(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次元又は二次元に配置された複数の画素を備え、
各画素は、
入射光の強度に応じた数の電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部に蓄積された電荷の当該画素の外への排出を制御する第１ゲートと、
前記光電変換部とは別に設けられ、電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記光電変換部と前記電荷蓄積部との間に設けられ、前記光電変換部から前記電荷蓄積部への電荷の移動を制御する第２ゲートと、
前記電荷蓄積部からの電荷の読み出しを制御する第３ゲートと、
を有し、
前記第１ゲートは、時間的に交互に入射する第１光及び第２光のうち前記第１光の入射により前記光電変換部に生じる電荷を当該画素の外へ排出し、
前記第２ゲートは、前記第２光の入射により前記光電変換部に生じる電荷を前記電荷蓄積部へ移動させ、
前記第３ゲートは、前記電荷蓄積部への電荷の移動がｎ回（ｎは１以上の整数）行われた後に前記電荷蓄積部から電荷を読み出すための制御を行い、
回数ｎは各画素毎に個別に設定可能である、イメージセンサ。
【請求項２】
前記第３ゲートを制御する信号を生成する回路を各画素毎に備える、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記複数の画素に共通であり前記第１ゲートを制御する第１信号、前記複数の画素に共通であり前記第２ゲートを制御する第２信号、及び、各画素毎に前記第３ゲートのオンまたはオフを前記回路に対して指令する第３信号を、複数回の撮像フレームのそれぞれにおいて各画素に提供する制御部を更に備える、請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
各画素は、電荷量を電圧信号に変換する電圧変換部を更に有し、
前記第３ゲートは前記電荷蓄積部と前記電圧変換部との間に設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
前記電圧変換部はフローティングディフュージョンを含む、請求項４に記載のイメージセンサ。
【請求項６】
一次元に配置された前記複数の画素を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載のイメージセンサと、
前記第１光としての励起光を計測対象物に照射する励起光源と、
前記励起光により前記計測対象物において生じた蛍光を分光する分光器と、
を備え、
前記イメージセンサの前記複数の画素の配列方向が分光器の分光方向に沿っており、前記イメージセンサは、前記分光器による分光後の前記第２光としての前記蛍光の強度を波長毎に検出する、発光分光計測装置。
【請求項７】
一次元又は二次元に配置された複数の画素を備えるイメージセンサの制御方法であって、
各画素は、
入射光の強度に応じた数の電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部とは別に設けられ電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
を有し、
当該制御方法は、
前記イメージセンサに対し時間的に交互に入射する第１光及び第２光のうち前記第１光の入射により前記光電変換部に蓄積された電荷を当該画素の外へ排出する第１ステップと、
前記第１ステップと交互に繰り返され、前記第２光の入射により前記光電変換部に生じた電荷を前記電荷蓄積部へ移動させる第２ステップと、
前記第２ステップがｎ回（ｎは１以上の整数）行われた後に前記電荷蓄積部から電荷を読み出す第３ステップと、
を含み、
回数ｎを各画素毎に個別に設定する、イメージセンサの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、イメージセンサ、及びイメージセンサの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、リニアイメージセンサ及びその駆動方法に関する技術が開示されている。このリニアイメージセンサは、一次元的に配列されたＮ個の画素と、信号出力線と、電荷排出線と、駆動制御手段とを備える。各画素は、光電変換素子を含む信号生成部と、信号生成部と信号出力線との間に設けられた読出しスイッチと、信号生成部と電荷排出線との間に設けられた電荷排出スイッチとを有する。信号出力線は、Ｎ個の画素で得られた信号を取り出すために、全画素に共通に設けられている。電荷排出線は、Ｎ個の画素で得られた信号を廃棄する。駆動制御手段は、読出しスイッチを一時的にオン状態とする動作と、電荷排出スイッチを一時的にオン状態とする動作とを、画素毎に且つそれぞれ独立に指示する。駆動制御手段は、各画素の読出しスイッチを互いに異なる期間にオン状態とするとともに、各画素において読出しスイッチをオン状態とした時点から次に読出しスイッチをオン状態とするまでの期間中に、当該画素における電荷排出スイッチをオン状態とするか否か又は当該画素における電荷排出スイッチをオン状態とするタイミングのいずれかを画素毎に設定して、各画素の読出しスイッチ及び電荷排出スイッチのオン／オフを指示する。
【０００３】
特許文献２には、固体撮像装置に関する技術が開示されている。この固体撮像装置は、第１導電型の光電変換部と、第１導電型の保持部と、第１導電型のフローティングディフュージョン部と、電荷排出部と、第１のゲートを含み、光電変換部から保持部へ電荷を転送する第１転送部と、第２のゲートを含み、保持部からフローティングディフュージョン部へ電荷を転送する第２転送部と、第３のゲートを含み、光電変換部から電荷排出部へ電荷を排出する第３転送部とを備える。第１転送部の第１のゲートの下の少なくとも一部の領域における第２導電型の不純物濃度は、第２転送部の第２のゲートの下の領域における第２導電型の不純物濃度、および、第３転送部の第３のゲートの下の領域における第２導電型の不純物濃度よりも低い。第１転送部および第３転送部がオフの状態において、第１転送部のポテンシャル障壁は、第３転送部のポテンシャル障壁よりも高い状態となることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０６９３９４号
【特許文献２】特開２０１８−１２０９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
イメージセンサにおいては、入射光の強度を複数の画素毎に検出する。画素への入射光の光量が微弱であると、バックグラウンドノイズと比較して検出信号が小さくなり、当該画素におけるＳ／Ｎ比が劣化する。一方、画素への入射光の光量が過大であると、当該画素が飽和して検出信号の大きさが入射光の強度に対応しなくなる。例えば、分光分析装置において分光後の各波長の光強度をリニアイメージセンサにより検出する場合、波長によっては光強度が微弱となることがある。その場合、全ての画素の信号量を一様に高めると、別の波長の光強度を検出する画素が飽和してしまうおそれがある。従って、光強度が微弱な波長に対応する画素のみ信号量を高め得ることが望まれる。
【０００６】
また、イメージセンサには、交互に入射する２つの光のうち一方のみを検出することが望まれる場合がある。例えば、発光分光計測装置においては、計測対象物に励起光を照射し、計測対象物に生じた蛍光を分光し、蛍光の強度を波長毎にリニアイメージセンサにより検出する。この場合、リニアイメージセンサの各画素には、蛍光に加えて励起光が入射する。通常、蛍光は励起光から遅れて発生するので、各画素には、まず励起光が入射し、時間をおいて蛍光が入射する。高精度な測定を行うためには、パルス状の励起光を複数回照射し、その都度、蛍光の強度を波長毎に検出する。計測対象物の分析に必要なのは蛍光強度なので、励起光の影響を排除しつつ蛍光強度を精度良く検出することが望まれる。
【０００７】
そこで、本開示は、複数の画素のうち一部の画素の信号量を選択的に高めることができ、且つ、交互に入射する２つの光のうち一方のみを検出することが可能なイメージセンサ、及びイメージセンサの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一形態によるイメージセンサは、一次元又は二次元に配置された複数の画素を備える。各画素は、入射光の強度に応じた数の電荷を生成する光電変換部と、光電変換部に蓄積された電荷の当該画素の外への排出を制御する第１ゲートと、光電変換部とは別に設けられ、電荷を蓄積する電荷蓄積部と、光電変換部と電荷蓄積部との間に設けられ、光電変換部から電荷蓄積部への電荷の移動を制御する第２ゲートと、電荷蓄積部からの電荷の読み出しを制御する第３ゲートとを有する。第１ゲートは、時間的に交互に入射する第１光及び第２光のうち第１光の入射により光電変換部に生じる電荷を当該画素の外へ排出する。第２ゲートは、第２光の入射により光電変換部に生じる電荷を電荷蓄積部へ移動させる。第３ゲートは、電荷蓄積部への電荷の移動がｎ回（ｎは１以上の整数）行われた後に電荷蓄積部から電荷を読み出すための制御を行う。回数ｎは各画素毎に個別に設定可能である。
【０００９】
まず第１光（例えば発光分光計測の励起光）がこのイメージセンサに入射すると、各画素の光電変換部は、この第１光の強度に応じた数の電荷を生成する。この電荷は、第１ゲートを通じて当該画素の外へ排出される。続いて、第２光（例えば発光分光計測の蛍光）がこのイメージセンサに入射すると、各画素の光電変換部は、この第２光の強度に応じた数の電荷を生成する。この電荷は、第２ゲートを通じて電荷蓄積部に移動する。そして、第２光の強度が十分でＳ／Ｎ比が高い画素では、例えば第２光の入射毎に、第３ゲートを通じて電荷を読み出すことができる。
【００１０】
また、第２光の強度が十分ではなくＳ／Ｎ比が低い画素では、第２光が複数回入射するまで第３ゲートを通じた読み出しを行わずに、電荷蓄積部に電荷を蓄えておくことができる。その間、第１光及び第２光の入射が繰り返され、第１光により光電変換部において生じた電荷は第１ゲートを通じて当該画素の外へ排出され、第２光により光電変換部において生じた電荷は第２ゲートを通じて電荷蓄積部に蓄積される。そして、電荷蓄積部に蓄積された第２光の入射回数分の電荷は、第３ゲートを通じて読み出される。
【００１１】
このように、上記のイメージセンサでは、第２光による電荷の蓄積回数を画素毎に個別に設定できるので、第２光の強度が十分ではない場合には、蓄積回数を多くして信号量を高めることができる。そして、このような動作を、第２光と交互に入射する第１光の影響を排除しつつ行うことができる。従って、上記のイメージセンサによれば、複数の画素のうち一部の画素の信号量を選択的に高めることができ、且つ、交互に入射する２つの光のうち一方のみを検出することができる。
【００１２】
上記イメージセンサは、第３ゲートを制御する信号を生成する回路を各画素毎に備えてもよい。この場合、回数ｎを画素毎に個別に設定することが容易にできる。
【００１３】
上記イメージセンサは、複数の画素に共通であり第１ゲートを制御する第１信号、複数の画素に共通であり第２ゲートを制御する第２信号、及び、各画素毎に第３ゲートのオンまたはオフを回路に対して指令する第３信号を、複数回の撮像フレームのそれぞれにおいて各画素に提供する制御部を更に備えてもよい。例えばこのような構成により、上述したイメージセンサの動作を実現することができる。
【００１４】
上記イメージセンサにおいて、各画素は、電荷量を電圧信号に変換する電圧変換部を更に有し、第３ゲートは電荷蓄積部と電圧変換部との間に設けられてもよい。この場合、各画素の電荷を電圧信号として容易に読み出すことができる。
【００１５】
上記イメージセンサにおいて、電圧変換部はフローティングディフュージョンを含んでもよい。この場合、電圧変換部を容易に構成することができる。
【００１６】
本開示の一形態による発光分光計測装置は、一次元に配置された複数の画素を備える上記いずれかのイメージセンサと、第１光としての励起光を計測対象物に照射する励起光源と、励起光により計測対象物において生じた蛍光を分光する分光器とを備える。イメージセンサの複数の画素の配列方向が分光器の分光方向に沿っており、イメージセンサは、分光器による分光後の第２光としての蛍光の強度を波長毎に検出する。この発光分光計測装置によれば、上記いずれかのイメージセンサを備えることにより、一部の波長に対する信号量を選択的に高めることができ、且つ、交互に入射する励起光及び蛍光のうち蛍光のみを検出することができる。
【００１７】
本開示の一形態によるイメージセンサの制御方法は、一次元又は二次元に配置された複数の画素を備えるイメージセンサの制御方法である。各画素は、入射光の強度に応じた電荷を生成する光電変換部と、光電変換部とは別に設けられ電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有する。当該制御方法は、イメージセンサに対し時間的に交互に入射する第１光及び第２光のうち第１光の入射により光電変換部に蓄積された電荷を当該画素の外へ排出する第１ステップと、第１ステップと交互に繰り返され、第２光の入射により光電変換部に生じた電荷を電荷蓄積部へ移動させる第２ステップと、第２ステップがｎ回（ｎは１以上の整数）行われた後に電荷蓄積部から電荷を読み出す第３ステップとを含む。回数ｎを各画素毎に個別に設定する。
【００１８】
この制御方法によれば、第２光の強度が十分ではなくＳ／Ｎ比が低い画素では、第２光が複数回入射するまで読み出しを行わずに、電荷蓄積部に電荷を蓄えておくことができる。その間、第１光及び第２光の入射が繰り返され、第１光により光電変換部において生じた電荷は当該画素の外へ排出され、第２光により光電変換部において生じた電荷は電荷蓄積部に蓄積される。その後、電荷蓄積部に蓄積された第２光の入射回数分の電荷が読み出される。
【００１９】
このように、上記の制御方法では、第２光による電荷の蓄積回数を画素毎に個別に設定できるので、第２光の強度が十分ではない場合には、蓄積回数を多くして信号量を高めることができる。そして、このような動作を、第２光と交互に入射する第１光の影響を排除しつつ行うことができる。従って、上記の制御方法によれば、複数の画素のうち任意の画素の信号量を選択的に高めることができ、且つ、交互に入射する２つの光のうち一方のみを検出することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本開示によれば、複数の画素のうち一部の画素の信号量を選択的に高めることができ、且つ、交互に入射する２つの光のうち一方のみを検出することが可能なイメージセンサ、及びイメージセンサの制御方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本開示の一実施形態に係る発光分光計測装置１の構成を概略的に示す図である。
【図２】イメージセンサ５の構成を概略的に示す図である。
【図３】各画素１０の電気的な構成を示す回路図である。
【図４】各画素１０の具体的な構造を示す断面図である。
【図５】イメージセンサ５の各信号の動作を示すタイムチャートである。
【図６】イメージセンサの制御方法を示すフローチャートである。
【図７】（ａ）部は、或る画素１０に対する信号Ｓａのパルス信号Ｐを拡大して示すグラフである。（ｂ）部は、当該画素１０から出力される電圧信号Ｖｏｕｔを示すグラフである。（ｃ）部は、画素回路部１７の信号制御回路１７ａ内における指令保持信号Ｓｄ5を示すグラフである。
【図８】比較例に係るイメージセンサの画素１１０の構成を示す回路図である。
【図９】（ａ）部及び（ｂ）部は、イメージセンサに入射する蛍光Ｌｂの光強度の分布例を示すグラフである。
【図１０】複数の画素１０の配列方向（Ｘ方向）における電圧信号Ｖｏｕｔの分布の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本開示のイメージセンサ、及びイメージセンサの制御方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２３】
図１は、本開示の一実施形態に係る発光分光計測装置１の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、発光分光計測装置１は、励起光源２、レンズ３、分光器４、及びイメージセンサ５を備える。
【００２４】
励起光源２は、計測対象物Ａと光学的に結合されており、励起光Ｌａを計測対象物Ａの表面に照射する。励起光源２は、パルス状の時間波形を有する励起光Ｌａを、所定の時間間隔で複数回照射する。励起光Ｌａは、本実施形態における第１光である。計測対象物Ａは例えば固体であり、励起光Ｌａの波長は例えば１００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。計測対象物Ａでは、パルス状の励起光Ｌａを受けるごとに、計測対象物Ａの各構成元素に応じた波長成分を含む蛍光Ｌｂが発生する。蛍光Ｌｂは、本実施形態における第２光である。計測対象物Ａを構成する各元素は、それぞれ固有の波長を有する蛍光Ｌｂを発光する。また、各波長成分の光強度は、その波長に対応する各元素の組成比（または混合比）を表す。従って、蛍光Ｌｂに含まれる各波長成分の波長及び強度を検出することにより、計測対象物Ａを構成する元素の種類及び組成比（または混合比）を同定することができる。
【００２５】
分光器４は、レンズ３を介して計測対象物Ａと光学的に結合されている。分光器４は、励起光Ｌａにより計測対象物Ａにおいて生じた蛍光Ｌｂを受け、蛍光Ｌｂを分光する。分光器４は、例えば回折格子またはプリズムにより構成され得る。イメージセンサ５は、分光器４と光学的に結合されており、分光器４から出力された分光後の蛍光Ｌｂを受ける。イメージセンサ５は、分光器４による分光後の蛍光Ｌｂの強度を波長毎に検出することにより、蛍光Ｌｂのスペクトル分解計測を行う。
【００２６】
図２は、イメージセンサ５の構成を概略的に示す図である。図２に示すように、イメージセンサ５は、一次元に配置された複数の画素１０と、各画素１０に電気的に接続されて各画素１０の動作を制御する制御部９とを備える。複数の画素１０は、Ｘ方向に沿って並んで配置されており、各画素１０の平面形状は、Ｘ方向と交差（例えば直交）するＹ方向を長手方向とする長方形である。イメージセンサ５は、複数の画素１０の配列方向（Ｘ方向）が分光器４による分光方向（複数の波長成分が並ぶ方向）に沿うように配置される。従って、各画素１０は、それぞれ対応する波長成分の光強度を検出する。
【００２７】
イメージセンサ５の光入射面には、上述した蛍光Ｌｂに加えて、励起光Ｌａも入射する。蛍光Ｌｂは励起光Ｌａの照射から遅れて発生するので、まず励起光Ｌａが入射し、時間を隔てて蛍光Ｌｂが入射することとなる。通常、励起光Ｌａのピーク波長は、蛍光Ｌｂの各波長成分のピーク波長のいずれとも異なる。しかしながら、励起光Ｌａの光強度は、蛍光Ｌｂの光強度と比較して格段に大きい。また、通常、励起光Ｌａのスペクトルは波長方向の分布（拡がり）を有する。従って、励起光Ｌａのピーク波長から離れた波長成分であっても、蛍光Ｌｂの各波長成分と比較して無視できない（或いは、蛍光Ｌｂの各波長成分よりも大きい）強度を有する。
【００２８】
図３は、各画素１０の電気的な構成を示す回路図である。また、図４は、各画素１０の具体的な構造を示す断面図である。図３及び図４に示すように、各画素１０は、光電変換部１１、リセットゲート１２、電荷蓄積部１３、蓄積ゲート１４、電圧変換部１５、読出ゲート１６、及び画素回路部１７を有する。
【００２９】
光電変換部１１は、入射光の強度に応じた数の電荷を生成する部分である。光電変換部１１は、励起光Ｌａが入射すると、励起光Ｌａの強度に応じた数の電荷を生成し、蓄積する。また、光電変換部１１は、蛍光Ｌｂが入射すると、蛍光Ｌｂの強度に応じた数の電荷を生成し、蓄積する。光電変換部１１は、図４に示すように、例えばＳｉ基板２０の表面２０ａに形成された高濃度であり第１導電型（例えばｐ型）の半導体領域１１ａと、その直下に位置し半導体領域１１ａと接する、高濃度であり第２導電型（例えばｎ型）の半導体領域１１ｂとを含むフォトダイオードにより構成され得る。半導体領域１１ａ，１１ｂは、例えばＳｉ基板２０に対するイオン注入により形成され得る。
【００３０】
リセットゲート１２は、本実施形態における第１ゲートの例である。リセットゲート１２は、光電変換部１１に蓄積された電荷の、当該画素１０の外への排出を制御する。図４に示すように、リセットゲート１２は、Ｓｉ基板２０上の絶縁膜３１（例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2））内に埋め込まれた電極膜（例えばポリシリコン膜）である。リセットゲート１２は、絶縁膜３１の一部を挟んでＳｉ基板２０の表面２０ａと対向しており、電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）のゲートとして働く。表面２０ａの法線方向から見て光電変換部１１との間にリセットゲート１２を挟む位置の表面２０ａの領域には、リセットドレイン２３が設けられている。リセットドレイン２３は、Ｓｉ基板２０の表面２０ａに形成された高濃度且つ第２導電型（例えばｎ型）の半導体領域である。リセットドレイン２３は、例えばＳｉ基板２０に対するイオン注入により形成され得る。
【００３１】
リセットドレイン２３は、複数の画素１０にわたって共通に設けられた定電位線４１（リセット電位線）と電気的に接続されている。リセットゲート１２に所定のオン電圧が印加されると、光電変換部１１に蓄積された電荷は、リセットゲート１２を通じてリセットドレイン２３へ移動し、定電位線４１を通って当該画素１０の外へ排出される。リセットゲート１２に所定のオフ電圧が印加されているときには、光電変換部１１に蓄積された電荷はリセットドレイン２３へ移動しない。リセットゲート１２は、時間的に交互に入射する励起光Ｌａ及び蛍光Ｌｂのうち、励起光Ｌａの入射タイミングに合わせて導通状態となる。これにより、リセットゲート１２は、励起光Ｌａにより光電変換部１１に生じる電荷のみを当該画素１０の外へ排出する。リセットゲート１２のオン／オフを制御するための信号Ｓｄ1（第１信号）は、図２に示された制御部９から、複数の画素１０に共通の信号として提供される。
【００３２】
電荷蓄積部１３は、電荷を蓄積する部分であって、光電変換部１１とは別に、光電変換部１１と隣り合って設けられている。図４に示すように、電荷蓄積部１３は、例えばＳｉ基板２０の表面２０ａに形成された高濃度であり第１導電型（例えばｐ型）の半導体領域１３ａと、その直下に位置し半導体領域１３ａと接する、高濃度であり第２導電型（例えばｎ型）の半導体領域１３ｂとを含む。半導体領域１３ａ，１３ｂは、例えばＳｉ基板２０に対するイオン注入により形成され得る。なお、図３では理解の容易の為、電荷蓄積部１３をキャパシタの回路記号により代替的に示している。
【００３３】
蓄積ゲート１４は、本実施形態における第２ゲートの例である。蓄積ゲート１４は、基板２０の表面２０ａの法線方向から見て光電変換部１１と電荷蓄積部１３との間に設けられ、光電変換部１１から電荷蓄積部１３への電荷の移動を制御する。図４に示すように、蓄積ゲート１４は、Ｓｉ基板２０上の絶縁膜３１内に埋め込まれた、リセットゲート１２とは別の電極膜（例えばポリシリコン膜）である。蓄積ゲート１４は、絶縁膜３１の一部を挟んでＳｉ基板２０の表面２０ａと対向しており、ＦＥＴのゲートとして働く。蓄積ゲート１４に所定のオン電圧が印加されると、光電変換部１１に蓄積された電荷は、蓄積ゲート１４を通じて電荷蓄積部１３へ移動し、電荷蓄積部１３に蓄積される。蓄積ゲート１４に所定のオフ電圧が印加されているときには、光電変換部１１に蓄積された電荷は電荷蓄積部１３へ移動しない。蓄積ゲート１４は、時間的に交互に入射する励起光Ｌａ及び蛍光Ｌｂのうち、蛍光Ｌｂが入射した後であり且つ励起光Ｌａが入射する前のタイミングに合わせて導通状態となる。これにより、蓄積ゲート１４は、蛍光Ｌｂの入射により光電変換部１１に生じる電荷のみを電荷蓄積部１３へ移動させる。蓄積ゲート１４のオン／オフを制御するための信号Ｓｄ２（第２信号）は、図２に示された制御部９から、複数の画素１０に共通の信号として提供される。
【００３４】
読出ゲート１６は、本実施形態における第３ゲートの例である。読出ゲート１６は、基板２０の表面２０ａの法線方向から見て電荷蓄積部１３と電圧変換部１５との間（本実施形態では、電荷蓄積部１３と、後述するフローティングディフュージョン（ＦＤ）１５ａとの間）に設けられ、電荷蓄積部１３から電圧変換部１５への電荷の読み出しを制御する。図４に示すように、読出ゲート１６は、Ｓｉ基板２０上の絶縁膜３１内に埋め込まれた、リセットゲート１２及び蓄積ゲート１４とは別の電極膜（例えばポリシリコン膜）である。読出ゲート１６は、絶縁膜３１の一部を挟んでＳｉ基板２０の表面２０ａと対向しており、ＦＥＴのゲートとして働く。読出ゲート１６に所定のオン電圧が印加されると、電荷蓄積部１３に蓄積された電荷は、読出ゲート１６を通じて電圧変換部１５へ移動する。読出ゲート１６に所定のオフ電圧が印加されているときには、電荷蓄積部１３に蓄積された電荷は電圧変換部１５へ移動しない。読出ゲート１６は、光電変換部１１から電荷蓄積部１３への電荷の移動がｎ回（ｎは１以上の整数）行われた後に、電荷蓄積部１３から電圧変換部１５へ電荷を読み出すための制御を行う。回数ｎは、各画素１０毎に個別に設定可能である。
【００３５】
画素回路部１７は、読出ゲート１６を制御する信号Ｓｄ3を生成する回路であって、信号制御回路１７ａ及び一対のトランジスタ１７ｂ，１７ｃを含む。信号制御回路１７ａは、複数の画素１０に対して共通に設けられた配線４４と電気的に接続されている。信号制御回路１７ａは、複数回の撮像フレームのそれぞれにおいて制御部９から配線４４を介して信号Ｓａ（第３信号）を受ける。信号Ｓａは、各撮像フレームにおける所定のタイミングにおいて読出ゲート１６をオン状態とするか、またはオフ状態とするかを各画素１０毎に指令するための信号である。トランジスタ１７ｂ，１７ｃの各制御端子（ゲート）は、信号制御回路１７ａと電気的に接続されている。トランジスタ１７ｂの一方の電流端子（例えばドレイン）は、複数の画素１０に対して共通の定電位線４５と電気的に接続されている。定電位線４５の電位は、読出ゲート１６の所定のオン電圧に対応し、例えば定電位線４１と同じである。定電位線４１と定電位線４５とは、互いに共通であってもよい。トランジスタ１７ｃの一方の電流端子は、複数の画素１０に対して共通の定電位線４６と電気的に接続されている。定電位線４６の電位は、読出ゲート１６の所定のオフ電圧に対応し、例えば−１．４Ｖである。トランジスタ１７ｂ，１７ｃの他方の電流端子（例えばソース）は、読出ゲート１６と電気的に接続されている。信号制御回路１７ａは、読出ゲート１６をオン状態とする期間においてはトランジスタ１７ｂをオン状態とし、トランジスタ１７ｃをオフ状態とする。また、信号制御回路１７ａは、読出ゲート１６をオフ状態とする期間においてはトランジスタ１７ｂをオフ状態とし、トランジスタ１７ｃをオン状態とする。信号制御回路１７ａは、信号Ｓａに基づいて、各撮像フレームの所定のタイミングにおいて読出ゲート１６をオン状態とするか、又は読出ゲート１６のオフ状態を維持する。
【００３６】
電圧変換部１５は、電荷量を電圧信号に変換する部分である。本実施形態の電圧変換部１５は、ＦＤ１５ａ、トランジスタ１５ｂ、リセットゲート１５ｃ、スイッチ１５ｄ、及び電流源１５ｅを含んで構成されている。ＦＤ１５ａは、電荷を蓄積する部分であって、光電変換部１１及び電荷蓄積部１３とは別に、電荷蓄積部１３と隣り合って設けられている。図４に示すように、ＦＤ１５ａは、例えばＳｉ基板２０の表面２０ａに形成された高濃度であり第２導電型（例えばｎ型）の半導体領域である。ＦＤ１５ａは、例えばＳｉ基板２０に対するイオン注入により形成され得る。上述した読出ゲート１６は、基板２０の表面２０ａの法線方向から見て、電荷蓄積部１３とＦＤ１５ａとの間に設けられている。なお、図３では理解の容易の為、ＦＤ１５ａをキャパシタの回路記号により代替的に示している。
【００３７】
トランジスタ１５ｂは、例えばＦＥＴであり、ソースフォロワ増幅器を構成し、ＦＤ１５ａに蓄積された電荷量に応じた電圧を増幅する。具体的には、トランジスタ１５ｂの制御端子（ゲート）はＦＤ１５ａと電気的に接続されており、ＦＤ１５ａに蓄積された電荷量に応じた微小な電圧がトランジスタ１５ｂの制御端子に印加される。トランジスタ１５ｂの一方の電流端子（例えばドレイン）は、複数の画素１０にわたって共通に設けられた定電位線４２と電気的に接続されている。トランジスタ１５ｂの他方の電流端子（例えばソース）は、スイッチ１５ｄ及び電流源１５ｅを介して、複数の画素１０にわたって共通に設けられた基準電位線４３と電気的に接続されている。スイッチ１５ｄ及び電流源１５ｅは、トランジスタ１５ｂの他方の電流端子と基準電位線４３との間において、互いに直列に接続されている。定電位線４２の電位は、例えば定電位線４１と同じである。定電位線４１と定電位線４２とは、互いに共通であってもよい。スイッチ１５ｄが接続状態になると、トランジスタ１５ｂの他方の電流端子には、トランジスタ１５ｂの制御端子に印加された微小電圧に応じた大きさの電圧信号Ｖｏｕｔが生成される。言い換えると、ＦＤ１５ａに蓄積された電荷量に応じた大きさの電圧信号Ｖｏｕｔがトランジスタ１５ｂの他方の電流端子に生成される。この電圧信号Ｖｏｕｔは、図示しない読み出し配線を通じてイメージセンサ５の外部に提供される。
【００３８】
リセットゲート１５ｃは、ＦＤ１５ａに蓄積された電荷の、当該画素１０の外への排出を制御する。リセットゲート１５ｃは、上述したリセットゲート１２と同様の構成を有する。リセットゲート１５ｃは、Ｓｉ基板２０上の絶縁膜３１内に埋め込まれた電極膜（例えばポリシリコン膜）である。リセットゲート１５ｃは、絶縁膜３１の一部を挟んでＳｉ基板２０の表面２０ａと対向しており、ＦＥＴのゲートとして働く。表面２０ａの法線方向から見てＦＤ１５ａとの間にリセットゲート１５ｃを挟む位置の表面２０ａの領域には、図示しないリセットドレインが設けられている。リセットドレインは、上述したリセットドレイン２３と同様に、Ｓｉ基板２０の表面２０ａに形成された高濃度且つ第２導電型（例えばｎ型）の半導体領域である。リセットドレインは、定電位線４２と電気的に接続されている。リセットゲート１５ｃに所定のオン電圧が印加されると、ＦＤ１５ａに蓄積された電荷は、リセットゲート１５ｃを通じてリセットドレインへ移動し、定電位線４２を通って当該画素１０の外へ排出される。リセットゲート１５ｃに所定のオフ電圧が印加されているときには、ＦＤ１５ａに蓄積された電荷はリセットドレインへ移動しない。リセットゲート１５ｃは、電圧信号Ｖｏｕｔが当該画素１０から読み出された後に導通状態とされ、ＦＤ１５ａに蓄積された電荷をリセットする。また、このとき、同時に読出ゲート１６を導通状態とすることにより、電荷蓄積部１３に蓄積された電荷を併せてリセットすることができる。リセットゲート１５ｃのオン／オフを制御するための信号Ｓｄ4は、図２に示された制御部９から、複数の画素１０に共通の信号として提供される。
【００３９】
以上の構成を備えるイメージセンサ５の動作について、本実施形態によるイメージセンサの制御方法と共に説明する。図５は、イメージセンサ５の各信号の動作を示すタイムチャートである。また、図６は、イメージセンサの制御方法を示すフローチャートである。図５には、例示として３つの撮像フレームＦ1〜Ｆ3が示されている。励起光源２（図１を参照）の発光タイミングと各撮像フレームＦ1〜Ｆ3とは互いに同期しており、各撮像フレームＦ1〜Ｆ3において、まず励起光Ｌａが入射し、次に時間をおいて蛍光Ｌｂが入射する。図５では、励起光Ｌａ及び蛍光Ｌｂの入射タイミングを三角形により概念的に示す。三角形の横方向は時間を表し、縦方向（高さ方向）は光強度を表す。この例では、励起光Ｌａのピーク強度は蛍光Ｌｂのピーク強度よりも大きい。
【００４０】
各撮像フレームＦ1〜Ｆ3に共通の動作として、まず、図５の（ａ）部に示すように、制御部９内部のフレーム制御信号ＳＴが第１の有意値（例えばＨｉ）となる。同時に、図５の（ｂ）部に示すように、リセットゲート１２を制御する信号Ｓｄ1が全画素１０において同時にオン状態となる。信号Ｓｄ1は、励起光Ｌａがイメージセンサ５に入射する間、オン状態を維持する。すなわち、励起光Ｌａの入射により光電変換部１１に蓄積される電荷を、リセットドレイン２３及び定電位線４１を介して当該画素１０の外へ排出する（図６の第１ステップＳ１）。信号Ｓｄ1をオン状態とした後、所定の期間（図中の期間Ｄ１）ののちに信号Ｓｄ1をオフ状態とする。信号Ｓｄ1をオフ状態とするタイミングは、全画素１０に共通であり、励起光Ｌａの入射後であって蛍光Ｌｂの入射前である。信号Ｓｄ1がオフ状態になると、光電変換部１１は電荷を蓄積可能な状態になる。信号Ｓｄ1をオフ状態としたのち、所定の期間（図中の期間Ｄ２）にわたって、蛍光Ｌｂがイメージセンサ５に入射し、光電変換部１１は、当該画素１０に入射した蛍光Ｌｂの光量に応じた数の電荷を蓄積する。
【００４１】
信号Ｓｄ1をオフ状態としてから所定の期間ののち、フレーム制御信号ＳＴを第２の有意値（例えばＬｏ）とする。このとき、図５の（ｃ）部に示すように、蓄積ゲート１４を制御する信号Ｓｄ2を全画素１０において同時にオン状態とする。これにより、蛍光Ｌｂの入射により光電変換部１１に生じた電荷を、蓄積ゲート１４を通じて電荷蓄積部１３へ移動させる（図６の第２ステップＳ２）。なお、第１ステップＳ１及び第２ステップＳ２は、各撮像フレームＦ1〜Ｆ3につき１回ずつ交互に繰り返される。
【００４２】
続いて、図５の（ｄ）部及び（ｅ）部に示すように、読出ゲート１６を制御する信号Ｓｄ3をオン状態とする。これにより、電荷蓄積部１３に蓄積された電荷を、読出ゲート１６を通じて電圧変換部１５のＦＤ１５ａへ読み出す（図６の第３ステップＳ３）。このとき、撮像フレーム毎に必要に応じて、一部の画素１０において信号Ｓｄ3をオフ状態に維持し、電荷蓄積部１３からＦＤ１５ａへの電荷の読み出しを行わない。この場合、当該撮像フレームの当該画素１０においては、蛍光Ｌｂの入射により生じた電荷が、電荷蓄積部１３に蓄積されたままとなる。図５に示す例では、図５の（ｄ）部は第Ｎ番目の画素１０の信号Ｓｄ3を示し、図５の（ｅ）部は第（Ｎ＋１）番目の画素１０の信号Ｓｄ3を示す。そして、（ｅ）部に示すように、撮像フレームＦ2における第（Ｎ＋１）番目の画素１０では、信号Ｓｄ3をオフ状態に維持している。従って、撮像フレームＦ3の第（Ｎ＋１）番目の画素１０においては、第２ステップＳ２が２回行われた後に電荷蓄積部１３から電荷を読み出すこととなる。これに対し、撮像フレームＦ2，Ｆ3の第Ｎ番目の画素１０においては、第２ステップＳ２が１回行われた後に（すなわち毎回）電荷蓄積部１３から電荷を読み出す。なお、図５に示す例では、第Ｎ番目の画素１０において第２ステップＳ２が２回行われた後に電荷蓄積部１３から電荷を読み出しているが、第２ステップＳ２がｎ回（ｎは３以上の整数）行われた後に電荷蓄積部１３から電荷を読み出してよく、また、第Ｎ番目以外の他の一または二以上の画素１０において同様の動作を行ってもよい。言い換えると、一又は二以上の任意の画素１０において、第２ステップＳ２がｎ回（ｎは１以上の整数）行われた後に電荷蓄積部１３から電荷を読み出す。
【００４３】
図５の（ｈ）部に示す信号Ｓａは、各撮像フレームＦ1〜Ｆ3において信号Ｓｄ3をオン状態とするか、またはオフ状態のまま維持するかを各画素１０毎に指令するための信号である。信号Ｓａは、時間方向に並ぶ複数のパルス信号を含む。各パルス信号は各画素１０に一対一で対応しており、或る撮像フレームにおいて或る画素１０に対応するパルス信号が有意値である場合、次の撮像フレームにおける当該画素１０では信号Ｓｄ3をオフ状態のまま維持する。図５の（ｈ）部に示す例では、撮像フレームＦ1における信号Ｓａの第（Ｎ＋１）番目の画素１０に対応するパルス信号Ｐが有意値となっており、このため次の撮像フレームＦ2における第（Ｎ＋１）番目の画素１０の信号Ｓｄ3はオフ状態のまま維持される（図５の（ｅ）部）。すなわち、本実施形態では、上記の回数ｎを各画素１０毎に個別に設定することができる。
【００４４】
その後、図５の（ｇ）部に示すように、複数の画素１０から電圧信号Ｖｏｕｔを順次出力する。そして、電圧信号Ｖｏｕｔの出力が完了した後、図５の（ｆ）部に示すように、信号Ｓｄ4をオン状態として、リセットゲート１５ｃをオン状態とする。また、同時に、図５の（ｄ）部及び（ｅ）部に示すように、信号Ｓｄ3をオン状態として、読出ゲート１６をオン状態とする。これにより、ＦＤ１５ａ及び電荷蓄積部１３に残存する電荷がリセットされる。
【００４５】
ここで、図７の（ａ）部は、或る画素１０に対する信号Ｓａのパルス信号Ｐを拡大して示すグラフである。図７の（ｂ）部は、当該画素１０から出力される電圧信号Ｖｏｕｔを示すグラフである。図７の（ｃ）部は、画素回路部１７の信号制御回路１７ａ内における指令保持信号Ｓｄ5を示すグラフである。図７に示すように、信号Ｓａのパルス信号Ｐは、電圧信号Ｖｏｕｔと同期するタイミングで有意値となってもよい。そして、電圧信号Ｖｏｕｔが出力されている間のパルス信号Ｐの立ち上がりをトリガとして、信号制御回路１７ａ内における指令保持信号Ｓｄ5を次の撮像フレームにわたって有意値としてもよい。画素回路部１７は、この指令保持信号Ｓｄ5に基づき、次の撮像フレームにおいて信号Ｓｄ3をオフ状態に維持することができる。
【００４６】
以上に説明した本実施形態によるイメージセンサ５及びイメージセンサの制御方法によって得られる効果について、比較例と共に説明する。図８は、比較例に係るイメージセンサの画素１１０の構成を示す回路図である。この画素１１０は、光電変換部１１と、電圧変換部１５と、読出ゲート１６とを備える。これらの構成は、本実施形態と同様である。この画素１１０に励起光Ｌａが入射すると、励起光Ｌａに応じた電荷が光電変換部１１に蓄積される。この電荷は、読出ゲート１６及びリセットゲート１５ｃをオン状態とすることにより、画素１１０の外部へ排出される。次に、蛍光Ｌｂが入射すると、蛍光Ｌｂに応じた電荷が光電変換部１１に蓄積される。この電荷は、読出ゲート１６によってＦＤ１５ａに転送され、電圧信号Ｖｏｕｔとしてイメージセンサの外部へ出力される。
【００４７】
しかしながらこの構成では、次の問題が生じる。図９の（ａ）部及び（ｂ）部は、イメージセンサに入射する蛍光Ｌｂの光強度の分布例を示すグラフであって、横軸は波長（画素の配列方向（Ｘ方向）における位置）を示し、縦軸は蛍光Ｌｂの光強度を示す。図９において、破線Ｅ1はバックグラウンドノイズレベルを表し、破線Ｅ2は飽和レベルを表す。図９の（ａ）部に示すように、計測対象物Ａに含まれる各物質に固有の蛍光波長λ1、λ2における蛍光Ｌｂの強度が十分に大きい場合は高いＳ／Ｎ比でもって計測を行うことができる。しかし、図９の（ｂ）部に示すように、或る蛍光波長λ1においては蛍光Ｌｂの強度が十分に大きく、一方で別の蛍光波長λ2においては蛍光Ｌｂの強度が微弱であるような場合、蛍光波長λ2に対応する画素１１０の電圧信号Ｖｏｕｔがバックグラウンドノイズに埋もれてしまい、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。また、Ｓ／Ｎ比を高めるために蛍光Ｌｂの複数回入射分の電荷をＦＤ１５ａに蓄積しようとすると、励起光Ｌａにより生じた電荷も蓄積されてしまい、蛍光Ｌｂのみを検出することが困難となる。
【００４８】
このような課題に対し、本実施形態のイメージセンサ５は、前述したように次の動作を行う。すなわち、励起光Ｌａが入射すると、各画素１０の光電変換部１１は、この励起光Ｌａの強度に応じた数の電荷を生成する。この電荷は、リセットゲート１２を通じて当該画素１０の外へ排出される。続いて、蛍光Ｌｂが入射すると、各画素１０の光電変換部１１は、この蛍光Ｌｂの強度に応じた数の電荷を生成する。この電荷は、蓄積ゲート１４を通じて電荷蓄積部１３に移動する。そして、蛍光Ｌｂの強度が十分でＳ／Ｎ比が高い画素１０では、例えば蛍光Ｌｂの入射毎に（言い換えると撮像フレーム毎に）、読出ゲート１６を通じて電荷を読み出す。
【００４９】
また、蛍光Ｌｂの強度が十分ではなくＳ／Ｎ比が低い画素１０では、蛍光Ｌｂが複数回入射するまで読出ゲート１６を通じた読み出しを行わずに、電荷蓄積部１３に電荷を蓄えておく。その間、励起光Ｌａ及び蛍光Ｌｂの入射が繰り返され、励起光Ｌａにより光電変換部１１において生じた電荷はリセットゲート１２を通じて当該画素１０の外へ排出され、蛍光Ｌｂにより光電変換部１１において生じた電荷は蓄積ゲート１４を通じて電荷蓄積部１３に蓄積される。そして、電荷蓄積部１３に蓄積された蛍光Ｌｂの入射回数分の電荷は、読出ゲート１６を通じて読み出される。
【００５０】
図１０は、複数の画素１０の配列方向（Ｘ方向）における電圧信号Ｖｏｕｔの分布の例を示すグラフである。図１０の（ａ）部は図５の撮像フレームＦ1における電圧信号Ｖｏｕｔの分布を示し、図１０の（ｂ）部は撮像フレームＦ2における電圧信号Ｖｏｕｔの分布を示し、図１０の（ｃ）部は撮像フレームＦ3における電圧信号Ｖｏｕｔの分布を示す。図１０の（ａ）部に示すように、或る蛍光波長に対応する位置Ｘ1において蛍光Ｌｂの強度が十分に大きく、一方で別の蛍光波長に対応する位置Ｘ2において蛍光Ｌｂの強度が微弱であるような場合、図１０の（ｂ）部に示すように、位置Ｘ2及びその付近にある画素１０において、読出ゲート１６を通じた読み出しを行わずに電荷蓄積部１３に電荷を蓄積する。これにより、当該撮像フレームＦ2における電圧信号Ｖｏｕｔはほぼゼロとなる。しかし、次の撮像フレームＦ3においては、位置Ｘ2及びその付近にある画素１０からの電圧信号Ｖｏｕｔの大きさは、撮像フレーム２つ分（すなわち図１０の（ａ）部の２倍）となる。従って、バックグラウンドノイズレベルＥ1と比較して電圧信号Ｖｏｕｔを大きくし、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。
【００５１】
このように、本実施形態のイメージセンサ５では、蛍光Ｌｂによる電荷の蓄積回数を画素１０毎に個別に設定できるので、蛍光Ｌｂの強度が十分ではない場合には、蓄積回数を多くして信号量を高めることができる。そして、このような動作を、蛍光Ｌｂと交互に入射する励起光Ｌａの影響を排除しつつ行うことができる。従って、本実施形態のイメージセンサ５によれば、複数の画素１０のうち一部の画素１０の信号量を選択的に高めることができ、且つ、交互に入射する２つの光のうち一方（蛍光Ｌｂ）のみを検出することができる。
【００５２】
本実施形態のように、イメージセンサ５は、読出ゲート１６を制御する信号Ｓｄ3を生成する画素回路部１７を各画素１０毎に備えてもよい。この場合、回数ｎを画素１０毎に個別に設定することが容易にできる。
【００５３】
本実施形態のように、イメージセンサ５は、複数の画素１０に共通でありリセットゲート１２を制御する信号Ｓｄ1、複数の画素１０に共通であり蓄積ゲート１４を制御する信号Ｓｄ2、及び、各画素１０毎に読出ゲート１６のオンまたはオフを画素回路部１７に対して指令する信号Ｓａを、複数回の撮像フレームのそれぞれにおいて各画素１０に提供する制御部９を備えてもよい。例えばこのような構成により、上述したイメージセンサ５の動作を実現することができる。
【００５４】
本実施形態のように、各画素１０は、電荷量を電圧信号Ｖｏｕｔに変換する電圧変換部１５を更に有し、読出ゲート１６は電荷蓄積部１３と電圧変換部１５との間に設けられてもよい。この場合、各画素１０の電荷を電圧信号Ｖｏｕｔとして容易に読み出すことができる。
【００５５】
本実施形態のように、電圧変換部１５はＦＤ１５ａを含んでもよい。この場合、電圧変換部１５を容易に構成することができる。
【００５６】
前述したように、本実施形態の発光分光計測装置１は、一次元に配置された複数の画素１０を備えるイメージセンサ５と、励起光Ｌａを計測対象物Ａに照射する励起光源２と、励起光Ｌａにより計測対象物Ａにおいて生じた蛍光Ｌｂを分光する分光器４とを備える。そして、イメージセンサ５の複数の画素１０の配列方向は分光器４の分光方向に沿っており、イメージセンサ５は、分光器４による分光後の蛍光Ｌｂの強度を波長毎に検出する。この発光分光計測装置１によれば、本実施形態のイメージセンサ５を備えることにより、一部の波長に対する信号量を選択的に高めることができ、且つ、交互に入射する励起光Ｌａ及び蛍光Ｌｂのうち蛍光Ｌｂのみを検出することができる。
【００５７】
前述したように、本実施形態のイメージセンサの制御方法は、イメージセンサ５に対し時間的に交互に入射する励起光Ｌａ及び蛍光Ｌｂのうち励起光Ｌａの入射により光電変換部１１に蓄積された電荷を当該画素１０の外へ排出する第１ステップＳ１と、第１ステップＳ１と交互に繰り返され、蛍光Ｌｂの入射により光電変換部１１に生じた電荷を電荷蓄積部１３へ移動させる第２ステップＳ２と、第２ステップＳ２がｎ回（ｎは１以上の整数）行われた後に電荷蓄積部１３から電荷を読み出す第３ステップＳ３とを含む。そして、回数ｎを各画素１０毎に個別に設定する。
【００５８】
この制御方法によれば、蛍光Ｌｂの強度が十分ではなくＳ／Ｎ比が低い画素１０では、蛍光Ｌｂが複数回入射するまで読み出しを行わずに、電荷蓄積部１３に電荷を蓄えておくことができる。その間、励起光Ｌａ及び蛍光Ｌｂの入射が繰り返され、励起光Ｌａにより光電変換部１１において生じた電荷は当該画素１０の外へ排出され、蛍光Ｌｂにより光電変換部１１において生じた電荷は電荷蓄積部１３に蓄積される。その後、電荷蓄積部１３に蓄積された蛍光Ｌｂの入射回数分の電荷が読み出される。
【００５９】
このように、本実施形態の制御方法では、蛍光Ｌｂによる電荷の蓄積回数を画素１０毎に個別に設定できるので、蛍光Ｌｂの強度が十分ではない場合には、蓄積回数を多くして信号量を高めることができる。そして、このような動作を、蛍光Ｌｂと交互に入射する励起光Ｌａの影響を排除しつつ行うことができる。従って、本実施形態の制御方法によれば、複数の画素１０のうち任意の画素１０の信号量を選択的に高めることができ、且つ、交互に入射する２つの光のうち一方のみを検出することができる。
【００６０】
なお、本実施形態の効果を得るために、蓄積ゲート１４及び電荷蓄積部１３を設けず、光電変換部１１とＦＤ１５ａとを読出ゲート１６を介して接続し、蛍光Ｌｂのｎ回の入射に応じた電荷をＦＤ１５ａに蓄積することも考えられる。しかし、ＦＤ１５ａでは、図４に示したように、配線との接続のため第２導電型（例えばｎ型）の半導体領域が表面２０ａに露出している。従って、ＦＤ１５ａは暗電流の影響を受けやすく、長時間の電荷の蓄積によりノイズ成分も蓄積されるのでＳ／Ｎ比を高くできない。これに対し、電荷蓄積部１３は配線と接続されないので、図４に示したように、第２導電型（例えばｎ型）の半導体領域１３ｂを第１導電型（例えばｐ型）の半導体領域１３ａによって埋め込むことができる。従って、電荷蓄積部１３は暗電流の影響を受けにくく、電荷を長時間蓄積してもノイズ成分は小さい。故に、本実施形態によれば、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。
【００６１】
本開示によるイメージセンサ、及びイメージセンサの制御方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではイメージセンサを発光分光計測装置に適用した例を示したが、本発明のイメージセンサは、検出対象でない光と検出対象である光とが交互に入射する用途であれば、他の様々な用途に用いることができる。また、上記実施形態では複数の画素１０が一次元に配列される場合を例示したが、複数の画素１０は二次元に（例えば複数行及び複数列にわたって）配列されてもよい。用途によっては、複数の画素１０が二次元に配列される場合であっても本発明のイメージセンサは有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１…発光分光計測装置、２…励起光源、３…レンズ、４…分光器、５…イメージセンサ、９…制御部、１０…画素、１１…光電変換部、１１ａ，１１ｂ…半導体領域、１２…リセットゲート、１３…電荷蓄積部、１３ａ，１３ｂ…半導体領域、１４…蓄積ゲート、１５…電圧変換部、１５ｂ…トランジスタ、１５ｃ…リセットゲート、１５ｄ…スイッチ、１５ｅ…電流源、１６…読出ゲート、１７…画素回路部、１７ａ…信号制御回路、１７ｂ，１７ｃ…トランジスタ、２０…基板、２０ａ…表面、２３…リセットドレイン、３１…絶縁膜、４１，４２…定電位線、４３…基準電位線、４４…配線、４５，４６…定電位線、Ａ…計測対象物、Ｄ１，Ｄ２…期間、Ｆ1〜Ｆ3…各撮像フレーム、Ｌａ…励起光、Ｌｂ…蛍光、Ｐ…パルス信号、Ｖｏｕｔ…電圧信号。
【要約】
【課題】複数の画素のうち一部の画素の信号量を選択的に高めることができ、且つ、交互に入射する２つの光のうち一方のみを検出することが可能なイメージセンサを提供する。
【解決手段】イメージセンサ５は、複数の画素１０を備える。各画素１０は、光電変換部１１、光電変換部１１に蓄積された電荷の排出を制御するリセットゲート１２、電荷蓄積部１３、光電変換部１１から電荷蓄積部１３への電荷の移動を制御する蓄積ゲート１４、及び電荷蓄積部１３からの電荷の読み出しを制御する読出ゲート１６を有する。リセットゲート１２は、励起光の入射により光電変換部１１に生じる電荷を排出する。蓄積ゲート１４は、蛍光の入射により光電変換部１１に生じる電荷を電荷蓄積部１３へ移動させる。読出ゲート１６は、電荷蓄積部１３への電荷の移動がｎ回（ｎは１以上の整数）行われた後に電荷を読み出すための制御を行う。回数ｎは各画素１０毎に設定される。
【選択図】図３【図１】
0006824363.tif 000002
【図２】
0006824363.tif 000003
【図３】
0006824363.tif 000004
【図４】
0006824363.tif 000005
【図５】
0006824363.tif 000006
【図６】
0006824363.tif 000007
【図７】
0006824363.tif 000008
【図８】
0006824363.tif 000009
【図９】
0006824363.tif 000010
【図１０】
0006824363.tif 000011