+

WO2018181978A1 - 光検出器 - Google Patents

光検出器 Download PDF

Info

Publication number
WO2018181978A1
WO2018181978A1 PCT/JP2018/013818 JP2018013818W WO2018181978A1 WO 2018181978 A1 WO2018181978 A1 WO 2018181978A1 JP 2018013818 W JP2018013818 W JP 2018013818W WO 2018181978 A1 WO2018181978 A1 WO 2018181978A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
spad
voltage
detection unit
breakdown voltage
monitoring
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/013818
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
謙太 東
木村　禎祐
尾崎　憲幸
柏田　真司
武廣 秦
勇 高井
松原　弘幸
Original Assignee
株式会社デンソー
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2018022999A external-priority patent/JP6741703B2/ja
Application filed by 株式会社デンソー filed Critical 株式会社デンソー
Priority to CN201880021118.9A priority Critical patent/CN110462847B/zh
Publication of WO2018181978A1 publication Critical patent/WO2018181978A1/ja
Priority to US16/583,674 priority patent/US11296241B2/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/95—Circuit arrangements
    • H10F77/953—Circuit arrangements for devices having potential barriers
    • H10F77/959—Circuit arrangements for devices having potential barriers for devices working in avalanche mode
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/04—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only
    • H03F3/08—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N25/772—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters
    • H04N25/773—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters comprising photon counting circuits, e.g. single photon detection [SPD] or single photon avalanche diodes [SPAD]
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors

Definitions

  • This disclosure relates to a photodetector using the avalanche effect.
  • Patent Document 1 in a photodetector using an avalanche photodiode (hereinafter referred to as APD), in order to perform temperature compensation of APD, the temperature characteristic of current amplification factor is substantially the same as that of APD, and the reference is reverse-biased. It is disclosed to use a joint structure.
  • APD avalanche photodiode
  • a transistor having a current injection junction structure for injecting a reference current into the reference junction structure is used and applied to the APD and the reference junction structure so as to keep the amplification factor of the reference current at a predetermined value.
  • the multiplication factor of the APD is controlled.
  • Patent Document 1 Since the APD is temperature-compensated by controlling the multiplication factor of the APD, the one disclosed in Patent Document 1 is effective in the linear mode in which a reverse bias voltage less than the breakdown voltage is applied to the APD to operate. .
  • Patent Document 1 a problem has been found that the technique disclosed in Patent Document 1 cannot be applied to a photodetector that operates an APD in the Kaiger mode. That is, the APD operating 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.
  • the photodetector using SPAD is configured to output a pulse signal having a predetermined pulse width when SPAD is broken down.
  • the photodetector in a photodetector using SPAD, it is desirable to be able to compensate for temperature of SPAD detection sensitivity, more specifically, SPAD photon detection sensitivity.
  • the photodetector according to one aspect of the present disclosure includes a detection unit, a monitoring SPAD, a current source, and a voltage generation unit.
  • the detection unit includes a SPAD and is configured to detect light by applying a reverse bias voltage to the SPAD.
  • the monitoring SPAD is a SPAD having the same characteristics as the SPAD constituting the detection unit.
  • the current source operates the monitoring SPAD in the Geiger mode by supplying a constant current to the monitoring SPAD.
  • a breakdown voltage is generated between both ends thereof. Therefore, the voltage generation unit is based on a reference breakdown voltage set from the breakdown voltage and a predetermined excess voltage. A reverse bias voltage applied to the SPAD of the detection unit is generated.
  • the reverse bias voltage generated based on the reference breakdown voltage estimated to be the breakdown voltage when the photon is incident and the breakdown occurs and the predetermined excess voltage is applied to the SPAD of the detection unit. Will be.
  • a reverse bias voltage exceeding the breakdown voltage is applied to SPAD, and a photon is incident on SPAD, and a detection signal is output based on the current that flows when SPAD is broken down.
  • the breakdown voltage of SPAD changes with temperature. Specifically, the breakdown voltage increases as the temperature increases. For this reason, if the reverse bias voltage applied to SPAD is made constant, the excess voltage obtained by subtracting the breakdown voltage from the reverse bias voltage becomes lower as the temperature is higher. And the detection sensitivity of SPAD changes with the voltage change of excess voltage.
  • the monitoring SPAD is used to estimate the breakdown voltage of the SPAD of the detection unit as the reference breakdown voltage, and based on the reference breakdown voltage and a desired excess voltage, The bias voltage is set.
  • the photodetector of the present disclosure it is possible to compensate the temperature of the detection sensitivity of the SPAD constituting the detection unit, and perform light detection with a desired detection sensitivity without being affected by the temperature change of the SPAD Will be able to.
  • the photodetector 1A 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. .
  • the SPAD2 and the monitoring SPAD12 are APDs that can operate in the Geiger mode as described above, and in the detection unit 10, the quenching resistors 4 are connected in series to the anodes of the plurality of SPAD2, respectively.
  • the quenching resistor 4 is for stopping the Geiger discharge of the SPAD2 by generating a voltage drop due to the current flowing through the SPAD2 when the photon is incident on the SPAD2 and the SPAD2 is broken down.
  • the quenching resistor 4 may be configured by a “resistor” which is a so-called general passive element, or may be configured by an active element such as a “transistor”.
  • the voltage generated between both ends of the quenching resistor 4 when each SPAD 2 breaks down and a current flows through the quenching resistor 4 is input to the pulse conversion unit 6 corresponding to each SPAD 2. Is done.
  • the pulse converter 6 is for outputting a pulse signal having a predetermined pulse width as a detection signal when photons enter the corresponding SPAD 2, and the voltage across the quenching resistor 4 is equal to or higher than the predetermined voltage. A digital pulse that is sometimes "1" is generated.
  • the breakdown voltage of SPAD2 estimates as a reference breakdown voltage V BD. Then, based on its reference breakdown voltage V BD and a predetermined excess voltage V EX, it generates a reverse bias voltage V SPAD, is applied to the cathode of each SPAD2 detection unit 10.
  • the photodetector 1A includes a current source 14 that supplies a constant current to the monitoring SPAD 12 , a voltage source 16 that generates an excess voltage V EX , and a voltage generator 18 that generates a reverse bias voltage V SPAD. Is provided.
  • the voltage generator 18 is configured to generate the reverse bias voltage V SPAD by adding the breakdown voltage of the monitoring SPAD 12 as the reference breakdown voltage V BD to the excess voltage V EX from the voltage source 16.
  • the voltage generating unit 18 based on the reference breakdown voltage V BD and excess voltage V EX, it is sufficient generate a reverse bias voltage V SPAD as excess voltage V EX is substantially constant voltage, necessarily respective voltages It is not necessary to configure to add as it is.
  • the current source 14 receives the power supply voltage V B sufficiently higher than the breakdown voltage of the monitoring SPAD 12, and supplies the constant current I SPAD to the monitoring SPAD 12, thereby operating the monitoring SPAD 12 in Geiger mode. It is what
  • monitoring SPAD 12 is not connected to a quenching resistor like the SPAD 2 in the detection unit 10, and is configured to continue to pass a current once it breaks down.
  • the voltage generating unit 18 always will be the reference breakdown voltage V BD which varies according to the temperature of the monitor SPAD12 is input. Since the monitoring SPAD 12 has the same characteristics as the SPAD 2 constituting the detection unit 10, the reference breakdown voltage VBD corresponds to the breakdown voltage of SPAD2.
  • a voltage obtained by adding a predetermined excess voltage V EX to a reference breakdown voltage V BD corresponding to the breakdown voltage of each SPAD 2 is always applied to the cathode of each SPAD 2 in the detection unit 10 as a reverse bias voltage V SPAD. Will be applied.
  • the detection sensitivity of each SPAD 2 in the detection unit 10 is 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 temperature of the detection sensitivity of each SPAD 2 constituting the detection unit 10 can be compensated for temperature, and the change in detection accuracy due to temperature can be suppressed.
  • the monitoring SPAD 12 may be configured so that light is incident from the outside. However, as shown by a dotted line in FIG. 1, a light shielding film 13 that prevents light from entering the monitoring SPAD 12 is provided. It may be.
  • the reference breakdown voltage V BD can be input to the voltage generator 18.
  • the voltage generator 18 can generate the reverse bias voltage V SPAD more stably. it can.
  • the monitoring SPAD 12 may be arranged on the back side of the detection unit 10 so that the light incident on the monitoring SPAD 12 is less than the light incident on the detection unit 10. Even in this case, substantially the same effect as that obtained when the light shielding film 13 is provided on the monitoring SPAD 12 can be obtained.
  • the basic configuration of the photodetector 1B of the second embodiment is the same as that of the photodetector 1A of the first embodiment. The difference from the first embodiment is that the switch 22 and the voltage storage unit are different. 24 is added.
  • 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 or off according to the distance measurement operation signal from the distance measuring device 20 using the photodetector 1B. It is for blocking.
  • the switch 22 is turned off when the distance measuring device 20 is performing distance measurement based on the detection signal from the detection unit 10, and is turned on when the distance measuring device 20 is stopping distance measurement. It becomes.
  • the monitoring SPAD 12 is supplied with a current from the current source 14 and breaks down.
  • the voltage storage unit 24 uses the breakdown voltage of the monitoring SPAD 12 as the reference breakdown voltage V BD when the distance measurement device 20 stops distance measurement according to the distance measurement operation signal from the distance measurement device 20. Is set and stored as
  • the voltage storage unit 24 outputs the stored reference breakdown voltage VBD to the voltage generation unit 18 so that the voltage generation unit 18 receives the latest reference breakdown voltage VBD.
  • a reverse bias voltage V SPAD corresponding to BD is generated.
  • the reference breakdown voltage V BD is stored by the voltage storage unit 24 by, for example, latching the reference breakdown voltage V BD in a storage element by charging a capacitor or the like, or digitizing the reference breakdown voltage V BD. Is stored in the memory.
  • the monitoring SPAD 12 is operated when the distance measuring device 20 which is an external device stops the distance measurement. For this reason, when the detection unit 10 is used for the distance measuring operation, the operation of the monitoring SPAD 12 can be stopped, and an increase in the power consumption of the photodetector 1B due to the current flowing through the monitoring SPAD 12 can be suppressed. .
  • the distance measuring device 20 is mounted on a vehicle, for example, for irradiating distance measuring light forward in the traveling direction, and for measuring 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 reflected light.
  • the operation of the switch 22 and the voltage storage unit 24 is switched according to the operation signal from the distance measuring device 20, but the operation of the switch 22 and the voltage storage unit 24 is switched by the distance. It is not limited to the measuring device 20. That is, the switch 22 and the voltage storage unit 24 may operate in response to a command from an external device that uses the detection signal from the detection unit 10.
  • the basic configuration of the photodetector 1C of the third embodiment is the same as that of the photodetector 1A of the first embodiment. The difference from the first embodiment is that a plurality of monitoring SPAD12- 1, 12-2,..., 12 -n, and a reference breakdown voltage V BD calculation and selection unit 30.
  • the current source 14 has a current I SPAD to be supplied to one monitoring SPAD in order to operate the plurality of monitoring SPADs 12-1, 12-2,..., 12-n in the Geiger mode. Is configured to supply a current that is n times the current. The supplied current is distributed to a plurality of monitoring SPADs 12-1, 12-2, ..., 12-n, and each of the monitoring SPADs 12-1, 12-2, ..., 12-n operates in Geiger mode. .
  • 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. This is used to generate a reference breakdown voltage VBD input to the voltage generator 18.
  • the calculation and selection unit 30 selects a preset minimum value, maximum value, or median value from among the plurality of breakdown voltages V BD1 , V BD2 ,..., V BDn , or selects an average value. By calculating, the reference breakdown voltage VBD input to the voltage generator 18 is generated.
  • the reference breakdown voltage VBD input to the voltage generation unit 18 is generated using a plurality of monitoring SPADs 12, so that even if the monitoring SPADs 12 have large variations, the reference breakdown voltage VBD is appropriate.
  • a reference breakdown voltage VBD can be generated.
  • the voltage generation unit 18 can generate a more appropriate reverse bias voltage V SPAD , and the temperature sensitivity of the detection sensitivity of the SPAD 2 in the detection unit 10 can be better compensated. be able to.
  • the calculation and selection unit 30 is for generating a more appropriate reference breakdown voltage V BD using a plurality of breakdown voltages V BD1 , V BD2 ,. Is preferable to select a median value from a plurality.
  • the basic configuration of the photodetector 1D of the fourth embodiment is the same as that of the photodetector 1A of the first embodiment.
  • the difference from the first embodiment is the voltage generator 18.
  • the voltage control unit 40 is provided for setting an excess voltage V EX to be added to the reference breakdown voltage V BD .
  • 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.
  • the reference breakdown voltage V BD utilized as a detection signal of the temperature of the SPAD2, according to excess voltage V EX used to generate the reverse bias voltage V SPAD by the voltage generator 18 to a temperature Is set.
  • the detection sensitivity of each SPAD 2 that constitutes the detection unit 10 can be temperature-compensated and detected by temperature. The change in accuracy can be suppressed.
  • 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.
  • V BD pressure resistance component the excess voltage V EX
  • V BD the reference breakdown voltage
  • the detection unit 10 is configured as a so-called light receiving array by arranging a plurality of SPADs 2 in a lattice pattern.
  • the quenching resistor 4 and the pulse conversion unit 6 are connected to the plurality of SPADs 2 provided in the detection unit 10 in the same manner as shown in FIG. For this reason, when breakdown occurs due to the incidence of photons on each SPAD 2, a digital pulse is output from the pulse converter 6 as a detection signal.
  • the output determination unit 50 counts the number of detection signals output from the plurality of SPADs 2 constituting the detection unit 10 via the pulse conversion unit 6, and detects when the count value is equal to or greater than a predetermined threshold value. It is determined that light is detected by the unit 10.
  • SPAD 2 may break down due to noise and output a detection signal via the pulse converter 6. That is, when the output determination unit 50 uses the detection unit 10 as one pixel for light detection, and the number of SPAD2s that output detection signals among the plurality of SPAD2s constituting the detection unit 10 is equal to or greater than a threshold value. The detection unit 10 determines that light is detected.
  • the output determination unit 50 determines that light is detected by the detection unit 10
  • the output determination unit 50 outputs a trigger signal indicating that light is detected by the detection unit 10.
  • the threshold control unit 52 sets the threshold used by the output determination unit 50 based on the breakdown voltage of the monitoring SPAD 12.
  • the predetermined breakdown voltage V EX is added to the reference breakdown voltage V BD to generate the reverse bias voltage V SPAD to be applied to each SPAD 2 of the detection unit 10, and thus the operation of each SPAD 2 This is because the voltage changes.
  • the reverse bias voltage V SPAD 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 SPAD 2 can be suppressed from decreasing with temperature, but applied to the SPAD 2.
  • the reverse bias voltage V SPAD changes. When the reverse bias voltage V SPAD increases, the dark current flowing through the SPAD 2 increases, and the SPAD 2 is easily broken down by this dark current.
  • the detection unit 10 includes a quenching resistor 4 connected to the anode of each SPAD 2 and a connection point between the anode of each SPAD 2 and the quenching resistor 4. The detection signal is output via the pulse converter 6.
  • the voltage generator 18 by adding a reference breakdown voltage V BD and a predetermined excess voltage V EX, generates a reverse bias voltage V SPAD to a higher potential than the anode of each SPAD2, each SPAD2 Configured to be applied to the cathode.
  • the reverse bias voltage V SPAD is preferably a positive potential.
  • the detection unit 10 has a quenching resistor 4 connected to the cathode of each SPAD2, and the detection signal is sent to the cathode of each SPAD2.
  • the signal is output from the connection point with the quenching resistor 4 via the pulse converter 6.
  • the detection unit 10 the power supply voltage V B to the cathode of SPAD2 through the quenching resistor 4 are applied, in order to operate the SPAD2 in Geiger mode, the potential of the anode of the SPAD2, than the cathode It is necessary to lower the reverse bias voltage.
  • the cathode of the monitoring SPAD12 power supply voltage V B are applied, the current source 14 is connected to the anode of the monitor SPAD12, from anode to ground The current is made to flow.
  • the voltage generator 18 takes in a negative reference breakdown voltage ⁇ V BD lower than the power supply voltage V B from the anode of the monitoring SPAD 12, and adds a negative excess voltage obtained from the negative side of the voltage source 16 to the negative reference breakdown voltage ⁇ V BD. It is configured to add ⁇ V EX .
  • the voltage generator 18 adds the negative reference breakdown voltage ⁇ V BD and the negative excess voltage ⁇ V EX so that the reverse bias voltage ⁇ V SPAD that is lower than the cathode of the SPAD 2 is obtained. 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 become a negative potential, the reverse bias voltage -V SPAD is preferably a negative potential.
  • 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 anode of each SPAD 2 in the detection unit 10. The same effect as the above embodiment can be obtained.
  • the monitor SPAD 12 may be provided with the light shielding film 13 that blocks or suppresses the incidence of light.
  • the monitor The SPAD 12 may be provided with a light shielding film 13 to shield it from 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 it can prevent light from entering the monitor SPAD 12.
  • the detection unit 10 has been described as being provided with a plurality of SPADs 2, but even when the detection unit 10 is provided with one SPAD 2, the configuration as in each of the above embodiments. If it does, it can suppress that the detection sensitivity by the detection part 10 falls.
  • a plurality of functions of one component in the above embodiment may be realized by a plurality of components, and one function of one component may be realized by a plurality of components. Further, a plurality of functions possessed by 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 abbreviate
  • at least a part of the configuration of the above embodiment may be added to or replaced with the configuration of the other embodiment.
  • all the aspects included in the technical idea specified only by the wording described in the claim are embodiment of this indication.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

光検出器（１Ａ）は、ＳＰＡＤ（４）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た検出部（１０）と、検出部を構成するＳＰＡＤと同様の特性を有するモニタ用ＳＰＡＤ（１２）と、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、モニタ用ＳＰＡＤの両端間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き、検出部の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、を備える。

Description

光検出器 関連出願の相互参照
　本国際出願は、２０１７年３月３１日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１７－７１４１２号、及び、２０１８年２月１３日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１８－２２９９９号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１７－７１４１２号及び日本国特許出願第２０１８－２２９９９号の全内容を参照により本国際出願に援用する。
　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。
　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。
　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。
特許第５２１１０９５号公報
　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。
　しかし、発明者の詳細な検討の結果、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という課題が見出された。
　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。
　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。
　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。
　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。
　本開示の一局面の光検出器は、検出部と、モニタ用ＳＰＡＤと、電流源と、電圧生成部とを備える。
　検出部は、ＳＰＡＤ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。
　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、その両端間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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　なお、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、本開示の技術的範囲を限定するものではない。
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。 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。 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。 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。 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。 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。
　以下に本開示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。
　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。
　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「抵抗器」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。
　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の両端間に発生する電圧は、それぞれ、各ＳＰＡＤ２に対応するパルス変換部６に入力される。
　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の両端間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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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、通電経路を導通又は遮断するためのものである。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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の演算及び選択部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。
　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。
　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、演算及び選択部３０に入力され、演算及び選択部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。
　そして、演算及び選択部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。
　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。
　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。
　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。
　なお、演算及び選択部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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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が接続されている。このため、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。
　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。
　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。
　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、検出部１０にて光が検出されたこと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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　以上、本開示を実施するための形態について説明したが、本開示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又は抑制する遮光膜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。
　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。
　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、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開示の実施形態である。

Claims (11)

  1. 　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ように構成された電流源（１４）と、
    　前記モニタ用ＳＰＡＤの両端間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ように構成された電圧生成部（１８）と、
    　を備えた、光検出器。
  2. 　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。
  3. 　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ように構成されたクエンチング素子（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。
  4. 　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ように構成された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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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よう構成されたスイッチ（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及び記憶し、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ように構成された電圧記憶部（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。
  8. 　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ブレイク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ように構成された電圧制御部（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。
  9. 　前記モニタ用ＳＰＡＤを複数備え、該複数のモニタ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ように構成された演算及び選択部（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。
  10. 　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ように構成された出力判定部（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。
  11. 　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ように構成された閾値制御部（５２）、
    　を備えた、請求項１０に記載の光検出器。
PCT/JP2018/013818 2017-03-31 2018-03-30 光検出器 WO2018181978A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201880021118.9A CN110462847B (zh) 2017-03-31 2018-03-30 光检测器
US16/583,674 US11296241B2 (en) 2017-03-31 2019-09-26 Light detector having monitoring single photon avalanche diode (SPAD)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017071412 2017-03-31
JP2017-071412 2017-03-31
JP2018-022999 2018-02-13
JP2018022999A JP6741703B2 (ja) 2017-03-31 2018-02-13 光検出器

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US16/583,674 Continuation US11296241B2 (en) 2017-03-31 2019-09-26 Light detector having monitoring single photon avalanche diode (SPAD)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018181978A1 true WO2018181978A1 (ja) 2018-10-04

Family

ID=63677786

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/013818 WO2018181978A1 (ja) 2017-03-31 2018-03-30 光検出器

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11296241B2 (ja)
WO (1) WO2018181978A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11422240B2 (en) 2017-03-27 2022-08-23 Denso Corporation Light detector comprising a time interval adjusting performance by a delay setting module

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7246863B2 (ja) * 2018-04-20 2023-03-28 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 受光装置、車両制御システム及び測距装置
US11221253B2 (en) * 2020-01-21 2022-01-11 Semiconductor Components Industries, Llc System with a SPAD-based semiconductor device having dark pixels for monitoring sensor parameters
US12144653B2 (en) 2020-02-21 2024-11-19 Hi Llc Systems, circuits, and methods for reducing common-mode noise in biopotential recordings
US11950879B2 (en) 2020-02-21 2024-04-09 Hi Llc Estimation of source-detector separation in an optical measurement system
US11969259B2 (en) 2020-02-21 2024-04-30 Hi Llc Detector assemblies for a wearable module of an optical measurement system and including spring-loaded light-receiving members
WO2021167893A1 (en) 2020-02-21 2021-08-26 Hi Llc Integrated detector assemblies for a wearable module of an optical measurement system
US11883181B2 (en) 2020-02-21 2024-01-30 Hi Llc Multimodal wearable measurement systems and methods
US11630310B2 (en) 2020-02-21 2023-04-18 Hi Llc Wearable devices and wearable assemblies with adjustable positioning for use in an optical measurement system
US12029558B2 (en) 2020-02-21 2024-07-09 Hi Llc Time domain-based optical measurement systems and methods configured to measure absolute properties of tissue
WO2021188486A1 (en) 2020-03-20 2021-09-23 Hi Llc Phase lock loop circuit based adjustment of a measurement time window in an optical measurement system
US11857348B2 (en) 2020-03-20 2024-01-02 Hi Llc Techniques for determining a timing uncertainty of a component of an optical measurement system
US11187575B2 (en) 2020-03-20 2021-11-30 Hi Llc High density optical measurement systems with minimal number of light sources
US12138068B2 (en) 2020-03-20 2024-11-12 Hi Llc Techniques for characterizing a nonlinearity of a time-to-digital converter in an optical measurement system
US11819311B2 (en) 2020-03-20 2023-11-21 Hi Llc Maintaining consistent photodetector sensitivity in an optical measurement system
US12059262B2 (en) 2020-03-20 2024-08-13 Hi Llc Maintaining consistent photodetector sensitivity in an optical measurement system
US11864867B2 (en) 2020-03-20 2024-01-09 Hi Llc Control circuit for a light source in an optical measurement system by applying voltage with a first polarity to start an emission of a light pulse and applying voltage with a second polarity to stop the emission of the light pulse
US12085789B2 (en) 2020-03-20 2024-09-10 Hi Llc Bias voltage generation in an optical measurement system
US11245404B2 (en) 2020-03-20 2022-02-08 Hi Llc Phase lock loop circuit based signal generation in an optical measurement system
US11877825B2 (en) 2020-03-20 2024-01-23 Hi Llc Device enumeration in an optical measurement system
WO2021188496A1 (en) 2020-03-20 2021-09-23 Hi Llc Photodetector calibration of an optical measurement system
WO2021188487A1 (en) 2020-03-20 2021-09-23 Hi Llc Temporal resolution control for temporal point spread function generation in an optical measurement system
CN115336012A (zh) * 2020-03-27 2022-11-11 索尼半导体解决方案公司 感测装置和电子装置
WO2022035626A1 (en) * 2020-08-11 2022-02-17 Hi Llc Maintaining consistent photodetector sensitivity in an optical measurement system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010070487A2 (en) * 2008-12-15 2010-06-24 Koninklijke Philips Electronics N.V. Temperature compensation circuit for silicon photomultipliers and other single photon counters
JP2012060012A (ja) * 2010-09-10 2012-03-22 Toyota Central R&D Labs Inc 光検出器
JP2012519843A (ja) * 2009-03-06 2012-08-30 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ 単一光子カウンタのための高度な温度報償及び制御回路
JP5211095B2 (ja) * 2010-03-25 2013-06-12 株式会社豊田中央研究所 光検出器
US20170089756A1 (en) * 2015-09-30 2017-03-30 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited Sensing apparatus having a light sensitive detector field

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2686036B2 (ja) * 1993-07-09 1997-12-08 浜松ホトニクス株式会社 アバランシェフォトダイオードのバイアス回路
JP3421103B2 (ja) * 1993-12-20 2003-06-30 浜松ホトニクス株式会社 アバランシェフォトダイオードを用いた光検出回路
FR2992067A1 (fr) * 2012-06-13 2013-12-20 St Microelectronics Grenoble 2 Procede et dispositif d'ajustement de la tension de polarisation d'une photodiode spad
GB201300334D0 (en) * 2013-01-09 2013-02-20 St Microelectronics Ltd Sensor circuit
US9911774B2 (en) * 2015-04-14 2018-03-06 Massachusetts Institute Of Technology Photodiode placement for cross talk suppression
EP3339888B1 (de) * 2016-12-22 2019-02-27 Sick AG Lichtempfänger mit einer vielzahl von lawinenphotodiodenelementen im geiger-modus und verfahren zur temperaturkompensation
JP6730217B2 (ja) 2017-03-27 2020-07-29 株式会社デンソー 光検出器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010070487A2 (en) * 2008-12-15 2010-06-24 Koninklijke Philips Electronics N.V. Temperature compensation circuit for silicon photomultipliers and other single photon counters
JP2012519843A (ja) * 2009-03-06 2012-08-30 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ 単一光子カウンタのための高度な温度報償及び制御回路
JP5211095B2 (ja) * 2010-03-25 2013-06-12 株式会社豊田中央研究所 光検出器
JP2012060012A (ja) * 2010-09-10 2012-03-22 Toyota Central R&D Labs Inc 光検出器
US20170089756A1 (en) * 2015-09-30 2017-03-30 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited Sensing apparatus having a light sensitive detector field

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11422240B2 (en) 2017-03-27 2022-08-23 Denso Corporation Light detector comprising a time interval adjusting performance by a delay setting module

Also Published As

Publication number Publication date
US20200044098A1 (en) 2020-02-06
US11296241B2 (en) 2022-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018181978A1 (ja) 光検出器
JP6741703B2 (ja) 光検出器
US7907061B2 (en) Proximity sensors and methods for sensing proximity
JP5644294B2 (ja) 光検出器
US11411130B2 (en) Photodetector
US20180180473A1 (en) Light Receiver Having a Plurality of Avalanche Photodiode Elements and Method for Supplying a Bias Voltage
US20180275280A1 (en) High dynamic range analog front-end receiver for long range lidar
US20180180471A1 (en) Light Receiver Having a Plurality of Avalanche Photodiode Elements in Geiger Mode and Method for Temperature Compensation
US11112494B2 (en) Photodetector and portable electronic equipment
US8338773B2 (en) High-speed analog photon counter and method
WO2018181979A1 (ja) 光検出器及び測距装置
KR102527537B1 (ko) 광학 tof 측정을 위한 광원 동작 장치
US20110133059A1 (en) Photo detector having coupling capacitor
WO2006098278A1 (ja) 光検出回路
CN112098973A (zh) 用于激光雷达的光接收装置、光接收装置的动态调节方法
CN111936885A (zh) 光测距装置
US10761197B2 (en) Sensor arrangement and method for determining time-of-flight
US20190259899A1 (en) Photodetector and optical distance measuring device
JP2018174224A (ja) 光検出器
JP6958054B2 (ja) 光検出器
US20160056717A1 (en) Power supply stabilizing circuit and photodetector using the same
JP6728369B2 (ja) 光センサおよび電子機器
JP4608329B2 (ja) 光検出器
JP6835042B2 (ja) 測距装置
US12326503B2 (en) Distance measuring apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18774620

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18774620

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

点击 这是indexloc提供的php浏览器服务，不要输入任何密码和下载