JPWO2018131288A1

JPWO2018131288A1 - 電子回路及びイメージング回路並びに検出／受光方法

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Publication number: JPWO2018131288A1
Application number: JP2018561832A
Authority: JP
Inventors: 将之池辺; 栄一佐野
Original assignee: Hokkaido University NUC
Current assignee: Hokkaido University NUC
Priority date: 2017-01-10
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2019-11-07
Anticipated expiration: 2037-11-16
Also published as: WO2018131288A1; JP6953023B2

Abstract

回路規模を増大させることなく、テラヘルツ波と可視光に対応するピクセル回路を提供する。テラヘルツ波検出用のカスコード型アンプのバイアス用トランジスタＭ２のゲート端子にスイッチ用トランジスタＭ９とフォトダイオードＰＤを接続する。カスコード型アンプの入力をバイアスとして用いる。オフセット調節用の負帰還アンプ４に対し、電源電圧ＶＤＤのオフセット出力を行う。トランジスタＭ２とトランジスタＭ３との接続点から可視光の強度に対応した第２出力信号Ｓp2を出力する。

Description

本発明は、電子回路及びイメージング回路並びに検出／受光方法の技術分野に属し、より詳細には、テラヘルツ帯の周波数を有するテラヘルツ波と、可視光と、を共に検出又は受光可能な電子回路及びイメージング回路並びに当該電子回路において実行される検出／受光方法の技術分野に属する。

近年、ミリ波と遠赤外光の間の周波数であるテラヘルツ帯（１００ギガヘルツ〜１０テラヘルツ）の周波数を有するテラヘルツ波に関する研究開発が盛んに行われている。このテラヘルツ波を検出して電気信号に変換するためには、物理量たる当該テラヘルツ波を電気信号に変換する素子が必要である。より具体的に例えば、当該テラヘルツ波を熱に変換し、その熱によって生じる抵抗値の変化を読み出す素子（例えば、ボロメータ）が必要である。

このとき、本発明の発明者らは、下記非特許文献１において、上記テラヘルツ波の周波数より遅い動作周波数を有するトランジスタを含む負帰還用差動増幅回路により、上記テラヘルツ波の強弱に相当する包絡線成分を増幅した出力信号を適切なオフセットで出力する回路を提案している。

「ＣＭＯＳテラヘルツイメージング回路の設計と評価」，脇田他，映像情報メディア学会技術報告（ITE technical report 40(24)，pp 19-24，２０１６年８月

しかしながら、例えば上記非特許文献１に記載された技術によると、テラヘルツ波の電気信号への変換を行って例えば対応する画像出力を得ることは可能となるが、それを、人が認識可能な画像と適合させて出力することができないという問題点があった。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑みて為されたもので、その課題の一例は、テラヘルツ波に対応した出力信号と可視光に対応した出力信号とを適合させて出力することを、集積化された電子回路により回路規模を肥大化させることなく実現可能な電子回路及びイメージング回路並びに当該電子回路において実行される検出／受光方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、テラヘルツ帯の周波数を有するテラヘルツ波を検出し当該テラヘルツ波の強度を示す第１出力信号を出力するテラヘルツ波検出部と、可視光を受光し当該可視光の強度を示す第２出力信号を出力する可視光受光部と、前記テラヘルツ波検出部の動作と前記可視光受光部の動作とを切り替える切替部と、を、一の基板上に形成した電子回路であって、前記テラヘルツ波検出部は、前記テラヘルツ波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナに接続されたアンプ部と、前記アンプ部に接続されて前記第１出力信号を出力する負帰還アンプ等の負帰還アンプ部と、により構成されており、前記可視光受光部は、前記可視光を受光するフォトダイオード等の受光部と、前記受光部に接続され且つ前記第２出力信号を出力する前記アンプ部と、前記アンプ部に接続された前記負帰還アンプ部と、により構成されており、前記切替部は、前記受光部及び前記アンプ部に印加されるバイアス電圧及び前記負帰還アンプ部に対する正入力電圧を切り替えることにより、前記テラヘルツ波検出部の動作と前記可視光受光部の動作とを切り替えるように構成される。

上記の課題を解決するために、請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載された電子回路が複数集積されている。

上記の課題を解決するために、請求項８に記載の発明は、テラヘルツ帯の周波数を有するテラヘルツ波を検出し当該テラヘルツ波の強度を示す第１出力信号を出力するテラヘルツ波検出部と、可視光を受光し当該可視光の強度を示す第２出力信号を出力する可視光受光部と、が、一の基板上に形成された電子回路において実行される検出／受光方法であって、前記テラヘルツ波検出部は、前記テラヘルツ波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナに接続されたアンプ部と、前記アンプ部に接続されて前記第１出力信号を出力する負帰還アンプ等の負帰還アンプ部と、により構成されており、前記可視光受光部は、前記可視光を受光するフォトダイオード等の受光部と、前記受光部に接続され且つ前記第２出力信号を出力する前記アンプ部と、前記アンプ部に接続された前記負帰還アンプ部と、により構成されており、前記受光部及び前記アンプ部に印加されるバイアス電圧及び前記負帰還アンプ部に対する正入力電圧を切り替えることにより、前記テラヘルツ波検出部の動作と前記可視光受光部の動作とを切り替える切替工程を含む。

請求項１、請求項７又は請求項８のいずれか一項に記載の発明によれば、一の基板上に形成されたテラヘルツ波検出部と可視光検出部において、アンプ部と負帰還アンプ部とを共用しつつそれらの動作を切り替えて第１出力信号又は第２出力信号を出力するので、テラヘルツ波の強度を示す第１出力信号と可視光の強度を示す第２出力信号とを適合させて出力することを、集積化された電子回路により回路規模を肥大化させることなく実現することができる。

上記の課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電子回路において、前記テラヘルツ波検出部としての前記負帰還アンプ部は、当該負帰還アンプ部における帰還信号を前記第１出力信号として出力するように構成される。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の作用に加えて、テラヘルツ波検出部としての負帰還アンプ部における帰還信号が第１出力信号として出力されるので、テラヘルツ波の強度を正確に示す第１出力信号を第２出力信号に適合させて出力することができる。

上記の課題を解決するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の電子回路において、前記アンプ部はカスコード接続されたトランジスタを含み、前記可視光受光部としての前記第２出力信号は、前記カスコード接続における前記トランジスタ同士の接続点から出力されるように構成される。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は請求項２に記載の発明の作用に加えて、アンプ部がカスコード接続されたトランジスタを含み、可視光受光部としての第２出力信号がカスコード接続におけるトランジスタ同士の接続点から出力されるので、可視光の強度を正確に示す第２出力信号を第１出力信号に適合させて出力することができる。

上記の課題を解決するために、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電子回路において、前記切替部は、前記バイアス電圧及び前記正入力電圧を予め設定された時間ごとに切り替えることにより、前記テラヘルツ波検出部の動作と前記可視光受光部の動作とを切り替えるように構成される。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、バイアス電圧及び正入力電圧を既定時間ごとに切り替えるので、テラヘルツ波と可視光が見かけ上同時に検出又は受光できることにより、第１出力信号と第２出力信号とを正確に適合させて出力することができる。

上記の課題を解決するために、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の電子回路において、前記切替部は、前記バイアス電圧及び前記正入力電圧を前記時間ごとに交互に切り替えることにより、前記テラヘルツ波検出部の動作と前記可視光受光部の動作とを交互に切り替えるように構成される。

請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明の作用に加えて、バイアス電圧及び正入力電圧を既定時間ごとに交互に切り替えるので、テラヘルツ波と可視光とを均等に検出又は受光できることにより、第１出力信号と第２出力信号とを適切に適合させて出力することができる。

上記の課題を解決するために、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の電子回路において、前記予め設定された時間を変更する制御部等の変更部を更に備える。

請求項６に記載の発明によれば、請求項５に記載の発明の作用に加えて、バイアス電圧及び正入力電圧を切り替える既定時間が変更可能であるので、例えば用途に応じてテラヘルツ波の検出と可視光の受光とを切り替えることができる。

本発明によれば、一の基板上に形成されたテラヘルツ波検出部と可視光受光部において、アンプ部と負帰還アンプ部とを共用しつつそれらの動作を切り替えて第１出力信号又は第２出力信号を出力する。

従って、テラヘルツ波の強度を示す第１出力信号と可視光の強度を示す第２出力信号とを適合させて出力することを、集積化された電子回路により回路規模を肥大化させることなく実現することができる。

実施形態に係るピクセル回路を含むイメージセンサの概要構成を示すブロック図等である。実施形態に係るピクセル回路の具体的な回路構成例を示す図である。実施形態に係るピクセル回路の製造例を示す平面図である。実施形態に係るピクセル回路のテラヘルツ波検出時における具体的な回路構成例を示す図である。実施形態に係るピクセル回路のテラヘルツ波検出時の動作を示すタイミングチャートである。実施形態に係るピクセル回路の可視光受光時における具体的な回路構成例を示す図である。実施形態に係るピクセル回路の可視光受光時の動作を示すタイミングチャートである。

次に、本発明を実施するための形態等について、図１乃至図７に基づいて説明する。なお以下に説明する実施形態及び変形形態は、後述するフォトダイオードを含む可視光の受光部と、例えば上記非特許文献１に記載されたテラヘルツ波の検出部と、が一チップ化されて構成されたイメージセンサに本発明を適用した場合の実施形態及び変形形態である。このとき、上記「一チップ化された」とは、上記受光部と上記検出部とが一の基板上に例えばフォトリソグラフィ技術を用いて形成されていることをいう。

（Ｉ）実施形態
初めに、本発明に係る実施形態について、図１乃至図７を用いて説明する。

（Ａ）全体構成
始めに、実施形態に係るイメージセンサの全体構成等及び概要動作について、図１乃至図３を用いて説明する。なお、図１は実施形態に係るピクセル回路を含むイメージセンサの概要構成を示すブロック図であり、図２は当該ピクセル回路の具体的な回路構成例を示す図であり、図３は当該ピクセル回路等の製造例を示す平面図である。

図１に示すように、実施形態に係るイメージセンサ１００は、実施形態に係るピクセル回路Ｐをアレイ状に複数備えるピクセル回路アレイＡＬと、画像処理部ＰＳと、制御部Ｃと、を備えて構成されている。このとき、各ピクセル回路Ｐのそれぞれが本発明に係る「電子回路」の一例に相当し、制御部Ｃが本発明に係る「変更部」の一例に相当する。

この構成において制御部Ｃは、各ピクセル回路Ｐにおいてテラヘルツ波を検出する動作と可視光を受光する動作とを同じ時間ずつ交互に実行するための制御信号Ｓcを生成して、当該各ピクセル回路Ｐに出力する。この場合の各動作の時間は、後述する図５及び図７に示すように、例えば１ミリ秒である。そして、実施形態に係るピクセル回路アレイＡＬを構成する各ピクセル回路Ｐは、制御部Ｃからの上記制御信号Ｓcに基づいて、テラヘルツ波を検出する動作又は可視光を受光する動作のいずれか一方を実行し、当該検出したテラヘルツ波の強度を示す第１出力信号Ｓp1又は当該受光した可視光の強度を示す第２出力信号Ｓp2を生成して画像処理部ＰＳに出力する。これら第１出力信号Ｓp1及び第２出力信号Ｓp2はアナログ信号である。これらにより画像処理部ＰＳは、上記第１出力信号Ｓp1又は上記第２出力信号Ｓp2に対して予め設定された画像処理を施し、イメージセンサ１００全体としての画像出力信号Ｇoutを出力する。そして制御部Ｃは、上述した各ピクセル回路Ｐの動作及びそれらの切替動作をそれぞれ制御するための上記制御信号Ｓcを生成して各ピクセル回路Ｐに出力すると共に、画像処理部ＰＳにおける上記画像処理を制御するための制御信号Ｓcgを生成して当該画像処理部ＰＳに出力することで、イメージセンサ１００としての動作を統括制御する。

次に、実施形態に係るピクセル回路Ｐの細部構成について、具体的に図２に示す回路図を用いて説明する。

図２に示すように、実施形態に係る一のピクセル回路Ｐは、切替部ＣＨと、テラヘルツ波検出部３と、負帰還アンプ４と、可視光受光部５と、により構成されている。これらのうち、テラヘルツ波検出部３、負帰還アンプ４及び可視光受光部５は、実施形態に係る上記テラヘルツ波を検出する動作と、実施形態に係る上記可視光を受光する動作と、で共用される。このとき負帰還アンプ４が本発明に係る「負帰還アンプ部」の一例に相当する。

この構成において可視光受光部５は、フォトダイオードＰＤと、ｎ型のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）であるトランジスタＭ９と、により構成されている。そして、フォトダイオードＰＤのアノード端子は接地されており、フォトダイオードＰＤのカソード端子とトランジスタＭ９のソース端子とが接続されている。また、トランジスタＭ９のドレイン端子及びゲート端子が切替部ＣＨに接続されている。このとき、トランジスタＭ９のドレイン端子には切替部ＣＨによりバイアス電圧Ｖb2が印加され、ゲート端子には実施形態に係るテラヘルツ波を検出する動作と可視光を受光する動作とを切り替えるためのリセット電圧Ｖresetが切替部ＣＨにより印加される。即ちトランジスタＭ９は、上記テラヘルツ波を検出する動作と上記可視光を受光する動作とを切り替えるためのスイッチとして機能する。またフォトダイオードＰＤが、本発明に係る「受光部」の一例に相当する。

次にテラヘルツ波検出部３は、例えばマイクロストリップパッチアンテナ等からなる受信アンテナＡＴと、キャパシタＣ１と、抵抗Ｒ１と、それぞれがｎ型のＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタＭ２及びトランジスタＭ３と、ｐ型のＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタＭ１と、により構成されている。なお、受信アンテナＡＴとキャパシタＣ１の一端との間には、図示しないマイクロストリップライン等からなるマッチング回路が備えられている。この構成において、受信アンテナＡＴはテラヘルツ波を受信し、当該受信したテラヘルツ波に対応する受信電圧ＶinをキャパシタＣ１の一端に出力する。一方抵抗Ｒ１は、キャパシタＣ１の他端とトランジスタＭ３のゲート端子との接続点とバイアス電圧Ｖb1との間に接続されている。更にトランジスタＭ３のソース端子が接地されており、そのドレイン端子がトランジスタＭ２のソース端子に接続されている。また、トランジスタＭ２のゲート端子がトランジスタＭ９のソース端子とフォトダイオードＰＤのカソード端子との接続点に接続されており、これにより当該ゲート端子は、逆バイアスに接続されたフォトダイオードＰＤと上記スイッチとして機能するトランジスタＭ９を介してバイアス電圧Ｖb2に接続されることになる。更にトランジスタＭ２のドレイン端子はトランジスタＭ１のドレイン端子に接続されている。そして、トランジスタＭ１のゲート端子が負帰還アンプ４に接続されており、トランジスタＭ１のソース端子が電源電圧ＶＤＤに接続されている。以上のテラヘルツ波検出部３の構成において、トランジスタＭ２とトランジスタＭ３とはいわゆるカスコード接続とされており、これらは、トランジスタＭ１を負荷とするいわゆるカスコード型ソース接地アンプを構成している。このとき、当該カスコード型ソース接地アンプは上記テラヘルツ波よりも応答が遅くなるように設定されている。この場合の「応答が遅い」とは、具体的には「トランジスタＭ３の遮断周波数がテラヘルツ波の周波数より低い」ことを意味している。換言すれば、当該「応答が遅い」とは、テラヘルツ波に準じた周波数を維持した波形の応答信号が出力されるほどには、カスコード型ソース接地アンプとしての応答が早くない状態をいう。また、トランジスタＭ２とトランジスタＭ３との接続点が出力端子ＯＵＴ２に接続されており、当該出力端子ＯＵＴ２からは、フォトダイオードＰＤにより受光された可視光の強度を示し且つ実施形態に係る第２出力信号Ｓp2が出力される。

最後に負帰還アンプ４は、テラヘルツ波検出部３から出力される第２出力信号Ｓp2のオフセット値を制御するための低域補正用の負帰還アンプである。そして負帰還アンプ４は、キャパシタＣ２と、それぞれがｎ型のＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタＭ６、トランジスタＭ７及びトランジスタＭ８と、それぞれがｐ型のＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタＭ４及びトランジスタＭ５と、により構成されている。この構成において、トランジスタＭ８のソース端子及びゲート端子が接地されており、これによりトランジスタＭ８は、サブスレッショルド領域のリーク電流によって駆動する電流源として機能する。一方、トランジスタＭ６とトランジスタＭ７とは差動対を構成しており、それぞれのソース端子がトランジスタＭ８のドレイン端子に接続されており、それぞれのドレイン端子がトランジスタＭ４及びトランジスタＭ５のドレイン端子にそれぞれ接続されており、トランジスタＭ６のゲート端子には切替部ＣＨからのバイアス電圧Ｖb2が印加されており、トランジスタＭ７のゲート端子が帰還出力として出力端子ＯＵＴ１及びトランジスタＭ２のドレイン端子とトランジスタＭ１のソース端子との接続点に接続されている。更に、トランジスタＭ４とトランジスタＭ５とは能動負荷を構成しており、それぞれのドレイン端子がトランジスタＭ６及びトランジスタＭ７のドレイン端子にそれぞれ接続されており、それぞれのソース端子が電源電圧ＶＤＤに接続されており、それぞれのゲート端子の接続点と、トランジスタＭ７のドレイン端子とトランジスタＭ５のドレイン端子との接続点と、が接続されている。また、トランジスタＭ４のドレイン端子とトランジスタＭ６のドレイン端子の接続点は、一端が接地され且つ安定化用のキャパシタＣ２を介して、トランジスタＭ１のゲート端子に接続されている。以上の構成を備える負帰還アンプ４は、テラヘルツ波検出部３からの出力信号Ｓp2に含まれるオフセット値を負帰還により調節するための、応答が極めて遅い差動増幅器を構成している。この場合の「応答が極めて遅い」とは、具体的には「ほぼ直流成分に対応する数百ヘルツ以下のオーダーの極めて遅い応答であること」を意味しており、換言すれば負帰還アンプ４は、直流に近い成分のみを負帰還で補正する負帰還アンプとして動作する。そして上記出力端子ＯＵＴ１からは、受信アンテナＡＴにより受信されたテラヘルツ波の強度を示し且つ実施形態に係る第１出力信号Ｓp1が出力される。

次に、上記ピクセル回路Ｐを複数アレイ状に含む実施形態に係るイメージセンサ１００を一チップ化して製造した場合の例について、図３を用いて説明する。

実施形態に係るピクセル回路アレイＡＬは、図３左に例示するような態様で複数のピクセル回路Ｐが集積されて一つの基板上に一チップ化されて製造される。この基板の具体的な大きさの一例は、図３に示すように１，０３５マイクロメートル×７４５マイクロメートルである。そして、図３中の「Ｒｏｗ」とはピクセル回路アレイＡＬに含まれる各行の切り替えを制御する集積回路部であり、同じく「Ｃｏｌｕｍｎ」とは当該ピクセル回路アレイＡＬに含まれる各列の切り替えを制御する集積回路部である。一方、ピクセル回路アレイＡＬを構成する各ピクセル回路Ｐは、図３右に例示するような態様で受信アンテナＡＴ及びフォトダイオードＰＤ等が集積されて製造される。一つのピクセル回路Ｐが占めるピクセル回路アレイＡＬ上の大きさの一例は、図３に示すように２５０マイクロメートル×１８０マイクロメートルである。

（Ｂ）テラヘルツ波検出動作
次に、実施形態に係るピクセル回路Ｐを用いてテラヘルツ波を検出する動作について、図４及び図５を用いて説明する。なお、図４は当該ピクセル回路Ｐのテラヘルツ波検出時における具体的な回路構成例を示す図であり、図５は当該テラヘルツ波検出時の動作を示すタイミングチャートである。また図４においては、上記負帰還アンプ４を構成する各素子を纏めてシンボル化している。

実施形態に係る制御部Ｃ（図１参照）は上述したように、実施形態に係るピクセル回路Ｐにおいてテラヘルツ波を検出する動作と可視光を受光する動作とを同じ時間（例えば１ミリ秒）ずつ交互に実行するための上記制御信号Ｓcを生成し、各ピクセル回路Pに出力する。

そして図４に示すピクセル回路Pにおいて、実施形態に係るテラヘルツ波を検出する動作を実行すべき旨が制御信号Ｓcにおいて指示されている場合、制御信号Ｓcが入力された切替部ＣＨは、トランジスタＭ９のゲート端子のリセット電圧Ｖresetを電源電圧ＶＤＤに設定すると共に（図５の「Ｖreset」参照）、トランジスタＭ９のドレイン端子及び負帰還アンプ４の正入力端子にそれぞれ印加されているバイアス電圧Ｖb2を、電源電圧ＶＤＤ以外の任意の電圧（例えば０．６ボルト）に設定する。

そして、上述したようにゲート端子のリセット電圧Ｖresetが電源電圧ＶＤＤに設定されると、トランジスタＭ９はオン状態となる。また、上述したようにバイアス電圧Ｖb2が設定されると、テラヘルツ波に対応した受信アンテナＡＴからの受信電圧Ｖinは、キャパシタＣ１を介し、抵抗Ｒ１を通したバイアス電圧Ｖb1を中心とした交流電圧の信号として、トランジスタＭ３のゲート端子に入力される。一方トランジスタＭ２のゲート端子には、上記オン状態となったトランジスタＭ９を介して、バイアス電圧Ｖb2（例えば０．６ボルト）が入力される。このとき、当該ゲート端子であるノード（Ａ）にはフォトダイオードＰＤのカソード端子が接続されているが、フォトダイオードＰＤに流れる光電流はナノアンペア程度の極小電流なので、トランジスタＭ９がオン状態であれば、ノード（Ａ）の電圧にはほとんど影響しない（図５の「Ａ点」参照）。そして、トランジスタＭ２との間で、トランジスタＭ１を負荷とした高利得のカスコード型ソース接地アンプを構成しているトランジスタＭ３の応答がテラヘルツ波より遅い場合、トランジスタＭ３は、テラヘルツ波の信号周波数に応答するのではなく、テラヘルツ波の強度（強弱）に応答した信号を増幅して出力することになる（図５の「Ｖin」参照）。このとき、受信電圧Ｖinの振幅（図５の「ａ」参照）は、テラヘルツ波の強度が高いと大きくなり、当該強度が低いと小さくなる。

一方負帰還アンプ４は、バイアス電圧Ｖb2（例えば０．６ボルト）を正入力電圧とし、テラヘルツ波検出部３からの第１出力信号Ｓp１を負入力電圧とし、更にその出力端子がトランジスタＭ１のゲート端子に接続されているため、テラヘルツ波検出部３のトランジスタＭ１による能動負荷を制御する。このとき負帰還アンプ４は、第１出力信号Ｓp1がバイアス電圧Ｖb2（例えば０．６ボルト）に近づくように、トランジスタＭ４とトランジスタＭ５により構成される上記能動負荷を制御する。そして上述したように、負帰還アンプ４の応答速度は、テラヘルツ波に対して極めて遅くなるように設定されている。これにより負帰還アンプ４は、テラヘルツ波の上記強度（強弱）に応答した信号自体に応答するのではなく、その振幅を平滑化した電圧レベルに応答することになる。

以上の図４に示すピクセル回路Ｐの動作を纏めると、トランジスタＭ９がテラヘルツ波検出時において常時オンとされると共にバイアス電圧Ｖb1及びバイアス電圧Ｖb2がそれぞれ設定されると、受信アンテナＡＴからの受信電圧ＶinはキャパシタＣ１により直流成分がカットされ、バイアス電圧Ｖb1によりバイアスされてトランジスタＭ３のゲート端子に入力される。そして、テラヘルツ波よりも応答が遅いトランジスタＭ１、トランジスタＭ２及びトランジスタＭ３からなるカスコード型ソース接地アンプにより、テラヘルツ波の強弱を示す包絡線の成分が増幅され、第１出力信号Ｓp１として出力される（図５の「Ｓp1」参照）。一方、テラヘルツ波に対して極めて応答の遅い負帰還アンプ４は、バイアス電圧Ｖb2を第１出力信号Ｓp1として伝えるボルテージフォロアとして動作すべく、トランジスタＭ１を負帰還により制御する。このとき、当該負帰還アンプ４の動作がテラヘルツ波に対して極めて遅いため、結果的に第１出力信号Ｓp1に出力されるテラヘルツ波の包絡線の強弱の振幅は保持され、その直流成分がバイアス電圧Ｖb2と等しくなる。即ち、テラヘルツ波検出時のピクセル回路Ｐは、バイアス電圧Ｖb2をオフセット値とし、テラヘルツ波の強弱のみを振幅とした第１出力信号Ｓp1を出力するように動作する。このとき、上述したようにフォトダイオードＰＤにはナノアンペア程度の極小電流しか流れないため、トランジスタＭ２のゲート端子の電圧であるバイアス電圧Ｖb1の値は影響を受けること無く変動しない。

以上の図４に示すピクセル回路Ｐの動作により、第１出力信号Ｓp１として、バイアス電圧Ｖb2（例えば０．６ボルト）をオフセット値として、テラヘルツ波の強弱に応答した信号が増幅されて出力される（図５の「Ｓp1」参照）。

（Ｃ）可視光受光動作
次に、実施形態に係るピクセル回路Ｐを用いて可視光を受光する動作について、図６及び図７を用いて説明する。なお、図６は実施形態に係るピクセル回路の可視光受光時における具体的な回路構成例を示す図であり、図７は当該可視光受光時の動作を示すタイミングチャートである。

図６に示すピクセル回路Pにおいて、実施形態に係る可視光を受光する動作を実行すべき旨が制御部Ｃからの制御信号Ｓcにおいて指示されている場合、その制御信号Ｓcが入力された切替部ＣＨは、トランジスタＭ９のゲート端子のリセット電圧Ｖresetを、予め設定されたＴ秒間（例えば１０ナノ秒）だけ電源電圧ＶＤＤに設定し、その後、可視光受光動作を終了させるまでの間（即ち、例えば（１ミリ秒−１０ナノ秒）の間）０ボルトとすると共に（図７の「Ｖreset」参照）、トランジスタＭ９のドレイン端子及び負帰還アンプ４の正入力端子にそれぞれ印加されているバイアス電圧Ｖb2を電源電圧ＶＤＤに設定する。

そして、上述したようにリセット電圧Ｖresetが一定時間だけ電源電圧ＶＤＤに設定されると、その時間だけトランジスタＭ９はオン状態となる。このとき、トランジスタＭ２のゲート端子であるノード（Ａ）の電圧は、図７に示すように、電源電圧ＶＤＤからトランジスタＭ９の閾値電圧Ｖth(M9)を減じた値となる。また、上述したようにバイアス電圧Ｖb2が設定されると、テラヘルツ波に対応した受信アンテナＡＴからの受信電圧Ｖinは、キャパシタＣ１を介し、抵抗Ｒ１を通したバイアス電圧Ｖb1を中心とした交流電圧の信号として、トランジスタＭ３のゲート端子に入力される。一方トランジスタＭ２のゲート端子には、上記オン状態となったトランジスタＭ９を介して、バイアス電圧Ｖb2（＝電源電圧ＶＤＤ）が入力される。

次に、リセット電圧Ｖresetが図５に例示するタイミングＴにおいて電源電圧ＶＤＤから０ボルトになると、トランジスタＭ９はオフ状態となる。そしてノード（Ａ）の電圧は、逆バイアスに接続されたフォトダイオードＰＤからの受光強度に応じた光電流により、電源電圧ＶＤＤから閾値電圧Ｖth(M9)を減じた値から逐次的に減少していく。このとき、当該減少度が受光強度に応じて変わることになり（図７の「Ａ点」参照）、この電圧の逐次変化がトランジスタＭ２により電流増幅されることになる。そしてトランジスタＭ２とトランジスタＭ３とは、いわゆるソースフォロア回路を形成しており、利得が「１」以下であるアンプを形成する。よってこのアンプの出力が、ノード（Ａ）の電圧の逐次変化に対応した電圧の第２出力信号Ｓp２となる。

一方負帰還アンプ４は、バイアス電圧Ｖb2（＝電源電圧ＶＤＤ）を正入力電圧とし、テラヘルツ波検出部３からの第１出力信号Ｓp１を負入力電圧とし、更にその出力端子がトランジスタＭ１のゲート端子に接続されているため、テラヘルツ波検出部３のトランジスタＭ１による能動負荷を制御する。このとき負帰還アンプ４は、第１出力信号Ｓp1がバイアス電圧Ｖb2（電源電圧ＶＤＤ）に近づくように、トランジスタＭ４とトランジスタＭ５により構成される上記能動負荷を制御する。そして、トランジスタＭ２及びトランジスタＭ３は、それらにより形成された上記ソースフォロア回路においてトランジスタＭ２のドレイン端子の電圧を電源電圧ＶＤＤとして動作させる。このとき当該ソースフォロア回路からの第２出力信号Ｓp2は、ノード（Ａ）の電圧に即した出力を行うことになる。この出力は、図７の「Ｓp2」として示すように、ノード（Ａ）の電圧からトランジスタＭ２の閾値電圧Ｖth(M2)を減じた電圧を有する。

ここで、出力端子ＯＵＴ２にはトランジスタＭ３のドレイン端子が接続されているが、テラヘルツ波の振幅に対してノード（Ａ）における電圧（電源）変動が大きいため、第２出力信号Ｓp2に対する受信電圧Ｖinの影響は小さい。この点に関しては、トランジスタM２のゲート幅をトランジスタＭ３のゲート幅よりも大きくすることで、第２出力信号Ｓp2に対する受信電圧Ｖinの影響を更に低減することが可能である。

以上の図６に示すピクセル回路Ｐの動作を纏めると、実施形態に係るピクセル回路Ｐにおける可視光を受光する動作では、バイアス電圧Ｖb2が電源電圧ＶＤＤとされると共に、結果的に、トランジスタＭ９を時系列の（即ち、時間に沿ってオン／オフされる）デジタルスイッチとして動作させることになる。ここで、トランジスタＭ９を一定時間（例えば１０ナノ秒間）オン状態とし、その後にオフ状態とすると、図７に示すノード（Ａ）には、電源電圧ＶＤＤからトランジスタＭ９の閾値電圧Ｖth(M9)を減じた電荷が保持される。そしてノード（Ａ）の電圧については、可視光の光強度が強くなってフォトダイオードＰＤの光電流が大きくなると、ノード（Ａ）での放電が速くなる。これに対し、当該光強度が弱くなって当該光電流が小さくなると、ノード（Ａ）での放電は遅くなる。そして図７に示すように、可視光受光動作の終了タイミングである１ミリ秒経過時には、ノード（Ａ）の電圧は光強度の強弱に対応して変化していることになる。ここで、バイアス電圧Ｖb1として予め設定された電圧（例えば０．５ボルト）を印加しておくと、バイアス電圧Ｖb2が現在は電源電圧ＶＤＤに設定されているので、負帰還アンプ４は、図６に示すノード（Ｂ）を電源電圧ＶＤＤとするようにトランジスタＭ１を駆動することになる。そしてこのとき、トランジスタＭ２とトランジスタＭ３とはソースフォロア回路として動作し、結果として、ノード（Ａ）の電圧に準じた第２出力信号Ｓp2が出力される。そして、可視光受光動作の終了タイミングである１ミリ秒経過時に当該第２出力信号Ｓp2の電圧を検出すれば、そのときの可視光の強度が、例えば図７に示す出力電圧Ｐ１、出力電圧Ｐ２又は出力電圧Ｐ３のいずれか一の値として検出できることになる。

以上説明したように、実施形態に係るピクセル回路Ｐ及びイメージセンサ１００の動作によれば、一の基板上に形成されたテラヘルツ波検出部３と可視光検出部５において、テラヘルツ波検出部３内のトランジスタＭ２等と負帰還アンプ４とを共用しつつそれらの動作を切り替えて第１出力信号Ｓp1又は第２出力信号Ｓp2を出力するので、テラヘルツ波の強度を示す第１出力信号Ｓp1と可視光の強度を示す第２出力信号Ｓp2とを適合させて出力することを、集積化された電子回路により回路規模を肥大化させることなく実現することができる。

また、テラヘルツ波検出動作に用いられる負帰還アンプ４における帰還信号が第１出力信号Ｓp1として出力されるので、テラヘルツ波の強度を正確に示す第１出力信号Ｓp1を第２出力信号Ｓp2に適合させて出力することができる。

更に、テラヘルツ波検出部３がカスコード接続されたトランジスタＭ２及びトランジスタＭ３を含み、可視光受光動作としての第２出力信号Ｓp2が上記カスコード接続におけるトランジスタＭ２とトランジスタＭ３との接続点から出力されるので、可視光の強度を正確に示す第２出力信号Ｓp2を第１出力信号Ｓp1に適合させて出力することができる。

更にまた、バイアス電圧Ｖb2及び負帰還アンプ４の正入力電圧を既定時間（例えば１ミリ秒）ごとに切り替えるので、テラヘルツ波と可視光が見かけ上同時に検出又は受光できることにより、第１出力信号Ｓp1と第２出力信号Ｓp2とを正確に適合させて出力することができる。

また、バイアス電圧Ｖb2及び負帰還アンプ４の正入力電圧を既定時間ごとに交互に切り替えるので、テラヘルツ波と可視光とを均等に検出又は受光できることにより、第１出力信号Ｓp1と第２出力信号Ｓp2とを適切に適合させて出力することができる。

（II）変形形態
次に、本発明に係る変形形態について説明する。

先ず第１変形形態として、テラヘルツ波を検出する動作の時間と可視光を受光する動作の時間とを、それぞれ、制御部Ｃにより可変とするように構成してもよい。この場合は、例えば図示しない操作部からの操作により可変としてもよいし、イメージセンサ１００の使用態様に応じた時間に自動的に変更されるように構成してもよい。この場合には、それぞれが予め設定された、テラヘルツ波を検出する動作の時間及び可視光を受光する動作の時間（即ち、バイアス電圧Ｖb2及び負帰還アンプ４の正入力電圧を切り替える予め設定された時間）が可変であるので、例えば用途に応じてテラヘルツ波の検出と可視光の受光とを切り替えることができる。

更に第２変形形態として、上述した実施形態では、テラヘルツ波を検出する動作の時間と可視光を受光する動作の時間とを相互に同一としたが、これ以外に、例えばイメージセンサ１００の用途に応じて当該各時間を異ならせてもよい。

更にまた第３変形形態として、上述した実施形態では各ピクセル回路Ｐ内の切替部ＣＨを介して各ピクセル回路Ｐの動作及びそれらの切替動作を制御したが、これ以外に、制御部Ｃから直接各ピクセル回路Ｐの動作及びそれらの切替動作を制御するように構成してもよい。

また第４変形形態として、実施形態に係る制御部Ｃの動作を、コンピュータプログラムによるＣＰＵ等の動作により実現させてもよい。

以上それぞれ説明したように、本発明は、ピクセル回路Ｐを含むイメージセンサ１００の技術分野に利用することが可能であり、特に回路の小型化を目的としたイメージセンシングの分野に適用すれば特に顕著な効果が得られる。

３テラヘルツ波検出部
４負帰還アンプ
５可視光受光部
１００イメージセンサ
Ｃ制御部
Ｐピクセル回路
Ｃ１、Ｃ２キャパシタ
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８、Ｍ９トランジスタ
Ｒ１抵抗
ＡＬピクセル回路アレイ
ＡＴ受信アンテナ
ＣＨ切替部
ＰＳ画像処理部
ＰＤフォトダイオード
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３出力電圧
Ｓc、Ｓcg 制御信号
Ｓp1 第１出力信号
Ｓp2 第２出力信号
Ｇout 画像出力信号
ＯＵＴ１、ＯＵＴ２出力端子

Claims

テラヘルツ帯の周波数を有するテラヘルツ波を検出し当該テラヘルツ波の強度を示す第１出力信号を出力するテラヘルツ波検出部と、可視光を受光し当該可視光の強度を示す第２出力信号を出力する可視光受光部と、前記テラヘルツ波検出部の動作と前記可視光受光部の動作とを切り替える切替部と、を、一の基板上に形成した電子回路であって、
前記テラヘルツ波検出部は、
前記テラヘルツ波を受信する受信アンテナと、
前記受信アンテナに接続されたアンプ部と、
前記アンプ部に接続されて前記第１出力信号を出力する負帰還アンプ部と、
により構成されており、
前記可視光受光部は、
前記可視光を受光する受光部と、
前記受光部に接続され且つ前記第２出力信号を出力する前記アンプ部と、
前記アンプ部に接続された前記負帰還アンプ部と、
により構成されており、
前記切替部は、前記受光部及び前記アンプ部に印加されるバイアス電圧及び前記負帰還アンプ部に対する正入力電圧を切り替えることにより、前記テラヘルツ波検出部の動作と前記可視光受光部の動作とを切り替えることを特徴とする電子回路。
請求項１に記載の電子回路において、
前記テラヘルツ波検出部としての前記負帰還アンプ部は、当該負帰還アンプ部における帰還信号を前記第１出力信号として出力することを特徴とする電子回路。
請求項１又は請求項２に記載の電子回路において、
前記アンプ部はカスコード接続されたトランジスタを含み、
前記可視光受光部としての前記第２出力信号は、前記カスコード接続における前記トランジスタ同士の接続点から出力されることを特徴とする電子回路。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電子回路において、
前記切替部は、前記バイアス電圧及び前記正入力電圧を予め設定された時間ごとに切り替えることにより、前記テラヘルツ波検出部の動作と前記可視光受光部の動作とを切り替えることを特徴とする電子回路。
請求項４に記載の電子回路において、
前記切替部は、前記バイアス電圧及び前記正入力電圧を前記時間ごとに交互に切り替えることにより、前記テラヘルツ波検出部の動作と前記可視光受光部の動作とを交互に切り替えることを特徴とする電子回路。
請求項４又は請求項５に記載の電子回路において、
前記予め設定された時間を変更する変更部を更に備えることを特徴とする電子回路。
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載された電子回路が複数集積されたことを特徴とするイメージング回路。
テラヘルツ帯の周波数を有するテラヘルツ波を検出し当該テラヘルツ波の強度を示す第１出力信号を出力するテラヘルツ波検出部と、可視光を受光し当該可視光の強度を示す第２出力信号を出力する可視光受光部と、が、一の基板上に形成された電子回路において実行される検出／受光方法であって、
前記テラヘルツ波検出部は、前記テラヘルツ波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナに接続されたアンプ部と、前記アンプ部に接続されて前記第１出力信号を出力する負帰還アンプ部と、により構成されており、
前記可視光受光部は、前記可視光を受光する受光部と、前記受光部に接続され且つ前記第２出力信号を出力する前記アンプ部と、前記アンプ部に接続された前記負帰還アンプ部と、により構成されており、
前記受光部及び前記アンプ部に印加されるバイアス電圧及び前記負帰還アンプ部に対する正入力電圧を切り替えることにより、前記テラヘルツ波検出部の動作と前記可視光受光部の動作とを切り替える切替工程を含むことを特徴とする検出／受光方法。