(57)【要約】【課題】光強度に応じた周波数（もしくは密度）を有するパルス信号を生成可能な光検出装置を提供する。【解決手段】光検出装置１００は、発振器１１０を備える。発振器１１０は、少なくとも負性抵抗回路１２０およびキャパシタＣＰを含む。負性抵抗回路１２０には受光部１２２が設けられており、外部から照射される光２の強度に応じて負性微分抵抗特性が変化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部の動作領域で負性微分抵抗特性を示し、照射される光強度に応じて前記負性微分抵抗特性が変化する負性抵抗回路を含む発振器を備えることを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記負性抵抗回路はＳ字のＩＶ特性を有し、
前記発振器は、
前記負性抵抗回路の両端間に接続されるキャパシタと、
前記負性抵抗回路の両端間に負荷抵抗を介して電圧を印加する直流電源と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記負性抵抗回路は、直列に接続された抵抗および負性微分抵抗体を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
【請求項４】
直列に接続されたＫ−ＴＣＮＱと抵抗を含む負性抵抗回路と、
前記負性抵抗回路の両端間に接続されるキャパシタと、
前記負性抵抗回路の両端間に負荷抵抗を介して電圧を印加する直流電源と、
を備え、前記Ｋ−ＴＣＮＱに受光部が設けられることを特徴とする光検出装置。
【請求項５】
少なくともキャパシタと負性抵抗回路とを含んで発振器が形成されており、前記発振器の発振周波数は、前記負性抵抗回路の負性微分抵抗特性に応じて可変であり、
前記負性抵抗回路は、その受光部に照射される光強度に応じて前記負性微分抵抗特性が変化することを特徴とする光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光などの電磁波を検出するために、光検出器（フォトディテクタ）が用いられる。光検出器としては、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＣＤ、光電子増倍管などが広く用いられる。これらの光検出器は、受光した光の強度（または光量）に応じたレベルもしくは振幅を有する電気信号を発生する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】H. Kishida et al., J. Appl. Phys., 106, 016106 (2009)
【非特許文献２】H. Kishida et al., Appl. Phys. Express, 4, 031601 (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
生体の網膜は、光強度（光量）に応じてパルス状の電気信号を発生することが知られており、具体的には、パルスの頻度（単位時間当たりのパルス数、すなわち周波数もしくは密度）が、光強度を表す。したがって従来の光検出器を人工網膜に用いる場合、光検出器から出力される電気信号を、パルス信号に変換するインタフェース回路が必要となる。
【０００５】
本開示はこうした状況に鑑みてなされており、その目的のひとつは、光強度に応じた周波数（もしくは密度）を有するパルス信号を生成可能な光検出装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示のある態様は、光検出装置に関する。光検出装置は、少なくとも一部の動作領域で負性微分抵抗特性を示し、照射される光強度に応じて負性微分抵抗特性が変化する材料を含む発振器を備える。
【０００７】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を装置、システムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、光強度に応じて頻度、周波数、密度の少なくともひとつが変化するパルス状の検出信号を生成できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態に係る光検出装置の原理を示す図である。
【図２】実施例に係る光検出装置を示す回路図である。
【図３】図３（ａ）は、負性抵抗回路の電流−電圧（ＩＶ）特性を示す図であり、図３（ｂ）は、発振器の直流動作点を示す図である。
【図４】発振状態における電圧および電流の遷移を説明する図である。
【図５】図５（ａ）は、負性抵抗回路のＩＶ特性を示す図であり、図５（ｂ）は、電流の時間波形を示す図である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、充電期間、放電期間それぞれの発振器の等価回路図である。
【図７】負性抵抗回路のＩＶ特性の受光強度依存性を示す模式図である。
【図８】作製した負性抵抗回路のＩＶ特性を示す図である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、光検出装置の動作波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、好適な実施の形態を、図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１１】
本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【００１２】
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【００１３】
Ａ  原理
図１は、実施の形態に係る光検出装置１００の原理を示す図である。光検出装置１００は、外部からの光２を受け、光強度に応じた頻度（周波数または密度でもあり得る）のパルス状の検出信号ＳＯＵＴを生成する。
【００１４】
光検出装置１００は、発振器１１０を含む。発振器１１０は、少なくとも一部の動作領域で負性微分抵抗特性を示す負性抵抗回路１２０を含んで構成される。負性抵抗回路１２０には受光部１２２が設けられ、受光部１２２に照射される光強度に応じて負性微分抵抗特性が変化する。発振器１１０は、負性抵抗回路１２０に加えて、キャパシタＣＰや直流電源１４０などを含みうる。
【００１５】
本開示は、図１として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な実施例や変形例を説明する。
【００１６】
Ｂ  実施例
Ｂ．１  構成
図２は、実施例に係る光検出装置１００Ａを示す回路図である。光検出装置１００Ａの発振器１１０Ａにおいて、負性抵抗回路１２０はＳ字のＩＶ特性を有する。キャパシタＣＰは、負性抵抗回路１２０の両端間に接続される。負性抵抗回路１２０の両端間に負荷抵抗ＲＬを介して直流電源１４０（バイアス電圧（バッテリ電圧）ＶＢ）を接続する。負荷抵抗ＲＬに流れる電流をＩＬ、負性抵抗回路１２０に流れる電流をＩＳ、キャパシタＣＰに流れる電流をＩＣとする。
【００１７】
負性抵抗回路１２０は、直列に接続された非線形伝導素子（負性微分抵抗体）１２４および直列抵抗ＲＳを含む。非線形伝導素子１２４は負性微分抵抗特性を示し、受光部１２２に入射した光の強度に応じて、ＩＶ特性が変化する。非線形伝導素子１２４として、有機電荷移動錯体を用いることができる。一実施例において非線形伝導素子１２４は、室温において構造相転移が可能な有機電荷移動錯体であるＫ−ＴＣＮＱを好適に用いることができる。検出信号ＳＯＵＴは、図２の発振器１１０Ａのいずれの箇所から取り出してもよい。たとえば、負性抵抗回路１２０に流れる電流ＩＳを電圧に変換して取り出してもよく、直列抵抗ＲＳの両端間電圧を検出信号ＳＯＵＴとしてもよい。あるいは、非線形伝導素子１２４の両端間の電圧を検出信号ＳＯＵＴとして取り出してもよい。
【００１８】
以上が光検出装置１００Ａの構成である。続いて光検出装置１００Ａに含まれる発振器１１０Ａの発振動作について説明する。
【００１９】
Ｂ．２  発振動作
図３（ａ）は、負性抵抗回路１２０のＩＶ特性（実線（i））を示す図である。横軸は負性抵抗回路１２０の両端間の電圧ＶＳを表す。図３には、非線形伝導素子１２４であるＫ−ＴＣＮＱの単体のＩＶ特性（一点鎖線（ii））および直列抵抗ＲＳのＩＶ特性（破線（iii））も合わせて示される。Ｋ−ＴＣＮＱ単体のＩＶ特性に、直列抵抗ＲＳの直線（傾き１／ＲＳ）のＩＶ特性を合成することにより、Ｓ字のＩＶ特性が得られている。
【００２０】
図３（ｂ）は、発振器１１０Ａの直流動作点を示す図である。（iv）は、式（１）で表されるロードラインを示す。
ＩＬ＝ＶＢ／ＲＬ−ＶＳ／ＲＬ      …（１）
ロードライン（iv）が、負性微分抵抗領域において、負性抵抗回路１２０のＩＶ特性（i）と交差することが発振条件となる。
【００２１】
キャパシタＣＰに流れる電流ＩＣは、式（２）で表される。
ＩＣ＝ＩＬ−ＩＳ      …（２）
したがって負性抵抗回路１２０のＳ字のＩＶ特性（i）がロードライン（iv）より下側となる領域ＡにおいてＩＣは正であり、キャパシタＣＰは充電され、ＩＶ特性（i）がロードライン（iv）より上側となる領域ＢにおいてＩＣは負であり、キャパシタＣＰは放電される。
【００２２】
図４は、発振状態における電圧および電流の遷移を説明する図である。初期状態Ｐ０として、キャパシタＣＰの電荷がゼロすなわちＶＳ＝０を考える。この初期状態Ｐ０から、キャパシタＣＰが充電され、矢印（i）で示すようにＳ字特性に沿って最高電圧点である状態Ｐ１に到達する。充電領域ＡではキャパシタＣＰは放電されないから、電圧ＶＳがＳ字特性に沿って低下することは許容されず、放電領域Ｂの状態Ｐ２にジャンプする（矢印（ii））。放電領域ＢではキャパシタＣＰは放電されるため、矢印（iii）に示すようにＳ字特性に沿って動作点が移動し、最低電圧点である状態Ｐ３に到達する。放電領域ＢではキャパシタＣＰは充電されないから、電圧ＶＳがＳ字特性に沿って増加することは許容されず、充電領域Ａの状態Ｐ４にジャンプする（矢印（iv））。そして再びキャパシタＣＰが充電され、動作点は矢印（v）に沿って移動し、状態Ｐ１に到達する。この動作を繰り返すことにより、発振器１１０Ａは発振する。
【００２３】
以上が発振器１１０Ａの発振する原理である。なお、ロードライン（図３（iv））が、負性抵抗回路１２０のＩＶ特性と非負性微分抵抗領域において交差する場合、回路は安定であり発振しない。
【００２４】
Ｂ．３  発振周期
続いて発振器１１０Ａの発振周期について説明する。図５（ａ）は、負性抵抗回路１２０のＩＶ特性を示す図であり、図５（ｂ）は、電流の時間波形を示す図である。図４における動作点Ｐ１，Ｐ２の電圧をＶｈｉｇｈ、動作点Ｐ３，Ｐ４の電圧をＶｌｏｗとする。Ｐ４〜Ｐ１は充電期間τ１を、Ｐ２〜Ｐ３は放電期間τ２を表す。
【００２５】
図５（ａ）には、負性抵抗回路１２０のＩＶ特性を直線近似した折れ線が併せて示される。この折れ線の各枝の微分抵抗値をＲＳとする。具体的には枝αにおける微分抵抗はＲα、枝γにおける微分抵抗はＲγである。図６（ａ）、（ｂ）は、充電期間τ１、放電期間τ２それぞれの発振器１１０Ａの等価回路図である。この等価回路図において以下の式（３）〜（６）が成り立つ。
ＶＢ＝ＩＬ×ＲＬ＋ＶＳ      …（３）
ＶＳ＝Ｖ０＋ＩＳＲＳ      …（４）
ＩＣ＝ｄＱ／ｄｔ＝Ｃ・ｄＶＳ／ｄｔ      …（５）
ＩＬ＝ＩＣ＋ＩＳ      …（６）
Ｖ０は各枝の延長線と横軸の交点の電圧である。枝αと横軸の交点の電圧はゼロとしている。またＱはキャパシタＣに蓄えられた電荷量である。ただし時刻をｔとする。
【００２６】
式（３）〜（６）を整理すると、微分方程式（７）を得る。
ＲＳＣ・ｄＶＳ／ｄｔ＋（ＲＬ＋ＲＳ）ＶＳ／ＲＬ＝Ｖ０＋ＲＳＶＢ／ＲＬ  …（７）
【００２７】
この微分方程式（７）を解けば、電圧ＶＳの時間プロファイルＶＳ（ｔ）を得ることができる。充電期間τ１の長さは、電圧ＶＳ（ｔ）がＶｌｏｗからＶｈｉｇｈまで変化する時間であり、式（８）で表される。
τ１＝ＣＲ１×ｌｎ｛（Ｖｌｏｗ−Ｅ１）／（Ｖｈｉｇｈ−Ｅ１）｝    …（８）
ただし、Ｒ１＝（ＲＬＲα）／（ＲＬ＋Ｒα）、Ｅ１＝ＲαＶＢ／（ＲＬ＋Ｒα）
【００２８】
放電期間τ２の長さは、電圧ＶＳ（ｔ）がＶｈｉｇｈからＶｌｏｗまで変化する時間であり、式（９）で近似される。
τ２＝ＣＲ２×ｌｎ｛（Ｖｈｉｇｈ−Ｅ２）／（Ｖｌｏｗ−Ｅ２）｝    …（９）
ただし、Ｒ２＝（ＲＬＲγ）／（ＲＬ＋Ｒγ）、Ｅ２＝（ＲγＶＢ＋ＲＬＶ０）／（ＲＬ＋Ｒγ）
【００２９】
図７は、負性抵抗回路１２０のＩＶ特性の受光強度依存性を簡素化して示す図（模式図）である。ここに示されるのは実測データをもとに負性抵抗回路１２０のモデル化された仮想的な特性である。ＩＶ特性は一番右の特性（i）が光強度ゼロであり、左の特性ほど光強度が強くなる。光強度ゼロでは、ロードラインが負性微分抵抗領域と交差しないため安定であり発振しない。言い換えれば、光強度ゼロで安定となるように、ロードラインが規定されている。
【００３０】
光強度が強くなるにしたがって、ＶｈｉｇｈとＶｌｏｗが変化する。ＩＶ特性（ii）〜（iv）について、式（８）、（９）で表される時間τ１，τ２およびその周期τ＝τ１＋τ２を計算すると、以下の通りである。
（ii）  τ１＝３．００ｓ，τ２＝０．２８ｓ，τ＝３．２８ｓ
（iii）  τ１＝１．２１ｓ，τ２＝０．２７ｓ，τ＝１．４８ｓ
（iv）  τ１＝０．６４ｓ，τ２＝０．２４ｓ，τ＝０．８８ｓ
【００３１】
光強度に応じて非線形伝導素子１２４のＩＶ特性、ひいては負性抵抗回路１２０のＩＶ特性が変化すると、Ｖｈｉｇｈ，Ｖｌｏｗが変化し、これにより充電期間τ１および放電期間τ２の長さが変化し、それらの合計である周期τが変化する。
【００３２】
Ｃ  サンプルによる実験
光検出装置１００Ａを作製し、その特性を評価した結果を説明する。作製した光検出装置１００Ａは以下の通りである。ＴＣＮＱ（Tetracyanoquinodimethane：テトラシアノキノジメタン）の作製は、再結晶法・昇華法を用いて行い、Ｋ−ＴＣＮＱの作製は、アセトニトリルを溶媒として、ヨウ化カリウム（ＫＩ）とＴＣＮＱの液相−液相拡散法で行った。こうして得られたＫ−ＴＣＮＱの結晶の表面に、結晶の長手方向に距離約３００μｍを隔てて、２個の電極を形成した。２個の電極に挟まれる領域が、受光部１２２に対応する。具体的には、導電性を有するカーボンペーストでＫ−ＴＣＮＱ結晶の表面にφ＝３０μｍの金線を接着した。カーボンペーストが電極として機能する。実験では、光源としてＨｅ−Ｎｅレーザを用い、レーザと受光部の間には、シャッターとＮＤフィルタを挿入し、ＮＤフィルタを用いて光強度を調節した。レーザ光の偏光方向は、Ｋ−ＴＣＮＱ結晶の長手方向と一致している。光検出装置１００Ａのサンプルは、２５０Ｋに冷却したサンプルホルダー上に設置した。
【００３３】
回路定数は以下の通りである。
ＲＬ＝１ＭΩ
ＲＳ＝２７０ｋΩ
ＶＢ＝２４０Ｖ
Ｃ＝９８５ｎＦ
【００３４】
図８は、作製した負性抵抗回路１２０のＩＶ特性を示す図である。図８にはロードラインも示される。
【００３５】
図９（ａ）、（ｂ）は、光検出装置１００Ａの動作波形図である。図９（ａ）は、上から順に、レーザ光の強度が１００％、３９％、１０％である場合の電流ＩＳの時間プロファイルを示す。シャッターは２０ｓの間隔で開閉した。図９（ａ）から、光強度に応じて、パルスの頻度が変化することがわかる。図９（ｂ）は、レーザ光の強度を、１００％，６０％，４０％，２０％と変化させたときの電流ＩＳの時間プロファイルを示す。
【００３６】
図９（ａ）、（ｂ）からも明らかなように、光検出装置１００Ａによれば、光強度に依存する頻度のパルス信号を生成可能である。この光検出装置１００Ａは、生体システムとの相性が高いという利点があり、人工網膜など、幅広い応用が期待される。
【００３７】
以上、実施の形態について説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【００３８】
（変形例１）
図２の光検出装置１００Ａにおいて、非線形伝導素子１２４の材料は、Ｋ−ＴＣＮＱに限定されず、光照射に依存した負性微分抵抗特性を示す材料であればよい。「光照射に依存した負性微分抵抗特性」とは、（i）光照射によって電子状態が直接的に変化し、それにより非線形伝導状態が発現もしくは変化するもの、（ii）光照射によって温度変化が生じ、それにより非線形伝導状態が発現もしくは変化するもの、（iii）あるいはそれらの両方の複合的な現象により、非線形伝導状態が発現もしくは変化するものを含みうる。このような材料としては、アルカリＴＣＮＱ錯体（Ｍ−ＴＣＮＱ、Ｍ＝Ｋ，Ｒｂ）が例示される。
【００３９】
そのほか、非線形伝導素子１２４の材料としてはハロゲン架橋ニッケル錯体、ＶＯ２，Ｓｒ２ＣｕＯ３，ＳｒＣｕＯ２，α−（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２Ｉ３，ＴＴＦ−ＣＡなどを用いることができる。
【００４０】
さらに言えば、現時点において、少なくとも一部の動作領域で負性微分抵抗特性を示し、照射される光強度に応じて負性微分抵抗特性が変化することが判明している材料のみでなく、将来においてそのような特性が判明するであろう材料も、負性抵抗回路１２０として使用可能である。
【００４１】
（変形例２）
実施例においてはバイアス電圧ＶＢとして２４０Ｖと高電圧を用いたが、これは電極間距離が大きいことによる。ナノプロセスを利用して、電極間距離を小さくすれば、同じ電場を発生させるために必要な電圧は低下するため、数Ｖあるいはそれより低いオーダーのバイアス電圧で動作させることが可能となる。
【００４２】
本開示の一態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様の光検出装置は、少なくとも一部の動作領域で負性微分抵抗特性を示し、照射される光強度に応じて負性微分抵抗特性が変化する負性抵抗回路を含む発振器を備える。
【００４３】
この態様によると、光強度に応じて発振器の発振周波数が変化するため、発振器から電気信号を取り出すことにより、光強度に応じて頻度が変化するパルス状の検出信号を生成することができる。
【００４４】
負性抵抗回路はＳ字のＩＶ特性を有してもよい。発振器は、負性抵抗回路の両端間に接続されるキャパシタと、負性抵抗回路の両端間に負荷抵抗を介して電圧を印加する直流電源と、を備えてもよい。この構成によれば、インダクタを用いずに発振器を構成できる。また、光強度がしきい値以下のときに非発振状態とすることができる。
【００４５】
負性抵抗回路は、直列に接続された抵抗および負性微分抵抗体を含んでもよい。この構成により、Ｓ字のＩＶ特性を実現できる。
【００４６】
本発明の別の態様もまた、光検出装置である。この光検出装置は、直列に接続されたＫ−ＴＣＮＱと抵抗を含む負性抵抗回路と、負性抵抗回路の両端間に接続されるキャパシタと、負性抵抗回路の両端間に負荷抵抗を介して電圧を印加する直流電源と、を備え、Ｋ−ＴＣＮＱに受光部が設けられる。
【００４７】
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【００４８】
１００…光検出装置、１１０…発振器、１２０…負性抵抗回路、１２２…受光部、１２４…非線形伝導素子、ＲＳ…直列抵抗、ＣＰ…キャパシタ、１４０…直流電源、ＲＬ…負荷抵抗。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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