CN106921387B

CN106921387B - 读取电路

Info

Publication number: CN106921387B
Application number: CN201610955356.XA
Authority: CN
Inventors: 中村重幸; 太田刚; 平柳通人; 铃木裕树; 足立俊介
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2036-10-27
Also published as: CN106921387A; JP6517664B2; US20170123082A1; US9989657B2; JP2017083298A

Abstract

本发明涉及一种读取电路，是读取来自将在分别包含雪崩光电二极管的多个像素中产生的电流一并输出的光电转换元件的输出电流的电路，包括：接收上述输出电流，输出与上述输出电流成比例的大小的第1和第2电流的电流镜像电路；基于上述第1电流，进行入射至上述光电转换元件的光子的计数的光子计数电路；对上述第2电流进行积分而生成电压信号的积分电路；和基于从上述光子计数电路输出的计数结果和从上述积分电路输出的上述电压信号的大小，判断入射至上述光电转换元件的光的大小的信号处理部。

Description

读取电路

技术领域

本发明的一个方面涉及一种读取来自光电转换元件的输出电流的电路。

背景技术

在日本特开平3-181825号公报中记载有涉及光子计数测光装置的技术。该装置包括光子计数(photon counting)电路、直流成分测定电路和测光值输出电路。光子计数电路输出从光电倍增管输出的脉冲信号中的规定波高值以上的脉冲信号。直流成分测定电路检测与从光电倍增管输出的脉冲信号的光量相应的直流电平，输出与该直流电平相应的脉冲间隔的脉冲信号。测光值输出电路对从光子计数电路和直流成分测定电路的一方或者双方输出的脉冲信号进行计数而输出测光值。

在日本实用新型注册第2567908号公报中记载有涉及光量传感器的技术。该光量传感器包括多个受光元件、对来自这些的受光元件的输出信号进行处理的光子计数电路和模拟测光电路、以及信号运算电路。信号运算电路包括：对光子计数电路和模拟测光电路的各输出分别进行修正的2个修正电路；对该2个修正电路的输出分别乘以加权的2个加权运算电路；和对该2个加权运算电路的输出进行相加的相加电路。

发明内容

作为用于检测微弱的光的光电转换元件，近年来，已知有包含雪崩光电二极管(以下，APD)的像素二维状地配置而成的光电转换元件。在这样的光电转换元件中，对各像素供给共同的偏压，并且将来自各像素的输出电流一并收集并进行光子计数，由此能够精度良好地测定向光电转换元件的微弱的入射光量。作为这样的光电转换器件，例如有浜松光子学株式会社制MPPC(注册商标)。

但是，随着这样的光电转换元件的应用范围的扩大，对于读取来自光电转换元件的输出电流的电路而言，期望能够对应于从微弱光量至比较大的光量为止宽度宽的光量范围。本发明的一个方面是鉴于这样的技术问题而完成的发明，其目的在于，提供一种能够对应于宽度宽的光量范围的读取电路。

为了解决上述的技术问题，本发明的一个方面的读取电路，是读取来自将在分别包含雪崩光电二极管的多个像素中产生的电流一并输出的光电转换元件的输出电流的电路，包括：接收输出电流，并输出与输出电流成比例的大小的第1和第2电流的电流镜像(current mirror)电路；基于第1电流，进行入射至光电转换元件的光子的计数的光子计数电路；对第2电流进行积分而生成电压信号的积分电路；和基于从光子计数电路输出的计数结果和从积分电路输出的电压信号的大小，判断入射至光电转换元件的光的大小的信号处理部。

根据该读取电路，具备电流镜像电路，由此能够彼此不影响地获得向光子计数电路提供的第1电流和向积分电路提供的第2电流。再有，能够自由地决定第2电流相对于输出电流的比率，所以，能够增大积分电路饱和的光量，并且能够充分地扩大光量范围。

另外，上述的读取电路中，也可以是电流镜像电路输出与输出电流成比例的大小的N个(N为3以上的整数)电流，光子计数电路将N个电流中的一个电流作为第1电流来输入，积分电路将N个电流中与输入至光子计数电路的电流不同的一个电流作为第2电流来输入。由此，能够容易地变更相对于来自光电转换元件的输出电流的、向光子计数电路的输入电流的比率、和向积分电路的输入电流的比率。因此，能够根据与读取电路连接的光电转换元件的特性或用途等而容易地选择适当的比率。

根据本发明的一个方面，能够提供能够对应于宽度宽的光量范围的读取电路。

附图说明

图1是一个实施方式所涉及的光电转换元件的平面图。

图2是将受光部的一部分放大表示的平面图。

图3是概略地表示光电转换元件的截面构成的图。

图4是概略地表示读取电路的构成例的图。

图5是表示电流镜像电路的具体的电路构成的一个例子的电路图。

图6是表示光子计数方式和模拟方式的各个中的检测光量的有效范围的图。

图7是示意性地表示读取电路的光量范围的扩大的图表。

图8是表示一个变形例所涉及的读取电路的构成的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的一个方面所涉及的读取电路的一个实施方式进行详细的说明。此外，在附图的说明中对相同的要素标注相同的符号，省略重复的说明。

图1是一个实施方式所涉及的光电转换元件1A的平面图。光电转换元件1A具备半导体基板30，在半导体基板30的主面上成为接收光的受光部3A。在受光部3A中，多个像素(pixel)10二维状(矩阵状)地排列。多个像素10分别包含通过共同的偏压进行动作的APD而构成。多个像素10的间距(中心间隔)例如为50μm。

光电转换元件1A还具备信号读取用的配线21。配线21与多个像素10电连接，将来自这些像素10的输出电流一并取出。

图2是将受光部3A的一部分放大表示的平面图。如图2所示，各像素10的APD和配线21经由淬灭电阻(quenching resistor)23而电连接。换言之，淬灭电阻23的一端与像素10的APD电连接，另一端与配线21电连接。在一个例子中，淬灭电阻23的电阻值为250kΩ。此外，在图所示的例子中，淬灭电阻23被配设成旋涡状，但是，淬灭电阻23能够配设成各种形状，例如也可以配设成直线状。淬灭电阻23例如由光透过性(半透明)的导电性材料构成。

图3是概略地表示光电转换元件1A的截面构成的图。光电转换元件1A具备例如由n型Si构成的半导体基板30。上述的多个像素10形成于该共同的半导体基板30。具体来说，半导体基板30具有主面30a和背面30b，在背面30b上的整个面设置有下面电极(阴极)31。另外，在包含主面30a的半导体基板30的内部，分别构成像素10的多个p型半导体区域32相互隔开间隔而排列形成。p型半导体区域32例如由p型Si构成。像素10的APD通过p型半导体区域32和半导体基板30形成pn结而构成。

在主面30a上的整个面设置有第1绝缘膜33。第1绝缘膜33例如能够由SiO₂、SiN等的绝缘性硅化合物而适当地构成。在p型半导体区域32上且第1绝缘膜33上设置有接触电极(阳极)34。接触电极34经由形成于第1绝缘膜33的开口而与p型半导体区域32接触。

配线21是金属制，形成于半导体基板30上。在本实施方式中，配线21设置于位于未形成有p型半导体区域32的半导体基板30的区域上的第1绝缘膜33上。

配线21、第1绝缘膜33和接触电极34由第2绝缘膜35覆盖。第2绝缘膜35覆盖半导体基板30上的整个面，能够由例如SiO₂、SiN等的无机绝缘体而适当地构成。上述的淬灭电阻23设置于第2绝缘膜35上。淬灭电阻23的一端和另一端分别经由形成于第2绝缘膜35的开口而与接触电极34和配线21的各个电连接。

在此，对用于读取来自光电转换元件1A的输出电流的读取电路的构成进行说明。图4是概略地表示读取电路5A的构成例的图。此外，如图4所示，在多个像素10的各APD的阴极即下面电极31(参照图3)，被施加共同的偏压HV。

读取电路5A具有电流镜像电路51、光子计数电路52、积分电路53、A/D变换器54和信号处理部60。

电流镜像电路51与光电转换元件1A的配线21电连接，接收来自多个像素10的一并输出电流S0。再有，电流镜像电路51输出与输出电流S0成比例的大小的第1电流S1和第2电流S2。此外，第1电流S1相对于输出电流S0的比率、和第2电流S2相对于输出电流S0的比率彼此不同，分别被任意决定。这些比率例如在1～1/1000的范围内。另外，在一个例子中，第1电流S1的比率比第2电流S2的比率大。

图5是表示电流镜像电路51的具体的电路构成的一个例子的电路图。电流镜像电路51包括3个晶体管51a～51c。晶体管51a的一方的电流端子经由电流镜像电路51的输入端51d而与配线21连接，接收来自多个像素10的输出电流S0。再有，晶体管51a～51c的各控制端子与上述一方的电流端子连接。晶体管51a～51c的另一方的电流端子与基准电位线(GND线)连接。根据这样的构成，在晶体管51b、51c的各一方的电流端子，流过与输出电流S0成比例的电流。这些电流作为第1电流S1和第2电流S2而分别从输出端51e和51f输出。

此外，晶体管51a～51c也可以为双极型晶体管和FET的任一者。在它们为npn型双极型晶体管时，一方的电流端子相当于集电极，另一方的电流端子相当于发射极，控制端子相当于基极。另外，在它们为FET时，一方的电流端子相当于漏极，另一方的电流端子相当于源极，控制端子相当于栅极。

另外，例如在晶体管51a～51c为NMOS型FET的情况下，它们的载流子移动度、每单位面积的栅极电容和阈值电压相等，并且这些晶体管在饱和区域动作时，第1电流S1和第2电流S2相对于输出电流S0的比率(S1/S0、S2/S0)使用晶体管51a～51c的通道长La～Lc和通道宽度Wa～Wc而如以下所述表示。即，通过适当设计晶体管51a～51c的通道长La～Lc和通道宽度Wa～Wc，能够使比率(S1/S0、S2/S0)为任意的比率。

【数1】

【数2】

再次参照图4。光子计数电路52与电流镜像电路51的输出端51e电连接，基于从输出端51e输出的第1电流S1，进行入射至光电转换元件1A的光子的计数。本实施方式的光子计数电路52包括比较器(comparator)52a和计数器(counter)52b。比较器52a接收第1电流S1，将第1电流S1转换为电压信号，并且将该电压信号和规定的基准电压进行比较。然后，在电压信号超过基准电压时(即，超过阈值的电流脉冲作为第1电流S1输入时)，将信号D1发送到计数器52b。计数器52b对从比较器52a发送信号D1的次数进行计数。在向光电转换元件1A的入射光量微弱的情况下，其计数值相当于向多个像素10的入射光量的总和。

积分电路53与电流镜像电路51的输出端51f电连接，对从输出端51f输出的第2电流S2进行积分而生成电压信号V2。具体来说，积分电路53包括：蓄积第2电流S2的电容元件；将蓄积在该电容元件的电荷周期性地重置的电路；和将该电容元件的两端电压周期性地保持的保持电路。积分电路53将保持于保持电路的电压作为电压信号V2输出。A/D变换器54将作为模拟信号的电压信号V2转换为数字信号。在向光电转换元件1A的入射光量比较大的情况下，该数字值相当于向多个像素10的入射光量的总和。

信号处理部60基于从光子计数电路52输出的计数结果和从积分电路53输出的电压信号V2的大小(在本实施方式中，从A/D变换器54输出的数字值)，判断入射至光电转换元件1A的光的大小(入射光量)。信号处理部60例如采用这些计数值和数字值中具有有效的值的一方，并基于该值而特定入射光量。

对由以上所说明的本实施方式的读取电路5A获得的效果进行说明。图6是表示光子计数方式和模拟方式(将输出电流转换为电压信号的方式)的各个中的检测光量的有效范围的图。图6中，作为横轴表示入射光子数(单位：cps(计数/秒))和入射光量(单位：W)。如图6所示，根据光子计数方式能够测量比较小的光量范围，根据模拟方式能够测量比较大的光量范围。

根据本实施方式的读取电路5A，具备电流镜像电路51，由此能够彼此不影响地获得向光子计数电路52提供的第1电流S1和向积分电路53提供的第2电流S2。再有，能够自由地决定第2电流S2相对于输出电流S0的比率，所以，能够增大积分电路53饱和的光量，能够充分地扩大光量范围。特别是在本实施方式中，光电转换元件1A具备分别包含APD的多个像素10，所以，光电转换元件1A自身具有作为电容元件的特性，该电容对后级的电路产生影响。设置在读取电路5A的电流镜像电路51起到不仅单单将来自光电转换元件1A的输出电流分配在2个电路52、53，而且将作为电容元件的光电转换元件1A和后级的电路52、53相互电性分离这样的作用。

图7是示意性地表示本实施方式的读取电路5A的光量范围的扩大的图表。在图7中，横轴表示入射光量，纵轴表示输出信号(光子计数方式的情况下为计数值，积分方式的情况下为电压信号的大小)。在入射光量比较小的区域A1，通过光子计数电路52，即使为微弱光量也能够精度良好地进行测量(图表G1)。另外，在入射光量比较大的(例如，来自光子计数电路52的输出饱和)区域A2，通过积分电路53，能够直至充分大的光量不饱和而进行测量(图表G2)。这样，根据本实施方式的读取电路5A，能够对应于宽度宽的光量范围。

另外，在本实施方式中，将来自电流镜像电路51的第1电流S1和第2电流S2用于光量测量，所以，能够相互独立地个别地设定第1电流S1和第2电流S2相对于输出电流S0的各比率。因此，能够将第1电流S1的比率设定为适合光子计数的比率，能够将第2电流S2的比率设定为适合积分处理的比率。

另外，在专利文献1所记载的光子计数测光装置中，从光电倍增管的输出端子延伸的配线和光子计数电路经由耦合电容器而被AC耦合。因此，在通过耦合电容器时电流脉冲会钝化，计数率产生限制。另外，光电倍增管的输出端子和直流成分测定电路直接连接，所以，可以认为直流成分测定电路提前饱和。因此，能够测定的光量范围的上限被抑制得较低。相对于此，根据本实施方式的读取电路5A，能够经由电流镜像电路51而将光电转换元件1A的配线21和光子计数电路52进行DC耦合。因此，能够维持电流脉冲的波形，能够使计数率更快。另外，根据读取电路5A，能够在电流镜像电路51中自由地设定第2电流S2相对于输出电流S0的比率，所以，能够抑制积分电路53的提前的饱和，能够进一步提高能够测定的光量范围的上限。

另外，如本实施方式所述，通过由多个晶体管构成的电流镜像电路51进行向光子计数电路52和积分电路53的输出电流的分配，能够容易地设计ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit，专用集成电路)。

(变形例)

图8是表示上述实施方式的一个变形例所涉及的读取电路5B的构成的图。读取电路5B和上述实施方式的不同点在于电流镜像电路的构成。读取电路5B所具有的电流镜像电路55与光电转换元件1A的配线21电连接，接收来自多个像素10的输出电流S0。再有，电流镜像电路55输出与输出电流S0成比例的大小的N个(N为3以上的整数)电流S(1)～S(N)。N个电流S(1)～S(N)相对于输出电流S0的比率相互不同。光子计数电路52将N个电流S(1)～S(N)中的一个电流作为第1电流S1而选择性地输入。积分电路53将N个电流S(1)～S(N)中与输入至光子计数电路52的电流不同的一个电流作为第2电流S2而选择性地输入。此外，光子计数电路52及积分电路53与电流镜像电路55的N个输出端构成为能够彼此切换。

根据本变形例，能够容易地变更相对于来自光电转换元件1A的输出电流的、向光子计数电路52的输入电流的比率和向积分电路53的输入电流的比率。因此，能够根据与读取电路连接的光电转换元件的特性或用途等而容易地选择适当的比率。此外，在本变形例中，能够切换向光子计数电路52的输入电流和向积分电路53的输入电流的两者，但是，也可以将其中的任一方固定而仅切换另一方。

本发明的一个方面的读取电路不限于上述的实施方式，能够进行各种变形。例如，能够将上述的实施方式和各变形例根据需要而相互结合。另外，在上述实施方式中，在电流镜像电路的2个输出端连接有光子计数电路和积分电路，但是，在电流镜像电路的其它的输出端也可以还连接有用于读取的其它的电路。

Claims

1.一种读取电路，其特征在于，

是读取来自将在分别包含雪崩光电二极管的多个像素中产生的电流一并输出的光电转换元件的输出电流的电路，

包括：

电流镜像电路，接收所述输出电流并输出与所述输出电流成比例的大小的第1和第2电流；

光子计数电路，基于所述第1电流，进行入射至所述光电转换元件的光子的计数；

积分电路，对所述第2电流进行积分而生成电压信号；和

信号处理部，基于从所述光子计数电路输出的计数结果和从所述积分电路输出的所述电压信号的大小，判断入射至所述光电转换元件的光的大小，

所述电流镜像电路输出与所述输出电流成比例的大小的N个电流，其中，N为3以上的整数，

所述光子计数电路将所述N个电流中的一个电流作为所述第1电流而选择性地输入，

所述积分电路将所述N个电流中与输入至所述光子计数电路的电流不同的一个电流作为所述第2电流而选择性地输入，

所述光子计数电路及所述积分电路与所述电流镜像电路的N个输出端构成为能够彼此切换。

2.如权利要求1所述的读取电路，其特征在于，

所述N个电流相对于所述输出电流的比率相互不同。

3.如权利要求1或2所述的读取电路，其特征在于，

各像素的所述雪崩光电二极管经由淬灭电阻而电连接于信号读取用的配线。