JPH02306128A - 焦電撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は感度ムラの生じない焦電撮像装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

第６図は従来の焦電撮像装置における、焦電形赤外線イ
メージセンサの構成を示すブロック図である。同図にお
いて、１は光検出器部であり、焦電形赤外線検出器と、
この焦電形赤外線検出器により光電変換された信号を蓄
積する電荷蓄積用ダイオードとから構成されている。各
光検出器部１に蓄積された電荷は、トランスファゲート
２を介して垂直方向ごとに垂直電荷転送素子３に転送さ
れ読出される。各垂直電荷転送素子３に読出された信号
電荷は水平ＣＣＤ４に転送俊、この水平ＣＣＤ４より出
力ブリアンプ５を介して出力される。

なお、６はトランスファゲート２に印加する読出し制御
用クロックである。

第６図で示した１つの光検出器部１．トランスフＩゲー
ト２及びそれにつながる一段の垂直電荷転送素子３によ
り１つの単位画素１０が構成される。このような単位画
素１０は、例えば第７図の断面図に示すような構造をし
ている。光検出器部１の焦電形赤外線検出器は、ポリフ
ッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）系の焦電材料から成る薄膜
１７と、この薄膜１７の表裏面に形成された電極２０．
１８より構成されている。なお、電極１８は例えばモリ
ブデンから成り、電極２０はニッケルとクロムの合金よ
り成る。

また、光検出器部１の電荷蓄積用ダイオードは、ｐ形シ
リコン基板１１と高濃度なｎ形不純物領域１２とのｐｎ
接合により構成されており、ｎ形不純物領域１２は焦電
形赤外線検出器の電極１８と、配線１９を介して電気的
に接続されている。なお、配線１９は例えばアルミニウ
ムから成る。

トランスファゲート２は、ｐ形不純物領域１５とポリシ
リコン膜２１とから成り、ポリシリコン膜２１がゲート
電極として、ｐ形不純物領域１５は、しきい値電圧を決
定するチャネル領域として機能する。

垂直電荷転送素子３は、ｎ形不純物領域１３とポリシリ
コン膜２１から成り、ポリシリコン膜２１がゲート電極
として、ｎ形不純物領域１３が埋込みチャネル領域とし
て機能する。

なお、１４は素子間分離用の高濃度ｐ形不純物領域であ
り１６．２２．２３はシリコン酸化膜等の絶縁膜であり
、２４はポリシリコン膜２１への光の入射を遮断する導
電膜である。

第６図、第７図で示した焦電形赤外線イメージセンナの
光検出器部１は、入射光による焦電形赤外線検出器の温
度の時間変化によって生じる電荷量変化を蓄積用ダイオ
ードに蓄積している。このように、温度の時間変化分を
とらえるため、イメージセンサへの入射光は断続させる
必要がある。

一般に用いられるイメージセンサへの入射光の断続手段
としては例えば第８図で示すような回転円板による光チ
ョッパ１０２がある。同図に示すように光チョッパ１０
２は、イメージセンサ１０１の前面を、光チョッパ１０
２の羽根１０２ａが、回転により通過するように構成さ
れている。したがって光チョッパ１０２の回転によりイ
メージセンサ１０１への入射光の断続が行える。つまり
、羽根１０２ａがイメージセンサ１０１の前面にあると
きが入射光のオフ状態、ないときが入射光のオン状態と
なる。

以下、イメージセンサ１０１の動作について説明する。

光が光検出器部１に入射すると、焦電形赤外線検出器（
具体的には、第７図の薄１１１７）の温度が上昇し、光
が遮断されると、焦電形赤外線検出器の温度は下降する
。

そして、温度変化に相当した電荷が焦電形赤外線検出器
より発生し、蓄積用ダイオード部に蓄積される。なお、
トランスファゲート２がｎチャネルの場合、負電荷信号
しか垂直電荷転送素子３に転送されないため、可視光ラ
ンプ等の光を常時焦電形赤外線検出器に照射し、予め第
９図で示すように、一定量のバイアス負電荷Ｖ６を与え
ている。

したがって、焦電形赤外線検出器より信号電荷ｖ１とし
て負電荷信号が発生した場合は、バイアス負電荷■８に
信号電荷■１を加えた負電荷が光検出器部１の蓄積用ダ
イオードに蓄積され、焦電形赤外線検出器より信号電荷
ｖ２として正電荷信号が発生した場合は、バイアス負電
荷Ｖ８に信号電荷ｖ２を差し引いた負電荷が光検出部１
の蓄積用ダイオードに蓄積される。

そして、トランスファゲート２のゲートＮ極に“Ｈ”レ
ベルの信号を与えると、トランスファゲート２のチャネ
ル領域のポテンシャルが、第９図に示すように、φＴ（
ＯＦＦ＞からφＴ（ＯＮ）に下がり、垂直電荷転送素子
３に読出される。

なお、第６図に示すように、全トランスファゲート２に
共通の制御用クロック６が与えられているため、光検出
器１に蓄積された画素情報の垂直電荷転送素子３への読
出しは、全単位画素１０で同時に行われる。また光チョ
ッパ１０２の回転による入射光のイメージセンサ１０１
へのオン状態。

オフ状態のタイミング制御は、１フレーム毎にトランス
ファゲート２に加える制御用クロック６に同期して行う
。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の焦電搬像装置は以上のように構成されており、ト
ランスファゲート２を介して行う、光検出器部１から垂
直電荷転送素子３への信号転送が、全単位画素１０にお
いて、同時に行われていた。

一方、光チョッパ１０２により、イメージセンサ１０１
への入射光の断続を行う関係上、イメ−った。例えば、
第８図で示した光チョッパ１０２を例にあげた場合、光
チョッパ１０２の羽根１０２ａの動きにより、斜めに開
口部が変化していくため、全画素同時にオン状態（オフ
状態）にすることは不可能である。

その結果、各光検出器部１において開口時間が異なるに
もかかわらず、光検出器部１から垂直電荷転送素子３へ
の画素情報の読出しは同時に行うため、得られる画像に
感度ムラが生じてしまうという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、鮮明な画像を得ることのできる焦電撮像装置
を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明にかがる焦電形撮像装置は、２次元に焦電型の
光検出器が配置され、該光検出器により得られる画素情
報を水平方向単位で読出し可能なイメージセンサと、前
記イメージセンサへの入射光の断続を、水平方向の前記
光検出器に対し同時に行うチョッパと、前記チョッパに
よる前記イメージセンサへの入射光の断続状況に基づき
、前記イメージセンサの水平方向単位の画素情報の読出
しが該断続と同期するように制御する制御手段とを備え
て構成されている。

〔作用〕

この発明における制御手段は、チョッパによるイメージ
センサへの入射光の断続状況に基づき、イメージセンサ
の水平方向の画素情報の読出しが該断続と同期するよう
に制御するため、チョッパにより水平方向単位に行われ
る、イメージセンサへの入射光の断続タイミングに同期
して、水平方向単位で画素情報を読出すことができる。

〔実施例〕

の構成を示す説明図である。第１Ｂ図に示すように、光
チョッパ１０３は、イメージセンサ２０１の撮像光路１
０６を横切って回転可能（回転方向ｒ）な円筒形構造で
あり、その周面に、第１Ｂ図に示すように透明窓よりな
る開口部１０５と、光を遮断する遮光部１０４が設けら
れている。なお、ここにいう透明とはイメージセンサ２
０１の入射光、即ち、特に赤外線に対し透明であること
を意味し、空孔も含めるものとする。第１Ｂ図より明ら
かなように、開口部１０５の境界１０５ａの長さ方向は
、イメージセンサ２０１の水平方向と、実質的に一致し
ている。つまり両者は平行な位置関係にあり、境界１０
５ａがイメージセンサ２０１の前面を移動したとき、イ
メージセンサ２０１の画面を水平方向に次々に切ってい
くように、光チョッパ１０３は形成されている。箇３ａ
ｌｌ＠懺４ｍ光栄、（τ−るる。

光チョッパ１０３は、モータ３１により回転している。

このモータ３１の回転速度を一定にするため、回転角度
検出センサ３２よりモータ３１の回転角が検出され、制
御回路３３に伝達される。

制御回路３３は回転角度検出センサ３２による検出値に
基づき、モータ回転駆動回路３４に指示を与え、モータ
回転駆動回転３４により、モータ３１の回転速度が一定
になるように制御する。

制御回路３３は回転角度検出センサ３２の検出値に基づ
き、イメージセンサ駆動回路３５にも指示を与え、イメ
ージセンサ駆動回路３５により、光チョッパ１０３の回
転に同期して、イメージセンサ２０１の水平方向単位で
の画素情報の読出しを行うように制御する。

上記した同期とは、光チョッパ１０３の開口部１０５の
境界１０５ａがイメージセンサ２０１の所定の水平方向
画素を横切る直前の時刻と、イメージセンサ２０１の前
記所定の水平方向の画素情報の読出し時刻が一致するこ
とを意味する。

このように、光チョッパ１０３の回転とイメージセンサ
２０１の１水平方向の画素情報の読取りタイミングとを
同期させ、水平方向の異なる画素間における開口時間の
違いを補正したため、イメージセンサ２０１は、全画素
において、同一条件下における画素情報を読出すことが
できる。その結果、各画素に対する感度のバラツキは全
くなくなる。

また、イメージセンサ２０１の全画素において、光チョ
ッパ１０３の開口部１０５の境界１０５ａが横切る直前
、つまり入射光がオフ状態になる直前に画素情報が読取
られるため、イメージセンサ２０１の光検出器部１が最
も高温度に達した時点での画素情報の読取りが行え高感
度に撮像が行える。

第２図は第１Ａ図、第１Ｂ図のイメージセンサ２０１の
詳細を示すブロック図である。なお、同図においては、
説明の都合上、３×４のアレイで示しである。図中１１
１〜１１４，２１１〜２１４および３１１〜３１４は焦
電形赤外線検出器と電荷蓄積ダイオードから成る光検出
器部、１２１〜１２４，２２１〜２２４および３２１〜
３２４は同一基板上に形成されたＭＯＳトランジスタで
形成されたトランスファゲート、１３０，２３０゜３３
０は上記半導体基板に形成された垂直電荷転送素子、１
４０，２４０．３４０は上記半導体基板に形成された水
平ＣＣＤ５００とのインターフェースを形成するインタ
ーフェイス部、６００は出力ブリアンプ、７００はこの
プリアンプの出力である。８００はトランスファゲート
を選択する為の回路で、図中接続は示されていないが、
トランスファゲート選択回路８００はイメージセンサ駆
動回路３５からの指示に従い、横方向に並んだトランス
ファゲートの組（１２１，２２１，３２１等の組）には
同一の信号が与えられるように接続されている。また９
００は垂直電荷転送素子１３０．２３０，３３０に後述
するような駆動クロックを与えるための回路である。

次に上記構成のイメージセン勺２０１の動作について説
明する。第３図はトランスファゲート選択回路８００の
動作を説明する図である。第１図の様な３×４のアレイ
ではトランスファゲート選択回路８００は第３図（ａ）
の様に４つのブロック８０１〜８０４から構成され、そ
れぞれのブロックの出力はトランスファゲートへの配線
８１１〜８１４へ接続される。配線８１１〜８１４はそ
れぞれトランスファゲートの組（１２１，２２１゜３２
１）〜（１２４，２２４，３２４）に接続されている。

各ブロック８０１〜８０４の出力φ丁１〜φ１４はイメ
ージセンサ駆動回路３５の指示に従い、例えば第３図（
ｂ）の様なタイミングとなるように駆動される。但し今
考えているのはｎチャネルを用いた場合でクロックの“
Ｈ１１レベル時にトランスファゲートをＯＮするように
なっている。

第３図（Ｃ）は各画素に対する光入射の状況を第３図（
ｂ）のタイミングに従って示したもので、図では高レベ
ルが光入射オン状態を低レベルが光入射オフ状態を示し
ている。第３図（ｂ）、　（Ｃ）の様に、トランスファ
ゲート選択回路８００による１水平型位の画素選択とチ
ョッパ１０３の開口部１０５の境界１０５ａの動きによ
る入射光のオン／オフとが同期する。

まず、φ１１が“ＨＴルベルとなると第２図でトランス
ファゲート１２１，２２１．３２１がＯＮして検出器１
１１，２１１，３１１の信号電荷は垂直電荷転送素子１
３０，２３０，３３０へ注入される。この直後にチョッ
パ１０３の開口部１０５の境界１０５ａが画素１１１，
２１１．３１１の列を通過し次の状態の信号蓄積に入る
。

次に垂直電荷転送素子駆動回路９００が動作して信号の
転送が開始されるがこの動作を第４図。

第５図を用いて説明する。まず、この部分の構造につい
て第４図（ａ）を用いて説明すると、第４図（ａ）は第
１図Ａ−Ａ’の断面を示したものであり、垂直電荷転送
素子１３０は４つのゲート電極１３１〜１３４で構成さ
れ、インターフェース部１４０は２つのゲート電極１４
１．１４２から構成されており、インターフェース部１
４０の端は水平ＣＣＤ５００の１つのゲート電極５０１
に接しているものである。そして１０は半導体基板であ
り、各々のゲート下にチャネルが形成されるものである
。このチャネルは表面チャネルであっても、埋め込みチ
ャネルであっても差しつかえないものである。なお、第
４図（ａ）においては各々のゲート電極間がギャップを
持った構造となっているが、多層のゲート電極構造を用
いてゲート間にオーバーラツプ部を設けたものであって
も良いものである。一方、各ゲート電極１３１〜１３４
，１４１゜１４２には第５図に示したようなりロック信
号φ、１〜φＶ４．φ８．φ□、□が印加される。これ
らのクロック信号はｎチャネルの場合であり、ｎチャネ
ルの場合にはクロック信号の極性を反転したものとすれ
ば良いものである。

上記クロック信号のうち、少なくともφｖ１〜φＶ４は
垂直電荷転送素子駆動回路９００によって作られる。適
当な方法でφ　、φ　　を９００内でＳ　　　ＴＶＨ 作ることも可能であるが、外部より与えるようにしても
差支えない。９００でφＶ１〜φ、４を作る場合は、よ
く知られている遅延回路や、シフトレジスタを用いて９
００を構成することが可能である。

垂直電荷転送素子とインターフェース部は各列とも同一
の構造を有しており、２３０．３３０は１３０と、２４
０．３４０は１４０と全く同一構造となっている。さら
に垂直電荷転送素子とインターフェース部の横方向に並
んだゲート電極には、トランスファゲートの場合と同様
に同じ信号が与えられ各列は全く同じ動作をする。ここ
では第図Ａ−Ａ’断面で表わされる第１列についてのみ
動作を説明する。

第４図（ａ）に示したものの垂直方向の電荷転送につい
て、第４図（ｂ）〜（ｊ）に基づいて説明すると、第４
図　（ｂ）〜（ｊ）はそれぞれのタイミングにおける第
４図（ａ）の位置に対応したチャネルのポテンシャルの
状態を示したものであり、第４図（ｂ）は第５図におい
てｔｌのタイミングに相当する時のポテンシャルである
。この時クロック信号φｖ１〜φｖ４はすべて“ＨＴ＋
レベルとなっているので、ゲート１３１〜１３２下には
大ぎな電位井戸（以下ポテンシャルウェルと称す５）が
形成されており、またクロック信号φ　はクロック信号
φい〜φＶ４より高い“ト１”レベルになっているので
ゲート１４１下には、より深いポテンシャルウェルが形
成されているとともに、クロック信号値φ丁は１１１　
Ｉ＋レベルとなっているので、ゲート１４２の下には、
浅いポテンシャルバリヤが形成されている。一方水平Ｃ
０Ｄ５００はこの状態の時に電荷転送を行っており、図
中点線で示したようなポテンシャル状態の間を往復して
いるものである。そしてこの状態において、垂直方向中
任意の１つのトランスファゲート例えば１２１をＯＮＬ
で垂直電荷転送素子１３０中に検出器１１１の内容を読
み出すと、ゲート１３１〜１３２下のポテンシャルウェ
ルに信号電荷Ｑｓｉｇが存在することになるものである
。次に第５図に示すｔ２のタイミング、つまりクロック
信号φｖ１が“Ｌ”レベルにされると第４図（Ｃ）に示
す如く、ゲート１３１下のポテンシャルが浅くなるため
信号電荷Ｑｓｉｇは空間的に広がりながら、第４図図示
矢印へ方向へ押されることになる。さらに第５図に示す
ようにｔ３゜１．１５のタイミングにクロック信号φｖ
２〜φ、４が順次“Ｌ　Ｉ＋レベルにされ、第４図（ｄ
）〜（ｆ）に示す如く、ゲート１３２〜１３４下のポテ
ンシャルが順次浅くなり、信号電荷Ｑｓｉｇが、第４図
図示矢印へ方向へ押し出されていき、クロック信号φＶ
４が“Ｌ　Ｉ＋となった時点では、信号電荷Ｑ、ｉ。は
ゲート１４１の下でポテンシャルウェルに蓄えられるこ
とになるものである。なお、ゲート１４１は信号電荷Ｑ
ｓｉｇを十分蓄えられるだけの大きさが必要であるが、
上記実施例に示す如く、クロック信号φＳがＨ“時のポ
テンシャルがグー上１３１〜１３４の下のポテンシャル
より深くする必要はないものである。この様にして、信
号電荷Ｑｓｉｇがゲート１４１下に集められ、水平ｃｃ
１）　５００の１水平線分の走査が終った模、第５図に
示すｔ６のタイミングにゲート１４２に接する水平ＣＣ
Ｄ５００のゲート５０１のクロック信号φ１１を゛Ｈ″
レベルとするとともに、ゲート１４２のクロック信号φ
■が“Ｈｕレベルにされるため、それぞれのゲート下の
ポテンシャルは第３図（ａ）に示す如くなる。なお、こ
の時ゲート１４２下のポテンシャルがゲート１４１及び
ゲート５０１下のポテンシャルより高くなるようにして
いるが、必ずしも高くする必要はないものである。

次に第５図に示すｔｌのタイミングにクロック信号φ８
が゛ビルレベルとされ、第４図（ｈ）に示す如く、ゲー
ト１４１下のポテンシャルは浅くなるため、信号電荷Ｑ
ｓｉｇはゲート５０１下のポテンシャルウェル内に移動
させられることになる。

その後、第５図に示すｔ８のタイミングにてクロック信
号φ１ｖ１１が゛Ｌ″レベルとなり、第４図（ｉ）に示
す如くゲート１４２下のポテンシャルは浅くなり、信号
電荷Ｑｓｉｇは水平ＣＣＤ５００により転送されること
になるものである。信号（信号電荷Ｑ　・　）を受けと
った水平ＣＣＤ５００は順５ｌ（１ 吹出カブリアンプ６００に信号を転送することになり、
信号が水平ＣＣＤ５００に転送されると第５図に示すｔ
８のタイミングで、クロック信号φい〜φＶ４．φ８は
再び“ＨＪルベルとなり、ｔｌのタイミングの時と同じ
条件になる。

次にφｖ２がＨ″となり、トランスファゲート１２２を
ＯＮｔ、て検出器１１２の信号を垂直電荷転送素子１３
０に注入し、上記動作により信号を転送する。ざらに同
一サイクルを繰り返し、検出器１１３．１１４のに信号
を読み出し、１フレームが終了する。以上が垂直電荷転
送素子１３０（２３０，３３０）における転送動作であ
るなお、垂直電荷転送方法は、上記した例に限らず、種
々の方法を用いればよい。また、上記転送方法は、以下
に示す特徴を有していればよい。すなわち、その特徴は
光検出器から垂直電荷転送素子が信号電荷を受けとる時
、垂直電荷転送素子は１つのつながったポテンシャルウ
ェルとなっており、その後垂直電荷転送素子中の電荷の
転送が、ポテンシャルの壁を電荷進行方向に向って順次
動かすように垂直電荷転送素子のゲート信号を制御する
ことによって行われるということである。

なお、この実施例では、光チョッパ１０３を同筒形とし
たが、入射光に対し、開口部の境界の少なくとも一部が
、イメージセンサの水平方向と実質的に一致するように
構成したものであればよい。

またこの実施例では垂直電荷転送素子１３０を４つのゲ
ート１３１〜１３４で構成されたものについて述べたが
、ゲート数は複数であれば何個のゲートで構成されても
よく、検出器の垂直方向の数に一致させる必要もない。

またインターフェース部１４０，２４０，３４０は上記
の例では２つのゲート構成されているが、電荷を蓄積す
る機能と水平ＣＣＤへ転送する機能をもてば、この構造
に限らないものである。

さらに上記例ではすべてｎチャネルの埋め込みチャネル
で説明したが、これはｎチャネルであっても、また表面
チャネルを用いても全く問題はない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、制御手段によ
り、チョッパによるイメージセンサへの入射光の断続状
況に基づき、前記イメージセンサの水平方向単位の画素
情報の読出しが該断続と同期するように制御するため、
チョッパにより水平方向単位に行われる、イメージセン
サへの入射光の断続タイミングに同期して、水平方向単
位で画素情報を読出すことができ、鮮明な画像を得るこ
とができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図はこの発明の一実施例である焦電撮像断り 装置σ冨１を示す説明図、第１Ｂ図は光チョッパの構成
を示す説明図、第２図はイメージセンサの構成を示すブ
ロック図、第３図はトランスファゲート選択回路の動作
を説明する図、第４図は第２図の断面Ａ−Ａ’　におけ
る動作を説明するための説明図、第５図はりｎツクタイ
ミング図、第６図は従来のイメージセンサの構成を示す
説明図、第７図は第６図の単位画素を示す断面図、第８
図は従来の光チョッパを示す説明図、第９図はイメージ
センサの画素読出し動作を説明する図である。 図において、１０３は光チョッパ、１０５は間口部、２
０１は焦電形赤外線イメージセンサ、３３は制御回路で
ある。爾３０１１グ湧イ東ｋｆ４ｔ９玉−ｔ−ｈｈ・な
お、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）２次元に焦電型の光検出器が配置され、該光検出
   器により得られる画素情報を水平方向単位で読出し可能
   なイメージセンサと、 前記イメージセンサへの入射光の断続を、水平方向の前
   記光検出器に対し同時に行うチョッパと、前記チョッパ
   による前記イメージセンサへの入射光の断続状況に基づ
   き、前記イメージセンサの水平方向単位の画素情報の読
   出しが該断続と同期するように制御する制御手段とを備
   えた焦電撮像装置。