CN112351228B - 检测设备和检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供检测设备和检测系统。所述检测设备具有布置在N行和M列中的多个像素，其中，N和M各自是1或更大的整数，所述多个像素中的各个像素包括：检测器，其被构造为检测电磁波；第一电容器，其连接至所述检测器；第一开关和第二开关，各自连接至所述第一电容器的与所述检测器相对的端子；以及第二电容器，其连接至所述第二开关的与所述第一电容器相对的端子，其中，所述第一开关的与所述第一电容器相对的端子和所述第二电容器的与所述第二开关相对的端子中的各个连接至基准电位，并且其中，导通/截止所述第一开关、然后在维持所述第一开关处于截止状态的同时导通/截止所述第二开关的整合操作被重复进行多次。

Description

检测设备和检测系统

技术领域

本发明涉及检测设备和检测系统。

背景技术

近年来，已经开发了检测电磁波的检测设备，该电磁波至少包括0.3THz至30THz的频带内的任意频率分量。电磁波的检测甚至允许对二维布置的各个像素的各自强度进行摄像(太赫兹相机)。在本公开中，上述频带中的电磁波也简称为太赫兹波。

太赫兹相机被认为在工业上是有用的。这是因为太赫兹相机具有这样的性能特征：与X射线类似，太赫兹波通过非金属物质透射，在太赫兹波段中存在生物分子、医疗物品等特有的大量吸收光谱，并且太赫兹相机具有大量摄像应用所需的空间分辨率。太赫兹波的可想到的应用领域包括用于分析物质内部的光谱技术、替代X射线的安全透视摄像设备、用于生物分子或医疗物品的分析技术等。

日本特开2014-175819号公报描述了一种检测设备，该检测设备包括具有降低的低频噪声的二维阵列检测元件。

当使用日本特开2014-175819号公报中描述的技术时，可以使用同步检测的性质来进行相当低噪声的信号检测。然而，出现的问题在于，无法充分利用已经到达尚未对其进行读取的元件的太赫兹波。例如，当通过M列二维阵列检测元件对N行进行逐行读取时，无法从未被选择要进行读取的行获取太赫兹波检测信号。

发明内容

鉴于这种问题而实现了本公开，并且本发明的目的在于提供各自能够整合/存储检测信号的检测设备和检测系统。

本公开的第一方面是一种检测设备，其包括：

布置在N行和M列中的多个像素，其中，N和M各自是1或更大的整数，所述多个像素中的各个像素包括：

检测器，其被构造为检测电磁波；

第一电容器，其连接至所述检测器；

第一开关和第二开关，各自连接至所述第一电容器的与所述检测器相对的端子；以及

第二电容器，其连接至所述第二开关的与所述第一电容器相对的端子，

其中，所述第一开关的与所述第一电容器相对的端子和所述第二电容器的与所述第二开关相对的端子中的各个连接至基准电位，并且其中，导通/截止所述第一开关、然后在维持所述第一开关处于截止状态的同时导通/截止所述第二开关的整合操作被重复进行多次。

根据本公开，可以提供各自能够整合/存储检测信号的检测设备和检测系统。

通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一方面的摄像设备的构造的图；

图2是示出根据第一方面的摄像设备的构造的图；

图3是与第一方面的操作相关联的时序图；

图4是示出根据第一方面的整合操作的次数与所存储的信号之间的关系的图；

图5是示出根据本发明第二方面的阵列检测元件和摄像系统的图；

图6A和图6B是各自示出根据本发明的第一实施例的二维阵列检测元件的基板结构的图；并且

图7是示出根据第一实施例的摄像设备及其中的像素的构造的图。

具体实施方式

第一方面

参照图1，将对根据本发明的第一方面的摄像设备(太赫兹相机)进行描述。根据第一方面的摄像设备可以被认为是检测太赫兹波的检测设备。图1是示出第一方面中的像素的布置的示意图。在图1中，101表示布置在N行M列(N和M均是二以上的整数)中的像素，各个像素包括用于检测来自被摄体的电磁波的检测器。在第一方面中，像素被二维地布置在多个行和多个列中，但是行数和列数不受特别限制。附图标记102表示生成控制信号的信号生成单元，附图标记103表示控制信号传输线，附图标记104表示垂直扫描电路，附图标记105表示垂直扫描线，附图标记106表示信号处理电路，附图标记107表示读取线，并且附图标记108表示连接到各个像素101的晶体管，用作从像素101读取信号电荷的选择开关。通过导通由垂直扫描电路104选择的行中的开关108，经由读取线107将信号从所选择的行中的像素101读取到信号信号处理电路106。信号处理电路106使用模数转换器(ADC)进行信号处理，诸如对读取信号的放大和对信号的噪声滤波和数字化。由垂直扫描电路104选择的行逐行切换，并且在1帧的读取时段内对N行中的各行逐行依次进行读取。在信号处理电路106的后段中，设置图像处理电路(未示出)以根据读取的检测信号形成图像。

图2是示出第一方面中的像素中的一个像素的示意图。像素101被构造为包括检测器211、存储电容器Cs214、开关SWs215、开关SWi216、存储电容器Ci217和重置开关SWr218。存储电容器Cs214对应于第一电容器(第一电容)，存储电容器Ci217对应于第二电容器(第二电容)，开关SWs215对应于第一开关，并且开关SWi216对应于第二开关。

Cs214连接到检测器211，以存储由检测器211检测到的信号电荷。开关SWs215是用于将Cs214的一个端子重置为基准电位的开关。开关SWi216是用于控制从Cs214到Ci217的电荷传输的开关。开关SWr218是用于将Ci217的一个端子重置为基准电位的开关。SWs215的一个端子连接到Cs214的与检测器211相对的端子，而另一端子接地。SWi216的一个端子连接到Cs214的与检测器211相对的端子，而另一端子连接到Ci217。Ci217的一个端子接地，而另一个端子连接到SWi216。开关SWr218的一个端子接地，而另一端子连接到Ci217。

附图标记220表示连接到SWs215的控制端子的用于SWs215的控制信号传输线，并且附图标记221表示连接在控制信号传输线220与传输线222之间的反相器(NOT门)。传输线222连接到SWi216的控制端子。

检测器211被构造为包括电磁波检测元件和用于放大检测信号的放大器。从检测器211输出的信号经由传输线223反复输出第一电位(用作太赫兹光源的非照射期间的输出电平)和第二电位(用作太赫兹光源的照射期间的输出电平)。这里假设第一电位和第二电位不是恒定的而是变化的。

SWs215和SWi216基于从控制信号传输线220传输的控制信号，与是否存在太赫兹光源的照射同步地操作。在第一方面中，反复进行SWs215和SWi216的开关操作，以将由第一存储电容器Cs214接收并从检测器211输出的信号整合/存储在第二存储电容器Ci217中。以下将详细描述整合/存储操作。

图3是示出第一方面中的像素中的一个像素的操作的时序图。

在t0-t1时段期间，SWi216和SWs215为OFF(截止)，而SWr218进入ON(导通)状态以重置第二存储电容器Ci217。在t0-t1时段期间，太赫兹光源的照射/非照射以及检测器的输出的状态不会影响重置Ci217的操作。具体而言，在图3的t0-t1时段期间，不存在太赫兹光源的照射，并且检测器输出处于第一电位，但是也可以存在或不存在太赫兹光源的照射，或者，可以反复进行照射和非照射。

t1-t2时段对应于太赫兹光源非照射时段，并且检测器211的输出处于第一电位，该第一电位用作太赫兹光源的非照射期间的输出电平。在t1-t2时段期间，SWr218和SWi216处于OFF状态，而对SWs215进行ON/OFF操作以将Cs214的一个端子重置为基准电位。

t2-t3时段对应于太赫兹光源照射时段，并且检测器211的输出处于第二电位，该第二电位用作太赫兹光源的照射期间的输出电平。由于检测器211的输出从第一电位转变到第二电位，因此表示第一电位与第二电位之差的信号被作为电荷保持在第一存储电容器Cs214中。在t2-t3时段期间，SWr218和SWs215处于OFF状态，而对SWi216进行ON/OFF操作。当在t2-t3时段期间对开关SWi216进行ON/OFF操作时，根据电荷守恒原理，存储在第一存储电容器Cs214中的电荷作为由第一存储电容器Cs214和第二存储电容器Ci217确定的值而移动到Ci217并保持在其中。

t3-t4时段对应于太赫兹光源非照射时段，并且检测器211的输出处于第一电位，该第一电位用作太赫兹光源的非照射期间的电位。在t3-t4时段期间，由于检测器输出的波动，第一电位通常不等于在t1-t2时段期间的第一电位。在t3-t4时段期间，SWr、SW和SWi的各自操作与在t1-t2时段期间的操作相同。

t4-t5时段对应于太赫兹光源照射时段，并且检测器211的输出处于第二电位，该第二电位用作太赫兹光源的照射期间的输出电平。在t4-t5时段期间，由于检测器输出的波动，第二电位通常不等于在t3-t4时段期间的第二电位。第一电位和第二电位的波动可以通过重复后述整合操作而实现的平均效应来减小。在t4-t5时段期间，SWr、SW和SWi的各自操作与在t2-t3时段期间的操作相同。

在t3和随后的时段期间，将t1-t3时段期间的操作重复多次，直到读取第二存储电容器Ci217的电位为止。当适当地选择第一存储电容器Cs214和第二存储电容器Ci217的各自电容时，每次重复t1-t3时段期间的操作，第二存储电容器Ci217中保持的电荷增加，从而导致整合信号这种操作。为了便于描述，在包括t1及t1之后的时段期间，在SWs215的ON/OFF操作之后将SWs215保持在OFF状态的状态下进行的SWi216的ON/OFF操作被称为“一次整合操作”。

注意，在第一方面中，在t1-t2时段期间进行SWs215的ON/OFF操作，并且在t2-t3时段期间进行SWi216的ON/OFF操作。然而，开关的操作不限于这些时段。由于SWs215的ON/OFF操作旨在获得用于检测器输出的第一电位，因此可以在检测器211的输出处于第一电位时或在检测器211的输出处于第一电位附近的电位时适当地进行SWs215的ON/OFF操作。同样，由于SWi216的ON/OFF操作旨在获得用于检测器输出的第二电位，因此可以在检测器211的输出处于第二电位时或在检测器211的输出处于第二电位附近的电位时适当地进行SWi216的ON/OFF操作。然而，当SWs215和SWi216同时导通时，保持在Ci217中的电荷从Ci217中流出，因此需要在连续的整合操作期间避免SWs215和SWi216同时导通。

通过相关双采样来进行使用第一存储电容器Cs214对第一电位与第二电位之间的差分信号的检索。因此，可以获得降低DC型噪声/低频噪声(诸如从检测器211中的电磁波检测元件生成的低频噪声和从包括放大器的电路生成的kTC噪声)的效果。

作为重复整合操作的结果，在第二存储电容器Ci217中，将各自与第一电位与第二电位之间的差相对应的信号整合与整合次数相对应的次数。在此，可以通过平均效应来减小由重复进行的整合操作引起的第一电位和第二电位的波动。随着进行整合的次数越大，平均波动的效果越大，但是进行整合的次数受到第二存储电容器Ci217与第一存储电容器Cs214的电容比的限制。当第一电位与第二电位之间的差被假设为V1并且电容器Ci217的电位被假设为V2时，一次整合操作之后电容器Ci217的电位V2'由表达式(1)给出，其中Ci和Cs分别表示第一存储电容器Cs214和第二存储电容器Ci217的静电电容。

换句话说，当重复整合并且V2接近V1时，由一次整合引起的V2'的变化接近0。这意味着，当重复整合时，Ci217的电位V2在电位V1处饱和。当这里增大电容比Ci/Cs时，可以增加直到电位V2饱和为止而进行的整合次数。在第一方面中，进行滚动读取操作，使得在1帧的读取时段期间对N行中的各行逐行依次进行读取。当满足N＞1时，除了对像素进行读取的时段以外，各个像素在(N-1)行的读取时段内重复整合操作。当假设在一行的读取时段期间进行了与进行整合的最小次数相对应的一次整合操作时，第二存储电容器Ci217与第一存储电容器Cs214的电容比Ci/Cs被设置为(N-1)或以上。设置第一存储电容器Cs214的静电电容Cs和第二存储电容器的静电电容Ci以满足由Ci/Cs＞N-1给出的关系。因此，可以进行(N-1)次或更多次整合操作而不会涉及Ci217的饱和。以下是为此所需条件的详细描述。

首先，就在生成控制信号220的脉冲的信号发生器102、垂直扫描电路104和信号处理电路106的各个操作中简化控制信号而言，优选地将一行的读取时段内的整合操作的次数设置为整数n。如果假设在一行的读取时段内的整合操作的次数小于1(在多行的读取时段内的一次存储操作)，则不允许垂直扫描线105和控制信号传输线103在各行之间的通用性。这极大地使构造和控制复杂化，并且在信号精度和成本方面明显不利。即使将一行的读取时段内的存储操作的次数设置为大于1的非整数，也会出现相同的问题。同时，只要一行的读取时段内的整合操作的次数是整数，就不会使构造和控制复杂化。换句话说，n为1以上的整数是适当的。因此，当满足n＝1时，整合操作的次数为(N-1)且最小，因此整合操作的次数不小于(N-1)。如果在此假设满足Ci/Cs＜N-1，则在(N-1)次整合操作期间存储在第二存储电容器Ci217中的信号接近基本上等于第一电位与第二电位之差的值。即使当进行整合操作时，也基本上不存储信号，进而导致饱和。具体地，由于整合操作的最小次数是(N-1)，因此将理解，第二存储电容器Ci217与第一存储电容器Cs214的电容比Ci/Cs需要至少为(N-1)或者更大。因此，Ci/Cs>N-1对应于最低要求。另外，由于在一行的读取时段内进行了n次整合操作，因此一帧中的整合操作次数为(N-1)×n。在这种情况下，应当理解，Ci/Cs更优选为(N-1)×n或更大，即，优选满足由Ci/Cs＞(N-1)×n给出的关系。

注意，第二存储电容器Ci217与第一存储电容器Cs214的电容比Ci/Cs的上限不受特别限制，并且可以被设置为例如Ci/Cs≤10×(N-1)×n或Ci/Cs≤2×(N-1)×n。

图4是示出整合操作的次数与第二存储电容器Ci217中存储的信号之间的关系的图。实线441表示当满足Ci/Cs＞N-1时相对于整合操作的次数存储在Ci217中的信号。虚线442表示当满足Ci/Cs＜N-1时相对于整合操作的次数存储在Ci217中的信号。当满足Ci/Cs＜N-1时相对于整合操作的次数(N-1)存储在Ci217中的信号处于饱和附近，如在b点处。在上述饱和附近，即使当进行整合操作时，也基本上不存储信号，并且不能获得通过增加整合操作而实现的充分的降噪效果。因此，不能获得优良的图像。同时，当可以将Ci/Cs设置为高时，如Ci/Cs>N-1，当整合操作的次数为(N-1)时存储在Ci217中的信号充分小于饱和，如在a点处。因此，可以通过整合操作将信号存储在Ci217中，并且因此可以获得源于整合操作的降噪效果和优良的图像。

在第一方面中，SWs215、第二存储电容器Ci217和重置开关SWr218中的各个的一个端子接地。然而，这些部件中的各个的一个端子连接到的电位不限于此。即使这些部件中的各个的一个端子连接到电源电位，而不是地电位(接地电位)，只要电源电位是在连续操作期间不变的基准电位，就可以进行与在第一方面中进行的操作相同的操作。

因此，根据第一方面，通过向各个像素提供信号存储功能，甚至在除了读取时段之外的时段期间，也可以在各个像素中整合/存储太赫兹波检测信号。在各个像素中，甚至在不选择像素进行读取的时段期间，也可以以从电磁波检测元件等中去除低频噪声的短周期重复整合/存储操作。另外，由于第二存储电容器Ci217的静电电容Ci与第一存储电容器Cs214的静电电容Cs之间的电容比通过Ci/Cs＞(N-1)×n给出，因此，在(N-1)×n次重复的整合/存储操作中，第二存储电容器Ci217的静电电容Ci不饱和。因此，由于通过重复整合操作而实现的降噪效果，可以获得具有高信噪比(S/N比)的图像信号。

第二方面

参照图5，将给出根据本发明的第二方面的摄像系统(检测系统)的描述。图5示出了根据第二方面的摄像系统，其包括摄像设备(太赫兹相机)和向被摄体提供电磁波主动照明的照明设备。在太赫兹频带中，与红外带不同，背景黑体照射的能量低，因此在大多数情况下使用主动照明来获得所需的信噪比。

如图5所示，根据第二方面的摄像系统包括照明设备500和摄像设备550。照明设备500包括太赫兹波发生器501和控制太赫兹波输出的ON/OFF状态的太赫兹波控制单元502。太赫兹波发生器501可以是包括负电阻元件(诸如，谐振隧穿二极管、Esaki二极管或耿氏二极管)的电子设备，诸如量子级联激光器、p-Ge激光器或铅盐激光器的光学设备，或诸如自由电子激光器的连续光源。另选地，太赫兹波发生器501也可以是作为光太赫兹波转换元件的脉冲光源，诸如太赫兹参量发生器、光电导元件、切伦科夫照射型LiNbO₃太赫兹发生器或单行载流子(UTC)光电二极管。太赫兹波控制单元502不仅通过电气控制，而且通过快门控制等来控制太赫兹波输出的ON/OFF状态。

从照明设备500生成的太赫兹波510照明被摄体520。由被摄体520透射并包括关于被摄体的信息的太赫兹波530入射在摄像设备550上。摄像设备550也可以包括位于摄像设备550与被摄体520之间的物镜531。由于第二方面使用二维阵列检测元件551，因此可以提供焦平面阵列。因此，在第二方面中，摄像系统包括设置在被摄体与二维阵列检测元件551之间的物镜531，在二维阵列检测元件551中，像素以二维布置。注意，图5示出了检测由被摄体520透射的太赫兹波530的构造，但是摄像设备550也可以检测由被摄体520反射的太赫兹波。

摄像设备550被构造为包括二维阵列检测元件551和控制信号发生器552。二维阵列检测元件551中的各个像素具有与第一方面中的各个像素101相同的构造，并且包括电磁波检测元件553。作为电磁波检测元件553，优选使用能够响应用于打开/关闭太赫兹波光源的优选操作频率(10kHz至100MHz)的肖特基势垒二极管或自开关二极管。另选地，电磁波检测元件553可以优选为整流检测器(诸如金属-绝缘体-金属(MIM)二极管)、使用沟道层中的电子-等离子体自混合的晶体管(诸如FET或HEMT)等。再另选地，电磁波检测元件553也可以是使用量子阱的量子阱红外光电检测器(QWIP)、或使用量子霍尔效应的量子型检测器。换句话说，电磁波检测元件553可以是选自由整流型检测器、晶体管和量子型检测器组成的组的元件。

照明设备500中的太赫兹波控制单元502形成为与控制信号发生器552同步。因此，电磁波检测元件553与是否存在太赫兹波发生器501的照射同步地检测电磁波。因此，例如，太赫兹波发生器501的控制频率与从控制信号发生器552输出的控制信号的频率相同。可以有线地或无线地进行太赫兹波控制单元502与控制信号发生器552之间的信息传输。太赫兹波控制单元502还可以具有能够调整太赫兹波输出的ON/OFF定时的功能。

在下面的示例中将给出更具体的摄像设备的描述。

实施例1

将使用图6A、图6B和图7来描述作为与第一方面相对应的更具体示例的实施例1。根据第一实施例的摄像系统中的太赫兹相机包括用于使用太赫兹波进行摄像的二维阵列检测元件。图6A和图6B示出了二维阵列检测元件的基板结构，其中图6A是平面图，图6B是沿着图6A中的线A-A’截取的截面图。图7示出了摄像设备和其中的像素的构造。

如图6A和图6B所示，二维阵列检测元件被构造为包括天线基板650、电路基板651和支撑基板652。天线基板650和电路基板651结合在一起并且经由通孔电极电连接。电路基板651安装在支撑基板652上。

图7中的像素701表示在例如大约100×100的二维阵列构造中布置的多个像素中的一个像素。像素701包括形成在天线基板650上的电磁波检测元件712。电磁波检测元件712是将太赫兹波转换成电信号并且对太赫兹波具有光谱灵敏度的光电转换元件。电磁波检测元件712包括由导电金属薄膜形成的环形天线721和整流元件722，其中，导电金属薄膜由铝等制成。环形天线721的谐振频率被调整为等于从照明设备700生成的太赫兹波710的频率。例如，整流元件722是肖特基势垒二极管。在太赫兹波段中起作用并且在室温下操作的肖特基势垒二极管适合于整流元件722。像素701中除了电磁波检测元件712之外的各个元件形成在电路基板651上。电路基板651不仅包括像素701，还包括选择开关708、读取线707、驱动像素所需的垂直扫描电路、信号线等。通过使用标准CMOS工艺在硅基板上形成电路基板651的电路。

来自电磁波检测元件712的信号被包括电流源730、重置开关732、偏置电容器733和NMOS晶体管731的栅极接地放大电路放大。放大的信号被包括电流源734、重置开关735和NMOS晶体管737的源极接地放大电路进一步放大。栅极接地放大电路和源极接地放大电路经由AC耦合电容器736彼此耦合。由重置开关732和735执行的重置操作在一帧中进行一次，或者在一行的读取时段内进行一次，以确定NMOS晶体管731和737的操作点。来自电磁波检测元件712的输出信号小到大约几百微伏，并具有与输入其中的太赫兹波的幅值相对应的电压。来自电磁波检测元件553的输出信号被栅极接地放大电路和源极接地电路利用几千的增益放大，并被作为检测器711的输出信号而输出。

高频截止滤波器中包括开关738和电容器739，以从来自检测器711的信号中去除电噪声。开关738是用于滤波器功能的选择开关。

非重叠电路(non-overlap circuit)740基于从信号发生器702接收到的信号，向开关SWs715和SWi716供给防止同时导通SWs715和SWi716的控制信号。因此，防止了第二存储电容器Ci717中的电荷从中流出。SWs715和SWi716的控制信号的频率被设置为几兆赫兹。电磁波检测元件712可以生成诸如1/f噪声的低频噪声。将低频噪声掩埋在白噪声中的频率称为噪声拐角频率。当可以以不小于噪声拐角频率的频率操作控制信号时，可以有效地降低低频噪声。

信号发生器702设置在电路基板651的外部。信号发生器702将控制开关SWs715和SWi716的信号的原始信号输出到非重叠电路740。信号发生器702还将与要输出到非重叠电路740的信号的频率相同的频率的光源ON/OFF控制信号输出到照明设备700。

照明设备700在反复进行照射和非照射的同时，以与来自信号发生器702的控制信号相同的周期照射几个太赫兹的太赫兹波710。为了生成太赫兹波，照明设备700使用整合有将用作谐振器的贴片天线和谐振隧穿二极管(RTD)的元件。太赫兹波生成源不限于此，并且可以使用公知的太赫兹波生成源。

为了具体示出第一实施例的技术效果，将考虑如下构造，其中第一存储电容器Cs714的电容为10fF，第二存储电容器Ci717的电容为250pF。由于第一存储电容器Cs214的静电电容Cs与第二存储电容器Ci217的静电电容Ci的电容比Ci/Cs为25000，因此可以进行大约25000次以上的整合操作。当噪声分量是随机的并且进行了25000次整合操作时，由于平均效应，可以将噪声量降低到进行一次整合操作时的噪声量的1/√25000＝1/158。即使当噪声分量包括1/f噪声时，也可以实现相同的效果。经由选择开关708将存储在第二存储电容器Ci217的静电电容Ci中的电荷作为电压读取到读取线707中。读取的信号在电路基板外部的信号处理电路706中被数字化。

这里给出第一实施例中的低频降噪的详细描述。当照明设备700进行照射时，来自检测元件712的输出被后级放大电路放大，并且作为照射时段电位(第二电位)输入到第一存储电容器Cs714。然后，当未对照明设备700进行照射时，来自检测元件712的输出被后级放大电路放大，并且作为非照射时段电位(第一电位)输入到第一存储电容器Cs714。当SWs715和SWi716由来自非重叠电路740的输出脉冲控制时，通过一次整合操作，将与照射时段电位与非照射时段电位之间的差成比例的信号与存储在第二存储电容器Ci717中的信号整合。换句话说，该操作在控制SWs715和SWi716的时段内用作减法操作(从照射时段电位中减去非照射时段电位)。在来自检测器711的输出信号上，叠加了诸如1/f噪声的低频噪声。结果，在各自输入到Cs714的照射时段电位和非照射时段电位中，上述低频噪声表现为dc型误差。在第一实施例中，将控制SWs715和SWi716的信号的频率设置为几兆赫兹，该频率相对于检测器711的低频噪声而言是高的。因此，如上所述，与第二存储电容器Ci717的电容整合的值用作减法操作之后的信号，因此将理解，在该时间范围内的dc型误差通过减法操作而减小。这是因为，当假设一次整合操作的周期为T时，减法操作用作针对不大于1/T的频率的低频截止滤波器，以截止在低频处较大的噪声分量(诸如1/f噪声)中的频率不大于1/T的分量。

通过这样以高于检测器711的噪声拐角频率的频率控制SWs715和SWi716，去除了来自检测器711的1/f噪声，并且可以将来自像素701的输出信号的噪声分量降低为仅物理上不可避免的白噪声。

同时，可以使用源极接地放大电路中的NMOS晶体管、电容器739和寄生电容来降低频率高于噪声拐角频率的高频噪声，诸如白噪声(散粒噪声)。在第一实施例中，开关738被控制为以不小于几兆赫兹的较高频率来减小来自源极接地放大电路的输出。换句话说，可以通过基于整合操作的周期T的值控制开关738并使来自源极接地放大电路的更高频率响应用作“衰减高于1/T的频率的高频截止滤波器”来降低白噪声。另外，在电磁波检测元件712中(通过从照射时段电位减去非照射时段电位)获得的有效信号分布在频率1/T附近，因此所需信号没有减少。

因此，在第一实施例中的摄像设备中，一次整合操作的周期T被设置为使得整合操作的频率1/T不小于与各自从检测器生成的1/f噪声和散粒噪声(白噪声)的各个频谱密度相等的频率相对应的拐角频率。在第一实施例中，第一存储电容器Cs714的电容为10fF，第二存储电容器Ci717的电容为250pF，即，Ci/Cs与25000一样大。当将N＝100代入Ci/Cs>(N-1)×n时，即使n具有252的较大值，也可以满足需要。当在一行的读取时段恒定的条件下增大n时，可以增大用于SW和SWi的控制信号的频率。例如，在第一实施例中，当一行的读取时段为30μs时，SWs715和SWi716的控制信号的时段为30μs/252＝0.12μs，并且SWs715和SWi716的控制信号的频率被允许具有5MHz的高频。这降低了来自电磁波检测元件712的不大于5MHz的1/f噪声，并且允许构造优良的摄像设备。

如上所述，第一实施例中的操作可以提供通过重复整合操作而实现的降噪效果，可以以不大于1/T的频率降低低频噪声分量，并且可以提供优良的摄像信号。另外，如在第一实施例中那样，当整合操作的频率1/T被设置为不小于噪声的拐角频率时，去除了1/f噪声，并且可以获得良好的摄像信号。当来自放大电路的频率响应被进一步减小以用作衰减高于整合操作的频率1/T的频率的高频截止滤波器时，可以获得更加优良的摄像信号。

尽管到目前为止已经描述了本发明的方面和实施例，但是本发明不限于这些方面和实施例，并且可以在不脱离本发明要旨的范围内进行各种变型和改变。例如，在第一实施例中，使用了如下检测器，该检测器将环形天线和肖特基势垒二极管用于电磁波检测元件并且将栅极接地放大电路和源极接地放大电路用于放大器，但是也可以使用其他检测器。只要检测器反复输出两个值，就可以通过重复整合操作来获得降噪效果。另外，当要使用的检测器可以高速操作时，可以降低由高速整合操作引起的低频噪声。

上述各实施例中的摄像设备是阵列传感器，其中像素以二维方式布置在N行和M列中(N>1且M>1)。然而，本发明也适用于线传感器(N＝1且M＞1)和单像素传感器(N＝M＝1)。由于根据本公开的摄像设备(检测设备)还具有存储来自检测器的信号的功能，因此摄像设备可以在读取时段期间多次重复整合/存储操作。当满足N＝1且当假设读取时段期间的整合/存储操作次数为n(n>1)时，适当设置第二存储电容器Ci217的静电电容Ci与第一存储电容器Cs214的静电电容Cs之间的电容比为Ci/Cs＞n。另外，当将整合操作的频率设置为不小于低频噪声的拐角频率时，可以以与上述相同的方式获得降低低频噪声的效果。

由根据本发明的摄像设备检测的电磁波不限于太赫兹波。即使使用低于太赫兹波的频带中的电磁波(诸如微波或毫米波)或高于太赫兹波的频带中的电磁波(诸如红外光或可见光)作为检测对象，也可以从根据本公开的摄像设备(检测设备)获得相同的效果。

根据本发明的摄像设备和检测系统还可以设置在诸如火车或汽车的移动体中。

其他实施例

还可以通过读出并执行记录在存储介质(也可更完整地称为“非临时性计算机可读存储介质”)上的计算机可执行指令(例如，一个或更多个程序)以执行上述实施例中的一个或更多个的功能、并且/或者包括用于执行上述实施例中的一个或更多个的功能的一个或更多个电路(例如，专用集成电路(ASIC))的系统或装置的计算机，来实现本发明的实施例，并且，可以利用通过由所述系统或装置的所述计算机例如读出并执行来自所述存储介质的所述计算机可执行指令以执行上述实施例中的一个或更多个的功能、并且/或者控制所述一个或更多个电路执行上述实施例中的一个或更多个的功能的方法，来实现本发明的实施例。所述计算机可以包括一个或更多个处理器(例如，中央处理单元(CPU)，微处理单元(MPU))，并且可以包括分开的计算机或分开的处理器的网络，以读出并执行所述计算机可执行指令。所述计算机可执行指令可以例如从网络或所述存储介质被提供给计算机。所述存储介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的存储器、光盘(诸如压缩光盘(CD)、数字通用光盘(DVD)或蓝光光盘(BD)^TM)、闪存设备以及存储卡等中的一个或更多个。

本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。

虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不限于所公开的示例性实施例。应当对所附权利要求的范围给予最宽的解释，以使其涵盖所有这些变型例以及等同的结构和功能。

Claims (26)

1.一种检测设备，其包括：

检测元件(712)，其被构造为检测电磁波；

第一电容器(714)，其具有输入来自所述检测元件的信号的端子；

第一开关(715)和第二开关(716)，各自连接至所述第一电容器的与输入来自检测元件的信号的端子相对的端子；

第二电容器(717)，其连接至所述第二开关的与所述第一电容器相对的端子；

第一放大电路，其是包括晶体管(731)和电流源(730)的栅极接地放大电路；以及

第二放大电路，其放大来自所述第一放大电路的信号，并将放大后的信号输出到所述第一电容器，

其中，所述第一开关(715)的与所述第一电容器(714)相对的端子和所述第二电容器(717)的与所述第二开关(716)相对的端子中的各个连接至基准电位，

其中，导通/截止所述第一开关(715)、然后在维持所述第一开关(715)处于截止状态的同时导通/截止所述第二开关(716)的整合操作被重复进行多次，并且

其中，第一电源电压、所述检测元件、所述晶体管、所述电流源和不同于所述第一电源电压的第二电源电压以此顺序串联电连接。

2.根据权利要求1所述的检测设备，所述检测设备还包括：

第一基板(650)，在所述第一基板上布置所述检测元件；以及

第二基板(651)，在所述第二基板上布置第一电源电压、第二电源电压、第一开关和第二开关。

3.根据权利要求2所述的检测设备，

其中，多个检测器(711)布置在N行和M列中，各个检测器包括检测元件、第一电容器、第一开关、第二开关和第二电容器，其中N和M各自是1或更大的整数。

4.根据权利要求3所述的检测设备，

其中，N为2或更大的整数，并且

所述第一电容器(214)的静电电容Cs和所述第二电容器(217)的静电电容Ci满足由Ci/Cs>N-1给出的关系。

5.根据权利要求3所述的检测设备，

其中，在各行中依次进行从所述检测元件的信号读取，

其中，在一行的读取时段期间，所述整合操作被进行n次，其中n为1或更大的整数，并且

其中，所述第一电容器(214)的静电电容Cs和所述第二电容器(217)的静电电容Ci满足由Ci/Cs>(N-1)×n给出的关系。

6.根据权利要求1所述的检测设备，

其中，在一次整合操作中，所述检测元件(712)的输出具有第一电位和第二电位，

其中，在所述检测元件的输出处于所述第一电位时或在所述检测元件的输出处于所述第一电位附近的电位时，进行所述第一开关(715)的导通/截止中的截止操作，并且

其中，在所述检测元件的输出处于所述第二电位时或在所述检测元件的输出处于所述第二电位附近的电位时，进行所述第二开关(716)的导通/截止中的截止操作。

7.根据权利要求1所述的检测设备，其中，一次整合操作的周期T为使得所述整合操作的频率1/T高于从所述检测元件(712)生成的低频噪声的拐角频率。

8.根据权利要求1所述的检测设备，其中，所述第二开关(216)的导通/截止操作与能够被进行开/关控制的光源的开/关操作同步。

9.根据权利要求1所述的检测设备，所述检测设备还包括：

控制电路，其被构造为控制第一信号和第二信号的供给，所述第一信号使所述第一开关处于导通状态，所述第二信号使所述第二开关处于导通状态，

其中，所述控制电路进行控制，以在基于所述电磁波的检测的信号的读取时段期间不同时供给所述第一信号和所述第二信号。

10.根据权利要求9所述的检测设备，

其中，在读取时段期间，

控制电路多次供给第二信号，

通过多次供给的第二信号将基于电磁波的检测的信号传输到第二电容器，

第二电容器对多次传输的信号进行整合。

11.根据权利要求9所述的检测设备，

其中，所述控制电路与光源的开/关操作同步地控制所述第一信号和所述第二信号的供给。

12.根据权利要求1所述的检测设备，所述检测设备还包括：

高频截止滤波器，其设置在所述检测元件(712)与所述第一电容器(214)之间。

13.根据权利要求1所述的检测设备，其中，所述检测元件(712)输出与入射在所述检测元件(712)上的电磁波的强度相对应的电位。

14.根据权利要求1所述的检测设备，其中，所述检测元件(712)检测0.3THz与30THz之间的至少一部分频率的频带内的电磁波，并且

其中，所述检测设备包括放大电路，所述放大电路放大所述检测元件的输出信号。

15.根据权利要求14所述的检测设备，其中，所述检测元件包括环形天线和连接至所述环形天线的整流元件。

16.根据权利要求15所述的检测设备，其中，所述环形天线和所述整流元件被布置在布置所述检测元件的第一基板上。

17.根据权利要求2所述的检测设备，其中，所述第一基板和所述第二基板经由通孔电极电连接。

18.根据权利要求2所述的检测设备，其中，所述第二基板为硅基板。

19.根据权利要求1所述的检测设备，所述检测设备还包括：

第三电容器(736)，其用于耦合在所述第一放大电路与所述第二放大电路之间。

20.根据权利要求1所述的检测设备，其中，所述第二放大电路是源极接地放大电路。

21.根据权利要求1所述的检测设备，所述检测设备还包括：

第一重置开关(732)，其用于重置所述第一放大电路；以及

第二重置开关(735)，其用于重置所述第二放大电路。

22.根据权利要求1所述的检测设备，所述检测设备还包括：

在所述第二放大电路的输出端与所述第一电容器的输入端之间的高频截止滤波器电路。

23.根据权利要求1所述的检测设备，

其中，所述检测元件包括二极管，

其中，所述二极管的一个端子电连接至所述晶体管的一个端子，并且

其中，所述二极管的另一端子电连接至所述第一电源电压。

24.一种检测设备，其包括：

布置在N行和M列中的多个像素，其中，N和M各自是1或更大的整数，所述多个像素中的各个像素包括：

检测器，其被构造为检测电磁波；

第一电容器，其连接至所述检测器；

第一开关和第二开关，各自连接至第一电容器的与检测器相对的端子；以及

第二电容器，其连接至所述第二开关的与所述第一电容器相对的端子，

其中，所述第一开关的与所述第一电容器相对的端子和所述第二电容器的与所述第二开关相对的端子中的各个连接至基准电位，

其中，在各行中依次进行从所述多个像素的信号读取，

其中，在一行的读取时段期间，整合操作被进行n次，其中，n为1或更大的整数，并且

其中，所述第一电容器的静电电容Cs和所述第二电容器的静电电容Ci满足由Ci/Cs>(N-1)×n给出的关系。

25.一种检测系统，其包括：

光源，其照射0.3THz与30THz之间的至少一部分频率的频带内的电磁波；以及

根据权利要求1至24中的任一项所述的检测设备，其用于检测所述电磁波。

26.根据权利要求25所述的检测系统，所述检测系统还包括：

信号发生器，其生成用于使所述第一开关(715)和所述第二开关(716)的导通/截止与所述光源的开/关操作同步的信号。