JPH06101815B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は撮像装置に関し、特に、しかし排他的でなく、
コンデンサに結合された例えばテルル化水銀カドミウム
より成る赤外線検出素子を例えば珪素本体中に有するよ
うにしうるいわゆるハイブリッド装置に関するものであ
る。このような装置はいわゆる“ソリッドステート”ビ
デオカメラに用いることができ、赤外線波長帯域、例え
ば３〜５μｍ（マイクロメートル）或いは８〜14μｍ帯
域で動作しうる。

欧州特許出願（EP−Ａ）第0128828号明細書には、 （ａ）入射光子放射に応答して光電流を発生する複数個
の光起電性検出素子と、 （ｂ）各検出素子に結合され、積分期間中、当該検出素
子で発生せしめられる電流を積分し且つ前記の検出素子
から生じる電流により少なくとも部分的に放電せしめら
れるコンデンサ手段と、 （ｃ）前記の検出素子から前記のコンデンサ手段への電
流の注入を制御する注入ゲートと、 （ｄ）前記のコンデンサ手段の電位をリセットし、積分
期間の開始前にこのコンデンサ手段を充電するようにす
るリセット手段と を具える撮像装置が記載されている。

EP−Ａ第0128828号明細書に記載されているこのような
撮像装置は、電荷結合装置（CCD）を用いて検出素子か
らの信号を処理して読取る従来の撮像装置とは異なる。
実際には検出素子電流を上述したリセット可能なコンデ
ンサ手段に積分することにより、またコンデンサ手段に
切換自在に結合した電圧読出手段を用いてコンデンサ電
位を読出すことにより、高動作電圧を必要とし、CCDの
順次の段間で電荷転送雑音を導入し、信号処理能力を特
に赤外線撮像にとって望ましい値よりもしばしば著しく
小さな値に制限するという電荷結合装置のいくつかの欠
点を無くすことができる。更に、CCDを製造する技術
は、この種類の撮像装置の信号処理回路を製造しうるMO
Sトランジスタ技術（例えばｎチャネルMOST技術）より
も複雑である。

EP−Ａ第0128828号明細書に記載されている装置には、
いわゆる“焦点ぼけ防止”手段はいかなるものも含まれ
ていない。このような焦点ぼけ防止手段は電荷結合装置
においては、ある電荷蓄積位置で（例えば撮像されるシ
ーンの領域が極めて明るいことにより発生される）過剰
な電荷が生ぜしめられ、これら過剰電荷が電荷結合装置
の隣りの電荷蓄積位置に流れ込み、従って隣りの位置で
電荷によって表される信号を妨害するのを防止する為に
しばしば必要となる。このような電荷のオーバーフロー
は、EP−Ａ第0128828号明細書の撮像装置における検出
素子から出力された電流信号の積分および読出しモード
が異なる為にこのEP−Ａ第0128828号明細書の撮像装置
のコンデンサおよびトランジスタ間では生じない。電荷
結合装置に対する既知の焦点ぼけ防止手段の特定な例と
しては英国特許（US−Ａ）第3,896,474号および英国特
許（GB−Ａ）第1,413,092号明細書を参照しうる。

しかし本発明者は、EP−Ａ第0128828号の撮像装置にお
いても、検出素子で発生せしめられる過大電流に依然と
して問題があるということを確かめた。すなわちコンデ
ンサ手段は検出素子で発生せしめられる過剰電荷により
完全に放電せしめられるだけではなく、このコンデンサ
手段の電位が反転し始めるおそれがある。またこの過大
の光電流は検出素子に対するバイアス状態を変えるおそ
れがある。例えば３〜５μｍ或いは８〜14μｍの波長で
動作する赤外線撮像装置は、適切な赤外線感応材料、例
えばテルル化水銀カドミウムの本体中に形成され零バイ
アス状態で動作する光起電性の赤外線検出素子に基づく
ものとするのが最も好ましいものである。しかし、この
ような検出素子での過大光電流はコンデンサ電位を反転
させるばかりか、光起電性の検出素子を順方向にバイア
スし、この検出素子が電荷キャリアを赤外線感応本体の
共通領域に注入し、この共通領域でこれら電荷キャリア
が他の検出素子を、従ってこれら他の検出素子で入射放
射によって発生せしめられた電荷を妨害するおそれがあ
る。

本発明の目的は上述した欠点の無い前述した種類の撮像
装置を提供せんとするにある。

本発明は、（ａ）入射光子放射に応答して光電流を発生
する複数個の光起電性検出素子と、 （ｂ）各検出素子に結合され、積分期間中、当該検出素
子で発生せしめられる電流を積分し且つ前記の検出素子
から生じる電流により少なくとも部分的に放電せしめら
れるコンデンサ手段と、 （ｃ）前記の検出素子から前記コンデンサ手段への電流
の注入を制御する注入ゲートと、 （ｄ）前記のコンデンサ手段の電位をリセットし、積分
期間の開始前にこのコンデンサ手段を充電するようにす
るリセット手段と を具える撮像装置において、各コンデンサ手段に焦点ぼ
け防止手段が結合され、検出素子で生ぜしめられる電流
が、コンデンサ手段を完全に放電せしめるのに充分なレ
ベルを越える際のコンデンサ手段の電位の反転を抑止す
るようになっており、前記の焦点ぼけ防止手段は前記の
注入ゲートとほぼ同じしきい値電圧を有する他のゲート
を具えておりこの他のゲートは前記の注入ゲートとほぼ
同じ制御電位の点に接続され、検出素子で生ぜしめられ
る過大電流によりコンデンサ手段が完全に放電せしめら
れた際に前記の焦点ぼけ防止手段を導通させるようにな
っており、前記の焦点ぼけ防止手段は導通せしめられた
際に前記のコンデンサ手段を電流源に結合し、この電流
源が補償電流を前記のコンデンサ手段に供給し、前記の
検出素子により発生せしめられた過大電流を補償するこ
とにより前記のコンデンサ手段およびその検出素子の電
位を安定化せしめるようになっていることを特徴とす
る。

本発明による撮像装置に焦点ぼけ防止手段を設けること
により（コンデンサ手段に結合された検出素子における
過大電流を補償することにより）、このコンデンサ手段
の電位を安定化せしめることができ、従ってこの検出素
子のバイアス状態を安定化して信号の焦点ぼけを防止し
うる。更に、このような焦点ぼけ防止手段は回路本体の
レイアウトに過大な空所を占めることなく撮像装置中に
コンパクト配置で設けることができる。特にコンパクト
な配置では、前記の注入ゲートと前記の他のゲートと
を、コンデンサ手段の一側に延在する共通ゲート細条の
交互の一体部分とするのが簡単である。しかし、所望に
応じ、前記の注入ゲートと前記の他のゲートとを別々の
ゲートとしたレイアウトも用いうる。

前記の注入ゲートおよび前記の他のゲートは一緒に共通
電圧源に接続することができる。この場合、前記の注入
ゲートおよび前記の他のゲートに対する電圧供給手段に
おけるいかなる雑音もこれら双方のゲートに共通に与え
られる為、これら双方のゲートの動作は雑音によって等
しく影響を受ける。このような共通の電圧供給は前記の
注入ゲートおよび前記の他のゲートを共通ゲート細条の
一体部分とすることにより得られる。

前記の注入ゲートおよび前記の他のゲートに対し異なる
製造処理を用いる結果しきい値およびゲート動作特性が
これら双方のゲートに対し異なるのを防止する為には、
前記の注入ゲートおよび前記の他のゲートはそれぞれ、
トランジスタのソース、ドレイン、ゲートおよびチャネ
ルを形成する為の同じ技術により形成された絶縁ゲート
電界効果トランジスタを以って構成するのが好ましい。
例えば前記の注入ゲートと前記の他のゲートとを共通ゲ
ート細条の一体部分とする場合には、検出素子に対する
入力領域を、焦点ぼけ防止用の補償電流が流れる領域と
同じドーピング工程でそのそばに形成するのがよい。

本発明による撮像装置は可視光波長或いは赤外線波長で
動作するように設計しうる。後者の場合には、検出素子
を零バイアス状態で動作するｐ−ｎ接合を有する赤外線
ホトダイオードとして形成するのが最も好ましい。

本発明による焦点ぼけ防止手段は、光電流を積分するコ
ンデンサ手段と、このコンデンサ手段における電位を読
出すことにより出力信号を生ぜしめる電圧読出し手段
（例えばソースホロワMOSトランジスタ）とを有するEP
−Ａ第0128828号明細書に記載されているような撮像装
置に設けることができる。

しかし、EP−Ａ第0128828号明細書に開示されている撮
像装置では、各セル（検出素子に結合されたコンデンサ
手段より成るセル）にそれ独自の個々の電圧読出し手段
（例えば、EP−Ａ第0128828号の第１図におけるソース
ホロワMOSトランジスタM11,M21,M31,M41）が設けられて
おり、これら電圧読出し手段は（例えばEP−Ａ第012882
8号の第２図におけるアドレス用MOSトランジスタM12,M2
2,M32,M42により）個々に順次にスイッチングされる。
またセルと関連して個々のリセット手段（例えばEP−Ａ
第0128828号の第１図におけるMOSトランジスタM13,M23,
M33,M43）が設けられている。各セルと関連してこのよ
うに多くの回路素子を設けると、装置特性および動作に
関連する他の欠点は別として、これらの回路素子により
信号処理回路本体の大きな面積を特に（しかしこれに限
らず）二次元アレイ（EP−Ａ第0128828号の第３図）に
対して占めるという欠点がある。本発明の特徴を導入し
ても他の回路素子は必要である（例えば焦点ぼけ防止用
の他のゲートを設けるのに注入ゲート細条の交互の部分
を用いた場合でも電流源接続ラインは必要である）。

従って本発明はEP−Ａ第0128828号におけるセル構造よ
りも複雑でないセル構造を有する装置に導入するのが好
ましい。この目的の為に、コンデンサ蓄積および積分に
基づいた特に有利な回路配置では、電圧読出し手段およ
びリセット手段の各々を複数個の検出素子に対し共通と
し、各検出素子のコンデンサ手段はアドレス兼スイッチ
ング手段により前記の共通の電圧読出し手段および前記
の共通のリセット手段に切換自在に結合され、各コンデ
ンサ手段を順次に前記の共通の電圧読出し手段にスイッ
チングし且つ各コンデンサ手段および前記の共通の電圧
読出し手段における基準レベルを順次にリセットするよ
うにする。このようにすることにより、すべてのコンデ
ンサ手段を読出し且つリセットする為のコンパクトな回
路素子構造が得られ、従って追加の回路素子（例えば焦
点ぼけ防止用のソース領域と接続ラインとの双方または
いずれか一方、また所望に応じ追加の他のゲート）を本
発明によって一層容易に設けうるようになる。また、装
置の動作を改善するか或いは拡張する為の他の回路素子
（例えば積分容量を増大させるか或いは変える為の或い
は各検出素子に対して交互にスイッチングしうるコンデ
ンサを設ける為の、或いはこれらの双方の為のコンデン
サ拡張回路）を設けることもできる。更に、共通電圧読
出し手段および共通リセット手段を有する信号処理回路
を切換自在の検出素子二次元アレイとコンパクト配置に
対面させることができる。

各検出素子のコンデンサ手段は、互いに並列に接続され
た少なくとも２つのコンデンサを有するようにすること
ができ、これらコンデンサの少なくとも１つはこれら他
のコンデンサに接続したり他のコンデンサから分離した
りする手段を有するようにして撮像装置の適用に当って
望ましい場合に全蓄積容量を高めたり低めたりするよう
にしうる。このようにすることにより、万能性により優
れた信号処理回路が得られるとともに、撮像装置のダイ
ナミックレンジを増大せしめることができる。２つ以上
のコンデンサを並列に接続することにより得られる蓄積
容量の増大は、温度の高いシーンを或いは温度の高い点
を有するシーンを撮像する場合に用いることができ、従
ってこの増大した蓄積容量を焦点ぼけ防止手段と共働し
て用いて検出素子における過大光電流に対処することが
できる。この増大した蓄積容量はシーンを長時間撮像し
続ける場合に用いるのも良い。その理由は、このように
すると検出素子からの信号が増大する為である。この蓄
積容量の増大を有効に用いうる他の場合は、種々の赤外
線波長で動作する撮像装置を製造した場合である。例え
ば大きな信号、一般に３〜５μｍの波長帯域の場合より
も８〜14μの波長帯域で動作するように設計したテルル
化水銀カドミウムの検出素子を用いた場合にシーンから
得られる。このようにコンデンサ容量を可変にすると、
いずれの型の検出素子をも本発明による装置におけるコ
ンデンサ手段に結合せしめることができる。

一対のコンデンサ手段は各検出素子と信号取出し手段と
の間に切換自在に結合し、検出素子からの電流をこのコ
ンデンサ手段の対の第１および第２コンデンサ手段で交
互に積分するようにすることができる。このようにする
と、第１および第２コンデンサ手段のうちの一方を電圧
読出し手段に結合している間他方のコンデンサ手段を検
出素子に結合することができる。従って、各検出素子
は、赤外線検出の為の全時間動作せしめることができ、
その信号がこの検出素子から前の出力信号を読出してい
る際に失われる（すなわち積分されない）ことはない。
この場合、前記の焦点ぼけ防止用の他のゲートの対をコ
ンデンサ手段の前記の対と関連させるとともに一緒に共
通制御電圧供給手段に接続することができる。前記の対
のコンデンサ手段間に位置する電極接続ラインは焦点ぼ
け防止用の補償電流源に接続し、従って第１或いは第２
コンデンサ手段が検出素子で生ぜしめられた過大電流に
よって完全に放電せしめられる結果として前記の対のい
ずれかの他のゲートが開放された際に第１および第２コ
ンデンサ手段のいずれかに補償電流源を結合せしめるこ
とができる。

前述したように本発明による撮像装置の信号処理回路
は、二次元アレイとして配置した複数個の検出素子に簡
単に対面させることができる。少なくとも注入ゲートを
経てコンデンサ手段に結合された信号路には、検出素子
をスイッチの二次元アレイ中の個々のスイッチを経て切
換自在に接続することができる。

以下図面につき説明する。

図面はすべて線図的なものであり、第3,4,5および６図
の平面図および断面図は実際のものに正比例して描いて
おらず、明瞭とする為に或いは図面の便宜上各部の寸法
は誇張したり縮小したりした。１実施例で用いたのと同
じ符号を他の実施例の対応する部分或いは類似する部分
を参照する場合にも用いた。

第１図の赤外線撮像装置は入射赤外線20に応答して光電
流を生じる複数個の赤外線検出素子１を有する。各検出
素子１にはコンデンサ手段２が結合され、当該検出素子
１に生じる電流を積分期間に亘って積分する。検出素子
１からコンデンサ手段２への電流の注入は注入ゲート10
により制御される。コンデンサ手段２と信号出力端４と
の間には電圧読出し手段３が結合され、この電圧読出し
手段３はコンデンサ手段２で積分された電流の量に相当
するこのコンデンサ手段２における電位を読出すことに
より出力信号Ｓを生ぜしめる。コンデンサ手段２にはリ
セット手段５が結合され、このリセット手段により各積
分期間の開始前にコンデンサ手段２を基準電圧レベルVr
にリセットする。アドレス兼スイッチング手段6,7は複
数個の検出素子１に相当する出力信号Ｓを信号出力端４
に順次に生ぜしめるとともに検出素子１のコンデンサ手
段２を順次にリセットせしめる。この装置では、電圧読
出し手段３およびリセット手段５の各々は複数個の検出
素子１に対し共通であり、各検出素子１のコンデンサ手
段２はアドレス兼スイッチング手段6,7により、共通電
圧読出し手段３および共通リセット手段５の双方に切換
自在に結合され、このアドレス兼スイッチング手段6,7
は各コンデンサ手段２を共通電圧読出し手段３に順次に
スイッチングするとともに各コンデンサ手段２および共
通電圧読出し手段３において順次に基準電圧レベルVrに
リセットする。

共通電圧読出し手段および共通リセット手段を有する第
１図に示す上述した形態の撮像装置は、各コンデンサ手
段に対し個別の電圧読出し手段および個別のリセット手
段を有する欧州特許出願（EP−Ａ）第0128828号明細書
に開示されている撮像装置よりも製造において著しく改
善されている。第１図の装置は各コンデンサ手段と関連
するこれら個々の回路素子を有さない為、本発明による
他の回路素子を第１図の形態の装置に導入するのが欧州
特許出願第0128828号明細書に開示されている装置に導
入する場合よりも（レイアウトや本体面積の点で）一層
容易となる。従って本発明によれば第１図の回路に、各
コンデンサ手段に結合した焦点ぼけ（ブルーミング）防
止手段11,12を設け、検出素子１で発生する電流がコン
デンサ手段２を完全に放電させるのに充分なレベルを越
える際のコンデンサ手段２の電位の反転を抑止する。こ
の焦点ぼけ防止手段は注入ゲート10とほぼ同じしきい値
電圧を有する他のゲート11を具えており、この他のゲー
ト11は注入ゲート10とほぼ同じ制御電位Viの点に接続さ
れ、コンデンサ手段２が検出素子１で発生される過大電
流によって完全に放電されるとこの他のゲート11が動作
状態となるようになっている。この他のゲー11は動作状
態になるとコンデンサ手段２を電流源12（Vb）に結合
し、この電流源がコンデンサ手段２に補償電流を供給
し、検出素子１によって発生される過大電流を補償する
ことによりコンデンサ手段２の電位およびその検出素子
１の電位を安定化させる。

図面には図面を簡潔にする為に少数の検出素子およびこ
れらの信号処理回路のみを示してある。しかし、実際に
は、これらの撮像装置は多数の検出素子１と、対応する
信号処理回路とを有するものである。従って、第１およ
び２図の装置は、例えば32個或いは64個又は128個もの
検出素子１の直線アレイを有し、これら検出素子の両端
間でレンズおよび逐次段歩動作リフレクタにより赤外線
像が結像され且つラスタ操作されるようにした赤外線ビ
デオカメラに用いることができる。走査方向は、カメラ
および結像システムの種類に応じて直線アレイの長手方
向或いはこの方向に対して垂直な方向にすることができ
る。

検出素子１はテルル化水銀カドミウムの共通本体30（第
３図参照）内に形成した既知の型の光起電力ダイオード
とすることができ、その組成は例えば３〜５μｍの波長
帯或いは８〜14μの波長帯で動作するように選択しう
る。共通本体30のバルクは、検出器動作温度が８〜14μ
ｍの波長帯に対し例えば70°Ｋとなるｐ型材料とするこ
とができる。各検出素子にはｐ型のバルクとｐ−ｎダイ
オード接合を形成するｎ型領域31を設けうる。検出素子
１の共通ｐ型バルクは接地電位点に接続でき、各光起電
性の素子１の個々の出力信号は、ｎ型領域31から例えば
ワイヤ接続線32を経て、信号処理回路を含む珪素回路本
体33の入力端Ａに流れる電流として取出される。第３図
には図面の便宜上ｎ型領域31および本体30のｐ型バルク
に対する金属化電極を示していないが、これらは種々の
既知の方法で設けることができる。

第１および２図に示す信号処理回路はすべて１つの珪素
回路本体33内に形成しうる。検出素子１のコンデンサ手
段２は１列に配置されており、共通電圧読出し手段３お
よび共通リセット手段５が接続されている共通信号ライ
ン13に１位置で切換自在に結合される。各検出素子１の
注入ゲート10はコンデンサ手段２の、前記の共通信号ラ
イン13の側とは反対側に位置し、この共通信号ライン13
に対し平行に延在している。第３および４図に示すよう
に、注入ゲート10は、電極接続線36により各入力端Ａに
接続された個別のソース領域35と、コンデンサ手段２の
列に対する共通ゲート細条37より成る絶縁ゲート10と、
各コンデンサ手段２に対する個別のドレイン領域38とを
有する絶縁ゲート電界効果トランジスタとして製造しう
る。これらのトランジスタは、また所望に応じ本体33中
の信号処理回路のその他の回路素子も、例えば既知のｎ
チャネルMOS集積回路技術を用いて形成しうる。従っ
て、ソース領域35およびドレイン領域38は珪素本体33の
ｐ型部分中のｎ型領域とすることができ、個々のトラン
ジスタは本体表面における厚肉フィールド酸化物層39に
より規定される能動領域で既知のように互いに分離さ
れ、例えばドーピングされた多結晶珪素或いは金属珪素
物より成る細条を以って構成されているゲートのこれら
能動領域の下にはより一層薄肉の絶縁層が存在する。

第３〜６図に例示する形態では共通信号ライン13は珪素
本体33のｐ型部分中のｎ型細条である。この場合リセッ
トゲート５は、例えばｎ型細条13の一端において、この
細条中にギャップを形成し、このギャップ上に絶縁ゲー
トを形成し、このギャップによるこの細条の分断部分を
以ってソースおよびドレインを構成して成るトランジス
タスイッチとすることができる。第３および５図の平面
図ではｎ型領域にハッチを付してあり、絶縁ゲート領域
にはハッチを付していない。共通電圧読出し手段３は
（第１および２図に示すように）ソースホロワ電界効果
トランジスタであり、その絶縁ゲート43の共通信号ライ
ン13に接続され、ｎ型ドレイン領域41は電圧供給ライン
Vdd（例えば約９ボルトとする）に接続されており、ｎ
型ソース領域42は負荷トランジスタ44を経て接地電位点
に接続されている。この負荷44は絶縁ゲートとソースと
を既知のようにして互いに接続したｎチャネル電界効果
トランジスタとしうる。図面の都合上この負荷トランジ
スタは第３図に示していない。第１および２図の装置の
信号出力端４は共通電圧読出しトランジスタ３のソース
領域42から取出す。この出力端４には増幅器（この増幅
器も本体33中に形成しうる）を接続し、出力信号Ｓを増
幅するようにしうる。

コンデンサ手段２をアドレスし共通信号ライン13に順次
にスイッチング接続するのは高速シフトレジスタ６によ
り行われ、その順次の出力端46はコンデンサ手段２と信
号ライン13との間に位置する複数個の絶縁ゲート７に接
続されている。これらのゲート７は、ｎ型の個々のソー
ス領域47とｎ型の信号ライン13より成る共通ドレイン領
域とを有する第３〜６図に示すトランジスタ構造として
構成しうる。シフトレジスタ６からの出力端46の列は最
初の（或いは最後の）出力端45を含んでおり、この出力
端45はシフトレジスタ６からの順次にシフトされた出力
パルスがこの出力端45に現れた際に装置信号Ｓに対する
ライン同期パルスを生ぜしめる。

検出素子１からの電荷信号を瞬時的に蓄積し積分するコ
ンデンサ手段２は種々の方法で構成しうる。例えばｎチ
ャネルMOS集積回路技術を用いて、個々のコンデンサの
個別に接続される蓄積プレートを個別のｎ型領域（例え
ば第６および７図の領域57）を以って構成し、これら
を、すべてのコンデンサに共通で大地電位点に接続され
る上方の絶縁ゲート細条から絶縁させるようにすること
ができる。しかし、このようにして構成したコンデンサ
の容量にはｎ型領域とｐ型本体部分34との間のｐ−ｎ接
合の容量をも含まれており、このｐ−ｎ接合容量は電圧
に応じて変化する。第３および４図は、個別に接続され
る蓄積プレートを絶縁ゲート領域とし、これらの各々を
注入ゲートトランジスタのドレイン領域38より成るｎ型
側部領域とアドレス用トランジスタ７のｎ型ソース領域
47との間に接続した反転構造を示している。この場合、
コンデンサ２の底部プレートを構成し且つ大地電位点に
接続されている共通ｎ型細条52がある。この構成は前述
した場合よりも複雑であり大きなスペースを占めるも、
その内容は前述した場合よりも電圧に対し安定である。
コンデンサ２は完全に本体33の表面上に堆積した構造と
することもでき、例えば絶縁層39中の多結晶珪素層上の
誘電体層上に金属プレートを堆積した形態とすることが
できる。

その設計上の利点の為に、第１図の装置の回路動作は比
較的簡単である。入力トランジスタ35−10−38のチャネ
ル電流がゲートソース電圧により検出素子の光電流を等
しくするように制御されている状態で注入ゲート10に低
い定電圧Vi（例えば約１ボルト）を印加してこれら入力
トランジスタ35−10−38を既知のように動作させ、これ
により検出素子１を零バイアス状態に維持する。従っ
て、注入ゲート10は放射20が照射されているホトダイオ
ード１の動作を安定化させる作用をする。

注入電流信号はコンデンサ２に積分される。この目的の
為に、積分期間の開始前にコンデンサ２の電位を基準レ
ベルVr（例えば約５ボルト）にリセットすることによ
り、このコンデンサ２を充電し、その後積分期間の間こ
のコンデンサ２をライン13から分離させる。コンデンサ
２は積分期間の間検出素子からの電流信号により少なく
とも部分的に放電される。積分期間の終了時における各
コンデンサ２の電荷状態に相当する電位は当該コンデン
サ２をそのアドレス用ゲート７を経てソースホロワトラ
ンジスタ３のゲートに結合することにより読出す。ゲー
ト７はシフトレジスタ６の出力端46に順次に現れる出力
パルスにより順次にアドレスされる。第１および２図に
示す装置では、クロック電圧パルス24のパルス源をリセ
ットゲート５とシフトレジスタ６の入力端54との双方に
接続している。これらパルス24間の時間間隔中に１つの
コンデンサ２の電位が読出される。

リセットゲート５のしきい値電圧は、各パルス24の立上
り縁がゲート５をトリガし、丁度読出されたこの１つの
コンデンサ２に開放しているアドレス用ゲート７を経て
基準電圧Vrが供給され、このコンデンサ２の電圧をその
次の積分期間の為にリセットするように選択する。この
基準電圧Vrは同時にトランジスタ３にも供給され（その
理由は、リセットゲート５のトランジスタドレインがソ
ースホロワトランジスタ３の絶縁ゲートに接続されてい
る為である）、その出力信号Ｓは前記の１つのコンデン
サからの信号に相当する値からVrに相当する値に変化す
る。このようにして各コンデンサからの出力信号がリセ
ット電圧レベルVrに対して（大地電位に対してではな
い）測定され、従って例えば雑音によって供給電圧レベ
ルvrに生じるいかなる変動も相殺する傾向にある。

シフトレジスタ６の入力端54は、各パルス24の立上り縁
によりシフトレジスタ６をクロック動作させ、出力パル
スが順次の次の出力端46に現れるように設計する。これ
によりライン13に対する順次の次のコンデンサ２のスイ
ッチング結合をトリガし、この次のコンデンサの電荷状
態に相当する電位をソースホロワトランジスタ３により
読出す。

第１図の装置を、極めて温度の高い点を有するシーンを
撮像するのに用いる場合、検出素子１の少なくとも１つ
から発生せしめられる電流が関連のコンデンサ２を完全
に放電せしめるのに充分なレベルを越えるおそれがあ
り、この過大電流により焦点ぼけ防止手段11,12が無い
場合にコンデン45サ電位を反転させる（従って負にす
る）おそれがある。この過大電流はこの検出素子のｐ−
ｎ接合を順方向バイアスし、従ってテルル化水銀カドミ
ウム本体30のｐ型バルク内に電子を注入し、これにより
少なくとも隣接の検出素子１に、場合によっては検出素
子列の大部分に沿って余分な電荷信号を生ぜしめるおそ
れがある。しかし第１図の装置（および第２図の装置）
は各コンデンサ２に結合した他のゲート11および電流源
12により上述した焦点ぼけ作用に対し保護されており、
その電位の反転を防止する。

前記の他のゲート11は注入ゲート10とほぼ同じしきい値
電圧を有しており、ほぼ同じ制御電位Viの点に接続され
ている。このことは、注入ゲート10と焦点ぼけ防止ゲー
ト11とを共通絶縁ゲート細条37の交互の一体部分として
形成し、注入ゲート10と他のゲート11とを設けるトラン
ジスタ構造のソース、ドレインおよびチャネルを同じ技
術および同じ処理工程を用いて形成することにより第３
図のレイアウト中で簡単に達成される。従ってゲート11
は絶縁ゲート電界効果トランジスタ（これらトランジス
タの各々は個別のｎ型領域48と、注入ゲート10に対し共
通なｎ型領域38とより成るソースおよびドレインを有す
る）の一部を構成する。これらｎ型領域48のすべては金
属化細条により正の電位（Vb）にある電圧供給ラインに
接続する。この正の電位はリセット基準電圧レベル（V
r）とほぼ同じ、例えば５ボルトにしうる。従って、関
連のコンデンサ２がリセットされると、焦点ぼけ防止用
トランジスタ11はそのゲートの電位が領域38に対し可成
り負に、すなわち（Vi−Vb）に、例えば約−４ボルトと
なる為に確実にオフ状態になる。

検出素子１が順方向バイアスされ、関連のコンデンサ２
の電位が負になり始めると、焦点ぼけ防止用のゲート11
の関連の領域38は負になり始める。その結果、実効ゲー
ト電位Viは領域38に対して正となり、従ってゲート11よ
り成る焦点ぼけ防止用のトランジスタは導通し始め、コ
ンデンサ２を電流源12に結合する。この状態で、電流源
12が補償電流をコンデンサ２に供給し、過大光電流を補
償することによりコンデンサ２およびその検出素子１の
双方の電位をほぼ零ボルトで安定化させる。このように
して検出素子における過大電流がこの検出素子のｐ−ｎ
接合を順方向バイアスする傾向を無くす。

第１図につき説明した装置の基本回路動作と同じ動作が
第２図の装置においてもその検出素子１、注入ゲート1
0、コンデンサ手段２、焦点ぼけ防止用ゲート11、アド
レス用ゲート７、共通電圧読出し用トランジスタ３、リ
セットゲート５およびシフトレジスタ６に関して行われ
る。しかし第２図の装置においては、各検出素子１に、
交互にスイッチングしうる２つのコンデンサ2aおよび2b
が関連しており、従って一方のコンデンサ（例えば2a）
が積分後のその電位を読取る為にソースホロワトランジ
スタ３に結合されている間、他方のコンデンサ（2b）は
その現在の信号を積分する為に検出素子１に結合されて
いる。入力ゲート8aおよび8bと出力ゲート9aおよび9bと
のスイッチング機構によれば各検出素子１からの前の信
号を読取している際に、その現在の信号を失うことなく
（すなわちこの現在の信号が積分されなくなることがな
く）全光検出時間に亘って当該検出素子１を動作せしめ
る。従って第２図の装置では、すべての検出素子１を同
時にシーンに曝すことができる。図面の便宜上第２図に
は１つのみの検出素子１とこれに対応する入力端Ａを示
してある。

第１および第２コンデンサ2aおよび2bの各々は第１図の
装置と同様に形成しうる。第５および６図に示す例で
は、各コンデンサ2a或いは2bがｐ型本体部分34中の個々
のｎ型領域57を有する。この各コンデンサ領域57はすべ
てのコンデンサ2aおよび2bの共通の頂部の接地プレート
を構成する上側金属細条52（第５図には図示せず）から
接続されており、この金属細条52は注入ゲート細条10に
対し平行に延在している。しかし所望に応じ、上述した
コンデンサ構造とは逆のコンデンサ構造、すなわち、第
３および４図のコンデンサ構造と類似するように、（本
体部分34中の）共通ｎ型細条52と、ｎ型側部領域間に接
続された個別の絶縁ゲートプレート51aおよび51bとを有
するコンデンサ構造を各コンデンサ2aおよび2bに対して
設けることができる。個別の絶縁ゲート9aおよび9bはｎ
型領域57と各アドレス用トランジスタ７のｎ型領域47と
の間に存在し、交互にスイッチングしうる出力ゲートを
構成している。同様に、入力端Ａを注入ゲートトランジ
スタ10のｎ型領域35に対し設ける代わりに、交互にスイ
ッチングしうる入力ゲートを構成する絶縁ゲート8aおよ
び8bによりコンデンサ2aおよび2bに対する個々の領域35
に結合された各ｎ型領域58に対し各入力端Ａを設ける。
通常は、入力ゲート8aおよび8bを注入ゲート10とコンデ
ンサ手段2aおよび2bとの間ではなく、第2,5および６図
に示すように検出素子入力端Ａと注入ゲート10との間に
設けるのが好ましい。その理由は、前者の場合、共通注
入ゲート37が、その容量が大きい為に、複数の検出素子
１からの入力信号間を混同してしまうおそれがある為で
ある。焦点ぼけ防止手段に対する個々の接続領域48は各
コンデンサ2a或いは2bに対して設けることができ、或い
はコンデンサ2a或いは2bの各対のゲート11間に位置する
共通の電極接続領域48′を設けることにより一層コンパ
クトな構成を得ることができる。実際には装置中のコン
デンサの各対2aおよび2bに対し通常個々の領域48或いは
共通領域48′のいずれかを用いる。しかし、第５図には
図面の便宜上２つの図を用いずにこれら２つの場合を異
なるコンデンサ対に対して示してある。

第２図に示すようにスイッチング装置8a,8b,9a,9bは１
つ以上のフリップ・フロップ回路18の互いに反転する出
力端16および17によって制御される。出力端16から生じ
る一方の出力信号は出力端17から生じる他方の出力信
号Ｑの反転信号である。出力端16は入力ゲート8aおよび
出力ゲート9bに接続されており、出力端17は入力ゲート
8bおよび出力ゲート9aに接続されている。従って、出力
信号が供給される絶縁ゲートを有するトランジスタを
この出力信号によりスイッチ・オンさせる場合には、コ
ンデンサ2aが検出素子１に結合されこの検出素子の電流
出力を積分するも、絶縁ゲート9aを有するトランジスタ
スイッチがオフ状態となることによりこのコンデンサ2a
がアドレス用ゲート７から分離され、コンデンサ2bはア
ドレス用ゲート７に結合されるも絶縁ゲート8bを有する
トランジスタスイッチがオフ状態となることによりこの
コンデンサ2bは検出素子１から分離される。

第７図は、各入力端Ａに対するコンデンサ手段の他の変
形例を示す。この形態では、第２図の回路の、交互に機
能する並列アーム内の第１および第２コンデンサ手段2a
および2bの各々は並列に接続した３つのコンデンサ（す
なわち2a′,2a″,2a或いは2b′2b″,2b）を有す
る。少なくともコンデンサ2a″,2a,2b″および2bを
トランジスタスイッチ22を介して上記のアームに結合
し、これらトランジスタスイッチの絶縁ゲートを対で制
御電圧源Ｃ″およびＣに接続する。これによりコンデ
ンサの各対（2a″および2b″或いは2aおよび2b）を
他のコンデンサ対に接続したり或いはこれから分離した
りして、装置の適用に当って望ましいように全蓄積容量
を高めたり低めたりしうるようにする。この構成によれ
ば、万能性の高い信号処理回路が得られ、撮像装置のダ
イナミックレンジを高めることができる。２つ以上のコ
ンデンサ（2a′,2a″,2a）を並列に接続することによ
り高めた蓄積容量は温度の高いシーン或いは温度の高い
点を有するシーンを撮像し続ける場合に用いることがで
きる為、この増大蓄積容量は焦点ぼけ防止手段11,12と
共働して用いて検出素子１からの過大電流に対処するよ
うにすることもできる。このように増大させた蓄積容量
は同一シーンを長時間撮像（すなわち積分）し続ける場
合にも用いることができる。その理由は、これにより検
出素子からの信号を増大させる為である。この機能を有
効に適用しうる他の場合は、種々の赤外線波長で動作す
る撮像装置を製造した場合である。例えば、３〜５μｍ
の波長帯域ではなく８〜14μｍの波長帯域で動作するよ
うに設計したテルル化水銀カドミウム検出素子１では、
一般にシーンから大きな信号（例えば前者の場合の30倍
以上の信号）を得ることができる。この可変容量機能
（2a′,2a″,2a,2b′,2b″,2b,22）によれば、いず
れの種類の検出素子をも本発明による装置におけるコン
デンサ手段２に結合せしめうる。第７図には３対のコン
デンサを示しているが、第２図の装置の場合に２対（例
えば2a′,2b′および2a″,2b″）を有するように装置を
設計することができ、第１図の場合にはコンデンサ２が
単にコンデンサ2a′,2a″により且つ所望に応じコンデ
ンサ2aにより置換えられるだけであり、これらコンデ
ンサは対を成すものではない。

第１〜７図につき前述した装置においては、コンデセン
サ手段２の列を検出素子１のリニアアレイに結合した。
しかし本発明によれば、第１〜６図の装置の検出素子の
アレイは種々に変更しうることが明かである。例えば、
検出素子１を２列に配置するか或いは例えば交互にスタ
ッガ配置した１例に配置したり、各々が１列のコンデン
サ手段２を有する２つの信号処理回路本体33の間に配置
し、検出素子１の異なる列を或いは交互の検出素子１を
異なる本体33に接続するようにすることができる。ある
種の装置では、信号処理回路本体33上に或いは信号処理
回路本体内にも検出素子１を設けることができる。更
に、本発明による撮像装置の信号処理回路は検出素子１
の２次元アレイと界面を成すように配置することができ
る。

第８図は、それぞれのスイッチ61を経て信号路62に切換
自在に接続したホトダイオード検出素子１の２次元アレ
イを示す。第８図には検出素子１およびスイッチ61をそ
れぞれ16個しか示していないが、通常はより多くの、例
えば少なくとも64×64のアレイ或いは128×128のアレイ
とする。スイッチ61は、絶縁ゲート電界効果トランジス
タとすることができ、これらは検出素子１のアレイに対
応する２次元アレイに配置する。この場合も検出素子１
をテルル化水銀カドミウムを以って構成でき、これらは
スイッチ61および信号路62を有する珪素回路本体上に既
知の種々の技術により装着しうる。適切な装着および相
互接続技術の２例は欧州特許出願（EP−Ａ）第0061803
号（特開昭57−171226号公報に対応）明細書およびワシ
ントンで開催されたアイ・イー・イー・イー1978インタ
ーナショナル・エレクトロン・デイバイシズ・ミーティ
ング（I.E.E.E.1978 International Electron Devices
Meeting）の会報の第510〜512頁に記載されており、前
者には、珪素回路基板上のｐ型本体内の孔の側壁を囲む
環状ｎ型検出素子領域の形成および接続に関し説明され
ており、後者には、珪素回路基板上の反対導電型本体の
底面における検出素子領域間のインジウムバンプ接続に
つき説明されている。

各（横）行におけるトランジスタ61は、スイッチ61と同
じ珪素回路本体中に集積化しうるシフトレジスタ64の出
力端63に順次に現れるパルスにより順次にスイッチ・オ
ンせしめられる。このことは、各行における検出素子１
が、第２図に示す信号処理回路のような信号処理回路の
入力端Ａに接続されている信号路62の出力端Ｂの列に順
次にスイッチング接続されるということを意味する。第
８図のアレイが第２図の回路に接続されている場合、検
出素子１の１ライン（縦列）からの信号検出素子１の次
のライン（縦列）からの信号を例えばコンデンサ26に結
合してこれらコンデンサ26に積分している際にソースホ
ロワトランジスタ３によりコンデンサ2aから読出すこと
ができる。従って、この撮像装置では、ライン（縦列）
中の各検出素子に対する撮像時間（および積分時間）が
同じとなり二次元アレイの各列に対する動作がライン毎
に等しくなっている。個々のスイッチングトランジスタ
61およびこれらの接続ラインは極めてコンパクトな形状
で形成しうる為、多数のスイッチ61および検出素子１を
密閉アレイ中に設けることができ、従って第２および８
図の撮像装置によればCCD撮像装置および欧州特許出願
第0128828号明細書の第３図の装置の双方に比べて高密
度（小面積）のアレイや高い空間解像度を達成しうる。

コンデンサ２の電位をトランジスタ３により読取る際に
パルスを注入ゲート10に供給してこのコンデンサ２を入
力端Ａから分離するようにする場合には、第８図のアレ
イを第１図の回路に接続することができる。しかし、こ
の場合、撮像／積分の為の時間はラインを走査するのに
要する時間だけ減少せしめられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による赤外線撮像装置の一例を示す回
路図、 第２図は、各検出素子に対し交互にスイッチングしうる
蓄積コンデンサを有する第１図の装置の変形を示す回路
図、 第３図は、第１図の装置の一部に対する可能なレイアウ
トの一例を示す平面図、 第４図は、第３図のIV−IV線上を断面とし、第１図の装
置の信号処理回路部分を製造するのに用いる集積回路技
術の一形態を示す断面図、 第５図は、第３図のレイアウトの一部を第２図における
ように交互にスイッチングしうる蓄積コンデンサを設け
て変形した例を示す平面図、 第６図は、第５図の装置をそのVI−VI線上を断面として
示す断面図、 第７図は、本発明による装置の検出素子に対するコンデ
ンサ手段および焦点ぼけ防止手段の他の変形例を示す回
路図、 第８図は、第２図の装置に変形として設けうる検出素子
およびスイッチング回路の２次元アレイを示す回路図で
ある。 １…赤外線検出素子 2,2a,2b…コンデンサ手段（電荷積分手段） ３…電圧読出し手段（信号取出し手段） ４…信号出力端、５…リセット手段 6,7…アドレス兼スイッチング手段（６…シフトレジス
タ;7…絶縁ゲート） 8a,8b…入力ゲート、9a,9b…出力ゲート 10…注入ゲート（絶縁ゲート） 11,12…焦点ぼけ防止手段（11…ゲート;12…電流源） 13…共通信号ライン 18…フリップ・フロップ回路 22…トランジスタスイッチ 30…共通本体、31…ｎ型領域 34…ｐ型本体部分、35…ソース領域 37…共通ゲート細条 38…ドレイン領域、44…負荷 52…金属細条、57…コンデンサ領域 61…スイッチ、62…信号路 64…シフトレジスタ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）入射光子放射に応答して光電流を発
   生する複数個の光起電性検出素子と、 （ｂ）各検出素子に結合され、積分期間中、当該検出素
   子で発生せしめられる電流を積分し且つ前記の検出素子
   から生じる電流により少なくとも部分的に放電せしめら
   れるコンデンサ手段と、 （ｃ）前記の検出素子から前記のコンデンサ手段への電
   流の注入を制御する注入ゲートと、 （ｄ）前記のコンデンサ手段の電位をリセットし、積分
   期間の開始前にこのコンデンサ手段を充電するようにす
   るリセット手段と を具える撮像装置において、各コンデンサ手段に焦点ぼ
   け防止手段が結合され、検出素子で生ぜしめられる電流
   が、コンデンサ手段を完全に放電せしめるのに充分なレ
   ベルを越える際のコンデンサ手段の電位の反転を抑止す
   るようになっており、前記の焦点ぼけ防止手段は前記の
   注入ゲートとほぼ同じしきい値電圧を有する他のゲート
   を具えておりこの他のゲートは前記の注入ゲートとほぼ
   同じ制御電位の点に接続され、検出素子で生ぜしめられ
   る過大電流によりコンデンサ手段が完全に放電せしめら
   れた際に前記の焦点ぼけ防止手段を導通させるようにな
   っており、前記の焦点ぼけ防止手段は導通せしめられた
   際に前記のコンデンサ手段を電流源に結合し、この電流
   源が補償電流を前記のコンデンサ手段に供給し、前記の
   検出素子により発生せしめられた過大電流を補償するこ
   とにより前記のコンデンサ手段およびその検出素子の電
   位を安定化せしめるようになっていることを特徴とする
   撮像装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の撮像装置に
   おいて、前記のゲートと前記の注入ゲートとは、平面図
   でみて、前記のコンデンサ手段の一側に延在する共通ゲ
   ート細条の交互の一体部分を以って構成されていること
   を特徴とする撮像装置。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の
   撮像装置において、前記の注入ゲートと前記の他のゲー
   トとは一緒に共通電圧供給手段に接続されていることを
   特徴とする撮像装置。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第１〜３項のいずれか１項
   に記載の撮像装置において、前記の注入ゲートおよび前
   記の他のゲートはそれぞれ、トランジスタのソース、ド
   レイン、ゲートおよびチャネルを形成する為の同じ技術
   により形成された絶縁ゲート電界効果トランジスタを以
   って構成されていることを特徴とする撮像装置。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第１〜４項のいずれか１項
   に記載の撮像装置において、前記の他のゲートによりコ
   ンデンサ手段が結合されている電流源は積分期間の開始
   時にコンデンサ手段がリセットされる電位とほぼ同じ電
   位にあることを特徴とする撮像装置。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第１〜５項のいずれか１項
   に記載の撮像装置において、前記の複数個のコンデンサ
   手段に対し共通の電圧読出し手段があり、この共通の電
   圧読出し手段は各コンデンサ手段で積分された電流に相
   当する前記のコンデンサ手段における電位を読出すこと
   により出力信号を生ぜしめ、前記のリセット手段は前記
   の複数個の検出素子に対して共通となっており、各検出
   素子のコンデンサ手段はアドレス兼スイッチング手段に
   より前記の共通の電圧読出し手段および前記の共通のリ
   セット手段に切換自在に結合され、各コンデンサ手段を
   順次に前記の共通の電圧読出し手段にスイッチングし且
   つ各コンデンサ手段および前記の共通の電圧読出し手段
   における基準レベルを順次にリセットするようになって
   いることを特徴とする撮像装置。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第１〜６項のいずれか１項
   に記載の撮像装置において、各検出素子のコンデンサ手
   段は互いに並列に接続された少なくとも２つのコンデン
   サを有し、少なくとも１つのコンデンサは、これを他の
   コンデンサに接続したり他のコンデンサから分離したり
   して全蓄積容量を高めたり低めたりしうる手段を有して
   いることを特徴とする撮像装置。
8. 【請求項８】特許請求の範囲第１〜７項のいずれか１項
   に記載の撮像装置において、前記の検出素子はテルル化
   水銀カドミウムの本体中に形成され、前記のコンデンサ
   手段と、検出素子からの信号を処理する他の信号処理手
   段とが少なくとも１つの珪素回路本体内に形成されてい
   ることを特徴とする撮像装置。
9. 【請求項９】特許請求の範囲第１〜８項のいずれか１項
   に記載の撮像装置において、前記の検出素子は零バイア
   スの下で動作するp-n接合を有する赤外線ホトダイオー
   ドであることを特徴とする撮像装置。