JP2005229222A - 積分回路および光検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 入射光が微弱である場合にも入射光量を検出することができる積分回路および光検出装置を提供する。
【解決手段】 積分回路１０は、(1) 反転入力端子，非反転入力端子および出力端子を有し、反転入力端子が入力端１１に接続され、該出力端子が出力端１２に接続されているアンプＡ_１０と、(2) アンプＡ_１０の反転入力端子と出力端子との間に設けられた積分容量素子Ｃ_１０と、(3) アンプＡ_１０の反転入力端子と出力端子との間に積分容量素子Ｃ_１０に対して並列的に設けられたスイッチＳＷ_１０と、(4) 第１端子および第２端子を有し、該第１端子がアンプＡ_１０の反転入力端子に接続されている結合容量素子Ｃ_１１と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入力端に入力した電荷を蓄積して蓄積電荷量に応じた電圧値を出力端から出力する積分回路、および、この積分回路とフォトダイオードとを含む光検出装置に関するものである。

光検出装置として、フォトダイオードと積分回路とを含むものが知られている（例えば特許文献１を参照）。この積分回路は、第１入力端子と第２入力端子と出力端子とを有するアンプと、このアンプの第１入力端子と出力端子との間に設けられた積分容量素子と、を有している。この光検出装置では、フォトダイオードから入射光量に応じた量の電荷が発生し、その電荷は積分回路の積分容量素子に蓄積されて、その蓄積電荷量に応じた電圧値が積分回路から出力される。
特開平４−３５７４２３号公報

上記のような光検出装置は、特に微弱光検出の際に、以下のような問題点を有している。すなわち、一般に、アンプの出力はオフセットを有しており、また、そのオフセットは製造ばらつきを有している。そして、このオフセットがマイナスであると、微弱光を検出したフォトダイオードから出力された電荷が積分回路内の積分容量素子に蓄積されたとしても、積分回路からの出力電圧値は０Ｖのままであり、したがって、微弱光を検出できないことになる。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、入射光が微弱である場合にも入射光量を検出することができる積分回路および光検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る積分回路は、入力端に入力した電荷を蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を出力端から出力する積分回路であって、(1) 第１入力端子，第２入力端子および出力端子を有し、該第１入力端子が入力端に接続され、該出力端子が出力端に接続されているアンプと、(2) アンプの第１入力端子と出力端子との間に設けられた積分容量素子と、(3) アンプの第１入力端子と出力端子との間に積分容量素子に対して並列的に設けられたスイッチと、(4) 第１端子および第２端子を有し、該第１端子がアンプの第１入力端子に接続されている結合容量素子と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る光検出装置は、(1) 第１端子および第２端子を有し、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、(2) フォトダイオードの第１端子から出力された電荷を入力端に入力し、その入力した電荷を蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を出力端から出力する上記の本発明に係る積分回路と、を備えることを特徴とする。

なお、アンプの第１入力端子および第２入力端子のうち、一方は非反転入力端子であり、他方は反転入力端子である。また、フォトダイオードの第１端子および第２端子のうち、一方はアノード端子であり、他方はカソード端子である。

本発明に係る積分回路および光検出装置は以下のように作用する。積分回路において、スイッチが閉じることにより、積分容量素子が放電されて、積分回路の出力端から出力される電圧値が初期化される。フォトダイオードに光が入射すると、その入射光量に応じた量の電荷がフォトダイオードで発生する。その電荷は、フォトダイオードの第１端子から出力されて、積分回路の入力端に入力する。積分回路において、スイッチが開いていると、入力端に入力した電荷が積分容量素子に蓄積される。ここで、フォトダイオードの第２端子と積分回路内のアンプの第２入力端子とを互いに同じ電位にすると、フォトダイオードに印加される逆バイアス電圧が０Ｖとなって、フォトダイオードから出力される暗電流が抑制される。

また、積分回路のスイッチを開くのと略同時に、積分回路の結合容量素子の第２端子の電位を一定電圧値だけ変化させると、これに因り、積分容量素子に一定量の電荷が蓄積される。したがって、積分容量素子には、フォトダイオードで発生した電荷（信号電荷）が蓄積されるだけでなく、上記一定量の電荷（バイアス電荷）が蓄積される。そして、この積分容量素子における蓄積電荷量（＝信号電荷量＋バイアス電荷量）に応じた電圧値が積分回路の出力端から出力される。ここで、このバイアス電荷量が充分に多ければ（すなわち、結合容量素子の容量値と上記一定電圧値との積が充分に大きければ）、アンプのオフセットがマイナスであっても、また、フォトダイオードへの入射光が微弱であっても、積分回路からの出力電圧値は、フォトダイオードへの入射光量を反映した値となる。

また、本発明に係る光検出装置は、積分回路の出力端から出力される電圧値を入力して、第１時刻および第２時刻それぞれにおける当該入力電圧値の差に応じた電圧値を出力する差分演算回路を更に備えるのが好適である。この場合には、積分回路の出力端から出力された電圧値は差分演算回路に入力して、第１時刻および第２時刻それぞれにおける当該入力電圧値の差に応じた電圧値が差分演算回路から出力される。この差分演算回路から出力される電圧値は、積分回路からの出力電圧値に含まれるバイアス電荷成分が除去されたものであって、第１時刻と第２時刻との間の時間に亘るフォトダイオードへの入射光量を表す。

本発明によれば、入射光が微弱光である場合にも入射光量を検出することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る光検出装置１および積分回路１０の構成図である。この図に示される光検出装置１は、フォトダイオードＰＤ、積分回路１０および差分演算回路２０を備える。

フォトダイオードＰＤは、アノード端子が基準電位（例えば接地電位）とされ、カソード端子が積分回路１０の入力端１１に接続されている。フォトダイオードＰＤは、入射光量に応じた量の電荷を発生して、その電荷をカソード端子から積分回路１０へ出力する。

積分回路１０は、外部接続端子として、入力端１１、出力端１２、第１リセット信号入力端１３、第２リセット信号入力端１４および基準電圧入力端１５を有している。また、積分回路１０は、アンプＡ_１０、積分容量素子Ｃ_１０、スイッチＳＷ_１０および結合容量素子Ｃ_１１を有している。

積分回路１０の入力端１１は、フォトダイオードＰＤのカソード端子に接続されている。出力端１２は、差分演算回路２０の入力端２１に接続されている。第１リセット信号入力端１３には第１リセット信号Reset１が入力する。第２リセット信号入力端１４には第２リセット信号Reset２が入力する。また、基準電圧入力端１５は、フォトダイオードＰＤのアノード端子の電位と同じ基準電位とされる。なお、第１リセット信号Reset１と第２リセット信号Reset２とは共通であってもよい。

ここで、フォトダイオードＰＤのアノード端子と積分回路１０内のアンプＡ_１０の非反転入力端子とを互いに同じ電位にすると、フォトダイオードＰＤに印加される逆バイアス電圧が０Ｖとなって、フォトダイオードＰＤから出力される暗電流が抑制される。

積分回路１０内のアンプＡ_１０は、非反転入力端子、反転入力端子および出力端子を有し、反転入力端子が入力端１１に接続され、非反転入力端子が基準電圧入力端１５に接続され、出力端子が出力端１２に接続されている。積分容量素子Ｃ_１０およびスイッチＳＷ_１０は、互いに並列的に接続されて、アンプＡ_１０の反転入力端子と出力端子との間に設けられている。スイッチＳＷ_１０は、第２リセット信号入力端１４に入力する第２リセット信号Reset２のレベルに応じて開閉する。結合容量素子Ｃ_１１は、第１端子がアンプＡ_１０の反転入力端子に接続され、第２端子が第１リセット信号入力端１３に接続されている。

差分演算回路２０は、外部接続端子として、入力端２１、出力端２２、第１ホールド信号入力端２３および第２ホールド信号入力端２４を有している。また、差分演算回路２０は、スイッチＳＷ_２１、スイッチＳＷ_２２、容量素子Ｃ_２１、容量素子Ｃ_２２、アンプＡ_２１、アンプＡ_２２および減算回路Ｓを有している。

差分演算回路２０の入力端２１は、積分回路１０の出力端１２に接続されている。第１ホールド信号入力端２３には第１ホールド信号Hold１が入力する。また、第２ホールド信号入力端２４には第２ホールド信号Hold２が入力する。

アンプＡ_２１の入力端子は、スイッチＳＷ_２１を介して入力端２１に接続されていて、容量素子Ｃ_２１を介して接地電位に接続されている。同様に、アンプＡ_２２の入力端子は、スイッチＳＷ_２２を介して入力端２１に接続されていて、容量素子Ｃ_２２を介して接地電位に接続されている。スイッチＳＷ_２１は、第１ホールド信号入力端２３に入力する第１ホールド信号Hold１のレベルに応じて開閉する。また、スイッチＳＷ_２２は、第２ホールド信号入力端２４に入力する第２ホールド信号Hold２のレベルに応じて開閉する。減算回路Ｓは、アンプA_２１およびアンプA_２２それぞれから出力される電圧値を入力し、これらの電圧値の差に応じた電圧値を出力する。減算回路Ｓの出力端子は出力端２２に接続されている。

次に、本実施形態に係る光検出装置１および積分回路１０の動作について説明する。図２は、本実施形態に係る光検出装置１および積分回路１０の動作を説明するタイミングチャートである。この図には、上から順に、(a) 第１リセット信号Reset１、(b) 第２リセット信号Reset２、(c) 積分回路１０からの出力電圧値V_ｏｕｔ、(d) 第１ホールド信号Hold１、および、(e) 第２ホールド信号Hold２、それぞれが示されている。また、(f) 比較例（結合容量素子Ｃ_１１が無い場合）の積分回路からの出力電圧値V_ｏｕｔ も示されている。

時刻ｔ_１に、積分回路１０の第１リセット信号入力端１３に入力する第１リセット信号Reset１がハイレベルになる。第１リセット信号Reset１がハイレベルになると、結合容量素子Ｃ_１１に電荷が蓄積される。このとき、第１リセット信号Reset１の電圧値（すなわち、結合容量素子Ｃ_１１に印加される電圧値）をＶ_１１とし、結合容量素子Ｃ_１１の容量値をＣ_１１と表すと、結合容量素子Ｃ_１１に蓄積される電荷の量（バイアス電荷量）Ｑ_１１は、下記(1)式で表される。

Ｑ_１１＝Ｃ_１１Ｖ_１１ …(1)
また、時刻ｔ_１に、積分回路１０の第２リセット信号入力端１４に入力する第２リセット信号Reset２もハイレベルになる。第２リセット信号Reset２がハイレベルになると、スイッチＳＷ_１０が閉じて、積分容量素子Ｃ_１０が放電され、積分回路１０の出力端１２から出力される電圧値Ｖ_ｏｕｔが初期化される。

時刻ｔ_１の後の時刻ｔ_２に、積分回路１０の第１リセット信号入力端１３に入力する第１リセット信号Reset１がローレベルになるとともに、第２リセット信号入力端１４に入力する第２リセット信号Reset２もローレベルになる。第２リセット信号Reset２がローレベルになると、スイッチＳＷ_１０が開いて、フォトダイオードＰＤへの入射光量に応じた量の電荷が積分回路１０の入力端１１に入力すると、その電荷は積分容量素子Ｃ_１０に蓄積される。第１リセット信号Reset１がローレベルになると、それまで結合容量素子Ｃ_１１に蓄積されていた電荷Ｑ_１１は、積分容量素子Ｃ_１０に移動して蓄積される。

したがって、フォトダイオードＰＤで単位時間あたりに発生する電荷の量をＱ_ＰＤとすると、時刻ｔ_２以降の時刻ｔにおいて積分容量素子Ｃ_１０に蓄積される電荷の量Ｑ_１０は、時刻ｔ_２から時刻ｔまでの期間にフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量（信号電荷量）Ｑ_ＰＤ（ｔ−ｔ_２）と上記バイアス電荷量Ｑ_１１との和で表され、下記(2)式で表される。

Ｑ_１０＝Ｑ_ＰＤ(ｔ−ｔ_２)＋Ｑ_１１ …(2)
また、アンプＡ_１０の出力におけるオフセットをＶ_ｏｆｆとし（Ｖ_ｏｆｆ＜０）、積分容量素子Ｃ_１０の容量値をＣ_１０と表すと、積分容量素子Ｃ_１０の両端子間の電圧値（Ｑ_１０／Ｃ_１０）とオフセットＶ_ｏｆｆとの和が０以下である時刻ｔでは、積分回路１０の出力端１２から出力される電圧値Ｖ_ｏｕｔ(ｔ)は、下記(3)式で表される。

Ｖ_ｏｕｔ(ｔ)＝０ …(3)
一方、電圧値（Ｑ_１０／Ｃ_１０）とオフセットＶ_ｏｆｆとの和が０以上である時刻ｔでは、積分回路１０の出力端１２から出力される電圧値Ｖ_ｏｕｔ(ｔ)は、下記(4)式で表される。

Ｖ_ｏｕｔ(ｔ)＝Ｑ_１０／Ｃ_１０＋Ｖ_ｏｆｆ
＝{Ｑ_ＰＤ(ｔ−ｔ_２)＋Ｑ_１１}／Ｃ_１０＋Ｖ_ｏｆｆ
＝Ｑ_ＰＤ(ｔ−ｔ_２)／Ｃ_１０＋Ｃ_１１Ｖ_１１／Ｃ_１０＋Ｖ_ｏｆｆ …(4)
この(4)式の最右辺の第１項は、フォトダイオードＰＤに入射する光の光量を反映したものである。また、(4)式の最右辺の第２項は、結合容量素子Ｃ_１１の容量値、および、第１リセット信号Reset１のハイレベルとローレベルとの差電圧値、に応じたものである。

仮に、結合容量素子Ｃ_１１を設けないとすれば、図２（ｆ）に示されるように、微弱光を検出したフォトダイオードＰＤから出力された電荷が積分回路内の積分容量素子に蓄積されたとしても、積分回路からの出力電圧値は０Ｖのままであり、したがって、微弱光を検出できないことになる。

これに対して、本実施形態の如く、結合容量素子Ｃ_１１を設けるとともに、上記のように結合容量素子Ｃ_１１に印加する電圧値を変化させることにより、図２（ｃ）に示されるように、積分回路１０の出力端１２から出力される電圧値Ｖ_ｏｕｔは、時刻ｔ_２後に直ちに、フォトダイオードＰＤに入射する光の光量に依存した値となる。すなわち、本実施形態に係る光検出装置１は、アンプＡ_１０のオフセットがマイナスであっても、また、フォトダイオードＰＤへの入射光が微弱であっても、入射光量を検出することができる。

続いて、時刻ｔ_２後の時刻ｔ_３より少し前の或る時刻に差分演算回路２０の第１ホールド信号入力端２３に入力する第１ホールド信号Hold１がハイレベルに転じた後に、時刻ｔ_３に第１ホールド信号Hold１がローレベルに転じ、これにより、時刻ｔ_３の時点の積分回路１０の出力端１２から出力される電圧値Ｖ_ｏｕｔ(ｔ_３)が、時刻ｔ_３以降において容量素子Ｃ_２１により保持される。また、時刻ｔ_３後の時刻ｔ_４より少し前の或る時刻に差分演算回路２０の第２ホールド信号入力端２４に入力する第２ホールド信号Hold２がハイレベルに転じた後に、時刻ｔ_４に第２ホールド信号Hold２がローレベルに転じ、これにより、時刻ｔ_４の時点の積分回路１０の出力端１２から出力される電圧値Ｖ_ｏｕｔ(ｔ_４)が、時刻ｔ_４以降において容量素子Ｃ_２２により保持される。そして、時刻ｔ_４以降、電圧値Ｖ_ｏｕｔ(ｔ_４)と電圧値Ｖ_ｏｕｔ(ｔ_３)との差に応じた電圧値が、減算回路Ｓから出力され、さらに差分演算回路２０の出力端２２から出力される。この差分演算回路２０から出力される電圧値は、積分回路１０からの出力電圧値に含まれるバイアス電荷成分が除去されたものであって、時刻ｔ_３と時刻ｔ_４との間の時間に亘るフォトダイオードＰＤへの入射光量を表す。

本実施形態に係る光検出装置１および積分回路１０の構成図である。 本実施形態に係る光検出装置１および積分回路１０の動作を説明するタイミングチャートである。

符号の説明

１…光検出装置、１０…積分回路、１１…入力端、１２…出力端、１３…第１リセット信号入力端、１４…第２リセット信号入力端、１５…基準電圧入力端、２０…差分演算回路、２１…入力端、２２…出力端、２３…第１ホールド信号入力端、２４…第２ホールド信号入力端、Ａ_１０，Ａ_２１，Ａ_２２…アンプ、Ｃ_１０…積分容量素子、Ｃ_１１…結合容量素子、Ｃ_２１，Ｃ_２２…容量素子、ＰＤ…フォトダイオード、Ｓ…減算回路、ＳＷ_１０，ＳＷ_２１，ＳＷ_２２…スイッチ。

Claims (3)

1. 入力端に入力した電荷を蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を出力端から出力する積分回路であって、
   第１入力端子，第２入力端子および出力端子を有し、該第１入力端子が前記入力端に接続され、該出力端子が前記出力端に接続されているアンプと、
   前記アンプの前記第１入力端子と前記出力端子との間に設けられた積分容量素子と、
   前記アンプの前記第１入力端子と前記出力端子との間に前記積分容量素子に対して並列的に設けられたスイッチと、
   第１端子および第２端子を有し、該第１端子が前記アンプの前記第１入力端子に接続されている結合容量素子と、
   を備えることを特徴とする積分回路。
2. 第１端子および第２端子を有し、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードの前記第１端子から出力された電荷を入力端に入力し、その入力した電荷を蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を出力端から出力する請求項１記載の積分回路と、
   を備えることを特徴とする光検出装置。
3. 前記積分回路の前記出力端から出力される電圧値を入力して、第１時刻および第２時刻それぞれにおける当該入力電圧値の差に応じた電圧値を出力する差分演算回路を更に備えることを特徴とする請求項２記載の光検出装置。
   

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