JP5273606B2

JP5273606B2 - 光帰還型光検出器

Info

Publication number: JP5273606B2
Application number: JP2008307466A
Authority: JP
Inventors: 誠秋葉
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2028-12-02
Also published as: JP2010135389A

Description

この発明は、電荷蓄積型の光電変換素子を用いて構成し、蓄積電荷が所定の値を超えた時に、予め決められた値になるまで、その蓄積電荷を光帰還回路を通じて自動的に放電あるいは中和することで、継続して微弱光の検出を高感度に行う光帰還型光検出器に関している。

微弱光を検出するための光検出器として、これまでは、例えば、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、さらに高感度の光検出が必要とされている。また、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。

本発明の微弱光検出器は、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。

既に、本発明の発明者は、特許文献１（特開２００６−２０３０５０号公報）にて、極微弱光検出器および極微弱光撮像装置に関する発明を開示している。これを図６に示す。これは、低速電子を利用したＡＰＤ増倍素子を用いたものである。この回路では、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帰還容量素子を接続し、該帰還容量素子の電圧を読取用トランジスタのゲート電極に入力してそのトランジスタの出力を定期的に読み取り、また、読み取る度に該帰還容量素子の電圧を予め決められた電圧にリセット用半導体ダイオードを通じて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している。

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。

また、特許文献１には、全過剰雑音係数が増倍率が３０以下のときに、測定値は、計算値を下回っていることが記載されている。このためには、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旨記載されている。

また、本発明の発明者によって、特許文献１での開示では積分回路を構成する帰還容量素子に代わってフォトカプラを用いることで入力側と出力側との絶縁性を高めた微弱光検出器が特許文献２（特願２００７−２９１８４８号）として出願されている。

上記の特許文献２の開示では、外部からのリセット制御信号によって、定期的に帰還容量素子を導通させるものである。このリセット制御信号は、また、リセットによって帰還容量素子の両極の電位差をゼロあるいはゼロ付近までリセットしてしまい、任意に設定できるものではなかった。
特開２００６−２０３０５０号公報特願２００７−２９１８４８号

本発明の光帰還型光検出器では、特許文献２の発明に加えてまず、上記リセットを帰還容量素子の両極の電位差が予め設定した閾値を越えた瞬間に開始するようにする。これによって、リセットの頻度をできる限り抑制することができ、また、検出できる光強度のダイナミックレンジをより広くすることができる。さらに、リセット後の上記の電位差を任意の値に設定できるようにすることで、微弱光を検出する際に雑音の影響を受け易い電位差帯を避けて、検出精度を改善することができる。

上記のように本発明を適用することによって、光検出強度のダイナミックレンジをより広くすることができ、また、微弱光を検出する際の検出精度を改善することができる。

本発明は電荷蓄積型の光電変換素子を用いて構成した微弱光検出器であって、出力側から入力側への信号帰還をフォトカプラを用いて行なうことで入力側と出力側との絶縁性を高め、蓄積電荷が所定の値を超えた時に、予め決められた値になるまで、その蓄積電荷を光帰還回路を通じて自動的に放電あるいは中和することで、継続して微弱光の検出を高感度に行う光帰還型光検出器である。概略、検出しようとする光を照射する光検出器は第１光検出器で、上記の信号帰還の光検出器は第２光検出器、場合によっては第１光検出器である。このとき、回路構成は、次のようになる。つまり、第１光検出器と第２光検出器とは直列接続とし、この両端に予め決められたバイアス電圧を印加する。また、第１光検出器と第２光検出器との結節点の電位を演算増幅器の反転入力端子側に入力し、非反転入力端子を接地を含めた基準電位にする。つまり、上記の結節点は、それぞれ第１光検出器または第２光検出器を通して、それぞれのバイアス電圧供給源に接続する。ここで、第２光検出器は、リセット用に用いるので、上記の結節点に流入する電流は、第１光検出器と第２光検出器との場合で逆になるようにバイアス電圧や第１光検出器や第２光検出器の接続の向きを設定することが肝要である。上記演算増幅器の出力電圧をシュミットトリガの特性を持ったリセット制御回路を通して発光素子に印加して発光させる。このリセット制御回路は、記載の都合上、第１リセット制御回路とするが、これは閾値電圧がＶ１とＶ２間で２値論理の一方のレベルになる窓をもったものである。この発光素子からの発光を帰還光路を通じて第２光検出器に入力する。この構成によって、上記のように、検出しようとする入力光を第１光検出器に入力すると、第１光検出器の電極に光励起による電荷が蓄積しＶ２からＶ１に向かってドリフトする。従って、上記のようにＶ２で制限することで、上記演算増幅器の出力電圧を上記閾値Ｖ１とＶ２間に維持して入力光の強度を検出することができるようになる。

上記リセット制御回路としては、よく知られたシュミットトリガや、その他たとえば、第１、第２コンパレータと、リセットセットフリップフロップ（ＲＳ−ＦＦ）を用いて構成することができる。第１コンパレータは、上記演算増幅器の出力電圧が、上記閾値Ｖ１とＶ２間側から上記閾値Ｖ１を越える場合にセット信号を出力し、第２コンパレータは、上記演算増幅器の出力電圧が、上記閾値Ｖ１とＶ２間側から上記閾値Ｖ２を越える場合にリセット信号を出力する。また、上記ＲＳ−ＦＦは、上記セット信号とリセット信号を入力して上記発光素子の制御信号を出力するようにしてもよい。

また、上記の光帰還型光検出器の構成に加えて、上記演算増幅器の出力電圧を入力し、シュミットトリガと同様な特性を持ち閾値電圧がＶ３とＶ４である第２リセット制御回路と、該第２リセット制御回路の出力を制御信号とする第２発光素子と、上記第２発光素子の光を第１光検出器に入力する帰還光路と、をさらに備える。ここで、Ｖ１とＶ２間の領域は、Ｖ３とＶ４間の領域とは共通領域を持ってもよい。上記演算増幅器の出力電圧が当初、Ｖ１とＶ４間の領域にあるようにする。より具体的には、例えば、接地電位より僅かに上にＶ１とＶ２間の領域を、それより僅かに下にＶ３とＶ４間の領域を設定する。このとき、第１シュミットトリガを動作させることで、上記閾値Ｖ１と以下に上記演算増幅器の出力電圧を維持することができる。同様に、第２シュミットトリガを動作させることで、上記演算増幅器の出力電圧を上記閾値Ｖ４以上に維持するようにすることができる。

上記第１あるいは第２リセット制御回路の少なくともどちらか一方は、第１、第２コンパレータと、リセットセットフリップフロップ（ＲＳ−ＦＦ）を備えたものでよい。より詳細に説明すると、まず、上記第１（あるいは第２）シュミットトリガは、第１、第２コンパレータと、リセットセットフリップフロップ（ＲＳ−ＦＦ）を備えたものとする。第１コンパレータは、上記演算増幅器の出力電圧が、上記閾値Ｖ１とＶ２（あるいはＶ３とＶ４）間側から上記閾値Ｖ１（あるいはＶ３）を越える場合にセット信号を出力し、第２コンパレータは、上記演算増幅器の出力電圧が、上記閾値Ｖ１とＶ２（あるいはＶ３とＶ４）間側から上記閾値Ｖ２（あるいはＶ４）を越える場合にリセット信号を出力するものである。また、上記ＲＳ−ＦＦは、上記セット信号とリセット信号を入力して上記第１（あるいは第２）発光素子の制御信号を出力するものである。

上記の帰還光路には、自由空間、光ファイバ、あるいは平面導波器などを用いることができる。

また、例えば、第１光検出器と第２光検出器には、逆バイアス電圧が印加された半導体ダイオードを用いることができる。

第１光検出器は、例えば、光ダイオード検出素子、アバランシェフォトダイオード、光伝導型ダイオード、あるいは焦電型光検出素子である。

また、上記発光素子は、抵抗素子と直列接続された発光ダイオードで、上記リセット制御回路と予め決められた電位端子との間に接続する。

また、第１光検出器に感度が無く、かつ、第２光検出器に感度のある第１発光素子の発光スペクトル成分を第２光検出器に入力するようにすることで、第１発光素子からの光が漏れて第１光検出器に入射した場合の影響をなくすことができる。

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。

図１は、本発明の光帰還型光検出器１００の回路例を示す。検出しようとする微弱光は、光ファイバ８を通じて、第１光検出器１に入力される。第１光検出器１と第２光検出器２との直列接続回路の両端にバイアス電圧Ｂ１およびＢ２を印加して、予め決められた電位差が印加されるようにする。例えば、第１光検出器と第２光検出器には、逆バイアス電圧が印加された半導体ダイオードである。また、第１光検出器１と第２光検出器２との結節点の電位を演算増幅器５の反転入力（あるいは非反転）端子側に入力し、非反転（あるいは反転）入力端子を基準電位に接続する。この図では、基準電圧として接地電位を用いている。この演算増幅器の出力電圧を、例えばシュミットトリガと同様な働きをするリセット制御回路４に入力する。

この第１リセット制御回路４ａは、閾電圧Ｖ１、Ｖ２を持つもので、例えば、Ｖ１＞Ｖ２＞０、とする。上記演算増幅器の出力電圧がＶ１を越えたときから、Ｖ２以下になるまで、第１リセット制御回路４ａの出力は高電圧状態である。従って、この第１リセット制御回路４ａの出力で第１発光素子３ａのオン／オフを制御すると、前記の高電圧状態のときのみ発光させることができる。第１発光素子３は、例えば、抵抗素子と直列接続された発光ダイオードで、第１リセット制御回路４ａと予め決められた電圧端子Ｂ３との間に接続する。Ｂ３の電圧を変えることで、発光強度を調整できる。

この発光を、例えば、半導体光ダイオードで作られた第２光検出器２に第１帰還光路６ａを通じて照射すると、第１光検出器１の電極に光励起による電荷が蓄積しＶ２からＶ１に向かってドリフトする。従って、上記のようにＶ２で上記の照射を行なうことで、蓄積型の光電変換素子である第１光検出器１の電極に蓄積された電荷を放電することができるので、上記演算増幅器５の出力電圧を上記の閾電圧Ｖ１、Ｖ２間に維持することができる。第１帰還光路６ａには、空間型、光ファイバ型、あるいは平面導波型等の光路を用いることができる。

本発明の光帰還型光検出器１００で微弱光の検出を行う場合は、回路の寄生容量を抑制する必要があることから、各部品を接近して配置することになる。この場合、第１発光素子からの光が漏れて第１光検出器１に僅かに入射する場合がある。この漏れを抑制するには、第１発光素子３からの光を集光して第２光検出器２に入射するようにすることが望ましい。また、第１光検出器１に感度が無く、かつ、第２光検出器に感度のある第１発光素子３の発光スペクトル成分を第２光検出器に入力する構成としても良い。例えば、第１光検出器１にはＳｉ系の光ダイオード、第２光検出器２にはＩｎＧａＡｓ系の光ダイオードを、また、第１発光素子３には波長＝１３００ｎｍの発光ダイオード（例えばエピテックス社、Ｌ１３００−０３、ＩｎＧａＡｓＰ系）を用いる。上記の、感度の有り無しについては、相対的な感度の強弱でもよい。また、例えば、第１光検出器１にはＳｉ系の光ダイオード、第２光検出器２にはＩｎＳｂ系の光ダイオードを、第１発光素子３には波長＝６５０ｎｍの発光ダイオード（例えばＲＯＨＭ社、ＳＬＲ３３２ＶＣ）を用いる場合には、迷光が第１光検出器１に入射しないようにするために、集光された光を第２光検出器２に入力するようにすることが望ましい。

上記リセット制御回路４ａには、よく知られた図５（ａ）に示すシュミットトリガ回路を使用することができる。また、図５（ｂ）に示す様な、２つのコンパレータと１つのＲＳ−ＦＦを用いても構成することができる。

図１の光帰還型光検出器１００では、図２に示す様に、リセット制御回路４ａの入力電圧がＶ１に達すると第１発光素子３が発光し、第２光検出器２に第１帰還光路６ａを通じて照射される。この照射によって、第２光検出器２に光電流が流れ図２のＳ点からＲ点に電位が低下する。Ｒ点に達すると、リセット制御回路４ａがリセットされ、第１発光素子３は、オフ状態になり、再び光検出が可能になる。このように、閾値Ｖ１を越えない様に維持しつつ入力光の強度を出力端子７を通じて検出することができる。

次に、２つのリセット制御回路を用いる光帰還型光検出器１０１の例を、図３に示す。これは、上記の構成に加えて、第２リセット制御回路４ｂと第２発光素子３ｂと第２帰還光路６ｂを備える。第２リセット制御回路４ｂでは、演算増幅器５の出力電圧を入力し、閾値電圧がＶ３とＶ４であるシュミットトリガと同様の処理を行なう。第２リセット制御回路４ｂの出力を第２発光素子３ｂのオン／オフを制御する制御信号として用いる。第２発光素子３ｂの光を第２帰還光路６ｂを通じて第１光検出器１に入力する。

図４は、第１リセット制御回路４ａと第２リセット制御回路４ｂの動作を示す概念図である。第１リセット制御回路４ａは、上記の場合と同様に動作する。第２リセット制御回路４ｂは、第２リセット制御回路４ｂの入力電圧がＴ２からＳ２まで低下すると第２発光素子の制御電圧が高電圧側になり、第２発光素子が発光する。この光を第１光検出器１に照射すると、その電極に蓄積された電荷が中和され、発光の続く間電圧が上昇する。この電圧がＶ３に達した時に上記の発光を停止することによって、Ｓ２からＲ２へ動作点が移動する。Ｒ２点から光の検出を行うことでＲ２からＱ２のように上記の入力電圧が推移する。

さらにＱ２からＶ１に達する電圧まで変化した場合は、第１リセット制御回路４ａの動作によって、Ｖ２まで変化してリセットされる。この様にして、演算増幅器５の出力電圧をＶ１−Ｖ４間に自動的に維持することができる。

極微弱光の測定においては、測定確度を向上させるためにダイナミックレンジ（例えばＶ１−Ｖ２）を充分大きく設定することが重要である。そのため、リセット後の電圧レベルを後段の回路（ＡＤコンバータ等）の測定レンジをすべてカバーする程度に設定できることが望ましい。しかし、余白地帯無しに大きく設定すると、信号電圧レベルの雑音によって、信号が測定レンジ（つまりＶ１−Ｖ２）を越えることがあり得る。これを避けるために、Ｖ２あるいはＶ３は後段の回路の測定限界より雑音電圧の標準偏差の３倍程度だけ離して設定する必要がある。本発明を使用することにより、光検出器のリセットにおいてこうした設定を自由に行うことができるようになる。

上記の第１光検出器１と第２光検出器２は、例えば、光ダイオード検出素子、アバランシェフォトダイオード、光伝導型ダイオード、あるいは焦電型光検出素子である。

第１光検出器として、例えば、半導体放射線検出器を用いることで、本発明を放射線検出器として用いることができる。この場合、放射線強度は、電圧、電流あるいは光強度に変換される。

本発明の光帰還型光検出器１００の回路例を示す図である。リセット制御回路の動作を説明するための、リセット制御回路入力電圧−時間グラフである。２つのリセット制御回路を用いる光帰還型光検出器１０１の例を示す図である。２つのリセット制御回路を用いる場合の動作を説明するための、リセット制御回路入力電圧−時間グラフである。リセット制御回路の例を示す図である。特許文献１の極微弱光検出器および極微弱光撮像装置に関する開示す図である。

符号の説明

１第１光検出器
２第２光検出器
３ａ第１発光素子
３ｂ第２発光素子
４ａ第１リセット制御回路
４ｂ第２リセット制御回路
５演算増幅器
６ａ第１帰還光路
６ｂ第２帰還光路
７出力
８光ファイバ
１０、１１、１２演算増幅器
１３セットリセットセットフリップフロップ
１００、１０１光帰還型光検出器
Ｔ１〜Ｔ４端子

Claims

予め決められた電位差が印加される第１光検出器と第２光検出器との直列接続回路と、
第１光検出器と第２光検出器との結節点の電位を反転入力（あるいは非反転）端子側に入力し、非反転（あるいは反転）入力端子を基準電位に接続した演算増幅器と、
上記演算増幅器の出力電圧を入力し、閾値電圧がＶ１とＶ２である第１シュミットトリガと、
該第１シュミットトリガの出力を制御信号とする第１発光素子と、
上記発光素子の光を第２光検出器に入力する第１帰還光路と、
を備え、
検出しようとする入力光を第１光検出器に入力し、上記演算増幅器の出力電圧が上記閾値Ｖ１を越えない様に維持しつつ上記入力光の強度を検出することを特徴とする光帰還型光検出器。
上記第１シュミットトリガは、第１、第２コンパレータと、リセットセットフリップフロップ（ＲＳ−ＦＦ）を備え、
第１コンパレータは、上記演算増幅器の出力電圧が、上記閾値Ｖ１とＶ２間側から上記閾値Ｖ１を越える場合にセット信号を出力し、
第２コンパレータは、上記演算増幅器の出力電圧が、上記閾値Ｖ１とＶ２間側から上記閾値Ｖ２を越える場合にリセット信号を出力し、
上記ＲＳ−ＦＦは、上記セット信号とリセット信号を入力して上記発光素子の制御信号を出力するものであることを特徴とする請求項１に記載の光帰還型光検出器。
請求項１に記載の光帰還型光検出器の構成に加えて、
上記演算増幅器の出力電圧を入力し、閾値電圧がＶ３とＶ４である第２シュミットトリガと、
該第２シュミットトリガの出力を制御信号とする第２発光素子と、
上記第２発光素子の光を第１光検出器に入力する第２帰還光路と、
を備え、
上記演算増幅器の出力電圧を、上記閾値Ｖ１を越えないように維持するよう第１シュミットトリガを動作させるか、あるいは、上記閾値Ｖ４を越えないように維持するよう第２シュミットトリガを動作させつつ上記入力光の強度を検出することを特徴とする光帰還型光検出器。
上記第１（あるいは第２）シュミットトリガは、第１、第２コンパレータと、リセットセットフリップフロップ（ＲＳ−ＦＦ）を備え、
第１コンパレータは、上記演算増幅器の出力電圧が、上記閾値Ｖ１とＶ２（あるいはＶ３とＶ４）間側から上記閾値Ｖ１（あるいはＶ３）を越える場合にセット信号を出力し、
第２コンパレータは、上記演算増幅器の出力電圧が、上記閾値Ｖ１とＶ２（あるいはＶ３とＶ４）間側から上記閾値Ｖ２（あるいはＶ４）を越える場合にリセット信号を出力し、
上記ＲＳ−ＦＦは、上記セット信号とリセット信号を入力して上記第１（あるいは第２）発光素子の制御信号を出力するものであることを特徴とする請求項１に記載の光帰還型光検出器。
上記の帰還光路は、空間型、光ファイバ型、あるいは平面導波型の光路であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光帰還型光検出器。
第１光検出器と第２光検出器は、逆バイアス電圧が印加された半導体ダイオードであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載された光帰還型光検出器。
第１光検出器は、光ダイオード検出素子、アバランシェフォトダイオード、光伝導型ダイオード、あるいは焦電型光検出素子であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の光帰還型光検出器。
上記発光素子は、抵抗素子と直列接続された発光ダイオードで、上記演算増幅器と予め決められた電位端子との間に接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の光帰還型光検出器。
第１光検出器に感度が無く、かつ、第２光検出器に感度のある第１発光素子の発光スペクトル成分を第２光検出器に入力することを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の光帰還型光検出器。