JP2008258977A - イメージセンサ及び電磁波イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体の状態に依存すること無く、良好な画像を得ることが可能な小型のイメージセンサ及び電磁波イメージング装置を提供する。
【解決手段】フォトダイオード１０１及び１０２から構成され、行列状に配置されたフォトダイオード対を複数備えるイメージセンサであって、ＭＯＳスイッチ１０３及び１０４並びに制御信号発生回路１０９及び１１０から構成され、フォトダイオード対と接続され、フォトダイオード１０１及び１０２から順次信号を読み出す読み出し回路と、読み出し回路と接続され、フォトダイオード１０１から読み出された信号と、フォトダイオード１０２から読み出された信号との差分に対応する差分信号を出力する差分回路とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、イメージセンサ及び電磁波イメージング装置に関し、特にＴＨｚ帯電磁波のイメージングに用いられるイメージセンサ及び電磁波イメージング装置に関する。

近年、セキュリティ検査、医療検査、食品分析、薬品分析、環境モニター等を目的として、ＴＨｚ帯電磁波イメージング装置の開発が進められている（非特許文献１及び２、並びに特許文献１、２及び３参照）。

これらの技術においては、ＴＨｚ電磁波源より発せられた周波数０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚの領域にある電磁波（以下、ＴＨｚ電磁波と称する）を被検査物に照射し、その透過または反射波の強度または位相空間分布に、該被検査物の物理特性（形状、材質など）の空間分布情報を変調量として担わせ、これを受信することにより被検査物の物理特性の空間分布情報を２次元画像として構成する。

被検査物の２次元情報を得る方法としては、当初、非特許文献２に記載されているように、照射ＴＨｚ電磁波ビームをレンズによって該被検査物の一部に集束し、該被検査物を走査し、変調されたＴＨｚ電磁波を１次元情報のみ受信可能な受信器によって逐次受信し、２次元情報を構成するという方法が取られた。

しかし、この方法では２次元情報の全データを採取するために数時間という長時間を要し、実時間で検査を終了させることが要求される検査装置としては非実用的であった。

この欠点を補う方法として、図９に示すＴＨｚ電磁波イメージング装置が非特許文献３で報告されている。

図９において、超短パルス光源９０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッター９０２によりＰ偏光はポンプ光９０３として分離され、Ｓ偏光はプローブ光９０４として分離される。

ポンプ光９０３は光学遅延線９０５を経て、半絶縁性ＧａＡｓウエハー上に間隔１０ｍｍをおいて形成された電極対を有する光伝導スイッチによって構成されたＴＨｚ電磁波エミッター９０６に入射され、ＴＨｚ電磁波９０７が発生される。このようにして発生されたＴＨｚ電磁波９０７は極めてコリメート性が高く幅の広いビームであり、ＴＨｚ電磁波９０７の進行方向に垂直な面において２次元的な透過分布を有する被測定物９０８に照射される。

被測定物９０８を通過したＴＨｚ電磁波９０７は被測定物の２次元透過特性に伴い、空間的に強度変調されたビームとなる。これをポリエチレンレンズ９０９によって、後段のＺｎＴｅ結晶よりなる電界変調器９１３内に結像する。

プローブ光９０４はプローブ光進路変更用ミラー９１０で進路変更され、さらにビームエクスパンダー９１１によってビーム幅が広げられた後、シリコンウエハーで構成されたシリコンミラー９１２に入射し、シリコンミラー９１２を透過した強度変調されたＴＨｚ電磁波９０７と光軸を共有する。言い換えれば、重畳される。

重畳されたプローブ光９０４とＴＨｚ電磁波９０７とは、[１１０]面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる電界変調器９１３に入射する。

電界変調器９１３の後段には、位相板９１４、プローブ光９０４に直交する偏波面を有する直線偏光のみ透過させる偏光板９１５、及び偏光板９１５からの透過光を受光する一画素あたり１つのフォトダイオードを有する２次元ＣＭＯＳイメージセンサ９１６がこの順に配置される。

偏光板９１５の透過光量を最小限に抑制しつつ、得られる画像の信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）を最大にするために、位相板９１４はその後段において、ＴＨｚ電磁波９０７がプローブ光９０４の各パルスと同時に電界変調器９１３に入射しない場合、すなわちＴＨｚ電磁波パルスとプローブパルスとが非同期の場合には、プローブ光９０４の偏波面が偏光板９１５の透過偏波面に直交する方向から２〜３°程度の偏角を成すように設定する。

このように、プローブ光を直線偏波で用いると共にその偏波面を制御することによって偏光板を透過する光量を抑制することを、以下ではプローブ光の位相バイアスを抑制すると言う。

両パルス間の同期が取れていない場合、イメージセンサ９１６には、光量の抑制されたプローブ光９０４、つまり微小バイアス量に相当する偏光板からの透過光が入射する。しかし、電界変調器９１３にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスとが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合、電界変調器９１３を透過後のプローブ光９０４の偏光状態はＴＨｚ電磁波９０７と非同期の場合に比べて偏角がさらに０．０２°程度回転しているため、１％程度の強度変調量を期待できる。

本装置では、連続する２つのプローブ光パルスに各々ＴＨｚ電磁波によって変調された情報、及び未変調の情報を担わせる。これらの連続する２つのプローブ光パルスによって形成される連続する２画面の情報を、同期回路９１７によってプローブ光のパルス周期とレーザー光源のパルス周期との同期を取ることによって取りこむ。時間的に先に取り込んだ画像を一時保存し次の画像信号が出力される期間に、両画像間の差分を画像処理回路９１８によって演算することによってＴＨｚ電磁波によって形成された被測定物９０８の透過特性の画像を得る。
特開２００２−５８２８号公報 特開２００４−２０５０４号公報 特開２００５−３７２１３号公報 Ｋｉｙｏｍｉ Ｓａｋａｉ ｅｄ．， "Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ"， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ， ２００５． Ｂ． Ｂ． Ｈｕ ａｎｄ Ｍ． Ｃ． Ｎｕｓｓ， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．２０， ｐ．１７１６， （１９９５）． Ｆ． Ｍｉｙａｍａｒｕ， Ｔ． Ｙｏｎｅｒａ， Ｍ． Ｔａｎｉ ａｎｄ Ｍ． Ｈａｎｇｙｏ， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ．４３， ｐ．Ｌ４８９−Ｌ４９１， （２００４）．

しかし、上記の従来の技術においては、次の課題が生じる。
すなわち、上述のように１枚の偏光板によって一方向の偏光成分のみを信号として使用するため、プローブ光がＴＨｚ電磁波によって未変調の時の画像データと変調された時の画像データとを異なる時刻で取得し、両画像間の差分を出力する必要がある。このような方法では、静止画等の２画像を取得するのに要する時間に比して十分に長い時間内で移動する被写体については、実物を再現することが可能である。しかし、画像取得時間と同等以下の短時間で移動、運動する被写体については像の歪み、ボケなどが発生し、良好な画像を得ることができない。また、時間差の発生する２画像の取得と先行して取得された一画面分のデータを一時保存する回路が必要となるため、装置が大型化する。

また、この従来の技術では、未変調時においてイメージセンサに入射する光の強度を極力抑え、イメージセンサの画素への光信号の加入力を回避するために、未変調時のプローブ光の偏光状態を直線偏光とし、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の偏光状態を楕円偏光とするが、このような位相バイアス点では電界変調方式により得られる画像の信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）を最大にできない。得られる信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）を最大とするには、理想的には未変調時には偏光フィルターに入射するプローブ光が円偏光であり、互いに直行する偏光成分を等量有することが好ましい（Yariv, A., （多田、神谷共訳） “光エレクトロニクスの基礎”, 丸善，pp.245, (1974)参照）。この方式を実現するにはプローブ光を等しい強度に分割し互いに直交する２種類の偏光板を透過せしめ、かつ、各々の後段に独立したイメージセンサを配置し、両センサで得られる２画像間の差分を取る必要がある。その結果、複数のイメージセンサが必要となり、装置が複雑化する。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、被写体の状態に依存すること無く、良好な画像を得ることが可能な小型のイメージセンサ及び電磁波イメージング装置を提供することを第１の目的とする。

さらに、プローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ信号過入力を回避することによる信号量の低下を伴わず、変調されたプローブ光の変調量を検出可能なイメージセンサ及び電磁波イメージング装置を提供することを第２の目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のイメージセンサは、第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードから構成され、行列状に配置されたフォトダイオード対を複数備えるイメージセンサであって、前記フォトダイオード対と接続され、前記第１のフォトダイオード及び前記第２のフォトダイオードから順次信号を読み出す読み出し回路と、前記読み出し回路と接続され、前記第１のフォトダイオードから読み出された信号と、前記第２のフォトダイオードから読み出された信号との差分に対応する差分信号を出力する差分回路とを備えることを特徴とする。ここで、前記イメージセンサは、さらに、前記第１のフォトダイオードの上に配置された第１の偏光フィルターと、前記第２のフォトダイオードの上に配置された第２の偏光フィルターとを備え、前記第１の偏光フィルター及び前記第２の偏光フィルターは、異なる偏光透過特性を有してもよい。また、前記イメージセンサは、さらに、前記第１のフォトダイオードの上に配置された第１の波長フィルターと、前記第２のフォトダイオードの上に配置された第２の波長フィルターとを備え、前記第１の波長フィルター及び前記第２の波長フィルターは、異なる波長透過特性を有してもよい。

このような構成とすることによって、同一期間にフォトダイオード対を形成する各フォトダイオードに蓄積された信号の差分信号を同一走査期間内で差分回路により得ることができ、該差分信号を時系列信号として実時間で出力させることが可能となる。

従って、偏波面の方向や波長について変調されたプローブ光の変調量の検出にこのイメージセンサを用いる場合には、第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードのそれぞれにフィルターを形成し、所定の基準状態、例えばプローブ光の変調量が０である場合、つまりプローブ光が変調されていない状態において、各々のフォトダイオードに入射するプローブ光の光量が等しくなるように設定される。

例えば、未変調光には円偏光となるプローブ光を２つのフォトダイオードに入射し、第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードのそれぞれに等量の電荷を発生させることによって、出力を抑止する。そして、変調時には、フィルター特性の違いによって変調量に応じた受光量の差をそれぞれのフォトダイオードについて生ぜしめ、蓄積電荷量の差に応じた差分信号を検出することが可能となる。従って、未変調光が入射した場合では２つのフォトダイオードで発生する電流は信号に寄与することは無く、変調光が入射した場合のみ変調光に起因する信号を検出することが可能となる。

これにより、各フォトダイオード間の信号の差分を一画面信号蓄積期間内で出力することが可能となる。従って、プローブ光が未変調の時の画像データと変調された時の画像データとを異なる時刻で取得する必要がない。また、時間差の発生する２画像の取得と先行して取得された一画面分のデータを一時保存する回路が必要ない。その結果、被写体の状態に依存すること無く、良好な画像を得ることが可能な小型のイメージセンサが得られる。

また、プローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ信号量低下を伴わず、変調されたプローブ光の変調量を検出可能なイメージセンサが得られる。

また、前記差分回路は、直列に接続された第１の容量及び第２の容量と、前記第２の容量と並列に接続された第３のスイッチと、前記第１の容量と前記第２の容量との接続点に接続され、前記差分信号を出力する第４のスイッチとを有し、前記読み出し回路は、前記第１の容量と前記第１のフォトダイオードとの間に挿入された第１のスイッチと、前記第１の容量と前記第２のフォトダイオードとの間に挿入された第２のスイッチとを有し、前記第１のフォトダイオードから信号を読み出すときには、前記第１のスイッチ及び前記第３のスイッチは短絡され、かつ前記第２のスイッチ及び前記第４のスイッチは遮断され、前記第２のフォトダイオードから信号を読み出すときには、前記第２のスイッチは短絡され、かつ前記第１のスイッチ、前記第４のスイッチ及び前記第３のスイッチは遮断され、前記差分信号が前記差分回路から出力されるときは、前記第４のスイッチは短絡されてもよい。

このような構成とすることによって、第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードの信号を読み出した後に第１の容量と第２の容量との接続点に第１のフォトダイオードの信号と第２のフォトダイオードの信号との間の差分に比例する信号が得られる。

また、１つのフォトダイオード対を構成する前記第１のフォトダイオード及び前記第２のフォトダイオードは、行方向に並んで配置され、前記イメージセンサは、さらに、前記複数のフォトダイオード対から前記信号の読み出しを行うフォトダイオード対として所定のフォトダイオード対を選択する選択回路を備えてもよい。

このような構成とすることによって、簡便にフォトダイオード対からの差分信号をその読み出し順に得ることが可能となる。

また、１つのフォトダイオード対を構成する前記第１のフォトダイオード及び前記第２のフォトダイオードは、列方向に並んで配置され、前記イメージセンサは、さらに、前記複数のフォトダイオード対から前記信号の読み出しを行うフォトダイオード対として所定のフォトダイオード対を選択する選択回路を備えてもよい。

このような構成とすることによって、簡便にフォトダイオード対からの差分信号をその読み出し順に得ることが可能となる。

また、前記読み出し回路は、前記複数のフォトダイオード対毎に設けられ、１つのフォトダイオード対を構成する前記第１のフォトダイオード及び前記第２のフォトダイオードは、同一の前記読み出し回路に接続されてもよい。

このような構成とすることによって、第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードとの間における読み出し回路によるバラツキが抑制されるので、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

また、前記差分回路は、前記フォトダイオード対の信号が入力される、直列に接続された２つの相関２重サンプリング回路を有してもよい。

このような構成とすることによって、初段の相関２重サンプリング回路によってフォトダイオード対を構成する各フォトダイオードの信号内の信号読み出し時に発生するノイズ（特にリセットノイズ）を除去し、後段の相関２重サンプリング回路で両フォトダイオード信号間の差分を得るという所望の機能を実現することが可能となる。

また、前記差分回路は、前記２つの相関２重サンプリング回路の間に挿入された電流バッファ回路を有してもよい。

このような構成とすることによって、初段の相関２重サンプリング回路からの出力電荷量を後段の容量負荷を充電するために十分な電荷とすることが可能となる。

また、前記差分回路は、前記２つの相関２重サンプリング回路の間に挿入された電圧レベル調整回路を有してもよい。

このような構成とすることによって、初段の相関２重サンプリング回路で発生したオフセット電圧レベルを後段の相関２重サンプリング回路の入力レベルに適合させることが可能となる。

また、本発明は、電磁波を発生する電磁波源と、プローブ光を発生する光源と、被写体を透過又は反射した後の前記電磁波を前記プローブ光と重畳する重畳光学素子と、前記重畳された電磁波とプローブ光とが入射され、前記電磁波の電界に応じて前記プローブ光の特定の物理量を変調する電気光学変調素子と、前記変調後のプローブ光を撮像する請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイメージセンサとを備えることを特徴とする電磁波イメージング装置とすることもできる。

このような構成とすることにより、プローブ光を円偏光状態で入射させるにもかかわらず、電磁波によって変調されていない状態のプローブ光の位相バイアスを抑制せず、また複数のイメージセンサを必要とせず、電磁波によって変調された状態のプローブ光の異なる偏光成分の差分を同一フレーム期間で出力することが可能となり、電界変調方式では最大のＳ／Ｎを実現することが可能となる。

さらに、本発明は、第１のフォトダイオードに蓄積された信号電荷と第２のフォトダイオードに蓄積された信号電荷との差分に対応する差分信号を出力させる方法であって、前記第１のフォトダイオードの信号電荷を第１の容量及び前記第１の容量に直列接続された第２の容量に充電する第１充電ステップと、前記第２のフォトダイオードの信号電荷を前記第１の容量及び前記第２の容量に充電する第２充電ステップと、前記第１の容量と前記第２の容量との間の電圧を差分信号として出力させる出力ステップとを含むことを特徴とする差分信号出力方法とすることもできる。

本発明のイメージセンサによれば、異なるフォトダイオード間の信号の差分を一画面信号蓄積期間内で出力することが可能となる。特に、フォトダイオード対を形成する各フォトダイオードの上面に異なる偏光特性を有する偏光フィルターを配置することによって、入射光の異なる偏光成分間の差分を一画像形成期間内で出力することが可能となる。同様に、フォトダイオード対を形成する各フォトダイオードの上面に異なる透過波長特性を有する波長フィルターを配置することによって、入射光の異なる波長成分間の差分を一画像形成期間内で出力することが可能となる。

また、本発明の電磁波イメージング装置によれば、高速かつ高Ｓ／Ｎ比のＴＨｚ電磁波イメージングを簡便な装置で実現可能となる。

以下、本発明の実施形態に係るイメージセンサについて、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態のイメージセンサの動作原理を示す回路構成図である。
この回路は、フォトダイオード１０１及び１０２と、ＭＯＳスイッチ１０３、１０４、１０７及び１０８と、容量１０５及び１０６と、制御信号発生回路１０９、１１０、１１１及び１１２と、出力信号発生回路１１３とを備える。同回路は、フォトダイオード１０１に蓄積された電荷とフォトダイオード１０２に蓄積された電荷との差分に対応する差分信号を出力させる。

ここで、図１の破線で囲った部分は以下「差分回路」と称する部分である。この差分回路は容量１０５及び１０６とＭＯＳスイッチ１０７と制御信号発生回路１１１とから構成され、異なるタイミングで入力される２つの信号間の共通（相関する）成分を除去する機能、つまり相関２重サンプリング回路機能を実現する回路である。

なお、フォトダイオード１０１は本発明の第１のフォトダイオードの一例であり、フォトダイオード１０２は、本発明の第２のフォトダイオードの一例である。また、ＭＯＳスイッチ１０３及び１０４並びに制御信号発生回路１０９及び１１０は、本発明の読み出し回路の一例である。また、容量１０５は本発明の第１の容量の一例であり、容量１０６は本発明の第２の容量の一例である。また、ＭＯＳスイッチ１０３は本発明の第１のスイッチの一例であり、ＭＯＳスイッチ１０４は本発明の第２のスイッチの一例である。また、ＭＯＳスイッチ１０７は本発明の第３のスイッチの一例であり、ＭＯＳスイッチ１０８は本発明の第４のスイッチの一例である。

フォトダイオード１０１及び１０２は、各々ＭＯＳスイッチ１０３及び１０４を介して、直列に接続された２つの容量１０５及び１０６のうちの前段の容量１０５の入力段に接続されている。後段の容量１０６の一端は前段の容量１０５の出力段に接続され、他端は接地されている。また、後段の容量１０６には、ＭＯＳスイッチ１０７が並列に接続されている。さらに、前段の容量１０５と後段の容量１０６との接続点には、出力信号発生回路１１３に接続されたＭＯＳスイッチ１０８が接続されている。

制御信号発生回路１０９、１１０、１１１及び１１２は、それぞれＭＯＳスイッチ１０３、１０４、１０７及び１０８の開閉を制御する回路である。

上記構成を有する回路においては、フォトダイオード１０１に蓄積された電荷が直列接続された容量１０５及び１０６に充電される期間においては、ＭＯＳスイッチ１０３及び１０７が各々の制御信号発生回路１０９及び１１１からの出力に従って短絡状態とされ、また、ＭＯＳスイッチ１０４及び１０８は遮断状態に保たれる。従って、フォトダイオード１０１の出力電圧をＶ１とすると、容量１０５はＶ１の電圧で充電される。従って、容量１０５の容量をＣ１、これに充電される電荷量をＱ１とすると、
Ｑ１＝Ｃ１・Ｖ１ （１）式
となる。次に、フォトダイオード１０２に蓄積された電荷が直列接続された容量１０５及び１０６に充電される期間に遷移すると、ＭＯＳスイッチ１０３、１０７及び１０８は遮断状態に制御され、ＭＯＳスイッチ１０４が制御信号発生回路１１０からの出力に従って短絡状態とされる。従って、フォトダイオード１０２の出力電圧をＶ２、容量１０６の容量値をＣ２、容量１０５と容量１０６との接続点の電圧をＶｘ、容量１０６に充電される電荷量をＱ２とすると、
Ｑ２＝Ｃ２・Ｖｘ （２）式
となる。

一方、容量１０５に充電される電荷量は容量１０５と容量１０６との接続点における電荷保存から、容量１０５にはＱ１＋Ｑ２の電荷量が蓄積され、
Ｑ１＋Ｑ２＝Ｃ１・（Ｖ２−Ｖｘ） （３）式
となる。

（１）式、（２）式より
Ｑ１＋Ｑ２＝Ｃ１・Ｖ１＋Ｃ２・Ｖｘ （４）式
であるので、これと（３）式よりＶｘについて解くと
Ｖｘ＝｛Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）｝・（Ｖ１−Ｖ２） （５）式
を得る。従って確かに、容量１０５と容量１０６との接続点にフォトダイオード１０１及び１０２の読み出し信号間の差分に比例する出力が得られる。この電圧Ｖｘを、ＭＯＳスイッチ１０８を短絡状態とすることによって出力信号発生回路１１３に転送することにより所望の差分信号を得ることが可能となる。

図２は、本実施形態に係るイメージセンサの全体構成を示す図であり、図３は、同イメージセンサの基板上の素子配置の概要を示す図である。

このイメージセンサは、Ｓｉ基板２０１と、フォトダイオード２０２及び２０２’と、偏光フィルター２０３及び２０３’と、行走査回路２０４と、列走査回路２０５と、第１の差分回路２０６及び第２の差分回路２０６’と、出力回路２０７とを備える。なお、フォトダイオード２０２は本発明の第１のフォトダイオードの一例であり、フォトダイオード２０２’は、本発明の第２のフォトダイオードの一例である。また、第１の差分回路２０６及び第２の差分回路２０６’は、本発明の差分回路の一例である。また、偏光フィルター２０３は本発明の第１の偏光フィルターの一例であり、偏光フィルター２０３’は本発明の第２の偏光フィルターの一例である。

このイメージセンサでは、Ｓｉ基板２０１上に形成された２つのフォトダイオード、つまりフォトダイオード２０２とこれと等価なフォトダイオード２０２’が対を形成している。また、このフォトダイオード対と等価なフォトダイオード対が列方向（Ｘ方向）と行方向（Ｙ方向）との２次元に規則的に配列されており、その周辺には光入射によってフォトダイオード２０２及び２０２’で発生した信号電荷を順次読み出す回路が配置されている。

各フォトダイオード対上には、Ｘ方向またはＹ方向に偏波面を有する偏光のみを透過する偏光フィルター２０３及び２０３’が配置されている。つまり、フォトダイオード２０２上にはＹ方向に垂直な方向に配列された金属細線よりなるＹ方向偏光のみを透過する偏光フィルター２０３が、フォトダイオード２０２’上にはＸ方向に垂直な方向に配列された金属細線よりなるＸ方向偏光のみを透過する偏光フィルター２０３’が配置されている。

フォトダイオード２０２及び２０２’からの信号電荷の読み出しは、行走査回路２０４によって読み出すフォトダイオード対の行を選択し、各列に直列に配置された第１の差分回路２０６及び第２の差分回路２０６’に信号を転送することにより行われる。第１の差分回路２０６及び第２の差分回路２０６’からの信号は、列走査回路２０５によって選択された列毎に出力回路２０７に出力される。

第１の差分回路２０６及び第２の差分回路２０６’は、それぞれ図１で説明した直列容量を有する差分回路で構成され、第１の差分回路２０６及び第２の差分回路２０６’には、各フォトダイオード対の信号が順次入力され、該フォトダイオード２０２及び２０２’間の差分が出力回路２０７に転送される。

図４は、本実施形態に係るイメージセンサの画素構成を示す図である。
この画素は、フォトダイオード２０２及び２０２’と、電荷蓄積用容量４０１、電圧検出増幅回路４０２、リセット回路４０３、信号転送スイッチ４０４及び４０４’、スイッチ選択回路４０５並びに列選択回路４０６よりなる読み出し回路とから構成され、垂直信号線４０７と接続されている。なお、信号転送スイッチ４０４及びスイッチ選択回路４０５は本発明の第１のスイッチの一例であり、信号転送スイッチ４０４’及びスイッチ選択回路４０５は本発明の第２のスイッチの一例である。

この画素では、フォトダイオード対を構成する各フォトダイオード２０２及び２０２’は同一の読み出し回路に接続されているため、読み出し回路の各フォトダイオード間でのばらつきの影響を受けない高いＳ／Ｎの信号を信号線４０７に出力することが可能である。

図５は、本実施形態に係るイメージセンサの変形例の基板上の素子配置の概要を示す図である。

このイメージセンサでは、フォトダイオード対を構成するフォトダイオード２０２及び２０２’が図３のように行方向に並んで配置されるのではなく、列方向に並んで配置される。このようなフォトダイオードの配置にすることによって、同一列内の２つのフォトダイオード出力間の差分を水平信号線に出力することが可能となる。

図６は、本実施形態に係るイメージセンサに用いられる差分回路の構成例を示す図である。

この差分回路は、読み出し回路６０１と、電源電圧６０２及び６０８と、タイミング信号発生回路６０３、６０９及び６１１と、スイッチ６０４、６１０及び６１４と、容量６０５、６０６、６１２及び６１３と、バッファ回路６０７と、信号出力線６１５と、垂直信号線６１６とから構成される。なお、容量６１２は本発明の第１の容量の一例であり、容量６１３は本発明の第２の容量の一例である。また、スイッチ６１０及びタイミング信号発生回路６０９は、本発明の第３のスイッチの一例である。また、スイッチ６１４及びタイミング信号発生回路６１１は、本発明の第４のスイッチの一例である。

この差分回路では、図２、図３及び図５に示した２つの直列容量よりなる第１の差分回路２０６及び第２の差分回路２０６’がバッファ回路６０７を介して直列に接続されている。第１の差分回路２０６は、スイッチ６０４と容量６０５及び６０６と電源電圧６０２とタイミング信号発生回路６０３とから構成され、フォトダイオード対から順次読み出された各フォトダイオードの信号からリセットノイズを除去する相関２重サンプリング回路である。一方、第２の差分回路２０６’は、スイッチ６１０及び６１４と容量６１２及び６１３と電源電圧６０８とタイミング信号発生回路６０９及び６１１とから構成され、フォトダイオード対から順次読み出された各フォトダイオードの信号の差分を出力する相関２重サンプリング回路である。

上記構成を有する差分回路において、フォトダイオード対を構成する一方のフォトダイオードの光未入射時の参照信号が読み出し回路６０１から第１の差分回路２０６に入力する。第１の差分回路２０６に該一方のフォトダイオードの参照信号が読み出し回路６０１より入力されると、タイミング信号発生回路６０３によってスイッチ６０４が導通状態にされ、電源電圧６０２と参照信号電圧との間の電圧差に相当する電荷が容量６０５を介して容量６０６に充電される。次のクロック信号で該一方のフォトダイオードの光入射時の出力信号と参照信号とが加算された信号が読み出し回路６０１より入力される。タイミング信号発生回路６０３によってスイッチ６０４は遮断状態に保たれているので、容量６０６には初めに入力された参照信号に相当する電荷と後で入力された出力信号及び参照信号の和に相当する電荷との間の差分、すなわち該一方のフォトダイオードの真の出力信号に相当する電荷が容量６０６に充電され、この電荷に相当する電圧がバッファ回路６０７に入力される。

ここで、バッファ回路６０７は第２の差分回路２０６’の直列容量６１２及び６１３に十分な電荷を供給する役割と、電圧加算又は電圧増幅により第２の差分回路２０６’の入力信号レベルを調節する電圧レベル調整回路の役割を兼ね備えている。なお、第２の差分回路２０６’に対する入力レベル調整が必要なく、第１の差分回路２０６からの電荷供給量も十分である場合には本バッファ回路は省略可能である。

第１の差分回路２０６によって出力された該一方のフォトダイオードの出力信号は次のクロックタイミングで第２の差分回路２０６’に入力されると、タイミング信号発生回路６０９によってスイッチ６１０が導通状態に設定され、電源電圧６０８と出力信号電圧との間の電圧差に相当する電荷が容量６１２に充電される。一方、同じタイミングで第１の差分回路２０６には、フォトダイオード対を構成する他方のフォトダイオードの参照信号に相当する電荷が容量６０６に蓄積される。次のタイミングで該他方のフォトダイオードの真の出力信号に相当する電荷が容量６０６に充電され、この電荷に相当する電圧がバッファ回路６０７に出力される。第１の差分回路２０６によって出力された該他方のフォトダイオードの出力信号は第２の差分回路２０６’に入力される。第１の差分回路２０６と同じ差分動作が第２の差分回路２０６’で行われ、事前に容量６１２に充電されていた該一方のフォトダイオードの真の出力信号と該他方のフォトダイオードの出力信号との間の真の差分を得ることが可能となる。

なお、該他方のフォトダイオードの真の出力信号が第２の差分回路２０６’に入力されたタイミングではタイミング信号発生回路６０９によってスイッチ６１０は遮断状態とされる。また、フォトダイオード対の出力信号間の差分がタイミング信号発生回路６１１によって導通状態に設定されたスイッチ６１４を介して信号出力線６１５に出力された後、容量６０５、６０６、６１２及び６１３は所定の電圧にリセットされる。

図７は、本実施形態のイメージセンサを用いたＴＨｚ電磁波イメージング装置の構成例を模式的に示したものである。

このＴＨｚ電磁波イメージング装置は、超短パルス光源７０１、偏光ビームスプリッター７０２、光学遅延線７０５、ＴＨｚ電磁波エミッター７０６、ポリエチレンレンズ７０９、プローブ光進路変更用ミラー７１０、ビームエクスパンダー７１１、シリコンミラー７１２、電界変調器７１３、１／４波長板７１４、イメージセンサ７１５及び画像再生装置７１８から構成される。なお、超短パルス光源７０１は、本発明の電磁波源及び光源の一例であり、ポリエチレンレンズ７０９、プローブ光進路変更用ミラー７１０、ビームエクスパンダー７１１及びシリコンミラー７１２は本発明の重畳光学素子の一例である。

上記構成を有するＴＨｚ電磁波イメージング装置では、超短パルス光源７０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッター７０２によりＰ偏光はポンプ光７０３として分離され、Ｓ偏光はプローブ光７０４として分離される。

ポンプ光７０３は光学遅延線７０５を経て、半絶縁性ＧａＡｓウエハー上に間隔１０ｍｍをおいて形成された電極対を有する光伝導スイッチによって構成されたＴＨｚ電磁波エミッター７０６に入射され、ＴＨｚ電磁波７０７が発生される。このようにして発生されたＴＨｚ電磁波７０７は極めてコリメート性の高いビームであり、ＴＨｚ電磁波７０７の進行方向に垂直な面において２次元的な透過分布を有する被測定物７０８に照射される。

被測定物７０８を通過したＴＨｚ電磁波７０７は被測定物の２次元透過特性に伴い、空間的に強度変調されたビームとなる。これをポリエチレンレンズ７０９によって、後段のＺｎＴｅ結晶よりなる電界変調器７１３内に結像する。

プローブ光７０４はプローブ光進路変更用ミラー７１０で進路変更され、さらにビームエクスパンダー７１１によってビーム幅が広げられた後、シリコンウエハーで構成されたシリコンミラー７１２に入射し、シリコンミラー７１２を透過した強度変調されたＴＨｚ電磁波７０７と光軸を共有する。言い換えれば、重畳される。

重畳されたプローブ光７０４とＴＨｚ電磁波７０７とは、[１１０]面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる電界変調器７１３に入射する。

電界変調器７１３の後段には、１／４波長板７１４、及び本実施形態で説明したイメージセンサ７１５がこの順に配置される。

１／４波長板７１４はその後段において、ＴＨｚ電磁波７０７がプローブ光７０４の各パルスと同時に電界変調器７１３に入射しない場合、すなわちＴＨｚ電磁波パルスとプローブパルスとが非同期の場合には、プローブ光７０４を完全な円偏光状態に設定する。この時、イメージセンサ７１５には円偏光が入射するため、Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分は等しく、従って、イメージセンサ７１５内部の各画素のフォトダイオード対には等量の電流が発生し、電荷蓄積用容量には電荷は蓄積されない。

一方、電界変調器７１３にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスとが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、電界変調器７１３を透過後のプローブ光７０４の偏光状態はＴＨｚ電磁波７０７と非同期の場合に比べて、偏光軸が回転し、さらに、楕円偏光となる。従って、１／４波長板透過後の偏光状態も完全な円偏光とはならず、楕円偏光となる。その結果、イメージセンサ７１５内部の各画素のフォトダイオード対に入射する光強度も異なり、異なった量の電流が発生するため、電荷蓄積用容量には信号電荷が蓄積され、信号電圧すなわちＴＨｚ電磁波検出信号が出力される。

以上の原理で検出されたＴＨｚ電磁波検出信号（２次元信号）は画像再生装置７１８によって出力される。従って、高いＳ／Ｎ比を有する被測定物のＴＨｚ電磁波イメージングを高速に行うことができる。

以上、本発明のイメージセンサ及び電磁波イメージング装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。

例えば、本実施形態のイメージセンサでは、偏光特性を変調する電界変調器７１３が用いられ、各フォトダイオード対上には透過する偏光角が最大となる角度が異なる透過特性を有する偏光フィルター、つまり異なる偏光透過特性を有する偏光フィルターが配置されるとした。しかし、電界変調器７１３の代わりにＴＨｚ波が入射することによって透過波長特性が変化する電界変調器が用いられ、イメージセンサ７１５のフォトダイオード対上に透過波長帯域の異なる波長フィルター、つまり異なる波長透過特性を有する波長フィルターが配置されても同等の効果を得ることが可能である。

この場合、透過波長特性を変調する電界変調器は、アルミニウムガリウム砒素とガリウム砒素薄膜とを交互に積層した超格子によって構成することができる。また、フォトダイオード対上に配置される波長フィルターとしては、フィルター最大透過率が０．６、半値幅が２０ｎｍのものが用いられる。このような波長フィルターは、例えば、E. Hecht, “Optics”, 4th ed., p.425-p.430, Addison Wesley, San Francisco (2002)に示されるように、多層誘電体薄膜を用いた干渉フィルターをフォトリソグラフィーによって各々のフォトダイオードに別々に作製することで形成できる。

例えば、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されるような透過波長特性を持つ２つの波長フィルターが、フォトダイオード対のそれぞれの上に配置される。この波長フィルターを用いたイメージセンサに波長８００ｎｍの光を入射すると、両波長フィルターの透過波長特性は透過ピークを中心に対称であるので、透過光量は等しく、フォトダイオード２０２及び２０２’に発生する光電流も等しい。従って、電荷蓄積用容量には正味の電荷は蓄積されず、信号出力は発生しない。一方、入射光の波長が例えば低波長側に５ｎｍシフトした場合には、フォトダイオード２０２上の波長フィルターを透過する光量が増加し、フォトダイオード２０２’上のフィルターを透過する光量が減少し、これに従ってフォトダイオード２０２及び２０２’に発生する電流が各々増減する。従って、この発生する電流の差分に相当する電荷が電荷蓄積用容量に正味電荷として蓄積され、信号出力を得ることが可能となる。

その結果、このイメージセンサは入射光の中心波長が定まっており、時間とともに該入射光の中心波長が外乱または別入力信号によってシフトされる場合の波長シフトモニターとして利用可能である。

また、本実施形態のイメージセンサでは、差分回路が第１の差分回路、つまり各フォトダイオードの信号からリセットノイズを除去する相関２重サンプリング回路を有するとした。しかし、第１の差分回路は、フォトダイオード対を構成する各フォトダイオードの信号内の信号読み出し時に発生するノイズを除去する必要がある場合、つまりリセット回路が各画素に設けられていない場合、又はフォトダイオード対を構成する各フォトダイオードが読み出し回路を共有しない場合等に有用となるものであるため、本実施形態のイメージセンサにおいては、特に第１の差分回路は設けられなくてもよい。

本発明は、イメージセンサ及び電磁波イメージング装置に利用でき、特にセキュリティ検査装置、食品検査装置、大気センサ、医療診断装置などに利用することができる。

本発明の実施形態に係るイメージセンサの動作原理を示す回路構成図である。 本発明の実施形態に係るイメージセンサの全体構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るイメージセンサの基板上の素子配置の概要を示す図である。 本発明の実施形態に係るイメージセンサの画素構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るイメージセンサの変形例の基板上の素子配置の概要を示す図である。 本発明の実施形態に係るイメージセンサに用いられる差分回路の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係るイメージセンサを用いたＴＨｚ電磁波イメージング装置の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係るイメージセンサの変形例に用いられる波長フィルターの透過波長特性を示す図である。 非特許文献３に記載の従来のＴＨｚ電磁波イメージング装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０１、１０２、２０２、２０２’ フォトダイオード
１０３、１０４、１０７、１０８ ＭＯＳスイッチ
１０５、１０６、６０５、６０６、６１２、６１３ 容量
１０９、１１０、１１１、１１２ 制御信号発生回路
１１３ 出力信号発生回路
２０１ Ｓｉ基板
２０３、２０３’ 偏光フィルター
２０４ 行走査回路
２０５ 列走査回路
２０６ 第１の差分回路
２０６’ 第２の差分回路
２０７ 出力回路
４０１ 電荷蓄積用容量
４０２ 電圧検出増幅回路
４０３ リセット回路
４０４、４０４’ 信号転送スイッチ
４０５ スイッチ選択回路
４０６ 列選択回路
６０１ 読み出し回路
６０２、６０８ 電源電圧
６０３、６０９、６１１ タイミング信号発生回路
６０４、６１０、６１４ スイッチ
６０７ バッファ回路
６１５ 信号出力線
７０１、９０１ 超短パルス光源
７０２、９０２ 偏光ビームスプリッター
７０３、９０３ ポンプ光
７０４、９０４ プローブ光
７０５、９０５ 光学遅延線
７０６、９０６ ＴＨｚ電磁波エミッター
７０７、９０７ ＴＨｚ電磁波
７０８、９０８ 被測定物
７０９、９０９ ポリエチレンレンズ
７１０、９１０ プローブ光進路変更用ミラー
７１１、９１１ ビームエクスパンダー
７１２、９１２ シリコンミラー
７１３、９１３ 電界変調器
７１４ １／４波長板
７１５、９１６ イメージセンサ
７１８ 画像再生装置
９１４ 位相板
９１５ 偏光板
９１７ 同期回路
９１８ 画像処理回路

Claims (11)

1. 第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードから構成され、行列状に配置されたフォトダイオード対を複数備えるイメージセンサであって、
   前記フォトダイオード対と接続され、前記第１のフォトダイオード及び前記第２のフォトダイオードから順次信号を読み出す読み出し回路と、
   前記読み出し回路と接続され、前記第１のフォトダイオードから読み出された信号と、前記第２のフォトダイオードから読み出された信号との差分に対応する差分信号を出力する差分回路とを備える
   ことを特徴とするイメージセンサ。
2. 前記差分回路は、直列に接続された第１の容量及び第２の容量と、前記第２の容量と並列に接続された第３のスイッチと、前記第１の容量と前記第２の容量との接続点に接続され、前記差分信号を出力する第４のスイッチとを有し、
   前記読み出し回路は、前記第１の容量と前記第１のフォトダイオードとの間に挿入された第１のスイッチと、前記第１の容量と前記第２のフォトダイオードとの間に挿入された第２のスイッチとを有し、
   前記第１のフォトダイオードから信号を読み出すときには、前記第１のスイッチ及び前記第３のスイッチは短絡され、かつ前記第２のスイッチ及び前記第４のスイッチは遮断され、
   前記第２のフォトダイオードから信号を読み出すときには、前記第２のスイッチは短絡され、かつ前記第１のスイッチ、前記第４のスイッチ及び前記第３のスイッチは遮断され、
   前記差分信号が前記差分回路から出力されるときは、前記第４のスイッチは短絡される
   ことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
3. １つのフォトダイオード対を構成する前記第１のフォトダイオード及び前記第２のフォトダイオードは、行方向に並んで配置され、
   前記イメージセンサは、さらに、前記複数のフォトダイオード対から前記信号の読み出しを行うフォトダイオード対として所定のフォトダイオード対を選択する選択回路を備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージセンサ。
4. １つのフォトダイオード対を構成する前記第１のフォトダイオード及び前記第２のフォトダイオードは、列方向に並んで配置され、
   前記イメージセンサは、さらに、前記複数のフォトダイオード対から前記信号の読み出しを行うフォトダイオード対として所定のフォトダイオード対を選択する選択回路を備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージセンサ。
5. 前記読み出し回路は、前記複数のフォトダイオード対毎に設けられ、
   １つのフォトダイオード対を構成する前記第１のフォトダイオード及び前記第２のフォトダイオードは、同一の前記読み出し回路に接続される
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
6. 前記差分回路は、前記フォトダイオード対の信号が入力される、直列に接続された２つの相関２重サンプリング回路を有する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
7. 前記差分回路は、前記２つの相関２重サンプリング回路の間に挿入された電流バッファ回路を有する
   ことを特徴とする請求項６に記載のイメージセンサ。
8. 前記差分回路は、前記２つの相関２重サンプリング回路の間に挿入された電圧レベル調整回路を有する
   ことを特徴とする請求項６に記載のイメージセンサ。
9. 前記イメージセンサは、さらに、前記第１のフォトダイオードの上に配置された第１の偏光フィルターと、前記第２のフォトダイオードの上に配置された第２の偏光フィルターとを備え、
   前記第１の偏光フィルター及び前記第２の偏光フィルターは、異なる偏光透過特性を有する
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
10. 前記イメージセンサは、さらに、前記第１のフォトダイオードの上に配置された第１の波長フィルターと、前記第２のフォトダイオードの上に配置された第２の波長フィルターとを備え、
    前記第１の波長フィルター及び前記第２の波長フィルターは、異なる波長透過特性を有する
    ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
11. 電磁波を発生する電磁波源と、
    プローブ光を発生する光源と、
    被写体を透過又は反射した後の前記電磁波を前記プローブ光と重畳する重畳光学素子と、
    前記重畳された電磁波とプローブ光とが入射され、前記電磁波の電界に応じて前記プローブ光の特定の物理量を変調する電気光学変調素子と、
    前記変調後のプローブ光を撮像する請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイメージセンサとを備える
    ことを特徴とする電磁波イメージング装置。

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