JP6741703B2 - Photo detector - Google Patents

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Description

本開示は、アバランシェ効果を利用した光検出器に関する。 The present disclosure relates to a photodetector using the avalanche effect.

特許文献１には、アバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ）を用いた光検出器において、ＡＰＤの温度補償を行うために、電流増幅率の温度特性がＡＰＤと略同じで、逆バイアスされた参照用接合構造を利用することが開示されている。 In Patent Document 1, in a photodetector using an avalanche photodiode (hereinafter, APD), in order to perform temperature compensation of the APD, a temperature characteristic of a current amplification factor is substantially the same as that of the APD, and a reverse-biased reference is used. The use of a bonded structure is disclosed.

この光検出器では、参照用接合構造に参照電流を注入する電流注入用接合構造を有するトランジスタを利用し、参照電流の増幅率を所定値に保つように、ＡＰＤと参照用接合構造に印加する電圧を制御することで、ＡＰＤの増倍率を制御する。 In this photodetector, a transistor having a current injection junction structure for injecting a reference current into the reference junction structure is used, and the reference current is applied to the APD and the reference junction structure so as to keep the amplification factor at a predetermined value. By controlling the voltage, the multiplication factor of the APD is controlled.

特許第５２１１０９５号公報Japanese Patent No. 5211095

特許文献１に開示されたものでは、ＡＰＤの増倍率を制御することでＡＰＤを温度補償制御することから、ＡＰＤにブレイクダウン電圧未満の逆バイアス電圧を印加して動作させるリニアモードでは有効である。 In the one disclosed in Patent Document 1, since the APD is temperature-compensated by controlling the multiplication factor of the APD, it is effective in the linear mode in which a reverse bias voltage less than the breakdown voltage is applied to the APD to operate. ..

しかし、引用文献１に開示された技術は、ＡＰＤをカイガーモードで動作させる光検出器に適用することはできない。
つまり、ガイガーモードで動作するＡＰＤは、ＳＰＡＤと呼ばれ、逆バイアス電圧はブレイクダウン電圧よりも高い電圧値に設定される。なお、ＳＰＡＤは、Single Photon Avalanche Diode の略である。 However, the technique disclosed in the cited document 1 cannot be applied to the photodetector that operates the APD in the Kaiger mode.
That is, the APD that operates in the Geiger mode is called SPAD, and the reverse bias voltage is set to a voltage value higher than the breakdown voltage. SPAD is an abbreviation for Single Photon Avalanche Diode.

そして、ＳＰＡＤはフォトンの入射に応答すると、ブレイクダウンするため、ＳＰＡＤを利用する光検出器は、ＳＰＡＤがブレイクダウンしたときに所定パルス幅のパルス信号が出力されるよう構成される。 Since the SPAD breaks down in response to the incidence of photons, the photodetector using the SPAD is configured to output a pulse signal having a predetermined pulse width when the SPAD breaks down.

従って、ＳＰＡＤを利用する光検出器の出力は「１」か「０」であり、この種の光検出器では、増倍率を制御する概念はない。このため、特許文献１に開示された技術を利用して、ＳＰＡＤによる検出感度を温度補償することは困難である。 Therefore, the output of the photodetector using SPAD is "1" or "0", and this type of photodetector has no concept of controlling the multiplication factor. Therefore, it is difficult to temperature-compensate the detection sensitivity by SPAD by using the technique disclosed in Patent Document 1.

本開示の一局面では、ＳＰＡＤを用いた光検出器において、ＳＰＡＤの検出感度、より具体的にはＳＰＡＤのフォトン検出感度、を温度補償できるようにすることが望ましい。 In one aspect of the present disclosure, in a photodetector using SPAD, it is desirable to be able to compensate the detection sensitivity of SPAD, more specifically, the photon detection sensitivity of SPAD.

本開示の一局面の光検出器（１Ａ〜１Ｆ）は、検出部（１０）と、モニタ用ＳＰＡＤ（１２）と、電流源（１４）と、電圧生成部（１８）とを備える。
検出部は、ＳＰＡＤ（２）を備え、ＳＰＡＤに逆バイアス電圧を印加して光検出を行うように構成されている。また、モニタ用ＳＰＡＤは、検出部を構成するＳＰＡＤと同様の特性を有するＳＰＡＤである。 The photodetectors (1A to 1F) according to one aspect of the present disclosure include a detection unit (10), a monitor SPAD (12), a current source (14), and a voltage generation unit (18).
The detection unit includes a SPAD (2), and is configured to apply a reverse bias voltage to the SPAD to perform photodetection. The monitor SPAD is a SPAD having the same characteristics as the SPAD that constitutes the detection unit.

電流源は、モニタ用ＳＰＡＤに定電流を供給することにより、モニタ用ＳＰＡＤをガイガーモードで動作させる。モニタ用ＳＰＡＤをガイガーモードで動作させると、その両端にブレイクダウン電圧が発生するので、電圧生成部は、そのブレイクダウン電圧から設定される基準ブレイクダウン電圧と、所定のエクセス電圧とに基づき、検出部のＳＰＡＤに印加する逆バイアス電圧を生成する。 The current source operates the monitor SPAD in Geiger mode by supplying a constant current to the monitor SPAD. When the monitor SPAD is operated in the Geiger mode, a breakdown voltage is generated at both ends of the monitor SPAD. Therefore, the voltage generator detects the reference breakdown voltage set based on the breakdown voltage and a predetermined excess voltage. The reverse bias voltage applied to the SPAD of the part is generated.

この結果、検出部のＳＰＡＤには、フォトンが入射してブレイクダウンしたときのブレイクダウン電圧であると推定される基準ブレイクダウン電圧と所定のエクセス電圧とに基づき生成される、逆バイアス電圧が印加されることになる。 As a result, a reverse bias voltage, which is generated based on a predetermined breakdown voltage and a reference breakdown voltage estimated to be a breakdown voltage when a photon is incident and breaks down, is applied to the SPAD of the detection unit. Will be done.

従って、ＳＰＡＤの温度変化によってブレイクダウン電圧が変化しても、エクセス電圧は略所定の一定電圧となり、ＳＰＡＤによるフォトンの検出感度を安定化させることができる。 Therefore, even if the breakdown voltage changes due to the temperature change of the SPAD, the excess voltage becomes a substantially predetermined constant voltage, and the photon detection sensitivity by the SPAD can be stabilized.

つまり、ＳＰＡＤを利用する光検出器では、ＳＰＡＤにブレイクダウン電圧を超える逆バイアス電圧を印加し、ＳＰＡＤにフォトンが入射して、ＳＰＡＤがブレイクダウンしたときに流れる電流に基づき、検出信号を出力する。 That is, in the photodetector using the SPAD, a reverse bias voltage exceeding the breakdown voltage is applied to the SPAD, photons are incident on the SPAD, and a detection signal is output based on the current flowing when the SPAD breaks down. ..

一方、ＳＰＡＤのブレイクダウン電圧は温度により変化する。具体的には、ブレイクダウン電圧は、温度が高いほど高くなる。このため、ＳＰＡＤに印加する逆バイアス電圧を一定にしていると、逆バイアス電圧からブレイクダウン電圧を減じた余剰電圧であるエクセス電圧は、温度が高いほど低くなる。そして、ＳＰＡＤの検出感度は、エクセス電圧の電圧変化によって変化する。 On the other hand, the breakdown voltage of SPAD changes with temperature. Specifically, the breakdown voltage increases as the temperature increases. Therefore, if the reverse bias voltage applied to the SPAD is constant, the excess voltage, which is the surplus voltage obtained by subtracting the breakdown voltage from the reverse bias voltage, becomes lower as the temperature rises. And the detection sensitivity of SPAD changes with the voltage change of the excess voltage.

そこで、本開示の光検出器では、モニタ用ＳＰＡＤを利用して、検出部のＳＰＡＤのブレイクダウン電圧を基準ブレイクダウン電圧として推定し、この基準ブレイクダウン電圧と所望のエクセス電圧とに基づき、逆バイアス電圧を設定するのである。 Therefore, in the photodetector of the present disclosure, the SPAD for monitoring is used to estimate the breakdown voltage of the SPAD of the detection unit as the reference breakdown voltage, and based on this reference breakdown voltage and the desired excess voltage, the inverse voltage is calculated. The bias voltage is set.

このため、本開示の光検出器によれば、検出部を構成するＳＰＡＤの検出感度を温度補償することができ、ＳＰＡＤの温度変化の影響を受けることなく、所望の検出感度で光検出を行うことができるようになる。 Therefore, according to the photodetector of the present disclosure, the detection sensitivity of the SPAD that constitutes the detection unit can be temperature-compensated, and the photodetection is performed with the desired detection sensitivity without being affected by the temperature change of the SPAD. Will be able to.

なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 The reference numerals in parentheses described in this column and the claims indicate the correspondence with the specific means described in the embodiments described below as one aspect, and the technical scope of the present invention. It is not limited.

第１実施形態の光検出器の構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the structure of the photodetector of 1st Embodiment. 第２実施形態の光検出器の構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the structure of the photodetector of 2nd Embodiment. 第３実施形態の光検出器の構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the structure of the photodetector of 3rd Embodiment. 第４実施形態の光検出器の構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the structure of the photodetector of 4th Embodiment. 第５実施形態の光検出器の構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the structure of the photodetector of 5th Embodiment. 第６実施形態の光検出器の構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the structure of the photodetector of 6th Embodiment.

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
図１に示すように、第１実施形態の光検出器１Ａは、複数のＳＰＡＤ２を備えた検出部１０と、検出部１０内のＳＰＡＤ２と同一構成で同様の特性を有するモニタ用ＳＰＡＤ１２とを備える。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the photodetector 1A according to the first embodiment includes a detection unit 10 including a plurality of SPADs 2 and a monitoring SPAD 12 having the same configuration as the SPAD 2 in the detection unit 10 and having similar characteristics. ..

ＳＰＡＤ２及びモニタ用ＳＰＡＤ１２は、上述したようにガイガーモードで動作可能なＡＰＤであり、検出部１０においては、複数のＳＰＡＤ２のアノードに、それぞれ、クエンチング抵抗４が直列接続されている。 The SPAD 2 and the monitoring SPAD 12 are APDs that can operate in the Geiger mode as described above, and the quenching resistor 4 is connected in series to the anodes of the plurality of SPADs 2 in the detection unit 10.

クエンチング抵抗４は、ＳＰＡＤ２にフォトンが入射して、ＳＰＡＤ２がブレイクダウンしたときに、ＳＰＡＤ２に流れる電流により、電圧降下を発生して、ＳＰＡＤ２のガイガー放電を停止させるものである。なお、クエンチング抵抗４は、いわゆる一般的な受動素子である「抵抗」で構成してもよいし、「トランジスタ」のような能動素子で構成してもよい。 The quenching resistor 4 causes a voltage drop due to a current flowing through the SPAD2 when photons are incident on the SPAD2 and breaks down, thereby stopping Geiger discharge of the SPAD2. The quenching resistor 4 may be configured by a so-called general passive element “resistor” or an active element such as “transistor”.

そして、検出部１０において、各ＳＰＡＤ２がブレイクダウンしてクエンチング抵抗４に電流が流れることによりクエンチング抵抗４の両端に発生する電圧は、それぞれ、各ＳＰＡＤ２に対応するパルス変換部６に入力される。 Then, in the detection unit 10, the voltage generated at both ends of the quenching resistor 4 due to the breakdown of each SPAD 2 and the current flowing through the quenching resistor 4 is input to the pulse conversion unit 6 corresponding to each SPAD 2. It

パルス変換部６は、対応するＳＰＡＤ２にフォトンが入射した際に、検出信号として、所定パルス幅のパルス信号を出力するためのものであり、クエンチング抵抗４の両端電圧が所定電圧以上であるときに「１」となるデジタルパルスを発生する。 The pulse converter 6 is for outputting a pulse signal having a predetermined pulse width as a detection signal when a photon is incident on the corresponding SPAD 2, and when the voltage across the quenching resistor 4 is equal to or higher than the predetermined voltage. , A digital pulse of "1" is generated.

ところで、検出部１０を動作させるには、各ＳＰＡＤ２に対し、順方向とは逆方向に、ブレイクダウン電圧よりも大きい逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤを印加する必要がある。そして、逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤを一定にしていると、温度によって各ＳＰＡＤ２の検出感度が変化してしまう。 By the way, in order to operate the detection unit 10, it is necessary to apply a reverse bias voltage V SPAD larger than the breakdown voltage to each SPAD 2 in the direction opposite to the forward direction. If the reverse bias voltage V SPAD is kept constant, the detection sensitivity of each SPAD 2 will change depending on the temperature.

そこで、本実施形態では、検出部１０と同様の環境下に置かれるモニタ用ＳＰＡＤ１２を使って、ＳＰＡＤ２のブレイクダウン電圧を、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤとして推定する。そして、その基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤと所定のエクセス電圧ＶＥＸとに基づき、逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤを生成し、検出部１０の各ＳＰＡＤ２のカソードに印加する。 Therefore, in this embodiment, the breakdown voltage of the SPAD 2 is estimated as the reference breakdown voltage V BD by using the monitoring SPAD 12 placed in the same environment as the detection unit 10. Then, the reverse bias voltage V SPAD is generated based on the reference breakdown voltage V BD and the predetermined excess voltage V EX, and is applied to the cathode of each SPAD 2 of the detection unit 10.

このため、光検出器１Ａには、モニタ用ＳＰＡＤ１２に定電流を供給する電流源１４と、エクセス電圧ＶＥＸを発生する電圧源１６と、逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤを生成する電圧生成部１８とが備えられている。 Therefore, the photodetector 1A includes a current source 14 that supplies a constant current to the monitoring SPAD 12 , a voltage source 16 that generates the excess voltage V EX , and a voltage generator 18 that generates the reverse bias voltage V SPAD. It is equipped.

電圧生成部１８は、モニタ用ＳＰＡＤ１２のブレイクダウン電圧を基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤとして、電圧源１６からのエクセス電圧ＶＥＸに加算し、逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤを生成するよう構成されている。 The voltage generation unit 18 is configured to add the breakdown voltage of the monitor SPAD 12 as the reference breakdown voltage V BD to the excess voltage V EX from the voltage source 16 to generate the reverse bias voltage V SPAD .

なお、電圧生成部１８は、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤとエクセス電圧ＶＥＸとに基づき、エクセス電圧ＶＥＸがほぼ一定電圧となるように逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤを生成できればよく、必ずしもこれら各電圧をそのまま加算するように構成する必要はない。 The voltage generator 18 may generate the reverse bias voltage V SPAD based on the reference breakdown voltage V BD and the excess voltage V EX so that the excess voltage V EX becomes a substantially constant voltage. It is not necessary to configure the addition as it is.

次に、電流源１４は、モニタ用ＳＰＡＤ１２のブレイクダウン電圧に比べて充分高い電源電圧ＶＢ を受けて、モニタ用ＳＰＡＤ１２に一定電流ＩＳＰＡＤを供給することにより、モニタ用ＳＰＡＤ１２をガイガーモードで動作させるものである。 Next, the current source 14 receives the power supply voltage V B sufficiently higher than the breakdown voltage of the monitor SPAD 12 and supplies the constant current I SPAD to the monitor SPAD 12 to operate the monitor SPAD 12 in the Geiger mode. It is what makes me.

なお、モニタ用ＳＰＡＤ１２は、検出部１０内のＳＰＡＤ２のようにクエンチング抵抗は接続されておらず、一旦ブレイクダウンすると電流を流し続けるように構成されている。
このため、電圧生成部１８には、常に、モニタ用ＳＰＡＤ１２の温度に応じて変化する基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤが入力されることになる。そして、モニタ用ＳＰＡＤ１２は検出部１０を構成するＳＰＡＤ２と同様の特性であるため、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤは、ＳＰＡＤ２のブレイクダウン電圧に対応する。 Unlike the SPAD 2 in the detection unit 10, the monitoring SPAD 12 is not connected with a quenching resistor, and is configured to continue flowing a current once it breaks down.
Therefore, the voltage generator 18 always receives the reference breakdown voltage V BD that changes according to the temperature of the monitoring SPAD 12. Since the monitoring SPAD 12 has the same characteristics as the SPAD 2 forming the detection unit 10, the reference breakdown voltage V BD corresponds to the breakdown voltage of the SPAD 2.

従って、検出部１０内の各ＳＰＡＤ２のカソードには、常に、各ＳＰＡＤ２のブレイクダウン電圧に対応した基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤに所定のエクセス電圧ＶＥＸを加算した電圧が、逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤとして印加されることになる。 Therefore, the cathodes of the SPAD2 in the detection unit 10 is always the SPAD2 breakdown voltage to a voltage obtained by adding a predetermined excess voltage V EX to the reference breakdown voltage V BD corresponding of, as a reverse bias voltage V SPAD Will be applied.

よって、本実施形態の光検出器１Ａにおいて、検出部１０内の各ＳＰＡＤ２の検出感度は、温度変化の影響を受けることなく、エクセス電圧ＶＥＸに対応した一定の検出感度となる。従って、本実施形態によれば、検出部１０を構成する各ＳＰＡＤ２の検出感度を温度補償することができ、温度によって検出精度が変化するのを抑制できる。 Therefore, in the photodetector 1A of the present embodiment, the detection sensitivity of each SPAD 2 in the detection unit 10 becomes a constant detection sensitivity corresponding to the excess voltage V EX without being affected by the temperature change. Therefore, according to the present embodiment, the detection sensitivity of each SPAD2 forming the detection unit 10 can be temperature-compensated, and the detection accuracy can be prevented from changing depending on the temperature.

なお、モニタ用ＳＰＡＤ１２は、外部から光が入射するように構成されていてもよいが、図１に点線で示すように、モニタ用ＳＰＡＤ１２に光が入射するのを阻止する遮光膜１３を設けるようにしてもよい。 The monitor SPAD 12 may be configured so that light is incident from the outside, but as shown by the dotted line in FIG. 1, a light-shielding film 13 that blocks light from entering the monitor SPAD 12 is provided. You can

このようにしても、モニタ用ＳＰＡＤ１２は、ノイズによってブレイクダウンするので、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤを電圧生成部１８に入力することができる。また、この場合、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤがモニタ用ＳＰＡＤ１２に入射する光の影響を受けて変化することがないので、電圧生成部１８において逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤをより安定して生成することができる。 Even in this case, since the monitoring SPAD 12 is broken down by noise, the reference breakdown voltage V BD can be input to the voltage generation unit 18. Further, in this case, since the reference breakdown voltage V BD does not change under the influence of the light incident on the monitoring SPAD 12 , the voltage generation unit 18 can more stably generate the reverse bias voltage V SPAD. it can.

また、モニタ用ＳＰＡＤ１２は、例えば、検出部１０の裏側に配置することで、モニタ用ＳＰＡＤ１２に入射する光が、検出部１０に入射する光と比較して、少なくなるようにしてもよい。このようにしても、モニタ用ＳＰＡＤ１２に遮光膜１３を設けた場合と略同様の効果を得ることができる。
［第２実施形態］
図２に示すように、第２実施形態の光検出器１Ｂは、基本構成は第１実施形態の光検出器１Ａと同様であり、第１実施形態と異なる点は、スイッチ２２と電圧記憶部２４が追加されている点である。 In addition, the monitor SPAD 12 may be arranged, for example, on the back side of the detection unit 10 so that the light incident on the monitor SPAD 12 is smaller than the light incident on the detection unit 10. Even in this case, it is possible to obtain substantially the same effect as when the light-shielding film 13 is provided on the monitor SPAD 12.
[Second Embodiment]
As shown in FIG. 2, the photodetector 1B of the second embodiment has a basic configuration similar to that of the photodetector 1A of the first embodiment, and is different from the first embodiment in that the switch 22 and the voltage storage section are different. 24 is added.

そこで、本実施形態では、第１実施形態と同様の構成については、図面に同一符号を付与することで詳細な説明は省略し、第１実施形態との相違点について説明する。
図２に示すように、スイッチ２２は、電流源１４からモニタ用ＳＰＡＤ１２への通電経路に設けられ、光検出器１Ｂを利用する距離測定装置２０からの測距動作信号に従い、通電経路を導通・遮断するためのものである。 Therefore, in the present embodiment, the same configurations as those in the first embodiment will be denoted by the same reference numerals in the drawings, and detailed description thereof will be omitted. Differences from the first embodiment will be described.
As shown in FIG. 2, the switch 22 is provided in the energization path from the current source 14 to the monitoring SPAD 12, and the energization path is turned on/off according to the distance measurement operation signal from the distance measuring device 20 using the photodetector 1B. It is for shutting off.

そして、スイッチ２２は、距離測定装置２０が検出部１０からの検出信号に基づき距離測定を行っているときに、オフ状態になり、距離測定装置２０が距離測定を停止しているときにオン状態となる。 The switch 22 is in the off state when the distance measuring device 20 is measuring the distance based on the detection signal from the detection unit 10, and is in the on state when the distance measuring device 20 is stopping the distance measurement. Becomes

従って、モニタ用ＳＰＡＤ１２は、距離測定装置２０が距離測定を停止しているときに、電流源１４から電流が供給されて、ブレイクダウンすることになる。
このため、電圧記憶部２４は、距離測定装置２０からの測距動作信号に従い、距離測定装置２０が距離測定を停止しているときに、モニタ用ＳＰＡＤ１２のブレイクダウン電圧を基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤとして設定し、記憶するよう構成されている。 Therefore, the monitor SPAD 12 is broken down by the current supplied from the current source 14 while the distance measuring device 20 stops the distance measurement.
Therefore, the voltage storage unit 24 uses the breakdown voltage of the monitor SPAD 12 as the reference breakdown voltage V BD according to the distance measurement operation signal from the distance measurement device 20 when the distance measurement device 20 stops the distance measurement. Is configured and stored as.

そして、電圧記憶部２４は、距離測定装置２０が距離測定を開始すると、記憶した基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤを電圧生成部１８に出力することで、電圧生成部１８に最新の基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤに対応した逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤを生成させる。 Then, when the distance measuring device 20 starts the distance measurement, the voltage storage unit 24 outputs the stored reference breakdown voltage V BD to the voltage generation unit 18, so that the voltage generation unit 18 receives the latest reference breakdown voltage V BD. A reverse bias voltage V SPAD corresponding to BD is generated.

なお、電圧記憶部２４による基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤの記憶は、例えば、コンデンサ等への充電により基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤを記憶素子にラッチさせるか、或いは、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤを数値化してメモリに記憶させることにより行われる。 The reference breakdown voltage V BD is stored in the voltage storage unit 24 by, for example, causing the storage element to latch the reference breakdown voltage V BD by charging a capacitor or the like, or digitizing the reference breakdown voltage V BD. It is performed by storing it in a memory.

このように、本実施形態の光検出器１Ｂによれば、外部装置である距離測定装置２０が距離測定を停止しているときに、モニタ用ＳＰＡＤ１２を動作させる。このため、検出部１０が測距動作に使用されているときには、モニタ用ＳＰＡＤ１２の動作を停止させることができ、モニタ用ＳＰＡＤ１２に流れる電流によって光検出器１Ｂの消費電力が上昇するのを抑制できる。 Thus, according to the photodetector 1B of the present embodiment, the monitor SPAD 12 is operated when the distance measuring device 20 which is an external device stops the distance measurement. Therefore, when the detection unit 10 is used for the distance measuring operation, the operation of the monitor SPAD 12 can be stopped, and an increase in the power consumption of the photodetector 1B due to the current flowing through the monitor SPAD 12 can be suppressed. ..

なお、距離測定装置２０は、例えば車両に搭載されて、進行方向前方に距離測定用の光を照射し、その反射光から、車両前方に存在する障害物までの距離を測定するためのものであり、本実施形態の検出部は、反射光を受光するのに利用される。 The distance measuring device 20 is mounted on, for example, a vehicle, irradiates the distance measuring light in the forward direction of travel, and measures the distance from the reflected light to an obstacle existing in front of the vehicle. Yes, the detection unit of this embodiment is used to receive the reflected light.

そして、本実施形態では、距離測定装置２０からの動作信号に従い、スイッチ２２及び電圧記憶部２４の動作が切り替えられるものとして説明したが、スイッチ２２及び電圧記憶部２４の動作を切り替えるものは、距離測定装置２０に限定されるものではない。つまり、スイッチ２２及び電圧記憶部２４は、検出部１０からの検出信号を利用する外部装置からの指令に応じて動作するようにしてもよい。
［第３実施形態］
図３に示すように、第３実施形態の光検出器１Ｃは、基本構成は第１実施形態の光検出器１Ａと同様であり、第１実施形態と異なる点は、複数のモニタ用ＳＰＡＤ１２-１，１２-２，…，１２-ｎと、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤの演算・選択部３０を備えた点である。?
そこで、本実施形態では、第１実施形態と同様の構成については、図面に同一符号を付与することで詳細な説明は省略し、第１実施形態との相違点について説明する。 Further, in the present embodiment, the operation of the switch 22 and the voltage storage unit 24 is described as being switched according to the operation signal from the distance measuring device 20, but the switch of the operation of the switch 22 and the voltage storage unit 24 is the distance. It is not limited to the measuring device 20. That is, the switch 22 and the voltage storage unit 24 may operate according to a command from an external device that uses the detection signal from the detection unit 10.
[Third Embodiment]
As shown in FIG. 3, the photodetector 1C of the third embodiment has a basic configuration similar to that of the photodetector 1A of the first embodiment, and is different from the first embodiment in that it has a plurality of monitor SPADs 12-. 1, 12-2,..., 12-n and a calculation/selection unit 30 for the reference breakdown voltage V BD . ?
Therefore, in the present embodiment, the same configurations as those in the first embodiment will be denoted by the same reference numerals in the drawings, and detailed description thereof will be omitted. Differences from the first embodiment will be described.

図３に示すように、電流源１４は、複数のモニタ用ＳＰＡＤ１２-１，１２-２，…，１２-ｎをガイガーモードで動作させるために、一つのモニタ用ＳＰＡＤに供給すべき電流ＩＳＰＡＤのｎ倍の電流を供給するように構成されている。そして、その供給電流は、複数のモニタ用ＳＰＡＤ１２-１，１２-２，…，１２-ｎに分配され、各モニタ用ＳＰＡＤ１２-１，１２-２，…，１２-ｎはガイガーモードで動作する。 As shown in FIG. 3, the current source 14 supplies a current I SPAD to one monitor SPAD in order to operate the plurality of monitor SPADs 12-1, 12-2,..., 12-n in Geiger mode. Is configured to supply a current of n times the current. The supply current is distributed to the plurality of monitor SPADs 12-1, 12-2,..., 12-n, and each monitor SPAD 12-1, 12-2,..., 12-n operates in Geiger mode. ..

また、各モニタ用ＳＰＡＤ１２-１，１２-２，…，１２-ｎのブレイクダウン電圧ＶＢＤ１ ，ＶＢＤ２ ，…，ＶＢＤｎ は、演算・選択部３０に入力され、演算・選択部３０にて電圧生成部１８に入力する基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤを生成するのに利用される。 Further, the breakdown voltages V BD1 , V BD2 ,..., V BDn of the monitor SPADs 12-1, 12-2,..., 12-n are input to the calculation/selection unit 30 and are then calculated by the calculation/selection unit 30. It is used to generate the reference breakdown voltage V BD that is input to the voltage generator 18.

そして、演算・選択部３０は、複数のブレイクダウン電圧ＶＢＤ１ ，ＶＢＤ２ ，…，ＶＢＤｎ の中から、予め設定された最小値、最大値、中央値を選択するか、或いは、平均値を演算することで、電圧生成部１８に入力する基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤを生成する。 Then, the calculation/selection unit 30 selects a preset minimum value, maximum value, or median value from the plurality of breakdown voltages V BD1 , V BD2 ,..., V BDn , or calculates an average value. By performing the calculation, the reference breakdown voltage V BD input to the voltage generation unit 18 is generated.

これは、モニタ用ＳＰＡＤ１２をＳＰＡＤ２と同一特性になるように構成しても、特性のバラツキを無くすことはできず、モニタ用ＳＰＡＤ１２の特性のバラツキが大きいと、適正な基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤを、電圧生成部１８に入力できないからである。 This is because even if the monitor SPAD 12 is configured to have the same characteristic as the SPAD 2, it is not possible to eliminate the characteristic variation, and if the characteristic variation of the monitor SPAD 12 is large, an appropriate reference breakdown voltage V BD is set. This is because the voltage cannot be input to the voltage generator 18.

つまり、本実施形態では、電圧生成部１８に入力する基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤを、複数のモニタ用ＳＰＡＤ１２を使って生成することで、モニタ用ＳＰＡＤ１２にバラツキの大きいものがあっても、適正な基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤを生成できるようにしている。 That is, in the present embodiment, the reference breakdown voltage V BD input to the voltage generation unit 18 is generated using the plurality of monitor SPADs 12, so that even if there are large variations in the monitor SPADs 12, it is appropriate. The reference breakdown voltage V BD is generated.

このため、本実施形態によれば、電圧生成部１８において、より適正な逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤを生成することができるようになり、検出部１０内のＳＰＡＤ２の検出感度をより良好に温度補償することができる。 Therefore, according to the present embodiment, the voltage generation unit 18 can generate a more appropriate reverse bias voltage V SPAD , and the temperature detection sensitivity of the SPAD 2 in the detection unit 10 is better compensated. be able to.

なお、演算・選択部３０は、複数のブレイクダウン電圧ＶＢＤ１ ，ＶＢＤ２ ，…，ＶＢＤｎ を使って、より適正な基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤを生成するためのものであるので、一般的には、複数の中から中央値を選択するようにするとよい。
［第４実施形態］
図４に示すように、第４実施形態の光検出器１Ｄは、基本構成は第１実施形態の光検出器１Ａと同様であり、第１実施形態と異なる点は、電圧生成部１８にて基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤに加算されるエクセス電圧ＶＥＸを設定する、電圧制御部４０を備えた点である。 Note that the calculation/selection unit 30 is for generating a more appropriate reference breakdown voltage V BD by using the plurality of breakdown voltages V BD1 , V BD2 ,..., V BDn, and thus is generally used. Should select a median value from a plurality of values.
[Fourth Embodiment]
As shown in FIG. 4, the photodetector 1D according to the fourth embodiment has the same basic configuration as the photodetector 1A according to the first embodiment. The point is that the voltage control unit 40 is provided for setting the excess voltage V EX to be added to the reference breakdown voltage V BD .

そこで、本実施形態では、第１実施形態と同様の構成については、図面に同一符号を付与することで詳細な説明は省略し、第１実施形態との相違点について説明する。
図３に示すように、電圧制御部４０は、電圧生成部１８に入力される基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤを取り込み、その基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤに基づき、エクセス電圧ＶＥＸを設定するように構成されている。 Therefore, in the present embodiment, the same configurations as those in the first embodiment will be denoted by the same reference numerals in the drawings, and detailed description thereof will be omitted. Differences from the first embodiment will be described.
As shown in FIG. 3, the voltage control unit 40 takes in the reference breakdown voltage V BD is input to the voltage generator 18, based on the reference breakdown voltage V BD, configured to set the excess voltage V EX Has been done.

これは、ＳＰＡＤ２は温度によって特性が変化することから、検出感度を所望の検出感度に制御するには、エクセス電圧ＶＥＸも温度に応じて調整したほうが良いことも考えられるためである。 This is because the characteristics of SPAD2 change depending on the temperature, and therefore it may be considered that it is better to adjust the excess voltage V EX according to the temperature as well in order to control the detection sensitivity to a desired detection sensitivity.

つまり、本実施形態では、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤを、ＳＰＡＤ２の温度の検出信号として利用し、電圧生成部１８にて逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤを生成するのに用いるエクセス電圧ＶＥＸを温度に応じて設定するのである。 That is, in the present embodiment, the reference breakdown voltage V BD is used as a detection signal of the temperature of the SPAD 2, and the excess voltage V EX used to generate the reverse bias voltage V SPAD in the voltage generation unit 18 is changed according to the temperature. To set.

この結果、本実施形態の光検出器１Ｄにおいても、上記各実施形態の光検出器１Ａ〜１Ｃと同様、検出部１０を構成する各ＳＰＡＤ２の検出感度を温度補償することができ、温度によって検出精度が変化するのを抑制できる。 As a result, also in the photodetector 1D of the present embodiment, similarly to the photodetectors 1A to 1C of each of the above-described embodiments, the detection sensitivity of each SPAD2 that constitutes the detection unit 10 can be temperature-compensated, and detection can be performed by temperature. It is possible to suppress changes in accuracy.

なお、電圧制御部４０は、例えば、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤを抵抗分圧することで、エクセス電圧ＶＥＸを、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤに比例して変化させる、抵抗分圧回路にて構成することが考えられる。
［第５実施形態］
図５に示すように、第５実施形態の光検出器１Ｅは、基本構成は第１実施形態の光検出器１Ａと同様であり、第１実施形態と異なる点は、検出部１０の構成と、出力判定部５０及び閾値制御部５２を備えた点である。 The voltage control unit 40 is, for example, by the reference breakdown voltage V BD pressure resistance component, the excess voltage V EX, is changed in proportion to the reference breakdown voltage V BD, constituting at resistor divider It is possible.
[Fifth Embodiment]
As shown in FIG. 5, the photodetector 1E of the fifth embodiment has the same basic configuration as the photodetector 1A of the first embodiment, and differs from the photodetector 1A of the first embodiment in the configuration of the detection unit 10. The point is that the output determination unit 50 and the threshold control unit 52 are provided.

そこで、本実施形態では、第１実施形態と同様の構成については、図面に同一符号を付与することで詳細な説明は省略し、第１実施形態との相違点について説明する。
検出部１０は、複数のＳＰＡＤ２を格子状に配置することにより、所謂受光アレイとして構成されている。 Therefore, in the present embodiment, the same configurations as those in the first embodiment will be denoted by the same reference numerals in the drawings, and detailed description thereof will be omitted. Differences from the first embodiment will be described.
The detection unit 10 is configured as a so-called light receiving array by arranging a plurality of SPADs 2 in a grid pattern.

なお、検出部１０に設けられる複数のＳＰＡＤ２には、図１に示したものと同様、クエンチング抵抗４及びパルス変換部６が接続されており、各ＳＰＡＤ２にフォトンが入射することにより、ブレイクダウンが発生すると、検出信号として、パルス変換部６からデジタルパルスが出力される。 Note that the plurality of SPADs 2 provided in the detection unit 10 are connected with the quenching resistor 4 and the pulse conversion unit 6 as in the case shown in FIG. 1, and photons are incident on each of the SPADs 2 to cause a breakdown. When is generated, the pulse converter 6 outputs a digital pulse as a detection signal.

出力判定部５０は、検出部１０を構成する複数のＳＰＡＤ２から、パルス変換部６を介してそれぞれ出力される検出信号の数をカウントし、そのカウント値が所定の閾値以上であるときに、検出部１０にて光が検出されたと判定する。 The output determination unit 50 counts the number of detection signals output from each of the plurality of SPADs 2 included in the detection unit 10 via the pulse conversion unit 6, and detects when the count value is equal to or more than a predetermined threshold value. It is determined that light is detected by the unit 10.

これは、ＳＰＡＤ２は、ノイズによりブレイクダウンして、パルス変換部６を介して検出信号を出力することがあるためである。つまり、出力判定部５０は、検出部１０を光検出用の一つの画素として利用し、検出部１０を構成する複数のＳＰＡＤ２のうち、検出信号を出力したＳＰＡＤ２の数が閾値以上であるときに、検出部１０にて光が検出されたと判定するのである。 This is because the SPAD 2 may be broken down by noise and output a detection signal via the pulse conversion unit 6. That is, the output determination unit 50 uses the detection unit 10 as one pixel for light detection, and when the number of the SPAD2 that has output the detection signal is equal to or more than the threshold value among the plurality of SPAD2 that configures the detection unit 10. Then, the detection unit 10 determines that light is detected.

そして、出力判定部５０は、検出部１０にて光が検出されたと判断すると、その旨を表すトリガ信号を出力する。
一方、閾値制御部５２は、出力判定部５０が判定に用いる閾値を、モニタ用ＳＰＡＤ１２のブレイクダウン電圧に基づき設定する。 Then, when the output determination unit 50 determines that the light is detected by the detection unit 10, the output determination unit 50 outputs a trigger signal indicating that.
On the other hand, the threshold control unit 52 sets the threshold used by the output determination unit 50 for the determination based on the breakdown voltage of the monitor SPAD 12.

これは、本実施形態では、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤに所定のエクセス電圧ＶＥＸを加算することで、検出部１０の各ＳＰＡＤ２に印加する逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤを生成するので、各ＳＰＡＤ２の動作電圧が変化するためである。 This is because, in the present embodiment, the reverse bias voltage V SPAD to be applied to each SPAD2 of the detection unit 10 is generated by adding a predetermined excess voltage V EX to the reference breakdown voltage V BD , so that the operation of each SPAD2 is performed. This is because the voltage changes.

つまり、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤに所定のエクセス電圧ＶＥＸを加算することで逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤを設定すると、各ＳＰＡＤ２の検出感度が温度によって低下するのを抑制できるものの、ＳＰＡＤ２への印加される逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤが変化する。そして、逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤが増加すると、ＳＰＡＤ２に流れる暗電流が増加し、この暗電流によって、ＳＰＡＤ２がブレイクダウンし易くなる。 That is, when the reverse bias voltage V SPAD is set by adding a predetermined excess voltage V EX to the reference breakdown voltage V BD , the detection sensitivity of each SPAD2 can be suppressed from decreasing due to the temperature, but it is applied to the SPAD2. The reverse bias voltage V SPAD is changed. Then, when the reverse bias voltage V SPAD increases, the dark current flowing through the SPAD 2 increases, and the dark current easily causes the SPAD 2 to break down.

そこで、本実施形態では、ＳＰＡＤ２が暗電流により誤動作し易くなっても、検出部１０による光の検出精度が低下するのを抑制するため、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤに応じて、閾値を設定するのである。 Therefore, in the present embodiment, the threshold is set according to the reference breakdown voltage V BD in order to prevent the detection accuracy of the light by the detection unit 10 from being lowered even if the SPAD 2 is apt to malfunction due to the dark current. Of.

なお、温度上昇に伴い基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤが高くなると、逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤも上昇して、ＳＰＡＤ２が誤動作し易くなるので、閾値制御部５２は、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤが高くなると、閾値を増加させるように構成すればよい。
［第６実施形態］
第1〜第５実施形態の光検出器１Ａ〜１Ｅでは、検出部１０は、各ＳＰＡＤ２のアノードにクエンチング抵抗４が接続されていて、各ＳＰＡＤ２のアノードとクエンチング抵抗４との接続点からパルス変換部６を介して検出信号を出力するように構成されている。 When the reference breakdown voltage V BD rises as the temperature rises, the reverse bias voltage V SPAD also rises and the SPAD 2 easily malfunctions. Therefore, the threshold controller 52 increases the reference breakdown voltage V BD It may be configured to increase the threshold value.
[Sixth Embodiment]
In the photodetectors 1A to 1E according to the first to fifth embodiments, the detecting unit 10 has the quenching resistor 4 connected to the anode of each SPAD2, and from the connection point between the anode of each SPAD2 and the quenching resistor 4. It is configured to output a detection signal via the pulse converter 6.

このため、電圧生成部１８は、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤと所定のエクセス電圧ＶＥＸとを加算することで、各ＳＰＡＤ２のアノードよりも高電位となる逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤを生成し、各ＳＰＡＤ２のカソードに印加するように構成される。例えば、ＳＰＡＤ２のアノードが負電位とならないために、逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤは正電位が好適である。 Therefore, the voltage generation unit 18 adds the reference breakdown voltage V BD and the predetermined excess voltage V EX to generate the reverse bias voltage V SPAD having a higher potential than the anode of each SPAD2, and each SPAD2. Is configured to be applied to the cathode of the. For example, since the anode of SPAD2 does not have a negative potential, the reverse bias voltage V SPAD is preferably a positive potential.

これに対し、本実施形態の光検出器１Ｆでは、図６に示すように、検出部１０は、各ＳＰＡＤ２のカソードにクエンチング抵抗４が接続されており、検出信号は、各ＳＰＡＤ２のカソードとクエンチング抵抗４との接続点からパルス変換部６を介して出力される。 On the other hand, in the photodetector 1F of the present embodiment, as shown in FIG. 6, in the detection unit 10, the quenching resistor 4 is connected to the cathode of each SPAD2, and the detection signal is the cathode of each SPAD2. The signal is output from the connection point with the quenching resistor 4 via the pulse converter 6.

このため、検出部１０においては、クエンチング抵抗４を介してＳＰＡＤ２のカソードに電源電圧ＶＢ が印加されており、ＳＰＡＤ２をガイガーモードで動作させるには、ＳＰＡＤ２のアノードの電位を、カソードよりも逆バイアス電圧だけ低くする必要がある。 Therefore, in the detection unit 10, the power supply voltage V B is applied to the cathode of the SPAD2 via the quenching resistor 4, and in order to operate the SPAD2 in the Geiger mode, the potential of the anode of the SPAD2 is set higher than that of the cathode. It is necessary to lower the reverse bias voltage.

そこで、本実施形態では、検出部１０のＳＰＡＤ２と同様、モニタ用ＳＰＡＤ１２のカソードに電源電圧ＶＢ が印加されており、電流源１４は、モニタ用ＳＰＡＤ１２のアノードに接続され、アノードからグラウンドへと電流を流すようにされている。 Therefore, in the present embodiment, the power supply voltage V B is applied to the cathode of the monitor SPAD 12 as in the case of the SPAD 2 of the detection unit 10, and the current source 14 is connected to the anode of the monitor SPAD 12 and goes from the anode to the ground. It is designed to pass an electric current.

そして、電圧生成部１８は、モニタ用ＳＰＡＤ１２のアノードから、電源電圧ＶＢ よりも低い負の基準ブレイクダウン電圧−ＶＢＤを取り込み、これに、電圧源１６の負極側から得られる負のエクセス電圧−ＶＥＸを加算するように構成されている。 Then, the voltage generation unit 18 takes in the negative reference breakdown voltage −V BD lower than the power supply voltage V B from the anode of the monitor SPAD 12, and into this, the negative excess voltage obtained from the negative side of the voltage source 16. It is configured to add -V EX .

この結果、電圧生成部１８においては、負の基準ブレイクダウン電圧−ＶＢＤと負のエクセス電圧−ＶＥＸとを加算することにより、ＳＰＡＤ２のカソードよりも低電位となる逆バイアス電圧−ＶＳＰＡＤが生成される。そして、その生成された逆バイアス電圧−ＶＳＰＡＤが、検出部１０内の各ＳＰＡＤ２のアノードに印加される。例えば、ＳＰＡＤ２のカソードが負電位とならないために、逆バイアス電圧−ＶＳＰＡＤは負電位が好適である。 As a result, in the voltage generation unit 18, by adding the negative reference breakdown voltage −V BD and the negative excess voltage −V EX , the reverse bias voltage −V SPAD having a lower potential than the cathode of the SPAD 2 is obtained. Is generated. Then, the generated reverse bias voltage −V SPAD is applied to the anode of each SPAD 2 in the detection unit 10. For example, since the cathode of SPAD2 does not have a negative potential, the reverse bias voltage -V SPAD is preferably a negative potential.

従って、本実施形態においても、検出部１０内の各ＳＰＡＤ２のカソード−アノード間には、基準ブレイクダウン電圧ＶＢＤにエクセス電圧ＶＥＸを加算した逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤが印加されることになり、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。 Therefore, also in the present embodiment, the reverse bias voltage V SPAD obtained by adding the excess voltage V EX to the reference breakdown voltage V BD is applied between the cathode and the anode of each SPAD 2 in the detection unit 10, The same effect as that of the above embodiment can be obtained.

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
例えば、第１実施形態において、モニタ用ＳＰＡＤ１２に、光が入射するのを阻止する遮光膜１３を設けてもよいことを説明したが、第２実施形態〜第５実施形態においても、モニタ用ＳＰＡＤ１２に遮光膜１３を設けて、遮光するようにしてもよい。また、モニタ用ＳＰＡＤ１２を遮光する場合、必ずしも遮光膜１３を設ける必要はなく、モニタ用ＳＰＡＤ１２に光が入射するのを防止できればよい。 Although the embodiments for carrying out the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be carried out.
For example, although it has been described in the first embodiment that the light-shielding film 13 that blocks light from entering the monitor SPAD 12 may be provided, the monitor SPAD 12 is also used in the second to fifth embodiments. A light-shielding film 13 may be provided to shield the light. Further, when the monitor SPAD 12 is shielded from light, it is not always necessary to provide the light-shielding film 13 as long as light can be prevented from entering the monitor SPAD 12.

また、上記各実施形態では、検出部１０には、複数のＳＰＡＤ２が設けられるものとして説明したが、検出部１０に一つのＳＰＡＤ２が設けられる場合であっても、上記各実施形態のように構成すれば、検出部１０による検出感度が低下するのを抑制できる。 Further, in each of the above-described embodiments, the description has been made assuming that the detection unit 10 is provided with a plurality of SPAD2. By so doing, it is possible to prevent the detection sensitivity of the detection unit 10 from decreasing.

また、上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。 Further, a plurality of functions of one constituent element in the above-described embodiment may be realized by a plurality of constituent elements, or one function of one constituent element may be realized by a plurality of constituent elements. Further, a plurality of functions of a plurality of constituent elements may be realized by one constituent element, or one function realized by a plurality of constituent elements may be realized by one constituent element. Moreover, you may omit a part of structure of the said embodiment. Further, at least a part of the configuration of the above-described embodiment may be added or replaced with respect to the configuration of the other above-described embodiment. Note that all aspects included in the technical idea specified only by the wording recited in the claims are embodiments of the present invention.

１Ａ〜１Ｆ…光検出器、２…ＳＰＡＤ、１０…検出部、１２…モニタ用ＳＰＡＤ、１４…電流源、１８…電圧生成部。 1A-1F... Photodetector, 2... SPAD, 10... Detection part, 12... Monitor SPAD, 14... Current source, 18... Voltage generation part.

Claims (11)

ガイガーモードで動作可能なアバランシェフォトダイオードであるＳＰＡＤ（２）を備え、該ＳＰＡＤに、順方向とは逆方向の逆バイアス電圧を印加して光検出を行うように構成された検出部（１０）と、
前記検出部を構成する前記ＳＰＡＤと同様の特性を有するモニタ用ＳＰＡＤ（１２）と、
前記モニタ用ＳＰＡＤに定電流を供給してガイガーモードで動作させる電流源（１４）と、
前記モニタ用ＳＰＡＤの両端に生じるブレイクダウン電圧から設定される基準ブレイクダウン電圧と、所定のエクセス電圧とに基づいて、前記検出部の前記ＳＰＡＤに印加する逆バイアス電圧を生成する電圧生成部（１８）と、
を備えた、光検出器。 A detection unit (10) comprising a SPAD (2) which is an avalanche photodiode operable in the Geiger mode, and configured to perform a photodetection by applying a reverse bias voltage in the reverse direction to the forward direction to the SPAD. When,
A monitor SPAD (12) having the same characteristics as the SPAD constituting the detector,
A current source (14) for supplying a constant current to the monitor SPAD to operate in Geiger mode;
A voltage generator (18) that generates a reverse bias voltage to be applied to the SPAD of the detector based on a reference breakdown voltage set from a breakdown voltage generated across the monitor SPAD and a predetermined excess voltage. )When,
A photodetector. 前記電圧生成部は、前記基準ブレイクダウン電圧と前記エクセス電圧を加算することにより、前記逆バイアス電圧を生成するよう構成されている、請求項１に記載の光検出器。 The photodetector according to claim 1, wherein the voltage generator is configured to generate the reverse bias voltage by adding the reference breakdown voltage and the excess voltage. 前記検出部において、前記ＳＰＡＤのカソードには、フォトンの入射により前記ＳＰＡＤがブレイクダウンしてガイガー放電するのを停止させるクエンチング素子（４）が接続されており、
前記電圧生成部は、前記ＳＰＡＤのアノードに、前記カソードよりも低電位となる逆バイアス電圧を印加するよう構成されている、請求項１又は請求項２に記載の光検出器。 In the detection unit, a quenching element (4) that stops the SPAD from breaking down and Geiger discharge due to incidence of photons is connected to the cathode of the SPAD,
The photodetector according to claim 1, wherein the voltage generator is configured to apply a reverse bias voltage having a lower potential than the cathode to the anode of the SPAD. 前記検出部において、前記ＳＰＡＤのアノードには、フォトンの入射により前記ＳＰＡＤがブレイクダウンしてガイガー放電するのを停止させるクエンチング素子が接続されており、
前記電圧生成部は、前記ＳＰＡＤのカソードに、前記アノードよりも高電位となる逆バイアス電圧を印加するよう構成されている、請求項１又は請求項２に記載の光検出器。 In the detection unit, a quenching element that stops the SPAD from breaking down and Geiger discharge due to the incidence of photons is connected to the anode of the SPAD,
The photodetector according to claim 1 or 2, wherein the voltage generation unit is configured to apply a reverse bias voltage having a higher potential than the anode to the cathode of the SPAD. 前記モニタ用ＳＰＡＤは、遮光され、ノイズによりブレイクダウンするよう構成されている、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の光検出器。 The photodetector according to any one of claims 1 to 4, wherein the monitor SPAD is configured to be shielded from light and broken down due to noise. 前記モニタ用ＳＰＡＤは、入射する光が、検出部に入射する光と比較して、少なくなるよう構成されている、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の光検出器。 The photodetector according to any one of claims 1 to 4, wherein the monitor SPAD is configured such that the incident light is smaller than the incident light on the detection unit. 外部からの指令に従い前記電流源から前記モニタ用ＳＰＡＤへの通電経路を導通させるスイッチ（２２）と、
前記スイッチが前記通電経路を導通させているときに、前記モニタ用ＳＰＡＤの前記ブレイクダウン電圧から前記基準ブレイクダウン電圧を設定、記憶し、前記通電経路の状態に依らず、前記電圧生成部に前記基準ブレイクダウン電圧を出力する電圧記憶部（２４）と、
を備えた、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の光検出器。 A switch (22) for connecting a current-carrying path from the current source to the monitor SPAD in accordance with a command from the outside,
When the switch conducts the energization path, the reference breakdown voltage is set and stored from the breakdown voltage of the monitor SPAD, and the voltage generator is configured to store the reference breakdown voltage regardless of the state of the energization path. A voltage storage unit (24) for outputting a reference breakdown voltage,
The photodetector according to any one of claims 1 to 6, further comprising: 前記モニタ用ＳＰＡＤの前記基準ブレイクダウン電圧に基づき、前記電圧生成部が前記逆バイアス電圧を生成するのに用いる前記エクセス電圧を設定する電圧制御部（４０）、
を備えた、請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の光検出器。 A voltage control unit (40) that sets the excess voltage used by the voltage generation unit to generate the reverse bias voltage based on the reference breakdown voltage of the monitor SPAD;
The photodetector according to any one of claims 1 to 7, further comprising: 前記モニタ用ＳＰＡＤを複数備え、該複数のモニタ用ＳＰＡＤから得られる複数のブレイクダウン電圧を用いて演算又は選択することで、前記基準ブレイクダウン電圧を設定し、前記電圧生成部に供給する演算・選択部（３０）、
を備えた、請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の光検出器。 A plurality of monitor SPADs are provided, and the reference breakdown voltage is set by calculating or selecting using a plurality of breakdown voltages obtained from the plurality of monitor SPADs. Selection unit (30),
The photodetector according to claim 1, further comprising: 前記検出部は、前記ＳＰＡＤを複数備え、
前記検出部の複数のＳＰＡＤから出力される検出信号の数をカウントし、カウント値が所定の閾値以上であるとき、前記検出部にて光が検出されたと判定して、トリガ信号を出力する出力判定部（５０）と、
を備えた、請求項１〜請求項９の何れか１項に記載の光検出器。 The detection unit includes a plurality of the SPADs,
An output that counts the number of detection signals output from the plurality of SPADs of the detection unit and, when the count value is equal to or more than a predetermined threshold value, determines that light is detected by the detection unit and outputs a trigger signal. A determination unit (50),
The photodetector according to any one of claims 1 to 9, further comprising: 前記基準ブレイクダウン電圧に基づき、前記閾値を設定する閾値制御部（５２）、
を備えた、請求項１０に記載の光検出器。 A threshold controller (52) for setting the threshold based on the reference breakdown voltage,
The photodetector according to claim 10, further comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7454917B2 (en) * 2018-12-12 2024-03-25 浜松ホトニクス株式会社 light detection device
US11901379B2 (en) 2018-12-12 2024-02-13 Hamamatsu Photonics K.K. Photodetector
JP7162204B2 (en) * 2019-03-28 2022-10-28 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 photodetector
KR102278791B1 (en) * 2020-05-07 2021-07-20 한국과학기술원 System for Searching Operating Voltage of Silicon Photomultipliers
CN114966360B (en) * 2022-07-27 2022-10-25 成都光创联科技有限公司 System and method for testing avalanche voltage of optical device
CN115664386B (en) * 2022-12-20 2023-03-21 乐普（北京）医疗器械股份有限公司 Pulse generation equipment and pulse generation voltage adjusting method and device

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2686036B2 (en) * 1993-07-09 1997-12-08 浜松ホトニクス株式会社 Avalanche photodiode bias circuit
WO2010070487A2 (en) * 2008-12-15 2010-06-24 Koninklijke Philips Electronics N.V. Temperature compensation circuit for silicon photomultipliers and other single photon counters
US8921754B2 (en) * 2009-03-06 2014-12-30 Koninklijke Philips N.V. Advanced temperature compensation and control circuit for single photon counters
JP5211095B2 (en) * 2010-03-25 2013-06-12 株式会社豊田中央研究所 Photodetector
JP5644294B2 (en) * 2010-09-10 2014-12-24 株式会社豊田中央研究所 Photodetector
FR2992067A1 (en) * 2012-06-13 2013-12-20 St Microelectronics Grenoble 2 METHOD AND DEVICE FOR ADJUSTING THE POLARIZATION VOLTAGE OF A SPAD PHOTODIODE
GB201300334D0 (en) * 2013-01-09 2013-02-20 St Microelectronics Ltd Sensor circuit
GB2542811A (en) * 2015-09-30 2017-04-05 Stmicroelectronics (Research & Development) Ltd Sensing apparatus having a light sensitive detector

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