光電変換装置、イメージセンサ、及びイメージングシステム
【課題】プローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ回路が飽和することもなしに、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の変調量を検出可能な光電変換装置を提供する。
【解決手段】２つのフォトダイオード１，２と、フォトダイオード１、２に生じる光電流の差を出力信号に増幅する増幅器６と、各々のフォトダイオードに対応して設けられ、対応するフォトダイオードへの入射光を、その入射光が有する特定の物理量に応じた強度で、異なる特性に従って透過する２つのフィルタを備える。
【解決手段】２つのフォトダイオード１，２と、フォトダイオード１、２に生じる光電流の差を出力信号に増幅する増幅器６と、各々のフォトダイオードに対応して設けられ、対応するフォトダイオードへの入射光を、その入射光が有する特定の物理量に応じた強度で、異なる特性に従って透過する２つのフィルタを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置、イメージセンサ、及びイメージングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、セキュリティ検査用途、医療検査用途、食品分析用途、環境モニター用途を目的として、ＴＨｚ帯電磁波イメージング装置の需要が高まりつつあり、活発な開発が進められている（例えば、非特許文献１、２、及び特許文献１−３を参照）。
【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ＴＨｚ電磁波を被検査物に照射し、その透過または反射波に、該被検査物の特性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特性の空間分布情報を２次元画像として構成する。
【０００４】
初期には、被検査物の２次元情報を得る方法として、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電磁波を高々一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る。
【０００６】
この欠点を補うための、図１３に示す装置が非特許文献３に開示されている。
図１３において、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。
【０００７】
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が高く幅の広いビームであり、ＴＨｚ電磁波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。
【０００８】
被測定物１３０８を通過したＴＨｚ電磁波は被測定物の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１３０９によって、後段のＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器１３１３内に結像する。
【０００９】
プローブ光１３０４はミラー１３１０で進路変更され、さらにビームエクスパンダ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電磁波と光軸を共有する。言い換えれば、重畳される。
【００１０】
重畳されたプローブ光とＴＨｚ電磁波とは、電気光学変調器１３１３に入射する。
電気光学変調器１３１３は、［１１０］面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる。
【００１１】
電気光学変調器１３１３の後段には、位相板１３１４、プローブ光に直交する偏波面を有する直線偏光のみ透過する偏光板１３１５、及び偏光板１３１５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１３１６がこの順に配置される。
【００１２】
偏光板１３１５の透過光が、ＣＭＯＳイメージセンサ１３１６を飽和させない程度の強度になるよう、位相板１３１４は、位相板１３１４を通過後のプローブ光１３０４の偏波面が、所定の基準条件の下で、偏光板１３１５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される。
【００１３】
この基準条件とは、例えば、ＴＨｚ電磁波がプローブ光１３０４の各パルスと同時に電気光学変調器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が非同期の場合を表す。この基準条件において、プローブ光１３０４は、上記偏角に応じて抑制された強度で偏光版１３１５を透過し、イメージセンサ１３１６に入射する。
【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版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】
このとき、ＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスとが同時に電気光学変調器１３１３に入射する場合、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、非同期の場合と比べて、電気光学変調器１３１３によってプローブ光１３０４に与えられる偏角が０．０２°程度変動する。
【００１６】
この偏波面の角度に関する１％程度の変調に応じて、偏光板１３１５によってプローブ光１３０４は強度変調される。
【００１７】
同期回路１３１７は、光源１３０１のパルス発生タイミングと同期して、例えばＴＨｚ電磁波エミッター１３０６によるＴＨｚ電磁波の発生を許可又は抑止することによって、連続する２つのプローブ光パルスにそれぞれ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る。
【００１８】
画像処理回路１３１８は、これらの２つのプローブ光パルスからイメージセンサ１３１６によって得られた２つの画像を取り込み、両画像間の差分をとることによって被測定物１３０８のＴＨｚ電磁波に対する透過特性に応じた画像を生成する。
【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．
【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】
【００１９】
しかし、上記の従来の技術においては、次の２つの課題が生じる。
第１の課題は、従来のＣＭＯＳイメージセンサの飽和を回避すべく、プローブ光の位相バイアスを抑制するために、得られる画像の信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）の向上が困難になることである。
【００２０】
図１４は、偏光フィルタの特性を説明する図であり、プローブ光の偏波面に関する角度に対するプローブ光の透過強度の特性を概念的に示している。プローブ光の位相バイアスを抑制することで、図１４のＡの部分の特性が用いられることになる。そのために大きな変調量が得られず、Ｓ／Ｎ比の向上が困難になる。
【００２１】
ＴＨｚ電磁波源として、再生アンプ付きの高出力短パルスレーザを用いた場合、発生したＴＨｚ電磁波によってプローブ光に１０％程度の変調を与えることができる（図１４のＢの部分の特性）。ただし、その場合には、飽和を回避するための対策が不可欠である。しかし、例えばＮＤフィルタでプローブ光の強度を低下させただけでは、信号の絶対値と共に変調量も低下してしまい、Ｓ／Ｎ比は改善されない。
【００２２】
理想的なＳ／Ｎ比を得るために、未変調時に偏光フィルタに入射するプローブ光を円偏光とし、互いに直行する等量の偏光成分に、変調による偏波面の回転に関する情報をロスなく持たせることが好ましい。しかし、それでは、前述した飽和の問題を解決することができない。
【００２３】
すなわち、図１５に示した一般的なイメージセンサの画素回路によれば、フォトダイオード１４０１に過大なプローブ光が入射することになり、フォトダイオード１４０１で生じる電荷量が、容量１４０４で蓄積可能な飽和電荷量を超えてしまう。そして、リセットパルス発生回路１４０６による制御に従ってリセットトランジスタ１４０７がリセット動作を行った後、過大な光入力によって飽和量に達した電荷が、転送パルス発生回路１４０３による制御に従って転送トランジスタ１４０２を介して増幅回路１４０５に入力される。
【００２４】
このような事情から、従来、プローブ光の位相バイアスを抑制する手法が用いられ、その結果、信号の変調量を稼ぐことができずにＳ／Ｎ比が低下するという第１の課題が発生する。
【００２５】
さらに、偏光フィルタでは、プローブ光に直交する偏光成分を完全に遮断することはできず、μＷオーダーの光が透過してくることもＳ／Ｎ比を悪化させる要因に加わる。その結果、得られるＳ／Ｎ比は極めて低く１％程度にとどまる。
【００２６】
第２の課題は、従来の技術によれば、２つのプローブ光パルスからそれぞれ得られた画像間の差分をとるために、少なくとも１つの画像を一時的に記憶回路に保存する必要から、装置が複雑化することである。
【００２７】
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、プローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ回路が飽和することもなしに、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の変調量を検出可能な光電変換装置を提供することを目的とする。
【００２８】
さらには、１つのプローブ光パルスを受光するだけで、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の変調量を検出可能な光電変換装置を提供することを目的とする。
【００２９】
また、そのような光電変換装置を用いたイメージセンサ、イメージングシステムを提供することも、本発明の目的に含まれる。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
上記課題を解決するために、本発明の光電変換装置は、２つのフォトダイオードを有し、それぞれのフォトダイオードに生じる光電流の差に応じた電流又は電圧を出力する光電変換回路と、前記光電変換回路から出力される電流又は電圧を増幅する増幅器とを備える。前記光電変換装置において、前記２つのフォトダイオードは、同等の特性を有し、それぞれのフォトダイオードには、入射光を、その入射光が有する特定の物理量に応じた強度で、互いに異なる特性に従って透過するフィルタが設けられていることが望ましい。
【００３１】
前記フィルタは、異なる偏光透過特性を有する偏光フィルタであってもよく、また、異なる波長透過特性を有する波長フィルタであってもよい。
【００３２】
前記光電変換装置は、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用いられ、前記２つのフィルタは、所定の基準状態、例えば変調量が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。プローブ光の偏波面の方向や波長を変調するためには、従来知られている電気光学変調素子を用いることができる。
【００３３】
この構成によれば、未変調時には円偏光となるプローブ光を前記２つのフォトダイオードに入射し、等量の打ち消しあう電流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、前記フィルタ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、光電流の差に応じた電流信号又は電圧信号として検出することが可能となる。
【００３４】
これにより、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なく、しかも、１つのプローブ光パルスを受光するだけで、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の変調量を検出可能な光電変換装置が得られる。
【００３５】
また、具体的に、前記光電変換回路は、極性を反転して並列に接続された前記フォトダイオードと、前記フォトダイオードの接続点に直接またはスイッチを介して接続された容量とを有し、前記容量に蓄積された電荷を電圧又は電流として前記増幅器へ出力してもよい。
【００３６】
この構成によれば、未変調のプローブ光が入射している場合、前記２つのフォトダイオードには等量の電流が逆向きに流れるだけであり、前記２つのフォトダイオードによって形成されるループから余剰電荷は発生せず、前記容量には電荷すなわち信号は蓄積されない。
【００３７】
他方、変調されたプローブ光では前記２つのフォトダイオードに入射される光量が異なるため、上記２つのフォトダイオードに発生する電流量に差が発生し、この差に相当する電流がフォトダイオードによって形成されるループから前記容量に流れて電荷として蓄積され、前記増幅器による増幅結果の信号として出力される。
【００３８】
従って、未変調のプローブ光が入射した場合でも、回路が飽和することがなく、また変調されたプローブ光が入射した場合は、その変調量を前記フォトダイオードに流れる光電流の差で表して、前記増幅結果の信号として検出することが可能となる。
【００３９】
また、具体的に、前記光電変換回路は、極性を同じ向きに揃えて直列に接続された前記フォトダイオードと、前記フォトダイオードの接続点に直接またはスイッチを介して接続された容量とを有し、前記容量に蓄積された電荷を電圧又は電流として前記増幅器へ出力してもよい。
【００４０】
この構成によれば、未変調のプローブ光が入射している場合、前記２つのフォトダイオードには等量の電流が直列に流れるだけであり、前記容量には電荷すなわち信号は蓄積されない。
【００４１】
他方、変調されたプローブ光では前記２つのフォトダイオードに入射される光量が異なるため、上記２つのフォトダイオードに発生する電流量に差が発生し、この差に相当する電流が前記容量に流れて電荷が蓄積され、前記増幅器による増幅結果の信号として出力される。
【００４２】
従って、未変調のプローブ光が入射した場合でも、回路が飽和することがなく、また変調されたプローブ光が入射した場合は、その変調量を前記フォトダイオードに流れる光電流の差で表して、前記増幅結果の信号によって検出することが可能となる。
【００４３】
また、具体的に、前記光電変換回路は、それぞれのフォトダイオードに対応して設けられ、対応するフォトダイオードと直列に接続された同一特性を有する２つの抵抗体を有し、それぞれのフォトダイオードと抵抗体との接続点間の電圧又は電流を前記増幅器へ出力してもよい。
【００４４】
この構成によれば、未変調のプローブ光が入射している場合、前記２つのフォトダイオードからそれぞれに直列に接続された抵抗体へ等量の電流が流れるだけであり、それぞれのフォトダイオードと抵抗体との接続点間に電圧又は電流は発生しない。
【００４５】
他方、変調されたプローブ光では前記２つのフォトダイオードに入射される光量が異なるため、上記２つのフォトダイオードに発生する光電流に差が発生し、この差によって前記接続点間に発生する電圧又は電流が、前記増幅器による増幅結果の信号として出力される。
【００４６】
従って、未変調のプローブ光が入射した場合でも、回路が飽和することがなく、また変調されたプローブ光が入射した場合は、その変調量を前記フォトダイオードに流れる電流量の差で表して、前記増幅結果の信号によって検出することが可能となる。
【００４７】
本発明は、このような光電変換装置として実現できるだけでなく、このような光電変換装置を用いたイメージセンサ、及びそのイメージセンサを用いたイメージングシステムとして実現することもできる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の光電変換装置によれば、２つのフォトダイオードに生じる光電流の差を出力信号に増幅できるので、入射光をその特定の物理量に応じた強度で、異なる特性に従って透過するフィルタを前記それぞれのフォトダイオードに設ければ、前記入射光が前記特定の物理量に関してどの程度変調されているかを、前記２つのフォトダイオードに生じる光電流の差として検出することができる。
【００４９】
例えば、前記特定の物理量が偏波面の方向であれば、前記フィルタは偏光フィルタであり、前記特定の物理量が波長であれば、前記フィルタは波長フィルタである。
【００５０】
このとき、出力信号は入射光の光量の差に基づくので、入射光の光量そのものが大きくても回路は飽和しない。従って、回路の飽和を防ぐために従来行われている入射光の位相バイアスを抑制するのをやめて、高いＳ／Ｎ比で入射光の変調量を検出することが可能になる。しかも、その検出は、変調された入射光を一回受光するだけで行うことができる。
【００５１】
この効果は、本発明の光電変換装置をイメージセンサ、およびイメージングシステムに適用した場合に、特に顕著である。一回の撮影で、入射光の変調量に反映された対象物の特性を画像化できることから、装置の簡素化、及び実時間での撮像が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５３】
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【００５４】
この光電変換装置において、特性の等しい２つのフォトダイオード１，２が極性を反転した状態で並列に接続され、片側端子は接地、もう一方の端子はスイッチ３を介して容量４に接続されている。容量４はスイッチ５を介して増幅回路６に接続されている。また、スイッチ１０は異なる時刻での信号の混合を防止するために容量４を放電させるスイッチである。
【００５５】
フォトダイオード１，２に等しい強度の光が入射した場合、等量の光電流が発生し、互いに逆向きに流れるため、電流はスイッチ３に流入しない。従って、この時、スイッチ３を介して容量４に電荷蓄積は行われない。他方、フォトダイオード１，２に入射する光強度が異なる場合、両フォトダイオードに発生する光電流量は異なり、余剰電流は両フォトダイオードの接点から流出して、切り替え回路７からの制御によって閉状態にあるスイッチ３に流入し、容量４に電荷として蓄積される。
【００５６】
一定の電荷蓄積時間を経た後、切り替え回路７に従ってスイッチ３を開いた後、転送タイミング発生回路８に従ってスイッチ５を閉じることによって、容量４に蓄積された電荷によって発生した電圧情報を増幅回路６に入力することによって、フォトダイオード１，２に発生した電流量の差を出力信号として取り出すことが可能となる。
【００５７】
容量４の信号電圧が増幅回路６に送られた後、転送タイミング発生回路８に従ってスイッチ５を開き、リセット信号発生回路９に従ってスイッチ１０を閉じることによって、容量４は放電され、次の信号電荷を蓄積可能な状態になる。
【００５８】
ここで、フォトダイオード１，２、スイッチ３，５，１０、及び容量４を、光電変換部１１と総称する。
【００５９】
図２は、前述した光電変換装置の各部に発生し又は与えられる主要な信号を示すタイミングチャートである。
【００６０】
フォトダイオード１，２には、１ｋＨｚのプローブ光パルスが入射し、その光量に応じてパルス電流が流れる。Ａの期間はフォトダイオード１，２に等しい光量が入射し等しい光電流が流れた場合、Ｂの期間はフォトダイオード１への入射光量がフォトダイオード２への入射光量よりも多い場合である。
【００６１】
図３は、第１の実施の形態における光電変換装置の、光電変換部のフォトダイオードを通る断面を模式的に示した図である。
【００６２】
基板３００の最表面にＰ層３０１とその下層に形成されたｎ層３０２によって構成されるＰＮ接合がフォトダイオード１を構成し、さらにＰ＋層３０３によって基板３００より電気的に分離されたフォトダイオード１と等面積のＰＮ接合を有するフォトダイオード２が素子分離層３０４を挟んで互いに隣接する領域に形成された光電変換部を構成する。
【００６３】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード間には遮光メタル３０６が配置されている。
【００６４】
各フォトダイオード上には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７が形成されている。
【００６５】
さらに、各レンズ上には第２の保護層３０８が形成された上にフォトダイオード１上にはＰ偏光のみ透過する偏光フィルタ３０９ａ、フォトダイオード２上にはＳ偏光のみ透過する偏光フィルタ３０９ｂが形成されている。
【００６６】
偏光フィルタ３０９ａ、３０９ｂともに配線金属である銅を幅０．２５μｍ、間隔０．２５μｍで１００周期分配置された格子を構成することによって形成されている。この時、偏光フィルタ３０９ａと３０９ｂとの間で格子の方向は直交しており、直交する偏光に対する透過特性を有する。
【００６７】
図４は、第１の実施の形態における光電変換装置の、フォトダイオード、転送スイッチ、容量を含む光電変換部を装置上部から見たレイアウトを模式的に示したものである。
【００６８】
フォトダイオード１のＮ層はグラウンドである基板に直接接続され、その全面が表面Ｐ層４０１で覆われている。フォトダイオード２の表面Ｐ層４０２はコンタクト４０３より配線４０４を介してコンタクト４０５によって接地される。
【００６９】
フォトダイオード１のＰ層４０１およびフォトダイオード２のＮ層４０６はそれぞれコンタクト４０７、４０８より引き出され、配線４０９を介して接続され、さらに本接点はスイッチとして機能するＭＯＳ電界効果トランジスタのソース４１０にコンタクト４１１を介して接続されている。フォトダイオード１，２より流出した電流は、切り替え回路７よりゲート４１２にパルスを与えることによって反対側に位置するドレイン４１３に転送することができる。
【００７０】
この光電変換装置においては、半導体基板がＰ型であるので、ソース４１０、ドレイン４１３はＮ＋層で構成され、本スイッチトランジスタはＮチャネル型である。さらにスイッチ電界効果トランジスタのドレイン４１３のＮ＋層と基板との間でＰＮ接合ダイオードを構成し、容量として作用する。
【００７１】
従って、このＰＮダイオードに蓄積された電荷の増減によって発生する電圧変化は該ＰＮ接合ダイオードのＮ層すなわち転送スイッチトランジスタのドレイン４１３自体の電流を直接読み出すことが可能であるので、転送パルスを転送信号発生回路８より転送パルスを転送トランジスタのゲート４１４に与えることによって増幅回路６に入力する。
【００７２】
以上のような構成とすることにより、図１に示した回路図の機能を実現する光電変換装置を構成することが可能である。
【００７３】
図５は、前述した光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を模式的に示した図である。
【００７４】
光源５０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光列が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッタ５０２によりＰ偏光はポンプ光５０３として、Ｓ偏光はプローブ光５０４として分離される。ポンプ光５０３は光学遅延線５０５を経て、ＴＨｚ電磁波エミッター５０６を構成するＺｎＴｅ結晶［１１０］面に垂直に入射され、ＴＨｚ電磁波５０７が発生される。
【００７５】
プローブ光５０４はミラー５０８で進行方向を調整された後、シリコンウエハーで構成されたミラー５０９に入射し、シリコンミラー５０９を透過したＴＨｚ電磁波５０７と光軸を共有して、［１１０］面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器５１０に入射する。電気光学変調器５１０の後段には１／４波長板５１１と、イメージセンサ５１２がこの順に配置された構成となっている。
【００７６】
イメージセンサ５１２は、後に詳述するように、２次元に配置されそれぞれに前述した光電変換装置を有した複数の画素と、各々の画素の前記光電変換装置の出力信号を読み出す読み出し回路とを備える。
【００７７】
１／４波長板５１１はその後段において、ＴＨｚ電磁波５０７がプローブ光５０４の各パルスと同時に電気光学変調器５１０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が非同期の場合にはプローブ光５０４を完全な円偏光状態に設定する。この時、イメージセンサ５１２には円偏光が入射するため、Ｐ偏光成分、Ｓ偏光成分は等しく、従って、内部の各フォトダイオードには等量の電流が発生し、容量には電荷は蓄積されない。
【００７８】
他方、電気光学変調器５１０にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、電気光学変調器５１０に透過後のプローブ光の偏光状態はＴＨｚ電磁波５０７と非同期の場合に比べて、偏光軸が回転し、さらに、楕円偏光となるため、１／４波長板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。
【００７９】
従って、イメージセンサ５１２内部の２つのフォトダイオード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、容量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。
【００８０】
従って、課題であるフォトダイオードを飽和させることなくＴＨｚ電磁波を検出することが可能である。さらに本実施例の構成では従来の構成で必要であった、バルクの偏光ビームスプリッタ、または偏光プリズムが必要なく、かつ、光電変換素子は２つのフォトダイオードが集積化されているため、光学系が簡略化されるという利点を有する。
【００８１】
図６は、イメージセンサ５１２の機能的な構成の一例を示すブロック図である。イメージセンサ５１２は、それぞれに前述した光電変換装置を含む複数の画素回路を２次元に配列し、垂直走査回路６０１および水平走査回路６０２を配置することによって実現される。
【００８２】
垂直走査回路６０１は、図１に示される切り替え回路７、転送タイミング発生回路８、及びリセット信号発生回路９を含み、これらの回路から出力される制御信号に加えて、行選択信号を、行データ選択線６０３を介して、行ごとに画素回路に供給する。
【００８３】
各々の画素回路は、図１に示される光電変換装置の光電変換部１１及び増幅回路６に加えて、スイッチ６１０を備えると共に、切り替え回路７、転送タイミング発生回路８、及びリセット信号発生回路９からのそれぞれの制御信号、及び行選択信号を受け取る端子６０７、６０８、６０９、６０６を備える。
【００８４】
行選択信号に従ってスイッチ６１０を閉じることによって、画素回路の出力信号が列データ読み出し線６０４へ出力される。
【００８５】
水平走査回路６０２は、選択された行の画素回路からの出力信号を、列データ読み出し線６０４を介して、画素ごとに順次読み出す。
【００８６】
なお、本イメージセンサはＴＨｚ電磁波イメージング装置への適用を前提として、各画素の光電変換部１１に含まれるフォトダイオード上には、前述したオンチップレンズ、及び偏光フィルタが設けられる。
【００８７】
以上説明したように、本実施例のイメージセンサにおいては一画面分のデータ読み出し時間に相当する一定の信号電荷蓄積時間が存在する。この電荷蓄積時間内に各画素回路において、図２のタイミングチャートで説明される動作が行われることによって、フォトダイオードに入射する光量の差に応じた電荷が容量に蓄積され、読み出される。
【００８８】
従って、毎画面で各画素回路における２つのフォトダイオードへの入射光量差が検出され、外部の画像再生回路によって２次元画像として再生される。
【００８９】
図７は、前述したＴＨｚイメージングシステムの実用例を模式的に示す図である。
光源７０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光列が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッタ７０２によりＰ偏光はポンプ光７０３として、Ｓ偏光はプローブ光７０４として分離される。ポンプ光７０３は光学遅延線７０５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７０６に入射され、ＴＨｚ電磁波７０７が発生される。
【００９０】
このようにして発生されたＴＨｚ電磁波７０７は極めてコリメート性の高いビームであり、ＴＨｚ電磁波に対して２次元的な透過特性分布を有する被測定物７０８に照射される。被測定物７０８を通過したＴＨｚ電磁波は被測定物の２次元透過特性分布に従い、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７０９によって、後段のＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器７１３内に結像する。
【００９１】
プローブ光７０４はミラー７１０で進路変更され、さらにビームエクスパンダ７１１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ミラー７１２に入射し、シリコンミラー７１２を透過した強度変調されたＴＨｚ電磁波と光軸を共有して、［１１０］面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器７１３に入射する。
【００９２】
電気光学変調器７１３の後段には１／４波長板７１４とイメージセンサ７１５がこの順に配置された構成となっている。イメージセンサ７１５は、前述したイメージセンサ５１２と同等である。
【００９３】
１／４波長板７１４はその後段において、ＴＨｚ電磁波がプローブ光７０４の各パルスと同時に電気光学変調器７１３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が非同期の場合にはプローブ光７０４を完全な円偏光状態に設定する。この時、イメージセンサ７１５には円偏光が入射するため、Ｐ偏光成分、Ｓ偏光成分は等しく、従って、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、容量には電荷は蓄積されない。
【００９４】
他方、電気光学変調器７１３にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、電気光学変調器７１３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、偏光軸が回転し、さらに、楕円偏光となるため、１／４波長板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。
【００９５】
従って、イメージセンサ７１５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、容量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。
【００９６】
以上の原理で検出出力された２次元信号は画像再生装置７１６によって映像情報としてモニターに出力される。従って、課題であるフォトダイオードを飽和させることなくＴＨｚ電磁波イメージングが可能である。
【００９７】
＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態で示した光電変換装置（図１を参照）と同等の機能を有する光電変換装置を、他の構成によって実現することもできる。
【００９８】
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。２つのフォトダイオード８０１，８０２を、極性を同じ向きに揃えて直列に接続し、この接続点に切り替え回路８０７からの制御によって開閉されるスイッチトランジスタ８０３のソースを接続する。
【００９９】
スイッチトランジスタ８０３のドレインは容量８０４に接続され、蓄積電荷の増減に伴う容量８０４の電圧の増減信号は転送タイミングパルス発生回路８０８からの制御によって開閉される転送トランジスタ８０５を介して増幅回路８０６によって増幅される。
【０１００】
また、第１の実施の形態の場合と同様に、容量８０４はリセットパルス発生回路８０９によって制御されるリセットトランジスタ８１０によって放電される。
【０１０１】
このような構成とすることによって、フォトダイオード８０１，８０２に入射する光量に差があり発生光電流差を生ずる場合にのみ、スイッチトランジスタ８０３がオン状態において、容量８０４の蓄積電荷量が変化し、その出力電圧を変化させる機能を実現できる。
【０１０２】
＜第３の実施の形態＞
第１または第２の実施の形態に示した光電変換素子と同等の機能を有する光電変換装置を、さらに他の構成によっても実現することができる。
【０１０３】
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。２つのフォトダイオード９０１、９０２と、バイアス電圧発生回路９０３によって同一条件でバイアスされた同一特性を有するトランジスタ９０４，９０５とを有し、フォトダイオード９０１、９０２は、それぞれトランジスタ９０４，９０５のドレインに直列に接続されている。トランジスタ９０４，９０５のソース電流の差が、増幅回路９０６によって出力信号に増幅される。
【０１０４】
このような構成とすることにより、フォトダイオード９０１，９０２への光入射量に差がある場合にのみ増幅回路９０６は出力信号を発生する機能を実現することができる。
【０１０５】
なお、本構成ではフォトダイオードに接続されるトランジスタとして電界効果トランジスタを用いたが、バイポーラトランジスタに置き換えても同等の機能を実現可能である。さらに、本実施例のトランジスタを、同一特性を有する２つの抵抗に置き換えても同等の機能を実現できる。
【０１０６】
＜第４の実施の形態＞
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る光電変換装置の、光電変換部のフォトダイオードを通る断面を模式的に示した図である。この光電変換装置は、図１の回路を実現するための構成と共に、図３の断面図に示されるフィルタとは異なるフィルタを備えている。
【０１０７】
基板３００の最表面にＰ層３０１とその下層に形成されたｎ層３０２によって構成されるＰＮ接合がフォトダイオード１を構成し、さらにＰ＋層３０３によって基板３００より電気的に分離されたフォトダイオード１と等面積のＰＮ接合を有するフォトダイオード２が素子分離層３０４を挟んで互いに隣接する領域に形成された光電変換部を構成する。
【０１０８】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード間には遮光メタル３０６が配置されている。
【０１０９】
各フォトダイオード上には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７が形成されている。
【０１１０】
さらに、各レンズ上には第２の保護層３０８が形成された上にフォトダイオード１上には波長７９０ｎｍにピークと半値幅２０ｎｍの透過帯域を有する狭帯域フィルタ１００９ａ、フォトダイオード２上には波長８１０ｎｍにピークと半値幅２０ｎｍの透過帯域を有する狭帯域フィルタ１００９ｂが形成されている。
【０１１１】
図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、それぞれフィルタ１００９ａ、１００９ｂの透過特性を示す図である。フィルタ１００９ａ、１００９ｂとも最大透過率は０．６、半値幅は２０ｎｍである。このようなフィルタは、例えば文献 Ｌ． Ｄｅｓｐｌａｎｑｕｅ， Ｊ． Ｆ． Ｌａｍｐｉｎ， ａｎｄ Ｆ． Ｍｏｌｌｏｔ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， Ｖｏｌ．８４， Ｎｏ．１２， ｐ．２０４９−２０５１， （２００４）．に示されているような多層誘電体薄膜を用いた干渉フィルタをフォトリソグラフィ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ができる。
【０１１２】
本実施形態の光電変換装置に波長８００ｎｍの光を入射すると、上記フィルタ１００９ａ，１００９ｂの透過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１、２に発生する光電流も等しく、信号出力は発生しない。
【０１１３】
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、フィルタ１００９ａを透過する光量が増加すると共に、フィルタ１００９ｂ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１，２に発生する電流が各々増減し、この差分を増幅することで信号出力を得ることが可能となる。従って、本実施形態の光電変換装置は入射光の波長に関する変調量を検出する波長シフトモニターとして作用する。
【０１１４】
図１２は、本実施形態の光電変換素子を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を模式的に示した図である。
【０１１５】
光源１２０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光列が１ｋＨｚの周波数で発生され、ビームスプリッタ１２０２によりポンプ光１２０３とプローブ光１２０４に分離される。ポンプ光１２０３は光学遅延線１２０５を経て、ＴＨｚ電磁波エミッター１２０６を構成するＺｎＴｅ結晶［１１０］面に垂直に入射され、ＴＨｚ電磁波１２０７が発生される。
【０１１６】
プローブ光１２０４はミラー１２０８で進行方向を調整された後、シリコンウエハーで構成されたミラー１２０９に入射し、シリコンミラー１２０９を透過したＴＨｚ電磁波１２０７と光軸を共有して、アルミニウムガリウム砒素とガリウム砒素薄膜を交互に積層した超格子よりなる電気光学変調器１２１０に入射する。
【０１１７】
電気光学変調器１２１０の後段には本実施の形態で説明した光電変換装置１２１１が配置された構成となっている。この時、電気光学変調器１２１０にＴＨｚ電磁波がプローブ光と同時に入射しない場合には、透過光の波長は変化せず、従って内部の各フォトダイオードには等量の光が入射し、発生する光電流も等量であるため、信号は検出されない。
【０１１８】
一方、電気光学変調器１２１０にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、電気光学変調器１２１０を透過後のプローブ光の波長はＴＨｚ電磁波１２０７と非同期の場合に比べて、長波長側に５ｎｍシフトするため、フォトダイオード２に入射する光量が増大、フォトダイオード１に入射する光量が減少するため、両フォトダイオードに異なる光電流が発生し、容量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。
【０１１９】
従って、課題であるフォトダイオードを飽和させることなくＴＨｚ電磁波を検出することが可能である。
【０１２０】
なお、異なる波長フィルタをそれぞれのフォトダイオードに設けたこの構成は、上記説明したように入射光の波長に関する変調度を検出する用途とは別に、入射光から色差情報を直接に検出するために利用することもできる。
【０１２１】
さらに、それぞれのフォトダイオードに、偏光フィルタも波長フィルタも設けない構成では、２つのフォトダイオードが受光した光量差が直接に検出できることから、画像内のエッジ検出に応用することも考えられる。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明の光電変換装置は、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】
【０１２３】
【図１】第１の実施形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図。
【図２】前記光電変換装置の動作に係る主要信号のタイミングチャート。
【図３】前記光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図。
【図４】前記光電変換装置の光電変換部を装置上部から見たレイアウト図。
【図５】前記光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を示す模式図。
【図６】前記光電変換装置を用いたイメージセンサの機能的な構成の一例を示すブロック図。
【図７】前記ＴＨｚイメージングシステムの実用例を模式的に示す図。
【図８】第２の実施形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図。
【図９】第３の実施形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図。
【図１０】第４の実施の形態に係る光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図。
【図１１】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれフィルタ１００９ａ、１００９ｂの透過特性を示す図。
【図１２】前記光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を示す模式図。
【図１３】従来技術に係るＴＨｚイメージングシステムの構成例を示す模式図。
【図１４】偏光フィルタの特性を説明する図。
【図１５】従来技術に係る一般的なイメージセンサの画素回路を一例を示す回路図。
【符号の説明】
【０１２４】
１、２ フォトダイオード ３、５、１０ スイッチ ４ 容量 ６ 増幅回路 ７ 切り替え回路 ８ 転送信号発生回路 ９ リセット信号発生回路 ３００ 半導体基板 ３０１ Ｐ層 ３０２ Ｎ層 ３０３ フォトダイオード周辺Ｐ層 ３０４ 素子分離層 ３０５ 保護層 ３０６ 遮光メタル ３０７ オンチップレンズ ３０８ 第２保護層 ３０９ａ、３０９ｂ 偏光フィルタ ４０１、４０２ 表面Ｐ層 ４０３ フォトダイオード２表面Ｐ層コンタクト ４０４ フォトダイオード２表面Ｐ層引き出しコンタクト ４０５ フォトダイオード２表面Ｐ層接地コンタクト ４０６ フォトダイオード２Ｎ層 ４０７ フォトダイオード１Ｐ層コンタクト ４０８ フォトダイオード２Ｎ層コンタクト ４０９ フォトダイオード１，２接続用配線 ４１０ スイッチトランジスタソース ４１１ スイッチトランジスタソースコンタクト ４１２ スイッチトランジスタゲート ４１３ スイッチトランジスタドレイン ４１４ 転送トランジスタゲート ５０１ 超短パルス光源 ５０２ 偏光ビームスプリッタ ５０３ ポンプ光 ５０４ プローブ光 ５０５ 光学遅延線 ５０６ ＴＨｚ電磁波エミッター ５０７ ＴＨｚ電磁波 ５０８ プローブ光進路変更用ミラー ５０９ シリコンミラー ５１０ 電気光学変調器 ５１１ １／４波長板 ５１２ イメージセンサ ６０１ 垂直走査回路 ６０２ 水平走査回路 ６０３ 行データ選択線 ６０４ 列データ読み出し線 ６０６、６０７、６０８，６０９ 端子 ７０１ 超短パルス光源 ７０２ 偏光ビームスプリッタ ７０３ ポンプ光 ７０４ プローブ光 ７０５ 光学遅延線 ７０６ ＴＨｚ電磁波エミッター ７０７ ＴＨｚ電磁波 ７０８ 被測定物 ７０９ ポリエチレンレンズ ７１０ プローブ光進路変更用ミラー ７１１ ビームエクスパンダ ７１２ シリコンミラー ７１３ 電気光学変調器 ７１４ １／４波長板 ７１５ イメージセンサ ７１６ 画像再生装置 ８０１、８０２ フォトダイオード ８０３ スイッチトランジスタ ８０４ 容量 ８０５ 転送スイッチ ８０６ 増幅回路 ８０７ 切り替え回路 ８０８ 転送タイミングパルス発生回路 ８０９ リセットパルス発生回路 ８１０ リセット用スイッチトランジスタ ９０１、９０２ フォトダイオード ９０３ バイアス電圧発生回路 ９０４、９０５ 電界効果トランジスタ ９０６ 増幅回路 １００９ａ、１００９ｂ 狭帯域フィルタ １２０１ 超短パルス光源 １２０２ ビームスプリッタ １２０３ ポンプ光 １２０４ プローブ １２０５ 光学遅延線 １２０６ ＴＨｚ電磁波エミッター １２０７ ＴＨｚ電磁波 １２０８ プローブ光進路変更用ミラー １２０９ シリコンミラー １２１０ 電気光学変調器 １２１１ 光電変換装置 １３０１ 超短パルス光源 １３０２ 偏光ビームスプリッタ １３０３ ポンプ光 １３０４ プローブ光 １３０５ 光学遅延線 １３０６ ＴＨｚ電磁波エミッター １３０７ ＴＨｚ電磁波 １３０８ 被測定物 １３０９ ポリエチレンレンズ １３１０ プローブ光進路変更用ミラー １３１１ ビームエクスパンダ １３１２ シリコンミラー １３１３ 電気光学変調器 １３１４ 位相板 １３１５ 偏光板 １３１６ イメージセンサ １３１７ 同期回路 １３１８ 画像演算回路 １４０１ フォトダイオード １４０２ 転送トランジスタ １４０３ 転送パルス発生回路 １４０４ 容量 １４０５ 増幅回路 １４０６ リセットパルス発生回路 １４０７ リセットトランジスタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置、イメージセンサ、及びイメージングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、セキュリティ検査用途、医療検査用途、食品分析用途、環境モニター用途を目的として、ＴＨｚ帯電磁波イメージング装置の需要が高まりつつあり、活発な開発が進められている（例えば、非特許文献１、２、及び特許文献１−３を参照）。
【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ＴＨｚ電磁波を被検査物に照射し、その透過または反射波に、該被検査物の特性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特性の空間分布情報を２次元画像として構成する。
【０００４】
初期には、被検査物の２次元情報を得る方法として、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電磁波を高々一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る。
【０００６】
この欠点を補うための、図１３に示す装置が非特許文献３に開示されている。
図１３において、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。
【０００７】
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が高く幅の広いビームであり、ＴＨｚ電磁波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。
【０００８】
被測定物１３０８を通過したＴＨｚ電磁波は被測定物の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１３０９によって、後段のＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器１３１３内に結像する。
【０００９】
プローブ光１３０４はミラー１３１０で進路変更され、さらにビームエクスパンダ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電磁波と光軸を共有する。言い換えれば、重畳される。
【００１０】
重畳されたプローブ光とＴＨｚ電磁波とは、電気光学変調器１３１３に入射する。
電気光学変調器１３１３は、［１１０］面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる。
【００１１】
電気光学変調器１３１３の後段には、位相板１３１４、プローブ光に直交する偏波面を有する直線偏光のみ透過する偏光板１３１５、及び偏光板１３１５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１３１６がこの順に配置される。
【００１２】
偏光板１３１５の透過光が、ＣＭＯＳイメージセンサ１３１６を飽和させない程度の強度になるよう、位相板１３１４は、位相板１３１４を通過後のプローブ光１３０４の偏波面が、所定の基準条件の下で、偏光板１３１５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される。
【００１３】
この基準条件とは、例えば、ＴＨｚ電磁波がプローブ光１３０４の各パルスと同時に電気光学変調器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が非同期の場合を表す。この基準条件において、プローブ光１３０４は、上記偏角に応じて抑制された強度で偏光版１３１５を透過し、イメージセンサ１３１６に入射する。
【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版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】
このとき、ＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスとが同時に電気光学変調器１３１３に入射する場合、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、非同期の場合と比べて、電気光学変調器１３１３によってプローブ光１３０４に与えられる偏角が０．０２°程度変動する。
【００１６】
この偏波面の角度に関する１％程度の変調に応じて、偏光板１３１５によってプローブ光１３０４は強度変調される。
【００１７】
同期回路１３１７は、光源１３０１のパルス発生タイミングと同期して、例えばＴＨｚ電磁波エミッター１３０６によるＴＨｚ電磁波の発生を許可又は抑止することによって、連続する２つのプローブ光パルスにそれぞれ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る。
【００１８】
画像処理回路１３１８は、これらの２つのプローブ光パルスからイメージセンサ１３１６によって得られた２つの画像を取り込み、両画像間の差分をとることによって被測定物１３０８のＴＨｚ電磁波に対する透過特性に応じた画像を生成する。
【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．
【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】
【００１９】
しかし、上記の従来の技術においては、次の２つの課題が生じる。
第１の課題は、従来のＣＭＯＳイメージセンサの飽和を回避すべく、プローブ光の位相バイアスを抑制するために、得られる画像の信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）の向上が困難になることである。
【００２０】
図１４は、偏光フィルタの特性を説明する図であり、プローブ光の偏波面に関する角度に対するプローブ光の透過強度の特性を概念的に示している。プローブ光の位相バイアスを抑制することで、図１４のＡの部分の特性が用いられることになる。そのために大きな変調量が得られず、Ｓ／Ｎ比の向上が困難になる。
【００２１】
ＴＨｚ電磁波源として、再生アンプ付きの高出力短パルスレーザを用いた場合、発生したＴＨｚ電磁波によってプローブ光に１０％程度の変調を与えることができる（図１４のＢの部分の特性）。ただし、その場合には、飽和を回避するための対策が不可欠である。しかし、例えばＮＤフィルタでプローブ光の強度を低下させただけでは、信号の絶対値と共に変調量も低下してしまい、Ｓ／Ｎ比は改善されない。
【００２２】
理想的なＳ／Ｎ比を得るために、未変調時に偏光フィルタに入射するプローブ光を円偏光とし、互いに直行する等量の偏光成分に、変調による偏波面の回転に関する情報をロスなく持たせることが好ましい。しかし、それでは、前述した飽和の問題を解決することができない。
【００２３】
すなわち、図１５に示した一般的なイメージセンサの画素回路によれば、フォトダイオード１４０１に過大なプローブ光が入射することになり、フォトダイオード１４０１で生じる電荷量が、容量１４０４で蓄積可能な飽和電荷量を超えてしまう。そして、リセットパルス発生回路１４０６による制御に従ってリセットトランジスタ１４０７がリセット動作を行った後、過大な光入力によって飽和量に達した電荷が、転送パルス発生回路１４０３による制御に従って転送トランジスタ１４０２を介して増幅回路１４０５に入力される。
【００２４】
このような事情から、従来、プローブ光の位相バイアスを抑制する手法が用いられ、その結果、信号の変調量を稼ぐことができずにＳ／Ｎ比が低下するという第１の課題が発生する。
【００２５】
さらに、偏光フィルタでは、プローブ光に直交する偏光成分を完全に遮断することはできず、μＷオーダーの光が透過してくることもＳ／Ｎ比を悪化させる要因に加わる。その結果、得られるＳ／Ｎ比は極めて低く１％程度にとどまる。
【００２６】
第２の課題は、従来の技術によれば、２つのプローブ光パルスからそれぞれ得られた画像間の差分をとるために、少なくとも１つの画像を一時的に記憶回路に保存する必要から、装置が複雑化することである。
【００２７】
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、プローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ回路が飽和することもなしに、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の変調量を検出可能な光電変換装置を提供することを目的とする。
【００２８】
さらには、１つのプローブ光パルスを受光するだけで、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の変調量を検出可能な光電変換装置を提供することを目的とする。
【００２９】
また、そのような光電変換装置を用いたイメージセンサ、イメージングシステムを提供することも、本発明の目的に含まれる。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
上記課題を解決するために、本発明の光電変換装置は、２つのフォトダイオードを有し、それぞれのフォトダイオードに生じる光電流の差に応じた電流又は電圧を出力する光電変換回路と、前記光電変換回路から出力される電流又は電圧を増幅する増幅器とを備える。前記光電変換装置において、前記２つのフォトダイオードは、同等の特性を有し、それぞれのフォトダイオードには、入射光を、その入射光が有する特定の物理量に応じた強度で、互いに異なる特性に従って透過するフィルタが設けられていることが望ましい。
【００３１】
前記フィルタは、異なる偏光透過特性を有する偏光フィルタであってもよく、また、異なる波長透過特性を有する波長フィルタであってもよい。
【００３２】
前記光電変換装置は、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用いられ、前記２つのフィルタは、所定の基準状態、例えば変調量が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。プローブ光の偏波面の方向や波長を変調するためには、従来知られている電気光学変調素子を用いることができる。
【００３３】
この構成によれば、未変調時には円偏光となるプローブ光を前記２つのフォトダイオードに入射し、等量の打ち消しあう電流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、前記フィルタ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、光電流の差に応じた電流信号又は電圧信号として検出することが可能となる。
【００３４】
これにより、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なく、しかも、１つのプローブ光パルスを受光するだけで、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の変調量を検出可能な光電変換装置が得られる。
【００３５】
また、具体的に、前記光電変換回路は、極性を反転して並列に接続された前記フォトダイオードと、前記フォトダイオードの接続点に直接またはスイッチを介して接続された容量とを有し、前記容量に蓄積された電荷を電圧又は電流として前記増幅器へ出力してもよい。
【００３６】
この構成によれば、未変調のプローブ光が入射している場合、前記２つのフォトダイオードには等量の電流が逆向きに流れるだけであり、前記２つのフォトダイオードによって形成されるループから余剰電荷は発生せず、前記容量には電荷すなわち信号は蓄積されない。
【００３７】
他方、変調されたプローブ光では前記２つのフォトダイオードに入射される光量が異なるため、上記２つのフォトダイオードに発生する電流量に差が発生し、この差に相当する電流がフォトダイオードによって形成されるループから前記容量に流れて電荷として蓄積され、前記増幅器による増幅結果の信号として出力される。
【００３８】
従って、未変調のプローブ光が入射した場合でも、回路が飽和することがなく、また変調されたプローブ光が入射した場合は、その変調量を前記フォトダイオードに流れる光電流の差で表して、前記増幅結果の信号として検出することが可能となる。
【００３９】
また、具体的に、前記光電変換回路は、極性を同じ向きに揃えて直列に接続された前記フォトダイオードと、前記フォトダイオードの接続点に直接またはスイッチを介して接続された容量とを有し、前記容量に蓄積された電荷を電圧又は電流として前記増幅器へ出力してもよい。
【００４０】
この構成によれば、未変調のプローブ光が入射している場合、前記２つのフォトダイオードには等量の電流が直列に流れるだけであり、前記容量には電荷すなわち信号は蓄積されない。
【００４１】
他方、変調されたプローブ光では前記２つのフォトダイオードに入射される光量が異なるため、上記２つのフォトダイオードに発生する電流量に差が発生し、この差に相当する電流が前記容量に流れて電荷が蓄積され、前記増幅器による増幅結果の信号として出力される。
【００４２】
従って、未変調のプローブ光が入射した場合でも、回路が飽和することがなく、また変調されたプローブ光が入射した場合は、その変調量を前記フォトダイオードに流れる光電流の差で表して、前記増幅結果の信号によって検出することが可能となる。
【００４３】
また、具体的に、前記光電変換回路は、それぞれのフォトダイオードに対応して設けられ、対応するフォトダイオードと直列に接続された同一特性を有する２つの抵抗体を有し、それぞれのフォトダイオードと抵抗体との接続点間の電圧又は電流を前記増幅器へ出力してもよい。
【００４４】
この構成によれば、未変調のプローブ光が入射している場合、前記２つのフォトダイオードからそれぞれに直列に接続された抵抗体へ等量の電流が流れるだけであり、それぞれのフォトダイオードと抵抗体との接続点間に電圧又は電流は発生しない。
【００４５】
他方、変調されたプローブ光では前記２つのフォトダイオードに入射される光量が異なるため、上記２つのフォトダイオードに発生する光電流に差が発生し、この差によって前記接続点間に発生する電圧又は電流が、前記増幅器による増幅結果の信号として出力される。
【００４６】
従って、未変調のプローブ光が入射した場合でも、回路が飽和することがなく、また変調されたプローブ光が入射した場合は、その変調量を前記フォトダイオードに流れる電流量の差で表して、前記増幅結果の信号によって検出することが可能となる。
【００４７】
本発明は、このような光電変換装置として実現できるだけでなく、このような光電変換装置を用いたイメージセンサ、及びそのイメージセンサを用いたイメージングシステムとして実現することもできる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の光電変換装置によれば、２つのフォトダイオードに生じる光電流の差を出力信号に増幅できるので、入射光をその特定の物理量に応じた強度で、異なる特性に従って透過するフィルタを前記それぞれのフォトダイオードに設ければ、前記入射光が前記特定の物理量に関してどの程度変調されているかを、前記２つのフォトダイオードに生じる光電流の差として検出することができる。
【００４９】
例えば、前記特定の物理量が偏波面の方向であれば、前記フィルタは偏光フィルタであり、前記特定の物理量が波長であれば、前記フィルタは波長フィルタである。
【００５０】
このとき、出力信号は入射光の光量の差に基づくので、入射光の光量そのものが大きくても回路は飽和しない。従って、回路の飽和を防ぐために従来行われている入射光の位相バイアスを抑制するのをやめて、高いＳ／Ｎ比で入射光の変調量を検出することが可能になる。しかも、その検出は、変調された入射光を一回受光するだけで行うことができる。
【００５１】
この効果は、本発明の光電変換装置をイメージセンサ、およびイメージングシステムに適用した場合に、特に顕著である。一回の撮影で、入射光の変調量に反映された対象物の特性を画像化できることから、装置の簡素化、及び実時間での撮像が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５３】
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【００５４】
この光電変換装置において、特性の等しい２つのフォトダイオード１，２が極性を反転した状態で並列に接続され、片側端子は接地、もう一方の端子はスイッチ３を介して容量４に接続されている。容量４はスイッチ５を介して増幅回路６に接続されている。また、スイッチ１０は異なる時刻での信号の混合を防止するために容量４を放電させるスイッチである。
【００５５】
フォトダイオード１，２に等しい強度の光が入射した場合、等量の光電流が発生し、互いに逆向きに流れるため、電流はスイッチ３に流入しない。従って、この時、スイッチ３を介して容量４に電荷蓄積は行われない。他方、フォトダイオード１，２に入射する光強度が異なる場合、両フォトダイオードに発生する光電流量は異なり、余剰電流は両フォトダイオードの接点から流出して、切り替え回路７からの制御によって閉状態にあるスイッチ３に流入し、容量４に電荷として蓄積される。
【００５６】
一定の電荷蓄積時間を経た後、切り替え回路７に従ってスイッチ３を開いた後、転送タイミング発生回路８に従ってスイッチ５を閉じることによって、容量４に蓄積された電荷によって発生した電圧情報を増幅回路６に入力することによって、フォトダイオード１，２に発生した電流量の差を出力信号として取り出すことが可能となる。
【００５７】
容量４の信号電圧が増幅回路６に送られた後、転送タイミング発生回路８に従ってスイッチ５を開き、リセット信号発生回路９に従ってスイッチ１０を閉じることによって、容量４は放電され、次の信号電荷を蓄積可能な状態になる。
【００５８】
ここで、フォトダイオード１，２、スイッチ３，５，１０、及び容量４を、光電変換部１１と総称する。
【００５９】
図２は、前述した光電変換装置の各部に発生し又は与えられる主要な信号を示すタイミングチャートである。
【００６０】
フォトダイオード１，２には、１ｋＨｚのプローブ光パルスが入射し、その光量に応じてパルス電流が流れる。Ａの期間はフォトダイオード１，２に等しい光量が入射し等しい光電流が流れた場合、Ｂの期間はフォトダイオード１への入射光量がフォトダイオード２への入射光量よりも多い場合である。
【００６１】
図３は、第１の実施の形態における光電変換装置の、光電変換部のフォトダイオードを通る断面を模式的に示した図である。
【００６２】
基板３００の最表面にＰ層３０１とその下層に形成されたｎ層３０２によって構成されるＰＮ接合がフォトダイオード１を構成し、さらにＰ＋層３０３によって基板３００より電気的に分離されたフォトダイオード１と等面積のＰＮ接合を有するフォトダイオード２が素子分離層３０４を挟んで互いに隣接する領域に形成された光電変換部を構成する。
【００６３】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード間には遮光メタル３０６が配置されている。
【００６４】
各フォトダイオード上には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７が形成されている。
【００６５】
さらに、各レンズ上には第２の保護層３０８が形成された上にフォトダイオード１上にはＰ偏光のみ透過する偏光フィルタ３０９ａ、フォトダイオード２上にはＳ偏光のみ透過する偏光フィルタ３０９ｂが形成されている。
【００６６】
偏光フィルタ３０９ａ、３０９ｂともに配線金属である銅を幅０．２５μｍ、間隔０．２５μｍで１００周期分配置された格子を構成することによって形成されている。この時、偏光フィルタ３０９ａと３０９ｂとの間で格子の方向は直交しており、直交する偏光に対する透過特性を有する。
【００６７】
図４は、第１の実施の形態における光電変換装置の、フォトダイオード、転送スイッチ、容量を含む光電変換部を装置上部から見たレイアウトを模式的に示したものである。
【００６８】
フォトダイオード１のＮ層はグラウンドである基板に直接接続され、その全面が表面Ｐ層４０１で覆われている。フォトダイオード２の表面Ｐ層４０２はコンタクト４０３より配線４０４を介してコンタクト４０５によって接地される。
【００６９】
フォトダイオード１のＰ層４０１およびフォトダイオード２のＮ層４０６はそれぞれコンタクト４０７、４０８より引き出され、配線４０９を介して接続され、さらに本接点はスイッチとして機能するＭＯＳ電界効果トランジスタのソース４１０にコンタクト４１１を介して接続されている。フォトダイオード１，２より流出した電流は、切り替え回路７よりゲート４１２にパルスを与えることによって反対側に位置するドレイン４１３に転送することができる。
【００７０】
この光電変換装置においては、半導体基板がＰ型であるので、ソース４１０、ドレイン４１３はＮ＋層で構成され、本スイッチトランジスタはＮチャネル型である。さらにスイッチ電界効果トランジスタのドレイン４１３のＮ＋層と基板との間でＰＮ接合ダイオードを構成し、容量として作用する。
【００７１】
従って、このＰＮダイオードに蓄積された電荷の増減によって発生する電圧変化は該ＰＮ接合ダイオードのＮ層すなわち転送スイッチトランジスタのドレイン４１３自体の電流を直接読み出すことが可能であるので、転送パルスを転送信号発生回路８より転送パルスを転送トランジスタのゲート４１４に与えることによって増幅回路６に入力する。
【００７２】
以上のような構成とすることにより、図１に示した回路図の機能を実現する光電変換装置を構成することが可能である。
【００７３】
図５は、前述した光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を模式的に示した図である。
【００７４】
光源５０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光列が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッタ５０２によりＰ偏光はポンプ光５０３として、Ｓ偏光はプローブ光５０４として分離される。ポンプ光５０３は光学遅延線５０５を経て、ＴＨｚ電磁波エミッター５０６を構成するＺｎＴｅ結晶［１１０］面に垂直に入射され、ＴＨｚ電磁波５０７が発生される。
【００７５】
プローブ光５０４はミラー５０８で進行方向を調整された後、シリコンウエハーで構成されたミラー５０９に入射し、シリコンミラー５０９を透過したＴＨｚ電磁波５０７と光軸を共有して、［１１０］面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器５１０に入射する。電気光学変調器５１０の後段には１／４波長板５１１と、イメージセンサ５１２がこの順に配置された構成となっている。
【００７６】
イメージセンサ５１２は、後に詳述するように、２次元に配置されそれぞれに前述した光電変換装置を有した複数の画素と、各々の画素の前記光電変換装置の出力信号を読み出す読み出し回路とを備える。
【００７７】
１／４波長板５１１はその後段において、ＴＨｚ電磁波５０７がプローブ光５０４の各パルスと同時に電気光学変調器５１０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が非同期の場合にはプローブ光５０４を完全な円偏光状態に設定する。この時、イメージセンサ５１２には円偏光が入射するため、Ｐ偏光成分、Ｓ偏光成分は等しく、従って、内部の各フォトダイオードには等量の電流が発生し、容量には電荷は蓄積されない。
【００７８】
他方、電気光学変調器５１０にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、電気光学変調器５１０に透過後のプローブ光の偏光状態はＴＨｚ電磁波５０７と非同期の場合に比べて、偏光軸が回転し、さらに、楕円偏光となるため、１／４波長板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。
【００７９】
従って、イメージセンサ５１２内部の２つのフォトダイオード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、容量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。
【００８０】
従って、課題であるフォトダイオードを飽和させることなくＴＨｚ電磁波を検出することが可能である。さらに本実施例の構成では従来の構成で必要であった、バルクの偏光ビームスプリッタ、または偏光プリズムが必要なく、かつ、光電変換素子は２つのフォトダイオードが集積化されているため、光学系が簡略化されるという利点を有する。
【００８１】
図６は、イメージセンサ５１２の機能的な構成の一例を示すブロック図である。イメージセンサ５１２は、それぞれに前述した光電変換装置を含む複数の画素回路を２次元に配列し、垂直走査回路６０１および水平走査回路６０２を配置することによって実現される。
【００８２】
垂直走査回路６０１は、図１に示される切り替え回路７、転送タイミング発生回路８、及びリセット信号発生回路９を含み、これらの回路から出力される制御信号に加えて、行選択信号を、行データ選択線６０３を介して、行ごとに画素回路に供給する。
【００８３】
各々の画素回路は、図１に示される光電変換装置の光電変換部１１及び増幅回路６に加えて、スイッチ６１０を備えると共に、切り替え回路７、転送タイミング発生回路８、及びリセット信号発生回路９からのそれぞれの制御信号、及び行選択信号を受け取る端子６０７、６０８、６０９、６０６を備える。
【００８４】
行選択信号に従ってスイッチ６１０を閉じることによって、画素回路の出力信号が列データ読み出し線６０４へ出力される。
【００８５】
水平走査回路６０２は、選択された行の画素回路からの出力信号を、列データ読み出し線６０４を介して、画素ごとに順次読み出す。
【００８６】
なお、本イメージセンサはＴＨｚ電磁波イメージング装置への適用を前提として、各画素の光電変換部１１に含まれるフォトダイオード上には、前述したオンチップレンズ、及び偏光フィルタが設けられる。
【００８７】
以上説明したように、本実施例のイメージセンサにおいては一画面分のデータ読み出し時間に相当する一定の信号電荷蓄積時間が存在する。この電荷蓄積時間内に各画素回路において、図２のタイミングチャートで説明される動作が行われることによって、フォトダイオードに入射する光量の差に応じた電荷が容量に蓄積され、読み出される。
【００８８】
従って、毎画面で各画素回路における２つのフォトダイオードへの入射光量差が検出され、外部の画像再生回路によって２次元画像として再生される。
【００８９】
図７は、前述したＴＨｚイメージングシステムの実用例を模式的に示す図である。
光源７０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光列が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッタ７０２によりＰ偏光はポンプ光７０３として、Ｓ偏光はプローブ光７０４として分離される。ポンプ光７０３は光学遅延線７０５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７０６に入射され、ＴＨｚ電磁波７０７が発生される。
【００９０】
このようにして発生されたＴＨｚ電磁波７０７は極めてコリメート性の高いビームであり、ＴＨｚ電磁波に対して２次元的な透過特性分布を有する被測定物７０８に照射される。被測定物７０８を通過したＴＨｚ電磁波は被測定物の２次元透過特性分布に従い、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７０９によって、後段のＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器７１３内に結像する。
【００９１】
プローブ光７０４はミラー７１０で進路変更され、さらにビームエクスパンダ７１１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ミラー７１２に入射し、シリコンミラー７１２を透過した強度変調されたＴＨｚ電磁波と光軸を共有して、［１１０］面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器７１３に入射する。
【００９２】
電気光学変調器７１３の後段には１／４波長板７１４とイメージセンサ７１５がこの順に配置された構成となっている。イメージセンサ７１５は、前述したイメージセンサ５１２と同等である。
【００９３】
１／４波長板７１４はその後段において、ＴＨｚ電磁波がプローブ光７０４の各パルスと同時に電気光学変調器７１３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が非同期の場合にはプローブ光７０４を完全な円偏光状態に設定する。この時、イメージセンサ７１５には円偏光が入射するため、Ｐ偏光成分、Ｓ偏光成分は等しく、従って、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、容量には電荷は蓄積されない。
【００９４】
他方、電気光学変調器７１３にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、電気光学変調器７１３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、偏光軸が回転し、さらに、楕円偏光となるため、１／４波長板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。
【００９５】
従って、イメージセンサ７１５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、容量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。
【００９６】
以上の原理で検出出力された２次元信号は画像再生装置７１６によって映像情報としてモニターに出力される。従って、課題であるフォトダイオードを飽和させることなくＴＨｚ電磁波イメージングが可能である。
【００９７】
＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態で示した光電変換装置（図１を参照）と同等の機能を有する光電変換装置を、他の構成によって実現することもできる。
【００９８】
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。２つのフォトダイオード８０１，８０２を、極性を同じ向きに揃えて直列に接続し、この接続点に切り替え回路８０７からの制御によって開閉されるスイッチトランジスタ８０３のソースを接続する。
【００９９】
スイッチトランジスタ８０３のドレインは容量８０４に接続され、蓄積電荷の増減に伴う容量８０４の電圧の増減信号は転送タイミングパルス発生回路８０８からの制御によって開閉される転送トランジスタ８０５を介して増幅回路８０６によって増幅される。
【０１００】
また、第１の実施の形態の場合と同様に、容量８０４はリセットパルス発生回路８０９によって制御されるリセットトランジスタ８１０によって放電される。
【０１０１】
このような構成とすることによって、フォトダイオード８０１，８０２に入射する光量に差があり発生光電流差を生ずる場合にのみ、スイッチトランジスタ８０３がオン状態において、容量８０４の蓄積電荷量が変化し、その出力電圧を変化させる機能を実現できる。
【０１０２】
＜第３の実施の形態＞
第１または第２の実施の形態に示した光電変換素子と同等の機能を有する光電変換装置を、さらに他の構成によっても実現することができる。
【０１０３】
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。２つのフォトダイオード９０１、９０２と、バイアス電圧発生回路９０３によって同一条件でバイアスされた同一特性を有するトランジスタ９０４，９０５とを有し、フォトダイオード９０１、９０２は、それぞれトランジスタ９０４，９０５のドレインに直列に接続されている。トランジスタ９０４，９０５のソース電流の差が、増幅回路９０６によって出力信号に増幅される。
【０１０４】
このような構成とすることにより、フォトダイオード９０１，９０２への光入射量に差がある場合にのみ増幅回路９０６は出力信号を発生する機能を実現することができる。
【０１０５】
なお、本構成ではフォトダイオードに接続されるトランジスタとして電界効果トランジスタを用いたが、バイポーラトランジスタに置き換えても同等の機能を実現可能である。さらに、本実施例のトランジスタを、同一特性を有する２つの抵抗に置き換えても同等の機能を実現できる。
【０１０６】
＜第４の実施の形態＞
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る光電変換装置の、光電変換部のフォトダイオードを通る断面を模式的に示した図である。この光電変換装置は、図１の回路を実現するための構成と共に、図３の断面図に示されるフィルタとは異なるフィルタを備えている。
【０１０７】
基板３００の最表面にＰ層３０１とその下層に形成されたｎ層３０２によって構成されるＰＮ接合がフォトダイオード１を構成し、さらにＰ＋層３０３によって基板３００より電気的に分離されたフォトダイオード１と等面積のＰＮ接合を有するフォトダイオード２が素子分離層３０４を挟んで互いに隣接する領域に形成された光電変換部を構成する。
【０１０８】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード間には遮光メタル３０６が配置されている。
【０１０９】
各フォトダイオード上には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７が形成されている。
【０１１０】
さらに、各レンズ上には第２の保護層３０８が形成された上にフォトダイオード１上には波長７９０ｎｍにピークと半値幅２０ｎｍの透過帯域を有する狭帯域フィルタ１００９ａ、フォトダイオード２上には波長８１０ｎｍにピークと半値幅２０ｎｍの透過帯域を有する狭帯域フィルタ１００９ｂが形成されている。
【０１１１】
図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、それぞれフィルタ１００９ａ、１００９ｂの透過特性を示す図である。フィルタ１００９ａ、１００９ｂとも最大透過率は０．６、半値幅は２０ｎｍである。このようなフィルタは、例えば文献 Ｌ． Ｄｅｓｐｌａｎｑｕｅ， Ｊ． Ｆ． Ｌａｍｐｉｎ， ａｎｄ Ｆ． Ｍｏｌｌｏｔ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， Ｖｏｌ．８４， Ｎｏ．１２， ｐ．２０４９−２０５１， （２００４）．に示されているような多層誘電体薄膜を用いた干渉フィルタをフォトリソグラフィ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ができる。
【０１１２】
本実施形態の光電変換装置に波長８００ｎｍの光を入射すると、上記フィルタ１００９ａ，１００９ｂの透過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１、２に発生する光電流も等しく、信号出力は発生しない。
【０１１３】
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、フィルタ１００９ａを透過する光量が増加すると共に、フィルタ１００９ｂ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１，２に発生する電流が各々増減し、この差分を増幅することで信号出力を得ることが可能となる。従って、本実施形態の光電変換装置は入射光の波長に関する変調量を検出する波長シフトモニターとして作用する。
【０１１４】
図１２は、本実施形態の光電変換素子を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を模式的に示した図である。
【０１１５】
光源１２０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光列が１ｋＨｚの周波数で発生され、ビームスプリッタ１２０２によりポンプ光１２０３とプローブ光１２０４に分離される。ポンプ光１２０３は光学遅延線１２０５を経て、ＴＨｚ電磁波エミッター１２０６を構成するＺｎＴｅ結晶［１１０］面に垂直に入射され、ＴＨｚ電磁波１２０７が発生される。
【０１１６】
プローブ光１２０４はミラー１２０８で進行方向を調整された後、シリコンウエハーで構成されたミラー１２０９に入射し、シリコンミラー１２０９を透過したＴＨｚ電磁波１２０７と光軸を共有して、アルミニウムガリウム砒素とガリウム砒素薄膜を交互に積層した超格子よりなる電気光学変調器１２１０に入射する。
【０１１７】
電気光学変調器１２１０の後段には本実施の形態で説明した光電変換装置１２１１が配置された構成となっている。この時、電気光学変調器１２１０にＴＨｚ電磁波がプローブ光と同時に入射しない場合には、透過光の波長は変化せず、従って内部の各フォトダイオードには等量の光が入射し、発生する光電流も等量であるため、信号は検出されない。
【０１１８】
一方、電気光学変調器１２１０にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、電気光学変調器１２１０を透過後のプローブ光の波長はＴＨｚ電磁波１２０７と非同期の場合に比べて、長波長側に５ｎｍシフトするため、フォトダイオード２に入射する光量が増大、フォトダイオード１に入射する光量が減少するため、両フォトダイオードに異なる光電流が発生し、容量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。
【０１１９】
従って、課題であるフォトダイオードを飽和させることなくＴＨｚ電磁波を検出することが可能である。
【０１２０】
なお、異なる波長フィルタをそれぞれのフォトダイオードに設けたこの構成は、上記説明したように入射光の波長に関する変調度を検出する用途とは別に、入射光から色差情報を直接に検出するために利用することもできる。
【０１２１】
さらに、それぞれのフォトダイオードに、偏光フィルタも波長フィルタも設けない構成では、２つのフォトダイオードが受光した光量差が直接に検出できることから、画像内のエッジ検出に応用することも考えられる。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明の光電変換装置は、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】
【０１２３】
【図１】第１の実施形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図。
【図２】前記光電変換装置の動作に係る主要信号のタイミングチャート。
【図３】前記光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図。
【図４】前記光電変換装置の光電変換部を装置上部から見たレイアウト図。
【図５】前記光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を示す模式図。
【図６】前記光電変換装置を用いたイメージセンサの機能的な構成の一例を示すブロック図。
【図７】前記ＴＨｚイメージングシステムの実用例を模式的に示す図。
【図８】第２の実施形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図。
【図９】第３の実施形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図。
【図１０】第４の実施の形態に係る光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図。
【図１１】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれフィルタ１００９ａ、１００９ｂの透過特性を示す図。
【図１２】前記光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を示す模式図。
【図１３】従来技術に係るＴＨｚイメージングシステムの構成例を示す模式図。
【図１４】偏光フィルタの特性を説明する図。
【図１５】従来技術に係る一般的なイメージセンサの画素回路を一例を示す回路図。
【符号の説明】
【０１２４】
１、２ フォトダイオード ３、５、１０ スイッチ ４ 容量 ６ 増幅回路 ７ 切り替え回路 ８ 転送信号発生回路 ９ リセット信号発生回路 ３００ 半導体基板 ３０１ Ｐ層 ３０２ Ｎ層 ３０３ フォトダイオード周辺Ｐ層 ３０４ 素子分離層 ３０５ 保護層 ３０６ 遮光メタル ３０７ オンチップレンズ ３０８ 第２保護層 ３０９ａ、３０９ｂ 偏光フィルタ ４０１、４０２ 表面Ｐ層 ４０３ フォトダイオード２表面Ｐ層コンタクト ４０４ フォトダイオード２表面Ｐ層引き出しコンタクト ４０５ フォトダイオード２表面Ｐ層接地コンタクト ４０６ フォトダイオード２Ｎ層 ４０７ フォトダイオード１Ｐ層コンタクト ４０８ フォトダイオード２Ｎ層コンタクト ４０９ フォトダイオード１，２接続用配線 ４１０ スイッチトランジスタソース ４１１ スイッチトランジスタソースコンタクト ４１２ スイッチトランジスタゲート ４１３ スイッチトランジスタドレイン ４１４ 転送トランジスタゲート ５０１ 超短パルス光源 ５０２ 偏光ビームスプリッタ ５０３ ポンプ光 ５０４ プローブ光 ５０５ 光学遅延線 ５０６ ＴＨｚ電磁波エミッター ５０７ ＴＨｚ電磁波 ５０８ プローブ光進路変更用ミラー ５０９ シリコンミラー ５１０ 電気光学変調器 ５１１ １／４波長板 ５１２ イメージセンサ ６０１ 垂直走査回路 ６０２ 水平走査回路 ６０３ 行データ選択線 ６０４ 列データ読み出し線 ６０６、６０７、６０８，６０９ 端子 ７０１ 超短パルス光源 ７０２ 偏光ビームスプリッタ ７０３ ポンプ光 ７０４ プローブ光 ７０５ 光学遅延線 ７０６ ＴＨｚ電磁波エミッター ７０７ ＴＨｚ電磁波 ７０８ 被測定物 ７０９ ポリエチレンレンズ ７１０ プローブ光進路変更用ミラー ７１１ ビームエクスパンダ ７１２ シリコンミラー ７１３ 電気光学変調器 ７１４ １／４波長板 ７１５ イメージセンサ ７１６ 画像再生装置 ８０１、８０２ フォトダイオード ８０３ スイッチトランジスタ ８０４ 容量 ８０５ 転送スイッチ ８０６ 増幅回路 ８０７ 切り替え回路 ８０８ 転送タイミングパルス発生回路 ８０９ リセットパルス発生回路 ８１０ リセット用スイッチトランジスタ ９０１、９０２ フォトダイオード ９０３ バイアス電圧発生回路 ９０４、９０５ 電界効果トランジスタ ９０６ 増幅回路 １００９ａ、１００９ｂ 狭帯域フィルタ １２０１ 超短パルス光源 １２０２ ビームスプリッタ １２０３ ポンプ光 １２０４ プローブ １２０５ 光学遅延線 １２０６ ＴＨｚ電磁波エミッター １２０７ ＴＨｚ電磁波 １２０８ プローブ光進路変更用ミラー １２０９ シリコンミラー １２１０ 電気光学変調器 １２１１ 光電変換装置 １３０１ 超短パルス光源 １３０２ 偏光ビームスプリッタ １３０３ ポンプ光 １３０４ プローブ光 １３０５ 光学遅延線 １３０６ ＴＨｚ電磁波エミッター １３０７ ＴＨｚ電磁波 １３０８ 被測定物 １３０９ ポリエチレンレンズ １３１０ プローブ光進路変更用ミラー １３１１ ビームエクスパンダ １３１２ シリコンミラー １３１３ 電気光学変調器 １３１４ 位相板 １３１５ 偏光板 １３１６ イメージセンサ １３１７ 同期回路 １３１８ 画像演算回路 １４０１ フォトダイオード １４０２ 転送トランジスタ １４０３ 転送パルス発生回路 １４０４ 容量 １４０５ 増幅回路 １４０６ リセットパルス発生回路 １４０７ リセットトランジスタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのフォトダイオードを有し、それぞれのフォトダイオードに生じる光電流の差に応じた電流又は電圧を出力する光電変換回路と、
前記光電変換回路から出力される電流又は電圧を増幅する増幅器と
を備えることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記光電変換回路は、
極性を反転して並列に接続された前記フォトダイオードと、
前記フォトダイオードの接続点に直接またはスイッチを介して接続された容量と
を有し、
前記容量に蓄積された電荷を電圧又は電流として前記増幅器へ出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記光電変換回路は、
極性を同じ向きに揃えて直列に接続された前記フォトダイオードと、
前記フォトダイオードの接続点に直接またはスイッチを介して接続された容量と
を有し、
前記容量に蓄積された電荷を電圧又は電流として前記増幅器へ出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記光電変換回路は、
それぞれのフォトダイオードに対応して設けられ、対応するフォトダイオードと直列に接続された同一特性を有する２つの抵抗体を有し、
それぞれのフォトダイオードと抵抗体との接続点間の電圧又は電流を前記増幅器へ出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記２つのフォトダイオードは、同等の特性を有し、
それぞれのフォトダイオードには、入射光を、その入射光が有する特定の物理量に応じた強度で、互いに異なる特性に従って透過するフィルタが設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記フィルタは、異なる偏光透過特性を有する偏光フィルタである
ことを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記フィルタは、異なる波長透過特性を有する波長フィルタである
ことを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項８】
２次元に配置されそれぞれに請求項５に記載の光電変換装置を有した複数の画素回路と、
それぞれの画素回路が有する前記光電変換装置の出力信号を読み出す読み出し回路と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項９】
周波数が０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚの領域にあるＴＨｚ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ＴＨｚ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ＴＨｚ電磁波とプローブ光とを入射され、前記ＴＨｚ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５に記載のイメージセンサと
を備えることを特徴とするイメージングシステム。
【請求項１】
２つのフォトダイオードを有し、それぞれのフォトダイオードに生じる光電流の差に応じた電流又は電圧を出力する光電変換回路と、
前記光電変換回路から出力される電流又は電圧を増幅する増幅器と
を備えることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記光電変換回路は、
極性を反転して並列に接続された前記フォトダイオードと、
前記フォトダイオードの接続点に直接またはスイッチを介して接続された容量と
を有し、
前記容量に蓄積された電荷を電圧又は電流として前記増幅器へ出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記光電変換回路は、
極性を同じ向きに揃えて直列に接続された前記フォトダイオードと、
前記フォトダイオードの接続点に直接またはスイッチを介して接続された容量と
を有し、
前記容量に蓄積された電荷を電圧又は電流として前記増幅器へ出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記光電変換回路は、
それぞれのフォトダイオードに対応して設けられ、対応するフォトダイオードと直列に接続された同一特性を有する２つの抵抗体を有し、
それぞれのフォトダイオードと抵抗体との接続点間の電圧又は電流を前記増幅器へ出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記２つのフォトダイオードは、同等の特性を有し、
それぞれのフォトダイオードには、入射光を、その入射光が有する特定の物理量に応じた強度で、互いに異なる特性に従って透過するフィルタが設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記フィルタは、異なる偏光透過特性を有する偏光フィルタである
ことを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記フィルタは、異なる波長透過特性を有する波長フィルタである
ことを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項８】
２次元に配置されそれぞれに請求項５に記載の光電変換装置を有した複数の画素回路と、
それぞれの画素回路が有する前記光電変換装置の出力信号を読み出す読み出し回路と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項９】
周波数が０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚの領域にあるＴＨｚ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ＴＨｚ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ＴＨｚ電磁波とプローブ光とを入射され、前記ＴＨｚ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５に記載のイメージセンサと
を備えることを特徴とするイメージングシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００８−７６３５０（Ｐ２００８−７６３５０Ａ）
【公開日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５８８９６（Ｐ２００６−２５８８９６）
【出願日】平成１８年９月２５日（２００６．９．２５）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２５日（２００６．９．２５）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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