 -51 2 Q S 3 9 0 2 -12 8 Q S 3 9 0 2 -25 6 Q ビ デ オ 遅 延 時 間 (飽 和 の 5 0 % ) S 3 9 0 2 -51 2 Q V b = 2 V , V φ= 5 V S 3 9 0 3 -25 6 Q S 3 9 0 3 -51 2 Q S 3 9 0 3 -10 2 4 Q S 3 9 0 4 -25 6 Q S 3 9 0 4 -51 2 Q S 3 9 0 4 -10 2 4 Q 記号 trφs, tfφs tp w s trφ1 , trφ2 tfφ1 , tfφ2 tp w φ1 , tp w φ2 tφo v 200 - - X1 , X2 trf - 2 0 - 80 120 160 70 110 140 80 120 160 100 150 200 - tvd ns 9 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 図3-17 等価回路 (電圧出力型) ○ ○ ○ 図3-15 パルスタイミング図 (電流出力型) ○ スタート st 走査回路部 クロック 1 クロック 2 ○ ○ tpw 1 1 (H) 1 (L) 2 (H) 2 (L) tpw 2 ○ V V V V tpw s tvd アドレススイッチ 感光部 アクティブ フォトダイオード ソースフォロア 回路部 Vss ○ アンチブルーミング 機能用スイッチ tr s ○ ○ ○ エンドオブスキャン ○ tf s スイッチ部 ダミー ダイオード部 飽和コントロール ゲート 飽和コントロール ドレイン アドレススイッチ ダミー ビデオ ダミーダイオード ○ st tf 1 X1 X2 リセットスイッチ部 ○ tr 1 リセット V ○ リセット 1 ○ tf 2 KMPDC0067JA tr 2 図3-18 受光部の構造図 (電圧出力型) ○ KMPDC0022JA ○ ○ ○ ○ t ov ○ ○ 2 ○ c ○ 図3-16 外部電流積分方式のパルスタイミング例 ○ ○ 50 ns MIN. ○ ○ st ○ b ○ 1, Reset ○ a 酸化シリコン 1.0 µm ○ ビデオ出力 N型シリコン ○ P型シリコン ○ ○ ○ 図3-19 ピン配置図 (電圧出力型) ○ ○ ○ ○ ○ KMPDA0148JA 2 1 22 NC 1 2 21 NC st 3 20 NC Vss 4 19 NC Vscg 5 18 NC リセット 6 17 NC リセットV (Vscd) 7 16 NC Vss 8 15 NC アクティブビデオ 9 14 NC ダミービデオ 10 13 エンドオブスキャン Vsub 11 12 Vdd ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ MOSトランジスタで構成されています。 Vscd端子とリ セットV端子はチップ内部で結線され、共通端子となって ○ ランジスタと、出力信号のインピーダンス変換をするため のソースフォロア回路からなり、いずれもNチャンネル ○ ます。Vdd、リセットVは出力信号回路への電圧入力端子 で、リセットφはパルス入力端子です。出力イッチングト ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ φ1, φ2, Vscd, Vscg, Vss, Vsub, NCの各入力端子、 エンドオ ブスキャン出力端子は電流出力型とく同じ機能をもってい ○ ○ ます。 出力信号処理部以外の構成は電流出力型と同じで、φst, S3921シリーズ a=50 µm b=45 µm c=2.5 mm S3924シリーズ a=25 µm b=20 µm c=2.5 mm S3922シリーズ a=50 µm b=45 µm c=0.5 mm S3923シリーズ a=25 µm b=20 µm c=0.5 mm ○ す。図3-17に電圧出力型の等価回路、図3-18に受光部の構 造図、図3-19にピン配置図、表3-6にピン名称と機能を示し ○ 出しスイッチ、シフトレジスタ、出力信号処理部が集積さ れたもので、出力をボックスカー波形で得ることができま ○ 電圧出力型NMOSリニアイメージセンサは受光部、読み ○ ○ 3-3-1. 電圧出力型の構成 ○ ○ ○ 3-3. 電圧出力型NMOSリニアイメージセンサ ○ ○ ○ KMPDC0024JA 400 µm ○ ○ ○ ○ ○ 1.0 µm ○ 2 います。 10 Vdd アクティブ ビデオ ○ アクティブビデオ出力 エンドオブ スキャン MOSシフトレジスタ スイッチ部 ○ 1 2 V s (H) V s (L) ○ st KMPDC0025JA NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 ○ ○ ○ リセット V ○ ○ Vdd ○ ○ リセット スイッチ ビデオライン アドレス スイッチ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ シフトレジスタからの アドレスパルス ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ フォトダイオード KMPDC0069JA ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 3-3-3. 電圧出力型の読み出し方式 電圧出力型の出力は正電位からの負極性のボックスカー 波形で得られるため、外部回路で反転増幅、オフセット除 去を行います。 図3-21に推奨読み出し回路を示します。この回路のゲイン はRf/Rsとなります。Rsは10 kΩ以上の抵抗値のものを使用し ます。オペアンプの非反転入力側の可変抵抗を変化させてオ フセット調整を行います。 この読み出し方式はビデオライン容量を利用して読み出 すため、ビデオライン積分方式と呼びます。ダミービデオ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 1 2 2 Reset +2.5 V EOS EOS ダミー ビデオ アクティブ ビデオ Rf OPEN Rs 10 k - Reset + Reset V (Vscd) Vscg + Vss Vsub +15 V NC ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ st 1 KMPDC0027JA ○ ○ ○ 3-3-4. 電圧出力型の端子電圧 表3-7に電圧出力型の推奨端子電圧を示します。 φ1, φ2の振幅電圧 Vφ1, Ｖφ2の推奨電圧は電流出力型と 同様に5 Vで、上限は10 V、下限は4.5 Vです。φstの振幅電 圧 Vφsはクロックパルス電圧 Vφと同じ値にし、Vss, Vsub, ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ソースフォロア回路の特性とリセット電位で決まる一定の 電位 (約1.5 V)から負極性で得られます。 ○ ○ ライン側も同様に動作します。負荷用トランジスタのゲー トにはチップ内部で一定電圧が加えられています。出力は st ○ までリセットスイッチもオンさせ、ビデオラインとフォト ダイオードの電位が再び初期化されます。 10 k Vdd ○ スタを流れる電流が変化し、電圧信号として出力端子から 読み出されます。その後、アドレススイッチがオンしたま +5 V + ○ に電荷が充電されます。このビデオラインの電位変化が ソースフォロア回路のゲートに入力され、負荷用トランジ +5 V ○ 電荷の再分配が生じ、フォトダイオード電位とビデオライ ン電位が一致するまでビデオラインからフォトダイオード 図3-21 推奨読み出し回路 (電圧出力型) ○ 力のため放電します。次にアドレススイッチのみがオンす ると、ビデオラインとフォトダイオードの間に容量分割で ○ リセット電圧 Vrに初期化します。両スイッチがオフし、 蓄積時間内にフォトダイオードの充電電荷は光出力や暗出 ○ にリセットパルスをリセットφ端子に入力し、ビデオライ ンとフォトダイオードの電位を、リセットV端子に加える ○ トφ端子をゲート、ビデオラインをドレインとするMOSト ランジスタで構成され、1画素の信号出力を読み出すごと ○ ○ ビデオラインとフォトダイオードの電位を初期化します。 このリセットスイッチはリセットV端子をソース、リセッ ○ 具体的な読み出し動作について説明します。ある時刻に アドレススイッチとリセットスイッチを同時にオンさせ、 ○ 図3-20にフォトダイオードと読み出しスイッチの1画素 と出力信号処理部の等価回路を示します。 ○ 3-3-2. 電圧出力型の動作原理 ○ ○ 出力 リセット ○ 接地 端子機能 クロックパルス 1 クロックパルス 2 スタートパルス 飽和コントロールドレイン 飽和コントロールゲート リセット電圧 リセットパルス ソースフォロアドレイン電圧 グランド (アノード電位) サブストレート電位 無接続 信号出力 スイッチングノイズ出力 エンドオブスキャン 図3-20 読み出し部の構造 (電圧出力型) ○ 入力 端子名 φ1 φ2 φst Vscd Vscg リセット V リセット φ Vdd Vss Vsub NC アクティブビデオ ダミービデオ エンドオブスキャン ○ 表3-6 ピン名称 (電圧出力型) NC端子は接地します。 電圧出力型の場合、フォトダイオードはリセットスイッ チを介してリセットV端子電圧 Vrに初期化されます。この 電圧は電流出力型におけるビデオバイアス Vbに相当しま す。 電圧出力型の場合、このリセット電圧 Vrの推奨電圧 は、クロックパルス電圧 Vφから2.5 Vを引いた値で、Vφ が5 Vのときの推奨値は2.5 Vとなります。なお、Vrの設定 値の上限は (Vφ-2)V、下限は2 Vです。このVφに対してVr 11 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 表3-7 推奨端子電圧 (電圧出力型) 記号 Vφ1, Vφ2(H) Vφ1, Vφ2(L) Vφst(H) Vφst(L) Vrφ (H) Vrφ (L) Vdd Vr Vscd Vscg ○ ○ ○ ○ ○ ○ 10 リセットV電圧 (V) 4 リセットV電圧範囲 ○ ○ ○ ○ 6 ○ 2 ○ ○ MIN. 0 4 5 ○ レイン電圧 Vscdはリセット電圧 Vrと同じ値にして、飽和 コントロールゲート電圧 Vscgは接地します。 X. MA 推奨リセットV電圧 ○ Vdd端子から定電圧を印加します。この電圧 Vddはクロッ クパルス電圧 Vφと同じ値にします。飽和コントロールド 8 6 7 8 9 10 ○ パルス電圧 Vφと同じ値にします。 出力処理回路部のソースフォロア回路のドレインには ○ ○ 必要があります。リセットパルスはCMOSコンパチブルの 正極性パルスで、リセットパルス振幅電圧 Vrφはクロック V ○ くすると出力応答が速くなります。使用状況に応じてク ロックパルス電圧 Vφとリセット電圧 Vrを適切に設定する 単位 Max. 10 0.4 10 0.4 10 0.4 10 Vφ-2.0 - 12 ○ 同様にVφを大きな値に設定すれば、Vrの設定可能な範囲が 広がり、Vrを大きくすると飽和電荷量を大きくでき、小さ Typ. 5 Vφ Vφ Vφ Vφ-2.5 Vb 0 図3-22 リセット電圧マージン (電圧出力型) ○ の設定可能な電圧範囲を図3-22に示します。電流出力型と Min. 4.5 0 4.5 0 4.5 0 4.5 2.0 - ○ High クロックパルス電圧 Low High スタートパルス電圧 Low High リセットパルス電圧 Low ソースフォロアドレイン電圧 リセット電圧 飽和コントロールドレイン電圧 飽和コントロールゲート電圧 ○ 項目 も200 ns以上に設定しなければなりません。またリセット 電位を常に安定させるため、φ2の立ち上がりをリセットパ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ エンドオブスキャン ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ tvd アクティブビデオ出力 tf s ○ ○ ○ tr s ○ ○ ○ ○ tf 1 1 tf 2 X2 X1 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 12 Vr (H) Vr (L) tr 1 ○ ルスの立ち下がりから最低50 ns以上遅らせる必要がありま す。 リセット 2 ○ ミング図のようにφ2のパルス幅をφ1に比べ長く取る方が、 特性的には有利です。ただし、φ1, φ2のパルス幅は最低で tpw 2 t ov ○ す。φ1は走査動作の機能しかないため、電流出力型と同様 に、同じクロックパルス周波数でも、図3-24に示したタイ tpw 1 1 (H) 1 (L) 2 (H) 2 (L) st ○ このオーバーラップ時間が短すぎるとフォトダイオード 電位のリセットが完全に行われず残像現象の原因になりま ○ りリセットパルスはφ2がHighレベルの時に立ち上がり、φ2 がLowレベルの時に立ち下がるようにします。 2 V V V V ts r-2 t ovr td r-2 リセット tfr trr ○ 間に行われます。そのため、リセットパルスは必ずクロッ クパルス φ2とオーバーラップしなければなりません。つま 1 tpw s V s (H) V s (L) ○ す。電圧出力型のリセット動作は電流出力型と違い、アド レススイッチとリセットスイッチを同時にオンしている期 図3-23 パルスタイミング図 (電圧出力型) ○ グは電流出力型と全く同じです。信号はφ2が立ち上がって からリセットパルス φrが立ち上がるまでの期間で得られま KMPDB0047JA st ○ 示します。 クロックパルス φ1, φ2とスタートパルス φstのタイミン ○ 図3-23に電圧読み出し型の入出力パルスのタイミング図 を、表3-8にクロック条件を、表3-9に波形条件をそれぞれ ○ 3-3-5. 電圧出力型の入出力パルスタイミング ○ ○ クロックパルス電圧 (V) KMPDC0026JA NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 表3-8 クロック特性 (電圧出力型) 項目 動作周波数 (Vr=2.5 V, Vφ=Vdd=5 V) クロックパルスライン容量 (5 V バイアス) S3921 S3922 S3923 S3924 記号 f -128Q -256Q -512Q -256Q -512Q -1024Q リセットパルス端子容量 (5 V バイアス) 飽和コントロールゲート容量 (5 V バイアス) S3921 S3922 S3923 S3924 Min. 0.1 - Typ. 21 36 67 27 50 100 6 12 20 35 14 24 45 記号 trφs, tfφs tpws trφ1, trφ2 tfφ1, tfφ2 tpwφ1, tpwφ2 trrφ, tfrφ Min. 200 Typ. 20 - Max. - - 20 - 200 - 20 - tφov 200 - - tφovr 660 - - tdφr-2 X1, X2 tsφr-2 50 trf -20 0 - 100 150 200 100 150 200 - Cφ Cr -128Q -256Q -512Q -256Q -512Q -1024Q Cscg Max. 500 - 単位 kHz pF pF pF - pF pF 表3-9 パルス波形条件 (電圧出力型) 項目 スタートパルス上昇／下降時間 スタートパルス幅 クロックパルス上昇／下降時間 クロックパルス幅 リセットパルス上昇／下降時間 スタートパルス－クロックパルス 2 間 オーバーラップ時間 クロックパルス 2－リセットパルス間 オーバーラップ時間 クロックパルス 2－リセットパルス遅延時間 クロックパルススペース クロックパルス－リセットパルススペース -128Q S3921 -256Q S3922 ビデオ遅延時間 -512Q (飽和の 50 %) -256Q Vr=2.5 V, Vφ=Vdd=5 V S3923 -512Q S3924 -1024Q tvd 単位 ns 図3-24 パルスタイミング例 (電圧出力型推奨回路) st 1 2 Reset 50 ns MIN. ビデオ出力 KMPDC0028JA 13 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ す。なお、第6章で紹介するNMOSリニアイメージセンサ 用駆動回路を用いて測定を行っています。 ○ 本章ではNMOSリニアイメージセンサの基本的な諸特性 について説明します。また具体的な測定例も併せて示しま ○ ○ 4. NMOSリニアイメージセンサ の諸特性 ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 推奨動作条件の場合、ソースフォロア回路の出力の上限は 約1.3 Vです。 図4-2, 3にはS3921/S3922シリーズ、およびS3923/S3924 シリーズの測定例をそれぞれ示します。出力電圧はセンサ 出力端子電圧を示しています。なお光源はA光源を用いて います。 図4-2 入出力特性測定例 [電圧出力型 (50 μmピッチ)] 104 ○ ○ ○ ○ 4-1. 入出力特性 在するため、最終的な飽和出力電圧はその上限値によって も制限されます。 ｢リセット電圧=2.5 V, Vdd=Vφ=5 V｣の S3921-128Q ○ ○ 103 出力電圧 (mV) ○ ○ S3921-256Q 102 S3921-512Q S3922-128Q S3922-256Q 101 S3922-512Q ○ ○ ○ ○ 量 (lx・s)で表されます。 ○ は、第2章で述べたように電荷蓄積読み出し方式で動作し ており、入射光量は照度 (lx)と蓄積時間 (s)の積、入射露光 ○ イメージセンサの入射光量と信号出力の関係を示したも のを入出力特性といいます。NMOSリニアイメージセンサ ○ 100 A光源 (2856 K) リセット V=2.5 V Vdd=5.0 V V =5.0 V ○ ○ 100 ○ 10-1 ○ 図4-3 入出力特性測定例 [電圧出力型 (25 μmピッチ)] ○ ○ ○ ○ KMPDB0065JA ○ 104 S3924-256Q 103 S3924-512Q 出力電圧 (mV) S3924-1024Q 102 S3923-256Q S3923-512Q 101 S3923-1024Q ○ ○ ○ 102 10-2 ○ ○ 図4-1 入出力特性測定例 (電流出力型) 10-3 ○ ○ オライン容量が変化しても出力は変わりません。 10-4 入射露光量 (lx · s) ○ ランプ (A光源)を用いています。感度は波長依存性をもつ ため使用光源によって変わります。画素数が異なり、ビデ 10-1 10-5 ○ もち、その点における入射露光量を飽和露光量、出力電荷 量を飽和電荷量と呼びます。光源は2856 Kのタングステン ○ 加しても、出力電荷量の上限はフォトダイオード接合容量 に充電できる電荷量で決まるため、入出力特性は屈曲点を ○ す。図4-1に外部積分回路で読み出した場合のS3901～ S3904シリーズによる測定例を示します。入射露光量が増 ○ 電流出力型の場合、出力は出力電荷量 (pC)で表されま ○ ○ 4-1-1. 電流出力型の入出力特性 100 A光源 (2856 K) リセットV=2.5 V Vdd=5.0 V V =5.0 V ○ S3901シリーズ ○ 101 ○ ○ S3903シリーズ 10-4 10-3 10-2 10-1 100 入射露光量 (lx · s) KMPDB0066JA ○ ○ 10-1 10-4 10-3 10-2 10-1 ○ ○ 4-2. 直線性変動率 ○ ○ 100 ○ 10-3 10-5 A光源 (2856 K) Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 ○ 10-2 す。さらにソースフォロア回路には出力電圧の上限値が存 ○ ○ ○ ○ ○ 前項において入出力特性を対数グラフで示したときのグ ラフの傾きγの値はほぼ1ですが、実際の入出力特性はγ=1 よりわずかにずれています。このずれを直線性変動率 (リ ニアリティエラー)と呼び、ある点におけるγ=1からのずれ ΔXを、そのときの出力Xで割った値をパーセント表示で表 します。 電流出力型の場合、外部回路で電流積分読み出しを行え ば、直線性変動率は飽和の95 %以下の出力では小さく、精 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ てフォトダイオードの大きさが同じでも感度と飽和出力電 圧はビデオライン容量 (画素数)によってそれぞれ異なりま ○ はアドレススイッチが入ったときのフォトダイオードとビ デオラインとの間の電荷の再分配で決まります。したがっ ○ その点における入射露光量を飽和露光量、出力電圧を飽和 出力電圧と呼びます。3-3-2項で説明したように、出力電圧 ○ 電圧出力型の場合、出力は出力電圧 (mV)で表されま す。電流出力型と同様、入出力特性には屈曲点が存在し、 ○ 4-1-2. 電圧出力型の入出力特性 ○ ○ KMPDB0064JA ○ ○ ○ 入射露光量 (lx · s) 14 10-1 10-5 ○ S3902シリーズ ○ 100 ○ 出力電荷量 (pC) ○ S3904シリーズ 度の要求される測定に適しています。飽和電圧の95 %以上 では、一部がアンチブルーミング機能用スイッチに流れ始 めるため、出力はγ=1より小さくなり、直線性変動率は-1 %以上になります。 電圧出力型の場合、出力はビデオライン容量とフォトダ イオード接合容量によって決まりますが、接合容量が電圧 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ があります。 ○ なります。このように電圧出力型は、取り扱いは簡単です が直線性変動率が飽和に近づくほど大きくなるという欠点 ○ 4-4に電圧出力型の直線性変動率を示します。飽和の10 % の露光量では-2 %で、それ以上では -2～-数十%と大きく ○ ○ 依存性をもち飽和に近づくほど大きくなるため、出力は γ=1より小さくなり、直線性変動率は大きくなります。図 ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 ○ ○ 図4-4 直線性変動率測定例 (電圧出力型) ○ ○ ○ 10 ○ 温度上昇による上述の光吸収係数の増加が主な原因で、感 度は温度に対しリニアに変化します。図4-6にNMOSリニ アイメージセンサの各波長ごとの1 °Cあたりの感度の変化 率 (温度係数)を示します。ある波長の温度係数をCλ (%/°C) とし、温度がΔT (°C)低くなると、感度はCλ･ΔT (%)下がり ます。長波長ほど感度の変化が大きく、最大感度波長より 長波長側で特にこの傾向が顕著です。 図4-5 分光感度特性例 ○ -10 近にしてあります。 素子の温度が変わると、分光感度も変化します。これは 0.25 Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 ○ S3923シリーズ ○ -20 ○ S3924シリーズ S3922シリーズ 0.20 ○ S3921シリーズ 10-1 ○ 100 受光感度 (A/W) 10-2 ○ ○ ○ 飽和露光量 0.15 0.10 ○ -30 A光源 (2856 K) リセットV=2.5 V Vdd=5.0 V V =5.0 V -40 10-3 10-4 ○ ○ 直線性変動率 (%) ○ ○ 0 た短波長光と長波長光の感度比率を小さくするため、ウェ ル構造を採用し長波長感度を抑え最高感度波長を600 nm付 S3904-1024Q ○ 入射露光量 (lx・s) ○ 0.05 S3904-1024F ○ ○ KMPDB0067JA ○ ○ 0 200 400 600 800 1000 1200 ○ 4-3. 分光感度特性 ○ ○ 波 長 (nm) KMPDB0068JA ○ ○ 温度係数 (%/℃) ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ S3901-512Q S3904-1024Q 0.5 0 Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 ロセスロットによって山谷の現れ方は多少異なります。 PN接合の形成方法を工夫し、｢Qタイプ｣の場合、窓材は石 英を用いているため紫外域まで高い感度をもっています。 さらに解像度の悪い赤外光の特性への影響を小さくし、ま ○ ○ 1000 1200 ○ 800 ○ ○ 波 長 (nm) 4-4. 感度不均一性 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ KMPDB0069JA イメージセンサには多数のフォトダイオードが配列され ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 接合の拡散深さなどが違えば分光感度特性は変わります。 図4-5にS3904-1024Q, Fの分光感度の測定例を示します。プ ○ この入射光の波長ごとの感度を表したものを分光感度特 性といいます。同じシリコンでも、使用基板の種類やPN 600 ていますが、それぞれのフォトダイオードの感度には、ば らつきがあります。これはシリコン基板内の結晶欠陥や製 造工程における加工や拡散のばらつきなどに起因していま す。浜松ホトニクスのNMOSリニアイメージセンサでは、 フォトダイオードの有効受光面の全面に均一な光を入射し たときの全画素の出力のばらつきを感度不均一性として次 式のように定義しています。 ○ などの表面保護膜による入射光の干渉、反射、吸収のされ 方も波長によって異なり感度に影響します。 400 ○ て出力される確率は、キャリア生成深さによって変わり波 長依存性をもちます。さらにフォトダイオード上の酸化膜 ○ おり、生成されてから一定の距離 (拡散長)しか拡散できな いので、同じ入射光量が入っても空乏層に到達し信号とし ○ どシリコン基板深部まで到達し、キャリアの生成位置が深 くなります。一方キャリアは一定のライフタイムをもって -0.5 200 PRNU = (ΔX / X) × 100 (%) ○ また、シリコンの光吸収係数は波長によって異なり、長 波長ほど吸収係数が小さくなります。すなわち長波長光ほ ○ ○ 長は1100 nmになり、シリコンではこれ以上の長波長の光 を検出することができません。 ○ 波長はλ(nm)=1239.5/Eg (eV)で与えられます。シリコンの バンドギャップは常温で1.12 eVなので、シリコンの限界波 ○ 信号として読み出されます。このため、バンドギャップよ り小さいエネルギーの光は感じることができず、この限界 1 ○ ます。この生成電荷は、拡散によってフォトダイオードの 空乏層に到達し、電界で加速され接合を通過し、蓄積され 図4-6 分光感度の温度特性例 ○ ギーがシリコンのバンドギャップ Egより大きいと、価電 子帯の電子が伝導帯に励起され、電子－正孔対が生成され ○ ○ PN接合で形成された受光部に、入射した光のエネル 15 なお受光窓上の傷や汚れが特定画素上の窓材の透過率を 下げ、出力ユニフォミティを悪化させることがありますか ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ら、取り扱いには注意が必要です。 ○ フォミティを実現しています。なお、最大規格は±3 %以内 です。 ○ を示します。フォトダイオード長さが2.5 mmの場合、通常 平均出力値に対し、ばらつきは±1 %以内で良好な出力ユニ ○ 連続性が中間の画素と異なるため、規格から除いていま す。図4-7にS3901-512Qの全画素の感度不均一性の測定例 ○ 力値は飽和出力の50 %とし、使用光源はA光源です。また 1画素目と最終画素の出力は、画素の配列や入力パルスの ○ ここでXは全画素の出力の平均値、ΔXは最大または最小 出力画素の出力とXとの差の絶対値です。測定時の平均出 ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 ○ ○ 図4-7 感度不均一性 (測定例) ○ ○ ○ 3 ○ 1 がって素子の使用温度の上限は暗出力の大きさで制限を受 けますし、精度の必要な測定では素子温度を制御する必要 があります。また電子冷却素子を用いて素子を冷却すれば 暗電流は下がり、蓄積時間を長く設定できるため微弱光測 定が可能になります。 図4-8には、電流出力型 S3901～S3904シリーズの暗電流 の温度特性を示します。表4-1には25 °Cにおける暗電流 値 (標準値、最大値)を示します。図4-9, 10にはS3901/S3904 シリーズの素子温度を変化させた場合の暗出力電荷量の蓄 積時間依存性をそれぞれ示します。図4-11にはS39041024Qの暗電流ユニフォミティの測定例を示します。浜松 ホトニクスのNMOSリニアイメージセンサは暗出力、暗出 力不均一性を小さく抑えるように設計されていますが、暗 出力不均一性は出力均一性ほどは良好ではなく、また小さ な突起が見られることもあります。 ○ ○ ○ S3901-512Q 流は2倍になります。1 °Cあたりでは1.15倍変化し、温度が ΔT (°C)変化すると暗電流は (1.15) ΔT倍になります。した 図4-8 電流出力型: 暗電流－温度 (測定例) 102 ○ ○ 0 ○ -1 ○ 感度不均一性 (%) ○ ○ 2 指数関数的に変化します。浜松ホトニクスのNMOSリニア イメージセンサの場合、温度が約5 °C上昇するごとに暗電 200 300 400 ○ ○ S3904シリーズ ○ 100 500 10-2 S3903シリーズ ○ ○ 10-4 Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 ○ ○ 4-5. 暗出力 S3902シリーズ 10-3 ○ KMPDB0070JA 10-1 ○ ○ ○ 画 素 (ch) 暗電流 (pA) 100 ○ 0 ○ -3 ○ -2 S3901シリーズ 101 ○ 飽和の50 % A光源 (2856 K) Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 ○ ○ 0 20 40 60 ○ -20 ○ ○ 温 度 (˚C) 図4-9 暗電流－蓄積時間 (S3901シリーズ) ○ ○ ○ ○ KMPDB0071JA ○ (Typ.) ○ ○ ○ 102 暗出力電荷量 (pC) ○ ○ ○ 101 ID=0.2 pA (25 ˚C) 40 ˚C Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 30 ˚C 100 20 ˚C 10-1 0 ˚C 10 ˚C -10 ˚C -20 ˚C ○ ○ 10-2 ○ ○ -30 ˚C 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 るキャリアの数が増えるため、暗電流は素子の温度に対し 16 ○ ○ 温度が高いほど熱によって伝導帯から価電子帯に励起す ○ ○ ○ ID = Cf · Vd/Ts 蓄積時間 (s) ○ ○ ○ 暗出力電荷量 Qd (pC)はCf・Vdで与えられます。蓄積時間 をTs (s)とすると暗電流 ID (pA)は次式で与えられます。 ○ NMOSリニアイメージセンサを外部電流積分回路で読み出 す場合、暗出力電圧をVd (V)、積分容量をCf (pF)とすると 10-5 -40 ○ ○ 間に比例して増加します。したがって蓄積時間は暗出力の 大きさを考慮して決めなければなりません。電流出力型 ○ す。 暗出力電荷量は暗電流と蓄積時間の積で表され、蓄積時 ○ 素ごとに暗出力を減算する信号処理を行わない場合には、 暗出力を光出力に比べ無視できる値に抑える必要がありま ○ のダイナミックレンジが狭くまります。また暗出力にもば らつきが存在し、それが光出力とともに出力されるので画 ○ 充電電荷が放電することによって発生します。出力の上限 は飽和電荷量で制限されるため、暗出力が大きいと光出力 ○ います。暗出力は、フォトダイオードの空乏層内での再結 合電流や表面のリーク電流などによりフォトダイオードの ○ 光が照射されていない場合の出力を暗出力 (暗電流)とい KMPDB0072JA NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 ○ 図4-10 暗電流－蓄積時間 (S3904シリーズ) ○ ○ (Typ.) ○ ○ ○ ○ ○ ○ ID=0.1 pA (25 ˚C) 40 ˚C Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 101 ○ ○ ○ 20 ˚C 0 ˚C ○ ○ 10-1 -10 ˚C ○ 10 ˚C 10-2 ○ ○ -20 ˚C 101 102 103 104 ○ 100 ○ -30 ˚C 10-1 ○ 10-3 10-2 ここでVW, VBは白画像、黒画像の出力、VWO, VBOは実 際の出力の白レベル、黒レベルをそれぞれ示します。一 方、正弦波パターン像入力に対する出力の度合はMTF (Modulation Transfer Function)で定義されます。 ○ 30 ˚C 100 ○ 暗出力電荷量 (pC) VWO - VBO × 100 [%] VW - VB ○ 102 CTF = ○ 図4-11 暗電流ユニフォミティ測定例 (S3904-1024Q) ○ ○ KMPDB0073JA ○ ○ ○ 蓄積時間 (s) ○ ○ ○ ○ ○ ○ 0.15 返しパターンの数で、図4-12においてはパターンの白から 白までの距離の逆数に当たります。単位は通常、｢Line Pair/ mm｣が用いられます。図でもわかるように入射パターンが 細かいほど、すなわち空間周波数が高いほどCTFは低下し ます。 浜松ホトニクスのNMOSリニアイメージセンサの解像度 はMTFで定義しています。実際はスリット光を受光部に移 動させながら当てて、ある1画素の出力応答を測定し、そ れをフーリエ変換することによって空間周波数とMTFの関 係を求めています。図4-13, 14にS3901-512Q, S3904-1024Q について、スリット光を移動させたときの出力応答をそれ ぞれ示します。横軸は出力測定を行う、ある1つのフォト ダイオードの中心に対するスリット光の移動距離で、｢0｣ はスリット光がフォトダイオードの中心に当たっている状 ○ ○ ○ ○ 暗電流 (pA) ○ 0.10 入射パターンの白黒の間隔の細かさは、入射像の空間周 波数で与えられます。空間周波数は単位長さ当たりの繰り ○ ○ ○ ○ 0.05 ○ ○ ○ 400 600 800 1000 ○ KMPDB0074JA ○ ○ ○ 画 素 (ch) ○ ○ 表4-1 電流出力型の暗電流値 ○ ○ ○ います。図4-13, 14からスリット光を移動した際の出力応 答の半値幅は、600 nmではフォトダイオードピッチの80 % であることがわかります。 図4-12 CTF特性 ○ ○ ○ ○ ○ ル構造を採用しており、深い所で発生したキャリアは基板 側に吸い取る構造のため、長波長光の解像度劣化を抑えて ○ ○ 1 LINE PAIR ○ ○ 白レベル 入射光 黒レベル ○ Max. 0.6 0.15 0.08 0.3 離も長くなり隣接画素へ漏れ込む確率が高いからです。し かし浜松ホトニクスのNMOSリニアイメージセンサはウェ (a) (d) ○ 出力 VBO VB ○ ○ (c) 画素ピッチ ます。この入力に対する出力の変調の度合をCTF (Contrast Transfer Function)といい、次式で定義されます。 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ の違う白黒の繰り返し矩形波パターン像を入射すると、そ の繰り返し間隔が短くなるほど白黒の出力差が小さくなり KMPDC0070JA ○ オードが規則的に並んでいるため、入射像を各画素ごとに 分離して出力します。したがって図4-12に示すように間隔 CTF= Vwo-VBO ×100 [%] Vw-VB ○ 解像度とは入射光のパターンを、出力においてどれだけ 細かく再現できるかを示す度合のことをいいます。イメー ジセンサの受光部は連続的ではなく、多くのフォトダイ ○ ○ ○ 4-6. 解像度 (b) Vw Vwo ○ Typ. S3901 シリーズ 0.2 S3902 シリーズ 0.08 S3903 シリーズ 0.04 S3904 シリーズ 0.1 外部電流積分方式、Vb=2 V, Vφ=5 V ほど基板深部で光電変換が行われるため、発生した電荷が PN接合の空乏層に到達するまでに、横方向に拡散する距 ○ 型名 暗電流 Ta=25 °C (pA) 解像度にも波長依存性があり、長波長光ほど解像度が悪 くMTFが低いことが図からわかります。これは長波長の光 ○ 200 ○ 0 0 Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 態に相当します。また図4-15, 16にはその出力応答から求 めたMTF特性をそれぞれ示します。 17 ○ ○ 4-7. 残像 ○ 図4-13 スリット光を入射したときの出力応答特性例 (S3901-512Q) ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 ○ 1 ○ ○ ○ ○ 0.6 白色光 0.4 ○ ○ 相対出力 ○ ○ ○ 0.8 ○ Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 5 µmスリット光 ○ ○ 800 nm 0.2 ○ ○ 600 nm 0 -100 -50 50 100 ○ 0 ○ ○ ○ 図4-14 スリット光を入射したときの出力応答特性例 (S3904-1024Q) ○ ○ KMPDB0075JA 1 ○ ○ ○ 800 nm ○ 白色光 ○ 0.6 ○ 0.4 ○ 相対出力 ○ ○ 0.8 ○ Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 5 µmスリット光 ○ 600 nm 0 -50 -25 25 50 ○ 0 ○ ○ ○ ○ 0.2 ○ ○ 距 離 (µm) ○ KMPDB0076JA ○ ○ 図4-15 MTF特性測定例 (S3901-512Q) ○ ○ ○ 1 ○ ○ 0.8 17で説明します。光が時刻 Tに明状態から暗状態に変化 したとします。時刻 Tの次の1回目の読み出し時には蓄積 時間内に光が当たっていたため、ある出力信号が読み出さ れます。その次の2回目の読み出し時には蓄積時間内に光 は当たっていないため、本来、光信号は読み出されませ ん。しかし、1回目の読み出し時にすべての信号を完全に 読み出せないと、光信号が無いはずの2回目の読み出し時 にその信号が読み出されてしまいます。このように残像は 入射光の急激な変化に出力が完全に追随できないために生 じ、これによって時間に対する信号の精度が低下します。 残像は、フォトダイオードの電位の初期化が完全に行わ れないために起こります。電流出力型の場合、フォトダイ オードのリセット動作は第2章で述べたように、アドレス スイッチがオンしている間に電源からフォトダイオード容 量を充電し、フォトダイオード電位をある正電位にするこ とによって行います。その充電時定数はフォトダイオード 容量 Cpとアドレススイッチのオン抵抗 Ronで決まるため、 アドレス時間が短いと完全に充電電荷を注入しきれず、本 来のリセット電位より低い電圧にリセットされてしまいま す。次の読み出し時には光が当たっていなくても、その低 い電位から実際のリセット電位に電荷が充電されるため、 その充電電流によって信号が読み出されます。 このように残像とリセット時間の間には密接な関係があ り、高速読み出しになるほど残像量は増加します。図4-18 にはS3901/S3904シリーズを電流－電圧変換で読み出した 場合のリセット時間と残像量の関係の測定例を示します。 残像量は入射光を明状態から暗状態に変化させ、ある出力 ○ 白色光 走査時にも前回の走査で出力されるべき出力信号が残る現 象をいい、タイムラグ現象とも呼ばれます。具体例を図4- ○ ○ ○ 距 離 (µm) 残像とは、1回の走査で出力信号を読み出した後、次の 0.6 ○ ○ MTF 800 nm ○ 600 nm ○ ○ ○ 0.4 ○ 0.2 2 4 6 8 ○ 10 ○ 0 ○ 0 ○ Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 ○ ○ 空間周波数 (Line pair/mm) ○ ○ ○ 1 ○ 図4-16 MTF特性測定例 (S3904-1024Q) ○ ○ KMPDB0077JA ○ ○ ○ 0.8 白色光 ○ MTF ○ 0.6 ○ 800 nm 0.4 ○ ○ ○ 600 nm 0.2 ○ ○ 0 4 8 12 16 20 ○ ○ 0 ○ Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 KMPDB0078JA 18 ○ ○ 空間周波数 (Line pair/mm) を読み出した次の読み出し時の出力を実際1回目に読み出 されるべき出力で割ったパーセントで示しています。リ セット時間が長いほど残像量が指数関数的に減少し、フォ トダイオード面積の大きいS3901シリーズでもリセット時 間を2.5 µs以上取れば、読み残し量が0.1 %以下になること がわかります。 電流出力型の場合は、前述したようにアドレススイッチ がオンしている時間 (クロック2が入っている時間)がリセッ ト時間に相当しますが、電圧出力型の場合はアドレスス イッチが入り、さらに外部からリセットスイッチへのリ セットパルスが入っている時間にリセット動作が行われる ため、リセット時間はクロック2とリセットパルスのオー バーラップしている時間に相当しますので注意が必要で す。図4-19にはS3921/S3924シリーズのクロック2とリセッ トパルスのオーバーラップ時間と残像量の関係の測定例を 示します。オーバーラップ時間が長いほど残像量が指数関 数的に減少し、S3921-512Qでもリセット時間を2 µs以上取 れば、読み残し量が0.1 %以下になることがわかります。 ○ ○ ○ ○ ○ 図4-17 残像 NMOSリニアイメージセンサのノイズは固定パターンノ イズとランダムノイズに大別されます。 固定パターンノイズにはスパイクノイズと暗出力があり ます。スパイクノイズは、アドレスパルスが入ったときに MOSスイッチのドレイン－ゲート間容量を介してビデオラ インに現れるスイッチングノイズです。これらのノイズの 大きさは読み出し条件によって一定で、いずれも画素ごと にソフトウェア上で減算処理ができます。 一方、ランダムノイズは信号が出力される過程で起こる 不規則な電圧、電流、電荷のゆらぎによって生じ、センサ 内部で発生するものと読み出し回路で発生するものがあり ○ ○ ○ ○ ○ ○ 入射光 4-8. ノイズ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ い、安定してからデータの取り込みを行います。 ○ 理の時間に余裕がある場合は、残像の影響を少なくするた め信号変化後、出力が定常状態になるまでダミー走査を行 ○ 出しにも影響し、定常出力状態になるまで何回かの読み出 しが必要になります。このとき入射光の変化に対し信号処 ○ 実際の出力よりも小さい信号が出力されます。また読み残 し量が大きい場合は、残像は1回だけでなく数回後の読み ○ これまで光が急激に減少した場合について説明しました が、逆に増加した場合も同様な現象が起こり、この場合は ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 ○ ○ ○ 光出力 ○ 残像量 ○ KMPDC0071JA ○ ○ 時間 ○ ○ 暗出力 ○ 出力 ○ ○ 図4-18 残像量測定例 (電流出力型) 100 ○ ○ ○ ○ Vb=2.0 V V =5.0 V 電流−電圧変換方式 出限界、つまりダイナミックレンジの下限を決定します。 浜松ホトニクスでは実際の使用状態を想定し、NMOSリニ アイメージセンサ単体でなく、読み出し回路からの最終出 力においてランダムノイズの評価を行っています。以下に 電流出力型と電圧出力型それぞれについて、浜松ホトニク スの駆動回路で読み出した場合のランダムノイズについて 説明します。なお、ノイズ量はイメージセンサへの入力電 荷量に換算した等価入力雑音電荷量で示し、単位は実効雑 音電子数 (electrons r.m.s.)です。 ○ ○ 10 ます。固定パターンノイズを外部回路で減算処理した場 合、ランダムノイズがイメージセンサの微弱光に対する検 ○ ○ ○ ○ 1 ○ ○ 残像量 (%) ○ S3901シリーズ 電流出力型NMOSリニアイメージセンサを外部電流積分 方式を用いて読み出す場合、ランダムノイズの成分は次の 5種類となります。 ○ 0.1 4-8-1. 電流出力型のランダムノイズ 1 2 3 ○ 0 ○ 0.01 ○ ○ ○ ○ S3904シリーズ ○ 100 ○ ○ ○ ○ リセットV=2.5 V Vdd=5.0 V V =5.0 V ○ ○ ○ ○ 1 ○ ○ ○ S3924-1024Q 0.01 2 ○ ○ ○ KMPDB0080JA ○ ○ リセットパルスとクロック2のオーバーラップ時間 (µs) ○ ○ 1 3 ○ ○ ○ ○ ○ ○ 0.1 ○ 残像量 (%) ○ ○ S3921-512Q 0 (5) 読み出し回路の電圧性ノイズ ○ 図4-19 残像量測定例 (電圧出力型) 10 (3) 読み出し回路の積分容量のリセットノイズ (4) 読み出し回路の電流性ノイズ ○ KMPDB0079JA ○ ○ ○ リセット時間 (µs) (1) 暗電流によるショットノイズ (2) フォトダイオードのリセットノイズ 図4-20に電流出力型NMOSリニアイメージセンサを外部 電流積分回路で読み出した場合のノイズ量を示します。横 軸はフォトダイオード容量とビデオライン容量の和です。ま た、読み出し速度は1画素あたり64 µs、蓄積時間は100 ms、 素子温度は15 °Cで動作させています。ノイズ量は画素サイ ズ、画素数によって異なり、2000～3500 electrons r.m.s.です。 通常、電流積分回路では (3)の積分容量をリセットする 際に発生するリセットノイズが支配的になります。しか し、リセット直後の期間に、信号を強制的に一定電位 (GND)に固定するクランプ回路を導入することにより、こ の成分を大幅に低減させることができます。そのためノイ ズ量は (5)の読み出し回路の電圧性ノイズと (2)のフォトダ イオードのリセットノイズが大きな成分になっています。 読み出し回路の電圧性ノイズはビデオライン容量とフォト ダイオード容量の和に、フォトダイオードのリセットノイ ズはフォトダイオード容量の平方根にそれぞれ比例して増 加します。フォトダイオード面積が大きいS3901/S3904シ 19 い場合があります。 飽和出力電荷量と図4-20に示したノイズ量を電荷に換算 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ DR 9.5 × 104 9.1 × 104 8.7 × 104 2.5 × 104 2.4 × 104 2.3 × 104 1.2 × 104 1.0 × 104 0.9 × 104 4.4 × 104 4.2 × 104 4.0 × 104 ADC 16 15 14 15 ○ ○ ○ ○ 型名 S3901-128 -256 -512 S3902-128 -256 -512 S3903-256 -512 -1024 S3904-256 -512 -1024 4-8-2. 電圧出力型のランダムノイズ 電圧出力型NMOSリニアイメージセンサを外部で反転増 幅方式を用いて読み出す場合、ランダムノイズの成分は次 の6種類で表されます。 ○ 4-2に電流出力型のダイナミックレンジを示します。 ○ ○ した値をそれぞれダイナミックレンジの上限、下限とする と、これらの比からダイナミックレンジが得られます。表 ○ 不規則に到達することによるゆらぎで生じます。このよう に実際の動作環境によっては図4-20で示した値が得られな ○ の発生源としては光が入射した際に、光で励起された電荷 によるショットノイズがあります。これは入射フォトンが ○ するにしたがって、この暗電流によるショットノイズの成 分の割合が増し、ノイズ量が増加します。この他にノイズ ○ 値が異なります。図4-21にS3904-1024Qの暗出力電荷量に 対するノイズ量 (理論値)を示します。暗出力電荷量が増加 ○ 定条件では小さい値ですが、暗出力電荷量とともに増加す るため、蓄積時間、温度 (暗電流値)など動作条件によって 表4-2 電流出力型のダイナミックレンジ ○ (1)の暗電流によるショットノイズは暗出力電荷の不規則 な発生によるゆらぎで生じます。そのノイズ量は上述の測 ○ ○ リーズは特にフォトダイオードのリセットノイズの成分の 割合が大きくなっています。 ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 ○ 図4-20 ノイズ量 (電流出力型) ○ ○ ○ 4000 ○ 512 1024 256 ○ 128 1024 ○ ○ ○ ○ ○ 256 ○ ○ ○ S3901シリーズ S3902シリーズ S3903シリーズ S3904シリーズ 20 30 40 50 ○ ○ 図4-21 ノイズ量－暗出力電荷量 (S3904-1024Q, 理論値) ○ KMPDB0081JA ○ ○ フォトダイオード容量とビデオライン容量の和 (pF) ○ ○ 10 ○ ○ ○ ○ △ × □ Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 0 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 10000 ○ 5000 0.1 1 10 100 ○ 0.01 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ノイズ量 (e- r.m.s.) ○ ○ ○ ○ ○ 15000 0 0.001 ○ ○ ○ ○ ○ ○ KMPDB0082JA ○ ○ ○ 暗出力電荷量 (pC) 20 (6)読み出し回路の反転増幅器の抵抗のジョンソンノイズ ○ ○ 512 1000 0 (4)読み出し回路の電流性ノイズ (5)読み出し回路の電圧性ノイズ 512 128 2000 (2)フォトダイオードのリセットノイズ (3)ビデオラインのリセットノイズ ○ 256 256 512 ○ ノイズ量 (e- r.m.s.) 3000 (1)暗電流によるショットノイズ 図4-22に電圧出力型NMOSリニアイメージセンサを外部 反転増幅回路で読み出した場合のノイズ量を示します。横 軸はフォトダイオード容量とビデオライン容量の和です。 また、読み出し速度は1画素あたり64 µs、蓄積時間は100 ms、素子温度は15 °Cで動作させています。ノイズ量は フォトダイオード容量とビデオライン容量の和に比例し、 2000～5500 electrons r.m.s.です。 ノイズ量は (4)読み出し回路の電流性ノイズ、(6)読み出 し回路の反転増幅器の抵抗のジョンソンノイズ、(3)ビデオ ラインのリセットノイズの順で大きい成分を占めていま す。読み出し回路の電圧性ノイズとジョンソンノイズは フォトダイオード容量とビデオライン容量の和に比例し、 ビデオラインのリセットノイズはビデオライン容量の平方 根に比例しています。電流出力型と同様、動作条件によっ て (1)暗電流によるショットノイズ、光入射によるショッ トノイズは変化します。 飽和電圧値と図4-22に示したノイズ量をフォトダイオー ド容量とビデオライン容量から電圧に換算した値をそれぞ れダイナミックレンジの上限、下限とすると、これらの比 からダイナミックレンジが得られます。表4-3に電圧出力 型のダイナミックレンジを示します。 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 ○ ○ ○ 図4-22 ノイズ量 (電圧出力型) ○ ○ ○ 512 ○ ○ 1024 1024 ○ 512 256 ○ ○ 128 ○ 512 4000 512 ○ 128 ○ 256 ○ 256 ○ 2000 ○ ノイズ量 (e- r.m.s.) 256 10 20 30 40 ○ ○ 50 ○ KMPDB0083JA ○ ○ フォトダイオード容量とビデオライン容量の和 (pF) ○ ○ 0 ○ ○ 0 S3921シリーズ S3922シリーズ S3923シリーズ S3924シリーズ ○ ○ △ × □ リセット V=2.5 V Vdd=5.0 V V =5.0 V は高くなります。 図4-23, 24にS3901-512Q, S3904-1024Qの最低動作クロッ クパルス電圧と読み出し周波数の関係の温度依存性の測定 例をそれぞれ示します。温度は-40 °Cから+50 °Cまで変化 させており、2相のクロックパルスのデューティ比は1:1で す。読み出しが低速動作の場合、最低動作クロックパルス 電圧を決めるのはVthの変化が支配的となり、温度が低い ほど最低動作クロックパルス電圧は高くなります。反対に 高速動作の場合、パルス応答が支配的となり、温度が高い ほど最低動作クロックパルス電圧は高くなります。 ○ ○ ○ 図4-23 最低動作クロックパルス電圧の周波数特性測定例 (S3901-512Q) 7 ○ ADC ○ 1: 2=1:1 15 ○ ○ ○ ○ 14 ○ ○ ○ ○ 15 ○ ○ ○ ○ 15 ○ DR 4.7 × 104 4.5 × 104 4.1 × 104 2.4 × 104 2.1 × 104 1.7 × 104 1.4 × 104 1.1 × 104 0.7 × 104 3.9 × 104 3.0 × 104 2.7 × 104 6 -40 ˚C 0 ˚C 5 20 ˚C 50 ˚C 4 3 ○ ○ ○ 型名 S3921-128 -256 -512 S3922-128 -256 -512 S3923-256 -512 -1024 S3924-256 -512 -1024 抵抗、走査回路内の拡散抵抗が高くなるためパルス応答は 遅くなり、最高動作周波数は低く、最低動作クロック電圧 ○ 表4-3 電圧出力型のダイナミックレンジ ジスタをオンさせるのに必要な最低クロックパルス電圧は 低くなります。温度が低くなるとMOSトランジスタのオン 最低動作クロックパルス電圧 (V) 6000 度変化に対し異なった変化をします。MOSトランジスタの しきい値 Vthは、温度が高くなると低くなり、MOSトラン ○ ○ 2 0.01 0.1 1 10 ○ 4-9. シフトレジスタの周波数特性 電圧が5 Vのときの最高動作周波数はビデオレート (読み 出し周波数)で2 MHzと規定しています。 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 最低動作クロックパルス電圧 (V) ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 50 ˚C 4 3 ○ ○ ○ ○ ○ 5 2 0.01 0.1 1 10 読み出し周波数 (MHz) KMPDB0085JA 電圧の下限を決める ｢しきい値 Vth｣と ｢パルス応答｣は温 ○ ○ また、この最低動作クロックパルス電圧の周波数特性は 素子温度によって変化します。そして前述の動作クロック 0 ˚C 20 ˚C ○ す。このようにクロックパルス電圧が高いほど最高動作周 波数は高くなります。電流出力型の場合、クロックパルス ○ クパルス電圧を上げると、MOSトランジスタのオン抵抗が 下がり、パルス応答が速くなるため動作が可能になりま -40 ˚C 6 ○ 内のパルス応答がクロック時間内に終了せず、正常なシフ ト動作ができなくなるために起こります。このときクロッ 1: 2=1:1 ○ 動作可能な最高動作周波数が存在します。これは、動作周 波数が高くなると、シフトレジスタ動作に必要な走査回路 7 ○ ためです。また、この最低動作クロックパルス電圧は動作 周波数によって変化し、あるクロックパルス電圧に対して (S3904-1024Q) ○ レジスタを構成するMOSトランジスタをオンさせるために は、ゲートにしきい値 Vth以上の電圧を加える必要がある 図4-24 最低動作クロックパルス電圧の周波数特性測定例 ○ す。シフトレジスタを動作させるためには、ある電圧以上 のクロックパルスを加える必要があります。これはシフト KMPDB0084JA ○ ンネルMOSトランジスタで構成されており、外部からス タートパルスと2相のクロックパルスを与えると動作しま ○ ○ 読み出し周波数 (MHz) ○ NMOSリニアイメージセンサのシフトレジスタはNチャ 21 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 5. 使用上の注意 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 変化せず、スタートパルスが入ってから次のスタートパル スが入るまでの間隔を変えることによって変化します。 蓄積時間は入射光の強さ、暗電流の大きさ、読み出し時 間によって最大、最小時間が制限されます。したがって蓄 積時間はこれらの点を考慮して設定する必要があります。 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ (1) 入射光の強さ NMOSリニアイメージセンサでは出力は入射露光量、す なわち入射光の強さと蓄積時間との積に比例しています。 またフォトダイオードに蓄積できる最大蓄積電荷量には限 度があり、飽和出力電荷量以上の信号の変化は読み取るこ とができません。さらにこの過飽和電荷はブルーミング現 象を生じさせ、特性に悪影響を及ぼすことがあります。 したがって蓄積時間は出力が飽和しない範囲になるよう に設定しなければならず、入射光の強さによって最大設定 時間が制限されます。 ○ 慮し、これらの紫外線照射による特性劣化を低く抑えるよ う設計されています。 ○ このように浜松ホトニクスのNMOSリニアイメージセン サは分光光度計用検出器として紫外線照射されることを考 ○ を示しており、1100 Joule/cm2照射後でも初期値の2.5倍の 増加に抑えられていることがわかります。 ○ せて示しており、この結果から劣化が生じていないことが わかります。暗電流は初期値を100 %とした場合の変化率 蓄積時間はスタートパルス φstの間隔に相当します。つ まり、蓄積時間はシフトレジスタの動作周波数を変えても ○ 示します。照射量は、1100 Joule/cm2です。 分光感度は照射前と1100 Joule/cm2照射後のデータを合わ ○ ○ 図4-25、26にはS3901-512Qに水銀灯 (254 nm輝線)を用 いて紫外線を照射した場合の分光感度と暗電流の測定例を ○ 低下します。特に短波長光ほど基板表面付近で吸収される ため、紫外域での感度の低下は著しくなります。 ○ し、暗電流が大きくなります。また光による生成電荷がこ の準位にトラップされるため、光生成電流が減少し感度が ○ 界面のSiとH, O, OHとの結合が切断され、界面準位が増加 するために起こります。これによって表面漏れ電流が増加 5-1. 蓄積時間の設定 ○ 流が増加したり感度が低下するなどの特性劣化が見られま す。これは紫外線のもつ高いエネルギーによって、Si-SiO2 ○ Siフォトダイオードに紫外線が照射され続けると、暗電 ○ ○ ○ ○ ○ 4-10. 紫外線照射による特性の変化 ○ ○ ○ 図4-25 紫外線照射による紫外感度劣化測定例 (S3901-512Q) ○ 0.3 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 0.1 ○ ○ 分光感度 (A/W) 0.2 ○ ○ ○ 0 100 紫外線放射量 (Joule/cm2) 600 800 1000 1200 1400 ○ 400 ○ 0 200 暗出力は暗電流と蓄積時間の積に比例します。飽和出力 電荷量は一定なため、暗出力が増加すると光出力の検出範 囲は狭くなります。また暗出力にも出力不均一性が存在す ○ ○ ○ 紫外線放置 254 nm 水銀灯 Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 (2)暗電流の大きさ ○ KMPDB0187JA ○ ○ 波 長 (nm) ○ ○ 図4-26 紫外線照射による暗電流変化率測定例 ○ ○ (S3901-512Q) 要求する特性によって暗出力の許容値は異なります。そ のため、まず暗出力の許容上限値を決め、暗出力がその値 以上にならないように蓄積時間を設定します。暗電流の値 は温度依存性をもっているため、周囲温度が変われば設定 可能な蓄積時間も変わります。 たとえばS3904シリーズを用いて測定を行い、許容暗出 力値を飽和出力の1 %と設定した場合を考えます。飽和電 荷量は20 pC, 25 ℃のときの暗電流は0.1 pAですから最大蓄 積時間 Tは次式から2秒になります。なお、素子温度が35 ℃になると暗電流は0.4 pAに増加するため、許容暗出力値 を同じく飽和出力の1 %とすれば、最大蓄積時間は500 ms になります。 ○ ○ ○ 300 るため、各画素ごとに暗出力成分の減算処理を行わない と、暗出力の増加に伴い光検出精度は低下します。 = (20 × 0.01)/0.1 = 2 (s) ○ ○ ○ ○ 150 100 0 200 400 600 800 1000 ○ ○ ○ ○ 1200 ○ 0 ○ 紫外線放置 254 nm 水銀灯 初期感度: 100 % Vb=2.0 V V =5.0 V 外部電流積分方式 50 KMPDB0188JA ○ ○ ○ 紫外線照射量 (Joule/cm2) 22 T = (Qsat × 許容値)/ID ○ ○ 200 ○ 暗電流変化率 (%) ○ ○ 250 (3) 読み出し時間 スタートパルスを入力し、シフトレジスタが動作を開始 したら、最終画素が出力されるまでの間 (読み出し時間)、 次のスタートパルスを入れることはできません。もし読み 出し時間内に再びスタートパルスが入ると、1回目の走査 の出力信号と2回目の走査の出力信号が混じり合ってしま います。 ○ ○ ○ ○ ○ ○ 5-3. 使用光源 飽和する時間で制限されますから、この場合最大蓄積時間 NMOSリニアイメージセンサはある分光感度特性をもっ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ているため、使用光源の波長によって感度が異なります。 そのため使用光源に合わせた光量の強さと蓄積時間の設定 が必要です。なお、浜松ホトニクスの入出力特性の測定に はA光源 (色温度 2856 Kのタングステン電球)を用いていま す。 光源としてタングステン電球や重水素ランプなどを用い る場合、点灯後の出力の安定性や光源の寿命による出力の 変化に注意する必要があります。また電球の発熱によって 素子温度が上昇し暗出力や感度が増加したり、光源と素子 間にあるシャッタの開閉により、素子温度が変化し暗出力 や感度が変化することがあります。このため精度の要求さ れる用途には光源の放熱、光源と素子間距離、素子の温度 制御など、素子の温度変化を小さくする工夫が必要です。 光源として蛍光灯などを交流点灯させて用いる場合、そ ○ ○ ○ の周波数が低いとその点灯変化が出力に現れるフリッカ現 象が生じます。そのため使用光源は通常の商用電源による ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 点灯でなく、数十 kHzの高周波点灯をさせる必要がありま す。高周波点灯を行えば蓄積時間に対し、点灯時間が十分 短くなるため出力には与える影響は小さくなります。 光源としてL E D などをパルス状に入射させる場合、 NMOSリニアイメージセンサは電荷蓄積方式で動作するた め、蓄積時間以内の点灯に対してはその変化を読み取るこ とはできず、蓄積時間内の変化は1つの信号として出力さ れます。 また光源と素子の距離が近すぎると、光源自体や配置方 法による入射光量の不均一性が出力に表れる場合がありま す。この場合は距離を離すか、拡散板をはさみ光を均一に する必要があります。またレンズ系で結像させる場合、周 辺の光量が低下することがあります。この場合、出力パ ターンと逆の開口パターンのスリットを光路中に置くなど してシェーディング補正をする必要があります。 入射光に長波長成分が含まれている場合、長波長光は基 板深部で吸収されるため、解像度や出力均一性が悪化する ことがあります。浜松ホトニクスのNMOSリニアイメージ センサはその影響を抑えるため長波長感度が低くなるよう に設計してありますが、フィルタを用いて赤外光をカット すればその影響をさらに減らすことができます。また短波 長光の場合は、入射エネルギーが高いため、基板内部にダ メージが生じ暗出力の増加や感度の劣化が生じることがあ ります。浜松ホトニクスのNMOSリニアイメージセンサは 製造方法を工夫し、紫外光による特性劣化を抑えるように ○ ○ 設計されていますが、照射時間が長いほど特性の劣化は大 きくなるため、測定時間以外はできる限り紫外光が当たら ないようにする必要があります。 ○ では飽和の約60 %の出力が得られます。また出力電荷量は 蓄積時間に比例し、前項で述べたように蓄積時間は出力が ○ ○ S3904シリーズの飽和電荷量は20 pCのため、以上の条件 ○ ○ ○ 出力電荷量 = 入射露光量 × 感度 = 0.1 × 125 = 12.5 [pC] ○ ○ ○ 出力電荷量はこれらの積で与えられます。 ○ ○ ○ = 125 [cm2 · µC/J] ○ 感度 = 0.2 [A/W] × 0.25 × 25 × 10-4 [cm2] = 1.25 × 10-4 [cm2 · A/W] ○ ○ 感度は次式で与えられます。 ○ を示しており、500 nmでは0.2 A/Wです。入射光がフォト ダイオード全面に当たっているとすればS3904シリーズの ○ 次に500 nmの入射光に対するS3904シリーズの感度を求 めます。図4-5に示した分光感度は単位面積あたりの感度 ○ ○ ○ = 0.1 [µJ/cm2] ○ 入射露光量 = 照度 [W/cm2] × 蓄積時間 [s] = 1 × 10-6 × 0.1 [W · s/cm2] ○ ○ と、入射露光量は次式で与えられます。 ○ に波長が500 nm、受光面照度が1 µW/cm2の光が当たってい る場合を考えます。電荷蓄積時間を仮に100 msに設定する ○ ○ 受光面の照度がわかれば、分光感度特性から出力電荷量 を概算することができます。 S3904シリーズ (画素ピッチ 25 µm、画素高さ 2.5 mm) ○ ○ ○ 5-2. 出力の概算 ○ ○ ○ て、駆動読み出し条件と要求特性を考慮して読み出し時間 を決定する必要があります。 ○ したように各画素のリセット時間の設定によって残像量が 変化するなど特性が変化することがあります。したがっ ○ す。読み出し最大周波数はシフトレジスタ動作最高周波数 で規定していますが、それより低い周波数でも前章で説明 ○ 浜松ホトニクスのNMOSリニアイメージセンサの場合、 読み出し周波数はクロックパルス周波数と一致していま ○ となります。蓄積時間をこれ以上短く設定することはでき ません。 ○ ○ ○ 20 µs × 1024 = 20.48 ms ○ ○ ○ ○ ○ 時間は 受光面積の異なる素子、異なる波長の場合も数値を入れ 換えれば同様に計算することができます。 ○ たとえば、1024画素のNMOSリニアイメージセンサを読 み出し周波数50 kHzで動作させた場合、全画素の読み出し は20/12.5 × 100 = 160 msになります。 ○ れます。したがって読み出し周波数と画素数によって最低 設定時間は変わります。 ○ このように蓄積時間は全画素の読み出し時間より短く設 定することはできず、これによって最小設定時間が制限さ ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 23 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 5.4 ± 0.2 ○ ○ ○ ○ ○ b 10.4 受光部 a ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 受光部 12.8 B 5.4 ± 0.2 6.4 ± 0.3 b 10.4 受光部 a ○ ○ ○ ○ ○ ○ 5.4 ± 0.2 ○ ○ ○ ○ ○ b 10.4 受光部 a ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ D 31.75 0.51 ○ 対して傾く場合があるため、必要に応じて基板とパッケー ジの間に平行出し用のスペーサをはさみ、パッケージ面を (2) パッケージ側面図 3.0 ずしも平行に取り付けられているわけではありません。し たがって端子を基準に素子を取り付けると受光面が基板に KMPDA0076JA ○ で、端子に対する受光部位置の公差はさらに大きくなりま す。また高さ方向についても、端子はパッケージに対し必 40.6 ○ を微調整する機能を持たせ、個々の素子ごとに調整する必 要があります。 パッケージに対する端子の取り付け精度は±0.2 mm程度 12.8 ± 0.3 ○ ため測定精度が要求される場合には、素子の取り付け部に X, Y, Z方向、およびチップ面のパッケージに対する傾き θ 受光部 25.6 ○ が異なります。受光部位置はある公差をもっているため、 素子ごとに位置が多少異なっている場合があります。その C ○ に石英窓の表面からチップまでの距離で規定しています。 画素サイズと画素数によって使用パッケージと受光部位置 31.75 ○ の位置精度は受光部中心とパッケージ端との距離でそれぞ れ規定しています。また受光部高さは図5-1 (3)に示すよう ○ に示すように走査方向の位置精度は1画素目の受光部位置 とパッケージの中心との距離で、フォトダイオード縦方向 ○ ○ オード縦方向を横から見た図をそれぞれ示します。浜松ホ トニクスのNMOSリニアイメージセンサの場合、図5-1 (1) 31.75 ○ 示します。図5-1 (1)は受光部を上から見た上面図、図5-1 (2) は横から走査方向を見た側面図、図5-1 (3)はフォトダイ ○ らある公差をもった距離で規定されています。 図5-1にNMOSリニアイメージセンサの外形図と受光部を 3.2 ± 0.3 ○ 付け精度やセラミックパッケージ自身の寸法精度などによ り、パッケージから受光部までの位置は、ある基準位置か 受光部 6.4 A ○ オードが幾何学的に精度良く並んでおり、高い位置検出精 度を実現しています。しかし、パッケージへのチップ取り (1) パッケージ上面図 ○ NMOSリニアイメージセンサのチップ上にはフォトダイ 図5-1 外形寸法図 (単位: mm) ○ ○ ○ ○ ○ 5-4. 受光部の位置精度 ○ 基準として素子を取り付けるようにします。 ○ 2.54 2.5 5.2 ± 0.2 5.0 ± 0.2 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 3.0 ○ 40.6 ○ ○ 0.51 ○ 2.54 25.4 (3) チップ高さ (全素子共通) 1.3 ± 0.2* 0.5 E ○ 5.2 ± 0.2 25.4 ○ 0.5 ○ 5.0 ± 0.2 ○ 2.5 側面図 D D E D D E D D E D D E ○ b ○ a 受光面 ○ 上面図 A B C A B C A B C A B C ○ ○ 型名 S3901/S3921-128 -256 -512 S3902/S3922-128 -256 -512 S3903/S3923-256 -512 -1024 S3904/S3924-256 -512 -1024 ○ ○ * 石英窓の表面から受光面 までの寸法 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 0.25 24 10.16 KMPDA0077JA ○ ○ (2) 回路基板 受光部位置の微調整が回路基板で行えるように、基板取 り付け穴をネジの径より多少大きくしてください。また焦 点位置がずれないように基板は光源の放熱によっても、そ りが生じにくいものをご使用ください。 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ (2) 実装 回路基板のソケットに素子を実装する際、ピン接続位置 す。素子の温度上昇、温度変化を抑えるため回路部品はで きる限り発熱の少ないものを使用します。発熱する部品は 素子から離すとともに放熱対策を行ってください。 センサの駆動信号を出力するデジタルIC (バッファまた ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ はインバータ)は電源電圧まで出力が振幅するICを使用し てください。 (4) グランド デジタル部からアナログ部へのグランドを介してのノイ ズ混入を防ぐため、デジタル部とアナログ部のグランドは 分離するとともに、グランドラインは太くして、抵抗を下 げてください。またNC端子はすべて接地します。 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ (5) デジタル信号 NMOSリニアイメージセンサはCMOSレベルの入力ク ロックパルスで駆動できます。入力クロックパルスライン は電圧変動が生じるため、ビデオ信号ラインや電圧供給ラ インからは、できるだけ離すようにします。また入力パル スは素子入力部において、所定のタイミングが得られるよ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ (6) アナログ信号 ビデオ出力端子からアンプまでの配線幅、配線距離はで きる限り短くしてください。またアクティブビデオ側、ダ ミービデオ側の信号ラインは配線幅、配線距離を同じにし て、容量を同一にします。さらに出力信号へのノイズの混 入を避けるため、ビデオ信号ラインはクロックラインなど ○ 電圧変化のあるデジタル信号ラインから離すとともに、基 板の裏表で互いに交差しないようにします。 ○ ○ (7) 供給電圧 ビデオバイアス電圧やリセット電圧はフォトダイオード のリセット電位を、クロックパルス振幅電圧はアドレスス ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 抵抗などを調整する際、光学系の反対側から作業を行う必 要があります。 ○ ○ い。イメージセンサ側は外光の入力を抑えた光学系の中に 組み込まれることになります。一方で、回路部品面の可変 ○ イメージセンサは回路部品面の裏側に取り付けてくださ ○ (1) イメージセンサ装着面 ○ ○ ○ め、回路基板の作成には特に次のような注意が必要です。 ○ イメージセンサの駆動回路は、光入力部があること、デ ジタルとアナログが混在していることなどの特徴があるた ○ ○ ○ 5-6. 回路基板作成上の注意事項 ○ ○ ○ ○ ○ 窓に汚れや傷がつかないよう注意してください。 ○ ルを含ませた柔らかい布や綿棒などで汚れを拭き取ってく ださい。素子を組み込んだ装置を梱包、輸送する際も入射 ○ ラス表面を清掃してください。清掃は乾いた布や綿棒など でこすると静電気発生の原因となります。エチルアルコー ○ ○ 透過率が下がり特性に影響することがあるため、入射窓を 素手では絶対に触れないでください。また使用する際はガ 立ち下がり時間が遅くならないように注意する必要があり ます。 ○ 入射窓表面に汚れや傷がつくと感度均一性が悪化するた め注意が必要です。指紋など油成分が付着するとガラスの うにします。特に高速動作する場合、クロックの電圧保持 時間がシフトレジスタ動作に影響するため、立ち上がり、 ○ (4) 入射窓 ○ ○ ○ 帯電性の作業衣の着用によって摩擦による静電気の発生を 防いでください。また作業環境、作業工具を接地するなど 素子に対する静電気保護対策を実施してください。 ○ NMOSリニアイメージセンサは静電気保護対策が施され ていますが、静電気による破壊を防ぐために木綿手袋や非 ○ (3) 静電気対策 (3) 回路部品 素子温度が変化すると暗電流、感度の大きさが変化しま ○ ○ 注意してください。また電源投入は必ず素子装着後に行っ てください。 ○ を確認してください。素子の取り付け方向を誤って逆にし たり、位置がずれると素子が破損する恐れがありますから ○ ○ ○ ○ °C、最大定格動作温度は-30～65 °Cに定められています。 ○ ホトニクスの石英窓付のNMOSリニアイメージセンサの場 合、最大定格電圧は15 V、最大定格保存温度は-40～85 ○ えてはならない電圧、保存温度、動作温度がそれぞれ定め られています。必ずその範囲内で使用してください。浜松 ○ (1) 絶対最大定格 NMOSリニアイメージセンサには、その値が瞬時でも越 ○ ○ ○ の点に注意してください。 ○ NMOSリニアイメージセンサを使用する際は、特に以下 ○ ○ ○ 5-5. 使用上の注意 ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 イッチのオン抵抗をそれぞれ決めます。したがって、これ らの素子への供給電圧が変動すると出力特性は安定しませ ん。そのため、使用電源は電圧変動の少ないものを使用す るとともに、素子への供給電圧は外部電圧変動の影響を受 けないようにします。さらに基板内部でも回路部品の動作 に伴う電源ラインの電圧変動によって、素子の供給電圧が 変化しないようにします。また素子への電圧供給ライン も、クロックラインなど電圧変化のあるデジタル信号ライ ンからできるだけ離すようにします。 25 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 ○ ○ ○ ○ (8) その他 イメージセンサと回路基板を組み込む装置の機械的駆動 ○ ○ ○ 部などから発生するノイズが、出力信号に混入することが ありますから、回路部のシールドを確実に行ってくださ ○ ○ ○ ○ ○ い。 ○ ○ ○ ○ ○ 6. 推奨回路 ○ ○ ○ ○ 6-1. 電流出力型用駆動回路 ○ ○ ○ 6-1-1. 電流電圧変換方式 ○ ○ (1) 推奨回路構成 ○ ○ ○ ○ 駆動回路は基本的には制御信号発生部、ビデオ信号処理 部から構成されています。図6-1に推奨ブロック図、図6-2 す。これと同様に、もう1つのアンプではセンサのダミー ビデオ出力電流を電流電圧変換します。この初段での出力 はビデオバイアス電圧 2 Vから正極性の微分波形で、アク ティブビデオ側には信号成分とスイッチングノイズ成分 が、ダミービデオ側にはスイッチングノイズ成分のみが出 力されます。これら2つの出力を次段のアンプで差動増幅 することにより、固定パターンノイズであるスイッチング ノイズ成分を除去した最終出力が、ビデオ端子から外部に 出力されます。この最終出力はグランドから正極性の微分 波形です。 エンドオブスキャン端子は、10 kΩの抵抗で5 Vにプル アップされています。最終画素の次のφ2に同期して現れる エンドオブスキャン信号はバッファを介し、エンドオブス キャン端子から外部に出力されます。 以下に部品選定の注意点を示します。 (a) 電流－電圧変換アンプ 電流－電圧変換アンプは、高速でデュアル (2回路入り) のオペアンプをお選びください。また、低雑音でリー ○ ○ ○ に推奨回路図を示します。制御信号発生部ではセンサと外 部に必要なパルスを発生し、ビデオ信号処理部ではセンサ 入力端子に入力されて、電流－電圧変換されます。非反転 入力端子にはビデオバイアス電圧2 Vが印加されていま ○ ○ ○ からのビデオ信号を電流－電圧変換、差動増幅して出力し ます。外部からはデジタル系電源電圧、アナログ系電源電 ○ ○ 圧、マスタクロックパルス、マスタスタートパルスを入力 します。一方外部へはビデオ出力、トリガパルス、エンド クの少ないオペアンプを推奨します。 (b) 差動増幅アンプ ○ ○ 負荷容量に強いアンプをお選びください。 図6-1 電流－電圧変換方式推奨ブロック図 ○ ○ ○ オブスキャンパルスが出力されます。表6-1に入出力信号 名とその機能を示します。 ○ 制御信号発生部はPLD (プログラマブル・ロジック・デ バイス)で構成されており、センサのシフトレジスタ動作 制御信号発生部 バッファ PLD ○ ○ ○ st 1, 2 Start, CLK EOS, trigger ○ のためにスタートパルス、2相のクロックパルスを発生し ます。また外部でのサンプルホールドのためのトリガ出力 バッファ D. GND ビデオ信号処理部 ○ ○ EOS ○ 信号も合わせて発生し、バッファを介して外部に出力され ます。これらの信号は外部からのマスタクロックパルスに ビデオ ○ I-V ○ センサ アンプ Data Video ○ 同期し、マスタスタートパルスによって初期化されます。 これらのマスタクロックパルス、マスタスタートパルスは I-V ○ ○ ダミー ○ D. GND ○ バッファを介してPLDに入力されます。 信号処理回路は3つの部分から構成されています。まず ○ 電圧レギュレータ +15 V ○ +2 V A. GND ○ センサのアクティブビデオ出力電流は、初段アンプの反転 VCC ○ ○ -15 V KACCC0145JA 図6-2 電流－電圧変換方式推奨回路図 P2 TRIG 1 8 6 4 2 19 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 G A4 A3 A2 A1 Y4 Y3 Y2 Y1 12 14 16 18 74VHCT244AF PST 34 35 P1 36 MCLK 37 38 39 40 41 MSTART VCC 42 43 44 EOS IO TDO IO IO VCC IO IO TCK IO GND IO 0.1 µF CLK START VCC IO IO GND IN3/CLK3 IN2/CLK2 IN1/CLK1 IN0/CLK0 VCC IO IO IO 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 G 17 15 13 11 A4 A3 A2 A1 Y4 Y3 Y2 Y1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 3 5 7 9 74VHCT244AF VCC 1k VCC CLK2 NC CLK1 NC ST NC VSS NC VSCG NC NC NC VSCD NC VSS NC ACTIVE VIDEO NC DUMMY VIDEO NC VSUB EOS 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 S390X SERIES 10 k VCC 1k 1k 1k VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 TRIGGER N_EOS PLD IO IO IO IO IO VCC GND IO IO IO IO TDI IO IO GND IO IO TMS IO VCC IO IO VCC VCC 0.22 µ 0.22 µ 0.22 µ 0.22 µF +15 -15 1000 pF 10 µF/25 V 1000 pF 10 µF/25 V 1000 pF 3 pF 5 pF 7 10 k 10 k -15 0.1 µF 2 6 3 + 24 k - 6 + 5 100 4 VCC 10 µF/25 V 3 pF +15 0.1 µF 10 k 10 k 24 k -15 0.1 µF 2 1 + 3 4 8 7 15 8 DATA VIDEO +15 0.1 µF 26 100 13 k 0.1 µF +15 2k KACCC0146JA NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 表6-1 電流－電圧変換方式推奨回路の入出力端子と入出力信号の機能 正 マスタクロックパルス φmc CLK 正 グランド ビデオ トリガパルス エンドオブスキャンパルス G Video Trig. EOS 正 正 負 出力 (2) 印加電圧 表6-2に当回路の入力電源電圧、入力パルス振幅電圧の ○ ○ ○ ○ ○ ○ キャンパルスは負極性パルスで、振幅電圧 Vtrig, Veosはい ずれも5 Vです。最終出力のビデオ出力はグランドからの 一方、センサに加えられる電圧の大きさは次のとおりで す。クロックパルスφ1, φ2、スタートパルスφstの振幅電圧 Vφ1, Vφ2, Vφstは5 Vで、フォトダイオードのリセット電位 を決めるビデオバイアス電圧 Vbは2 Vです。飽和コント ロール部の飽和コントロールゲート電圧 Vscgは0 Vで、飽 和コントロールドレイン電圧 Vscdはビデオラインバイア ス Vbと同じ2 Vです。Vss, Vsub, NC端子はいずれも接地さ れています。 ○ 性パルスであり、振幅電圧 Vmc, Vmsは5 Vです。外部へ 出力されるトリガパルスは正極性パルス、エンドオブス 正極性出力で得られます。 ○ グ系電源電圧 Vsが±15 Vです。入力パルスはマスタクロッ クパルス φmc、マスタスタートパルス φmsでいずれも正極 ○ ○ 推奨値、出力電圧値、出力パルス振幅電圧を示します。 入力印加電圧はデジタル系電源電圧 Vccが+5 V、アナロ ○ START ○ 入力 ○ マスタスタートパルス φms アナログ系電源電圧 Va 機能 +5 V, 70 mA +15 V, 30 mA -15 V, 30 mA 内部発生パルスを初期化させるパルス CMOSロジックコンパチブル 内部発生パルスを同期させるパルス CMOSロジックコンパチブル グランド ビデオ出力 A/D変換用タイミング信号 CMOSロジックコンパチブル シフトレジスタ走査終了信号 CMOSロジックコンパチブル ○ 極性 - ○ 記号 +5 +15 -15 ○ 信号名 デジタル系電源電圧 Vd 表6-2 電流－電圧変換方式推奨回路の推奨電圧 項目 デジタル系電源電圧 アナログ系電源電圧 入力 記号 Vd Va Vms (H) Vms (L) Vmc (H) Vmc (L) Vtrig (H) Vtrig (L) Veos (H) Veos (L) Vs (H) Vs (L) Vφ1, Vφ2 (H) Vφ1, Vφ2 (L) Vb Vscd Vscg マスタスタートパルス φms マスタクロックパルス φmc 出力 トリガパルス エンドオブスキャンパルス スタートパルス φst ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 波数 fφmsの逆数 1/fφms (秒)となります。またスタート動 ○ ○ ○ の2周期分で作られるため、マスタスタートパルス間隔が 信号蓄積時間となり、その時間はマスタスタートパルス周 ○ センサへのスタートパルス φstはマスタスタートパルス φmsの立ち下がりに同期して、マスタクロックパルス φmc ○ 周期分を最低単位として、規則的にある周期をもってPLD から出力されます。 ○ します。 センサへの入力パルスはマスタクロックパルス φmcの1 ○ 図6-3に当回路の入出力パルスとセンサへの出力パルス のタイミング図を、表6-3にタイミング条件をそれぞれ示 ○ (3) パルスタイミング ○ クロックパルス φ1, φ2 センサへ モニタビデオ の出力 ビデオバイアス電圧 飽和コントロールドレイン電圧 飽和コントロールゲート電圧 Min. 4.85 ±14.5 2 0 2 0 4.75 4.75 4.75 4.75 - Typ. 5 ±15 5 5 5 5 5 5 2 2 0 Max. 5.5 ±15.5 5.4 0.8 5.4 0.8 5.4 0.4 5.4 0.4 5.4 0.4 5.4 0.4 - 単位 V 作を安定して行うため、マスタスタートパルスのパルス幅 tpw φmsはマスタクロックパルスの1 周期分のパルス幅 tpwφmcより長くなるようにし、なおかつ同期させます。 当回路では、マスタクロックパルス φmcの4周期分の時 間で1画素を読み出すための動作に使います。 (センサへの クロックパルス φ1、φ2のデューティ比が50 %であれば1周 期分、2周期分でも構いません。)したがって、この周期で スタートパルス以外のパルスを発生させ、各画素の信号を 時系列信号として出力させます。このため出力信号読み出 し周波数はマスタクロックパルス周波数 fφmcの1/4になり ます。 センサへのクロックパルス φ1、φ2はデューティ比が50 % 27 φstとクロックパルス φ1, φ2のタイミングは図6-3の通りで す。 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ルス比が最も適しているためです。 信号出力は φ2に同期して得られます。スタートパルス ○ はシフトレジスタの動作の上限はクロックパルス幅で決ま り、センサを最高動作周波数で動作させる際には1 : 1のパ ○ で相補関係にあり、両パルスともマスタクロックパルスの 2周期分ハイレベルになるように設定されています。これ ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 A/D変換などを行う際のデータの取り込み時間は、当回 路の場合、信号が出力されてからマスタクロックパルス1 周期後に設定してあるため、さらに外部回路で微分波形を ピークホールド処理した場合などに使用できます。このパ ルスタイミングも図6-3に示します。 エンドオブスキャンは最終画素が読み出された次のク ロックパルスφ2に同期して出力されます。 飽和出力写真を図6-4に示します。 図6-3 電流－電圧変換方式推奨回路のタイミング図 マスタクロック CLK マスタスタート Start スタート st クロック 1 クロック 2 トリガ Trigger ビデオ出力 Data Video エンドオブスキャン EOS KACCC0147JA 表6-3 電流－電圧変換方式推奨回路のパルスタイミング 項目 マスタスタートパルス φms幅 マスタスタートパルス φms上昇／下降時間 入力 マスタクロックパルス φmc幅 マスタクロックパルス φmc上昇／下降時間 マスタクロック周波数 エンドオブスキャンパルス幅 エンドオブスキャンパルス上昇／下降時間 出力 トリガパルス幅 トリガパルス上昇／下降時間 スタートパルス φst幅 センサへ スタートパルス φst上昇／下降時間 の出力 クロックパルス φ1, φ2幅 クロックパルス φ1, φ2上昇／下降時間 記号 tpwφms tfφms, tfφms tpwφmc tfφmc, tfφmc fφmc tpweos treos, tfeos tpwtrig trtrig, tftrig tpwφs trφs, tfφs tpwφ1, tpwφ2 trφ1, tfφ1, trφ2, tfφ2 Min. 1/fφmc 30 - 図6-4 電流－電圧変換方式推奨回路 (飽和出力) (a) 飽和出力 28 (b) EOS周辺部拡大 Typ. 2/fφmc 3/fφmc 2/fφmc 2/fφmc - Max. 500 500 8 100 100 100 100 単位 s ns MHz s ns s ns s ns s ns NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 力端子には回路のビデオデータ出力端子を接続します。 ○ のビデオデータ出力端子を接続します。S/H, A/D変換回路の タイミング入力端子には回路のトリガ出力を、アナログ入 ○ 入力端子に接続します。オシロスコープの外部トリガ端子 にはマスタスタート端子を接続し、信号入力端子には回路 ○ 電源 (5 V, ±15 V)を回路電源端子に、パルスジェネレータ のマスタスタート、マスタクロックパルス出力は回路の各 ○ ○ ○ ○ (4) 接続 図6-5に周辺機器との接続例を示します。 ○ ○ ○ オシロスコープ ○ DC電源 GND 外部トリガ入力 -15 V GND +15 V GND +5 V ○ ○ ○ ○ ○ 図6-5 接続例 (電流－電圧方式推奨回路) 初段アンプの非反転入力端子にはビデオバイアス電圧 2 V がかかっています。10 pFの積分容量にはリセットスイッ チが並列に付加され、各画素を読み出すごとにリセット信 号がスイッチに入り、この容量をリセットします。またク ロックパルスに同期したスイッチングノイズのキャンセル も行います。この初段での出力はビデオバイアス 2 Vから 正極性のボックスカー波形で、出力電圧V (V)は出力電荷 量をQ (pC)とすると、以下の式で表されます。 ○ ○ 信号処理回路は4つの部分から構成されています。まず センサのビデオ出力電流は、初段アンプで積分されます。 ○ アナログ入力 GND ○ GND Video ルス、マスタスタートパルスはバッファを介してPLDに入 力されます。 V [V] = Q [pC] / 10 [pF] ○ St. GND CLK GND Trig. GND からのマスタクロックパルスに同期し、マスタスタートパ ルスによって初期化されます。これらのマスタクロックパ S/H, A/D変換 ○ パルス ジェネレータ CH1 GND ○ NMOS リニア イメージ センサ ルホールドのためのトリガ出力信号も合わせて発生し、 バッファを介し外部に出力されます。これらの信号は外部 次段アンプでは3倍の非反転増幅を行います。ローパス フィルタも兼ね、高周波ノイズを除去しており、出力は約 ○ ○ ○ ○ S/H入力 GND ○ ○ ○ ○ ○ (クランプ期間)、クランプスイッチを開き、クランプ回路 部の出力電位を強制的にグランドに固定することで、積分 ○ ○ ○ ○ ○ 用します。その後、容量とスイッチから成るクランプ回路 で直流再生を行います。積分容量リセット直後のある期間 ○ 容量リセットスイッチの発生するリセットノイズを除去し ます。なお、初段で除去するスイッチングノイズは固定パ ターンノイズですが、クランプ回路で除去するリセットノ イズはランダムノイズです。ここで出力はグランドから正 極性信号になり、最終段アンプはゲイン約1の非反転増幅 器でローパスフィルタを兼ねており、信号はデータビデオ 信号として出力されます。出力電圧 Vout (V)は出力電荷量 をQ (pC)とすると以下の式で表されます。 ○ ○ ○ ○ ○ Vout [V] = 3 × Q [pC] / 10 [pF] ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 現れるエンドオブスキャン信号はバッファを介して外部に 出力されます。 以下に部品選定の注意点を示します。 (a) 初段アンプ 初段アンプには、低雑音でリークの少ないものを、 切り替えスピードを考慮してお選びください。 (b) 2段、3段アンプ ○ ○ センサのエンドオブスキャン端子は、10 kΩの抵抗で5 V にプルアップされています。最終画素の次のφ2に同期して 負荷容量に強いアンプをお選びください。 (c) リセット用スイッチおよびクランプ用スイッチ FETまたはアナログスイッチを使用します。 なるべくON抵抗が小さく、リセットノイズの小さい ○ ○ ○ 回路への信号をそれぞれ発生します。また外部でのサンプ ○ 信号処理のために電流積分回路へのリセット信号、直流再 生回路へのクランプ信号、スイッチングノイズキャンセル ○ ○ バイス)で構成されており、センサのシフトレジスタ動作 のためにスタートパルス、2相のクロックパルスを、出力 ○ 能を示します。 制御信号発生部はPLD (プログラマブル・ロジック・デ ○ 力、モニタビデオ出力、トリガパルス、エンドオブスキャ ンパルスが出力されます。表6-4に入出力信号名とその機 ○ アナログ系電源電圧、マスタクロックパルス、マスタス タートパルスを入力します。一方外部へはデータビデオ出 ○ 理部ではセンサからのビデオ信号を電流積分、増幅、直流 再生をして出力します。外部からはデジタル系電源電圧、 ○ ○ 7に推奨回路図を示します。制御信号発生部ではセンサ、 信号処理部などへの必要なパルスを発生し、ビデオ信号処 ○ 駆動回路は、基本的には制御信号発生部、ビデオ信号処 理部から構成されています。図6-6に推奨ブロック図、図6- ○ (1) 推奨回路構成 1 Vからの正極性信号で得られます。この出力はモニタビ デオ出力としてスイッチングノイズキャンセル調整時に使 ○ ○ ○ 6-1-2. 外部電流積分方式 ○ ○ ○ トパルス φstが出力されているか？ (d) エンドオブスキャンパルスが出力されているか？ ○ パルスが入力されているか？ (c) センサの装着ピンにクロックパルス φ1, φ2、スター ○ (a) 回路基板へ電源電圧+5 V, ±15 Vが印加されているか？ (b) 回路基板へマスタクロックパルス、マスタスタート ○ 正常動作していないと思われるときには、次の点を チェックしてください。 ○ (5) 注意事項 ○ ○ KACCC0148JA ものをお選びください。また、信号の電圧範囲を考 慮する必要があります。 29 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 図6-6 外部電流積分方式推奨ブロック図 D. GND 制御信号発生部 st 1, 2 バッファ EOS Start, CLK EOS, Trigger バッファ PLD VCC ビデオ信号処理部 RESET ビデオ Amp センサ Buf C-V Data Video CLAMP A. GND +2 V +15 V -15 V 電圧レギュレータ KACCC0149JA 図6-7 外部電流積分方式推奨回路図 VCC 1k 0.1 µF 2 4 6 8 1 18 16 14 12 Y1 Y2 Y3 Y4 A1 A2 A3 A4 VCC G 74VHCT244AFT VCC 1000 pF 10 µF/25 V 1000 pF 1 RESET TRIG P2 VCC 1k 11 13 15 17 A1 A2 A3 A4 19 G 10 k +15 OUT 3.9 k SWITCH 2 910 0.1 µF 8 6 0.01 µF 100 - 2 + 3 5 7 +15 0.1 µF 10 pF 0.1 µF 0.1 µF - 2 + 3 VR1 10 k 5 pF -15 1 6 7 IN 1 4 - 2 + 3 1k U102B 11 13 15 17 A1 A2 A3 A4 19 G Y1 Y2 Y3 Y4 9 7 5 3 74VHCT244AFT 5 4 OUT -15 CONT 5 7 6 3 3 pF 3 1.6 k 1 4 0.1 µF VCC VR2 10 k 5.1 k 330 pF DATA VIDEO -15 IN 0.1 µF 100 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 CLK2 NC CLK1 NC ST NC VSS NC VSCG NC NC NC VSCD NC VSS NC ACTIVE VIDEO NC DUMMY VIDEO NC VSUB EOS 1k SWITCH 330 pF 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 S390X SERIES 100 k 8 9 7 5 3 VCC 1k 1000 pF 15 Y1 Y2 Y3 Y4 74VHCT244AFT 100 10 µF/25 V 0.22 µ 0.22 µ 0.22 µ 0.22 µF G 74VHCT244AFT P1 PST VCC VCC VCC 18 16 14 12 1 -15 10 µF/25 V CLAMP CONT +15 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 PLD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 TRIGGER N_EOS IO IO IO IO IO VCC GND IO IO IO IO IO IO GND IN/GCLK IN/OE1 IN/GCLRn IN/OE2/GCLK2 VCC IO IO IO Y1 Y2 Y3 Y4 2 2 4 6 8 START CLK 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 IO TDO IO IO VCC IO IO TCK IO GND IO PST P1 0.1 µF TDI IO IO GND IO IO TMS IO VCC IO IO VCC A1 A2 A3 A4 1 VCC 1k 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 VCC +15 Monitor Video +15 R11 100 0.1 µF C13 2 k 13 k +15 0.1 µF KACCC0150JA 表6-4 外部電流積分方式推奨回路の入出力信号名とその機能 信号名 デジタル系電源電圧 Vd 入力 アナログ系電源電圧 Va マスタスタートパルス φms マスタクロックパルス φmc グランド モニタビデオ データビデオ 出力 トリガパルス エンドオブスキャンパルス 30 記号 極性 機能 +5 - +5 V, 70 mA +15 - +15 V, 30 mA -15 - -15 V, 30 mA START 正 内部発生パルスを初期化させるパルス CMOSロジックコンパチブル 正 内部発生パルスを同期させるパルス CMOSロジックコンパチブル CLK G - グランド 正 ノイズキャンセル調整用出力 M.V 正 低ノイズ最終ビデオ出力 D.V 正 A/D変換用タイミング信号 CMOSロジックコンパチブル Trig. 負 シフトレジスタ走査終了信号 CMOSロジックコンパチブル EOS からの正極性出力で、スイッチングノイズキャンセル調整 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ キャンパルスは負極性パルスで、振幅電圧 Vtrig, Veosはい ずれも5 Vです。最終出力のデータビデオ出力はグランド ○ 正極性パルスで、振幅電圧 Vmc, Vmsは5 Vです。外部へ 出力されるトリガパルスは正極性パルス、エンドオブス ○ グ系電源電圧 ±Vsが±15 Vです。入力パルスのマスタク ロックパルス φmc、マスタスタートパルス φmsはいずれも ○ の推奨値、出力電圧値、出力パルス振幅電圧を示します。 入力印加電圧はデジタル系電源電圧 Vccが+5 V、アナロ ○ (2) 印加電圧 表6-5に推奨回路の入力電源電圧、入力パルス振幅電圧 ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 に使用するモニタビデオ出力は約2 Vの正電位からの正極 性信号でそれぞれ得られます。 一方、センサに加えられる電圧を次に示します。クロッ クパルス φ1, φ2, Vφstは5 Vで、フォトダイオードのリセッ ト電位を決めるビデオバイアス電圧 Vbは2 Vです。飽和コ ントロール部の飽和コントロールゲート電圧 Vscgは0 V で、飽和コントロールドレイン電圧 Vscdはビデオライン バイアス Vbと同じ2 Vです。Vss, Vsub, NC端子はいずれも 接地してください。またダミービデオ出力は当回路では使 用せず、ダミービデオ出力端子はオープンになっていま す。 表6-5 外部電流積分方式推奨回路の推奨電圧 項目 デジタル系電源電圧 Vd アナログ系電源電圧 Va 入力 記号 Vd Va Vms (H) Vms (L) Vmc (H) Vmc (L) Vtrig (H) Vtrig (L) Veos (H) Veos (L) Vφs (H) Vφs (L) Vφ1, Vφ2 (H) Vφ1, Vφ2 (L) Vb Vscd Vscg マスタスタートパルス φms マスタクロックパルス φmc 出力 トリガパルス エンドオブスキャンパルス スタートパルス φst 力電位のクランプなどの各動作を行います。したがって、 この周期でスタートパルス以外のパルスを発生させ、各画 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 1/4になります。なお、当回路の場合、積分リセット時間、 クランプ時間と特性との関係から、最高読み出し周波数は ○ ○ 素の信号を時系列信号として出力させます。このため出力 信号読み出し周波数はマスタクロックパルス周波数 fφmcの ○ 時間を1画素の読み出しのための動作に使い、この時間内 に1画素の出力信号の読み出し、積分容量のリセット、出 ○ tpwφmcより長くなるようにし、なおかつ同期させます。 推奨回路では、マスタクロックパルス φmcの4周期分の ○ 作を安定して行うため、マスタスタートパルスのパルス幅 tpw φms はマスタクロックパルスの1 周期分のパルス幅 ○ 信号蓄積時間となり、その時間はマスタスタートパルス周 波数 fφmsの逆数 1/fφms (秒)となります。またスタート動 ○ φmsの立ち上がりに同期して、マスタクロックパルス φmc の2周期分で作られるため、マスタスタートパルス間隔が ○ から出力されます。 センサへのスタートパルス φstはマスタスタートパルス ○ センサへの入力パルスはマスタクロックパルス φmcの1 周期分を最低単位として、規則的にある周期をもってPLD ○ スのタイミング図を、表6-6にタイミング条件をそれぞれ 示します。 ○ (3) パルスタイミング 図6-8に推奨回路の入出力パルスとセンサへの出力パル ○ クロックパルス φ1, φ2 センサへ モニタビデオ の出力 ビデオバイアス電圧 飽和コントロールドレイン電圧 飽和コントロールゲート電圧 Min. 4.85 ±14.5 2 0 2 0 4.75 4.75 4.75 4.75 - Typ. 5 ±15 5 5 5 5 5 5 2 2 0 Max. 5.5 ±15.5 5.4 0.8 5.4 0.8 5.4 0.4 5.4 0.4 5.4 0.4 5.4 0.4 - 単位 V 62.5 kHzと規定されています。 センサへのクロックパルスφ1, φ2はマスタクロックパル スの2周期分ハイレベルになるように設定されています。信 号出力はφ2に同期して得られます。スタートパルス φstとク ロックパルスφ1, φ2のタイミングは図6-8の通りです。 またアドレススイッチや積分容量のリセットスイッチの オンオフに伴って、出力信号にはリセットパルスφreset、 クロックパルス φ2に同期したスイッチングノイズが現れま す。このノイズは固定パターンノイズのため、このノイズ 成分と等価な逆位相の電荷量を出力信号成分に注入するこ とによってキャンセルできます。具体的にはリセットパル ス φresetクロックパルス φ2の反転パルスをそれぞれCR結 合回路を介して積分アンプの反転入力端子に入力します。 電荷注入量の調整は可変抵抗で行います。 クランプ回路では出力の直流再生とともに、積分アンプ のリセットスイッチで発生するノイズの除去も行っていま す。このランダムノイズの除去は積分アンプのリセット動 作後から信号が出力されるまでの時間、つまりφresetが ロー、φ2がハイのときに行われ、この時間が短いとノイズ の除去が不十分になります。当回路ではこの期間はマスタ クロックパルス1周期分に相当します。 A/D変換などを行う際のデータの取り込み時間は、当回 路の場合は信号が出力されてからマスタクロックパルス1 周期後に設定してあります。図6-6に示すように外部に出 31 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ エンドオブスキャンは最終画素が読み出された次のク ロックパルスφ2に同期して出力されます。 ○ てトリガパルスの立ち上がりに同期してデータの取り込み を行います。 ○ 力されるトリガパルスはその時点、つまりφ2ハイレベルの 1/2の時点で立ち上がるように設定してあります。したがっ ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 図6-8 外部電流積分方式推奨回路のタイミング図 マスタクロック CLK マスタスタート Start スタート st クロック 1 クロック 2 リセット RESET クランプ CLAMP トリガ Trigger ビデオ出力 Data Video エンドオブスキャン EOS KACCC0151JA 表6-6 外部電流積分方式推奨回路のパルスタイミング 項目 マスタスタートパルス φms幅 マスタスタートパルス φms上昇／下降時間 入力 マスタクロックパルス φmc幅 マスタクロックパルス φmc上昇／下降時間 マスタクロック周波数 エンドオブスキャンパルス幅 エンドオブスキャンパルス上昇／下降時間 出力 トリガパルス幅 トリガパルス上昇／下降時間 スタートパルス φst幅 スタートパルス φst上昇／下降時間 センサへ クロックパルス φ1幅 の出力 クロックパルス φ2幅 クロックパルス φ1, φ2上昇／下降時間 記号 tpwφms trφms, tfφms tpwφmc trφmc, tfφmc fφmc tpweos treos, tfeos tpwtrig trtrig, tftrig tpwφs trφs, tfφs tpwφ1 tpwφ2 trφ1, tfφ1, trφ2, tfφ2 ns kHz s ns s ns s ns s ns DC電源 GND 外部トリガ入力 -15 V GND +15 V GND +5 V GND ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 図6-9 接続例 (外部電流積分方式推奨回路) オシロ スコープ M. V. ○ ○ NMOS リニア イメージ センサ ○ ○ ○ CH2 GND パルス ジェネレータ St. GND CLK GND Trig. GND CH1 GND GND D. V. アナログ入力 GND S/H, A/D変換 S/H入力 GND ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 電源投入は接続後に行います。 ○ アナログ入力端子には回路のビデオデータ出力端子を接続 します。 ○ オデータ、ビデオモニタ出力端子を接続します。S/H、A/D 変換回路のタイミング入力端子には回路のトリガ出力を、 ○ 子にはマスタスタート端子を接続し、信号入力端子にはマ スタスタート端子を接続し、信号入力端子には回路のビデ 単位 s Max. 500 500 375 100 100 100 100 ○ タのマスタスタート、マスタクロックパルス出力は回路の 各入力端子に接続します。オシロスコープの外部トリガ端 Typ. 2/fφmc 1/fφmc 2/fφmc 2/fφmc 2/fφmc - ○ 図6-9に周辺機器との接続例を示します。 電源 (+5 V, ±15 V)を回路電源端子に、パルスジェネレー ○ ○ (4)接続 Min. 1/fφmc 30 - 32 KACCC0152JA ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 図6-10 外部電流積分方式標準回路 ○ (e) 飽和出力 (f) EOS周辺拡大 ○ 正常動作しないと場合には、次の点をチェックしてくだ さい。 (a)回路基板へ電源電圧 +5 V, ±15 Vが印加されている か？ (b)回路基板へマスタクロックパルス、マスタスタート パルスが入力されているか？ (c)センサの装着ピンにクロックパルス φ1, φ2、スタート パルス φstが出力されているか？ (d)エンドオブスキャンパルスが出力されているか？ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ (6) 注意事項 ○ (c) VR2調整前 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ (b) VR1調整後 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ (a) VR1調整前 ○ ○ 調整出力、飽和出力 ○ ○ ○ ○ ○ スイッチングノイズが最小になるようにします。オシロス コープの調整写真、飽和出力写真を図6-10に示します。 ○ プの入力切り換えはACにします。そして推奨回路図に示 す可変抵抗 VR1, 2を調整し、それぞれφreset, φ2に同期した ○ タビデオ出力とデータビデオ出力を観察します。モニタビ デオ出力は約2 Vから正極性の信号のため、オシロスコー ○ ○ 調整方法はまずセンサを遮光し、オシロスコープでモニ ○ 子側に入力することでキャンセルできます。 ○ (3)で説明したように出力に現れるスイッチングノイズ はφreset, φ2をCR結合回路を介して積分アンプの反転入力端 (d) VR2調整後 ○ (5) スイッチングノイズキャンセルの調整方法 ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 33 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 ○ ○ ○ ○ 6-2. 電圧出力型用駆動回路 マスタクロックパルス、マスタスタートパルスはバッファ を介してPLDに入力されます。 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 端子から外部に出力されます。 エンドオブスキャン端子は、10 kΩの抵抗で5 Vにプル アップされています。最終画素の次のφ2に同期して現れる エンドオブスキャン信号はバッファを介し、エンドオブス キャン端子から外部に出力されます。 以下に部品選定の注意点を示します。 (a) 非反転アンプ 非反転アンプは高速のオペアンプを選択してくださ い。また、低雑音のオペアンプが適しています。 (b) 反転アンプ 反転アンプとして、高速で負荷容量に強いオペアン プを選択してください。 ○ 信号処理回路は非反転増幅器と反転増幅器で構成されて います。センサ内部にはビデオライン容量を利用した電流 ○ れらの信号は外部からのマスタクロックパルスに同期し、 マスタスタートパルスによって初期化されます。これらの ○ た外部でのサンプルホールドのためのトリガ出力信号も合 わせて発生し、バッファを介して外部に出力されます。こ ○ のためにスタートパルス、2相のクロックパルスを、内部 信号処理のためにリセット信号をそれぞれ発生します。ま ○ 制御信号発生部はPLD (プログラマブル・ロジック・デ バイス)で構成されており、センサのシフトレジスタ動作 行い、出力はグランドから正極性の信号になります。な お、この2段のアンプで信号は6倍に増幅され、ビデオ出力 ○ オブスキャンパルスが出力されます。表6-7に入出力信号 名とその機能を示します。 され、非反転入力端子には、ある正電位をバイアスしま す。このバイアス電圧を可変することでオフセット除去を ○ 圧、マスタクロックパルス、マスタスタートパルスを入力 します。一方外部へはビデオ出力、トリガパルス、エンド から正極性の信号に直す必要があります。したがって、次 段のアンプではビデオ信号はアンプの反転入力端子に入力 ○ サからのビデオ信号を反転増幅、直流再生をして出力しま す。外部からはデジタル系電源電圧、アナログ系電源電 ンサ出力はある正電位から負極性のボックスカー波形で得 られるため、外部回路で信号処理しやすいようにグランド ○ 12に推奨回路図を示します。制御信号発生部ではセンサと 外部に必要なパルスを発生し、ビデオ信号処理部ではセン (抵抗・容量)をつけると安定した動作が得られないため、 この信号はアンプの非反転端子に入力します。しかし、セ ○ 駆動回路は基本的には制御信号発生部、ビデオ信号処理 部から構成されています。図6-11に推奨ブロック図、図6- ○ ○ (1) 推奨回路構成 積分回路とインピーダンス変換回路から成る信号処理回路 が内蔵されていますが、センサのビデオ信号出力に負荷 図6-11 電圧出力型用推奨ブロック図 タイミング信号発生部 st, rst 1, 2 EOS センサ ビデオ バッファ PLD +2.5 V バッファ Start, CLK EOS, Trigger VCC ビデオ信号処理部 アンプ D. GND アンプ Data Video A. GND +15 V 電圧レギュレータ -15 V KACCC0153JA 34 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 図6-12 電圧出力型用推奨回路図 VCC VCC 1k TRIG 1k 10 k 33 P1 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 VCC 1 CLK START G A4 A3 A2 A1 Y4 Y3 Y2 Y1 12 14 16 18 74VHCT244AF IO IO GND IN3/CLK3 IN2/CLK2 IN1/CLK1 IN0/CLK0 VCC IO IO IO 19 PST P1 P2 RESET 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 IO IO IO IO IO VCC GND IO IO IO IO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 TRIGGER N_EOS 8 6 4 2 RESET 34 PST 35 36 37 38 39 40 41 VCC 42 43 44 TDI IO IO GND IO IO TMS IO VCC IO IO 0.1 µF IO TDO IO IO VCC IO IO TCK IO GND IO VCC VCC A4 A3 A2 A1 Y4 Y3 Y2 Y1 3 5 7 9 74VHCT244AF 0.1 µF PLD 0.22 µF 0.22 µF VCC VCC VCC +15 -15 VCC 10 µF/25 V 1000 pF 10 µF/25 V 1000 pF 1k 2k 10 k CLK2 NC NC CLK1 ST NC VSS NC NC VSCG RESET NC VSCD NC VSS NC ACTIVE VIDEO NC DUMMY VIDEO EOS VDD VSUB 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 VCC S392X SERIES 0.1 µF +15 VCC 1k 0.22 µF 0.22 µF 1000 pF 2k 2 pF 2 pF 10 µF/25 V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 G 17 15 13 11 10 k 10 k -15 4 0.1 µF 1 6 + 5 3 15 +15 1 10 k 8 7 DATA VIDEO 2 + 3 0.1 µF 2 0.1 µF +15 5.1 k KACCC0154JA 表6-7 電圧出力型用推奨回路の入出力信号名とその機能 0 Vで、飽和コントロールドレイン電圧 Vscdはリセット電 圧 Vrと同じ2.5 Vです。内部出力処理部のドレインの印加 電圧 Vddは5 Vで、Vss, Vsub, NC端子はいずれも接地され ています。またダミービデオ出力は当回路では使用せず、 ダミービデオ出力端子はオープンになっています。 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ のリセット電位を決めるリセット電圧 Vrは2.5 Vです。飽 和コントロール部の飽和コントロールゲート電圧 Vscgは ○ クパルス φ1, φ2、スタートパルス φst、リセットパルス φr の振幅電圧 Vφ1, Vφ2, Vφst, Vφrは5 Vで、フォトダイオード ○ 信号で得られます。 一方、センサに加えられる電圧は次の通りです。クロッ ○ ルスは負極性パルスで、振幅電圧 Vtrig, Veosはいずれも 5 Vです。最終出力のビデオ出力はグランドからの正極性 ○ パルスで、振幅電圧 Vmc, Vmsは5 Vです。外部へ出力さ れるトリガパルスは正極性パルス、エンドオブスキャンパ ○ グ系電源電圧 Vsが±15 Vです。入力パルスはマスタクロッ クパルス φmc、マスタスタートパルス φmsいずれも正極性 ○ の推奨値、出力電圧値、出力パルス振幅電圧を示します。 入力印加電圧はデジタル系電源電圧 Vccが+5 V、アナロ ○ (2) 印加電圧 表6-8に、当回路の入力電源電圧、入力パルス振幅電圧 ○ 機能 +5 V, 70 mA +15 V, 30 mA -15 V, 30 mA 内部発生パルスを初期化させるパルス CMOSロジックコンパチブル 内部発生パルスを同期させるパルス CMOSロジックコンパチブル グランド ビデオ出力 A/D変換用タイミング信号 CMOSロジックコンパチブル シフトレジスタ走査終了信号 CMOSロジックコンパチブル ○ 極性 正 正 正 正 負 ○ 基板の記号 +5 +15 アナログ系電源電圧 Va -15 入力 マスタスタートパルス φms START マスタクロックパルス φmc CLK グランド G ビデオ Video 出力 トリガパルス Trig. エンドオブスキャンパルス EOS ○ 端子名 デジタル系電源電圧 Vd 35 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 表6-8 電圧出力型用推奨回路の推奨電圧 項目 デジタル系電源電圧 アナログ系電源電圧 入力 記号 Vd Va Vms (H) Vms (L) Vmc (H) Vmc (L) Vtrig (H) Vtrig (L) Veos (H) Veos (L) Vs (H) Vs (L) Vφ1, Vφ2 (H) Vφ1, Vφ2 (L) Vr (H) Vr (L) Vr Vscd Vscg Vdd マスタスタートパルス φms マスタクロックパルス φmc 出力 トリガパルス エンドオブスキャンパルス スタートパルス φst クロックパルス φ1, φ2 のタイミングは図6-13の通りです。 フォトダイオード電位のリセットは、アドレススイッチ と内蔵出力処理回路のリセットスイッチを同時に開き、 フォトダイオード電位をリセット電圧 Vrと同電位にする ことで行います。アドレススイッチはクロックパルス φ2に 36 ○ ○ ○ Max. 5.5 ±15.5 5.4 0.8 5.4 0.8 5.4 0.4 5.4 0.4 5.4 0.4 5.4 0.4 5.4 0.4 - 単位 V 同期しているため、リセットパルス φrとφ2は必ずオーバー ラップする必要があります。当回路ではリセットパルス φr をマスタクロックパルス3周期分ハイレベルにし、そのう ○ ○ ○ Typ. 5 ±15 5 5 5 5 5 5 5 2.5 2.5 0 5 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ち2周期分をφ2とオーバーラップさせています。またフォ トダイオードのリセット電位を常に安定させるため、φ2の 立ち上がりよりもマスタクロックパルス1周期分前にリ セットパルス φrは立ち下がります。リセットパルス φrの タイミング図は図6-13の通りです。なお、ビデオ出力信号 はφ2の立ち上がりからφrの立ち上がりの間で得られます。 AD変換などを行う際のデータの取り込み時間は、当回 路の場合信号が出力されてからマスタクロックパルス1周 期後に設定してあります。図6-13に示すように外部に出力 されるトリガパルスはその時点、つまりφ2がハイレベルの ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ルになるように設定されています。信号出力はφ2に同期し て得られます。スタートパルス φstとクロックパルス φ1, φ2 ○ センサへのクロックパルスφ1, φ2は相補関係にあり、そ れぞれマスタクロックパルスの2周期分、4周期分ハイレベ ○ ト時間と特性との関係から最高読み出し周波数は500 kHzと 規定されています。 ○ み出し周波数は、マスタクロックパルス周波数 fφmcの1/6 になります。なお、当回路の場合、フォトダイオードリセッ ○ 期でスタートパルス以外のパルスを発生させ、各画素の信 号を時系列信号として出力させます。このため出力信号読 ○ 素の出力信号の読み出し、フォトダイオード、ビデオライ ンのリセットなどの各動作を行います。したがってこの周 ○ 当回路では、マスタクロックパルス φmcの6周期分の時 間で1画素を読み出すための動作に使い、この時間内に1画 ○ トパルスのパルス幅tpwφstはマスタクロックパルスの1周期 分のパルス幅tpwφmcより長くなるようにします。 ○ スタスタートパルス周波数 fφmsの逆数1/fφms (秒)となりま す。またスタート動作を安定して行うため、マスタスター ○ タクロックパルス φmcの2周期分で作られるため、マスタ スタートパルス間隔が信号蓄積時間となり、その時間はマ ○ PLDから出力されます。センサへのスタートパルス φstは マスタスタートパルス φmsの立ち下がりに同期して、マス ○ ○ センサへの入力パルスは、マスタクロックパルス φmcの 1周期分を最低単位として、規則的にある周期をもって ○ のタイミング図を、表6-9にタイミング条件をそれぞれ示 します。 ○ 図6-13に当回路の入出力パルスとセンサへの出力パルス ○ (3) パルスタイミング ○ センサへ リセットパルス φr の出力 リセット電圧 飽和コントロールドレイン電圧 飽和コントロールゲート電圧 内部出力処理回路ドレイン電圧 Min. 4.85 ±14.5 2 0 2 0 4.75 4.75 4.75 4.75 4.75 - 1/4の時点で立ち上がるように設定してあります。したがっ てトリガパルスの立ち上がりに同期してデータの取り込み を行います。 エンドオブスキャンは最終画素が読み出された次のク ロックパルス φ2に同期して出力されます。 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 図6-13 電圧出力型用推奨回路タイミング図 マスタクロック CLK マスタスタート Start スタート st クロック 1 クロック 2 リセット RESET クランプ CLAMP トリガ Trigger ビデオ出力 Data Video エンドオブスキャン EOS KACCC0155JA 表6-9 電圧出力型用推奨回路のパルスタイミング 項目 マスタスタートパルス φms幅 マスタスタートパルス φms上昇／下降時間 入力 マスタクロックパルス φmc幅 マスタクロックパルス φmc上昇／下降時間 マスタクロック周波数 エンドオブスキャンパルス幅 エンドオブスキャンパルス上昇／下降時間 出力 トリガパルス幅 トリガパルス上昇／下降時間 スタートパルス φst幅 スタートパルス φst上昇／下降時間 クロックパルス φ1幅 クロックパルス φ2幅 センサへ クロックパルス φ1, φ2上昇／下降時間 の出力 リセットパルス φr幅 リセットパルス φr上昇／下降時間 リセットパルス -φ2オーバーラップ時間 リセットパルス下降 -φ2下降時間差 記号 tpwφms trφms, tfφms tpwφmc trφmc, tfφmc fφmc tpweos treos, tfeos tpwtrig trtrig, tftrig tpwφs trφs, tfφs tpwφ1 tpwφ2 trφ1, tfφ1, trφ2, tfφ2 tpwφr trφr, tfφr tφovr tdφ-2 ○ ○ (4) 接続 ○ ○ ○ ○ 各入力端子に接続します。オシロスコープの外部トリガ端 ○ ○ 図6-14に周辺機器との接続例を示します。 電源 (+5 V, ±15 V)を回路電源端子に、パルスジェネレー タのマスタスタート、マスタクロックパルス出力は回路の Min. 1/fφmc 30 - Typ. 4/fφmc 3/fφmc 2/fφmc 2/fφmc 4/fφmc 3/fφmc 2/fφmc 1/fφmc Max. 500 500 3 100 100 100 100 100 - 単位 s ns MHz s ns s ns s ns s ns s ns 子にはマスタスタート端子を接続し、信号入力端子には回 路のビデオデータ出力端子を接続します。S/H, A/D変換回 路のタイミング出力端子には回路のトリガ出力を、アナロ グ入力端子には回路のビデオデータ出力端子を接続しま す。 図6-14 接続例 (電圧出力型用推奨回路) DC電源 GND 外部トリガ入力 -15 V GND +15 V GND +5 V オシロスコープ Video GND NMOS リニア イメージ センサ パルス ジェネレータ St. GND CLK GND Trig. GND CH1 GND アナログ入力 GND S/H, A/D変換 S/H入力 GND KACCC0156JA 37 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ (6) 注意事項 正常動作しない場合には、次の点をチェックしてくださ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○○ ○○ ○○ (c) 飽和出力 ○○ ○○ ○○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ (b) オフセット調整後 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ (a) オフセット調整前 ○ 飽和出力 ○ 図6-15 電圧出力型用推奨回路のオフセット調整と ○ ○ φrローのビデオ出力時間の出力レベルをグランドレベル付 近に合わせます。 ○ プでビデオ出力を観察します。そして図6-15のオシロス コープの写真に示すように可変抵抗を調整して、φ2ハイ、 ○ で行います。 調整方法としては、まずセンサを遮光し、オシロスコー ○ 側に印加する電圧を変化させることで、ビデオ出力のオフ セットレベルを調整します。調整は推奨回路図の可変抵抗 (d) EOS周辺拡大 ○ (5) 出力オフセットレベルの調整方法 (1)で説明したように当回路では反転アンプの非反転入力 ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 38 い。 (1)回路基板へ電源電圧+5 V, ±15 Vが印加されている か？ (2)回路基板へマスタクロックパルス、マスタスタート パルスが入力されているか？ (3)センサの装着ピンにクロックパルス φ1, φ2、スター トパルス φstが出力されているか？ (4)エンドオブスキャンパルスが出力されているか？ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 図6-17にマスタクロックパルスとマスタスタートパルス のタイミング図を示します。マスタスタートパルスのパル ○ ○ ○ ○ 6-3. パルスジェネレータ ○ ○ ○ ○ ○ ○ (2) マスタクロックパルスの設定 マスタクロックパルスの設定は、ロータリースイッチ SW-CLKで行います。 ○ ○ スタクロックパルス、マスタスタートパルスを発生しま す。なお、パルスの周波数は一定の範囲で設定可能です。 ○ に専用のパルスジェネレータ C8225シリーズを用意してい ます。C8225シリーズは、外部から5 Vを与えることで、マ ス幅は、マスタクロックパルスのパルス幅の2倍になって います。 ○ 浜松ホトニクスは、電流出力型、電圧出力型駆動回路用 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 蓄積時間=X × 10Y (秒)で表されます。XはSW-125で、Y はSW-STARTで設定できるようにPLDを組みます。 ○ ○ に、センサの動作時間 (読み出し速度)を決定します。 このマスタスタートパルス間隔が蓄積時間となります。 ○ とセンサの蓄積時間を決定します。また、マスタクロック パルスはPLDで作成するパルスの最小単位となるととも マスタスタートパルス間隔の設定は、ロータリースイッ チ SW-STARTおよびスライドスイッチ SW-125で行いま す。 ○ 晶発振子を使用しているため、高精度のクロックパルスが 得られます。マスタスタートパルスは、駆動回路の初期化 (3) マスタスタート間隔の設定 ○ (30 mA)を入力し、外部へはマスタクロックパルス、マスタ スタートクロックが出力されます。原振クロックとして水 PLDで源振クロックを分周します。 ○ (1) 推奨回路構成 図6-16に推奨回路図を示します。外部からは電源電圧 5 V 図6-16 パルスジェネレータ推奨回路図 OPEN (32 MHz) VCC R1 R2 R3 10 k 10 k 10 k 4 COM COM 8 4 2 1 START2 START4 TMS START8 R4 10 k CLK8 CLK4 CLK2 CLK1 2 1 6 5 1k R8 10 k VCC 4 COM COM 8 4 2 1 VCC 1000 pF 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 TDI IO IO GND IO IO TMS IO VCC IO IO IO TDO IO IO VCC IO IO TCK IO GND IO 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 VCC TCK 1k 1 2 PLD 1 2 10 µF 4 MSTART TC7SET32F 4 MCLK X5 OUT SW-START 3 VCC X1 X2 VCC R5 R6 R7 10 k 10 k 10 k VCC 1k TD1 CLK8 START1 SW-CLK 3 CLK CLK1 CLK2 CLK4 VCC 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 OE IO IO IO VCC IN0/CLK0 IN1/CLK1 IN2/CLK2 IN3/CLK3 GND IO IO OUT GND 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 VCC VCC IO IO IO IO GND VCC IO IO IO IO IO 3 CLK 1 VCC JP3 32 MHz (24 MHz) 0 -01 4 VCC 3 OUT OUT 2 GND 1 VCC OE 4 2 VCC VCC TC7SET32F START8 START4 START2 START1 2 1 6 5 VCC R9 R10 R11 10 k 10 k 10 k X1 X2 X5 VCC 0.1 µF 0.1 µF 0.1 µF 0.1 µF 0.22 µF 0.22 µF0.22 µF 0.22 µF KACCC0157JA 図6-17 パルスジェネレータ推奨回路のタイミング図 マスタクロック MCLK マスタスタート MStart KACCC0126JA 39 ○ NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 ○ ○ ○ ○ ○ にも使用可能です。 また、C7884専用ケーブルとしてA8226を用意しています。 ○ アイメージセンサ用駆動回路を用意しています。専用パル スジェネレータ C8225も用意しており、いずれの駆動回路 ○ 浜松ホトニクスは、表7-1に示すように5種類のNMOSリニ ○ ○ ○ ○ ○ 7. 標準駆動回路 表7-1 NMOSリニアイメージセンサ駆動回路の種類 タイプ 外部電流積分方式 C7884/-01, C7884G/-01 C8892 C7884-20/-21 C5964シリーズ 7-2. 機能別 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 回路の中央にセンサを装着して使用します。評価用とし てだけでなく、装置に組み込んで使用できるようコンパク トで使いやすく設計されています。 ○ ○ ○ ○ ○ (2) 常温型マルチチャンネル検出器ヘッド 回路をユニットケースに内蔵したものです。角型は、内 部にC7884, C7884-01の各基板を使用しています。コネク タピン配置は丸型と同じです。(注意: C7884, C7884-01と は違っています。) 丸型は、前面には分光器取り付け用の 約φ8 cmのフランジが付き、奥行きは約4 cmでコンパクト に設計されています。ユニットケースは外部からのシール ド効果をもち、センサの光軸合わせ調整機能も備えていま す。信号の入出力は背部のコネクタを通じて1本のケーブ ルで行うため、取り扱いが容易です。 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ プ回路によるノイズ除去 ○ (C7884シリーズ, C8892, C5964シリーズ) ビデオ出力の電流積分、オフセット除去、増幅、クラン ○ (1) 電流出力型、電流積分方式 ○ ○ ○ す。信号処理部では以下のようにセンサのビデオ出力に対 して必要な信号処理を行います。 ○ ○ 動に必要なスタートパルスと2相クロックパルスを発生し ます。またデータ取り込み用のトリガパルスとセンサの掃 引終了を示すエンドオブスキャンパルスを外部に出力しま (1) 基板 ○ ます。パルス発生部では、外部からマスタクロックパル ス、マスタスタートパルスを入力することで、センサの駆 ボード型、マルチチャンネル検出器ヘッド (冷却型、常 温型)の3種類を用意しています。外形寸法図を図7-1に示し ます。 ○ しています。 駆動回路は、パルス発生部と信号処理部で構成されてい ○ 電流出力型 (S3901～S3904/S8380/S8381シリーズ)につ いては、電流電圧変換方式、電流積分方式の2種類を、電 圧出力型 (S3921～S3924シリーズ)については1種類を用意 ○ ○ ○ 7-1. 回路構成別 ○ 電流出力型 マルチチャンネル検出器ヘッド 常温型 常温角型 冷却型 基板 ○ 回路構成 40 (3) 冷却型マルチチャンネル検出器ヘッド 温度制御回路、放熱器を内蔵したマルチチャンネル検出 器ヘッドです。センサの温度を0 °Cに保ちます。 冷却することによってセンサの暗電流を低く抑え、蓄積 時間を長く取ることができます。 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 図7-1 外形寸法図 (単位: mm) (a) C7884/-01 (4 ×) C3 63.5 2 1 16 15 50.8 7.62 (2 ×) 3.6 7.62 7.62 55.88 KACCA0086EA (b) C7884G/-01 (4 ×) C3 1.6 10.0 1.6 25.4 63.5 25.4 7.62 (2 ×) 3.6 7.62 7.62 55.88 KACCA0106EA 41 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 (c)外形寸法図 C8892( , 単位 ) 33.0 2.0 NMOSリニアイメージセンサ (別売) 45˚ 86.0 72.0 78PCD (4 ×) 3.3 駆動回路基板 入出力信号 コネクタ フランジ 焦点調節用ダイアル オフセット 調整用トリマ 本体シールドケース (フランジを含む) 前面 側面 後面 焦点調節用ダイアルを回転させることで、焦点 位置を0∼4.5 mmの範囲 (基板ストローク長)で 奥に動かすことができます。 質量: 約0.16 kg KACCA0113JA (d) C7884-20, C7884-21 75.0 (4 ×) C7 25.0 (8 ×) R3 0 65.0 14.0 75.0 45. D-SUB 15 PIN ソケットタイプ 90PCD (4 ×) 3.5 貫通 46.0 (2 ×) M3 有効長 10 mm KACCA0112JA 42 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 (e) C5964シリーズ 49.0 (4 ×) M3 有効長 9 80.0 115 94.0 40.0 焦点距離 7.0 ± 0.5 KACCA0053JA (f) C8225シリーズ (4 ×) C3 25.4 29.21 3.6 C7884 シリーズマウント用 7.62 7.62 3.81 7.62 (4 ×) 55.88 63.5 C7884 シリーズマウント用 KACCA0087JB 7-3. 電流出力型用外部電流積分方式標準回路 C7884シリーズ 7 - 3 - 1 . 製品の種類 製品名 型名 C7884 C7884G 駆動回路 C7884-01 C7884G-01 検出器ヘッド C7884-20 C7884-21 パルスジェネレータ C8225-01 ケーブル A8226 特長 低雑音 優れた出力直線性 ボックス波形出力 C7884 + C8225-01 パルスジェネレータ一体型 超低雑音 優れた出力直線性 ボックス波形出力 C7884-01 + C8225-01 パルスジェネレータ一体型 C7884 内蔵 C7884-01 内蔵 蓄積時間: 1 μs～50 s CLK 周波数: 32 MHz～62.5 kHz BNC、長さ 1 m オスコネクタ込み 43 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 7 - 3 - 2 . 仕様 ■ 絶対最大定格 (Ta=25 °C) 項目 正電源電圧 負電源電圧 動作温度 保存温度 記号 +Vs Max -Vs Max Topr Tstg 条件 定格値 +20 -20 0 ～ +50 -10 ～ +60 結露なきこと 結露なきこと 単位 V V °C °C ■ 特性 (指定のない場合は Ta=25 °C, ±Vs=±12 V) (1) アナログ部 項目 回路方式 回路ゲイン 記号 条件 Min. G 全シリーズ共通 S3901/S3904 シリーズ S3902/S3903 シリーズ S3901/S3904 シリーズ S3902/S3903 シリーズ - C7884 データレート fvo C7884-01 (2) デジタル部 項目 記号 Vms (H) Vms (L) tpwφms trφms tfφms Vmc (H) Vmc (L) tpwφmc trφmc tfφmc 入力電圧 マスタスタートパルス φms (正論理) パルス幅 上昇時間 下降時間 入力 入力電圧 パルス幅 上昇時間 下降時間 マスタクロックパルス φmc (正論理) 周波数 C7884 C7884-01 パルス幅 上昇時間 下降時間 出力 エンドオブスキャンパルス EOS (負論理) 出力電圧 パルス幅 上昇時間 下降時間 注) 最大クロック周波数: かっこ内は S3902/S3903 シリーズ ○電源 内部でデジタル用電源 Vccを発生させているため、2 44 ○ ○ ○ ○ ○温度安定性 温度安定性の向上を図るために電源にレギュレータ ○ ○ 電源 (±12 V Typ.)となっています。 ○ 7-4-3. 推奨回路との比較 ○ C7884-01 Max. 5.4 0.8 50 50 5.4 0.8 20 20 2 (4) 250 5.4 0.8 100 100 5.4 0.8 100 100 単位 V V ns ns ns V V ns ns ns MHz kHz V V ns ns ns V V ns ns ns 条件 +15 V -15 V +15 V -15 V Min. +11.5 -11.5 - Typ. +12.0 -12.0 35 10 25 15 Max. +15.5 -15.5 - 単位 V V mA mA mA mA を入れたり、各所にリファレンスやフィルタ回路を 入れてあります。 ○ 消費電流 正電源電流 負電源電流 正電源電流 負電源電流 Vtrig (H) Vtrig (L) tpwtrig trtrig tftrig Veos (H) Veos (L) tpweos treos tfeos Typ. 5.0 5.0 5.0 1/fφmc 5.0 2/fφmc - ○ C7884 記号 +Vs -Vs +Is -Is +Is -Is ○ 供給電源 項目 正電源電圧 負電源電圧 500 1 62.5 62.5 単位 V/pC kHz MHz kHz kHz ○対外来雑音 ○ ■ 一般定格 Max. Min. 2.0 0 1/fφmc 2.0 0 30 2.0 0 2.0 0 - fφmc 出力電圧 トリガパルス Trig (正論理) Typ. 電荷蓄積型 0.3 - 電源ラインなどにフィルタやコンデンサを入れてあり ます。 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 7-4. パルスジェネレータ標準回路 C8225シリーズ 7 - 4 - 1 . 製品の種類 製品名 型名 パルスジェネレータ 特長 C7884 シリーズ用 蓄積時間: 1 μs～50 s CLK 周波数: 32 MHz～62.5 kHz C8225-01 7 - 4 - 2 . 仕様 ■ 絶対最大定格 (Ta= 25 °C) 電源電圧 動作温度 保存温度 項目 記号 +Vs V Max Topr Tstg 条件 結露なきこと 結露なきこと ■特性 (指定のない場合は Ta=25 °C, +5 V) 項目 マスタスタートパルス MStart (正論理) 出力 記号 Vms (H) Vms (L) tpwφms trφms tfφms Vmc (H) Vmc (L) tpwφmc trφmc tfφmc fφmc 出力電圧 パルス幅 上昇時間 下降時間 出力電圧 マスタクロックパルス MCLK (正論理) * 最大クロック周波数 定格値 +7 0 ～ +50 -10 ～ +60 パルス幅 上昇時間 下降時間 周波数 ■ 一般定格 項目 記号 供給電源 +Vs 消費電流 +Is * クロック周波数により消費電流は変わります。 条件 +5 V 単位 V °C °C Min. 2.0 0 1/fφmc 2.0 0 30 - Typ. 4.8 4.8 - Max. 5.0 0.8 50 50 5.0 0.8 10 10 32 (24) 単位 V V ns ns ns V V ns ns ns MHz Min. +4.5 Typ. +5.0 Max. +5.5 30 単位 V mA 7 - 4 - 3 . スイッチの操作方法 ■ MCLK 駆動回路の読み出し周波数を設定します。 CLK スイッチ C8225-01 番号 周波数 0 32 MHz 1 16 MHz 2 8 MHz 3 4 MHz 4 2 MHz 5 1 MHz 6 500 kHz 7 250 kHz 8 125 kHz 9 62.5 kHz C7884 1 MHz 500 kHz 250 kHz 125 kHz 62.5 kHz 31.25 kHz 15.625 kHz C7884-01 62.5 kHz 31.25 kHz 15.625 kHz 45 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 ■ MStart 46 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ コンピュータとのインターフェースにUSBを使用するこ とにより、12 Mbpsの高速データ通信が可能となります。 ○ イメージセンサ用駆動回路からのビデオ信号をデジタル信 号に変換し、コンピュータにデータ転送を行います。 ○ (1) データ処理ユニット C8799 データ処理ユニット C8799は、浜松ホトニクス製NMOS ○ ○ ○ 機を使用した場合の接続例です。 ○ ドの周辺機器として、データ処理を容易に行うためのデー タ処理ユニットなども用意しています。図7-2はPC/AT互換 ○ 浜松ホトニクスは、NMOSマルチチャンネル検出器ヘッ ○ ○ ○ 7-5. マルチチャンネル測定ユニット ○ 駆動回路の蓄積時間を設定します。 ST スイッチおよび 1-2-5 スイッチ (シリーズ共通) 蓄積時間 ST スイッチ 1-2-5 スイッチ 1 1 μs 0 2 2 μs 5 5 μs 1 10 μs 1 2 20 μs 5 50 μs 1 100 μs 2 2 200 μs 5 500 μs 1 1 ms 3 2 2 ms 5 5 ms 1 10 ms 4 2 2 ms 5 5 ms 1 100 ms 5 2 200 ms 5 500 ms 1 1s 6 2 2s 5 5s 1 10 s 7 2 20 s 5 50 s 注) ST スイッチを 8･9 に設定した場合、MStart は常に“Low”で、パルスは出力されません。 (2) ケーブル類 NMOSマルチチャンネル検出器ヘッドの周辺機器接続用 の専用ケーブルです。 NMOSリニアイメージセンサの特性と使い方 図7-2 マルチチャンネル検出器ヘッドと周辺機器の接続例 オシロスコープ 信号ケーブル A3020 (1.5 m, 2本) (両端コネクタ) 電源 イメージセンサ用ケーブル (両端コネクタ) (0.5 m) A3017 A3017-01 (1 m) A3017-02 (1.5 m) 電源ケーブル(両端コネクタ) A3018-02 (1.5 m) HAMAMATSU データ処理ユニット C8799 C8892 USBケーブル (1.5 m) C8799付属品 PC/AT互換機 注) データ処理ユニット C8799, USBケーブル (1.5 m)以外のものは別売。 KACCC0184JD 8. 信頼性 浜松ホトニクスではJIS規格を基本とし、EIAJ規格、MIL規格などを参考にして、NMOSリニアイメージセンサに関して、 表8-1に示すような信頼性試験を定期的に行っています。 表8-1 NMOSリニアイメージセンサの信頼性試験 試験項目 試験条件 高温保存 85 °C (最高保存温度), 1000 時間 高温動作 65 °C (最高動作温度), Vφ=10 V (最大クロック電圧) 1000 時間 高温高湿動作 60 °C, 90 %, Vφ=10 V (最大クロック電圧), 1000 時間 温度サイクル (保存) -40 °C 30 分～85 °C 30 分, 100 サイクル (最低保存温度～最高保存温度) 衝撃 100 G, 6 ms, XYZ 方向, 各 3 回 振動 100～2000 Hz, 20 G, XYZ 方向, 48 分 端子強度 引っ張り 0.5 kg, 30 s, 曲げ 2 回 静電破壊 C=200 pF, R=0 Ω, ±200 V, すべての端子間 注) 信頼性試験の認定許可値はカタログ記載の特性最大値とします。 本資料の記載内容は、平成26年2月現在のものです。製品の仕様は、改良のため予告なく変更する ことがあります。ご使用の際には、仕様書をご用命の上、最新の内容をご確認ください。 固体営業部 東京支店 大阪営業所 仙台営業所 〒435-8558 〒105-0001 〒541-0052 〒980-0011 静岡県浜松市市野町1126-1 東京都港区虎ノ門3-8-21 (虎ノ門33森ビル) 大阪市中央区安土町2-3-13 (大阪国際ビル) 宮城県仙台市青葉区上杉1-6-11 (日本生命仙台勾当台ビル) (053）434-3311 (03) 3436-0491 (06) 6271-0441 (022) 267-0121 FAX (053) 434-5184 FAX (03) 3433-6997 FAX (06) 6271-0450 FAX (022) 267-0135 http://www.hpk.co.jp Cat. No. KMPD9001J06 Feb. 2014 DN 47