JP2006203050A

JP2006203050A - 極微弱光検出器および極微弱光撮像装置

Info

Publication number: JP2006203050A
Application number: JP2005014139A
Authority: JP
Inventors: Makoto Akiba; 誠秋葉; Mikio Fujiwara; 幹生藤原
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2006-08-03
Also published as: US20070034781A1; US20060163454A1; US7135669B2

Abstract

【課題】１素子あたりの受光面の面積を大きくすることが容易であり、かつ受光素子自体に増幅作用のあるＡＰＤを用いて、微弱光の領域で光強度と検出感度との線形関係が保たれる極微弱光検出器あるいは極微弱光撮像装置を実現する。
【解決手段】増倍率が３０以下となるように印加されるバイアス電圧を調整したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用い、これに、そのＡＰＤ内部で光により発生し、ＡＰＤの特性で増倍されたキャリアを蓄積するためのキャパシタを接続した極微弱光検出器であって、そのキャパシタの電圧を定期的に読み取り、電圧の時間的変化のその差分をとることによって、あるいは、読み取る際に該キャパシタの電圧を予め決められた電圧に再設定することによって、上記のＡＰＤに照射される光の強度を検出する。
【選択図】図１

Description

この発明は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いて構成したもので、微弱光の強度に比例した検出感度を有する極微弱光検出器および極微弱光撮像装置に関している。

微弱光を検出するための光検出器として、これまではアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）あるいはＣＣＤカメラなどが使われて来た。しかしながら、例えばナノテクノロジーの分野やＤＮＡ、環境ホルモンなどを扱う生物・化学の最先端の分野ではこれらの光検出器でもまだ測定が難しいほどの極微弱光の光検出が必要とされている。更に、上記の光検出器にはその使用方法を制限する幾つかの問題点もある。今回開発した低増倍ノイズ光検出器は、これを使用することにより上記の光検出器よりも高感度な光検出が実現できるだけでなく、それらの問題点も同時に解決できる優れた特性を持っている。

ＡＰＤやＰＭＴは光によって発生した電子による電流（光電流）を増倍することができ、後段の増幅器のノイズより大きなレベルの電流まで増倍できれば、単光子の検出さえ可能である。こうした単光子検出のことをフォトンカウントと言い、これまで知られている最も高感度な光検出法である。しかし、現在行われているＡＰＤあるいはＰＭＴを用いたフォトンカウンターには幾つかの問題があり、完全な光検出法ではない。例えば、それらのフォトンカウンターでは１秒間に１個の光子しか来ないような超微弱な光は測定できない。これには次のような理由がある。

ＡＰＤ、ＰＭＴには、その多少はあるにしても、暗電流が存在している。暗電流とは光が検出器に入射していない時にも流れている電流のことである。暗電流は一定ではなく常に揺らいでいる。そして、暗電流がたまたま大きな値となり、光が入射して発生する電流より大きくなると、光が入射したかのような出力が発生する。ＡＰＤ、ＰＭＴをフォトンカウンターとして使用する場合、光が入射していなくとも、こうしたことにより光子が来たとしてカウントされ、いわゆるダークカウントとなる。このダークカウントは、ＰＭＴの場合は比較的少なく一秒間に数カウントレベルのものもあるが、ＡＰＤでは１００カウント以上にも達する。

超微弱光検出を妨げるもう一つの要因は量子効率である。量子効率とは、フォトンカウンターの場合では、入射した光がどのくらいの割合でフォトンとしてカウントされるかを表したものである。入射した光が全てカウントされる場合を１００％とする。従って、この量子効率が低ければ一個のフォトンが入射してもそれがフォトンとしてカウントされない可能性が高くなり、感度の低下を招くのである。ＰＭＴは、暗電流こそ少ないがこの量子効率が低く、最大でも２０％程度である。そして６００ｎｍを超えると波長が長くなるに連れて急激に減少し、１％以下となってしまう。近赤外線領域で量子効率の比較的高いＰＭＴも開発されているがその場合は暗電流が増大することになり、それほど大幅に光検出感度は改善されない。一方ＡＰＤはＰＭＴと比べ全体として量子効率が高く、最大９０％にも達するものがある。特に６００ｎｍから１μｍの波長帯で量子効率が高いので暗電流の多さを考慮してもＡＰＤの方が感度を高くできる場合がある。

更に、ＡＰＤとＰＭＴに共通な問題点として増倍ノイズの存在がある。ＰＭＴ、ＡＰＤどちらの場合でも光電流を増倍する際に常に一定の割合で増倍することはできず、増倍率は必ずある分布を持つことになる。一般に、この増倍の揺らぎは増倍ノイズと呼ばれる。この増倍ノイズはかなり大きく、ＡＰＤに入射した光子の数が１個なのか２個以上なのか区別することは難しい。つまりＡＰＤを使用した現状のフォトンカウンターでは同時に入射した光子数の識別は全くできないのである。ＰＭＴはＡＰＤと比べて増倍ノイズが小さく、数個レベルの入射光子数の識別はできるとの報告があるが、それでもかなりの統計を取った後の話であり、リアルタイムで識別することは現状では難しい。

増倍ノイズは増倍率を下げるとともに減少する。そこで、増倍率を下げて入射光子数に比例した出力電流が出る程度まで増倍ノイズを減少させてＡＰＤやＰＭＴを使用するという方法もある。この方法は線形モードあるいはゲインモードと呼ばれている。しかし、この場合は増倍率が低いので単光子検出はできなくなり、それに連れて感度も下がってしまう。

従って、短パルス光源を使い、パルス毎にどれだけの光が発生したかというような測定は、これらのフォトンカウンターでは行うことができない。このことは、短パルスを使う必要のある高速現象や光学的非線形現象の測定が大変困難になることを示しており、このような測定では後述するＣＣＤなどのカメラを使うことになる。

ＣＣＤカメラは、近年では１光子が測定できるほどのものが発売されている。また、入射光子数に対する出力の線形性も極めて高く、ＡＰＤやＰＭＴを補完する光検出器として広く使われている。入射光子数に対する線形性があるので、ＣＣＤカメラはＡＰＤやＰＭＴのフォトンカウンターでは測定が難しいパルス光源にも対応できる。しかしながら、ＣＣＤは１画素の面積が小さい（１０〜２０μｍ）ため、とくに画像を撮る必要のない比較的面積の大きな光源や、様々な方向に放射してしまう光をできるだけ集めるような場合には適しない。面積の大きな光源からの光や大きな角度で放射される光を小さな面積に押し込めることは難しいので、これらの光がＣＣＤ上で幾つかの画素に分散してしまうことは避けられない。この時、入射光全体の強度を測定するためには、光が入射した画素の出力を足し合わせることになるが、それぞれの画素のノイズも足し合わされてしまうためノイズも増大してしまう。この際、もし光が入射していない画素まで足してしまうと入射光の強度は変わらないのにノイズだけが増えてしまうので、足し合わせる画素も入射光の空間的な広がりに合わせて選択する必要も出てくる。このため、ＣＣＤカメラは面積の広い光源に対しては必ずしも感度が良いとは限らないのである。

ＡＰＤの特性は、増倍率あるいは光子が入射した際のＡＰＤ出力におけるパルス高分布を用いると理解しやすい。ノイズとの比較のためパルス高分布を使い増幅器ノイズとＡＰＤの感度について説明する。図６は、一個の光子がＡＰＤに入射した際に出力に発生するパルス電流の高さの確率分布を表したものである。横軸は、パルスの高さであり、縦軸はその高さのパルスが発生する確率である。図６を見ると、パルス高が小さくなるほどその発生確率が大きくなり、全く増倍しないでパルス高が最小の場合に最大の確率を持つ。フォトンの検出は、原理的には光電流の有無をもって判定している。この場合は、パルス高を判定に用いないので、その分布は、感度とは無関係である。しかし、上記の様に、光電流の有無をもってフォトンの検出を判定するので、通常のフォトダイオードと同様に、入射光に対して一個の電子（光電子）が発生する確率としての量子効率がＡＰＤに対してもそのまま適用できる。

本発明ではＡＰＤを用いているが、これは、アバランシェ効果を使い電子の個数を増幅させるものである。連鎖的に電子を発生させてキャリア電子の個数を増大させることに特徴がある。この際、一個の電子のエネルギーが高いほど全体としては多く電子を発生させられるので、増幅率を高くとるには、高電界を印加する必要がある。

しかし、電子を高速にすることには欠点もある。電子を過度に高速にすると励起散乱断面積（キャリア電子を発生させる確率）は、減少する。そのためアバランシェ効果を使うＡＰＤでは、実は入射光により発生した最初の一個の電子（光電子）が全く増倍されないまま出力される確率が一番高い。図６で、パルス高が最小の場合の発生確率が高いのは、上記の理由による。

しかしながら、従来のＡＰＤで光電流を増倍するのは、後段の増幅器ノイズを凌駕するためである。増倍率が低くパルス高が低い時には、単光子によって発生したＡＰＤの出力パルスは増幅器ノイズに埋もれてしまうことになる。従って、もしＡＰＤの出力パルスを増幅器に入れた後、それをそのままカウンターに入れてしまえば、増幅器のノイズで多くの誤ったカウントが発生してしまうことになる。これを避けるため、増幅器ノイズより大きなある閾値を越えた出力パルスだけをカウントするようにすることが一般に行われている。これはつまり、増倍率に対する出力を図９に示すように、増幅器の出力には、熱ノイズとショットノイズが含まれており、これらのノイズを検出信号が上回り、信号対ノイズ比が最大になる点が動作点として選択される。

また、ある光子が入射した時にたまたま増倍率が低かった場合は、その光子は切り捨てることになる。こうした切り捨てによって光子をカウントしないことも量子効率の中に含めて考えるのが普通である。つまり従来のＡＰＤでは通常のフォトダイオードより更に量子効率が劣化することになる。

前述したように、ＡＰＤやＰＭＴでは増倍率を下げるに連れて増倍ノイズが小さくなるので、増幅器ノイズを減らすことができれば、増倍率も下げられ増倍ノイズも小さくできる。しかし、増倍率を下げても図１のように増倍率分布の形状はあまり変わらず、やはり増倍率の小さい方が発生確率は高い。従って、図６に示すように、増倍率を下げる（出力パルス高を下げる）ことにより上記の閾値をそれと共に下げても、量子効率の大幅な改善は見込めない。それよりは、増倍率はそのままで閾値だけを下げる方が量子効率を上げるためには有利である。つまり従来のＡＰＤをそのまま利用する限りでは、増幅器ノイズを下げる他に、殆ど感度の向上は望めない。また、増幅器ノイズを下げるだけでは増倍ノイズは変わらないので入射光子数に対する出力電流の線形性は改善できない。

こうした問題のため、本発明では、低速電子を利用したＡＰＤ増倍素子を用いている。つまりこれまでのように著しいアバランシェ効果を起こすほど高速に加速した電子を使うのではなく、励起断面積が高くなる加速電圧の領域で、低速電子を使用する。一般に、励起散乱断面積は電子が低速になるほど増大するが、新たなキャリア電子を生成するために必要な一定以上の励起エネルギー以下になると急速に減少する。従って、電子速度に対する関数としての散乱断面積は、励起エネルギーの数倍程度の運動エネルギーになる速度のところでピークを持つ。この付近に電子速度が来るようにすれば、高い確率で電子は励起されることになり、光電子は確実に次のキャリア電子を生成する。こうして発生した電子もやはり低速にしかならないようにすれば、確実に更なるキャリア電子を発生させることになり増倍率の揺らぎは小さくなる。

１素子あたりの受光面の面積を大きくすることが容易であり、かつ受光素子自体に増幅作用のあるＡＰＤを用いて、微弱光の領域で光強度と検出感度との線形関係が保たれる極微弱光検出器あるいは極微弱光撮像装置を実現する。

この発明は、微弱光が照射された場合に入射するフォトン数に比例した電圧を検出することができ、かつ高い量子効率を持った微弱光検出装置あるいは極微弱光撮像装置を実現することができる。

本発明は、増倍率が３０以下となるように、印加されるバイアス電圧を調整したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用い、これに、そのＡＰＤ内部で光により発生し、ＡＰＤの特性で増倍されたキャリアを蓄積するためのキャパシタを接続した極微弱光検出器であって、そのキャパシタの電圧を定期的に読み取り、電圧の時間的変化のその差分をとることによって、上記のＡＰＤに照射される光の強度を検出することを特長とするものである。

また、本発明は、増倍率が３０以下となるように印加されるバイアス電圧を調整したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用い、これに、そのＡＰＤ内部で光により発生し、ＡＰＤの特性で増倍されたキャリアを蓄積するためのキャパシタを接続した極微弱光検出器であって、そのキャパシタの電圧を定期的に読み取り、また、読み取る際に該キャパシタの電圧を予め決められた電圧に再設定することによって、上記のＡＰＤに照射される光の強度を検出することを特長とするものである。

また、本発明は、増倍率が３０以下となるように印加されるバイアス電圧を調整したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を一次元配列、あるいは２次元配列で並べた極微弱光撮像装置であって、それぞれのＡＰＤに、照射された光によりそれぞれのＡＰＤ内部で発生し、印加されたバイアス電圧で増倍されたキャリア量を読み取ることによって、ＡＰＤに照射される光の強度を検出することを特長とするものである。

また、本発明は、増倍率が３０以下となるように印加されるバイアス電圧を調整したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を一次元配列、あるいは２次元配列で並べ、それぞれのＡＰＤに、それぞれのＡＰＤ内部で発生し、増倍されたキャリアを蓄積するためのキャパシタを接続した極微弱光撮像装置であって、該キャパシタの電圧を読み取ることによって、ＡＰＤに照射される光の強度を検出することを特長とするものである。

また、本発明は、増倍率が３０以下となるように印加されるバイアス電圧を調整したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を一次元配列、あるいは２次元配列で並べ、それぞれのＡＰＤに、それぞれのＡＰＤ内部で発生し、増倍されたキャリアを蓄積するためのキャパシタを接続した極微弱光撮像装置であって、該キャパシタの電圧を読み取る際に該キャパシタの電圧を予め決められた電圧に再設定し、また、該キャパシタの電圧を読み取ることによって、ＡＰＤに照射される光の強度を検出することを特長とするものである。

この発明は、以下の実施例１に示す実験で判明した事実基づいている。次に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。先ず本発明の実施例を図１を用いて説明する。

低速電子による増倍ノイズの減少を確認するために、本発明の発明者は、従来のＳｉ−ＡＰＤを用いて、以下のような実験を行った。図１に示す回路で、Ｓｉ−ＡＰＤには、従来もちいられる値よりかなり小さなバイアス電圧を印加し、その増倍ノイズを測定した。その結果を図７に示す。図７は、光電子が、１、３、１０個発生する様に光源を調整し、その時の出力電子数をグラフにしたものである。また図の破線は、光源からの光の個数がいわゆるショットノイズで揺らいでいると仮定し、予め測定しておいた増幅器のノイズ（７ｅ）および平均増倍率（１０．８倍）などを使って計算したものである。この計算には増倍揺らぎは含めていない。測定値と計算値が良く合っていることがわかる。このことは増倍ノイズが増幅器のノイズに比べて十分小さいことを示している。しかもほぼ完全に光電子数に比例した出力が得られていることが分かる。測定値から増倍ノイズを算出した結果、いわゆるエクセスノイズファクターにして１．０７程度であることが分かった。エクセスノイズファクターとは、光子数がショットノイズで揺らいでいることを前提として、ＡＰＤによってこのショットノイズがどれだけ増大するかを表したファクターである。エクセスノイズファクター＝１がショットノイズを全く増やさない場合であり、上記の値は、ＡＰＤによる増倍ノイズが全くないことを示している。

図６のパルス高分布を良く説明し、これまで広く受け入れられて来たＡＰＤの増倍ノイズの理論によれば、増倍率１０倍におけるエクセスノイズファクターは２ほどであり、図７の測定結果を全く説明できない。最近では、エクセスノイズファクターがわずかに小さくなるという理論もあるが、それでも１０％も下がることはないので、上記の実験の条件における増倍にすると、従来の考え方と質的に異なる増倍となることは明らかである。これまでの増倍ノイズの測定では、上記のように低い増倍率での測定は設定されていない。これは、従来、増幅器のノイズが大きいため１０倍というような小さな倍率ではエクセスノイズファクターの測定ができなかったからである。しかし、図１の増幅回路は、ノイズに関して良好な特性を示す超低雑音増幅器であるため、上記のような低倍率での測定が可能となった。

また、図８は、上記の測定によって得られた増倍率に対する全過剰雑音係数（ＡＰＤの過剰雑音係数と同様に、ＡＰＤの雑音に加えて増幅器雑音も入れて計算したものを全過剰雑音係数とする）を示したグラフである。増倍率が３０以下のときに、測定値は、計算値を下回っていることが分かる。

上記したように、その増倍率が３０以下となるようにＡＰＤに印加するバイアス電圧を調整することにより、上記の特徴が発揮された。しかし、この際、図１の回路に限定されるべきことではない事は明らかである。ここでの要点は、第一にＡＰＤの動作点として、バイアス電圧が充分に低く、その増倍率が３０以下になることである。

図１の極微弱光検出回路１では、ＡＰＤ１０からの信号を、トランジスタ１１で受け、ソースフォロア回路によりインピーダンス変換を行ったのち増幅器１３に入力している。帰還容量１２は、トランジスタ１１と増幅器１３とで構成される増幅部とともに積分回路を構成しており、入力した電荷が蓄積される。この蓄積状態は、出力ゲート１４を通じて外部の回路に出力される。また、帰還容量１２に電荷の蓄積ができなくなるまでに、リセットスイッチ１５を通じて、蓄積した電荷を放電しリセットする。このリセットの制御はリセット駆動回路２で行う。この極微弱光検出回路１で光強度を読み出す場合には、増幅器１３の出力電圧を読むが、単位時間に照射された光量を読み取る場合には、増幅器１３の出力電圧の差分を差分出力回路３で読み取る。また、読み取ったデータは、表示・伝送回路４で表示し、あるいは、他のデータ処理装置に伝送する。

図３は、図２の極微弱光検出器１を、読出し毎に、帰還容量１２をリセットするための構成を示すブロック図である。制御回路５からの指令により、出力回路６が読出しを行い、引き続いてリセット駆動回路２でリセットする。図３の構成とする利点は、帰還容量１２を小さくすることができるので、増幅器１３の出力電圧を大きくし易い点である。

図２あるいは図３の構成における極微弱光検出器１として、図１０に示す回路を用いることもできる。この回路は、従来用いられてきたもので、蓄積型の回路ではなく、ＡＰＤの出力をそのまま出力する回路である。図２あるいは図３の構成の場合でも、リセットを用う必要がなく、ＡＰＤの出力をそのまま読み出すことができる。

図４の構成は、極微弱光検出器１を１列に並べて１次元の極微弱光検出器を構成したものである。この場合の制御回路５は、極微弱光検出器から順次読み取りを行い、読み取りが終了した直後にリセットを行う。この読み取り作業のあいだは、光照射により発生した電荷を蓄積する。このように、蓄積、読み取り、リセット、をそれぞれの極微弱光検出器について順次行うように、制御回路５が制御する。このように複数の極微弱光検出器からの読み取りを順次行うには、出力ゲート１４を用いて読み取る極微弱光検出器を選択する。また、図４の構成においても、図２の構成と同様に、リセットに比べて読出しの頻度を高くすることも可能である。

図５の構成は、極微弱光検出器１を行列に並べて２次元の極微弱光検出器を構成したものである。この場合の動作は、上記とほぼ同様であり、制御回路５は、極微弱光検出器から順次読み取りを行い、読み取りが終了した直後にリセットを行う。この読み取り作業のあいだは、光照射により発生した電荷を蓄積する。このように、蓄積、読み取り、リセット、をそれぞれの極微弱光検出器について順次行うように、制御回路５が制御する。このように複数の極微弱光検出器からの読み取りを順次行うには、出力ゲート１４を用いて読み取る極微弱光検出器を選択する。また、図５の構成においても、図２の構成と同様に、リセットに比べて読出しの頻度を高くすることも可能である。

上記したように、本発明では、ＡＰＤを低い増倍率となるバイアス領域で用いるものである。この場合にバイアス電圧は、従来の場合に比べて、低電圧であるので、集積化を図り易い。これは、１次元あるいは２次元の極微弱光検出器を、従来の場合よりも、高密度で製造可能であることを示している。

本発明の実施形態を示す回路図である。本発明の実施形態を示すブロック図である。本発明の実施形態を示すブロック図である。本発明の実施形態を示すブロック図である。本発明の実施形態を示すブロック図である。一個の光子がＡＰＤに入射した際に出力に発生するパルス電流の高さの確率分布を表した図である。光電子が、１、３、１０個発生する様に光源を調整し、その時の出力電子数をグラフにしたものである。測定によって得られた増倍率に対する全過剰雑音計数を示したグラフである。増倍率に対する出力を示す図である。従来用いられてきた回路を示す図である。

符号の説明

１極微弱光検出器
２リセット駆動回路
３差分出力回路
４表示・伝送回路
５制御回路
６出力回路
１０ＡＰＤ
１１トランジスタ
１２帰還容量
１３増幅器
１４出力ゲート
１５リセットスイッチ

Claims

増倍率が３０以下となるようにバイアス電圧を調整したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）に、該ＡＰＤ内部で発生し、増倍されたキャリアを蓄積するためのキャパシタを接続し、該キャパシタの電圧を定期的に読み取り、その差分をとることによって、上記のＡＰＤに照射される光の強度を検出することを特徴とする、極微弱光検出器。
増倍率が３０以下となるようにバイアス電圧を調整したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）に、該ＡＰＤ内部で発生し、増倍されたキャリアを蓄積するためのキャパシタを接続し、該キャパシタの電圧を定期的に読み取り、また、読み取る度に該キャパシタの電圧を予め決められた電圧に再設定することによって、上記のＡＰＤに照射される光の強度を検出することを特徴とする、極微弱光検出器。
増倍率が３０以下となるようにバイアス電圧を調整したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を一次元配列、あるいは２次元配列で並べ、それぞれのＡＰＤに、それぞれのＡＰＤ内部で発生し、増倍されたキャリア量を読み取ることによって、ＡＰＤに照射される光の強度を検出することを特徴とする、極微弱光撮像装置。
増倍率が３０以下となるようにバイアス電圧を調整したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を一次元配列、あるいは２次元配列で並べ、それぞれのＡＰＤに、それぞれのＡＰＤ内部で発生し、増倍されたキャリアを蓄積するためのキャパシタを接続し、該キャパシタの電圧を読み取ることによって、ＡＰＤに照射される光の強度を検出することを特徴とする、極微弱光撮像装置。
増倍率が３０以下となるようにバイアス電圧を調整したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を一次元配列、あるいは２次元配列で並べ、それぞれのＡＰＤに、それぞれのＡＰＤ内部で発生し、増倍されたキャリアを蓄積するためのキャパシタを接続し、該キャパシタの電圧を読み取る度に該キャパシタの電圧を予め決められた電圧に再設定し、また、該キャパシタの電圧を読み取ることによって、ＡＰＤに照射される光の強度を検出することを特徴とする、極微弱光撮像装置。