(57)【要約】【課題】本発明は、ノイズをほとんど増大させずにＣＣＤセンサのダイナミックレンジを拡張する装置、方法およびソフトウェア製品を目的とするものである。【解決手段】まず、Ｎ×ＭピクセルのＣＣＤセンサ配列の領域は、２つの領域に再分割される。大きい領域は、低ノイズの大きい振幅信号を出力するためにそれぞれの行において（Ｍ−ａ）個のピクセルを有し、小さい領域は、拡張されたダイナミックレンジの小さい振幅信号を出力するためにそれぞれの行において１つのピクセルを有する。集積時間において、ＣＣＤは、ａまたは（ａ−Ｍ）個の垂直シフトのいずれか一方においてピクセル電荷をシフトすることによって、水平シフトレジスタに１つの領域の列を同時に読み出される。このとき、水平シフトレジスタの電荷は、Ｎ個の水平シフトにおける水平シフトレジスタの外にシフトされる。次に、ＣＣＤの領域においける残りのピクセルはａまたは（ａ−Ｍ）個の垂直シフトのいずれか他方においてピクセル電荷をシフトすることによって、水平シフトレジスタに読み出される。このとき、それらの電荷は、Ｎ個の水平シフトにおける水平シフトレジスタの外にシフトされる。分光法アプリケーションにおいて、２領域からのデータは、より大きい領域の列から大きい振幅チャンネルの形式で読み出され、より小さい領域の列から小さい振幅チャンネルの形式で読み出される。【選択図】          図７
2007527516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像センサから読み出されるデータについてダイナミックレンジを拡張するための方法であって、前記画像センサは、Ｎ個の線形ピクセル配列を有し、Ｎ個の線形配列のそれぞれは、各ピクセルに電荷が結合し、さらにＮ個のレジスタの１つに結合されたＭ個の電荷結合ピクセルを有し、前記方法は、
Ｎ個の線形ピクセル配列における少なくともいくつかのピクセルに電荷を集積すること、
Ｎ個の線形ピクセル配列のそれぞれに沿ってＮ個のレジスタにある画像センサのＮ個の線形ピクセル配列における第１領域からＮレジスタのそれぞれにシフトさせることによって、前記第１領域から電荷を電荷を結合することであって、Ｎ個の線形ピクセル配列における前記第１領域は、少なくとも１つのピクセルラインを有し、前記第１領域における少なくとも１つのピクセルラインは、Ｎ個の線形ピクセル配列に対して略垂直な方向に向けられるものであること、
電荷を線形径路に沿ってＮ個のレジスタからシフトすること、
Ｎ個のレジスタの外へシフトさせることにより、Ｎ個の線形ピクセル配列における少なくとも第１の領域部分から電荷をＮ個の第１領域データ信号に一致する部分として表示すること、
電荷をＮ個の線形ピクセル配列のそれぞれに沿ってＮ個のレジスタにあるＮ個の線形ピクセル配列における第２領域の少なくとも１つのピクセルラインからＮレジスタのそれぞれにシフトさせることによって、前記第２領域から電荷を結合し、前記第２領域は、少なくとも１つのピクセルラインを有し、前記第２領域における少なくとも１つのピクセルラインは、Ｎ個の線形ピクセル配列に対して略垂直な方向に向けられること、
電荷をＮ個のレジスタから線形径路に沿ってシフトすること、および
Ｎ個のレジスタの外へシフトさせることにより、Ｎ個の線形ピクセル配列における少なくとも第１領域部分から電荷をＮ個の第２領域データ信号に一致する部分として表示することを含むことを特徴とするダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項２】
前記Ｎ個の第１領域データ信号部分を表示すること、および
前記Ｎ個の第２領域データ信号部分を表示することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項３】
前記第１の部分は、Ｎ個の第１領域データ信号を有し、前記第２の部分はＮ個の第２領域データ信号を有することを特徴とする請求項２記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項４】
画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の第１領域を少なくとも１つのピクセルラインを指定することにより、Ｎ個の線形ピクセル配列における第１領域に所属するものとして区画することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項５】
画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の第１領域を少なくとも１つのピクセルラインを指定することにより、Ｎ個の線形ピクセル配列における第１領域に所属するものとして区画することは、さらに、
Ｎ個の第１領域データ信号部分およびＮ個の第２領域データ信号部分から生じた少なくとも１つの信号においてダイナミックレンジの改善レベルを評価すること、および
少なくとも１つの信号でダイナミックレベルが改善するために、Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域に属するピクセルラインの量を決定することを含み、
前記ピクセルラインの量は、ダイナミックレンジの改善レベルに関係することを特徴とする請求項４記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項６】
画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の第１領域を少なくとも１つのピクセルラインを指定することにより、Ｎ個の線形ピクセル配列における第１領域に所属するものとして区画することは、さらに、
少なくとも１つの目標信号レベルを設定すること、
Ｎ個の第１領域データ信号部分およびＮ個の第２領域データ信号部分のいずれか１つから少なくとも１つの信号を選択すること、
選択された少なくとも１つの信号を少なくとも１つの目標信号レベルと比較すること、
Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域に属するピクセルラインの量を調整することを含み、
前記調整は、選択された少なくとも１つの信号と少なくとも１つの目標信号レベルとの比較に基づくことを特徴とする請求項４記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項７】
Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域に属するピクセルラインの量を調整することは、さらに、ピクセルラインの量について予め決められた関係により、第１領域に属するピクセルラインの量を変更することを含むことを特徴とする請求項６記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項８】
Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域に属するピクセルラインの量を調整することは、さらに、予め決められたピクセルラインの数により、第１領域に属するピクセルラインの量を変更することを含むことを特徴とする請求項６記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項９】
Ｎ個の線形配列のいずれか１つにおけるピクセルの量に等しくなる第１領域および第２領域のピクセルラインの合計に基づいて、第２領域に属するピクセルラインの量を修正することをさらに含むことを特徴とする請求項６記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項１０】
前記Ｎ個の線形配列のそれぞれにおけるピクセルの量は、Ｍ個のピクセルであることを特徴とする請求項９記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項１１】
Ｎ個の線形ピクセル配列における少なくともいくつかのピクセルにおいて電荷を集積すること、
Ｎ個のレジスタのそれぞれに対し、Ｎ個の線形ピクセル配列のそれぞれにしたがって第１領域の前記調整されたピクセルラインの量から電荷をシフトすることによって、Ｎ個のレジスタの画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の第１領域から電荷を結合すること、
線形径路にそってＮ個のレジスタから電荷をシフトすること、
Ｎ個のレジスタの外へシフトさせることにより、Ｎ個の線形ピクセル配列における少なくとも第１領域部分から電荷をＮ個の第１領域データ信号に一致する部分として表示すること、
Ｎ個のレジスタのそれぞれに対し、Ｎ個の線形ピクセル配列のそれぞれにしたがって第２領域の前記修正されたピクセルの量から電荷をシフトすることによって、Ｎ個のレジスタにおけるＮ個の線形ピクセル配列の第２領域から電荷を結合すること、
線形径路にそってＮ個のレジスタから電荷をシフトすること、
Ｎ個のレジスタの外へシフトさせることにより、Ｎ個の線形ピクセル配列における少なくとも第２領域部分から電荷をＮ個の第２領域データ信号に一致する部分として表示することをさらに含むことを特徴とする請求項９記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項１２】
前記調整が選択された少なくとも１つの信号と少なくとも１つの目標信号レベルとの比較に基づくことは、選択された少なくとも１つの信号と少なくとも１つの目標信号レベルとの間の差異に関係することを特徴とする請求項６記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの目標信号は、目標信号レベルの範囲であり、前記調整が選択された少なくとも１つの信号と少なくとも１つの目標信号レベルとの比較に基づくことは、選択された少なくとも１つの信号と少なくとも１つの目標信号レベルの範囲との間の差異に関係することを特徴とする請求項６記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項１４】
前記画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の第１領域を区画することは、前記画像センサを含む装置の設定段階の間に達成されることを特徴とする請求項４記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項１５】
前記画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の第１領域を区画することは、前記Ｎ個の線形ピクセル配列における少なくともいくつかのピクセルに電荷を集積した後で、Ｎ個の線形ピクセル配列におけるすくなくともいくつかのピクセルに電荷を補助的に集積する前に、動的に達成されることを特徴とする請求項４記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項１６】
前記Ｎ個の第１領域データ信号部分を小さい振幅信号を有する第１チャンネルとして表示し、前期Ｎ個の第２領域データ信号部分を大きい振幅信号を有する第２チャンネルとして表示することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項１７】
前記第１領域からの前記小さい振幅信号および前記第２領域からの前記大きい振幅信号のいずれか一方をリスケーリングすることをさらに含むことを特徴とする請求項１６記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項１８】
前記第１領域からの前記小さい振幅信号および前記第２領域からの前記大きい振幅信号のいずれか一方をリスケーリングすることは、前記第１領域からの前記小さい振幅信号および前記第２領域からの前記大きい振幅信号のいずれか他方の大きさに基づくことを特徴とする請求項１７記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項１９】
前記第１領域からの前記第１チャンネルの前記小さい振幅信号と前記第２領域からの前記第２チャンネルの前記大きい振幅信号との間の関係を決定することをさらに含むことを特徴とする請求項１６記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項２０】
Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域からの電荷を表示したＮ個のデータ信号からの少なくとも１つのデータの一致に前記関係を適用こと、および
Ｎ個の線形ピクセル配列の第２領域からの飽和状態を示す前記Ｎ個のデータ信号の少なくとも１つを置換することをさらに含むことを特徴とする請求項１９記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項２１】
前記Ｎ個の線形ピクセル配列は、Ｎ個の波長チャンネルスペクトルに一致し、前記Ｎ個のデータ信号は、前記Ｎ個の波長チャンネルスペクトルの振幅を示すことを特徴とする請求項２０記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項２２】
前記第２領域からの電荷を示す大きい振幅信号の第２チャンネルからのデータ信号と、Ｎ個の線形ピクセル配列の第２領域から飽和状態を示す前記Ｎ個のデータ信号の少なくとも１つを置換したＮ個の線形ピクセル配列の第１領域からの電荷を示すＮ個のデータ信号からの少なくとも１つのデータ信号の一致とを、ワイドダイナミックレンジスペクトルとして、提供することをさらに含むことを特徴とする請求項２１記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項２３】
前記Ｎ個の第１領域データ信号部分のそれぞれおよび前記Ｎ個の第２領域データ信号部分のそれぞれは、いずれも、少なくとも１つの固有の波長と一致することを特徴とする請求項１記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項２４】
前記Ｎ個の第１領域データ信号部分の一部を前記Ｎ個の第２領域データ信号部分における不一致部分と結合すること、および
前記Ｎ個の第１領域データ信号部分の前記一部と、前記Ｎ個の第２領域データ信号部分の前記不一致部分とを提供することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のダイナミックレンジ拡張方法。
【請求項２５】
ダイナミックレンジを拡張する画像処理装置であって、
それぞれがＭ個の電荷結合ピクセルを有するＮ個の線形配列、
Ｎ個の線形配列に対して略垂直に向けられたＭ個のピクセルライン、
Ｎ個の線形ピクセル配列のそれぞれにおける１つのピクセルがそれぞれ電荷を結合させるＮ個のレジスタ、
電荷をデータとして表示するための前記Ｎ個のレジスタの少なくとも１つに結合される信号変換器、および
前記信号変換器に結合される出力ノードを有する画像センサと、
前記出力ノードに結合されるメモリと、
すべてのＮ個の線形ピクセル配列における前記Ｍ個の電荷結合ピクセルの読み出しを制御するための前記画像センサに結合された読み出し制御器と、
Ｎ個の線形ピクセル配列のそれぞれに沿って、第１領域からＮ個のレジスタのそれぞれに電荷をシフトすることにより、Ｎ個のレジスタにおける画像センサのＮ個の線形ピクセル配列の第１領域から電荷を結合するための前記読み出し制御器を構築する手段とを具備し、
Ｎ個の線形ピクセル配列の前記第１領域は、少なくとも１つのピクセルラインを有し、線形経路に沿ってＮ個のレジスタから前記信号変換器に電荷をシフトし、前記Ｎ個の第１領域データ信号を前記メモリに転送し、さらに、Ｎ個の線形ピクセル配列それぞれに沿って電荷をＮ個のレジスタのそれぞれにシフトすることにより、Ｎ個のレジスタの画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の第２領域から電荷を結合するための前記読み出し制御器を構築し、線形経路に沿って、Ｎ個のレジスタから前記信号変換器に電荷をシフトし、前記メモリに前記Ｎ個の第２領域データ信号を転送することを特徴とする画像処理装置。
【請求項２６】
前記メモリは、ディスプレイ装置に取り付けられることを特徴とする請求項２５記載の画像処理装置。
【請求項２７】
前記構築する手段は、前記読み出し制御器を構築する前に領域のピクセルラインの量を変更することを特徴とする請求項２５記載の画像処理装置。
【請求項２８】
複数の記録された命令を実行する制御器を有する画像センサから読み取られたダイナミックレンジを拡張する方法を実施するためにコンピュータを実行可能に構築すべく記憶されたコンピュータに読み取り可能な媒体を構成するコンピュータプログラム製品であって、
Ｎ個の線形ピクセル配列の少なくともいくつかのピクセルに電荷を集積する手順と、
Ｎ個のリニアピクセル配列のそれぞれに沿って第１領域からＮ個のレジスタのそれぞれに電荷をシフトすることにより、Ｎ個のレジスタの画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の第1領域から電荷を結合する構成であって、前記Ｎ個の線形ピクセル配列の第1領域は、少なくとも１つのピクセルラインを有し、第１領域の少なくとも１つのピクセルラインはＮ個の線形ピクセル配列に対して略垂直に向けられる手順と、
線形経路に沿ってＮ個のレジスタから電荷をシフトする手順と、
Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域の少なくとも一部からＮ個のレジスタの外へシフトされた電荷をＮ個の第１領域データ信号の一致部分として表示する手順と、
Ｎ個の線形ピクセル配列のそれぞれに沿って第２領域の前記少なくとも１つのピクセルラインからＮ個のレジスタのそれぞれに電荷をシフトすることにより、Ｎ個のレジスタのＮ個の線形ピクセル配列から電荷を結合する構成であって、第２領域の前記少なくとも１つのピクセルラインがＮ個の線形ピクセル配列に対して略垂直に向けられた手順と、
線形経路に沿ってＮ個のレジスタから電荷をシフトする手順と、
Ｎ個の線形ピクセル配列の第２領域の少なくとも一部からＮ個のレジスタの外にシフトされた電荷をＮ個の第２領域データ信号の一致部分として表示する手順とを具備することを特徴とするコンピュータプログラム製品。
【請求項２９】
Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域に属するものとして、少なくとも１つのピクセルラインを示すことにより、画像センサにおけるＮ個のピクセル配列の第１領域を区画する手順をさらに具備することを特徴とする請求項２８記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３０】
Ｎ個の第１領域データ信号の部分およびＮ個の第２領域データ信号の部分から生じる少なくとも１つの信号におけるダイナミックレンジの改善レベルを評価する手順と、
少なくとも１つの信号におけるダイナミックレンジの拡張のために、Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域に属するピクセルラインの量を決定する手順とをさらに具備し、前記ピクセルラインの量は、ダイナミックレンジにおける改善レベルに関係することを特徴とする請求項２９記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３１】
少なくとも１つの目標信号レベルを設定する手順と、
Ｎ個の第１領域データ信号部分およびＮ個の第２領域データ信号部分のいずれか一方から少なくとも１つの信号を選択する手順と、
選択された少なくとも１つの信号を少なくとも１つの目標信号レベルと比較する手順と、
Ｎ個のピクセル配列の第１領域に属するピクセルラインの量を調整する手順とをさらに具備し、前記調整は、少なくとも１つの信号と少なくとも１つの目標信号レベルとの比較に基づくことを特徴とする請求項２９記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３２】
ピクセルラインの量について予め決められた関係によって、第１領域に属するピクセルラインの量を変更する手順をさらに具備することを特徴とする請求項３１記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項３３】
画像センサからのデータを読み取る方法であって、前記画像センサはＮ個の線形ピクセル配列を有し、Ｎ個の線形配列のそれぞれはＭ個の電荷結合ピクセルを有し、各ピクセルは電荷結合され、さらにＮ個のレジスタの１つに結合されるものであり、前記方法は、
少なくとも１つのピクセルラインを有し、前記少なくとも１つのピクセルラインがＮ個の線形ピクセル配列に対し略垂直な方向に向けられる、画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の第１領域を区画すること、
少なくとも１つのピクセルラインを有し、前記少なくとも１つのピクセルラインがＮ個の線形ピクセル配列に対し略垂直な方向に向けられる、画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の第２領域を区画すること、
複数のピクセルラインを有し、前記複数のピクセルラインがＮ個の線形ピクセル配列に対し略垂直な方向に向けられ、前記複数のピクセルラインは露光されない、画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の暗い領域を区画すること、
Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域の少なくともいくつかのピクセルに第１画像を受け取ること、
Ｎ個の線形ピクセル配列の第２領域の少なくともいくつかのピクセルに第２画像を受け取ること、
Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域の少なくともいくつかのピクセルおよびＮ個の線形ピクセル配列の第２領域の少なくともいくつかのピクセルにある電荷を集積すること、
線形経路に沿って第１領域の少なくともいくつかのピクセルおよび第２領域の少なくともいくつかのピクセルから画像センサのＮ個の線形ピクセル配列の前記暗い領域に電荷をシフトすること、および
画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列に区画されたそれぞれの領域からシフトされた前記暗い領域からの前記電荷を前記暗い領域から読み出すことを含むことを特徴とする画像センサからのデータを読み取る方法。
【請求項３４】
各領域において、前記暗い領域から電荷を読み出すことは、
Ｎ個の線形ピクセル配列のそれぞれに沿って暗い領域からＮ個のレジスタのそれぞれに電荷をシフトさせることにより、Ｎ個のレジスタの画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の領域において集積された電荷を結合すること、
線形経路に沿ってＮ個のレジスタから電荷をシフトすること、および
Ｎ個の線形ピクセル配列の領域の少なくとも一部からＮ個のレジスタの外にシフトされた電荷を前記領域を構成するＮ個のデータ信号の一致する部分として表示することをさらに含むことを特徴とする請求項３３記載のデータを読み取る方法。
【請求項３５】
Ｎ個のレジスタの画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の暗い領域から電荷をシフトすること、および
画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の暗い領域からシフトされた電荷を消去することをさらに含むことを特徴とするデータを読み取る方法。
【請求項３６】
第１領域は、画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の第３領域および第４領域としてさらに区画されることを特徴とする請求項３４記載のデータを読み取る方法。
【請求項３７】
Ｎ個の第１領域データ信号の前記一致部分を提供すること、および
Ｎ個の第２領域データ信号の前記一致部分を提供することをさらに含むことを特徴とする請求項３６記載のデータを読み取る方法。
【請求項３８】
Ｎ個の第１領域データ信号の前記一致部分を提供することは、
Ｎ個の第３領域データ信号の前記一致部分を提供すること、および
Ｎ個の第４領域データ信号の前記一致部分を提供することをさらに含むことを特徴とする請求項３７記載のデータを読み取る方法。
【請求項３９】
前記第１領域に区画されたピクセルラインの合計において、前記第２領域および前記暗い領域は、少なくともＭ個のピクセルラインを有することを特徴とする請求項３３記載のデータを読み取る方法。
【請求項４０】
Ｎ個の線形ピクセル配列の暗い領域における前記複数のピクセルラインは少なくともＭ／２個のピクセルラインとして区画されることを特徴とする請求項３９データを読み取る方法。
【請求項４１】
画像センサからデータを読み取る方法であって、前記画像センサは、Ｎ個の線形ピクセル配列を有し、Ｎ個の線形配列のそれぞれは、Ｍ個の電荷結合ピクセルを有し、それぞれのピクセルは、電荷が結合され、さらにＮ個のレジスタの１つに結合され、前記方法は、
少なくとも１つのピクセルラインを有し、前記少なくとも１つのピクセルラインがＮ個の線形ピクセル配列に対し略垂直な方向に向けられた、Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域における少なくともいくつかのピクセルおよび少なくとも１つのピクセルラインを有し、前記１つのピクセルラインがＮ個の疝気ピクセルに対し略垂直な方向に向けられた、Ｎ個の線形ピクセル配列の第２領域における少なくともいくつかのピクセルにおいて電荷を集積すること、
Ｎ個の線形ピクセル配列の第１および第２領域の少なくともいずれかのピクセルから線形経路に沿って画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の暗い領域であって、少なくとも２つのピクセルラインを有し、前記少なくとも２つのピクセルラインがＮ個の線形ピクセル配列に対して略垂直な方向に向けられ、露光されない前記暗い領域に電荷をシフトすること、
暗い領域からＮ個の線形ピクセル配列のそれぞれに沿ってＮ個のレジスタのそれぞれに電荷をシフトすることによって、Ｎ個のレジスタの画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の第１領域に集積された電荷を結合すること、
Ｎ個のレジスタから線形経路に沿って電荷をシフトすること、
Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域の少なくとも一部からＮ個のレジスタの外にシフトされた電荷を、Ｎ個の第１領域データ信号の一致部分として、表示すること、
暗い領域からＮ個の線形ピクセル配列のそれぞれに沿ってＮ個のレジスタのそれぞれに電荷をシフトすることによって、Ｎ個のレジスタの画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の第２領域に集積された電荷を結合すること、
Ｎ個の線形ピクセル配列のそれぞれから線形経路に沿って電荷をシフトすること、
Ｎ個の線形ピクセル配列の第２領域のすくなくとも一部からＮ個のレジスタの外にシフトされた電荷を、Ｎ個の第２領域データ信号の一致部分として、表示すること、および
画像センサのＮ個の線形ピクセル配列の暗い領域から電荷を消去することを含むことを特徴とするデータを読み取る方法。
【請求項４２】
前記Ｎ個の第１領域のデータ信号部分を提供すること、および
前記Ｎ個の第２領域のデータ信号部分を提供することをさらに含むことを特徴とする請求項４１記載のデータを読み取る方法。
【請求項４３】
前記第１の部分は、Ｎ個の第１領域データ信号を含み、前記第２の部分は、Ｎ個の第２領域データ信号を含むことを特徴とする請求項４２記載のデータを読み取る方法。
【請求項４４】
Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域における少なくともいくつかのピクセルおよびＮ個の線形ピクセル配列の第２領域における少なくともいくつかのピクセルに電荷を集積することは、
予め決められた期間にＮ個の線形ピクセル配列第１および第２領域の少なくともいくつかのピクセルにおける電荷を蓄積することをさらに含むことを特徴とする請求項４１記載のデータを読み取る方法。
【請求項４５】
Ｎ個の線形ピクセル配列の暗い領域から電荷を消去することは、
Ｎ個のレジスタの画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の暗い領域から電荷をシフトすること、および
画像センサにおけるＮ個の線形ピクセル配列の暗い領域からシフトされた電荷を消去することをさらに含むことを特徴とする請求項４１記載のデータを読み取る方法。
【請求項４６】
Ｎ個の線形ピクセル配列の暗い領域は、第１領域の前記少なくとも１つのピクセルラインおよび第２領域の前記少なくとも１つのピクセルラインの合計と少なくとも同じだけのピクセルラインの量を有することを特徴とする請求項４１記載のデータを読み取る方法。
【請求項４７】
Ｎ個の線形ピクセル配列の暗い領域は、少なくともＭ／２ピクセルラインを有することを特徴とする請求項４１記載のデータを読み取る方法。
【請求項４８】
前記Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域は、当該領域上に投影された第１画像を有し、前記Ｎ個の線形ピクセル配列の第２領域は、当該領域上に投影された第２画像を有することを特徴とする請求項４１記載のデータを読み取る方法。
【請求項４９】
前記Ｎ個の線形ピクセル配列の第１領域は、第１光源に露光され、前記Ｎ個の線形ピクセル配列の第２領域は、第２光源に露光されることを特徴とする請求項４１記載のデータを読み取る方法。
【請求項５０】
Ｎ個の線形ピクセル配列の少なくとも１つの他の領域の少なくともいくつかのピクセルに電荷を集積することであって、Ｎ個の線形ピクセル配列の少なくとも１つの他の領域のそれぞれは、少なくとも１つのピクセルラインを有し、前記Ｎ個の線形ピクセル配列の少なくとも１つの他の領域のそれぞれは、少なくとも１つのピクセルラインは、Ｎ個の線形ピクセル配列に対して略垂直に向けられていること、
前記Ｎ個の線形ピクセル配列の少なくとも１つの他の領域の少なくともいくつかのピクセルから線形経路に沿ってＮ個の線形ピクセル配列の暗い領域に電荷をシフトすること、
Ｎ個の線形ピクセル配列の少なくとも１つの他の領域のそれぞれに対し、暗い領域からＮ個の線形ピクセル配列のそれぞれに沿ってＮ個のレジスタのそれぞれに電荷をシフトすることにより、Ｎ個の線形ピクセル配列の他の領域の少なくとも１つのうちの１つに集積された電荷を結合すること、および
Ｎ個のレジスタから線形経路に沿って電荷をシフトすることをさらに含むことを特徴とする請求項４１記載のデータを読み取る方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式の画像処理に関する。特に、本発明は、光センサからスペクトルデータを読み出すことに関する。さらに、本発明は、画像処理センサから読み取られたスペクトルデータのダイナミックレンジを拡張するための装置、方法、およびソフトウェアプログラム製品に関する。また、本発明は、焦点面でセンサの配列を使用することにより、広い波長範囲における複数の波長で光強度の略同時測定を提供する光学分光法測定機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
同時に多くの波長を監視することができる利点により、分光計として一般的に知られているこれらの機器は、急増している。固体センサ配列の発達に先がけて、選ばれた分光法機器は、モノクロメータであった。モノクロメータにおいては、1つの狭い波長域が測定のために選ばれ、１つの検出器が使われる。異なる波長で同時に独立した測定をする能力は、多くのアプリケーションの中で重要な利点である。にもかかわらず、利用可能な検出器配列が制限されることは、しばしばいくつかの要求のきびしいアプリケーションにおいて分光計の使用を妨げる。重要な制限の１つは、ダイナミックレンジである。ダイナミックレンジとして知られている特定の範囲内に存在する強度を有する信号を同時にのみ測定することができることは、固体センサ配列の一般的な特性である。本発明によって言及されるのはこの制限である。
【０００３】
従来技術における分光計は、光学式の画像処理システム、光検知システム、およびデータ処理要素からなる。光学式の画像処理システムは、その構成内への光に対し、スペクトルの特徴を分析する。分析された光は、光検知システムによって電気信号に変換され、電気信号は、データ処理要素による波長および時間の関数として、光の強度についての数値的または画像的な表現に変換される。
【０００４】
分光計の光学式画像処理コンポーネントについての詳細な説明は、「The Optics of Spectroscopy : a Tutorial，J. M.LernerおよびA. Thevenon著」である(これはここで全体に参照される)。これは、http：//www. jyhoriba. co. uk/jy/oos/oosl. htmのthe Jobin Yvon Horiba company社のサイトでワールドワイドウェブ上で入手可能である。典型的な分光計の中で、ライトはスリットから進入し、波長に依存している角度によって格子またはプリズムによって拡散させられる。 スリットは焦点面でイメージされて、イメージは、拡散(FIG. 1)によって決定された波長と一致している長さによって長方形として視覚化することができる。 分光計の有益な波長範囲は短く、長波長限界のλ1とλNとの間の波長における連続分布から成る。 実際の場で、波長分離が中間で通常最もよく、一方がエッジに行く時に低下するので、他の次元はスリット長(光学の撮像特性)および必要とされている性能によって決定される。
【０００５】
分光計の光検知システムは、スペクトル情報の読み出しが可能な焦点面に置かれた検出器配列である。よいスペクトル分解能を有するために、個々のセンサ要素(ピクセル)が波長次元において小さいことが望ましい。典型的な次元は、１０マイクロメートルオーダである。他の次元において、よい信号対雑音比を有するために、各ピクセルが画像の有効寸法までできるだけ大きいことが一般的に望ましい。紫外線から近赤外線の範囲(だいたい１９０ｎｍから１１００ｎｍまでの範囲)において使用される分光計のために、フォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）、電荷結合素子（ＣＣＤ）および電荷注入素子（ＣＩＤ）は一般的に用いられる検出器である。
【０００６】
ＰＤＡは、正方形または矩形センサの線形配列である。このアプリケーションにおいて、センサは、画像の波長軸に沿って配置される。この方向において、典型的な次元は１０マイクロメートルオーダである。他の方向において、ピクセルは数百ミクロンと同じか、より長いかもしれない。分光法のために設計されたＰＤＡの例は、Perkin Elmer Optoelectronics, Inc.社(2175 Mission College Boulevard, Santa Clara, CA 95054; 電話: (408) 565-0850))によって作られたRL1210LGQ-711である。このＰＤＡは、２．５ｍｍ×２５．６ｍｍの全光感知エリアを有している。それは、２５ミクロン×２５００ミクロンの次元によってそれぞれ１０２４個のセンサ要素に分割される。矩形のピクセルは、波長軸に沿って小さく、スリットの方向に沿って大きい同時の要件に適する。
【０００７】
しかし、要求のきびしいアプリケーションのために、ＣＣＤはＰＤＡよりしばしば好ましい。これは、固有の電気ノイズをずっと低くすることができるからである。分光学が用いられた現在のＣＣＤについての詳細な説明は、Scientific Imaging Technologies, Incorporated社から出版された「An Introduction to Scientific Imaging Charge-Coupled Devices」という著書の中に発見でき、これを全体的に参照することができ、http://www.autovision.net/CCDs.pdf又はhttp://www.site-inc.com/pdf/introdat.pdfで示されるワールドワイドウェブ上で利用可能である。そのようなＣＣＤの例は日本のハママツ社（HAMAMATSU PHOTONICS K.K., Solid State Division; 1126-1 Ichino-cho, Hamamatsu City, 435-8558 Japan, Telephone: (81) 053-434-3311, Fax: (81) 053-434-5184, http://www.hamamatsu.com;U.S.A.:Hamamatsu Corporation: 360 Foothill Road, P. O.' Box 6910, Bridgewater, N. J. 08807-0910, U.S.A., Telephone : (908) 231-0960）で製造されるS7031-1007装置である。このデバイスの全光検知エリアは、２５．６ｍｍ×３．１ｍｍである。全検知エリアは、上記で参照したＰＤＡにおけるそれとほとんど同じであるが、ＣＣＤでは典型的なことだが、個々のピクセルは小さく、正方形（一片２４ミクロン）であり、２次元の配列に配置される。
【０００８】
図２は、典型的なＣＣＤセンサの機能要素を一般的に描き出した図であり、配列２００を含む。配列２００は、Ｎ行のそれぞれにＭピクセルを有し、平行のシフト構図で配置される正方形（または矩形）のＮ×Ｍ配置のピクセル２０２、複数の独立したシフトレジスタを有し、連続するシフトレジスタ２０６、井戸２１０および増幅器２１２を具備する。図に示されるように、配列２００は、一般にＭピクセルのＮ個の平行線にそれぞれＭ個のピクセルを有する。各ピクセルは、他のピクセルに互いに取り付けられ、電荷を直下の列に転送し、行から行へ、連続したレジスタ２０６において個々のシフトレジスタ２０６−１から２０６−Ｎまで連続するシフトレジスタに平行に転送する。ピクセル２０２のそれぞれは、一方の方向に直線的な電荷を転送する。配列の最終行は、連続した(または水平の)シフトレジスタアーキテクチャ２０６であり、シフトレジスタ２０６−１から２０６−Ｎを用い、レジスタ間で同じ結合を用いて平行なアーキテクチャに垂直な方向に電荷を転送する。すべてのピクセルは、個々に読み取られてもよいし、ピクセルのグループからの電荷から様々な方法により一緒に読み取られてもよい。
【０００９】
当業者にはよく理解されるように、ＣＣＤは、操作上、光子を光子によって打たれるピクセルにおいて電荷に変換し、その電荷は、読み出されるまでピクセル井戸に保持される。個々のピクセル井戸は、有限量の電荷を保持する。その井戸が飽和したときが飽和井戸容量として区画される。ＣＣＤセンサが光に励起されて、電荷がピクセル井戸に蓄積可能となる期間は、「集積時間」として参照される。集積時間が経過すると、配列は読み取られる。それぞれのピクセルからの信号が個々に読み取られた場合、配列読み出しは、電荷のすべての行について同時に計時することによって、１つのピクセルから水平方向のシフトレジスタ２０６−１から２０６−Ｎに向けて開始する。ピクセル配列２００の頂点から底まで１つのピクセルの水平行から次の水平行への平行シフトアーキテクチャによって、電荷は、ピクセル２０２の間でシフトされる。電荷の底の行は、シフトレジスタ２０６−１から２０６−Ｎの線形配列に転送される。このとき、連続するシフトレジスタアーキテクチャ２０６は、連続的に電荷をセンサ外に転送し、下にシフトさせて次の行の空間を作り、その次等も同様にする。結果として生じているストリームは、ＣＣＤセンサに衝突する光子の、ピクセル毎、行毎の表現である。しかし、連続してチップ出力が転送されることに先がけて、各ピクセルの電荷は、増幅器２１２より増幅され、結果としてピクセルの電荷に比例する電圧に変化するアナログ出力信号を生じる。増幅器２１２および最後の連続シフトレジスタ２１０−Ｎの間に配置により、井戸２１０を合計する。これは、ピクセルビニング操作（binning operations）に用いられる。
【００１０】
電気のノイズをさらに減らし、信号対雑音比を改善するために、例え、減少した空間分解能を犠牲にしてでも、配列は、、「ピクセルビニング」として知られる処理によって読み取られ得る。ピクセルビニングは、隣接するＣＣＤピクセルにより集められた電荷を結合するのに用いられる計時方式として一般的に当業者により理解されている。隣接するピクセルのブロックから電荷をビニングすることにより、ＣＣＤ上のより大きいサンプル領域を生成することによってノイズを低減させる。ビニングは、典型的に「エリアビニングモード」または「ラインビニングモード」のいずれかにより実行される。エリアビニングモードにおいて、ピクセルの正方形または矩形配置からの電荷は、センサによりスーパセルバリュに結合され、さらなる処理のために出力される。例えば、２×２ビニングは、４ピクセルのブロックからの電荷を１つの出力信号に結合し、３×３ビニングは、９つのピクセルからの電荷を同様に結合する。
【００１１】
２×２ビニング処理は、連続するシフトレジスタへの２つの連続的な垂直シフトと、１度に２つずつ集積井戸に対する一連の水平シフトとを含む。操作上、集積期間経過後、水平シフトレジスタに最も近い２つの水平ピクセル行からの電荷は、平行読み出しにおいて読み込まれ、それぞれの水平シフトレジスタにシフトされ、これによって、２つのピクセルの電荷を１つの水平シフトレジスタに集積させる。各ラインにおける他のピクセルからのいずれの電荷も２つのピクセルをより近い水平シフトレジスタに転送する。２つの垂直シフトの後、２つの連続的な水平のシフトは、電荷を２つの最後のレジスタから集積井戸に動かす。このとき、集積井戸は、ピクセルの２×２ブロックからの累積した電荷を保持する。これは、このとき、さらなるオフチップ増幅およびデジタル化のための電圧に、増幅され、変換される。いずれかの数のピクセルからの電荷は、シフトレジスタにシフトすることができるが、一度シフトレジスタの井戸が飽和すると、ピクセルからシフトした追加電荷は無視される。いずれの電荷も水平シフトレジスタを保持していない場合、ビニングされたピクセルの強度は、不正確である、すなわち、ラインシフトレジスタに保持されていない電荷の分だけ減少している。分光法のアプリケーションにおいて、ラインビニングモードは、典型的に読み出しに用いられる。図３は、図２に示されたＣＣＤセンサのピクセル配置の検知部上に付記された図１のスペクトル画像を示す図である。本図から気付くように、スペクトルの波長は、配列２００におけるピクセルの垂直のラインに一致する。個々のピクセルは小さいため、同じ波長に一致する多くのピクセルからの信号は、典型的にビニングされて、それぞれの波長のために１つの矩形センサを効果的に生成する。この一致性を使用することにより、ノイズのレベルを低減させることができ、信号対雑音比は、スペクトル波長が一致するピクセルを１つのスーパーセルにビニングすることにより改善される。これは、ラインビニングモードにおけるＣＣＤの読み出しによりなされる。
【００１２】
図４は、従来技術に従ったラインビニングモードにおけるＮ×Ｍピクセル配列ＣＣＤセンサを読み出すための処理を示すフローチャートである。ビニング処理は、それぞれのラインのピクセル信号を垂直に読み出すことによるそれぞれの集積の後開始される。電荷は、Ｎ垂直シフトレジスタを平行な行毎の形式でＮ水平シフトレジスタに下方シフトさせる（ステップ４０２）。垂直シフトは、それぞれのピクセルラインのの電荷をその列の最後のシフトレジスタに蓄積する。これは、連続するシフトレジスタにおける実質的な水平シフトレジスタである。次に、Ｎピクセルラインのそれぞれからの電荷は、Ｎ水平シフトレジスタから取り出され、列ごとに、Ｎ水平シフトされる（ステップ４０４）。集積井戸におけるこれらの電荷を合計するというよりも、ラインピクセルデータは、列毎の形式でチップより出力される（ステップ４０６）。ＣＣＤを読み取った結果、時間に応じて振幅が変化するアナログ信号となる。このとき、アナログ信号は、増幅され、デジタル形式に変換される。そして、必要な計算は、データが表示されるように実行される。例えば、光強度と波長との表として示される。典型的に、強度の値は、いくつかの好適な範囲内の整数値、例えば、１６ビットデジタイザが用いられる場合における０−６５５３５の範囲内の整数値として表される。
【００１３】
ＣＣＤのダイナミックレンジは、通常デシベルで表された読み出しノイズに対する井戸深さの比率と関連している。ＣＣＤベースの分光計におけるダイナミックレンジの制限は、それぞれのピクセルおよびそれぞれの水平シフトレジスタが保持可能な電荷量の限界に起因している。不正確の測定は、何れのピクセルまたは何れのシフトレジスタにおいて蓄積された電荷がこの飽和レベルになると生じる。反対に、いくつかのノイズ源が、いずれのシフトレジスタの電荷の測定における固有の不確実性を生じる読み出し処理において存在する。それ故、測定の有効範囲は、電荷が固有のノイズレベルおよび十万井戸または飽和レベル下との間にあるときである。分光法が想定された実験室レベルのＣＣＤのための典型的なダイナミックレンジの仕様は、７５０００である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したように、分光法ＣＣＤ配列のピクセル列に蓄積される電荷量は、その列を発光させる波長における光強度および電荷が読み出されるまでに蓄積可能な時間の双方に比例する。その上、当該時間は、集積時間と区画される。集積時間は、各列における電荷量が有効範囲内にあるように選択される必要がある。もし、対象のスペクトルが広く異なる強度の範囲に存在する場合、全体のスペクトルにとって好適な集積時間が存在しないかもしれず、問題である。さらに、極めて明るい特徴を含むスペクトルにとって、最も明るいラインの飽和を防止するのに十分短い集積時間を使うことは、可能ではないかもしれない。なぜなら、最小の達成可能な集積時間は、1つの満たされた垂直シフトおよび１つの満たされた水平シフトを実行するのにかかる時間だからである。
【００１５】
ダイナミックレンジ制限は、多くの違う方法で取り扱われている。いくつかをここで言及する。１つの方法は、異なる集積時間を用いて、スペクトル結果をインターリーブすることである。高いダイナミックレンジを持つ１つの複合スペクトルは、異なる集積時間を用いて得られた個々のスペクトルから抽出され得る。しかし、このアプローチは、最も短い集積時間で飽和されるラインについての問題を解決しない。ここで、ブルックスによって説明される他のアプローチ(米国特許5,675,411に全体的に参照される)は、フォトマスクを分光計に組み入れることにより、選択的に輝線を細めるようになっている。しかし、分光法が多様なソースを分析するために用いられる場合には、このアプローチは、適用可能ではない。また、別のアプローチは、ダイナミックレンジを改善するようにセンサの設計を変更する必要がある。これの1つの例は、全体的に参照される米国特許6,175，383においてYadid-Pechtらによって説明されたセンサである。Yadid-Pechtらは、各ピクセル上の集積時間が個々に設定されることを可能にする電気回路を示唆する。しかし、コストおよび製造能力を考慮すると、程々のコストで既存の高性能のＣＣＤに適用可能な、これに代わるアプローチが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に特有の斬新な機能は、添付の請求の範囲に記述される。しかし、発明自体だけでなく、好ましい実施形態、さらにその目的および利点は、添付図面とともに以下の詳細な説明を参照することによりもっともよく理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の他の特徴は、添付図面および以下の詳細な説明から明白になるであろう。
【００１８】
ここに開示する発明は、光学式の分散および画像処理システム、光検知のためのＣＣＤおよびデータ処理装置を具備する分光計である。ＣＣＤは、従来のラインビニングモードにおいて達成可能なこと以上に、ダイナミックレンジを増大させるために、動的な範囲を増大させるために、今まで未知であるピクセルビニング法、すなわち、「２領域ラインビニングモード」を採用する。データ処理装置は、本方法において生成された電気信号を波長の関数として光強度の数値的または画像的な表現に変換する。
【００１９】
ここに記載される発明は、それぞれの平行なラインピクセルがシフトレジスタを境界とする２次元配列のピクセルを有するＣＣＤを用いる分光計に適用可能である。ピクセルラインは、垂直な方向（列）または水平な方向（行）のいずれか一方向に向けられればよいが、慣例的に垂直方向の列として向けられる。加えて、本発明は、個々の水平シフトレジスタにおける飽和井戸容量が列を形成する個々のピクセルにおける合計飽和井戸容量より少ないＣＣＤにおいて適用可能であり、特に、シフトレジスタにおける飽和井戸容量がピクセルの飽和井戸容量と同じオーダ（１〜１２倍）であるＣＣＤにおいて適用可能である。商業的に生産される電荷結合素子の例は、ＣＣＤのS7030またはS7031シリーズのＣＣＤエリアセンサ（HAMAMATSU PHOTONICS K.K.,Solid State Division; 1126-1 Ichino-cho, Hamamatsu City, 435-8558 Japan; Telephone: (81) 053-434-3311; Fax: (81)053-434-5184, http://www.hamamatsu.com;U.S.A.: Hamamatsu Corporation: 360 Foothill Road,P.O.Box 6910, Bridgewater, N.J. 08807-0910, U.S.A.; Telephone: (908)231-0960）が挙げられる。
【００２０】
ハママツ装置において、水平シフトレジスタの電荷蓄積容量は個々のピクセルの２倍の容量である。これらの装置またはこれに類する装置は、ラインビニングモード下の分光法を採用し、単一の水平シフトレジスタは、装置の特性に依存して電荷を２５６ピクセルまで受け取る。いくつかの明るいスペクトルラインを有するセペクトルが飽和して読み取られた場合、シフトレジスタは、個々のピクセルが満たされて、カラムに沿った光のみが得られるのが合理的であり均一のものとなる。スペクトルは、シフトレジスタの最大値で切り取られる。なぜなら、シフトレジスタの飽和井戸容量におけるいずれの電荷も無視されるからである。ここに記載のビニング方法により、スペクトルにおける他の場所の小さい信号の測定における信号対雑音比を大幅に減少させずに、輝線の振幅に関する情報が失われるのを防止する。
【００２１】
これは、小さい振幅のチャンネルおよび大きい振幅のチャンネルとしてのビニングのためのＣＣＤ配列の各(水平)ラインを分割することによって簡単に達成される。図５は本発明に係る実施形態にしたがった、２領域ラインビニングを実行することによる電荷結合装置ベースのダイナミックレンジを拡張するための装置を概略的に示す図である。装置５００は、図２に示すような典型的なＣＣＤセンサを具備し、一般にピクセル２０２のＮ×Ｍ配列による配列２００を形成する（正方形または矩形として規定される）。配列２００は、本発明に係る実施形態にしたがって、領域ａおよび領域ｂに再分割される。したがって、センサ２００の表面領域は、２つの別個の領域として示される。すなわち、ａ×Ｎピクセルを有するより小さい領域（ピクセルに影が付けられた領域として示される）および（Ｍ−ａ）×Ｎピクセルを有するより大きい領域である。ａおよびｂの値は、一般に具体的な場合に応じて最適に選ばれるが、典型的に、ｂは、ａの１０〜１００倍大きくなるだろう。一般に、領域ａからの信号は、より小さい振幅レベル、すなわち、（どちらかといえば、ａチャンネルに比べて）小さい振幅チャンネルを生成する。一方、領域ｂからの信号は、より大きい振幅レベル、すなわち、（どちらかといえば、ｂチャンネルに比べて）大きい振幅チャンネルを生成する。図５における配列２００から理解できるように、領域ａは、配列上の多数のピクセル行により区画され、領域ｂは、いずれの列に対してもａ＋ｂ＝Ｍ（ここで、Ｍは配列２００における列の総数）であるような配列上の多数のピクセル行により区画される。
【００２２】
また、装置５００は、本実施に係る他の実施形態にしたがって、ＣＣＤ２００の読み出しを制御し、そこから得られた信号を処理する構成をも含む。これらの構成は、一般的にバス５２０として一般的に示される一連のシステムバスに沿って、データを送受信し、アドレスし、計時する。システム構成は、不揮発性メモリ５０４またはＲＡＭ５０６のいずれかであるメモリに記憶された手順を実行するための処理装置５０２を含む。これらの手順は、ＣＣＤ制御装置５１０を介してＣＣＤ２００のための読み出しシフト手順を含む装置命令に一般的に付随する。システムクロック５０８は、シフト命令のためにシステムを計時する。さらに、処理装置５０２は、ＣＣＤ２００からの信号の後処理に関する手順を実行してもよい。典型的に、これらの信号は、アナログ信号として出力され、Ａ／Ｄ変換器５１２を用いてデジタル表現に変換され、チャンネルバッファ５１４において後処理を待つ間バッファされる。一方、デジタル信号は、後処理命令に先立って、ＲＡＭ５０４に一時記憶されてもよい。一度処理されると、データはＲＡＭ５０６またはより恒久的な不揮発性メモリ５０４に記憶されてもよい。結局、処理されたデータは、メモリから読み出され、表示される。本発明の実施形態においては、分光計である装置５００を参照しているが、ここに記載される発明は、電荷結合画像処理装置のダイナミックレンジを拡張することを実現するためにラインビニングを用いる装置として実施可能であることについて、理解されるべきである。
【００２３】
本発明の一実施形態において、スペクトルは、各領域に配置されたピクセルから独立して読み取られることになっている。ａの値がｂの値よりずっと小さい場合、既知のラインビニングモードにおいて読み取られた全体の領域すなわち（ａ＋ｂ）×Ｍ領域を有することに比べてそれほど低下しない大きい領域ｂを測定する。大きい領域ｂから読み取られた振幅は、より小さい領域ａから読み取られた振幅より大きい振幅を生じ、ここでは大きい振幅チャンネルとして参照する。このように、領域ｂ（Ｍ−ａピクセル）の列においてピクセルから得られた信号対雑音比は、Ｍ個のピクセルのそれぞれの列においてピクセルから得られたものと比較し続ける。スペクトルの他のコピーは、領域ａ（より小さい領域）から読み取られる。小さい領域ａから読み取られる振幅は、より大きい領域ｂから得られた振幅より小さい振幅を生じ、ここでは小さい振幅チャンネルとして参照する。特別な注意は、大きい領域ｂから読み取られるスペクトルにおいて飽和したスペクトルの輝部に払われる。
【００２４】
上記他の場所で言及されるように、ＣＣＤ配列２００は、拡散（波長）方向に沿って分配されたＮ個の行を有し、行のそれぞれにＭ個のピクセルを有しているものとする。分光計に採用される従来のラインビニング読み出しモードによれば、ピクセルのそれぞれの行からの電荷は、それぞれの水平シフトレジスタに同時にシフトし、その電荷は、水平シフトレジスタの外にシフトして、上記で詳しく述べたように検知される。これに対し、本発明に係る実施形態によれば、ＣＣＤ読み出しは、２つの部分で実行される。まず、１つ目の部分においては、それぞれの行からのピクセルの小さい数ａは、それぞれのシフトレジスタに転送される。このとき、電荷は、水平シフトレジスタの外へシフトし、通常の方法、例えば、後処理の間使用可能な小さい振幅チャンネルのための記憶装置で検知される。２つ目の部分においては、それぞれの行における残りのピクセル（ｂ＝Ｍ−ａ）からの電荷がシフトレジスタに転送される。最終的に、水平シフトレジスタは、２つ目のときに読み取られ、大きい振幅チャンネルは、後処理の間、それぞれの記憶装置に記憶される。代わりに、小さいおよび大きい振幅チャンネルは、実行中に処理されてもよい。
【００２５】
図６は本発明に係る実施形態における２領域ラインビニングモード下のＮ×Ｍピクセル配置ＣＣＤセンサを読み出すための処理を示すフローチャートである。２領域ラインビニング処理は、少なくともピクセル井戸のいくつかが電荷を蓄積するのに十分な時間を経過したとき、各集積時間の終わりに１回開始される。なぜなら、小さい領域は、水平シフトレジスタに隣接し、当該領域のピクセル配置がまず読み取られるが、これは本実施形態における特性であり、大きい領域ｂが水平シフトレジスタに隣接すると区画してもよく、関連する技術の当業者によって本ビニングモードの改良は以下の説明から高く評価されるだろう。領域ａは、「ａ」の垂直シフトの合計を作るように、それぞれのピクセル行のために、配列の最初のａ列がＮ個の水平シフトレジスタに読み出される（ステップ６０２）。垂直シフトは、配列の最初のａ列からの電荷だけではなく、すべてのＭ列からシフトする。その後、水平シフトレジスタのそれぞれは、そのピクセル行から蓄積された電荷を保持する。当該電荷は、Ｎ個の連続する水平シフトにおいてＮ個の水平シフトレジスタから読み出される（ステップ６０４）。なぜなら、ＣＣＤセンサのＮ個の各行は、離散的な波長(または波長の領域)と関連するので、蓄積された電荷は、例え振幅が小さくても、それぞれの波長の強度を表現する。このように、各レジスタからのデータは、直接記憶装置に小さい振幅チャンネル波長測定として移動させることができる（ステップ６０６）。代わりに、下記の開示からより明らかになることではあるが、各レジスタからのデータは、特定の波長（またはピクセル行）のための大きい振幅チャンネルデータに対する関係に基づいて処理されることとしてもよい。いったんＣＣＤ配列の領域ａが読み出されると、領域ｂは、同様の方法で読み込まれ得る。しかし、領域ｂからの電荷は、前の垂直シフトの間、水平シフトレジスタにより近いａ列にシフトされる。それゆえ、領域ｂは、「ｂ」垂直シフトの合計によってＮ個の水平シフトレジスタにもっとも近い配列のｂ列に読み出される（ステップ６０８）。水平シフトレジスタにおける領域ｂの各ピクセル行からの蓄積された電荷によって、当該電荷は、Ｎ個の連続する水平シフトにおいて読み出される（ステップ６１０）。各水平シフトレジスタにおけるデータは、波長と関連するので、データは、大きい振幅チャンネル波長測定として記憶装置に直接的にシフトされ得る（ステップ６１２）。いったん大きい振幅チャネルが記憶されると、小さいおよび大きい振幅データは、スペクトルに処理される。しかし、より詳しく２チャンネルデータの後処理を述べる前に、光学分光法測定を得るためのより具体的な関係における２領域ラインビニングモードのアプリケーションが理解に役立つだろう。
【００２６】
最初に、大きい領域ｂから得られたデータは、一般的に、小さい領域aから得られたデータの信号対雑音比よりずっとよい信号対雑音比を持つものとされる。領域選択によって、信号対雑音比は、Ｍ個のピクセルライン全体からのデータの信号対雑音比に近づくかもしれない。しかし、Ｍ個のピクセルラインと同様な方法において、領域ｂ（ｂ＝Ｍ−ａを思い出せ)の行は、スペクトルのより高い発光領域における飽和に影響され易い。小さい領域におけるデータは、少なくとも水平シフトレジスタの井戸深さの観点で、飽和の影響はずっと少ない。つまり、領域が小さいほど、その領域に蓄積され得る全体の電荷は少なくすることができるからである。したがって、本発明に係る実施形態の１つの側面において、より大きい振幅領域から得られた飽和データは、小さい振幅領域からの不飽和データに代替されることとしてもよく、こうして、スペクトルデータのダイナミックレンジが拡張される。データは、行毎を基準に置き換えられる。
【００２７】
ａおよびｂの値は、所望のダイナミックレンジの拡張に従って選択されるだろう。実現されるダイナミックレンジの改善は、おおよそ
【数１】
2007527516.tif 000003
で示される。ここで、ＦpおよびＦhは、ピクセルおよび水平シフトレジスタの飽和井戸容量である。ハママツのS7031-1007装置において、ダイナミックレンジの理論的な最大の拡張は、ａ＝２とし、垂直シフトレジスタ容量に対する水平シフトレジスタ容量の比が２である事実を使用した場合、この式に従うと、ラインビニングモードにおける能力上で約６０となる。実際の改善は、ここで計算される数値とは異なるかもしれない。なぜなら、光学により形成されたスペクトル画像は、垂直方向に均一であるとはいえないからである。ダイナミックレンジにおける改善は、小さい振幅チャンネルにおける信号にノイズが吹かされることは理解されるべきである。このノイズは、減らすことはできるが、ダイナミックレンジにおける改善に損失が出るだけである。例えば、ａ＝１０の値を選択すると、ダイナミックレンジにおける改善は１０より減少するが、同時にノイズを√１０まで低減させる。
【００２８】
本発明に係る実施形態において、２領域ラインビニングモードを利用する分光計は、例えもっとも短い集積時間が利用可能であっても、光源をラインビニングモードにおいて飽和するのに十分な明るさに作用させるかもしれない。しかしながら、２領域ラインビニングを実行するために必要とされる最小の集積時間（ｔab(min)）は、従来のラインビニングモードに用いられた時間（ｔM(min)）に付加したＮ個の水平シフトを行うために必要な時間（ｔhoriz）の分を掛けたものに比べて、より長い。典型的に、従来のラインビニングモードにおいて１つのＣＣＤのための最小の集積時間は、
【数２】
2007527516.tif 000004
で定義される。
【００２９】
２領域ラインビニングモードは、飽和行の垂直シフトを２つの部分的な行シフトに分割することを含み、以下に定義される付加的な飽和水平シフトが行われる。
【数３】
2007527516.tif 000005
ａｔvert＋ｂｔvert＝Ｍｔvertであるため、式（３）は、
【数４】
2007527516.tif 000006
となる。
【００３０】
ｔhoriz≡ｔvertと仮定し、ＣＣＤ配列において、Ｎ＞＞Ｍ；Ｎｔhoriz＞＞Ｍｔvertであるため、
【数５】
2007527516.tif 000007
となる。
【００３１】
有用な方法によれば、分光計に用いられるほとんどのＣＣＤ配置は、垂直列よりもはるかに多くの水平行が配置されており、つまりＮ＞＞Ｍとなり、したがって、概算すると、２領域ラインビニング法を用いるコストは、達成される最小の集積時間の２倍となる。非常に明るい光源を取り扱うとき、従来用いられて測定されたもっとも明るい光源は、最小の集積時間が用いられたとき、水平シフトレジスタを飽和させるものである。２領域ラインビニングモードを用いると、集積時間は、効果的に２倍となり、同じ光源ではａ＜Ｍ／２のような値の水平シフトレジスタを飽和させることはないだろう。したがって、ａおよびｂを選択する他の方法は、特定の行または波長の範囲に一致する行の範囲における信号レベルの目標値を考慮することであり、式（１）を用いて、ａチャンネルにおける目標信号レベルを生じるａを選択することである。この方法により、領域ｂのサイズは、十分に減少し、このチャンネルにおける信号対雑音比は低減するが、所定のアプリケーションにおいてこの方法は、興味深くないかもしれない。
【００３２】
ここに記載する２領域ラインビニングモードを採用する前に、考慮されるべき最終的な問題の１つは、小さい振幅チャンネルと大きい振幅チャンネルとの振幅測定間の関係を構築することである。好ましくは、チャンネル間の関係は、それぞれの波長について線形であり、各波長に想定される各チャンネルから１またはそれ以上の波長を比較することによって構築されてもよい。これらの振幅レベルは、ＣＣＤに固有の電子雑音レベルより高く、飽和レベルより低くあるべきである。
【００３３】
図７は、本発明の実施形態にしたがって、Ｎ×Ｍピクセル配列を有する光センサを用いた光学分光測定における２領域ラインビニング法の実施方法を示すフローチャートである。本配列は、ピクセル行に一致するスペクトル波長と位置合わせされることが推定される。処理は、スペクトル波長とＮピクセル行のそれぞれとの間での一致を構築することにより開始する（ステップ７０２）。典型的に、このステップは、正常に予め設定されている分光法においてよく省略される。次に、領域ａおよびｂは、Ｍ×Ｎ配列上に区画される（ステップ７０４）。ａおよびｂの値は、上記式（１）を用いたａチャンネルにおけるスペクトルが飽和するのを回避するのに必要な減少量に基づいて決定され得る。ダイナミックレンジの拡張は、より大きくなるａ、または、水平シフトレジスタ自身が飽和したときの水平シフトレジスタを飽和させたピクセルの数、に対する、ある行におけるピクセルの総数の比である。式（１）からすぐに明白であるが、ダイナミックレンジの拡張の最大値は、ａ＝Ｆh／Ｆで示され、ａの値が増大すると、つまりａ＞１で、信号対雑音比は、大きい振幅チャンネルにおいて増大する。
【００３４】
大きい振幅チャンネルからのスペクトルデータが飽和を示す振幅における波長を除いた場所で用いられることが予期される。この場合、小さい振幅チャンネルが使用されるだろう。データ処理のための手段の例の１つは、小さいおよび大きい振幅チャンネルの双方からの情報を１つの、ワイドダイナミックレンジスペクトルに結合することである。これは、それぞれのチャンネル間で線形関係を構築し、当該関係を用いて小さい振幅チャンネルからのデータを線形にスケーリングすることによって実現されるだろう。関係は、好ましい単一の関係として決定されるかもしれないが、各波長において異なる関係が必要な場合、大きい振幅チャンネルにおける作動範囲を交差する２つのチャンネルからの波長を比較する、すなわち、電子ノイズを超えて飽和しない十分な波長に決定される。各波長の線形関係データは、各波長毎に必要であり、振幅の後処理において使用すべく記憶される。この関係は、一般に装置に固有のものであり、したがって、２領域ラインビニングモードにより動作する分光計毎に決定されるべきである。
【００３５】
いったん所望のダイナミックレンジの拡張および振幅チャンネル間の線形関係が決定亜Ｓれると、光学分光法測定は、２領域ラインビニングモードにおいて開始される（ステップ７０８）。上述したように、ここに記載した２領域ラインビニングモードは、それぞれ読み出された生の分光データについての２つのデータチャンネル、すなわち、大きい振幅データチャンネルおよび小さい振幅データチャンネルを生じる。これら２つのチャンネルにおけるデータは、より便利な形式に後処理されてもよい（ステップ７１０）。１つの方法としては、２つのチャンネルの分光計において別個のチャンネルとして単に交互に読み取られることが考えられる。大きい振幅チャンネルは、その波長が飽和状態にあることを示す場所を除くすべての場所で用いられるだろう。飽和状態にある場合には、小さい振幅チャンネルが用いられるだろう。
【００３６】
２チャンネル分光計表示としてのデータを表示することに代えて、小さいまたは大きい振幅チャンネルの双方からの２チャンネル振幅データを単一のワイドダイナミックレンジスペクトルに結合させてもよい。図８は、本発明に係る実施形態において、小さいおよび大きい振幅チャンネル測定を単一のワイドダイナミックレンジスペクトルに結合する後処理の方法を示すフローチャートである。まず、スペクトル測定のための各チャンネルの振幅データは別個にバッファされる。本処理は、領域ｂから得られたメモリから大きい振幅データを読み出すことにより開始する（ステップ８０２）。スペクトルは、離散的な波長が次々に読み取られ、各波長において補和についてテストされる（ステップ８０４）。波長の振幅で飽和市内ならば、すなわち、振幅測定が飽和値（例えば、６５５３５カウント）を下回る場合、振幅測定は、さらなる処理を行うことなくスペクトルを付加され（ステップ８１２）、そしてスペクトルは、完全性についてテストされる（ステップ８１４）。スペクトルが完全であれば、単一のワイドダイナミックレンジスペクトルとして表示される（ステップ８１６）。スペクトルが完全でなければ、処理はステップ８０２に戻り、大きい振幅チャンネルデータを保持したバッファから他の波長を読み取り、飽和についてテストされる（ステップ８０４）。波長振幅が飽和されることを決定すると、小さい振幅チャンネルの振幅が、一致する波長についての小さい振幅バッファから読み取られる（ステップ８０６）。小さい振幅データは、大きい振幅データより少ないピクセル列からサンプリングされるため、その振幅は、大きい振幅データより小さいが、線形に関係する。この波長についての線形関係は、上記ステップ７０６に記載された技術により決定されるが、引き出され（ステップ８０８）、小さい振幅チャンネルの振幅に適用される（ステップ８１０）。そうすることにより、小さい振幅チャンネルからの波長は、大きい振幅チャンネルに比例してスケーリングされる。このとき、その振幅は、スペクトルに付加され得る（ステップ８１２）。そして、スペクトルは、完全性について再びテストされる（ステップ８１４）。処理は、スペクトルの波長について、すべてのワイドダイナミックレンジスペクトルが集積し、１度に１波長となるまで繰り返される。この結果生じるワイドダイナミックレンジスペクトルは、大きい振幅チャンネルの振幅測定から基本的に構成される。測定が小さい振幅チャンネルから引き出される信号は大きいため、それらはより小さい雑音レベルによる干渉に対して影響を受け難い。一方、そのような干渉に対する影響を受け易い小さい信号は、従来のラインビニングモードを用いて生成したスペクトルデータ（特に、ｂ＞＞ａおよびＭ≒ｂ）と略同様のノイズフリーな大きい振幅チャンネルから引き起こされる。それゆえ、複合スペクトルのダイナミックレンジは、従来用いられて生成されたスペクトルのそれよりずっと大きい。
【００３７】
Verity Instruments, Inc., 2901 Eisenhower Street, Carrollton, TX 75007により製造された分光計（ＳＤ１０２４）は、記載された方法を用いるべく、ａ＝１およびｂ＝１２１を用いるように変更された。高強度チャンネルは、既知のラインビニングが使われたなら観測されたであろうものと本質的に同じである。観測されたダイナミックレンジへの拡張は、２３のファクタであった。図９は本発明に係る実施形態における２つのチャンネルから読み出された低強度領域のスペクトル例示する図である。図９は強度が低いスペクトル部分が示され、したがって、いずれのチャンネルも飽和されていない。この領域において、大きい振幅チャンネル（左側）はよりよい結果を与えている。小さい振幅チャンネル（右側）は、大きい振幅チャンネル（右側）と同様の縮尺となるように、リスケーリングされている。大きい振幅チャンネルおよび小さい振幅チャンネルのいずれも飽和されていないため、この領域におけるよりよい測定は、大きい振幅チャネルによるものとなる。
【００３８】
図１０は、本発明に係る実施形態における２つのチャンネルから読み出された高強度領域のスペクトル（図９において示されたスペクトル）を例示する図である。この領域において、大きい振幅チャンネル（左側）は飽和しているが、小さい振幅チャンネル（右側）は利用可能な結果を与えている。大きい振幅チャンネル（左側）は、６５５３６カウントで切り取られ、飽和により使用不可能である。リスケーリングされた小さい振幅チャンネル（右側）は１，５００，０００カウントで飽和する。ダイナミックレンジの増大は、２３段である。
【００３９】
ａまたはａならびにｂを選択することは、画像処理装置の意図されるアプリケーションによって様々な事象と連係してなされ得る。例えば、ａの値は、画像処理装置の初期設定段階で決定されてもよい。分光計に関して、テストデータは、目標振幅の範囲内のａチャンネルまたはｂチャンネル落下からのいずれか１またはそれ以上選択された波長の信号振幅のような、ａまたはａならびにｂの値を選択するために集められ、用いられる。
【００４０】
一方、ａの値は、連続する画像センサ読み出し間で直ちに決定され、その後使用されてもよい。操作におけるこのモードは、例えば、一連の分光計測定が進行中の処理を行う所定のアプリケーションにとって極めて便利である。本発明に係る本実施形態において、処理における時間またはポイントは、ａまたはａならびにｂの値を選択するために決定される。処理における予め決められたポイントで、ａチャンネルまたはｂチャンネルのいずれかからの１またはそれ以上の選択された波長の振幅は、目標振幅の範囲と比較される。信号振幅が目標範囲内にある場合、ａまたはａならびにｂの値のさらなる調整は必要ない。範囲内にない場合、ａまたはａならびにｂの値は、所望の方向に調整され、他の測定が行われる。ａまたはａならびにｂの値は、信号振幅が目標振幅の範囲内になるまで測定の間で繰り返し調整される。いったん設定されると、ａおよびｂの値は、残りの処理のために固定され続ける。具体的な例について、選択された波長のための信号振幅がｂチャンネル上で高すぎて、ａチャンネル上で低すぎる場合、ａの値は、例えば、ａチャンネルの振幅が目標振幅の範囲内になるまでａの値を２倍にすることによって、それぞれの測定において増大されるかもしれない。逆に言えば、選択された波長のための信号振幅がｂチャンネル上で高すぎてａチャンネル上でも高すぎる場合、ａの値は、例えば、ａチャンネルの振幅が目標振幅の範囲内になるまでａの値を半減させることによって、それぞれの測定において減少されるだろう。ａチャンネルおよびｂチャンネルの選択された波長についての信号振幅がともに低すぎる場合、ａおよびｂの値のいずれか一方は、例えば、そのチャンネルの振幅が目標振幅の範囲内になるまでまたはその値がＭになるまで（もはや値を調整することが物理的に不可能となるまで）それぞれの測定において増加することとしてもよい。
【００４１】
画像分光計において、光は、スリットの異なる領域において発光された異なる光源から複数のスペクトルに分解する能力をさらに有する。図１１は、画像分光計の焦点面におけるスペクトル画像の図であり、画像が長手方向が波長に一致する矩形として可視化される。スペクトル１１０２は、互いの間にわずかな分離を有して第２のスペクトル１１０４上に投影される。本発明に係る実施形態において、２またはそれ以上の矩形画像が波長軸に対して垂直な方向に沿って配置されていること、波長分散に対するそれぞれ独立した強度を有していること、および、そのそれぞれは、混合された画像の全範囲が単一の画像範囲と等しくなるように、波長方向に直角な範囲において減少されることが上述の図１に示されている。
【００４２】
画像分光計からの混合画像のもっとも単純な例は、２チャンネルスペクトルである。これは、２つの光源、ここで言う、光源ＣおよびＡ、を有し、画像配置上の画像領域にそれぞれを一致させる。この場合、ここに記載される２領域ラインビニングモードは、互いの光源が独立した強度対波長分散を有する別個の画像を投影するため、適切ではない。領域Ａに対する２領域ラインビニングにおけるアプリケーション考慮すると、ここで、領域Ａを領域Ａ’およびＢ’に再分割すると、これらは、領域ａおよびｂが従来の画像なしの分光計の場合における全体画像に関係するのと同様に、元の領域Ａに関係する。集積の最後に、領域Ａすなわち領域Ａ’の部分からの電荷は、シフトレジスタに移動される。同様に、領域Ｃからの電荷のいくつかは、領域Ａの領域Ｂ’部分に移動される。すなわち、画像配列の領域は、領域Ｃとシフトレジスタとの間にある。領域Ｂ’にある領域Ｃからの電荷は、光源Ａに露光される。信号を領域Ａ’から読み取ることに使用される連続する水平シフトが実行される間、光源Ａは、領域Ｃから下にシフトされた電荷を付加する。結局、領域Ｃからの電荷が読み取られたとき、混合された領域Ａからの電荷の存在によって誤りが生じる。同様の事象は各領域からの信号に影響を与える。
【００４３】
図１２は、本発明に係る実施形態において、２またはそれ以上の画像が投影されており、それぞれが独立な強度対波長分散を有する画像分光計に２領域ラインビニング技術を適用可能な変更を行った装置を一般的に示す図である。装置１２００は、多くの面で図５を用いて上述した装置５００と似ているため、異なる箇所のみを記述する。しかしながら、一般的に、画像配置１２０２は、波長方向に対して直角な方向においてピクセルの数の２倍、例えば、２Ｍピクセルから選択される。これは、配列１２０２の上半分における画像に混合画像を用意する必要があるためである。配列１２０２の上半分は、投影された別個の画像と一致する領域に再分割される。例を示すと、配列１２０２の上半分は、ピクセル１２０４を有する領域ａとピクセル１２０６を有する領域ｃとに再分割される。示された図において、スペクトル１１０２は、領域ａに投影されるスペクトル１１０４上の領域ｃに投影される。しかし、実際には、露光される配列の上部は、本発明の範囲から逸脱することなくいくつかの領域に再分割されてもよい。配列１２０２の下半分は、ピクセル１２０８を有する暗い領域からなっている。暗い領域は、画像の外側にあり、それゆえ、ピクセル１２０８は、露光されることは決してない。一方、ピクセル１２０８は、不透明なマスクによって潜在的な光の汚染から保護されるだろう。
【００４４】
操作の間、スペクトル１１０２およびスペクトル１１０４は、領域ａおよびｃ上に投影され、ピクセル１２０６および１２０４においてそれぞれ蓄積された電荷を引き起こす。画像配列１２０２の上半分が予め決められた時間、ｔintの間、露光された後、画像全体が急速にＭ個のピクセルが暗い領域のピクセル１２０８に下降シフトされる。空である水平シフトレジスタに続いて、領域ｂから蓄積された電荷は、スペクトル１１０４に一致するが、水平シフトレジスタ２０６にシフトされ、ａチャンネル信号として水平に外へシフトされる。このとき、領域ｃからのピクセル１１０２に蓄積された電荷は、スペクトル１１０２に一致するが、水平シフトレジスタ２０６にシフトし、ｃチャンネル信号として読み出される。
【００４５】
２領域ラインビニング技術の変更の実行についてさらに考慮すると、図１３は、本発明に係る実施形態において、ある領域に蓄積された電荷と他の領域に蓄積された電荷とを混合するのを防止する暗い領域を含むＮ×２Ｍの複数領域に蓄積された電荷を読み出す詳細な処理を示すフローチャートである。この処理は、異なる領域の画像スペクトルスリットにおいて発光する異なる光源からの複数のスペクトルを分解するときに、特に適用可能である。一般的に、画像配列は、ｎ＋１個の個別のピクセル領域を有するものとして区画される。配列の下半分にある暗い領域も含まれる。暗い領域は、少なくともＭ個のピクセル列を有し、画像の外側全体に配される（図１２においてピクセル１２０８として示される）。配列の上部におけるｎ個のカバーされていない領域は、露光される（図１２において領域ａおよびｃがそれぞれピクセル１２０４および１２０６として示される）。Ｍ個のピクセル列のみが暗い領域であるとすると、ｎ個の上側領域のそれぞれは、配列におけるピクセル列の予め決められた関係を有する。つまり、領域ｎがＭｎ／（ａ＋ｃ＋．．．＋ｎ）個のピクセル列を有するまで、領域ａは、Ｍａ／（ａ＋ｃ＋．．．＋ｎ）個のピクセル列を有し、領域ｃは、Ｍｃ／（ａ＋ｃ＋．．．＋ｎ）個のピクセル列を有する。１またはそれ以上の画像は、配列の上半分に投影され、それぞれの画像は、ｎ個のカバーされない領域のうちの１またはそれ以上に一致する。
【００４６】
測定サイクルは、Ｍ個の垂直シフトを生成することにより、Ｎ×２Ｍ画像配列の配列の上部を消去することによって開始する（ステップ１３０２）。続いて、電荷は、予め決められた集積時間であるｔintの間、ｎ領域に集積される（ステップ１３０４）。集積の後、配列の上半分におけるｎ領域に蓄積された電荷は、Ｍ個の垂直シフトを用いて暗い領域に移動される（ステップ１３０６）。本処理のこのポイントで、シフトレジスタ２０６は、望まれていない電荷を保持しており、それゆえ、Ｍ個の水平シフトを生成することによりデータを保護することなしに、空にする（ステップ１３０８）。
【００４７】
次に、開かれた領域、すなわち、領域ａ，ｃ，．．．，およびｎにおいて蓄積された電荷は、暗い領域からシフトレジスタを通じて、暗い領域において記憶された各領域の電荷を読み出す一連の繰り返し読み出しが用いられるＮチャンネル信号としてメモリに転送される。各読み出しは、それぞれの領域のピクセル列の数に等しい垂直シフトの集合（暗い領域からＮ個のシフトレジスタに電荷をシフトするために）およびＮ個の水平シフト（Ｎ個のシフトレジスタから、例えば、メモリに電荷をシフトさせるために）を有する。ここで、暗い領域における最低領域の電荷において、電荷は、暗い領域からＭａ／（ａ＋ｃ＋．．．＋ｎ）個の垂直シフトにおけるＮ個のシフトレジスタにシフトされ（ステップ１３２２）、そのとき、Ｎ個の水平シフトにおけるレジスタの外にシフトされる（ステップ１３２４）。暗い領域における次の領域の電荷は、Ｍｃ／（ａ＋ｃ＋．．．＋ｎ）個の垂直シフトを有するＮ個のシフトレジスタに転送され（ステップ１３３２）、Ｎ個の水平シフトにおけるＮ個のシフトレジスタの外に転送される（ステップ１３３４）。読み出し処理は、最後の領域、すなわち領域まで暗い領域において当該領域の電荷を通して繰り返される。このとき当該電荷は、Ｍｎ／（ａ＋ｃ＋．．．＋ｎ）個の垂直シフトを外にシフトし（ステップ１３４２）、Ｎ個の水平シフトを外にシフトする（ステップ１３４４）。このとき、１つの測定処理が終わる。もちろん、実際には、読み出し処理は、暗い領域を消去することにより、すべての測定が行われるまで繰り返され、継続される（ステップ１３０２）。
【００４８】
暗い領域に記憶された電荷が読み出される時間の間、所望しない電荷が配列の上半分における領域ａ，ｃ，．．．，およびｎに蓄積される。他の測定が要求される場合（ステップ１３５０）、測定サイクルは、前述のＭ垂直シフトにおけるのと同様に配列の上半分における領域ａ，ｃ，．．．，およびｎから所望しない電荷を消去して開始する。処理は、もはや測定が望まれないこととなるまで上述したように継続される（ステップ１３５０）。
【００４９】
上述した処理において、領域ａ，ｃ，．．．，およびｎのそれぞれにおいて蓄積された電荷は、一連の垂直シフト、すなわち、領域ａ，ｃ，．．．，ｎのそれぞれを通じてただ１つの水平シフトが存在する、において読み出される。しかし、図５における配列全体の別個の領域ａおよびｂへの分岐における共通性において、図１２における異なる領域ａ，ｃ，．．．，ｎのそれぞれは、さらに再分割されてもよい。例えば、領域ａは、領域ａ’および補助的領域である領域ｂに再分割されてもよい。ここで、ａ＝ａ’＋ｂである。これにより、拡張されたダイナミックレンジの観点から上記で詳述した利益が生じる。すべてまたはいずれかの領域が所望の通り再分割されてもよいし、何れの領域についても再分割されなくてもよい。さらに、再分割の細かい点は、本発明の範囲および目的を逸脱しない読み出しサイクルにおいて変更されてもよい。
【００５０】
請求の範囲において、対応する構成、素材、行為およびすべての機能的手段または工程要素は、他の請求項の要素と結合して機能を実現し得る構造、素材または行為を含む。本発明についての記載は、例示および説明のために表されたものであるが、包括的であることを意図したものではなく開示された形式に本発明が限定されるものではない。本発明の範囲および趣旨を逸脱しない範囲で多くの変更やバリエーションが当事者によって明らかにされるだろう。実施形態は、本発明の原理および実現化についてもっともよく説明するため、および、特定の使用に適するのに好適なものとして様々な変更を加えた様々な態様のために他の当業者が本発明を理解することができるために、選ばれて記載された。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は分光法からの画像を例示するための図である。より長い次元(水平方向)が従来技術において一般的に理解されている程度の波長と一致している。
【図２】図２は従来技術において一般的に理解されている典型的なＣＣＤセンサの機能要素を一般的に示す図である。
【図３】図３は従来技術において一般的に理解されているＣＣＤセンサのピクセル配列の感知部上に重ね合わせられたスペクトル画像を示す図である。
【図４】図４は従来技術に従ってラインビニングモードにおけるＮ×Ｍピクセル配列ＣＣＤセンサを読み出すための処理を示すフローチャートである。
【図５】図５は本発明に係る実施形態にしたがって、従来技術で知られている領域ａと領域ｂに再分割されているピクセルのＮ×Ｍ配列における典型的なＣＣＤセンサを示す図である。
【図６】図６は本発明に係る実施形態にしたがって、２領域ラインビニングモードにおけるＮ×Ｍピクセル配列ＣＣＤセンサを読み出す処理を示すフローチャートである。
【図７】図７は本発明に係る実施形態にしたがって、Ｎ×Ｍピクセル配列を有する光センサを用いて、本光学分光法測定における２領域ラインビニング法を実施するための方法を示すフローチャートである。
【図８】図８は本発明に係る実施形態にしたがって、わずかな増幅および大きい増幅のチャンネル測定を１つの広いダイナミックレンジスペクトルに結合するための後処理の方法を示すフローチャートである。
【図９】図９は本発明に係る実施形態にしたがって、２つのチャンネルにおいて読み出されたスペクトルの低強度領域を例示する図である。
【図１０】図１０は本発明に係る実施形態にしたがって、２つのチャンネルにおいて読み出されたスペクトルの高強度領域を例示する図である。
【図１１】図１１は画像が波長と一致している長さの次元を持った矩形として視覚化されるときの画像処理分光計の焦点面におけるスペクトル画像を示す図である。
【図１２】図１２は本発明に係る実施形態にしたがって、２つ以上の画像が投影された画像処理分光計に適用可能な２領域ラインビニング技術のバリエーションを実行するための装置の概略図である。
【図１３】図１３は本発明に係る実施形態にしたがって、他方の領域における蓄積された電荷を有する一方の領域において蓄積されたチャージを侵すことのないＮ×２Ｍピクセル配列の複数の領域に蓄積された電荷を読み出す処理についてのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５２】
２００  ピクセル配列
２０２  ピクセル
２０６  シフトレジスタ
２１０  連続シフトレジスタ
２１２  増幅器
５０２  処理装置
５０４  不揮発性メモリ
５０８  システムクロック
５１０  制御装置
５１２  変換器
５１４  チャンネルバッファ
５２０  バス
【図１】
2007527516.tif 000008
【図２】
2007527516.tif 000009
【図３】
2007527516.tif 000010
【図４】
2007527516.tif 000011
【図５】
2007527516.tif 000012
【図６】
2007527516.tif 000013
【図７】
2007527516.tif 000014
【図８】
2007527516.tif 000015
【図９】
2007527516.tif 000016
【図１０】
2007527516.tif 000017
【図１１】
2007527516.tif 000018
【図１２】
2007527516.tif 000019
【図１３】
2007527516.tif 000020
【国際調査報告】
2007527516.tif 000021