CN100461836C - 光检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供能够确保S/N比和速度两者的光检测装置。在光检测装置(1)中，在光检测部(10)中M行(K×N)列地配列(K×M×N)个光敏二极管(PD_k，m，n)，对于各行的(K×N)个光敏二极管(PD_k，m，n(k＝1～K，n＝1～N))中的各个，在每个时间T中实施处理(积蓄电荷、CDS、滤波、A/D变换)。积分电路(20_m，n)中的电荷积蓄动作、CDS电路(30_m，n)中的CDS动作、滤波器电路(40_m，n)中的滤波动作和A/D变换电路(50_m，n)中的A/D变换动作中的各个动作在每个时间(N×T)中实施处理。

Description

光检测装置

技术领域

本发明涉及包含配列的多个光敏二极管(photodiode)的光检测装置。

背景技术

光检测装置是具有包含二维状或一维状地配列的多个光敏二极管、放大器和积分电容元件的积分电路的装置，又，进一步存在着也具有以后的信号处理电路的情形(例如，请参照日本特开平9-270960号专利公报)。在该光检测装置中，从光敏二极管输出与到各光敏二极管的入射光的强度相应的电荷量，将该电荷存储在积分电容元件中，从该积分电路输出与该存储的电荷量相应的电压值。根据与在多个光敏二极管的各个中产生的电荷量相应地从积分电路输出的电压值，检测入射到配列了多个光敏二极管的光检测面的光。

但是，当在这种光检测装置中高速地进行光检测时，由包含在积分电路中的放大器生成的热噪声变大，该热噪声成为光检测的S/N比恶化的主要原因。放大器的热噪声V_n由下列公式表示。

$V_n=\frac{C_d}{C_f}\sqrt{\frac{8\mathrm{kTB}}{3G_m}}---\left(1\right)$

这里，C_d是光敏二极管的接合电容值和从光敏二极管到积分电路的配线的电容值之和。C_f是积分电路的积分电容元件的电容值。k是玻尔兹曼常数。T是温度。B是积分电路中包含的放大器的频带。又，G_m是积分电路中包含的放大器的输入晶体管·电导。

出现在上述公式(1)的右边的参数中，对减少热噪声有贡献的是B和G_m。G_m越大，越能够有效地减少热噪声，但是放大器的消耗电功率增大。当集成多个放大器时，放大器的消耗电功率增大，产生发热问题。所以，增大G_m也存在着界限。又，B越小，越能够有效地减少热噪声，但是光检测的速度随之下降。这样，光检测的高速化和S/N比的改善要同时成立是困难的。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题提出的，本发明的目的是提供能够确保S/N比和速度两者的光检测装置。

与本发明有关的光检测装置的特征是它具有：(1)分别产生与入射光强度相应的量的电荷的(K×M×N)个光敏二极管PD_k，m，n(其中，K是2以上的整数，k是1以上K以下的各整数，M是1以上的整数，m是1以上M以下的各整数，N是2以上的整数，n是1以上N以下的各整数)；(2)与在(K×M×N)个光敏二极管PD_k，m，n中的每K个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K)对应设置1个，顺次输入在这些K个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K)的各个中产生的电荷并存储起来，输出与该存储的电荷量相应的电压值的(M×N)个积分电路；和(3)与(M×N)个积分电路中的各个对应每个设置1个，减少在从各个对应的积分电路输出的电压值中包含的热噪声成分，输出减少该热噪声成分后的电压值的(M×N)个滤波器电路。

在与本发明有关的光检测装置，关于各m值和各n值，将在K个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K)的各个与入射光相应地产生的电荷顺次地输入到1个积分电路并存储起来，从积分电路输出与该存储的电荷量相应的电压值。而且，通过滤波器电路减少包含在从积分电路输出的电压值中的热噪声成分，从滤波器电路输出减少热噪声成分后的电压值。所以，该光检测装置能够确保S/N比和速度两者。

与本发明有关的光检测装置进一步具有设置在积分电路和滤波器电路之间，输入从积分电路输出的电压值，输出表示该电压值的一定时间的变化量的电压值的CDS电路是适合的。这时，因为将从积分电路输出的电压值输入到CDS电路，从CDS电路输出表示该电压值的一定时间的变化量的电压值，所以能够通过CDS电路除去积分电路的放大器的偏移波动。

与本发明有关的光检测装置进一步具有输入从滤波器电路输出的电压值，对该电压值进行A/D变换，输出与该电压值相应的数字值的A/D变换电路是合适的。这时，将从滤波器电路输出的电压值输入到A/D变换电路，从A/D变换电路输出与该电压值相应的数字值。

与本发明有关的光检测装置，M行(K×N)列地二维状(M＝2时)或一维状(M＝1时)地配列上述(K×M×N)个光敏二极管PD_k，m，n，将光敏二极管PD_k，m，n配置在第m行第(n+(k-1)N)列的位置上是合适的。这时，对于各行能够以列的排列顺序进行关于光敏二极管的处理(除了积蓄电荷和滤波外，需要时CDS和A/D变换)。

附图说明

图1是表示与本实施方式有关的光检测装置1的全体构成的图。

图2是表示与本实施方式有关的光检测装置1的一部分构成的图。

图3是表示与本实施方式有关的光检测装置1的电路图。

图4是说明与本实施方式有关的光检测装置1的动作的时序图。

图5是表示与本实施方式有关的光检测装置1的其它电路例的图。

具体实施方式

下面，我们参照附图详细说明本发明的实施方式。此外，在图面的说明中在相同的要素上附加相同的标号，并省略重复的说明。

图1是与本实施方式有关的光检测装置1的全体构成图。图2是与本实施方式有关的光检测装置1的一部分构成图。在图2中表示了图1所示的光检测部10的详细情况。

这些图所示的光检测装置1具有光检测部10、(M×N)个积分电路20_1，1～20_M，N、(M×N)个CDS电路30_1，1～30_M，N、(M×N)个滤波器电路40_1，1～40_M，N、(M×N)个A/D变换电路50_1，1～50_M，N、和控制电路60。又，光检测部10具有：(K×M×N)个光敏二极管PD_1，1，1～PD_K，M，N和(K×M×N)个开关SW_1，1，1～SW_K，M，N。这里，K是2以上的整数，M是1以上的整数，N是2以上的整数。又，关于下面出现的k，m，n，k是1以上K以下的各整数，m是1以上M以下的各整数，n是1以上N以下的各整数。此外，在图1和图2中，令K为2，M和N为4。

光敏二极管PD_k，m，n产生与入射光强度相应量的电荷存储在接合电容部中。在光检测部10中，将这些(K×M×N)个光敏二极管PD_k，m，n，等间隔地M行(K×N)列地配列成二维状(M＝2时)或一维状(M＝1时)。将光敏二极管PD_k，m，n配置在第m行第(n+(k-1)N)列的位置上。开关SW_k，m，n与光敏二极管PD_k，m,n一对一地对应，设置在该光敏二极管PD_k，m，n和信号线SL_m，n之间。K个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K)中的各个，经过对应的开关SW_k，m，n与信号线SL_m，n连接。这些信号线SL_m，n与积分电路20_m，n的输入端连接。又，由从控制电路60输出到控制线CL_k，n的控制信号统一地控制M个开关SW_k，m，n(m＝1～M)的开闭。

与K个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K)对应每个一个地设置积分电路20_m，n，输入在这些K个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K)的各个中产生的电荷经过开关SW_k，m，n和信号线SL_m，n顺次到达的电荷并积蓄起来，输出与该积蓄的电荷量相应的电压值。CDS(Correlated DoubleSampling(相关二重取样))电路30_m，n输入从积分电路20_m，n输出的电压值，输出表示该电压值的一定时间的变化量的电压值。

滤波器电路40_m，n输入从CDS电路30_m，n输出的电压值，减少包含在该电压值中的热噪声成分，输出减少该热噪声成分后的电压值。该滤波器电路40_m，n是具有能够减少热噪声成分的滤波器特性的低通滤波器，这是合适的。A/D变换电路50_m，n输入从滤波器电路40_m，n输出的电压值，对该电压值进行A/D变换，输出与该电压值(模拟值)相应的数字值。

控制电路60将用于控制(K×M×N)个开关SW_1，1，1～SW_K，M，N中的各个开关的开闭的控制信号输出到控制线CL_k，n。又，控制电路60也控制积分电路20_m，n、CDS电路30_m，n和A/D变换电路50_m，n的各个电路的工作。

图3是与本实施方式有关的光检测装置1的电路图。在图3中，为了简略化，只表示了一组光敏二极管PD_k，m，n、开关SW_k，m，n、积分电路20_m，n、CDS电路30_m，n、滤波器电路40_m，n、和A/D变换电路50_m，n。

积分电路20_m，n具有放大器A₂₀、积分电容元件C₂₀和开关SW₂₀。放大器A₂₀的输入端子与信号线SL_m，n连接。在放大器A₂₀的输入端子之间并列地设置积分电容元件C₂₀和开关SW₂₀。由控制电路60控制开关SW₂₀的开闭。当开关SW₂₀关闭时，积分电容元件C₂₀放电，对从积分电路20_m，n输出的电压值进行初始化。另一方面，当开关SW₂₀打开时，经过信号线SL_m，n到达的电荷在积分电容元件C₂₀中积蓄起来，从积分电路20_m，n输出与积蓄在该积分电容元件C₂₀中的电荷量相应的电压值。

CDS电路30_m，n具有放大器A₃₀、积分电容元件C₃₁、耦合电容元件C₃₂和开关SW₃₀。放大器A₃₀的输入端子，经过耦合电容元件C₃₂，与积分电路20_m，n的放大器A₂₀的输出端子连接。在放大器A₃₀的输入端子之间并列地设置积分电容元件C₃₁和开关SW₃₀。由控制电路60控制开关SW₃₀的开闭。当开关SW₃₀关闭时，积分电容元件C₃₁放电，对从CDS电路30_m，n输出的电压值进行初始化。另一方面，从开关SW₃₀打开的时刻以后，将与从积分电路20_m，n输出的电压值的变动量相应的电荷积蓄在积分电容元件C₃₁中，从CDS电路30_m，n输出与积蓄在该积分电容元件C₃₁中的电荷量相应的电压值。

滤波器电路40_m，n具有电阻元件R₄₀和电容元件C₄₀。电阻元件R₄₀设置在滤波器电路40_m，n的输入端和输出端之间，它的输出端经过电容元件C₄₀与接地电位连接。该滤波器电路40_m，n作为低通滤波器起作用，该滤波器特性中的截止频率与电阻元件R₄₀的电阻值和电容元件C₄₀的电容值相应。

在图3所示的电路图中，各元件的特性值的一个例子如下所示。光敏二极管PD_m，n的接合电容值C_d和信号线SL_m，n的寄生电容值之和为220pF，信号线SL_m，n的电阻值为1kΩ。积分电路20_m，n的积分电容元件C₂₀的电容值C_f为1.25pF，积分电路20_m，n的放大器A₂₀的频带B为1MHz，放大器A₂₀的输入晶体管·电导G_m为10mS。又，温度T为27℃。这时，在积分电路20_m，n的放大器A₂₀中生成的热噪声V_n为1210μV_rms。而且，当令滤波器电路40_m，n的电容元件C₄₀的电容值为100pF，滤波器电路40_m，n的电阻元件R₄₀的电阻值为20kΩ时，滤波器电路40_m，n的滤波器特性中的截止频率为0.08MHz，从滤波器电路40_m，n输出的电压值中包含的热噪声成分减少到724μV_rms。

下面，我们说明与本实施方式有关的光检测装置1的工作。与本实施方式有关的光检测装置1，在控制电路60的控制下，如下地进行工作。图4是说明与本实施方式有关的光检测装置1的动作的时序图。在该光检测装置1中，第1行～第M行并列动作。

在此图中，以从上向下的顺序，表示了开关SW_1，m，1的开闭、开关SW_1，m，2的开闭、开关SW_1，m，3的开闭、开关SW_1，m，4的开闭、开关SW_2，m，1的开闭、开关SW_2，m，2的开闭、开关SW_2，m，3的开闭、和开关SW_2，m，4的开闭。进一步接着，积分电路20_m，1的输出电压值、积分电路20_m，2的输出电压值、积分电路20_m，3的输出电压值、积分电路20_m，4的输出电压值、滤波器电路40_m，1的输出电压值、滤波器电路40_m，2的输出电压值、滤波器电路40_m，3的输出电压值、滤波器电路40_m，4的输出电压值、A/D变换电路50_m，1的输出数字值、A/D变换电路50_m，2的输出数字值、A/D变换电路50_m，3的输出数字值、和A/D变换电路50_m，4的输出数字值。

又，如此图所示，将光检测装置1的动作区分成循环的8个期间T_1，1、T_1，2、T_1，3、T_1，4、T_2，1、T_2，2、T_2，3和T_2，4。这些各期间T_k，n的时间T一定。开关SW_1，m，1在期间T_1，1内关闭，开关SW_1，m，2在期间T_1，2内关闭，开关SW_1，m，3在期间T_1，3内关闭，开关SW_1，m，4在期间T_1，4内关闭，开关SW_2，m，1在期间T_2，1内关闭，开关SW_2，m，2在期间T_2，2内关闭，开关SW_2，m，3在期间T_2，3内关闭，开关SW_2，m，4在期间T_2，4内关闭，以后，重复这样的开关开闭。

开关SW_1，m，1在期间T_1，1内关闭。又，在该期间T_1，1前，积分电路20_m，1的开关SW₂₀一旦关闭后再打开，对积分电路20_m，1的输出电压值进行初始化。当开关SW_1，m，1的关闭时，至今在光敏二极管PD_1，m，1中产生的积蓄在接合电容部中的电荷，经过开关SW_1，m，1和信号线SL_m，1输入到积分电路20_m，1，积蓄在该积分电路20_m，1的积分电容元件C₂₀中，从积分电路20_m，1输出与该积蓄的电荷量相应的电压值。积分电路20_m，1的输出电压值在期间T_1，1后一直保持到期间T_1，3，到期间T_1，4，积分电路20_m，1的开关SW₂₀关闭，对积分电路20_m，1的输出电压值进行初始化。

将积分电路20_m，1的输出电压值输入到CDS电路30_m，1。从该CDS电路30_m，1输出与从期间T_1，1到期间T_1，2中的一定时间中的积分电路20_m，1的输出电压值的变化量相应的电压值。CDS电路30_m，1的输出电压值，通过输入到滤波器电路40_m，1减少了热噪声成分。但是，由于滤波器电路40_m，1的滤波器特性，滤波器电路40_m，1的输出电压波形与CDS电路30_m，1的输出电压波形相比钝化变弱。

滤波器电路40_m，1的输出电压值，在该值稳定的时刻由A/D变换电路50_m，1进行A/D变换，在期间T_1，3从A/D变换电路50_m，1输出数字值，这里，在期间T_1，3从A/D变换电路50_m，1输出的数字值，与在期间T_1，1从光敏二极管PD_1，m，1的接合电容部移动到积分电路20_m，1的积分电容元件C₂₀的电荷量相应，即，与到光敏二极管PD_1，m，1的光入射强度相应。

又，开关SW_2，m，1在期间T_2，1内关闭。又，在该期间T_2，1前，积分电路20_m，1的开关SW₂₀一旦关闭后再打开，对积分电路20_m，1的输出电压值进行初始化。当开关SW_2，m，1关闭时，至今在光敏二极管PD_2，m，1中产生的积蓄在接合电容部中的电荷，经过开关SW_2，m，1和信号线SL_m，1输入到积分电路20_m，1，积蓄在该积分电路20_m，1的积分电容元件C₂₀中，从积分电路20_m，1输出与该积蓄的电荷量相应的电压值。积分电路20_m，1的输出电压值在期间T_2，1后一直保持到期间T_2，3，到期间T_2，4，积分电路20_m，1的开关SW₂₀关闭，对积分电路20_m，1的输出电压值进行初始化。

将积分电路20_m，1的输出电压值输入到CDS电路30_m，1。从该CDS电路30_m，1输出与从期间T_2，1到期间T_2，2中的一定时间中的积分电路20_m，1的输出电压值的变化量相应的电压值。将CDS电路30_m，1的输出电压值输入到滤波器电路40_m，1，减少热噪声成分。但是，由于滤波器电路40_m，1的滤波器特性，滤波器电路40_m，1的输出电压波形与CDS电路30_m，1的输出电压波形相比钝化变弱。

滤波器电路40_m，1的输出电压值，在该值稳定的时刻由A/D变换电路50_m，1进行A/D变换，在期间T_2，3从A/D变换电路50_m，1输出数字值。这里，在期间T_2，3从A/D变换电路50_m，1输出的数字值与在期间T_2，1从光敏二极管PD_2，m，1的接合电容部移动到积分电路20_m，1的积分电容元件C₂₀的电荷量相应，即，与到光敏二极管PD_2，m，1的光入射强度相应。

以上，我们说明了开关SW_1，m，1、开关SW_2，m，1、积分电路20_m，1、CDS电路30_m，1、滤波器电路40_m，1、和A/D变换电路50_m，1的动作，即n为1的情形。n为2～4的情形也与动作定时移位的情形相同。

所以，在期间T_1，3输出与到光敏二极管PD_1，m，1的光入射强度相应的数字值，在期间T_1，4输出与到光敏二极管PD_1，m，2的光入射强度相应的数字值，在期间T_2，1输出与到光敏二极管PD_1，m，3的光入射强度相应的数字值，在期间T_2，2输出与到光敏二极管PD_1，m，4的光入射强度相应的数字值，在期间T_2，3输出与到光敏二极管PD_2，m，1的光入射强度相应的数字值，在期间T_2，4输出与到光敏二极管PD_2，m，2的光入射强度相应的数字值，在此后的期间T_1，1输出与到光敏二极管PD_2，m，3的光入射强度相应的数字值，在期间T_1，2输出与到光敏二极管PD_2，m，4的光入射强度相应的数字值。

如上那样，在与本实施方式有关的光检测装置1中，在光检测部10中M行(K×N)列地配列(K×M×N)个光敏二极管PD_k，m，n，对于各行的(K×N)个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K，n＝1～N)，顺次地在每个时间T中实施处理(积蓄电荷、CDS、滤波、A/D变换)。另一方面，积分电路20_m，n中的积蓄电荷动作、CDS电路30_m，n中的CDS动作、滤波器电路40_m，n中的滤波动作和A/D变换电路50_m，n中的A/D变换动作的各个动作在每个时间(N×T)中实施处理。

在与本实施方式有关的光检测装置1中，通过滤波器电路40_m，n减少包含在从积分电路20_m，n输出的电压值中的热噪声成分。又，从滤波器电路40_m，n输出的电压值波形钝化变弱，但是从积分电路20_m，n中的积蓄电荷到A/D变换电路50_m，n中的A/D变换的动作是在每个时间(N×T)中实施处理，从滤波器电路40_m，n输出的电压值，在该值稳定的时刻由A/D变换电路50_m，n进行A/D变换。所以，该光检测装置1能够保持光检测的高速性不变地，改善光检测的S/N比。又，即便积分电路20_m，n中包含的放大器A₂₀的输入晶体管·电导G_m不增大，也能够达到改善光检测的S/N比的目的，所以能够抑制放大器A₂₀的消耗电功率的增加，减少发热问题。

又，因为通过设置CDS电路30_m，n，能够用CDS电路30_m，n除去积分电路20_m，n的放大器A₂₀的偏移波动，所以即便在这一点，也能够达到改善光检测的S/N比的目的。此外，在CDS电路30_m，n中也包含着放大器A₃₀，但是在该放大器A₃₀中生成的热噪声与在积分电路20_m，n中包含的放大器A₂₀中生成的热噪声比较是很微小的。

又，因为通过设置A/D变换电路50_m，n，能够将由光检测装置1得到的光检测数据作为数字值进行输出，所以容易进行该光检测数据的存储和图像处理。又，因为也缓和了对A/D变换电路50_m，n的高速处理的要求，所以能够抑制A/D变换电路50_m，n中的消耗电功率的增加。

进一步，因为M行(K×N)列地配列(K×M×N)个光敏二极管PD_k，m，n，将光敏二极管PD_k，m，n配置在第m行第(n+(k-1)N)列的位置上，对于各行能够以列的排列顺序进行关于光敏二极管PD_k，m，n的处理(积蓄电荷、CDS、滤波、A/D变换)，所以即便在这一点，也能够使由光检测装置1得到的光检测数据的存储和图像处理变得容易。

此外，在上述实施方式中，将滤波器电路40_m，n设置在CDS电路30_m，n的后段中，但是也可以将滤波器电路设置在积分电路20_m，n和CDS电路30_m，n之间。设置在积分电路20_m，n和CDS电路30_m，n之间的滤波器电路既可以具有与已述的滤波器电路40_m，n同样的构成，也可以如图5中所示的那样只由电阻元件R构成。该电阻元件R也能够作为低通滤波器起作用。

以上，如详细说明了的那样，在与本发明有关的光检测装置中，关于各m值和各n值，将在K个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K)的各个中，与光入射相应地产生的电荷，顺次地输入到1个积分电路并存储起来，从积分电路输出与该存储的电荷量相应的电压值。而且，通过滤波器电路减少在从积分电路输出的电压值中包含的热噪声成分，从滤波器电路输出热噪声成分减少后的电压值。所以，该光检测装置能够确保S/N比和速度两者。

Claims (3)

1.一种光检测装置，其特征在于，

具有：

分别产生与入射光强度相应的量的电荷的K×M×N个光敏二极管PD_k，m，n，其中，K是2以上的整数，k是1以上K以下的各整数，M是1以上的整数，m是1以上M以下的各整数，N是2以上的整数，n是1以上N以下的各整数；

与在所述K×M×N个光敏二极管PD_k，m，n中的每K个光敏二极管PD_k，m，n对应设置1个，顺次输入在这些K个光敏二极管PD_k，m，n的各个中产生的电荷并存储起来，输出与该存储的电荷量相应的电压值的M×N个积分电路，其中，k是1以上K以下的各个整数；和

与所述M×N个积分电路中的各个对应设置1个，减少在从各个对应的积分电路输出的电压值中包含的热噪声成分，输出减少该热噪声成分后的电压值的M×N个滤波器电路，

且具有如下构成：

所述K×M×N个光敏二极管PD_k，m，n以M行K×N列地配列成二维状或一维状，光敏二极管PD_k，m，n配置在第m行第(n+(k-1)N)列的位置上，其中，M＝2时配列成二维状，M＝1时配列成一维状，

所述K×M×N个光敏二极管PD_k，m，n中，配置在同一行且n相同的光敏二极管PD_k，m，n，通过与各个光敏二极管对应地设置的开关SW_k，m，n连接于信号线SL_m，n，经由该相同的信号线SL_m，n连接于相同积分电路的输入端，

所述K×M×N个光敏二极管PD_k，m，n中，与配置在同一列的M个的光敏二极管PD_k，m，n对应地设置的M个的开关SW_k，m，n，连接于相同的控制线CL_K，n，由输送到各控制线CL_K，n的控制信号统一地控制开闭。

2.根据权利要求1所述的光检测装置，其特征在于：进一步具有设置在所述积分电路和所述滤波器电路之间，输入从所述积分电路输出的电压值，输出表示该电压值的一定时间的变化量的电压值的CDS电路。

3.根据权利要求1所述的光检测装置，其特征在于：进一步具有输入从所述滤波器电路输出的电压值，对该电压值进行A/D变换，输出与该电压值相应的数字值的A/D变换电路。

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