JP2007333464A - ２波長イメージセンサ - Google Patents

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Abstract

【課題】可視光画像の解像度が高く、赤外光画像の感度が高く、可視光撮像と赤外光撮像を同時に行なうことができ、冷却が不要であり、画素補間などの画像処理が不要な２波長イメージセンサを提供する。
【解決手段】この２波長イメージセンサでは、複数の可視光検出器１と複数の非冷却型赤外光検出器３を均一に分散配置し、１つの可視光検出器１で可視光検出用画素２を構成し、直列接続された４つの赤外光検出器３で熱赤外光検出用画素５を構成する。したがって、可視光画像の解像度は熱画像の解像度の４倍になる。また、赤外光画像の１画素当りの受光面積を４倍に高めることができ、熱赤外光画像の温度分解能が向上する。
【選択図】図１

Description

この発明は２波長イメージセンサに関し、特に、可視光画像と赤外光画像の両方を撮像する２波長イメージセンサに関する。
セキュリティ分野などに利用される人体検知用の光学センサシステムでは、可視光撮像と熱赤外光（中赤外光〜遠赤外光）撮像を組み合わせることによって検知性能を向上させることができる。このようなセンサシステムとしては、従来、可視光カメラと赤外光カメラの２つの撮像系を単純に組み合わせたものが使用されていたが、システムが大型になり、かつデータ解析に２つの光学画像間の複雑な画像処理が必要になるため、１台のカメラで両方の撮像ができるセンサシステムが望まれてきた。
これに関連して、可視光画像と熱画像を１つのチップで撮像することを可能にする２波長イメージセンサが提案されている。たとえば特許文献１には、ＰｔＳｉショットキダイオードを検出器とする赤外光イメージセンサにおいて、ＰｔＳｉ層を薄膜化することによって可視光の検出機能を合わせ持たせたものが開示されている。このイメージセンサを用いた光学センサシステムでは、分光フィルタを入れ替えることによって可視光撮像と中赤外光撮像を使い分ける。
また、Ｓｉフォトダイオードを光検出器に用いた一般的なカラーイメージセンサは、熱赤外光画像ではないが近赤外光画像と、可視光画像の撮像が可能である。フォトダイオード上に形成した分光フィルタによって、たとえば青、緑、赤、近赤外といった異なる波長の光に対する画像を、１つのチップで撮像する。たとえば特許文献２には、可視光〜近赤外光を撮像するカラーイメージセンサにおいて、色（すなわち検出器上の分光フィルタ）の配列の仕方を規定して、可視光画像に比べて近赤外光画像の画像解像度を高めたものが開示されている。
特開平１１−２８９４９２号公報 特開２００５−５１７９１号公報
可視光画像と熱赤外光画像の両方を利用する光学センサシステムでは、一般的に、両者が必要とする画像解像度は異なる。すなわち、可視光画像では解像度を高くして細部まで撮像できることが望ましく、一方、熱画像では解像度は多少低くとも、むしろ感度（すなわち温度分解能）が高いことが望まれる。
しかし、特許文献１のイメージセンサでは、可視光および赤外光を検出する検出器が同一であるため、必然的に可視光画像と熱画像の解像度は同じになるという問題点があった。また、検出器が同一であるため、可視光撮像と熱赤外光撮像を同時に行なうことができなかった。また、検出器を−２００℃程度以下にまで冷却する必要があるため、撮像システムが大型になり、製造コストが高くなるという問題点があった。
また、特許文献２のイメージセンサでは、２つの画像の解像度を異なるように、すなわち可視光画像に比べて近赤外光画像の解像度を高くすることができるが、より解像度の高い近赤外光画素の分布は間引き配置となるため、完全な画像を得るには画素補間が必要になるという問題点があった。
それゆえに、この発明の主たる目的は、可視光画像の解像度が高く、赤外光画像の感度が高く、可視光撮像と赤外光撮像を同時に行なうことができ、冷却が不要であり、画素補間などの画像処理が不要な２波長イメージセンサを提供することである。
この発明に係る２波長イメージセンサは、可視光画像と赤外光画像の両方を撮像する２波長イメージセンサであって、均一に分散配置された複数の可視光検出器および複数の非冷却型赤外光検出器を含む検出器アレイを備え、各可視光検出器は可視光画像の１画素を構成し、複数の非冷却型赤外光検出器はＮ個（ただし、Ｎは２以上の整数である）ずつグループ化され、各グループに属するＮ個の非冷却型赤外光検出器は直列接続されて赤外光画像の１画素を構成していることを特徴とする。
この発明に係る２波長イメージセンサでは、可視光画像の１画素を１個の可視光検出器で構成し、赤外光画像の１画素を複数の赤外光検出器で構成するので、赤外光画像よりも解像度の高い可視光画像が得られる。また、赤外光画像の１画素を構成する複数の赤外光検出器を直列接続するので、赤外光画像の感度を高めることができる。また、可視光検出器と非冷却型赤外光検出器の両方を設けたので、可視光画像と赤外光画像を同時に撮像することができる。また、非冷却型の赤外光検出器を使用するので、冷却する必要がない。また、複数の可視光検出器と複数の非冷却型赤外光検出器を均一に分散配置したので、画素補間などの画像処理を行なうことなく均一性に優れた画像を得ることができる。
[実施の形態１]
図１は、この発明の実施の形態１による２波長イメージセンサの構成を示す平面図である。図１において、この２波長イメージセンサは、複数の可視光検出器１と複数の非冷却型赤外光検出器３とを含む検出器アレイを備える。検出器１，３は実際には多数設けられているが、図１では図面の簡単化のため２４個ずつ示されている。２４個の可視光検出器１と２４個の非冷却型赤外光検出器３は、均一に分散配置されている。すなわち、２４個の可視光検出器１は４行６列に所定のピッチで配置され、２４個の非冷却型赤外光検出器３は４行６列に所定のピッチで配置され、可視光検出器２と非冷却型赤外光検出器３は行方向および列方向に半ピッチずつずらせて配置されている。
可視光検出器１は、ＳｉのＰＮ接合フォトダイオードからなり、信号読出用のトランジスタ群（図示せず）とともに可視光検出用画素２を構成する。各可視光検出用画素２の行に対応して水平選択線６が配置され、各可視光検出用画素２の列に対応して垂直信号線７が配置され、各可視光検出用画素２は、対応の行の水平選択線６に接続されるとともに対応の列の垂直信号線７に接続される。水平選択線６の一端は垂直走査回路１０に接続され、垂直信号線７の一端はコラムアンプ群等で構成される信号処理回路１１および水平走査回路１２に接続される。さらに信号処理回路１１端には、可視光用の出力アンプ１３が接続される。
垂直走査回路１０は、可視光画像の撮像時に、複数（図では４本）の水平選択線６を所定時間ずつ順次選択し、選択した水平選択線６を選択レベルにする。水平選択線６が選択レベルにされると、その水平選択線６に接続された可視光検出用画素２が活性化され、その可視光検出用画素２に接続された垂直信号線７の電位は、その可視光検出用画素２への可視光の入射光量に応じたレベルに変化する。水平走査回路１２は、垂直走査回路１０によって１本の水平選択線６が選択されている期間に、複数（図では６本）の垂直信号線７を所定時間ずつ順次選択する。信号処理回路１１は、水平走査回路１２によって選択された垂直信号線７の電位を読出す。出力アンプ１３は、信号処理回路１１によって読み出された垂直信号線７の電位を増幅して出力する。
一方、２４個の非冷却型赤外光検出器３は４つずつグループ化され、各グループに属する４つの非冷却型赤外光検出器３は、１つの可視光検出用画素２を囲むようにして２行２列に配置されており、金属配線４によって電気的に直列接続されて熱赤外光検出用画素５を構成する。これにより６つの熱赤外光検出用画素５が構成され、６つの画素５は２行３列に配置される。各非冷却型赤外光検出器３は、赤外線吸収傘用の温度センサとして、直列接続された２つのＳＯＩダイオード３ａを含む。したがって、各熱赤外光検出用画素５は、直列接続された８個のＳＯＩダイオード３ａを含む。
各熱赤外光検出用画素５の行に対応して水平選択線８が配置され、各熱赤外光検出用画素５の列に対応して垂直信号線９が配置され、各熱赤外光検出用画素５は、対応の行の水平選択線８に接続されるとともに対応の列の垂直信号線９に接続される。水平選択線８の一端は垂直走査回路１４に接続され、垂直信号線９の一端はコラムアンプ群等で構成される信号処理回路１５および水平走査回路１６に接続される。さらに信号処理回路１６端には、赤外光用の出力アンプ１７が接続される。
垂直走査回路１４は、赤外光画像の撮像時に、複数（図では２本）の水平選択線８を所定時間ずつ順次選択し、選択した水平選択線８を選択レベルにする。水平選択線８が選択レベルにされると、その水平選択線８に接続された赤外光検出用画素５が活性化され、その赤外光検出用画素５に接続された垂直信号線９の電位は、その赤外光検出用画素５への赤外光の入射光量に応じたレベルに変化する。水平走査回路１６は、垂直走査回路１４によって１本の水平選択線８が選択されている期間に、複数（図では３本）の垂直信号線９を所定時間ずつ順次選択する。信号処理回路１５は、水平走査回路１６によって選択された垂直信号線９の電位を読出す。出力アンプ１７は、信号処理回路１５によって読み出された垂直信号線９の電位を増幅して出力する。
また、図２は、隣接する可視光検出用画素２と赤外光検出器３の構成を示す断面図である。この実施の形態１では、ＳＯＩダイオード方式の赤外光検出器３を用いるためＳＯＩ基板を使用する。可視光検出用画素２の可視光検出器（フォトダイオード）１と信号読出用のトランジスタ群からなる読出回路２０は、ＳＯＩ基板のバルクシリコン２１の表面に形成され、フィールド酸化膜２２によって互いに分離されている。読出回路２０の一端は可視光検出器１に接続され、他端は水平選択線６あるいは垂直信号線７に接続される。また可視光検出用画素２表面には誘電体膜２３が形成される。
一方、赤外光検出器３は、Ｓｉマイクロマシン技術を用いて製造される。ＳＯＩ基板のＢＯＸ酸化膜２４上のＳＯＩ層２５に直列接続された２つのＳＯＩダイオード３ａが形成され、その直下のバルクシリコン２１が除去されて空隙２６を形成し、ＳＯＩ層２５上部には赤外線吸収傘２７が形成される。ＢＯＸ酸化膜２４、ＳＯＩ層２５および赤外線吸収傘２７で構成された中空構造体２８は、熱コンダクタンスの低い支持脚（図示せず）によって保持される。トレンチ分離酸化膜２９は、空隙２６を形成する際のエッチングストッパであり、中空構造体２８を取り囲むように形成される。また、素子分離のためＳＯＩ層のフィールド酸化膜３０が形成される。また、ＳＯＩダイオード３ａの直列接続体の＋側端子は水平選択線８に接続され、−側端子は垂直信号線９に接続される。
また、図３は、赤外光検出器３の赤外線吸収傘２７のレイアウトを示す平面図である。図３において、熱赤外光検出用画素５を構成する４つの赤外光検出器３のそれぞれに、赤外線吸収傘２７が独立して形成される。赤外線吸収傘２７に熱赤外光が入射すると、その入射光量に応じて赤外線吸収傘２７の温度が上昇する。したがって、赤外線吸収傘２７の温度を検出することにより、熱赤外光の入射光量を検出することができる。
次に、この２波長イメージセンサの動作について説明する。まず、可視光撮像時の動作について説明する。イメージセンサに入射する光のうち、可視近赤外光が可視光検出用画素２内の可視光検出器１に入射すると、可視光検出用画素２の出力電位が入射光量に応じて変化する。垂直走査回路１０によって１本の水平選択線６が選択されるとき、これに接続された１行の可視光検出用画素２の各出力に対応して、垂直信号線７の電位が変化する。垂直信号線７端に設けられた信号処理回路１１内のコラムアンプによって、各垂直信号線７の電位変化が増幅され、水平走査回路１２によって選択されたコラムアンプの出力が、可視光用出力アンプ１３から出力される。垂直走査回路１０と水平走査回路１２とのスキャン動作によって、行列状に配置された可視光検出用画素２の検出器出力が時系列に読み出され、２次元の可視光画像が得られる。
次に、熱赤外光撮像時の動作について説明する。非冷却型赤外光検出器３は、熱型検出器とも呼ばれ、Ｓｉマイクロマシン技術を用いて製造される断熱構造体と、断熱構造体上に形成される熱電変換素子で構成される。断熱構造体に赤外光が入射するとここで吸収され、入射赤外光量に応じて断熱構造体の温度が上昇する。その温度変化を熱電変換素子で検出し、電位変化として出力する。量子型の赤外検出器とは異なり、熱型検出器は低温に冷却する必要がないため、常温での動作が可能である。
この２波長イメージセンサでは、熱電変換素子として直列接続された２つのＳＯＩダイオード３ａを用いている。ＳＯＩダイオード３ａの電流−電圧特性は温度によって変化し、たとえば一定電流を流す場合には、温度が上昇するとダイオード３ａ両端の電位差が減少する。イメージセンサに入射する光のうち、中赤外光や遠赤外光が熱赤外光検出用画素６に入射すると、熱赤外光検出用画素５内の各非冷却型赤外光検出器３の出力電位が入射光量に応じて変化する。このとき、熱赤外光検出用画素５の出力電位変化は、４つの赤外光検出器３の出力電位変化の和になる。
垂直走査回路１４によって１本の水平選択線８が選択されるとき、これに接続された１行の熱赤外光検出用画素５の各出力に対応して、垂直信号線９の電位が変化する。垂直信号線９端に設けられた信号処理回路１５内のコラムアンプによって、各垂直信号線９の電位変化が増幅され、水平走査回路１６によって選択されたコラムアンプの出力が、赤外光用出力アンプ１７から出力される。垂直走査回路１４と水平走査回路１６とのスキャン動作によって、行列状に配置された熱赤外光検出用画素５の検出器出力が時系列に読み出され、２次元の熱赤外光画像が得られる。
この実施の形態１では、可視光画像の１画素は１つの可視光検出器１で構成され、熱赤外光画像の１画素は４つの赤外光検出器３で構成されるので、各々の検出器を等数ずつ均等配置した場合には、可視光画像の解像度は熱画像の解像度の４倍になる。このとき、双方の検出器配列はそれぞれ間引きのない完全な周期配列にできるので、画素補間などの複雑な信号処理を行なうことなく均一性に優れた画像を得ることができる。また、熱赤外光画像の１画素を４つの赤外光検出器３の直列接続体で構成したので、１つの赤外光検出器３で１画素を構成する場合に比べ、１画素当りの赤外光の受光面積を４倍に高めることができ、熱画像の温度分解能が向上する。
また、可視光検出器１と赤外光検出器３は独立して光検出動作を行なうので、可視光撮像と赤外光撮像を全く別々に行なうことができる。逆に、垂直走査回路１０，１４と水平走査回路１２，１６の走査を同期させれば、２つの撮像を同時に行なうことも可能である。このとき得られる可視光画像と熱赤外光画像の相互の位置関係は、センサシステムの光学系を共通にすれば、画素単位で一致する。そのため、たとえば画像処理によって人物を抽出したい場合などに、２画像間の複雑な座標変換が全く不要になるという優れた効果がある。
さらに、もともとＳｉフォトダイオードは常温で動作するので、可視光検出器１と赤外光検出器３はともに冷却が不要であり、撮像システムの小型化および低価格化を図ることができる。
図４は、実施の形態１の変更例を示す図であって、図１と対比される図である。図４において、この２波長イメージセンサでは、可視光検出器１と非冷却型赤外光検出器３とが行方向および列方向に交互に配置される。図４では、２３個の可視光検出器１と２２個の非冷却型赤外光検出器３とが５行９列に配置される。可視光検出器１は、信号読出用のトランジスタ群（図示せず）とともに可視光検出用画素２を構成する。各行に対応して水平選択線６が配置され、各奇数番の列に対応して垂直信号線７が配置され、各可視光検出用画素２は、対応の行の水平選択線６に接続されるとともに対応の列または隣接する列の垂直信号線７に接続される。
一方、複数の非冷却型赤外光検出器３は４つずつグループ化され、各グループに属する４つの非冷却型赤外光検出器３は、１つの可視光検出用画素２を囲むようにして３行３列に亘って配置されており、金属配線４によって電気的に直列接続されて熱赤外光検出用画素５を構成する。これにより４つの熱赤外光検出用画素５が構成され、４つの画素５は２行２列に配置される。各熱赤外光検出用画素５の行に対応して水平選択線８が配置され、各熱赤外光検出用画素５の列に対応して垂直信号線９が配置され、各熱赤外光検出用画素５は、対応の行の水平選択線８に接続されるとともに対応の列の垂直信号線９に接続される。他の構成および動作は、実施の形態１と同じであるので、その説明は繰り返さない。この変更例でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。
[実施の形態２]
図５は、この発明の実施の形態２による２波長イメージセンサの要部を示す図であって、図３と対比される図である。また、図６は、隣接する２つの赤外光検出器３の構成を示す断面図である。
図５および図６において、この２波長イメージセンサでは、熱赤外光検出用画素５を構成する４つの赤外光検出器３の赤外線吸収傘２７が一体に形成される。したがって、１つの熱赤外光検出用画素５内の４つの赤外光検出器３は互いに熱的に結合されるので、それぞれの中空構造体の温度は同じになる。その値は、これらが熱的に独立している場合に４つの中空構造体がとる温度の、ほぼ平均値になる。他の構成および動作は、実施の形態１と同じであるので、その説明は繰り返さない。
この実施の形態２では、実施の形態１に比較して、１画素当たりの赤外線吸収傘２７の面積が大きくなる。そのため、１画素当りの赤外光の受光量が増大し、熱画像の温度分解能が向上する。
[実施の形態３]
図７は、この発明の実施の形態３による２波長イメージセンサの要部を示す平面図である。図７において、この２波長イメージセンサでは、熱赤外光検出用画素５は、３行３列に配置された９個の非冷却型赤外光検出器３と、９個の赤外光検出器３を電気的に直列接続する８本の金属配線４を含んで構成される。各非冷却型赤外光検出器３は、１個のＳＯＩダイオード３ａを含む。各熱赤外光検出用画素５の行に対応して水平選択線８が設けられ、各熱赤外光検出用画素５の列に対応して垂直信号線９が設けられる。したがって、熱赤外光検出用画素５は、電気的には水平選択線８と垂直信号線９との間に直列接続された９個のＳＯＩダイオードで構成される。なお、図７では、可視光検出器１用の配線などは図示していないが、他の構成および撮像動作については実施の形態１と同様である。
この実施の形態３では、可視光画像の１画素は１つの可視光検出器１で構成され、熱赤外光画像の１画素は９個の赤外光検出器３で構成されるため、各々の検出器を等数ずつ均等配置した場合には可視光画像の解像度は熱画像の解像度の９倍になる。したがって、実施の形態１と比較して、可視光画像と熱赤外光画像との解像度の比をさらに大きくすることができる。また、熱赤外光画像の１画素を９個の赤外光検出器３の直列接続体で構成したので、検出器３を１個だけ用いる場合に比較して１画素あたりの赤外光の受光面積を９倍に高めることができ、熱画像の温度分解能がさらに向上する。
また、赤外光検出器３に含まれるＳＯＩダイオード３ａの個数が少なくなった分だけ赤外光検出器３のサイズを縮小できるので、赤外光検出器３のサイズ縮小分だけ可視光検出器１の配列ピッチを短縮することにより、チップサイズの小型化を図ることができる。したがって、１ウェハ当たりの理論チップ数を増加させることができ、低コスト化を図ることができる。また、可視光検出器１の配列ピッチを短縮した分だけ検出器数を増やすことにより、チップ全体の画素数を増加させて解像度を高めることができる。また、赤外光検出器３のサイズ縮小分だけ可視光検出器１の受光面積を拡大することにより、可視光検出器１の高感度化を図ることができる。
[実施の形態４]
図８は、この発明の実施の形態４による２波長イメージセンサの要部を示す平面図であって、図７と対比される図である。図８において、この２波長イメージセンサでは、図７の２波長イメージセンサと同様に、熱赤外光検出用画素５は、直列接続された９個の赤外光検出器３で構成される。また、熱赤外光検出用画素５を構成する９個の赤外光検出器３のそれぞれに、赤外線吸収傘２７が独立して形成される。ここで、３行３列に配置された９個の赤外光検出器３のうちの中央に位置する赤外線検出器３の赤外線吸収傘２７は、周辺に位置する他の赤外線検出器３の赤外線吸収傘２７に比べて、面積が広くなるように形成される。他の構成および撮像動作については実施の形態１に示した２波長イメージセンサと同様である。
この実施の形態４では、３行３列に配置された９個の赤外光検出器３のうち、中央の赤外光検出器３の感度が相対的に周辺の検出器３よりも高くなり、１画素内の検出感度が画素中心に重きをおいた分布になる。したがって、熱画像のＭＴＦ（Modulation Transfer Function）が向上する。
[実施の形態５]
図９は、この発明の実施の形態５による２波長イメージセンサの要部を示す平面図であって、図７と対比される図である。図９において、この２波長イメージセンサでは、図７の２波長イメージセンサと同様に、熱赤外光検出用画素５は、直列接続された９個の赤外光検出器３で構成される。また、熱赤外光検出用画素５を構成する９個の赤外光検出器３のそれぞれに、赤外線吸収傘２７が独立して形成される。９個の赤外光検出器３の赤外線吸収傘２７は同じ大きさである。ここで、３行３列に配置された９個の赤外光検出器３のうちの中央に位置する赤外線検出器３には直列接続された２つのＳＯＩダイオード３ａが形成され、周辺に位置する他の赤外線検出器３にはＳＯＩダイオード３ａが１個ずつ形成される。他の構成および撮像動作については実施の形態１に示した２波長イメージセンサと同様である。
この実施の形態５では、３行３列に配置された９個の赤外光検出器３のうちの中央の赤外光検出器３の感度が相対的に周辺の検出器３よりも高くなり、１画素内の検出感度が画素中心に重きをおいた分布になる。したがって、熱画像のＭＴＦが向上する。
[実施の形態６]
図１０は、この発明の実施の形態６による２波長イメージセンサの要部を示す平面図である。図１０において、この２波長イメージセンサでは、熱赤外光検出用画素５は、被写体からの熱赤外光を検出するための赤外光検出部５ａと、基板温度を検出するための基板温度検出部５ｂとを含む。各熱赤外光検出用画素５の行に対応して水平選択線８が設けられ、各赤外光検出部５ａの列に対応して垂直信号線９ａが設けられ、各基板温度検出部５ｂの列に対応して垂直信号線９ｂが設けられる。
赤外光検出部５ａは、４行２列に配置された８個の非冷却型赤外光検出器３と、８個の赤外光検出器３を電気的に直列接続する７本の金属配線４を含んで構成される。各赤外光検出器３には、１つのＳＯＩダイオード３ａが形成されている。赤外光検出部５ａは、電気的には水平選択線８と垂直信号線９ａとの間に直列接続された８個のＳＯＩダイオード３ａで構成される。
同様に基板温度検出部５ｂは、４行２列に配置された８個の非冷却型赤外光検出器３１と、８個の赤外光検出器３１を電気的に直列接続する７本の金属配線４を含んで構成される。各赤外光検出器３１には、１つのＳＯＩダイオード３１ａが形成されている。赤外光検出部５ａは、電気的には水平選択線８と垂直信号線９ａとの間に直列接続された８個のＳＯＩダイオード３１ａで構成される。
図１１は、隣接する熱赤外光検出用の赤外光検出器３と基板温度検出用の赤外光検出器３１の構成を示す断面図である。図１１において、熱赤外光検出用の赤外検出器３では、ＳＯＩダイオード３ａが形成されたＳＯＩ層２５の下方のバルクシリコン２１が除去されて空隙２６が形成されている。これに対して基板温度検出用の赤外光検出器３１では、ＳＯＩダイオード３１ａが形成されたＳＯＩ層２５の下方に空隙２６が形成されていない。したがって、赤外光検出器３は中空断熱構造となっているため、その出力電位は、入射光量と基板温度に応じて変化する。一方、赤外光検出器３１は中空断熱構造となっていないため、その出力電位は、入射赤外光量によらず基板温度のみによって変化する。
図１２は、この２波長イメージセンサの読出回路を示すブロック図である。図１２において、各熱赤外光検出用画素５の列に対応して差動増幅回路３２が設けられ、各列の垂直信号線９ａ，９ｂは対応の差動増幅回路３２に接続され、差動増幅回路３２の出力端はコラムアンプ群等で構成される信号処理回路１５および水平走査回路１６に接続される。さらに信号処理回路１５端には、赤外光用の出力アンプ１７が接続される。差動増幅回路３２は、垂直信号線９ａ，９ｂの電位差を出力する。
次に、この２波長イメージセンサの動作について説明する。可視光画像の撮像動作は、実施の形態１と同様であるので省略する。熱赤外光画像の撮像動作は以下のようになる。イメージセンサに熱赤外光が入射すると、熱赤外光検出用の赤外光検出器３は中空断熱構造となっているため、直列接続された８個の赤外光検出器３の出力電位すなわち赤外光検出部５ａの出力電位は、入射光量と基板温度に応じて変化する。
一方、基板温度検出用の赤外光検出器３１は中空断熱構造となっていないため、直列接続された８個の赤外光検出器３１の出力電位すなわち基板温度検出部５ｂの出力電位は、入射赤外線量によらず基板温度のみによって変化する。したがって、垂直走査回路１４および水平走査回路１６の選択動作によって得られる画素５の出力には、差動増幅回路３２の作用により、基板温度による出力変化分が相殺されて、入射赤外光量に応じた電位変動だけが現れる。この差動読出し以外の熱画像撮像動作については、実施の形態１と同様である。
この実施の形態６では、可視光画像の１画素は１個の可視光検出器１で構成され、熱赤外光画像の１画素は合計１６個の赤外光検出器で構成されるため、各々の検出器を等数ずつ均等配置した場合には可視光画像は熱画像に比較して１６倍の画像解像度を有することとなる。また、差動読出しにより基板の温度変動を相殺するので、素子の温度を一定に制御するためのペルチェ回路などが不要になり、システムの小型化および低コスト化を図ることができる。
また、従来のＳＯＩダイオード方式の赤外イメージセンサでは、水平選択線８や垂直信号線９の配線抵抗の影響が２次元アレイ上の座標によって異なってくるため、イメージセンサの出力には２次元的なオフセット分布が発生する。しかし、この実施の形態６では、赤外光検出部５ａと基板温度検出部５ｂが隣接しているため、差動読出しによって水平選択線８や垂直信号線９の配線抵抗の影響も相殺される。
なお、この実施の形態６では、中空構造にしないことにより、基板温度検出用の赤外光検出器３１の入射赤外光に対する検出感度を０にしたが、中空構造の支持脚の熱コンダクタンスを十分に大きくすることにより、検出感度を低くしてもよい。この場合、基板の温度変動による出力変化分を相殺できるだけでなく、画素への通電時の自己発熱による温度変動の影響も低減することができる。
なお、以上の実施の形態１〜６では、熱赤外光検出用画素６を構成する赤外光検出器３の個数が４個、９個、１６個の場合について示したが、複数個で構成するのであればその個数は任意である。
また、赤外光検出器３としてＳＯＩダイオード方式の非冷却型検出器を用いる場合について示したが、ボロメータ方式の非冷却型赤外光検出器を用いる場合についても同様である。ボロメータ方式の非冷却型赤外光検出器は、赤外光の入射光量に応じて抵抗値が変化するボロメータを含む。実施の形態５では、赤外光検出用画素５の９個の非冷却型赤外光検出素子３のうちの中心に位置する赤外光検出素子３のＳＯＩダイオード３ａの数を周囲の赤外光検出素子３のＳＯＩダイオード３ａの数よりも大きくしたが、赤外光検出用画素５の９個の非冷却型赤外光検出素子３のうちの中心に位置する赤外光検出素子３のボロメータの抵抗値を周囲の赤外光検出素子３のボロメータの抵抗値よりも大きくしても、同じ効果が得られる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
この発明の実施の形態１による２波長イメージセンサの構成を示す平面図である。 図１に示した可視光検出用画素および赤外光検出器の構成を示す断面図である。 図２に示した赤外線吸収傘のレイアウトを示す平面図である。 実施の形態１の変更例を示す平面図である。 この発明の実施の形態２による２波長イメージセンサの要部を示す平面図である。 図５に示した隣接する２つの赤外光検出器の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による２波長イメージセンサの要部を示す平面図である。 この発明の実施の形態４による２波長イメージセンサの要部を示す平面図である。 この発明の実施の形態５による２波長イメージセンサの要部を示す平面図である。 この発明の実施の形態６による２波長イメージセンサの要部を示す平面図である。 図１０に示した隣接する２つの赤外光検出器の構成を示す断面図である。 図１０に示した２波長イメージセンサの読出回路を示すブロック図である。
符号の説明
１ 可視光検出器、２ 可視光検出用画素、３，３１ 非冷却型赤外光検出器、３ａ，３１ａ ＳＯＩダイオード、４ 金属配線、５ 熱赤外光検出用画素、５ａ 赤外光検出部、５ｂ 基板温度検出部、６，８ 水平選択線、７，９ 垂直信号線、１１，１５ 信号処理回路、１２，１４ 垂直走査回路、１２，１６ 水平走査回路、１３，１７ 出力アンプ、２０ 読出回路、２１ バルクシリコン、２２ フィールド酸化膜、２３ 誘電体膜、２４ ＢＯＸ酸化膜、２５ ＳＯＩ層、２６ 空隙、２７ 赤外線吸収傘、２８ 中空構造体、２９ トレンチ分離酸化膜、３０ フィールド酸化膜、３３ 差動増幅回路。

Claims (10)

  1. 可視光画像と赤外光画像の両方を撮像する２波長イメージセンサであって、
    均一に分散配置された複数の可視光検出器および複数の非冷却型赤外光検出器を含む検出器アレイを備え、
    各可視光検出器は前記可視光画像の１画素を構成し、
    前記複数の非冷却型赤外光検出器はＮ個（ただし、Ｎは２以上の整数である）ずつグループ化され、各グループに属するＮ個の非冷却型赤外光検出器は直列接続されて前記赤外光画像の１画素を構成していることを特徴とする、２波長イメージセンサ。
  2. 各非冷却型赤外光検出器はＳＯＩダイオード方式であることを特徴とする、請求項１に記載の２波長イメージセンサ。
  3. 各非冷却型赤外光検出器は、直列接続された１または２以上のＳＯＩダイオードを含み、
    各グループに属するＮ個の非冷却型赤外光検出器の中心に位置する非冷却型赤外光検出器のＳＯＩダイオードの数は、そのグループの他の非冷却型赤外光検出器のＳＯＩダイオードの数よりも大きいことを特徴とする、請求項２に記載の２波長イメージセンサ。
  4. 各非冷却型赤外光検出器はボロメータ方式であることを特徴とする、請求項１に記載の２波長イメージセンサ。
  5. 各非冷却型赤外光検出器はボロメータを含み、
    各グループに属するＮ個の非冷却型赤外光検出器の中心に位置する非冷却型赤外光検出器のボロメータの抵抗値は、そのグループの他の非冷却型赤外光検出器のボロメータの抵抗値よりも大きいことを特徴とする、請求項４に記載の２波長イメージセンサ。
  6. 各非冷却型赤外光検出器は赤外線吸収傘を含み、
    各グループに属するＮ個の非冷却型赤外光検出器の赤外線吸収傘は互いに熱的に結合されていることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれかに記載の２波長イメージセンサ。
  7. 各非冷却型赤外光検出器は赤外線吸収傘を含み、
    各赤外線吸収傘は他の赤外線吸収傘と熱的に独立して設けられ、
    各グループに属するＮ個の非冷却型赤外光検出器の中心に位置する非冷却型赤外光検出器の赤外線吸収傘の面積は、そのグループの他の非冷却型赤外光検出器の赤外線吸収傘の面積よりも大きいことを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれかに記載の２波長イメージセンサ。
  8. 可視光画像と赤外光画像の両方を撮像する２波長イメージセンサであって、
    均一に分散配置された複数の可視光検出器および複数の非冷却型赤外光検出器を含む検出器アレイを備え、
    各可視光検出器は前記可視光画像の１画素を構成し、
    前記複数の非冷却型赤外光検出器は２Ｎ個（ただし、Ｎは２以上の整数である）ずつグループ化され、各グループは前記赤外光画像の１画素を構成し、
    各グループに属する２Ｎ個の非冷却型赤外光検出器はＮ個ずつ第１および第２のサブグループに分割され、前記第１のサブグループに属するＮ個の非冷却型赤外光検出器は直列接続されて赤外光検出部を構成し、前記第２のサブグループに属するＮ個の非冷却型赤外光検出器は直列接続されて基板温度検出部を構成し、前記第１のサブグループに属する非冷却型赤外光検出器の赤外光検出感度は前記第２のサブグループに属する非冷却型赤外光検出器の赤外光検出感度よりも高く、
    さらに、前記赤外光検出部の出力信号のレベルから前記基板温度検出部の出力信号のレベルを減算して対応の画素の出力信号を生成する減算手段を備えることを特徴とする、２波長イメージセンサ。
  9. 前記第１のサブグループに属する非冷却型赤外光検出器を中空断熱構造とするとともに前記第２のサブグループに属する非冷却型赤外光検出器を中空断熱構造としないことにより、前記第１のサブグループに属する非冷却型赤外光検出器の赤外光検出感度を前記第２のサブグループに属する非冷却型赤外光検出器の赤外光検出感度よりも高くしたことを特徴とする、請求項８に記載の２波長イメージセンサ。
  10. 各非冷却型赤外光検出器を中空断熱構造とし、前記第１のサブグループに属する非冷却型赤外光検出器の支持脚の熱コンダクタンスを前記第２のサブグループに属する非冷却型赤外光検出器の支持脚の熱コンダクタンスよりも小さくすることにより、前記第１のサブグループに属する非冷却型赤外光検出器の赤外光検出感度を前記第２のサブグループに属する非冷却型赤外光検出器の赤外光検出感度よりも高くしたことを特徴とする、請求項８に記載の２波長イメージセンサ。
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