光および温度依存性信号を発生させる回路配置
【解決手段】光および温度に依存する信号を発生させる回路配置において、入射電磁放射線に応じた第１および第２電気信号を発生させる複数の第１および第２センサ素子を有する。第１センサ素子は、可視光の少なくとも大部分を含む第１波長範囲（６２）から第１電気信号を発生させるように設計される。第２センサ素子は、主として赤外放射線を含む第２波長範囲（６４）から第２電気信号を発生させるように設計される。第１波長範囲（６２）は、第２波長範囲（６４）と重複し、よって第１波長範囲（６２）は第２波長葉に（６４）と同様に赤外放射線を含む。
【効果】２つの種類の異なるセンサ素子を用いて、簡単でかつより費用対効果の高い構成で、精度の高い温度信号および画像信号を得る。
【効果】２つの種類の異なるセンサ素子を用いて、簡単でかつより費用対効果の高い構成で、精度の高い温度信号および画像信号を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象の特性を表す光および温度依存性信号を発生させる回路配置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
前記のような回路配置は、特許文献１に開示されている。
特許文献１は、観察対象での物体の表面温度分布を決定するために用いる撮像パイロメータを記載している。この公知のパイロメータは、対象の「通常」光学画像を供給する。このことは、同文献で画素と呼ばれる複数のセンサ素子を含む光電子センサを有する公知のパイロメータによって達成される。
【０００３】
光電子センサは、センサの表面に交互状に配置される３つの異なる種類のセンサ素子を有する。第１種のセンサ素子は、約１．０６μｍの非常に狭帯域波長範囲から発生する電磁放射線に依存して電気信号を発生させるように設計される。第２種のセンサ素子は、約０．９９μｍの第２狭帯域波長範囲からの電磁放射線に依存して電気信号を発生させるように設計される。２つの狭帯域幅範囲は、各々赤外線スペクトルのごく一部を含む。第３種のセンサ素子は、実質的に可視光のみを含む相対広帯域波長幅からの電磁放射線に依存して電気信号を発生させるように設計される。２つの赤外線範囲からの電気信号は、例えば、特許文献２に記載されるようなアルゴリズムに従って温度を決定するために用いられる。これは、商演算手法を含み、２つの狭帯域赤外線範囲からの信号同士の商が、その温度が決定される表面固有の発光特性を排除するために形成される。観察対象の「通常」光学画像だけが、可視光の波長範囲からの第３電気信号を用いて発生される。
【０００４】
したがって、前記公知のセンサは、少なくとも部分的に異なる工程で製造されなければならず、かつセンサの表面に分布されなければならない３つの異なる種類のセンサ素子を有する。したがって、前記公知のセンサの製造は、むしろ複雑でかつ高価である。一方、前記公知のセンサの解像度は、視像に関しても温度分布に関しても、同じ種類の２つのセンサ素子間に、いずれの場合にも異なる種類のセンサ素子によって塞がれる「ギャップ」があるよう、異なるセンサ素子がセンサの表面上に並んで配置されるので、制限される。制限された解像度は、例えば、記録された物体の幾何学的特性を光学画像に基づいて決定したい場合には不利である。最後に、センサ素子のダイナミックレンジは、数回の異なる露光が観察対象での温度および放射線強度によっては必要とされるように、前記公知のセンサの場合にも制限される。したがって、画像記録が、煩雑になることがある。
【０００５】
すでに上で引用したように、特許文献２は、いずれの場合にも狭帯域である２つの異なる波長範囲で電磁放射線を記録する複数のセンサ素子を含む商パイロメータを開示している。この公知のパイロメータは、温度分布を決定することができるが、観察対象の「通常」光学画像を記録することはできない。
さらに、商パイロメータは、さまざまな従来の文献がある。一例として、差が商の対数に対応する状態で、測定された値の対数を最初に決定し、かつその後対数間の差を計算するよう提案する特許文献３を参照する。該文献は、赤および青波長範囲からの電磁放射線を記録することを提案している。類似の提案は、赤および緑波長範囲からの電磁放射線を記録すべきであるという、特許文献４に見られる。
【０００６】
特許文献５は、商パイロメータを開示しており、対象の実際の温度は、温度決定のための参照値を提供する別の温度冷却器を用いて決定される。
特許文献６は、商パイロメータを開示しており、シリコンからなる光電池が、放射線方向においてゲルマニウムダイオードの上流に配置される。シリコンは、フィルタ素子としての機能を果たし、かつ主に１．２μｍより大きい波長を有する放射線のみを通過させる。ゲルマニウムダイオードは、約１．５μｍの波長範囲において最大感度を有する。シリコンの光電池の最大感度は、ほぼ０．９μｍである。観察対象の温度は、２つのセンサ素子の信号から決定される。
【０００７】
特許文献７は、例えば、太陽電池として用いられる薄膜半導体部品を開示している。薄膜半導体部品は、半導体基板上に層状に構成される。
特許文献８は、積み重ねた形で上下に配置される複数のセンサ素子を含むカメラを開示している。一例として、カラーマトリックスセンサおよび白黒マトリックスセンサが、上下に垂直に配置され、かつ画素ごとに互いに整列される。センサの深部に積み重ねられるｐｎ接合は、波長が長くなればなるほど、それだけ深く光学波長が材料を貫通するので、異なる波長に反応する。
【０００８】
最後に、特許文献９は、画像記録チップのための画像セルを開示しており、フォトダイオードおよびＭＯＳ（金属酸化物半導体）トランジスタが、フォトダイオードに発生される電荷キャリアがＭＯＳトランジスタのチャネルを流れていくようにして互いに接続される。ＭＯＳトランジスタは、画像セルの電気出力信号が入射放射線の強度に対数的に依存するという結果を伴う部分的閾値範囲と呼ばれる範囲で動作させられる。したがって、この公知の画像セルは、極めて動的な光信号を記録することができる。この技術を有する画像記録装置チップは、ＨＤＲＣ（登録商標）の商品名で、本出願人によって販売されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許第１１３４５６５Ｂ１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，４１３，３２４号明細書
【特許文献３】ドイツ特許第１２３７８０４Ａ１号明細書
【特許文献４】ドイツ特許第８６７４５３号明細書
【特許文献５】ドイツ特許第２４２７８９２Ａ１号明細書
【特許文献６】ドイツ特許第１１３６１３５Ａ号明細書
【特許文献７】ドイツ特許第３３１７１０８Ａ１号明細書
【特許文献８】ドイツ特許第１９６５０７０５Ａ１号明細書
【特許文献９】ドイツ特許第４２０９５３６Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、光および温度依存性信号を発生させる回路配置を提供することであり、該回路配置を、対象における物体の異なる特性または特長を決定するために用いることができ、その特性または特長は、高精度にかつ費用効果的に放射線依存特性を含む。特に、本発明の目的は、撮像パイロメータを費用効果的に構築することを可能にする回路配置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本目的の回路配置は、入射電磁放射線に依存する複数の第１および第２電気信号を発生させる複数の第１および第２センサ素子を含み、第１センサ素子は、可視光の少なくとも大部分を含む第１波長範囲から第１電気信号を発生させるように設計され、かつ第２センサ素子は、主に赤外放射線を含む第２波長範囲から第２電気信号を発生させるように設計される。第１波長範囲は、第２波長範囲と重複し、よって第１波長範囲は赤外放射線を含む。
【００１２】
本発明の回路配置は、２つの異なる波長範囲からの電磁放射線を記録する、それ自体公知の概念に基づいている。観察対象における物体の表面温度を、商を評価することによって決定することができる。表面の発光特性は、商演算のために排除される。しかしながら、先行技術の複数の回路配置とは対照的に、本発明の回路配置は、赤外放射線の範囲において重複する２つの広帯域波長範囲を用いる。さらに、第１波長範囲は、可視光の大部分をまた含む。驚くべきことに、波長範囲が赤外線範囲において重複しているにも関わらず、公知の商演算手法に従って高精度に温度を決定することができる。さらに、本発明の回路配置は、可視波長範囲からも信号を与える。したがって、本発明の回路配置は、温度を決定することを許可するだけでなく、観察対象の光学画像（従来のカメラ画像）を発生させる信号を与えることができる。
【００１３】
特許文献１の回路配置とは対照的に、本発明の回路配置は、２つの異なる種類のセンサ素子で間に合う。したがって、実現するのはより簡単で、かつより費用効果が高い。好ましい実施形態では、第１センサ素子は、特定のフィルタなしに実現され、このことは、使用される材料を用いて一般的に検出することができる実質的な全波長範囲からの電磁放射線を記録することを意味している。言い換えると、特定のフィルタを、好ましくは、特に簡単な、かつ費用効果の高い設計を許可する第１センサ素子の場合には不要にする。
【００１４】
２つの異なる種類のセンサ素子のみが必要とされるので、同じ種類のセンサ素子を、マトリックス状の画像センサの表面上に互いにより高密度に配置することができるのでより高解像度が可能である。したがって、観察物体の幾何学的特性を、記録された画像から高精度に決定することができる。しかしながら、原則的に、本発明の回路配置は、マトリックス状の画像センサの場合だけでなく、２つのセンサ素子または少数の第１および第２センサ素子を有するパイロメータの場合にも用いることができる。
【００１５】
商演算手法に従って温度を決定するために、本発明の回路配置は、第１および第２センサ素子を用いて記録される第１および第２波長範囲が互いに異なるということを利用する。したがって、第１および第２センサ素子は、たとえ観察対象内の同一点で配向されても、異なる電気信号を供給する。異なる信号は、たとえ第１および第２波長範囲が、赤外放射線の配置内で重複しても、商演算手法に従って温度を決定することができる。
【００１６】
したがって、上記の目的は、完全な形で達成される。
好ましい構成では、本発明の回路配置は、第１および第２信号依存的に対象の温度を決定するように設計される回路部を有する。
本構成では、回路部は、第１および第２電気信号を受信し、かつ観察対象における表面の発光特性を排除するために、商演算を実行する。放射表面の温度を決定するためのそれ自体公知の本方法を、本発明の回路配置を用いて非常に簡単にかつ費用効果的に実現することができる。好ましい構成では、温度を決定する回路部は、本発明の回路配置の一部である。しかしながら、これに代わるものとして、本発明の回路配置を、例えば、視像および赤外線画像を同時に記録するために、回路部とは別に用いることができる。
【００１７】
さらなる構成では、本発明の回路配置は、半導体基板を含み、その上に複数の第１および第２センサ素子が並んで配置される。
好ましくは、第１および第２センサ素子は、マトリックス状に並んで配置される。それらは、画素の配列を含む画像センサを形成する。第１および第２センサ素子を、半導体基板の表面上に格子状パターンの形で交互に配置することができる。他の実施形態では、第１および第２センサ素子は、行ごとにまたは列ごとに交互に並ぶ。これらの構成は、可視光の範囲および赤外線範囲のいずれにおいても、観察対象の広域画像の迅速および一時的な同期記録を可能にする。異なる画像の互いの良好な整列は、同期記録の結果として可能である。
【００１８】
本発明のさらなる構成では、第１および第２センサ素子は、上下に配置される。
本構成を、先行技術の構成と組み合わせて、非常に有利に用いることができるが、先行技術の構成なしで用いることもできる。
後者の場合には、本発明の回路配置は、例えば、対象でのスポット状の選択測定のために用いることができる、１つまたは２〜３の第１および第２センサ素子を有する。
【００１９】
前者の場合、第１および第２センサ素子は、積み重ねた形で上下に配置され、複数のそのような対の積み重ねられた第１および第２センサ素子は、マトリックス状に並んで配置される。この場合、各対の第１および第２センサ素子は、マトリックスセンサの画素を形成し、それにより非常に高解像度が可能になる。各積重ねられた頂部のセンサ素子を形成する材料層が、底部センサ素子に達する放射線に関してフィルタ効果をすでに有しているのは有利である。
【００２０】
さらに、すべてのセンサ素子を、本発明の回路配置全体の製造を簡略化する共通の工程ステップで製造することができる。しかしながら、本発明の回路配置が、マトリックスセンサのために用いられなくても、本構成により、非常に小さいセンサが可能になり、第１および第２センサ素子を、観察対象内の同一の測定点で配向することができる。
さらなる好ましい構成では、第１および第２センサ素子は、各々フォトダイオード、およびゲート端子、２つのさらなる端子、およびチャネルを有する少なくとも１つのＭＯＳトランジスタを含み、フォトダイオードは、該フォトダイオードに発生される電荷キャリアがチャネルに流入するようにしてＭＯＳトランジスタに結合され、かつゲート端子は、２つのさらなる端子の一方に導電接続される。
【００２１】
本構成では、第１および第２センサ素子は、好ましくは、導入部で述べた上記特許文献９に記載されるような、ＨＤＲＣ（登録商標）の原理に従って構成される。ＭＯＳトランジスタは、センサ素子が各々対数特性曲線を有するように、部分的閾値範囲で有利に動作される。本構成は、複数の利点を有する。まず、それにより、対数化された信号間の差が信号の商の対数に対応するので、温度を決定するのに有利である商演算の代わりに、差演算を用いることが可能になる。差演算を、「真の」商演算より簡単にかつ迅速に実現することができる。さらに、本構成は、第１および第２センサ素子が、１２０ｄＢまでの非常に大きな入力ダイナミックレンジを有するという利点がある。言い換えると、第１および第２センサ素子は、非常に低い強度を有する電磁放射線およびまた非常に高い強度を有する電磁放射線を検出しかつ処理することができる。このことは、大きな信号ダイナミックレンジにより、非常に明るい放射線集中物体を、暗い低放射線物体または領域に近接して記録することが可能になるので、撮像パイロメータにとって非常に有利である。本発明の回路配置が、その上で第１および第２センサ素子も実現される同じ半導体チップ上の第１および第２信号の一次信号処理をまた含む場合には特に有利である。
【００２２】
一次信号処理は、好ましくは、ディジタル第１および第２信号がさらなる処理のためのセンサの出力で利用可能であるように、アナログ・ディジタル変換を含む。全体として、本構成により、非常に大きなダイナミックレンジにわたって、非常に正確な画像記録および温度測定が可能になる。
さらなる構成では、第１波長範囲は、第２波長範囲とほぼ完全に重複する。
【００２３】
本構成では、第２波長範囲は、第１波長範囲の部分的範囲である。本構成により、第１および第２センサ素子は、該２つのセンサ素子を原則的に同一に構成することができ、かつそれらは、第２センサ素子に対する１つ以上のさらなるフィルタによってのみ互いに異なるので、非常に簡単にかつ費用効果的に実現することができる。
さらなる構成では、第２センサ素子は、第２波長範囲の下限を規定するカットフィルタを含む。好ましい実施形態では、該下限は、ほぼ６６０ｎｍとほぼ７４０ｎｍとの間に、好ましくは、ほぼ６８０ｎｍとほぼ７２０ｎｍの間に、かつより好ましくは、ほぼ７００ｎｍの領域にある。
【００２４】
本構成の目的のためのカットフィルタは、第２波長範囲の下限を規定する伝送ジャンプを生じるフィルタである。特定された波長および波長範囲は、一方では、費用効果的に実現することができ、かつ他方では特に温度決定のための良好な測定結果を生じるので好ましい。カットフィルタの使用により、第１センサ素子が配置される同じ半導体基板上に第２センサ素子の非常に簡単なかつ費用効果の高い実現が可能になる。
【００２５】
さらなる構成では、カットフィルタは、上下に配置される複数の材料層を有する誘電体干渉フィルタであり、該材料層は、実質的にシリコンおよび窒化ケイ素から形成される。好ましい一実施形態では、干渉フィルタは、その間にシリコン層が配置される２つの窒化ケイ素層からなる。
本構成により、第１および第２センサ素子を半導体基板上に製造するためにも用いられる工程シーケンス内で、干渉フィルタの非常に簡単なかつ費用効果の高い製造が可能になる。窒化ケイ素およびシリコンを含む特定された層構造を有するカットフィルタを、非常に簡単にかつ費用効果的に製造することができ、かつそれにより発明の実施形態において非常に良好な測定結果が可能になった。
【００２６】
さらなる構成では、下限は、第１波長範囲に関してほぼ中央に位置決めされる。
本構成は、本発明の回路配置の簡単なかつ費用効果の高い製造にも寄与する。さらに、非常に良好な測定結果を、本構成を用いて達成することができる。形成される２つの波長範囲におけるエネルギー分布が、検出可能な光子束がより高波長で増加するので、商演算に非常に好適であるのは本明細書において有利である。
【００２７】
さらなる構成では、本発明の回路配置は、第１および第２波長範囲からの電磁放射線から遮断される、少なくとも１つのさらなる感温センサ素子を有する。
好ましい実施形態では、前記感温センサ素子は、測定電流が流れるダイオードである。該ダイオードの感温性挙動により、第１および第２センサ素子の温度依存ドリフトを、第１および第２信号を温度について較正することによって修正することが可能になる。さらなる感温センサ素子が、画像センサの端縁領域におけるいわゆる工程制御構造として存在することがよくある１つ以上のダイオードを使って実現されるなら、特に有利である。そのような工程制御構造の上方に材料層を配置すれば十分であり、その材料層が、例えば、金属被覆層などの第１および第２波長範囲からの電磁放射線を遮断する。好ましい実施形態では、第１および第２信号の温度補償は、マトリックス状に並んで配置される複数のセンサ素子を含む画像センサの場合には、ＦＰＮ（固定パターンノイズ）修正と同じようにして実行される。本構成により、温度測定中非常に高い測定精度が可能になる。
【００２８】
上述した特長およびさらに以下で説明する特徴を、本発明の請求の範囲から逸脱することなく、それぞれ特定した組合せだけでなく、他の組合せでまたは単独で用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の回路配置の実施形態の模式図を示す。
【図２】本発明の回路配置の好ましい実施形態を図示するスペクトル図を示す。
【図３】第１および第２センサ素子の実現のための第１実施形態を示す。
【図４】第１および第２センサ素子の実現のための他の実施形態を示す。
【図５】第１および第２センサ素子の実現のためのさらに他の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の実施形態を、図面に図示し、かつ以下の説明でより詳細に説明する。
図１において、本発明の回路配置の実施形態を、全体として参照番号１０で表記する。
第１センサ素子１２および第２センサ素子１４を持つ回路配置１０を図示する。
該センサ素子の各々は、フォトダイオード１６およびＭＯＳトランジスタ１８を有する。ＭＯＳトランジスタ１８は、ゲート２０、およびソースおよびドレインと通常呼ばれる２つのさらなる端子２２，２４を有する。好ましい実施形態では、ゲート端子２０およびドレイン端子２４が短絡されている。ソース端子２２は、フォトダイオード１６のカソードに接続される。
【００３１】
この配置のために、電磁放射線２８，３０を入射した結果としてフォトダイオード１６のｐｎ接合の領域に発生される電荷キャリアは、ＭＯＳトランジスタ１８のチャネル２６に流れ込みかつ流れ、かつＭＯＳトランジスタ１８は、電磁放射線の強度に対数的に依存する大きさを有する出力電圧を発生させる。
センサ素子１２，１４を、本明細書では簡略化した形で図示する。さらに有利な詳細は、ＨＤＲＣ（登録商標）の商品名で本発明の出願人によって販売されている対数画像セルの基本原理を開示する特許文献９に記載されている。本発明の好ましい実施形態では、センサ素子のすべては、このＨＤＲＣ（登録商標）の原理に従って構成される。しかしながら、センサ素子を、原則として、例えば線形ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）画像セルとしてまたはＣＣＤ（固体撮像素子）画像セルとして、異なるやり方で実現することもできる。
【００３２】
２つのセンサ素子１２，１４のみを、図１に示す。しかしながら、好ましい実施形態では、本発明の回路配置１０は、簡略化のために図１には示さない複数の第１および第２センサ素子１２，１４を有する。好ましい実施形態では、複数のセンサ素子１２，１４は、図２ないし図４を参照して以下で説明するように、半導体基板上に配置される。
図１の実施形態では、インピーダンス変換器３２が、各センサ素子１２，１４の出力に配置され、該インピーダンス変換器３２の出力は、マルチプレクサ３４に接続される。マルチプレクサ３４を使って、複数の電気信号を共通の信号処理回路に与えることが可能である。図１に示す好ましい一実施形態では、第１マルチプレクサ３４は、第１センサ素子１２の電気信号を組み合わせるために用いられ、一方第２マルチプレクサは、第２センサ素子１４の電気信号を組み合わせるために用いられる。
【００３３】
好ましい実施形態では、本発明の回路配置１０は、２つの平行信号処理チャネルを有する１つの信号処理チャネルは、第１センサ素子１２の電気信号を処理し、一方他の信号処理チャネルは、センサ素子１４の電気信号を処理する。２つの信号処理チャネルは、好ましくは同一に構成される。第１センサ素子１２のための信号処理チャネルのみを、以下でより詳細に説明する。
【００３４】
マルチプレクサ３４の出力は、加算器３６に接続される。加算器３６は、それ自体公知の形で、固定パターンノイズの修正に役立つさらなる電気信号をＤ／Ａ（ディジタル・アナログ）変換器３８から受信する。
固定パターンノイズは、個々のセンサ素子の電気特性が製造許容差のために変動するので、複数のセンサ素子からなる画像センサにおいて生じることがある画像不均質（ノイズ）を示すものである。固定パターンノイズを、それぞれ個々のセンサ素子の電気信号に付加されている個々の修正信号によって修正することができる。修正信号は、個々のセンサ素子の電気特性が互いに一致されるように選択される。これらの修正信号を発生させるための修正係数は、この場合、Ｄ／Ａ変換器３８に接続されるメモリ４０に記憶される。Ｄ／Ａ変換器３８は、メモリ４０からの修正係数に基づいて、各センサ素子のための修正信号を発生させる。
【００３５】
加算器３６の出力は増幅器４２を経て、個々のセンサ素子の修正されたアナログ信号を対応するディジタル信号４５に変換するＡ／Ｄ（アナログ・ディジタル）変換器４４に接続される。
ディジタル信号４５は、マイクロコントローラ４６に与えられる。マイクロコントローラの代わりに、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、ＦＰＧＡ（書替え可能ゲートアレイ）、またはある他の信号処理回路を用いることも可能である。マイクロコントローラ４６は、この場合、ＦＰＮ修正のための修正係数をメモリ４０に書き込むのにも役立つ。
【００３６】
マイクロコントローラ４６は、この場合、プロセッサ４８にインタフェイス４７を経て接続される。プロセッサ４８は、すべての第１および第２センサ素子１２，１４の電気信号４５を受信し、かつそれから、とりわけ温度値を公知の商演算手法に従って計算する。プロセッサ４８は、画面５２上に表示するためのディジタル信号を出力５０に与える。
好ましい実施形態では、画面５２は、可視波長範囲に観察対象の光学画像を表示するのに役立つ。プロセッサ４８は、出力５４に計算された温度を表す信号を与える。なお出力５４を、さらなるディスプレイ５６に接続することができる。その代わりとして、画像データおよび温度値を、画面５２上に、交互にまたは一緒に表示することもできる。
【００３７】
参照番号５８は、好ましい実施形態では、電磁放射線２８，３０から遮断される感温センサ素子を表す。第１および第２センサ素子１２，１４がマトリックス画像センサの画像セル（画素）である場合、センサ素子５８は、センサの感光性領域の端縁領域に配置される１つ以上のダイオードの形で実現されれば好ましい。このセンサ素子５８は、センサの真性温度を表す温度情報を発生させる。
【００３８】
本発明の回路配置の好ましい実施形態では、この温度情報は、信号が、個々のセンサ素子の温度ドリフトのための信号変化が補正されるようにして、個々のセンサ素子１２，１４の電気信号４５をコンピュータで修正するために、制御装置４６によって用いられる。
撮像パイロメータのための本発明の回路配置の好ましい使用に従って、第１センサ素子１２および第２センサ素子１４は、電磁放射線２８，３０を異なる波長範囲から記録するために設計される。
【００３９】
好ましい実施形態では、第１センサ素子１２は、電磁放射線２８を、図２において実線で表す第１波長範囲６２から記録するようにして設計される。
好ましい実施形態では、第１波長範囲６２は、ほぼ２８０ｎｍからほぼ１０００ｎｍまでの波長を含む。この第１波長範囲の最大感度は、ほぼ６８０ｎｍにある。第１センサ素子１２のそのような伝送特性は、第１センサ素子１２のフォトダイオード１６が、シリコン半導体材料における表面近くのｐｎ接合として実現される場合に生じる。しかしながら、これらの制限は、正確に規定されず、むしろ用いられる材料および工程条件に依存している。
【００４０】
好ましい実施形態では、第１波長範囲６２は、特定フィルタなしで実現されるシリコンフォトダイオードの分光感度のために生じる波長範囲である。
第２センサ素子１４は、電磁放射線３０を、第１波長範囲６２と異なる第２波長範囲６４から記録するように設計される。好ましい実施形態では、第２波長範囲６４は、第１波長範囲６２の「上半分」である。例えば、第２波長範囲６４は、第２センサ素子１４のフォトダイオードにカットフィルタを設けることによって生じ、その伝送特性を、図２の点線６６で表す。
【００４１】
本明細書での伝送ジャンプ（カットオン）は、ほぼ６８０ｎｍにある。すなわち６８０ｎｍ以下の波長を有する電磁放射線は、カットフィルタによって抑制される。ほぼ６８０ｎｍ以上の波長を有する電磁放射線のみが、第２センサ素子１４のフォトダイオードに達する。
図３は、センサ素子１２，１４の実現のための第１の実施形態を示す。同一参照符号は、以前と同じ素子を表す。
【００４２】
図３は、半導体基板７０の一部を示す断面図である。一例として、半導体基板７０は、この場合、ｐドープされたシリコン基板またはｐドープ井戸である。ｎドープアイランド７２は、ｐドープ基板７０に配置される。さらなるｐドープ層７４は、各アイランド７２の頂部側に配置される。したがって、２つのｐｎ接合７６，７８が形成され、ｐｎ接合７６は、ｐｎ接合７８の上方にある。
【００４３】
ｐｎ接合７６は、第１センサ素子１２のフォトダイオード１６を形成し、一方ｐｎ接合７８は、第２センサ素子１４のフォトダイオード１６を形成する。より長い波長の放射線３０は、半導体材料により深く貫通し、ひいてはより深いｐｎ接合７８に達し、一方より短い波長の放射線２８は、上方ｐｎ接合７６にのみ達する。
本実施形態では、上方ｐｎ接合７６の層は、下方ｐｎ接合７８のためのフィルタを形成する。ｐｎ接合７６，７８の位置は、本明細書では、検出されるべき放射線の貫通深さに依存し選択される。
【００４４】
図３に示すように、上下に積み重ねられる複数のそのようなフォトダイオードは、半導体基板７０に並んで配置される。センサ素子１２，１４は、いずれの場合にも、マトリックスセンサの個々の画素を一緒に形成する。言うまでもなく、各画素は、ＭＯＳトランジスタ、インピーダンス変換器３２などのさらなる部品を含む。本明細書では、これらのさらなる部品を、簡略化のために図示しない。
【００４５】
図４は、上下に積み重ねられる第１および第２センサ素子１２，１４のさらなる実施形態を示す。本実施形態では、センサ素子１２，１４は、一例として、ｎドープ基板７０’上に実現される。ｎドープ基板７０’に配置されるのは、複数の真性導電半導体（空乏モード）層８０であり、ｐドープ層８２は、真性導電層８０の上方にある。このようにして、第２センサ素子１４のためのフォトダイオードとなる複数のｐｉｎダイオード８４が形成される。
【００４６】
二酸化ケイ素の連続絶縁層８５は、ｐｉｎダイオード８４の上方に配置される。ｎドープシリコン８６の層構造を有する複数のさらなるｐｉｎダイオード、真性導電シリコン８８、およびｐドープシリコン９０は、絶縁層８５上に配置される。層構造８６，８８、９０を有するｐｉｎダイオードは、第１センサ素子１２を形成する。好ましくは、層８６，８８，９０は、ＣＶＤ（化学気相成長）法を用いて製造される。図４に従う実現は、センサ素子１２，１４のフォトダイオードは、互いに積み重ねられるが、絶縁層８５によって互いに電気的に絶縁されるという利点を有する。２つのセンサ素子１２，１４のフォトダイオードは、絶縁の結果としてポテンシャルフリーであり、よってそれを任意の所望の形で接続することができる。対照的に、図３の実施形態におけるアイランド７２は、センサ素子１２，１４のための２つのフォトダイオードの共通の陰極端子を形成する。
【００４７】
図５は、センサ素子１２，１４のフォトダイオードが上下に垂直でなく、水平に並んで配置される、他の実施形態を示す。この場合、センサ素子１２，１４のフォトダイオードは、ほぼ同一に構成される。この実施形態は、ｎドープシリコン基板７０'に配置される層８０，８２を有するｐｉｎフォトダイオードをまた含む。異なる分光感度を達成するために、それぞれのフィルタ９２は、第２センサ素子１４のためのフォトダイオードの上方に配置され、該フィルタのフィルタ特性は、図２の点線６６に対応する。フィルタ９２は、例えば誘電体干渉フィルタとして実現され、かつ二酸化ケイ素の上方層９４、シリコンの中間層９６、および二酸化ケイ素の下方層９８を有する。層９４ないし９８を、ＣＶＤ法を用いて再び製造することができる。
【００４８】
図５に従う実施形態では、センサ素子１２，１４を、行ごとまたは列ごとに交互に、または格子状パターンの形で、半導体基板７０’の表面に配置することができる。図３または図４の実施形態に従うセンサと比較して、解像度は低い。
各センサ素子は、本明細書では、マトリックスセンサの専用画素を形成する。一方、センサ素子１２，１４を、本明細書では、共通の工程ステップで製造することができる。工程シーケンスを結論づけるために、第２センサ素子１４のフォトダイオードを層９４ないし９８で被覆すれば十分である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象の特性を表す光および温度依存性信号を発生させる回路配置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
前記のような回路配置は、特許文献１に開示されている。
特許文献１は、観察対象での物体の表面温度分布を決定するために用いる撮像パイロメータを記載している。この公知のパイロメータは、対象の「通常」光学画像を供給する。このことは、同文献で画素と呼ばれる複数のセンサ素子を含む光電子センサを有する公知のパイロメータによって達成される。
【０００３】
光電子センサは、センサの表面に交互状に配置される３つの異なる種類のセンサ素子を有する。第１種のセンサ素子は、約１．０６μｍの非常に狭帯域波長範囲から発生する電磁放射線に依存して電気信号を発生させるように設計される。第２種のセンサ素子は、約０．９９μｍの第２狭帯域波長範囲からの電磁放射線に依存して電気信号を発生させるように設計される。２つの狭帯域幅範囲は、各々赤外線スペクトルのごく一部を含む。第３種のセンサ素子は、実質的に可視光のみを含む相対広帯域波長幅からの電磁放射線に依存して電気信号を発生させるように設計される。２つの赤外線範囲からの電気信号は、例えば、特許文献２に記載されるようなアルゴリズムに従って温度を決定するために用いられる。これは、商演算手法を含み、２つの狭帯域赤外線範囲からの信号同士の商が、その温度が決定される表面固有の発光特性を排除するために形成される。観察対象の「通常」光学画像だけが、可視光の波長範囲からの第３電気信号を用いて発生される。
【０００４】
したがって、前記公知のセンサは、少なくとも部分的に異なる工程で製造されなければならず、かつセンサの表面に分布されなければならない３つの異なる種類のセンサ素子を有する。したがって、前記公知のセンサの製造は、むしろ複雑でかつ高価である。一方、前記公知のセンサの解像度は、視像に関しても温度分布に関しても、同じ種類の２つのセンサ素子間に、いずれの場合にも異なる種類のセンサ素子によって塞がれる「ギャップ」があるよう、異なるセンサ素子がセンサの表面上に並んで配置されるので、制限される。制限された解像度は、例えば、記録された物体の幾何学的特性を光学画像に基づいて決定したい場合には不利である。最後に、センサ素子のダイナミックレンジは、数回の異なる露光が観察対象での温度および放射線強度によっては必要とされるように、前記公知のセンサの場合にも制限される。したがって、画像記録が、煩雑になることがある。
【０００５】
すでに上で引用したように、特許文献２は、いずれの場合にも狭帯域である２つの異なる波長範囲で電磁放射線を記録する複数のセンサ素子を含む商パイロメータを開示している。この公知のパイロメータは、温度分布を決定することができるが、観察対象の「通常」光学画像を記録することはできない。
さらに、商パイロメータは、さまざまな従来の文献がある。一例として、差が商の対数に対応する状態で、測定された値の対数を最初に決定し、かつその後対数間の差を計算するよう提案する特許文献３を参照する。該文献は、赤および青波長範囲からの電磁放射線を記録することを提案している。類似の提案は、赤および緑波長範囲からの電磁放射線を記録すべきであるという、特許文献４に見られる。
【０００６】
特許文献５は、商パイロメータを開示しており、対象の実際の温度は、温度決定のための参照値を提供する別の温度冷却器を用いて決定される。
特許文献６は、商パイロメータを開示しており、シリコンからなる光電池が、放射線方向においてゲルマニウムダイオードの上流に配置される。シリコンは、フィルタ素子としての機能を果たし、かつ主に１．２μｍより大きい波長を有する放射線のみを通過させる。ゲルマニウムダイオードは、約１．５μｍの波長範囲において最大感度を有する。シリコンの光電池の最大感度は、ほぼ０．９μｍである。観察対象の温度は、２つのセンサ素子の信号から決定される。
【０００７】
特許文献７は、例えば、太陽電池として用いられる薄膜半導体部品を開示している。薄膜半導体部品は、半導体基板上に層状に構成される。
特許文献８は、積み重ねた形で上下に配置される複数のセンサ素子を含むカメラを開示している。一例として、カラーマトリックスセンサおよび白黒マトリックスセンサが、上下に垂直に配置され、かつ画素ごとに互いに整列される。センサの深部に積み重ねられるｐｎ接合は、波長が長くなればなるほど、それだけ深く光学波長が材料を貫通するので、異なる波長に反応する。
【０００８】
最後に、特許文献９は、画像記録チップのための画像セルを開示しており、フォトダイオードおよびＭＯＳ（金属酸化物半導体）トランジスタが、フォトダイオードに発生される電荷キャリアがＭＯＳトランジスタのチャネルを流れていくようにして互いに接続される。ＭＯＳトランジスタは、画像セルの電気出力信号が入射放射線の強度に対数的に依存するという結果を伴う部分的閾値範囲と呼ばれる範囲で動作させられる。したがって、この公知の画像セルは、極めて動的な光信号を記録することができる。この技術を有する画像記録装置チップは、ＨＤＲＣ（登録商標）の商品名で、本出願人によって販売されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許第１１３４５６５Ｂ１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，４１３，３２４号明細書
【特許文献３】ドイツ特許第１２３７８０４Ａ１号明細書
【特許文献４】ドイツ特許第８６７４５３号明細書
【特許文献５】ドイツ特許第２４２７８９２Ａ１号明細書
【特許文献６】ドイツ特許第１１３６１３５Ａ号明細書
【特許文献７】ドイツ特許第３３１７１０８Ａ１号明細書
【特許文献８】ドイツ特許第１９６５０７０５Ａ１号明細書
【特許文献９】ドイツ特許第４２０９５３６Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、光および温度依存性信号を発生させる回路配置を提供することであり、該回路配置を、対象における物体の異なる特性または特長を決定するために用いることができ、その特性または特長は、高精度にかつ費用効果的に放射線依存特性を含む。特に、本発明の目的は、撮像パイロメータを費用効果的に構築することを可能にする回路配置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本目的の回路配置は、入射電磁放射線に依存する複数の第１および第２電気信号を発生させる複数の第１および第２センサ素子を含み、第１センサ素子は、可視光の少なくとも大部分を含む第１波長範囲から第１電気信号を発生させるように設計され、かつ第２センサ素子は、主に赤外放射線を含む第２波長範囲から第２電気信号を発生させるように設計される。第１波長範囲は、第２波長範囲と重複し、よって第１波長範囲は赤外放射線を含む。
【００１２】
本発明の回路配置は、２つの異なる波長範囲からの電磁放射線を記録する、それ自体公知の概念に基づいている。観察対象における物体の表面温度を、商を評価することによって決定することができる。表面の発光特性は、商演算のために排除される。しかしながら、先行技術の複数の回路配置とは対照的に、本発明の回路配置は、赤外放射線の範囲において重複する２つの広帯域波長範囲を用いる。さらに、第１波長範囲は、可視光の大部分をまた含む。驚くべきことに、波長範囲が赤外線範囲において重複しているにも関わらず、公知の商演算手法に従って高精度に温度を決定することができる。さらに、本発明の回路配置は、可視波長範囲からも信号を与える。したがって、本発明の回路配置は、温度を決定することを許可するだけでなく、観察対象の光学画像（従来のカメラ画像）を発生させる信号を与えることができる。
【００１３】
特許文献１の回路配置とは対照的に、本発明の回路配置は、２つの異なる種類のセンサ素子で間に合う。したがって、実現するのはより簡単で、かつより費用効果が高い。好ましい実施形態では、第１センサ素子は、特定のフィルタなしに実現され、このことは、使用される材料を用いて一般的に検出することができる実質的な全波長範囲からの電磁放射線を記録することを意味している。言い換えると、特定のフィルタを、好ましくは、特に簡単な、かつ費用効果の高い設計を許可する第１センサ素子の場合には不要にする。
【００１４】
２つの異なる種類のセンサ素子のみが必要とされるので、同じ種類のセンサ素子を、マトリックス状の画像センサの表面上に互いにより高密度に配置することができるのでより高解像度が可能である。したがって、観察物体の幾何学的特性を、記録された画像から高精度に決定することができる。しかしながら、原則的に、本発明の回路配置は、マトリックス状の画像センサの場合だけでなく、２つのセンサ素子または少数の第１および第２センサ素子を有するパイロメータの場合にも用いることができる。
【００１５】
商演算手法に従って温度を決定するために、本発明の回路配置は、第１および第２センサ素子を用いて記録される第１および第２波長範囲が互いに異なるということを利用する。したがって、第１および第２センサ素子は、たとえ観察対象内の同一点で配向されても、異なる電気信号を供給する。異なる信号は、たとえ第１および第２波長範囲が、赤外放射線の配置内で重複しても、商演算手法に従って温度を決定することができる。
【００１６】
したがって、上記の目的は、完全な形で達成される。
好ましい構成では、本発明の回路配置は、第１および第２信号依存的に対象の温度を決定するように設計される回路部を有する。
本構成では、回路部は、第１および第２電気信号を受信し、かつ観察対象における表面の発光特性を排除するために、商演算を実行する。放射表面の温度を決定するためのそれ自体公知の本方法を、本発明の回路配置を用いて非常に簡単にかつ費用効果的に実現することができる。好ましい構成では、温度を決定する回路部は、本発明の回路配置の一部である。しかしながら、これに代わるものとして、本発明の回路配置を、例えば、視像および赤外線画像を同時に記録するために、回路部とは別に用いることができる。
【００１７】
さらなる構成では、本発明の回路配置は、半導体基板を含み、その上に複数の第１および第２センサ素子が並んで配置される。
好ましくは、第１および第２センサ素子は、マトリックス状に並んで配置される。それらは、画素の配列を含む画像センサを形成する。第１および第２センサ素子を、半導体基板の表面上に格子状パターンの形で交互に配置することができる。他の実施形態では、第１および第２センサ素子は、行ごとにまたは列ごとに交互に並ぶ。これらの構成は、可視光の範囲および赤外線範囲のいずれにおいても、観察対象の広域画像の迅速および一時的な同期記録を可能にする。異なる画像の互いの良好な整列は、同期記録の結果として可能である。
【００１８】
本発明のさらなる構成では、第１および第２センサ素子は、上下に配置される。
本構成を、先行技術の構成と組み合わせて、非常に有利に用いることができるが、先行技術の構成なしで用いることもできる。
後者の場合には、本発明の回路配置は、例えば、対象でのスポット状の選択測定のために用いることができる、１つまたは２〜３の第１および第２センサ素子を有する。
【００１９】
前者の場合、第１および第２センサ素子は、積み重ねた形で上下に配置され、複数のそのような対の積み重ねられた第１および第２センサ素子は、マトリックス状に並んで配置される。この場合、各対の第１および第２センサ素子は、マトリックスセンサの画素を形成し、それにより非常に高解像度が可能になる。各積重ねられた頂部のセンサ素子を形成する材料層が、底部センサ素子に達する放射線に関してフィルタ効果をすでに有しているのは有利である。
【００２０】
さらに、すべてのセンサ素子を、本発明の回路配置全体の製造を簡略化する共通の工程ステップで製造することができる。しかしながら、本発明の回路配置が、マトリックスセンサのために用いられなくても、本構成により、非常に小さいセンサが可能になり、第１および第２センサ素子を、観察対象内の同一の測定点で配向することができる。
さらなる好ましい構成では、第１および第２センサ素子は、各々フォトダイオード、およびゲート端子、２つのさらなる端子、およびチャネルを有する少なくとも１つのＭＯＳトランジスタを含み、フォトダイオードは、該フォトダイオードに発生される電荷キャリアがチャネルに流入するようにしてＭＯＳトランジスタに結合され、かつゲート端子は、２つのさらなる端子の一方に導電接続される。
【００２１】
本構成では、第１および第２センサ素子は、好ましくは、導入部で述べた上記特許文献９に記載されるような、ＨＤＲＣ（登録商標）の原理に従って構成される。ＭＯＳトランジスタは、センサ素子が各々対数特性曲線を有するように、部分的閾値範囲で有利に動作される。本構成は、複数の利点を有する。まず、それにより、対数化された信号間の差が信号の商の対数に対応するので、温度を決定するのに有利である商演算の代わりに、差演算を用いることが可能になる。差演算を、「真の」商演算より簡単にかつ迅速に実現することができる。さらに、本構成は、第１および第２センサ素子が、１２０ｄＢまでの非常に大きな入力ダイナミックレンジを有するという利点がある。言い換えると、第１および第２センサ素子は、非常に低い強度を有する電磁放射線およびまた非常に高い強度を有する電磁放射線を検出しかつ処理することができる。このことは、大きな信号ダイナミックレンジにより、非常に明るい放射線集中物体を、暗い低放射線物体または領域に近接して記録することが可能になるので、撮像パイロメータにとって非常に有利である。本発明の回路配置が、その上で第１および第２センサ素子も実現される同じ半導体チップ上の第１および第２信号の一次信号処理をまた含む場合には特に有利である。
【００２２】
一次信号処理は、好ましくは、ディジタル第１および第２信号がさらなる処理のためのセンサの出力で利用可能であるように、アナログ・ディジタル変換を含む。全体として、本構成により、非常に大きなダイナミックレンジにわたって、非常に正確な画像記録および温度測定が可能になる。
さらなる構成では、第１波長範囲は、第２波長範囲とほぼ完全に重複する。
【００２３】
本構成では、第２波長範囲は、第１波長範囲の部分的範囲である。本構成により、第１および第２センサ素子は、該２つのセンサ素子を原則的に同一に構成することができ、かつそれらは、第２センサ素子に対する１つ以上のさらなるフィルタによってのみ互いに異なるので、非常に簡単にかつ費用効果的に実現することができる。
さらなる構成では、第２センサ素子は、第２波長範囲の下限を規定するカットフィルタを含む。好ましい実施形態では、該下限は、ほぼ６６０ｎｍとほぼ７４０ｎｍとの間に、好ましくは、ほぼ６８０ｎｍとほぼ７２０ｎｍの間に、かつより好ましくは、ほぼ７００ｎｍの領域にある。
【００２４】
本構成の目的のためのカットフィルタは、第２波長範囲の下限を規定する伝送ジャンプを生じるフィルタである。特定された波長および波長範囲は、一方では、費用効果的に実現することができ、かつ他方では特に温度決定のための良好な測定結果を生じるので好ましい。カットフィルタの使用により、第１センサ素子が配置される同じ半導体基板上に第２センサ素子の非常に簡単なかつ費用効果の高い実現が可能になる。
【００２５】
さらなる構成では、カットフィルタは、上下に配置される複数の材料層を有する誘電体干渉フィルタであり、該材料層は、実質的にシリコンおよび窒化ケイ素から形成される。好ましい一実施形態では、干渉フィルタは、その間にシリコン層が配置される２つの窒化ケイ素層からなる。
本構成により、第１および第２センサ素子を半導体基板上に製造するためにも用いられる工程シーケンス内で、干渉フィルタの非常に簡単なかつ費用効果の高い製造が可能になる。窒化ケイ素およびシリコンを含む特定された層構造を有するカットフィルタを、非常に簡単にかつ費用効果的に製造することができ、かつそれにより発明の実施形態において非常に良好な測定結果が可能になった。
【００２６】
さらなる構成では、下限は、第１波長範囲に関してほぼ中央に位置決めされる。
本構成は、本発明の回路配置の簡単なかつ費用効果の高い製造にも寄与する。さらに、非常に良好な測定結果を、本構成を用いて達成することができる。形成される２つの波長範囲におけるエネルギー分布が、検出可能な光子束がより高波長で増加するので、商演算に非常に好適であるのは本明細書において有利である。
【００２７】
さらなる構成では、本発明の回路配置は、第１および第２波長範囲からの電磁放射線から遮断される、少なくとも１つのさらなる感温センサ素子を有する。
好ましい実施形態では、前記感温センサ素子は、測定電流が流れるダイオードである。該ダイオードの感温性挙動により、第１および第２センサ素子の温度依存ドリフトを、第１および第２信号を温度について較正することによって修正することが可能になる。さらなる感温センサ素子が、画像センサの端縁領域におけるいわゆる工程制御構造として存在することがよくある１つ以上のダイオードを使って実現されるなら、特に有利である。そのような工程制御構造の上方に材料層を配置すれば十分であり、その材料層が、例えば、金属被覆層などの第１および第２波長範囲からの電磁放射線を遮断する。好ましい実施形態では、第１および第２信号の温度補償は、マトリックス状に並んで配置される複数のセンサ素子を含む画像センサの場合には、ＦＰＮ（固定パターンノイズ）修正と同じようにして実行される。本構成により、温度測定中非常に高い測定精度が可能になる。
【００２８】
上述した特長およびさらに以下で説明する特徴を、本発明の請求の範囲から逸脱することなく、それぞれ特定した組合せだけでなく、他の組合せでまたは単独で用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の回路配置の実施形態の模式図を示す。
【図２】本発明の回路配置の好ましい実施形態を図示するスペクトル図を示す。
【図３】第１および第２センサ素子の実現のための第１実施形態を示す。
【図４】第１および第２センサ素子の実現のための他の実施形態を示す。
【図５】第１および第２センサ素子の実現のためのさらに他の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の実施形態を、図面に図示し、かつ以下の説明でより詳細に説明する。
図１において、本発明の回路配置の実施形態を、全体として参照番号１０で表記する。
第１センサ素子１２および第２センサ素子１４を持つ回路配置１０を図示する。
該センサ素子の各々は、フォトダイオード１６およびＭＯＳトランジスタ１８を有する。ＭＯＳトランジスタ１８は、ゲート２０、およびソースおよびドレインと通常呼ばれる２つのさらなる端子２２，２４を有する。好ましい実施形態では、ゲート端子２０およびドレイン端子２４が短絡されている。ソース端子２２は、フォトダイオード１６のカソードに接続される。
【００３１】
この配置のために、電磁放射線２８，３０を入射した結果としてフォトダイオード１６のｐｎ接合の領域に発生される電荷キャリアは、ＭＯＳトランジスタ１８のチャネル２６に流れ込みかつ流れ、かつＭＯＳトランジスタ１８は、電磁放射線の強度に対数的に依存する大きさを有する出力電圧を発生させる。
センサ素子１２，１４を、本明細書では簡略化した形で図示する。さらに有利な詳細は、ＨＤＲＣ（登録商標）の商品名で本発明の出願人によって販売されている対数画像セルの基本原理を開示する特許文献９に記載されている。本発明の好ましい実施形態では、センサ素子のすべては、このＨＤＲＣ（登録商標）の原理に従って構成される。しかしながら、センサ素子を、原則として、例えば線形ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）画像セルとしてまたはＣＣＤ（固体撮像素子）画像セルとして、異なるやり方で実現することもできる。
【００３２】
２つのセンサ素子１２，１４のみを、図１に示す。しかしながら、好ましい実施形態では、本発明の回路配置１０は、簡略化のために図１には示さない複数の第１および第２センサ素子１２，１４を有する。好ましい実施形態では、複数のセンサ素子１２，１４は、図２ないし図４を参照して以下で説明するように、半導体基板上に配置される。
図１の実施形態では、インピーダンス変換器３２が、各センサ素子１２，１４の出力に配置され、該インピーダンス変換器３２の出力は、マルチプレクサ３４に接続される。マルチプレクサ３４を使って、複数の電気信号を共通の信号処理回路に与えることが可能である。図１に示す好ましい一実施形態では、第１マルチプレクサ３４は、第１センサ素子１２の電気信号を組み合わせるために用いられ、一方第２マルチプレクサは、第２センサ素子１４の電気信号を組み合わせるために用いられる。
【００３３】
好ましい実施形態では、本発明の回路配置１０は、２つの平行信号処理チャネルを有する１つの信号処理チャネルは、第１センサ素子１２の電気信号を処理し、一方他の信号処理チャネルは、センサ素子１４の電気信号を処理する。２つの信号処理チャネルは、好ましくは同一に構成される。第１センサ素子１２のための信号処理チャネルのみを、以下でより詳細に説明する。
【００３４】
マルチプレクサ３４の出力は、加算器３６に接続される。加算器３６は、それ自体公知の形で、固定パターンノイズの修正に役立つさらなる電気信号をＤ／Ａ（ディジタル・アナログ）変換器３８から受信する。
固定パターンノイズは、個々のセンサ素子の電気特性が製造許容差のために変動するので、複数のセンサ素子からなる画像センサにおいて生じることがある画像不均質（ノイズ）を示すものである。固定パターンノイズを、それぞれ個々のセンサ素子の電気信号に付加されている個々の修正信号によって修正することができる。修正信号は、個々のセンサ素子の電気特性が互いに一致されるように選択される。これらの修正信号を発生させるための修正係数は、この場合、Ｄ／Ａ変換器３８に接続されるメモリ４０に記憶される。Ｄ／Ａ変換器３８は、メモリ４０からの修正係数に基づいて、各センサ素子のための修正信号を発生させる。
【００３５】
加算器３６の出力は増幅器４２を経て、個々のセンサ素子の修正されたアナログ信号を対応するディジタル信号４５に変換するＡ／Ｄ（アナログ・ディジタル）変換器４４に接続される。
ディジタル信号４５は、マイクロコントローラ４６に与えられる。マイクロコントローラの代わりに、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、ＦＰＧＡ（書替え可能ゲートアレイ）、またはある他の信号処理回路を用いることも可能である。マイクロコントローラ４６は、この場合、ＦＰＮ修正のための修正係数をメモリ４０に書き込むのにも役立つ。
【００３６】
マイクロコントローラ４６は、この場合、プロセッサ４８にインタフェイス４７を経て接続される。プロセッサ４８は、すべての第１および第２センサ素子１２，１４の電気信号４５を受信し、かつそれから、とりわけ温度値を公知の商演算手法に従って計算する。プロセッサ４８は、画面５２上に表示するためのディジタル信号を出力５０に与える。
好ましい実施形態では、画面５２は、可視波長範囲に観察対象の光学画像を表示するのに役立つ。プロセッサ４８は、出力５４に計算された温度を表す信号を与える。なお出力５４を、さらなるディスプレイ５６に接続することができる。その代わりとして、画像データおよび温度値を、画面５２上に、交互にまたは一緒に表示することもできる。
【００３７】
参照番号５８は、好ましい実施形態では、電磁放射線２８，３０から遮断される感温センサ素子を表す。第１および第２センサ素子１２，１４がマトリックス画像センサの画像セル（画素）である場合、センサ素子５８は、センサの感光性領域の端縁領域に配置される１つ以上のダイオードの形で実現されれば好ましい。このセンサ素子５８は、センサの真性温度を表す温度情報を発生させる。
【００３８】
本発明の回路配置の好ましい実施形態では、この温度情報は、信号が、個々のセンサ素子の温度ドリフトのための信号変化が補正されるようにして、個々のセンサ素子１２，１４の電気信号４５をコンピュータで修正するために、制御装置４６によって用いられる。
撮像パイロメータのための本発明の回路配置の好ましい使用に従って、第１センサ素子１２および第２センサ素子１４は、電磁放射線２８，３０を異なる波長範囲から記録するために設計される。
【００３９】
好ましい実施形態では、第１センサ素子１２は、電磁放射線２８を、図２において実線で表す第１波長範囲６２から記録するようにして設計される。
好ましい実施形態では、第１波長範囲６２は、ほぼ２８０ｎｍからほぼ１０００ｎｍまでの波長を含む。この第１波長範囲の最大感度は、ほぼ６８０ｎｍにある。第１センサ素子１２のそのような伝送特性は、第１センサ素子１２のフォトダイオード１６が、シリコン半導体材料における表面近くのｐｎ接合として実現される場合に生じる。しかしながら、これらの制限は、正確に規定されず、むしろ用いられる材料および工程条件に依存している。
【００４０】
好ましい実施形態では、第１波長範囲６２は、特定フィルタなしで実現されるシリコンフォトダイオードの分光感度のために生じる波長範囲である。
第２センサ素子１４は、電磁放射線３０を、第１波長範囲６２と異なる第２波長範囲６４から記録するように設計される。好ましい実施形態では、第２波長範囲６４は、第１波長範囲６２の「上半分」である。例えば、第２波長範囲６４は、第２センサ素子１４のフォトダイオードにカットフィルタを設けることによって生じ、その伝送特性を、図２の点線６６で表す。
【００４１】
本明細書での伝送ジャンプ（カットオン）は、ほぼ６８０ｎｍにある。すなわち６８０ｎｍ以下の波長を有する電磁放射線は、カットフィルタによって抑制される。ほぼ６８０ｎｍ以上の波長を有する電磁放射線のみが、第２センサ素子１４のフォトダイオードに達する。
図３は、センサ素子１２，１４の実現のための第１の実施形態を示す。同一参照符号は、以前と同じ素子を表す。
【００４２】
図３は、半導体基板７０の一部を示す断面図である。一例として、半導体基板７０は、この場合、ｐドープされたシリコン基板またはｐドープ井戸である。ｎドープアイランド７２は、ｐドープ基板７０に配置される。さらなるｐドープ層７４は、各アイランド７２の頂部側に配置される。したがって、２つのｐｎ接合７６，７８が形成され、ｐｎ接合７６は、ｐｎ接合７８の上方にある。
【００４３】
ｐｎ接合７６は、第１センサ素子１２のフォトダイオード１６を形成し、一方ｐｎ接合７８は、第２センサ素子１４のフォトダイオード１６を形成する。より長い波長の放射線３０は、半導体材料により深く貫通し、ひいてはより深いｐｎ接合７８に達し、一方より短い波長の放射線２８は、上方ｐｎ接合７６にのみ達する。
本実施形態では、上方ｐｎ接合７６の層は、下方ｐｎ接合７８のためのフィルタを形成する。ｐｎ接合７６，７８の位置は、本明細書では、検出されるべき放射線の貫通深さに依存し選択される。
【００４４】
図３に示すように、上下に積み重ねられる複数のそのようなフォトダイオードは、半導体基板７０に並んで配置される。センサ素子１２，１４は、いずれの場合にも、マトリックスセンサの個々の画素を一緒に形成する。言うまでもなく、各画素は、ＭＯＳトランジスタ、インピーダンス変換器３２などのさらなる部品を含む。本明細書では、これらのさらなる部品を、簡略化のために図示しない。
【００４５】
図４は、上下に積み重ねられる第１および第２センサ素子１２，１４のさらなる実施形態を示す。本実施形態では、センサ素子１２，１４は、一例として、ｎドープ基板７０’上に実現される。ｎドープ基板７０’に配置されるのは、複数の真性導電半導体（空乏モード）層８０であり、ｐドープ層８２は、真性導電層８０の上方にある。このようにして、第２センサ素子１４のためのフォトダイオードとなる複数のｐｉｎダイオード８４が形成される。
【００４６】
二酸化ケイ素の連続絶縁層８５は、ｐｉｎダイオード８４の上方に配置される。ｎドープシリコン８６の層構造を有する複数のさらなるｐｉｎダイオード、真性導電シリコン８８、およびｐドープシリコン９０は、絶縁層８５上に配置される。層構造８６，８８、９０を有するｐｉｎダイオードは、第１センサ素子１２を形成する。好ましくは、層８６，８８，９０は、ＣＶＤ（化学気相成長）法を用いて製造される。図４に従う実現は、センサ素子１２，１４のフォトダイオードは、互いに積み重ねられるが、絶縁層８５によって互いに電気的に絶縁されるという利点を有する。２つのセンサ素子１２，１４のフォトダイオードは、絶縁の結果としてポテンシャルフリーであり、よってそれを任意の所望の形で接続することができる。対照的に、図３の実施形態におけるアイランド７２は、センサ素子１２，１４のための２つのフォトダイオードの共通の陰極端子を形成する。
【００４７】
図５は、センサ素子１２，１４のフォトダイオードが上下に垂直でなく、水平に並んで配置される、他の実施形態を示す。この場合、センサ素子１２，１４のフォトダイオードは、ほぼ同一に構成される。この実施形態は、ｎドープシリコン基板７０'に配置される層８０，８２を有するｐｉｎフォトダイオードをまた含む。異なる分光感度を達成するために、それぞれのフィルタ９２は、第２センサ素子１４のためのフォトダイオードの上方に配置され、該フィルタのフィルタ特性は、図２の点線６６に対応する。フィルタ９２は、例えば誘電体干渉フィルタとして実現され、かつ二酸化ケイ素の上方層９４、シリコンの中間層９６、および二酸化ケイ素の下方層９８を有する。層９４ないし９８を、ＣＶＤ法を用いて再び製造することができる。
【００４８】
図５に従う実施形態では、センサ素子１２，１４を、行ごとまたは列ごとに交互に、または格子状パターンの形で、半導体基板７０’の表面に配置することができる。図３または図４の実施形態に従うセンサと比較して、解像度は低い。
各センサ素子は、本明細書では、マトリックスセンサの専用画素を形成する。一方、センサ素子１２，１４を、本明細書では、共通の工程ステップで製造することができる。工程シーケンスを結論づけるために、第２センサ素子１４のフォトダイオードを層９４ないし９８で被覆すれば十分である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象の特性を表す光および温度依存性信号（４５）を発生させる回路配置であって、入射電磁放射線（２８，３０）に応じた複数の第１および第２電気信号（４５ａ，４５ｂ）を発生させる複数の第１および第２センサ素子（１２，１４）を備え、
前記第１センサ素子（１２）は、可視光の少なくとも大部分を含む第１波長範囲（６２）から、電磁放射線（２８）に応じて前記第１電気信号（４５ａ）を発生させるように設計され、かつ前記第２センサ素子（１４）は、赤外放射線を含む第２波長範囲（６４）から、電磁放射線（３０）に応じて前記第２電気信号（４５ｂ）を発生させるように設計され、前記第１波長範囲（６２）は、前記第２波長範囲（６４）と一部重複し、前記第１波長範囲（６２）は赤外放射線を含むことを特徴とする、回路配置。
【請求項２】
前記第１および第２信号（４５ａ，４５ｂ）に応じて、前記対象の温度を決定するように設計される回路部（４８）を特徴とする、請求項１に記載の回路配置。
【請求項３】
複数の第１および第２センサ素子（１２，１４）が並んで配置される半導体基板（７０）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の回路配置。
【請求項４】
前記第１および第２センサ素子（１２，１４）は、上下に重ねて配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回路配置。
【請求項５】
前記第１および第２センサ素子（１２，１４）は、フォトダイオード（１６）と、ゲート端子（２０）、２つの端子（２２，２４）およびチャネル（２６）を有する少なくとも１つのＭＯＳトランジスタ（１８）とを含み、前記フォトダイオード（１６）に発生される電荷キャリアが前記チャネル（２６）に流入するようにして、前記ＭＯＳトランジスタ（１８）に結合され、かつ前記ゲート端子（２０）は、前記２つの端子の一方（２４）に導電接続されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回路配置。
【請求項６】
前記第１波長範囲（６２）は、前記第２波長範囲（６４）とほぼ完全に重複することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回路配置。
【請求項７】
前記第２センサ素子（１４）は、前記第２波長範囲（６４）の下限を規定するカットフィルタ（９２）を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回路配置。
【請求項８】
前記カットフィルタ（９２）は、上下に配置される複数の材料層（９４〜９８）を有する誘電体干渉フィルタであり、前記材料層（９４〜９８）は、実質的にシリコンおよび窒化ケイ素から形成されることを特徴とする、請求項７に記載の回路配置。
【請求項９】
前記下限（６６）は、前記第１波長範囲（６２）に関してほぼ中央に位置決めされることを特徴とする、請求項７に記載の回路配置。
【請求項１０】
前記第１および第２波長範囲（６２，６４）の前記電磁放射線から遮断される、少なくとも１つのさらなる感温センサ素子（５８）を特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の回路配置。
【請求項１１】
特に撮像パイロメータのようなパイロメータとして、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の回路配置を用いる方法。
【請求項１】
対象の特性を表す光および温度依存性信号（４５）を発生させる回路配置であって、入射電磁放射線（２８，３０）に応じた複数の第１および第２電気信号（４５ａ，４５ｂ）を発生させる複数の第１および第２センサ素子（１２，１４）を備え、
前記第１センサ素子（１２）は、可視光の少なくとも大部分を含む第１波長範囲（６２）から、電磁放射線（２８）に応じて前記第１電気信号（４５ａ）を発生させるように設計され、かつ前記第２センサ素子（１４）は、赤外放射線を含む第２波長範囲（６４）から、電磁放射線（３０）に応じて前記第２電気信号（４５ｂ）を発生させるように設計され、前記第１波長範囲（６２）は、前記第２波長範囲（６４）と一部重複し、前記第１波長範囲（６２）は赤外放射線を含むことを特徴とする、回路配置。
【請求項２】
前記第１および第２信号（４５ａ，４５ｂ）に応じて、前記対象の温度を決定するように設計される回路部（４８）を特徴とする、請求項１に記載の回路配置。
【請求項３】
複数の第１および第２センサ素子（１２，１４）が並んで配置される半導体基板（７０）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の回路配置。
【請求項４】
前記第１および第２センサ素子（１２，１４）は、上下に重ねて配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回路配置。
【請求項５】
前記第１および第２センサ素子（１２，１４）は、フォトダイオード（１６）と、ゲート端子（２０）、２つの端子（２２，２４）およびチャネル（２６）を有する少なくとも１つのＭＯＳトランジスタ（１８）とを含み、前記フォトダイオード（１６）に発生される電荷キャリアが前記チャネル（２６）に流入するようにして、前記ＭＯＳトランジスタ（１８）に結合され、かつ前記ゲート端子（２０）は、前記２つの端子の一方（２４）に導電接続されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回路配置。
【請求項６】
前記第１波長範囲（６２）は、前記第２波長範囲（６４）とほぼ完全に重複することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回路配置。
【請求項７】
前記第２センサ素子（１４）は、前記第２波長範囲（６４）の下限を規定するカットフィルタ（９２）を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回路配置。
【請求項８】
前記カットフィルタ（９２）は、上下に配置される複数の材料層（９４〜９８）を有する誘電体干渉フィルタであり、前記材料層（９４〜９８）は、実質的にシリコンおよび窒化ケイ素から形成されることを特徴とする、請求項７に記載の回路配置。
【請求項９】
前記下限（６６）は、前記第１波長範囲（６２）に関してほぼ中央に位置決めされることを特徴とする、請求項７に記載の回路配置。
【請求項１０】
前記第１および第２波長範囲（６２，６４）の前記電磁放射線から遮断される、少なくとも１つのさらなる感温センサ素子（５８）を特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の回路配置。
【請求項１１】
特に撮像パイロメータのようなパイロメータとして、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の回路配置を用いる方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２０１１−５０３５６０（Ｐ２０１１−５０３５６０Ａ）
【公表日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３２４７８（Ｐ２０１０−５３２４７８）
【出願日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／００９１６７
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０５９７２１
【国際公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【出願人】（５０２０２１２９１）インスティチュート フュア ミクロエレクトロニク シュトゥットガルト (3)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／００９１６７
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０５９７２１
【国際公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【出願人】（５０２０２１２９１）インスティチュート フュア ミクロエレクトロニク シュトゥットガルト (3)
【Ｆターム（参考）】
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