(57)【要約】【課題】ＰＤアレイの隣接チャンネル間クロストークを抑制する駆動方法を提供する。【解決手段】複数個のフォトダイオードが配列されたフォトダイオード・アレイ１０と、各フォトダイオードに対応するスイッチよりなるスイッチ・アレイ１５と、フォトダイオードを流れる電流を電圧に変換する１個のオペアンプよりなる電流電圧変換手段１６と、逆バイアス電源１７と、電圧計測手段１９とを備え、各スイッチは、対応するフォトダイオードを、逆バイアス電源または電流電圧変換手段に切り換え接続でき、オペアンプは、電圧計測手段に接続されているフォトダイオード・アレイ装置において、計測しようとする１個の計測フォトダイオードを、オペアンプに接続し、その他の計測外フォトダイオードを、逆バイアス電源に接続する。【選択図】　　　図１４
2004047804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個のフォトダイオードが配列されたフォトダイオード・アレイと、
前記各フォトダイオードに対応するスイッチよりなるスイッチ・アレイと、
前記各フォトダイオードを流れる電流を電圧に変換する負荷抵抗よりなる電流電圧変換手段と、
逆バイアス電源と、
電圧計測手段とを備え、
前記各スイッチは、対応する負荷抵抗を前記電圧計測手段に、または、対応するフォトダイオードを前記逆バイアス電源に、切り換え接続できる、
ことを特徴とするフォトダイオード・アレイ装置。
【請求項２】
複数個のフォトダイオードが配列されたフォトダイオード・アレイと、
前記各フォトダイオードに対応するスイッチよりなるスイッチ・アレイと、
前記フォトダイオードを流れる電流を電圧に変換する１個のオペアンプよりなる電流電圧変換手段と、
逆バイアス電源と、
電圧計測手段とを備え、
前記各スイッチは、対応するフォトダイオードを、前記逆バイアス電源または前記オペアンプに切り換え接続でき、
前記オペアンプは、前記電圧計測手段に接続されている、
ことを特徴とするフォトダイオード・アレイ装置。
【請求項３】
複数個のフォトダイオードが配列されたフォトダイオード・アレイと、
前記各フォトダイオードに反転入力端子がそれぞれ接続された複数個のオペアンプよりなる電流電圧変換回路と、
前記各オペアンプの後段に設けられ、各オペアンプに対応するスイッチよりなる第１のスイッチ・アレイと、
前記第１のスイッチ・アレイに接続された電圧計測手段と、
前記各オペアンプの非反転入力端子にそれぞれ接続されたスイッチよりなる第２のスイッチ・アレイと、
逆バイアス電源とを備え、
前記第２のスイッチ・アレイの各スイッチは、前記オペアンプを経由して、対応するフォトダイオードを、前記逆バイアス電源に切り換え接続する、
ことを特徴とするフォトダイオード・アレイ装置。
【請求項４】
複数個のフォトダイオードが配列されたフォトダイオード・アレイと、
前記各フォトダイオードに反転入力端子がそれぞれ接続された複数個のオペアンプよりなる電流電圧変換回路と、
前記各オペアンプの後段に設けられ、各オペアンプに対応するスイッチよりなる第１のスイッチ・アレイと、
前記第１のスイッチ・アレイに接続された電圧計測手段と、
前記各オペアンプの非反転入力端子にそれぞれ接続されたスイッチよりなる第２のスイッチ・アレイと、
前記各オペアンプの非反転入力端子にそれぞれ接続された抵抗よりなる抵抗アレイと、
前記抵抗アレイに接続された逆バイアス電源とを備え、
前記第２のスイッチ・アレイの各スイッチは、前記抵抗およびオペアンプを経由して、対応するフォトダイオードを前記逆バイアス電源に切り換え接続する、ことを特徴とするフォトダイオード・アレイ装置。
【請求項５】
請求項１に記載のフォトダイオード・アレイ装置を駆動する方法であって、
前記スイッチ・アレイによって、電圧を計測しようとする１個の負荷抵抗を、前記電圧計測手段に接続し、その他の計測外フォトダイオードを、前記逆バイアス電源に接続することを特徴とする駆動方法。
【請求項６】
請求項２に記載のフォトダイオード・アレイ装置を駆動する方法であって、
前記スイッチ・アレイによって、計測しようとする１個の計測フォトダイオードを、前記オペアンプに接続し、その他の計測外フォトダイオードを、前記逆バイアス電源に接続することを特徴とする駆動方法。
【請求項７】
前記計測フォトダイオードの電圧をＶＰ　、前記計測外フォトダイオードの電圧をＶＯ　、フォトダイオードの開放電圧をＶＯＣとした場合に、
ＶＯ　＜ＶＰ　および０≦ＶＰ　≦ＶＯＣ
となるように設定することを特徴とする請求項５または６に記載の駆動方法。
【請求項８】
前記計測フォトダイオードの電圧をＶＰ　、前記計測外フォトダイオードの電圧をＶＯ　、フォトダイオードの開放電圧をＶＯＣ、前記逆バイアス電源の電圧をＶｂ　、前記フォトダイオードの最大電流をＩｍａｘ　、前記スイッチの抵抗をＲＳＷ、前記負荷抵抗をＲとした場合に、
ＶＯ　＜ＶＰ　および０≦ＶＰ　≦ＶＯＣ
さらに、（（Ｉｍａｘ　×ＲＳＷ−Ｖｂ　）／（Ｒ＋ＲＳＷ））×Ｒ＜−０．１５Ｖ
となるように設定することを特徴とする請求項５に記載の駆動方法。
【請求項９】
前記計測フォトダイオードの電圧をＶＰ　、前記計測外フォトダイオードの電圧をＶＯ　、フォトダイオードの開放電圧をＶＯＣ、前記逆バイアス電源の電圧をＶｂ　、前記フォトダイオードの最大電流をＩｍａｘ　、前記スイッチの抵抗をＲＳＷとした場合に、
ＶＯ　＜ＶＰ　および０≦ＶＰ　≦ＶＯＣ
さらに、（−Ｖｂ　＋（Ｉｍａｘ　×ＲＳＷ））＜−０．１５Ｖ
となるように設定することを特徴とする請求項６に記載の駆動方法。
【請求項１０】
請求項３または４に記載のフォトダイオード・アレイ装置を駆動する方法であって、
前記第１のスイッチ・アレイによって、計測しようとする１個の計測フォトダイオードが接続されたオペアンプを、前記電圧計測手段に接続し、
前記第２のスイッチ・アレイによって、その他の計測外フォトダイオードを、前記逆バイアス電源に接続することを特徴とする駆動方法。
【請求項１１】
前記計測フォトダイオードの電圧をＶＰ　、前記計測外フォトダイオードの電圧をＶＯ　、フォトダイオードの開放電圧をＶＯＣとした場合に、
ＶＰ−ＶＯ　≧０．１５Ｖおよび０≦ＶＰ　≦ＶＯＣ
となるように設定することを特徴とする請求項１０に記載の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトダイオード・アレイ装置、およびフォトダイオード・アレイ装置の隣接チャンネル間クロストークを低減する駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、フォトダイオード（ＰＤ）アレイを使用する装置では、一般にスポット位置検出を目的として、隣接チャンネル間クロストークを少なくすることが要求される。このようなフォトダイオード・アレイ装置では、ＰＤ素子で得られた信号電流は、電流電圧変換回路で電圧に変換されて、機械式スイッチやアナログスイッチで切り替え選択されて信号処理される。
【０００３】
図１に、負荷抵抗による電流電圧変換回路を用いたフォトダイオード・アレイ装置を示す。（ａ）は、ＰＤアレイをゼロバイアス駆動する場合の装置を、（ｂ）は、応答速度を上げるためにＰＤアレイを逆バイアス駆動する場合の装置を示す。図中、１０はＰＤアレイを、１２は負荷抵抗を用いた電流電圧変換回路を、１４はスイッチ・アレイを示す。
【０００４】
図１（ａ），（ｂ）のフォトダイオード・アレイ装置において、光スポットの入力によりＰＤアレイ１０に発生したＰＤ電流は、負荷抵抗による電圧降下を利用した電流電圧変換回路１２により電圧に変換され、スイッチ・アレイ１４を経て出力される。
【０００５】
また、図２には、オペアンプを用いた電流電圧変換回路を用いたフォトダイオード・アレイ装置を示す。（ａ）は、ＰＤアレイをゼロバイアス駆動する場合の装置を、（ｂ）は、応答速度を上げるためにＰＤアレイを逆バイアス駆動する場合の装置を示す。図中、１０はＰＤアレイを、１４はスイッチ・アレイを、１６はオペアンプを用いた電流電圧変換回路を示す。
【０００６】
図２（ａ），（ｂ）のフォトダイオード・アレイ装置において、ゼロバイアスまたは逆バイアスを与えられ発生したＰＤ電流は、スイッチ・アレイ１４を経てオペアンプを用いた電流電圧変換回路１６により電圧に変換されて出力される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術には次のような問題点があった。
【０００８】
（１）逆バイアス駆動の場合、クロストークに効果はあるが、ＰＤ並列抵抗の低下で電流が増加するという問題がある。
【０００９】
同一半導体基板上に形成されたＰＤアレイにおいて、ＰＤ素子の劣化現象の一つにＰＤ並列抵抗の低下が挙げられる。ＰＤアレイに逆バイアスを与えると、隣接チャンネルに漏洩する電流が減少するので、クロストークが低下する。しかしＰＤ素子の劣化による並列抵抗の低下が生じると、逆バイアス電圧で流れるリーク電流が増大し、直流オフセット電流の上昇を伴うダイナミックレンジの縮小を生じ、正常な光検出ができなくなる。
【００１０】
これは、以下の理由による。即ち、光照射によってＰＤ素子で発生するキャリア（正孔電子対）は、該当するＰＤ素子の電極に与えられた逆バイアス電圧により互いの極に引き寄せられ、隣接ＰＤ素子への漏洩は減少する。
【００１１】
またＰＤ素子の並列抵抗は、逆バイアス電圧に対して直列抵抗として作用するため、逆バイアス電圧に依存する。このことを、ＰＤアレイに対するカソードコモン逆バイアス実験により確かめた。
【００１２】
図３（ａ）は、カソードコモン逆バイアス実験の測定回路を示す。図中、１５はカソードコモンを示す。測定を行ったＰＤのチャンネル（ＣＨ）は、６，７および８の３つのＰＤ素子で、ＣＨ８は劣化し並列抵抗が低下したＰＤ素子である。測定は、ＣＨ７に光を当て、カソードコモンに与えた逆バイアス電圧に対する各チャンネルのＰＤ素子の電流を計測することにより行った。図３（ｂ）は、ＣＨ７がＣＨ６またはＣＨ８に与える影響をクロストークとして表したもので、計算式は１０×ｌｏｇ（ＣＨ６電流／ＣＨ７電流）、またはｌｏｇ（ＣＨ８電流／ＣＨ７電流）で表している。この図より、正常ＰＤであるＣＨ６は逆バイアス電圧を増加するとクロストークが低下し、０．１５Ｖ以上で一定のクロストークを示す。一方、ＣＨ８は、並列抵抗の低下という劣化が生じており、逆バイアス電圧を増加するとクロストークが増大する。しかし、劣化したＣＨ８の短絡電流を計測すると、表１に示すように光検出能力に差は見られない。
【００１３】
【表１】
2004047804.tif 000003
【００１４】
（２）逆バイアス駆動の場合、不良ＰＤアレイを交換しなければならない。
【００１５】
同一半導体基板上に形成されたＰＤアレイにおいて、逆バイアス駆動によるＰＤアレイ装置では、ＰＤ素子劣化による並列抵抗が低下したＰＤアレイは交換する以外に方法が無い。
【００１６】
これは、劣化したＰＤ素子は性能が回復することはないので、ＰＤアレイ毎に交換する必要があるためである。
【００１７】
（３）逆バイアス駆動の場合、交換不可モジュール構成では全体が不良となる。
【００１８】
同一半導体基板上に形成されたＰＤアレイが、接着など交換が不可能なモジュール構成において、逆バイアス駆動による電流検出回路では、ＰＤ素子の並列抵抗が低下する劣化が生じた場合、モジュール全体が不良になってしまう。
【００１９】
これは、ＰＤアレイが一つのモジュール構成であり、モジュールそのものが不良になるからである。
【００２０】
（４）ゼロバイアス負荷抵抗の場合、ＰＤ素子劣化の影響は防げるが、クロストークが悪化する。
【００２１】
同一半導体基板上に形成されたＰＤアレイにおいて、図１（ａ）に示すゼロバイアス駆動では、負荷抵抗により生ずる電位によって隣接ＰＤ素子に電流が漏洩しクロストークを悪化させる。
【００２２】
このことを、ＰＤ素子のオープンショート実験により示す。図４は、オープンショート実験の回路を示す。ＣＨ８に光スポットを照射し、短絡電流が２０５．８μＡ流れる条件においては、ＣＨ８に隣接するＣＨ７，ＣＨ９の短絡電流はそれぞれ３．６μＡ，９．８μＡである。
【００２３】
次に、ＣＨ８を短絡から開放状態にすれば、ＣＨ７，ＣＨ９の同じく短絡電流は５３．２μＡと５８．７μＡに増加する。このようにＣＨ８の電位により、行き場のないキャリアは容易に隣接ＰＤ素子に流れ込むと考えられる。
【００２４】
表２に、以上の短絡（ｓｈｏｒｔ），開放（ｏｐｅｎ）における短絡電流の値を示す。
【００２５】
【表２】
2004047804.tif 000004
【００２６】
同様に、図５（ａ）に示す回路により順方向バイアス実験を行い、結果を図５（ｂ）に示す。順方向電流により電子や正孔が生じ、かつ、電位差があれば容易に隣接ＰＤ素子に流れ込むことが分かる。
【００２７】
また負荷抵抗の影響を図６（ａ）に示す回路により調べ、結果を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）の上段のグラフは、抵抗値に対する電流の変化を、下段のグラフは、抵抗値に対するクロストークの変化を示す。これらグラフから、負荷抵抗の抵抗値が大きいとＰＤ素子電位が開放端電位の順方向にバイアスされ、図５で示した影響から容易に隣接ＰＤ素子に流れ込みクロストークが悪化することが分かる。
【００２８】
（５）ゼロバイアス・オペアンプの場合、劣化の影響は防げるが、クロストークは最良でない
同一半導体基板上に形成されたＰＤアレイにおいて、オペアンプを使用した電流電圧変換回路では、入力部がイマジナルショートとして働くので、各ＰＤ素子出力はグランドに短絡された同一電位状態となる。このため、抵抗負荷方法と比較して、隣接ＰＤ素子への漏洩電流によるクロストークは改善されるが、最良とは言えない。
【００２９】
これは、以下の理由による。上記の問題点（１）で説明に用いた図３（ａ）から、逆バイアス電圧０Ｖの状態に相当し、逆バイアスで見られる最良のクロストークは得られない。各ＰＤ素子は短絡電流として取り出され、全てのＰＤ素子のカソード，アノードはゼロボルトと同一電位になる。この条件でＰＤ素子内部では、光エネルギーにより生じたキャリア（電子と正孔の対）の大半はＰＤ素子の電極に集められるが、その一部の正孔は、（全てのＰＤ素子はゼロボルトと同一電位のため図３（ｂ）で示した逆バイアス電圧で引き寄せられることはない）隣接するＰＤ素子に流れ込む。
【００３０】
（６）ゼロバイアス・オペアンプの場合、劣化の影響は防げるが、アナログスイッチ抵抗の影響を受ける。
【００３１】
ＰＤ素子数が増加すれば、ＰＤ素子選択は一般的にマルチプレクサ方式が使用され、図２（ａ）に示すスイッチ・アレイ１４にはアナログスイッチＩＣが使用される。アナログスイッチのＯＮ抵抗により、クロストーク悪化とクロストークばらつきを生じる。
【００３２】
これは、図６（ｂ）に示すように抵抗値の増大によりクロストークを悪化させるからである。また、抵抗値にばらつきがあると、クロストークのばらつきとして現れるからである。
【００３３】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、ＰＤアレイの隣接チャンネル間クロストークを抑制する駆動方法を提供することにある。
【００３４】
本発明の他の目的は、このような駆動方法を実現することのできるフォトダイオード・アレイ装置を提供することにある。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様は、フォトダイオード・アレイ装置である。本発明のフォトダイオード・アレイ装置の第１の構成は、複数個のフォトダイオードが配列されたフォトダイオード・アレイと、前記各フォトダイオードに対応するスイッチよりなるスイッチ・アレイと、前記各フォトダイオードを流れる電流を電圧に変換する負荷抵抗よりなる電流電圧変換手段と、逆バイアス電源と、電圧計測手段とを備え、前記各スイッチは、対応する負荷抵抗を前記電圧計測手段に、または、対応するフォトダイオードを前記逆バイアス電源に、切り換え接続できる。
【００３６】
第２の構成は、複数個のフォトダイオードが配列されたフォトダイオード・アレイと、前記各フォトダイオードに対応するスイッチよりなるスイッチ・アレイと、前記フォトダイオードを流れる電流を電圧に変換する１個のオペアンプよりなる電流電圧変換手段と、逆バイアス電源と、電圧計測手段とを備え、前記各スイッチは、対応するフォトダイオードを、前記逆バイアス電源または前記オペアンプに切り換え接続でき、前記オペアンプは、前記電圧計測手段に接続されている。
【００３７】
第３の構成は、複数個のフォトダイオードが配列されたフォトダイオード・アレイと、前記各フォトダイオードに反転入力端子がそれぞれ接続された複数個のオペアンプよりなる電流電圧変換回路と、前記各オペアンプの後段に設けられ、各オペアンプに対応するスイッチよりなる第１のスイッチ・アレイと、前記第１のスイッチ・アレイに接続された電圧計測手段と、前記各オペアンプの非反転入力端子にそれぞれ接続されたスイッチよりなる第２のスイッチ・アレイと、逆バイアス電源とを備え、前記第２のスイッチ・アレイの各スイッチは、前記オペアンプを経由して、対応するフォトダイオードを、前記逆バイアス電源に切り換え接続する。
【００３８】
第４の構成は、複数個のフォトダイオードが配列されたフォトダイオード・アレイと、前記各フォトダイオードに反転入力端子がそれぞれ接続された複数個のオペアンプよりなる電流電圧変換回路と、前記各オペアンプの非反転入力端子にそれぞれ接続されたスイッチよりなる第２のスイッチ・アレイと、前記各オペアンプの後段に設けられ、各オペアンプに対応するスイッチよりなる第１のスイッチ・アレイと、前記第１のスイッチ・アレイに接続された電圧計測手段と、前記各オペアンプの非反転入力端子にそれぞれ接続された抵抗よりなる抵抗アレイと、前記抵抗アレイに接続された逆バイアス電源とを備え、前記第２のスイッチ・アレイの各スイッチは、前記抵抗およびオペアンプを経由して、対応するフォトダイオードを前記逆バイアス電源に切り換え接続する。
【００３９】
本発明の第２の態様は、フォトダイオード・アレイ装置の駆動方法であり、上記各フォトダイオード・アレイ装置において、１個の計測フォトダイオードの電流を計測しているとき、その他の計測外フォトダイオードには、逆バイアス電圧を印加する。このようにすることにより、隣接チャンネル間クロストークが低減される。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明は、フォトダイオード・アレイ装置において、隣接チャンネル間クロストークを低減できる駆動方法を実現する。
【００４１】
本発明の駆動方法を説明するために、図７に、隣接する２個のＰＤ素子２０，２２、および関連するアナログスイッチ抵抗３０，３２を示し、各部の電圧を以下に定義する。
【００４２】
以下の定義の中で、計測ＰＤ素子とは、アナログスイッチで切り替え選択された１個のＰＤ素子であり、ＰＤ電流が計測されるＰＤ素子である。また、計測外ＰＤ素子とは、アナログスイッチで選択されなかったＰＤ素子を言う。
【００４３】
ＰＤ素子の開放電圧すなわち無負荷電圧を、ＰＤ開放電圧＝ＶＯＣとし、
ＰＤ素子のアノード電圧を、ＰＤアノード電圧＝ＶＡ　とし、
ＰＤ素子のカソード電圧を、ＰＤカソード電圧＝ＶＫ　とし、
ＰＤ素子への逆バイアス電圧を、逆バイアス電圧＝ＶＫ　−ＶＡ　とし、
計測ＰＤ素子２２の電圧を、計測ＰＤ電圧＝ＶＰ　とし、
計測外ＰＤ素子２０の電圧を、計測外ＰＤ電圧＝ＶＯ　（ただし、アノードをプラスとする）とし、
ＰＤ素子を流れる最大電流を、ＰＤ最大電流＝Ｉｍａｘ　とし、
アナログスイッチの抵抗を、アナログスイッチ抵抗＝ＲＳＷとし、
計測外ＰＤ素子２０の逆バイアス駆動電圧を、計測外ＰＤ逆バイアス電圧＝Ｖｂ　とする。
【００４４】
本発明は、計測外ＰＤ電圧，ＰＤ開放電圧，計測ＰＤ電圧，ＰＤ最大電流，アナログスイッチ抵抗などの関係を選定することによって、隣接チャンネル間クロストークを低減することができる。
【００４５】
以下、３つの設定条件を示し、それぞれチャンネル間クロストークが低減できる理由を説明し、および各設定条件を実現する駆動方法を説明する。
【００４６】
【第１の実施例】
第１の実施例での設定条件は、
ＶＯ　＜ＶＰ　　および　０≦ＶＰ　＜ＶＯＣ
である。すなわち、計測外ＰＤ電圧ＶＯ　を、計測ＰＤ電圧ＶＰ　より小さく、かつ、計測ＰＤ電圧ＶＰ　はＰＤ開放電圧ＶＯＣより小さい条件とする。なお、Ｖ０　が０以下は逆バイアスを意味している。
【００４７】
０≦ＶＰ　＜ＶＯＣの条件は、光とＰＤ電流の関係がリニアになる条件であり、ＶＯ　＜ＶＰ　の条件は、ＶＰ　に対するＶＯ　最小バイアスとして、計測ＰＤ素子に光を検出していない状態ＶＰ　＝０に対してＶＯ　は決定される。またＶＯ　は流れるＰＤ最大電流Ｉｍａｘ　において抵抗負荷であればＲ、アナログスイッチ抵抗であればＲＳＷによって生じる電位差が０Ｖより小さくなる測定外ＰＤ逆バイアス駆動電圧Ｖｂ　を設定する必要があり、ＲやＲＳＷの影響を生じる。
【００４８】
以上の条件によれば、計測ＰＤ素子２２は逆バイアス駆動でないにも拘わらず、図３（ａ），（ｂ）で示した逆バイアスでのクロストーク改善効果が得られる。
【００４９】
このようなクロストーク改善が得られる理由を、以下に説明する。光スポットの入射により計測外ＰＤ素子２０に生じたキャリアは、印加された逆バイアス電圧Ｖｂ　により引っ張られるので、計測ＰＤ素子２２への漏洩は減少する。
【００５０】
図８（ａ），（ｂ）にアノード逆バイアスの実験結果を示す。（ａ）は実験回路を、（ｂ）は実験結果を示す。計測ＰＤ素子ＣＨ８は、短絡電流を測定し、計測外ＰＤ素子ＣＨ７に加えた逆バイアス電圧を変化させたときの電流を測定した。その結果、計測外ＰＤ素子ＣＨ７に加えた逆バイアス電圧の上昇に伴ってＣＨ８への漏洩電流は減少するが、ＣＨ７の電流はほとんど変化しない。
【００５１】
また、図９（ａ），（ｂ）では、光スポットの入射により計測ＰＤ素子ＣＨ８で生じたキャリアが、逆バイアスを与えた計測外ＰＤ素子ＣＨ７に引き込まれる影響を調べたものである。図９（ａ）は実験回路を、図９（ｂ）は実験結果を示す。これによれば、逆バイアス電圧を増加するとＣＨ７へ漏洩電流がわずかに増加するが、ゼロバイアスとの差は小さいので、引き込まれる影響は少ない。
【００５２】
図１０は、図３のカソードコモン逆バイアス実験で得られた結果と、図８のアノード逆バイアス実験結果との双方を描いたグラフである。図１０からほぼ同一の効果が同一の電圧で生じていることを示す。
【００５３】
以上のことから、ＰＤアレイ・ゼロバイアス駆動でありながら、逆バイアス同様に最良のクロストークが得られる。また計測ＰＤ素子から計測外ＰＤ素子への漏洩は見られるが微小な影響であることが分かった。クロストークでは、むしろ計測外ＰＤ素子からの漏洩が問題となる。
【００５４】
また、ＰＤアレイに並列抵抗の低下による劣化が発生しても影響は現れないことから、軽度の劣化では交換の必要がないことが分かる。
【００５５】
また、抵抗負荷でもクロストーク悪化は無い。図１１，図１２は、アノード逆バイアスによる抵抗の影響を示すものであり、図１１は実験回路を、図１２は実験結果を示す。光スポットが計測外ＰＤ素子ＣＨ７に入射しているときに、計測ＰＤ素子ＣＨ８への漏洩電流を測定する。図１２の上段のグラフは抵抗変化に対する電流の値を示すグラフであり、下段のグラフは抵抗変化に対するクロストークの値を示すグラフである。これらの結果から、抵抗両端から信号を取り出しても同様であり、抵抗負荷でもクロストーク悪化は生じないと言える。
【００５６】
次に、以上の設定条件を実現する駆動方法を説明する。図１３は、電流電圧変換回路として負荷抵抗を用いたフォトダイオード・アレイ装置を、図１４は、電流電圧変換回路としてオペアンプを用いたフォトダイオード・アレイ装置を示す。
【００５７】
図１３において、１０はＰＤアレイを、１２は負荷抵抗を用いた電流電圧変換回路を、１５はスイッチ・アレイを、１７は逆バイアス電源を、１８はバッファアンプを、１９は電圧計を示す。また、図１４において、１６はオペアンプを用いた電流電圧変換回路を示す。なお、図１３および図１４ともに、ＰＤアレイ１０は、図面を簡単にするため４個（ＣＨ１〜ＣＨ４）のＰＤ素子のみを示している。
【００５８】
図１３のフォトダイオード・アレイ装置では、スイッチ・アレイ１５の各スイッチは、電流電圧変換回路１２の負荷抵抗と、逆バイアス電源１７とを切換え選択できるように構成されている。このようなスイッチ・アレイ１５の１個のスイッチが、計測ＰＤ素子に対応する電流電圧変換回路１２の１個の負荷抵抗を選択し、電圧をバッファアンプ１８に供給する。他のスイッチは、逆バイアス電源１７を選択し、計測外ＰＤ素子に逆バイアス電圧を加える。
【００５９】
図１４のフォトダイオード・アレイ装置では、スイッチ・アレイ１５の１個のスイッチにより１個の計測ＰＤ素子を選択し、オペアンプ１６に接続する。他のスイッチは、逆バイアス電源１７を選択し、計測外ＰＤ素子に逆バイアス電圧を加える。
【００６０】
いずれの回路構成においても、計測ＰＤ電圧Ｖｐ　は、負荷抵抗Ｒまたはアナログスイッチ抵抗ＲＳＷの影響を受け、０≦ＶＰ　＜ＶＯＣが計測条件となる。図１３のフォトダイオード・アレイ装置では、ＰＤ最大電流Ｉｍａｘ　において条件を満たすように設定すればよく、アナログスイッチ抵抗ＲＳＷはバッファアンプ１８のため考慮する必要はない。図１４のフォトダイオード・アレイ装置では、電流検出をオペアンプ１６で行うため、Ｉｍａｘ　においても条件を満たすアナログスイッチ抵抗ＲＳＷを選択する必要がある。選択された計測ＰＤ電圧Ｖｐ　は、ＰＤ電流とアナログスイッチ抵抗とによって変化するが、０≦ＶＰ　＜ＶＯＣ（ＶＰ　＝０Ｖは光を検出していない状態を示す）が条件となる。一方、計測外ＰＤ電圧ＶＯ　は、Ｉｍａｘ　が流れた状態においてもＲＳＷで生じる電圧が０Ｖ以下（逆バイアス）になるような測定外ＰＤ逆バイアス電圧Ｖｂ　を設定する。
【００６１】
０≦ＶＰ　＜ＶＯＣの条件は、前述したように光量に対するＰＤ電流の関係が直線性を持つために必要な条件である。図１５に示すＰＤ素子の電圧／電流特性において、最大光量におけるＶＯＣ（開放電圧）と得られる電流値、そして図１６に示すＶＯＣ電圧使用温度特性図において、使用最高温度におけるＶＯＣ電圧を示すＰＤ特性と、アナログスイッチ抵抗によって決定された負荷曲線（図１５）が使用光量内にあることが必要となる。例えば、使用最高温度８０度で使用最大光量におけるＶＯＣを０．４Ｖ、そのときに得られる電流値を２００μＡとしたとき、０．４Ｖ／０．２ｍＡ＝２ｋΩとなるため、アナログスイッチ抵抗ＲＳＷは２ｋΩ以下を選択しなければならない。
【００６２】
さて、図１３，図１４のフォトダイオード・アレイ装置において、スイッチ・アレイ１５（ＳＷ１〜ＳＷ４）は、各ＰＤ素子を、電流電圧変換回路１２，１６または逆バイアス電源１７に個別に切り換える。各ＰＤ素子に光スポットが入射している状態で、スイッチ・アレイ１５をスイッチＳＷ１から順次切り換えて計測すべきＰＤ素子を選択していく。
【００６３】
図１３，図１４に示すように、ＰＤ素子ＣＨ１を計測する場合、スイッチＳＷ１は、バッファアンプ１８またはオペアンプ１６側に切り換えられ、その他のスイッチＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４は、逆バイアス電源１７側に切換えられる。したがって、ＰＤ素子ＣＨ２，ＣＨ３，ＣＨ４が逆バイアスされた状態で、ＰＤ素子ＣＨ１が計測される。
【００６４】
以下、計測ＰＤ素子をＣＨ２，ＣＨ３，ＣＨ４と順次移していくことにより、すべてのＰＤ素子が計測される。
【００６５】
以上のような駆動方法によれば、計測外ＰＤ素子は逆バイアスされるので、隣接チャンネル間クロストークを低減することができる。
【００６６】
図１３，図１４に示したフォトダイオード・アレイ装置において、逆バイアス電源１７は、バイポーラ電源であるが、図１７，図１８に示すユニポーラ電源動作も可能である。図中、２１がユニポーラ電源である。
【００６７】
【第２の実施例】
第２の実施例での設定条件は、第１の実施例の条件に加えて、
ＶＰ　−ＶＯ　≧０．１５Ｖ
である。
【００６８】
計測外ＰＤ電圧ＶＯ　と計測ＰＤ電圧ＶＰ　との差を０．１５Ｖ以上とすると、良好なクロストークが得られる。このことは、図８から０．１５Ｖ以上で最良のクロストークが得られ飽和状態となることから言える。
【００６９】
次に、以上の選定条件を実現する駆動方法を説明する。図１９，図２０は、電流電圧変換回路としてオペアンプを用いたフォトダイオード・アレイ装置を示す。各フォトダイオード対応に、オペアンプ１６−１，１６−２，１６−３，１６−４が設けられ、これらオペアンプの後段に、スイッチ・アレイ１５が設けられている。各オペアンプの非反転入力側に、逆バイアス電源１７とアースとに切換え接続するスイッチＳＷ１′，ＳＷ２′，ＳＷ３′，ＳＷ４′を設けている。なお、図２０では、逆バイアス電源１７に抵抗を直列に接続している。図１９，図２０ともに、電圧計１９は高入力インピーダンスとした構成となっている。
【００７０】
以上のような構成のフォトダイオード・アレイ装置では、フォトダイオードに対する逆バイアス動作は、各オペアンプの非反転入力を操作することで実現し、計測外ＰＤ電圧ＶＯ　はアナログスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の抵抗の影響なく、逆バイアス電源１７の電圧Ｖｂ　に従い供給される。
【００７１】
このように、計測外ＰＤ電圧ＶＯ　は、アナログスイッチ抵抗ＲＳＷの影響を受けることがないので、Ｖｐ　−Ｖ０　≧０．１５Ｖの条件を実現することができる。
【００７２】
図１９，図２０に示したフォトダイオード・アレイ装置において、逆バイアス電源１７は、バイポーラ電源であるが、図２１，図２２に示すユニポーラ電源動作も可能である。図中、２１がユニポーラ電源である。
【００７３】
【第３の実施例】
第３の実施例での設定条件は、第１の実施例の条件に加えて、
オペアンプを使用した電流電圧変換回路では、
（−Ｖｂ　＋（Ｉｍａｘ　×ＲＳＷ））＜−０．１５Ｖ、
すなわち、Ｖｂ　−０．１５Ｖ＞アナログスイッチ抵抗ＲＳＷの電位差
である。
【００７４】
以上のような条件にすると、図８からわかるように、最良のクロストークは飽和を示す。ＰＤ素子電流とアナログスイッチ抵抗とで電圧降下が生じても、電圧差が０．１５Ｖ以上確保されれば、電圧に関係なく一定の電流値を示すことから、アナログスイッチ抵抗値の影響を除くことができる。例えば、計測ＰＤ素子逆バイアス電圧を０Ｖ、計測外ＰＤ素子逆バイアス電圧を１Ｖ、アナログスイッチ抵抗値が１０００Ωの条件で、計測外ＰＤ電流Ｉｍａｘ　２００μＡが流れた場合、電圧降下は１０００×０．０００２＝０．２Ｖとなり、１Ｖから０．２Ｖ減少した逆バイアス電圧０．８Ｖが計測外ＰＤに供給されるが、０．１５Ｖ以上の電圧差が得られ、ＰＤ素子間分離効果は飽和状態であるため、図１１，図１２で説明したように、アナログスイッチ抵抗の影響は除かれる。
【００７５】
本実施例によれば、アナログスイッチを用いたマルチプレクサ方式で、アナログスイッチ抵抗によるクロストーク悪化とばらつきが解決できると同時に、アノード逆バイアスによる良好なクロストークが得られる。
【００７６】
実際の駆動方法は、第１の実施例で説明した駆動方法と同じである。フォトダイオード・アレイ装置の回路構成は図１４，図１８と同様である。
【００７７】
負荷抵抗を使用した電流電圧変換回路では、条件は、負荷抵抗Ｒの影響を加味し、（（Ｉｍａｘ　×Ｒｓｗ−Ｖｂ　）／（Ｒ＋Ｒｓｗ））×Ｒ＜−０．１５Ｖである。
【００７８】
図１３と図１７のフォトダイオード・アレイ装置を使用した場合は、計測外ＰＤ電圧Ｖ０　設定にアナログスイッチＲＳＷに加え負荷抵抗Ｒが関係してくる。
【００７９】
ＰＤ駆動部等価回路を、図２３に示し説明する。負荷抵抗をＲ、アナログスイッチ抵抗をＲＳＷ、逆バイアス電圧をＶｂ　とする。計測外ＰＤ素子で発生した電流をＩ１　、分配されて負荷抵抗Ｒを通る電流をＩ２　、アナログスイッチ抵抗ＲＳＷを経て流れる電流をＩ３　とすると、キリヒホッフ第一法則から、Ｉ１　＝Ｉ２　＋Ｉ３　となる。Ｖ０　はＶ０　＝Ｉ２　×Ｒ、またはＶ０　＝Ｉ３　×ＲＳＷ−Ｖｂ　となり、連立方程式から、Ｖ０　＝（（Ｉ１　×ＲＳＷ−Ｖｂ　）／（Ｒ＋ＲＳＷ））×Ｒで示される。式を変形して、逆バイアス電圧はＶｂ＝（（Ｉ１　×ＲＳＷ−Ｖ０　）−Ｖ０　×ＲＳＷ／Ｒで示される。
【００８０】
いま、Ｉ１　をＩｍａｘ　＝０．２ｍＡ、Ｒ＝１ｋΩ、ＲＳＷ＝１ｋΩとしたときにＶ０　＝−０．１５Ｖを得るためには、Ｖｂ　＝０．５Ｖを必要とし、０．５Ｖ以上の電圧を供給すればクロストーク改善効果は飽和するためアナログスイッチ抵抗ＲＳＷの影響はなくなる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、本発明の駆動方法を適用できるフォトダイオード・アレイ装置が実現でき、およびフォトダイオード・アレイの隣接チャンネル間クロストークを抑制する駆動方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】負荷抵抗による電流電圧変換回路を用いたフォトダイオード・アレイ装置を示し、（ａ）は、フォトダイオード・アレイをゼロバイアス駆動する場合の装置を、（ｂ）は、応答速度を上げるためにフォトダイオード・アレイを逆バイアス駆動する場合の装置を示す。
【図２】オペアンプを用いた電流電圧変換回路を用いたフォトダイオード・アレイ装置を示し、（ａ）は、フォトダイオード・アレイをゼロバイアス駆動する場合の装置を、（ｂ）は、応答速度を上げるためにフォトダイオード・アレイを逆バイアス駆動する場合の装置を示す。
【図３】（ａ）は、カソードコモン逆バイアス実験の測定回路を示し、（ｂ）は、ＣＨ７がＣＨ６またはＣＨ８に与える影響をクロストークとして表したグラフである。
【図４】オープンショート実験の回路を示す図である。
【図５】（ａ）は、順方向バイアス実験回路を示し、（ｂ）は実験結果を示すグラフである。
【図６】（ａ）は、負荷抵抗の影響を調べる回路を示し、（ｂ）は結果を示すグラフである。
【図７】各部の電圧を説明するための図である。
【図８】（ａ）は、アノード逆バイアスの実験回路を示し、（ｂ）は実験結果を示すグラフである。
【図９】（ａ）は、光スポットの入射により計測ＰＤ素子ＣＨ８で生じたキャリアが、逆バイアスを与えた計測外ＰＤ素子ＣＨ７に引き込まれる影響を調べるための実験回路を示し、（ｂ）は実験結果を示すグラフである。
【図１０】図３のカソードコモン逆バイアス実験で得られた結果と、図８のアノード逆バイアス実験結果との双方を描いたグラフである。
【図１１】アノード逆バイアスによる抵抗の影響を調べる実験回路を示す図である。
【図１２】図１１の実験回路による結果を示すグラフである。
【図１３】本発明の駆動方法を実施できるフォトダイオード・アレイ装置（電流電圧変換回路として負荷抵抗を利用）を示す図である。
【図１４】本発明の駆動方法を実施できる他のフォトダイオード・アレイ装置（電流電圧変換回路としてオペアンプを利用）を示す図である。
【図１５】ＰＤ素子の電圧／電流特性を示す図である。
【図１６】ＶＯＣ電圧使用温度特性図である。
【図１７】図１３において、逆バイアス電源を、ユニポーラ電源に変えたフォトダイオード・アレイ装置を示す図である。
【図１８】図１４において、逆バイアス電源を、ユニポーラ電源に変えたフォトダイオード・アレイ装置を示す図である。
【図１９】本発明の駆動方法を実施できるフォトダイオード・アレイ装置（電流電圧変換回路としてオペアンプを利用）を示す図である。
【図２０】本発明の駆動方法を実施できる他のフォトダイオード・アレイ装置（電流電圧変換回路としてオペアンプを利用）装置を示す図である。
【図２１】図１９において、逆バイアス電源を、ユニポーラ電源に変えたフォトダイオード・アレイ装置を示す図である。
【図２２】図２０において、逆バイアス電源を、ユニポーラ電源に変えたフォトダイオード・アレイ装置を示す図である。
【図２３】ＰＤ駆動部の等価回路を示す図である。
【符号の説明】
１０　ＰＤアレイ
１２　負荷抵抗を用いた電流電圧変換回路
１４　スイッチ・アレイ
１５　カソードコモン
１６　オペアンプを用いた電流電圧変換回路
１７，２１　逆バイアス電源
１９　電圧計
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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