JP2021025940A - 検出装置および検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】検出装置において検出信号の積算蓄積を可能とする。【解決手段】Ｎ行Ｍ列（ＮおよびＭは１以上の整数）に配列された複数の画素を有し、前記複数の画素はそれぞれ、電磁波を検出する検出器と、前記検出器に接続される第一容量と、前記第一容量の前記検出器と反対側の端子に接続される第一スイッチおよび第二スイッチと、前記第二スイッチの前記第一容量と反対側の端子に接続される第二容量と、を備え、前記第一スイッチの前記第一容量と反対側の端子、および前記第二容量の前記第二スイッチと反対側の端子は、基準電位に接続されている、ことを特徴とする検出装置。【選択図】図２

Description

本発明は、検出装置および検出システムに関する。

近年、０．３ＴＨｚから３０ＴＨｚまでの周波数帯域のうち少なくとも一部の周波数成分を含む電磁波を検出する検出装置の開発が行われている。電磁波の検出により、二次元配置された画素毎の強度をイメージングすることもできる（テラヘルツ波カメラ）。本開示において上記の周波数帯域の電磁波を、単にテラヘルツ波とも称する。

テラヘルツ波カメラは、産業に有用と考えられている。それは、テラヘルツ波はＸ線の様に非金属物質を透過する、テラヘルツ波帯に生体分子や医療品などに固有の吸収スペクトルが多数存在する、テラヘルツ波カメラは多くのイメージング用途に必要な空間分解能を有するといった特徴があるためである。テラヘルツ波の応用分野として、物質内部の分光分析技術、Ｘ線に代わる安全な透視イメージング装置、生体分子や医療品の解析技術などが考えられている。

特許文献１には、低周波雑音を抑えた二次元アレイ検出素子を備えた検出装置が記載されている。

特開２０１４−１７５８１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術を用いると、同期検波の性質を利用してある程度低雑音の信号検出を行うことができるが、読み出しを行っていない素子に到達したテラヘルツ波を十分に生かすことができないという課題がある。例えば、Ｎ行、Ｍ列の二次元アレイ検出素子について、１行ずつ読み出しを行う場合、読み出し選択されていない行のテラヘルツ波検出信号は、取得することができない。

本発明はかかる課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、検出信号を積算蓄積可能な検出装置および検出システムを提供することである。

本発明の第一の態様に係る検出装置は、
Ｎ行Ｍ列（ＮおよびＭは１以上の整数）に配列された複数の画素を有し、前記複数の画素はそれぞれ、
電磁波を検出する検出器と、
前記検出器に接続される第一容量と、
前記第一容量の前記検出器と反対側の端子に接続される第一スイッチおよび第二スイッチと、
前記第二スイッチの前記第一容量と反対側の端子に接続される第二容量と、
を備え、
前記第一スイッチの前記第一容量と反対側の端子、および前記第二容量の前記第二スイッチと反対側の端子は、基準電位に接続されている、
ことを特徴とする。

本発明によれば、検出信号の積算蓄積が可能であり、したがって信号対雑音比が高い検出装置および検出システムを提供できる。

実施形態１に係る撮像装置の構成を示す図。 実施形態１に係る撮像装置の構成を示す図。 実施形態１の動作に係るタイミングチャート。 実施形態１に係る積算動作回数と蓄積される信号の関係を示す図。 実施形態２に係るアレイ検出素子および撮像システムを示す図。 実施例１に係る二次元アレイ検出素子の基板構造を示す図。 実施例１に係る撮像装置と画素の構成を示す図。

(実施形態１)
図１を参照して、実施形態１に係る撮像装置（テラヘルツ波カメラ）について説明する。本実施形態に係る撮像装置はテラヘルツ波を検出する検出装置として捉えることができる。図１は、本実施形態の画素の配列を示す模式図である。図１において、１０１は、被写体からの電磁波を検出する検出器を備えた画素であり、Ｎ行Ｍ列（ＮおよびＭは２以上の整数）に配列されている。本実施形態では、画素が複数行および複数列に二次元配列されているが、行数および列数は特に限定されない。１０２は制御信号を発生する信号発生部、１０３は制御信号伝送線である。１０４は垂直走査回路、１０５は垂直走査線である。１０６は信号処理回路、１０７は読み出し線である。１０８は、各画素１０１に接続されたトランジスタであり、画素１０１における信号電荷を読み出すための選択スイッチとして機能する。垂直走査回路１０４により選択された行のスイッチ１０８がオンすることにより、選択された行の画素１０１の信号が読み出し線１０７を介して信号処理回路１０６に読み出される。信号処理回路１０６は、読み出した信号の増幅やノイズのフィルタリング等の信号処理とＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）による信号のデジタル化を行う。垂直走査回路１０４により選択される行は１行ずつ切り替わり、１フレームの読み出し期間内にＮ行の信号読み出しを行順次に動作を行う。信号処理回路１０６の後段には、読み出した検出信号から画像を形成する画像処理回路（不図示）が設けられる。

図２は、本実施形態の一画素を示す模式図である。画素１０１は、検出器２１１、蓄積容量Ｃｓ２１４、スイッチＳＷｓ２１５、スイッチＳＷｉ２１６、蓄積容量Ｃｉ２１７、リセットスイッチＳＷｒ２１８を含んで構成される。蓄積容量Ｃｓ２１４が第一容量（第一キャパシタ）に相当し、蓄積容量Ｃｉ２１７が第二容量（第二キャパシタ）に相当し、スイッチＳＷｓ２１５が第一スイッチに相当し、スイッチＳＷｉ２１６が第二スイッチに相当する。

Ｃｓ２１４は、検出器２１１に接続され、検出器２１１が検出した信号電荷を蓄積する。スイッチＳＷｓ２１５は、Ｃｓ２１４の片端を基準電位にリセットする為のスイッチである。スイッチＳＷｉ２１６は、Ｃｓ２１４からＣｉ２１７への電荷転送を制御する為のスイッチである。スイッチＳＷｒ２１８は、Ｃｉ２１７の片端を基準電位にリセットする為のスイッチである。ＳＷｓ２１５の一方の端子はＣｓ２１４の検出器２１１と反対側の端子に接続され、他方の端子はグランドに接続されている。ＳＷｉ２１６の一方の端子はＣｓ２１４の検出器２１１と反対側の端子に接続され、他方の端子はＣｉ２１７に接続されている。Ｃｉ２１７の一方の端子はグランドに接地され、他方の端子はＳｗｉ２１６に接続される。スイッチＳＷｒ２１８の一方の端子はグランドに接地され、他方の端子はＣ
ｉ２１７に接続されている。

２２０はＳＷｓ２１５の制御信号伝送線であり、ＳＷｓ２１５の制御端子に接続されている。２２１はインバータ（ＮＯＴゲート）であり、制御信号伝送線２２０と伝送線２２２の間に接続されている。伝送線２２２は、ＳＷｉ２１６の制御端子に接続されている。

検出器２１１は、電磁波検出素子、および検出信号を増幅するための増幅器を含んで構成される。検出器２１１から出力される信号は、伝送線２２３を介して、テラヘルツ光源の非照射時出力レベルである第一の電位と、照射時出力レベルの第二の電位を繰り返し出力する。ここで第一の電位と第二の電位は、毎回同じと限らず、ばらつきを有する。

ＳＷｓ２１５とＳＷｉ２１６は、制御信号伝送線２２０から伝送される制御信号にしたがって、テラヘルツ光源の照射有無に同期して動作する。本実施形態では、ＳＷｓ２１５とＳＷｉ２１６のスイッチ動作を繰り返すことにより、第一の蓄積容量Ｃｓ２１４で受けた検出器２１１から出力される信号を、第二の蓄積容量Ｃｉ２１７に積算蓄積する。以下、この積算蓄積動作について詳細に説明する。

図３は、本実施形態の１画素の動作を示すタイミングチャートである。

ｔ０からｔ１期間では、ＳＷｉ２１６とＳＷｓ２１５はオフであり、ＳＷｒ２１８がオン状態となることにより、第二の蓄積容量Ｃｉ２１７がリセットされる。ｔ０からｔ１期間のテラヘルツ光源の照射非照射や検出器の出力の状態は、Ｃｉ２１７のリセット動作には影響しない。つまり、図３では、ｔ０からｔ１期間テラヘルツ光源は非照射、検出器出力は第一の電位としているが、テラヘルツ光源は、照射されていても、非照射であっても良く、また、照射と非照射を繰り返していても良い。

ｔ１からｔ２期間は、テラヘルツ光源非照射期間であり、検出器２１１の出力電位は、テラヘルツ光源非照射時の出力レベルである第一の電位となる。ｔ１からｔ２期間において、ＳＷｒ２１８とＳＷｉ２１６はオフであり、ＳＷｓ２１５がオン・オフ動作することで、Ｃｓ２１４の片端が基準電位にリセットされる。

ｔ２からｔ３期間は、テラヘルツ光源照射期間であり、検出器２１１の出力電位は、テラヘルツ光源照射時の出力レベルである第二の電位となる。検出器２１１の出力電位が第一の電位から第二の電位に変化することで、第一の蓄積容量Ｃｓ２１４には第一の電位と第二の電位の差分の信号が電荷として保持される。ｔ２からｔ３期間では、ＳＷｒ２１８とＳＷｓ２１５がオフ状態で、ＳＷi２１６がオン・オフする動作を行う。ｔ２からｔ３
期間にＳＷｉ２１６がオン・オフ動作をすると、第一の蓄積容量Ｃｓ２１４に蓄積された電荷は、電荷保存則により、第一の蓄積容量Ｃｓ２１４と第二の蓄積容量Ｃｉ２１７により決まる値として、Ｃｉ２１７に移動して保持される。

ｔ３からｔ４期間は、テラヘルツ光源非照射期間であり、検出器２１１の出力電位は、テラヘルツ光源非照射時電位である第一の電位となる。ｔ３からｔ４期間における第一の電位は、検出器出力のばらつきの為、ｔ１からｔ２期間における第一の電位と同じにならないことの方が多い。ｔ３からｔ４期間におけるＳＷｒ、ＳＷｓ、ＳＷｉ、の動作は、ｔ１からｔ２期間と同じである。

ｔ４からｔ５期間は、テラヘルツ光源照射期間であり、検出器２１１の出力電位は、テラヘルツ光源照射時の出力レベルである第二の電位となる。ｔ４からｔ５期間における第二の電位は、検出器出力のばらつきの為、ｔ３からｔ４期間における第二の電位と同じにならないことの方が多い。第一の電位と第二の電位のばらつきは、後述の積算動作の繰り
返しによる平均化効果により低減することができる。ｔ４からｔ５期間におけるＳＷｒ、ＳＷｓ、ＳＷｉ、の動作は、t２からｔ３期間と同じである。

ｔ３以降は、ｔ１からｔ３期間の動作を第二の蓄積容量Ｃｉ２１７の電位読み出しまで複数回繰り返す。第一の蓄積容量Ｃｓ２１４と第二の蓄積容量Ｃｉ２１７の容量を適切に選ぶと、ｔ１からｔ３期間の動作を繰り返すたびに、第二の蓄積容量Ｃｉ２１７に保持される電荷は増加して、信号が積算されているような動作をする。説明の為、ｔ１以降のＳＷｓ２１５のオン・オフ動作後にＳＷｓ２１５をオフに維持した状態で、Ｓｗｉ２１６がオン・オフ動作することを「１回の積算動作」と呼ぶ。

なお、本実施形態においては、ｔ１からｔ２期間にＳＷｓ２１５のオン・オフ動作を、ｔ２からｔ３期間にＳＷｉ２１６のオン・オフ動作を行っているが、スイッチの動作をこの期間に限定するものではない。ＳＷｓ２１５のオン・オフ動作は、検出器出力の第一の電位を得るためのものであるので、検出器２１１の出力電位が第一の電位である時刻または第一の電位近傍である時刻において行われればよい。同様にＳＷｉ２１６のオン・オフ動作は、検出器出力の第二の電位を得るためのものであるので、検出器２１１の出力電位が第二の電位である時刻または第二の電位近傍である時刻において行われればよい。ただし、ＳＷｓ２１５とＳＷｉ２１６を同時にオンするとＣｉ２１７に保持した電荷が抜けてしまう為、一連の積算動作中にＳＷｓ２１５とＳＷｉ２１６を同時にオンすることは避ける必要がある。

第一の蓄積容量Ｃｓ２１４を用いた第一の電位と第二の電位の差分信号の取り出しは、相関二重サンプリングによる。これにより、検出器２１１内の電磁波検出素子が発生する低周波雑音、増幅器を含む回路が発生するｋＴＣ雑音などの直流的雑音・低周波雑音の低減効果を得ることができる。

積算動作を繰り返すことにより、第二の蓄積容量Ｃｉ２１７には第一の電位と第二の電位の差分に応じた信号が積算回数分だけ積算される。ここで、第一の電位と第二の電位の、積算動作の繰り返しによるばらつきは、平均化効果により低減することができる。積算回数が多い程ばらつきの平均化効果は大きいが、積算回数は、第二の蓄積容量Ｃｉ２１７の第一の蓄積容量Ｃｓ２１４に対する容量比により制限される。第一の電位と第二の電位の差をＶ１、容量Ｃｉ２１７の電位をＶ２としたとき、１回の積算動作後の容量Ｃｉ２１７の電位Ｖ２’は式（１）のようになる。式中のＣｉおよびＣｓは、第一の蓄積容量Ｃｓ２１４および第二の蓄積容量Ｃｉ２１７の静電容量をそれぞれ表す。

つまり積算を繰り返し、Ｖ２がＶ１に近づくと、１回の積算によるＶ２’の変化は０に近づく。これは、積算を繰り返すとＣｉ２１７の電位Ｖ２が電位Ｖ１で飽和することを意味する。ここで容量比Ｃｉ／Ｃｓを大きくすれば、飽和するまでの積算回数を増やすことができる。本実施形態においては、１フレームの読み出し期間にＮ行を行順次に読み出すローリング読み出し動作を行う。Ｎ＞１のとき、各画素は自身の読み出し期間を除くＮ−１行分の読み出し期間中積算動作を繰り返す。１行の読み出し時間に最低限の積算回数である１回の積算を行うとした場合、第二の蓄積容量Ｃｉ２１７の第一の蓄積容量Ｃｓ２１４に対する容量比Ｃｉ／Ｃｓを（Ｎ−１）以上とする。第一の蓄積容量Ｃｓ２１４の静電容量Ｃｓと第二の蓄積容量の静電容量Ｃｉを、Ｃｉ／Ｃｓ＞Ｎ−１の関係を満たすように設定する。これにより、Ｃｉ２１７が飽和することなくＮ−１回以上の積算動作が可能となる。この条件を以下詳細に説明する。

まず、１行の読み出し時間の中には積算動作を整数ｎ回にすることが、制御信号２２０のパルスを発生させる信号発生器１０２や垂直走査回路１０４、信号処理回路１０６の動作において制御信号が簡単化されるため好ましい。仮に、１行の読み出し時間あたりの積算動作を１回未満（複数行の読み出し時間に１回の蓄積動作）とすると、垂直走査線１０５や制御信号伝送線１０３を各行で共通化できず、構成や制御が大幅に複雑化し、信号精度やコストの面で大きく不利である。１行の読み出し時間あたりの蓄積動作回数を１より大きい非整数としても同様の問題が生じる。一方、１行の読み出し時間あたりの積算動作回数は、整数であれば構成や制御の複雑化は招かない。つまり、ｎは１以上の整数であればよい。よって、積算動作回数はｎ＝１のとき一番小さく（Ｎ−１）回となり、積算動作回数は（Ｎ−１）回以上になる。ここで、もしＣｉ／Ｃｓ＜Ｎ−１であると、（Ｎ−１）回の積算動作の最中に第二の蓄積容量Ｃｉ２１７に蓄積される信号は、ほぼ第一の電位と第二の電位の差分の値に近づいてしまい、積算動作が行われてもほとんど信号は蓄積されず飽和してしまう。つまり、積算動作回数は最低でも（Ｎ−１）回であるから、第二の蓄積容量Ｃｉ２１７の第一の蓄積容量Ｃｓ２１４に対する容量比Ｃｉ／Ｃｓは最低でも（Ｎ−１）以上が必要であることがわかる。よって、Ｃｉ／Ｃｓ＞Ｎ−１が最低でも必要な条件となる。また、１行の読み出し時間にｎ回の積算動作があるので、１フレームの積算動作回数は（Ｎ−１）×ｎ回になる。この場合、Ｃｉ／Ｃｓは（Ｎ−１）×ｎ以上、つまりＣｉ／Ｃｓ＞（Ｎ−１）×ｎの関係を満たすことがより好ましいことは言うまでもない。

なお、第二の蓄積容量Ｃｉ２１７の第一の蓄積容量Ｃｓ２１４に対する容量比Ｃｉ／Ｃｓの上限は特に限定されないが、例えば、Ｃｉ／Ｃｓ≦１０×（Ｎ−１）×ｎ、あるいは、Ｃｉ／Ｃｓ≦２×（Ｎ−１）×ｎとすることができる。

図４は、積算動作回数と第二の蓄積容量Ｃｉ２１７に蓄積される信号の関係を示す図である。Ｃｉ／Ｃｓ＞Ｎ−１としたときの積算動作回数に対するＣｉ２１７に蓄積される信号は、実線４４１で表される。Ｃｉ／Ｃｓ＜Ｎ−１のときの積算動作回数に対するＣｉ２１７に蓄積される信号は、破線４４２で表される。Ｃｉ／Ｃｓ＜Ｎ−１のとき積算動作回数Ｎ−１回におけるＣｉ２１７に蓄積される信号は、ｂ点のように飽和付近となる。このような飽和付近では、積算動作が行われてもほとんど信号は蓄積されず、積算動作を増やすことによる雑音低減効果が十分得られないため、良好な画像を得ることができない。一方で、Ｃｉ／ＣｓをＣｉ／Ｃｓ＞Ｎ−１と大きく取ることができれば、積算動作回数がＮ−１回のときのＣｉ２１７に蓄積される信号は、ａ点のように飽和より十分小さい。したがって、積算動作により信号をＣｉ２１７に蓄積することができるため、積算動作による雑音低減効果が得られて良好な画像を得ることができる。

本実施形態においてＳＷｓ２１５、第二の蓄積容量Ｃｉ２１７およびリセットスイッチＳＷｒ２１８の片端をグランドと接続しているが、これに限定されない。一連の動作中に変化のしない基準電位であればグランド電位（接地電位）ではなく電源電位に接続されても、本実施形態と同等の動作が可能である。

以上のように、本実施形態によれば、各画素に信号蓄積機能を備えることで、読み出し期間外においても、各画素においてテラヘルツ波検出信号の積算蓄積が可能になる。各画素では、読み出し選択されていない期間においても、電磁波検出素子などにおける低周波雑音が除去された短い周期での繰り返し積算蓄積動作が可能となる。また、第二の蓄積容量Ｃｉと第一の蓄積容量Ｃｓの容量比がＣｉ／Ｃｓ＞（Ｎ−１）×ｎであるので、（Ｎ−１）×ｎ回の繰り返しの積算蓄積動作において第二の蓄積容量Ｃｉが飽和しない。したがって、積算動作を繰り返すことによる雑音低減効果により信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の高い画像信号が取得可能である。

（実施形態２）
図５を参照して、実施形態２に係る撮像システム（検出システム）について説明する。図５は、本実施形態の撮像装置（テラヘルツ波カメラ）と被写体に対して電磁波のアクティブ照明を行う照明装置とを含む撮像システムを示す。テラヘルツ帯の周波数帯域では、赤外帯域とは異なり、背景黒体輻射のエネルギーが小さいので、必要なＳ／Ｎ比を得る為にアクティブ照明を使用することが多い。

図５に示すように、本実施形態の撮像システムは、照明装置５００と撮像装置５５０を備える。照明装置５００は、テラヘルツ波発生器５０１とテラヘルツ波出力のオン・オフを制御するテラヘルツ波制御部５０２とによって構成されている。テラヘルツ波発生器５０１は、共鳴トンネルダイオード、エサキダイオード、ガンダイオードなどの負性抵抗素子を含んだ電子デバイス、量子カスケードレーザ、ｐ−Ｇｅレーザ、鉛塩レーザなどの光デバイスの他、自由電子レーザなどの連続光源などでも良い。あるいは、テラヘルツ波発生器５０１は、パラメトリック発信器、光伝導素子、チェレンコフ放射型ＬｉＮｂＯ_３発生器、ＵＴＣ（Ｕｎｉ−ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−ｃａｒｒｉｅｒ）フォトダイオードのような光−テラヘルツ波変換素子のようなパルス光源でもよい。テラヘルツ波制御部５０２は、電気的制御の他、シャッター制御などにより、テラヘルツ波出力のオン・オフを制御する。

照明装置５００から発生したテラヘルツ波５１０は、被写体５２０を照射する。被写体を透過した被写体５２０の情報を含むテラヘルツ波５３０は、撮像装置５５０に入射する。撮像装置５５０は、被写体５２０との間に対物レンズ５３１を備えてもよい。本実施形態では、二次元アレイ検出素子５５１を使用しているため、焦点面アレイとすることができる。こうして、本実施形態では、被写体と二次元状に配列された二次元アレイ検出素子５５１との間に配置される対物レンズ５３１を含む。なお、図５では、被写体５２０を透過したテラヘルツ波５３０を検出する構成を示しているが、撮像装置５５０は被写体５２０で反射したテラヘルツ波を検出してもよい。

撮像装置５５０は、二次元アレイ検出素子５５１と制御信号発生器５５２を含んで構成される。二次元アレイ検出素子５５１における各画素は、実施形態１の画素１０１と同様の構成であり、電磁波検出素子５５３を含む。電磁波検出素子５５３は、テラヘルツ波光源オン・オフの好ましい動作周波数(１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ)に応答できるショットキー障壁ダイオード、セルフスイッチングダイオードを採用することが好ましい。また、電磁波検出素子５５３は、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｕｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）ダイオードなどの整流検出器、チャネル層の電子プラズマセルフミキシングを用いたトランジスタ、例えばＦＥＴ、ＨＥＭＴなどでも好ましい。また、電磁波検出素子５５３は、量子井戸を用いたＱＷＩＰ（Ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ−Ｐｈｏｔｏｄｅ３ｔｅｃｔｏｒ）、量子ホール効果を用いた量子型検出器でもよい。つまり、電磁波検出素子５５３は、整流型検出器、トランジスタ、量子型検出器から選択された素子であってよい。

照明装置５００におけるテラヘルツ波制御部５０２は、制御信号発生器５５２と同期するように形成されている。これにより、電磁波検出素子５５３は、テラヘルツ波発生器５０１の照射有無に同期して電磁波を検出する。そのため、例えば、テラヘルツ波発生器５０１の制御周波数と制御信号発生器５５２から出力される制御信号の周波数は同じである。テラヘルツ波制御部５０２と制御信号発生器５５２の間の情報伝達は、有線であっても無線であっても良い。また、テラヘルツ波制御部５０２は、テラヘルツ波出力のオン・オフのタイミングを調整できる機能を備えてもよい。

さらに具体的な撮像装置について、以下の実施例で説明する。

（実施例１）
図６および図７を用いて、実施形態１に対応するより具体的な実施例１を説明する。本実施例に係る撮像システムのテラヘルツ波カメラは、テラヘルツ波を撮像するための二次元アレイ検出素子を含む。図６は、二次元アレイ検出素子の基板構造を示したものであり、図６Ａは平面図を、図６Ｂは、図６ＡのＡ−Ａ’間の断面図を示している。図７は、撮像装置と画素の構成を示したものである。

図６Ａ，図Ｂに示すように、二次元アレイ検出素子は、アンテナ基板６５０と回路基板６５１と支持基板６５２を含んで構成される。アンテナ基板６５０と回路基板６５１は貼り合わせられており、貫通電極により電気的に接続されている。回路基板６５１は、支持基板６５２に実装されている。

図７における画素７０１は、例えば、１００×１００程度の２次元アレイ状に配置された複数の画素の内の１つを表している。画素７０１は、アンテナ基板６５０上に形成された電磁波検出素子７１２を備える。電磁波検出素子７１２は、テラヘルツ波を電気信号に変換する光電変換素子であり、テラヘルツ波に分光感度を有する。電磁波検出素子７１２は、導電性を有するアルミニウムなどの金属薄膜から成るループアンテナ７２１と整流素子７２２を備えている。ループアンテナ７２１の共振周波数は、照明装置７００から発生するテラヘルツ波７１０と同じ周波数になるように調整されている。整流素子７２２は、例えば、ショットキー障壁ダイオードである。ショットキー障壁ダイオードは、テラヘルツ波帯で機能し、かつ、室温で動作するので、好適である。電磁波検出素子７１２以外の画素７０１の各素子は、回路基板６５１上に形成される。回路基板６５１は画素７０１以外にも選択スイッチ７０８、読み出し線７０７、その他画素駆動に必要な垂直走査回路、信号の配線等を備える。回路基板６５１の回路は、シリコン基板上に標準ＣＭＯＳプロセスを用いて形成する。

電磁波検出素子７１２の信号は、電流源７３０、リセットスイッチ７３２、バイアス容量７３３、ＮＭＯＳトランジスタ７３１で構成されるゲート接地増幅回路で増幅される。増幅後の信号は、電流源７３４、リセットスイッチ７３５、ＮＭＯＳトランジスタ７３７で構成されるソース接地増幅回路でさらに増幅される。ゲート接地増幅回路とソース接地増幅回路は、ＡＣ結合用の容量７３６で結合している。リセットスイッチ７３２、７３５によるリセット動作は、１フレームに１回または、１行の読み出し期間に１回行うことで、ＮＭＯＳトランジスタ７３１と７３７の動作点を決めている。電磁波検出素子７１２の出力信号は、およそ数百μＶと小さく、テラヘルツ波の入力の大きさに応じた電圧を有する。電磁波検出素子５５３の出力信号は、ゲート接地増幅回路とソース接地回路によりおよそ数千倍のゲインで増幅され、検出器７１１の出力信号として出力される。

スイッチ７３８と容量７３９は、高周波カットフィルターを構成し、検出器７１１からの信号の電気雑音を除去する働きをする。スイッチ７３８は、フィルタ機能の選択スイッチである。

ノンオーバーラップ回路７４０は、信号発生器７０２から受け取る信号に基づいて、スイッチＳＷｓ７１５とＳＷｉ７１６が同時にオンすることが無いようにした制御信号を、ＳＷｓ７１５とＳＷｉ７１６に供給する。これにより、第二の蓄積容量Ｃｉ７１７の電荷抜けを防止している。ＳＷｓ７１５とＳＷｉ７１６の制御信号周波数は、数ＭＨｚとする。電磁波検出素子７１２は、１／ｆ雑音などの低周波雑音を生じる場合がある。低周波雑音が白色雑音に埋もれる周波数はノイズコーナー周波数とよばれ、ノイズコーナー周波数以上の周波数で制御信号を動作させることができれば低周波雑音を効果的に低減することができる。

信号発生器７０２は、回路基板６５１の外部に設けたものである。信号発生器７０２は、スイッチＳＷｓ７１５とＳＷｉ７１６を制御する信号の元となる信号をノンオーバーラップ回路７４０に出力する。信号発生器７０２は、また、ノンオーバーラップ回路７４０へ出力する信号周波数と同じ周波数の光源オン・オフ制御信号を照明装置７００に出力する。

照明装置７００は、信号発生器７０２からの制御信号と同じ周期で、数ＴＨｚのテラヘルツ波７１０を照射・非照射を繰り返しながら照射する。テラヘルツ波の発生には、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）と共振器であるパッチアンテナとを集積した素子を用いている。テラヘルツ波の発生源は、これに限らず公知のテラヘルツ波発生源が利用可能である。

本実施例の技術的効果を具体的に示すために、第一の蓄積容量Ｃｓ７１４を１０ｆＦ、第二の蓄積容量Ｃｉ７１７を２５０ｐＦとする構成について考える。第一の蓄積容量Ｃｓと第二の蓄積容量Ｃｉの容量比Ｃｉ/Ｃｓは２５０００の為、およそ２万５０００回以上
の積算動作が可能である。雑音成分がランダムであり、２万５０００回の積算動作をする場合、平均化効果により１回の積算動作と比較して、ノイズ量をおよそ１／√２５０００＝１／１５８に低減できる。ノイズ成分に１／ｆ雑音が含まれていても、同様な効果がある。第二の蓄積容量Ｃｉに蓄積された電荷は、電圧として選択スイッチ７０８を介して読み出し線７０７に読み出される。読み出した信号は、回路基板外の信号処理回路７０６でデジタル化される。

ここで、本実施例においての低周波ノイズ抑制について詳細に説明する。照明装置７００が照射しているときの検出素子７１２の出力は、次段の増幅回路で増幅されて、第一の蓄積容量Ｃｓ７１４に照射時電位（第二の電位）として入力される。次に、照明装置７００が非照射のときの検出素子７１２の出力が次段の増幅回路で増幅されて、第一の蓄積容量Ｃｓ７１４に非照射時電位（第一の電位）として入力される。ノンオーバーラップ回路７４０の出力パルスにより、ＳＷｓ７１５とＳＷｉ７１６が制御されると、一回の積算動作で照射時電位と非照射時電位の差分に比例した信号が第二の蓄積容量Ｃｉ７１７に積算される。つまり、この動作は、ＳＷｓ７１５とＳＷｉ７１６を制御する期間内で（照射時電位−非照射時電位）引き算動作として働く。検出器７１１の出力信号には、１／ｆ雑音などの低周波雑音が重畳される。そのため、Ｃｓ７１４に入力される照射時電位及び非照射時電位には、前記低周波雑音が直流的な誤差として表れる。本実施例では、ＳＷｓ７１５とＳＷｉ７１６を制御する信号周波数は、数ＭＨｚとしており、検出器７１１の低周波雑音に対して高速である。したがって、先に述べたように、第二の蓄積容量Ｃｉ７１７に積算される値は、引き算動作後の信号として働くのでその時間範囲での直流的な誤差は、引き算動作により小さくなることがわかる。これは、１回の積算動作を周期Ｔとすると引き算動作は周波数１／Ｔ以下の低周波カットフィルターとして働くためで、１／ｆ雑音のような低周波側で大きいノイズ成分内の周波数１／Ｔ以下の成分がカットされるからである。

以上により、検出器７１１のノイズコーナー周波数よりも早い周波数でＳＷｓ７１５とＳＷｉ７１６を制御することで、検出器７１１の１／ｆノイズは除去され、画素７０１の出力信号の雑音成分は、物理的に避けられない白色雑音のみとすることが出来る。

また、ノイズコーナー周波数よりも高い白色雑音（ショット雑音）などの高周波雑音は、ソース接地増幅回路内のＮＭＯＳトランジスタと容量７３９や寄生容量により除去することが出来る。本実施例においては、スイッチ７３８を制御しソース接地増幅回路の数ＭＨｚ以上の高周波側の周波数の出力を減じている。つまり、積算動作周期Ｔの値に応じス
イッチ７３８を制御し、ソース接地増幅回路の高周波側の周波数応答を「１／Ｔより高い周波数を減衰させる高周波カットフィルター」として動作させることにより白色雑音を減じることができる。また、電磁波検出素子７１２で得られる有効な（照射時電位−非照射時電位）信号は、周波数１／Ｔ付近に分布しており、必要な信号が減じることはない。

このように、本実施例の撮像装置では、積算動作周波数１／Ｔを、検出器で生じる１／ｆ雑音とショット雑音（白色雑音）のスペクトル密度が等しくなる周波数であるコーナー周波数以上になるように、１回の積算動作の周期Ｔを設定している。本実施例においては、第一の蓄積容量Ｃｓ７１４は１０ｆＦ、第二の蓄積容量Ｃｉ７１７は２５０ｐＦ、つまりＣｉ/Ｃｓ＝２５０００と大きく、Ｎ＝１００をＣｉ/Ｃｓ＞（Ｎ−１）×ｎに代入すると、ｎ＝２５２という大きな値でも条件を満足できる。一行の読み出し時間が一定であるという条件において、ｎを大きくすると、ＳＷｓとＳＷｉの制御信号の周波数を高くすることが出来る。例えば、本実施例で一行の読み出し時間が３０μｓの場合、ＳＷｓ７１５とＳＷｉ７１６の制御信号の周期は３０μｓ／２５２＝０．１２μｓになり、ＳＷｓ７１５とＳＷｉ７１６の制御信号は５ＭＨｚという高い周波数にできる。これにより、電磁波検出素子７１２の５ＭＨｚ以下の１／ｆ雑音は抑制され、良好な撮像装置を構成できている。

以上説明したように、本実施例の動作は積算動作を繰り返すことによる雑音低減効果を得ることができ、周波数１／Ｔ以下にある低周波の雑音成分は抑制することができ、良好な撮像信号を得ることができる。また、本実施例のように積算動作周波数１／Ｔを雑音のコーナー周波数以上になるよう設定すると１／ｆ雑音が除去され、良好な撮像信号を得ることができる。さらに、増幅回路の周波数応答を抑制し、積算動作周波数１／Ｔより高い周波数を減衰させる高周波カットフィルターとして動作させると、より良好な撮像信号を得ることができる。

以上、本発明の実施形態と実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態と実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。例えば、本実施例では、電磁波検出素子にループアンテナとショットキー障壁ダイオード、増幅器にゲート接地増幅回路とソース接地増幅回路を用いた検出器を示したが、それ以外の検出器でもよい。検出器の出力が二値を繰り返し出力するものであれば、積算動作の繰り返しにより雑音低減効果を得ることができる。さらに、用いる検出器が高速動作させることができるものであれば、積算動作の高速化による低周波雑音を低減することができる。

上記の実施形態における撮像装置は画素がＮ行Ｍ列（Ｎ＞１，Ｍ＞１）２次元配列されたアレイセンサであるが、本発明はラインセンサ（Ｎ＝１，Ｍ＞１）および１画素センサ（Ｎ＝Ｍ＝１）にも適用可能である。本開示に係る撮像装置（検出装置）は、検出器からの信号を蓄積する機能を有するので、読み出し期間中に複数回の積算蓄積動作を繰り返すことができる。Ｎ＝１の場合、読み出し期間中の積算蓄積動作回数をｎ（ｎ＞１）としたときに、第二の蓄積容量Ｃｉと第一の蓄積容量Ｃｓの容量比をＣｉ／Ｃｓ＞ｎとすればよい。そして、積算動作周波数が低周波雑音のコーナー周波数以上となるように設定すれば、上記と同様に低周波雑音の低減効果が得られる。

また、本発明に係る撮像装置が検出する電磁波はテラヘルツ波に限定されない。本開示に係る撮像装置（検出装置）は、マイクロ波やミリ波のようなテラヘルツ波よりも低い周波数帯の電磁波、および赤外光や可視光のようなテラヘルツ波よりも高い周波数帯の電磁波を検出対象としても同様の効果が得られる。

さらに、本発明に係る撮像装置および検出システムは、電車や自動車等の移動体に備えることも可能である。

１０１ 画素
２１１ 検出器
２１４ 第一の蓄積容量Ｃｓ
２１５ スイッチＳＷｓ
２１６ スイッチＳＷｉ
２１７ 第二の蓄積容量Ｃｉ

Claims (13)

1. Ｎ行Ｍ列（ＮおよびＭは１以上の整数）に配列された画素を有し、前記画素は、
   電磁波を検出する検出器と、
   前記検出器に接続される第一容量と、
   前記第一容量の前記検出器と反対側の端子に接続される第一スイッチおよび第二スイッチと、
   前記第二スイッチの前記第一容量と反対側の端子に接続される第二容量と、
   を備え、
   前記第一スイッチの前記第一容量と反対側の端子、および前記第二容量の前記第二スイッチと反対側の端子は、基準電位に接続されている、
   ことを特徴とする検出装置。
2. 前記Ｎは２以上の整数であり、
   前記第一容量の静電容量Ｃｓおよび前記第二容量の静電容量Ｃｉは、Ｃｉ／Ｃｓ＞Ｎ−１の関係を満たす、
   請求項１に記載の検出装置。
3. 前記第一スイッチがオン・オフされた後に、前記第一スイッチをオフに維持した状態で、前記第二スイッチをオン・オフする積算動作が複数回繰り返し行われる、
   請求項１または２に記載の検出装置。
4. １回の積算動作において、前記検出器の出力は、第一の電位と第二の電位とを取り、
   前記第一スイッチのオン・オフのオフ動作は、前記検出器の出力が前記第一の電位である時刻または前記第一の電位の近傍である時刻において行われ、
   前記第二スイッチのオン・オフのオフ動作は、前記検出器の出力が前記第二の電位である時刻または前記第二の電位の近傍である時刻において行われる、
   請求項３に記載の検出装置。
5. 前記画素からの信号読み出しが行順次で行われ、
   １行の読み出し時間において、前記積算動作がｎ回（ｎは１以上の整数）行われ、
   前記第一容量の静電容量Ｃｓおよび前記第二容量の静電容量Ｃｉは、Ｃｉ／Ｃｓ＞（Ｎ−１）×ｎの関係を満たす、
   請求項３または４に記載の検出装置。
6. １回の積算動作の周期Ｔは、積算動作の周波数１／Ｔが、前記検出器で生じる低周波雑音のコーナー周波数よりも大きい、
   請求項３から５のいずれか１項に記載の検出装置。
7. 前記検出器と前記第一容量のあいだに設けられた高周波カットフィルターをさらに備える、
   請求項３から６のいずれか１項に記載の検出装置。
8. 前記第二スイッチのオン・オフ動作は、オン・オフ制御が可能な光源のオン・オフ動作と同期している、
   請求項３から７のいずれか１項に記載の検出装置。
9. 前記検出器は、入射する電磁波の強度に応じた電位を出力する、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の検出装置。
10. 前記検出器は、０．３ＴＨｚから３０ＴＨｚのあいだの少なくとも一部の周波数帯の電磁波を検出する電磁波検出素子と、前記電磁波検出素子の出力信号を増幅する増幅回路と、を有する、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の検出装置。
11. 前記電磁波検出素子は、ループアンテナと、前記ループアンテナと接続している整流素子と、を有する、
    請求項１０に記載の検出装置。
12. ０．３ＴＨｚから３０ＴＨｚのあいだの少なくとも一部の周波数帯の電磁波を照射する光源と、
    前記電磁波を検出する請求項１から１１のいずれか１項に記載の検出装置と、
    を備える検出システム。
13. 前記光源のオン・オフ動作に同期した、前記第二スイッチのオン・オフを制御する制御信号を発生させる信号発生器をさらに備える、
    請求項１２に記載の検出システム。

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