JP7301667B2 - 検出装置および検出システム - Google Patents
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Description
電磁波を検出する検出素子と、
前記検出素子からの信号が入力される端子を有する第一容量と、
前記第一容量の前記端子とは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、
トランジスタと電流源を含むゲート接地増幅回路である第一増幅回路と、
前記第一増幅回路からの信号を増幅し、前記第一容量に出力する第二増幅回路と、
を備え、
前記検出素子が配された第一基板と、
前記第一増幅回路と前記第二増幅回路と前記第一スイッチおよび前記第二スイッチが配された第二基板と、
を有し、
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おり、
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、
第一電源電圧と、前記検出素子と、前記トランジスタと、前記電流源と、前記第一電源電圧とは異なる第二電源電圧とが、この順に直列接続となるように電気的に接続される、
ことを特徴とする。
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。
i217に接続されている。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (24)
- 電磁波を検出する検出素子と、
前記検出素子からの信号が入力される端子を有する第一容量と、
前記第一容量の前記端子とは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、
トランジスタと電流源を含むゲート接地増幅回路である第一増幅回路と、
前記第一増幅回路からの信号を増幅し、前記第一容量に出力する第二増幅回路と、
を備え、
前記検出素子が配された第一基板と、
前記第一増幅回路と前記第二増幅回路と前記第一スイッチおよび前記第二スイッチが配された第二基板と、
を有し、
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おり、
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、
第一電源電圧と、前記検出素子と、前記トランジスタと、前記電流源と、前記第一電源電圧とは異なる第二電源電圧とが、この順に直列接続となるように電気的に接続される、
ことを特徴とする検出装置。 - 前記検出素子と、前記第一容量と、前記第一スイッチと、前記第二スイッチと、前記第二容量と、を有する検出部がN行M列(NおよびMは1以上の整数)に配列される、
請求項1に記載の検出装置。 - 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2に記載の検出装置。 - 前記検出素子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2または3に記載の検出装置。 - 1回の積算動作において、前記検出素子の出力は、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、前記検出素子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、前記検出素子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1から4のいずれか1項に記載の検出装置。 - 1回の積算動作の周期Tは、積算動作の周波数1/Tが、前記検出素子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1から5のいずれか1項に記載の検出装置。 - 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1から6のいずれか1項に記載の検出装置。 - 前記第一スイッチがオン状態になる第一信号と前記第二スイッチがオン状態になる第二信号の供給を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記電磁波の検出に基づく信号の読み出し期間において、前記第一信号と前記第二信号とを同時に供給しないように制御する、
請求項1から7のいずれか1項に記載の検出装置。 - 前記読み出し期間において、
前記制御回路は前記第二信号を複数回供給し、
前記複数回供給された前記第二信号によって、前記電磁波の検出に基づく信号は前記第二容量に複数回転送され、
前記第二容量は、前記複数回転送された信号を積算する
請求項8に記載の検出装置。 - 前記制御回路は、光源のオン・オフ動作に同期して、前記第一信号および前記第二信号の供給を制御する
請求項8または9に記載の検出装置。 - 前記検出素子と前記第一容量の間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1から10のいずれか1項に記載の検出装置。 - 前記検出素子は、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11のいずれか1項に記載の検出装置。 - 前記検出素子は、0.3THzから30THzの間の少なくとも一部の周波数帯の電磁波を検出し、
前記検出装置は、前記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12のいずれか1項に記載の検出装置。 - 前記検出素子は、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13に記載の検出装置。 - 前記ループアンテナと前記整流素子は、前記第一基板に配置される、
請求項14に記載の検出装置。 - 前記第一基板と前記第二基板とは貫通電極によって導通している、
請求項1から15のいずれか1項に記載の検出装置。 - 前記第二基板はシリコン基板である、
請求項15または16に記載の検出装置。 - 前記第一増幅回路と前記第二増幅回路との間を結合するための第三容量を有する、
請求項1から17のいずれか1項に記載の検出装置。 - 前記第二増幅回路はソース接地増幅回路である、
請求項1から18のいずれか1項に記載の検出装置。 - 前記第一増幅回路をリセットするための第一リセットスイッチと、
前記第二増幅回路をリセットするための第二リセットスイッチを有する、
請求項1から19のいずれか1項に記載の検出装置。 - 前記第二増幅回路の出力端と前記第一容量の入力端との間に高周波カットフィルター回路を有する、
請求項1から20のいずれか1項に記載の検出装置。 - 前記検出素子はダイオードを含み、
前記ダイオードの一端子が前記トランジスタの一端子に電気的に接続され、
前記ダイオードの他端子が前記第一電源電圧に電気的に接続される、
請求項1から21のいずれか1項に記載の検出装置。 - 0.3THzから30THzの間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22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。 - 前記第一スイッチおよび前記第二スイッチのオン・オフを前記光源のオン・オフ動作に同期させるための信号を発生させる信号発生器をさらに備える、
請求項23に記載の検出システム。
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