本發(fā)明的一個方面涉及一種讀取來自光電轉(zhuǎn)換元件的輸出電流的電路。
背景技術(shù):
在日本特開平3-181825號公報中記載有涉及光子計數(shù)測光裝置的技術(shù)。該裝置包括光子計數(shù)(photoncounting)電路、直流成分測定電路和測光值輸出電路。光子計數(shù)電路輸出從光電倍增管輸出的脈沖信號中的規(guī)定波高值以上的脈沖信號。直流成分測定電路檢測與從光電倍增管輸出的脈沖信號的光量相應的直流電平,輸出與該直流電平相應的脈沖間隔的脈沖信號。測光值輸出電路對從光子計數(shù)電路和直流成分測定電路的一方或者雙方輸出的脈沖信號進行計數(shù)而輸出測光值。
在日本實用新型注冊第2567908號公報中記載有涉及光量傳感器的技術(shù)。該光量傳感器包括多個受光元件、對來自這些的受光元件的輸出信號進行處理的光子計數(shù)電路和模擬測光電路、以及信號運算電路。信號運算電路包括:對光子計數(shù)電路和模擬測光電路的各輸出分別進行修正的2個修正電路;對該2個修正電路的輸出分別乘以加權(quán)的2個加權(quán)運算電路;和對該2個加權(quán)運算電路的輸出進行相加的相加電路。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
作為用于檢測微弱的光的光電轉(zhuǎn)換元件,近年來,已知有包含雪崩光電二極管(以下,apd)的像素二維狀地配置而成的光電轉(zhuǎn)換元件。在這樣的光電轉(zhuǎn)換元件中,對各像素供給共同的偏壓,并且將來自各像素的輸出電流一并收集并進行光子計數(shù),由此能夠精度良好地測定向光電轉(zhuǎn)換元件的微弱的入射光量。作為這樣的光電轉(zhuǎn)換器件,例如有浜松光子學株式會社制mppc(注冊商標)。
但是,隨著這樣的光電轉(zhuǎn)換元件的應用范圍的擴大,對于讀取來自光電轉(zhuǎn)換元件的輸出電流的電路而言,期望能夠?qū)趶奈⑷豕饬恐帘容^大的光量為止寬度寬的光量范圍。本發(fā)明的一個方面是鑒于這樣的技術(shù)問題而完成的發(fā)明,其目的在于,提供一種能夠?qū)趯挾葘挼墓饬糠秶淖x取電路。
為了解決上述的技術(shù)問題,本發(fā)明的一個方面的讀取電路,是讀取來自將在分別包含雪崩光電二極管的多個像素中產(chǎn)生的電流一并輸出的光電轉(zhuǎn)換元件的輸出電流的電路,包括:接收輸出電流,并輸出與輸出電流成比例的大小的第1和第2電流的電流鏡像(currentmirror)電路;基于第1電流,進行入射至光電轉(zhuǎn)換元件的光子的計數(shù)的光子計數(shù)電路;對第2電流進行積分而生成電壓信號的積分電路;和基于從光子計數(shù)電路輸出的計數(shù)結(jié)果和從積分電路輸出的電壓信號的大小,判斷入射至光電轉(zhuǎn)換元件的光的大小的信號處理部。
根據(jù)該讀取電路,具備電流鏡像電路,由此能夠彼此不影響地獲得向光子計數(shù)電路提供的第1電流和向積分電路提供的第2電流。再有,能夠自由地決定第2電流相對于輸出電流的比率,所以,能夠增大積分電路飽和的光量,并且能夠充分地擴大光量范圍。
另外,上述的讀取電路中,也可以是電流鏡像電路輸出與輸出電流成比例的大小的n個(n為3以上的整數(shù))電流,光子計數(shù)電路將n個電流中的一個電流作為第1電流來輸入,積分電路將n個電流中與輸入至光子計數(shù)電路的電流不同的一個電流作為第2電流來輸入。由此,能夠容易地變更相對于來自光電轉(zhuǎn)換元件的輸出電流的、向光子計數(shù)電路的輸入電流的比率、和向積分電路的輸入電流的比率。因此,能夠根據(jù)與讀取電路連接的光電轉(zhuǎn)換元件的特性或用途等而容易地選擇適當?shù)谋嚷省?/p>
根據(jù)本發(fā)明的一個方面,能夠提供能夠?qū)趯挾葘挼墓饬糠秶淖x取電路。
附圖說明
圖1是一個實施方式所涉及的光電轉(zhuǎn)換元件的平面圖。
圖2是將受光部的一部分放大表示的平面圖。
圖3是概略地表示光電轉(zhuǎn)換元件的截面構(gòu)成的圖。
圖4是概略地表示讀取電路的構(gòu)成例的圖。
圖5是表示電流鏡像電路的具體的電路構(gòu)成的一個例子的電路圖。
圖6是表示光子計數(shù)方式和模擬方式的各個中的檢測光量的有效范圍的圖。
圖7是示意性地表示讀取電路的光量范圍的擴大的圖表。
圖8是表示一個變形例所涉及的讀取電路的構(gòu)成的圖。
具體實施方式
以下,參照附圖,對本發(fā)明的一個方面所涉及的讀取電路的一個實施方式進行詳細的說明。此外,在附圖的說明中對相同的要素標注相同的符號,省略重復的說明。
圖1是一個實施方式所涉及的光電轉(zhuǎn)換元件1a的平面圖。光電轉(zhuǎn)換元件1a具備半導體基板30,在半導體基板30的主面上成為接收光的受光部3a。在受光部3a中,多個像素(pixel)10二維狀(矩陣狀)地排列。多個像素10分別包含通過共同的偏壓進行動作的apd而構(gòu)成。多個像素10的間距(中心間隔)例如為50μm。
光電轉(zhuǎn)換元件1a還具備信號讀取用的配線21。配線21與多個像素10電連接,將來自這些像素10的輸出電流一并取出。
圖2是將受光部3a的一部分放大表示的平面圖。如圖2所示,各像素10的apd和配線21經(jīng)由淬滅電阻(quenchingresistor)23而電連接。換言之,淬滅電阻23的一端與像素10的apd電連接,另一端與配線21電連接。在一個例子中,淬滅電阻23的電阻值為250kω。此外,在圖所示的例子中,淬滅電阻23被配設成旋渦狀,但是,淬滅電阻23能夠配設成各種形狀,例如也可以配設成直線狀。淬滅電阻23例如由光透過性(半透明)的導電性材料構(gòu)成。
圖3是概略地表示光電轉(zhuǎn)換元件1a的截面構(gòu)成的圖。光電轉(zhuǎn)換元件1a具備例如由n型si構(gòu)成的半導體基板30。上述的多個像素10形成于該共同的半導體基板30。具體來說,半導體基板30具有主面30a和背面30b,在背面30b上的整個面設置有下面電極(陰極)31。另外,在包含主面30a的半導體基板30的內(nèi)部,分別構(gòu)成像素10的多個p型半導體區(qū)域32相互隔開間隔而排列形成。p型半導體區(qū)域32例如由p型si構(gòu)成。像素10的apd通過p型半導體區(qū)域32和半導體基板30形成pn結(jié)而構(gòu)成。
在主面30a上的整個面設置有第1絕緣膜33。第1絕緣膜33例如能夠由sio2、sin等的絕緣性硅化合物而適當?shù)貥?gòu)成。在p型半導體區(qū)域32上且第1絕緣膜33上設置有接觸電極(陽極)34。接觸電極34經(jīng)由形成于第1絕緣膜33的開口而與p型半導體區(qū)域32接觸。
配線21是金屬制,形成于半導體基板30上。在本實施方式中,配線21設置于位于未形成有p型半導體區(qū)域32的半導體基板30的區(qū)域上的第1絕緣膜33上。
配線21、第1絕緣膜33和接觸電極34由第2絕緣膜35覆蓋。第2絕緣膜35覆蓋半導體基板30上的整個面,能夠由例如sio2、sin等的無機絕緣體而適當?shù)貥?gòu)成。上述的淬滅電阻23設置于第2絕緣膜35上。淬滅電阻23的一端和另一端分別經(jīng)由形成于第2絕緣膜35的開口而與接觸電極34和配線21的各個電連接。
在此,對用于讀取來自光電轉(zhuǎn)換元件1a的輸出電流的讀取電路的構(gòu)成進行說明。圖4是概略地表示讀取電路5a的構(gòu)成例的圖。此外,如圖4所示,在多個像素10的各apd的陰極即下面電極31(參照圖3),被施加共同的偏壓hv。
讀取電路5a具有電流鏡像電路51、光子計數(shù)電路52、積分電路53、a/d變換器54和信號處理部60。
電流鏡像電路51與光電轉(zhuǎn)換元件1a的配線21電連接,接收來自多個像素10的一并輸出電流s0。再有,電流鏡像電路51輸出與輸出電流s0成比例的大小的第1電流s1和第2電流s2。此外,第1電流s1相對于輸出電流s0的比率、和第2電流s2相對于輸出電流s0的比率彼此不同,分別被任意決定。這些比率例如在1~1/1000的范圍內(nèi)。另外,在一個例子中,第1電流s1的比率比第2電流s2的比率大。
圖5是表示電流鏡像電路51的具體的電路構(gòu)成的一個例子的電路圖。電流鏡像電路51包括3個晶體管51a~51c。晶體管51a的一方的電流端子經(jīng)由電流鏡像電路51的輸入端51d而與配線21連接,接收來自多個像素10的輸出電流s0。再有,晶體管51a~51c的各控制端子與上述一方的電流端子連接。晶體管51a~51c的另一方的電流端子與基準電位線(gnd線)連接。根據(jù)這樣的構(gòu)成,在晶體管51b、51c的各一方的電流端子,流過與輸出電流s0成比例的電流。這些電流作為第1電流s1和第2電流s2而分別從輸出端51e和51f輸出。
此外,晶體管51a~51c也可以為雙極型晶體管和fet的任一者。在它們?yōu)閚pn型雙極型晶體管時,一方的電流端子相當于集電極,另一方的電流端子相當于發(fā)射極,控制端子相當于基極。另外,在它們?yōu)閒et時,一方的電流端子相當于漏極,另一方的電流端子相當于源極,控制端子相當于柵極。
另外,例如在晶體管51a~51c為nmos型fet的情況下,它們的載流子移動度、每單位面積的柵極電容和閾值電壓相等,并且這些晶體管在飽和區(qū)域動作時,第1電流s1和第2電流s2相對于輸出電流s0的比率(s1/s0、s2/s0)使用晶體管51a~51c的通道長la~lc和通道寬度wa~wc而如以下所述表示。即,通過適當設計晶體管51a~51c的通道長la~lc和通道寬度wa~wc,能夠使比率(s1/s0、s2/s0)為任意的比率。
【數(shù)1】
【數(shù)2】
再次參照圖4。光子計數(shù)電路52與電流鏡像電路51的輸出端51e電連接,基于從輸出端51e輸出的第1電流s1,進行入射至光電轉(zhuǎn)換元件1a的光子的計數(shù)。本實施方式的光子計數(shù)電路52包括比較器(comparator)52a和計數(shù)器(counter)52b。比較器52a接收第1電流s1,將第1電流s1轉(zhuǎn)換為電壓信號,并且將該電壓信號和規(guī)定的基準電壓進行比較。然后,在電壓信號超過基準電壓時(即,超過閾值的電流脈沖作為第1電流s1輸入時),將信號d1發(fā)送到計數(shù)器52b。計數(shù)器52b對從比較器52a發(fā)送信號d1的次數(shù)進行計數(shù)。在向光電轉(zhuǎn)換元件1a的入射光量微弱的情況下,其計數(shù)值相當于向多個像素10的入射光量的總和。
積分電路53與電流鏡像電路51的輸出端51f電連接,對從輸出端51f輸出的第2電流s2進行積分而生成電壓信號v2。具體來說,積分電路53包括:蓄積第2電流s2的電容元件;將蓄積在該電容元件的電荷周期性地重置的電路;和將該電容元件的兩端電壓周期性地保持的保持電路。積分電路53將保持于保持電路的電壓作為電壓信號v2輸出。a/d變換器54將作為模擬信號的電壓信號v2轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在向光電轉(zhuǎn)換元件1a的入射光量比較大的情況下,該數(shù)字值相當于向多個像素10的入射光量的總和。
信號處理部60基于從光子計數(shù)電路52輸出的計數(shù)結(jié)果和從積分電路53輸出的電壓信號v2的大小(在本實施方式中,從a/d變換器54輸出的數(shù)字值),判斷入射至光電轉(zhuǎn)換元件1a的光的大小(入射光量)。信號處理部60例如采用這些計數(shù)值和數(shù)字值中具有有效的值的一方,并基于該值而特定入射光量。
對由以上所說明的本實施方式的讀取電路5a獲得的效果進行說明。圖6是表示光子計數(shù)方式和模擬方式(將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓信號的方式)的各個中的檢測光量的有效范圍的圖。圖6中,作為橫軸表示入射光子數(shù)(單位:cps(計數(shù)/秒))和入射光量(單位:w)。如圖6所示,根據(jù)光子計數(shù)方式能夠測量比較小的光量范圍,根據(jù)模擬方式能夠測量比較大的光量范圍。
根據(jù)本實施方式的讀取電路5a,具備電流鏡像電路51,由此能夠彼此不影響地獲得向光子計數(shù)電路52提供的第1電流s1和向積分電路53提供的第2電流s2。再有,能夠自由地決定第2電流s2相對于輸出電流s0的比率,所以,能夠增大積分電路53飽和的光量,能夠充分地擴大光量范圍。特別是在本實施方式中,光電轉(zhuǎn)換元件1a具備分別包含apd的多個像素10,所以,光電轉(zhuǎn)換元件1a自身具有作為電容元件的特性,該電容對后級的電路產(chǎn)生影響。設置在讀取電路5a的電流鏡像電路51起到不僅單單將來自光電轉(zhuǎn)換元件1a的輸出電流分配在2個電路52、53,而且將作為電容元件的光電轉(zhuǎn)換元件1a和后級的電路52、53相互電性分離這樣的作用。
圖7是示意性地表示本實施方式的讀取電路5a的光量范圍的擴大的圖表。在圖7中,橫軸表示入射光量,縱軸表示輸出信號(光子計數(shù)方式的情況下為計數(shù)值,積分方式的情況下為電壓信號的大小)。在入射光量比較小的區(qū)域a1,通過光子計數(shù)電路52,即使為微弱光量也能夠精度良好地進行測量(圖表g1)。另外,在入射光量比較大的(例如,來自光子計數(shù)電路52的輸出飽和)區(qū)域a2,通過積分電路53,能夠直至充分大的光量不飽和而進行測量(圖表g2)。這樣,根據(jù)本實施方式的讀取電路5a,能夠?qū)趯挾葘挼墓饬糠秶?/p>
另外,在本實施方式中,將來自電流鏡像電路51的第1電流s1和第2電流s2用于光量測量,所以,能夠相互獨立地個別地設定第1電流s1和第2電流s2相對于輸出電流s0的各比率。因此,能夠?qū)⒌?電流s1的比率設定為適合光子計數(shù)的比率,能夠?qū)⒌?電流s2的比率設定為適合積分處理的比率。
另外,在專利文獻1所記載的光子計數(shù)測光裝置中,從光電倍增管的輸出端子延伸的配線和光子計數(shù)電路經(jīng)由耦合電容器而被ac耦合。因此,在通過耦合電容器時電流脈沖會鈍化,計數(shù)率產(chǎn)生限制。另外,光電倍增管的輸出端子和直流成分測定電路直接連接,所以,可以認為直流成分測定電路提前飽和。因此,能夠測定的光量范圍的上限被抑制得較低。相對于此,根據(jù)本實施方式的讀取電路5a,能夠經(jīng)由電流鏡像電路51而將光電轉(zhuǎn)換元件1a的配線21和光子計數(shù)電路52進行dc耦合。因此,能夠維持電流脈沖的波形,能夠使計數(shù)率更快。另外,根據(jù)讀取電路5a,能夠在電流鏡像電路51中自由地設定第2電流s2相對于輸出電流s0的比率,所以,能夠抑制積分電路53的提前的飽和,能夠進一步提高能夠測定的光量范圍的上限。
另外,如本實施方式所述,通過由多個晶體管構(gòu)成的電流鏡像電路51進行向光子計數(shù)電路52和積分電路53的輸出電流的分配,能夠容易地設計asic(applicationspecificintegratedcircuit,專用集成電路)。
(變形例)
圖8是表示上述實施方式的一個變形例所涉及的讀取電路5b的構(gòu)成的圖。讀取電路5b和上述實施方式的不同點在于電流鏡像電路的構(gòu)成。讀取電路5b所具有的電流鏡像電路55與光電轉(zhuǎn)換元件1a的配線21電連接,接收來自多個像素10的輸出電流s0。再有,電流鏡像電路55輸出與輸出電流s0成比例的大小的n個(n為3以上的整數(shù))電流s(1)~s(n)。n個電流s(1)~s(n)相對于輸出電流s0的比率相互不同。光子計數(shù)電路52將n個電流s(1)~s(n)中的一個電流作為第1電流s1而選擇性地輸入。積分電路53將n個電流s(1)~s(n)中與輸入至光子計數(shù)電路52的電流不同的一個電流作為第2電流s2而選擇性地輸入。此外,光子計數(shù)電路52及積分電路53與電流鏡像電路55的n個輸出端構(gòu)成為能夠彼此切換。
根據(jù)本變形例,能夠容易地變更相對于來自光電轉(zhuǎn)換元件1a的輸出電流的、向光子計數(shù)電路52的輸入電流的比率和向積分電路53的輸入電流的比率。因此,能夠根據(jù)與讀取電路連接的光電轉(zhuǎn)換元件的特性或用途等而容易地選擇適當?shù)谋嚷?。此外,在本變形例中,能夠切換向光子計數(shù)電路52的輸入電流和向積分電路53的輸入電流的兩者,但是,也可以將其中的任一方固定而僅切換另一方。
本發(fā)明的一個方面的讀取電路不限于上述的實施方式,能夠進行各種變形。例如,能夠?qū)⑸鲜龅膶嵤┓绞胶透髯冃卫鶕?jù)需要而相互結(jié)合。另外,在上述實施方式中,在電流鏡像電路的2個輸出端連接有光子計數(shù)電路和積分電路,但是,在電流鏡像電路的其它的輸出端也可以還連接有用于讀取的其它的電路。