CN1726697A - 光检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是要提供包含A/D变换电路可高速动作的光检测装置。在光检测装置(1)中，(K×M×N)个光敏二极管PD_k，m，n在光检测部(10)中配置成M行(K×N)列，分别针对各行的(K×N)个光敏二极管(PD_k，m，n (k＝1～K，n＝1～N))，在每个时间T进行处理(积蓄电荷，CDS，滤波，A/D变换)。分别在每个时间(N×T)进行积分电路(20_m，n)的电荷积蓄动作，CDS电路(30_m，n)的CDS动作，滤波器电路(40_m，n)的滤波动作，和A/D变换电路(50_m，n)的A/D变换动作处理。

Description

光检测装置

技术领域

本发明涉及包含配置的多个光敏二极管(photodiode)的光检测装置。

背景技术

光检测装置为具有积分电路的装置，该积分电路包含配置成二维或一维形状的多个光敏二极管、放大器和积分电容元件；另外，有时还具有A/D变换电路等(参见日本国特开平9～270960号公报)。在该光检测装置中，与通向各个光敏二极管的入射光的强度相应的量的电荷，从该光敏二极管输出，该电荷积蓄在积分电容元件中，从积分电路输出与该积蓄的电荷量相应的电压值。从积分电路输出的电压值，利用A/D变换电路变换为数字值。与多个光敏二极管分别产生的电荷量相应，根据从A/D变换电路输出的数字值，检测入射至配置着多个光敏二极管的光检测面上的光。

发明内容

然而，在这种光检测装置中，当高速地检测光时，必需提高A/D变换电路的处理速度，但当使A/D变换电路高速动作，减少A/D变换误差时，A/D变换电路消耗的电力增大。在集成多个A/D变换电路的情况下，A/D变换电路的消耗电力越大，越会产生发热的问题。因此，A/D变换电路高速动作有界限。

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的是要提供包含A/D变换电路，可以高速动作的光检测装置。

本发明的光检测装置其特征为，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(K为2以上的整数，k＝1以上K以下的各个整数，M为1以上的整数，m＝1以上M以下的各个整数，N为2以上的整数，n＝1以上N以下的各个整数)；(2)与(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)对应设置一个，依次输入和积蓄由该K个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K)各个产生的电荷，输出与该积蓄的电荷的量相应的电压值的(M×N)个积分电路；和(3)与上述(M×N)个积分电路中的各个对应设置一个，输出与从各个对应的积分电路输出的电压值相应的数字值的A/D变换电路。

在本发明的光检测装置中，在各个m值和各个n值中，将在K个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K)各个上与入射光相应地产生的电荷依次输入并积蓄在一个积分电路中，从积分电路输出与该积蓄的电荷的量相应的电压值。从A/D变换电路输出与从积分电路输出的电压值相应的数字值。因此，该光检测装置可以高速动作。

本发明的光检测装置它还具有设置在上述积分电路和上述A/D变换电路之间，输入从积分电路输出的电压值，输出表示该电压值在一定时间的变化量的电压值的CDS电路。在这种情况下，由于从积分电路输出的电压值输入CDS电路中，从CDS电路输出表示该电压值在一定时间的变化量的电压值，因此，可利用CDS电路消除积分电路的放大器的偏移波动。

本发明的光检测装置是(K×M×N)个光敏二极管PD_k，m，n配置成M行(K×N)列的二维形状(M＝2时)或1维形状(M＝1时)；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。在这种情况下，在光敏二极管中的处理(除积蓄电荷和A/D变换外，根据需要，还有CDS)，可以在各个行中按与列的排列顺序进行。

附图说明

图1为本实施方式的光检测装置1的全体的结构图；

图2为本实施方式的光检测装置1的一部分的结构图；

图3为本实施方式的光检测装置1的电路图；

图4为说明本实施方式的光检测装置1的动作的时间图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细说明本发明的实施方式。在附图的说明中，相同的元件用相同的符号表示，省略重复说明。

图1为本实施方式的光检测装置1的全体的结构图。图2为本实施方式的光检测装置1的一部分的结构图。图2中表示了图1所示的光检测部10的详细结构。

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。另外，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为2以上的整数，M为1以上的整数，N为2以上的整数。另外，在以下出现的k、m、n中，k为1以上K以下的各个整数，m为1以上M以下的各个整数，n为1以上N以下的各个整数。在图1和图2中，取K＝2，M和N＝4。

光敏二极管PD_k，m，n产生与入射光强度相应的量的电荷，积蓄在接合电容部中。在光检测部10中，该(K×M×N)个光敏二极管PD_{k， m，n}以等间隔排列成M行(K×N)列的二维形状(M＝2时)或一维形状(M＝1时)。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相对于光敏二极管PD_k，m，n为1对1对应，设在该光敏二极管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)分别通过对应的开关SW_k，m，n，与信号线SL_m，n连接。该信号线SL_m，n与积分电路20_m，n的输入端连接。另外，M个开关SW_k，m，n(m＝1～M)，利用从控制电路60输出至控制线CL_k，n的控制信号一并控制开闭。

与每K个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K)对应设置一个积分电路20_m，n。将在该K个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K)各个产生的电荷经过开关SW_k，m，n和信号SL_m，n依次到达的电荷输入并积蓄起来，输出与该积蓄的电荷量相应的电压值。CDS(Correlated Double Sampling：相关双重采样)电路30_m，n输入从积分电路20_m，n输出的电压值，输出表示该电压值在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，减少该电压值中包含的热噪声成分，输出该热噪声成分减少后的电压值。该滤波器电路40_m，n最好为具有可降低热噪声成分的滤波器特性的低通滤波器。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。

控制回60将控制(K×M×N)个开关SW_1，1，1～SW_K，M，N的开闭用的控制信号输出至控制线CL_k，n。另外，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各自的动作。

图3为本实施方式的光检测装置1的电路图。在该图中，为了简单，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都只表示了一组。

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的输入输出端子之间并列设置积分电容元件C₂₀和开关SW₂₀。开关SW₂₀由控制部60控制而加以开闭。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到达的电荷积蓄在积分电容元件C₂₀中，从积分电路20_m，n输出与积蓄在该积分电容元件C₂₀中的电荷的量相应的电压值。

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的输入输出端子之间，并联地设置积分电容元件C₃₁和开关SW₃₀。开关SW₃₀由控制部60控制开闭。当开关SW₃₀关闭时，积分电容元件C₃₁放电，将从CDS电路30_m，n输出的电压值初始化。另一方面，在从开关SW₃₀打开时刻t₀以后，与从积分电路20_m，n输出的电压值的变动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中的电荷的量相应的电压值。

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设在滤波器电路40_m，n的输入端和输出端之间，其输出端通过电容元件C₄₀，与接地电位连接。该滤波器电路40_m，n起低通滤波器的作用，其滤波器特性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。光敏二极管PD_m，n的接合电容值C_d和信号线SL_m，n的寄生电容值的和为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的频带域B为1MHz，放大器A₂₀的输入晶体管电导G_m为10mS。另外，温度T＝27℃。这时，积分电路20_m，n的放大器A₂₀产生的热噪声V_n＝1210μV_rms。当取滤波器电路40_m，n的电容元件C₄₀的电容值为100pF，滤波器电路40_m，n的电容元件的电容值为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的滤波特性的截止频率为0.08MHz。从滤波器电路40_m，n输出的电压值包含的热噪声成分可减小至724μV_rms。

其次，说明本实施方式的光检测装置1的动作。本实施方式的光检测装置1，在控制部60的控制下，如下这样动作。图4为说明本实施方式的光检测装置1的动作的时间图。该光检测装置1是第1行～第M行并列动作。

在该图中，从上面依次表示：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的开关，开半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。接着表示积分电路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。

另外，如该图所示，光检测装置1的动作分为循环的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。各个期间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，以后反复进行这种开关的关闭。

开关SW_1，m，1在期间T_1，1内关闭。另外，在期间T_1，1以前，积分电路20_m，1的开关SW₂₀在一旦关闭后打开，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关闭时，到此为止在光敏二极管PD_1，m，1中产生并积蓄在接合电容部中的电荷，经过该开关SW_1，m，1和信号线SL_m，1输入积分电路20_m，1中，积蓄在该积分电路20_m，1的积分电容元件C₂₀。从积分电路20_m，1输出与该积蓄的电荷的量相应的电压值。积分电路20_m，1的输出电压值，在期间T_1，1后，保持至期间T_1，3，变为期间T_1，4，使积分电路20_m，1的开关SW₂₀关闭时，对积分电路20_{m， 1}的输出电压值进行初始化。

积分电路20_m，1的输出电压值输入CDS电路30_m，1中。从该CDS电路30_m，1输出与在从期间T_1，1开始到期间T_1，2为止的一定时间的积分电路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输出电压值，输入滤波器电路40_m，1减少热噪声成分。但是因为滤波器电路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输出电压波形比较钝化变弱。

滤波器电路40_m，1的输出电压值，在其值稳定的时刻由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。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的接合电容部移动至积分电路20_m，1的积分电容元件C₂₀上的电荷的量相对应，即：与入射在光敏二极管PD_1，m，1的光入射的强度相对应。

另外，开关SW_2，m，1在期间T_2，1内关闭。在该期间T_2，1以前，积分电路20_m，1的开关SW₂₀一旦关闭后打开，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，此前由光电二极管PD_{2， m，1}产生并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，再从积分电路20_m，1输出与该积蓄的电荷的量相应的电压值。积分电路20_m，1的输出电压值，在期间T_2，1后保持至期间T_2，3，变为期间T_2，4，当积分电路20_m，1的开关SW₂₀关闭时，积分电路20_m，1的输出电压值被初始化。

积分电路20_m，1的输出电压值输入CDS电路30_m，1。从该CDS电路30_m，1输出与在从期间T_2，1至期间T_2，2中的一定时间内积分电路20_m，1的输出电压值的变化相应的电压值。CDS电路30_m，1的输出电压值输入滤波器电路40_m，1，减少热噪声成分。但由于滤波器电路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}的输出电压波形比较钝化变弱。

滤波器电路40_m，1的输出电压值，在其值稳定的时刻，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。在期间T_2，3中，从A/D变换电路50_m，1输出的数字值，与在期间T_2，1中从光电二极管PD_2，m，1的接合电容部向积分电路20_m，1的积分电容元件C₂₀移动的电荷量的相适应，即：与入射在光电二极管PD_2，m，1的光入射强度相适应。

以上说明了开关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，即n为1时的动作。当n＝2～4时，动作时间偏移是同样的。

因此，与入射在光敏二极管PD_1，m，1的光的入射强度相应的数字值在期间T_1，3输出，与入射在光敏二极管PD_1，m，2上的光的入射强度相应的数字值，在期间T_1，4输出，与入射在光敏二极管PD_1，m，3上的光的入射强度相应的数字值在T_2，1期间输出，与入射在光敏二极管PD_1，m，4上的光入射强度相应的数字值在期间T_2，2输出，与入射在光敏二极管PD_2，m，1上的光入射强度相应的数字值在期间T_2，3输出，与入射在光敏二极管PD_2，m，2上的光的入射强度相应的数字值在期间T_2，4输出，与入射在光敏二极管PD_2，m，3上的光的入射强度相应的数字值在其后的期间T_1，1输出，与入射在光敏二极管PD_2，m，4上的光的入射强度相应的数字值在期间T_1，2输出。

如以上那样，在本实施方式的光检测装置1中，在光检测部10中，按M行(K×N)列配置(K×M×N)个光敏二极管PD_k，m，n，针对各行的(K×N)个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K，n＝1～N)，依次在每个时间T进行处理(积蓄电荷，CDS，滤波，A/D变换)。另一方面，在每一时间(N×T)中，分别进行积分电路20_m，n的电荷积蓄动作，CDS电路30_m，n的CDS动作，滤波器电路40_m，n的滤波动作和A/D变换电路50_m，n的A/D变换动作的处理。

在本实施方式的光检测装置1中，如果A/D变换电路50_m，n在每一时间(N×T)进行处理，则由于对A/D变换电路50_m，n的高速处理要求缓和，可以抑制A/D变换电路50_m，n的消耗电力的增加。

另外，包含在从积分电路20_m，n输出的电压值中的热噪声成分通过滤波器电路40_m，n减少。另外，从滤波器电路40_m，n输出的电压值波形虽然钝化变弱，但从积分电路20_m，n的电荷积蓄至A/D变换电路50_m，n的A/D变换的动作，在每一个时间(N×T)进行处理，因此，从滤波器电路40_m,n输出的电压值在其值稳定的时刻，可由A/D变换电路50_{m， n}进行A/D变换。因此，光检测装置1可维持光检测的高速性，并改善光检测的S/N比。另外，由于即使不增大积分电路20_m，n中包含的放大器A₂₀的输入晶体管·电导G_m，光检测的S/N比可以改善，因此可抑制放大器A₂₀的消耗电力的增加，在这点上，发热问题也可减轻。

另外，由于通过设置CDS电路30_m，n，可以由CDS电路30_m，n消除积分电路20_m，n的放大器A₂₀的偏移波动，因此在这点，光检测的S/N比可以改善。另外，在CDS电路30_m，n中含有放大器A₃₀，这个放大器A₃₀产生的热噪声，与积分电路20_m，n中所包含的放大器A₂₀产生的热噪声比较很小。

另外，由于(K×M×N)个光敏二极管PD_k，m，n配置成M行(K×N)列，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，在光敏二极管PD_k，m，n中的处理(积蓄电荷CDS，滤波，A/D变换)在各行中按列的排列顺序进行，因此，容易对由光检测装置1得出的光检测的数据进行存储和图象处理。

如以上详细说明那样，在本发明的光检测装置中，在各个m值和各个n值中，分别在K个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K)中，产生与光入射相应的电荷，依次将该电荷输入一个积分电路积蓄起来，从积分电路输出与该积蓄的电荷的量相应的电压值。从A/D变换电路输出与从积分电路输出的电压值相应的数字值。因此，该光检测装置可以高速动作。

Claims (3)

1、一种光检测装置，其特征为，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(K为2以上的整数，k＝1以上K以下的各个整数，M为1以上的整数，m＝1以上M以下的各个整数，N为2以上的整数，n＝1以上N以下的各个整数)；

与所述(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(k＝1～K)对应设置一个的、依次输入和积蓄由该K个光敏二极管PD_k，m，n(k＝1～K)分别产生的电荷的、输出与该积蓄的电荷的量相应的电压值的(M×N)个积分电路；和

分别与所述(M×N)个积分电路中的每一个对应设置一个，输出与从各个对应的积分电路输出的电压值相应的数字值的A/D变换电路。

2、如权利要求1所述的光检测装置，其特征为，

还具有设置在所述积分电路和所述A/D变换电路之间，输入从所述积分电路输出的电压值，输出表示该电压值在一定时间的变化量的电压值的CDS电路。

3、如权利要求1所述的光检测装置，其特征为，

所述(K×M×N)个光敏二极管PD_k，m，n配置成M行(K×N)列的二维形状(M＝2时)或一维形状(M＝1时)；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。

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