(57)【要約】【課題】  入射光が微弱である場合にも入射光量を検出することができる積分回路および光検出装置を提供する。【解決手段】  積分回路１０は、(1) 反転入力端子，非反転入力端子および出力端子を有し、反転入力端子が入力端１１に接続され、該出力端子が出力端１２に接続されているアンプＡ１０と、(2) アンプＡ１０の反転入力端子と出力端子との間に設けられた積分容量素子Ｃ１０と、(3) アンプＡ１０の反転入力端子と出力端子との間に積分容量素子Ｃ１０に対して並列的に設けられたスイッチＳＷ１０と、(4) 第１端子および第２端子を有し、該第１端子がアンプＡ１０の反転入力端子に接続されている結合容量素子Ｃ１１と、を備える。【選択図】  図１
2005229222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端に入力した電荷を蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を出力端から出力する積分回路であって、
第１入力端子，第２入力端子および出力端子を有し、該第１入力端子が前記入力端に接続され、該出力端子が前記出力端に接続されているアンプと、
前記アンプの前記第１入力端子と前記出力端子との間に設けられた積分容量素子と、
前記アンプの前記第１入力端子と前記出力端子との間に前記積分容量素子に対して並列的に設けられたスイッチと、
第１端子および第２端子を有し、該第１端子が前記アンプの前記第１入力端子に接続されている結合容量素子と、
を備えることを特徴とする積分回路。
【請求項２】
第１端子および第２端子を有し、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの前記第１端子から出力された電荷を入力端に入力し、その入力した電荷を蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を出力端から出力する請求項１記載の積分回路と、
を備えることを特徴とする光検出装置。
【請求項３】
前記積分回路の前記出力端から出力される電圧値を入力して、第１時刻および第２時刻それぞれにおける当該入力電圧値の差に応じた電圧値を出力する差分演算回路を更に備えることを特徴とする請求項２記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力端に入力した電荷を蓄積して蓄積電荷量に応じた電圧値を出力端から出力する積分回路、および、この積分回路とフォトダイオードとを含む光検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光検出装置として、フォトダイオードと積分回路とを含むものが知られている（例えば特許文献１を参照）。この積分回路は、第１入力端子と第２入力端子と出力端子とを有するアンプと、このアンプの第１入力端子と出力端子との間に設けられた積分容量素子と、を有している。この光検出装置では、フォトダイオードから入射光量に応じた量の電荷が発生し、その電荷は積分回路の積分容量素子に蓄積されて、その蓄積電荷量に応じた電圧値が積分回路から出力される。
【特許文献１】特開平４−３５７４２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のような光検出装置は、特に微弱光検出の際に、以下のような問題点を有している。すなわち、一般に、アンプの出力はオフセットを有しており、また、そのオフセットは製造ばらつきを有している。そして、このオフセットがマイナスであると、微弱光を検出したフォトダイオードから出力された電荷が積分回路内の積分容量素子に蓄積されたとしても、積分回路からの出力電圧値は０Ｖのままであり、したがって、微弱光を検出できないことになる。
【０００４】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、入射光が微弱である場合にも入射光量を検出することができる積分回路および光検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る積分回路は、入力端に入力した電荷を蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を出力端から出力する積分回路であって、(1) 第１入力端子，第２入力端子および出力端子を有し、該第１入力端子が入力端に接続され、該出力端子が出力端に接続されているアンプと、(2) アンプの第１入力端子と出力端子との間に設けられた積分容量素子と、(3) アンプの第１入力端子と出力端子との間に積分容量素子に対して並列的に設けられたスイッチと、(4) 第１端子および第２端子を有し、該第１端子がアンプの第１入力端子に接続されている結合容量素子と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る光検出装置は、(1) 第１端子および第２端子を有し、入射光量に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、(2) フォトダイオードの第１端子から出力された電荷を入力端に入力し、その入力した電荷を蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じた電圧値を出力端から出力する上記の本発明に係る積分回路と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
なお、アンプの第１入力端子および第２入力端子のうち、一方は非反転入力端子であり、他方は反転入力端子である。また、フォトダイオードの第１端子および第２端子のうち、一方はアノード端子であり、他方はカソード端子である。
【０００８】
本発明に係る積分回路および光検出装置は以下のように作用する。積分回路において、スイッチが閉じることにより、積分容量素子が放電されて、積分回路の出力端から出力される電圧値が初期化される。フォトダイオードに光が入射すると、その入射光量に応じた量の電荷がフォトダイオードで発生する。その電荷は、フォトダイオードの第１端子から出力されて、積分回路の入力端に入力する。積分回路において、スイッチが開いていると、入力端に入力した電荷が積分容量素子に蓄積される。ここで、フォトダイオードの第２端子と積分回路内のアンプの第２入力端子とを互いに同じ電位にすると、フォトダイオードに印加される逆バイアス電圧が０Ｖとなって、フォトダイオードから出力される暗電流が抑制される。
【０００９】
また、積分回路のスイッチを開くのと略同時に、積分回路の結合容量素子の第２端子の電位を一定電圧値だけ変化させると、これに因り、積分容量素子に一定量の電荷が蓄積される。したがって、積分容量素子には、フォトダイオードで発生した電荷（信号電荷）が蓄積されるだけでなく、上記一定量の電荷（バイアス電荷）が蓄積される。そして、この積分容量素子における蓄積電荷量（＝信号電荷量＋バイアス電荷量）に応じた電圧値が積分回路の出力端から出力される。ここで、このバイアス電荷量が充分に多ければ（すなわち、結合容量素子の容量値と上記一定電圧値との積が充分に大きければ）、アンプのオフセットがマイナスであっても、また、フォトダイオードへの入射光が微弱であっても、積分回路からの出力電圧値は、フォトダイオードへの入射光量を反映した値となる。
【００１０】
また、本発明に係る光検出装置は、積分回路の出力端から出力される電圧値を入力して、第１時刻および第２時刻それぞれにおける当該入力電圧値の差に応じた電圧値を出力する差分演算回路を更に備えるのが好適である。この場合には、積分回路の出力端から出力された電圧値は差分演算回路に入力して、第１時刻および第２時刻それぞれにおける当該入力電圧値の差に応じた電圧値が差分演算回路から出力される。この差分演算回路から出力される電圧値は、積分回路からの出力電圧値に含まれるバイアス電荷成分が除去されたものであって、第１時刻と第２時刻との間の時間に亘るフォトダイオードへの入射光量を表す。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、入射光が微弱光である場合にも入射光量を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る光検出装置１および積分回路１０の構成図である。この図に示される光検出装置１は、フォトダイオードＰＤ、積分回路１０および差分演算回路２０を備える。
【００１４】
フォトダイオードＰＤは、アノード端子が基準電位（例えば接地電位）とされ、カソード端子が積分回路１０の入力端１１に接続されている。フォトダイオードＰＤは、入射光量に応じた量の電荷を発生して、その電荷をカソード端子から積分回路１０へ出力する。
【００１５】
積分回路１０は、外部接続端子として、入力端１１、出力端１２、第１リセット信号入力端１３、第２リセット信号入力端１４および基準電圧入力端１５を有している。また、積分回路１０は、アンプＡ１０、積分容量素子Ｃ１０、スイッチＳＷ１０および結合容量素子Ｃ１１を有している。
【００１６】
積分回路１０の入力端１１は、フォトダイオードＰＤのカソード端子に接続されている。出力端１２は、差分演算回路２０の入力端２１に接続されている。第１リセット信号入力端１３には第１リセット信号Reset１が入力する。第２リセット信号入力端１４には第２リセット信号Reset２が入力する。また、基準電圧入力端１５は、フォトダイオードＰＤのアノード端子の電位と同じ基準電位とされる。なお、第１リセット信号Reset１と第２リセット信号Reset２とは共通であってもよい。
【００１７】
ここで、フォトダイオードＰＤのアノード端子と積分回路１０内のアンプＡ１０の非反転入力端子とを互いに同じ電位にすると、フォトダイオードＰＤに印加される逆バイアス電圧が０Ｖとなって、フォトダイオードＰＤから出力される暗電流が抑制される。
【００１８】
積分回路１０内のアンプＡ１０は、非反転入力端子、反転入力端子および出力端子を有し、反転入力端子が入力端１１に接続され、非反転入力端子が基準電圧入力端１５に接続され、出力端子が出力端１２に接続されている。積分容量素子Ｃ１０およびスイッチＳＷ１０は、互いに並列的に接続されて、アンプＡ１０の反転入力端子と出力端子との間に設けられている。スイッチＳＷ１０は、第２リセット信号入力端１４に入力する第２リセット信号Reset２のレベルに応じて開閉する。結合容量素子Ｃ１１は、第１端子がアンプＡ１０の反転入力端子に接続され、第２端子が第１リセット信号入力端１３に接続されている。
【００１９】
差分演算回路２０は、外部接続端子として、入力端２１、出力端２２、第１ホールド信号入力端２３および第２ホールド信号入力端２４を有している。また、差分演算回路２０は、スイッチＳＷ２１、スイッチＳＷ２２、容量素子Ｃ２１、容量素子Ｃ２２、アンプＡ２１、アンプＡ２２および減算回路Ｓを有している。
【００２０】
差分演算回路２０の入力端２１は、積分回路１０の出力端１２に接続されている。第１ホールド信号入力端２３には第１ホールド信号Hold１が入力する。また、第２ホールド信号入力端２４には第２ホールド信号Hold２が入力する。
【００２１】
アンプＡ２１の入力端子は、スイッチＳＷ２１を介して入力端２１に接続されていて、容量素子Ｃ２１を介して接地電位に接続されている。同様に、アンプＡ２２の入力端子は、スイッチＳＷ２２を介して入力端２１に接続されていて、容量素子Ｃ２２を介して接地電位に接続されている。スイッチＳＷ２１は、第１ホールド信号入力端２３に入力する第１ホールド信号Hold１のレベルに応じて開閉する。また、スイッチＳＷ２２は、第２ホールド信号入力端２４に入力する第２ホールド信号Hold２のレベルに応じて開閉する。減算回路Ｓは、アンプA２１およびアンプA２２それぞれから出力される電圧値を入力し、これらの電圧値の差に応じた電圧値を出力する。減算回路Ｓの出力端子は出力端２２に接続されている。
【００２２】
次に、本実施形態に係る光検出装置１および積分回路１０の動作について説明する。図２は、本実施形態に係る光検出装置１および積分回路１０の動作を説明するタイミングチャートである。この図には、上から順に、(a) 第１リセット信号Reset１、(b) 第２リセット信号Reset２、(c) 積分回路１０からの出力電圧値Vｏｕｔ、(d) 第１ホールド信号Hold１、および、(e) 第２ホールド信号Hold２、それぞれが示されている。また、(f) 比較例（結合容量素子Ｃ１１が無い場合）の積分回路からの出力電圧値Vｏｕｔ も示されている。
【００２３】
時刻ｔ１に、積分回路１０の第１リセット信号入力端１３に入力する第１リセット信号Reset１がハイレベルになる。第１リセット信号Reset１がハイレベルになると、結合容量素子Ｃ１１に電荷が蓄積される。このとき、第１リセット信号Reset１の電圧値（すなわち、結合容量素子Ｃ１１に印加される電圧値）をＶ１１とし、結合容量素子Ｃ１１の容量値をＣ１１と表すと、結合容量素子Ｃ１１に蓄積される電荷の量（バイアス電荷量）Ｑ１１は、下記(1)式で表される。
【００２４】
Ｑ１１＝Ｃ１１Ｖ１１    …(1)
また、時刻ｔ１に、積分回路１０の第２リセット信号入力端１４に入力する第２リセット信号Reset２もハイレベルになる。第２リセット信号Reset２がハイレベルになると、スイッチＳＷ１０が閉じて、積分容量素子Ｃ１０が放電され、積分回路１０の出力端１２から出力される電圧値Ｖｏｕｔが初期化される。
【００２５】
時刻ｔ１の後の時刻ｔ２に、積分回路１０の第１リセット信号入力端１３に入力する第１リセット信号Reset１がローレベルになるとともに、第２リセット信号入力端１４に入力する第２リセット信号Reset２もローレベルになる。第２リセット信号Reset２がローレベルになると、スイッチＳＷ１０が開いて、フォトダイオードＰＤへの入射光量に応じた量の電荷が積分回路１０の入力端１１に入力すると、その電荷は積分容量素子Ｃ１０に蓄積される。第１リセット信号Reset１がローレベルになると、それまで結合容量素子Ｃ１１に蓄積されていた電荷Ｑ１１は、積分容量素子Ｃ１０に移動して蓄積される。
【００２６】
したがって、フォトダイオードＰＤで単位時間あたりに発生する電荷の量をＱＰＤとすると、時刻ｔ２以降の時刻ｔにおいて積分容量素子Ｃ１０に蓄積される電荷の量Ｑ１０は、時刻ｔ２から時刻ｔまでの期間にフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量（信号電荷量）ＱＰＤ（ｔ−ｔ２）と上記バイアス電荷量Ｑ１１との和で表され、下記(2)式で表される。
【００２７】
Ｑ１０＝ＱＰＤ(ｔ−ｔ２)＋Ｑ１１    …(2)
また、アンプＡ１０の出力におけるオフセットをＶｏｆｆとし（Ｖｏｆｆ＜０）、積分容量素子Ｃ１０の容量値をＣ１０と表すと、積分容量素子Ｃ１０の両端子間の電圧値（Ｑ１０／Ｃ１０）とオフセットＶｏｆｆとの和が０以下である時刻ｔでは、積分回路１０の出力端１２から出力される電圧値Ｖｏｕｔ(ｔ)は、下記(3)式で表される。
【００２８】
Ｖｏｕｔ(ｔ)＝０    …(3)
一方、電圧値（Ｑ１０／Ｃ１０）とオフセットＶｏｆｆとの和が０以上である時刻ｔでは、積分回路１０の出力端１２から出力される電圧値Ｖｏｕｔ(ｔ)は、下記(4)式で表される。
【００２９】
Ｖｏｕｔ(ｔ)＝Ｑ１０／Ｃ１０＋Ｖｏｆｆ
＝{ＱＰＤ(ｔ−ｔ２)＋Ｑ１１}／Ｃ１０＋Ｖｏｆｆ
＝ＱＰＤ(ｔ−ｔ２)／Ｃ１０＋Ｃ１１Ｖ１１／Ｃ１０＋Ｖｏｆｆ    …(4)
この(4)式の最右辺の第１項は、フォトダイオードＰＤに入射する光の光量を反映したものである。また、(4)式の最右辺の第２項は、結合容量素子Ｃ１１の容量値、および、第１リセット信号Reset１のハイレベルとローレベルとの差電圧値、に応じたものである。
【００３０】
仮に、結合容量素子Ｃ１１を設けないとすれば、図２（ｆ）に示されるように、微弱光を検出したフォトダイオードＰＤから出力された電荷が積分回路内の積分容量素子に蓄積されたとしても、積分回路からの出力電圧値は０Ｖのままであり、したがって、微弱光を検出できないことになる。
【００３１】
これに対して、本実施形態の如く、結合容量素子Ｃ１１を設けるとともに、上記のように結合容量素子Ｃ１１に印加する電圧値を変化させることにより、図２（ｃ）に示されるように、積分回路１０の出力端１２から出力される電圧値Ｖｏｕｔは、時刻ｔ２後に直ちに、フォトダイオードＰＤに入射する光の光量に依存した値となる。すなわち、本実施形態に係る光検出装置１は、アンプＡ１０のオフセットがマイナスであっても、また、フォトダイオードＰＤへの入射光が微弱であっても、入射光量を検出することができる。
【００３２】
続いて、時刻ｔ２後の時刻ｔ３より少し前の或る時刻に差分演算回路２０の第１ホールド信号入力端２３に入力する第１ホールド信号Hold１がハイレベルに転じた後に、時刻ｔ３に第１ホールド信号Hold１がローレベルに転じ、これにより、時刻ｔ３の時点の積分回路１０の出力端１２から出力される電圧値Ｖｏｕｔ(ｔ３)が、時刻ｔ３以降において容量素子Ｃ２１により保持される。また、時刻ｔ３後の時刻ｔ４より少し前の或る時刻に差分演算回路２０の第２ホールド信号入力端２４に入力する第２ホールド信号Hold２がハイレベルに転じた後に、時刻ｔ４に第２ホールド信号Hold２がローレベルに転じ、これにより、時刻ｔ４の時点の積分回路１０の出力端１２から出力される電圧値Ｖｏｕｔ(ｔ４)が、時刻ｔ４以降において容量素子Ｃ２２により保持される。そして、時刻ｔ４以降、電圧値Ｖｏｕｔ(ｔ４)と電圧値Ｖｏｕｔ(ｔ３)との差に応じた電圧値が、減算回路Ｓから出力され、さらに差分演算回路２０の出力端２２から出力される。この差分演算回路２０から出力される電圧値は、積分回路１０からの出力電圧値に含まれるバイアス電荷成分が除去されたものであって、時刻ｔ３と時刻ｔ４との間の時間に亘るフォトダイオードＰＤへの入射光量を表す。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態に係る光検出装置１および積分回路１０の構成図である。
【図２】本実施形態に係る光検出装置１および積分回路１０の動作を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００３４】
１…光検出装置、１０…積分回路、１１…入力端、１２…出力端、１３…第１リセット信号入力端、１４…第２リセット信号入力端、１５…基準電圧入力端、２０…差分演算回路、２１…入力端、２２…出力端、２３…第１ホールド信号入力端、２４…第２ホールド信号入力端、Ａ１０，Ａ２１，Ａ２２…アンプ、Ｃ１０…積分容量素子、Ｃ１１…結合容量素子、Ｃ２１，Ｃ２２…容量素子、ＰＤ…フォトダイオード、Ｓ…減算回路、ＳＷ１０，ＳＷ２１，ＳＷ２２…スイッチ。
【図１】
2005229222.tif 000003
【図２】
2005229222.tif 000004