本发明涉及单光子雪崩二极管控制电路。
背景技术:
检测光的CMOS传感器是多种多样的。其中能够检测单一光子能级光的单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode)(以下也记为“SPAD”)能够测量微弱光的光子数及单一光子的到达时刻。SPAD是检测光的行进距离形成图像的距离图像传感器、或期待作为生物成像的荧光强度检测/荧光寿命检测等应用展开的设备。
通常的发光二极管在向阳极、阴极间施加反相偏压状态下使用,但在SPAD中,通过超过二极管的反相偏压击穿电压地施加,提高输入光-输出电流的增益,从而检测单一光子能级的光。这时,若检测单一光子,则在SPAD中发生雪崩击穿。在使用SPAD的情况下,需要实行雪崩击穿的猝熄及进行用于检测下一个光子的再充电,SPAD的控制变得复杂。另一方面,SPAD适合于CMOS工艺,能够实现使用晶体管等的SPAD的复杂控制。
SPAD控制电路的一例记载在非专利文献1的Fig.6(a)中。如Fig.6(a)所示,作为通常的现有技术,已知使用数个晶体管和数个逻辑电路的SPAD控制电路。
另一方面,作为使用了光的蛋白质的分析装置,存在无镜头ELISA(Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay)。例如,如非专利文献2的图1所示,在搭载有光传感器的IC上,涂布希望分析的样本(荧光试料等),向该样本照射激光,检测由样本激发的微弱光并进行解析。
在非专利文献2记载的技术中,能够实现系统的低成本化和紧凑化,但由于激光向样本和光传感器照射,因此强激光能够使光传感器饱和。因此,在非专利文献2记载的技术中,存在无法检测光传感器希望解析的微弱光的问题。为了解决该技术问题,通常,以不向光传感器照射强激光的方式,在光传感器与样本间设置滤光器。
〔现有的SPAD控制电路的构成〕
图6中示出通常的SPAD控制电路的一例。图6的(a)是向SPAD110的阳极施加-20V左右的负偏向电压并从SPAD110的阴极读出光子检测的情况下的构成例。图6的(a)的SPAD控制电路由如下单元构成:SPAD110;pch晶体管695(作为高电阻发挥作用),其使SPAD110的阴极偏向为VDD电压;反相器635,其用于读出基于雪崩击穿的阴极的电压变化,作为数字信号dout向输出端子660输出;晶体管670(671、672A、672B),其使SPAD110的阴极根据SPAD110的状态而偏向为0V或VDD电压;以及与非门645。
图6的(b)是向SPAD110的阴极施加+20V左右的偏向电压,从SPAD110的阳极读出光子检测的情况下的构成例。图6的(b)的SPAD控制电路由如下单元构成:SPAD110;使SPAD110的阳极偏向为0V的nch晶体管690(作为高电阻发挥作用);缓冲器630,其用于读出基于雪崩击穿的阳极电压变化,作为数字信号dout向输出端子660输出;晶体管670(671、672A、672B),其用于根据SPAD110的状态使SPAD110的阳极偏向为0V或VDD电压;与门640;以及反相器680。
〔现有的SPAD控制电路的动作〕
图6的(a)与(b)是彼此互补的,且基本动作相同,因此使用图6的(b)说明动作,省略图6的(a)的动作说明。
以下使用图6的(b)及图7的(a)进行动作说明。图7的(a)是表示图6的(b)所示的构成的电路的动作的时序图。
在SPAD110刚刚检测到光子后或初始状态下,SPAD110处于待机状态,无法检测光子。这时,输出端子660的数字输出信号dout成为逻辑电平“1”,晶体管672B为导通状态。在这里,在向与门640输入的输入信号set_spad为“0”时(时刻t0以前),晶体管672A导通,晶体管671截止。由此,通过晶体管672A及672B向SPAD110的阳极施加VDD电压,SPAD110的阴极电压与阳极电压差被设定为低于反相偏压时的击穿电压(待机状态)。
为了从该待机状态转入SPAD110能够检测光子的激活状态,如图7的(a)所示,在一定期间(此处为基本时钟mclk一个周期的期间)将输入信号set_spad设定为“1”(置位期间)。从而,在输入信号set_spad刚刚变为“1”后,与门640的输出变为“1”,因此晶体管672A从导通变为截止,晶体管671从截止变为导通。由此,通过晶体管671向SPAD110的阳极施加0V(再充电动作)。
之后,在SPAD110的阳极电压变为0V附近时(时刻t2),缓冲器630检测SPAD110的状态变化,与门640及反相器680的输出发生变化。由此,晶体管672A/晶体管672B/晶体管671分别变为导通/截止/截止,SPAD110的再充电动作完成。这时,SPAD110的阴极电压与阳极电压差被设定为大于反相偏压时的击穿电压的电压(激活状态)。
之后,在使输入信号set_spad恢复为“0”后,若SPAD110在某个时刻t3检测光子则发生雪崩击穿,阳极端子的电压从0V向VDD电压变化,同时,输出信号dout也从“0”变为“1”。能够通过对输出信号dout变化的时刻进行时间测量或计数,检测光子到达时刻、光强度。
在SPAD110刚刚雪崩击穿后,由于后述的寄生效应降低,因此优选使SPAD110尽可能长地保持待机状态。
在图7的(b)示出在置位期间(set_spad=“1”的期间)光子射入SPAD110的情况下的动作。在输入信号set_spad刚刚被从“0”设定为“1”、再充电动作结束而SPAD110变为激活状态后(时刻t2),若SPAD110在时刻t3检测光子则发生雪崩击穿。由此,阳极电压从0V变为VDD电压。这时,由于输入信号set_spad=“1”,因此进行上述的再充电动作,SPAD110不保持为待机状态而立即变为激活状态。
但是,在进行基于SPAD的光检测的情况下,由于SPAD的众所周知的寄生效应即寄生脉冲效应、记忆效应降低,因此需要在发生了基于光子检测的雪崩击穿的时刻后的一定期间,将SPAD保持为待机状态。基于该理由,在置位期间(set_spad=“1”的期间)内,SPAD110不应进行光子检测。需要设法在置位期间内使光不照射到SPAD110(搭载快门功能)、使置位期间缩短、或不使用这种情况下的输出信号dout(搭载置位期间内的SPAD110的雪崩击穿发生检测功能)等。
现有技术文献
非专利文件
非专利文献1:David Eric Schwartz et.al.,“A Single-Photon Avalanche Diode Array for Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy”,IEEE JSSC vol.43,No.11,Nov.2008.
非专利文献2:竹原浩成等,面向无透镜数字ELISA系统的层叠发光二极管CMOS图像传感器的开发,影像信息媒体学会年会,15-7,2013年8月30日
技术实现要素:
本发明所要解决的技术问题
在现有技术中,存在无法高效地检测微弱光子的问题。
本发明的一个方式是鉴于上述技术问题而提出的,其目的在于实现能够降低寄生效应并高效地检测微弱光子的SPAD控制电路。
解决问题的方案
为了解决上述技术问题,本发明的一方案的SPAD控制电路是进行光子检测的SPAD控制电路,其特征在于,包括:单光子雪崩二极管(SPAD);开关,其向所述SPAD的两个端子中的一个端子施加电压;组合电路,其检测所述SPAD为激活状态还是待机状态;以及顺序电路,其具有用于将所述SPAD设定为激活状态的脉冲信号的端子、输入与复位相关的信号的端子和输出端子,根据从所述顺序电路的输出端子输出的输出信号控制所述开关,并且,所述组合电路的输出信号(S3(resetb_asyn))向所述顺序电路的输入与所述复位相关的信号的端子输入。
发明效果
根据本发明的一方案,能够实现可缩短SPAD的置位期间并可通过扩大SPAD的光子检测期间来改善时间轴上的SPAD的光子检测效率的SPAD控制电路。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的SPAD控制电路图。
图2的(a)是本发明第一实施方式的时序图,(b)是本发明第三实施方式的时序图。
图3是本发明第二实施方式的SPAD控制电路图。
图4是本发明第三实施方式的SPAD控制电路图。
图5的(a)及(b)是搭载有本发明的SPAD控制电路的检测系统的概略图。
图6的(a)及(b)是现有技术的SPAD控制电路图。
图7的(a)及(b)是现有技术的时序图。
具体实施方式
〔第一实施方式〕
以下对本发明的一实施方式进行详细说明。
图1是表示本实施方式的SPAD控制电路100的电路构成例的图。在图1中例示了一种SPAD控制电路100,其构成为向SPAD110的阴极施加+20V左右的偏向电压,并从SPAD110的阳极读出光子检测。
〔SPAD控制电路100的构成〕
SPAD控制电路100如图1所示,由如下单元构成:组合电路(缓冲器150),其读出基于雪崩击穿的阳极的电压变化,作为数字输出信号dout向输出端子160输出;组合电路(缓冲器130),其读出阳极的电压变化,向后述的顺序电路输出;开关(晶体管120),其根据SPAD110的状态使SPAD110的阳极偏向为0V;以及顺序电路(触发器140)。
在优选的方式中,顺序电路(触发器140)包括至少三个触发器输入端子(触发器数据输入端子141、触发器时钟输入端子142、触发器非同步复位输入端子143)和一个触发器数据输出端子144。触发器数据输入端子141被输入外部脉冲信号S1(set_pulse)。触发器时钟输入端子142被输入基本时钟信号S2(mclk)。触发器非同步复位输入端子143被输入来自缓冲器130的输出信号S3(resetb_asyn)。因此,也将被输入到触发器非同步复位输入端子143的来自缓冲器130的输出信号S3称为与复位相关的信号。触发器数据输出端子144输出输出信号S4(set_spad)。另外,来自触发器输出端子的输出信号S4被输入到晶体管120的栅极。
在这里,顺序电路(触发器140)进行以下动作。在resetb_asyn为“1”时,在mclk的上升边缘(采样边缘)采样set_pulse,向set_spad输出。另一方面,在resetb_asyn变为“0”时,无论set_pulse、mclk的输入状态如何,set_spad均设定为“0”(非同步复位)。
〔SPAD控制电路100的动作〕
接下来,使用作为时序图的图2的(a)说明图1的SPAD控制电路100的动作。如图2的(a)所示,在SPAD110刚刚检测到光子后,向输出端子160输出的数字输出信号dout从逻辑电平“0”变为“1”,在顺序电路(触发器140)的输出(set_spad)中保持“0”,开关(晶体管120)保持截止状态(时刻t0以前)。在该状况下,SPAD110处于待机状态,无法检测光子。另外,在该状态下,SPAD110的阳极电压变为供给电压VDD附近,SPAD110的阴极电压与阳极电压差被设定为低于反相偏压时的击穿电压(待机状态)。
由于SPAD110从该待机状态转入能够检测光子的激活状态,因此如图2所示,向触发器数据输入端子141的输入根据外部脉冲信号S1(set_pulse)而在一定期间内设定为“1”(置位准备期间)。在优选的方式中,将置位准备期间设为基本时钟信号S2(mclk)的一个周期的期间。
在优选的方式中,外部脉冲信号S1(set_pulse)是以仅包含向触发器时钟输入端子142输入的基本时钟信号S2(mclk)的时钟上升边缘一次的方式输入的外部信号。在该置位准备期间内的时刻t1,顺序电路(触发器140)在基本时钟信号S2(mclk)的时钟上升边缘(采样边缘),将外部脉冲信号S1(set_pulse)作为输入信号进行采样,输出输出信号S4。由此,从顺序电路的触发器数据输出端子144输出的输出信号S4(set_spad)变为“1”(set_spad为“1”的期间=置位期间)。在顺序电路的输出信号S4(set_spad)刚刚变为“1”后,开关(晶体管120)从截止变为导通,通过开关(晶体管120)向SPAD110的阳极施加0V。换言之,在所包含的一个采样边缘后立即使开关导通,通过开关(晶体管120)向SPAD110的阳极施加0V。将该动作称为再充电动作。在其他优选方式中,顺序电路(触发器140)在mclk的下降沿(采样边沿)对set_pulse进行采样并输出到set_spad,外部脉冲信号S1(set_pulse)也能够以仅包含向触发器时钟输入端子142输入的基本时钟信号S2(mclk)的时钟下降边缘(采样边缘)一个的方式输入。
若SPAD110的再充电动作完成,阳极电压变为0V附近,则来自组合电路(缓冲器130)的输出信号S3(resetb_asyn)也变为“0”。由此,顺序电路(触发器140)非同步复位,在时刻t2,顺序电路的输出信号S4(set_spad)变为“0”。这时,与SPAD110的阳极连接的开关(晶体管120)截止,变为浮置状态。由此,SPAD110的阴极电压与阳极电压差保持为大于反相偏压时的击穿电压的电压。将该状态称为激活状态。
通过该动作,能够使置位期间最短,能够将SPAD110可进行光子检测的期间扩大。依赖于SPAD110的阳极电压的输出信号S3(resetb_asyn)被输入至顺序电路(触发器140)的触发器非同步复位输入端子143。由此,在SPAD110的再充电动作刚刚完成后,即,SPAD110刚刚变为激活状态后,在时刻t2,顺序电路(触发器140)检测SPAD110的状态变化。由此,顺序电路的输出信号S4(set_spad)被复位,在t2以后,SPAD110能够进行光子检测。
在t2以后且直到下一个t1’期间的任意时刻t3,向SPAD110射入光子。在射入的光子的作用下,在时刻t3,SPAD110雪崩击穿,从而阳极电压从0V变为VDD电压附近,数字输出信号dout从“0”变为“1”。通过检测该数字输出信号dout的上升边缘的时刻或发生频度,从而能够检测光子的到达时刻、向SPAD110照射的光的强度。在时刻t3以后且直到下一个t2’,SPAD110保持待机状态,因此能够降低上述的寄生效应。
〔第二实施方式〕
以下对本发明的其他实施方式进行说明。并且,为了便于说明,对具有与上述实施方式说明的部件相同功能的部件标注相同的附图标记,不重复对其进行说明。
〔SPAD控制电路300的构成〕
图3表示SPAD控制电路300,其在图1的SPAD控制电路100中还具有:nch晶体管390(作为高电阻发挥作用),其使SPAD110的阳极偏向为0V;开关370(pch晶体管370A、370B),其用于根据SPAD110的状态使SPAD110的阳极偏向为VDD电压;以及组合电路(反相器380)。
向反相器380输入来自缓冲器130的输出信号S3(resetb_asyn)。向晶体管370B的栅极输入来自反相器380的输出信号。向晶体管370A的栅极及晶体管120的栅极输入来自触发器数据输出端子144的输出信号S4(set_spad)。
〔SPAD控制电路300的动作〕
图3的SPAD控制电路的动作基本上与图1相同,以下对不同点进行说明。开关370(pch晶体管370A、370B)是用于根据顺序电路的输出信号S4(set_spad)及SPAD110的状态将SPAD110保持为待机状态的构成。仅在顺序电路的输出信号S4(set_spad)=“0”且SPAD110的阳极电压变为VDD附近时,使SPAD110的阳极偏向为VDD电压,将SPAD110保持为待机状态。即,在顺序电路的输出信号S4为0且输出信号S3(resetb_asyn)为“1”的情况下,开关370(pch晶体管370A和370B)均导通,使SPAD110的阳极电压偏向为VDD电压。换言之,利用来自组合电路(缓冲器130)的输出信号S3及顺序电路的输出信号S4控制开关370(pch晶体管370A、370B)。由此,将SPAD110保持为待机状态。例如,设想在图3的SPAD控制电路中去除开关370(pch晶体管370A、370B)的情况。在该情况下,在SPAD110由于雪崩击穿而转为待机状态时,开关(晶体管120)保持截止状态,因此阳极端子变为高阻抗状态。因此,由于存在于SPAD110的阳极处的寄生电流泄漏、nch晶体管390,阳极电压有可能会朝向0V降压。开关370(pch晶体管370A、370B)是用于将SPAD110稳定地保持为VDD电压而保持稳定的待机状态的构成。即,通过组合电路(缓冲器130)检测SPAD110的雪崩击穿并使开关370(pch晶体管370A及370B)导通,能够将SPAD110在雪崩击穿后立即保持为稳定的待机状态。
nch晶体管390设置用于,即使在由于再充电动作变为激活状态的SPAD110的阳极发生了寄生泄漏,也能够将阳极电压保持为0V,保持能够进行光子检测的状态。即,是用于保持稳定的激活状态的构成。也能够以几百kΩ到1MΩ的电阻来代替使用。
〔第三实施方式〕
以下对本发明的其他实施方式进行说明。并且,为了便于说明,对具有与上述实施方式说明的部件相同功能的部件标注相同的附图标记,不重复其说明。
〔SPAD控制电路400的构成〕
图4是表示第三实施方式的SPAD控制电路400的构成的图。图4的构成为,将图3所述的SPAD控制电路中的组合电路的实施方式之一的反相器380置换为或非门480,将与数字输出信号dout连接的组合电路的实施方式之一的缓冲器150置换为由或非门450A和与门450B构成的组合电路450。
向或非门480的第一输入端子输入来自缓冲器130的输出信号S3(resetb_asyn)。向或非门480的第二输入端子输入外部脉冲信号S1(set_pulse)。晶体管370B的栅极输入来自或非门480的输出。
向或非门450A的第一输入端子输入来自触发器数据输出端子144的输出信号S4(set_spad)。向或非门450A的第二输入端子输入外部脉冲信号S1(set_pulse)。向与门450B的第一输入端子输入来自SPAD110的阳极的信号。向与门450B的第二输入端子输入来自或非门450A的输出信号。与门450B的输出被输入到输出端子160。
在本实施方式的SPAD控制电路400中,晶体管370B的栅极依赖于SPAD110的状态及外部脉冲信号S1(set_pulse)而经由或非门480被控制。数字输出信号dout除了SPAD110的状态以外,还依赖于外部脉冲信号S1(set_pulse)及顺序电路的输出信号S4(set_spad)。
〔SPAD控制电路400的动作〕
光子射入SPAD110而在SPAD110发生雪崩击穿的情况下的SPAD控制电路400的动作基本上与图1的SPAD控制电路100或图3的SPAD控制电路300相同。
在外部脉冲信号S1(set_pulse)=“1”的期间(置位准备期间),不仅是晶体管370A导通,晶体管370B也导通,从而强制使阳极偏向为VDD电压,将SPAD110保持为待机状态。SPAD控制电路400设置有按照这种方式周期性地使SPAD110不进行光检测的期间(与置位准备期间和置位期间相当)。
使用时序图2的(b)说明图4的SPAD控制电路400的动作。在时刻t0,设定为外部脉冲信号S1(set_pulse)=“1”(置位准备期间),通过或非门480使晶体管370B的栅极电压变为0,因此晶体管370B导通。由于保持顺序电路的输出信号S4(set_spad)=“0”,因此晶体管370A也处于导通状态,从而SPAD110的阳极偏向为VDD电压。由此,SPAD110保持为待机状态。另外,通过与数字输出信号dout连接的组合电路450(或非门450A、与门450B),数字输出信号dout被设定为“0”。在置位准备期间的时刻t3a,即使向SPAD110照射激光,SPAD110也保持为待机状态,因此不进行光检测。数字输出信号dout保持为“0”不变。置位准备期间结束后的动作与图3的SPAD控制电路300相同,因此省略说明。
在时刻t2以后,SPAD110变为激活状态,SPAD110在时刻t3b检测向SPAD110照射的光子,产生雪崩击穿,晶体管370B导通,阳极电压保持为VDD电压。在时刻t3b,数字输出信号dout变为“1”,通过测定或计数该变化时刻,能够检测光子的到达时刻、向SPAD110照射的光的强度。另一方面,在t3a、t3a’射入的激光不表现在数字输出信号dout中。
[第四实施方式]
图5的(a)及(b)是第四实施方式的检测系统的概略图。
〔检测系统的构成〕
图5的(a)表示图4所述的SPAD控制电路400的应用例。系统500由如下单元构成:搭载有SPAD控制电路400的IC(搭载有SPAD控制电路400的IC501);进行脉冲发光的光源(脉冲发光激光器502);用于使脉冲发光激光器502与SPAD控制电路400同步动作的定时控制电路503;以及时钟发生电路504。
在图5的(b)中示出搭载有SPAD110的IC501的示意性地剖视图。在SPAD110上部配置检查对象样本,向该样本照射激光器脉冲光。
〔检测系统的动作〕
通过向样本照射激光器脉冲光,从而在激光器照射结束后立即从样本放射微弱的荧光。通过由SPAD110检测该微弱荧光,能够进行样本的光解析。但是,在该构成中,也向SPAD110照射强激光器脉冲光。若SPAD110检测强激光器脉冲光,则无法检测来自样本的微弱光。通过在图2的(b)所示的置位准备期间即SPAD110保持为待机状态的期间照射激光器脉冲光,从而SPAD控制电路400能够不检测激光器脉冲光,而仅检测来自样本的微弱光。如图5的(a)所示,利用时钟发生电路504、定时控制电路503,与设定置位准备期间的外部脉冲信号S1(set_pulse)同步地使脉冲发光激光器502动作。因此,光源(脉冲发光激光器502)与SPAD控制电路同步地进行脉冲发光。由此,调整使得激光器脉冲的发光定时在置位准备期间内,能够实现图2的(b)所示的动作。
〔总结〕
本发明方案一的SPAD控制电路是进行光子检测的SPAD控制电路,其特征在于,包括:单光子雪崩二极管(SPAD);开关(晶体管120),其向所述SPAD的两个端子中的一个端子施加电压;组合电路(缓冲器130),其检测所述SPAD为激活状态还是待机状态;以及顺序电路(触发器140),其具有输入用于将所述SPAD设定为激活状态的脉冲信号(外部脉冲信号S1)的端子(触发器数据输入端子141)、输入与复位相关的信号的端子(触发器非同步复位输入端子143)和输出端子(触发器数据输出端子144),根据从所述顺序电路(触发器140)的输出端子(触发器数据输出端子144)输出的输出信号(S4(set_spad))控制所述开关(晶体管120),并且,所述组合电路(缓冲器130)的输出信号(S3(resetb_asyn))向所述顺序电路(触发器140)的输入与所述复位相关的信号的端子(触发器非同步复位输入端子143)输入。
根据上述构成,能够不使作为SPAD的寄生效应的寄生脉冲效应、记忆效应恶化而缩短SPAD的置位期间,能够通过扩大SPAD的光子检测期间,改善时间轴上的SPAD的光子检测效率。
本发明方案二的SPAD控制电路在上述方案一的基础上,特征在于,还具有输入基本时钟信号(S2(mclk))的端子(触发器时钟输入端子142),用于将所述SPAD设定为激活状态的脉冲信号(外部脉冲信号S1)以仅包含所述基本时钟信号(S2(mclk))的一个采样边缘的方式输入,上述开关在所包含的所述一个采样边缘后立即导通。
根据上述构成,能够与基本时钟信号的采样边缘同步地将所述SPAD设定为激活状态,因此容易构建其他系统的同步系统。
本发明方案三的SPAD控制电路在上述方案一或二的基础上,特征在于,还具有用于向所述一个端子施加电压的开关(开关370(pch晶体管370A、370B)),通过所述组合电路检测所述SPAD的雪崩击穿并使所述开关导通,从而将所述SPAD在雪崩击穿后立即保持为稳定的待机状态。
根据上述构成,能够将SPAD110稳定地保持为待机状态或激活状态。
本发明方案四的检测系统的特征在于,包括:上述方案一至三中任一项所述的SPAD控制电路;以及光源(脉冲发光激光器402),其与所述SPAD控制电路同步动作并进行脉冲发光,所述SPAD控制电路依赖于用于将所述SPAD设定为激活状态的脉冲信号而将所述SPAD周期性地保持为待机状态,并且,在所述待机状态的期间,所述光源进行脉冲发光。
根据上述构成,所述SPAD不检测来自所述光源的脉冲发光,能够检测脉冲发光后的微弱荧光。
本发明不限定于上述各实施方式,能够在权利要求所示的范围内进行各种变更,将不同实施方式分别公开的技术手段适当组合得到的实施方式也包含在本发明的技术范围内。此外,通过将各实施方式分别公开的技术手段组合,能够形成新的技术特征。
附图标记说明
100、300、400 SPAD控制电路
110 单光子雪崩二极管(SPAD)
120 晶体管
130、150 缓冲器
140 触发器
141 触发器数据输入端子
142 触发器时钟输入端子
143 触发器非同步复位输入端子
144 触发器数据输出端子
160 输出端子
370 开关
370A、370B pch晶体管
380 反相器
390 nch晶体管
501 IC
502 脉冲发光激光器
503 定时控制电路
504 时钟发生电路
450 组合电路
450A 或非门
450B 与门
480 或非门