(57)【要約】  光子検出器８と、検出器８に電位差を印加するためのキャパシタンス２とを備えたセンサ素子５を備えた光子を計数するための装置を開示する。スイッチング回路６は、リフレッシュ期間中にセンサ素子５を電圧源に４動作可能なように接続することにより、しきい値より高い検出器８の所定の電位差を達成するようにキャパシタンス２を充電し、検出期間中にセンサ素子５を電圧源４から実質的に絶縁する。検出期間において、充電されたキャパシタンス２は上記しきい値より高い検出器８の電位差を維持し、検出器８による光子の検出によりキャパシタンス２の電荷の少なくとも一部は検出器８を介して放電される。制御回路１２は、リフレッシュ期間と検出期間とを交互の順序で開始するようにスイッチング回路６を制御する。制御回路１２は、連続する複数のリフレッシュ期間を所定の間隔で開始するようにスイッチング回路６を制御するように適合化される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光子検出器と、上記検出器に電位差を印加するためのキャパシタンスとを含むセンサ素子を備えた装置であって、
リフレッシュ期間中に上記センサ素子を電圧源に動作可能なように接続することにより、しきい値より高い上記検出器の所定の電位差を達成するように上記キャパシタンスを充電し、検出期間中に上記センサ素子を上記電圧源から実質的に絶縁するためのスイッチング回路を備え、上記検出期間において、上記充電されたキャパシタンスは上記しきい値より高い上記検出器の電位差を維持し、上記検出器による光子の検出により上記キャパシタンスの電荷の少なくとも一部は上記検出器を介して放電され、上記装置は、
リフレッシュ期間と検出期間とを交互の順序で開始するように上記スイッチング回路を制御するための制御回路を備え、
上記制御回路は、連続する複数のリフレッシュ期間を所定の間隔で開始するように上記スイッチング回路を制御するように適合化された装置。
【請求項２】
上記検出器はアバランシェフォトダイオードを備え、上記電位差は逆バイアス電位差である請求項１記載の装置。
【請求項３】
上記しきい値は上記フォトダイオードのガイガーモードでの動作の達成に必要とされるしきい値である請求項２記載の装置。
【請求項４】
上記しきい値は上記フォトダイオードの降伏電圧である請求項３記載の装置。
【請求項５】
上記制御回路はタイミング信号に依存して上記スイッチング回路を制御するように適合化された先行する任意の請求項記載の装置。
【請求項６】
上記タイミング信号はクロック信号である請求項５記載の装置。
【請求項７】
上記制御回路は、連続する複数の検出期間を所定の間隔で開始するように、上記スイッチング回路を制御するように適合化された先行する任意の請求項記載の装置。
【請求項８】
上記制御回路は、所定の間隔で上記センサ素子に問い合わせることにより、放電が発生したか否かを決定するように適合化された先行する任意の請求項記載の装置。
【請求項９】
上記制御回路は、リフレッシュ期間が開始される前に上記センサ素子に問い合わせるように適合化された請求項８記載の装置。
【請求項１０】
上記制御回路は、リフレッシュ期間中に上記センサ素子に問い合わせるように適合化された請求項８記載の装置。
【請求項１１】
上記制御回路は、上記センサ素子の特性に依存して上記スイッチング回路を制御するように適合化された先行する任意の請求項記載の装置。
【請求項１２】
上記制御回路は、放電が発生したか否かを上記特性から決定するように適合化された請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
上記制御回路は、上記放電のタイミングを上記特性から決定するように適合化された請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
上記特性は上記センサ素子の電位差である請求項１１、１２又は１３記載の装置。
【請求項１５】
上記制御回路は、上記放電の検出に応答してリフレッシュ期間を開始するように適合化された先行する任意の請求項記載の装置。
【請求項１６】
上記制御回路は、上記センサ素子の電位差に関連する信号を出力するように適合化された検出回路を備える先行する任意の請求項記載の装置。
【請求項１７】
上記信号は、検出期間中に上記電位差が第１の所定のレベルより下に低下したか否かを示す請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
上記信号は、上記電位差がそのように低下したときに放電が発生したことを示す請求項１７記載の装置。
【請求項１９】
上記制御回路は、上記電位差がそのように低下したことを示す上記信号に応答して、リフレッシュ期間を開始するように適合化された請求項１７又は１８記載の装置。
【請求項２０】
上記第１の所定のレベルは上記しきい値以下である請求項１７、１８又は１９記載の装置。
【請求項２１】
上記信号は上記電位差がいつそのように低下したのかをも示して、このイベントに関するタイミングの情報を提供する請求項１７から２０における任意の請求項記載の装置。
【請求項２２】
上記制御回路は、リフレッシュ期間中に上記電位差が第２の所定のレベルより上に上昇したことを示す信号に応答して、検出期間を開始するように適合化された請求項１６から２１における任意の請求項記載の装置。
【請求項２３】
上記第２の所定のレベルは上記しきい値以上である請求項２２記載の装置。
【請求項２４】
上記信号は上記電位差がいつそのように上昇したのかをも示して、このイベントに関するタイミングの情報を提供する請求項２２又は２３記載の装置。
【請求項２５】
上記検出回路は比較器を備え、
上記比較器は、上記所定のレベルを設定するための基準電圧を受信するための一方の入力と、上記センサ素子の電位差に依存している電圧を受信するための他方の入力とを有する請求項１７から２４における任意の請求項記載の装置。
【請求項２６】
放電が発生したか否かを検出するように適合化された検出回路を備えた先行する任意の請求項記載の装置。
【請求項２７】
上記検出回路は、後続のリフレッシュ期間中に上記センサ素子を再充電するために必要とされる電荷の量を決定することによって、特定の検出期間内に放電が発生したか否かを検出するように適合化された請求項２６記載の装置。
【請求項２８】
上記検出回路は、上記後続のリフレッシュ期間中に上記センサ素子の電圧を監視することによって、特定の検出期間内に放電が発生したか否かを検出するように適合化された請求項２６又は２７記載の装置。
【請求項２９】
上記放電の検出に応答して光子カウンタを更新するように適合化された光子計数回路を備えた先行する任意の請求項記載の装置。
【請求項３０】
上記光子計数回路は、上記センサ素子又は装置の暗計数又は同様の基準を参照して上記光子カウンタを更新する請求項２９記載の装置。
【請求項３１】
上記キャパシタンスは上記検出器と並列に接続されたコンデンサを備えた先行する任意の請求項記載の装置。
【請求項３２】
上記キャパシタンスは上記検出器の寄生キャパシタンスを備えた先行する任意の請求項記載の装置。
【請求項３３】
上記キャパシタンスは上記検出器の寄生キャパシタンスのみを備えた請求項３２記載の装置。
【請求項３４】
複数のセルのアレイとして配列される複数のセンサ素子を備えた先行する任意の請求項記載の装置。
【請求項３５】
上記アレイは二次元アレイである請求項３４記載の装置。
【請求項３６】
上記アレイの各セルは専用のスイッチング回路を有する請求項３４又は３５記載の装置。
【請求項３７】
上記アレイの各セルは専用の制御回路を有する請求項３４、３５又は３６記載の装置。
【請求項３８】
上記アレイの各セルは専用の電圧源を有する請求項３４から３７における任意の請求項記載の装置。
【請求項３９】
上記アレイの各セルは専用の検出回路を有する請求項３４から３８における任意の請求項記載の装置。
【請求項４０】
上記制御回路は、上記アレイの複数のセルのための上記スイッチング回路を順次制御するように動作可能である請求項３４から３９における任意の請求項記載の装置。
【請求項４１】
上記アレイの各セルは、上記放電の検出に応答してセル毎の光子カウンタを更新するように適合化された専用の光子計数回路を有する請求項３４から４０における任意の請求項記載の装置。
【請求項４２】
上記セル毎の光子カウンタを所定の間隔で読み取るための回路を備えた請求項４１記載の装置。
【請求項４３】
上記制御回路は、連続するリフレッシュ期間を所定の間隔で開始するように上記スイッチング回路を制御するようには必ずしも適合化されない請求項４１又は４２記載の装置。
【請求項４４】
上記アレイの各セルは上記放電のタイミングを決定するように適合化された専用の回路を有する請求項３４から４３における任意の請求項記載の装置。
【請求項４５】
上記制御回路は、上記複数のセルの少なくとも１つのサブセットを動作させるように選択的に動作可能である請求項３４から４４における任意の請求項記載の装置。
【請求項４６】
上記セルが複数のグループに配列されるモードにおいて動作可能であり、各グループは少なくとも１つのセルを含み、光強度に関する情報はグループ毎に提供される請求項３４から４５における任意の請求項記載の装置。
【請求項４７】
上記所定の電位差は上記しきい値の５０％以内である先行する任意の請求項記載の装置。
【請求項４８】
上記所定の電位差は上記しきい値の２５％以内である請求項４７記載の装置。
【請求項４９】
上記所定の電位差は上記しきい値の５％以内である請求項４８記載の装置。
【請求項５０】
上記所定の電位差は上記しきい値の２％以内である請求項４９記載の装置。
【請求項５１】
上記所定の電位差は、上記センサ素子を再充電するために必要とされるリフレッシュ期間の前に所定の長さの検出期間を可能にする量だけ、上記しきい値を超える先行する任意の請求項記載の装置。
【請求項５２】
上記検出器による光子の検出は、上記検出器の電位差を実質的にゼロまで低下させる先行する任意の請求項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光子計数装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードは、ダイオードの降伏電圧より高い電圧での動作を目的とし、降伏電圧より高い電圧で上記ダイオードを動作させるときに特有の大きい電界により、上記ダイオードは検出器に入射する光の単一光子に反応できるようになる。検出器に進入する単一光子は電子正孔対を生成し、次に、ｐｎダイオードが電荷のキャリア（電子又は正孔）を分離し、分離されたキャリアを増幅する。動作電圧を降伏電圧より高く設定することにより、自続する電子なだれが可能になる。典型的な動作では、この自続する電子なだれは、パッシブ又はアクティブクエンチ回路を介して降伏電圧より低く下げられなければならない。一般に、光子計数検出器を可能な限り迅速にクエンチするために、既知のデバイスが必要とされる。
【０００３】
特許文献１（Monolithic Circuit of Active Quenching and Active Reset for Avalanche Photodiodes）は、ｎｍｏｓ及びｐｍｏｓトランジスタを用いたトランジスタのモノリシックな統合を開示している。この方法の場合、クエンチ回路は、統合されたクエンチ回路による降伏イベントの高速な検出に依存する。ある例では、検出器は、上記回路が検出ノードにおける電位／電荷の増加に反応でき、適切な電圧パルスを生成することによりダイオードの電圧を降伏電圧より低い電圧までアクティブに減少させることができるまで、降伏していることが許容される。従って、このデバイスは、新しい光子を検出できるように、検出器の電圧を降伏電圧より高い電圧にアクティブに又はパッシブにリセットしなければならない。
【０００４】
特許文献２（Avalanche Photodiode Quenching Circuit）は、フォトダイオードを再充電するためにダイオードと低抵抗の直列接続を介してダイオードがバイアスされるセンサデバイスを開示している。比較器は、上記ダイオードからショットキーダイオードを介してバッファされる。降伏イベントの間、比較器は、検出ノードにおける電圧の増加に超高速で反応して、ダイオードのバイアスを低下させなければならない。
【０００５】
特許文献３（Avalanche Photodiode Quenching Circuit with Resetting Means Having a Second Amplifier）は、回路増幅器を開示することにより、アバランシェフォトダイオードの降伏を監視する比較器のラッチングを提供している。この回路は、約４０ＭＨｚの高速での動作のためにセットアップされる。
【０００６】
特許文献４（Electrical Avalanche Photodiode Quenching Circuit）は、フォトダイオードをバイアスするための電流源の使用を開示している。電流源によって提供される２つの入力は、比較器に提供される。降伏の間、比較器への２つの入力は回路に流れる電流によって変えられる。この変化により比較器の出力状態は切り換えられ、これにより検出器はクエンチされる。
【０００７】
特許文献５（Active quench circuit and reset circuit for avalanche photodiode）は、専用のインダクタベースの回路を開示することにより、負圧に基づくクエンチプラットフォームを提供している。インダクタは、正電源への電流の流れを防止し可能な限り迅速にＡＰＤノードをリセットする手助けをするために用いられる。
【０００８】
非特許文献１は、トランジスタスイッチを用いて光子計数ダイオードのキャパシタンスをバイアスする方法について記述している。トランジスタスイッチが閉じられると、ダイオードをその最大の電位まで充電できるようになり、次に開路されると、デバイスは光子イベントを検出できるようになる。この回路は次に、ダイオードの状態を当該ダイオードの電圧の変化に関連して監視する。変化が生じると、そのイベントは即座にタイムスタンプされ、外部に記録される。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６５４１７５２号の明細書。
【特許文献２】米国特許第４９４５２２７号の明細書。
【特許文献３】米国特許第５１９４７２７号の明細書。
【特許文献４】米国特許第５１６８１５４号の明細書。
【特許文献５】米国特許第５５３２４７４号の明細書。
【非特許文献１】"Geiger-Mode Avalanche Photodiodes for Three-Dimensional Imaging", Brian F. Aull, et. al., Lincoln Laboratory Journal, vol. 13, no. 2, 2002.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
降伏イベントの間、既知の回路は検出器の完全な電子なだれに依存する。デバイスが完全に降伏することが必要であり、比較器又は他の電圧／電流検出のための電子機器が出力を検出するのに十分な継続時間に渡って、大きな電流が流れることが必要とされる。これは、降伏イベントの間に検出器に大きな電流が流れなければならないことを意味するが、これによりアフターパルシング（after-pulsing）が増大され、かつ光結合が増大される。アフターパルシングは、降伏イベントの間にトラップされた電荷が、デバイスがリセットされた後にリリースされ、再び機能するようになったことにより引き起こされる。光結合は、ダイオードの空乏域を通過する電子毎に発生される約２×１０−５個の光子において測定される、検出器を介する電流の流れによって引き起こされる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によって提供される装置は、光子検出器と、上記検出器に電位差を印加するためのキャパシタンスとを含むセンサ素子を備えた装置であって、
リフレッシュ期間中に上記センサ素子を電圧源に動作可能なように接続することにより、しきい値より高い上記検出器の所定の電位差を達成するように上記キャパシタンスを充電し、検出期間中に上記センサ素子を上記電圧源から実質的に絶縁するためのスイッチング回路を備え、上記検出期間において、上記充電されたキャパシタンスは上記しきい値より高い上記検出器の電位差を維持し、上記検出器による光子の検出により上記キャパシタンスの電荷の少なくとも一部は上記検出器を介して放電され、上記装置は、
リフレッシュ期間と検出期間とを交互の順序で開始するように上記スイッチング回路を制御するための制御回路を備え、
上記制御回路は、連続する複数のリフレッシュ期間を所定の間隔で開始するように上記スイッチング回路を制御するように適合化される。
【００１２】
上記検出器はアバランシェフォトダイオードを備えてもよく、上記電位差は逆バイアス電位差であってもよい。上記しきい値は上記フォトダイオードのガイガーモードでの動作の達成に必要とされるしきい値であってもよい。上記しきい値は上記フォトダイオードの降伏電圧であってもよい。
【００１３】
上記制御回路はタイミング信号に依存して上記スイッチング回路を制御するように適合化されてもよい。上記タイミング信号はクロック信号であってもよい。
【００１４】
上記制御回路は、連続する複数の検出期間を所定の間隔で開始するように、上記スイッチング回路を制御するように適合化されてもよい。
【００１５】
上記制御回路は、所定の間隔で上記センサ素子に問い合わせることにより、放電が発生したか否かを決定するように適合化されてもよい。
【００１６】
上記制御回路は、リフレッシュ期間が開始される前に上記センサ素子に問い合わせるように適合化されてもよい。
【００１７】
上記制御回路は、リフレッシュ期間中に上記センサ素子に問い合わせるように適合化されてもよい。
【００１８】
上記制御回路は、上記センサ素子の特性に依存して上記スイッチング回路を制御するように適合化されてもよい。上記制御回路は、放電が発生したか否かを上記特性から決定するように適合化されてもよい。上記制御回路は、上記放電のタイミングを上記特性から決定するように適合化されてもよい。上記特性は上記センサ素子の電位差であってもよい。
【００１９】
上記制御回路は、上記放電の検出に応答してリフレッシュ期間を開始するように適合化されてもよい。
【００２０】
上記制御回路は、上記センサ素子の電位差に関連する信号を出力するように適合化された検出回路を備えてもよい。
【００２１】
上記信号は、検出期間中に上記電位差が第１の所定のレベルより下に低下したか否かを示してもよい。
【００２２】
上記信号は、上記電位差がそのように低下したときに放電が発生したことを示してもよい。
【００２３】
上記制御回路は、上記電位差がそのように低下したことを示す上記信号に応答して、リフレッシュ期間を開始するように適合化されてもよい。
【００２４】
上記第１の所定のレベルは上記しきい値以下であってもよい。
【００２５】
上記信号は上記電位差がいつそのように低下したのかをも示して、このイベントに関するタイミングの情報を提供してもよい。
【００２６】
上記制御回路は、リフレッシュ期間中に上記電位差が第２の所定のレベルより上に上昇したことを示す信号に応答して、検出期間を開始するように適合化されてもよい。
【００２７】
上記第２の所定のレベルは上記しきい値以上であってもよい。
【００２８】
上記信号は上記電位差がいつそのように上昇したのかをも示して、このイベントに関するタイミングの情報を提供してもよい。
【００２９】
上記検出回路は比較器を備えてもよく、ここで、上記比較器は、上記所定のレベルを設定するための基準電圧を受信するための一方の入力と、上記センサ素子の電位差に依存している電圧を受信するための他方の入力とを有する。
【００３０】
上記装置は、放電が発生したか否かを検出するように適合化された検出回路を備えてもよい。
【００３１】
上記検出回路は、後続のリフレッシュ期間中に上記センサ素子を再充電するために必要とされる電荷の量を決定することによって、特定の検出期間内に放電が発生したか否かを検出するように適合化されてもよい。
【００３２】
上記検出回路は、上記後続のリフレッシュ期間中に上記センサ素子の電圧を監視することによって、特定の検出期間内に放電が発生したか否かを検出するように適合化されてもよい。
【００３３】
上記装置は、上記放電の検出に応答して光子カウンタを更新するように適合化された光子計数回路を備えてもよい。上記光子計数回路は、上記センサ素子又は装置の暗計数又は同様の基準を参照して上記光子カウンタを更新してもよい。
【００３４】
上記キャパシタンスは上記検出器と並列に接続されたコンデンサを備えてもよい。
【００３５】
上記キャパシタンスは上記検出器の寄生キャパシタンスを備えてもよい。
【００３６】
上記キャパシタンスは上記検出器の寄生キャパシタンスのみを備えてもよい。
【００３７】
上記装置は、複数のセルのアレイとして配列される複数のセンサ素子を備えた先行する任意の請求項記載の装置。
【００３８】
上記アレイは二次元アレイであってもよい。
【００３９】
上記アレイの各セルは専用のスイッチング回路を有してもよい。上記アレイの各セルは専用の制御回路を有してもよい。上記アレイの各セルは専用の電圧源を有してもよい。上記アレイの各セルは専用の検出回路を有してもよい。
【００４０】
上記制御回路は、上記アレイの複数のセルのための上記スイッチング回路を順次制御するように動作可能であってもよい。
【００４１】
上記アレイの各セルは、上記放電の検出に応答してセル毎の光子カウンタを更新するように適合化された専用の光子計数回路を有してもよい。上記装置は、上記セル毎の光子カウンタを所定の間隔で読み取るための回路を備えてもよい。
【００４２】
本発明の他の態様は、上述のような専用の光子計数回路を有する本発明の第１の態様に基づくものであるが、上記制御回路は、連続するリフレッシュ期間を所定の間隔で開始するように上記スイッチング回路を制御するようには必ずしも適合化されない点に留意されたい。但し、このように適合化される場合もある。
【００４３】
上記アレイの各セルは上記放電のタイミングを決定するように適合化された専用の回路を有してもよい。
【００４４】
上記制御回路は、上記複数のセルの少なくとも１つのサブセットを動作させるように選択的に動作可能であってもよい。
【００４５】
上記装置は、上記セルが複数のグループに配列されるモードにおいて動作可能であってもよく、各グループは少なくとも１つのセルを含み、光強度に関する情報はグループ毎に提供される。
【００４６】
上記所定の電位差は上記しきい値の５０％以内であってもよい。上記所定の電位差は上記しきい値の２５％以内であってもよい。上記所定の電位差は上記しきい値の５％以内であってもよい。上記所定の電位差は上記しきい値の２％以内であってもよい。
【００４７】
上記所定の電位差は、上記センサ素子を再充電するために必要とされるリフレッシュ期間の前に所定の長さの検出期間を可能にする量だけ、上記しきい値を超えてもよい。
【００４８】
上記検出器による光子の検出は、上記検出器の電位差を実質的にゼロまで低下させてもよい。
【発明の効果】
【００４９】
従って、既知のアーキテクチャに比較して、本発明の実施形態は、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードが、外部のパッシブ又はアクティブクエンチ回路を用いることなく内部クエンチを提供することを可能にする。
【００５０】
本発明の一実施形態は、検出器に流れる電流を自己制限する手段によってクエンチし検出器における光子の到来を検出する能力を有する。これは、ダイオードの電界を維持するための内部の又は外部のキャパシタンスを用いて、検出器又は検出器のアレイがガイガーモードでバイアスされることを可能にする。この方法の主要な優位点は、検出器における電流の流れを自己制限することができる構造自体にある。降伏イベントの間の電流の流れを、電流デバイスの動作品質を下げ現時点の全ての最新技術に影響する光のクロストーク及びアフターパルシングを制限する理論上の最低レベルにまで、最小にすることができる。本発明の一実施形態は、光子計数の単一の検出器、複数の検出器のアレイ及び二次元のイメージングアレイに適用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
次に、添付の図面を例示として参照する。
【００５２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る装置１を示す例示的な回路図である。装置１は、制御回路１２と通信している複数のセル１０のアレイ７を備える。この実施形態では、アレイ７の各セル１０は同じ構成を有し、よって本明細書では、複数のセル１０の１つのセルにのみ参照番号を付して説明する。
【００５３】
セル１０はセンサ素子５を備え、センサ素子５自体はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）光子検出器８と、ＡＰＤ８をバイアスする（ＡＰＤ８に電位差を印加する）ためのキャパシタンス２とを備える。
【００５４】
セル１０はまた、センサ素子５に電圧源を提供するためのバイアス回路４と、バイアス回路（電圧源）４とセンサ素子５の間に配置されるスイッチング回路６とを備える。
【００５５】
リフレッシュ期間中、スイッチング回路６はセンサ素子５を電圧源４に接続するように動作される。これは、後続の検出期間中にＡＰＤ８のガイガーモードでの動作を可能にするように、ＡＰＤ８の降伏電圧より大きいＡＰＤ８の逆バイアスの電位差を達成するようにバイアスキャパシタンス２を充電する。
【００５６】
リフレッシュ期間後に続く検出期間中に、スイッチング回路６は、センサ素子５を実質的に電圧源４から絶縁するように動作される。検出期間中において、充電されたキャパシタンス２は、ＡＰＤ８の降伏電圧より大きいＡＰＤ８の逆バイアスの電位差を維持する。検出期間中にＡＰＤ８により光子が検出されると、キャパシタンス２の電荷はＡＰＤ８を介して放電される。
【００５７】
スイッチング回路６は、制御回路１２によりこのように制御されることにより、リフレッシュ期間と検出期間とを交互の順序で開始する。リフレッシュ期間は、検出期間が降伏イベント又は自然放電により自然に終了する前に開始されることが可能である。リフレッシュ期間と検出期間とは、好ましくギャップなしに高速で連続して続くが、これは必須ではない。例えば、制御動作である他の動作がリフレッシュ期間及び検出期間の交互の順序内に散在されてもよく、リフレッシュ期間と検出期間との間にギャップがあってもよい。
【００５８】
第１の実施形態では、装置１はクロック方式で動作され、制御回路１２は、連続する複数のリフレッシュ期間を所定の間隔で開始するようにスイッチング回路６を制御する。制御回路１２はまた、連続する複数の検出期間を所定の間隔で開始するようにスイッチング回路６を制御する。リフレッシュ期間及び検出期間のタイミングは、システムクロックにより制御される。また制御回路１２は、所定の間隔でセンサ素子に問い合わせることにより、放電が発生したか否かを決定するように適合化される。この問い合わせは、リフレッシュ期間の開始前又はリフレッシュ期間中に行われてもよい。
【００５９】
図２は、制御回路に囲まれた二次元のセンサアレイとして配列された複数のセル１０を用いることを略示するブロック図である。アドレス及び制御ＩＯは、有限状態マシンコントローラ１４を介して発生する。列デコーダ１５及び行デコーダ１５は、複数のプリセットコントローラ及び複数のリードバッファを用いて、アレイ内の任意の１つのセルへのランダムアクセスを可能にするようにアドレスを復号する。アクセスされたセルからの問い合わせられた情報は、データＩ／Ｏ線に送り出される前に、データバッファ１８に格納される。これはランダムアクセスメモリに類似する点であり、本発明の一実施形態におけるセルはそれぞれ１ビットの情報を格納する。セルのコンテンツは最新のイベントの履歴に依存し、イベントはＡＰＤのアクティブエリアに衝突する光子によってトリガされる。図３は、このようなデバイスの物理的な実施例としての１つの可能性を示したものであり、センサアレイはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）上にフリップチップされる。また、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）での実施も可能である。
【００６０】
従って、先に説明したように、本発明の一実施形態は、キャパシタンス２を用いることにより、ダイオード８を降伏電圧より高い電圧に保つ。検出器８が光子の到来によってオンになると、保持コンデンサ２及びＡＰＤ８の電圧は降伏電圧まで又はそれより下に低下する。これにより、ＡＰＤ８はもはやガイガーモードでの動作を可能にするのに十分な程度まで逆バイアスされなくなるので、検出期間は有効に終了する。検出期間は、熱的に生成されるキャリアによって又はキャパシタンス２の経時的な自然放電によって終了されることも可能である。
【００６１】
バイアスキャパシタンス２は、コンデンサ素子によって提供されるものとして示され、説明されているが、多くのアプリケーションにおいて、図１に描いたような任意の外部のコンデンサ素子を必要とすることなく、ＡＰＤ８自体の内部の寄生キャパシタンスが、必要とされるキャパシタンス２を提供するのに十分な場合もあることは理解されるであろう。何れにせよ、外部のコンデンサ素子を用いる場合であっても、ＡＰＤ８の寄生キャパシタンスは全体としてのバイアスキャパシタンス２に寄与する。
【００６２】
本発明の実施形態と従来技術との主要な相違点は、本発明の実施形態では、降伏イベント中に検出器８を流れる唯一の電流は、電圧を適正なレベルに保つために必要とされるＡＰＤの寄生及び／又は外部のキャパシタンス２に格納される電流であることにある。これは、単一の検出器及び複数の検出器の高密なアレイの両方に適した、光子計数のための新たなデバイスアーキテクチャを提供する。
【００６３】
本発明の一実施形態は、ＡＰＤ８の電圧を設定し、ＡＰＤ８を一定の固定の時間期間又は可変の時間期間に渡って放置する手段と、降伏が発生していることを検出してＡＰＤ８を必要とされる電圧まで再充電する手段とを提供する。
【００６４】
本発明の一実施形態は、アバランシェ降伏イベントの間に検出器８をリセットするパッシブ又はアクティブクエンチ回路を必要とすることなく、光子計数の発生を可能にするデバイスアーキテクチャを提供する。本デバイスアーキテクチャは、検出器８に電圧が印加され、その電圧が内部の又は外部のキャパシタンス２によって維持されるように動作する。
【００６５】
ダイオード８の漏れ電流は、有効な検出期間を提供するのに十分な（システムのＲＣ時定数により決定される）時間長に渡って電圧を維持することができる程度に十分に低い（典型的には、１００ｆＡのオーダー）。ダイオード８は、バイアスされると、少なくとも部分的にキャパシタンス２によって決定される所定の時間長に渡って放置されてもよい。
【００６６】
空乏域になる光子又は空乏域になる熱的に生成された電子／正孔は、降伏を引き起こす。降伏イベントの間、コンデンサ２の電荷はダイオード８を介して接地に放電される。電圧源４は検出器８から外されているので、降伏イベントの間に流れる唯一の電流はダイオード及び任意の外部にキャパシタンス２に蓄積されている電荷である。この電荷が降伏電圧に等しい電位差をもたらすレベルまで減少されると、デバイスは有効にクエンチされてオフにされ、検出期間が終わりとなる。
【００６７】
次に、外部／内部バイアス回路４がダイオード８に再び印加されることにより、ダイオードの電圧が降伏電圧より高いレベルまでリフレッシュされる。ダイオードがリセット（又はトップアップ）されているときにダイオード８の電圧を監視することにより、光子が検出されたか否かを決定することが可能である。
【００６８】
図６は、ダイオードの電圧を切り換えて、デバイスが走査方式で読み出され得るようにする能力を提供するために用いられうるアーキテクチャの一例を示す。動作シーケンスは、下記の通りである。
【００６９】
１．どのワード線（Ｗ０−Ｗ３）も選択されずに開始する。
２．ＡＰＤビット線（Ｂ０−Ｂ３）をバッファ入力に接続する。
３．ワード線をアサートしバッファ出力を読み取る。
４．ビット線をチャージ電圧に切り換える。
５．シーケンスを繰り返す前に、ワード線を非選択状態にする。
【００７０】
図４は、本発明の第２の実施形態を示す例示的な回路図である。本発明の第２の実施形態では、セル２０は、降伏によって引き起こされるＡＰＤ８の電圧変化の存在又はＡＰＤ８を介する接地への電流の流れを検出する電圧／電流検出機能を含む。これにより、本回路は、バイアス回路に信号を送信することによりＡＰＤを再充電する。
【００７１】
従って、第１の実施形態では、装置は、ＡＰＤ８が設定された間隔で問い合わせを受ける完全なクロック方式で動作するが、第２の実施形態では、本装置は、セル２０が光子又は降伏回数に依存して自らをセット及びリセットできる自走モードで動作し、これにより独立して動作することができる。
【００７２】
図４に示すように、セル２０は、バイアスキャパシタンス２及びＡＰＤ８（センサ素子５）、スイッチング回路６及びバイアス回路４を備え、これらは第１の実施形態における各部分に対応する。しかしながら、第２の実施形態では、セル２０は専用の制御回路２２も備え、制御回路２２は、接地と抵抗器Ｒとの間に接続されたｎｍｏｓトランジスタ２４を有し、ｎｍｏｓトランジスタ２４自体は正電圧源に接続される。ｎｍｏｓトランジスタ２４のゲートはＡＰＤ８のカソードに接続される一方、スイッチング回路６への制御信号はトランジスタ２４と抵抗器Ｒとの間の点Ａから取られる。
【００７３】
第２の実施形態の動作では、リフレッシュ期間中、スイッチング回路６は電圧源４をキャパシタンス２に接続するように動作される。ＡＰＤ８がガイガーモードでの動作を可能にできるほど十分に逆バイアスされた後に、キャパシタンス２はｎｍｏｓトランジスタ２４がオンになる点まで充電される。すると点Ａは低い値をとり、これにより、スイッチング回路６は電圧源４をセンサ素子５から絶縁することになる。これにより、検出期間が開始される。
【００７４】
検出期間中、光子によってＡＰＤ８における放電が引き起こされると、ＡＰＤ８における電位差はＡＰＤ８の降伏電圧より下まで低下し、これにより、トランジスタ２４がオフになる。すると点Ａは高い値をとり、これにより、スイッチング回路６は電圧源４をセンサ素子５に接続する。これにより、リフレッシュ期間が再び開始され、サイクルはこのようにして継続される。
【００７５】
図５は、本発明の第３の実施形態を示す回路図である。第３の実施形態は第２の実施形態と同様であるが、より精巧である。第３の実施形態の構成は図５に示す回路図から容易に理解されるであろうが、その動作は下記の通りである。
【００７６】
動作に際して、降伏電圧より低い高電圧（Ｖｈｖ）が、回路構成に依存して、ダイオードのアノード又はカソードに印加される。次に、電圧（Ｖｅｘ）が反対側の端子に印加されることにより、当該ダイオードを降伏電圧（Ｖｂｒ）より低くバイアスする。従って、ダイオードにおける合計の電圧は、Ｖｈｖ＋Ｖｅｘ＞Ｖｂｒである。
【００７７】
降伏イベントの間、ノード（ａ）における電圧は、ダイオードにおける合計の電圧が降伏電圧より低くなるように低減される。
【００７８】
ノード（ａ）が低いとき、トランジスタＮ１はオフにされる。これにより、ノード（ｂ）の電圧は＋５Ｖまで増加される。ノード（ｂ）は、比較器Ｃへの非反転入力を形成する。この入力が基準電圧Ｖｒｅｆより低いとき、比較器Ｃの反転出力Ｑ’はスイングして低くなる。Ｑ’が低くなると、トランジスタＮ２はオフにされる。次に、これによりノード（ｃ）が高くなり、トランジスタＮ３がオンにされる（先行する２つの実施形態におけるスイッチング回路に対応する）。
【００７９】
トランジスタＮ３がオンのとき、ノード（ｄ）は電圧源ＶＡＲによって高くなる。この電圧源ＶＡＲはショットキーダイオード（高速用）を介してＡＰＤ８に接続される。これにより、検出期間への準備のために、ＡＰＤのバイアス電圧を元のＡＰＤ８の降伏電圧より高い値に戻す。
【００８０】
これにより、トランジスタＮ１はオンにされ、ノード（ｂ）はＶｒｅｆより低くなる。比較器Ｃの非反転入力におけるこの低値により出力Ｑ’は高くなり、トランジスタＮ２はオンにされる。ノード（ｃ）は低くされ、これにより、トランジスタＮ３はオフにされる。これにより、電圧源ＶＡＲはＡＰＤ８への接続を絶たれ、こうして検出期間が開始される。
【００８１】
検出期間は、例えば光子が降伏を引き起こすときに終了し、サイクルは上述のように繰り返される。
【００８２】
コンデンサを充電し降伏が発生したことを検出するために、上述の２つの実施形態において説明されたコアアーキテクチャと同じコアアーキテクチャが用いられるが、第３の実施形態では、タイミング情報も保存される。
【００８３】
例えば、第１の実施形態における１つの動作モードでは、アレイ内の個々のセルはシステムクロックに従ってリフレッシュモードと検出モードとで交互に動作され、リフレッシュ期間中は充電され、検出期間中そのままにされ、次に、検出期間中に放電が発生したか否かを決定するために問い合わせを受ける。これは、大規模な検出器アレイの動作を可能にするが、逐次的な読み出しの性質に起因して、光子の絶対的な到来時刻は失われる。最善でも、検出期間中の何らかの時点で放電が発生したはずであるという、タイミング情報の限られた認識しか得られなくなる。
【００８４】
検出器毎に別々の読み出し回路を備えることは、大規模なアレイに対する問い合わせ、及び大規模な検出器アレイ並びにこれらのアレイからの大量のデータを扱うために必要とされる信号及びデータ処理の両方において必要とされる回路のサイズ及び複雑さによって制限される。光子のタイミングの情報が所望される場合、より小規模なアレイでは、画素毎に専用の充電／読み出し回路を用いることにより、光子の到来時刻を保持することが可能であり、これは、第３の実施形態において採用されている方法である。他の実施形態は、画素のアレイ全体からの逐次的な出力から、限られた画素からの出力に切り換える能力を含み、超高速の検出期間又は自走モードで動作するであろう。
【００８５】
第３の実施形態では、各セルは、充電／再充電回路によって充電される。降伏イベントが検出されると、再充電回路が用いられることにより、デバイスが再充電され、（比較器Ｃから）信号が出力される。再充電によりデバイスは再び動作され、出力信号は光子の到来時刻を示す。
【００８６】
これが従来技術回路を凌ぐ優位点は、降伏の間に検出エリアに流れる電流が極めて少ないために、画素と画素との間の結合が少なくなり、放散される熱が少なくなり、アフターパルシングの機会が少なくなり、かつ検出器のデッドタイムが非常に短くなることにある。
【００８７】
既知の回路は、外部の（又はモノリシック）回路によって測定及び検出され得る大きな電流の流れを発生するために、まず検出器が完全にブレークダウンすることを必要とする。これは、光子が検出される毎に、光子カウンタのアクティブエリアに比較的大きい電流が流れる必要があることを意味する。代わりに、本発明の一実施形態は、内部及び外部キャパシタンスを用いることにより検出器にバイアスを供給する。降伏イベントの間、コンデンサの電荷は、低抵抗のダイオードを介して接地へと移動されて取り除かれる。ある態様では、次に回路は検出器を再び走査することにより、個々のダイオードへの書き込み及び読み取りを効果的に行う。これにより、ダイオードをバイアスする外部の／モノリシックな回路によるデータの読み出し速度によってのみ制限されて、画素のピッチが極めて小さい大規模なアレイを形成することが可能になる。
【００８８】
上述の実施形態の様々な特徴を組み合わせることができる点は、理解されるであろう。例えば、クロック方式で動作されるが、降伏イベントを検出しこれに応答してリフレッシュ期間を開始する機能も有するセルを、装置は備える場合もある。当業者には、他にもこのような組合せが容易に明らかであろう。また、本明細書に示されかつ説明されている回路の機能性を、多くの異なる方法によって提供することが可能であり、本明細書に示す特定の実施例は単なる例示であることも理解されるであろう。
【００８９】
本発明の他の実施形態では、アレイのセルは、当該セルのための検出器が動作された回数が格納される固有のカウンタを備える。セル毎のカウンタは、例えば１マイクロ秒又は１０マイクロ秒毎である所定の間隔で読み取られる場合もあれば、例えばカウンタがその最大のカウントに達してリセットが必要であるときのような任意の間隔で読み取られる場合もある。
【００９０】
画素毎のカウンタは、書き込み／読み取り走査の機構からの動作とは独立して自らリセットする能力を有してもよい。これを達成する１つの方法は、デバイスが降伏し上記画素から電荷を移動させて取り除くのに十分な時間があればデバイスをリセットする遅延回路を、画素内に提供することであろう。図７はこのような回路を図式的に表示するものであり、この回路は下記のように動作する。
【００９１】
１．ＡＰＤのアノードが負の降伏（negative breakdown）においてバイアスされる。
２．寄生キャパシタンスがＶａｐｄを維持する。
３．入射した光子が、Ｖａｐｄの急降下を引き起こす。
４．短時間の後、遅延がデバイスをリセットする。
５．適切な回路で計数できるパルスを光子毎に与える。
【００９２】
遅延回路として可能な１つの実施例を図８に示す。これにより、デバイスは最上位置のトランジスタにおいてアクティブなリセット機構を介してリセットされることが可能になり、最下位置のトランジスタを用いてダイオード自体に残っている任意の電荷が移動されて取り除かれてもよい。これは、降伏イベントの後にダイオードの電荷がアクティブに移動されて取り除かれるアクティブクエンチ回路と同様である。この場合、これは、計数機構を最適化する上で有益である。ダイオードのリセットを遅延させるために、インバータのチェーンが用いられる場合もある。この回路は、可能な限り最速の動作を許容できるように回路のしきい値を設定できるようにする、オプションのｖｒｅｆ入力も有する。回路の動作上、Ｖｒｅｆが含まれる必要はないが、Ｖｒｅｆが回路に含まれれば、回路は高速より高速で動作する。
【００９３】
カウンタ、クエンチ及び外部へのバッファを示すブロックレベルの図を図９に示す。これにより、デバイスは自らをリセットし、イベント後に計数を継続することができるようになる。バッファは、所定の間隔で読み出される場合もあれば、例えばそれがフルになった時点である他の任意の時に読み出される場合もある。
【００９４】
例えば図１０に示す実施例に係る本発明の一実施形態は、下記の異なる３つのモードで同時に、次のようにして動作することができる。
【００９５】
１．デジタルＡＰＤ．
１．アクティブクエンチ回路が使用禁止にされる。
２．値が読み取られる。
３．セットパルスがアクティブクエンチを許容する。
４．ＡＰＤをクエンチ／リセットする回路。
５．次のワード線に移る。
【００９６】
２．計数．
１．アクティブクエンチ回路が使用可能にされる。
２．イベント時にタイマ／カウンタがインクリメントされる。
３．サンプルが値をスナップショットする。
４．走査がチップ外への転送を許容する。
【００９７】
３．タイムスタンピング．
１．アクティブクエンチ回路が使用可能にされる。
２．クロックでタイマ／カウンタがインクリメントされる。
３．イベントでタイマのスナップショットがとられる。
４．走査がチップ外への転送を許容する。
【００９８】
本発明の一実施形態は、アレイ全体からセルの小さいサブセットのみの読み取り／書き込みを行うモードで動作されることが可能である。これは、一度にアレイの一部だけをサンプルするようにアレイをウィンドウする能力を提供する。これは、読み取り／書き込みのリフレッシュサイクルタイムの高速化を必要に応じて可能にし、よってアレイは、アクティブな画素の数はより少ないが、より高い周波数で動作できるようになる。
【００９９】
各セル内には、タイミング回路も組み込まれることが可能である。これにより、デバイスは光子イベントの到来のタイミングを計ることができるようになる。光子の到来に応答して発生されるタイムスタンプは、その後の所定の時間に、例えば所定の間隔で読み出される場合もあれば、すぐに読み出される場合もある。
【０１００】
上述のウィンドウする能力は、光子の到来時刻がより正確に記録されることを可能にする。これは、個々の画素をより高いリフレッシュレートで動作させ個々の画素の変化の正確なタイミングを可能にする能力をもたらす。
【０１０１】
例えば、ある使用方法は、本装置をまずアレイ全体に渡り走査モードで動作させる。処理対象の特定の領域が決定されると、アレイのサブセットが選択され、これにより、その特定の領域をより高速で走査できるようになる。これにより、アレイのより小さいサブセットにおいて、光子の到来時刻をより高いレベルの精度で決定することができる。
【０１０２】
また、例えばアレイ全体又はその領域における光強度に関する情報を提供する出力の数が低減されているモードで動作できる装置を提供することも可能である。これは、１つの出力を提供する能力を提供するが、ここで、出力信号はアレイ全体に入射する信号レベルを表すか又は幾つかの画素が選択され当該画素のみに関する１つの出力を提供してもよい。このようにして、アレイはセグメント化され、各セグメントに関して出力が提供されてもよい。そして、セグメント化された出力は各々、そのセグメントの光強度に関する情報を提供する。
【０１０３】
システムの出力は、デジタル信号又はアナログ信号の何れであってもよい。セグメント化された出力の場合、外部に１つのアナログ出力又は幾つかのアナログ出力を提供する能力が使用可能にされる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明の一実施形態は、例えば、かなり低い光レベルでのイメージングアプリケーション、レーザレーダ／ＬＩＤＡＲ／距離測定アプリケーション、ＴＯＦアプリケーション及び高度のタイミング分解能を必要とするローライトイメージングアプリケーションにおいて適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す例示的な回路図である。
【図２】本発明を具現するアレイ実施例を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態の物理的な実施例を示す例示的な図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す例示的な回路図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を示す例示的な回路図である。
【図６】本発明の実施形態又はその態様を示す別の図である。
【図７】本発明の実施形態又はその態様を示す別の図である。
【図８】本発明の実施形態又はその態様を示す別の図である。
【図９】本発明の実施形態又はその態様を示す別の図である。
【図１０】本発明の実施形態又はその態様を示す別の図である。
【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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【図１０】
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【国際調査報告】
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