CN107005664A - 光检测器 - Google Patents
光检测器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107005664A CN107005664A CN201580063631.0A CN201580063631A CN107005664A CN 107005664 A CN107005664 A CN 107005664A CN 201580063631 A CN201580063631 A CN 201580063631A CN 107005664 A CN107005664 A CN 107005664A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- detection circuit
- photodetector
- pixel region
- capacitor
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Withdrawn
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 45
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 44
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 23
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 10
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 8
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 7
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 7
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000011481 absorbance measurement Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 2
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 2
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 241000345998 Calamus manan Species 0.000 description 1
- YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N Deuterium Chemical compound [2H] YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 229910052805 deuterium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 235000012950 rattan cane Nutrition 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000012488 sample solution Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J1/46—Electric circuits using a capacitor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
- H04N25/616—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise involving a correlated sampling function, e.g. correlated double sampling [CDS] or triple sampling
-
- 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
- H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
- H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array
-
- 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
- H04N25/766—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors comprising control or output lines used for a plurality of functions, e.g. for pixel output, driving, reset or power
-
- 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
- H04N25/778—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising amplifiers shared between a plurality of pixels, i.e. at least one part of the amplifier must be on the sensor array itself
-
- 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
- H04N25/78—Readout circuits for addressed sensors, e.g. output amplifiers or A/D converters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J2001/4446—Type of detector
- G01J2001/446—Photodiode
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
本发明提供一种光检测器(10)，其特征在于，包括：光电转换元件(101)，其在构成1像素的像素区域(11)内配置有多个；所述多个检测电路(14)，它们对应于所述多个光电转换元件(101)中的各方而各设置有1个，且分别具有电容器(102)；以及信号处理部(19)，其将来自所述多个检测电路(14)的输出信号相加。
Description
技术领域
本发明涉及一种光检测器，尤其涉及一种分光测定装置等分析装置中所使用的光检测器。
背景技术
光检测器在分光测定装置、液相色谱仪等广泛领域的分析装置中得到使用。在使用分光测定装置的试样的吸光度测定中，例如，将从氘灯(D2光源)发出的白色光照射至试样槽，利用衍射光栅等波长色散元件对穿过该试样槽之后的光进行波长分离，并利用光检测器进行检测。
在吸光度测定中，在试样的测定之前，仅将用以使试样溶解的溶剂装入至试样槽并照射白色光而测定来自试样槽的透射光，获取参考信号。然后，将试样溶液装入至试样槽并同样地测定透射光，获取样本信号。继而，根据样本信号与参考信号的差求试样的吸光量，从而确定试样的浓度。
作为以往所使用的普通的光检测器之一，有光电二极管检测器(PD检测器)。如图1所示，PD检测器具备光电二极管(PD)101和检测电路，该检测电路具有电容器102、放大器103及A/D转换器104等(例如非专利文献1)。在PD 101中，通过光电转换将入射进来的光转换为电子，作为光电流输出。在检测电路中，将在采样期间内积蓄在电容器102中的光电流转换为电压，进而通过A/D转换器104转换为数字值而输出。在这种构成的PD检测器中，通过增大电容器102的积分电容而减小对应于入射电子数的电压值(转换增益)，可扩大检测器的可测定范围(动态范围)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Tanaka,Makino,"Linear image sensor with high performanceand large photosensitive element",Sensors and Actuators A,29,201-207,1991
非专利文献2：角博文、奈良部忠邦、斋藤信一郎，“CMOS影像传感器的高画质化”，Fundamentals Review，Vol.3，No.3，pp.44-51，2010年1月
发明内容
发明要解决的问题
在吸光度测定中，根据所使用的光源的波长强度分布以及试样、溶剂及试样槽的吸光特性等，存在入射至检测器的光量因波长不同而发生约1000倍的差异的情况。因此，期望在吸光度测定中所使用的光检测器中将可测定范围设定得足够宽，以便能够检测较大范围的强度的光而准确地确定试样的浓度。但是，在以往所使用的PD检测器中，当扩大可测定范围而增大入射光量的上限时，存在以下问题。
在PD检测器中，在PD 101中通过光电转换将入射进来的光转换为电子，作为光电流输出。继而，在包含电容器102的检测电路中，光电流按每一规定采样周期被积蓄，并被转换为电压而输出。
检测电路中从光电流转换而得的电压值V以下式(1)表示。
[数式1]
V＝(1/C)IΔt＝(1/C)M·e...(1)
此处，I为光电流，C为电容器102的积分电容，Δt为采样周期的长度，M为PD 101中产生的光电子数，e为基本电荷(＝1.602×10-19C)。再者，M也能以入射至PD 101的光子数与PD 101的量子效率η的积表示。
检测器的噪声大致分为取决于入射光量而在统计学上产生的光散粒噪声、和检测器的电路中产生的电噪声(例如非专利文献2)。为了易于说明，此处不考虑产生自暗电流的散射噪声。光散粒噪声的大小以入射光量的平方根表示。另一方面，电噪声的大小与入射光量无关。以电压表示的电噪声Vn可通过下式(2)、(3)而转换为电子数Mn。再者，下式(2)中的Qn为噪声电荷量。
[数式2]
Qn＝Mn·e＝C·Vn...(2)
[数式3]
Mn＝C·Vn/e...(3)
此处，检测器的S/N比可使用入射电子数M和将电噪声的大小转换为电子数而得到的Mn而以下式(4)表示。式(4)的分母的平方根内的第1项对应于光散粒噪声，第2项对应于电噪声。
[数式4]
如根据上述式(3)所知，即便是相同大小的电噪声Vn，若为了扩大可测定范围而增大电容器102的积分电容C，噪声电子数Mn也会与积分电容C成比例地增大。结果，上式(4)的分母的平方根内的第2项的值增大而导致S/N比降低。尤其是入射光量越少(即上式(4)的入射电子数M的值越小)，上述情况的影响表现得越明显。
列举具体例，对因入射光量的差异而导致S/N比不一样这一点进行说明。在该例中，将光检测器的最大信号电压设为10V，将电噪声设为100μV，将测定范围的上限设为109个(电子数)。于是，电容器102的积分电容C为
[数式5]
C＝Q/V＝M·e/V
＝(109·1.6·10-19)/10＝16·10-12...(5)。
由于电噪声为100μV，因此
[数式6]
Qn＝C·Vn＝16·10-12·100·10-6＝16·10-16...(6)，
[数式7]
Mn＝Qn/e＝16·10-16/1.6·10-19＝104＝10000...(7)。
若根据上式(4)来计算S/N比，则在作为测定范围的上限的M＝109的情况下，Mn 2＝108，M＞Mn 2。但是，在M＝107以下的情况下，Mn 2＝108增大，电噪声成为检测器噪声整体的主因素。例如，在M＝106的情况下，S/N比为99.5，比仅考虑了光散粒噪声的情况下的S/N比(＝1000)差1位数以上。
本发明要解决的问题在于提供一种一方面可扩大可测定范围、另一方面可确保较高的S/N比而不论入射光量的多少的光检测器。
解决问题的技术手段
为了解决上述问题而成的本发明的光检测器的特征在于，包括：
a)光电转换元件，其在构成1像素的像素区域内配置有多个；
b)多个检测电路，它们对应于所述多个光电转换元件中的各方而各设置有1个，且分别具有电容器；以及
c)信号处理部，其将来自所述多个检测电路的输出信号相加。
所述光电转换元件例如为光电二极管。
所述信号处理部例如可设为如下构成，即，具有：A/D转换器，其将从上述多个检测电路中的各方输出的信号转换为数字信号；数字存储器，其存储从该A/D转换器输出的数字信号；多工器，其从该数字存储器中依序读出数字信号；以及数字运算器，其对由该多工器依序读出的数字信号进行加法处理。
本发明的光检测器也可具有多个像素。在具有多个像素的光检测器中，能以上述方式构成各像素。
在以往的光检测器中，每1像素具有1个光电转换元件和对来自该光电转换元件的输出信号进行处理的1个检测电路，而在本发明的光检测器中，每1像素具有多个由1个光电转换元件与1个检测电路构成的组。如上所述，在以往的光检测器中，存在如下问题，即，若为了扩大动态范围而增大检测电路的电容器的积分电容，则噪声电子数会增加而导致S/N比变差。另一方面，在本发明的光检测器中，由于仅增加光电转换元件与检测电路的组的数量便可扩大动态范围，因此无须增大检测电路的电容器的积分电容。因而，一方面可扩大可测定范围，另一方面可确保较高的S/N比。
光电转换元件到检测电路的电容器之间是通过电流信号加以传输的，因此，若这之间的布线距离变长，则寄生电容会变大。与电容器的积分电容一样，该寄生电容是导致上式(3)所表示的噪声电子数Mn增加的因素。
因而，在本发明的光检测器中，较理想为将所述检测电路中的至少电容器配置在所述像素区域内。由此，可缩短光电转换元件到电容器的布线距离，抑制噪声电子量的增加。
此外，在本发明的光检测器中，能以如下方式构成，即，
所述信号处理部将以把采样周期分割为多个期间而得的子周期从所述多个检测电路中的各方输出的输出信号相加，并以所述采样周期输出。
例如，若在1像素区域内配备K个(K为2以上的整数)光电转换元件，将采样周期分割为L个(L为2以上的整数)来读出输出信号，并将它们相加而作为1像素及1采样周期的信号加以输出，则可在不增大积分电容的情况下将动态范围扩大K×L倍。
发明的效果
通过使用本发明的光检测器，一方面可扩大可测定范围，另一方面可确保较高的S/N比而不论入射光量的多少。
附图说明
图1为以往的PD检测器的要部构成图。
图2为实施例1的PD检测器的部分构成图。
图3为实施例2的PD检测器的部分构成图。
图4为实施例2的子像素区域内的构成图。
图5为实施例2的PD检测器中的相关双采样电路的构成图。
图6为将实施例2的PD检测器的S/N比与以往的PD检测器的S/N比相比较的图表。
图7为实施例3的PD检测器的部分构成图。
图8为实施例3的PD检测器中的电路构成图。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明的光检测器的实施例进行说明。本实施例的光检测器为具有多个像素的光电二极管(PD)检测器，用作分析装置的检测部。
实施例1
图2表示本实施例的PD检测器10中的对应于1像素的部分构成。像素区域11的大小为10mm×10mm，该像素区域11被分割成100(10×10)个子像素区域12(图2中仅图示有9个)，在各子像素区域12内配置有光电二极管。各子像素区域12内的光电二极管通过各自独立地设置的信号读出线13而单独与配置在像素区域11外的检测电路14连接。与参考图1而说明过的以往的PD检测器一样，检测电路14为包含电容器102和放大器103的积分电路。此外，在各检测电路14上依序连接有A/D转换器15和数字存储器16。检测电路14、A/D转换器15及数字存储器16的个数也与子像素区域12相同(即100个)，但仅图示有9个。100个数字存储器16中所保存的信号由多工器17依序读出，从与该多工器17连接的高速数字输出电路18的输出端口送至数字运算器19。在数字运算器19中将100个输出信号相加，并以规定采样周期而作为与1像素相当的信号加以输出。
此处，对本实施例的光检测器的具体测定条件下的S/N比进行说明。
关于本实施例中的测定条件，积蓄时间(相当于采样周期)为10ms，在该积蓄时间内入射至像素区域11的最大光子数为2×109个，光电二极管的量子效率η＝0.5。此外，检测电路14中的电压的最大值(入射进最大数量的光子时所输出的电压值)为10V，电噪声为100μV。
如通过上式(5)而说明过的那样，在以往的PD检测器中，要应对上述测定条件，使用的是积分电容C＝16pF的电容器，而在本实施例中，由于在像素区域11内配置100个光电二极管而使得光分散地入射至各光电二极管，因此各子像素区域12内产生的最大电子数为107个。因而，各电容器102的积分电容C被抑制在0.16pF。
本实施例中的S/N比能以下式(8)表示。
[数式8]
此处，K为像素区域11内的子像素区域12的数量，本构成例中为100。此外，m为子区域内所设置的光电二极管中产生的电子数。若根据式(8)来计算像素区域11内产生的光子数M为106个时的S/N比，则为707，可较大程度地改善以往的PD检测器中的S/N比99.5。再者，式(8)中所包含的电噪声项K·mn 2的值为106。
但是，若将光电二极管封装在一些封装件中，并与具有模拟IC和电容器的积分电路一起贴装在印刷布线板上，则光电二极管、模拟IC的封装件的寄生电容、印刷基板的布线寄生电容会导致噪声电子数增加。这些寄生电容也是pF级别，因此实际上难以构成如通过上述计算而获得的高增益的积分放大器。因此，优选将上述检测电路中的至少积分放大器部分与光电二极管同样地一体形成于半导体集成电路基板上。
下面，对假设为具有这种构成、使用可进行微细布线的CMOS工艺制造的设备的情况的实施例2进行说明。
实施例2
通常，CMOS设备是在低电源电压下工作，因此，大多无法像实施例1那样在设备内部处理10V这一较大电压。因此，设备内部可处理的电压的上限值为1V，另一方面，以电噪声与上述一样为100μV的情况为例进行说明。
图3为实施例2的PD检测器20中的对应于1像素的部分构成图。具有与实施例1的PD检测器10类似的构成。但在实施例1中，是将检测电路14配置在像素区域11的外部，而在实施例2中，如图4所示，是将检测电路配置在各子像素区域22的内部，而且在该检测电路与A/D转换器25之间配置有相关双采样电路(CDS电路)24。此外，在实施例1中，是将像素区域11分割为100个子像素区域12，而在实施例2中，是将像素区域21分割为10,000(100×100)个子像素区域22。
在子像素区域22的内部配置有：光电二极管31；转送晶体管32，其设置在与该光电二极管31连接的信号读出线的前端，用以转送光电荷；浮置扩散器33，其经由该转送晶体管32与光电二极管31连接，暂时积蓄光电荷而且将光电荷转换为电压信号；重置晶体管34，其用以将浮置扩散器33中所积蓄的电荷释放掉；以及源极跟随放大器35，其用以将浮置扩散器33中所积蓄的电荷作为电压信号加以输出，由级联的2个晶体管351、352构成。此外，在重置晶体管34和晶体管351上分别连接有电源VDD。进而，在晶体管352的栅极上连接有恒压(偏压)VBIAS。
在转送晶体管32、重置晶体管34的栅极端子上分别连接有用以供给控制信号φT、φR的驱动线(未图示)。根据供给自该驱动线的控制信号，以规定采样周期检测入射进光电二极管31的光的强度。
在实施例2的构成中，计算电压的上限值为1V、其他条件与实施例1相同的情况下的S/N比。
在实施例2中，像素区域21内存在10,000个子像素区域22，在各子像素区域22内配置有光电二极管31，因此，各光电二极管31中产生的电子数的上限为105个。此外，由于电压的上限值为1V，因此，根据式(1)，所使用的电容器的积分电容C为16fF。此外，根据式(3)，对应于100μV的电噪声的噪声电子数Mn为10个。于是，式(4)中的电噪声项K·Mn 2＝106。该值与实施例1相同。因而，即便在像CMOS工艺这样无法处理较大电压的情况下，也可确保与实施例1相同程度的高S/N比。
此外，在实施例2中，由于像图4所示那样是将检测电路配置在子像素区域22内，因此可减小布线寄生电容的影响而实现较高的转换增益。在实施例1中，是利用设置在像素区域11外的积分器将从子像素区域12分别输出的光电流转换为电压信号，而在实施例2中，是在子像素区域22的内部进行光电子的积蓄。继而，将积蓄时间(采样周期)期间内光电二极管31中产生的光电子经由读出门(转送晶体管32)而电性地转送至浮置扩散器(FD)的扩散层，利用该扩散层的电容而转换为电压。如此，通过将FD配置在光电二极管31的附近而降低布线寄生电容的影响，可实现16fF这一小电容的构成。
另外，在像实施例2那样积分电容较小的情况下，还需要考虑重置噪声(也称为热噪声)的影响。在检测电路中，在通过积分电容将光电子数转换为电压时，须针对每1次采样而将积分电容重置为基准电压。此时，重置电压会发生波动，从而产生重置噪声。重置噪声与积分电容的关系以下式(9)表示。
[数式9]
根据式(9)可知，积分电容C越小，重置噪声越大。例如，在积分电容C＝16fF、T＝300K的情况下，重置噪声为509μV，达电噪声的5倍以上。
在实施例2中，设置有图5所示的相关双采样电路(CDS电路)24，以排除上述重置噪声的影响。CDS电路24具有2个选择晶体管361、362、2个电容器371、372以及差动放大器38。当使用CDS电路24时，可通过对重置好浮置扩散器的时间点的电压和对浮置扩散器转送光电子之后的电压分别进行采样、去掉其差分来去除重置噪声。
来自CDS电路24的输出信号经A/D转换器25转换为数字信号，并保持至数字存储器26，之后，由多工器27依序读出，并从高速数字输出电路28的输出端口送至数字运算器29。在数字运算器29中对来自所有子像素区域22的输出信号进行加法处理，并作为与1像素相当的信号而输出。
图6为将实施例2的PD检测器20的S/N比与以往的PD检测器的S/N比相比较的图表。如该图表所示，通过使用实施例2的PD检测器20，相较于以往的PD检测器而言，可将S/N比提高1位数以上而接近理想的检测器(不产生电噪声的PD检测器)。
实施例3
图7表示实施例3的PD检测器40的构成。在该PD检测器40中，沿图面的纵向配置有7个像素区域41，各像素区域41沿横向被分割为1000个(图中仅图示有7个)子像素区域42。像素区域41的大小为2.5μm×2.5mm，子像素区域42的大小为2.5μm×2.5μm。此外，信号读出线43以对像素区域41内的子像素区域42共用的方式、对每1个像素区域41设置1根。在信号读出线43的前端设置有对应于各像素的CDS电路44、A/D转换器45及数字存储器46，而且配置有依序读出数字存储器46中所保存的信号的多工器47、高速数字输出电路48以及数字运算器49。由此，像素区域41内的多个检测电路(电容器)(子像素区域42)构成了1至多个组，信号处理部以每1个组1个的方式具有A/D转换器45及数字存储器46(信号存储部)。
在数字运算器49中，进行与分析的目的相应的适当处理，即，将由对应于各像素区域41的检测电路检测到的信号在像素间加以平均化，或者计算差分等。或者，也可构成为：根据由分析人员另行在控制装置中设定的分析条件，数字运算器49计算以在时间上连续的方式从同一像素输出的信号的差分。具体而言，可构成为：在最初的积蓄期间内获取到仅对应于背景光的输出信号，在接下来的积蓄期间内获取对应于所获取到的背景光与测定光的合计的输出信号，并进行从后一输出信号中减去前一输出信号的运算处理，从而将对应于测定光的输出信号输出至外部装置。
图8为子像素区域42内的电路构成图。与通过图3而说明过的实施例2的电路一样，该电路具有光电二极管31、用以转送光电荷的转送晶体管32、浮置扩散器33、重置晶体管34以及由2个晶体管351、352构成的源极跟随放大器35，除了这些以外，还具有配置在源极跟随放大器35的后级的选择门36。
在该PD检测器40中，将用以输出由数字运算器49将各像素的信号相加而得的信号的规定采样周期例如分割(即，分频)为1000个子周期，对1000个子像素区域42各自的选择门36的栅极端子依序供给控制信号ΦX(子周期的信号)。继而，按每一子周期从各子像素区域42依序读出从属于同一像素区域41的1000个光电二极管31输出的光电流，暂时存储在数字存储器46中，以规定采样周期通过数字运算器49进行加法运算并输出信号。
在该PD检测器40中，由于像素区域41被分割成1000个子像素区域42，因此，在与实施例2相同的测定条件(入射至像素区域41的最大光子数为2×109个，光电二极管31的量子效率η＝0.5，检测电路中的电压的最大值(入射进最大数量的光子时所输出的电压值)为1V，电噪声为100μV)下，电容器的积分电容C为160fF，电噪声的换算电子数为100个，上式(8)中的电子噪声项K·Mn 2的值为107。虽然实施例3中的电子噪声项的值比实施例2大，但可通过增加像素区域41的分割数来酌情降低。
在上述说明中，由于使配置在像素区域41内的子像素区域42的数量与采样周期的分割数相同，因此是设为每1像素配备1根信号读出线43等的构成，但也可采用其他构成。例如，在将采样周期的分割数设为子像素区域的数量的一半的情况下，将配置在像素区域41内的子像素区域42分为2个组，每1个组配备1根信号读出线43等即可。
在通过上述各实施例而说明过的构成中，不仅可降低电噪声的大小而提高S/N比，还可提高芯片制造时的良率。通常，在制造工艺技术中，会投影光罩图案而在半导体基板上形成电路布线，在该过程中，微粒等异物有时会附着在晶圆表面。于是，无法形成所期望的电路布线，产生暗电流、漏电流特别大的点状区域。在以往的PD阵列检测器中，1像素中所配置的PD与检测电路的组为1个，因此，若其内部产生上述点状区域，则该像素1个便导致阵列检测器本身变成不合格品。
另一方面，在上述实施例中，是将像素区域分割为多个子像素区域，在各子像素区域内配置PD和检测电路。假设在分割为L个的像素区域的内部产生了1个点状区域的情况下，通过进行将来自L－1个的检测信号换算为L个信号的处理、或者根据与点状区域相邻的子像素区域的检测信号来推断点状区域的信号值的运算处理，可获得正确的输出信号。因而，阵列检测器不会变成不合格品，使得良率提高。由于子像素区域的不良情况的有无可在制造时发现，因此，例如可构成为实施例3中说明过的数字运算器49自动进行上述运算处理。即，例如可构成为：在数字运算器49中抽掉特定子像素区域，仅对来自这以外的子像素区域的输出信号进行运算处理。
上述实施例均为一例，可按照本发明的宗旨酌情加以变更。在上述实施例中，为了实现信号读出的高速化而配置有A/D转换器，但在直接以电压信号进行处理的情况下，无须设置A/D转换器。此外，各实施例中的像素区域的分割数也是一例，可酌情加以变更。进而，上述各实施例的构成对于以1维方式以及2维方式配置多个像素区域的阵列检测器均可加以运用。另外，实施例3中说明过的数字运算器的运算处理均为一例，例如可构成为根据使用具有上述实施例的PD检测器的分析装置的分析的内容来进行适当的运算处理。
在上述说明中，为了易于理解，通过未考虑产生自暗电流的散射噪声(以下，称为“暗电流散射噪声”)的影响的公式来计算S/N比的值，而下面，对考虑了暗电流散射噪声的情况进行说明。
当在以往的PD检测器的S/N比的计算公式(4)中追加暗电流散射噪声项Mdark时，成为下式(10)。
[数式10]
上式中不包含暗电流本身这一项，其原因在于，通过使用上述CDS电路，可去除暗电流。
另一方面，当在本发明的PD检测器的S/N比的计算公式(8)中追加暗电流散射噪声项时，成为下式(11)。本发明的PD检测器使用该式(11)也可获得比通过式(10)计算出的以往的PD检测器的S/N比高的S/N。
[数式11]
符号说明
10、20、40 PD检测器
11、21、41 像素区域
12、22、42 子像素区域
13、23、43 信号读出线
14 检测电路
24、44 相关双采样电路
15、25、45 A/D转换器
16、26、46 数字存储器
17、27、47 多工器
18、28、48 高速数字输出电路
19、29 数字加法器
49 数字运算器
31 光电二极管
32 转送晶体管
33 浮置扩散器
34 重置晶体管
35 源极跟随放大器
361、362 选择晶体管
371、372 电容器
38 差动放大器。
Claims (7)
1.一种光检测器，其特征在于，包括：
a)光电转换元件，其在构成1像素的像素区域内配置有多个；
b)所述多个检测电路，它们对应于所述多个光电转换元件中的各方而各设置有1个，且分别具有电容器；以及
c)信号处理部，其将来自所述多个检测电路的输出信号相加。
2.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，
所述电容器配置在所述像素区域内。
3.根据权利要求1或2所述的光检测器，其特征在于，
所述信号处理部将以把采样周期分割为多个期间而得的子周期从所述多个检测电路中的各方输出的输出信号相加，并以所述采样周期输出。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光检测器，其特征在于，
所述多个检测电路构成1至多个组，所述信号处理部针对所述组中的各方而具有A/D转换器及信号存储部。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光检测器，其特征在于，
所述检测电路或所述信号处理部具有相关双采样电路。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光检测器，其特征在于，
所述信号处理部进行将来自与预先确定的光电转换元件相对应的检测信号的输出信号抽掉之后的信号处理。
7.一种分析装置，其特征在于，
包括权利要求1至6中任一项所述的光检测器。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014235966 | 2014-11-20 | ||
| JP2014-235966 | 2014-11-20 | ||
| PCT/JP2015/069693 WO2016080016A1 (ja) | 2014-11-20 | 2015-07-08 | 光検出器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107005664A true CN107005664A (zh) | 2017-08-01 |
Family
ID=56013581
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201580063631.0A Withdrawn CN107005664A (zh) | 2014-11-20 | 2015-07-08 | 光检测器 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20170336254A1 (zh) |
| EP (1) | EP3220628A4 (zh) |
| JP (1) | JPWO2016080016A1 (zh) |
| CN (1) | CN107005664A (zh) |
| WO (1) | WO2016080016A1 (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110278396A (zh) * | 2018-03-16 | 2019-09-24 | 松下知识产权经营株式会社 | 摄像装置 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4098984A1 (en) | 2017-09-19 | 2022-12-07 | Beckman Coulter Inc. | Analog light measuring and photon counting in chemiluminescence measurements |
| EP4283980A3 (en) | 2017-11-24 | 2024-02-07 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photon counting device and photon counting method |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1394079A (zh) * | 2001-06-25 | 2003-01-29 | 佳能株式会社 | 通过加法读出多个像素可变换输出清晰度的摄像装置、其控制方法及摄像*** |
| CN101702753A (zh) * | 2008-07-18 | 2010-05-05 | 索尼株式会社 | 固体成像元件和相机*** |
| CN101796821A (zh) * | 2007-09-05 | 2010-08-04 | 国立大学法人东北大学 | 固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法 |
| US8049799B2 (en) * | 2008-04-11 | 2011-11-01 | Canon Kabushiki Kaisha | Method of driving solid-state imaging apparatus |
| CN102300053A (zh) * | 2010-06-24 | 2011-12-28 | 佳能株式会社 | 固态成像装置和用于固态成像装置的驱动方法 |
| CN103456755A (zh) * | 2009-03-12 | 2013-12-18 | 索尼公司 | 固态摄像装置的制造方法 |
| CN103685998A (zh) * | 2012-09-04 | 2014-03-26 | 佳能株式会社 | 固态成像装置 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07306133A (ja) * | 1994-03-14 | 1995-11-21 | Hitachi Electron Eng Co Ltd | 微粒子検出器 |
| JP4007716B2 (ja) * | 1999-04-20 | 2007-11-14 | オリンパス株式会社 | 撮像装置 |
| US6437325B1 (en) * | 1999-05-18 | 2002-08-20 | Advanced Research And Technology Institute, Inc. | System and method for calibrating time-of-flight mass spectra |
| JP3774597B2 (ja) * | 1999-09-13 | 2006-05-17 | キヤノン株式会社 | 撮像装置 |
| JP3904111B2 (ja) * | 2002-06-04 | 2007-04-11 | ソニー株式会社 | 固体撮像装置及びその信号処理方法 |
| CN101057493B (zh) * | 2004-11-02 | 2011-05-25 | 松下电器产业株式会社 | 图像传感器 |
| US7699042B2 (en) * | 2007-02-28 | 2010-04-20 | Stoneridge, Inc. | Filtration device for use with a fuel vapor recovery system |
| JP4931238B2 (ja) * | 2007-08-14 | 2012-05-16 | キヤノン株式会社 | 撮像装置及びその駆動方法 |
| JP2010078338A (ja) * | 2008-09-24 | 2010-04-08 | Toshiba Corp | Ｘ線検出器 |
| JP5991045B2 (ja) * | 2012-06-28 | 2016-09-14 | 住友電気工業株式会社 | 半導体装置 |
| JP6164867B2 (ja) * | 2013-02-21 | 2017-07-19 | キヤノン株式会社 | 固体撮像装置、その制御方法、および制御プログラム |
-
2015
- 2015-07-08 JP JP2016560079A patent/JPWO2016080016A1/ja active Pending
- 2015-07-08 EP EP15861720.9A patent/EP3220628A4/en not_active Withdrawn
- 2015-07-08 CN CN201580063631.0A patent/CN107005664A/zh not_active Withdrawn
- 2015-07-08 WO PCT/JP2015/069693 patent/WO2016080016A1/ja active Application Filing
- 2015-07-08 US US15/528,188 patent/US20170336254A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1394079A (zh) * | 2001-06-25 | 2003-01-29 | 佳能株式会社 | 通过加法读出多个像素可变换输出清晰度的摄像装置、其控制方法及摄像*** |
| CN101796821A (zh) * | 2007-09-05 | 2010-08-04 | 国立大学法人东北大学 | 固体摄像元件和该固体摄像元件的驱动方法 |
| US8049799B2 (en) * | 2008-04-11 | 2011-11-01 | Canon Kabushiki Kaisha | Method of driving solid-state imaging apparatus |
| CN101702753A (zh) * | 2008-07-18 | 2010-05-05 | 索尼株式会社 | 固体成像元件和相机*** |
| CN103456755A (zh) * | 2009-03-12 | 2013-12-18 | 索尼公司 | 固态摄像装置的制造方法 |
| CN102300053A (zh) * | 2010-06-24 | 2011-12-28 | 佳能株式会社 | 固态成像装置和用于固态成像装置的驱动方法 |
| CN103685998A (zh) * | 2012-09-04 | 2014-03-26 | 佳能株式会社 | 固态成像装置 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110278396A (zh) * | 2018-03-16 | 2019-09-24 | 松下知识产权经营株式会社 | 摄像装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP3220628A4 (en) | 2017-10-18 |
| EP3220628A1 (en) | 2017-09-20 |
| US20170336254A1 (en) | 2017-11-23 |
| WO2016080016A1 (ja) | 2016-05-26 |
| JPWO2016080016A1 (ja) | 2017-07-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2020505855A (ja) | 拡張されたダイナミックレンジを備えたイメージングアレイ | |
| Maj et al. | 18k Channels single photon counting readout circuit for hybrid pixel detector | |
| US9185314B2 (en) | Mitigating the effects of signal overload in analog front-end circuits used in image sensing systems | |
| Naumann et al. | New electronics for the cherenkov telescope array (NECTAr) | |
| JP2017501628A (ja) | イメージングアレイでの使用に適合された可変利得カラム増幅器 | |
| CN107005664A (zh) | 光检测器 | |
| CN106664384A (zh) | 摄像器件、电子装置、辐射检测装置及摄像器件方法 | |
| Zhang et al. | Towards Gotthard-II: Development of a silicon microstrip detector for the European X-ray Free-Electron Laser | |
| Mu et al. | A 7.4 kHz, 20-bit image encoder with a CMOS linear image sensor | |
| Zhang et al. | Readout integrated circuit with multi-mode background suppression for long wavelength infrared focal plane arrays | |
| Kawamura et al. | Development of a low-noise front-end ASIC for CdTe detectors | |
| Andricek et al. | DePFET—Recent developments and future prospects | |
| Greffe et al. | Characterization of low light performance of a complementary metal-oxide semiconductor sensor for ultraviolet astronomical applications | |
| US10129494B2 (en) | Imaging device, and solid-state image sensor | |
| Larionov et al. | Implementation of the TDA Digital Mode on a ROIC for Scanning IR FPA | |
| Gupta et al. | Implementation of high performance readout integrated circuit | |
| Kayahan et al. | Realization of a ROIC for 72x4 PV-IR detectors | |
| MENSSOURI et al. | In-Pixel CTIA & Readout Circuitry for an Active CMOS Image Sensor | |
| Matsuura et al. | Development of an analog LSI for readout of X-ray CCDs | |
| Dominguez et al. | Development of a testbed for flexible a-Si: H photodiode sensing arrays | |
| Heini et al. | A CMOS current-mode active pixel sensor for high energy physics and biomedical imaging applications | |
| Cai et al. | CHIARA: an ultra-high dynamic range hyperspectral image sensor for remote sensing | |
| Jendernalik et al. | Characteristics of an image sensor with early-vision processing fabricated in standard 0.35 µm CMOS technology | |
| Farhoomand et al. | A 1k-pixel CTIA readout multiplexer for far-IR photodetector arrays | |
| Eklund et al. | First results from the HEPAPS4 active pixel sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20170801 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |