JP6003179B2 - テラヘルツカメラ、センサーデバイス、及び電子機器 - Google Patents
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一方、赤外線検出装置としては、焦電素子を用いて赤外線の検出を行う焦電型電磁波検出器を備えたものが知られている。例えば人体からは、波長が10μm付近の赤外線が輻射されており、これを検出することで人体の存在や温度の情報を非接触で取得できる。従って、このような赤外線の検出回路を利用することで、侵入検知や物理量計測を実現できる。
図1(A)、図1(B)は、本実施形態のテラヘルツカメラ(検出装置とも言う)の原理を説明する図である。本実施形態のテラヘルツカメラでは、周波数が100GHz以上30THz以下のテラヘルツ波等を検出する素子として焦電素子10(熱センサー素子、熱型光検出素子、強誘電体素子)を用いる。焦電素子10は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電体FE(焦電体)を上部電極EAと下部電極EBとで挟んだ構成である。
図1(A)に示すように、焦電素子10は、電気的には、強誘電体FEの自発分極、内部静電容量CA、内部電気抵抗RAの3つが並列に接続された回路と等価である。焦電素子10の一端は検出ノードNDに接続され、他端は第1の電源ノードVSS(低電位電源ノード)に接続される。
Cel=Ca+Cx (1)
Rel=Ra×Rx/(Ra+Rx) (2)
Rv=VA/Φ (3)
τel=Cel×Rel (5)
τth=Cth×Rth (6)
ここでCthは焦電素子の熱容量、Rthは焦電素子の熱抵抗である。
こうすることで、電圧感度Rvがほぼ一定になるチョッピング周波数領域を変えることなく、テラヘルツカメラの電圧感度Rvを調整することができる。電圧感度Rvを調整することで、例えば対象物(検出対象)の温度領域(高温、常温、低温など)に適した感度に調整することなどが可能になる。
図11は本実施形態のテラヘルツカメラ1093の外観を概略的に示したものである。本実施形態のテラヘルツカメラ1093は筐体1094を備える。筐体1094の正面にはスリット1095が形成されレンズ1096が装着される。
スリット1095からは、テラヘルツ波が対象物に向かって照射される。このテラヘルツ波とは電磁波であり電波および赤外線といった光が含まれる。ここでは、テラヘルツ帯には100GHz〜30THzの周波数帯が含まれる。レンズ1096には対象物から反射してくるテラヘルツ帯の電磁波が取り込まれる。
演算処理回路1106には描画処理回路1107が接続される。描画処理回路1107は画素データに基づき描画データを生成する。
描画処理回路1107には表示装置1108が接続される。表示装置1108には例えば液晶ディスプレイといったフラットパネルディスプレイを用いることができる。表示装置1108は描画データに基づき画面上に画像を表示する。描画データは記憶装置1109に格納される。
また、感度調整回路30は、可変容量回路40に並列に接続される可変抵抗回路50をさらに含んでもよい。可変容量回路40及び可変抵抗回路50は、制御部60からの感度調整用の調整信号SAJに基づいて、容量値及び抵抗値が可変に設定される。
また、可変抵抗回路50は、例えば可変抵抗器(バリオーム)などの可変抵抗素子で構成してもよいし、或いは抵抗値が互いに異なる複数の抵抗素子を設けて、スイッチ素子によりそれら複数の抵抗素子のうちの1つを選択する構成にしてもよい。
また焦電素子10の内部容量CA及び内部抵抗RAを測定し、この測定値と合成容量値Cel及び合成抵抗値Relを与える式(1)、及び式(2)を用いて容量値Cx、抵抗値Rxを算出することで、容量値Cx及び抵抗値Rxをより正確に設定することもできる。
なお、本実施形態の感度調整回路30は、図6の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。
具体的には、図6に示すように、調整ユニットAJ1は、容量素子(キャパシター)CX1と抵抗素子RX1を含み、調整ユニットAJ2は、容量素子(キャパシター)CX2と抵抗素子RX2を含み、調整ユニットAJ3は、容量素子(キャパシター)CX3と抵抗素子RX3を含む。
具体的には、例えばスイッチ回路SWは、制御部60からの調整信号SAJに基づいて、調整ユニットAJ1の一端を選択して検出ノードNDに電気的に接続する。或いは調整ユニットAJ2の一端を選択して検出ノードNDに電気的に接続し、或いは調整ユニットAJ3の一端を選択して検出ノードNDに電気的に接続する。スイッチ回路SWは、例えばCMOSトランジスター等により構成することができる。
このようにすれば、調整ユニットAJ1〜AJ3がそれぞれ選択された場合の電圧感度の最大値をRvmax1〜Rvmax3とすると、式(9)から分かるように、Rvmax1>Rvmax2>Rvmax3となる。一方、電圧感度Rvがほぼ一定になる周波数領域は、調整ユニットAJ1〜AJ3のいずれを選択しても変わらない。
またP型トランジスターTP2の基板電位はP型トランジスターTP2のソースの電位に設定される。例えば図7(B)ではP型トランジスターTP2の基板電位は第2の電源ノードVCCに接続される。このようにP型トランジスターTP1、TP2の基板電位をそのソース電位に設定することで、基板バイアス効果によるP型トランジスターTP1、TP2のしきい値電圧の変動を防止できるため、P型トランジスターTP1とTP2のしきい値電圧を、より近づけることが可能になる。なおP型トランジスターTP1、TP2の基板電位を共に高電位側電源VCCの電位に設定する変形実施も可能である。
図8に本実施形態のセンサーデバイスの第1の構成例を示す。このセンサーデバイスは、焦電素子10、検出回路20、感度調整回路30、制御部60、信号処理回路70、制御モード切換部80、チョッパー90、チョッパー駆動部91、チョッピング制御回路92を含む。
この設定信号は検出信号VDETの信号レベル(電圧レベル)に応じて生成され、制御部60は、この設定信号に基づいて、調整信号SAJを出力する。このようにすることで、検出信号VDETが適正な信号レベルになるように、テラヘルツカメラの電圧感度Rvを自動的に調整することができる。
図9(A)に示すように、このセンサーデバイスは、センサーアレイ100と、行選択回路(行ドライバー)110と、読み出し回路120とを含む。またA/D(アナログ/デジタル)変換部130、カラム走査回路140、制御回路150を含むことができる。このセンサーデバイスを用いることで、例えばナイトビジョン機器などに用いられる赤外線カメラなどを実現できる。
図10に本実施形態のセンサーデバイスを含む電子機器の構成例を示す。この電子機器は、例えば赤外線カメラであって、光学系200、センサーデバイス210、画像処理部220、処理部230、記憶部240、操作部250、表示部260を含む。なお本実施形態の電子機器は図10の構成に限定されず、その構成要素の一部(例えば光学系、操作部、表示部等)を省略したり、他の構成要素を追加したりするなどの種々の変形実施が可能である。
画像処理部220は、センサーデバイス210からのデジタルの画像データ(画素データ)に基づいて、画像補正処理などの各種の画像処理を行う。
記憶部240は、各種の情報を記憶するものであり、例えば処理部230や画像処理部220のワーク領域として機能する。
操作部250は、ユーザーが電子機器を操作するためのインターフェイスとなるものであり、例えば各種ボタンやGUI(Graphical User Interface)画面などにより実現される。
表示部260は、例えばセンサーデバイス210により取得された画像やGUI画面などを表示するものであり、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどの各種ディスプレイや投射型表示装置などにより実現される。
Claims (12)
- 周波数が100GHz以上30THz以下のテラヘルツ波を検出する焦電素子と、
前記焦電素子に接続され、前記焦電素子の出力電圧の電圧感度を調整する感度調整回路と、
前記焦電素子に接続される検出回路と、を含み、
前記感度調整回路は、感度調整用の可変容量回路と、前記可変容量回路に並列に接続される可変抵抗回路と、を含むことを特徴とするテラヘルツカメラ。 - 請求項1において、
前記可変容量回路の容量値が小さいほど、前記可変抵抗回路の抵抗値が大きな値に設定されることを特徴とするテラヘルツカメラ。 - 請求項2において、
前記可変容量回路の容量値、及び前記可変抵抗回路の抵抗値は、前記容量値と前記抵抗値との積が一定になるように設定されることを特徴とするテラヘルツカメラ。 - 請求項1乃至3のいずれかにおいて、
前記感度調整回路は、前記可変容量回路として、
容量素子を有し、前記容量素子の容量値がそれぞれ異なる複数の調整ユニットと、
前記複数の調整ユニットのうちのいずれか1つの調整ユニットと前記焦電素子を選択的に接続するスイッチ回路と、を含むことを特徴とするテラヘルツカメラ。 - 請求項4において、
前記複数の調整ユニットのそれぞれは、前記容量素子に並列に接続される抵抗素子をさらに含むことを特徴とするテラヘルツカメラ。 - 請求項2乃至5のいずれかにおいて、
感度調整用の調整信号を出力する制御部を含み、
前記調整信号に基づいて、前記可変容量回路の容量値が可変に設定されることを特徴とするテラヘルツカメラ。 - 請求項6において、
前記調整信号に基づいて、前記可変抵抗回路の抵抗値が可変に設定されることを特徴とするテラヘルツカメラ。 - 請求項1乃至7のいずれかにおいて、
前記電圧感度の最大値をRvmax、前記焦電素子の吸収率をε、焦電係数をp、前記焦電素子の面積をS、前記焦電素子の熱抵抗をRth、前記焦電素子の内部静電容量と前記可変容量回路との合成容量値をCelとした場合に、
前記電圧感度の最大値Rvmaxは、Rvmax=ε×p×S×Rth/Celの近似式で与えられ、
前記可変容量回路の容量値を調整することで、前記合成容量値Celが前記可変容量回路により調整され、
前記合成容量値Celが調整されることで、前記電圧感度の最大値Rvmaxが調整されることを特徴とするテラヘルツカメラ。 - 請求項1乃至7のいずれかにおいて、
前記電圧感度の最大値をRvmax、前記焦電素子の吸収率をε、焦電係数をp、前記焦電素子の面積をS、前記焦電素子の熱抵抗をRth、前記焦電素子の内部電気抵抗と前記可変抵抗回路との合成抵抗値をRel、前記焦電素子の内部静電容量と前記可変容量回路との合成容量値、及び前記焦電素子の内部電気抵抗と前記可変抵抗回路との前記合成抵抗値の積である電気時定数をτelとした場合に、
前記電圧感度の最大値Rvmaxは、Rvmax=ε×p×S×Rel×Rth/τelの近似式で与えられ、
前記電気時定数τelを一定にして、前記可変抵抗回路の抵抗値を調整することで、前記合成抵抗値Relが前記可変抵抗回路により調整され、
前記合成抵抗値Relが調整されることで、前記電圧感度の最大値Rvmaxが調整されることを特徴とするテラヘルツカメラ。 - 請求項1乃至9のいずれかに記載のテラヘルツカメラを含むことを特徴とするセンサーデバイス。
- 複数のセンサーセルを有するセンサーアレイと、
1又は複数の行線と、
1又は複数の列線と、
前記1又は複数の行線に接続される行選択回路と、
前記1又は複数の列線に接続される読み出し回路と、を含み、
前記複数のセンサーセルの各センサーセルは、
周波数が100GHz以上30THz以下のテラヘルツ波を検出する焦電素子と、
前記焦電素子に接続され、前記焦電素子の出力電圧の電圧感度を調整する感度調整回路と、
前記焦電素子に接続される検出回路と、を含み、
前記感度調整回路は、
感度調整用の可変容量回路を含むことを特徴とするセンサーデバイス。 - 請求項10又は11に記載のセンサーデバイスを含むことを特徴とする電子機器。
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