JP2018157032A - 光検出装置およびこれを用いた被写体検知システム - Google Patents
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Abstract
【課題】光子検出効率の温度変動を抑制することのできる光検出装置およびこれを用いた被写体検知システムを提供する。
【解決手段】本実施形態の光検出装置は、アバランシェフォトダイオードおよび前記アバランシェフォトダイオードに直列接続される抵抗を有するセルを少なくとも1つ備えた画素と、前記画素の前記セルに電圧を印加する電圧源と、前記画素の温度を検出する温度検出素子を有する温度検出部と、を備え、前記温度検出素子は、前記アバランシェフォトダイオードと同じ構造を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの上面に配置された遮光部と、有する。
【選択図】図1
Description
Pav=P0×(1−exp(−a×Vov))
として表現できる。ここで、P0は温度に依存しない定数、aはデバイス構造に起因する定数である。また、電圧Vovは、デバイスのブレークダウン電圧Vbdと、デバイスの駆動電圧Vopを用いて、
Vov=Vop−Vbd
と表される。
第1実施形態による光検出装置の回路ブロック図を図1に示す。第1実施形態の光検出装置1は、リニアアレイ状に配列された複数の光検出画素Pic1〜Picnを有し、各画素Pici(i=1,・・・,n)は共通の電源VCOMに接続されている。本実施形態では電源VCOMとして例えば68Vを印可する。各画素Pici(i=1,・・・,n)は、光信号検出部2と、デバイス温度検出部3と、を備えている。
Vpd=C1/(C1+C2)×VCOM
となる。本実施形態では、C1=10pF、C2=1pF、VCOM=68Vであるから、バイアス電圧Vpdは62Vとなり、ブレークダウン電圧Vbdを超えない逆方向飽和電圧となる。
第1実施形態の第1変形例について図5を参照して説明する。図5は、第1変形例の光検出装置において、デバイス温度情報VT1を用いて、環境温度補正を行う手法の説明図である。
第1実施形態の第2変形例による光検出装置を図6に示す。この第2変形例の光検出装置は、例えば画素数が多く配線の余地が無い場合に用いられ、図1に示す第1実施形態において、画素毎に設けられた電流電圧変換アンプAMPi(i=1,・・・,n)を一つの電流電圧変換アンプAMPに変更した構成を有している。すなわち、電流電圧変換アンプAMPは、スイッチSWi(i=1,・・・,n)を介して各画素Piciの端子10iに接続される。そして、チップ外部に配置されて、選択する画素に対応するスイッチに画素選択信号を送りオンにする画素選択部40を新たに付加した構成となっている。例えば、選択する画素が画素Pic1である場合は、スイッチSW1に画素選択信号を送り、スイッチSW1をオンにする。
第1実施形態の第3変形例による光検出装置を図7に示す。この第3変形例の光検出装置は、図1に示す第1実施形態の光検出装置において、両端に配置された画素Pic1および画素Picnを除く各画素Pici(i=2,・・・,n−1)からデバイス温度検出部3を削除して、画素Pic1および画素Picnのデバイス温度検出部3で検出されたデバイス温度情報VT1およびデバイス温度情報VTnに基づいて、各画素Pici(i=2,・・・,n−1)のデバイス温度情報VTiを決定する。
VTi=i×(VT1−VTn)/n+VTn
としてもよい。この場合は、リニアアレイ内の温度分布を正確に反映させることができる。
次に、第1実施形態の光検出装置の製造方法について、図8(a)乃至図13(b)を参照して説明する。図8(a),9(a)、10(a)、11(a)、12(a)、13(a)は、各製造工程における平面図を示し、図8(b),9(b)、10(b)、11(b)、12(b)、13(b)は、各製造工程における断面図を示す。これらの断面図は、対応する平面図に示す切断線A−Aで切断した断面図である。
第2実施形態による光検出装置の回路図を図15に示す。この第2実施形態の光検出装置1は、複数の画素を有し、画素毎かつ光検出タイミング毎にデバイス温度情報を読み出すことができる回路構成を備えている。
Vex1=Ir1×Δt/Cex
で定義される電圧値Vex1となり、画素Pic1のデバイス温度情報VT1が電圧値として共通電位線Vtより出力される。この時、Ir1は温度検出用のフォトダイオードPD1の逆方向飽和暗電流、Δtは図16に示す、トランジスタTn1がONする時間を示す。
次に、第3実施形態による光検出装置について説明する。この第3実施形態の光検出装置は、図1に示す第1実施形態の光検出装置とは、デバイス温度検出部3の構成が異なっている。この第3実施形態におけるデバイス温度検出部3は、ガイガーモードで動作する遮光されたアバランシェフォトダイオードの、暗時の出力パルスカウントを用いて温度補正を行う手法を用いている。このように、第3実施形態では、光検出に用いられるAPDと同様の構造、同様のバイアス動作を行う温度補正用素子を用いることで、素子のばらつきまで含めたより正確な温度補正が可能となる。
第4実施形態による被写体検知システムを図20に示す。この実施形態の被写体検知システム200は、光投射部210と、光検出部250とを備え、光投射部210より被写体100へ光を投射し、被写体100によって反射されて照射方向と同一方向へ戻ってくる反射光を光検出部250が検知し、その戻り時間(光飛行時間)、強度等を算出することで、光の飛行時間からその被写体100までの距離、光強度から被写体100の反射率等を推定する装置である。
Claims (10)
- アバランシェフォトダイオードおよび前記アバランシェフォトダイオードに直列接続される抵抗を有するセルを少なくとも1つ備えた画素と、
前記画素の前記セルに電圧を印加する電圧源と、
前記画素の温度を検出する温度検出素子を有する温度検出部と、
を備え、前記温度検出素子は、前記アバランシェフォトダイオードと同じ構造を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの上面に配置された遮光部と、有する光検出装置。 - 前記フォトダイオードのブレークダウン電圧未満の逆方向電圧を前記温度検出素子に印可する電圧印加部を更に備えた請求項1記載の光検出装置。
- 前記電圧印加部は、前記電圧源と所定電位との間に直列に接続された少なくとも2つの容量を備えている請求項2記載の光検出装置。
- 前記温度検出部は前記画素に対応して配置され、前記アバランシェフォトダイオードからの出力パルス信号に基づいて前記温度検出部を動作させる選択部を更に備えた請求項1乃至3のいずれかに記載の光検出装置。
- 前記選択部は、前記アバランシェフォトダイオードからの出力パルス信号を受けるゲート端子、ソース端子、および前記温度検出素子の出力端子に接続されたドレイン端子を有するNチャネルMOSトランジスタと、前記アバランシェフォトダイオードからの出力パルス信号を受けるゲート端子、前記NチャネルMOSトランジスタの前記ソース端子に接続されたソース端子、および所定のリセット電位をうけるドレイン端子を有するPチャネルMOSトランジスタと、
を備え、前記NチャネルMOSトランジスタおよび前記PチャネルMOSトランジスタの前記ソース端子から温度情報が出力される請求項4記載の光検出装置。 - 前記画素は前記セルを複数有しかつ複数の前記セルはライン状に配置され、前記温度検出部は、ライン状に配列された前記複数のセルの両端に配置された第1および第2温度検出素子を備え、
前記温度検出部は、前記第1および第2温度検出素子の出力に基づいて前記画素の各セルの温度を決定する請求項1乃至3のいずれかに記載の光検出装置。 - 前記温度検出部は、前記温度検出素子のパルス出力を計数し、暗時の計数率を求める計数回路と、前記暗示の計数率に基づいて前記画素の補正された温度を出力する請求項1乃至6のいずれかに記載の光検出装置。
- 前記温度検出素子に含まれるフォトダイオード数が前記画素に含まれるセルの個数より多い請求項7記載の光検出装置。
- 前記画素は前記セルが二次元アレイ状に配置され、前記画素の周囲に複数の前記温度検出素子が配置されかつ並列接続される請求項1乃至8のいずれかに記載の光検出装置。
- 光を投射する光照射部と、前記光および被写体からの前記光の反射光を分割する光分割部、前記投射光を前記被写体に向かって走査する光走査部と、前記光分割部によって分割された前記反射光を検出する光検出装置と、前記光検出器を駆動し前記光検出器から前記反射光の強さを読み出す駆動および読み出し回路と、前記光照射部から投射される光のタイミングの同期を得る同期回路と、前記同期回路からの同期のタイミングを用いて前記光照射部から投射された光の戻り時間を演算する時間演算処理部と、を備え、前記光検出装置は請求項1乃至9のいずれかに記載の光検出装置である被写体検知システム。
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