バイアス印加したボロメータ検出器を備える電磁波検出装置およびその赤外線検出への適用
本電磁波検出装置は、検出した放射線が表すそれぞれの電流（Ｉｍ）を供給する放射線（ＩＲ）検出画素（１０）と、前記画素と接続し、前記画素（１０）が供給する電流を伝送する列（１２）と、伝送列（１２）と接続し、前記画素（１０）が供給する電流を処理する電気モジュール（１４）とを備える。各画素（１０）は、ボロメータ検出器（２０）へのバイアス電圧印加手段（２２）に直列接続しているボロメータ検出器（２０）を含む検出回路（１８）を備え、伝送列（１２）から処理モジュールが（１４）に供給される電流を調節する。装置はさらに、ボロメータ検出器（２０）へバイアス電流を印加し、伝送列（１２）から処理電気モジュール（１４）に供給される電流を調節するバイアス電流印加回路（３４）を有し、前記バイアス電流印可回路（３４）は、検出回路（１８）とは異なり、ボロメータ検出器（２０）とバイアス電圧印加手段（２２）との間に位置する検出回路（１８）の点（３６）でボロメータ検出器（２０）に接続する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波検出装置およびその赤外線検出のための使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、赤外線イメージセンサの使用による赤外線検出に関してより明確に説明しているが、これ以外の可視放射線または紫外線などの放射線の検出分野にも適用できる。
【０００３】
本発明は特に、検出した放射線が表す電流を供給する少なくとも１つの放射線検出画素を備える電磁波検出装置であって、画素がバイアス電圧印加手段に直列接続したボロメータ検出器を備える検出回路を有する検出装置に適用される。
【０００４】
図１はこのような装置を概略的に示しており、この場合はスキャン機能を持つ赤外線イメージセンサである。これと同様の具体例が仏国特許公報第ＦＲ２８４８６６６号にも開示されている。
【０００５】
一般にこの装置は、行列配置した画素というセンサ行列を備えている。図１には、簡略化のために画素１０のみを示している。この画素は、１つの画素列全体に共通の電流を伝送する伝送列１２に接続している。この伝送列１２は、対象となる列の画素から連続的に供給され列１２から伝送される電流を処理するモジュール１４に接続し、各画素が電磁波ＩＲを検出することによって行列画像を表示する。この処理モジュール１４は、列の下の回路１６内にある。
【０００６】
さらに正確には、モジュール１４が実行する処理は、積分器接続を介して画素１０から受け取った電流を積分することである。積分結果は電圧の形で出される。したがって、画素１０が供給する情報を含んでいるのはこの電圧である。次にこの電圧は、検出装置の行列の全画素に関連する全電圧を順に取得するバスに送られる。次に、画素に関連するこの一連の値はビデオアンプに伝送され、検出した電磁波が表す画像を再構築して表示する。
【０００７】
画素１０は、電磁波を検出する電気回路１８を有するセンサである。赤外線撮像の場合、この検出回路１８は一般に、トランジスタ２２に直列接続している非冷却型のマイクロボロメータ検出器２０を有し、トランジスタはこのマイクロボロメータ検出器２０にバイアス電圧を印加する。トランジスタ２２は一般に、電界効果を有するＭＯＳ型トランジスタであり、さらに正確には図１の例に示すｎ型で、マイクロボロメータ検出器２０から供給される電流を取得して処理することができるように電圧発生器に搭載される。
【０００８】
実際マイクロボロメータ検出器２０は、構成材料の一部によって電気抵抗が平均値前後を変化することによって起こる温度変化に反応するセンサである。オームの法則を適用すると、バイアス電圧を印加することによって、イメージセンサの影響を受けるシーンの温度変化に応じて流れる電流を、バイアス印加によって決まる平均値前後に変化させることができる。
【０００９】
従来の方法では、非冷却型のマイクロボロメータ検出器は、
− 電磁波ＩＲを吸収してこの電磁波を熱に変換する手段と、
− 検出器を断熱して検出器を温めることができる手段と、
− 温度による変化が可能な抵抗素子
とを有する。
【００１０】
マイクロボロメータ検出器２０の一方の端子の電位は、値Ｖｄｔに固定されている。したがって、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２によるマイクロボロメータ検出器２０へのバイアス電圧印加は、マイクロボロメータ検出器２０のもう一方の端子に接続しているこのトランジスタのグリッド電圧Ｇｄｔに制御される。そのため、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２は一般に、インジェクショントランジスタまたはバイアストランジスタという。
【００１１】
検出回路１８はさらに、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２とマイクロボロメータ検出器２０とに直列に取り付けられ、この電気回路を通って伝送列１２へ流れる電流Ｉｍを（他の画素と）同期して伝送させる制御スイッチ２４を有する。この電流Ｉｍは、トランジスタ２２を流れる電流Ｉｄｓおよびマイクロボロメータ検出器２０を流れる電流Ｉｂｏｌｏと同じであるため、この電流が変動した場合は検出器から出た有益情報が含まれていることになる。
【００１２】
電流Ｉｂｏｌｏは、次式の関係にある。
【００１３】
【数１】
式中Ｖｓはｎ型ＭＯＳトランジスタ２２のソース電圧、Ｖｄはドレイン電圧、Ｖｄｓはドレイン・ソース電圧、ＲｂｏＩｏはマイクロボロメータ検出器２０の抵抗である。
【００１４】
これにより、図２の下降直線Ｄが示すような電流・電圧特性が現れる。
【００１５】
このほか、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２の端子で得られるこの電流・電圧特性は、グリッドとソースとの間の電圧Ｖｇｓによって決まり、図２に３つの曲線Ｃ１、Ｃ２およびＣ３で示しており、それぞれ電圧Ｖｇｓが取り得る３つの値Ｖｇｓ１、Ｖｇｓ２およびＶｇｓ３に対応している。
【００１６】
従来のように、電圧Ｖｇｓに左右されるこれらの電流・電圧特性はそれぞれ、対象となるトランジスタのいわゆる抵抗モードである第１の部分であって、Ｖｄｓが（Ｖｇｓ−Ｖｔ）よりも小さいかぎり（Ｖｔは対象となるトランジスタの特性の閾値電圧）電流Ｉｄｓの強度が電圧Ｖｄｓとともに増大する部分と、飽和モードである第２の部分であって、Ｖｄｓの値が（Ｖｇｓ−Ｖｔ）よりも大きい場合は電流Ｉｄｓの強度がほぼ一定に保持される部分とを有する。
【００１７】
この２つのモードの間にある飽和限界では、電流Ｉｄｓは次式の関係になる。
【００１８】
【数２】
式中ＷおよびＬはトランジスタのチャンネルの幅および長さ、μｎは電子（ｎチャンネルの大多数のキャリア）の移動度、Ｃｏｘはトランジスタの表面の単位ごとの容量である。
【００１９】
飽和限界にある電圧Ｖｇｓに左右される電流・電圧特性を示す点の集合は、図２に示す放物線Ｐになる。
【００２０】
検出回路１８を正常に動作させるため、トランジスタが飽和限界で動作するようにｎ型ＭＯＳトランジスタ２２のグリッド電圧Ｇｄｔを決定する。その結果、Ｉｂｏｌｏ＝Ｉｄｓ＝Ｉｍの値は、直線Ｄと放物線Ｐとの交点にある動作点となる。
【００２１】
検出回路１８が伝送列１２へ供給するこの電流Ｉｍは、マイクロボロメータ検出器２０からくるためにコモンモードが高く、このコモンモードの前後では温度の変動を表す電流のわずかな変動がみられる。有益情報となるのはむしろこのわずかな変動である。よって、列の上の回路２８には通常ベースクリップ回路２６を備え、このコモンモードを再製して伝送列１２に送るためのベースクリップの電流Ｉｅｂを供給する。このようにすると、電流Ｉｅｂを電流Ｉｍから取り除いて電流Ｉｍのコモンモードを削除することができ、そこから有益な部分のみを保存することができる。
【００２２】
ベースクリップ回路２６は一般に、電界効果ＭＯＳトランジスタ３２、さらに正確には図１の例ではｐ型の電界効果ＭＯＳトランジスタに直列接続している熱化したマイクロボロメータ検出器３０を有する。ｐ型ＭＯＳトランジスタ３２に接続していない熱化したマイクロボロメータ検出器３０の端子は電圧Ｖｅｂに固定され、ｐ型ＭＯＳトランジスタ３２はグリッド電圧Ｇｅｂを受ける。「熱化したマイクロボロメータ検出器」とは、抵抗が一定であり、受けた放射線とは無関係のマイクロボロメータ検出器のことである。
【００２３】
可視化を目的とする信号では劣化が起こる。この劣化は、ボロメータ検出器自体に起因するだけでなく、インジェクショントランジスタ２２や処理モジュール１４の部品などその他の電子素子にも起因する。したがって、ボロメータの雑音が存在するだけでなく、処理する信号を妨害する電子雑音も存在する。このような妨害は、ボロメータ検出器のボロメータ抵抗が平均的に弱い際にとりわけ顕著に現れる。
【００２４】
実際に、ボロメータの平均抵抗値を下げると、バイアス電圧印可トランジスタ２２のインジェクション効率が低下することがわかる。この効率低下により、トランジスタ２２はマイクロボロメータ検出器２０が供給する電流を伝送しにくくなる。
【００２５】
しかし、主な現象は電流雑音の増大である。ボロメータの平均抵抗値が下がると、マイクロボロメータ検出器２０によって生じる電流雑音は減少するが、バイアス電圧印可トランジスタ２２によって生じる電流雑音はトランジスタを流れる電流が増加するためにさらに増大することがわかる。
【００２６】
バイアス電圧印可トランジスタ２２によって生じる電流雑音を減少するために知られている方法が、トランジスタのサイズを拡大することである。実際に、トランジスタが大きいほど雑音は少なくなることがわかる。
【００２７】
しかしながら、部品の寸法に手を加えることは、特に撮像分野においては明らかに慎重な問題である。実際に、検出装置は一般に画素行列で構成されているため、１画素内にある部品はすべて、画素サイズが小さいために窮屈なサイズになっている。ただし、複数画素に共通の部品のなかには、行列外で列および／または行の下および／または上に置くことができるものもある。この場合、窮屈なサイズになることはない。
【００２８】
特にバイアス電圧印可トランジスタ２２の場合、このトランジスタはマイクロボロメータ検出器２０の直近かつ画素１０の内部でこの検出器に直列接続している。よって、トランジスタが画素内にあるかぎりそのサイズには限界がある。
【００２９】
トランジスタを複数の画素に対して共通にすることで、トランジスタのサイズを拡大することを検討できるが、この場合は全体的な設計を全面的に作り変えなければならない。さらに、バイアス電圧印可トランジスタ２２をこのように複数の画素で共有すると、検出装置の動作に新たな制約が生じる。実際、赤外線イメージセンサの中には、「ローリングシャッター（ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｈｕｔｔｅｒ）」現象というスキャンモードに従って有利に動作するものがあり、この現象では連続する複数の行が１つの画像取得を同時に行うことができる。したがって、サイズの大きいバイアス電圧印可トランジスタを複数の画素で共有する場合は、このスキャンモードを検討することは不可能になる。
【００３０】
よって、バイアス電圧印可トランジスタ２２のサイズを拡大するという方法は、前述の総合的性能の課題を解決するには最適ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】仏国特許公報第ＦＲ２８４８６６６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
したがって、このような方法に頼る必要なく前述の課題および制約を少なくとも部分的に緩和することができる電磁波検出装置を備えることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
よって本発明は、検出した放射線が表す電流を供給する少なくとも１つの放射線検出画素を備える電磁波検出装置であって、画素はバイアス電圧印加手段に直列接続しているボロメータ検出器を含む検出回路を有し、この装置はさらに、ボロメータ検出器とバイアス電圧印可手段との間に位置する検出回路の１点でボロメータ検出器に接続する、検出回路とは異なるボロメータ検出器のバイアス電流印加回路を有する検出装置を目的とする。
【００３４】
したがって、ボロメータ検出器に対するこのバイアス電流の印加が、検出回路とは無関係にバイアス電圧印可手段の上流で起こることにより、ボロメータ検出器に必要な電流をもたらし、分岐点に関するキルヒホッフの法則を適用してバイアス電流印加回路の下流を流れる電流を下げつつ最適な方法で動作することができる。その結果、バイアス電流印加回路の下流で発生する電流雑音は減少し、大きいサイズの部品が必要になることはない。
【００３５】
このほか、このバイアス電流の印加は、ボロメータ検出器が供給する電流のコモンモードを少なくとも部分的に補完する役割も果たし、それによってバイアス電圧印可手段の上流に実行されるベースクリップ機能を果たすことに気づく。コモンモードの完全な補完を検討することができれば、この新たな設計により、列の上に位置する通常のベースクリップ構造は必要なくなる。
【００３６】
よってこの新たな設計は、前述した電子雑音の減少と上流のベースクリップとの二重機能を果たすだけでなく、部品の寸法を再設計する必要も行列の全体的な設計を修正する必要もない。
【００３７】
選択的に、バイアス電流印加回路は、電流ソースに取り付けられる電界効果ＭＯＳトランジスタを有する。
【００３８】
同じく選択的に、バイアス電圧印可手段は、電圧発生器に取り付けられる電界効果ＭＯＳトランジスタを有する。
【００３９】
同じく選択的に、バイアス電流印加回路のＭＯＳトランジスタおよびバイアス電圧印可手段のＭＯＳトランジスタは、ｎ型またはｐ型で両者は異なる型である。
【００４０】
同じく選択的に、バイアス電圧印可手段のＭＯＳトランジスタはｐ型である。実際、ｐ型ＭＯＳトランジスタはｎ型ＭＯＳトランジスタよりも雑音が少ないため、バイアス電流印加回路のＭＯＳトランジスタよりもバイアス電圧印可手段のＭＯＳトランジスタがｐ型ＭＯＳトランジスタである方が有利である。
【００４１】
同じく選択的に、バイアス電流印加回路は、バイアス電流印加手段に直列接続するように取り付けられた熱化したボロメータを有する。この場合、バイアス電流印加回路はさらに、最適なベースクリップを実行し、従来のベースクリップ回路は完全に必要なくなる。
【００４２】
同じく選択的に、バイアス電流印加回路は、検出画素内に配置される。回路の寸法が小さいため、画素のサイズが小さくても事実上この回路をこの画素内に搭載することができる。
【００４３】
同じく選択的に、本発明による検出装置は、行列配置した画素行列と、各列に対するバイアス電流印加回路であって、この列の画素すべてに共通でこの列の上に配置される回路とを有する。その結果、大幅な場所の節約になる。
【００４４】
同じく選択的に、ボロメータ検出器は、非冷却型のマイクロボロメータである。実際、このタイプのボロメータは、とりわけボロメータの平均抵抗値が低い場合、本発明が提供する設計に特に適合する。
【００４５】
最後に、本発明は、赤外線タイプの放射線を検出する上に定義したような検出装置の使用も目的とする。
【００４６】
本発明は、添付の図を参照しながら例として挙げたにすぎない以下の説明文を読めば明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】すでに説明したように、先行技術による電磁波検出装置の全体構造の概略図である。
【図２】すでに説明したように、図１の装置の画素の動作点を決定する電流・電圧特性を示すグラフである。
【図３】本発明の第１および第２の実施形態による電磁波検出装置の全体構造の概略図である。
【図４】本発明の第１および第２の実施形態による電磁波検出装置の全体構造の概略図である。
【図５】図３または図４の装置の画素の動作点を決定する電流・電圧特性を示すグラフである。
【図６】本発明の第３および第４の実施形態による電磁波検出装置の全体構造の概略図である。
【図７】本発明の第３および第４の実施形態による電磁波検出装置の全体構造の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図３に示す電磁波検出装置は、前述した先行技術による装置と同じ素子をいくつか備えている。そのため、再度用いるこれらの素子には同じ符号を付している。
【００４９】
したがって、本装置は行列配置した画素行列を有するが、明確にするために画素１０および伝送列１２のみを図示している。
【００５０】
この伝送列１２は、列の下の回路１６内にある電流処理モジュール１４に接続している。
【００５１】
画素１０は、電磁波を検出する電気回路１８を有する。この検出回路１８は、直列接続されるボロメータ検出器２０、ボロメータ検出器２０のｎ型ＭＯＳバイアス電圧印可トランジスタ２２および制御スイッチ２４を有し、この電気回路１８を通って伝送列１２へ流れる電流Ｉｍを同期伝送させる。この電流Ｉｍは、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２を流れる電流Ｉｄｓと同じであるが、図１の装置とは逆に、ボロメータ検出器２０を流れる電流Ｉｂｏｌｏとは同じではない。
【００５２】
実際、画素１０はさらに、ボロメータ検出器２０のバイアス電流印加回路３４を有し、この回路は検出回路１８とは異なり、ボロメータ検出器２０とバイアス電圧を印可するｎ型ＭＯＳトランジスタ２２との間にある検出回路１８の点３６でボロメータ検出器２０と接続している。
【００５３】
バイアス電流印加回路３４は、電源に取り付けられるｐ型ＭＯＳトランジスタ３８を有する。具体的には、この回路の電源は電位Ｖｄｄで給電され、そのグリッドは調節可能な電圧Ｇｏに制御されて所定強度の電流Ｉｏを供給する。
【００５４】
キルヒホッフの法則を分岐点３６に適用することにより、３つの電流Ｉｏ、Ｉｄｓ＝ＩｍおよびＩｂｏｌｏの間には関係式Ｉｄｓ＝Ｉｂｏｌｏ−Ｉｏが成り立つ。
【００５５】
したがって、ボロメータ検出器２０が例えば平均電流約ＩμＡで動作するマイクロボロメータ検出器である場合、Ｉｏが約I−εμＡ（εはＩよりも小さい）に達するようにＧｏを調節することができ、この値はマイクロボロメータ検出器２０が供給する電流のコモンモードと一致するのが有利である。したがって、バイアス電圧を印可するｎ型ＭＯＳトランジスタ２２の端子でεμＡに近似の電流Ｉｄｓが得られ、これによってこのトランジスタによって発生する電流雑音を顕著に減少させることができる。この電流Ｉｄｓ＝Ｉｍがコモンモードではない場合は、処理モジュール１４に供給する有益情報のみを有することが有利である。
【００５６】
このほか、マイクロボロメータ検出器２０の場合、端子間の電圧が所定値ＶｏＶに近ければ最適な動作が得られる。この値は、電圧発生器に取り付けられるｎ型ＭＯＳトランジスタ２２で調節することにより得ることができる。さらに正確には、この値は、マイクロボロメータ検出器２０の一方の端子の電位を値Ｖｄｔに固定し、バイアス電圧を印可するｎ型ＭＯＳトランジスタ２２のグリッド電圧Ｇｄｔを調節してもう一方の端子の電位を点３６で固定することによって得られる。
【００５７】
本発明が提供する設計の範囲内である、バイアス電圧を印可するｎ型ＭＯＳトランジスタ２２があることにより、検出回路１８はこのトランジスタのドレインの辺りにフロート電圧を備えることができ、これによって画素１０が他の行列画素から電圧を絶縁され、一般的な方法で他の画素を読み取る間に画素が妨害されないようになることがわかる。
【００５８】
バイアス電流Ｉｏは、ｐ型ＭＯＳトランジスタ３８のグリッド電圧Ｇｏを介して調節可能であることがわかった。同じように、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２のグリッド電圧Ｇｄｔは、ボロメータ検出器２０にバイアス電圧を印加して電流Ｉｄｓ＝Ｉｍをある程度調節する。したがって、２つのトランジスタ２２および３８のグリッド電圧によって検出回路およびバイアス電流印加回路の３つの分岐線を流れる３つの平均電流、すなわちＩｏ、ＩｂｏｌｏおよびＩｄｓ＝Ｉｍを固定することができる。このようにすると、測定電流Ｉｍが適切な値に達する、つまりｎ型ＭＯＳトランジスタ２２の雑音を抑えるのに十分に小さい値であり、検出したシーンの温度変動によって起こる電流の変動全体を含むのに十分に大きい値に達するような適正な構成にすることができる。
【００５９】
電流Ｉｂｏｌｏは依然として次式の関係にある。
【００６０】
【数３】
ただし、Ｉｄｓ＝Ｉｂｏｌｏ−Ｉｏであり、式中、
【００６１】
【数４】
である。
【００６２】
これは、図５に下降直線Ｄ’で示した電流・電圧特性になる。この特性は直線Ｄと平行だが、縦座標を負の方向に向かってＩｏだけずれている。
【００６３】
検出回路１８を正常に動作させるため、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２のグリッド電圧は、このトランジスタが飽和限界で動作するように決定する。その結果、Ｉｍ＝Ｉｄｓ＝Ｉｂｏｌｏ−Ｉｏの値は、上で定義した直線Ｄ’と放物線Ｐとの交点にある動作点となる。動作点の電流は、図１の装置で得られた電流Ｉｍと比較して大幅に減少している。
【００６４】
検出回路１８から伝送列１２に供給されるこの電流Ｉｍは、Ｉｏの値が正しく設定されていればもはやコモンモードではなくなる。そのためこの電流は、有益情報となるわずかな変動のみを有する。そのため、一般に図１に示したように列の上に備えられるベースクリップ回路２６は、この場合もはや必要ではなくなる。これによって検出装置の設計は簡略化される。
【００６５】
図１に示したような、インジェクショントランジスタを介してボロメータ検出器２０にバイアス電圧を印加しただけの設計とは逆に、図３に示す設計では異なる２つの作用を考慮する必要がある。
【００６６】
第１の作用は、ボロメータ検出器２０は、バイアス電流印加回路３４を介してバイアス電流を受ける。これは、いわばボロメータ検出器２０内の電流をおおまかに調節するということである。
【００６７】
第２の作用は、バイアス電圧を印可するｎ型ＭＯＳトランジスタ２２は、飽和限界にある動作状態で、グリッド電圧Ｇｄｔを基に検出回路１８の新たな動作点を決定する働きをする。図５から明らかなように、この動作点はバイアス電流印加回路３４から印加されるバイアス電流Ｉｏに左右され、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２の端子の平均電流を決定し、その結果、ソース電圧を固定するとともにボロメータ検出器２０の端子の電圧も固定する。
【００６８】
よってｎ型ＭＯＳトランジスタ２２は、ボロメータ検出器２０にバイアス電圧を印加するという図１の設計と同じ役割を果たすが、バイアス電圧を印加するこの機能は第２の作用にしか生じない。このトランジスタのグリッド電圧Ｇｄｔに起こる働きは、ボロメータ検出器２０内の電流および均等状態をさらに細かく調節するということである。
【００６９】
検出回路１８を動作点の１点に向かわせるものは、第１の作用でバイアス電流を印加し、第２の作用でバイアス電圧を印加するという２つの作用である。最終的には次の最適な動作条件が確保される。ボロメータ検出器２０を流れる電流が、バイアス電流と測定電流Ｉｍ＝Ｉｄｓとの和として十分に高いだけでなく、測定電流が、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２によって発生する電流雑音を減少させるのに十分に弱いが有益情報をすべて含むのには十分に強いことであり、いずれの条件にもｎ型ＭＯＳトランジスタ２２の寸法を再設計せずに実現できることである。
【００７０】
さらに、バイアス電圧を印可するｎ型ＭＯＳトランジスタ２２およびバイアス電流を印加するトランジスタ３８は、ｎ型またはｐ型で、両者は異なる型の電界効果ＭＯＳトランジスタであることがわかる。この場合は、トランジスタ２２はｎ型であり、トランジスタ３８はｐ型である。しかし、設計の再構成によってこの逆も可能である。この再構成を提供する本発明の第２の実施形態を図４に示す。
【００７１】
この図では、画素１０は、バイアス電圧を印加するｐ型のトランジスタ２２’およびバイアス電流を印加するｎ型のトランジスタ３８’を有する。さらにこの画素１０の設計は、以下のようにわずかに再構成される。バイアス電流を印加するトランジスタ３８’のソースはアースに接続し、初期には電位Ｖｄｔに固定されていたボロメータ検出器２０の端子は、今度はＶｄｄ−Ｖｄｔに固定される。さらに、電流Ｉｏ、ＩｍおよびＩｂｏｌｏの流れは逆になっているが、これによって上記の式および動作点が変化することはない。
【００７２】
単純に、ｐ型ＭＯＳトランジスタが一般にｎ型ＭＯＳトランジスタよりも雑音が少ないことがわかる。その結果、ｐ型ＭＯＳトランジスタをインジェクショントランジスタ（つまり、バイアス電圧を印加するトランジスタ）として使用する方が有利である。よって第２の実施形態は、この点に関して第１の実施形態よりも良好な結果になる。
【００７３】
このほか、バイアス電流印加回路３４は少なくとも部分的にベースクリップの機能も実行することから、この回路を画素１０に搭載することは必ずしも必要ではない。そのため、本発明の第３の実施形態を示した図６では、バイアス電流印加回路３４は依然として画素１０内の点３６に接続しているが、列の上の回路２８へと移動している。このように、検出装置の画素行列の各列の上にバイアス電流印加回路を配置してもよい。
【００７４】
第１の実施形態の変形例であるこの第３の実施形態によれば、バイアス電流印加回路３４はさらに、制御スイッチ４０を有し、このスイッチは制御スイッチ２４のように作動して情報の読み取りおよび伝送の段階で行列画素を同期させる。
【００７５】
前述した第１の実施形態と同じく、バイアス電流印加回路３４は電流ソースに取り付けられるトランジスタのみを有することができるため、ここでも同じく実行したベースクリップは、動作温度が何度であっても、常に一定に固定されコモンモードであるとみなす値Ｉｏからの単なる減算に相当する。温度が上昇するとボロメータ検出器は温められ、この加熱によって抵抗の平均値が下がり、回路を流れる電流のコモンモードが上がるため、これは最適なベースクリップではない。
【００７６】
この現象に適応させるため、選択的に、電位Ｖｄｄとバイアス電流を印加するｐ型ＭＯＳトランジスタ３８のソースとの間に熱化したボロメータ検出器４２を挿入することができる。この熱化したボロメータ検出器４２もシーンの迅速な変動を受けることなく温められ、バイアス電流印加回路３４のベースクリップ機能を最適化する。このように、図１を参照して説明したベースクリップ機能がここで完全に再現される。
【００７７】
熱化したボロメータ検出器を第１の実施形態の各画素に搭載することもできたが、この選択はバイアス電流印加回路３４が列の上２８に流される場合に用いることが有利である。
【００７８】
最後に、前述のように、設計をわずかに再構成することで、用いた２つのタイプの電界効果ＭＯＳトランジスタを逆にすることも可能である。この再構成を提供する本発明の第４の実施形態を図７に示す。
【００７９】
この図では、画素１０は、バイアス電圧を印加するｐ型のトランジスタ２２’および列の上２８に流されるバイアス電流印加回路３４を有し、バイアス電流を印加するｎ型のトランジスタ３８’を有する。さらに画素１０の設計は、以下のように再構成される。初期には電位Ｖｄｔに固定されていたボロメータ検出器２０の端子は、今度はＶｄｄ−Ｖｄｔに固定される。列の上の回路２８の設計は、以下のように再構成される。バイアス電流を印加するトランジスタ３８’のソースに接続してはない熱化したボロメータ検出器４２の端子は、アースに接続する。さらに、電流Ｉｏ、ＩｍおよびＩｂｏｌｏの流れは逆になっているが、これによって上記の式および動作点が変化することはない。
【００８０】
ここでもまた、インジェクショントランジスタ（すなわちバイアス電圧を印加するトランジスタ）としてｐ型ＭＯＳトランジスタを使用することが有利であることから、第４の実施形態はこの点に関して第３の実施形態よりも良好な結果になる。
【００８１】
本発明の実施形態によれば、前述した装置のうちの１つのようなボロメータ検出器を備える電磁波検出装置によって、ボロメータ検出器に接続する電子部品のサイズをそれほど拡大する必要なく、電子雑音をボロメータの雑音よりも減少させることができることが明らかになる。
【００８２】
したがって、例えば図１および図３の装置に対して実施した比較測定から、総合的な雑音に対する電子雑音の割合は大幅に減少していることがわかる。ボロメータの雑音に対して圧倒的であった電子雑音が比較的減少していることがわかる。一方、信号雑音比は改善しているため、最終的に得られる画像は解像度がさらに向上してさらに高質になる。
【００８３】
このような装置であれば依然として実装は容易であり、初期設計が複雑化したり大幅な再構成をしたりすることもない。全体的な行列の設計を作り直す必要もない。最終的には、初期設計と比較して追加する材料も必ずしも必要ではない。バイアス電流を印加するために追加したトランジスタは、少なくとも部分的にベースクリップの役割も果たす。このトランジスタは、列の上に設置してベースクリップの初期構造の代わりに用いることができる。熱化したボロメータ検出器と直列させて使用する場合は、最適な形でベースクリップの機能も果たす。
【００８４】
さらに、各画素に含まれる電子部品のサイズ拡大を検討する必要もないため、複数の画素でこれらの部品を共有しなくてもよい。「ローリングシャッター」でのスキャンモードも可能である。
【００８５】
結論として、本発明が提供する設計により、マイクロボロメータ検出器用のイメージセンサの性能を向上させることができる。
【００８６】
このようなイメージセンサの開発は、作成した画像の品質の点で、より高性能な赤外線カメラを産業規模で作製するのに適している。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波検出装置およびその赤外線検出のための使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、赤外線イメージセンサの使用による赤外線検出に関してより明確に説明しているが、これ以外の可視放射線または紫外線などの放射線の検出分野にも適用できる。
【０００３】
本発明は特に、検出した放射線が表す電流を供給する少なくとも１つの放射線検出画素を備える電磁波検出装置であって、画素がバイアス電圧印加手段に直列接続したボロメータ検出器を備える検出回路を有する検出装置に適用される。
【０００４】
図１はこのような装置を概略的に示しており、この場合はスキャン機能を持つ赤外線イメージセンサである。これと同様の具体例が仏国特許公報第ＦＲ２８４８６６６号にも開示されている。
【０００５】
一般にこの装置は、行列配置した画素というセンサ行列を備えている。図１には、簡略化のために画素１０のみを示している。この画素は、１つの画素列全体に共通の電流を伝送する伝送列１２に接続している。この伝送列１２は、対象となる列の画素から連続的に供給され列１２から伝送される電流を処理するモジュール１４に接続し、各画素が電磁波ＩＲを検出することによって行列画像を表示する。この処理モジュール１４は、列の下の回路１６内にある。
【０００６】
さらに正確には、モジュール１４が実行する処理は、積分器接続を介して画素１０から受け取った電流を積分することである。積分結果は電圧の形で出される。したがって、画素１０が供給する情報を含んでいるのはこの電圧である。次にこの電圧は、検出装置の行列の全画素に関連する全電圧を順に取得するバスに送られる。次に、画素に関連するこの一連の値はビデオアンプに伝送され、検出した電磁波が表す画像を再構築して表示する。
【０００７】
画素１０は、電磁波を検出する電気回路１８を有するセンサである。赤外線撮像の場合、この検出回路１８は一般に、トランジスタ２２に直列接続している非冷却型のマイクロボロメータ検出器２０を有し、トランジスタはこのマイクロボロメータ検出器２０にバイアス電圧を印加する。トランジスタ２２は一般に、電界効果を有するＭＯＳ型トランジスタであり、さらに正確には図１の例に示すｎ型で、マイクロボロメータ検出器２０から供給される電流を取得して処理することができるように電圧発生器に搭載される。
【０００８】
実際マイクロボロメータ検出器２０は、構成材料の一部によって電気抵抗が平均値前後を変化することによって起こる温度変化に反応するセンサである。オームの法則を適用すると、バイアス電圧を印加することによって、イメージセンサの影響を受けるシーンの温度変化に応じて流れる電流を、バイアス印加によって決まる平均値前後に変化させることができる。
【０００９】
従来の方法では、非冷却型のマイクロボロメータ検出器は、
− 電磁波ＩＲを吸収してこの電磁波を熱に変換する手段と、
− 検出器を断熱して検出器を温めることができる手段と、
− 温度による変化が可能な抵抗素子
とを有する。
【００１０】
マイクロボロメータ検出器２０の一方の端子の電位は、値Ｖｄｔに固定されている。したがって、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２によるマイクロボロメータ検出器２０へのバイアス電圧印加は、マイクロボロメータ検出器２０のもう一方の端子に接続しているこのトランジスタのグリッド電圧Ｇｄｔに制御される。そのため、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２は一般に、インジェクショントランジスタまたはバイアストランジスタという。
【００１１】
検出回路１８はさらに、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２とマイクロボロメータ検出器２０とに直列に取り付けられ、この電気回路を通って伝送列１２へ流れる電流Ｉｍを（他の画素と）同期して伝送させる制御スイッチ２４を有する。この電流Ｉｍは、トランジスタ２２を流れる電流Ｉｄｓおよびマイクロボロメータ検出器２０を流れる電流Ｉｂｏｌｏと同じであるため、この電流が変動した場合は検出器から出た有益情報が含まれていることになる。
【００１２】
電流Ｉｂｏｌｏは、次式の関係にある。
【００１３】
【数１】
式中Ｖｓはｎ型ＭＯＳトランジスタ２２のソース電圧、Ｖｄはドレイン電圧、Ｖｄｓはドレイン・ソース電圧、ＲｂｏＩｏはマイクロボロメータ検出器２０の抵抗である。
【００１４】
これにより、図２の下降直線Ｄが示すような電流・電圧特性が現れる。
【００１５】
このほか、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２の端子で得られるこの電流・電圧特性は、グリッドとソースとの間の電圧Ｖｇｓによって決まり、図２に３つの曲線Ｃ１、Ｃ２およびＣ３で示しており、それぞれ電圧Ｖｇｓが取り得る３つの値Ｖｇｓ１、Ｖｇｓ２およびＶｇｓ３に対応している。
【００１６】
従来のように、電圧Ｖｇｓに左右されるこれらの電流・電圧特性はそれぞれ、対象となるトランジスタのいわゆる抵抗モードである第１の部分であって、Ｖｄｓが（Ｖｇｓ−Ｖｔ）よりも小さいかぎり（Ｖｔは対象となるトランジスタの特性の閾値電圧）電流Ｉｄｓの強度が電圧Ｖｄｓとともに増大する部分と、飽和モードである第２の部分であって、Ｖｄｓの値が（Ｖｇｓ−Ｖｔ）よりも大きい場合は電流Ｉｄｓの強度がほぼ一定に保持される部分とを有する。
【００１７】
この２つのモードの間にある飽和限界では、電流Ｉｄｓは次式の関係になる。
【００１８】
【数２】
式中ＷおよびＬはトランジスタのチャンネルの幅および長さ、μｎは電子（ｎチャンネルの大多数のキャリア）の移動度、Ｃｏｘはトランジスタの表面の単位ごとの容量である。
【００１９】
飽和限界にある電圧Ｖｇｓに左右される電流・電圧特性を示す点の集合は、図２に示す放物線Ｐになる。
【００２０】
検出回路１８を正常に動作させるため、トランジスタが飽和限界で動作するようにｎ型ＭＯＳトランジスタ２２のグリッド電圧Ｇｄｔを決定する。その結果、Ｉｂｏｌｏ＝Ｉｄｓ＝Ｉｍの値は、直線Ｄと放物線Ｐとの交点にある動作点となる。
【００２１】
検出回路１８が伝送列１２へ供給するこの電流Ｉｍは、マイクロボロメータ検出器２０からくるためにコモンモードが高く、このコモンモードの前後では温度の変動を表す電流のわずかな変動がみられる。有益情報となるのはむしろこのわずかな変動である。よって、列の上の回路２８には通常ベースクリップ回路２６を備え、このコモンモードを再製して伝送列１２に送るためのベースクリップの電流Ｉｅｂを供給する。このようにすると、電流Ｉｅｂを電流Ｉｍから取り除いて電流Ｉｍのコモンモードを削除することができ、そこから有益な部分のみを保存することができる。
【００２２】
ベースクリップ回路２６は一般に、電界効果ＭＯＳトランジスタ３２、さらに正確には図１の例ではｐ型の電界効果ＭＯＳトランジスタに直列接続している熱化したマイクロボロメータ検出器３０を有する。ｐ型ＭＯＳトランジスタ３２に接続していない熱化したマイクロボロメータ検出器３０の端子は電圧Ｖｅｂに固定され、ｐ型ＭＯＳトランジスタ３２はグリッド電圧Ｇｅｂを受ける。「熱化したマイクロボロメータ検出器」とは、抵抗が一定であり、受けた放射線とは無関係のマイクロボロメータ検出器のことである。
【００２３】
可視化を目的とする信号では劣化が起こる。この劣化は、ボロメータ検出器自体に起因するだけでなく、インジェクショントランジスタ２２や処理モジュール１４の部品などその他の電子素子にも起因する。したがって、ボロメータの雑音が存在するだけでなく、処理する信号を妨害する電子雑音も存在する。このような妨害は、ボロメータ検出器のボロメータ抵抗が平均的に弱い際にとりわけ顕著に現れる。
【００２４】
実際に、ボロメータの平均抵抗値を下げると、バイアス電圧印可トランジスタ２２のインジェクション効率が低下することがわかる。この効率低下により、トランジスタ２２はマイクロボロメータ検出器２０が供給する電流を伝送しにくくなる。
【００２５】
しかし、主な現象は電流雑音の増大である。ボロメータの平均抵抗値が下がると、マイクロボロメータ検出器２０によって生じる電流雑音は減少するが、バイアス電圧印可トランジスタ２２によって生じる電流雑音はトランジスタを流れる電流が増加するためにさらに増大することがわかる。
【００２６】
バイアス電圧印可トランジスタ２２によって生じる電流雑音を減少するために知られている方法が、トランジスタのサイズを拡大することである。実際に、トランジスタが大きいほど雑音は少なくなることがわかる。
【００２７】
しかしながら、部品の寸法に手を加えることは、特に撮像分野においては明らかに慎重な問題である。実際に、検出装置は一般に画素行列で構成されているため、１画素内にある部品はすべて、画素サイズが小さいために窮屈なサイズになっている。ただし、複数画素に共通の部品のなかには、行列外で列および／または行の下および／または上に置くことができるものもある。この場合、窮屈なサイズになることはない。
【００２８】
特にバイアス電圧印可トランジスタ２２の場合、このトランジスタはマイクロボロメータ検出器２０の直近かつ画素１０の内部でこの検出器に直列接続している。よって、トランジスタが画素内にあるかぎりそのサイズには限界がある。
【００２９】
トランジスタを複数の画素に対して共通にすることで、トランジスタのサイズを拡大することを検討できるが、この場合は全体的な設計を全面的に作り変えなければならない。さらに、バイアス電圧印可トランジスタ２２をこのように複数の画素で共有すると、検出装置の動作に新たな制約が生じる。実際、赤外線イメージセンサの中には、「ローリングシャッター（ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｈｕｔｔｅｒ）」現象というスキャンモードに従って有利に動作するものがあり、この現象では連続する複数の行が１つの画像取得を同時に行うことができる。したがって、サイズの大きいバイアス電圧印可トランジスタを複数の画素で共有する場合は、このスキャンモードを検討することは不可能になる。
【００３０】
よって、バイアス電圧印可トランジスタ２２のサイズを拡大するという方法は、前述の総合的性能の課題を解決するには最適ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】仏国特許公報第ＦＲ２８４８６６６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
したがって、このような方法に頼る必要なく前述の課題および制約を少なくとも部分的に緩和することができる電磁波検出装置を備えることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
よって本発明は、検出した放射線が表す電流を供給する少なくとも１つの放射線検出画素を備える電磁波検出装置であって、画素はバイアス電圧印加手段に直列接続しているボロメータ検出器を含む検出回路を有し、この装置はさらに、ボロメータ検出器とバイアス電圧印可手段との間に位置する検出回路の１点でボロメータ検出器に接続する、検出回路とは異なるボロメータ検出器のバイアス電流印加回路を有する検出装置を目的とする。
【００３４】
したがって、ボロメータ検出器に対するこのバイアス電流の印加が、検出回路とは無関係にバイアス電圧印可手段の上流で起こることにより、ボロメータ検出器に必要な電流をもたらし、分岐点に関するキルヒホッフの法則を適用してバイアス電流印加回路の下流を流れる電流を下げつつ最適な方法で動作することができる。その結果、バイアス電流印加回路の下流で発生する電流雑音は減少し、大きいサイズの部品が必要になることはない。
【００３５】
このほか、このバイアス電流の印加は、ボロメータ検出器が供給する電流のコモンモードを少なくとも部分的に補完する役割も果たし、それによってバイアス電圧印可手段の上流に実行されるベースクリップ機能を果たすことに気づく。コモンモードの完全な補完を検討することができれば、この新たな設計により、列の上に位置する通常のベースクリップ構造は必要なくなる。
【００３６】
よってこの新たな設計は、前述した電子雑音の減少と上流のベースクリップとの二重機能を果たすだけでなく、部品の寸法を再設計する必要も行列の全体的な設計を修正する必要もない。
【００３７】
選択的に、バイアス電流印加回路は、電流ソースに取り付けられる電界効果ＭＯＳトランジスタを有する。
【００３８】
同じく選択的に、バイアス電圧印可手段は、電圧発生器に取り付けられる電界効果ＭＯＳトランジスタを有する。
【００３９】
同じく選択的に、バイアス電流印加回路のＭＯＳトランジスタおよびバイアス電圧印可手段のＭＯＳトランジスタは、ｎ型またはｐ型で両者は異なる型である。
【００４０】
同じく選択的に、バイアス電圧印可手段のＭＯＳトランジスタはｐ型である。実際、ｐ型ＭＯＳトランジスタはｎ型ＭＯＳトランジスタよりも雑音が少ないため、バイアス電流印加回路のＭＯＳトランジスタよりもバイアス電圧印可手段のＭＯＳトランジスタがｐ型ＭＯＳトランジスタである方が有利である。
【００４１】
同じく選択的に、バイアス電流印加回路は、バイアス電流印加手段に直列接続するように取り付けられた熱化したボロメータを有する。この場合、バイアス電流印加回路はさらに、最適なベースクリップを実行し、従来のベースクリップ回路は完全に必要なくなる。
【００４２】
同じく選択的に、バイアス電流印加回路は、検出画素内に配置される。回路の寸法が小さいため、画素のサイズが小さくても事実上この回路をこの画素内に搭載することができる。
【００４３】
同じく選択的に、本発明による検出装置は、行列配置した画素行列と、各列に対するバイアス電流印加回路であって、この列の画素すべてに共通でこの列の上に配置される回路とを有する。その結果、大幅な場所の節約になる。
【００４４】
同じく選択的に、ボロメータ検出器は、非冷却型のマイクロボロメータである。実際、このタイプのボロメータは、とりわけボロメータの平均抵抗値が低い場合、本発明が提供する設計に特に適合する。
【００４５】
最後に、本発明は、赤外線タイプの放射線を検出する上に定義したような検出装置の使用も目的とする。
【００４６】
本発明は、添付の図を参照しながら例として挙げたにすぎない以下の説明文を読めば明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】すでに説明したように、先行技術による電磁波検出装置の全体構造の概略図である。
【図２】すでに説明したように、図１の装置の画素の動作点を決定する電流・電圧特性を示すグラフである。
【図３】本発明の第１および第２の実施形態による電磁波検出装置の全体構造の概略図である。
【図４】本発明の第１および第２の実施形態による電磁波検出装置の全体構造の概略図である。
【図５】図３または図４の装置の画素の動作点を決定する電流・電圧特性を示すグラフである。
【図６】本発明の第３および第４の実施形態による電磁波検出装置の全体構造の概略図である。
【図７】本発明の第３および第４の実施形態による電磁波検出装置の全体構造の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図３に示す電磁波検出装置は、前述した先行技術による装置と同じ素子をいくつか備えている。そのため、再度用いるこれらの素子には同じ符号を付している。
【００４９】
したがって、本装置は行列配置した画素行列を有するが、明確にするために画素１０および伝送列１２のみを図示している。
【００５０】
この伝送列１２は、列の下の回路１６内にある電流処理モジュール１４に接続している。
【００５１】
画素１０は、電磁波を検出する電気回路１８を有する。この検出回路１８は、直列接続されるボロメータ検出器２０、ボロメータ検出器２０のｎ型ＭＯＳバイアス電圧印可トランジスタ２２および制御スイッチ２４を有し、この電気回路１８を通って伝送列１２へ流れる電流Ｉｍを同期伝送させる。この電流Ｉｍは、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２を流れる電流Ｉｄｓと同じであるが、図１の装置とは逆に、ボロメータ検出器２０を流れる電流Ｉｂｏｌｏとは同じではない。
【００５２】
実際、画素１０はさらに、ボロメータ検出器２０のバイアス電流印加回路３４を有し、この回路は検出回路１８とは異なり、ボロメータ検出器２０とバイアス電圧を印可するｎ型ＭＯＳトランジスタ２２との間にある検出回路１８の点３６でボロメータ検出器２０と接続している。
【００５３】
バイアス電流印加回路３４は、電源に取り付けられるｐ型ＭＯＳトランジスタ３８を有する。具体的には、この回路の電源は電位Ｖｄｄで給電され、そのグリッドは調節可能な電圧Ｇｏに制御されて所定強度の電流Ｉｏを供給する。
【００５４】
キルヒホッフの法則を分岐点３６に適用することにより、３つの電流Ｉｏ、Ｉｄｓ＝ＩｍおよびＩｂｏｌｏの間には関係式Ｉｄｓ＝Ｉｂｏｌｏ−Ｉｏが成り立つ。
【００５５】
したがって、ボロメータ検出器２０が例えば平均電流約ＩμＡで動作するマイクロボロメータ検出器である場合、Ｉｏが約I−εμＡ（εはＩよりも小さい）に達するようにＧｏを調節することができ、この値はマイクロボロメータ検出器２０が供給する電流のコモンモードと一致するのが有利である。したがって、バイアス電圧を印可するｎ型ＭＯＳトランジスタ２２の端子でεμＡに近似の電流Ｉｄｓが得られ、これによってこのトランジスタによって発生する電流雑音を顕著に減少させることができる。この電流Ｉｄｓ＝Ｉｍがコモンモードではない場合は、処理モジュール１４に供給する有益情報のみを有することが有利である。
【００５６】
このほか、マイクロボロメータ検出器２０の場合、端子間の電圧が所定値ＶｏＶに近ければ最適な動作が得られる。この値は、電圧発生器に取り付けられるｎ型ＭＯＳトランジスタ２２で調節することにより得ることができる。さらに正確には、この値は、マイクロボロメータ検出器２０の一方の端子の電位を値Ｖｄｔに固定し、バイアス電圧を印可するｎ型ＭＯＳトランジスタ２２のグリッド電圧Ｇｄｔを調節してもう一方の端子の電位を点３６で固定することによって得られる。
【００５７】
本発明が提供する設計の範囲内である、バイアス電圧を印可するｎ型ＭＯＳトランジスタ２２があることにより、検出回路１８はこのトランジスタのドレインの辺りにフロート電圧を備えることができ、これによって画素１０が他の行列画素から電圧を絶縁され、一般的な方法で他の画素を読み取る間に画素が妨害されないようになることがわかる。
【００５８】
バイアス電流Ｉｏは、ｐ型ＭＯＳトランジスタ３８のグリッド電圧Ｇｏを介して調節可能であることがわかった。同じように、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２のグリッド電圧Ｇｄｔは、ボロメータ検出器２０にバイアス電圧を印加して電流Ｉｄｓ＝Ｉｍをある程度調節する。したがって、２つのトランジスタ２２および３８のグリッド電圧によって検出回路およびバイアス電流印加回路の３つの分岐線を流れる３つの平均電流、すなわちＩｏ、ＩｂｏｌｏおよびＩｄｓ＝Ｉｍを固定することができる。このようにすると、測定電流Ｉｍが適切な値に達する、つまりｎ型ＭＯＳトランジスタ２２の雑音を抑えるのに十分に小さい値であり、検出したシーンの温度変動によって起こる電流の変動全体を含むのに十分に大きい値に達するような適正な構成にすることができる。
【００５９】
電流Ｉｂｏｌｏは依然として次式の関係にある。
【００６０】
【数３】
ただし、Ｉｄｓ＝Ｉｂｏｌｏ−Ｉｏであり、式中、
【００６１】
【数４】
である。
【００６２】
これは、図５に下降直線Ｄ’で示した電流・電圧特性になる。この特性は直線Ｄと平行だが、縦座標を負の方向に向かってＩｏだけずれている。
【００６３】
検出回路１８を正常に動作させるため、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２のグリッド電圧は、このトランジスタが飽和限界で動作するように決定する。その結果、Ｉｍ＝Ｉｄｓ＝Ｉｂｏｌｏ−Ｉｏの値は、上で定義した直線Ｄ’と放物線Ｐとの交点にある動作点となる。動作点の電流は、図１の装置で得られた電流Ｉｍと比較して大幅に減少している。
【００６４】
検出回路１８から伝送列１２に供給されるこの電流Ｉｍは、Ｉｏの値が正しく設定されていればもはやコモンモードではなくなる。そのためこの電流は、有益情報となるわずかな変動のみを有する。そのため、一般に図１に示したように列の上に備えられるベースクリップ回路２６は、この場合もはや必要ではなくなる。これによって検出装置の設計は簡略化される。
【００６５】
図１に示したような、インジェクショントランジスタを介してボロメータ検出器２０にバイアス電圧を印加しただけの設計とは逆に、図３に示す設計では異なる２つの作用を考慮する必要がある。
【００６６】
第１の作用は、ボロメータ検出器２０は、バイアス電流印加回路３４を介してバイアス電流を受ける。これは、いわばボロメータ検出器２０内の電流をおおまかに調節するということである。
【００６７】
第２の作用は、バイアス電圧を印可するｎ型ＭＯＳトランジスタ２２は、飽和限界にある動作状態で、グリッド電圧Ｇｄｔを基に検出回路１８の新たな動作点を決定する働きをする。図５から明らかなように、この動作点はバイアス電流印加回路３４から印加されるバイアス電流Ｉｏに左右され、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２の端子の平均電流を決定し、その結果、ソース電圧を固定するとともにボロメータ検出器２０の端子の電圧も固定する。
【００６８】
よってｎ型ＭＯＳトランジスタ２２は、ボロメータ検出器２０にバイアス電圧を印加するという図１の設計と同じ役割を果たすが、バイアス電圧を印加するこの機能は第２の作用にしか生じない。このトランジスタのグリッド電圧Ｇｄｔに起こる働きは、ボロメータ検出器２０内の電流および均等状態をさらに細かく調節するということである。
【００６９】
検出回路１８を動作点の１点に向かわせるものは、第１の作用でバイアス電流を印加し、第２の作用でバイアス電圧を印加するという２つの作用である。最終的には次の最適な動作条件が確保される。ボロメータ検出器２０を流れる電流が、バイアス電流と測定電流Ｉｍ＝Ｉｄｓとの和として十分に高いだけでなく、測定電流が、ｎ型ＭＯＳトランジスタ２２によって発生する電流雑音を減少させるのに十分に弱いが有益情報をすべて含むのには十分に強いことであり、いずれの条件にもｎ型ＭＯＳトランジスタ２２の寸法を再設計せずに実現できることである。
【００７０】
さらに、バイアス電圧を印可するｎ型ＭＯＳトランジスタ２２およびバイアス電流を印加するトランジスタ３８は、ｎ型またはｐ型で、両者は異なる型の電界効果ＭＯＳトランジスタであることがわかる。この場合は、トランジスタ２２はｎ型であり、トランジスタ３８はｐ型である。しかし、設計の再構成によってこの逆も可能である。この再構成を提供する本発明の第２の実施形態を図４に示す。
【００７１】
この図では、画素１０は、バイアス電圧を印加するｐ型のトランジスタ２２’およびバイアス電流を印加するｎ型のトランジスタ３８’を有する。さらにこの画素１０の設計は、以下のようにわずかに再構成される。バイアス電流を印加するトランジスタ３８’のソースはアースに接続し、初期には電位Ｖｄｔに固定されていたボロメータ検出器２０の端子は、今度はＶｄｄ−Ｖｄｔに固定される。さらに、電流Ｉｏ、ＩｍおよびＩｂｏｌｏの流れは逆になっているが、これによって上記の式および動作点が変化することはない。
【００７２】
単純に、ｐ型ＭＯＳトランジスタが一般にｎ型ＭＯＳトランジスタよりも雑音が少ないことがわかる。その結果、ｐ型ＭＯＳトランジスタをインジェクショントランジスタ（つまり、バイアス電圧を印加するトランジスタ）として使用する方が有利である。よって第２の実施形態は、この点に関して第１の実施形態よりも良好な結果になる。
【００７３】
このほか、バイアス電流印加回路３４は少なくとも部分的にベースクリップの機能も実行することから、この回路を画素１０に搭載することは必ずしも必要ではない。そのため、本発明の第３の実施形態を示した図６では、バイアス電流印加回路３４は依然として画素１０内の点３６に接続しているが、列の上の回路２８へと移動している。このように、検出装置の画素行列の各列の上にバイアス電流印加回路を配置してもよい。
【００７４】
第１の実施形態の変形例であるこの第３の実施形態によれば、バイアス電流印加回路３４はさらに、制御スイッチ４０を有し、このスイッチは制御スイッチ２４のように作動して情報の読み取りおよび伝送の段階で行列画素を同期させる。
【００７５】
前述した第１の実施形態と同じく、バイアス電流印加回路３４は電流ソースに取り付けられるトランジスタのみを有することができるため、ここでも同じく実行したベースクリップは、動作温度が何度であっても、常に一定に固定されコモンモードであるとみなす値Ｉｏからの単なる減算に相当する。温度が上昇するとボロメータ検出器は温められ、この加熱によって抵抗の平均値が下がり、回路を流れる電流のコモンモードが上がるため、これは最適なベースクリップではない。
【００７６】
この現象に適応させるため、選択的に、電位Ｖｄｄとバイアス電流を印加するｐ型ＭＯＳトランジスタ３８のソースとの間に熱化したボロメータ検出器４２を挿入することができる。この熱化したボロメータ検出器４２もシーンの迅速な変動を受けることなく温められ、バイアス電流印加回路３４のベースクリップ機能を最適化する。このように、図１を参照して説明したベースクリップ機能がここで完全に再現される。
【００７７】
熱化したボロメータ検出器を第１の実施形態の各画素に搭載することもできたが、この選択はバイアス電流印加回路３４が列の上２８に流される場合に用いることが有利である。
【００７８】
最後に、前述のように、設計をわずかに再構成することで、用いた２つのタイプの電界効果ＭＯＳトランジスタを逆にすることも可能である。この再構成を提供する本発明の第４の実施形態を図７に示す。
【００７９】
この図では、画素１０は、バイアス電圧を印加するｐ型のトランジスタ２２’および列の上２８に流されるバイアス電流印加回路３４を有し、バイアス電流を印加するｎ型のトランジスタ３８’を有する。さらに画素１０の設計は、以下のように再構成される。初期には電位Ｖｄｔに固定されていたボロメータ検出器２０の端子は、今度はＶｄｄ−Ｖｄｔに固定される。列の上の回路２８の設計は、以下のように再構成される。バイアス電流を印加するトランジスタ３８’のソースに接続してはない熱化したボロメータ検出器４２の端子は、アースに接続する。さらに、電流Ｉｏ、ＩｍおよびＩｂｏｌｏの流れは逆になっているが、これによって上記の式および動作点が変化することはない。
【００８０】
ここでもまた、インジェクショントランジスタ（すなわちバイアス電圧を印加するトランジスタ）としてｐ型ＭＯＳトランジスタを使用することが有利であることから、第４の実施形態はこの点に関して第３の実施形態よりも良好な結果になる。
【００８１】
本発明の実施形態によれば、前述した装置のうちの１つのようなボロメータ検出器を備える電磁波検出装置によって、ボロメータ検出器に接続する電子部品のサイズをそれほど拡大する必要なく、電子雑音をボロメータの雑音よりも減少させることができることが明らかになる。
【００８２】
したがって、例えば図１および図３の装置に対して実施した比較測定から、総合的な雑音に対する電子雑音の割合は大幅に減少していることがわかる。ボロメータの雑音に対して圧倒的であった電子雑音が比較的減少していることがわかる。一方、信号雑音比は改善しているため、最終的に得られる画像は解像度がさらに向上してさらに高質になる。
【００８３】
このような装置であれば依然として実装は容易であり、初期設計が複雑化したり大幅な再構成をしたりすることもない。全体的な行列の設計を作り直す必要もない。最終的には、初期設計と比較して追加する材料も必ずしも必要ではない。バイアス電流を印加するために追加したトランジスタは、少なくとも部分的にベースクリップの役割も果たす。このトランジスタは、列の上に設置してベースクリップの初期構造の代わりに用いることができる。熱化したボロメータ検出器と直列させて使用する場合は、最適な形でベースクリップの機能も果たす。
【００８４】
さらに、各画素に含まれる電子部品のサイズ拡大を検討する必要もないため、複数の画素でこれらの部品を共有しなくてもよい。「ローリングシャッター」でのスキャンモードも可能である。
【００８５】
結論として、本発明が提供する設計により、マイクロボロメータ検出器用のイメージセンサの性能を向上させることができる。
【００８６】
このようなイメージセンサの開発は、作成した画像の品質の点で、より高性能な赤外線カメラを産業規模で作製するのに適している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出した放射線が表すそれぞれの電流（Ｉｍ）を供給する放射線（ＩＲ）検出画素（１０）と、前記画素と接続し、前記画素（１０）が供給する電流を伝送する列（１２）と、伝送列（１２）と接続し、前記画素（１０）が供給する電流を処理する電気モジュール（１４）とを備える電磁波検出装置であって、各画素（１０）は、ボロメータ検出器（２０）へのバイアス電圧印加手段（２２；２２’）に直列接続しているボロメータ検出器（２０）を含む検出回路（１８）を備え、伝送列（１２）から処理モジュール（１４）に供給される電流を調節する検出装置において、該装置はさらに、前記ボロメータ検出器（２０）へバイアス電流を印加し、前記伝送列（１２）から前記処理電気モジュール（１４）に供給される前記電流を調節するバイアス電流印加回路（３４）を有し、該バイアス電流印可回路（３４）は、前記検出回路（１８）とは異なり、前記ボロメータ検出器（２０）と前記バイアス電圧印加手段（２２）との間に位置する前記検出回路（１８）の点（３６）で前記ボロメータ検出器（２０）に接続することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記バイアス電流印加回路（３４）は、電流ソースに取り付けられる電界効果ＭＯＳトランジスタ（３８；３８’）を有する、請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記バイアス電圧印可手段（２２；２２’）は、電圧発生器に取り付けられる電界効果ＭＯＳトランジスタを有する、請求項１または２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記バイアス電流印加回路の前記ＭＯＳトランジスタ（３８；３８’）および前記バイアス電圧印可手段の前記ＭＯＳトランジスタ（２２；２２’）は、ｎ型またはｐ型で、両者は異なる型である、請求項２および３に記載の検出装置。
【請求項５】
前記バイアス電圧印可手段のＭＯＳトランジスタ（２２）はｐ型である、請求項４に記載の検出装置。
【請求項６】
前記バイアス電流印加回路（３４）は、前記バイアス電流印加手段（３８；３８’）に直列接続するように取り付けられた熱化したボロメータ（４２）を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項７】
前記バイアス電流印加回路（３４）は、前記検出画素（１０）内に配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項８】
行および列（１２）に配置した画素（１０）行列と、各列（１２）に対するバイアス電流印加回路（３４）であって、前記列（１２）の前記画素（１０）すべてに共通で前記列の上（２８）に配置される回路とを有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項９】
前記ボロメータ検出器（２０）は、非冷却型のマイクロボロメータである、請求項１から８のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項１０】
赤外線タイプの放射線を検出する、請求項１から９のいずれか一項に記載の検出装置の使用。
【請求項１】
検出した放射線が表すそれぞれの電流（Ｉｍ）を供給する放射線（ＩＲ）検出画素（１０）と、前記画素と接続し、前記画素（１０）が供給する電流を伝送する列（１２）と、伝送列（１２）と接続し、前記画素（１０）が供給する電流を処理する電気モジュール（１４）とを備える電磁波検出装置であって、各画素（１０）は、ボロメータ検出器（２０）へのバイアス電圧印加手段（２２；２２’）に直列接続しているボロメータ検出器（２０）を含む検出回路（１８）を備え、伝送列（１２）から処理モジュール（１４）に供給される電流を調節する検出装置において、該装置はさらに、前記ボロメータ検出器（２０）へバイアス電流を印加し、前記伝送列（１２）から前記処理電気モジュール（１４）に供給される前記電流を調節するバイアス電流印加回路（３４）を有し、該バイアス電流印可回路（３４）は、前記検出回路（１８）とは異なり、前記ボロメータ検出器（２０）と前記バイアス電圧印加手段（２２）との間に位置する前記検出回路（１８）の点（３６）で前記ボロメータ検出器（２０）に接続することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記バイアス電流印加回路（３４）は、電流ソースに取り付けられる電界効果ＭＯＳトランジスタ（３８；３８’）を有する、請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記バイアス電圧印可手段（２２；２２’）は、電圧発生器に取り付けられる電界効果ＭＯＳトランジスタを有する、請求項１または２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記バイアス電流印加回路の前記ＭＯＳトランジスタ（３８；３８’）および前記バイアス電圧印可手段の前記ＭＯＳトランジスタ（２２；２２’）は、ｎ型またはｐ型で、両者は異なる型である、請求項２および３に記載の検出装置。
【請求項５】
前記バイアス電圧印可手段のＭＯＳトランジスタ（２２）はｐ型である、請求項４に記載の検出装置。
【請求項６】
前記バイアス電流印加回路（３４）は、前記バイアス電流印加手段（３８；３８’）に直列接続するように取り付けられた熱化したボロメータ（４２）を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項７】
前記バイアス電流印加回路（３４）は、前記検出画素（１０）内に配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項８】
行および列（１２）に配置した画素（１０）行列と、各列（１２）に対するバイアス電流印加回路（３４）であって、前記列（１２）の前記画素（１０）すべてに共通で前記列の上（２８）に配置される回路とを有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項９】
前記ボロメータ検出器（２０）は、非冷却型のマイクロボロメータである、請求項１から８のいずれか一項に記載の検出装置。
【請求項１０】
赤外線タイプの放射線を検出する、請求項１から９のいずれか一項に記載の検出装置の使用。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２０１２−５３０２４２（Ｐ２０１２−５３０２４２Ａ）
【公表日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１４５１８（Ｐ２０１２−５１４５１８）
【出願日】平成２２年６月７日（２０１０．６．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＲ２０１０／０５１１２１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１４６２８４
【国際公開日】平成２２年１２月２３日（２０１０．１２．２３）
【出願人】（５１０１９１２０７）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月７日（２０１０．６．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＲ２０１０／０５１１２１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１４６２８４
【国際公開日】平成２２年１２月２３日（２０１０．１２．２３）
【出願人】（５１０１９１２０７）
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]