JP5744658B2 - 光検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体光検出装置に関し、特に、フォトダイオードを用いて入射する光の量を測定する技術に関する。

従来の半導体光検出装置の回路図を図３に示す。
従来の半導体光検出装置は、光検出部とカウンタ部から構成されている。

光検出部は、受光素子である第１のフォトダイオード１及び第２のフォトダイオード２と、第１の蓄積手段１２及び第２の蓄積手段１３と、スイッチ６及び７と基準電圧回路８ａと、アンプ３及び４と、差分回路５と、クランプ容量２０と、クランプ容量２０の電荷を初期化するスイッチ１１と基準電圧回路８ｂと、コンパレータ９と、コンパレータ９の出力電圧Ｖｃｏｍｐを受けて各スイッチを制御する制御回路１０と、を備えている。

カウンタ部は、発振回路１４及びクロック成形回路１５と、第１及び第２のカウンタ１６及び１７と、カウンタリセット回路１８と、レジスタ１９と、を備えている。

第１のフォトダイオード１は、赤外光を遮断する手段が設けられていて、入射した可視光によって電荷を発生する。第２のフォトダイオード２は、入射する光を遮断する遮光手段が設けられていて、基準となる電荷を発生する。第１の蓄積手段１２は、第１のフォトダイオード１に発生した電荷を蓄積する。第２の蓄積手段１３は、第２のフォトダイオード２に発生した電荷を蓄積する。スイッチ６及び７と基準電圧回路８ａは、第１の蓄積手段１２及び第２の蓄積手段１３の電荷をリセットする。差分回路５は、第１の蓄積手段１２及び第２の蓄積手段１３に蓄積した電荷の差分を出力する。クランプ容量２０は、差分回路５が出力する差分の電圧を蓄える。スイッチ１１と基準電圧回路８ｂは、クランプ容量２０の電荷を初期化する。コンパレータ９は、差分に基づく電圧Ｖｏｕｔと基準電圧回路８ｃの基準電圧Ｖｒｅｆｃを比較し電圧Ｖｃｏｍｐを出力する。即ち、第１のフォトダイオード１に入射した可視光による電荷と、第２のフォトダイオード２の基準となる電荷との差分の電圧が基準電圧Ｖｒｅｆｃを超えると、電圧ＶｃｏｍｐはＬｏからＨｉに反転する。制御回路１０は、コンパレータ９の出力する電圧Ｖｃｏｍｐを受けて、リセット信号Ｒ及びクランプ信号ＣＬを生成し、その信号によって各スイッチを制御する。

発振回路１４及びクロック成形回路１５は、クランプ信号ＣＬを受けて、信号ＴＢＣＬＫとクランプ信号ＣＬを出力する。信号ＴＢＣＬＫは、クランプ信号ＣＬがＬｏの間だけ、発振回路１４の信号が出力される信号である。第１カウンタ１６は、信号ＴＢＣＬＫをカウントして、所定のカウント値に達すると信号ＴＢＡＳＥ１を出力する。即ち、フォトダイオード１及び２が電荷を蓄積している期間を発振回路の周波数で計測するものである。第２カウンタ１７は、信号ＣＬをカウントして、カウント値を出力する。即ち、フォトダイオード１及び２が行う電荷の蓄積と放電のサイクル数を計測するものである。

半導体光検出装置の通常の動作を示すタイミングチャートを図４に示す。
半導体光検出装置は、期間ＴＢＡＳＥを開始すると、制御回路１０がリセット信号Ｒとクランプ信号ＣＬをＨｉにする。

これにより、スイッチ６と７がオンしてフォトダイオード１と２の電圧が基準電圧Ｖｒｅｆａにリセットされる。また、スイッチ１１がオンして差分回路５の出力が基準電圧Ｖｒｅｆｂにリセットされる。そして、制御回路１０は、所定の遅延時間が経過するとリセット信号ＲをＬｏにしてスイッチ６と７をオフし、フォトダイオード１と２に蓄電を開始させる。蓄積期間では、フォトダイオード１の出力電圧ＶＤＩ１は、入射した可視光の量に比例して低下していく。また、フォトダイオード２は遮光されているので、出力電圧ＶＤＩ２は低下しない。

期間αが経過すると、制御回路１０は、クランプ信号ＣＬをＬｏにしてスイッチ１１をオフし、差分回路５に差分（電圧Ｖｏｕｔ）をコンパレータ９に出力させる。
差分回路５の出力する電圧Ｖｏｕｔは、徐々に上昇し差分出力期間Ｔｓで基準電圧Ｖｒｅｆｃに達する。差分出力期間Ｔｓは、可視光の強度が大きいほど短時間となる。

コンパレータ９は、電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆｃよりも小さい場合は、出力ＶｃｏｍｐをＬｏにするが、差分出力期間Ｔｓで電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆｃに達すると、出力ＶｃｏｍｐをＨｉにする。
出力ＶｃｏｍｐがＨｉになると、制御回路１０は、リセット信号Ｒとクランプ信号ＣＬをＨｉにし、出力信号Ｖｃｏｍｐを遅延させて所定の期間Ｈｉ状態を維持する。

リセット信号Ｒとクランプ信号ＣＬがＨｉになると、スイッチ６及び７、及びスイッチ１１がオンし、フォトダイオード１と２がリセットされ、電圧Ｖｏｕｔが低下していき、基準電圧Ｖｒｅｆｂとなる。
以降、リセット信号ＲがＬｏになり、続いてクランプ信号ＣＬがＬｏになり、同じ動作を繰り返す。

このように、フォトダイオード１及び２の蓄電とリセットを繰り返し、その差分出力期間Ｔｓは、可視光の強度が大きいほど短くなる。

国際公開第２００９／０８１９７１号

しかし、従来の半導体光検出装置においては、白熱電球などの赤外光を多く含む光が入射した場合、または異常に強い光が入射した場合、以下のような欠点を有する。

半導体光検出装置は、パッケージの構造によっては光が半導体チップの側面などから入るので、半導体の基板内で多数の少数キャリアが発生する。このとき、フォトダイオード１及び２と基板の接合部に到達した少数キャリアによって、フォトダイオード１及び２の出力電圧ＶＤＩ１及び２が低下する。

赤外光を多く含む光や異常に強い光が入射した場合、表面から入射する可視光によるフォトダイオードの出力電圧の低下量に対して、半導体チップの側面などから入る赤外光や可視光によって発生する少数キャリアによるフォトダイオードの出力電圧の低下量の比率が大きくなる。従って、フォトダイオード１の出力電圧ＶＤＩ１とフォトダイオード２の出力電圧ＶＤＩ２は、差が小さいまま低下していく。フォトダイオード１の出力電圧ＶＤＩ１は、フォトダイオードの接合が順バイアスになるまでしか低下できず、通常−０．３Ｖ程度である。このため、フォトダイオード１及び２のリセット電圧Ｖｒｅｆａが低いと、電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆｃに達する前に、フォトダイオード１の出力電圧ＶＤＩ１は−０．３Ｖに達して低下が止まってしまう。フォトダイオード２の出力電圧ＶＤＩ２がさらに低下すると、電圧Ｖｏｕｔは基準電圧Ｖｒｅｆｃに達することなく、下がり始めてしまう。従って、期間ＴＢＡＳＥにおいてコンパレータの出力は一度も反転しない、という状態になってしまう。半導体光検出装置はデータ０を出力し、即ち検出結果は可視光が入射しているにもかかわらず暗状態となってしまう。

そこで、本発明は、赤外光を多く含む光や異常に強い光が入射した場合でも、より実光量に近い測定値を出力することが可能な光検出装置を提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明の光検出装置は以下のような構成とした。
赤外光を遮光する赤外遮光手段が設けられた第１の受光素子と、入射する光を遮光する遮光手段が設けられた第２の受光素子と、第１の受光素子と第２の受光素子に発生した電荷を蓄積させる蓄積手段と、第１の受光素子と第２の受光素子に蓄積させた電荷の差分を出力する差分回路と、差分に基づく電圧が所定の電圧に達したことを検出し検出信号を出力するコンパレータと、検出信号に基づき第１の受光素子と第２の受光素子に蓄積された電荷と差分回路による差分を初期値にリセットした後、蓄積手段に電荷を再度蓄積させる制御回路と、第１の受光素子または第２の受光素子の出力電圧が所定の電位に達した場合に制御回路に検出信号を出力する蓄積検出回路と、を備えたことを特徴とする光検出装置とした。

本発明の光検出装置によれば、第１の受光素子または第２の受光素子の出力電圧が所定の電位に達したことを検出する蓄積検出回路を設け、赤外光が多く含まれる光が入射した場合に、十分な入射光があるにもかかわらず差分が所定の値に達しないときに検出信号を出力する構成としたので、より実光量に近い測定値を出力することが可能になる。

本実施形態の半導体光検出装置を示す回路図である。 本実施形態の半導体光検出装置の赤外光を多く含む光や異常に強い光が入射したときの動作を示すタイミングチャートである。 従来の半導体光検出装置を示す回路図である。 半導体光検出装置の通常の動作を示すタイミングチャートである。

以下に、本実施形態に係る半導体光検出装置について説明する。
図１は、本実施形態の半導体光検出装置の構成を示した回路図である。
本実施形態の半導体光検出装置は、光検出部とカウンタ部から構成されている。

光検出部は、受光素子である第１のフォトダイオード１及び第２のフォトダイオード２と、第１のフォトダイオード１のカソードを入力とするインバータ２１と、第１の蓄積手段１２及び第２の蓄積手段１３と、スイッチ６及び７と基準電圧回路８ａと、アンプ３及び４と、差分回路５と、クランプ容量２０と、クランプ容量２０の電荷を初期化するスイッチ１１と基準電圧回路８ｂと、コンパレータ９と、コンパレータ９の出力とインバータ２１の出力を入力するＯＲ回路２２と、ＯＲ回路２２の出力する電圧Ｖｃｏｍｐを受けて各スイッチを制御する制御回路１０と、を備えている。

カウンタ部は、発振回路１４及びクロック成形回路１５と、第１のカウンタ１６と、第２のカウンタ１７と、カウンタリセット回路１８と、レジスタ１９と、を備えている。

第１のフォトダイオード１は、赤外光を遮断する手段が設けられていて、入射した可視光によって電荷を発生する。第２のフォトダイオード２は、入射する光を遮断する遮光手段が設けられていて、基準となる電荷を発生する。インバータ２１は、第１のフォトダイオード１のカソードの電圧が低下すると、ＬｏからＨｉに反転する。即ち、第１のフォトダイオード１の電荷の蓄積検出回路である。

出力を第１の蓄積手段１２は、第１のフォトダイオード１に発生した電荷を蓄積する。第２の蓄積手段１３は、第２のフォトダイオード２に発生した電荷を蓄積する。スイッチ６及び７と基準電圧回路８ａは、第１の蓄積手段１２及び第２の蓄積手段１３の電荷をリセットする。

差分回路５は、第１の蓄積手段１２及び第２の蓄積手段１３に蓄積した電荷の差分を出力する。クランプ容量２０は、差分回路５が出力する差分の電圧を蓄える。スイッチ１１と基準電圧回路８ｂは、クランプ容量２０の電荷を初期化する。

コンパレータ９は、差分に基づく電圧Ｖｏｕｔと基準電圧回路８ｃの基準電圧Ｖｒｅｆｃを比較した結果を出力する。即ち、第１のフォトダイオード１に入射した可視光による電荷と、第２のフォトダイオード２の基準となる電荷との差分の電圧が基準電圧Ｖｒｅｆｃを超えると、コンパレータ９の出力はＬｏからＨｉに反転する。

制御回路１０は、コンパレータ９の出力がＯＲ回路２２を介して出力された電圧Ｖｃｏｍｐを受けて、リセット信号Ｒ及びクランプ信号ＣＬを生成し、その信号によって各スイッチを制御する。更にＯＲ回路２２は、インバータ２１の出力の反転に応じて、電圧Ｖｃｏｍｐを反転して制御回路１０に出力する。

発振回路１４及びクロック成形回路１５は、クランプ信号ＣＬを受けて、信号ＴＢＣＬＫとクランプ信号ＣＬを出力する。クランプ信号ＣＬの遅延時間αは、リセット信号Ｒの遅延時間よりも長く設定されている。信号ＴＢＣＬＫは、クランプ信号ＣＬがＬｏの間だけ、発振回路１４の信号が出力される信号である。

第１カウンタ１６は、信号ＴＢＣＬＫをカウントして、所定のカウント値に達すると信号ＴＢＡＳＥ１を出力する。即ち、フォトダイオード１及び２が電荷を蓄積している期間を発振回路の周波数で計測するものである。第２カウンタ１７は、信号ＣＬをカウントして、カウント値を出力する。即ち、フォトダイオード１及び２が行う電荷の蓄積と放電のサイクル数を計測するものである。

カウンタリセット回路１８は、カウンタ部がクランプ信号ＣＬのカウントを開始した場合に、信号ＴＢＡＳＥをＨｉにし、第１カウンタ１６が信号ＴＢＡＳＥ１を出力すると、信号ＴＢＡＳＥをＬｏにする。また、カウンタリセット回路１８は、第１カウンタ１６にリセット信号ＲＥＳＥＴ１を出力して第１カウンタ１６のカウント値をリセットし、第２カウンタ１７にリセット信号ＲＥＳＥＴ２を出力して第２カウンタ１７のカウント値もリセットする。このように、カウンタリセット回路１８は、差分回路５が差分を出力している期間の合計が所定期間に達するまで、信号ＴＢＡＳＥをＨｉに保つ。

レジスタ１９は、１６ビットレジスタであり、信号ＴＢＡＳＥがＨｉの間、第２カウンタ１７が出力したカウント値を記憶する。そして、信号ＴＢＡＳＥがＬｏに変わると記憶していたカウント値を１６ビットのレジスタ出力として出力する。この出力は、ＴＢＡＳＥ期間にフォトダイオード１及び２が蓄電と放電を繰り返した回数であり、入射光の強度に比例した値となる。

このようして、半導体光検出回路は入射光の強度を計測することができる。そして、可視光が主体の光が入射したときの通常動作時の半導体光検出装置の動作は、図４に示した半導体光検出装置のタイミングチャート図と同じである。
半導体光検出装置は、期間ＴＢＡＳＥを開始すると、制御回路１０がリセット信号Ｒとクランプ信号ＣＬをＨｉにする。

これにより、スイッチ６と７がオンしてフォトダイオード１と２の電圧が基準電圧Ｖｒｅｆａにリセットされる。また、スイッチ１１がオンして差分回路５の出力が基準電圧Ｖｒｅｆｂにリセットされる。そして、制御回路１０は、所定の遅延時間が経過するとリセット信号ＲをＬｏにしてスイッチ６と７をオフし、フォトダイオード１と２に蓄電を開始させる。蓄積期間では、フォトダイオード１の出力電圧ＶＤＩ１は、入射した可視光の量に比例して低下していく。また、フォトダイオード２は遮光されているので、出力電圧ＶＤＩ２は低下しない。

期間αが経過すると、制御回路１０は、クランプ信号ＣＬをＬｏにしてスイッチ１１をオフし、差分回路５に差分（電圧Ｖｏｕｔ）をコンパレータ９に出力させる。
差分回路５の出力する電圧Ｖｏｕｔは、徐々に上昇し差分出力期間Ｔｓで基準電圧Ｖｒｅｆｃに達する。差分出力期間Ｔｓは、可視光の強度が大きいほど短時間となる。

コンパレータ９は、電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆｃよりも小さい場合は、出力ＶｃｏｍｐをＬｏにするが、差分出力期間Ｔｓで電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆｃに達すると、出力ＶｃｏｍｐをＨｉにする。
出力ＶｃｏｍｐがＨｉになると、制御回路１０は、リセット信号Ｒとクランプ信号ＣＬをＨｉにし、出力信号Ｖｃｏｍｐを遅延させて所定の期間Ｈｉ状態を維持する。

リセット信号Ｒとクランプ信号ＣＬがＨｉになると、スイッチ６及び７、及びスイッチ１１がオンし、フォトダイオード１と２がリセットされ、電圧Ｖｏｕｔが低下していき、基準電圧Ｖｒｅｆｂとなる。
以降、リセット信号ＲがＬｏになり、続いてクランプ信号ＣＬがＬｏになり、同じ動作を繰り返す。

このように、フォトダイオード１及び２の蓄電とリセットを繰り返し、その差分出力期間Ｔｓは、可視光の強度が大きいほど短くなる。

次に、赤外光を多く含む光や異常に強い光が入射したときの本実施形態の半導体光検出装置の動作について説明する。
図２は、本実施形態の半導体光検出装置の赤外光を多く含む光や異常に強い光が入射したときの動作を示すタイミングチャートである。
蓄積開始までは、通常時の動作、図４のタイミングチャートと同じである。

リセット信号ＲがＨｉからＬｏになり蓄積が開始すると、赤外光を多く含む光や異常に強い光が入射した場合は、フォトダイオード２の出力電圧ＶＤＩ２の低下が早く、フォトダイオード１の出力電圧ＶＤＩ１との低下の差が小さい。従って、電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆｃに達する前に、フォトダイオード１の出力電圧ＶＤＩ１は−０．３Ｖ程度に達してしまう。

ここで、インバータ２１の反転電圧Ｖｔｈ２１を例えば０．５Ｖ程度に設定する。このようにフォトダイオード１のカソードにインバータ２１を設けることによって、出力電圧ＶＤＩ１が下がりきってしまう前に、インバータ２１がＨｉを出力する。従って、ＯＲ回路２２の出力する電圧Ｖｃｏｍｐは、コンパレータ９の出力によらずＨｉになる。

以上説明したように、本実施形態の半導体光検出装置は、簡便な回路を追加するだけで、赤外光を多く含む光や異常に強い光が入射したときにおいても、検出出力を本来の望ましい値に近づけることができる。

なお、本実施形態では、インバータ２１の入力は、フォトダイオード１のカソードであるとして説明したが、これに限定されるものではない。例えば、インバータ２１の反転電圧Ｖｔｈ２１をあまり低く出来ない場合では、インバータ２１の入力にフォトダイオード２のカソードを接続しても、同様の効果を得ることが出来る。また、アンプ３やアンプ４の出力であってもよい。

また、インバータ２１は、フォトダイオードのカソードの電圧を検出できるような回路であればよく、これに限定されるものではない。
また、容量１２及び１３は、フォトダイオード１と２の受光感度を調節するためのものであり、これらがなくても光を検知することは可能である。

１、２ フォトダイオード
３、４ アンプ
５ 差分回路
８ａ、ｂ、ｃ 基準電圧回路
９ コンパレータ
１０ 遅延回路
１４ オーシレータ
１５ クロック成形回路
１６ 第１カウンタ
１７ 第２カウンタ
１８ カウンタリセット回路
１９ レジスタ

Claims (2)

1. 可視光の照度を測定する光検出装置であって、
   赤外光を遮光する赤外遮光手段が設けられた第１の受光素子と、
   入射する光を遮光する遮光手段が設けられた第２の受光素子と、
   前記第１の受光素子と前記第２の受光素子に発生した電荷を蓄積させる蓄積手段と、
   前記第１の受光素子と前記第２の受光素子に蓄積させた電荷の差分を出力する差分回路と、
   前記差分に基づく電圧が所定の電圧に達したことを検出し第一の検出信号を出力するコンパレータと、
   前記第１の受光素子または前記第２の受光素子の出力電圧が所定の電位に達した場合に第二の検出信号を出力する蓄積検出回路と、
   前記第一及び第二の検出信号に基づき、前記第１の受光素子と前記第２の受光素子に蓄積された電荷と前記差分回路による差分を初期値にリセットした後、前記蓄積手段に電荷を再度蓄積させる制御回路と、
   を備えたことを特徴とする光検出装置。
2. 前記蓄積検出回路は、第１の受光素子または前記第２の受光素子の出力電圧を入力するインバータを備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。

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