(57)【要約】【課題】電荷蓄積型撮像センサを用いて蛍光検出を行う場合にも微弱な蛍光シグナルを高感度に検出可能で、外来ノイズの影響を低く抑えて撮像を行うことが可能な撮像方法及び装置を提供する。【解決手段】電荷蓄積型撮像センサ２の撮像動作をマイクロプロセッサ１により制御しながら撮像する際に、撮像センサ２の電荷蓄積中はマイクロプロセッサ１を低消費電力動作モード（スリープモード等）とし、撮像センサ２の電荷蓄積動作が終了した時にはマイクロプロセッサ１を通常動作モードに復帰させる。電荷蓄積型撮像センサの電荷蓄積中はマイクロプロセッサのスイッチング動作を停止又は極限まで低減させることで外来ノイズを抑え込むことが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷蓄積型撮像センサの撮像動作をデジタル制御回路により制御しながら撮像する方法において、前記デジタル制御回路は動作停止又は動作停止に近い状態の低消費電力動作モードと、通常動作状態の通常動作モードとを有し、前記撮像センサの電荷蓄積中は前記デジタル制御回路を前記低消費電力動作モードとし、前記撮像センサの電荷蓄積動作が終了した時には前記デジタル制御回路を前記通常動作モードに復帰させることを特徴とする電荷蓄積型撮像センサの撮像方法。
【請求項２】
前記デジタル制御回路によって起動され、予め設定された時間が経過した時に前記デジタル制御回路に割り込み信号を出力する時定数回路を有し、当該割り込み信号によって前記デジタル制御回路を前記通常動作モードに復帰させることを特徴とする請求項１に記載の電荷蓄積型撮像センサの撮像方法。
【請求項３】
前記時定数回路の時定数はプログラマブルであることを特徴とする請求項２に記載の電荷蓄積型撮像センサの撮像方法。
【請求項４】
前記時定数回路はワンショットマルチバイブレータを含み、前記予め設定された時間が経過した時に前記ワンショットマルチバイブレータから前記デジタル制御回路に割り込み信号を出力することを特徴とする請求項２〜３のいずれか１項に記載の電荷蓄積型撮像センサの撮像方法。
【請求項５】
前記時定数回路の容量成分はコンデンサ、抵抗成分は電子ボリュームで構成され、前記電子ボリュームの設定を可変とすることにより前記時定数をプログラマブルにしたことを特徴とする請求項３に記載の電荷蓄積型撮像センサの撮像方法。
【請求項６】
電荷蓄積型撮像センサと前記撮像センサの撮像動作を制御するデジタル制御回路とを有する撮像装置において、前記デジタル制御回路は動作停止又は動作停止に近い状態の低消費電力動作モードと、通常動作状態の通常動作モードとを有し、前記撮像センサの電荷蓄積中は前記デジタル制御回路を前記低消費電力動作モードとし、前記撮像センサの電荷蓄積動作が終了した時には前記デジタル制御回路を前記通常動作モードに復帰させ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、電荷蓄積型撮像素子の制御方法、特に、ＤＮＡ等の生化学物質の検出等の微弱な蛍光シグナルを高感度で検知することを要求される用途に好適な撮像センサの撮像方法及び撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、医学及び生命科学の進歩により、核酸（ＤＮＡ）の解析により個々人に最適な医療を提供するテーラーメード医療や感染症の診断に応用するための研究が行われている。生化学物質の検出には核酸の塩基配列を同定することも含まれているが、その手段の１つとしてターゲットの核酸と相補的な塩基配列のプローブ核酸をハイブリダイゼーションさせる方法がある。これには、ハイブリダイゼーションの結果をチェックする装置が用いられている。
【０００３】
これらの装置にはターゲット核酸に付けられた標識が発する微弱な蛍光を光電子増倍管で光学的に検出する方法（特許文献１）や電極上でハイブリダイゼーションを行わせて電極に流れる電流変化を検出する方法（特許文献２）等がある。
【０００４】
そのためには蛍光標識を励起する照明用光源や微弱光センサやこれらをスキャンさせる高精度な機構が必須である。また、メカニカルなスキャニングに伴って検出のための時間的なオーバーヘッドも発生するという欠点もある。或いは電気的な検出方式においては電極を含む電子回路モジュール等いずれも構造が複雑で、経済的に高価なものになってしまうという欠点がある。
【０００５】
一方、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサのような電荷蓄積型撮像センサを用いて蛍光検出を行う方法があるが（特許文献３）、スキャン操作のための精密機構等のオーバーヘッドは必要としない。しかしセンサ近傍周辺からのデジタル回路系が発する電気的なノイズの影響を電荷蓄積の期間中受け続ける。
【０００６】
そのことにより蛍光シグナルにノイズ成分が重畳されることで結果的に微弱な蛍光シグナルの検知には限界がある。その場合、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサに冷却手段を付加することでこれらのデバイスに固有な暗電流によるノイズ成分の影響を低減できても上述のような電気的なノイズの影響を遮断できないと微弱な蛍光シグナルの検出に不都合が生じるという問題がある。
【０００７】
ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の２次元センサで蛍光シグナルの検出系を構成することは光電子増倍管によるスキャン方式に比べて低コストで装置の実現が出来、且つ、検出速度も高速である。また、ランニングコストの観点からは電気的検出方式に比べて光学的に検出する方式がアドバンテージを持っている。ＤＮＡ検査装置は研究用途に使用されているのが実状であるが、今後臨床応用への普及のためには装置やランニングコストの低減化のための技術開発が求められている。
【特許文献１】特開２００１−２４２０８２号公報
【特許文献２】特開平５−１９９８９８号公報
【特許文献３】特開平５−７２１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＣＭＯＳセンサやＣＣＤ等の電荷蓄積型撮像センサは暗電流や外乱ノイズが撮像信号に重なり、所謂シグナル対ノイズレシオを悪化させる。特に、ＤＮＡチップの場合は励起光により発光する蛍光は極めて微弱であるため露光時間を長く取らないと撮像画面の輝度を確保することが出来ないが、暗電流や外乱ノイズは露光期間中撮像信号とともに蓄積されてしまう。
【０００９】
高感度に撮像信号をキャッチするためにはノイズ成分を極限まで低減させる必要があるが、そのために温度上昇に伴って増大する暗電流に対して電荷蓄積型撮像センサを冷却することでノイズ成分を抑えることが一般的に行われている。しかし電荷蓄積型撮像センサ周辺の回路が発する外来ノイズを除去することも併せて行うことが超高感度の撮像をする上で必須の要件である。
【００１０】
本発明の目的は、電荷蓄積型撮像センサを用いて蛍光検出を行う場合にも微弱な蛍光シグナルを高感度に検出可能で、外来ノイズの影響を低く抑えて撮像を行うことが可能な撮像方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、外来ノイズの発生源がマイクロプロセッサを中心としたデジタル回路であり、デジタル回路のスイッチング時に生じることに着目したものである。そして、電荷蓄積中はデジタル回路のスイッチング動作を停止または極限まで低減させることで外来ノイズを抑え込もうとするものである。
【００１２】
ＤＮＡチップのような微弱な蛍光をＣＭＯＳセンサ等の電荷蓄積型撮像センサで検出するためには、数秒から数十秒間の電荷蓄積（露光）時間が必要であり、その間のノイズ成分も同時に蓄積されることになる。そのため、どこまで高感度化できるかはノイズの影響をどれだけ低減できるかにかかっている。本発明は電荷蓄積型撮像センサの周辺回路が生じるスイッチングノイズを回路のスイッチング動作を極限まで低減することで実現するものである。
【００１３】
そこで、本発明の骨子は、電荷蓄積型撮像センサの撮像動作をデジタル制御回路により制御しながら撮像する方法において、前記デジタル制御回路は動作停止又は動作停止に近い状態の低消費電力動作モードと、通常動作状態の通常動作モードとを有し、前記撮像センサの電荷蓄積中は前記デジタル制御回路を前記低消費電力動作モードとし、前記撮像センサの電荷蓄積動作が終了した時には前記デジタル制御回路を前記通常動作モードに復帰させるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電荷蓄積中はデジタル制御回路のスイッチング動作を極限まで低下させることにより、スイッチング時に発生する外来ノイズによって電荷蓄積型撮像センサが受ける悪影響を著しく低減させることが出来る。そのため、微弱な蛍光検出を高感度に行う装置を簡便・安価な構成で実現できる。また、電荷蓄積時間をプログラマブルとすることにより被写体の状況に応じて最適な撮像が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。まず、本発明をなすに至った技術的背景について説明する。
【００１６】
電荷蓄積型撮像センサの制御を担うマイクロプロセッサとその関連デバイスからなる電荷蓄積型撮像センサの周辺デジタル回路が発する外来ノイズを最小化することはデジタル回路のスイッチング動作を極限まで低減させることによってなされる。そのためには、デジタル回路の中枢であるマイクロプロセッサの動作を電荷蓄積の間停止又は停止に近い状態（例えばスリープモード）とし、撮像時間が経過したら速やかに動作を再開するように撮像システムを構成するのが望ましい。なお、本願明細書においてはマイクロプロセッサの動作状態が停止又は停止に近い状態を低消費電力動作モード、通常動作状態を通常動作モードという。
【００１７】
具体的には、撮像開始時にマイクロプロセッサ（デジタル制御回路）は電荷蓄積型撮像センサを電荷蓄積状態にセットする。それから低消費電力動作モード（スリープモード）に入り、撮像時間経過時に割り込み信号を受けて低消費電力動作モードから通常動作モードに復帰させる。そして、電荷蓄積型撮像センサを電荷蓄積状態からオフにするような構成とすることで、電荷蓄積型撮像センサの撮像時間中に外来ノイズの影響を受けないようにするのが良い。
【００１８】
本発明は、このような技術的背景に基づいてなされたものであり、特に、ＤＮＡ等の生化学物質の検出等の微弱な蛍光シグナルを高感度で検知することを要求される用途に好適に使用することができる。
【００１９】
本発明は、電荷蓄積型撮像センサの撮像動作をデジタル制御回路（マイクロプロセッサ）により制御しながら撮像する方法である。また、本発明は、電荷蓄積型撮像センサと撮像センサの撮像動作を制御するデジタル制御回路（マイクロプロセッサ）とを有する撮像装置である。
【００２０】
本発明の撮像方法及び撮像装置においてデジタル制御回路（マイクロプロセッサ）は動作停止又は動作停止に近い状態の低消費電力動作動作モードと、通常動作状態の通常動作モードとを有する。そして、撮像センサの電荷蓄積中はデジタル制御回路を低消費電力動作モードとし、撮像センサの電荷蓄積動作が終了した時にはデジタル制御回路を通常動作モードに復帰させるものである。
【００２１】
また、デジタル制御回路（マイクロプロセッサ）によって起動され、予め設定された時間が経過した時にデジタル制御回路に割り込み信号を出力する時定数回路（ワンショットマルチバイブレータ等）を有する。そして当該割り込み信号によってデジタル制御回路を低消費電力動作モードから通常動作モードに復帰させる。時定数回路の時定数はプログラマブルである。
【００２２】
更に、時定数回路はワンショットマルチバイブレータを含み、予め設定された時間が経過した時にワンショットマルチバイブレータからデジタル制御回路に割り込み信号を出力するものである。
【００２３】
図１は本発明に係る撮像装置の一実施形態を示す構成図である。図中１は図示しないメモリ等とともに装置の制御部を構成するデジタル回路の中枢をなすマイクロプロセッサである。２はＣＭＯＳやＣＣＤ等の電荷蓄積型撮像センサであり、制御部のコントロールのもとで電荷蓄積（撮像）を開始及び終了し、撮像データを制御部に出力する。３はデジタルポテンショメータであり、外部から抵抗値の設定が可能である。
【００２４】
ポテンショメータ３には、例えば、アナログデバイス社のＡＤ５２４３を使用するものとして説明する。４はワンショットマルチバイブレータであり、入力トリガーでセットされ（立ち上がり）、所定時間経過後にリセット（立ち下がる）される。５はコンデンサであり、デジタルポテンショメータ３に設定された抵抗とコンデンサ５の容量とで時定数回路を形成し、ワンショットマルチバイブレータ４の立ち上がりから立ち下がりまでの時間を生成する。
【００２５】
６と７はマイクロプロセッサ１からデジタルポテンショメータ３への信号線である。６はデータ線、７はクロック線である。これらの信号線６、７を通してマイクロプロセッサ１からデジタルポテンショメータ３の抵抗値の設定が出来るようにプログラミングされている。
【００２６】
８はマイクロプロセッサ１からワンショットマルチバイブレータ４を起動するための信号線であり、この信号線８の信号の立ち上がりエッジでワンショットマルチバイブレータ４はセット（立ち上がる）される。一旦立ち上がったワンショットマルチバイブレータ４は一切のクロックを要せずに上述の時定数回路で設定されて所定時間が経過したら自動的にリセット（立ち下がる）される。
【００２７】
９はマイクロプロセッサ１から電荷蓄積型撮像センサ２へのセンサ起動線であり、センサ起動線９の信号がハイレベルの間、電荷蓄積型撮像センサ２は撮像を続ける。つまり被写体からの光強度に応じて生成される電荷の蓄積を行う。１０はワンショットマルチバイブレータ４からマイクロプロセッサ１への割り込み線であり、マイクロプロセッサ１の割り込み端子に接続されている。
【００２８】
マイクロプロセッサ１は割り込み端子にワンショットマルチバイブレータ４から割り込み信号の立ち下りエッジが入力されると、もし低消費電力動作モード（スリープモード）となっていた場合には通常動作モードに復帰するように設定されている。１１は電荷蓄積型撮像センサ２に蓄積された電荷情報つまり撮像データを制御部の中心であるマイクロプロセッサ１に引き渡すための撮像データ線である。
【００２９】
マイクロプロセッサ１がスリープモードになると、上述のように動作停止又は動作停止に近い状態となる。そのため、スリープモードになると、マイクロプロセッサ１の動作に伴う外来ノイズの発生が抑制される。本発明は、この期間に電荷蓄積型撮像センサ２の電荷蓄積を行う。
【００３０】
次に、本実施形態の動作を図１、図２、図３を参照して説明する。図２は本実施形態の動作を説明するフローチャート、図３は本実施形態の動作を説明するタイミングチャートである。図３（ａ）はデジタルポテンショメータ３のクロック、図３（ｂ）はセンサ制御信号、図３（ｃ）はワンショットマルチバイブレータの起動信号、図３（ｄ）は割り込み信号、図３（ｅ）はマイクロプロセッサのクロックを示す。図３のステップ番号は図２のステップ番号と対応している。
【００３１】
まず、ステップＳ１において撮像時間（露光時間）を決めるためにデジタルポテンショメータ３の抵抗値設定を行う。図３（ａ）はその場合のデジタルポテンショメータ３のクロックを示す。
【００３２】
アナログデバイス社製デジタルポテンショメータＡＤ５２４３は内部に抵抗値設定用のレジスタを装備している。また、そのレジスタにデータを書き込むためにデータ端子とクロック端子を備えている。マイクロプロセッサ１は予めＡＤ５２４３の抵抗値設定用レジスタへのデータ書き込みをするようにプログラミングされている。
【００３３】
ＡＤ５２４３には最大抵抗値が２．５ＫΩ、１０ＫΩ、５０ＫΩ、１００ＫΩの４タイプがあり、それぞれ２５６刻みの設定が出来る。例えば、最大抵抗値５０ＫΩのＡＤ５２４３の場合には１刻みの抵抗値は１９６Ωであり、センタータップと一端間の抵抗値を２５ＫΩに設定するには抵抗値設定用レジスタに１０進数で１２８を書き込むことで実現することになる。
【００３４】
デジタルポテンショメータ３と組み合わせるコンデンサ５の容量値とでワンショットマルチバイブレータ４のトリガーからリセットまでの時間が決まり、その時間は電荷蓄積型撮像センサ２の電荷蓄積時間となる。そのため、所望の電荷蓄積時間となるように算出した値をステップＳ１で書き込む。
【００３５】
例えば、東芝製のＣＭＯＳ−ＩＣであるワンショットマルチバイブレータＴＣ７４ＨＣ１２３ＡＰを用いた場合には、トリガーからリセットまでの時間はデジタルポテンショメータ３の抵抗値とコンデンサ５の容量値との積が適用される。例えば、電荷蓄積時間を５秒としたい時、コンデンサ５が予め１０μＦとしてあったとすると、デジタルポテンショメータ３が５０ＫΩとなるように設定すれば良い。
【００３６】
ここで、本実施形態では、時定数回路の容量成分はコンデンサ、抵抗成分は電子ボリューム（デジタルポテンショメータ）で構成され、電子ボリュームの設定を可変とすることにより時定数をプログラマブルにしている。このように時定数即ち電荷蓄積時間をプログラマブルとすることにより被写体の状況に応じて最適な撮像が可能となる。
【００３７】
次に、ステップＳ２においてマイクロプロセッサ１は電荷蓄積型撮像センサ２を電荷蓄積状態にするために蓄積開始信号（図３（ｂ）のセンサ制御信号）を送信する。即ち、マイクロプロセッサ１の出力ポートでセンサ起動線９にアサインされたポートをオン（ハイレベル）にする。電荷蓄積型撮像センサ２はポートがオンの間中被写体からの強度に応じた電荷の蓄積を続ける。センサ制御信号はマイクロプロセッサ１によってセット及びリセットされる。
【００３８】
なお、図１では図示しないが、本発明に係る撮像装置において撮像センサ面に対向してレンズ群等の光学系が設けられていることは当然である。図１では被写体の撮像に必要な回路、光学系或いは機構等は省略している。
【００３９】
ステップＳ３においてマイクロプロセッサ１はワンショットマルチバイブレータ４を起動する。図３（ｃ）はその場合の起動信号を示す。ステップＳ３は時系列的にＳ２とほとんど差がなく実行する。
【００４０】
具体的には、マイクロプロセッサ１がその出力ポートの１つであるワンショットマルチバイブレータ４を起動する信号線８をローレベルからハイレベルに立ち上げることによりワンショットマルチバイブレータ４をセットする。この時、図３（ｄ）に示すようにワンショットマルチバイブレータ４の出力である割り込み線１０の信号がローレベルからハイレベルに立ち上がる。
【００４１】
なお、デジタルポテンショメータ３に設定された抵抗値とコンデンサ５の容量値による時定数に対応する時間が経過すると、割り込み信号は自動的にハイレベルからローレベルに立ち下がり、リセットされる。
【００４２】
次に、ステップＳ４においてマイクロプロセッサ１は図３（ｅ）に示すように低消費電力動作モード（スリープモード）に移行する。ステップＳ４は時系列的にはＳ２及びＳ３とほとんど同時に実行する。このため、マイクロプロセッサ１が動作モードで電荷蓄積型撮像センサ２が電荷蓄積を行う瞬間（図３のｔで示す期間等を含む）があるが、このことが外乱ノイズとして与える影響は軽微である。
【００４３】
ステップＳ４ではマイクロプロセッサ１がスリープモードに移行するインストラクションを実行することで低消費電力動作モード（スリープモード）に移行する。装置としてはこのステップでスリープモードに移行するインストラクションを予めプログラミングしておけば良い。
【００４４】
デジタル回路系の中枢であるマイクロプロセッサ１が低消費電力動作モードに入るとデジタル回路のほとんどのスイッチング動作が停止し、スイッチング動作に伴って発生する電荷蓄積型撮像センサ２にとっての外来ノイズを遮断することが可能となる。
【００４５】
その場合、ステップＳ２で電荷蓄積型撮像センサ２はマイクロプロセッサ１からの起動信号を受けて撮像を開始しているが、ほとんど時を同じくしてマイクロプロセッサ１が低消費電力動作に入る。そのため電荷蓄積撮像センサ２はデジタル回路系からの外来ノイズの影響を受けずに電荷蓄積を行うことが出来る。
【００４６】
次に、ステップＳ５においてステップＳ３でセットしたワンショットマルチバイブレータ４のリセットを待つ。つまり、割り込み発生を待つ（図３（ｄ）の割り込み信号の立ち下がり）。この待っている期間は電荷蓄積型撮像センサ２は被写体からの微弱光を受け電荷に変換し、これを蓄積しているインターバルであり、外来ノイズの影響無しに電荷蓄積を行っている。これによって、電荷蓄積型撮像センサ２は微弱光を高感度で撮像することが可能となる。
【００４７】
ワンショットマルチバイブレータ４は上述のように予め設定された所定時間を経過することでリセットすると、これがステップＳ５においてマイクロプロセッサ１の割り込み発生となる。この時、図３（ｄ）に示すようにワンショットマルチバイブレータ４の割り込み線１０の信号がハイレベルからローレベルに立ち下がる。割り込みが発生すると、図３（ｅ）に示すようにステップＳ６でマイクロプロセッサ１は低消費電力動作モードを抜けて通常動作モードに復帰する。
【００４８】
ステップＳ６ではマイクロプロセッサ１は直ちに電荷蓄積型撮像センサ２の電荷蓄積を制御する信号線９をローレベルにして電荷蓄積を停止させる。ステップＳ５からＳ６までの間マイクロプロセッサ１が動作モードで電荷蓄積をしているわずかな時間があるが、このことによる外来ノイズの影響は軽微である。更に、電荷蓄積型撮像センサ２に蓄積された撮像信号である電荷情報を撮像データ線１１を介してマイクロプロセッサ１で読み込むことで、外来ノイズの影響を受けない撮像信号を取得することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の動作を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の動作を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
１  マイクロプロセッサ
２  電荷蓄積型撮像センサ
３  デジタルポテンショメータ
４  ワンショットマルチバイブレータ
５  コンデンサ
６  データ線
７  クロック線
８  起動線
９  センサ起動線
１０  割り込み線
１１  撮像データ線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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