(57)【要約】【課題】高飽和性能と高感度性能が両立した受光デバイスを提供する。【解決手段】受光素子、該受光素子の受光により発生する光電荷を蓄積する第一の容量素子（１）、該容量素子（１）に蓄積されている光電荷の量の一部が転送されて蓄積される第二の容量素子（２）、前記容量素子（１）から前記容量素子（２）への光電荷転送動作のON-OFFを行うためのスイッチ手段（Ｓ）、前記容量素子（１）と前記容量素子（２）をリセットするためのリセット用スイッチ手段（Ｒ）、画素選択用スイッチ手段（Ｘ）、ソースフォロワースイッチ手段（ＳＦ）、を備えた受光画素を有し、前記容量素子（１）の実効飽和容量（１）が前記容量素子（２）の実効飽和容量（２）の１０〜５０００倍である、ことを特徴とする。【選択図】図１
2018221074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子、
該受光素子の受光により発生する光電荷を蓄積する第一の容量素子（１）、
該容量素子（１）に蓄積されている光電荷の量の一部が転送されて蓄積される第二の容量素子（２）、
前記容量素子（１）から前記容量素子（２）への光電荷転送動作のＯＮ−ＯＦＦを行うためのスイッチ手段（Ｓ）、
前記容量素子（１）と前記容量素子（２）をリセットするためのリセット用スイッチ手段（Ｒ）、
画素選択用スイッチ手段（Ｘ）、
ソースフォロワースイッチ手段（ＳＦ）、
を備えた受光画素を有し、
前記容量素子（１）の実効飽和容量（１）が前記容量素子（２）の実効飽和容量（２）の１０〜５０００倍である、
ことを特徴とする受光デバイス。
【請求項２】
受光素子、
該受光素子の受光により発生する光電荷を蓄積する第一の容量素子（１）、
該容量素子（１）に蓄積されている光電荷の量の一部が転送されて蓄積される第二の容量素子（２）、
前記容量素子（１）から前記容量素子（２）への光電荷転送動作のON-OFFを行うためのスイッチ手段（Ｓ）、
前記容量素子（１）と前記容量素子（２）をリセットするためのリセット用スイッチ手段（Ｒ）、
画素選択用スイッチ手段（Ｘ）、
ソースフォロワースイッチ手段（ＳＦ）、
を備えた受光画素を有し、
前記容量素子（１）の実効飽和容量（１）が前記容量素子（２）の実効飽和容量（２）の１０〜５０００倍である、
受光デバイスの信号読み出し方法であって、
前記受光デバイスを必要に応じてリセットした後に、
前記容量素子（１）の実効飽和容量を満たすのに必要十分な光電荷量を発生し得る光量の光を前記受光素子に照射して、該受光素子内で発生した光電荷で前記容量素子（１）の容量を実効飽和容量まで満たし、
次いで、前記スイッチ手段（X）をONにして前記受光画素を選択し、次いで、前記スイッチ手段（Ｓ）の前記容量素子（１）から前記容量素子（２）への光電荷の転送時の前記容量素子（１）に対するポテンシャル障壁を超える電荷量を前記容量素子（１）から前記容量素子（２）へ転送して蓄積し、次いで、前記スイッチ手段（Ｘ）をＯＮにして前記容量素子（２）に蓄積された電荷量に応じた電圧信号を前記受光画素より出力することを特徴とする受光デバイスの信号読み出し方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光デバイスおよび受光デバイスの信号読み出し方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサに代表される受光（センサ）デバイスは、情報機器、医療、防犯、車載、エネルギー・環境、農業、インフラ、宇宙、防衛等、様々な分野で広く利用されている。
受光デバイスは、画像による情報伝達が主力になるにつれて一般の写真撮影の他、ライフサイエンス、防犯、車載、エネルギー・環境、医用、インフラ、宇宙、防衛、農業、食品、資源調査、防災分野等の様々な分野で撮像・計測・分析の装置などの構成デバイスとしての光入力デバイスや光検出デバイスとして広く応用されて来ており、その重要性は急速に増している。【０００３】
その中で、計量・計測・分析などの分野においては、微小な光量変化を高感度・高速に計測・計量できる受光デバイスやその信号読み出し方法が求められている。そして、その用途の拡大と事業展開をより一層加速するためには、より一層微小な光量変化をより高感度・より高速に計測・計量できる受光デバイスやその信号読み出し方法が必要である。
特に、微小光信号や微小光量変化信号を的確に計測する受光センサ技術は、完成度の高さも含めて市場が強く求めている技術の一つである。
その中で、例えば、特許文献１などに記載された受光センサが注目されてきている。特許文献１に記載の受光センサは、確かに、高感度・高速処理・広ダイナミックレンジ・広光波長帯域対応ということで優れたセンサである。
極微量の被検出物質を吸光分析により精度よく分析するには、極微量の被検出物質を含む被検体に照射する光量を多くすることが考えられるが、そのためには、電荷を電圧に変換する際のコンバージョンゲインをある程度大きくするとともに受光センサの飽和電荷量をも大きくする必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開公報ＷＯ２０１６/０８０３３７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の受光センサにおいては、飽和電荷量が受光画素内で電荷電圧変換を行うフローティングディフュージョン（ＦＤ）の容量（CFD）に比例し，コンバージョンゲインが容量（CFD）に反比例するため，飽和電荷量とコンバージョンゲインとの間にトレードオフ関係があるので、高分析精度を要求する吸光分析の分野などにおいては高感度・高速処理・広ダイナミックレンジ・広光波長帯域対応という優位性を必ずしも活かせるものではなかった。【０００６】
本発明は、上記点に鑑み鋭意なされたものであって、その目的の一つは、高飽和性能と高感度性能が両立した受光デバイスを提供することである。
本発明のもう一つの目的は、高感度・高速処理・広ダイナミックレンジ・広光波長帯域対応という優位性を維持しながら高精度・高感度分析を可能とする受光デバイスの信号読み出し方法を提供することである。【０００７】
本発明の更にもう一つの目的は、高分析精度を要求する吸光分析の分野などに大いに貢献することが出来る受光デバイスの信号読み出し方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つの側面は、
受光素子、該受光素子の受光により発生する光電荷を蓄積する第一の容量素子（１）、該容量素子（１）に蓄積されている光電荷の量の一部が転送されて蓄積される第二の容量素子（２）、前記容量素子（１）から前記容量素子（２）への光電荷転送動作のＯＮ-ＯＦＦを行うためのスイッチ手段（Ｓ）、前記容量素子（１）と前記容量素子（２）をリセットするためのリセット用スイッチ手段（Ｒ）、画素選択用スイッチ手段（Ｘ）、ソースフォロワースイッチ手段（ＳＦ）、を備えた受光画素を有し、前記容量素子（１）の実効飽和容量（１）が前記容量素子（２）の実効飽和容量（２）の１０〜５０００倍である、ことを特徴とする受光デバイスである。【０００９】
本発明のもう一つの側面は、受光素子、該受光素子の受光により発生する光電荷を蓄積する第一の容量素子（１）、該容量素子（１）に蓄積されている光電荷の量の一部が転送されて蓄積される第二の容量素子（２）、前記容量素子（１）から前記容量素子（２）への光電荷転送動作のＯＮ-ＯＦＦを行うためのスイッチ手段（Ｓ）、前記容量素子（１）と前記容量素子（２）をリセットするためのリセット用スイッチ手段（Ｒ）、画素選択用スイッチ手段（Ｘ）、ソースフォロワースイッチ手段（ＳＦ）、を備えた受光画素を有し、前記容量素子（１）の実効飽和容量（１）が前記容量素子（２）の実効飽和容量（２）の１０〜５０００倍である、受光デバイスの信号読み出し方法であって、前記受光デバイスを必要に応じてリセットした後に、前記容量素子（１）の実効飽和容量を満たすのに必要十分な光電荷量を発生し得る光量の光を前記受光素子に照射して、該受光素子内で発生した光電荷で前記容量素子（１）の容量を実効飽和容量まで満たし、次いで、前記スイッチ手段（Ｘ）をＯＮにして前記受光画素を選択し、次いで、前記スイッチ手段（Ｓ）の前記容量素子（１）から前記容量素子（２）への光電荷の転送時の前記容量素子（１）に対するポテンシャル障壁を超える電荷量を前記容量素子（１）から前記容量素子（２）へ転送して蓄積し、次いで、前記容量素子（２）に蓄積された電荷量に応じた電圧信号を前記受光画素より出力することを特徴とする受光デバイスの信号読み出し方法にある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に依れば、高飽和性能と高感度性能が両立した受光デバイス並びに高感度・高速処理・広ダイナミックレンジ・広光波長帯域対応という優位性を維持しながら高精度・高感度分析を可能とする受光デバイスの信号読み出し方法を提供することが出来、例えば、高分析精度を要求する吸光分析の分野などに大いに貢献出来る。【００１１】
本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるだろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明に関わる受光素子の受光面に配設されている受光画素の画素回路部１００を説明するための回路構成説明図である。
【図２Ａ】図２Ａは図１に示す画素回路部１００を備えた受光素子の信号読み出し原理を説明するための模式的説明図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは図２Ａに続く信号読み出し原理を説明するための模式的説明図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは図２Ｂに続く信号読み出し原理を説明するための模式的説明図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは図２Ｃに続く信号読み出し原理を説明するための模式的説明図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは図２Ｄに続く信号読み出し原理を説明するための模式的説明図である。
【図３Ａ】図３Ａは、好適な実施態様の一つを説明するための図面であって、構成を説明するためのタイミングチャートである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、好適な実施態様の一つを説明するための図面であって、動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４Ａ】図４Ａは、好適な実施態様のもう一つ別の例の構成を説明するためのタイミングチャートである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、好適な実施態様のもう一つ別の例を説明するための動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】図５は、本発明に係るイメージセンサの全体構成の主要部の好適な一例を示すものである。
【図６】図６は、イメージセンサ５００を備えた吸光分析システム６００の構成を説明するためのブロック図である。
【図７】図７は、吸光分析システム６００を用いて被検出物質の濃度体分析する際の分析手順の一例のフロー図である。
【図８】図８は、本発明に係る散乱光撮像型吸光分析システムを用いて人体の血液中の血糖値を測定する場合の模式的概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に示す画素回路部１００は、所謂、画素ソースフォロワ回路で構成されている。即ち、フォトダイオードなどの受光素子ＰＤの一つと、トランジスタなどの４つの電子スイッチ手段（Ｓ，Ｒ，ＳＦ，Ｘ）と、２つの容量素子（Ｃ１，Ｃ２）との電子素子群で構成され図示の電子回路を形成している。
受光することで受光素子（ＰＤ）１０１内に発生した光電荷は、容量素子（Ｃ１）１０２に一旦蓄積される。容量素子（Ｃ１）１０２に蓄積され光電荷の一部若しくは全部は、電荷転送用のスイッチ手段（Ｓ）１０３が段階的ないし漸近的にＯＮ状態になることで、容量素子（Ｃ２）１０４に転送される。容量素子（Ｃ２）１０４は、電荷電圧変換を行うために利用される。
図１に於いて、「ＶＲ」はリセット電圧、「ＶＤＤ」は電源電圧を意味する。
画素選択スイッチ手段（Ｘ）１０５がＯＮされると、ソースフォロア・スイッチ手段（ＳＦ）１０６を介して容量素子（Ｃ２）１０４に転送された電荷量に相当する大きさの電圧信号が画素列出力信号線１０７に出力される。
【００１４】
次に、図２Ａ乃至図２Ｃにより、本発明の信号読み出し方法の原理を説明する。以下、本発明の特徴の一つを説明するのに適切な典型例の一つ、即ちごく微量の物質を検出する吸光分析の場合の例で説明する。
図２Ａは、受光によって受光素子（ＰＤ）１０１内に発生した光電荷が容量素子（Ｃ１）１０２に蓄積されている状態を説明するために模式的に示したポテンシャル図、図２Ｂは、図２Ａに示すように十分量の光電荷が蓄積された状態から、一部の電荷量の光電荷を容量素子（Ｃ２）１０４に転送する様子を模式的に説明するためのポテンシャル図、図２Ｃは、一部の電荷量の光電荷が容量素子（Ｃ２）１０４に転送された様子を模式的に説明するためのポテンシャル図である。
【００１５】
この例においては、極微量の被検出物質を検出するために、大光量の光を被検体セルの所定位置に照射する。被検体セルに照射された光は、被検体セル中を透過してくる透過光、被検体セル中で反射される反射光、散乱されてくる散乱光、のいずれかの光を受光素子（または受光デバイス）で受光する。
本発明においては、容量素子（Ｃ１）１０２の電荷蓄積の飽和容量は、大きな光量の光を受光してもオーバーフローしないように十分な容量とされる。実効的には、極微量の被検出物質が確実に検出できる検出精度と高い受光感度を得るための設計思想に基づいて被検出物質への照射光量と容量素子（Ｃ１）１０２の電荷蓄積の飽和容量および受光素子（あるいは受光デバイス、以後「受光デバイス」も含めて「受光素子」ということがある）の受光感度・ＳＮ比が適宜選択されて採用される。
【００１６】
容量素子（Ｃ１）１０２の電荷蓄積容量に比して容量素子（Ｃ２）１０４の電荷蓄積の飽和容量は、目的の分析性能で吸光分析ができる設計思想に従い必要最小限の飽和容量とされるのが望ましい。即ち、電荷量を電圧に変換する際のコンバージョンゲインを大きくとるために、容量素子（Ｃ２）１０４の電荷蓄積の飽和容量は出来る限り小さくするのが望ましい。
【００１７】
本発明においては、被検出物質を検出するのに使用される光源からの照射光量は、該照射光量を受光素子が受光することで生成される光電荷量が容量素子（Ｃ１）１０２の飽和容量か該飽和容量より少ないが、本発明の目的に適う範囲において該飽和容量として実質的に近似してもよい容量（以後、「実質飽和容量」ということもある）になるまで蓄積される光量である。
【００１８】
尚、本発明においては、以後、「飽和容量」の用語は、特に断ることがない場合は、本来の技術的意味の他に前記の「実質飽和容量」の意味も含むものとして用いる。
又、前記飽和容量或いは前記実質飽和容量を満たすのに必要十分な光電荷量を発生させるのに必要な照射光量として以後、「飽和照射光量」の用語を用いる。
更には、光源からの照射光量は、所期の目的を達成する検出精度の程度に応じて、ブランク照射（被検出物質なしでの照射）において生成される光電荷量が前記飽和容量に満たない範囲の容量（以後、「未飽和容量」と記す）を満たす量の光電荷を発生させるに必要十分な照射光量（以後、「未飽和照射光量」ということもある）とされてもいい。特に、受光素子の物理寸法が十分大きくとれて容量素子（Ｃ１）１０２の飽和容量も十分大きくとれる場合には、未飽和照射光量として、前記飽和照射光量よりもそれなりに少な目の光源照射光量とすることもできる。
【００１９】
例えば、この場合の未飽和照射光量としては、ブランク照射において生成される光電荷量が前記飽和容量の好ましくは１５％減、より好ましくは１０％減、より一層好ましくは５％減とするのが望ましい。しかしながら、受光素子のコンパクト化の視点からでは、出来る限り前記飽和照射光量程度の照射光量を選択するのが好ましい。
本発明においては、以後、容量素子に蓄積される前記未飽和照射光量により発生する光電荷量分の容量を「未飽和容量」という。
尚、本発明においては、「飽和照射光量」の技術的意味の他に前記実質飽和照射光量の技術的意味および前記未飽和照射光量の技術的意味をも含んで、以後、「実効飽和照射光量」という用語を用いる。
又、本発明においては、「飽和容量」の技術的意味の他に前記「実質飽和容量」および前記「未飽和容量」の技術的意味をも含んで、以後、「実効飽和容量」という用語を用いる。
【００２０】
図２Ａに示す電荷蓄積状態は、容量素子（Ｃ１）１０２には、飽和容量よりやや少なめの光電荷量が蓄積されていることを示している。この蓄積されている電荷量により齎される電圧はVAで示されている。因みに、容量素子（Ｃ１）１０２の飽和容量での電圧は、VSI（「スイッチ手段（Ｓ）１０３」の飽和ポテンシャル障壁電圧に相当する）として図示してある。
図２Ｂに示す電荷蓄積状態は、図２Ａに示す電荷蓄積状態から蓄積電荷量の上澄み量（以後「転送電荷量」ということもある）に当たる電荷量を容量素子（Ｃ２）１０４に転送する状態を示す。容量素子（Ｃ１）１０２から容量素子（Ｃ２）１０４への電荷の転送は、スイッチ手段（Ｓ）１０３のゲート電圧を高くして、高くして、スイッチ手段（Ｓ）１０３の容量素子（Ｃ１）に対するポテンシャル障壁電圧を電圧VAより低い電圧VSとすることでなされる。転送電荷量は電位差（VA―VS）に対応する電荷量である。
【００２１】
容量素子（Ｃ２）１０４に転送する電荷量は、受光素子の受光感度とＳＮ比に応じて出来るだけ少ない方がコンバージョンゲインをより大きくとることが出来る。
本発明においては、容量素子（Ｃ１）１０２の電荷蓄積の飽和容量（以後「飽和容量（１）」ということもある）を大きくすることで、ブランク照射（被検出物質なしの場合での照射）の光量を大きくし、極微量であったとしても被検出物質による照射光の吸収光量を大きくすることで検出精度を高めるものである。
更に、飽和容量（１）が大きいと高照度光を被検出物質に照射して被検出物質の吸収光量を稼ぐことができ、結果的に高感度吸収分析が可能となる。
【００２２】
上記のように、容量素子（Ｃ１）１０２の飽和電荷蓄積量に見合った光量として実効照射光量が予め設定されている場合でも、吸収分析開始前に、ブランクサンプル（被検出物質を含まないサンプル）に前記実効照射光量の光を照射して容量素子（Ｃ１）１０２の飽和電荷蓄積量を確認しておくことは被検出物質をより精度良く確実に測定できるということで好ましいことである。
【００２３】
図２Ｃは、スイッチ手段１０３のゲート電圧を高くして、スイッチ手段１０３の容量素子（Ｃ１）１０２に対するポテンシャル障壁電圧をVSIからVSに低減することで図２Ｂに示す状態からの移行直後状態を示すものである。
スイッチ手段１０３のゲート電圧が、スイッチ手段１０３の容量素子（Ｃ１）１０２に対するポテンシャル障壁電圧VSになるようにセットされると、容量素子（Ｃ１）１０２に蓄積されている電荷量QAの中、上澄み電荷量（電荷量Qα）が容量素子（Ｃ２）１０４に転送されて蓄積される。容量素子（Ｃ２）１０４に転送された電荷量Qαは、下記式（１）より電圧Vαが与えられる。
【００２４】
Vα＝（VA―VS）×C1／C2・・・・・・（１）
【００２５】
図２Ｄは、被検出物質に照射して被検出物質を検出する場合に被検出物質の吸収光量分だけ減量された照射光量によって発生した光電荷量が容量素子（Ｃ２）１０２に蓄積され、その後スイッチ手段１０３のゲート電圧が、スイッチ手段１０３の容量素子（Ｃ１）１０２に対するポテンシャル障壁電圧がVSIからVSにセットされることで電位差（VB―VS）に対応する上澄み電荷量（電荷量Qβ）が容量素子（C2）１０４に転送される直前の状態が示される（図２Ｂに対応）。容量素子（Ｃ２）１０４に転送された電荷量Qβは、下記式（２）より電圧Vβが与えられる。
【００２６】
Vβ＝（VB―VS）×C1／C2・・・・・・（２）
【００２７】
図２Ｅは、図２Ｃに対応する。即ち、図２Ｅは、スイッチ手段１０３のゲート電圧を、スイッチ手段１０３の容量素子（Ｃ１）１０２に対するポテンシャル障壁電圧がVSIからVSに低減するように変化させることで図２Ｂに示す状態からの移行直後状態を示すものである。式（１）から式（２）を引くことで、被検出物質の検出量を検出することが出来る。
上記の説明例においては、光源の実効照射光量が予め設定されている場合について詳述したが、光源の照射光量が予め設定されていない場合であっても、その照射光量が前記実効照射光量未満であれば、以下のようにして被検出物質の検出量を検出することが出来る。
【００２８】
先ず、スイッチ手段１０２のゲートに電圧VS1を印加した状態でブランクサンプル（被検出物質を含まないサンプル）に光源からの光をブランクサンプルに照射して容量素子（Ｃ１）１０２に光電荷量を蓄積する。
その後、スイッチ手段１０２のゲート電圧を漸次或いは段階的に減少させて容量素子（Ｃ１）１０２に蓄積されている電荷が容量素子（Ｃ２）１０４に転送され始める直前のゲート電圧（Ｖ１）を求める。
次いで、Ｖ１より低い電圧（Ｖ２）をスイッチ手段１０２のゲートに印加し容量素子（Ｃ１）１０２に蓄積されている光電荷量の中、上澄み電荷量（Ｑ１）を容量素子（Ｃ２）１０４に転送する。この際の上澄み電荷量（Ｑ１）は、信号検出精度を高めるためにコンバージョンゲインをより大きくとるという視点からは少ない量程好ましいが、被検出物質の検出濃度範囲を広げるという視点からは多い量程好ましい。コンバージョンゲインと被検出物質の検出範囲はトレードオフの関係にあるため、上澄み電荷量（Ｑ１）は被検出物質の検出見込み量に応じて最適値が適宜決められる。
その後の被検出物質の検出法と検出手順は、光源の照射量が予め設定されている先に記述した場合と同様である。
【００２９】
次に、図３Ａ乃至図５を参考に本発明に係る好適な実施態様について説明する。図２Ａ乃至図５中に記載されてある、英文字・ギリシャ文字記載の記号の意味は、以下の通りである。
【００３０】
ＰＤ・・・・フォトダイオードなどの受光素子
Ｃ１・・・・（光電荷蓄積を行う）容量素子
Ｃ２・・・・（電荷電圧変換を行う）容量素子
ＶＲ・・・・リセット電圧
ＶＤＤ・・・電源電圧
Ｓ・・・・・スイッチ手段
Ｒ・・・・・リセット手段
ＳＦ・・・・ソース・フォロアスイッチ手段
Ｘ・・・・・画素選択手段
ＶＳＩ・・・蓄積期間中のスイッチ手段（Ｓ）のＣ１に対する飽和ポテンシャル障壁
ＶＳ・・・・上澄み電荷転送時のスイッチ手段（Ｓ）のＣ１に対するポテンシャル障壁
ＱＡ・・・・ブランク照射においてＣ１に蓄積される光電荷量
ＶＡ・・・・ブランク照射においてＣ１で発生する電圧
Ｑα・・・・ブランク照射における転送電荷量
Ｖα・・・・ブランク照射における転送電荷によってＣ２で発生する信号電圧
ＱＢ・・・・被検体物質による吸光がある光照射においてＣ１に蓄積される光電荷量
ＶＢ・・・・被検体物質による吸光がある光照射においてＣ１で発生する電圧
Ｑβ・・・・被検体物質による吸光がある光照射における転送電荷量
Ｖβ・・・・被検体物質による吸光がある光照射における転送電荷によってＣ２で発生する信号電圧
ＶＶＣＬＲ・・・画素出力線リセット電圧
ＣＮ・・・・・・Ｃ２リセットレベルサンプルホールド容量
ＣＳ・・・・・・光信号レベルサンプルホールド容量
ＣＣ・・・・・・カップリング容量
ＲＳ・・・・・・センスアンプリセット手段
φＶＣＬＲ・・画素出力線リセットパルス
φＳ・・・・・・スイッチ手段駆動信号
φＲ・・・・・・リセット手段駆動パルス
φＸ・・・・・・画素選択パルス
φＮＳ・・・・・Ｃ２リセットレベルサンプリングパルス
φＳＳ・・・・・光信号レベルサンプリングパルス
φＲＳ・・・・・センスアンプリセットパルス
【００３１】
図３Ａ及び図３Ｂは、好適な実施態様の一つを説明するための図面であって、図３Ａはその構成を、図３Ｂはその動作を説明するためのタイミングチャートである。
図３Ａには、本発明に係るイメージセンサのセンサ要部３００は、２次元に配された複数の受光用の画素１００の一つと、画素列出力信号線１０７、列並列回路３０１を備えている。
【００３２】
図１で示した付番のものと同じものは、図１で示した付番と同じ付番を用いてある。この点は、以後の図番においても同じである。
センサ要部３００を備えたイメージセンサの全体構成の主要部の好適な一例が図５に５００として示してある。イメージセンサ５００は、受光画素１００がｎ行ｍ列に２次元マトリックス状に配された画素アレイ５０１、行選択回路５０２、列選択回路５０３、列並列回路５０４、出力バッファ５０５、信号出力端子５０６を備えている。
【００３３】
列並列回路３０１はソースフォロワ回路駆動のための電流源３０２、画素出力線リセット手段３０３、２つのサンプルホールド用の容量素子（CN）３０４Ｎおよび容量素子（CS）３０４Ｓ,２つのサンプルホールド用の容量素子（CN）３０４Ｎおよび容量素子（CS）３０４Ｓ、の夫々へ信号を書込む（電荷蓄積する）ための２つの書き込み選択用スイッチ手段３０５Ｓ，３０５Ｎ、２つのサンプルホールド用の容量素子（CN）３０４Ｎおよび容量素子（CS）３０４Ｓ、の夫々から信号を読み出す（蓄積されている電荷を下流の出力側に転送する）ための２つの読出し選択用のスイッチ手段３０５Ｓ，３０５Ｎ，２本の出力ライン３０６Ｓ，３０６Ｎ、列選択回路出力ライン３０７を備えている。
列並列回路３０１には増幅器やＡＤ変換器を設けてもよい。
【００３４】
次に、図３Ａ，図３Ｂ，図５を用いてイメージセンサの信号読出し動作について説明する。図３Ｂは図３Ａのイメージセンサの信号読出しのタイミングチャートを示す図面である。
図５は、本発明に係るイメージセンサの全体構成の主要部の好適な一例を示すものである。図５に示すイメージセンサ５００は、画素アレイ５０１、行選択回路５０２、列選択回路５０３、列並列回路アレイ５０４、出力バッファ５０５、信号出力端子５０６を備えている。信号読出しのタイミングの概略を記せば、まず画素１００からの信号は、画素出力線１０７へ行毎に列並列で読み出され、列並列回路３０１におけるサンプルホールド容量３０５で一時保存され、その後、一時保持された信号が列毎に順次読み出される。
【００３５】
その読出し手順は、以下の通りである。
【００３６】
（１−１）行選択回路５０２で読出し対象の行を選択する。
【００３７】
（１−２）画素出力線１０７、サンプルホールド容量素子（CN）３０４Ｎ、サンプルホールド容量素子（CS）３０４Ｓのリセット動作：φVCLR、φNS、φSSを印加する各対応手段をＯＮさせて画素出力線１０７とサンプルホールド容量素子（CN）３０４Ｎ、サンプルホールド容量素子（CS）３０４Ｓをリセットする。
【００３８】
（１−３）容量素子（Ｃ２）１０４リセットレベルの読出し：画素選択用スイッチ手段（Ｘ）１０５、書き込み手段３０５ＮをＯＮさせて、対応の手段に信号φX、信号φNSを印加し、画素（ＳＦ）１００の出力と画素出力線１０７および容量素子（CN）３０４Ｎとを結合させる。その後、リセット用スイッチ手段１０８をＯＮにして信号パルスφRを印加し容量素子（Ｃ２）１０４の電位をＶＲにリセットする。その後、スイッチ手段１０８をＯＦＦとして容量素子（Ｃ２）１０４の電位をフローティングにする。このときに容量素子（Ｃ２）１０４の電位には熱ノイズが取り込まれるが、本発明においては、以下の方法でこの熱ノイズを除去することが出来る。画素ソースフォロワ回路の動作によって、Ｃ２の電位に応じた信号が画素出力線１０７及び容量素子（CN）３０４Ｎに読み出される。これが相間二重サンプリングにおけるリセットレベルのサンプリングとなる。その後、書き込み手段（CN）３０４ＮをＯＦＦさせることで、容量素子（CN）３０５Ｎに容量素子（Ｃ２）１０４のリセットレベルの信号を一時保存する。
【００３９】
（１−４）書き込み手段３０５ＳをＯＮにして信号パルスφSSを印加すると共に、スイッチ手段１０３に印加する信号パルスφSを上澄み電荷転送レベルとする。ここで、受光素子（ＰＤ）１０１および容量素子１０２（Ｃ１）に蓄積された光電荷の中、上澄み電荷転送時のスイッチ手段（Ｓ）１０３の容量素子（Ｃ１）１０２に対するポテンシャル障壁（ＶＳ）を超える電荷量が容量素子（Ｃ２）１０４に転送される。スイッチ手段（Ｓ）１０３をＯＦＦとして上澄み電荷転送を終了する。
画素出力線１０７及び容量素子（CS）３０４Ｓには、容量素子（Ｃ２）１０４に転送された電荷量に応じた電圧が読み出される。その後、書き込み手段３０５ＳをＯＦＦさせることで、容量素子（CS）３０４Ｓに光信号レベル（受光素子１０１が受光した受光量）に応じたレベルの信号を一時保存する。これが相間二重サンプリングにおける光信号レベルのサンプリングとなる。
【００４０】
（１−５）スイッチ手段（Ｓ）１０３、スイッチ手段（Ｒ）１０８をＯＮさせて、受光素子（ＰＤ）１０１、容量素子（Ｃ１）１０２、容量素子（Ｃ２）１０４をリセットする。その後スイッチ手段（Ｓ）１０３、スイッチ手段（Ｒ）１０８をＯＦＦさせて次の蓄積動作に入る。スイッチ手段（Ｘ）１０５をＯＦＦさせて画素１００と画素出力線１０７を電気的に切り離す。
【００４１】
（１−６）列並列回路３０１中の容量素子（CN）３０４Ｎ、容量素子（CS）３０４Ｓに一時保存された信号を順次選択して出力バッファを介してイメージセンサ要部３００の外部に読み出す。本実施例ではイメージセンサ要部３００の外部にある回路で読出し信号をＡＤ変換する。容量素子（CS）３０４Ｓの信号から容量素子（CN）３０４Ｎの信号を引き算することで、容量素子（Ｃ２）１０４をリセットする際に取り込まれる熱ノイズやスイッチ手段（ＳＦ）１０６のしきい値ばらつきが取り除かれ、光信号を高精度に読み出すことが出来る。
【００４２】
（１−７）行選択回路で次の読出し対象の行を選択する。
【００４３】
以上、（１−１）乃至（１−７）の動作を所定行繰り返すことでイメージセンサの１フレームの信号読出しを完了する。
【００４４】
上記に図３Ａ，図３Ｂ，図５を用いて説明したイメージセンサの信号読出し動作においては、容量素子（Ｃ２）１０４の飽和容量を小さくしても相間二重サンプリングによって容量素子（Ｃ２）１０４に蓄積されている光電荷量に基づいた光信号を高精度に読み出すことが出来る。
【００４５】
図４Ａ及び図４Ｂは、好適な実施態様のもう一つ別の例を説明するための図面であって、図４Ａはその構成を、図４Ｂはその動作を説明するためのタイミングチャートである。
本発明に係るイメージセンサのセンサ要部４００は、２次元に配された複数の受光用の画素１００の一つと、画素列出力信号線１０７、列並列回路４０１を備えている。センサ要部４００を備えたイメージセンサの全体構成の主要部の好適な一例は、センサ要部３００と同様に図５に５００として示してある。
【００４６】
次に、図４Ａ、図４Ｂ、図５を用いて、図３Ａ、図３Ｂ、図５の場合と同様にその読出し動作について説明する。図４Ａに示すセンサ要部４００は、複数の画素１００と画素出力線１０７と列並列回路４０１を備えている。列並列回路４０１は、ソースフォロワ回路駆動のための電流源４０２、画素出力線リセット手段４０３、カップリング容量素子（ＣＣ）４０４、センスアンプ４０５、センスアンプのリセット用のスイッチ（リセット）手段（ＲＳ）４０６、ラッチ４０７、カウンタ信号ライン４０８、出力バッファライン４０９、列選択回路出力ライン４１０、を備えている。列並列回路４０１は簡便な回路構成で列並列に画素信号をＡＤ変換するための構成である。
【００４７】
図４Ａに示す回路構成によれば、電荷転送用スイッチ手段１０３にカウンタ信号と同期したスロープ型の電圧を印加し、受光素子（ＰＤ）１０１から容量素子（Ｃ１）１０２へ光電荷がわずかに転送されることによって生じる画素列出力信号線１０７の電圧降下分が所定の値を超えた時刻をデジタル値として記録する。
これは、一般的なシングルスロープ型のＡ/Ｄ変換器（Analog-to-Digital Converter）における参照スロープ信号に相当する信号を直接受光用画素の回路 部に印可する方式であり、従来の列に並列してシングルスロープ型Ａ/Ｄ変換器を有するＣＭＯＳ受光センサにおいて用いられている画素列出力信号線の電圧値を参照値であるスロープ信号と比較する方式と比べて回路規模を縮小すると共に高速化することが出来る。
【００４８】
図４Ｂは図４Ａに示す列並列回路４０１を組みわせた場合の信号読出しのタイミングチャートを示す図面である。図４Ａに示すイメージセンサの信号読出しは図４Ｂのタイミングチャートに示すように以下の手順で行われる。
【００４９】
（２−１）行選択回路５０２で読出し対象の行を選択する。
【００５０】
（２−２）画素出力線１０７のリセット動作：リセット手段４０３をＯＮさせて（画素出力線リセットオアルス信号φVCLRを印加して）画素出力線１０７をリセットする。
【００５１】
（２−３）容量素子（Ｃ２）１０４のリセットレベルの読出し：画素選択用のスイッチ手段（Ｘ）１０５をＯＮさせて（画素選択パルスφXを印加して）、ソースフォロワースイッチ手段（ＳＦ）１０６の出力と画素出力線１０７およびカップリング容量素子（ＣＣ）４０４とを電気的に結合させる。その後、リセット用スイッチ手段（Ｒ）１０８をＯＮさせて（リセット手段駆動パルスφRを印加して）容量素子（Ｃ２）１０４の電位をＶＲにリセットする。
その後、スイッチ手段（Ｒ）１０８をＯＦＦとして容量素子（Ｃ２）１０４の電位をフローティングにする。このときに容量素子（Ｃ２）１０４の電位には熱ノイズが取り込まれるが、本発明においては、以下の方法でこの熱ノイズを除去することが出来る。
画素ソースフォロワ回路（回路部１００）の動作によって、容量素子（Ｃ２）１０４の電位に応じた信号が画素出力線１０７に読み出される。
その後、ＯＮ状態だったφRSをＯＦＦさせることで、センスアンプ４０５の入力電圧を中間電位にクランプする。この動作によって、容量素子（Ｃ２）１０４をリセットする際に取り込まれる熱ノイズやソースフォロア・スイッチ手段（ＳＦ）１０６のしきい値ばらつきが取り除かれ、次の動作における、容量素子（Ｃ２）１０４に転送される光電荷による容量素子（Ｃ２）１０４の電圧変化を高精度に検知することが出来る。
【００５２】
（２−４）φSのレベルを時間的にスロープ状に変化させてスイッチ手段（Ｓ）のＣ１に対するポテンシャル障壁を徐々に変化させる。列並列回路４０１のラッチ４０７には、時間的に変化するφSのレベルに同期したカウンタクロックを、カウンタ信号ライン４０８を通じて入力する。ここで、ポテンシャル障壁を超えてＰＤおよびＣ１に蓄積された光電荷がＣ２へ転送され始めるとＣ２の電位が低下し、画素出力が低下する。ここで重要な点は、ＰＤおよびＣ１に蓄積された光電荷の量に応じて画素出力が低下し始める時刻が変化することである。画素出力線１０７の電位の低下はカップリング容量（ＣＣ）を介してセンスアンプ４０５の入力レベルに伝わり、センスアンプ入力レベルにセンスアンプ４０５のしきい値を超えた変化が生じるとセンスアンプ４０５の出力がHigh状態となる。このHigh状態となる時刻がＰＤおよびＣ１に蓄積されていた光電荷量と対応する。ラッチ４０７では、センスアンプ４０５の出力がHigh状態になった時刻のデジタルカウンタ信号を保持する。
以上の動作により、光信号レベルを簡便な回路構成でデジタル変換・保持することが出来る。その後φSをＯＦＦとして上澄み電荷転送を終了する。ここで、φSの時間変化及び変化量を調整することで、ＡＤ変換の階調値、蓄積電荷の読出し範囲すなわち読出し光量範囲を調整することが出来る。
【００５３】
（２−５）φR、φSをＯＮさせて、ＰＤ、Ｃ１、Ｃ２をリセットする。その後φR、φSをＯＦＦさせて次の蓄積動作に入る。その後、φXをＯＦＦさせて画素と画素出力線１０７を電気的に切り離す。
【００５４】
（２−６）列並列回路４０１のラッチ４０７に保持されたデジタル信号を列選択回路５０３で順次選択して出力バッファを介して読み出す。
【００５５】
（２−７）行選択回路５０２で次の読出し対象の行を選択する。
以上の（２−１）乃至（２−７）の動作を所定行繰り返すことでイメージセンサの１フレームの信号読出しを完了する。
【００５６】
本発明においては、容量素子（Ｃ１）１０２の「実効飽和容量」の大きさと容量素子（Ｃ２）１０４の「実効飽和容量」の大きさは、設計される受光デバイスに要求される性能に応じて適宜決められる。特に、本発明においては、容量素子（Ｃ１）１０２の「実効飽和容量」と容量素子（Ｃ２）１０４の「実効飽和容量」との大きさの比は、受光デバイスの測定の分解能とその精度に依存する。
本発明においては、容量素子（Ｃ１）１０２の「実効飽和容量」は、容量素子（Ｃ２）１０４の「実効飽和容量」の好ましくは１０〜５０００倍、より好ましくは１００〜１０００倍であるのが望ましい。
本発明においては、容量素子（Ｃ１）１０２の電荷蓄積の飽和容量に対して容量素子（Ｃ２）１０４の電荷蓄積の飽和容量は、好ましくは、１／１００〜１／１０００とするのが望ましい。電荷蓄積の飽和容量は、好ましくは、１／１００〜１／１０００とするのが望ましい。
【００５７】
図６は、イメージセンサ５００を備えた吸光分析システム６００の構成を説明するためのブロック図である。吸光分析システム６００は、イメージセンサ５００、光源６０１、信号格納／処理部６０３、表示部６０４、制御部６０５、操作部６０６を有する。吸光分析される被検体６０２は、光源６０１とイメージセンサ５００の間であって光軸上に配設される。吸光分析システム６００は、手順に従って操作部６０６を操作することによって制御部６０５により、イメージセンサ５００、光源６０１、信号格納／処理部６０３、表示部６０４のそれぞれが制御されることで稼働する。
【００５８】
図７に、吸光分析システム６００を用いて被検出物質の濃度体分析する際の分析手順の一例のフロー図が示される。
先ず、被検体６０２がシステム６００の所定の位置にセットされてシステム６００の電源がＯＮとされる（ステップ７０１）。システム６００は、先ず、被検体６０２が新規被検体か否かを判断する（ステップ７０２）。被検体６０２が新規被検体でなければ、測定開始のステップ７０５に進む。被検体６０２が新規被検体であれば、光源波長の選択ステップ７０３に進む。ステップ７０３において、分析適正光源波長が選択されて、次のステップ７０４に進む。ステップ７０４において、検量線の取得がなされる。
検量線の取得が済むと、濃度測定開始のステップ７０５に進む。測定開始でない場合は、終了のステップ７０９に進む。測定開始がＹＥＳの場合は、ステップ７０６に進む。ステップ７０６では、被検体６０２の光源６０１よりの光を照射し、被検体６０２を介してくる照射光量をイメージセンサ５００で受光し前記照射光量に基づく光信号を得る。被検体６０２を介してくる照射光量は、透過光量、反射光量、散乱光量の何れでもよい。
ステップ７０６で測定した光信号に基づいてイメージセンサ５００から出力される出力信号がステップ７０４で取得した検量線の範囲内であれば、該検量線を用いて測定対象領域での被検体６０２内の被検出物質の濃度を演算・比較などの手法で導出する（ステップ７０８）。
ステップ７０６で測定した光信号に基づいてイメージセンサ５００から出力される出力信号がステップ７０４で取得した検量線の範囲外であれば、ステップ７０５に戻って検量線の取得を再度行った後、次のステップ７０７に進む。被検出物質の濃度を導出し終えると次にステップ７０９に進み、測定を終了する。
【００５９】
図８は、本発明に係る散乱光撮像型吸光分析システムを用いて人体の血液中の血糖値を測定する場合の模式的概略説明図である。
被検体（指）８０１の所定位置に所定角度（好ましくは４０〜５０度、より好ましくは４５度）で光源８０２から所定波長の光８０５を照射し、該照射によって被検体（指）８０１を介してくる散乱光８０６をレンズ８０３で集光してイメージセンサ８０４で受光する。この受光に応じてイメージセンサ８０４から出力される出力信号に基づいて血液中の血糖値を導出する。
【００６０】
本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。又、添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明を説明するために用いられる。
従って、本発明の権利範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
【符号の説明】
【００６１】
１００・・・受光用画素の回路部
１０１・・・受光素子
１０２・・・容量素子
１０３・・・電荷転送用スイッチ手段
１０４・・・容量素子
１０５・・・画素選択用スイッチ手段
１０６・・・ソースフォロワースイッチ手段
１０７・・・画素列出力信号線
１０８・・・リセット用スイッチ手段
３００・・・イメージセンサ要部
３０１・・・列並列回路
３０２・・・電流源
３０３・・・画素出力線リセット手段
３０４Ｓ、３０４Ｎ・・・サンプルホールド用の容量素子
３０５Ｓ、３０５Ｎ・・・サンプルホールド用の容量素子の書き込み選択手段
３０６Ｓ、３０６Ｎ・・・サンプルホールド用の容量素子の読出し選択手段
３０７Ｓ、３０７Ｎ・・・出力ライン
３０８・・・列選択回路出力ライン
４００・・・イメージセンサ要部
４０１・・・列並列回路
４０２・・・電流源
４０３・・・画素出力線リセット手段
４０４・・・カップリング容量素子
４０５・・・センスアンプ
４０６・・・センスアンプリセット手段
４０７・・・ラッチ
４０８・・・カウンタ信号ライン
４０９・・・出力ライン
４１０・・・列選択回路出力ライン
５００・・・イメージセンサ
５０１・・・画素アレイ
５０２・・・行選択回路
５０３・・・列選択回路
５０４・・・列並列回路アレイ
５０５・・・出力バッファ
５０６・・・信号出力端子
６００・・・吸光分析システム
６０１・・・光源
６０２・・・被検体
６０３・・・信号格納／処理部
６０４・・・表示部
６０５・・・制御部
６０６・・・操作部
７０１〜７０９・・・ステップ
８０１・・・被検体
８０２・・・光源
８０３・・・レンズ
８０４・・・イメージセンサ
８０５・・・照射光
８０６・・・散乱光
【図１】
2018221074.tif 000003
【図２Ａ】
2018221074.tif 000004
【図２Ｂ】
2018221074.tif 000005
【図２Ｃ】
2018221074.tif 000006
【図２Ｄ】
2018221074.tif 000007
【図２Ｅ】
2018221074.tif 000008
【図３Ａ】
2018221074.tif 000009
【図３Ｂ】
2018221074.tif 000010
【図４Ａ】
2018221074.tif 000011
【図４Ｂ】
2018221074.tif 000012
【図５】
2018221074.tif 000013
【図６】
2018221074.tif 000014
【図７】
2018221074.tif 000015
【図８】
2018221074.tif 000016
【国際調査報告】
2018221074.tif 000017
2018221074.tif 000018
2018221074.tif 000019
2018221074.tif 000020