CN110462847A - 光检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光检测器。光检测器(1A)具备：检测部(10)，构成为对SPAD(4)施加反向偏压来进行光检测；监视器用SPAD(12)，具有与构成检测部的SPAD同样的特性；电流源(14)，向监视器用SPAD供给恒定电流使监视器用SPAD以盖革模式进行动作；以及电压生成部(18)，基于根据在监视器用SPAD的两端间产生的击穿电压设定的基准击穿电压和规定的过电压来生成施加到检测部的SPAD的反向偏压。

Description

光检测器
相关申请的交叉引用
本国际申请主张基于2017年3月31日向日本专利厅申请的日本专利申请第2017-71412号、以及2018年2月13日向日本专利厅申请的日本专利申请第2018-22999号的优先权，并通过参照在本国际申请中引用了日本专利申请第2017-71412号以及日本专利申请第2018-22999号的全部内容。
技术领域
本公开涉及利用了雪崩效应的光检测器。
背景技术
在专利文献1中公开了在使用雪崩光电二极管(以下，APD)的光检测器中，为了进行APD的温度补偿而利用电流放大率的温度特性与APD基本相同且被反向偏置后的参照用接合结构。
在该光检测器中，利用具有向参照用接合结构注入参照电流的电流注入用接合结构的晶体管，并控制施加至APD和参照用接合结构的电压以便将参照电流的放大率保持为规定值，由此控制APD的增倍率。
专利文献1:专利第5211095号公报
在专利文献1所公开的技术中，由于通过控制APD的增倍率来对APD进行温度补偿控制，所以在向APD施加小于击穿电压的反向偏压来使其进行动作的线性模式下是有效的。
然而，发明人详细研究的结果是发现了引用文献1所公开的技术不能够应用于使APD以盖革模式进行动作的光检测器这个课题。
换句话说，以盖革模式进行动作的APD被称为SPAD，反向偏压被设定为比击穿电压高的电压值。此外，SPAD是Single Photon Avalanche Diode的缩写。
而且，由于SPAD若响应光子的入射则击穿，利用SPAD的光检测器构成为在SPAD击穿时输出规定脉冲宽度的脉冲信号。
因此，利用SPAD的光检测器的输出为“1”或“0”，在这种光检测器中，没有控制增倍率的概念。因此，较难利用专利文献1所公开的技术来对SPAD的检测灵敏度进行温度补偿。
发明内容
在本公开的一个方面，期望在使用了SPAD的光检测器中，能够对SPAD的检测灵敏度，更具体而言对SPAD的光子检测灵敏度进行温度补偿。
本公开的一个方面的光检测器具备检测部、监视器用SPAD、电流源以及电压生成部。
检测部构成为具备SPAD，并对SPAD施加反向偏压来进行光检测。另外，监视器用SPAD是具有与构成检测部的SPAD同样的特性的SPAD。
通过电流源向监视器用SPAD供给恒定电流，从而使监视器用SPAD以盖革模式进行动作。如果使监视器用SPAD以盖革模式进行动作，则其两端间产生击穿电压，所以电压生成部基于根据该击穿电压设定的基准击穿电压、和规定的过电压，来生成施加到检测部的SPAD的反向偏压。
其结果为，检测部的SPAD被施加基于基准击穿电压和规定的过电压而生成的反向偏压，基准击穿电压被推定为是光子入射而击穿时的击穿电压。
因此，即使击穿电压根据SPAD的温度变化而变化，过电压也为大致规定的恒定电压，能够使SPAD对光子的检测灵敏度稳定。
换句话说，在利用SPAD的光检测器中，对SPAD施加超击穿电压的反向偏压，光子入射到SPAD，基于在SPAD发生击穿时流动的电流，输出检测信号。
另一方面，SPAD的击穿电压根据温度而变化。具体而言，温度越高则击穿电压越高。因此，当使施加到SPAD的反向偏压恒定时，温度越高，则从反向偏压减去击穿电压所得的剩余电压亦即过电压越低。而且，SPAD的检测灵敏度根据过电压的电压变化而变化。
因此，在本公开的光检测器中，利用监视器用SPAD，将检测部的SPAD的击穿电压推定为基准击穿电压，并基于该基准击穿电压和所希望的过电压来设定反向偏压。
因此，根据本公开的光检测器，能够对构成检测部的SPAD的检测灵敏度进行温度补偿，并能够以所希望的检测灵敏度进行光检测，而不会受到SPAD的温度变化的影响。
此外，权利要求书所记载的括号内的附图标记表示与作为一个方式后述的实施方式所记载的具体单元的对应关系，并不对本公开的技术范围进行限定。
附图说明
图1是表示第一实施方式的光检测器的结构的框图。
图2是表示第二实施方式的光检测器的结构的框图。
图3是表示第三实施方式的光检测器的结构的框图。
图4是表示第四实施方式的光检测器的结构的框图。
图5是表示第五实施方式的光检测器的结构的框图。
图6是表示第六实施方式的光检测器的结构的框图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本公开的实施方式进行说明。
[第一实施方式]
如图1所示，第一实施方式的光检测器1A具有具备多个SPAD2的检测部10、以及具有与检测部10内的SPAD2相同的结构、相同的特性的监视器用SPAD12。
SPAD2以及监视器用SPAD12是如上述那样能够以盖革模式进行动作的APD，在检测部10中，在多个SPAD2的阳极分别串联连接有淬灭电阻4。
淬灭电阻4是在光子入射到SPAD2并SPAD2击穿时，通过在SPAD2中流动的电流而产生电压下降来使SPAD2的盖革放电停止的元件。此外，淬灭电阻4可以由作为所谓的一般的无源元件的“电阻器”构成，或可以由“晶体管”那样的有源元件构成。
而且，在检测部10中，通过各SPAD2击穿而电流流向淬灭电阻4，从而在淬灭电阻4的两端间产生的电压分别输入至与各SPAD2对应的脉冲转换部6。
脉冲转换部6用于在光子入射到对应的SPAD2时，输出规定脉冲宽度的脉冲信号作为检测信号，在淬灭电阻4的两端间电压为规定电压以上时，产生成为“1”的数字脉冲。
另外，为了使检测部10动作，需要对各SPAD2，在与正向相反方向上施加比击穿电压大的反向偏压VSPAD。而且，如果反向偏压VSPAD恒定，则各SPAD2的检测灵敏度根据温度变化。
因此，在本实施方式中，使用放置在与检测部10同样的环境下的监视器用SPAD12，将SPAD2的击穿电压推定为基准击穿电压VBD。而且，基于该基准击穿电压VBD和规定的过电压VEX，生成反向偏压VSPAD，并施加至检测部10的各SPAD2的阴极。
因此，在光检测器1A中具备向监视器用SPAD12供给恒定电流的电流源14、产生过电压VEX的电压源16、以及生成反向偏压VSPAD的电压生成部18。
电压生成部18构成为将监视器用SPAD12的击穿电压作为基准击穿电压VBD加到来自电压源16的过电压VEX，生成反向偏压VSPAD。
此外，电压生成部18能够基于基准击穿电压VBD和过电压VEX，以过电压VEX大致成为恒定电压的方式生成反向偏压VSPAD即可，不一定构成为将这些各个电压保持原样地相加。
接下来，电流源14通过接受比监视器用SPAD12的击穿电压足够高的电源电压VB，并向监视器用SPAD12供给恒恒定电流ISPAD，从而使监视器用SPAD12以盖革模式进行动作。
此外，监视器用SPAD12构成为如检测部10内的SPAD2那样不连接淬灭电阻，一旦击穿则持续流动电流
因此，电压生成部18始终被输入根据监视器用SPAD12的温度而变化的基准击穿电压VBD。而且，由于监视器用SPAD12是与构成检测部10的SPAD2相同的特性，所以基准击穿电压VBD与SPAD2的击穿电压对应。
因此，始终将与各SPAD2的击穿电压对应的基准击穿电压VBD加上规定的过电压VEX所得的电压作为反向偏压VSPAD施加至检测部10内的各SPAD2的阴极
因而，在本实施方式的光检测器1A中，检测部10内的各SPAD2的检测灵敏度不会受到温度变化的影响，而成为与过电压VEX对应的恒定的检测灵敏度。因此，根据本实施方式，能够对构成检测部10的各SPAD2的检测灵敏度进行温度补偿，并能够抑制检测精度根据温度变化这一情况。
此外，监视器用SPAD12可以构成为光从外部入射，但如图1中虚线所示，也可以在监视器用SPAD12中设置阻止光入射的遮光膜13。
即使这样设置，但由于监视器用SPAD12因噪声而击穿，所以能够将基准击穿电压VBD输入至电压生成部18。另外，该情况下，由于基准击穿电压VBD不会受到入射至监视器用SPAD12的光的影响而发生变化，所以能够在电压生成部18中更稳定地生成反向偏压VSPAD。
另外，监视器用SPAD12例如配置于检测部10的里侧，由此可以使得入射至监视器用SPAD12的光比入射至检测部10光少。即使这样设置，也能够获得与在监视器用SPAD12设置遮光膜13的情况大致相同的效果。
[第二实施方式]
如图2所示，第二实施方式的光检测器1B的基本结构与第一实施方式的光检测器1A相同，与第一实施方式不同之处在于追加开关22和电压存储部24。
因此，在本实施方式中，对于与第一实施方式相同的结构，通过在附图中附加同一附图标记，从而省略详细的说明，对与第一实施方式的不同点进行说明。
如图2所示，开关22设置于从电流源14向监视器用SPAD12的通电路径中，用于按照来自利用光检测器1B的距离测定装置20的测距动作信号，使通电路径导通或者断开。
而且，当距离测定装置20基于来自检测部10的检测信号进行距离测定时，开关22成为断开状态，当距离测定装置20停止距离测定时，开关22成为接通状态。
因此，当距离测定装置20停止距离测定时，从电流源14供给电流，监视器用SPAD12击穿。
因此，电压存储部24构成为按照来自距离测定装置20的测距动作信号，在距离测定装置20停止距离测定时，将监视器用SPAD12的击穿电压设定为基准击穿电压VBD并存储。
而且，若距离测定装置20开始距离测定，则电压存储部24将存储的基准击穿电压VBD输出至电压生成部18，由此使电压生成部18生成与最新的基准击穿电压VBD对应的反向偏压VSPAD。
此外，电压存储部24对基准击穿电压VBD的存储例如通过利用对电容器等的充电使存储元件闩锁基准击穿电压VBD，或者对基准击穿电压VBD进行数值化并使存储器存储来进行。
这样，根据本实施方式的光检测器1B，在作为外部装置的距离测定装置20停止距离测定时，使监视器用SPAD12进行动作。因此，在将检测部10用于测距动作时，能够使监视器用SPAD12的动作停止，并能够抑制光检测器1B的消耗电力因流向监视器用SPAD12的电流而上升这一情况。
此外，距离测定装置20例如搭载在车辆上，用于向行进方向前方照射距离测定用的光，并根据该反射光测定到存在于车辆前方的障碍物的距离，本实施方式的检测部被利用于接受反射光。
而且，在本实施方式中，设为按照来自距离测定装置20的动作信号，切换开关22以及电压存储部24的动作进行了说明，但切换开关22以及电压存储部24的动作并不限于距离测定装置20。换句话说，开关22以及电压存储部24也可以根据来自利用来自检测部10的检测信号的外部装置的指令进行动作。
[第三实施方式]
如图3所示，第三实施方式的光检测器1C的基本结构与第一实施方式的光检测器1A相同，与第一实施方式不同之处在于具备多个监视器用SPAD12-1、12-2、…、12-n、基准击穿电压VBD的运算以及选择部30。
因此，在本实施方式中，对于与第一实施方式相同的结构，通过在附图中附加同一附图标记，省略详细的说明，对与第一实施方式的不同点进行说明。
如图3所示，电流源14构成为供给应向一个监视器用SPAD供给的电流ISPAD的n倍的电流，以使多个监视器用SPAD12-1、12-2、…、12-n以盖革模式进行动作。而且，该供给电流被分配给多个监视器用SPAD12-1、12-2、…、12-n，各监视器用SPAD12-1、12-2、…、12-n以盖革模式进行动作。
另外，各监视器用SPAD12-1、12-2、…、12-n的击穿电压VBD1、VBD2、…、VBDn被输入至运算以及选择部30，被利用于在运算以及选择部30中生成输入至电压生成部18的基准击穿电压VBD。
而且，运算以及选择部30通过从多个击穿电压VBD1、VBD2、…、VBDn中选择预先设定的最小值、最大值、中央值，或者运算平均值，来生成输入至电压生成部18的基准击穿电压VBD。
这是因为即使将监视器用SPAD12构成为与SPAD2相同特性，也无法消除特性的偏差，如果监视器用SPAD12的特性的偏差较大，则不能够将适当的基准击穿电压VBD输入到电压生成部18。
换句话说，在本实施方式中，通过使用多个监视器用SPAD12来生成输入到电压生成部18的基准击穿电压VBD，即使监视器用SPAD12有大的偏差，也能够生成适当的基准击穿电压VBD。
因此，根据本实施方式，能够在电压生成部18中生成更适当的反向偏压VSPAD，并能够更良好地对检测部10内的SPAD2的检测灵敏度进行温度补偿。
此外，由于运算以及选择部30用于使用多个击穿电压VBD1、VBD2、…、VBDn生成更适当的基准击穿电压VBD，所以一般从多个中选择中央值即可。
[第四实施方式]
如图4所示，第四实施方式的光检测器1D的基本结构与第一实施方式的光检测器1A相同，与第一实施方式不同之处在于具备电压控制部40，该电压控制部40设定由电压生成部18加到基准击穿电压VBD的过电压VEX。
因此，在本实施方式中，对于与第一实施方式相同的结构，通过在附图中附加同一附图标记，而省略详细的说明，对与第一实施方式的不同点进行说明。
如图3所示，电压控制部40构成为获取输入到电压生成部18的基准击穿电压VBD，并基于该基准击穿电压VBD来设定过电压VEX。
这是因为由于SPAD2的特性根据温度变化，所以为了将检测灵敏度控制为所希望的检测灵敏度，也被认为过电压V也根据温度调整是较好的。
换句话说，在本实施方式中，利用基准击穿电压VBD作为SPAD2的温度的检测信号，根据温度来设定用于电压生成部18生成反向偏压VSPAD的过电压VEX。
其结果为，即使在本实施方式的光检测器1D中，也与上述各实施方式的光检测器1A～1C同样地能够对构成检测部10的各SPAD2的检测灵敏度进行温度补偿，并能够抑制检测精度根据温度变化。
此外，可以考虑电压控制部40例如由电阻分压电路构成，该电阻分压电路通过对基准击穿电压VBD进行电阻分压，从而使过电压VEX与基准击穿电压VBD成比例地变化。
[第五实施方式]
如图5所示，第五实施方式的光检测器1E的基本结构与第一实施方式的光检测器1A相同，与第一实施方式不同之处在于具备检测部10的结构、输出判定部50以及阈值控制部52。
因此，在本实施方式中，对于与第一实施方式相同的结构，通过在附图中附加同一附图标记，省略详细的说明，对与第一实施方式的不同点进行说明。
检测部10通过以格子状配置多个SPAD2而构成为所谓的受光阵列。
此外，与图1所示同样地，在设置于检测部10的多个SPAD2连接有淬灭电阻4以及脉冲转换部6。因此，如果由于光子入射到各SPAD2而产生击穿，则从脉冲转换部6输出数字脉冲作为检测信号。
输出判定部50对从构成检测部10的多个SPAD2经由脉冲转换部6分别输出的检测信号的数量进行计数，并在该计数值为规定的阈值以上时，判定为检测部10检测到光。
这是因为SPAD2因噪声而击穿，并经由脉冲转换部6输出检测信号。换句话说，输出判定部50利用检测部10作为光检测用的一个像素，并在构成检测部10的多个SPAD2中输出检测信号的SPAD2的数量为阈值以上时，判定为检测部10检测到光。
而且，输出判定部50若判断为检测部10检测到光，则输出表示检测部10检测到光这一情况的触发信号。
另一方面，阈值控制部52基于监视器用SPAD12的击穿电压来设定输出判定部50用于判定的阈值。
这是因为，在本实施方式中由于通过基准击穿电压VBD加上规定的过电压VEX来生成施加至检测部10的各SPAD2的反向偏压VSPAD，所以各SPAD2的动作电压发生变化。
换句话说，虽然若通过基准击穿电压VBD加上规定的过电压VEX来设定反向偏压VSPAD，则能够抑制各SPAD2的检测灵敏度由于温度而降低，但是向SPAD2施加的反向偏压VSPAD发生变化。而且，若反向偏压VSPAD增加，则流向SPAD2的暗电流增加，由于该暗电流，SPAD2容易击穿。
因此，在本实施方式中，由于即使SPAD2由于暗电流而容易误动作，也能抑制检测部10对光的检测精度降低，所以是根据基准击穿电压VBD来设定阈值。
此外，若基准击穿电压VBD伴随着温度上升而变高，则反向偏压VSPAD也上升，SPAD2容易误动作，所以只要阈值控制部52构成为若基准击穿电压VBD变高则使阈值增加即可。
[第六实施方式]
在第一～第五实施方式的光检测器1A～1E中，检测部10构成为在各SPAD2的阳极连接有淬灭电阻4，从各SPAD2的阳极和淬灭电阻4的连接点经由脉冲转换部6输出检测信号。
因此，电压生成部18构成为通过将基准击穿电压VBD和规定的过电压VEX相加来生成比各SPAD2的阳极高电位的反向偏压VSPAD，并施加至各SPAD2的阴极。例如，为了SPAD2的阳极不成为负电位，优选反向偏压VSPAD是正电位。
与此相对，在本实施方式的光检测器1F中，如图6所示，在检测部10中，在各SPAD2的阴极连接有淬灭电阻4，从各SPAD2的阴极和淬灭电阻4的连接点经由脉冲转换部6输出检测信号。
因此，在检测部10中，经由淬灭电阻4对SPAD2的阴极施加电源电压VB，并为了使SPAD2以盖革模式进行动作，而需要使SPAD2的阳极的电位比阴极低反向偏压。
因此，在本实施方式中，与检测部10的SPAD2同样地，对监视器用SPAD12的阴极施加电源电压VB，电流源14与监视器用SPAD12的阳极连接，使电流从阳极流向地线。
而且，电压生成部18构成为从监视器用SPAD12的阳极获取比电源电压VB低的负的基准击穿电压-VBD，并对该负的基准击穿电压-VBD加上从电压源16的负极侧获得的负的过电压-VEX。
其结果为，在电压生成部18中，通过将负的基准击穿电压-VBD和负的过电压-VEX相加来生成比SPAD2的阴极电位低的反向偏压-VSPAD。而且，将该生成的反向偏压-VSPAD施加至检测部10内的各SPAD2的阳极。例如，为了SPAD2的阴极不成为负电位，优选反向偏压-VSPAD是负电位。
因此，在本实施方式中，通过也对检测部10内的各SPAD2的阴极-阳极间施加基准击穿电压VBD加上过电压VEX所得的反向偏压VSPAD，能够获得与上述实施方式同样的效果。
以上，对用于实施本公开的实施方式进行了说明，但本公开并不限于上述的实施方式，能够进行各种变形并实施。
例如，在第一实施方式中，对可以在监视器用SPAD12设置阻止或者抑制光入射的遮光膜13的情况进行了说明，但在第二实施方式～第五实施方式中，也可以在监视器用SPAD12设置遮光膜13来进行遮光。另外，在对监视器用SPAD12进行遮光的情况下，不一定设置遮光膜13，只要能够防止光入射到监视器用SPAD12即可。
另外，在上述各实施方式中，设为在检测部10中设置多个SPAD2进行了说明，但即使在检测部10设置一个SPAD2的情况下，如果如上述各实施方式那样构成，则能够抑制检测部10的检测灵敏度降低。
另外，可以通过多个构成要素来实现上述实施方式中的一个构成要素具有的多个功能，或通过多个构成要素来实现一个构成要素具有的一个功能。另外，可以通过一个构成要素来实现多个构成要素具有的多个功能，或通过一个构成要素来实现由多个构成要素实现的一个功能。另外，可以省略上述实施方式的结构的一部分。另外，也可以对其它上述实施方式的结构附加或者置换上述实施方式的结构的至少一部分。此外，根据权利要求书所记载的词句确定的技术思想包含的所有方式是本公开的实施方式。

Claims (11)

1.一种光检测器，具备：
检测部(10)，构成为具备SPAD(2)，并对该SPAD施加与正向相反方向的反向偏压来进行光检测，上述SPAD是能够以盖革模式进行动作的雪崩光电二极管；
监视器用SPAD(12)，具有与构成上述检测部的上述SPAD同样的特性；
电流源(14)，构成为向上述监视器用SPAD供给恒定电流来使上述监视器用SPAD以盖革模式进行动作；以及
电压生成部(18)，构成为基于根据在上述监视器用SPAD的两端间产生的击穿电压设定的基准击穿电压、和规定的过电压，来生成施加到上述检测部的上述SPAD的反向偏压。
2.根据权利要求1所述的光检测器，其中，
上述电压生成部构成为通过将上述基准击穿电压和上述过电压相加来生成上述反向偏压。
3.根据权利要求1或者权利要求2所述的光检测器，其中，
在上述检测部中，在上述SPAD的阴极连接有淬灭元件(4)，该淬灭元件构成为使上述SPAD通过光子的入射而发生击穿进行盖革放电这一情况停止，
上述电压生成部构成为对上述SPAD的阳极施加比上述阴极电位低的反向偏压。
4.根据权利要求1或者权利要求2所述的光检测器，其中，
在上述检测部中，在上述SPAD的阳极连接有淬灭元件，上述淬灭元件构成为使上述SPAD通过光子的入射而发生击穿进行盖革放电这一情况停止，
上述电压生成部构成为向上述SPAD的阴极施加比上述阳极电位高的反向偏压。
5.根据权利要求1～权利要求4中的任意一项所述的光检测器，其中，
上述监视器用SPAD构成为被遮光并通过噪声而击穿。
6.根据权利要求1～权利要求4中的任意一项所述的光检测器，其中，
上述监视器用SPAD构成为入射的光比入射到检测部的光少。
7.根据权利要求1～权利要求6中的任意一项所述的光检测器，其中，具备：
开关(22)，构成为按照来自外部的指令使从上述电流源向上述监视器用SPAD的通电路径导通；以及
电压存储部(24)，构成为在上述开关使上述通电路径导通时，根据上述监视器用SPAD的上述击穿电压设定并存储上述基准击穿电压，并且不取决于上述通电路径的状态地向上述电压生成部输出上述基准击穿电压。
8.根据权利要求1～权利要求7中的任意一项所述的光检测器，其中，
具备电压控制部(40)，上述电压控制部构成为基于上述监视器用SPAD的上述基准击穿电压来设定上述电压生成部生成上述击穿电压所使用的上述过电压。
9.根据权利要求1～权利要求8中的任意一项所述的光检测器，其中，
具备运算以及选择部(30)，上述运算以及选择部构成为具备多个上述监视器用SPAD，通过使用从该多个监视器用SPAD获得的多个击穿电压进行运算或者选择，从而设定上述基准击穿电压并供给至上述电压生成部。
10.根据权利要求1～权利要求9中的任意一项所述的光检测器，其中，
上述检测部具备多个上述SPAD，
上述光检测器具备输出判定部(50)，上述输出判定部构成为对从上述检测部的多个SPAD输出的检测信号的数量进行计数，并在计数值为规定的阈值以上时，判定为上述检测部检测到光，并输出触发信号。
11.根据权利要求10所述的光检测器，其中，
具备阈值控制部(52)，上述阈值控制部构成为基于上述基准击穿电压来设定上述阈值。
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