(57)【要約】【課題】被写体の状態に依存すること無く、良好な画像を得ることが可能な小型のイメージセンサ及び電磁波イメージング装置を提供する。【解決手段】２次元状に配置された複数の画素４０１を備えるイメージセンサであって、画素４０１は、フォトダイオード３０２及びフォトダイオード３０２’から構成されるフォトダイオード対と、フォトダイオード対と接続され、フォトダイオード対で発生した信号を読み出して出力する読み出し回路と、読み出し回路と接続され、フォトダイオード３０２から読み出された信号と、フォトダイオード３０２’から読み出された信号との差分に対応する差分信号を出力する差分回路とを備える。【選択図】図７
2009055479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元状に配置された複数の画素部を備えるイメージセンサであって、
前記画素部は、
第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードと、
前記第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードと接続され、前記第１フォトダイオードで発生した信号及び第２フォトダイオードで発生した信号を読み出して出力する読み出し回路と、
前記読み出し回路と接続され、前記第１フォトダイオードから読み出された信号と、前記第２フォトダイオードから読み出された信号との差分に対応する差分信号を出力する差分回路とを備える
ことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記画素部は、さらに、前記差分信号を積分し、前記積分された差分信号を画素信号として出力する積分回路を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記積分回路は、一方の入力端子が前記差分回路の出力と接続され、他方の入力端子が定電位と接続されたオペアンプと、前記オペアンプの一方の入力端子と前記オペアンプの出力端子との間に挿入されたフィードバック容量とを有する
ことを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記読み出し回路は、前記第１フォトダイオードで発生した信号及び前記第２フォトダイオードで発生した信号を同時に出力し、
前記差分回路は、一方の端子が前記第１フォトダイオードと接続され、他方の端子が前記第２フォトダイオードと接続された第１容量から構成される
ことを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
前記積分回路は、定電流負荷を持つソースフォロア回路を構成する第１トランジスタと、前記第１トランジスタのゲートと定電位との間に挿入された第２容量とを有し、
前記積分回路では、前記差分信号が前記第１トランジスタのゲート及びソース間の電圧として入力される
ことを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項６】
前記積分回路は、ソースが接地された第２トランジスタと、前記第２トランジスタのゲート及びドレイン間に挿入された第３容量とを有し、
前記積分回路では、前記差分信号が前記第２トランジスタのゲート及びソース間の電圧として入力される
ことを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項７】
前記読み出し回路は、前記第１フォトダイオードで発生した信号及び前記第２フォトダイオードで発生した信号を順次出力し、
前記差分回路は、前記読み出し回路から順次出力された信号の差分に対応する差分信号を蓄積する第４容量を持つ相関二重サンプリング回路から構成される
ことを特徴とする請求項５又は６に記載のイメージセンサ。
【請求項８】
前記第４容量の容量値は、前記第２容量又は第３容量の容量値よりも大きい
ことを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサ。
【請求項９】
前記積分回路は、さらに、前記第４容量と並列に接続され、所定の電圧に充電された第５容量を有する
ことを特徴とする請求項７又は８に記載のイメージセンサ。
【請求項１０】
前記相関二重サンプリング回路のクランプ電圧は、前記第１トランジスタ又は第２トランジスタの閾値電圧より小さい
ことを特徴とする請求項７又は８に記載のイメージセンサ。
【請求項１１】
前記画素信号の生成は、一画面分のデータ蓄積時間内に行われる
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
【請求項１２】
前記イメージセンサは、さらに、前記第１フォトダイオードの上に配置された第１偏光フィルターと、前記第２フォトダイオードの上に配置された第２偏光フィルターとを備え、
前記第１偏光フィルター及び前記第２偏光フィルターは、異なる偏光透過特性を有する
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
【請求項１３】
前記イメージセンサは、さらに、前記第１フォトダイオードの上に配置された第１波長フィルターと、前記第２フォトダイオードの上に配置された第２波長フィルターとを備え、
前記第１波長フィルター及び前記第２波長フィルターは、異なる波長透過特性を有する
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
【請求項１４】
電磁波を発生する電磁波源と、
プローブ光を発生する光源と、
被写体を透過又は反射した後の前記電磁波を前記プローブ光と重畳する重畳光学素子と、
前記重畳された電磁波とプローブ光とが入射され、前記電磁波の電界に応じて前記プローブ光の特定の物理量を変調する電気光学変調素子と、
前記変調後のプローブ光を撮像する請求項１〜１３のいずれか１項に記載のイメージセンサとを備える
ことを特徴とする電磁波イメージング装置。
【請求項１５】
前記光源は、パルス状のプローブ光を発生し、
前記イメージセンサは、前記パルスに同期して前記撮像を行う
ことを特徴とする請求項１４に記載の電磁波イメージング装置。
【請求項１６】
請求項９に記載のイメージセンサの駆動方法であって、
前記第５容量の所定の電圧を前記積分回路に入力する電位入力ステップと、
前記電位入力ステップの後に、差分信号を前記積分回路に入力する信号入力ステップとを含む
ことを特徴とするイメージセンサの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサ及びその応用装置に関し、特にＴＨｚ電磁波をイメージングするイメージセンサ及び電磁波イメージング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、セキュリティ検査、医療検査、食品分析、薬品分析、環境モニター等を目的として、ＴＨｚ帯電磁波イメージング装置の開発が進められている（非特許文献１及び２、並びに特許文献１、２及び３参照）。
【０００３】
これらの技術においては、ＴＨｚ電磁波源より発せられた周波数０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚの領域にある電磁波(以下、ＴＨｚ電磁波と称する)を被検査物に照射し、その透過または反射波の強度または位相空間分布に該被検査物の物理特性（形状、材質など）の空間分布情報を変調量として担わせ、これを受信することにより被検査物の物理特性の空間分布情報を２次元画像として構成する。
【０００４】
被検査物の２次元情報を得る方法としては、当初、非特許文献２に記載されているように、照射ＴＨｚ電磁波ビームをレンズによって該被検査物の一部に集束し、該被検査物を走査し、変調されたＴＨｚ電磁波を１次元情報のみ受信可能な受信器によって逐次受信し、２次元情報を構成するという方法が取られた。
【０００５】
しかし、この方法では２次元情報の全データを採取するために数時間という長時間を要し、実時間で検査を終了させることが要求される検査装置としては非実用的であった。
【０００６】
この欠点を補う方法として、図１６に示すＴＨｚ電磁波イメージング装置が非特許文献３で報告されている。
【０００７】
図１６において、超短パルス光源１６０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッター１６０２によりＰ偏光はポンプ光１６０３として分離され、Ｓ偏光はプローブ光１６０４として分離される。
【０００８】
ポンプ光１６０３は光学遅延線１６０５を経て、半絶縁性ＧａＡｓウエハー上に間隔１０ｍｍをおいて形成された電極対を有する光伝導スイッチによって構成されたＴＨｚ電磁波エミッター１６０６に入射され、ＴＨｚ電磁波１６０７が発生される。このようにして発生されたＴＨｚ電磁波１６０７は極めてコリメート性が高く幅の広いビームであり、ＴＨｚ電磁波の進行方向に対して垂直な面において２次元的な透過分布を有する被測定物１６０８に照射される。
【０００９】
被測定物１６０８を通過したＴＨｚ電磁波１６０７は被測定物の２次元透過特性に伴い、空間的に強度変調されたビームとなる。これをポリエチレンレンズ１６０９によって、後段のＺｎＴｅ結晶よりなる電界変調器１６１３内に結像する。
【００１０】
プローブ光１６０４はプローブ光進路変更用ミラー１６１０で進路変更され、さらにビームエクスパンダー１６１１によってビーム幅が広げられた後、シリコンウエハーで構成されたシリコンミラー１６１２に入射し、シリコンミラー１６１２を透過した強度変調されたＴＨｚ電磁波１６０７と光軸を共有する。言い換えれば、重畳される。
【００１１】
重畳されたプローブ光１６０４とＴＨｚ電磁波１６０７とは、[１１０]面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる電界変調器１６１３に入射する。
【００１２】
電界変調器１６１３の後段には、位相板１６１４、プローブ光１６０４に直交する偏波面を有する直線偏光のみ透過させる偏光板１６１５、及び偏光板１６１５からの透過光を受光する一画素あたり１つのフォトダイオードを有する２次元ＣＭＯＳイメージセンサ１６１６がこの順に配置される。
【００１３】
偏光板１６１５の透過光量を最小限に抑制しつつ、得られる画像の信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）を最大にするために、位相板１６１４はその後段において、ＴＨｚ電磁波１６０７がプローブ光１６０４の各パルスと同時に電界変調器１６１３に入射しない場合、すなわちＴＨｚ電磁波パルスとプローブパルスとが非同期の場合には、プローブ光１６０４の偏波面が偏光板１６１５の透過偏波面に直交する方向から２〜３°程度の偏角を成すように設定する。
【００１４】
このように、プローブ光を直線偏波で用いると共にその偏波面を制御することによって偏光板を透過する光量を抑制することを、以下ではプローブ光の位相バイアスを抑制すると言う。
【００１５】
両パルス間の同期が取れていない場合、ＣＭＯＳイメージセンサ１６１６には光量の抑制されたプローブ光１６０４、つまり微小バイアス量に相当する偏光板からの透過光が入射する。しかし、電界変調器１６１３にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスとが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合に、電界変調器１６１３に透過後のプローブ光の偏光状態はＴＨｚ電磁波と非同期の場合に比べて偏角がさらに０．０２°程度回転しているため、１％程度の強度変調量を期待できる。
【００１６】
本装置では、連続する２つのプローブ光パルスに各々ＴＨｚ電磁波によって変調された情報、及び未変調の情報を担わせ、これらの連続する２つのプローブ光パルスによって形成される連続する２画面の情報を、同期回路１６１７によってプローブ光のパルス周期とレーザー光源のパルス周期と同期を取ることによって取りこむ。時間的に先に取り込んだ画像を一時保存し次の画像信号が出力される期間に、両画像間の差分を画像処理回路１６１８によって演算することによってＴＨｚ電磁波によって形成された被測定物１６０８の透過特性の画像を得る。
【特許文献１】特開２００２−５８２８号公報
【特許文献２】特開２００４−２０５０４号公報
【特許文献３】特開２００５−３７２１３号公報
【非特許文献１】Kiyomi Sakai ed., “Terahertz Optoelectronics”, Springer Verlag, 2005, pp.331-pp.381.
【非特許文献２】B. B. Hu and M. C. Nuss, Opt. Lett. Vol.20, p.1716, (1995).
【非特許文献３】F. Miyamaru, T. Yonera, M. Tani and M. Hangyo, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, p.L489-L491, (2004).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかし、上記の従来の技術においては、次の課題が生じる。
すなわち、上述のように１枚の偏光板によって一方向の偏光成分のみを信号として使用するため、プローブ光がＴＨｚ電磁波によって未変調の時の画像データと変調された時の画像データとを異なる時刻で取得し、両画像間の差分を出力する必要がある。このような方法では、静止画等の２画像を取得するのに要する時間に比して、十分に長い時間内で移動する被写体については、実物を再現することが可能である。しかし、画像取得時間と同等以下の短時間で移動、運動する被写体については像の歪み、ボケなどが発生し、良好な画像を得ることができない。また、時間差の発生する２画像の取得と先行して取得された一画面分のデータを一時保存する回路が必要となるため、装置が大型化する。
【００１８】
また、この従来の技術では、未変調時においてイメージセンサに入射する光の強度を極力抑え、イメージセンサの画素への光信号の加入力を回避するために、未変調時のプローブ光の偏光状態を直線偏光とし、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の偏光状態を楕円偏光とするが、このような位相バイアス点では電界変調方式により得られる画像の信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）を最大にできない。得られる信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）を最大とするには、理想的には未変調時には偏光フィルターに入射するプローブ光が円偏光であり、互いに直行する偏光成分を等量有することが好ましい（Yariv, A.,（多田、神谷共訳）“光エレクトロニクスの基礎”, 丸善、pp.245, (1974)）。この方式を実現するにはプローブ光を等しい強度に分割し互いに直交する２種類の偏光板を透過せしめ、かつ、各々の後段に独立したイメージセンサを配置し、両センサで得られる２画像間の差分を取る必要がある。その結果、複数のイメージセンサが必要となり、装置が複雑化する。
【００１９】
さらに、この従来の技術においては、信号レベルが低い場合にＳ／Ｎ比を向上させるためには、多数の画面を取得蓄積する必要があり、多大な外部メモリ及び長い画像取得時間が必要となり、非実用的である。
【００２０】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、被写体の状態に依存すること無く、良好な画像を得ることが可能な小型のイメージセンサ及び電磁波イメージング装置を提供することを第１の目的とする。
【００２１】
また、プローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ回路を飽和させることもなしに、変調されたプローブ光の変調量を検出可能なイメージセンサ及び電磁波イメージング装置を提供することを第２の目的とする。
【００２２】
また、信号レベルが低い場合でもＳ／Ｎ比を向上させることが可能なイメージセンサ及び電磁波イメージング装置を提供することを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決するために本発明のイメージセンサは、２次元状に配置された複数の画素部を備えるイメージセンサであって、前記画素部は、第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードと、前記第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードと接続され、前記第１フォトダイオードで発生した信号及び第２フォトダイオードで発生した信号を読み出して出力する読み出し回路と、前記読み出し回路と接続され、前記第１フォトダイオードから読み出された信号と、前記第２フォトダイオードから読み出された信号との差分に対応する差分信号を出力する差分回路とを備えることを特徴とする。ここで、前記イメージセンサは、さらに、前記第１フォトダイオードの上に配置された第１偏光フィルターと、前記第２フォトダイオードの上に配置された第２偏光フィルターとを備え、前記第１偏光フィルター及び前記第２偏光フィルターは、異なる偏光透過特性を有してもよい。また、前記イメージセンサは、さらに、前記第１フォトダイオードの上に配置された第１波長フィルターと、前記第２フォトダイオードの上に配置された第２波長フィルターとを備え、前記第１波長フィルター及び前記第２波長フィルターは、異なる波長透過特性を有してもよい。
【００２４】
本構成とすることによって、偏波面の方向や波長について変調されたプローブ光の変調量の検出にこのイメージセンサを用いる場合には、第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードのそれぞれにフィルターを形成し、所定の基準状態、例えばプローブ光の変調量が０である場合、つまりプローブ光が変調されていない状態において、各々のフォトダイオードに入射するプローブ光の光量が等しくなるように設定される。
【００２５】
例えば、未変調光には円偏光となるプローブ光を２つのフォトダイオードに入射し、第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードのそれぞれに等量の電荷を発生させることによって、出力を抑止する。そして、変調時には、フィルター特性の違いによって変調量に応じた受光量の差をそれぞれのフォトダイオードについて生ぜしめ、蓄積電荷量の差に応じた差分信号を検出することが可能となる。従って、未変調光が入射した場合では２つのフォトダイオードで発生する電流は信号に寄与することは無く、変調光が入射した場合のみ変調光に起因する信号を検出することが可能となる。
【００２６】
これにより、２つのフォトダイオード間の信号の差分を一画面信号蓄積期間内で出力することが可能となる。従って、プローブ光が未変調の時の画像データと変調された時の画像データとを異なる時刻で取得する必要がない。また、時間差の発生する２画像の取得と先行して取得された一画面分のデータを一時保存する外部メモリ等の回路が必要ない。その結果、被写体の状態に依存すること無く、良好な画像を得ることが可能な小型のイメージセンサが得られる。また、高速に画像を出力させることが可能なイメージセンサが得られる。
【００２７】
また、プローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ信号量低下を伴わず、変調されたプローブ光の変調量を検出可能なイメージセンサが得られる。
【００２８】
また、全ての画素部について並列に差分演算を実行し、並列に差分信号を出力させることができるので、より高速の出力動作が可能なイメージセンサが得られる。
【００２９】
また、前記画素部は、さらに、前記差分信号を積分し、前記積分された差分信号を画素信号として出力する積分回路を備えてもよい。
【００３０】
本構成とすることによって、微小な差分信号を繰り返し読み出し、積分回路によって差分信号を積算し、ノイズ成分を低減することができるので、信号レベルが低い場合でもＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００３１】
また、前記積分回路は、一方の入力端子が前記差分回路の出力と接続され、他方の入力端子が定電位と接続されたオペアンプと、前記オペアンプの一方の入力端子と前記オペアンプの出力端子との間に挿入されたフィードバック容量とを有してもよい。
【００３２】
このような構成とすることによって、微小な差分信号をフィードバック容量に積算し、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能となる。
【００３３】
また、前記読み出し回路は、前記第１フォトダイオードで発生した信号及び前記第２フォトダイオードで発生した信号を同時に出力し、前記差分回路は、一方の端子が前記第１フォトダイオードと接続され、他方の端子が前記第２フォトダイオードと接続された第１容量から構成されてもよい。
【００３４】
このような構成とすることによって、通常使用される多数のトランジスタよりなる差分回路によらず最小の回路素子数で差分演算を実現することが可能となる。その結果、小型のイメージセンサが得られる。
【００３５】
また、前記積分回路は、定電流負荷を持つソースフォロア回路を構成する第１トランジスタと、前記第１トランジスタのゲートと定電位との間に挿入された第２容量とを有し、前記積分回路では、前記差分信号が前記第１トランジスタのゲート及びソース間の電圧として入力されてもよい。
【００３６】
このような構成とすることによって、多数のトランジスタを必要とする演算増幅器を用いずに少ないトランジスタ数で積分演算を実現することが可能となる。特に、ソースフォロアを定電流負荷とした場合には、積分回路の入出力信号間の比例関係が保たれ、定量的な信号演算が可能となる。同時に、積分時の非線形動作に伴う信号レベルの飽和が抑圧され、高いＳ／Ｎ比と広いダイナミックレンジを実現することが可能となる。
【００３７】
また、前記積分回路は、ソースが接地された第２トランジスタと、前記第２トランジスタのゲート及びドレイン間に挿入された第３容量とを有し、前記積分回路では、前記差分信号が前記第２トランジスタのゲート及びソース間の電圧として入力されてもよい。
【００３８】
このような構成とすることによって、多数のトランジスタを必要とする演算増幅器を用いずに少ないトランジスタ数で積分動作を実現することが可能となる。
【００３９】
また、前記読み出し回路は、前記第１フォトダイオードで発生した信号及び前記第２フォトダイオードで発生した信号を順次出力し、前記差分回路は、前記読み出し回路から順次出力された信号の差分に対応する差分信号を蓄積する第４容量を持つ相関二重サンプリング回路から構成されてもよい。
【００４０】
このような構成とすることによって、第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードからの信号が共通のノイズ成分を有するので、通常フォトダイオードの信号成分を出力する際に必要としていたリセット信号とフォトダイオード信号との間の差分演算を第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードの信号間の差分演算時に同時に行うことが可能となる。さらに、第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードの信号間の差分を少ない素子数で得ることが可能となる。特に第１フォトダイオードの信号が差分回路に入力される期間と第２フォトダイオードの信号が差分回路に入力される期間において、相関二重サンプリング回路を構成する直列に配置された２つの容量の接続点電圧を異なる電圧に設定することによって、２つの容量の後段側容量に第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードの信号間の差分信号を蓄積させることができ、最小の回路素子数で差分演算を実現することができる。
【００４１】
また、前記第４容量の容量値は、前記第２容量又は第３容量の容量値よりも大きくてもよい。
【００４２】
このような構成とすることによって、積分演算時に微弱な差分信号を第４容量及び第２容量又は第３容量の容量比に比例した増幅率で増幅することが可能となり、より高いＳ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【００４３】
また、前記積分回路は、さらに、前記第４容量と並列に接続され、所定の電圧に充電された第５容量を有してもよい。
【００４４】
このような構成とすることによって、第５容量に充電された電圧によって第１トランジスタ又は第２トランジスタが飽和領域で動作するために必要なバイアスを第１トランジスタ又は第２トランジスタのゲートに充電し、第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードの信号間の差分信号を確実に第２容量又は第３容量に充電することができる。
【００４５】
また、前記相関二重サンプリング回路のクランプ電圧は、前記第１トランジスタ又は第２トランジスタの閾値電圧より小さくてもよい。
【００４６】
このような構成とすることで、第５容量による積分回路のバイアス機能を相関二重サンプリング回路のクランプ電圧で実現することができる。従って、第５容量が不要となり、部品点数が大幅に削減できるとともに、回路の安定動作も可能となる。
【００４７】
また、前記画素信号の生成は、一画面分のデータ蓄積時間内に行われてもよい。
このような構成とすることによって、イメージセンサの信号出力動作期間に同期した差分及び積分演算が可能となり、上記高速化された構成と併せることによって実時間でイメージセンサから信号を出力させることが可能となる。
【００４８】
また、本発明は電磁波を発生する電磁波源と、プローブ光を発生する光源と、被写体を透過又は反射した後の前記電磁波を前記プローブ光と重畳する重畳光学素子と、前記重畳された電磁波とプローブ光とが入射され、前記電磁波の電界に応じて前記プローブ光の特定の物理量を変調する電気光学変調素子と、前記変調後のプローブ光を撮像する上記のイメージセンサとを備えることを特徴とする電磁波イメージング装置とすることもできる。
【００４９】
このような構成とすることによって、プローブ光を円偏光状態で入射させるにもかかわらず、電磁波によって変調されていない状態のプローブ光の位相バイアスを抑制せず、また複数のイメージセンサを必要とせず、電磁波によるプローブ光の変調量を同一フレーム期間で出力させることが可能となる。その結果、被写体の状態に依存すること無く、良好な画像を得ることが可能な小型の電磁波イメージング装置を実現できる。また、プローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ回路を飽和させることもなしに、変調されたプローブ光の変調量を検出可能な電磁波イメージング装置を実現できる。
【００５０】
ここで、前記光源は、パルス状のプローブ光を発生し、前記イメージセンサは、前記パルスに同期して前記撮像を行ってもよい。
【００５１】
このような構成とすることによって、差分及び積分演算を信号の入力周期に同期して行うことが可能となり、ノイズ帯域を狭帯域化し、より高いＳ／Ｎ比を実現することができる。
【００５２】
また、本発明は、上記イメージセンサの駆動方法であって、前記第５容量の所定の電圧を前記積分回路に入力する電位入力ステップと、前記電位入力ステップの後に、差分信号を前記積分回路に入力する信号入力ステップとを含むことを特徴とするイメージセンサの駆動方法とすることもできる。
【００５３】
このような構成とすることによって、第５容量及び第４容量の２つの容量が同時に、第２容量又は第３容量すなわち第１トランジスタ又は第２トランジスタのゲートに接続される際に生ずる不安定状態を回避することができ、回路の安定動作が保証される。
【発明の効果】
【００５４】
本発明のイメージセンサによれば、異なるフォトダイオード間の信号の差分を一画面信号蓄積期間内で出力させることが可能となる。特に、フォトダイオード対を形成する各フォトダイオードの上面に異なる偏光特性を有する偏光フィルターを配置することによって、入射光の異なる偏光成分間の差分を一画像形成期間内で出力させることが可能となる。同様に、フォトダイオード対を形成する各フォトダイオードの上面に異なる透過波長特性を有する波長フィルターを配置することによって、入射光の異なる波長成分間の差分を一画像形成期間内で出力させることが可能となる。さらに、イメージセンサに入射する入射光の偏光または波長特性をＴＨｚ電磁波によって電界変調することにより、高速かつ高Ｓ／Ｎ比のＴＨｚ電磁波イメージングを簡便な装置で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係るイメージセンサについて図１〜５を参照しながら説明する。
【００５６】
図１は、本実施形態のイメージセンサの動作原理を示す回路構成図である。
この回路は、近接する一対のフォトダイオード１０１及び１０１’と、一対の読み出し回路１０２及び１０２’と、一対の信号出力回路１０３及び１０３’と、差分回路２０４と、積分回路２０５とを備える。同回路では、フォトダイオード１０１及び１０１’に蓄積された信号電荷が各々読み出し回路１０２及び１０２’によって後段の信号出力回路１０３及び１０３’に転送される。そして、各フォトダイオード１０１及び１０１’からの信号出力は後段の差分回路２０４に入力され、例えば異なる偏光成分あるいは異なる波長成分間の差分信号が検出される。差分出力は極めて微弱であるため、同一データの読み出し動作が繰り返し行われる。各読み出し時の差分信号は後段の積分回路２０５に出力され、該差分信号は積分回路２０５にて蓄積され積算される。ランダムなノイズ成分はこの積算動作時に低減される。
【００５７】
図２は、本実施形態に係るイメージセンサの全体構成を示す図である。
このイメージセンサは、Ｓｉ基板３０１と、複数のフォトダイオード３０２及び３０２’と、複数の偏光フィルター３０３及び３０３’と、信号処理駆動回路３０４と、行走査回路３０５と、列走査回路３０６とを備える。
【００５８】
なお、フォトダイオード３０２は本発明の第１のフォトダイオードの一例であり、フォトダイオード３０２’は本発明の第２のフォトダイオードの一例である。また、偏光フィルター３０３は本発明の第１偏光フィルターの一例であり、偏光フィルター３０３’は本発明の第２偏光フィルターの一例である。
【００５９】
このイメージセンサでは、Ｓｉ基板３０１上に形成された２つのフォトダイオード、つまりフォトダイオード３０２とこれと等価なフォトダイオード３０２'が対を形成している。また、このフォトダイオード対と等価なフォトダイオード対が列方向（Ｘ方向）と行方向（Ｙ方向）との２次元に規則的に配列されている。各フォトダイオード対の周辺には光入射によってフォトダイオード３０２及び３０２’で発生した信号電荷を順次読み出す回路が配置されている。
【００６０】
各フォトダイオード対上には、Ｘ方向またはＹ方向に偏波面を有する偏光のみを透過させる偏光フィルター３０３及び３０３’が配置されている。つまり、フォトダイオード３０２上にはＹ方向に垂直な方向に配列された金属細線よりなるＹ方向偏光のみを透過する偏光フィルター３０３が、フォトダイオード３０２'上にはＸ方向に垂直な方向に配列された金属細線よりなるＸ方向偏光のみを透過する偏光フィルター３０３'が配置されている。
【００６１】
信号処理駆動回路３０４によって、各フォトダイオード対からの信号読み出し動作、及び各フォトダイオード対内のフォトダイオード間の差分信号検出動作、及び該差分信号の積分及び演算処理動作を実行させる駆動信号が１つのフォトダイオード対で形成される画素に分配される。本イメージセンサでは各フォトダイオード対の積分演算処理後の信号が一画素分の画素信号として読み出される。画素信号の読み出しは、行走査回路３０５によって読み出し行を選択させ、列走査回路３０６によって被選択行の各フォトダイオード対の積分演算後の信号を順次水平信号出力線に出力させることより行われる。
【００６２】
図３は、本実施形態に係るイメージセンサの回路構成を示す図であり、図４は、画素４０１内の詳細な回路構成を示す図である。なお、図３において座標系は図２と同等である。
【００６３】
このイメージセンサでは、１つのフォトダイオード対で形成される画素４０１が２次元状に配置され、信号処理駆動回路３０４、行走査回路３０５及び列走査回路３０６からの駆動信号が信号線を介して各画素４０１に分配されている。図２のフォトダイオード３０２及び３０２’で形成される画素は、本発明の画素部の一例であり、画素４０１として示してある。
【００６４】
フォトダイオード３０２及び３０２’が対を形成しており、このフォトダイオード対と接続された読み出し回路によりフォトダイオード対の信号が読み出されて出力される。この読み出し回路は、転送ゲート５０１及び５０１’と、フローティング・ディフュージョン・アンプ５０２及び５０２’と、リセットトランジスタ５０３及び５０３’と、ソースフォロアアンプ５０４及び５０４’と、負荷トランジスタ５０５及び５０５’と、トランジスタ５０６及び５０６’とから構成される。
【００６５】
この読み出し回路では、信号処理駆動回路３０４より発せられたＴＲＡＮＰ及びＴＲＡＮＳ信号により転送ゲート５０１及び５０１’が導通状態となる。転送ゲート５０１及び５０１’と接続されたリセットトランジスタ５０３及び５０３’は、信号処理駆動回路３０４からのリセット信号ＲＳＣＥＬＬにより導通状態となり、フローティング・ディフュージョン・アンプ５０２及び５０２’をリセットする。フォトダイオード対の信号電荷は、リセットされたフローティング・ディフュージョン・アンプ５０２及び５０２’に転送ゲート５０１及び５０１’により転送され、負荷トランジスタ５０５及び５０５’と接続されたソースフォロアアンプ５０４及び５０４’によって電圧信号として読み出し可能状態、すなわち、電圧出力可能状態となる。これらの電圧出力は信号処理駆動回路３０４からの読み出し開始信号ＣＨＧＰ及びＣＨＧＳによってトランジスタ５０６及び５０６’を介して差分回路に出力される。
【００６６】
差分回路は、フォトダイオード３０２から読み出された信号と、フォトダイオード３０２’から読み出された信号との差分に対応する差分信号を出力する回路である。差分回路は、一方の端子がフォトダイオード３０２と接続され、他方の端子がフォトダイオード３０２’と接続された、つまり読み出し回路と接続された容量５０７より構成される。
【００６７】
なお、容量５０７は本発明の第１容量の一例である。
この差分回路では、フォトダイオード３０２から読み出された信号と、フォトダイオード３０２’から読み出された信号とが容量５０７の別々の端子に出力される。該容量５０７はフォトダイオード３０２及び３０２’の差信号に相当する電圧で充電される。容量５０７が充電された後、トランジスタ５０６及び５０６’はオフ状態とされる。このようにして容量５０７に蓄積されたフォトダイオード３０２及び３０２’間の差分信号は、次段の差動入力アンプによって構成される積分回路にて積分される。以下にこの積分回路の構成と動作を説明する。
【００６８】
積分回路は、差分信号を積分して積分された差分信号を画素信号として出力する回路であり、トランジスタ５０８、５０８’及び５０９と、差動増幅器と、この差動増幅器の入出力端子間に接続されたフィードバック容量５１３とから構成される。差動増幅器は、トランジスタ５１０に直列に接続された差動入力段トランジスタ５１１及び５１２を入力段とするオペアンプから構成され、トランジスタ５１０は定バイアス電圧ＶＢでバイアスされて定電流動作をする。すなわち、差動増幅器は、一方の入力端子が差分回路の出力と接続され、他方の入力端子が定電位と接続されたオペアンプから構成されている。
【００６９】
この積分回路では、信号処理駆動回路３０４より得られるＩＮＴＧ信号によりトランジスタ５０９がオン状態となり、かつ、信号処理駆動回路３０４より得られるＤＣＨＧＰ信号によりトランジスタ５０８がオン状態となると、容量５０７のトランジスタ５０８と接続された端子と反対側の端子に充電された電荷は、差動増幅器の仮想接地動作及び電荷保存則からフィードバック容量５１３に完全転送される。この動作を繰り返すことにより、フォトダイオード３０２及び３０２’間の差分信号を繰り返しフィードバック容量５１３に蓄積させて積分することが可能となる。そして、フィードバック容量５１３に蓄積される電荷量に応じて変動する負荷トランジスタ５１４のソース側電圧が画素信号として出力される。所定の回数の差分及び積分演算を施した後、行走査回路３０５より発せられる列選択信号ＲＡＷＳＥＬによってトランジスタ５１５がオン状態とされる。その結果、画素信号は、列走査回路３０６に接続された列信号出力線（垂直出力線）５１６にトランジスタ５１５を介して出力される。その後、行選択信号ＣＯＬＳＥＬによってトランジスタ５２０がオン状態とされ、列信号出力線５１６に出力された画素信号は、画素毎にトランジスタ５２０を介して順次後段の水平信号出力線５２１に出力される。
【００７０】
図５は、図３及び４の回路構成を有するイメージセンサの動作を説明するためのタイミングチャートの一例を示す図である。
【００７１】
一画素分の画素信号の生成、つまりフォトダイオードからの信号の読み出し、差分信号の生成及び差分信号の積分は、一画面分のデータ蓄積時間内に行われる。フォトダイオード３０２及び３０２’の信号間の差分及び積分演算が所定の回数施される期間（信号蓄積及び差分積分演算繰り返し期間）の後に、積分された差分信号（画素信号）が画素から読み出される期間（画素信号読出し期間）が設けられる。これによって、差分及び積分演算を行う期間と画素信号を読み出す期間とを重ならせずに２次元画面データを出力させることができる。
【００７２】
各演算動作終了後、容量５０７を初期化するためにＤＣＨＧＰ信号によって容量５０７の両端がグラウンドにショートされる。また、画素信号読出し期間の後、信号処理駆動回路３０４より得られるＩＮＩＴ信号によって、フィードバック容量５１３が初期化される。このような構成とすることによって各画素内で信号の差分及び積分演算を行った後、演算が行われた信号を画素信号とする一画面分のデータを出力させることができる。
【００７３】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係るイメージセンサについて図６〜９を参照しながら説明する。
【００７４】
図６は、本実施形態に係るイメージセンサにおける画素内の詳細な回路構成を示す図である。なお、図６は図２のフォトダイオード３０２及び３０２’で形成される画素内の回路構成を示している。
【００７５】
本実施形態のイメージセンサにおいても図２のイメージセンサと同様の偏光フィルターがフォトダイオード対毎に配置されており、信号処理駆動回路３０４、行走査回路３０５及び列走査回路３０６は図３と同様に複数の画素４０１が２次元状に配置された画素領域の周辺に配置されている。一方、画素内のフォトダイオード対の信号を読み出す読み出し回路並びに差分及び積算演算を行う差分回路及び積分回路が第１の実施形態のイメージセンサとは異なる。
【００７６】
フォトダイオード３０２及び３０２’が対を形成しており、このフォトダイオード対と接続された読み出し回路によりフォトダイオード対の信号が読み出されて出力される。この読み出し回路は、転送ゲート７０１及び７０１’と、フローティング・ディフュージョン・アンプ７０２と、リセットトランジスタ７０３と、ソースフォロアアンプ７０４と、負荷トランジスタ７０５とから構成される。
【００７７】
フォトダイオード対はフローティング・ディフュージョン・アンプ７０２、及び信号読み出し用のソースフォロアアンプ７０４を共有している。従って、この読み出し回路では、フォトダイオード３０２及び３０２’の信号は時分割によって順次出力される。フォトダイオード対と接続された転送ゲート７０１及び７０１’は、信号処理駆動回路３０４より発せられたＴＲＡＮＰ及びＴＲＡＮＳ信号により導通状態となる。リセットトランジスタ７０３は、信号処理駆動回路３０４からのリセット信号ＲＳＣＥＬＬにより導通状態となり、フローティング・ディフュージョン・アンプ７０２をリセットする。フォトダイオード３０２の信号電荷は、リセットされたフローティング・ディフュージョン・アンプ７０２に転送され、負荷トランジスタ７０５と接続されたソースフォロアアンプ７０４によって電圧信号として読み出し可能状態、すなわち、電圧出力可能状態となる。この電圧出力は、後段の差分及び積分演算を行う差分回路及び積分回路に出力される。この後、もう一方のフォトダイオード３０２’の信号電荷が同様の動作によって後段の差分及び積分演算を行う差分回路及び積分回路に出力される。
【００７８】
本実施形態のイメージセンサにおいては、以上のようにして時系列信号として順次出力される２つのフォトダイオード３０２及び３０２’の差分信号を得る差分回路として、直列に接続された２つの容量７０６及び７０７への電荷の容量分割を用いる相関二重サンプリング回路が用いられる。この相関二重サンプリング回路は、スイッチトランジスタ７０８、７０９及び７１０と、容量７０６及び７０７とから構成される。
【００７９】
なお、容量７０７は、本発明の第４容量の一例である。
スイッチトランジスタ７０８及び７０９は、信号処理駆動回路３０４より得られるクロック信号φ１によって導通状態となる。ソースフォロアアンプ７０４によって先に出力されるフォトダイオード３０２の電圧信号は容量７０６にクランプされる。スイッチトランジスタ７０８及び７１０は信号処理駆動回路３０４より得られるクロック信号φ１'によって導通状態となる。後続してフォトダイオード３０２’の電圧信号が出力されると、容量７０７にはフォトダイオード３０２及び３０２’の出力信号間の差分に比例する電圧ＶCDSがサンプルホールドされる。このような直列容量を用いた相関二重サンプリング方式による差分回路はＣＭＯＳセンサのノイズキャンセラ回路として従来より応用されている（例えばJ. Hynecek, IEEE Trans. Electron Devices, Vol.37, No.10, pp.2193-pp.2200, (1990).参照）。しかし、これらの応用においては該差分回路がイメージセンサの画素領域の外側に配置されている。具体的には、列信号出力線（垂直信号線）に接続された信号処理回路に配置されている。従って、信号処理回路の後段に設けられた水平信号出力線の配線容量の影響を低減するために、該差分回路自体に用いられる２つの容量の容量値も１ｐＦ以上という極めて大きなものにする必要があり、該差分回路はチップ全体の面積においては冗長な領域を占有している。一方、本実施形態のイメージセンサにおいては差分回路が各画素内に配置されるため水平出力回路等による大きな配線容量の影響はなく、差分回路の容量の最大値も０．４ｐＦ以下に低減され、上記のようなチップ面積の冗長性は排除される。
【００８０】
本実施形態のイメージセンサにおいては、以上のようにして容量７０７に蓄積された２つのフォトダイオード間の差分信号は、相関二重サンプリング回路後段の積分回路により積分される。この積分回路は、差分信号を積分して積分された差分信号を画素信号として出力する回路であり、スイッチトランジスタ７１１及び７１２と、容量７１３及び７１７と、トランジスタ７１４、７１６、７１６’、７１８、７１８’及び７１９と、負荷トランジスタ７１５とから構成される。この積分回路では、容量７０７の差分信号がトランジスタ７１４のゲート及びソース間の電圧として入力される。
【００８１】
なお、トランジスタ７１４は本発明の第１トランジスタの一例であり、容量７１７は本発明の第５容量の一例であり、容量７１３は本発明の第２容量の一例である。
【００８２】
信号処理駆動回路３０４より得られる別相クロックφ２によってスイッチトランジスタ７１１及び７１２をオン状態とすることで、容量７０７は、定電流負荷を持つ第２のソースフォロアアンプを構成するトランジスタ７１４のゲート及びソース間に接続される。このとき、トランジスタ７１４の入力段のゲート及びグラウンド間には容量７１３が挿入されており、容量７１３には容量７０７の信号に比例した信号が蓄積される。ここで、トランジスタ７１４は一定バイアス電圧ＶGBでバイアスされた負荷トランジスタ７１５に直列に接続されており、そのドレイン電流も負荷トランジスタ７１５のドレイン電流と等しく一定である。従って、該積分回路の出力電圧としては容量７１３の信号蓄積量に比例した電圧値が得られる。以降この動作を反復することにより、容量７１３にフォトダイオード３０２及び３０２’間の差分信号を蓄積することが可能である。ここで、フォトダイオード３０２の信号を容量７１３にクランプするタイミングと同じタイミングで、一定電圧ＶGB'で充電された容量７１７がフォトダイオード３０２の信号が蓄積された容量７０７と並列に接続される。このとき、一定電圧ＶGB'はトランジスタ７１４の閾値電圧より小さい。容量７１７に充電された電圧によってトランジスタ７１４が飽和領域で動作するために必要なバイアスをトランジスタ７１４のゲートに充電し、フォトダイオード３０２及び３０２’の差分信号を確実に容量７１３に充電する。容量７０７、７１３及び７１７の容量値をそれぞれＣi、Ｃa及びＣBとし、負荷トランジスタ７１５のバイアス電圧をＶGB、容量７１７の充電電圧をＶGB'、クロックφ２が入力する前後のトランジスタ７１４の出力信号をそれぞれＶo、n-1、Ｖo、n、同様に容量７０７の充電電圧をＶi,n-1、さらにトランジスタ７１４及び負荷トランジスタ７１５の閾値電圧をＶT、各ｋ値をｋ1、ｋ2とすると、一般解は以下の式（１）で与えられる。
【００８３】
【数１】
2009055479.tif 000003
【００８４】
従って、容量７１７の充電電圧ＶGB'を以下の式（２）の関係を満たすように設定すれば、負荷トランジスタ７１５のバイアス電圧ＶGBに起因する出力のオフセット電圧を正確にキャンセルすることが可能である。
【００８５】
【数２】
2009055479.tif 000004
【００８６】
さらに容量７０７の容量値Ｃiの値を容量７１３の容量値Ｃaよりも大きい値とすることで電圧Ｖi、n-1の係数Ｃi／Ｃaが１より大きくなり、差分信号を積分するとともに増幅することも可能である。
【００８７】
このようなスイッチトキャパシタとソースフォロアとを用いた積分回路がS. C. Fan, R. Gregorian, G.C. Temes and M. Zomorrdi, Proc. IEEE Int. Symp. Circuits and Systems, pp.334-pp.337, (1980).に報告されている。この積分回路は、図６の積分回路と同様の回路構成を有し、容量７０７、７１３及び７１７の容量値が全て等しい。しかし、スイッチトランジスタ７１１及び７１２、並びにトランジスタ７１８及び７１８’のドレイン電圧が異なるため、各トランジスタのＯＮ抵抗が異なる。従って、クロックφ２入力時にスイッチトランジスタ７１１及び７１２、並びにトランジスタ７１８及び７１８’が同時にＯＮ状態に遷移する際、容量７１３の端子電圧すなわちトランジスタ７１４のゲート電圧が不安定状態になり、過剰ノイズが発生する可能性がある。このような課題を解決するために、本実施形態のイメージセンサにおける積分回路では、容量７１７の充電電圧が積分回路に入力されるタイミングと、差分信号が積分回路に入力されるタイミングとを異ならせることでノイズを低減している。つまり、トランジスタ７１８及び７１８’をφ２とは別相のクロックφ２’で駆動し、同一ノードに接続されるトランジスタが同時に遷移するタイミングを回避することでノイズを低減している。
【００８８】
なお、容量７１３の一端は、グラウンドに接続されるとしたが、所定の固定電位に接続されてもよい。この場合には、トランジスタ７１４のゲートに印加するバイアスを設定することができる。
【００８９】
図７は、図６の回路構成を有するイメージセンサの動作を説明するためのタイミングチャートの一例を示す図である。
【００９０】
一画素分の画素信号の生成、つまりフォトダイオードからの信号の読み出し、差分信号の生成及び差分信号の積分は、一画面分のデータ蓄積時間内に行われる。フォトダイオード３０２及び３０２’の信号間の差分及び積分演算が所定の回数施される期間（信号蓄積及び差分積分演算繰り返し期間）の後に、積分された差分信号（画素信号）が画素から読み出される期間（画素信号読出し期間）が設けられる。これによって、各画素においてＲＡＷＳＥＬ信号及びＣＯＬＳＥＬ信号が同時に立ち上がるタイミングで差分及び積分演算がされた後の信号（画素データ）を列信号出力線（垂直信号線）７２０及びトランジスタ５２０を介して水平信号出力線５２１に出力させることが可能である。このような構成とすることで、第１の実施形態のイメージセンサと同様に、差分及び積分演算を行う期間と画素信号を読み出す期間とを重ならせずに２次元画面データを出力させることができる。
【００９１】
図８は、本実施形態に係るイメージセンサの変形例の画素内の詳細な回路構成を示す図である。
【００９２】
このイメージセンサにおいても、容量７０７に蓄積された２つのフォトダイオード間の差分信号は、相関二重サンプリング回路後段の積分回路により積分される。この積分回路は、差分信号を積分して積分された差分信号を画素信号として出力する回路であり、スイッチトランジスタ７１１及び７１２と、容量７１３と、トランジスタ７１４及び７１９と、負荷トランジスタ７１５とから構成される。
【００９３】
このイメージセンサにおいては、図６に示した回路と比較してバイアス入力用の容量７１７が省略されている。同一ノードに複数のトランジスタが接続される構成を避けることによって、上述のようなトランジスタ７１４の不安定動作を回避することが可能である。トランジスタ７１４を駆動するために必要なバイアス電圧は、図８に示した回路では、グラウンドに接地されている容量７０６の信号入力側とは反対側の端子の電圧として入力することが可能である。容量７０６及び７０７の容量値をそれぞれＣC及びＣSとし、これら直列容量よりなる相関二重サンプリング回路にクロックφ１入力時に容量７０６の信号入力側端子に電圧値Ｖ1の第一の信号（フォトダイオード３０２の信号）が入力され、容量７０６の信号入力側とは反対側の端子にスイッチトランジスタ７０９を介してクランプ電圧Ｖcが入力されるとする。このとき、クランプ電圧Ｖcはトランジスタ７１４の閾値電圧より小さい。スイッチトランジスタ７０９をオフ状態にした後、第２の信号（フォトダイオード３０２’の信号）が入力側端子より入力されると、容量７０６及び７０７の接続点電圧ＶCDSは以下の値となる。
【００９４】
【数３】
2009055479.tif 000005
【００９５】
従って、（１）式においてＶGB’＝０、Ｖｉ＝ＶCDSとし、ＶCの値を
【数４】
2009055479.tif 000006
とすることで、負荷トランジスタ７１５のバイアス電圧ＶGBに起因する出力のオフセット電圧を正確にキャンセルするという（２）式による効果をバイアス容量とこれをスイッチングするトランジスタを用いずに実現できるとともに回路の不安定動作を回避することが可能となる。さらに回路素子数も大幅に削減することが可能となり、より小面積のセンサを構成することが可能となる。
【００９６】
図９は図８の回路構成を有するイメージセンサの動作を説明するためのタイミングチャートの一例を示す図である。なお、信号名の定義は図７と同様である。
【００９７】
一画素分の画素信号の生成、つまりフォトダイオードからの信号の読み出し、差分信号の生成及び差分信号の積分は、一画面分のデータ蓄積時間内に行われる。フォトダイオード３０２及び３０２’の信号間の差分及び積分演算が所定の回数施される期間（信号蓄積及び差分積分演算繰り返し期間）の後に、積分された差分信号（画素信号）が画素から読み出される期間（画素信号読出し期間）が設けられる。これによって、各画素においてＲＡＷＳＥＬ信号及びＣＯＬＳＥＬ信号が同時に立ち上がるタイミングで差分及び積分演算がされた後の信号（画素データ）を列信号出力線７２０及びトランジスタ５２０を介して水平信号出力線５２１に出力させることが可能である。このような構成とすることで、第１の実施形態のイメージセンサと同様に、差分及び積分演算を行う期間と画素信号を読み出す期間とを重ならせずに２次元画面データを出力させることができる。また、図８に示した回路は図６に示した回路と比較して、トランジスタバイアス用の容量７１７をスイッチングするクロックφ２’を省略できる分駆動タイミングにもマージンがある。
【００９８】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係るイメージセンサについて図１０及び１１を参照しながら説明する。
【００９９】
図１０は、本実施形態に係るイメージセンサにおける画素内の詳細な回路構成を示す図である。なお、図１０は図２のフォトダイオード３０２及び３０２’で形成される画素内の回路構成を示している。
【０１００】
本実施形態のイメージセンサにおいても図２のイメージセンサと同様に、偏光フィルターがフォトダイオード対毎に配置されており、信号処理駆動回路３０４、行走査回路３０５及び列走査回路３０６は図３と同様に画素領域の周辺に配置されている。また、画素内のフォトダイオード対の信号を読み出す読み出し回路の構成は第２の実施形態のイメージセンサと同様であり、さらにフォトダイオード間の差分信号を得る差分回路も相関二重サンプリング回路を用いており、第２の実施形態のイメージセンサと同様である。一方、積分演算を行う積分回路は第１及び第２の実施形態のものとは異なる。
【０１０１】
本実施形態のイメージセンサにおいては、容量７０７に充電された２つのフォトダイオード間の差分信号は、相関二重サンプリング回路後段の積分回路により積分される。この積分回路は、差分信号を積分して積分された差分信号を画素信号として出力する回路であり、スイッチトランジスタ７１１と、容量１１０２と、トランジスタ７１９及び１１０１と、負荷トランジスタ１１０３とから構成される。この積分回路では、差分信号がトランジスタ１１０１のゲート及びソース間の電圧として入力される。
【０１０２】
なお、トランジスタ１１０１は本発明の第２トランジスタの一例であり、容量１１０２は本発明の第３容量の一例である。
【０１０３】
このイメージセンサでは、第２の実施形態のイメージセンサと同様の動作により、信号処理駆動回路３０４より得られる別相クロックφ２によってスイッチトランジスタ７１１をオン状態とすることで、２つのフォトダイオード間の差分信号が蓄積された容量７０７が第２のソース接地のトランジスタ１１０１におけるゲート−グラウンド間に接続される。この時、トランジスタ１１０１の入力段のゲート及びドレイン間には容量１１０２が挿入されており、容量７０７の信号電荷に比例した信号電荷が容量１１０２に蓄積される。ここで、トランジスタ１１０１は一定バイアス電圧ＶGBでバイアスされた負荷トランジスタ１１０３に直列に接続されている。また、増幅動作に必要なバイアス電圧は図８のイメージセンサと同様に、相関二重サンプリング回路のスイッチングトランジスタ７０９を介して容量７０６の信号入力側と反対側の端子からクランプ電圧Ｖcとして入力される。このとき、クランプ電圧Ｖcはトランジスタ１１０１の閾値電圧以上である。トランジスタ１１０１のドレイン電流は負荷トランジスタ１１０３のドレイン電流と等しく一定である。従って、積分回路の出力電圧としては容量１１０２の充電量に比例した電圧値が得られる。以降この動作を反復することにより、容量１１０２にフォトダイオード３０２及び３０２’間の差分信号を蓄積することが可能である。
【０１０４】
なお、前述したように、容量７０７の容量値の値を容量１１０２の容量値よりも大きい値とすることで差分信号を積分するとともに増幅することも可能である。
【０１０５】
図１１は図１０の回路構成を有するイメージセンサの動作を説明するためのタイミングチャートの一例を示す図である。なお、このタイミングチャートは図９とほぼ同様である。しかし、出力がトランジスタ７１４でなくトランジスタ１１０１からされる点が異なる。また、図９では出力電圧の位相がソースフォロアの入力電圧と同相であるのに対し、図１１ではソース接地増幅回路で逆相出力（入力の増加に対して信号電圧が減少する）となる点が異なる。
【０１０６】
一画素分の画素信号の生成、つまりフォトダイオードからの信号の読み出し、差分信号の生成及び差分信号の積分は、一画面分のデータ蓄積時間内に行われる。フォトダイオード３０２及び３０２’の信号間の差分及び積分演算が所定の回数施される期間（信号蓄積及び差分積分演算繰り返し期間）の後に、積分された差分信号（画素信号）が画素から読み出される期間（画素信号読出し期間）が設けられる。このとき、行走査回路３０５より得られるＲＡＷＳＥＬ信号及びＣＯＬＳＥＬ信号が同時にオン状態となったタイミングで、トランジスタ１１０１のドレインから取り出される出力電圧が列信号出力線７２０及びトランジスタ５２０を介して一画素分の画素信号として水平信号出力線５２１に出力される。画素信号読出し期間を差分及び積分演算が施された後に行毎に設定することで一画面分のデータの取得を一画面分の信号出力動作と並行して行うことが可能となる。
【０１０７】
（第４の実施形態）
図１２は第１〜３の実施形態に示したイメージセンサを用いたＴＨｚ電磁波イメージング装置の構成例を模式的に示したものである。
【０１０８】
この装置は、超短パルス光源１３０１、偏光ビームスプリッター１３０２、光学遅延線１３０５、ＴＨｚ電磁波エミッター１３０６、ポリエチレンレンズ１３０９、プローブ光進路変更用ミラー１３１０、ビームエクスパンダー１３１１、シリコンミラー１３１２、電界変調器１３１３、１／４波長板１３１４、イメージセンサ１３１５及び画像再生装置１３１６から構成される。
【０１０９】
なお、超短パルス光源１３０１は本発明の光源の一例であり、ＴＨｚ電磁波エミッター１３０６は電磁波源の一例である。また、ポリエチレンレンズ１３０９、プローブ光進路変更用ミラー１３１０、ビームエクスパンダー１３１１及びシリコンミラー１３１２は本発明の重畳光学素子の一例であり、電界変調器１３１３は電気光学変調素子の一例である。
【０１１０】
この装置では、超短パルス光源１３０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッター１３０２によりＰ偏光はポンプ光１３０３として分離され、Ｓ偏光はプローブ光１３０４として分離される。
【０１１１】
ポンプ光１３０３は光学遅延線１３０５を経て、半絶縁性ＧａＡｓウエハー上に間隔１０ｍｍをおいて形成された電極対を有する光伝導スイッチによって構成されたＴＨｚ電磁波エミッター１３０６に入射され、ＴＨｚ電磁波１３０７が発生される。このようにして発生されたＴＨｚ電磁波１３０７は極めてコリメート性の高いビームであり、ＴＨｚ電磁波１３０７の進行方向に垂直な面において２次元的な透過分布を有する被測定物１３０８に照射される。
【０１１２】
被測定物１３０８を通過したＴＨｚ電磁波１３０７は被測定物１３０８の２次元透過特性に伴い、空間的に強度変調されたビームとなる。これをポリエチレンレンズ１３０９によって、後段のＺｎＴｅ結晶よりなる電界変調器１３１３内に結像する。
【０１１３】
プローブ光１３０４はプローブ光進路変更用ミラー１３１０で進路変更され、さらにビームエクスパンダー１３１１によってビーム幅が広げられた後、シリコンウエハーで構成されたシリコンミラー１３１２に入射し、シリコンミラー１３１２を透過した強度変調されたＴＨｚ電磁波１３０７と光軸を共有する。言い換えれば、重畳される。
【０１１４】
重畳されたプローブ光１３０４とＴＨｚ電磁波１３０７は、[１１０]面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる電界変調器１３１３に入射する。
【０１１５】
電界変調器１３１３の後段には、１／４波長板１３１４、及び第１〜３の実施形態で説明したイメージセンサ１３１５がこの順に配置される。
【０１１６】
１／４波長板１３１４は、ＴＨｚ電磁波１３０７がプローブ光１３０４の各パルスと同時に電界変調器１３１３に入射しない場合、すなわちＴＨｚ電磁波パルスとプローブパルスとが非同期の場合には、プローブ光１３０４を完全な円偏光状態に設定する。この時、イメージセンサ１３１５には円偏光が入射するため、Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分は等しく、従って、イメージセンサ１３１５によりプローブ光１３０４を撮像する際には、イメージセンサ１３１５内部の各画素のフォトダイオード対には等量の電流が発生し、フローティング・ディフュージョン・アンプには信号電荷は蓄積されない。
【０１１７】
一方、電界変調器１３１３にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスとが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、プローブ光はその特定の物理量がＴＨｚ電磁波の電界に応じて変調を受け、電界変調器１３１３を透過後のプローブ光の偏光状態はＴＨｚ電磁波１３０７と非同期の場合に比べて、偏光軸が回転し、さらに、楕円偏光となる。従って、１／４波長板１３１４透過後の偏光状態も完全な円偏光とはならず、楕円偏光となる。その結果、イメージセンサ１３１５によりプローブ光１３０４を撮像する際には、イメージセンサ１３１５内部の各画素のフォトダイオード対に入射する光強度も異なり、異なった量の電流が発生するため、フローティング・ディフュージョン・アンプには信号電荷が蓄積され、信号電圧すなわちＴＨｚ電磁波検出信号が出力される。
【０１１８】
以上の原理で検出されたＴＨｚ電磁波検出信号（２次元信号）は画像再生装置１３１６によって出力される。従って、高いＳ／Ｎ比を有する被測定物のＴＨｚ電磁波イメージングを高速に行うことができる。
【０１１９】
また、本実施形態のイメージセンサでは超短パルス光源１３０１のパルス繰り返し周期と同期した同期信号１３１７が直接イメージセンサ１３１５の信号処理駆動回路に入力され、リセット信号のベースクロックとされる。このような同期をかけることによって、パルスに同期した撮像をイメージセンサ１３１５に行わせることができ、レーザー光パルスが被測定物１３０８に入射する期間だけイメージセンサ１３１５に受光動作を行わせ、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能となる。また、パルスの回数だけイメージセンサ１３１５に差分信号の積分動作を行わせることが可能となる。
【０１２０】
以上、本発明のイメージセンサ及び電磁波イメージング装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【０１２１】
例えば、上記実施形態のＴＨｚ電磁波イメージング装置では超短パルス光源のパルス繰り返し周期とイメージセンサの信号処理駆動回路との同期を取った。しかし、図１３に示すように光源としてＣＷレーザー光源１４０１を用い、さらにチョッパー１４０２を設けて図１２と同様の原理でＴＨｚ電磁波イメージングを行うことも可能である。すなわち、ポンプ光１３０３をチョッパー１４０２で間欠的にチョッピングし、このチョッピングの周期信号をイメージセンサの信号処理駆動回路の周期信号と同期をとることも可能である。
【０１２２】
また、本実施形態のイメージセンサでは、偏光特性を変調する電界変調器１３１３が用いられ、各フォトダイオード対上には透過する偏光角が最大となる角度が異なる透過特性を有する偏光フィルター、つまり異なる偏光透過特性を有する偏光フィルターが配置されるとした。しかし、ＴＨｚ電磁波が入射することによって透過波長特性が変化する電界変調器が電界変調器１３１３の代わりに用いられ、イメージセンサ１３１５のフォトダイオード対上に透過波長帯域の異なる波長フィルター、つまり異なる波長透過特性を有する波長フィルターが配置されても同等の効果を得ることが可能である。
【０１２３】
この場合、透過波長特性を変調する電界変調器は、アルミニウムガリウム砒素とガリウム砒素薄膜とを交互に積層した超格子によって構成することができる。また、フォトダイオード対上に配置される波長フィルターとしては、フィルター最大透過率が０．６、半値幅が２０ｎｍのものが用いられる。このような波長フィルターは、例えば、E. Hecht, “Optics”, 4th ed., p.425-p.430, Addison Wesley, San Francisco (2002).に示されるように、多層誘電体薄膜を用いた干渉フィルターをフォトリソグラフィーによって各々のフォトダイオードに別々に作製することで形成できる。
【０１２４】
例えば、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示されるような透過波長特性を持つ２つの波長フィルターが、フォトダイオード対のそれぞれの上に配置される。この波長フィルターを用いたイメージセンサに波長８００ｎｍの光を入射すると、両波長フィルターの透過波長特性は透過ピークを中心に対称であるので、透過光量は等しく、フォトダイオード３０２及び３０２’に発生する光電流も等しい。従って、フローティング・ディフュージョン・アンプには正味の信号電荷は蓄積されず、信号出力は発生しない。一方、入射光の波長が例えば低波長側に５ｎｍシフトした場合には、フォトダイオード３０２上の波長フィルターを透過する光量が増加し、フォトダイオード３０２’上の波長フィルターを透過する光量が減少し、これに従ってフォトダイオード３０２及び３０２’に発生する電流が各々増減する。従って、この発生する電流の差分に相当する信号電荷がフローティング・ディフュージョン・アンプに正味の信号電荷として蓄積され、信号出力を得ることが可能となる。
【０１２５】
その結果、このイメージセンサは入射光の中心波長が定まっており、時間とともに該入射光の中心波長が外乱または別入力信号によってシフトされる場合の波長シフトモニターとして利作用可能である。
【０１２６】
また、上記実施の形態に係るイメージセンサにおいて、画素毎に積分回路が設けられるとした。しかし、各画素に設けられた２つのフォトダイオード間の差分信号が検出可能な程度に十分な大きさのものであれば積分回路は特に画素毎に設けられなくてもよく、各画素は、図１５に示されるような回路構成を有してもよい。すなわち、各画素は、近接する一対のフォトダイオード１０１及び１０１’と、読み出し回路１０２及び１０２’と、信号出力回路１０３及び１０３’と、信号処理回路１０４とを備える回路構成を有してもよい。同回路では、フォトダイオード１０１及び１０１’に蓄積された信号電荷が各々読み出し回路１０２及び１０２’によって後段の信号出力回路１０３及び１０３’に転送される。そして、各フォトダイオード１０１及び１０１’からの信号出力は後段の差分回路よりなる信号処理回路１０４に入力される。
【０１２７】
また、上記実施の形態に係るイメージセンサにおいて、１つの画素には２つのフォトダイオードが含まれるとしたが、これに限られず、３以上の複数のフォトダイオードが含まれてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明は、イメージセンサ及び電磁波イメージング装置に利用可能であり、特にセキュリティ検査装置、食品検査装置、大気センサ、医療診断装置などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るイメージセンサの動作原理を示す回路図である。
【図２】同実施形態に係るイメージセンサの全体構成を示す図である。
【図３】同実施形態に係るイメージセンサの回路構成を示す図である。
【図４】同実施形態に係るイメージセンサの画素内の詳細な回路構成を示す図である。
【図５】同実施形態に係るイメージセンサの動作を説明するためのタイミングチャートの一例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るイメージセンサの画素内の詳細な回路構成を示す図である。
【図７】同実施形態に係るイメージセンサの動作を説明するためのタイミングチャートの一例を示す図である。
【図８】同実施形態に係るイメージセンサの変形例の画素内の詳細な回路構成を示す図である。
【図９】同実施形態に係るイメージセンサの変形例の動作を説明するためのタイミングチャートの一例を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係るイメージセンサの画素内の詳細な回路構成を示す図である。
【図１１】同実施形態に係るイメージセンサの動作を説明するためのタイミングチャートの一例を示す図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係るＴＨｚ電磁波イメージング装置の構成を模式的に示す図である。
【図１３】同実施形態に係るＴＨｚ電磁波イメージング装置の変形例の構成を模式的に示す図である。
【図１４】本発明のイメージセンサの変形例に用いられる波長フィルターの透過波長特性を示す図である。
【図１５】本発明のイメージセンサの変形例の動作原理を示す回路図である。
【図１６】従来のＴＨｚ電磁波イメージング装置の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１３０】
１０１、１０１’、３０２、３０２'    フォトダイオード
１０２、１０２’    読み出し回路
１０３、１０３’    信号出力回路
１０４    信号処理回路
２０４    差分回路
２０５    積分回路
３０１    Ｓｉ基板
３０３、３０３'    偏光フィルター
３０４    信号処理駆動回路
３０５    行走査回路
３０６    列走査回路
４０１    画素
５０１、５０１’、７０１、７０１’    転送ゲート
５０２、５０２’、７０２    フローティング・ディフュージョン・アンプ
５０３、５０３’、７０３    リセットトランジスタ
５０４、５０４’、７０４    ソースフォロアアンプ
５０５、５０５’、５１４、７０５、７１５、１１０３    負荷トランジスタ
５０６、５０６’、５０８、５０８’、５０９、５１０、５１５、５２０、７１４、７１６、７１６’、７１８、７１８’、７１９、１１０１    トランジスタ
５０７、７０６、７０７、７１３、７１７、１１０２    容量
５１１、５１２    差動入力段トランジスタ
５１３    フィードバック容量
５１６、７２０    列信号出力線
５２１    水平信号出力線
７０８、７０９、７１０、７１１、７１２    スイッチトランジスタ
１３０１、１６０１    超短パルス光源
１３０２、１６０２    偏光ビームスプリッター
１３０３、１６０３    ポンプ光
１３０４、１６０４    プローブ光
１３０５、１６０５    光学遅延線
１３０６、１６０６    ＴＨｚ電磁波エミッター
１３０７、１６０７    ＴＨｚ電磁波
１３０８、１６０８    被測定物
１３０９、１６０９    ポリエチレンレンズ
１３１０、１６１０    プローブ光進路変更用ミラー
１３１１、１６１１    ビームエクスパンダー
１３１２、１６１２    シリコンミラー
１３１３、１６１３    電界変調器
１３１４    １／４波長板
１３１５    イメージセンサ
１３１６    画像再生装置
１３１７    同期信号
１４０１    ＣＷレーザー光源
１４０２    チョッパー
１６１４    位相板
１６１５    偏光板
１６１６    ＣＭＯＳイメージセンサ
１６１７    同期回路
１６１８    画像処理回路
【図１】
2009055479.tif 000007
【図２】
2009055479.tif 000008
【図３】
2009055479.tif 000009
【図４】
2009055479.tif 000010
【図５】
2009055479.tif 000011
【図６】
2009055479.tif 000012
【図７】
2009055479.tif 000013
【図８】
2009055479.tif 000014
【図９】
2009055479.tif 000015
【図１０】
2009055479.tif 000016
【図１１】
2009055479.tif 000017
【図１２】
2009055479.tif 000018
【図１３】
2009055479.tif 000019
【図１４】
2009055479.tif 000020
【図１５】
2009055479.tif 000021
【図１６】
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