专利名称：光检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及包含配列的多个光敏二极管(photodiode)的光检测装置。
背景技术：
光检测装置是具有包含二维状或一维状地配列的多个光敏二极管、放大器和积分电容元件的积分电路的装置，又，进一步存在着也具有以后的信号处理电路的情形(例如，请参照日本特开平9-270960号专利公报)。在该光检测装置中，从光敏二极管输出与到各光敏二极管的入射光的强度相应的电荷量，将该电荷存储在积分电容元件中，从该积分电路输出与该存储的电荷量相应的电压值。根据与在多个光敏二极管的各个中产生的电荷量相应地从积分电路输出的电压值，检测入射到配列了多个光敏二极管的光检测面的光。
发明内容
但是，当在这种光检测装置中高速地进行光检测时，由包含在积分电路中的放大器生成的热噪声变大，该热噪声成为光检测的S/N比恶化的主要原因。放大器的热噪声Vn由下列公式表示。
Vn=CdCf8kTB3Gm---(1)]]>这里，Cd是光敏二极管的接合电容值和从光敏二极管到积分电路的配线的电容值之和。Cf是积分电路的积分电容元件的电容值。k是玻尔兹曼常数。T是温度。B是积分电路中包含的放大器的频带。又，Gm是积分电路中包含的放大器的输入晶体管·电导。
出现在上述公式(1)的右边的参数中，对减少热噪声有贡献的是B和Gm。Gm越大，越能够有效地减少热噪声，但是放大器的消耗电功率增大。当集成多个放大器时，放大器的消耗电功率增大，产生发热问题。所以，增大Gm也存在着界限。又，B越小，越能够有效地减少热噪声，但是光检测的速度随之下降。这样，光检测的高速化和S/N比的改善要同时成立是困难的。
本发明就是为了解决上述问题提出的，本发明的目的是提供能够确保S/N比和速度两者的光检测装置。
与本发明有关的光检测装置的特征是它具有(1)分别产生与入射光强度相应的量的电荷的(K×M×N)个光敏二极管PDk，m，n(其中，K是2以上的整数，k是1以上K以下的各整数，M是1以上的整数，m是1以上M以下的各整数，N是2以上的整数，n是1以上N以下的各整数)；(2)与在(K×M×N)个光敏二极管PDk，m，n中的每K个光敏二极管PDk，m，n(k＝1～K)对应设置1个，顺次输入在这些K个光敏二极管PDk，m，n(k＝1～K)的各个中产生的电荷并存储起来，输出与该存储的电荷量相应的电压值的(M×N)个积分电路；和(3)与(M×N)个积分电路中的各个对应每个设置1个，减少在从各个对应的积分电路输出的电压值中包含的热噪声成分，输出减少该热噪声成分后的电压值的(M×N)个滤波器电路。
在与本发明有关的光检测装置，关于各m值和各n值，将在K个光敏二极管PDk，m，n(k＝1～K)的各个与入射光相应地产生的电荷顺次地输入到1个积分电路并存储起来，从积分电路输出与该存储的电荷量相应的电压值。而且，通过滤波器电路减少包含在从积分电路输出的电压值中的热噪声成分，从滤波器电路输出减少热噪声成分后的电压值。所以，该光检测装置能够确保S/N比和速度两者。
与本发明有关的光检测装置进一步具有设置在积分电路和滤波器电路之间，输入从积分电路输出的电压值，输出表示该电压值的一定时间的变化量的电压值的CDS电路是适合的。这时，因为将从积分电路输出的电压值输入到CDS电路，从CDS电路输出表示该电压值的一定时间的变化量的电压值，所以能够通过CDS电路除去积分电路的放大器的偏移波动。
与本发明有关的光检测装置进一步具有输入从滤波器电路输出的电压值，对该电压值进行A/D变换，输出与该电压值相应的数字值的A/D变换电路是合适的。这时，将从滤波器电路输出的电压值输入到A/D变换电路，从A/D变换电路输出与该电压值相应的数字值。
与本发明有关的光检测装置，M行(K×N)列地二维状(M＝2时)或一维状(M＝1时)地配列上述(K×M×N)个光敏二极管PDk，m，n，将光敏二极管PDk，m，n配置在第m行第(n+(k-1)N)列的位置上是合适的。这时，对于各行能够以列的排列顺序进行关于光敏二极管的处理(除了积蓄电荷和滤波外，需要时CDS和A/D变换)。
图1是表示与本实施方式有关的光检测装置1的全体构成的图。
图2是表示与本实施方式有关的光检测装置1的一部分构成的图。
图3是表示与本实施方式有关的光检测装置1的电路图。
图4是说明与本实施方式有关的光检测装置1的动作的时序图。
图5是表示与本实施方式有关的光检测装置1的其它电路例的图。
具体实施例方式
下面，我们参照附图详细说明本发明的实施方式。此外，在图面的说明中在相同的要素上附加相同的标号，并省略重复的说明。
图1是与本实施方式有关的光检测装置1的全体构成图。图2是与本实施方式有关的光检测装置1的一部分构成图。在图2中表示了图1所示的光检测部10的详细情况。
这些图所示的光检测装置1具有光检测部10、(M×N)个积分电路201，1～20M，N、(M×N)个CDS电路301，1～30M，N、(M×N)个滤波器电路401，1～40M，N、(M×N)个A/D变换电路501，1～50M，N、和控制电路60。又，光检测部10具有(K×M×N)个光敏二极管PD1，1，1～PDK， M，N和(K×M×N)个开关SW1，1，1～SWK，M，N。这里，K是2以上的整数，M是1以上的整数，N是2以上的整数。又，关于下面出现的k，m，n，k是1以上K以下的各整数，m是1以上M以下的各整数，n是1以上N以下的各整数。此外，在图1和图2中，令K为2，M和N为4。
光敏二极管PDk，m，n产生与入射光强度相应量的电荷存储在接合电容部中。在光检测部10中，将这些(K×M×N)个光敏二极管PDk，m，n，等间隔地M行(K×N)列地配列成二维状(M＝2时)或一维状(M＝1时)。将光敏二极管PDk，m，n配置在第m行第(n+(k-1)N)列的位置上。开关SWk，m，n与光敏二极管PDk，m，n一对一地对应，设置在该光敏二极管PDk，m，n和信号线SLm，n之间。K个光敏二极管PDk，m，n(k＝1～K)中的各个，经过对应的开关SWk，m，n与信号线SLm，n连接。这些信号线SLm，n与积分电路20m，n的输入端连接。又，由从控制电路60输出到控制线CLk，n的控制信号统一地控制M个开关SWk，m，n(m＝1～M)的开闭。
与K个光敏二极管PDk，m，n(k＝1～K)对应每个一个地设置积分电路20m，n，输入在这些K个光敏二极管PDk，m，n(k＝1～K)的各个中产生的电荷经过开关SWk，m，n和信号线SLm，n顺次到达的电荷并积蓄起来，输出与该积蓄的电荷量相应的电压值。CDS(Correlated DoubleSampling(相关二重取样))电路30m，n输入从积分电路20m，n输出的电压值，输出表示该电压值的一定时间的变化量的电压值。
滤波器电路40m，n输入从CDS电路30m，n输出的电压值，减少包含在该电压值中的热噪声成分，输出减少该热噪声成分后的电压值。该滤波器电路40m，n是具有能够减少热噪声成分的滤波器特性的低通滤波器，这是合适的。A/D变换电路50m，n输入从滤波器电路40m，n输出的电压值，对该电压值进行A/D变换，输出与该电压值(模拟值)相应的数字值。
控制电路60将用于控制(K×M×N)个开关SW1，1，1～SWK，M，N中的各个开关的开闭的控制信号输出到控制线CLk，n。又，控制电路60也控制积分电路20m，n、CDS电路30m，n和A/D变换电路50m，n的各个电路的工作。
图3是与本实施方式有关的光检测装置1的电路图。在图3中，为了简略化，只表示了一组光敏二极管PDk，m，n、开关SWk，m，n、积分电路20m，n、CDS电路30m，n、滤波器电路40m，n、和A/D变换电路50m，n。
积分电路20m，n具有放大器A20、积分电容元件C20和开关SW20。放大器A20的输入端子与信号线SLm，n连接。在放大器A20的输入端子之间并列地设置积分电容元件C20和开关SW20。由控制部60控制开关SW20的开闭。当开关SW20关闭时，积分电容元件C20放电，对从积分电路20m，n输出的电压值进行初始化。另一方面，当开关SW20打开时，经过信号线SLm，n到达的电荷在积分电容元件C20中积蓄起来，从积分电路20m，n输出与积蓄在该积分电容元件C20中的电荷量相应的电压值。
CDS电路30m，n具有放大器A30、积分电容元件C31、耦合电容元件C32和开关SW30。放大器A30的输入端子，经过耦合电容元件C32，与积分电路20m，n的放大器A20的输出端子连接。在放大器A30的输入端子之间并列地设置积分电容元件C31和开关SW30。由控制部60控制开关SW30的开闭。当开关SW30关闭时，积分电容元件C31放电，对从CDS电路30m，n输出的电压值进行初始化。另一方面，从开关SW30打开的时刻t0以后，将与从积分电路20m，n输出的电压值的变动量相应的电荷积蓄在积分电容元件C31中，从CDS电路30m，n输出与积蓄在该积分电容元件C31中的电荷量相应的电压值。
滤波器电路40m，n具有电阻元件R40和电容元件C40。电阻元件R40设置在滤波器电路40m，n的输入端和输出端之间，它的输出端经过电容元件C40与接地电位连接。该滤波器电路40m，n作为低通滤波器起作用，该滤波器特性中的截止频率与电阻元件R40的电阻值和电容元件C40的电容值相应。
在图3所示的电路图中，各元件的特性值的一个例子如下所示。光敏二极管PDm，n的接合电容值Cd和信号线SLm，n的寄生电容值之和为220pF，信号线SLm，n的电阻值为1kΩ。积分电路20m，n的积分电容元件C20的电容值Cf为1.25pF，积分电路20m，n的放大器A20的频带B为1MHz，放大器A20的输入晶体管·电导Gm为10mS。又，温度T为27℃。这时，在积分电路20m，n的放大器A20中生成的热噪声Vn为1210μVrms。而且，当令滤波器电路40m，n的电容元件C40的电容值为100pF，滤波器电路40m，n的电阻元件R40的电阻值为20kΩ时，滤波器电路40m，n的滤波器特性中的截止频率为0.08MHz，从滤波器电路40m， n输出的电压值中包含的热噪声成分减少到724μVrms。
下面，我们说明与本实施方式有关的光检测装置1的工作。与本实施方式有关的光检测装置1，在控制部60的控制下，如下地进行工作。图4是说明与本实施方式有关的光检测装置1的动作的时序图。在该光检测装置1中，第1行～第M行并列动作。
在此图中，以从上向下的顺序，表示了开关SW1，m，1的开闭、开关SW1，m，2的开闭、开关SW1，m，3的开闭、开关SW1，m，4的开闭、开关SW2，m，1的开闭、开关SW2，m，2的开闭、开关SW2，m，3的开闭、和开关SW2，m，4的开闭。进一步接着，积分电路20m，1的输出电压值、积分电路20m，2的输出电压值、积分电路20m，3的输出电压值、积分电路20m，4的输出电压值、滤波器电路40m，1的输出电压值、滤波器电路40m， 2的输出电压值、滤波器电路40m，3的输出电压值、滤波器电路40m，4的输出电压值、A/D变换电路50m，1的输出数字值、A/D变换电路50m， 2的输出数字值、A/D变换电路50m，3的输出数字值、和A/D变换电路50m，4的输出数字值。
又，如此图所示，将光检测装置1的动作区分成循环的8个期间T1，1、T1，2、T1，3、T1，4、T2，1、T2，2、T2，3和T2，4。这些各期间Tk，n的时间T一定。开关SW1，m，1在期间T1，1内关闭，开关SW1，m，2在期间T1，2内关闭，开关SW1，m，3在期间T1，3内关闭，开关SW1，m，4在期间T1，4内关闭，开关SW2，m，1在期间T2，1内关闭，开关SW2，m，2在期间T2，2内关闭，开关SW2，m，3在期间T2，3内关闭，开关SW2，m，4在期间T2，4内关闭，以后，重复这样的开关开闭。
开关SW1，m，1在期间T1，1内关闭。又，在该期间T1，1前，积分电路20m，1的开关SW20一旦关闭后再打开，对积分电路20m，1的输出电压值进行初始化。当开关SW1，m，1的关闭时，至今在光敏二极管PD1， m，1中产生的积蓄在接合电容部中的电荷，经过开关SW1，m，1和信号线SLm，1输入到积分电路20m，1，积蓄在该积分电路20m，1的积分电容元件C20中，从积分电路20m，1输出与该积蓄的电荷量相应的电压值。积分电路20m，1的输出电压值在期间T1，1后一直保持到期间T1，3，到期间T1，4，积分电路20m，1的开关SW20关闭，对积分电路20m，1的输出电压值进行初始化。
将积分电路20m，1的输出电压值输入到CDS电路30m，1。从该CDS电路30m，1输出与从期间T1，1到期间T1，2中的一定时间中的积分电路20m，1的输出电压值的变化量相应的电压值。CDS电路30m，1的输出电压值，通过输入到滤波器电路40m，1减少了热噪声成分。但是，由于滤波器电路40m，1的滤波器特性，滤波器电路40m，1的输出电压波形与CDS电路30m，1的输出电压波形相比钝化变弱。
滤波器电路40m，1的输出电压值，在该值稳定的时刻由A/D变换电路50m，1进行A/D变换，在期间T1，3从A/D变换电路50m，1输出数字值，这里，在期间T1，3从A/D变换电路50m，1输出的数字值，与在期间T1，1从光敏二极管PD1，m，1的接合电容部移动到积分电路20m，1的积分电容元件C20的电荷量相应，即，与到光敏二极管PD1，m，1的光入射强度相应。
又，开关SW2，m，1在期间T2，1内关闭。又，在该期间T2，1前，积分电路20m，1的开关SW20一旦关闭后再打开，对积分电路20m，1的输出电压值进行初始化。当开关SW2，m，1关闭时，至今在光敏二极管PD2， m，1中产生的积蓄在接合电容部中的电荷，经过开关SW2，m，1和信号线SLm，1输入到积分电路20m，1积蓄在该积分电路20m，1的积分电容元件C20中，从积分电路20m，1输出与该积蓄的电荷量相应的电压值。积分电路20m，1的输出电压值在期间T2，1后一直保持到期间T2，3，到期间T2，4，积分电路20m，1的开关SW20关闭，对积分电路20m，1的输出电压值进行初始化。
将积分电路20m，1的输出电压值输入到CDS电路30m，1。从该CDS电路30m，1输出与从期间T2，1到期间T2，2中的一定时间中的积分电路20m，1的输出电压值的变化量相应的电压值。将CDS电路30m，1的输出电压值输入到滤波器电路40m，1，减少热噪声成分。但是，由于滤波器电路40m，1的滤波器特性，滤波器电路40m，1的输出电压波形与CDS电路30m，1的输出电压波形相比钝化变弱。
滤波器电路40m，1的输出电压值，在该值稳定的时刻由A/D变换电路50m，1进行A/D变换，在期间T2，3从A/D变换电路50m，1输出数字值。这里，在期间T2，3从A/D变换电路50m，1输出的数字值与在期间T2，1从光敏二极管PD2，m，1的接合电容部移动到积分电路20m，1的积分电容元件C20的电荷量相应，即，与到光敏二极管PD2，m，1的光入射强度相应。
以上，我们说明了开关SW1，m，1、开关SW2，m，1、积分电路20m，1、CDS电路30m，1、滤波器电路40m，1、和A/D变换电路50m，1的动作，即n为1的情形。n为2～4的情形也与动作定时移位的情形相同。
所以，在期间T1，3输出与到光敏二极管PD1，m，1的光入射强度相应的数字值，在期间T1，4输出与到光敏二极管PD1，m，2的光入射强度相应的数字值，在期间T2，1输出与到光敏二极管PD1，m，3的光入射强度相应的数字值，在期间T2，2输出与到光敏二极管PD1，m，4的光入射强度相应的数字值，在期间T2，3输出与到光敏二极管PD2，m，1的光入射强度相应的数字值，在期间T2，4输出与到光敏二极管PD2，m，2的光入射强度相应的数字值，在此后的期间T1，1输出与到光敏二极管PD2， m，3的光入射强度相应的数字值，在期间T1，2输出与到光敏二极管PD2， m，4的光入射强度相应的数字值。
如上那样，在与本实施方式有关的光检测装置1中，在光检测部10中M行(K×N)列地配列(K×M×N)个光敏二极管PDk，m，n，对于各行的(K×N)个光敏二极管PDk，m，n(k＝1～K，n＝1～N)，顺次地在每个时间T中实施处理(积蓄电荷、CDS、滤波、A/D变换)。另一方面，积分电路20m，n中的积蓄电荷动作、CDS电路30m，n中的CDS动作、滤波器电路40m，n中的滤波动作和A/D变换电路50m，n中的A/D变换动作的各个动作在每个时间(N×T)中实施处理。
在与本实施方式有关的光检测装置1中，通过滤波器电路40m，n减少包含在从积分电路20m，n输出的电压值中的热噪声成分。又，从滤波器电路40m，n输出的电压值波形钝化变弱，但是从积分电路20m，n中的积蓄电荷到A/D变换电路50m，n中的A/D变换的动作是在每个时间(N×T)中实施处理，从滤波器电路40m，n输出的电压值，在该值稳定的时刻由A/D变换电路50m，n进行A/D变换。所以，该光检测装置1能够保持光检测的高速性不变地，改善光检测的S/N比。又，即便积分电路20m，n中包含的放大器A20的输入晶体管·电导Gm不增大，也能够达到改善光检测的S/N比的目的，所以能够抑制放大器A20的消耗电功率的增加，减少发热问题。
又，因为通过设置CDS电路30m，n，能够用CDS电路30m，n除去积分电路20m，n的放大器A20的偏移波动，所以即便在这一点，也能够达到改善光检测的S/N比的目的。此外，在CDS电路30m，n中也包含着放大器A30，但是在该放大器A30中生成的热噪声与在积分电路20m， n中包含的放大器A20中生成的热噪声比较是很微小的。
又，因为通过设置A/D变换电路50m，n，能够将由光检测装置1得到的光检测数据作为数字值进行输出，所以容易进行该光检测数据的存储和图像处理。又，因为也缓和了对A/D变换电路50m，n的高速处理的要求，所以能够抑制A/D变换电路50m，n中的消耗电功率的增加。
进一步，因为M行(K×N)列地配列(K×M×N)个光敏二极管PDk，m，n，将光敏二极管PDk，m，n配置在第m行第(n+(k-1)N)列的位置上，对于各行能够以列的排列顺序进行关于光敏二极管PDk，m，n的处理(积蓄电荷、CDS、滤波、A/D变换)，所以即便在这一点，也能够使由光检测装置1得到的光检测数据的存储和图像处理变得容易。
此外，在上述实施方式中，将滤波器电路40m，n设置在CDS电路30m，n的后段中，但是也可以将滤波器电路设置在积分电路20m，n和CDS电路30m，n之间。设置在积分电路20m，n和CDS电路30m，n之间的滤波器电路既可以具有与已述的滤波器电路40m，n同样的构成，也可以如图5中所示的那样只由电阻元件R构成。该电阻元件R也能够作为低通滤波器起作用。
以上，如详细说明了的那样，在与本发明有关的光检测装置中，关于各m值和各n值，将在K个光敏二极管PDk，m，n(k＝1～K)的各个中，与光入射相应地产生的电荷，顺次地输入到1个积分电路并存储起来，从积分电路输出与该存储的电荷量相应的电压值。而且，通过滤波器电路减少在从积分电路输出的电压值中包含的热噪声成分，从滤波器电路输出热噪声成分减少后的电压值。所以，该光检测装置能够确保S/N比和速度两者。
权利要求
1.一种光检测装置，其特征在于，具有分别产生与入射光强度相应的量的电荷的(K×M×N)个光敏二极管PDk，m，n(其中，K是2以上的整数，k是1以上K以下的各整数，M是1以上的整数，m是1以上M以下的各整数，N是2以上的整数，n是1以上N以下的各整数)；与在所述(K×M×N)个光敏二极管PDk，m，n中的每K个光敏二极管PDk，m，n(k＝1～K)对应设置1个，顺次输入在这些K个光敏二极管PDk，m，n(k＝1～K)的各个中产生的电荷并存储起来，输出与该存储的电荷量相应的电压值的(M×N)个积分电路；和与所述(M×N)个积分电路中的各个对应设置1个，减少在从各个对应的积分电路输出的电压值中包含的热噪声成分，输出减少该热噪声成分后的电压值的(M×N)个滤波器电路。
2.根据权利要求1所述的光检测装置，其特征在于进一步具有设置在所述积分电路和所述滤波器电路之间，输入从所述积分电路输出的电压值，输出表示该电压值的一定时间的变化量的电压值的CDS电路。
3.根据权利要求1所述的光检测装置，其特征在于进一步具有输入从所述滤波器电路输出的电压值，对该电压值进行A/D变换，输出与该电压值相应的数字值的A/D变换电路。
4.根据权利要求1所述的光检测装置，其特征在于M行(K×N)列地二维状(M＝2时)或一维状(M＝1时)地配列所述(K×M×N)个光敏二极管PDk，m，n，将光敏二极管PDk，m，n配置在第m行第(n+(k-1)N)列的位置上。
全文摘要
本发明的目的是提供能够确保S/N比和速度两者的光检测装置。在光检测装置(1)中，在光检测部(10)中M行(K×N)列地配列(K×M×N)个光敏二极管(PD
文档编号H04N5/363GK1726698SQ200380106169
公开日2006年1月25日 申请日期2003年12月16日 优先权日2002年12月16日
发明者铃木保博, 水野诚一郎 申请人:浜松光子学株式会社