(57)【要約】      （修正有）【課題】撮影対象物において、撮影装置とは独立に一定の周期で生成される制御信号の下で起こる現象を所望のタイミングで撮影することができる撮影方法及び撮影装置を提供する。【解決手段】一定の周期で生成される制御信号の下で撮影対象システム９０において起こる現象を、複数の画素１０と、複数の画素１０のそれぞれに対応付けられた複数の記憶ユニット４０とを有する撮影システム１１０により撮影する方法であって、撮影システム１１０において、制御信号及び制御信号の逓倍の周波数を有するクロック信号を取得し、制御信号を基準として複数の画素１０において入射光量に対応した電荷を蓄積させる動作を開始し、クロック信号を基準として複数の画素１０において電荷を蓄積させる動作を終了すると共に蓄積された電荷に対応する信号を各画素１０から画素１０に対応付けられた複数の記憶ユニット４０に順に出力する。【選択図】図６
2020057962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の周期で生成される制御信号の下で撮影対象物において起こる現象を、複数の画素と、該複数の画素のそれぞれに対応付けられた複数の記憶素子とを有する撮影装置により撮影する方法であって、
前記撮影装置において、前記制御信号及び該制御信号の逓倍の周波数を有するクロック信号を取得し、
前記制御信号を基準として前記複数の画素において入射光量に対応した電荷を蓄積させる動作を開始し、前記クロック信号を基準として前記複数の画素において電荷を蓄積させる動作を終了すると共に蓄積された電荷に対応する信号を各画素から該画素に対応付けられた複数の記憶素子に順に出力する
ことを特徴とする撮影方法。
【請求項２】
一定の周期で生成される制御信号によって撮影対象物に繰り返し起こる現象を撮影する撮影装置であって、
それぞれが入射光量に対応した電荷を蓄積する複数の画素と、
前記複数の画素のそれぞれに設けられた複数の記憶部と、
前記制御信号を入力する外部信号入力部と、
前記制御信号を逓倍してクロック信号を生成するクロック信号生成部と、
前記制御信号を基準として前記複数の画素において入射光量に対応した電荷を蓄積させる動作を開始させ、前記クロック信号を基準として前記複数の画素において電荷を蓄積させる動作を終了させ、また前記複数の画素のそれぞれに蓄積された電荷に対応する信号を当該画素に対応付けられた複数の記憶素子に順に出力させるように前記複数の画素及び前記記憶部を制御する撮影制御部と
を備えることを特徴とする撮影装置。
【請求項３】
一定の周期で生成される制御信号であって、該制御信号の逓倍の周波数を有するクロック信号を基準として生成される制御信号の下で撮影対象物において起こる現象を撮影する撮影装置であって、
それぞれが入射光量に対応した電荷を蓄積する複数の画素と、
前記複数の画素のそれぞれに設けられた複数の記憶素子と、
前記制御信号及び前記クロック信号を入力する外部信号入力部と、
前記制御信号を基準として前記複数の画素において入射光量に対応した電荷を蓄積させる動作を開始させ、前記クロック信号を基準として前記複数の画素において電荷を蓄積させる動作を終了させ、また前記複数の画素のそれぞれに蓄積された電荷に対応する信号を当該画素に対応付けられた複数の記憶素子に順に出力させるように前記複数の画素及び前記記憶素子を制御する撮影制御部と
を備えることを特徴とする撮影装置。
【請求項４】
前記クロック信号の周波数が前記制御信号の周波数の5倍以上である
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の撮影装置。
【請求項５】
更に、
前記制御信号の逓倍の周波数のクロック信号を生成する内部クロックと、
前記制御信号と前記内部クロックにより生成されるクロック信号が入力され、該制御信号が入力された後、次の制御信号が入力されるまでの間に入力されるクロック信号の数をカウントするカウンタと、
前記カウンタによるカウント数が変化したときに、その変化が生じたことを通知する通知部と
を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の撮影装置。
【請求項６】
更に、
前記制御信号の逓倍の周波数のクロック信号を生成する内部クロックと、
前記制御信号と前記内部クロックにより生成されるクロック信号が入力され、該制御信号が入力された後、次の制御信号が入力されるまでの間に入力されるクロック信号の数をカウントするカウンタと
を備え、
前記クロック信号生成部が、前記カウンタによるカウンタ数に対応した倍数で前記制御信号を逓倍する
ことを特徴とする請求項２に記載の撮影装置。
【請求項７】
一定の周期で生成される制御信号によって撮影対象物に繰り返し起こる現象を撮影する撮影システムであって、該撮影システムは第１撮影装置と第２撮影装置を含み、
前記第１撮影装置が、
それぞれが入射光量に対応した電荷を蓄積する複数の画素と、
前記複数の画素のそれぞれに設けられた複数の記憶部と、
前記制御信号を入力する外部信号入力部と、
前記制御信号を逓倍してクロック信号を生成するクロック信号生成部と、
前記制御信号及び前記クロック信号を出力する信号出力部と、
前記制御信号を基準として前記複数の画素において入射光量に対応した電荷を蓄積させる動作を開始させ、前記クロック信号を基準として前記複数の画素において電荷を蓄積させる動作を終了させ、また前記複数の画素のそれぞれに蓄積された電荷に対応する信号を当該画素に対応付けられた複数の記憶素子に順に出力させるように前記複数の画素及び前記記憶部を制御する撮影制御部と
を備えており、
前記第２撮影装置が
それぞれが入射光量に対応した電荷を蓄積する複数の画素と、
前記複数の画素のそれぞれに設けられた複数の記憶部と、
前記第１撮影装置の信号出力部から出力される前記制御信号及び前記クロック信号を入力する外部信号入力部と、
前記制御信号を基準として前記複数の画素において入射光量に対応した電荷を蓄積させる動作を開始させ、前記クロック信号を基準として前記複数の画素において電荷を蓄積させる動作を終了させ、また前記複数の画素のそれぞれに蓄積された電荷に対応する信号を当該画素に対応付けられた複数の記憶素子に順に出力させるように前記複数の画素及び前記記憶部を制御する撮影制御部と
を備えることを特徴とする撮影システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮影方法及び撮影装置に関する。特に、撮影対象物において一定の周期で起こる現象を撮影する際に好適に用いられる撮影方法及び撮影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
爆発、破壊、燃焼、衝突、あるいは放電のように、短時間のうちに起こる現象を観察するために、専用の撮影装置が用いられている。こうした撮影装置では、一般的なビデオカメラやデジタルカメラなどとは異なる構造の固体撮像素子が用いられる。
【０００３】
特許文献１にはそのような固体撮像素子の１つが記載されている。特許文献１に記載の固体撮像素子は、複数個（Ｎ個）の画素と、Ｎ個の画素のそれぞれに対応する複数個（Ｍ個の記憶素子を備えている。Ｎ個の画素は画素領域に集約され格子状に配列されている。また、Ｎ×Ｍ個の記憶素子は、前記画素領域から空間的に分離された記憶領域に配置されている。
【０００４】
上記固体撮像素子では、各画素において所定のサンプリング時間、入射光量に対応する電荷を蓄積させ、続いてサンプリング時間に蓄積した電荷に対応する信号（出力信号）を該画素から出力させて該画素に対応するＭ個の記憶素子のうちの１つに保持させる。この一連の動作により1枚（1フレーム分）の画像データが得られる。各画素における電荷の蓄積開始及び終了と、各画素から信号を出力させて記憶部に保持させる動作は、固体撮像素子に設けられた内部クロックで生成されるクロック信号を基準として全画素で一斉に行われる。上記一連の動作を繰り返すことにより必要な枚数分の画像データが取得されると撮影を終了し、各記憶素子に保持させた信号を固体撮像素子の外部に読み出して画像を生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００９／０３１３０１号
【特許文献２】特開２００９−１４８９５８号公報
【特許文献３】特開２００４−２６６４５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２には、インクジェットプリンタの開発において、プリンタヘッドに設けられたノズルからのインクの吐出安定性を評価するために、該ノズルからインクを一定の周期で吐出させ、インクが吐出されるタイミングでインクの飛沫を撮影することが記載されている。ノズルの基部にはインク供給部と電気熱変換体が配置されている。電気熱変換体は所定の電気信号を受けると熱を発生し、その熱によりインクを発泡させてノズルから吐出させる。
【０００７】
インクジェットプリンタでは、該インクジェットプリンタの内部クロックを基準として駆動信号が生成され、該駆動信号に基づいて電気熱変換体に電気信号が送信される。つまり、インクジェットプリンタのノズルからインクが吐出されるタイミングは、該インクジェットプリンタの内部クロックにより制御される。一方、これを撮影する撮影装置の各画素において信号の蓄積を開始及び終了するタイミングと各画素に蓄積された信号を記憶素子に出力するタイミングは、撮影装置の内部クロックにより制御される。こうした場合、2つの内部クロックの周波数を同じにしても、それら2つの内部クロックでクロック信号が生成されるタイミングは互いに異なるため、インクの先端が吐出される瞬間（或いは、インクの後端が吐出される瞬間）を中央とする正しいタイミングで撮影することができない場合があるという問題があった。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、撮影対象物において、撮影装置とは独立に一定の周期で生成される制御信号の下で起こる現象を所望のタイミングで撮影することができる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明は、一定の周期で生成される制御信号の下で撮影対象物において起こる現象を、複数の画素と、該複数の画素のそれぞれに対応付けられた複数の記憶素子とを有する撮影装置により撮影する方法であって、
前記撮影装置において、前記制御信号及び該制御信号の逓倍の周波数を有するクロック信号を取得し、
前記制御信号を基準として前記複数の画素において入射光量に対応した電荷を蓄積させる動作を開始し、前記クロック信号を基準として前記複数の画素において電荷を蓄積させる動作を終了すると共に蓄積された電荷に対応する信号を各画素から該画素に対応付けられた複数の記憶素子に順に出力する
ことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る撮影方法では、撮影装置自体が有する内部クロックにより生成されるクロック信号ではなく、撮影対象物において一定の周期で起こる現象を生じさせる制御信号と、該制御信号の逓倍の周波数を有するクロック信号を用いて撮影動作を制御する。撮影対象物や該撮影対象物に接続された装置がそのようなクロック信号を生成するクロック信号生成部を有する場合には、そのクロック信号を取得してそのまま用いることができる。一方、撮影対象物等からクロック信号を得ることができない場合は、撮影装置で制御信号を逓倍することによりクロック信号を生成する。本発明では、この場合も「取得」に含める。制御信号の周波数を逓倍する処理は、例えば位相同期回路（PLL: Phase Locked Loop。例えば特許文献３）のような逓倍器を用いて行うことができる。そして、制御信号を基準として複数の画素において入射光量に対応した電荷を蓄積させる動作を開始する。また、クロック信号を基準としてそれら複数の画素において電荷を蓄積させる動作を終了し、さらにそれら複数の画素のそれぞれに蓄積された電荷に対応する信号を当該画素に対応付けられた複数の記憶素子に順に出力する。本発明に係る撮影方法では、撮影対象物で起こる現象の周期を制御する制御信号及びその逓倍の周波数を持つクロック信号により撮影動作を制御するため、該制御信号による制御の下で撮影対象物において一定の周期で起こる現象を所望のタイミングで撮影することができる。
【００１１】
また、上記課題を解決するために成された本発明に係る撮影装置の第１の態様は、一定の周期で生成される制御信号であって、該制御信号の逓倍の周波数を有するクロック信号を基準として生成される制御信号の下で撮影対象物において起こる現象を撮影する撮影装置であって、
それぞれが入射光量に対応した電荷を蓄積する複数の画素と、
前記複数の画素のそれぞれに設けられた複数の記憶素子と、
前記制御信号及び前記クロック信号を入力する外部信号入力部と、
前記制御信号を基準として前記複数の画素において入射光量に対応した電荷を蓄積させる動作を開始させ、前記クロック信号を基準として前記複数の画素において電荷を蓄積させる動作を終了させ、また前記複数の画素のそれぞれに蓄積された電荷に対応する信号を当該画素に対応付けられた複数の記憶素子に順に出力させるように前記複数の画素及び前記記憶素子を制御する撮影制御部と
を備えることを特徴とする。
【００１２】
一定の周期で生成される制御信号を用いて光源を制御することによって該光源から試料に繰り返し光を照射し、その試料から発せられる蛍光やりん光の像を撮影する場合など、一定の周期で生成される制御信号のみによって（即ち上記のようなクロック信号を使用することなく）撮影対象物に特定の現象を生じさせる場合もある。
【００１３】
上記課題を解決するために成された本発明に係る撮影装置の第２の態様は、一定の周期で生成される制御信号の下で撮影対象物において起こる現象を撮影する撮影装置であって、
それぞれが入射光量に対応した電荷を蓄積する複数の画素と、
前記複数の画素のそれぞれに設けられた複数の記憶部と、
前記制御信号を入力する外部信号入力部と、
前記制御信号を逓倍してクロック信号を生成するクロック信号生成部と、
前記制御信号を基準として前記複数の画素において入射光量に対応した電荷を蓄積させる動作を開始させ、前記クロック信号を基準として前記複数の画素において電荷を蓄積させる動作を終了させ、また前記複数の画素のそれぞれに蓄積された電荷に対応する信号を当該画素に対応付けられた複数の記憶素子に順に出力させるように前記複数の画素及び前記記憶部を制御する撮影制御部と
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る撮影方法あるいは撮影装置を用いることにより、撮影対象物において、撮影装置から独立した一定の周期で生成される制御信号の下で起こる現象を所望のタイミングで撮影することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る撮影装置の一実施例である固体撮像素子等の概略構成図。
【図２】本実施例の固体撮像素子の画素の回路構成図。
【図３】本実施例の固体撮像素子における画素に対する駆動信号の送信パターン。
【図４】本実施例の固体撮像素子における画素と記憶ユニットの接続、及び記憶ユニット内の回路構成を示す図。
【図５】本発明に係る撮影装置の変形例１である固体撮像素子等の概略構成図。
【図６】本発明に係る撮影装置の変形例２である固体撮像素子等の概略構成図。
【図７】本発明に係る撮影装置において使用可能な別の画素の回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明に係る撮影装置及び撮影方法の実施例について、以下、図面を参照して説明する。本実施例の撮影装置は固体撮像素子１であり、本実施例の撮影方法はその固体撮像素子１を用いた撮影方法である。本実施例では、撮影対象システム９０に設けられた試料Ｓを撮影する。この撮影対象システム９０には、試料Ｓ、光源９１、及び制御信号生成部９２が含まれる。制御信号生成部９２で生成される制御信号が光源９１に供給される毎に光源９１から試料Ｓに光が照射される。本実施例の固体撮像素子１はこの試料Ｓの蛍光像を撮影する。制御信号生成部９２において生成される制御信号の周波数は20MNzである。
【００１７】
図１に、本実施例の固体撮像素子１の概略構成と撮影対象システム９０の概略構成を示す。本実施例の固体撮像素子１は、イメージセンサ２、駆動信号生成部５、位相同期回路（PLL: Phase Locked Loop）６、内部クロック７、及び同期信号周期計測部８を備えている。また、固体撮像素子１には、外部信号入力部９が設けられている。外部信号入力部９から入力された信号は、駆動信号生成部５、位相同期回路６、及び同期信号周期計測部８にそれぞれ入力される。位相同期回路６は、外部信号を逓倍（本実施例では5倍）して擬似クロック信号を生成し、駆動信号生成部５に入力する。また、内部クロック７では100MHzのクロック信号が生成される。同期信号周期計測部８は、エッジ検出部８１、カウンタ８２、及び判定部８３を備えている。
【００１８】
イメージセンサ２には、複数の画素が配置された矩形状の画素領域３と、該画素領域３から空間的に分離され、複数の記憶素子が配置された矩形状の記憶領域４が設けられている。画素領域３には、10万個の画素１０が250×400個の２次元アレイ状に配置されている。記憶領域４には、画素１０と同数（即ち10万個）の記憶ユニット４０が250×400個の２次元アレイ状に配置されている。さらに、各記憶ユニット４０には128個の記憶素子３７が配置されており、各画素１０と該画素１０に対応する後述の記憶ユニット４０内の記憶素子３７は画素出力線５０で接続されている（図４も参照）。画素１０から読み出された信号は、該画素１０に対応する記憶ユニット４０内の記憶素子３７に順に出力され該記憶素子３７に保持される。これらの動作は、駆動信号生成部５により生成される駆動信号によって制御される。
【００１９】
図２に画素領域３に配置される各画素１０の回路構成を示す。各画素１０には、フォトダイオード１１と、該フォトダイオード１１に接続された信号読み出し線の先に設けられた、光電荷を転送するための転送トランジスタ１２と、該転送トランジスタ１２を介してフォトダイオード１１に接続され、光電荷を一時的に蓄積するとともに電圧信号に変換するフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３と、フローティングディフュージョン１３に蓄積された電荷を排出するためのリセットトランジスタ１４と、フローティングディフュージョン１３に蓄積された電荷を電圧信号として出力するための、従属接続された２個のトランジスタ１５１、１５２で構成されるソースフォロアアンプ１５と、該電圧信号を画素１０の外部に読み出すための出力制御用トランジスタ１６とが配置されている。リセットトランジスタ１４とトランジスタ１５１にはそれぞれ電源ＶＤＤが接続されている。さらに、トランジスタ１５２のゲートには、定電圧（バイアス電圧）ＶＢＩＡＳが接続されている。
【００２０】
転送トランジスタ１２、リセットトランジスタ１４、及び出力制御用トランジスタ１６のゲート端子には、それぞれφＴ、φＲ、φＸなる駆動信号を供給するための駆動ライン（図示なし）が接続される。各駆動ラインには駆動信号生成部５で生成された駆動信号が供給される。本実施例で、図３に示すように、各周期の開始直後の時間帯ΔＴ１にφＴとφＲをオンにしてフローティングディフュージョン１３内の電荷をリセットし、次の時間帯ΔＴ２にφＴのみをオンにしてフォトダイオード１１で生成された電荷をフローティングディフュージョン１３に蓄積し、最後の時間帯ΔＴ３にφＸのみをオンにしてフローティングディフュージョン１３に蓄積された電荷を当該画素１０に対応づけられた記憶ユニット４０内の記憶素子３７の１つに出力する。図３に示すように、画素１０の各トランジスタに対して異なるタイミングで駆動信号を送信するには、1周期（1フレーム分の画像を取得する期間）に複数の異なるタイミングで駆動信号を供給する必要がある。言い換えると、1周期あたり複数回、クロック信号が供給される必要がある。つまり、擬似クロック信号の周波数は、生後信号の周波数の少なくとも2倍以上である必要がある。図３の例では1周期あたり3回、クロック信号が供給されれば画素１０を動作させることが可能であるが、サンプリング間隔を1周期の半分以上（図３の例では1周期の3/5）にして画素１０内のフローティングディフュージョン１３に十分な電荷量を蓄積させることが好ましいことから、その倍率は5倍以上であるとよい。この倍率が大きくなるほど、画素１０における電荷の蓄積等の処理を細かに制御することができる。
【００２１】
図４は、画素１０と該画素１０に対応する記憶ユニット４０の接続、及び記憶ユニット４０内の回路構成を示す図である。図４には１つの画素１０と該画素１０に対応する記憶ユニット４０のみを記載しているが、上述のとおり、画素１０と記憶ユニット４０はいずれも250×400個の２次元アレイ状に配置されている。
【００２２】
画素１０から延設されている画素出力線５０は、書き込み用トランジスタ３１を介して記憶ユニット４０内の記憶素子に接続されている。記憶ユニット４０には、蓄積フレーム数Ｌ（本実施例ではＬ＝１２８）分のサンプリングトランジスタ３６及びコンデンサ３７（記憶素子）が設けられている。書き込み用トランジスタ３１のゲート端子には、全記憶ユニット４０に共通の駆動パルス信号φＷＳを供給するための駆動ラインが接続されている。サンプリング用トランジスタ３６のゲート端子には、１個の記憶ユニット４０に含まれるＬ個のサンプリング用トランジスタ３６を順に指定するための駆動パルス信号φＶＣＬＫ１＿Ｏ＜？＞（？は０〜１２７）を供給するシフトレジスタＶＳＲ１が接続されている。
【００２３】
シフトレジスタＶＳＲ１はスタート信号φＶＳ１とクロック信号φＶＣＬＫ１を受けて動作する。シフトレジスタＶＳＲ１は、クロック信号を１つ受信する毎に１２８個のサンプリング用トランジスタ３６のオン／オフを順に切り替える。これにより、1フレーム毎に画素１０から出力される信号が各コンデンサ３７に保持される。
【００２４】
書き込み用トランジスタ３１と記憶ユニット４０の間には、記憶ユニット４０から信号を読み出すための垂直読み出し用トランジスタ３８と水平読み出し用トランジスタ３９が接続されている。垂直読み出し用トランジスタ３８には、２次元配置された記憶ユニット４０の縦方向の位置を指定するφＶＣＬＫ０＿Ｏ＜＊＞（＊は０〜２４９）なる駆動パルス信号を供給するシフトレジスタＶＳＲ０が接続されている。また、水平読み出し用トランジスタ３９には、記憶ユニット４０の横方向の位置を指定するφＨＣＬＫ＿Ｏ＜＃＞（＃は０〜３９９）なる駆動パルス信号を供給するシフトレジスタＨＳＲが接続されている。記憶ユニット４０内のコンデンサ３７から出力信号を読み出す際には、垂直読み出し用トランジスタ３８と水平読み出し用トランジスタ３９を１つずつオンにして、記憶ユニット４０のうちの１つを出力端子に接続し、該記憶ユニット４０内の１２８個のサンプリング用トランジスタ３６を順に動作させることにより１２８個のコンデンサ３７に保持された信号を順に外部に読み出す。１つの記憶ユニット４０内の全てのコンデンサ３７から信号を読み出すと、垂直読み出し用トランジスタ３８又は／及び水平読み出し用トランジスタ３９のオン／オフを切り替えて別の記憶ユニット４０を出力端子に接続し、上記同様にして当該記憶ユニット４０内の１２８個のコンデンサ３７に保持された信号を外部に読み出す。これを全ての記憶ユニット４０について行うことにより画像データの読み出しが完了する。
【００２５】
次に、本実施例の固体撮像素子１を用いた撮影動作を説明する。使用者が撮影対象システム９０の制御信号生成部９２で生成される制御信号を固体撮像素子１の外部信号入力部９に入力すると、該制御信号は、駆動信号生成部５、位相同期回路６、及び同期信号周期計測部８にそれぞれ入力される。
【００２６】
位相同期回路６では、入力された制御信号から、該制御信号の周波数を予め決められた整数倍（逓倍）した周波数の信号を生成して駆動信号生成部５に入力する。本実施例では、制御信号生成部９２で生成された20MHzの制御信号から、100MHzの信号が生成される。ここで生成される信号を擬似クロック信号と呼ぶ。駆動信号生成部５では、この擬似クロック信号を用いて予め決められたパターンの駆動信号（例えば図３に示したパターンの駆動信号）をイメージセンサ２の各部に送信する。本実施例では、制御信号の周波数を5倍した周波数の擬似クロック信号を基準として各部を制御するため、図３に示したように1周期（1フレーム）につき5つの異なるタイミングで駆動信号を各部に送信して撮影動作を制御することができる。
【００２７】
また、外部信号入力部９から同期信号周期計測部８に入力された制御信号は、エッジ検出部８１に入力される。エッジ検出部８１では制御信号（制御パルス）の立ち上がりを検出すると、カウント開始を指示するトリガー信号をカウンタ８２に送信する。カウンタ８２には、固体撮像素子１が持つ内部クロック７が接続されており、該内部クロック７で生成された100MHzのクロック信号（内部クロック信号）が入力される。なお、位相同期回路６により撮影対象システム９０の制御信号から生成された擬似クロック信号と、固体撮像素子１の内部クロック７が生成する内部クロック信号の周波数は同じであるが、これらは非同期（位相が異なる）信号である。
【００２８】
カウンタ８２では、エッジ検出部８１からトリガー信号を受信する毎に、内部クロック７から入力される内部クロック信号の数をカウントし、その結果を判定部８３に出力する。本実施例では、制御信号の周波数が20MHzであり内部クロック信号の周波数が100MHzであることから、カウンタ８２によるカウント数は常に5になるはずである。判定部８３は、カウンタ８２から送信される内部クロック信号の数が所定値（本実施例では5）から変化した否かを判定し、変化が生じると、その情報を外部に出力（使用者に通知）する。こうした出力（通知）は、例えば制御信号に異常があることを示すランプを点灯させたり、所定の音を発したりするととにより行うことができる。また、判定部８３は、カウンタ８２から送信されるパルス数を順次、保存する。
【００２９】
固体撮像素子１では、高速かつ確実な撮影動作を担保するために、クロック周波数の安定性が高い内部クロックが用いられる。一方、撮影対象システム９０の制御信号生成部９２等の制御信号のパルス形状や周波数は、必ずしも固体撮像素子の内部クロックほど安定していないことがある。制御信号のパルス形状に歪みがあったり周波数の揺らぎがあったりすると、位相同期回路６において生成される擬似クロック信号に乱れ（例えば周波数のばらつき）が生じ撮影対象システム９０の試料Ｓを所望のタイミングで撮影することができなくなる。本実施例では、同期信号周期計測部８によって制御信号が入力される毎に内部クロック７で生成されるクロック信号のパルス数をカウントしてそのカウント数に変化がないことを確認しつつ撮影動作を行うため、試料Ｓに起こる現象を所望のタイミングで確実に撮影することができる。
【００３０】
このように、本実施例の固体撮像素子１及び撮影方法では、固体撮像素子１の内部クロック７で生成される内部クロック信号ではなく、撮影対象システム９０の制御信号生成部９２において生成される制御信号を外部信号入力部９から駆動信号生成部５に入力し、また、位相同期回路６によって該制御信号の逓倍の周波数を有する擬似クロック信号を生成して駆動信号生成部５に入力する。そして、制御信号を基準として各画素１０において入射光量に対応した電荷を蓄積させる動作を開始するように駆動信号生成部５から各画素１０に駆動信号を送信する。また、擬似クロック信号を基準として各画素１０において電荷を蓄積させる動作を終了するように各画素１０に駆動信号を送信するとともに、各画素１０に蓄積された電荷に対応する信号を当該画素１０に対応付けられた記憶ユニット４０内の複数のコンデンサ３７に順に出力するように、シフトレジスタＶＳＲ１や記憶ユニット４０に駆動信号を送信する。本実施例では、このように、撮影対象システム９０で起こる現象の周期を制御する制御信号及びその逓倍の周波数を持つ擬似クロック信号により撮影動作を制御するため、撮影対象物において一定の周期で起こる現象を所望のタイミングで撮影することができる。
【００３１】
なお、本実施例では、外部から入力される制御信号のパルス形状や周波数の安定性を確認する目的で同期信号周期計測部８を用いたが、別の目的に用いることもできる。例えば、上記同様に同期信号周期計測部８に制御信号を入力し、制御信号が入力される毎に内部クロック７で生成されるクロック信号をカウントすることにより、位相同期回路６において制御信号を処理する際の倍率を決定することができる。例えば特許文献１に記載されているように、固体撮像素子１では毎秒100万枚といった極めて高速の撮影動作が可能であり、そうした動作を実現するために100MHzを超えるようなクロック信号を生成可能な内部クロック７を備えている。このような内部クロック７で生成される内部クロック信号は、一般に、測定対象に何らかの現象を生じさせる際に用いられる制御信号の数倍から数十倍といった高い周波数を有している。上記のように制御信号が入力される毎に内部クロック７で生成されるクロック信号をカウントすることにより、撮影対象から入力される制御信号の周波数を何倍にすれば内部クロックと同一の周波数になるかを求め、そうして求めた倍率により位相同期回路６で制御信号の周波数を逓倍することによって、内部クロック７と同じ周波数を持つ擬似クロック信号を基準として撮影動作を行うことができる。
【００３２】
次に、上記実施例とは異なる撮影対象システム１００の撮影対象物１０１を撮影する際に用いられる、変形例の撮影装置である固体撮像素子１aと、該固体撮像素子１aを用いた撮影方法を説明する。図５に、変形例１の固体撮像素子１aの概略構成と撮影対象システム１００の概略構成を示す。上記実施例と同じ構成要素には同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。また、各画素１０及び記憶ユニット４０の構成は上記実施例と同じであるため説明を省略する。
【００３３】
変形例の撮影対象システム１００は、制御信号生成部１０３と内部クロック１０２を備えている。内部クロック１０２を基準とする所定のタイミングで制御信号生成部１０３から制御信号が撮影対象物１０１に送信され、これにより該撮影対象物１０１に特定の現象を一定の周期で生じさせる。こうした撮影対象システム１００の一例はインクジェットプリンタである。インクジェットプリンタではプリンタへッドのノズルの基部にインク供給部と電気熱変換体が配置されている。電気熱変換体は所定の電気信号を受けると熱を発生し、その熱によりインクを発泡させてノズルから吐出させる。この動作は、インクジェットプリンタあるいは該インクジェットプリンタに接続された制御装置の内部クロック１０２を基準として制御信号生成部１０３により生成される制御信号よって制御される。
【００３４】
変形例１の固体撮像素子１は、イメージセンサ２と駆動信号生成部５を備えている。また、固体撮像素子１には、2つの外部信号入力部９a、９bが設けられている。外部信号入力部９aには、撮影対象システム１００の制御信号生成部１０３で生成される制御信号が入力され、外部信号入力部９bには撮影対象システム１００の内部クロック１０２で生成されるクロック信号が入力される。外部信号入力部９a、９bに入力された駆動信号とクロック信号は、いずれも固体撮像素子１aの駆動信号生成部５aに入力される。外部信号入力部９a、９bを通じて駆動信号生成部５aにに入力される駆動信号及びクロック信号を外部駆動信号及び外部クロック信号と呼ぶ。
【００３５】
駆動信号生成部５aでは、上記実施例と同様に駆動信号をイメージセンサ２の各トランジスタに送信することによりイメージセンサ２による撮影動作を制御する。上記実施例では、撮影対象システム９０の制御信号生成部９２で生成される制御信号のみを外部信号入力部９を介して駆動信号生成部５に入力し、該制御信号を位相同期回路６に入力して擬似クロック信号を生成した。一方、変形例１の固体撮像素子１aでは外部制御信号と外部クロック信号をそのまま使用する。変形例１のように、外部制御信号と外部クロック信号をそれぞれ駆動信号生成部５aに入力し、その制御信号を基準として各画素１０において入射光量に対応した電荷を蓄積させる動作を開始し、外部クロック信号を基準として各画素１０において電荷を蓄積させる動作を終了すると共に蓄積された電荷に対応する信号を各画素１０から該画素に対応付けられた記憶ユニット４０内の複数のコンデンサ３７に順に出力することによっても、上記実施例と同様に、撮影装置とは独立に一定の周期で生成される制御信号の下で起こる現象を所望のタイミングで撮影することができる。
【００３６】
次に、本発明に係る撮影装置のさらに別の実施例である変形例２の撮影システム１１０について、図６を参照して説明する。変形例の撮影システム１１０は2台の固体撮像素子１b、１cを備えており、これら2つの固体撮像素子１b、１cによって撮影対象システム９０の試料Ｓを異なる方向から撮影する。撮影対象システム９０は図１を参照して説明した実施例における撮影対象システム９０と同じであり、試料Ｓ、該試料Ｓに光を照射する光源９１、及び該光源９１に制御信号を供給する制御信号生成部９２が含まれている。
【００３７】
撮影対象システム９０に接続される固体撮像素子１bの基本的な構成は、図１を参照して説明した上記実施例１と同様であるが、2つの信号出力部９c、９dを備えているという点で上記実施例の固体撮像素子１と異なっている。信号出力部９cからは、固体撮像素子１の外部信号入力部９に入力された信号が出力される。信号出力部９dからは、固体撮像素子１の位相同期回路６において外部制御信号から生成された、該外部制御信号の逓倍の周波数を有する擬似クロック信号が出力される。
【００３８】
固体撮像素子１cの基本的な構成は、図５を参照して説明した変形例１の固体撮像素子１aと同じ構成を有している。ただし、外部信号入力部９aには固体撮像素子１bの信号出力部９cから出力された外部制御信号（撮影対象システム９０の制御信号生成部９２で生成されたもの）が入力され、外部信号入力部９bには固体撮像素子１bの信号出力部９dから出力された擬似クロック信号が入力される。
【００３９】
このように、変形例２の撮影システム１１０では、撮影対象システム９０の制御信号生成部９２において生成される制御信号を外部信号入力部９から固体撮像素子１bの駆動信号生成部５に入力し、また該固体撮像素子１cの駆動信号生成部５bにも入力する。また、固体撮像素子１bの位相同期回路６によって外部制御信号の逓倍の周波数を有する擬似クロック信号を生成して固体撮像素子１bの駆動信号生成部５に入力し、また該固体撮像素子１cの駆動信号生成部５bにも入力する。そして、外部制御信号を基準として固体撮像素子１b、１cそれぞれの各画素１０において入射光量に対応した電荷を蓄積させる動作を開始するように駆動信号生成部５、５bから各画素１０に駆動信号を送信する。また、擬似クロック信号を基準として固体撮像素子１b、１cそれぞれの各画素１０において電荷を蓄積させる動作を終了するように各画素１０に駆動信号を送信するとともに、各画素１０に蓄積された電荷に対応する信号を当該画素１０に対応付けられた記憶ユニット４０内の複数のコンデンサ３７に順に出力するように、シフトレジスタや記憶ユニット４０に駆動信号を送信する。変形例２の撮影システム１１０においても、このように、撮影対象システム９０で起こる現象の周期を制御する外部制御信号及びその逓倍の周波数を持つ擬似クロック信号により2台の固体撮像素子１b、１c両方の撮影動作を制御するため、該制御信号による制御の下で撮影対象物において一定の周期で起こる現象を2台の固体撮像素子１b、１cによって所望のタイミングで撮影することができる。
【００４０】
上記実施例及び変形例１並びに変形例２はいずれも一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。上記実施例や変形例はいずれも固体撮像素子を用いたが、固体撮像素子以外の撮影装置を用いても上記同様に構成することができる。
【００４１】
上記変形例１では同期信号周期計測部を有しない構成としたが、変形例１においても同期信号周期計測部を設け、外部制御信号の乱れが生じたことを通知可能としてもよい。また、変形例２では、制御信号のみを出力可能な撮影対象システム９０に接続される場合を例に説明したが、制御信号及びクロック信号を出力可能な撮影対象システム１００に接続される場合には、外部制御信号及び外部クロック信号を1台目の固体撮像素子に入力し、該固体撮像素子を介して2台目の固体撮像素子に外部制御信号及び外部クロック信号を入力するように構成することもできる。
【００４２】
さらに、上記実施例等では、1フレーム分の画像を取得する周期に5つの擬似クロック信号又は外部クロック信号を供給し、1周期内の異なる5つのタイミングでイメージセンサ２各部に駆動信号生成部５、５a、５bから駆動信号を供給する構成としたが、実施例及び変形例２では、位相同期回路６により生成する擬似クロック信号の周波数を高くすることによって、各画素１０における電荷の蓄積動作及び各画素１０から記憶ユニット４０への信号読出し動作をより細やかに制御することができる。
【００４３】
位相同期回路６において、上記実施例や変形例２よりも高い倍率で外部制御信号から擬似クロック信号を生成する場合に用いることが可能な画素１０aの回路構成の一例を図７に示す。この画素１０aは、フォトダイオード１１、転送トランジスタ１２、フローティングディフュージョン１３、リセットトランジスタ１４、バッファトランジスタ１７、第１電流遮断用トランジスタ１８、第１バイアストランジスタ１９、第１コンデンサ２０、第１サンプリングトランジスタ２１、第２サンプリングトランジスタ２２、第２コンデンサ２３、ソースフォロア増幅用トランジスタ２４、第２電流遮断用トランジスタ２５、負荷電流源用トランジスタ２６、及び出力制御用トランジスタ２７を含んで構成されている。
【００４４】
転送トランジスタ１２、リセットトランジスタ１４、第１電流遮断用トランジスタ１８、第１サンプリングトランジスタ２１、及び第２サンプリングトランジスタ２２のゲート端子には、それぞれφＴ、φＲ、φＸ１、φＮＳ、φＳＳなる駆動パルス信号（制御信号）を供給するための駆動ラインが接続されている。また、第２電流遮断用トランジスタ２５及び出力制御用トランジスタ２７のゲート端子にはφＸ２なる駆動パルス信号（制御信号）を供給するための駆動ラインが接続されている。
【００４５】
撮影時には、まず、転送トランジスタ１２をオフ（φＴ：オン→オフ）にしてフォトダイオード１１をフローティング状態にし、光電変換で発生した電荷の蓄積（露光）を開始する。このとき、フローティングディフュージョン１３はリセット電圧ＶＲにリセットされている。少し遅れてリセットトランジスタ１４をオフ（φＲ：オン→オフ）にしてフローティングディフュージョン１３をフローティング状態にする。このとき、フローティングディフュージョン１３の電圧はリセット電圧ＶＲ＋リセットノイズ電圧になる。続いて、第１サンプリングトランジスタ２１、第２サンプリングトランジスタ２２を共にオン（φＮＳ、φＳＳ：オフ→オン）にして、第１コンデンサ２０の第２サンプリングトランジスタ２２側の端子電圧と第２コンデンサ２３の第２サンプリングトランジスタ２２側の端子電圧をいずれもリセット電圧ＶＲにリセットする。
【００４６】
さらに、第１サンプリングトランジスタ２１のみをオフ（φＮＳ：オン→オフ）にし、第１コンデンサ２０の第２サンプリングトランジスタ２２側の端子と第２コンデンサ２３の第２サンプリングトランジスタ２２側の端子をいずれもフローティング状態にする。このとき、バッファトランジスタ１７を通して第１コンデンサ２０に与えられる電圧がリセット電圧＋リセットノイズ電圧であれば、ソースフォロア増幅用トランジスタ２４のゲート端子に印加される電圧はリセット電圧ＶＲになるため、リセットノイズが除去される。その後、転送トランジスタ１２をオン（φＴ：オフ→オン）にして、フォトダイオード１１からフローティングディフュージョン１３に信号電荷を転送する。これにより、ソースフォロア増幅用トランジスタ２４のゲート端子に印加される電圧は、リセット電圧ＶＲから［正味の信号電圧］×［ＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング）回路のゲイン］だけ下がる。
【００４７】
さらに、第２サンプリングトランジスタ２２もオフ（φＳＳ：オン→オフ）にすると、ソースフォロア増幅用トランジスタ２４のゲート端子に印加される電圧が確定する。このときの電圧はリセットノイズ電圧が除かれた［正味の信号電圧］×［ＣＤＳ回路のゲイン］なる電圧である。その後、出力制御用トランジスタ２７をオン（φＸ２；オフ→オン）にして、フローティングディフュージョン１３におけるリセットノイズを含まない信号電圧を、ソースフォロア増幅用トランジスタ２４を介して画素出力線５０に出力する。このような画素１０aを用いることにより、ノイズを低減してS/N比の高い画像データを取得することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１、１a、１b、１c…固体撮像素子
１１０…撮影システム
２…イメージセンサ
３…画素領域
１０、１０a…画素
４…記憶領域
４０…記憶ユニット
５０…画素出力線
５、５a、５b…駆動信号生成部
６…位相同期回路
７…内部クロック
８…同期信号周期計測部
８１…エッジ検出部
８２…カウンタ
８３…判定部
９、９a、９b…外部信号入力部
９c、９d…信号出力部
９０…撮影対象システム
９１…光源
９２…制御信号生成部
１００…撮影対象システム
１０１…撮影対象物
１０２…内部クロック
１０３…制御信号生成部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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