WO2016080016A1 - 光検出器 - Google Patents
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Abstract
1画素を構成する画素領域11内に複数配置された光電変換素子101と、前記複数の光電変換素子101のそれぞれに対して1つずつ設けられ、それぞれがコンデンサ102を有する前記複数の検出回路14と、前記複数の検出回路14からの出力信号を加算する信号処理部19とを備えることを特徴とする光検出器10を提供する。
Description
本発明は、光検出器に関し、特に分光測定装置等の分析装置において用いられる光検出器に関する。
光検出器は、分光測定装置や液体クロマトグラフなど、幅広い分野の分析装置において用いられている。分光測定装置を用いた試料の吸光度測定では、例えば、重水素ランプ(D2光源)から発せられた白色光を試料セルに照射し、該試料セルを透過した光を回折格子等の波長分散素子で波長分離して光検出器で検出する。
吸光度測定では、試料の測定に先立ち、試料を溶解させるための溶媒のみを試料セルに封入して白色光を照射して試料セルからの透過光を測定し、参照信号を取得する。続いて試料溶液を試料セルに封入して同様に透過光を測定し、サンプル信号を取得する。そして、サンプル信号と参照信号の差から試料の吸光量を求め、試料の濃度を決定する。
従来から用いられている一般的な光検出器の1つにフォトダイオード検出器(PD検出器)がある。図1に示すように、PD検出器は、フォトダイオード(PD)101と検出回路を備えており、その検出回路は、コンデンサ102、増幅器103、及びA/D変換器104等を有している(例えば非特許文献1)。PD101では、入射した光を光電変換により電子に変換し、光電流として出力する。検出回路では、サンプリング期間中にコンデンサ102に蓄積した光電流を電圧に変換し、さらにA/D変換器104でデジタル値に変換して出力する。このような構成のPD検出器では、コンデンサ102の積分容量を大きくして入射電子数に対する電圧値(変換ゲイン)を小さくすることにより、検出器の測定可能範囲(ダイナミックレンジ)を広くすることができる。
Tanaka, Makino, "Linear image sensor with high performance and large photosensitive element", Sensors and Actuators A, 29, 201-207, 1991
角博文, 奈良部忠邦, 齋藤信一郎, "CMOSイメージセンサの高画質化", Fundamentals Review, Vol. 3, No. 3, pp. 44-51, 2010年1月
吸光度測定では、使用する光源の波長強度分布、並びに試料、溶媒、及び試料セルの吸光特性等に応じて、検出器に入射する光量が波長によって約1000倍も異なる場合がある。そのため、吸光度測定において使用する光検出器では幅広い強度の光を検出して試料の濃度を正確に決定できるように、測定可能範囲を十分に広く設定することが望まれる。しかし、従来用いられているPD検出器では、測定可能範囲を広くして入射光量の上限を大きくすると、以下の問題がある。
PD検出器では、PD101において入射した光が光電変換により電子に変換され、光電流として出力される。そして、コンデンサ102を含む検出回路において光電流が所定のサンプリング周期毎に蓄積され、電圧に変換されて出力される。
検出回路において光電流から変換された電圧値Vは次の式(1)で表される。
ここで、Iは光電流、Cはコンデンサ102の積分容量、Δtはサンプリング周期の長さ、MはPD101で発生する光電子数、eは素電荷(=1.602×10-19C)である。なお、MはPD101に入射するフォトン数とPD101の量子効率ηの積で表すこともできる。
ここで、Iは光電流、Cはコンデンサ102の積分容量、Δtはサンプリング周期の長さ、MはPD101で発生する光電子数、eは素電荷(=1.602×10-19C)である。なお、MはPD101に入射するフォトン数とPD101の量子効率ηの積で表すこともできる。
検出器のノイズは、入射光量に依存して統計的に生じる光ショットノイズと、検出器の電気回路で生じる電気ノイズに大別される(例えば非特許文献2)。説明を容易にするため、ここでは暗電流から生じるショットノイズは考慮しない。光ショットノイズの大きさは入射光量の平方根で表される。一方、電気ノイズの大きさは入射光量に依存しない。電圧で表される電気ノイズVnは次式(2), (3)により電子数Mnに変換することができる。なお、次式(2)におけるQnはノイズ電荷量である。
ここで、検出器のS/N比は、入射電子数Mと電気ノイズの大きさを電子数に変換したMnを用いて次式(4)で表すことができる。式(4)の分母の平方根内の第1項が光ショットノイズに対応し、第2項が電気ノイズに対応する。
上述した式(3)から分かるように、同じ大きさの電気ノイズVnであっても、測定可能範囲を広くするためにコンデンサ102の積分容量Cを大きくすると、それに比例してノイズ電子数Mnが大きくなる。その結果、上式(4)の分母の平方根内の第2項の値が増大してS/N比が低下してしまう。その影響は、特に入射光量が少ないほど(即ち上式(4)の入射電子数Mの値が小さいほど)顕著に現れる。
入射光量の違いによってS/N比が異なる点について、具体的な例を挙げて説明する。この例では、光検出器の最大信号電圧を10V、電気ノイズを100μV、測定範囲の上限を109個(電子数)とする。すると、コンデンサ102の積分容量Cは
となる。電気ノイズが100μVであることから、
であり、
となる。
となる。電気ノイズが100μVであることから、
であり、
となる。
上式(4)に基づきS/N比を計算すると、測定範囲の上限であるM=109では、Mn
2=108となり、M>Mn
2である。しかし、M=107以下ではMn
2=108の方が大きくなり、電気ノイズが検出器ノイズ全体の主要因になる。例えば、M=106ではS/N比が99.5となり、光ショットノイズのみを考慮した場合のS/N比(=1000)から1桁以上S/Nが悪くなってしまう。
本発明が解決しようとする課題は、測定可能範囲を広くしつつ、入射光量の多少に関わらず高いS/N比を確保することができる光検出器を提供することである。
上記課題を解決するために成された本発明に係る光検出器は、
a) 1画素を構成する画素領域内に複数配置された光電変換素子と、
b) 前記複数の光電変換素子のそれぞれに対して1つずつ設けられた、それぞれがコンデンサを有する複数の検出回路と、
c) 前記複数の検出回路からの出力信号を加算する信号処理部と、
を備えることを特徴とする。
a) 1画素を構成する画素領域内に複数配置された光電変換素子と、
b) 前記複数の光電変換素子のそれぞれに対して1つずつ設けられた、それぞれがコンデンサを有する複数の検出回路と、
c) 前記複数の検出回路からの出力信号を加算する信号処理部と、
を備えることを特徴とする。
前記光電変換素子は、例えばフォトダイオードである。
前記信号処理部は、例えば上記複数の検出回路のそれぞれから出力される信号をデジタル信号に変換するA/D変換器、該A/D変換器から出力されるデジタル信号を記憶するデジタルメモリ、該デジタルメモリからデジタル信号を順に読み出すマルチプレクサ、該マルチプレクサによって順に読み出されたデジタル信号を加算処理するデジタル演算器を有する構成とすることができる。
本発明に係る光検出器は複数の画素を有するものであってもよい。複数の画素を有する光検出器では各画素について上記のように構成することができる。
前記信号処理部は、例えば上記複数の検出回路のそれぞれから出力される信号をデジタル信号に変換するA/D変換器、該A/D変換器から出力されるデジタル信号を記憶するデジタルメモリ、該デジタルメモリからデジタル信号を順に読み出すマルチプレクサ、該マルチプレクサによって順に読み出されたデジタル信号を加算処理するデジタル演算器を有する構成とすることができる。
本発明に係る光検出器は複数の画素を有するものであってもよい。複数の画素を有する光検出器では各画素について上記のように構成することができる。
従来の光検出器では、1画素につき、1個の光電変換素子と該光電変換素子からの出力信号を処理する1個の検出回路を有していたが、本発明に係る光検出器では、1画素につき、1個の光電変換素子と1個の検出回路の組を複数有する。上述したように、従来の光検出器では、ダイナミックレンジを広げるために検出回路のコンデンサの積分容量を大きくするとノイズ電子数が増加してS/N比が悪くなるという問題があった。一方、本発明に係る光検出器では、光電変換素子と検出回路の組の数を増やすだけでダイナミックレンジを広くすることができるため、検出回路のコンデンサの積分容量を大きくする必要がない。従って、測定可能範囲を広くしつつ高いS/N比を確保することができる。
光電変換素子から検出回路のコンデンサの間は電流信号で輸送されるため、その間の配線距離が長くなると寄生容量が大きくなる。この寄生容量はコンデンサの積分容量と同様に上式(3)で表されるノイズ電子数Mnを増加させる要因になる。
従って、本発明に係る光検出器では、前記検出回路のうちの少なくともコンデンサを前記画素領域内に配置することが望ましい。これにより光電変換素子からコンデンサまでの配線距離を短くしてノイズ電子量の増加を抑えることができる。
従って、本発明に係る光検出器では、前記検出回路のうちの少なくともコンデンサを前記画素領域内に配置することが望ましい。これにより光電変換素子からコンデンサまでの配線距離を短くしてノイズ電子量の増加を抑えることができる。
また、本発明に係る光検出器では、
前記信号処理部が、サンプリング周期を複数の期間に分割したサブ周期で前記複数の検出回路のそれぞれから出力される出力信号を加算し、前記サンプリング周期で出力する
ように構成することができる。
例えば1画素領域内にK個(Kは2以上の整数)の光電変換素子を備え、サンプリング周期をL個に分割(Lは2以上の整数)して出力信号を読み出し、それらを加算して1画素及び1サンプリング周期の信号として出力すると、積分容量を大きくすることなくダイナミックレンジをK×L倍に広げることができる。
前記信号処理部が、サンプリング周期を複数の期間に分割したサブ周期で前記複数の検出回路のそれぞれから出力される出力信号を加算し、前記サンプリング周期で出力する
ように構成することができる。
例えば1画素領域内にK個(Kは2以上の整数)の光電変換素子を備え、サンプリング周期をL個に分割(Lは2以上の整数)して出力信号を読み出し、それらを加算して1画素及び1サンプリング周期の信号として出力すると、積分容量を大きくすることなくダイナミックレンジをK×L倍に広げることができる。
本発明に係る光検出器を用いることにより、測定可能範囲を広くしつつ、入射光量の多少に関わらず高いS/N比を確保することができる。
本発明に係る光検出器の実施例について、以下、図面を参照して説明する。本実施例の光検出器は複数の画素を有するフォトダイオード(PD)検出器であり、分析装置の検出部として用いられる。
図2に本実施例のPD検出器10のうちの1画素に対応する部分構成を示す。画素領域11の大きさは10mm×10mmであり、該画素領域11は100(10×10)個のサブ画素領域12に分割されており(図2では9個のみ図示)、各サブ画素領域12にはフォトダイオードが配置されている。各サブ画素領域12内のフォトダイオードは、それぞれ独立に設けられた信号読み出し線13によって、画素領域11の外に配置された検出回路14に個別に接続されている。検出回路14は、図1を参照して説明した従来のPD検出器と同様に、コンデンサ102と増幅器103を含む積分回路である。また、各検出回路14にはA/D変換器15とデジタルメモリ16が順に接続されている。検出回路14、A/D変換器15、及びデジタルメモリ16もサブ画素領域12と同数(即ち100個)であるが、9個のみ図示している。100個のデジタルメモリ16に保存された信号はマルチプレクサ17によって順に読み出され、該マルチプレクサ17に接続された高速デジタル出力回路18の出力ポートからデジタル演算器19に送られる。デジタル演算器19では100個の出力信号が加算され、所定のサンプリング周期で1画素分の信号として出力される。
ここで、本実施例の光検出器の具体的な測定条件でのS/N比について説明する。
本実施例における測定条件は、蓄積時間(サンプリング周期に相当)は10ms、該蓄積時間に画素領域11に入射する最大フォトン数は2×109個、フォトダイオードの量子効率η=0.5である。また、検出回路14における電圧の最大値(最大数のフォトンが入射したときに出力される電圧値)は10V、電気ノイズは100μVである。
本実施例における測定条件は、蓄積時間(サンプリング周期に相当)は10ms、該蓄積時間に画素領域11に入射する最大フォトン数は2×109個、フォトダイオードの量子効率η=0.5である。また、検出回路14における電圧の最大値(最大数のフォトンが入射したときに出力される電圧値)は10V、電気ノイズは100μVである。
上式(5)により説明したとおり、従来のPD検出器では上記測定条件に対応するために積分容量C=16pFのコンデンサを使用していたが、本実施例では画素領域11に100個のフォトダイオードを配置し、それらに分散して光が入射するため、各サブ画素領域12で発生する最大電子数は107個となる。従って、各コンデンサ102の積分容量Cが0.16pFに抑えられる。
本実施例におけるS/N比は次式(8)で表すことができる。
ここで、Kは画素領域11におけるサブ画素領域12の数であり、本構成例では100である。また、mはサブ領域に設けられたフォトダイオードで発生する電子数である。式(8)に基づき、画素領域11で発生するフォトン数Mが106個のときのS/N比を計算すると707となり、従来のPD検出器におけるS/N比99.5を大きく改善することができる。なお、式(8)に含まれる電気ノイズの項K・mn 2の値は106となる。
ここで、Kは画素領域11におけるサブ画素領域12の数であり、本構成例では100である。また、mはサブ領域に設けられたフォトダイオードで発生する電子数である。式(8)に基づき、画素領域11で発生するフォトン数Mが106個のときのS/N比を計算すると707となり、従来のPD検出器におけるS/N比99.5を大きく改善することができる。なお、式(8)に含まれる電気ノイズの項K・mn 2の値は106となる。
ただし、フォトダイオードを何等かのパッケージに実装し、アナログICとコンデンサを有する積分回路とともにプリント配線板に実装すると、フォトダイオードやアナログICのパッケージの寄生容量やプリント基板の配線寄生容量によってノイズ電子数が増加してしまう。これらの寄生容量もpFのオーダーであるため、実際に上述の計算で得られるような高ゲインの積分アンプを構成することは難しい。そこで、上述した検出回路のうちの、少なくとも積分アンプの部分を、フォトダイオードと同じ半導体集積回路基板上に一体的に形成することが好ましい。
そのような構成を有し、微細配線が可能なCMOSプロセスを用いて製造されたデバイスである場合を想定した実施例2について、以下、説明する。
一般に、CMOSデバイスは低い電源電圧で動作させるため、実施例1のようにデバイス内部で10Vという大きな電圧を取り扱うことができないことが多い。そこで、デバイス内部で取り扱うことが可能な電圧の上限値が1Vであり、一方、電気ノイズは上記同様に100μVである場合を例に説明する。
図3は、実施例2のPD検出器20のうちの1画素に対応する部分構成図である。実施例1のPD検出器10と類似の構成を有している。ただし、実施例1では、検出回路14を画素領域11の外部に配置していたが、実施例2では図4に示すように検出回路を各サブ画素領域22の内部に配置し、また該検出回路とA/D変換器25の間に相関二重サンプリング回路(CDS回路)24を配置している。また、実施例1では画素領域11を100個のサブ画素領域12に分割したが、実施例2では画素領域21を10,000(100×100)個のサブ画素領域22に分割する。
サブ画素領域22の内部には、フォトダイオード31と、該フォトダイオード31に接続された信号読み出し線の先に設けられた、光電荷を転送するための転送トランジスタ32と、該転送トランジスタ32を介してフォトダイオード31に接続され、光電荷を一時的に蓄積するとともに電圧信号に変換するフローティングディフュージョン33と、フローティングディフュージョン33に蓄積された電荷を排出するためのリセットトランジスタ34と、フローティングディフュージョン33に蓄積された電荷を電圧信号として出力するための、従属接続された2個のトランジスタ351、352で構成されるソースフォロアアンプ35と、が配置される。また、リセットトランジスタ34とトランジスタ351にはそれぞれ電源VDDが接続されている。さらに、トランジスタ352のゲートには、定電圧(バイアス電圧)VBIASが接続されている。
転送トランジスタ32、リセットトランジスタ34のゲート端子には、それぞれφT、φRなる制御信号を供給するための駆動ライン(図示なし)が接続される。この駆動ラインから供給される制御信号に基づき、フォトダイオード31に入射した光の強度が所定のサンプリング周期で検出される。
実施例2の構成において、電圧の上限値が1Vであり他の条件が実施例1と同じである場合のS/N比を計算する。
実施例2では画素領域21に10,000個のサブ画素領域22が存在し、それぞれにフォトダイオード31が配置されているため、各フォトダイオード31において発生する電子数の上限は105個である。また、電圧の上限値が1Vであることから、式(1)より使用するコンデンサの積分容量Cは16fFとなる。また、式(3)から、100μVの電気ノイズに対するノイズ電子数Mnは10個となる。すると、式(4)における電気ノイズの項K・Mn 2=106となる。これは実施例1と同じ値である。従って、CMOSプロセスのように大きな電圧を取り扱うことができない場合でも実施例1と同程度の高いS/N比を確保することができる。
実施例2では画素領域21に10,000個のサブ画素領域22が存在し、それぞれにフォトダイオード31が配置されているため、各フォトダイオード31において発生する電子数の上限は105個である。また、電圧の上限値が1Vであることから、式(1)より使用するコンデンサの積分容量Cは16fFとなる。また、式(3)から、100μVの電気ノイズに対するノイズ電子数Mnは10個となる。すると、式(4)における電気ノイズの項K・Mn 2=106となる。これは実施例1と同じ値である。従って、CMOSプロセスのように大きな電圧を取り扱うことができない場合でも実施例1と同程度の高いS/N比を確保することができる。
また、実施例2では図4に示すように検出回路をサブ画素領域22内に配置しているため、配線寄生容量の影響を小さくして高い変換ゲインを実現することができる。実施例1では、サブ画素領域12からそれぞれ出力された光電流を画素領域11の外に設けられた積分器で電圧信号に変換するが、実施例2では光電子の蓄積をサブ画素領域22の内部で行う。そして、蓄積時間(サンプリング周期)の間にフォトダイオード31で発生した光電子を読み出しゲート(転送トランジスタ32)経由で電気的にフローティングディフュージョン(FD)の拡散層に転送し、該拡散層の容量で電圧に変換する。このように、FDをフォトダイオード31の近傍に配置し、配線寄生容量の影響を低減することで16fFという小さな容量の構成を具現化することができる。
ところで、実施例2のように積分容量が小さい場合には、リセットノイズ(熱ノイズともいう。)の影響も考慮する必要がある。検出回路では、積分容量によって光電子数を電圧に変換する際に、1回のサンプリング毎に積分容量を基準電圧にリセットする必要がある。このときリセット電圧がゆらぎリセットノイズが発生する。リセットノイズと積分容量の関係は次式(9)で表される。
式(9)から、積分容量Cが小さいほどリセットノイズが大きくなることが分かる。例えば、積分容量C=16fF、T=300Kでは、リセットノイズが509μVになり、電気ノイズの5倍以上にもなる。
実施例2では、上記リセットノイズの影響を排除するために、図5に示す相関二重サンプリング回路(CDS回路)24を設けている。CDS回路24は、2つの選択トランジスタ361、362と、2つのコンデンサ371、372、及び差動アンプ38を有している。CDS回路24を用いると、フローティングディフュージョンをリセットした時点の電圧と、フローティングディフュージョンに光電子を転送した後の電圧をそれぞれサンプリングし、その差分を取ることによってリセットノイズを除去できる。
CDS回路24からの出力信号は、A/D変換器25でデジタル信号に変換され、デジタルメモリ26に保持された後、マルチプレクサ27によって順に読み出され、高速デジタル出力回路28の出力ポートからデジタル演算器29に送られる。デジタル演算器29では全サブ画素領域22からの出力信号が加算処理され、1画素分の信号として出力される。
図6は、実施例2のPD検出器20のS/N比と従来のPD検出器のS/N比を比較したグラフである。このグラフに示すとおり、実施例2のPD検出器20を用いることにより、従来のPD検出器よりも1桁以上S/N比を高め、理想的な検出器(電気ノイズが発生しないPD検出器)に近づけることができる。
図7に実施例3のPD検出器40の構成を示す。このPD検出器40では、図面の縦方向に7個の画素領域41が配置されており、各画素領域41は横方向に1000個(図では7個のみ図示)のサブ画素領域42に分割されている。画素領域41の大きさは2.5μm×2.5mmであり、サブ画素領域42の大きさは2.5μm×2.5μmである。また、信号読み出し線43は1つの画素領域41につき1本ずつ、当該画素領域41内のサブ画素領域42に共通で設けられている。信号読み出し線43の先には、各画素に対応するCDS回路44、A/D変換器45、及びデジタルメモリ46が設けられ、デジタルメモリ46に保存された信号を順に読み出すマルチプレクサ47と、高速デジタル出力回路48、及びデジタル演算器49が配置されている。これにより、画素領域41内の複数の検出回路(コンデンサ)(サブ画素領域42)は、1乃至複数のグループを構成しており、信号処理部は1つのグループにつき1つずつA/D変換器45及びデジタルメモリ46(信号記憶部)を有する。
デジタル演算器49では、各画素領域41に対応する検出回路で検出された信号を画素間で平均化したり、差分を計算したりする等、分析の目的に応じた適宜の処理が行われる。あるいは、分析者により別途制御装置において設定された分析条件に基づき、デジタル演算器49が時間的に連続して同一画素から出力した信号の差分を計算するように構成することもできる。具体的には、最初の蓄積期間において背景光のみに対応する出力信号を取得しておき、それに続く蓄積期間で取得した背景光と測定光の合計に対応する出力信号を取得して、後者の出力信号から前者の出力信号を差し引く演算処理を行って、測定光に対応する出力信号を外部装置に出力するように構成することができる。
図8は、サブ画素領域42内の回路構成図である。この回路は、図3により説明した実施例2の回路と同様に、フォトダイオード31、光電荷を転送するための転送トランジスタ32、フローティングディフュージョン33、リセットトランジスタ34、2個のトランジスタ351、352で構成されるソースフォロアアンプ35を有しており、それらに加えてソースフォロアアンプ35の後段に配置された選択ゲート36を有している。
このPD検出器40では、デジタル演算器49が各画素の信号を加算した信号を出力するための所定のサンプリング周期を、例えば1000個のサブ周期に分割(すなわち、分周)し、1000個のサブ画素領域42の各々の選択ゲート36のゲート端子にΦXなる制御信号(サブ周期の信号)を順番に供給する。そして、同一の画素領域41に属する1000個のフォトダイオード31から出力される光電流をサブ周期ごとに各サブ画素領域42から順番に読み出して、デジタルメモリ46に一旦記憶しておき、所定のサンプリング周期でデジタル演算器49により加算して信号を出力する。
このPD検出器40では、画素領域41が1000個のサブ画素領域42に分割されているため、実施例2と同様の測定条件(画素領域41に入射する最大フォトン数が2×109個、フォトダイオード31の量子効率η=0.5、検出回路における電圧の最大値(最大数のフォトンが入射したときに出力される電圧値)が1V、電気ノイズが100μV)では、コンデンサの積分容量Cが160fF、電気ノイズの換算電子数は100個となり、上式(8)中の電子ノイズの項K・Mn
2の値は107となる。実施例3における電子ノイズの項の値は実施例2よりも大きいが、画素領域41の分割数を増やすことによって適宜に低減することが可能である。
上記説明では、画素領域41に配置するサブ画素領域42の数と、サンプリング周期の分割数を同数としたため、1画素につき1本の信号読み出し線43等を備える構成としたが、別の構成を採ることもできる。例えば、サンプリング周期の分割数をサブ画素領域の数の半分にする場合は、画素領域41に配置するサブ画素領域42を2つのグループに分け、1つのグループにつき1本の信号読み出し線43等を備えればよい。
上記各実施例により説明した構成では、電気ノイズの大きさを低減してS/N比を高くするだけでなく、チップ製造時の歩留まり率を向上させることもできる。一般に、製造プロセス技術では、マスクパターンを投影して半導体基板上に回路配線を形成しており、その過程でパーティクル等の異物がウェハ表面に付着することがある。すると、所望の回路配線が形成できず、暗電流やリーク電流が特異的に大きくなるスポット領域が発生する。従来のPDアレイ検出器では、1画素に配置されるPDと検出回路の組が1つであるため、その内部に上記スポット領域が発生すると、当該画素1つのためにアレイ検出器そのものが不良品になってしまう。
一方、上記実施例では、画素領域を複数のサブ画素領域に分割し、それぞれにPDと検出回路を配置している。仮に、L個に分割された画素領域の内部に1個のスポット領域が発生した場合には、L-1個からの検出信号をL個の信号に換算する処理を行ったり、スポット領域に隣接するサブ画素領域の検出信号からスポット領域の信号値を推定する演算処理を行ったりすることにより、正しい出力信号を得ることができる。従って、アレイ検出器が不良品になることがなく、歩留まり率が向上する。サブ画素領域の不具合の有無は製造時に発見することができるため、例えば実施例3で説明したデジタル演算器49が自動的に上記演算処理を行うように構成することができる。即ち、例えばデジタル演算器49において特定のサブ画素領域を間引いて、それ以外のサブ画素領域からの出力信号のみを演算処理するように構成することができる。
上記実施例はいずれも一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。上記実施例では、信号読み出しを高速化するためにA/D変換器を配置したが、電圧信号のまま処理する場合にはA/D変換器を設ける必要がない。また、各実施例における画素領域の分割数も一例であって、適宜に変更することができる。さらに、上記各実施例の構成は、画素領域を1次元的及び2次元的に複数個配置するアレイ検出器のいずれにも適用することができる。その他、実施例3において説明したデジタル演算器による演算処理はいずれも一例であり、例えば上記実施例のPD検出器を有する分析装置を用いた分析の内容に応じて適宜の演算処理を行わせるように構成することができる。
上記説明では、理解を容易にするために暗電流から発生するショットノイズ(以下、「暗電流ショットノイズ」と呼ぶ。)の影響を考慮しない式によりS/N比の値を計算したが、以下、暗電流ショットノイズを考慮する場合についても説明する。
従来のPD検出器のS/N比の計算式(4)に暗電流ショットノイズの項Mdarkを追加すると次式(10)となる。
上式に暗電流そのものの項が含まれていないのは、上述したCDS回路を使用することで暗電流を取り除くことができるためである。
上式に暗電流そのものの項が含まれていないのは、上述したCDS回路を使用することで暗電流を取り除くことができるためである。
10、20、40…PD検出器
11、21、41…画素領域
12、22、42…サブ画素領域
13、23、43…信号読み出し線
14…検出回路
24、44…相関二重サンプリング回路
15、25、45…A/D変換器
16、26、46…デジタルメモリ
17、27、47…マルチプレクサ
18、28、48…高速デジタル出力回路
19、29…デジタル加算器
49…デジタル演算器
31…フォトダイオード
32…転送トランジスタ
33…フローティングディフュージョン
34…リセットトランジスタ
35…ソースフォロアアンプ
361、362…選択トランジスタ
371、372…コンデンサ
38…差動アンプ
11、21、41…画素領域
12、22、42…サブ画素領域
13、23、43…信号読み出し線
14…検出回路
24、44…相関二重サンプリング回路
15、25、45…A/D変換器
16、26、46…デジタルメモリ
17、27、47…マルチプレクサ
18、28、48…高速デジタル出力回路
19、29…デジタル加算器
49…デジタル演算器
31…フォトダイオード
32…転送トランジスタ
33…フローティングディフュージョン
34…リセットトランジスタ
35…ソースフォロアアンプ
361、362…選択トランジスタ
371、372…コンデンサ
38…差動アンプ
Claims (7)
- a) 1画素を構成する画素領域内に複数配置された光電変換素子と、
b) 前記複数の光電変換素子のそれぞれに対して1つずつ設けられ、それぞれがコンデンサを有する前記複数の検出回路と、
c) 前記複数の検出回路からの出力信号を加算する信号処理部と
を備えることを特徴とする光検出器。 - 前記コンデンサが前記画素領域内に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光検出器。
- 前記信号処理部が、サンプリング周期を複数の期間に分割したサブ周期で前記複数の検出回路のそれぞれから出力される出力信号を加算し、前記サンプリング周期で出力することを特徴とする請求項1又は2に記載の光検出器。
- 前記複数の検出回路が、1乃至複数のグループを構成しており、前記信号処理部が前記グループのそれぞれについてA/D変換器及び信号記憶部を有することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光検出器。
- 前記検出回路又は前記信号処理部が相関二重サンプリング回路を有することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の光検出器。
- 前記信号処理部が、予め決められた光電変換素子に対応する検出信号からの出力信号を間引いた信号処理を行うことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の光検出器。
- 請求項1から6のいずれかに記載の光検出器を備えた分析装置。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2019102636A1 (ja) * | 2017-11-24 | 2020-12-03 | 浜松ホトニクス株式会社 | フォトンカウンティング装置およびフォトンカウンティング方法 |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11754504B2 (en) | 2017-09-19 | 2023-09-12 | Beckman Coulter, Inc. | System for analog light measuring and photon counting in chemiluminescence measurements |
CN110278396A (zh) * | 2018-03-16 | 2019-09-24 | 松下知识产权经营株式会社 | 摄像装置 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07306133A (ja) * | 1994-03-14 | 1995-11-21 | Hitachi Electron Eng Co Ltd | 微粒子検出器 |
JP2000305010A (ja) * | 1999-04-20 | 2000-11-02 | Olympus Optical Co Ltd | 撮像装置 |
JP2001083407A (ja) * | 1999-09-13 | 2001-03-30 | Canon Inc | 撮像装置 |
JP2009049527A (ja) * | 2007-08-14 | 2009-03-05 | Canon Inc | 撮像装置及びその駆動方法 |
JP2010028423A (ja) * | 2008-07-18 | 2010-02-04 | Sony Corp | 固体撮像素子およびカメラシステム |
JP2014165526A (ja) * | 2013-02-21 | 2014-09-08 | Canon Inc | 固体撮像装置、その制御方法、および制御プログラム |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6437325B1 (en) * | 1999-05-18 | 2002-08-20 | Advanced Research And Technology Institute, Inc. | System and method for calibrating time-of-flight mass spectra |
US6914227B2 (en) * | 2001-06-25 | 2005-07-05 | Canon Kabushiki Kaisha | Image sensing apparatus capable of outputting image by converting resolution by adding and reading out a plurality of pixels, its control method, and image sensing system |
JP3904111B2 (ja) * | 2002-06-04 | 2007-04-11 | ソニー株式会社 | 固体撮像装置及びその信号処理方法 |
JP4689620B2 (ja) * | 2004-11-02 | 2011-05-25 | パナソニック株式会社 | イメージセンサ |
US7699042B2 (en) * | 2007-02-28 | 2010-04-20 | Stoneridge, Inc. | Filtration device for use with a fuel vapor recovery system |
JP4844853B2 (ja) * | 2007-09-05 | 2011-12-28 | 国立大学法人東北大学 | 固体撮像素子及びその駆動方法 |
JP4500862B2 (ja) * | 2008-04-11 | 2010-07-14 | キヤノン株式会社 | 固体撮像装置の駆動方法 |
JP2010078338A (ja) * | 2008-09-24 | 2010-04-08 | Toshiba Corp | X線検出器 |
JP2010212536A (ja) * | 2009-03-12 | 2010-09-24 | Sony Corp | 固体撮像装置の製造方法 |
JP5511541B2 (ja) * | 2010-06-24 | 2014-06-04 | キヤノン株式会社 | 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法 |
JP5991045B2 (ja) * | 2012-06-28 | 2016-09-14 | 住友電気工業株式会社 | 半導体装置 |
JP2014049727A (ja) * | 2012-09-04 | 2014-03-17 | Canon Inc | 固体撮像装置 |
-
2015
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07306133A (ja) * | 1994-03-14 | 1995-11-21 | Hitachi Electron Eng Co Ltd | 微粒子検出器 |
JP2000305010A (ja) * | 1999-04-20 | 2000-11-02 | Olympus Optical Co Ltd | 撮像装置 |
JP2001083407A (ja) * | 1999-09-13 | 2001-03-30 | Canon Inc | 撮像装置 |
JP2009049527A (ja) * | 2007-08-14 | 2009-03-05 | Canon Inc | 撮像装置及びその駆動方法 |
JP2010028423A (ja) * | 2008-07-18 | 2010-02-04 | Sony Corp | 固体撮像素子およびカメラシステム |
JP2014165526A (ja) * | 2013-02-21 | 2014-09-08 | Canon Inc | 固体撮像装置、その制御方法、および制御プログラム |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
See also references of EP3220628A4 * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2019102636A1 (ja) * | 2017-11-24 | 2020-12-03 | 浜松ホトニクス株式会社 | フォトンカウンティング装置およびフォトンカウンティング方法 |
JP7187478B2 (ja) | 2017-11-24 | 2022-12-12 | 浜松ホトニクス株式会社 | フォトンカウンティング装置およびフォトンカウンティング方法 |
US11656374B2 (en) | 2017-11-24 | 2023-05-23 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photon counting device and photon counting method |
US11835667B2 (en) | 2017-11-24 | 2023-12-05 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photon counting device and photon counting method |
US11921245B2 (en) | 2017-11-24 | 2024-03-05 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photon counting device and photon counting method |
Also Published As
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