(57)【要約】【課題】基板上に一次元または二次元に配列された複数の各画素領域に、それぞれ光電変換部を有して成る固体撮像素子において、短波長から長波長まで、充分な感度を得ることができるようにする。【解決手段】光電変換部となるフォトダイオード４の基板深部にキャリア排出領域５を設け、複数のフレームを１組として、そのフレーム間で、前記領域５に異なるバイアス電圧を印加することで、エネルギーポテンシャル分布、したがって電子を排出する深さを変化させ、分光特性を異ならせる。これによって、カラーイメージセンサに用いる場合には、カラーフィルタなどを用いることなく、Ｒ，Ｇ，Ｂの３フレームの撮像でフルカラー撮像を可能にでき、分光分析装置に用いる場合には、２回の露光で、参照光と蛍光とを区別する分光分析を可能にでき、しかも短波長から長波長まで、充分な感度を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に一次元または二次元に配列された複数の各領域に、それぞれ光電変換部を有して成る固体撮像素子において、
前記光電変換部の基板深部にキャリア排出領域を有し、
複数のフレーム間で、前記キャリア排出領域へ印加されるバイアス電圧が、少なくとも前記光電変換部における電荷蓄積期間において変化することで、前記光電変換部の表層側からキャリア排出領域にかけて、エネルギーポテンシャル分布が相互に異なることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記基板は第１の導電体から成り、前記光電変換部およびキャリア排出領域は第２の導電体から成ることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記各領域は、前記光電変換部と、フローティングディフュージョンと、転送トランジスタと、増幅トランジスタと、行選択トランジスタとを有するＣＭＯＳイメージセンサから成ることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記請求項１記載の固体撮像素子を用い、
前記固体撮像素子へ被写体画像を導く光学系と、
前記キャリア排出領域へ印加する複数のフレーム間で変化するバイアス電圧を発生する電圧発生部と、
前記各領域の分光感度特性がカラー画像の撮像に必要な特性となるように前記電圧発生部を制御する電圧制御部と、
前記各領域から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、
デジタル変換された複数フレームの前記出力信号を元に色補間演算を行い、カラー画像を再生する色補間演算部を備える画像処理部とを備えて構成されることを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
前記請求項１記載の固体撮像素子を用い、
前記キャリア排出領域へ印加する複数のフレーム間で変化するバイアス電圧を発生する電圧発生部と、
波長設定部と、
前記波長設定部によって設定された波長情報に基づいて、前記各フレームの分光感度特性が分光分析に必要な特性となるように前記電圧発生部を制御する電圧制御部と、
前記各領域から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、
デジタル変換された複数フレームの前記出力信号を元に分光演算を行い、各測定波長の強度を計算する分光演算部を備える画像処理部とを備えて構成されることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フルカラー撮像が可能なカラーイメージセンサや、検体の蛍光反応を検出する分光分析装置などとして実現される撮像装置およびその撮像装置に用いられる固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでの固体撮像素子においても、分光機能を有する撮像システムは提案されている。たとえば、前記カラーイメージセンサでは、画素配列上にＲ，Ｇ，Ｂのカラーフィルタを配するのが一般的である。しかしながら、このような構造では、受光部であるフォトダイオードの上部にフィルタ層を形成するので、フォトダイオード上部の光路長が長くなり、クロストーク増大や画素配列周辺部でのシェーディング増大などの問題がある。
【０００３】
一方、前記分光分析装置では、分光感度の異なるフィルタを複数種類用意して、それらを撮像素子と被写体との間に順次挿入しながら複数回撮像することで分光分析を行っている。しかしながら、このような構造では、撮像する度にフィルタを交換する機構が必要であり、装置が大掛かりになり、また分光できる波長もフィルタの種類に依存し、色々な検体を分析するのは困難であるという問題がある。
【０００４】
そこで、このような問題を解決することができる先行技術が、特許文献１で提案されている。その先行技術によれば、各画素の光電変換部の表層に、絶縁膜を介して、フォトゲートと呼ばれる透明な電極膜を形成し、その電極膜に与えるバイアス電圧を変化することで、前記光電変換部において電子を排出する深さを変化させ、分光特性を変化させている。
【特許文献１】特開２００５−１０１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の従来技術では、カラーフィルタは無く、また分光フィルタを交換する必要も無いので、それらによる問題は解決可能であるが、光電変換部の上部にフォトゲートが存在し、感度が不足する（特に短波長の光の透過率が低下）という問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、短波長から長波長まで充分な感度で、分光機能を有する固体撮像素子およびそれを用いる撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の固体撮像素子は、基板上に一次元または二次元に配列された複数の各領域に、それぞれ光電変換部を有して成る固体撮像素子において、前記光電変換部の基板深部にキャリア排出領域を有し、複数のフレーム間で、前記キャリア排出領域へ印加されるバイアス電圧が、少なくとも前記光電変換部における電荷蓄積期間において変化することで、前記光電変換部の表層側からキャリア排出領域にかけて、エネルギーポテンシャル分布が相互に異なることを特徴とする。
【０００８】
上記の構成によれば、検体の蛍光反応などを検出する分光分析装置やカラーイメージセンサなどとして実現される撮像装置に用いられ、基板上に複数の領域が一次元または二次元に配列された固体撮像素子において、前記各領域における光電変換部の基板深部にキャリア排出領域を設けるとともに、複数フレームで撮像して、そのフレーム間で、前記キャリア排出領域へ印加されるバイアス電圧を、少なくとも前記光電変換部における電荷蓄積期間において異ならせることで、前記光電変換部の表層側からキャリア排出領域にかけてのエネルギーポテンシャル分布が相互に異なるようにする。
【０００９】
したがって、通常、波長が短い光は表層側で光電変換が生じ、波長が長い光は深層側で光電変換が生じるのに対して、前記のようにエネルギーポテンシャル分布が異なると、電子を排出する深さが変化し、波長および強度が等しい光を照射しても、感度が異なり、すなわち分光特性が異なるようになる。これによって、相互に隣接するフレームのデータを用いることで、たとえば前記カラーイメージセンサの場合には、１板で、カラーフィルタなどを用いることなくフルカラー撮像を可能にしたり、前記分光分析装置の場合には、波長が異なる参照光と蛍光とを区別する分光分析を可能にしたりすることができる。しかも、短波長から長波長まで、充分な感度を得ることができる。
【００１０】
好ましくは、前記基板は第１の導電体から成り、前記光電変換部およびキャリア排出領域は第２の導電体から成る。
【００１１】
また好ましくは、前記各領域は、前記光電変換部と、フローティングディフュージョンと、転送トランジスタと、増幅トランジスタと、行選択トランジスタとを有するＣＭＯＳイメージセンサから成る。
【００１２】
また、本発明の撮像装置は、前記の固体撮像素子を用い、前記固体撮像素子へ被写体画像を導く光学系と、前記キャリア排出領域へ印加する複数のフレーム間で変化するバイアス電圧を発生する電圧発生部と、前記各領域の分光感度特性がカラー画像の撮像に必要な特性となるように前記電圧発生部を制御する電圧制御部と、前記各領域から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、デジタル変換された複数フレームの前記出力信号を元に色補間演算を行い、カラー画像を再生する色補間演算部を備える画像処理部とを備えて構成されることを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、１板の固体撮像素子で、前記のようなカラーフィルタなどを用いることなく、複数フレームの撮像でフルカラー撮像が可能なカラーイメージセンサを実現することができる。なお、前記電圧発生部、電圧制御部、アナログ／デジタル変換部および前記色補間演算部を備える画像処理部の一部もしくは全部が、固体撮像素子内に設けられていてもよい。
【００１４】
さらにまた、本発明の撮像装置は、前記の固体撮像素子を用い、前記キャリア排出領域へ印加する複数のフレーム間で変化するバイアス電圧を発生する電圧発生部と、波長設定部と、前記波長設定部によって設定された波長情報に基づいて、前記各フレームの分光感度特性が分光分析に必要な特性となるように前記電圧発生部を制御する電圧制御部と、前記各領域から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、デジタル変換された複数フレームの前記出力信号を元に分光演算を行い、各測定波長の強度を計算する分光演算部を備える画像処理部とを備えて構成されることを特徴とする。
【００１５】
上記の構成によれば、１板の固体撮像素子で、前記のようなカラーフィルタなどを用いることなく、複数フレームの撮像で検体の蛍光反応を検出可能な分光分析装置を実現することができる。なお、固体撮像素子上に直接検体が搭載される場合には光学系は特に必要ではなく、複数のフレーム間で異なる種類のバイアス電圧の種類が、励起光の種類と、同時に検出すべき蛍光の種類数分だけ設けられればよい。また、前記電圧発生部、電圧制御部、アナログ／デジタル変換部および前記分光演算部を備える画像処理部の一部もしくは全部が、固体撮像素子内に設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の固体撮像素子は、以上のように、検体の蛍光反応などを検出する分光分析装置やカラーイメージセンサなどとして実現される撮像装置に用いられ、基板上に複数の領域が一次元または二次元に配列された固体撮像素子において、前記光電変換部の基板深部にキャリア排出領域を設けるとともに、複数フレームで撮像して、そのフレーム間で、前記キャリア排出領域へ印加されるバイアス電圧を異ならせることで、前記光電変換部の表層側からキャリア排出領域にかけてのエネルギーポテンシャル分布が相互に異なるようにする。
【００１７】
それゆえ、電子を排出する深さが変化し、波長および強度が等しい光を照射しても、感度が異なり、すなわち分光特性が異なるようになる。これによって、相互に隣接するフレームのデータを用いることで、たとえば前記カラーイメージセンサの場合には、１板で、カラーフィルタなどを用いることなくフルカラー撮像を可能にしたり、前記分光分析装置の場合には、波長が異なる参照光と蛍光とを区別する分光分析を可能にしたりすることができる。しかも、短波長から長波長まで、充分な感度を得ることができる。
【００１８】
また、本発明の撮像装置は、以上のように、前記の固体撮像素子を用い、前記固体撮像素子へ被写体画像を導く光学系と、前記キャリア排出領域へ印加する複数のフレーム間で変化するバイアス電圧を発生する電圧発生部と、前記各領域の分光感度特性がカラー画像の撮像に必要な特性となるように前記電圧発生部を制御する電圧制御部と、前記各領域から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、デジタル変換された複数フレームの前記出力信号を元に色補間演算を行い、カラー画像を再生する色補間演算部を備える画像処理部とを備える。
【００１９】
それゆえ、１板の固体撮像素子で、前記のようなカラーフィルタなどを用いることなく、複数フレームの撮像でフルカラー撮像が可能なカラーイメージセンサを実現することができる。
【００２０】
さらにまた、本発明の撮像装置は、以上のように、前記の固体撮像素子を用い、前記キャリア排出領域へ印加する複数のフレーム間で変化するバイアス電圧を発生する電圧発生部と、波長設定部と、前記波長設定部によって設定された波長情報に基づいて、前記各フレームの分光感度特性が分光分析に必要な特性となるように前記電圧発生部を制御する電圧制御部と、前記各領域から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、デジタル変換された複数フレームの前記出力信号を元に分光演算を行い、各測定波長の強度を計算する分光演算部を備える画像処理部とを備える。
【００２１】
それゆえ、１板の固体撮像素子で、前記のようなカラーフィルタなどを用いることなく、複数フレームの撮像で検体の蛍光反応を検出可能な分光分析装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の実施の一形態に係る固体撮像素子１の１画素の断面構造を模式的に示す図である。この画素構造では、第１の導電体であるｐ型の基板２の表面において、素子分離領域３によって１画素分に区画された領域に、光電変換部となる第２の導電体であるｎ型のフォトダイオード４を形成したＣＭＯＳイメージセンサの例を示している。注目すべきは、本実施の形態では、前記各フォトダイオード４の基板深部に、第２の導電体であるｎ型のキャリア排出領域５が埋込まれていることである。そのキャリア排出領域５は、バイアス電圧Ｂを印加するために、基板２の表面のコンタクト部６まで、垂直にｎ型領域７で接続されている。図１では、フォトダイオード４と転送ゲート８との境界部と、キャリア排出領域５の端部とが一致しているが、これに限らない。転送ゲート８によるキャリアのフローティングディフュージョン（以下、ＦＤと略称）９への完全転送が可能であれば、キャリア排出領域５は、図１よりも転送ゲート８方向に伸延されていてもよい。
【００２３】
図２は、前記固体撮像素子１の全体の電気的構成を示す図であり、図３はその１画素分の回路構成を示す図である。これら図２および図３で示す構成と同等の機能を有するものであれば、図に示す構成に限らない。図３を参照して、前記フォトダイオード４で得られた電荷は、前記転送ゲート８にハイレベルの転送パルスφＴＸが与えられることで、転送トランジスタ１１がＯＮしてＦＤ９へ転送され、このＦＤ９における容量で電圧値に変換されて、増幅トランジスタ１２に入力される。増幅トランジスタ１２において、電源電圧ＶＤＤを用いて増幅された電圧は、行選択信号線ＬＨから行選択トランジスタ１３のゲートに選択信号φＶが与えられることで、該行選択トランジスタ１３がＯＮして、垂直信号線ＬＶへ出力される。一方、前記ＦＤ９に蓄積された電荷は、行選択信号線ＬＨからリセットトランジスタ１４のリセットゲート１９へハイレベルのリセットパルスφＲＳＴが与えられることで、該リセットトランジスタ１４がＯＮしてリセット電圧ＶＲＳＢにリセットされる。
【００２４】
図２を参照して、固体撮像素子１の中央部には、多数の画素が二次元に配列されており、周縁部に配置された垂直走査回路１５が前記行選択信号線ＬＨに選択出力を与え、それによって各画素から前記垂直信号線ＬＶに出力された電圧は、水平走査回路１６の選択走査によって、読出し回路１７から順次読出される。前記垂直走査回路１５および水平走査回路１６は、シフトレジスタなどで実現される。
【００２５】
前記読出し回路１７は、各列、すなわち前記垂直信号線ＬＶに接続される２つのサンプルホールド回路ＳＨ１，ＳＨ２と、負荷トランジスタＱとを備えて構成される。前記サンプルホールド回路ＳＨ１，ＳＨ２は、スイッチＳ１，Ｓ２と、容量Ｃ１，Ｃ２と、アンプＡ１，Ａ２とを備えて構成される。前記各垂直信号線ＬＶは、スイッチＳ１，Ｓ２を介して容量Ｃ１，Ｃ２に接続され、そのホールド電圧がアンプＡ１，Ａ２を介して引算器１８に与えられる。前記各列の各アンプＡ１，Ａ２は、前記水平走査回路１６によって駆動される。
【００２６】
このような読出し回路１７において、相関二重サンプルを行うために、スイッチＳ１，Ｓ２の一方がＯＮし、各画素に前記転送パルスφＴＸが与えられることで容量Ｃ１，Ｃ２の一方に前記各画素からの出力電圧がホールドされる。また、前記スイッチＳ１，Ｓ２の他方は、各画素に前記リセットパルスφＲＳＴが与えられたときにＯＮし、各画素からの出力電圧がホールドされる。そのホールド電圧は、前記水平走査回路１６によって、各アンプＡ１，Ａ２が一対で選択されて引算器１８に与えられ、こうして引算器１８からは、ノイズの影響の少ない前記相関二重サンプル値が順次出力されてゆく。
【００２７】
図４には、列選択期間内における上述のような画素駆動タイミングを詳細に示す。図４（ａ）は、いわゆるローリングシャッタ駆動におけるタイミングを示す。列選択期間中は、先ずリセットゲート１９をＯＮすることで、ＦＤ９の電位がリセットされる。そのときの電位をスイッチＳ１をＯＮすることで容量Ｃ１にサンプルホールドする。次に、転送ゲート８をＯＮすることでフォトダイオード４の蓄積時間を終了させ、蓄積電荷をＦＤ９に転送する。そのときのＦＤ９の電位をスイッチＳ２をＯＮすることで容量Ｃ２にサンプルホールドする。電荷を転送するためにＯＮした転送ゲート８を転送後にＯＦＦしてから、次のフレームで再び電荷を転送するためにＯＮして再度ＯＦＦするまでの期間が、フォトダイオード４の電荷蓄積期間になる。
【００２８】
一方、図４（ｂ）は、いわゆるグローバルリセット駆動におけるタイミングを示すものである。前記図４（ａ）のローリングシャッタ駆動では、撮像期間のほぼ全期間がフォトダイオード４の電荷蓄積期間となるのに対して、このグローバルリセット駆動では、機械シャッタが併用され、図４（ｂ）で示すように、撮像期間において、シャッタが開放している一部の期間が前記電荷蓄積期間となる。したがって、この電荷蓄積期間のみに前記バイアス電圧Ｂを印加することで、その電荷蓄積期間以降での転送動作や、画素部の回路特性を全画素で安定させることができる。このため、このローリングシャッタ駆動では、前記バイアス電圧Ｂの印加期間は、少なくともこの電荷蓄積期間とすればよい。
【００２９】
上述のように構成される固体撮像素子１において、また注目すべきは、前記各画素には、一括して、複数のフレーム間で、相互に異なるバイアス電圧Ｂが、前記コンタクト部６から与えられることである。図５は、前記１画素のエネルギーポテンシャル分布分布を示す図である。前記フォトダイオード４は、表面付近のｎ型領域ポテンシャル井戸２１で形成されており、光電変換して発生した電荷はこのポテンシャル井戸２１に蓄積される。この際、波長の短い光は基板２の表面近くで吸収され、波長の長い光は基板２の深い部分まで浸透し吸収される。すなわち、たとえば境界ｄで表すフォトダイオード４のｎ型領域と、その下のｐ型領域２２との境界が浅い位置の場合、波長の長い光の大部分がフォトダイオード４のｎ型領域２１を通り過ぎてしまい、境界ｄより深い部分２３で光電変換され、発生した電荷は境界ｄより深い部分にあるｎ型のキャリア排出領域５を介してバイアス電源へと排出される。これによって、前記波長の長い光に対する感度は低いものとなる。こうして、境界ｄの深さが異なると、観測すべき全波長に対する分光感度が異なることが理解される。
【００３０】
したがって、図６に示すように、バイアス電圧Ｂの低いときのポテンシャル曲線は実線のようになり、これに対してバイアス電圧Ｂの高いときのポテンシャル曲線は破線のようになり、分光感度に影響を与える境界が、バイアス電圧Ｂが低いときは比較的深いｄ１の位置となり、バイアス電圧Ｂが高いときは比較的浅いｄ２の位置となる。すなわち、バイアス電圧Ｂを高くすると境界ｄの位置が浅くなり、分光感度における長波長側の感度が低くなる。これを利用して、前記バイアス電圧Ｂを、複数のフレーム間で、青、緑、赤のそれぞれの光の補足に適応した値に順に設定してゆくと、各画素は、共に青、緑、赤の成分を含んだ光を順次検知するようになり、３フレーム分のデータをメモリして検知結果を画像処理することで、１板の固体撮像素子１を用いて、カラーフィルタなどを用いることなく、フルカラー撮像を行うことができる。
【００３１】
図７は、上述のような固体撮像素子１を用いる撮像装置の一例であるカラーイメージセンサ３１の一構成例を示すブロック図である。このカラーイメージセンサ３１は、前記固体撮像素子１へ被写体画像を導く光学系３２と、前記キャリア排出領域５へフレーム間で変化するバイアス電圧Ｂを印加する電圧発生部３３と、前記各フレームにおける分光感度特性がカラー画像の撮像に必要な特性となるように、前記電圧発生部３３を制御する電圧制御部３４と、前記各画素から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部３５と、デジタル変換された前記出力信号を複数フレームに亘って記憶することができるフレームメモリ４３と、前記フレームメモリ４３に記憶されたデータを元に色補間演算を行い、カラー画像を再生する色補間演算部３６を備える画像処理部３７と、該カラーイメージセンサ３１の全体を制御するとともに、前記画像処理部３７で得られたカラー画像を配信するシステム制御部３８と、前記システム制御部３８から出力されたカラー画像を、表示する表示部３９と、適宜記憶する記憶媒体４０と、外部へ出力する外部出力インタフェイス４１と、前記システム制御部３８に、光学系３２のズームやフォーカスなどの指示入力がユーザによって行われる操作部４２とを備えて構成される。
【００３２】
このような構成を用いることで、１板の固体撮像素子１で、カラーフィルタなどを用いることなく、複数フレームの撮像でフルカラー撮像が可能なカラーイメージセンサ３１を実現することができる。なお、前記電圧発生部３３、電圧制御部３４、アナログ／デジタル変換部３５および前記色補間演算部３６を備える画像処理部３７の一部もしくは全部が、固体撮像素子１内に設けられていてもよい。
【００３３】
図８は、前記固体撮像素子１を用いる撮像装置の他の例である分光分析装置５１の一構成例を示すブロック図である。この分光分析装置５１において、前述のカラーイメージセンサ３１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。分光分析装置５１は、たとえば図９で示すように、検体６１に参照光を照射して、それによる病変部６２などからの蛍光を前記参照光と分離して、それぞれの強度を求めることで、検体６１の画像中で、前記病変部６２などを識別可能に表示するものである。
【００３４】
したがって、たとえば図１０で示すように、１つの参照光６３で、１つの蛍光６４を検出する場合には、参照符号６５で示すような比較的参照光６３側に感度の高い分光特性と、参照符号６６で示すような比較的蛍光６４側に感度の高い分光特性との少なくとも２つの分光特性を実現すればよく、前記フレームは２フレームで１組として、フレーム間で相互に異なるバイアス電圧Ｂが与えられ、その結果が分光分析される。このように参照光と蛍光とを分離するのに必要な分光特性の数だけ、バイアス電圧が設定されることになる。すなわち、分光分析すべき波長がｎ種類あると、少なくともｎ種類のバイアス電圧が印加され、ｎフレームに亘って撮像されることになる。
【００３５】
ここで、測定する波長が上述のように２波長の場合、分光感度の異なる少なくとも２つのフレームで撮像すれば、各画素の出力強度から、２入力−２出力の連立方程式を導き出すことができ、各フレームで印加されたバイアス電圧Ｂでの各画素の測定波長に対する分光特性が予め分かっていれば、その連立方程式からそれぞれの波長の強度を求めることができる。各測定波長の分光特性が予め分かっていない場合でも、各波長の分光特性は、図５に示す境界ｄの値と基板２の吸収係数とから推定することができるので、キャリア排出領域５のバイアス電圧Ｂよりも、境界ｄの値がどう変化するかだけを把握しておればよいことになる。以下に、２つの波長λ１とλ２とが、それぞれ強度Ｘ１とＸ２とで固体撮像素子１に入射しており、フレーム１とフレーム２との出力電圧がＶ１とＶ２とである場合の連立方程式を示す。
【００３６】
Ｖ１＝ｆ１λ１（Ｘ１）＋ｆ１λ２（Ｘ２）
Ｖ２＝ｆ２λ１（Ｘ１）＋ｆ２λ２（Ｘ２）
ｆ１λ１：フレーム１の波長λ１に対する分光特性
ｆ１λ２：フレーム１の波長λ２に対する分光特性
ｆ２λ１：フレーム２の波長λ１に対する分光特性
ｆ２λ２：フレーム２の波長λ２に対する分光特性
【００３７】
上式を解いて、波長λ１における基板２の吸収係数がα１である場合、フォトダイオード４のｎ型領域２１とその下のｐ型領域２２との境界深さがｄである画素の出力電圧Ｙ１から、入射強度Ｘ１を推定する式を以下に示す。
【００３８】
Ｘ１＝（Ｙ１／Δｔ）（ｈν１／Ａｑ）／（１−ｅ−α１・ｄ）
Δｔ：固体撮像素子１の電荷蓄積時間
ｈ：プランク定数
ν１：入射光λ１の振動数
Ａ：画素の光電変換部（フォトダイオード４）の面積
ｑ：電気素量
【００３９】
このため、操作部５２の波長設定部５３から、前記λ１，λ２などの測定すべき波長が設定され、その波長情報に基づいて、システム制御部５８は、電圧制御部３４を制御して、前記各画素の分光感度特性が分光分析に必要な特性となるバイアス電圧を前記電圧発生部３３に発生させる。一方、アナログ／デジタル変換部３５でデジタル変換された出力信号は、フレームメモリ４３で記憶され、画像処理部５７の分光演算部５８に２フレーム分入力されて、その出力信号を元に上述のような分光演算が行われ、各測定波長の強度が計算される。
【００４０】
このように構成することで、１板の固体撮像素子１で、前記のようなカラーフィルタなどを用いることなく、１回の撮像で検体６１の蛍光反応を検出可能な分光分析装置５１を実現することができる。なお、固体撮像素子１上に直接検体６１が搭載される場合には光学系３２は特に必要ではない。また、前記電圧発生部３３、電圧制御部３４、アナログ／デジタル変換部３５および前記分光演算部５６を備える画像処理部５７の一部もしくは全部が、固体撮像素子１内に設けられていてもよい。
【００４１】
さらにまた、検体６１全体での蛍光の強度を判定する、すなわち検体６１のどこが蛍光を発しているかをイメージで捉える構成でない場合には、前記バイアス電圧Ｂが変化される単一画素が設けられるだけでよい。具体的には、暗箱内に収納した検体６１に参照光６３を照射し、同様に暗箱内に収納した固体撮像素子によって前記蛍光６４を捉えるだけの構成である場合、前記固体撮像素子としてバイアス電圧Ｂの変化が可能な単体のフォトダイオードが用いられるだけでよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の一形態に係る固体撮像素子の１画素の断面構造を模式的に示す図である。
【図２】前記固体撮像素子の全体の電気的構成を示す図である。
【図３】図２の１画素分の回路構成を示す図である。
【図４】画素駆動のタイミングを詳細に示す波形図である。
【図５】１画素のエネルギーポテンシャル分布を示す図である。
【図６】バイアス電圧を変化させた場合のエネルギーポテンシャル分布を示す図である。
【図７】前記固体撮像素子を用いるカラーイメージセンサの一構成例を示すブロック図である。
【図８】前記固体撮像素子を用いる分光分析装置の一構成例を示すブロック図である。
【図９】分光分析される検体を模式的に示す図である。
【図１０】前記分光分析を行う場合に必要な分光特性を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１    固体撮像素子
２    基板
３    素子分離領域
４    フォトダイオード
５    キャリア排出領域
６    コンタクト部
７    ｎ型領域７
８    転送ゲート
９    フローティングディフュージョン
１１    転送トランジスタ
１２    増幅トランジスタ
１３    行選択トランジスタ
１４    リセットトランジスタ
１５    垂直走査回路
１６    水平走査回路
１７    読出し回路
１８    引算器
１９    リセットゲート
３１    カラーイメージセンサ
３２    光学系
３３    電圧発生部
３４    電圧制御部
３５    アナログ／デジタル変換部
３６    色補間演算部
３７    画像処理部
３８，５８    システム制御部
３９    表示部
４０    記憶媒体
４１    外部出力インタフェイス
４２，５２    操作部
５１    分光分析装置
５３    波長設定部
５６    分光演算部
５７    画像処理部
６１    検体
６２    病変部
Ｑ    負荷トランジスタ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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