JP2018174224A - Photodetector - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、アバランシェ効果を利用した光検出器に関する。 The present disclosure relates to a photodetector using the avalanche effect.
特許文献1には、アバランシェフォトダイオード(以下、APD)を用いた光検出器において、APDの温度補償を行うために、電流増幅率の温度特性がAPDと略同じで、逆バイアスされた参照用接合構造を利用することが開示されている。 In Patent Document 1, in a photodetector using an avalanche photodiode (hereinafter referred to as APD), in order to perform temperature compensation of APD, the temperature characteristic of current amplification factor is substantially the same as that of APD, and the reference is reverse-biased. It is disclosed to use a joint structure.
この光検出器では、参照用接合構造に参照電流を注入する電流注入用接合構造を有するトランジスタを利用し、参照電流の増幅率を所定値に保つように、APDと参照用接合構造に印加する電圧を制御することで、APDの増倍率を制御する。 In this photodetector, a transistor having a current injection junction structure for injecting a reference current into the reference junction structure is used and applied to the APD and the reference junction structure so as to keep the amplification factor of the reference current at a predetermined value. By controlling the voltage, the multiplication factor of the APD is controlled.
特許文献1に開示されたものでは、APDの増倍率を制御することでAPDを温度補償制御することから、APDに降伏電圧未満の逆バイアス電圧を印加して動作させるリニアモードでは有効である。 Since the APD is temperature-compensated and controlled by controlling the multiplication factor of the APD, the one disclosed in Patent Document 1 is effective in the linear mode in which a reverse bias voltage lower than the breakdown voltage is applied to the APD.
しかし、引用文献1に開示された技術は、APDをカイガーモードで動作させる光検出器に適用することはできない。
つまり、ガイガーモードで動作するAPDは、SPADと呼ばれ、逆バイアス電圧は降伏電圧よりも高い電圧値に設定される。なお、SPADは、Single Photon Avalanche Diode の略である。
However, the technique disclosed in the cited document 1 cannot be applied to a photodetector that operates the APD in the Kaiger mode.
That is, the APD operating in the Geiger mode is called SPAD, and the reverse bias voltage is set to a voltage value higher than the breakdown voltage. SPAD is an abbreviation for Single Photon Avalanche Diode.
そして、SPADはフォトンが入射するとブレイクダウンするため、SPADを利用する光検出器は、SPADがブレイクダウンしたときに所定パルス幅のパルス信号が出力されるよう構成される。 Since SPAD breaks down when photons are incident, a photodetector using SPAD is configured to output a pulse signal having a predetermined pulse width when SPAD is broken down.
従って、SPADを利用する光検出器の出力は「1」か「0」であり、この種の光検出器では、増倍率を制御する概念はない。このため、特許文献1に開示された技術を利用して、SPADによる検出感度を温度補償することは困難である。 Therefore, the output of the photodetector using SPAD is “1” or “0”, and this type of photodetector has no concept of controlling the multiplication factor. For this reason, it is difficult to temperature compensate the detection sensitivity by SPAD using the technique disclosed in Patent Document 1.
本開示の一局面では、SPADを用いた光検出器において、SPADの検出感度、より具体的にはSPADのフォトン検出感度、を温度補償できるようにすることが望ましい。 In one aspect of the present disclosure, in a photodetector using SPAD, it is desirable to be able to compensate for temperature of SPAD detection sensitivity, more specifically, SPAD photon detection sensitivity.
本開示の一局面の光検出器(1A〜1D)は、検出部(2)と、調整量設定部(20,24,28,36,44)と、電圧制御部(10)と、を備える。検出部は、SPAD(4)を備え、SPADに逆バイアス電圧を印加して光検出を行うものである。 The photodetectors (1A to 1D) according to one aspect of the present disclosure include a detection unit (2), an adjustment amount setting unit (20, 24, 28, 36, 44), and a voltage control unit (10). . The detection unit includes SPAD (4), and performs light detection by applying a reverse bias voltage to SPAD.
そして、調整量設定部は、検出部からの出力に基づき、逆バイアス電圧の調整量を設定し、電圧制御部は、調整量設定部にて設定された調整量に基づいて逆バイアス電圧を制御する。 The adjustment amount setting unit sets the adjustment amount of the reverse bias voltage based on the output from the detection unit, and the voltage control unit controls the reverse bias voltage based on the adjustment amount set by the adjustment amount setting unit. To do.
以下、この理由を説明する。
まず、SPADを利用する光検出器では、SPADに降伏電圧を超える逆バイアス電圧を印加し、SPADにフォトンが入射して、SPADがブレイクダウンしたときに流れる電流に基づき、検出信号を出力する。
Hereinafter, the reason will be described.
First, in a photodetector using SPAD, a reverse bias voltage exceeding the breakdown voltage is applied to SPAD, a photon is incident on SPAD, and a detection signal is output based on the current that flows when SPAD is broken down.
そして、SPADの降伏電圧は、温度により変化するため、SPADに印加する逆バイアス電圧を一定にしていると、逆バイアス電圧から降伏電圧を減じた余剰電圧であるエクセス電圧も温度により変化し、その電圧変化によって、検出感度が変化する。 Since the breakdown voltage of SPAD changes depending on the temperature, if the reverse bias voltage applied to SPAD is constant, the excess voltage obtained by subtracting the breakdown voltage from the reverse bias voltage also changes depending on the temperature. The detection sensitivity changes due to the voltage change.
そこで、本開示の光検出器では、エクセス電圧に応じて変化する検出部からの出力に基づき、SPADに印加する逆バイアス電圧を制御することで、SPADの検出感度を温度補償するのである。 Therefore, in the photodetector of the present disclosure, the detection sensitivity of SPAD is temperature-compensated by controlling the reverse bias voltage applied to SPAD based on the output from the detector that changes according to the excess voltage.
このため、本開示の光検出器によれば、SPADの温度変化の影響を受けることなく、所望の検出感度で光検出を行うことができるようになり、温度によって検出精度が変化するのを抑制できる。 For this reason, according to the photodetector of the present disclosure, it becomes possible to perform light detection with a desired detection sensitivity without being affected by the temperature change of the SPAD, and it is possible to suppress a change in detection accuracy due to the temperature. it can.
なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 In addition, the code | symbol in the parenthesis described in this column and a claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later as one aspect, Comprising: The technical scope of this invention is shown. It is not limited.
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
[第1実施形態]
図1に示すように、第1実施形態の光検出器1Aは、SPAD4と、クエンチング抵抗6と、パルス変換部8とを含む検出部2を備える。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the photodetector 1 </ b> A according to the first embodiment includes a detection unit 2 including a SPAD 4, a quenching resistor 6, and a pulse conversion unit 8.
SPAD4は、上述したようにガイガーモードで動作可能なAPDであり、クエンチング抵抗6は、SPAD4への通電経路に直列接続されている。
クエンチング抵抗6は、SPAD4にフォトンが入射して、SPAD4がブレイクダウンしたときに、SPAD4に流れる電流により、電圧降下を発生して、SPAD4のガイガー放電を停止させるものである。
The SPAD 4 is an APD that can operate in the Geiger mode as described above, and the quenching resistor 6 is connected in series to the energization path to the SPAD 4.
The quenching resistor 6 is for stopping a Geiger discharge of the SPAD 4 by generating a voltage drop due to a current flowing through the SPAD 4 when a photon enters the SPAD 4 and the SPAD 4 is broken down.
そして、クエンチング抵抗6の両端電圧は検出信号V1としてパルス変換部8に入力される。なお、クエンチング抵抗4は、いわゆる一般的な受動素子である「抵抗」で構成してもよいし、「トランジスタ」のような能動素子で構成してもよい。 The voltage across the quenching resistor 6 is input to the pulse converter 8 as the detection signal V1. The quenching resistor 4 may be configured by a “resistor” which is a so-called general passive element, or may be configured by an active element such as a “transistor”.
パルス変換部8は、図2に示すように、検出信号V1が予め設定された閾値電圧Vth以上であるときに「1」となり、そうでなければ「0」となるデジタルパルスV2を出力するよう構成されている。 As shown in FIG. 2, the pulse converter 8 outputs a digital pulse V2 that is “1” when the detection signal V1 is equal to or higher than a preset threshold voltage Vth, and is “0” otherwise. It is configured.
ここで、SPAD4は、降伏電圧よりも大きい逆バイアス電圧VSPADが印加されることで動作するが、逆バイアス電圧VSPADが一定であると、検出信号V1のピーク電圧、延いては、デジタルパルスV2のパルス幅Tpが、SPAD4の温度に応じて変化する。 Here, SPAD4 operates by applying a reverse bias voltage V SPAD that is greater than the breakdown voltage. If the reverse bias voltage V SPAD is constant, the peak voltage of the detection signal V1, that is, a digital pulse is applied. The pulse width Tp of V2 changes according to the temperature of SPAD4.
これは、SPAD4の降伏電圧が、温度に応じて変化し、温度が高いほど大きくなるためである。つまり、図2に示すように、検出信号V1のピーク電圧は、逆バイアス電圧VSPADからSPAD4の降伏電圧を減じたエクセス電圧VEXと略同じであるため、温度が高いほど小さくなる。従って、デジタルパルスV2のパルス幅Tpは、SPAD4の温度が高いほど、狭くなる。 This is because the breakdown voltage of the SPAD 4 changes according to the temperature and increases as the temperature increases. That is, as shown in FIG. 2, the peak voltage of the detection signal V1 is substantially the same as the excess voltage V EX obtained by subtracting the breakdown voltage of SPAD4 from the reverse bias voltage V SPAD, and thus becomes smaller as the temperature increases. Therefore, the pulse width Tp of the digital pulse V2 becomes narrower as the temperature of the SPAD4 is higher.
一方、SPAD4による検出感度は、SPAD4のエクセス電圧VEXにより変化し、SPAD4のエクセス電圧VEXが高いほど、検出感度が高くなる。このため、SPAD4のエクセス電圧VEXが温度によって変化すると、SPAD4の検出感度も変化し、温度が高くなるほど、検出感度が低下する。 On the other hand, the detection sensitivity by SPAD4 varies by excess voltage V EX of SPAD4, the higher the excess voltage V EX of SPAD4, detection sensitivity is high. Therefore, when the excess voltage V EX of SPAD4 varies with temperature, also changes the detection sensitivity of SPAD4, the higher the temperature, the detection sensitivity is lowered.
そこで、本実施形態の光検出器1Aには、デジタルパルスV2のパルス幅Tpと予め設定された基準パルス幅との差△Tを検出するパルス幅比較部20と、そのパルス幅の差△Tに基づき、逆バイアス電圧VSPADを制御する電圧制御部10とが備えられている。 Therefore, the photodetector 1A according to the present embodiment includes a pulse width comparison unit 20 that detects a difference ΔT between the pulse width Tp of the digital pulse V2 and a preset reference pulse width, and a difference ΔT between the pulse widths. And a voltage control unit 10 for controlling the reverse bias voltage V SPAD .
パルス幅比較部20は、デジタルパルスV2のパルス幅Tpを、SPAD4のエクセス電圧VEXを表すパラメータとして取り込み、そのパルス幅と基準パルス幅とを比較して、各パルス幅の差△Tを求めるように構成されている。 The pulse width comparator unit 20, the pulse width Tp of the digital pulse V2, incorporation as a parameter representing the excess voltage V EX of SPAD4, by comparing the pulse width and a reference pulse width determines the difference △ T of the pulse width It is configured as follows.
なお、このパルス幅比較部20には、例えば、デジタルパルスV2のパルス幅と基準パルス幅とを数値化して、その差を演算する演算回路を利用することができる。
パルス幅比較部20は、デジタルパルスV2のパルス幅Tpと基準パルス幅との差△Tを求めることで、エクセス電圧VEXの基準エクセス電圧からのずれを、逆バイアス電圧VSPADの調整量として設定するものであり、本開示の調整量設定部として機能する。
For the pulse width comparison unit 20, for example, an arithmetic circuit that quantifies the pulse width of the digital pulse V2 and the reference pulse width and calculates the difference between them can be used.
The pulse width comparison unit 20 obtains a difference ΔT between the pulse width Tp of the digital pulse V2 and the reference pulse width, and thereby detects the deviation of the excess voltage V EX from the reference excess voltage as an adjustment amount of the reverse bias voltage V SPAD. It is set and functions as an adjustment amount setting unit of the present disclosure.
また、電圧制御部10は、パルス幅比較部20にて検出されたパルス幅の差△Tが、零若しくは一定値、若しくは所定の範囲の値、或いは、所定値以下となるように、逆バイアス電圧VSPADを制御することで、エクセス電圧VEXを基準パルス幅に対応する基準エクセス電圧に制御する。 Further, the voltage controller 10 reverse biases so that the difference ΔT in the pulse width detected by the pulse width comparator 20 is zero, a constant value, a predetermined range value, or a predetermined value or less. By controlling the voltage V SPAD , the excess voltage V EX is controlled to the reference excess voltage corresponding to the reference pulse width.
具体的には、電圧制御部10は、例えば、デジタルパルスV2のパルス幅が基準パルス幅よりも小さい場合には、パルス幅の差△Tに応じて、逆バイアス電圧VSPADを上昇させる。また、デジタルパルスV2のパルス幅が基準パルス幅よりも大きい場合には、パルス幅の差△Tに応じて、逆バイアス電圧VSPADを低下させる。 Specifically, for example, when the pulse width of the digital pulse V2 is smaller than the reference pulse width, the voltage control unit 10 increases the reverse bias voltage V SPAD according to the pulse width difference ΔT. When the pulse width of the digital pulse V2 is larger than the reference pulse width, the reverse bias voltage V SPAD is decreased according to the pulse width difference ΔT.
この結果、本実施形態の光検出器1Aによれば、SPAD4の降伏電圧が温度によって変化しても、エクセス電圧VEXが基準エクセス電圧若しくは基準エクセス電圧近傍の電圧値となるように制御することができ、SPAD4の検出感度を温度補償することができる。 As a result, according to the photodetector 1A of the present embodiment, also vary with temperature breakdown voltage of SPAD4, be controlled to excess voltage V EX is the voltage value of the reference excess voltage or reference excess voltage near The detection sensitivity of SPAD4 can be temperature compensated.
よって、本実施形態の光検出器1Aによれば、SPAD4の温度変化の影響を受けることなく、所望の検出感度で光検出を行うことができるようになり、温度によって検出精度が変化するのを抑制できる。
[第2実施形態]
図3に示すように、第2実施形態の光検出器1Bは、基本構成は第1実施形態の光検出器1Aと同じであり、第1実施形態と異なる点は、本開示の調整量設定部として、パルス幅比較部20に代えて、パルス幅比較回路24を備えている点である。
Therefore, according to the photodetector 1A of the present embodiment, light detection can be performed with a desired detection sensitivity without being affected by the temperature change of the SPAD 4, and the detection accuracy changes depending on the temperature. Can be suppressed.
[Second Embodiment]
As shown in FIG. 3, the photodetector 1 </ b> B of the second embodiment has the same basic configuration as the photodetector 1 </ b> A of the first embodiment, and is different from the first embodiment in that the adjustment amount setting of the present disclosure is set. As a unit, a pulse width comparison circuit 24 is provided instead of the pulse width comparison unit 20.
そこで、本実施形態では、第1実施形態と同様の構成については、図面に同一符号を付与することで詳細な説明は省略し、第1実施形態との相違点について説明する。
図3に示すように、本実施形態の光検出器1Bには、パルス変換部8から出力されるデジタルパルスV2の立ち上がりタイミングに同期して、一定パルス幅の基準パルスを発生する基準パルス発生器22が備えられている。
Therefore, in the present embodiment, the same components as those in the first embodiment will be given the same reference numerals in the drawings, and detailed description thereof will be omitted, and differences from the first embodiment will be described.
As shown in FIG. 3, the photodetector 1B of the present embodiment includes a reference pulse generator that generates a reference pulse having a constant pulse width in synchronization with the rising timing of the digital pulse V2 output from the pulse converter 8. 22 is provided.
そして、この基準パルス発生器22が発生した基準パルスは、パルス変換部8から出力されるデジタルパルスV2と共に、パルス幅比較回路24に入力される。このため、パルス幅比較回路24からは、デジタルパルスV2と基準パルスとのパルス幅の差△Tに応じたパルス幅のパルス信号が、逆バイアス電圧VSPADの調整量として出力されることになる。 The reference pulse generated by the reference pulse generator 22 is input to the pulse width comparison circuit 24 together with the digital pulse V 2 output from the pulse conversion unit 8. Therefore, the pulse width comparison circuit 24 outputs a pulse signal having a pulse width corresponding to the pulse width difference ΔT between the digital pulse V2 and the reference pulse as an adjustment amount of the reverse bias voltage V SPAD. .
なお、パルス幅比較回路24は、例えば、コンパレータ等にて構成され、上記各パルスのレベルが同じであれば中間電位となり、デジタルパルスV2の入力レベルが「0」で、基準パルスの入力レベルが「1」であれば、中間電位よりも高い正のパルス信号を出力する。また、デジタルパルスV2の入力レベルが「1」で、基準パルスの入力レベルが「0」であるときには、中間電位よりも低い負のパルス信号を出力する。 The pulse width comparison circuit 24 is composed of, for example, a comparator. If the level of each pulse is the same, it becomes an intermediate potential, the input level of the digital pulse V2 is “0”, and the input level of the reference pulse is If “1”, a positive pulse signal higher than the intermediate potential is output. Further, when the input level of the digital pulse V2 is “1” and the input level of the reference pulse is “0”, a negative pulse signal lower than the intermediate potential is output.
次に、パルス幅比較回路24からの出力は、電圧変換回路26に入力される。電圧変換回路26は、パルス幅比較回路24からのパルス信号が正のパルス信号であれば、そのパルス幅に応じた正の電圧信号Vtを電圧制御部10に出力する。また、電圧変換回路26は、パルス幅比較回路24からのパルス信号が負のパルス信号であれば、そのパルス幅に応じた負の電圧信号Vtを電圧制御部10に出力する。 Next, the output from the pulse width comparison circuit 24 is input to the voltage conversion circuit 26. If the pulse signal from the pulse width comparison circuit 24 is a positive pulse signal, the voltage conversion circuit 26 outputs a positive voltage signal Vt corresponding to the pulse width to the voltage control unit 10. Further, if the pulse signal from the pulse width comparison circuit 24 is a negative pulse signal, the voltage conversion circuit 26 outputs a negative voltage signal Vt corresponding to the pulse width to the voltage control unit 10.
そして、電圧制御部10は、電圧変換回路26から入力される電圧信号Vtが正であれば、その電圧信号Vtの電圧値に応じて逆バイアス電圧VSPADを上昇させ、電圧信号Vtが負であれば、その電圧信号Vtの電圧値に応じて逆バイアス電圧VSPADを低下させる。 If the voltage signal Vt input from the voltage conversion circuit 26 is positive, the voltage controller 10 increases the reverse bias voltage V SPAD according to the voltage value of the voltage signal Vt, and the voltage signal Vt is negative. If there is, the reverse bias voltage V SPAD is lowered according to the voltage value of the voltage signal Vt.
この結果、本実施形態の光検出器1Bにおいても、デジタルパルスV2のパルス幅からSPAD4のエクセス電圧VEXを検知して、エクセス電圧VEXが基準パルスのパルス幅に対応した基準エクセス電圧となるよう、逆バイアス電圧VSPADを制御することができる。 As a result, also in the photodetector 1B of the present embodiment, the excess voltage V EX of the SPAD 4 is detected from the pulse width of the digital pulse V2, and the excess voltage V EX becomes the reference excess voltage corresponding to the pulse width of the reference pulse. Thus, the reverse bias voltage V SPAD can be controlled.
よって、本実施形態の光検出器1Bにおいても、第1実施形態の光検出器1Aと同様、SPAD4の温度変化の影響を受けることなく、所望の検出感度で光検出を行うことができるようになり、温度によって検出精度が変化するのを抑制できる。
[第3実施形態]
図4に示すように、第3実施形態の光検出器1Cは、基本構成は第1実施形態の光検出器1Aと同じであり、第1実施形態と異なる点は、本開示の調整量設定部として、パルス幅比較部20に代えて、電圧変換部30と電圧比較回路36とを備えている点である。
Therefore, in the photodetector 1B of the present embodiment, as in the photodetector 1A of the first embodiment, it is possible to perform light detection with a desired detection sensitivity without being affected by the temperature change of the SPAD 4. Therefore, it is possible to suppress the detection accuracy from changing depending on the temperature.
[Third Embodiment]
As shown in FIG. 4, the photodetector 1 </ b> C according to the third embodiment has the same basic configuration as the photodetector 1 </ b> A according to the first embodiment, and is different from the first embodiment in that an adjustment amount setting according to the present disclosure is set. As a unit, instead of the pulse width comparison unit 20, a voltage conversion unit 30 and a voltage comparison circuit 36 are provided.
そこで、本実施形態では、第1実施形態と同様の構成については、図面に同一符号を付与することで詳細な説明は省略し、第1実施形態との相違点について説明する。
電圧変換部30は、パルス変換部8から出力されるデジタルパルスV2を、デジタルパルスV2のパルス幅に応じた電圧値の電圧信号に変換するものであり、バッファ31を介してデジタルパルスV2を取り込み、コンデンサ32を充電するよう構成されている。
Therefore, in the present embodiment, the same components as those in the first embodiment will be given the same reference numerals in the drawings, and detailed description thereof will be omitted, and differences from the first embodiment will be described.
The voltage converter 30 converts the digital pulse V2 output from the pulse converter 8 into a voltage signal having a voltage value corresponding to the pulse width of the digital pulse V2, and takes in the digital pulse V2 via the buffer 31. The capacitor 32 is configured to be charged.
つまり、デジタルパルスV2が値「1」のハイレベルであるとき、そのデジタルパルスV2にてコンデンサ32を充電することにより、コンデンサ32の両端電圧から、デジタルパルスV2のパルス幅を検知できるようにするのである。 That is, when the digital pulse V2 is at a high level of “1”, the capacitor 32 is charged with the digital pulse V2 so that the pulse width of the digital pulse V2 can be detected from the voltage across the capacitor 32. It is.
このため、電圧変換部30には、デジタルパルスV2が値「1」のハイレベルであるときにオン状態となって、バッファ31を介してコンデンサ32を充電させるスイッチング素子33が備えられている。 Therefore, the voltage conversion unit 30 includes a switching element 33 that is turned on when the digital pulse V <b> 2 is at a high level “1” and charges the capacitor 32 via the buffer 31.
また、電圧変換部30には、コンデンサ32の両端電圧を、デジタルパルスV2のパルス幅に対応した電圧値として電圧比較回路36に入力するため、コンデンサ32と電圧比較回路36とを接続するスイッチング素子35とインバータ34とが備えられている。 In addition, the voltage conversion unit 30 inputs the voltage across the capacitor 32 to the voltage comparison circuit 36 as a voltage value corresponding to the pulse width of the digital pulse V2, so that the switching element that connects the capacitor 32 and the voltage comparison circuit 36 is connected. 35 and an inverter 34 are provided.
インバータ34は、デジタルパルスV2を反転して入力することで、デジタルパルスV2が値「0」のローレベルであるときに、スイッチング素子35をオン状態にして、コンデンサ32の両端電圧を、電圧比較回路36に入力するためのものである。 The inverter 34 inverts and inputs the digital pulse V2, so that the switching element 35 is turned on when the digital pulse V2 is at a low level of “0”, and the voltage across the capacitor 32 is compared with the voltage. This is for input to the circuit 36.
そして、電圧比較回路36は、インバータ34からの入力信号に基づき、スイッチング素子35がオン状態となってコンデンサ32の両端電圧が入力されるタイミングで、その両端電圧をラッチし、ラッチした電圧値と基準電圧Vref とを比較する。 Based on the input signal from the inverter 34, the voltage comparison circuit 36 latches the voltage across the capacitor 32 at the timing when the switching element 35 is turned on and the voltage across the capacitor 32 is input. The reference voltage Vref is compared.
基準電圧Vref は、上記各実施形態の基準パルス幅に対応する電圧値であり、電圧比較回路36は、基準電圧Vref と電圧変換部30からの入力電圧とを比較することで、デジタルパルスV2のパルス幅と基準パルス幅との差△Tに応じた電圧信号Vtを生成する。 The reference voltage Vref is a voltage value corresponding to the reference pulse width of each of the embodiments described above, and the voltage comparison circuit 36 compares the reference voltage Vref with the input voltage from the voltage conversion unit 30 to obtain the digital pulse V2. A voltage signal Vt corresponding to the difference ΔT between the pulse width and the reference pulse width is generated.
なお、電圧比較回路36は、例えば、差動増幅回路にて構成されており、電圧変換部30からの入力電圧が基準電圧Vref よりも低い場合には正の電圧信号Vtを生成し、逆に、入力電圧が基準電圧Vref よりも高い場合には負の電圧信号Vtを生成する。 The voltage comparison circuit 36 is composed of, for example, a differential amplifier circuit. When the input voltage from the voltage conversion unit 30 is lower than the reference voltage Vref, the voltage comparison circuit 36 generates a positive voltage signal Vt. When the input voltage is higher than the reference voltage Vref, a negative voltage signal Vt is generated.
そして、この電圧信号Vtは、電圧制御部10に入力され、電圧制御部10は、電圧比較回路36から入力される電圧信号Vtが正であれば、その電圧信号Vtの電圧値に応じて逆バイアス電圧VSPADを上昇させ、電圧信号Vtが負であれば、その電圧信号Vtの電圧値に応じて逆バイアス電圧VSPADを低下させる。 The voltage signal Vt is input to the voltage control unit 10, and the voltage control unit 10 reverses according to the voltage value of the voltage signal Vt if the voltage signal Vt input from the voltage comparison circuit 36 is positive. If the bias voltage V SPAD is raised and the voltage signal Vt is negative, the reverse bias voltage V SPAD is lowered according to the voltage value of the voltage signal Vt.
この結果、本実施形態の光検出器1Cにおいても、デジタルパルスV2のパルス幅からSPAD4のエクセス電圧VEXを検知して、エクセス電圧VEXが基準電圧Vref に対応した基準エクセス電圧となるよう、逆バイアス電圧VSPADを制御することができる。 As a result, also in the photodetector 1C of the present embodiment, the excess voltage V EX of the SPAD 4 is detected from the pulse width of the digital pulse V2, and the excess voltage V EX becomes a reference excess voltage corresponding to the reference voltage Vref. The reverse bias voltage V SPAD can be controlled.
よって、本実施形態の光検出器1Cにおいても、第1,第2実施形態の光検出器1A,1Bと同様、SPAD4の温度変化の影響を受けることなく、所望の検出感度で光検出を行うことができるようになり、温度によって検出精度が変化するのを抑制できる。 Therefore, in the photodetector 1C of the present embodiment, similarly to the photodetectors 1A and 1B of the first and second embodiments, light detection is performed with a desired detection sensitivity without being affected by the temperature change of the SPAD 4. As a result, the detection accuracy can be prevented from changing depending on the temperature.
なお、電圧比較回路36にて、コンデンサ32の両端電圧をラッチした後、コンデンサ32を充電状態に保持すると、次に、デジタルパルスV2にてコンデンサ32を充電する際に、コンデンサ32の電圧がデジタルパルスV2のパルス幅よりも高くなる。 If the voltage comparison circuit 36 latches the voltage across the capacitor 32 and then holds the capacitor 32 in a charged state, the voltage of the capacitor 32 will be digital when the capacitor 32 is next charged with the digital pulse V2. It becomes higher than the pulse width of the pulse V2.
このため、本実施形態の光検出器1Cには、コンデンサ32に蓄積された電荷を放電させるスイッチング素子37と、インバータ34からの入力を遅延させてスイッチング素子37の駆動信号として取り込む遅延回路38とが設けられている。 For this reason, the photodetector 1C of the present embodiment includes a switching element 37 that discharges the electric charge accumulated in the capacitor 32, and a delay circuit 38 that delays the input from the inverter 34 and captures it as a drive signal for the switching element 37. Is provided.
この結果、電圧変換部30は、電圧比較回路36がコンデンサ32の両端電圧をラッチした後、コンデンサ32に蓄積された電荷が放電されて、初期状態にリセットされることになる。
[第4実施形態]
上述した第1実施形態から第3実施形態の光検出器1A〜1Cにおいては、デジタルパルスV2のパルス幅からSPAD4のエクセス電圧VEXを検知するものとして説明した。
As a result, after the voltage comparison circuit 36 latches the voltage across the capacitor 32, the voltage conversion unit 30 discharges the charge accumulated in the capacitor 32 and is reset to the initial state.
[Fourth Embodiment]
In the photodetectors 1A to 1C of the first to third embodiments described above, it has been described that the excess voltage V EX of the SPAD 4 is detected from the pulse width of the digital pulse V2.
しかし、SPAD4のエクセス電圧VEXは、図2に示すように、SPAD4がブレイクダウンしたときの検出信号V1の電圧振幅Vsig に対応することから、この電圧振幅Vsig を検出することによっても、SPAD4のエクセス電圧VEXを検知できる。 However, as shown in FIG. 2, the excess voltage V EX of SPAD4 corresponds to the voltage amplitude Vsig of the detection signal V1 when SPAD4 is broken down. Therefore, by detecting this voltage amplitude Vsig, capable of detecting the excess voltage V EX.
そこで、第4実施形態では、SPAD4のエクセス電圧VEXを、検出信号V1の電圧振幅Vsig に基づき検知して、逆バイアス電圧VSPADの調整量を設定するように構成した光検出器1Dについて説明する。 Therefore, in the fourth embodiment, a photodetector 1D configured to detect the excess voltage V EX of SPAD4 based on the voltage amplitude Vsig of the detection signal V1 and set the adjustment amount of the reverse bias voltage V SPAD will be described. To do.
図5に示すように、本実施形態の光検出器1Dは、上述した各実施形態の光検出器1A〜1Cと同様、SPAD4と、クエンチング抵抗6と、パルス変換部8とを含む検出部2を備える。 As shown in FIG. 5, the photodetector 1 </ b> D of the present embodiment includes a detection unit including a SPAD 4, a quenching resistor 6, and a pulse conversion unit 8, similar to the photodetectors 1 </ b> A to 1 </ b> C of the above-described embodiments. 2 is provided.
そして、本実施形態の光検出器1Dには、検出信号V1をピークホールドすることで、検出信号V1の電圧振幅Vsig を測定する電圧振幅測定回路42と、その測定された電圧振幅Vsig から補正電圧△Vを算出する補正電圧算出部44とが備えられている。 The photodetector 1D of this embodiment includes a voltage amplitude measuring circuit 42 that measures the voltage amplitude Vsig of the detection signal V1 by peak-holding the detection signal V1, and a correction voltage from the measured voltage amplitude Vsig. A correction voltage calculation unit 44 for calculating ΔV is provided.
補正電圧算出部44は、本開示の調整量設定部として機能し、電圧振幅測定回路42にて測定された電圧振幅Vsig と基準エクセス電圧との差を、逆バイアス電圧VSPADの補正電圧△Vとして算出するように構成されている。 The correction voltage calculation unit 44 functions as an adjustment amount setting unit of the present disclosure, and calculates the difference between the voltage amplitude Vsig measured by the voltage amplitude measurement circuit 42 and the reference excess voltage, as a correction voltage ΔV of the reverse bias voltage V SPAD. It is comprised so that it may calculate as.
なお、補正電圧算出部44は、検出信号の電圧振幅Vsig が基準エクセス電圧よりも低いときに補正電圧△Vが正電圧となり、検出信号の電圧振幅Vsig が基準エクセス電圧よりも高いときに補正電圧△Vが負電圧となるように、補正電圧△Vを算出する。 The correction voltage calculation unit 44 corrects the correction voltage ΔV when the voltage amplitude Vsig of the detection signal is lower than the reference excess voltage, and corrects the voltage when the voltage amplitude Vsig of the detection signal is higher than the reference excess voltage. The correction voltage ΔV is calculated so that ΔV becomes a negative voltage.
また、本実施形態の光検出器1Dには、本開示の電圧制御部として、電圧加算回路46が備えられている。電圧加算回路46は、逆バイアス電圧VSPADに補正電圧算出部44にて算出された補正電圧△Vを加算することで、エクセス電圧に対応する電圧振幅Vsig が基準エクセス電圧となるように、逆バイアス電圧VSPADを補正するものである。 Further, the photodetector 1D of the present embodiment includes a voltage addition circuit 46 as a voltage control unit of the present disclosure. The voltage addition circuit 46 adds the correction voltage ΔV calculated by the correction voltage calculation unit 44 to the reverse bias voltage V SPAD so that the voltage amplitude Vsig corresponding to the excess voltage becomes the reference excess voltage. The bias voltage V SPAD is corrected.
このため、本実施形態の光検出器1Dにおいても、エクセス電圧VEXが基準エクセス電圧となるように逆バイアス電圧VSPADを制御して、SPAD4の検出感度を温度補償することができるようになり、温度によって検出精度が変化するのを抑制できる。 For this reason, also in the photodetector 1D of this embodiment, the reverse bias voltage V SPAD can be controlled so that the excess voltage V EX becomes the reference excess voltage, and the detection sensitivity of the SPAD 4 can be temperature compensated. It is possible to suppress the detection accuracy from changing depending on the temperature.
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示の光検出器は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
[第1変形例]
例えば、上記各実施形態では、調整量設定部として機能するパルス幅比較部20、パルス幅比較回路24、及び、電圧比較回路36は、単に、検出部2からの出力であるデジタルパルスV2又は検出信号V1に基づき、調整量を設定するものとして説明した。
As mentioned above, although embodiment of this indication was described, the photodetector of this indication is not limited to the above-mentioned embodiment, and can carry out various modifications.
[First Modification]
For example, in each of the above embodiments, the pulse width comparison unit 20, the pulse width comparison circuit 24, and the voltage comparison circuit 36 that function as the adjustment amount setting unit are simply the digital pulse V 2 that is output from the detection unit 2 or the detection. It has been described that the adjustment amount is set based on the signal V1.
しかし、検出部2からの出力は測定誤差やノイズの影響を受けて変動することがあるので、調整量設定部は、検出部2からの複数回の出力に基づいて、調整量を設定するように構成してもよい。 However, since the output from the detection unit 2 may fluctuate due to the influence of measurement error and noise, the adjustment amount setting unit sets the adjustment amount based on the output from the detection unit 2 a plurality of times. You may comprise.
例えば、図6に示す光検出器1Eは、第1実施形態の光検出器1Aに、平均化部28を設けて、パルス幅比較部20から出力されるパルス幅の差△Tを平均化し、電圧制御部10に出力するように構成されている。 For example, the photodetector 1E shown in FIG. 6 is provided with an averaging unit 28 in the photodetector 1A of the first embodiment to average the pulse width difference ΔT output from the pulse width comparison unit 20, It is configured to output to the voltage controller 10.
このようにすれば、検出部2からの複数回の出力に基づいて逆バイアス電圧VSPADの調整量を設定できることになり、逆バイアス電圧VSPADが検出部2の測定誤差やノイズの影響を受けて変動するのを抑制できる。 Thus, will be able to set the adjustment amount of the reverse bias voltage V SPAD based on a plurality of times of output from the detection unit 2, the reverse bias voltage V SPAD is affected by measurement error or noise of the detection unit 2 Can be suppressed.
なお、平均化部28は、所謂ローパスフィルタであり、積分回路等のアナログ回路で構成することもできるし、平均化処理を行うデジタル回路で構成することもできる。
また、平均化部28は、検出部2からの出力を複数回測定して、平均を求め、パルス幅比較部20等の調整量設定部に入力するように構成してもよい。
[第2変形例]
また、上記平均化部28を含め、パルス幅比較部20、パルス幅比較回路24、及び、電圧比較回路36は、一定周期のクロックに同期して動作する同期回路の一つとして構成することもできる。
The averaging unit 28 is a so-called low-pass filter, and can be configured by an analog circuit such as an integration circuit, or can be configured by a digital circuit that performs an averaging process.
The averaging unit 28 may be configured to measure the output from the detection unit 2 a plurality of times, obtain an average, and input the average to an adjustment amount setting unit such as the pulse width comparison unit 20.
[Second Modification]
In addition, the pulse width comparison unit 20, the pulse width comparison circuit 24, and the voltage comparison circuit 36 including the averaging unit 28 may be configured as one of synchronization circuits that operate in synchronization with a clock having a fixed period. it can.
例えば、図7に示した光検出器1Fは、第1実施形態の光検出器1Aにおいて、パルス幅比較部20を同期回路にて構成したものである。この場合、パルス幅比較部20には、検出部2から出力されるデジタルパルスV2が、サンプリング回路21を介して入力される。なお、サンプリング回路21は、クロックCLKに同期してデジタルパルスV2をラッチする周知のものである。 For example, the photodetector 1F shown in FIG. 7 is obtained by configuring the pulse width comparison unit 20 with a synchronous circuit in the photodetector 1A of the first embodiment. In this case, the digital pulse V <b> 2 output from the detection unit 2 is input to the pulse width comparison unit 20 via the sampling circuit 21. The sampling circuit 21 is a well-known one that latches the digital pulse V2 in synchronization with the clock CLK.
そして、パルス幅比較部20は、図8に示す手順で、サンプリング回路21にてラッチされたデジタルパルスV2の値に基づき、パルス幅を測定し、電圧制御部10に電圧制御信号を出力する。 The pulse width comparison unit 20 measures the pulse width based on the value of the digital pulse V2 latched by the sampling circuit 21 and outputs a voltage control signal to the voltage control unit 10 in the procedure shown in FIG.
すなわち、パルス幅比較部20においては、S110にて、サンプリング回路21からの入力が値1であるか否かを判断することで、検出部2からデジタルパルスV2が出力されているか否かを判断する。 That is, the pulse width comparison unit 20 determines whether or not the digital pulse V2 is output from the detection unit 2 by determining whether or not the input from the sampling circuit 21 is a value 1 in S110. To do.
S110にて、検出部2からデジタルパルスV2が出力されていないと判断されると、S110の処理を再度実行することで、デジタルパルスV2が出力されるのを待ち、デジタルパルスV2が出力されていると判断されると、S120に移行する。 In S110, if it is determined that the digital pulse V2 is not output from the detection unit 2, the process of S110 is executed again to wait for the digital pulse V2 to be output, and the digital pulse V2 is output. If it is determined that there is, the process proceeds to S120.
S120では、サンプリング回路21からの入力に基づき、検出部2からのデジタルパルスV2の継続時間をカウントすることで、デジタルパルスV2のパルス幅を測定し、続くS130にて、そのパルス幅のカウント値と設定値とを比較する。 In S120, the pulse width of the digital pulse V2 is measured by counting the duration of the digital pulse V2 from the detection unit 2 based on the input from the sampling circuit 21, and in S130, the count value of the pulse width is measured. Is compared with the set value.
そして、S140では、S130での比較結果に応じて、電圧制御部10に出力する電圧制御信号を設定し、S110に移行する。
つまり、S140では、パルス幅のカウント値が設定値よりも小さい場合には逆バイアス電圧VSPADを上昇させ、パルス幅のカウント値が設定値よりも大きい場合には逆バイアス電圧VSPADを低下させるように、電圧制御部10に出力する電圧制御信号を変化させる。
In S140, a voltage control signal to be output to the voltage controller 10 is set according to the comparison result in S130, and the process proceeds to S110.
That is, in S140, the reverse bias voltage V SPAD is increased when the pulse width count value is smaller than the set value, and the reverse bias voltage V SPAD is decreased when the pulse width count value is larger than the set value. As described above, the voltage control signal output to the voltage controller 10 is changed.
また、S140では、パルス幅のカウント値が設定値と同じか、設定値を中心とする許容範囲内にある場合には、電圧制御信号を現在の状態に保持して、逆バイアス電圧VSPADを維持させる。 In S140, if the count value of the pulse width is the same as the set value or is within an allowable range centered on the set value, the voltage control signal is held in the current state and the reverse bias voltage V SPAD is set. Let it be maintained.
従って、上記のようにパルス幅比較部20を同期回路にて構成しても、逆バイアス電圧VSPADを第1実施形態の光検出器1Aと同様に制御することができる。
[第3変形例]
また、上記各実施形態では、単にSPAD4からの出力に基づきSPAD4に印加する逆バイアス電圧を制御するものとして説明したが、逆バイアス電圧が制御されるSPAD4は温度補償専用のものとしてもよい。
Therefore, the reverse bias voltage V SPAD can be controlled similarly to the photodetector 1A of the first embodiment even if the pulse width comparison unit 20 is configured by a synchronous circuit as described above.
[Third Modification]
In each of the above-described embodiments, the reverse bias voltage applied to SPAD 4 is simply controlled based on the output from SPAD 4. However, SPAD 4 whose reverse bias voltage is controlled may be dedicated to temperature compensation.
つまり、上記各実施形態のSPAD4を温度補償用として利用し、そのSPAD4に印加される、温度補償されたバイアス電圧を、他のSPADの逆バイアス電圧として利用するのである。そして、このようにすれば、温度補償専用のSPAD4を利用して、他のSPADの温度補償を行うことができるようになる。 That is, the SPAD 4 of each of the above embodiments is used for temperature compensation, and the temperature-compensated bias voltage applied to the SPAD 4 is used as the reverse bias voltage of another SPAD. By doing so, it becomes possible to perform temperature compensation of other SPADs using the SPAD 4 dedicated to temperature compensation.
また、上記実施形態における1つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、1つの構成要素が有する1つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、1つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される1つの機能を、1つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。 In addition, a plurality of functions of one constituent element in the above embodiment may be realized by a plurality of constituent elements, or a single function of one constituent element may be realized by a plurality of constituent elements. Further, a plurality of functions possessed by a plurality of constituent elements may be realized by one constituent element, or one function realized by a plurality of constituent elements may be realized by one constituent element. Moreover, you may abbreviate | omit a part of structure of the said embodiment. In addition, at least a part of the configuration of the above embodiment may be added to or replaced with the configuration of the other embodiment. In addition, all the aspects included in the technical idea specified only by the wording described in the claim are embodiment of this invention.
1A〜1F…光検出器、2…検出部、4…SPAD、6…クエンチング抵抗、8…パルス変換部、10…電圧制御部、20…パルス幅比較部、24…パルス幅比較回路、28…平均化部、36…電圧比較回路、44…補正電圧算出部、46…電圧加算回路。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A-1F ... Photodetector, 2 ... Detection part, 4 ... SPAD, 6 ... Quenching resistance, 8 ... Pulse conversion part, 10 ... Voltage control part, 20 ... Pulse width comparison part, 24 ... Pulse width comparison circuit, 28 ... Averaging unit 36... Voltage comparison circuit 44. Correction voltage calculation unit 46.
Claims (7)
前記検出部からの出力に基づき、前記逆バイアス電圧の調整量を設定する調整量設定部(20,24,28,36,44)と、
前記調整量設定部にて設定された前記調整量に基づいて前記逆バイアス電圧を制御する電圧制御部(10,46)と、
を備えた、光検出器。 A detection unit (2) that includes a SPAD (4) and performs light detection by applying a reverse bias voltage to the SPAD;
An adjustment amount setting unit (20, 24, 28, 36, 44) for setting an adjustment amount of the reverse bias voltage based on an output from the detection unit;
A voltage controller (10, 46) for controlling the reverse bias voltage based on the adjustment amount set by the adjustment amount setting unit;
A photodetector.
前記調整量設定部(20,24,36)は、前記デジタルパルスのパルス幅から前記エクセス電圧を検知するよう構成されている、請求項2に記載の光検出器。 The detection unit includes a pulse conversion unit (8) that converts an output from the SPAD into a digital pulse,
The photodetector according to claim 2, wherein the adjustment amount setting unit (20, 24, 36) is configured to detect the excess voltage from a pulse width of the digital pulse.
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