JP5644294B2 - Photodetector - Google Patents
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Description
本発明は、光検出器に関し、特に、アバランシェ効果を利用した光検出器に関する。 The present invention relates to a photodetector, and more particularly to a photodetector using an avalanche effect.
光通信や光レーダ等において微弱な光信号を検出するための受光素子としてアバランシェフォトダイオード(APD)が用いられている。APDにフォトンが入射すると電子・正孔対が生成され、電子と正孔が各々高電解で加速されて、次々と雪崩のように衝突電離を引き起こして新たな電子・正孔対を生成する。 An avalanche photodiode (APD) is used as a light receiving element for detecting a weak optical signal in optical communication or optical radar. When photons are incident on the APD, electron-hole pairs are generated, and the electrons and holes are accelerated by high electrolysis, and subsequently generate impact ionization like avalanches to generate new electron-hole pairs.
APDの使用モードには、逆バイアス電圧を降伏電圧(ブレークダウン電圧)未満で動作させるリニアモードと、降伏電圧以上で動作させるガイガーモードがある。リニアモードでは生成される電子・正孔対の割合よりも消滅(高電界から出る)する電子・正孔対の割合が大きく、アバランシェは自然に止まる。出力電流は入射光量にほぼ比例するため入射光量の測定に用いることができる。ガイガーモードでは、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こすことができる。このようなフォトダイオードをシングルフォトンフォトダイオード(SPAD:Single Photon Avalanche Diode)という。SPADでは、印加電圧を降伏電圧まで下げることによりアバランシェを止めることができる。印加電圧を下げてアバランシェ現象を停止させることはクエンチングと呼ばれる。最も単純なクエンチング回路はAPDと直列にクエンチング抵抗を接続することで実現される。アバランシェ電流が生ずるとクエンチング抵抗端子間の電圧上昇によってAPDのバイアス電圧が降下し、降伏電圧未満となるとアバランシェ電流が止まる。APDには高電界を印加できるため、微弱光に高速に応答することができ、光学的測距装置や光通信等の分野で広く使われている。 The APD use mode includes a linear mode in which the reverse bias voltage is operated below a breakdown voltage (breakdown voltage) and a Geiger mode in which the reverse bias voltage is operated at a breakdown voltage or higher. In the linear mode, the proportion of electron / hole pairs that disappear (from a high electric field) is larger than the proportion of electron / hole pairs that are generated, and the avalanche stops naturally. Since the output current is substantially proportional to the amount of incident light, it can be used to measure the amount of incident light. In the Geiger mode, an avalanche phenomenon can occur even when a single photon is incident. Such a photodiode is referred to as a single photon photodiode (SPAD). In SPAD, the avalanche can be stopped by lowering the applied voltage to the breakdown voltage. Lowering the applied voltage to stop the avalanche phenomenon is called quenching. The simplest quenching circuit is realized by connecting a quenching resistor in series with the APD. When an avalanche current is generated, the APD bias voltage drops due to a rise in the voltage between the quenching resistance terminals, and when it becomes less than the breakdown voltage, the avalanche current stops. Since a high electric field can be applied to APD, it can respond to weak light at high speed, and is widely used in the fields of optical distance measuring devices and optical communication.
APDを用いて飛行時間計測法(TOF:Time of Flight)を行う光学的測距装置は、そのナノ秒程度の測定精度及び低消費電力性から道路上の障害物や人までの距離を測定する衝突回避安全装置等に適用できる。このような光学的測距装置は、反応速度、耐ノイズ性、感度、省電力性、サイズ及びコスト面からの要求を満たす必要がある。 An optical distance measuring device that performs time-of-flight (TOF) using APD measures the distance to obstacles and people on the road from its nanosecond measurement accuracy and low power consumption. Applicable to collision avoidance safety devices. Such an optical distance measuring device needs to satisfy the requirements of reaction speed, noise resistance, sensitivity, power saving, size, and cost.
このような要件を幾つか満たすものとして相補型金属酸化膜半導体技術(CMOS:complementary metal−oxide−semiconductor)が知られている。このCMOS技術をAPDへ適用したシリコンフォトマルチプライヤ(SiPM:Silicon Photo Multipliers)が知られている(非特許文献1)。SiPMは、複数のAPDをアレイ状に行列配置し、全体として大きな光検出器を構成する。 Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology is known as a technique that satisfies some of these requirements. A silicon photomultiplier (SiPM) in which this CMOS technology is applied to an APD is known (Non-patent Document 1). The SiPM forms a large photodetector as a whole by arranging a plurality of APDs in an array.
しかしながら、SPADの各フォトダイオードから出力される電流パルスは検出する光子の数に正確には比例せず、1つのSPADで検出された光子の数を知ることはできない。そこで、多数のSPADを備えるSiPMを用いて連続的な光検出を空間的に平均化された電流値として検出している。 However, the current pulse output from each photodiode of SPAD is not exactly proportional to the number of photons to be detected, and the number of photons detected by one SPAD cannot be known. Therefore, continuous light detection is detected as a spatially averaged current value using SiPM having a large number of SPADs.
例えば、図17に示すように、4つのSPAD40にクエンチング抵抗42を直列接続した要素を並列に接続した構成とし、その接続点を流れる電流において4つのSPAD40から出力される電流パルスの和を検出する。SiPMでは、電流パルスは指数関数的な減少を示し、その和は図18の例に示すような波形となる。
For example, as shown in FIG. 17, elements in which
図18に示すように、複数のSPADで光子が検出された場合、指数関数的に減少する電流パルスが重畳された信号が得られる。このとき、信号の波高値は光子を検出したSPADから出力される電流パルスのピークの和にならず、SiPMで検出された光子の数に対応しない。 As shown in FIG. 18, when a photon is detected by a plurality of SPADs, a signal on which a current pulse that decreases exponentially is superimposed is obtained. At this time, the peak value of the signal is not the sum of the peaks of the current pulses output from the SPAD that has detected the photons, and does not correspond to the number of photons detected by the SiPM.
TOFを用いた測距装置では、被測定対象物で反射されたレーザ光を正確に検出してトリガ信号を発生させることが重要であり、複数のSPADでほぼ同時に検出される光子の合計数を正確に知ることができる技術が望まれている。 In a distance measuring device using TOF, it is important to accurately detect the laser beam reflected by the object to be measured and generate a trigger signal. The total number of photons detected almost simultaneously by a plurality of SPADs is calculated. There is a demand for a technology that can be accurately known.
なお、特許文献2には、SiPMの素子面積に対する受光領域がしめる面積の割合を増加させることにより、SiPMの受光感度を増加させ、素子間のクロストークを低減する技術が開示されている。しかしながら、この技術においても、上記指数関数的な出力パルスの減少に起因する問題は解決されない。
さらに、一般的には、光学的測距装置は、反応速度、耐ノイズ性、感度、省電力性、サイズ及びコスト面からの要求を満たす必要がある。 Further, in general, the optical distance measuring device needs to satisfy the requirements from the reaction speed, noise resistance, sensitivity, power saving, size and cost.
本発明は、ガイガーモードで使用される複数のアバランシェフォトダイオードのアレイと、前記アバランシェフォトダイオードの各々からの出力信号をそれぞれ矩形パルスに変換する複数の弁別回路と、前記複数の弁別回路によって生成された前記矩形パルスを加算して出力する加算回路と、を備えることを特徴とする光検出器である。 The present invention is generated by an array of a plurality of avalanche photodiodes used in a Geiger mode, a plurality of discriminating circuits each converting an output signal from each of the avalanche photodiodes into a rectangular pulse, and the plurality of discriminating circuits. And a summing circuit for summing and outputting the rectangular pulses.
ここで、前記矩形パルスのパルス幅は、前記アバランシェフォトダイオードにおける光電変換に関連して決定されることが好適である。 Here, it is preferable that the pulse width of the rectangular pulse is determined in relation to photoelectric conversion in the avalanche photodiode.
また、前記弁別回路は、電流源を制御して前記矩形パルスとして電流矩形パルスを生成し、前記加算回路は、前記電流矩形パルスをアナログ的に合成する共通出力接点であることが好適である。 Preferably, the discrimination circuit controls a current source to generate a current rectangular pulse as the rectangular pulse, and the adding circuit is a common output contact that synthesizes the current rectangular pulse in an analog manner.
また、前記加算回路は、アクティブ状態にある前記矩形パルスをデジタル的に加算する2値加算回路であり、前記加算回路の出力と基準値とを比較して、その比較結果に応じてトリガ信号を出力する比較回路を備えることが好適である。 The adder circuit is a binary adder circuit that digitally adds the rectangular pulses in the active state, compares the output of the adder circuit with a reference value, and generates a trigger signal according to the comparison result. It is preferable to provide a comparator circuit for outputting.
また、前記トリガ信号に同期して、前記加算回路の出力値を保持する保持回路と、前記保持回路に保持されている値に応じて前記トリガ信号のタイミング誤差を補正する補正回路を備えることが好適である。 A holding circuit for holding the output value of the adder circuit in synchronization with the trigger signal; and a correction circuit for correcting a timing error of the trigger signal according to the value held in the holding circuit. Is preferred.
また、前記矩形パルスに同期して前記矩形パルスよりも長いパルス幅を有する第2矩形パルスを発生させる第2弁別回路と、前記第2矩形パルスをデジタル的に2値加算する第2加算回路と、前記トリガ信号に同期して、前記第2加算回路の出力値を保持する保持回路と、を備えることが好適である。 A second discriminating circuit for generating a second rectangular pulse having a pulse width longer than the rectangular pulse in synchronization with the rectangular pulse; and a second adding circuit for digitally adding the second rectangular pulse to a binary value; And a holding circuit for holding the output value of the second adder circuit in synchronization with the trigger signal.
また、前記第2弁別回路は、前記アバランシェフォトダイオードのデッドタイムに略等しいパルス幅を有する前記第2矩形パルスを生成するクエンチング又は再チャージ回路であることが好適である。 The second discriminating circuit is preferably a quenching or recharging circuit that generates the second rectangular pulse having a pulse width substantially equal to a dead time of the avalanche photodiode.
また、前記第2弁別回路は、前記比較回路において前記加算回路の出力が前記基準値以上となるまで前記第2矩形パルスを非アクティブ状態とすることが好適である。 Further, it is preferable that the second discriminating circuit deactivates the second rectangular pulse until the output of the adder circuit becomes equal to or higher than the reference value in the comparison circuit.
また、相補型金属酸化膜半導体技術を用いて前記アバランシェフォトダイオードのアレイ、前記弁別回路及び前記加算回路がモノリシックに実装されていることが好適である。 Further, it is preferable that the array of avalanche photodiodes, the discrimination circuit, and the addition circuit are monolithically mounted using complementary metal oxide semiconductor technology.
また、上記いずれか1つの光検出器を備え、照射光の飛行時間検出により測距を行う光学測距装置としてもよい。 Further, any one of the above-described photodetectors may be provided, and an optical distance measuring device that performs distance measurement by detecting time of flight of irradiation light may be used.
本発明によれば、TOFを用いた測距装置において高い精度で検出トリガ信号を生成することができる反応速度が高く、高感度で耐ノイズ性が良好なガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードを含む光検出器を提供することができる。 The present invention includes an avalanche photodiode that operates in a Geiger mode with high response speed, high sensitivity, and good noise resistance, capable of generating a detection trigger signal with high accuracy in a distance measuring device using TOF. A photodetector can be provided.
<第1の実施の形態>
第1の実施の形態における光検出器100は、図1に示すように、シリコンフォトマルチプライヤ(SiPM)10、クエンチング素子12(12a〜12d)、弁別回路14(14a〜14d)、電流源16(16a〜16d)を含んで構成される。光検出器100は、以下に示す他の実施の形態の基本となる構成を有している。なお、以下の説明では、各信号がハイレベルのときをアクティブ状態、ローレベルのときを非アクティブ状態として説明するが、ローレベルのときをアクティブ状態、ハイレベルのときを非アクティブ状態とする回路構成としても同様の作用・効果を得ることができる。
<First Embodiment>
As shown in FIG. 1, the
光検出器100は、4つのシングルフォトンアバランシェフォトダイオード(SPAD)10a〜10dを含むSiPM10を含んで構成される例を示している。もちろん、本発明の適用範囲は4つのSPAD10a〜10dを含むSiPM10に限定されるものでなく、例えば10×10の行列状にSPADを配置した構成等、4つ以外のSPADを含むSiPM10であっても同様に適用できる。
The
SiPM10は、SPAD10a〜10dを含んで構成される。各SPAD10a〜10dは、ガイガーモードで動作する。すなわち、各SPAD10a〜10dは、逆バイアス電圧を降伏電圧以上として動作させられ、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こす。したがって、SiPM10は、レーザ光等の入射光に対して高い感度を有する。
The SiPM 10 includes
ここで、各SPAD10a〜10dは、ガードリングや金属配線の領域をできるだけ小さくし、素子面積に対する受光領域の割合であるフィルファクタ(開口率)を高めることが好適である。特に、クエンチング素子やリチャージ素子を行列状に配置されたSPADの内部に形成しないことで、フィルファクタを高めることができる。 Here, each of the SPADs 10a to 10d preferably has a guard ring and a metal wiring area as small as possible, and increases a fill factor (aperture ratio) that is a ratio of a light receiving area to an element area. In particular, the fill factor can be increased by not forming quenching elements and recharge elements inside the SPAD arranged in a matrix.
クエンチング素子12(12a〜12d)は、トランジスタや抵抗で構成することができる。クエンチング素子12(12a〜12d)は、SPAD10a〜10dの外部において金属配線によってSPAD10a〜10dに対して接続することが好適である。
The quenching element 12 (12a to 12d) can be composed of a transistor or a resistor. The quenching element 12 (12a to 12d) is preferably connected to the
SPAD10a〜10dにアバランシェ電流が生ずるとクエンチング素子12の端子間の電圧上昇によってSPAD10a〜10dに対するバイアス電圧が降下し、降伏電圧未満となるとアバランシェ電流が止まる。クエンチング素子12(12a〜12d)は、各SPAD10a〜10dに直列に接続され、弁別回路14(14a〜14d)のそれぞれに対する出力電圧を発生させるためにも利用される。
When an avalanche current is generated in the
弁別回路14(14a〜14d)は、SPAD10a〜10d及びクエンチング素子12a〜12dのペア毎にそれぞれ設けられる。以下、弁別回路14aを例に説明するが、弁別回路14b,14c及び14dも同様である。
The discrimination circuit 14 (14a to 14d) is provided for each pair of the SPADs 10a to 10d and the
弁別回路14aは、クエンチング素子12aの端子電圧を所定の基準値と比較し、その比較結果に応じて矩形パルスを生成する。弁別回路14aは、図2に示すように、コンパレータ14e、遅延素子14f及びアンド素子14gを含んで構成することかできる。また、図3に弁別回路14a〜14dの動作を説明するためのタイミングチャートを示す。
The
コンパレータ14eは、クエンチング素子12aの端子電圧Vaを受けて、端子電圧Vaと基準電圧VREFとを比較し、端子電圧Vaが基準電圧VREF以上であればハイレベルであり、端子電圧Vaが基準電圧VREF未満であればローレベルである出力パルスA1を出力する。遅延素子14fは、コンパレータ14eの出力パルスを受けて、出力パルスの変化を遅延時間Wだけ遅延させて出力パルスB1として出力する。遅延時間Wは、SPAD10aのデッドタイム、すなわちSPAD10aの出力である端子電圧Vaの立ち上がりから消滅までの時間よりも短い時間とすることが好適である。具体的には、遅延時間Wは、1n秒以上20n秒以下とすることがより好適である。アンド素子14gは、コンパレータ14eからの出力パルスA1と、遅延素子14fからの出力パルスB1の反転信号と、を受けて、それらの論理積を算出して出力する。これにより、弁別回路14aは、SPAD10aからの出力である端子電圧Vaが基準電圧VREF以上となった時点から所定の遅延時間Wだけのパルス幅を有する矩形パルスC1を生成して出力する。
The
なお、SPAD10aの出力である端子電圧Vaは、SPAD10aがフォトンの受光時刻に応じて急峻な立ち上がりを示すので、矩形パルスC1はSPAD10aがフォトンを受けた時刻とほぼ同時に立ち上がる信号となる。また、図3に示すように、弁別回路14b,14c及び14dも弁別回路14aと同様に機能する。
Note that the terminal voltage Va, which is the output of the
電流源16(16a〜16d)は、弁別回路14(14a〜14d)から出力される矩形パルスC1〜C4を受けて、それぞれ矩形パルスC1〜C4がハイレベルとなっている期間に所定値の電流を流す。電流源16(16a〜16d)は、1つの出力端子T1に接続され、図1に示すように、出力端子T1には電流源16(16a〜16d)から出力される電流を加算した加算電流Isumが流れる。 The current source 16 (16a to 16d) receives the rectangular pulses C1 to C4 output from the discrimination circuit 14 (14a to 14d), and each of the currents has a predetermined value during a period in which the rectangular pulses C1 to C4 are at a high level. Shed. The current source 16 (16a to 16d) is connected to one output terminal T1, and, as shown in FIG. 1, an addition current Isum obtained by adding the currents output from the current source 16 (16a to 16d) to the output terminal T1. Flows.
加算電流Isumは、図3に示すように、SiPM10に含まれるSPAD10a〜10dでほぼ同時に検出された光子の合計数に応じた値となる。したがって、加算電流Isumをトリガ信号として利用することによって、被測定対象物で反射されたレーザ光の検出精度を高めることができる。例えば、本実施の形態では、加算電流Isumが3単位(SPAD10a〜10dのうち3つにフォトンが入射した状態)以上となった場合にトリガ信号を出力するものとすれば光の検出を高い精度で行うことができる。
As shown in FIG. 3, the addition current Isum takes a value corresponding to the total number of photons detected almost simultaneously by the
<第2の実施の形態>
第2の実施の形態における光検出器200は、図4に示すように、シリコンフォトマルチプライヤ(SiPM)10、クエンチング素子12(12a〜12d)、弁別回路14(14a〜14d)、デジタル加算器18及びデジタルコンパレータ20を含んで構成される。
<Second Embodiment>
As shown in FIG. 4, the
以下、図5のタイミングチャートを参照して、本実施の形態における光検出器200の機能について説明する。なお、本実施の形態において、SiPM10、クエンチング素子12及び弁別回路14の機能は上記第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
Hereinafter, the function of the
デジタル加算器18は、弁別回路14で生成された出力パルスC1〜C4をデジタル的に加算して、その値を出力値Dsumとして出力する。すなわち、デジタル加算器18は、出力パルスC1〜C4のうちハイレベルである信号の合計数を算出して出力する。
The
デジタルコンパレータ20は、デジタル加算器18の出力値Dsumと所定の基準値DREFとを比較して、デジタル加算器の出力値Dsumが基準値DREF以上であればトリガ信号TRGをハイレベルとし、そうでなければローレベルとする。例えば、基準値DREFを3としておけば、デジタル加算器の出力値Dsumが3以上の期間にトリガ信号TRGがハイレベルとされる。
The
本実施の形態の光検出器200においても、被測定対象物で反射されたレーザ光の検出精度を高めることができる。なお、本実施の形態ではハイレベルを各信号のアクティブ状態としたが、ローレベルを各信号のアクティブ状態としてもよい。
Also in the
<第3の実施の形態>
第3の実施の形態における光検出器300は、図6に示すように、第1の実施の形態の構成に抵抗素子R及びコンスタントフラクションディスクリミネータ(CFD)22を加えて構成される。
<Third Embodiment>
As shown in FIG. 6, the
以下、図7のタイミングチャートを参照して、本実施の形態における光検出器300の機能について説明する。なお、本実施の形態において、SiPM10、クエンチング素子12、弁別回路14及び電流源16の機能は上記第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
Hereinafter, the function of the
抵抗素子Rは、端子T1に接続され、加算電流Isumを端子電圧Vinに変換して出力する。端子電圧Vinは、図7に示すように、電源電圧Vから抵抗素子Rによる電圧降下分である電位差R×Isumを減算した値となる。 The resistance element R is connected to the terminal T1, converts the addition current Isum into a terminal voltage Vin, and outputs it. As illustrated in FIG. 7, the terminal voltage Vin is a value obtained by subtracting a potential difference R × Isum that is a voltage drop due to the resistance element R from the power supply voltage V.
CFD22は、入力されるパルスの立ち上がり時刻をパルスの大きさに依存せずに正確に検出するために用いられる回路である。CFD22は、図6に示すように、コンパレータ22a、増幅器22b、遅延素子22c、コンパレータ22d及びアンド素子22eを含んで構成することができる。コンパレータ22aは、入力電圧Vinと基準電圧VTHRとを比較し、入力電圧Vinが基準電圧VTHR以下であれば出力信号Dをハイレベルとし、入力電圧Vinが基準電圧VTHRより大きければ出力信号Dをローレベルとする。
The
基準電圧VTHRは、入力信号Vinに含まれる光学的なノイズや他のノイズをモニタリングし、これらのノイズの大きさに応じて動的に変化させることが好適である。例えば、ノイズが大きいほど基準電圧VTHRは小さくすることが好適である。 It is preferable that the reference voltage V THR is changed dynamically according to the magnitude of these noises by monitoring optical noise and other noises included in the input signal Vin. For example, it is preferable to reduce the reference voltage V THR as the noise increases.
一方、入力信号Vinは、増幅器22bによって所定の増幅率Aで増幅され、遅延素子22cにおいて所定の遅延時間だけ遅延されて信号Eとして出力される。増幅率Aは、例えば、3〜6dBとすることが好適である。また、遅延素子22cの遅延時間は、入力信号Vinのパルス幅よりも小さくすることが好適である。コンパレータ22dは、信号Eと入力信号Vinとを比較し、入力信号Vinが信号E以上であれば出力信号Fをハイレベルとし、入力信号Vinが信号E未満であれば出力信号Fをローレベルとする。アンド素子22eは、コンパレータ22aからの出力信号D及びコンパレータ22dからの出力信号Fを受けて、両信号の論理積を算出して出力信号Gとして出力する。
On the other hand, the input signal Vin is amplified at a predetermined amplification factor A by the
一般的に、入力信号Vinの最大振幅(加算電流Isumの最大振幅)の違いに応じて入力信号Vin(加算電流Isum)の立ち上がりの速さ(信号の立ち上がりの傾き)が異なってくる。通常のコンパレータを用いて入力信号Vin(加算電流Isum)が所定の基準値以上となった時点を入力信号Vinの立ち上がり時点として検出する処理では、入力信号Vinの最大振幅(加算電流Isumの最大振幅)に応じて検出時点に誤差が発生する。一方、光学的測距装置では、1n秒の誤差が約15cmの距離の誤差として影響する。CFD22は、このような信号の立ち上がりの速さに依る距離の検出誤差を無くすための回路であり、入力信号Vinの立ち上がり時点の検出における入力信号Vinの振幅による影響を低減する。本実施の形態の光検出器300によれば、被測定対象物で反射されたレーザ光の検出精度をさらに高めることができる。
Generally, the rising speed of the input signal Vin (added current Isum) (the rising slope of the signal) varies depending on the difference in the maximum amplitude of the input signal Vin (maximum amplitude of the added current Isum). In the process of detecting the time point when the input signal Vin (addition current Isum) is equal to or higher than a predetermined reference value using a normal comparator as the rising point of the input signal Vin, the maximum amplitude of the input signal Vin (the maximum amplitude of the addition current Isum) ) Causes an error at the detection time. On the other hand, in the optical distance measuring device, an error of 1 ns affects a distance error of about 15 cm. The
<第4の実施の形態>
第4の実施の形態における光検出器400は、図8に示すように、第3の実施の形態の構成の抵抗素子Rに代えて伝達インピーダンス増幅器(TIA)24を含んで構成される。
<Fourth embodiment>
As shown in FIG. 8, the
TIA24は、加算電流Isumに応じた出力信号Vinを生成して出力する。このとき、TIA24は、図8に示す配線上の寄生キャパシタンスCの影響を低減し、出力信号Vinの立ち上がりをより急峻とすることを可能とする。
The
これにより、SiPM10へのフォトンの入力に対応する入力信号Vinの立ち上がりの遅れや鈍りを低減することができ、被測定対象物で反射されたレーザ光の検出精度をさらに高めることができる。 Thereby, the delay or dullness of the rising of the input signal Vin corresponding to the input of photons to the SiPM 10 can be reduced, and the detection accuracy of the laser light reflected by the measurement object can be further increased.
<第5の実施の形態>
第5の実施の形態における光検出器500は、図9に示すように、第2の実施の形態における構成にメモリ素子26を加えた構成を有する。
<Fifth embodiment>
As shown in FIG. 9, the
メモリ素子26は、デジタルコンパレータ20からのトリガ信号TRGの変化に同期して、デジタル加算器18の出力値Dsumを保持して出力する。メモリ素子26は、1つ又は複数のフリップフロップ素子やラッチ素子によって構成することができる。
The
メモリ素子26に保持される出力値Dsumは、出力値Dsumに応じてトリガ信号TRGに含まれる時間的な誤差の補正に用いることができる。例えば、出力値Dsumが大きくなるほど、トリガ信号TRGはより早くハイレベルになる傾向を示すので、そのような傾向を補償する処理を行うための補正回路(図示しない)を設け、メモリ素子26から出力される出力値Dsumに応じてトリガ信号TRGの立ち上がりタイミングを補正する処理を行うことができる。
The output value Dsum held in the
<第6の実施の形態>
第6の実施の形態における光検出器600は、図10に示すように、第5の実施の形態における構成にさらに弁別回路28(28a〜28d)、デジタル加算器30及び遅延素子32を加えた構成を有する。また、図11に光検出器600の動作を説明するためのタイミングチャートを示す。
<Sixth Embodiment>
As shown in FIG. 10, a
弁別回路28(28a〜28d)は、それぞれ弁別回路14(14a〜14d)からの出力信号C1〜C4を受けて、遅延時間Wよりも長いパルス幅Tを有する矩形パルスH1〜H4を生成して出力する。具体的には、弁別回路28(28a〜28d)は、図12に示すように、それぞれフリップフロップ素子28e及び遅延素子28fを含んで構成することができる。以下、弁別回路28aを例に説明する。
The discrimination circuit 28 (28a to 28d) receives the output signals C1 to C4 from the discrimination circuit 14 (14a to 14d), respectively, and generates rectangular pulses H1 to H4 having a pulse width T longer than the delay time W. Output. Specifically, the discrimination circuit 28 (28a to 28d) can be configured to include a flip-
フリップフロップ素子28eは、矩形パルスC1をクロック信号として受けて、矩形パルスC1がローレベルからハイレベルに変化したタイミングに同期して出力Qをローレベルからハイレベルへ変化させると共に、反転出力Qバーをハイレベルからローレベルへ変化させる。遅延素子28fは、反転出力Qバーの反転信号を遅延時間Tだけ遅延させて出力する。遅延素子28fの出力はフリップフロップ素子28eのリセット端子へ入力される。したがって、フリップフロップ素子28eは、出力Qがローレベルからハイレベルへ変化してから遅延時間T経過後にリセットされ、出力Qをハイレベルからローレベルへ変更する。このようにして、弁別回路28aは、パルス幅Wの矩形パルスC1をパルス幅Tの矩形パルスH1に変更する機能を有する。
The flip-
なお、遅延素子28fの遅延時間Tは、SPAD10aのデッドタイム、すなわちSPAD10aの出力である端子電圧Vaの立ち上がりから消滅までの時間と略等しくすることが好適である。具体的には、遅延時間Tは、5n秒以上100n秒以下とすることが好適である。
The delay time T of the
デジタル加算器30は、弁別回路28(28a〜28d)からの出力パルスH1〜H4をデジタル的に加算して、その値を出力値Dsum2として出力する。すなわち、デジタル加算器30は、出力パルスH1〜H4のうちハイレベルである信号の合計数を算出して出力する。
The
一方、遅延素子32は、デジタルコンパレータ20から出力されるトリガ信号TRGを所定の遅延時間τだけ遅延させてメモリ素子26のクロック信号TRGτとして出力する。
On the other hand, the
メモリ素子26は、遅延素子32からのクロック信号TRGτの変化に同期して、デジタル加算器30の出力値Dsum2を保持して出力値Doutとして出力する。メモリ素子26は、1つ又は複数のフリップフロップ素子やラッチ素子によって構成することができる。
The
このように、弁別回路28(28a〜28d)を用いて遅延時間Wよりも長いパルス幅Tを有する矩形パルスH1〜H4を生成して、デジタル加算器30を用いて矩形パルスH1〜H4を加算して出力値Dsum2を算出すると共に、トリガ信号TRGを遅延させてメモリ素子26で出力値Dsum2を保持することによって、光検出器600において略同時に検出された光子の最大値を正確に出力値Doutとして得ることができる。
Thus, the rectangular pulses H1 to H4 having the pulse width T longer than the delay time W are generated using the discrimination circuit 28 (28a to 28d), and the rectangular pulses H1 to H4 are added using the
メモリ素子26から出力される出力値Doutは、第5の実施の形態と同様に、トリガ信号TRGに含まれる時間的な誤差の補正等に用いることができる。
The output value Dout output from the
なお、図13に示すように、弁別回路14(14a〜14d)を介さず、シリコンフォトマルチプライヤ(SiPM)10からの出力電圧Va〜Vdを弁別回路28(28a〜28d)へ直接入力する構成を有する光検出器602としてもよい。
As shown in FIG. 13, the output voltages Va to Vd from the silicon photomultiplier (SiPM) 10 are directly input to the discrimination circuit 28 (28a to 28d) without going through the discrimination circuit 14 (14a to 14d). It is good also as the
<第7の実施の形態>
第7の実施の形態における光検出器700は、図14に示すように、第6の実施の形態における構成にさらに弁別回路34を加えた構成を有する。また、図15に光検出器700の動作を説明するためのタイミングチャートを示す。
<Seventh embodiment>
As shown in FIG. 14, the
なお、光検出器700に含まれる弁別回路28(28a〜28d)は、図16に示すように、第6の実施の形態における弁別回路28(28a〜28d)にゲート機能が付いたバッファ素子28gを加えた構成となっている。すなわち、弁別回路28(28a〜28d)は、バッファ素子28gに入力されるイネーブル信号ENがハイレベルとなっている期間のみ出力を行う。
As shown in FIG. 16, the discrimination circuit 28 (28a to 28d) included in the
弁別回路34は、デジタルコンパレータ20からトリガ信号TRGを受けて、トリガ信号TRGが立ち上がった時点からパルス幅Tの矩形パルスを生成して出力する。この矩形パルスがイネーブル信号ENとなる。イネーブル信号ENは、弁別回路28(28a〜28d)の各バッファ素子28g及び遅延素子32へ入力される。
The
弁別回路28(28a〜28d)は、イネーブル信号ENがハイレベルとなった時点ではじめて出力パルスH1〜H4を出力する。したがって、デジタル加算器30は、イネーブル信号ENがハイレベルとなるまで実質的に加算処理を行う必要が無く、本実施の形態ではデジタル加算器30における消費電力を抑えることができる。
The discrimination circuit 28 (28a to 28d) outputs the output pulses H1 to H4 only when the enable signal EN becomes high level. Therefore, it is not necessary for the
遅延素子32は、イネーブル信号ENを遅延時間τだけ遅延させてメモリ素子26のクロック信号TRGτとして出力する。メモリ素子26は、遅延素子32からのクロック信号TRGτの変化に同期して、デジタル加算器30の出力値Dsum2を保持して出力値Doutとして出力する。
The
このように、本実施の形態における光検出器700では、トリガ信号TRGが立ち上がるまでデジタル加算器30における加算処理を実質的に行わないようにすることによって回路全体の消費電力を低減することができる。
As described above, in the
なお、上記総ての実施の形態における各構成要素はSiPM10と同一の半導体基板上にモノリシックに形成することがより好適である。 In addition, it is more preferable that each component in all the above embodiments is formed monolithically on the same semiconductor substrate as the SiPM 10.
10 シリコンフォトマルチプライヤ、10a〜10d シングルフォトンアバランシェフォトダイオード、12(12a〜12d) クエンチング素子、14(14a〜14d 弁別回路、14e コンパレータ、14f 遅延素子、14g アンド素子、16(16a〜16d) 電流源、18 デジタル加算器、20 デジタルコンパレータ、22 コンスタントフラクションディスクリミネータ(CFD)、22a コンパレータ、22b 増幅器、22c 遅延素子、22d コンパレータ、22e アンド素子、24 伝達インピーダンス増幅器(TIA)、26 メモリ素子、28(28a〜28d) 弁別回路、28e フリップフロップ素子、28f 遅延素子、28g バッファ素子、30 デジタル加算器、32 遅延素子、34 弁別回路、40 シングルフォトンアバランシェフォトダイオード、42 クエンチング抵抗、100,200,300,400,500,600,602,700 光検出器。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Silicon photomultiplier, 10a-10d Single photon avalanche photodiode, 12 (12a-12d) Quenching element, 14 (14a-14d Discrimination circuit, 14e Comparator, 14f Delay element, 14g AND element, 16 (16a-16d) Current source, 18 digital adder, 20 digital comparator, 22 constant fraction discriminator (CFD), 22a comparator, 22b amplifier, 22c delay element, 22d comparator, 22e AND element, 24 transfer impedance amplifier (TIA), 26 memory element 28 (28a to 28d) Discriminating circuit, 28e Flip-flop element, 28f Delay element, 28g Buffer element, 30 Digital adder, 32 Delay element, 34 Valve Circuit, 40 single photon avalanche photodiode, 42 quenching resistor, 100,200,300,400,500,600,602,700 photodetector.
Claims (10)
前記アバランシェフォトダイオードの各々からの出力信号をそれぞれ矩形パルスに変換する複数の弁別回路と、
前記複数の弁別回路によって生成された前記矩形パルスを加算して出力する加算回路と、
を備えることを特徴とする光検出器。 An array of multiple avalanche photodiodes used in Geiger mode;
A plurality of discriminating circuits each for converting an output signal from each of the avalanche photodiodes into a rectangular pulse;
An addition circuit for adding and outputting the rectangular pulses generated by the plurality of discrimination circuits;
A photodetector comprising:
前記矩形パルスのパルス幅は、前記アバランシェフォトダイオードにおける光電変換に関連して決定されることを特徴とする光検出器。 The photodetector of claim 1, comprising:
The pulse width of the rectangular pulse is determined in association with photoelectric conversion in the avalanche photodiode.
前記弁別回路は、電流源を制御して前記矩形パルスとして電流矩形パルスを生成し、
前記加算回路は、前記電流矩形パルスをアナログ的に合成する共通出力接点であることを特徴とする光検出器。 The photodetector according to claim 1 or 2,
The discrimination circuit controls a current source to generate a current rectangular pulse as the rectangular pulse,
The photodetector is a common output contact that synthesizes the current rectangular pulse in an analog manner.
前記加算回路は、アクティブ状態にある前記矩形パルスをデジタル的に加算する2値加算回路であり、
前記加算回路の出力と基準値とを比較して、その比較結果に応じてトリガ信号を出力する比較回路を備えることを特徴とする光検出器。 The photodetector according to claim 1 or 2,
The addition circuit is a binary addition circuit that digitally adds the rectangular pulses in an active state,
A photodetector comprising: a comparison circuit that compares an output of the adder circuit with a reference value and outputs a trigger signal in accordance with the comparison result.
前記トリガ信号に同期して、前記加算回路の出力値を保持及び出力する保持回路と、
前記保持回路に保持されている値に応じて前記トリガ信号のタイミング誤差を補正する補正回路を備えることを特徴とする光検出器。 The photodetector according to claim 4, comprising:
A holding circuit that holds and outputs the output value of the adder circuit in synchronization with the trigger signal;
An optical detector comprising: a correction circuit that corrects a timing error of the trigger signal in accordance with a value held in the holding circuit.
前記矩形パルスに同期して前記矩形パルスよりも長いパルス幅を有する第2矩形パルスを発生させる第2弁別回路と、
前記第2矩形パルスをデジタル的に2値加算する第2加算回路と、
前記トリガ信号に同期して、前記第2加算回路の出力値を保持及び出力する保持回路と、
を備えることを特徴とする光検出器。 The photodetector according to claim 4, comprising:
A second discriminating circuit for generating a second rectangular pulse having a pulse width longer than the rectangular pulse in synchronization with the rectangular pulse;
A second addition circuit that digitally adds the second rectangular pulse to a binary value;
A holding circuit that holds and outputs the output value of the second adder circuit in synchronization with the trigger signal;
A photodetector comprising:
前記第2弁別回路は、前記アバランシェフォトダイオードのデッドタイムに略等しいパルス幅を有する前記第2矩形パルスを生成するクエンチング又は再チャージ回路であることを特徴とする光検出器。 The photodetector according to claim 6, comprising:
The photodetector according to claim 1, wherein the second discrimination circuit is a quenching or recharging circuit that generates the second rectangular pulse having a pulse width substantially equal to a dead time of the avalanche photodiode.
前記第2弁別回路は、前記比較回路において前記加算回路の出力が前記基準値以上となるまで前記第2矩形パルスを非アクティブ状態とすることを特徴とする光検出器。 The photodetector according to claim 6, comprising:
The photodetector according to claim 2, wherein the second discriminating circuit deactivates the second rectangular pulse until the output of the adder circuit becomes equal to or higher than the reference value in the comparison circuit.
相補型金属酸化膜半導体技術を用いて前記アバランシェフォトダイオードのアレイ、前記弁別回路及び前記加算回路がモノリシックに実装されていることを特徴とする光検出器。 It is a photodetector as described in any one of Claims 1-8, Comprising:
A photodetector in which the array of avalanche photodiodes, the discrimination circuit, and the addition circuit are monolithically mounted using complementary metal oxide semiconductor technology.
照射光の飛行時間検出により測距を行う光学測距装置。 Comprising the photodetector according to any one of claims 1 to 9,
An optical distance measuring device that measures distance by detecting the time of flight of irradiated light.
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