(57)【要約】【課題】煩雑であったりコストのかかる方法を用いることなく、蓄積読み出し方式を採るフォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）において、簡便に、各フォトダイオード（ＰＤ）に適した電荷蓄積時間を設定することができ、且つ、飽和することがないようなＰＤＡ及びその信号読出方法を提供する。【解決手段】配列されたｎ個のＰＤの各信号を、第一ＰＤから第ｎＰＤまで順次読み出すＰＤＡにおいて、全てのＰＤの信号を順次全て読み出す全信号読出を実行する前に、第一ＰＤから所定のＰＤまでの信号を順次読み出すことで当該各ＰＤの信号をキャンセルした後、第一ＰＤの読み出しに戻るＰＤを一又は複数回実行する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配列されたｎ個のフォトダイオードの各信号を、第一フォトダイオードから第ｎフォトダイオードまで順次読み出すフォトダイオードアレイであって、
全てのフォトダイオードの信号を順次全て読み出す全信号読出を実行する前に、第一フォトダイオードから所定のフォトダイオードまでの信号を順次読み出すことで当該各フォトダイオードの信号をキャンセルした後、第一フォトダイオードの読み出しに戻るキャンセルプロセスを一又は複数回実行する読出制御部
を備えたことを特徴とするフォトダイオードアレイ。
【請求項２】
前記読出制御部がキャンセルプロセスを複数回実行する場合、各キャンセルプロセスは、直前のキャンセルプロセスにおける場合よりも少ない個数のフォトダイオードのキャンセルを行う
ことを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項３】
前記読出制御部が、各キャンセルプロセスを実行した後、次のキャンセルプロセス又は全信号読出を開始する前に所定の待機時間を置く
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のフォトダイオードアレイを備えた分光光度計。
【請求項５】
配列されたｎ個のフォトダイオードの各信号を、第一フォトダイオードから第ｎフォトダイオードまで順次読み出すフォトダイオードアレイにおいて、
全てのフォトダイオードの信号を順次全て読み出す全信号読出を実行する前に、第一フォトダイオードから所定のフォトダイオードまでの信号を順次読み出すことで当該各フォトダイオードの信号をキャンセルした後、第一フォトダイオードの読み出しに戻るキャンセルプロセスを一又は複数回実行する
ことを特徴とするフォトダイオードアレイの信号読出方法。
【請求項６】
キャンセルプロセスを複数回実行する場合、各キャンセルプロセスは、直前のキャンセルプロセスにおける場合よりも少ない個数のフォトダイオードのキャンセルを行う
ことを特徴とする請求項５に記載のフォトダイオードアレイの信号読出方法。
【請求項７】
各キャンセルプロセスを実行した後、次のキャンセルプロセス又は全信号読出を開始する前に所定の待機時間を置く
ことを特徴とする請求項５又は６に記載フォトダイオードアレイの信号読出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のフォトダイオード（Photo Diode）が配列されてなるフォトダイオードアレイ（Photo Diode Array）に関する。本発明はまた、フォトダイオードの信号読出方法に関する。なお、本明細書では適宜、フォトダイオードを「ＰＤ」と、フォトダイオードアレイを「ＰＤＡ」と略記する。
【背景技術】
【０００２】
フォトダイオードアレイは、回折格子等で分光されたスペクトルを一挙に受光することで、多波長の光強度をほぼ同時に検出することが可能であることから、分光光度計などの光検出装置において一般的に利用されている。
【０００３】
フォトダイオードアレイでは、各フォトダイオードにおいて受光した光の強度に応じた電流又は電圧等の信号が順次読み出され、信号処理回路で順次処理される。各フォトダイオードから信号を読み出す主な方法には、リアルタイム読み出し方式や蓄積読み出し方式がある。
【０００４】
リアルタイム読み出し方式では、各フォトダイオードに個別のアンプが設けられており、マルチプレクサによって各フォトダイオードと信号処理回路とが接続される。よって、光照射によってフォトダイオードから発生した光電流を選択的に読み出すことができる。しかし、この方式では出力される信号強度が光強度のみに依存するため、光強度が小さい場合にはオペアンプを用いて信号を増幅する必要があり、Ｓ／Ｎ比を上げ難いという欠点がある。
【０００５】
それに対して蓄積読み出し方式では、光強度とフォトダイオードの照射時間の積に比例した値を読み取ることができる。図１（ａ）は蓄積読み出し方式を採用したフォトダイオード１１から信号処理回路１５までを含む回路図である。図１（ｂ）に示すように、光照射前には、フォトダイオード接合容量部１２（以下、「ＰＤ接合容量部」と略記する）には一点鎖線で示された電荷量が蓄積されている。しかし、光照射によって光電流が発生すると、ＰＤ接合容量部１２の電荷が放電されて蓄積電荷量は減少する。マルチプレクサ１４を介して信号処理回路１５と接続されることにより、ＰＤ接合容量部１２で減少した電荷量は信号処理回路１５で読み出される。同時に、ＰＤ接合容量部１２は接合容量の電荷量（図１（ｂ）における一点鎖線の電荷量）まで充電される。マルチプレクサ１４によって信号処理回路１５との接続が切られると、次に読み出されるまでの間（即ち読み出し周期の間）、光電流によってＰＤ接合容量部１２は再び放電する。すなわち、読み出し周期はＰＤ接合容量部１２の電荷が放電する時間に相当し、読み出される信号は光強度と読み出し周期の積に比例する。このため、蓄積読み出し方式では、光強度が小さくても、読み出し周期を長くすることによって十分な大きさの信号を得ることが可能である。
【０００６】
本発明は、信号読み出し方式として特に蓄積読み出し方式を用いたフォトダイオードアレイに関するものである。よって以降の説明は、蓄積読み出し方式を前提として行う。
【０００７】
実際にＰＤＡから信号を読み出す際には、定められた一定の順序（短波長側から長波長側へ、等）に従って各フォトダイオードから信号を読み出して行くシーケンシャルアクセス方式が採用されている。このシーケンシャルアクセスには一般に、シフトレジスタが用いられている。
しかし、ＰＤの接合容量は有限であるために、図１（ｃ）に示すように長時間光照射を続けると、ＰＤ接合容量は飽和状態に陥る。シーケンシャルアクセス方式では、例えば、ある波長では光強度が大きく、ある波長では小さいような場合には、光強度の小さい波長に合わせて読み出し周期を長く設定すると、光強度が大きい波長の光を受光するＰＤでは接合容量以上の光電流が流れ、飽和状態になってしまう。飽和状態になると、信号の変化が読み取れなくなり検出素子として用をなさなくなる。
【０００８】
逆に、飽和を防ぐために読み出し周期を短くすると、光強度の小さい波長に対応するＰＤでは放電する電荷量が小さくなり、微弱な信号しか出力できないことになる。これは、測定におけるＳ／Ｎ比を下げる要因になるため、測定精度を高めるためには、読み出し周期を必要以上に短くすることは好ましくない。
【０００９】
このように、シーケンシャルアクセス方式では各ＰＤに対応して適切な読み出し周期を指定することが非常に重要であるものの、ＰＤの飽和防止とＳ／Ｎ比の向上実現とが相反するという点が大きな解決課題となっていた。
【００１０】
前記問題を解決する一つの方法として、飽和する前に光強度が大きいものを受光するＰＤから順番にアクセスして信号を読み出すことが考えられる。例えば特許文献１には、各ＰＤを独立に制御するための制御回路を設け、バックグラウンドの測定値を基に各ＰＤで読み出し周期を独立して設定できるようにしたものが開示されている。しかしこの方法には、ＰＤの数が増えるにつれて、各ＰＤの読み出し周期を維持したまま全てのＰＤの読み出しスケジュールを調整することが煩雑になるなど、問題がある。また、この方法では、ランダムアクセス可能なＰＤＡが必要となるが、そのようなＰＤＡは高価であり、コスト面で不利である。
【００１１】
このため、シーケンシャルアクセス方式のもとで上記課題を解決するために、光強度の強い波長領域のＰＤにのみ減光用フィルタを設けた構成（特許文献２参照）や、測定する波長領域をある波長領域だけに限定して、その範囲内で最適な電荷蓄積時間を自動的に設定する構成（特許文献３参照）などが開示されている。
【００１２】
しかし、これらの技術では、減光フィルタの境界にあるＰＤへ入射する光が不安定になったり広い波長領域に亘っての測定が不可能であったりすることから、依然として課題が残る。
【００１３】
また、読み出し周期の最小値は分析装置がひとつのＰＤから信号を読み出すために要する時間とＰＤＡを構成するＰＤの数とによって決まる。そのため、処理装置（信号処理回路等）の処理能力が低い場合や領域の広いＰＤＡでは、読み出し周期を最小に設定しても、その間に飽和してしまうＰＤが出てくることもあり得る。
【００１４】
なお、前述とは逆に、光電流によって電荷が蓄積されていくＰＤにおいても課題および対策は同様である。
【特許文献１】特開平８−０１５０１３号公報
【特許文献２】実新登録第２５６４７９２号公報
【特許文献３】特開平８−１２２１５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明が解決しようとする課題は、蓄積読み出し方式を採るフォトダイオードアレイにおいて、簡便に、各フォトダイオードに適した電荷蓄積時間を設定することができ、且つ、飽和することがないようなフォトダイオードアレイ及びその信号読出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するためになされた本発明に係るフォトダイオードアレイは、
配列されたｎ個のフォトダイオードの各信号を、第一フォトダイオードから第ｎフォトダイオードまで順次読み出すフォトダイオードアレイであって、
全てのフォトダイオードの信号を順次全て読み出す全信号読出を実行する前に、第一フォトダイオードから所定のフォトダイオードまでの信号を順次読み出すことで当該各フォトダイオードの信号をキャンセルした後、第一フォトダイオードの読み出しに戻るキャンセルプロセスを一又は複数回実行する読出制御部
を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係るフォトダイオードアレイの信号読出方法は、
配列されたｎ個のフォトダイオードの各信号を、第一フォトダイオードから第ｎフォトダイオードまで順次読み出すフォトダイオードアレイにおいて、
全てのフォトダイオードの信号を順次全て読み出す全信号読出を実行する前に、第一フォトダイオードから所定のフォトダイオードまでの信号を順次読み出すことで当該各フォトダイオードの信号をキャンセルした後、第一フォトダイオードの読み出しに戻るキャンセルプロセスを一又は複数回実行する
ことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るフォトダイオードアレイ及びフォトダイオードアレイの信号読出方法によれば、簡単な構成でＰＤＡ上の各ＰＤに最適な周期を設定できるから、各ＰＤが飽和しない範囲で高い出力を維持することができる。従って、Ｓ／Ｎ比を高め、測定の精度を上げることができる。
【００１９】
また、本発明に係るフォトダイオードアレイ及びフォトダイオードアレイの信号読出方法では、従来より使用されているＰＤＡを基本的に利用することができる。従って、コストの面でも非常に有利である。
【００２０】
また、本発明に係るフォトダイオードアレイ及びフォトダイオードアレイの信号読出方法を用いることにより、例えば分析装置のスペックが低いために読み出し周期を短く設定できないような場合でも、装置のスペックを上げることなくＰＤの飽和を防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係るフォトダイオードアレイの信号読出方法について例を示しつつ詳細に説明する。なお、本発明に係るフォトダイオードアレイにおける読出制御部は、所定の回路等で実現することができ、その実体構成はどのようなものでも構わない。
【００２２】
本発明に係るＰＤＡは、第一フォトダイオードから第ｎフォトダイオードまでの計ｎ個のＰＤが一次元に配列されて成るものであり、その基本的な構成は従来より存在する一般的なＰＤＡと同様である。また、各ＰＤの信号を読み出す際には、第一ＰＤから第ｎＰＤに向かって順次読み読み出しが行われる、つまりシーケンシャルアクセスが行われるものとする。なお、「ＰＤの信号」は電荷や電圧等、特に問わないが、以下の説明では電荷とする。
【００２３】
なお、本発明に係るＰＤＡは基本的に、第ｎＰＤ側よりも第一ＰＤ側の方が受光する光強度が強くなるように入射光に対して配置することが好ましい。しかし、本発明においてＰＤＡの配置方法は特に限定されるものではない。
【００２４】
いま、回折格子（非図示）によって分光された、短波長から長波長にかけて光強度が線形に低下する、ＰＤＡに対する入射光を想定する。以下の例では最も短波長の光を受光するのが第一番目のＰＤであり、最も長波長の光を受光するのが第ｎ番目のＰＤとする。図２（ａ）は読み出し周期をｔに設定して、理想的な条件（ＰＤの静電容量に制限がない場合）での測定が行われた際の結果の模式図である。
【００２５】
図２（ｂ）は従来の方法で測定を行った結果を表す。一点鎖線は各ＰＤの接合容量と同量の電荷（飽和電荷量）が放電されたときに出力される値である。図２（ｂ）が示すように、従来の方法では、短波長領域で放電量が飽和電荷量を超えるため飽和状態になってしまい、実際よりも光強度の出力値が小さくなっている。図２（ｃ）は上記の飽和を防ぐために、読み出し周期ｔを例として半分に、すなわち(1/2)ｔとした場合の結果を表す図である。短波長領域では放電量が飽和電荷量以下になるため、飽和は防がれているものの、読み出し周期が短いため全体的に出力が弱くなり、Ｓ／Ｎ比が低下してしまっている。
【００２６】
図３（ａ）は本発明の信号読出方法を模式的に表したものである。この具体的な手順は以下の通りである。
（Ｓ１）：１〜ｉ番目までのＰＤから信号を読み出す。これにより、１〜ｉ番目までのＰＤの信号は一旦キャンセルされる。
（Ｓ２）：得られた各ＰＤからの信号を消去、又は保存する
（Ｓ３）：(1/2)tの間待機する
（Ｓ４）：１〜ｎ番目までのＰＤから信号を読み出す。即ち全信号読出を実行する。
（Ｓ５）：上記Ｓ４の全信号読出によって得られた信号を光強度として採用する。
（Ｓ６）：(1/2)tの間待機する。
（Ｓ７）：前記Ｓ１に戻る。
【００２７】
つまり、本発明に係るＰＤＡ及びＰＤＡの信号読出方法では、全てのフォトダイオードの信号を順次全て読み出す全信号読出を実行する前に、第一フォトダイオードから所定のフォトダイオードまでの信号を順次読み出すことで当該各ダイオードの信号をキャンセルした後、第一フォトダイオードの読み出しに戻るキャンセルプロセスを実行する。
なお、キャンセルプロセスにおいて、何番目のＰＤまで読み出しを行うか（ｉ番目）は、入射光の特性に応じて予め定めておく。また、本例では、Ｓ１及びＳ２のプロセスがキャンセルプロセスに相当する。
【００２８】
上記の手順で測定を行うと、１〜ｉ番目のＰＤまでは読み出し周期(1/2)tで、ｉ＋１〜ｎ番目のＰＤまでは読み出し周期tで測定を行ったのと同様の結果が得られる。すなわち、図３（ｂ）に示すような結果が得られる。ＰＤの飽和は防止され、かつ長波長領域の出力も小さくなっていないため、Ｓ／Ｎ比を維持しながら飽和を防止することができる。Ｓ２で取得された１〜ｉの信号を消去せずに、Ｓ４で得られた信号の１〜ｉ分に加え合わせると、図３の長点線で示されたような「飽和なき理想ＰＤＡの出力図２（ａ）」と同じ結果を得ることができ、これと同等のＳ／Ｎ比を得ることが可能となる。Ｓ２で取得された信号は消去しても良いし、保存しておき、適宜利用しても良い。
【００２９】
また、入射光の特性に応じて、全信号読出を行う前に、キャンセルプロセスを複数回実行しても良い。この場合には通常、各キャンセルプロセスは、直前のキャンセルプロセスにおける場合よりも少ない個数のフォトダイオードのキャンセルを行う。
例えば、上記の例において、さらに長波長域の出力を増幅したい場合には、図４の下段に示すように、以下のような手順で信号読出を実行すればよい。
（ａ）：１〜ｊ番目のＰＤまで読み出し（第一キャンセルプロセスの実行）
（ｂ）：１〜ｉ番目（ｉ＜ｊ）のＰＤまで読み出し（第二キャンセルプロセスの実行）
（ｃ）：１〜ｎ番目まで読み出し（全信号読出の実行）
（ｄ）：上記ステップａに戻る
なお、各読み出しの間には(1/2)tの待機時間を置いている。
【００３０】
上記ステップｃで得られた信号を出力として採用し、読み出しａおよびｂで得られた信号は消去しても良いし適宜利用しても良い。
このように、二回のキャンセルプロセスを実行することにより、全信号読出によって得られる信号は、1〜i番目のＰＤは読み出し周期(1/2)tで、i+1〜j番目のＰＤは周期tで、j+1〜n番目のＰＤは読み出し周期(3/2)tで測定を行ったことになる。
【００３１】
図４の上段には、上記の手順で測定を行った際の結果も示してある。キャンセルプロセスを一度だけ実行した場合と比較すると、長波長領域の出力が高まるため、さらにＳ／Ｎ比が高められることがわかる。また、上記ステップａ、ｂで取得された１〜ｊ、１〜ｉの信号を消去せずに、それぞれ上記ステップｃで得られた信号の１〜ｊ分、１〜ｉ分に加え合わせると、図４の長点線で示されたような飽和がない理想ＰＤＡと同じ結果を得ることができ、これと同等のＳ／Ｎ比を得ることが可能となる。
【００３２】
なお、本発明のＰＤＡ及びＰＤＡの信号読出方法では、各キャンセルプロセスを実行した後、次のキャンセルプロセス又は全信号読出を開始する前に置く所定の待機時間は、特に限定されるものではなく、任意に設定すればよい。
【００３３】
実際にはＰＤから信号を読み出す際には、設定可能な読み出し周期の最小値が存在する。最小の読み出し周期を用いてもＰＤが飽和してしまうような場合、処理装置（信号処理回路等）の処理能力を上げることによっても解決できるが、これにはコストや手間が掛かるという問題がある。このようなとき、本発明に係るＰＤＡ及びＰＤＡの信号読出方法を用いることによって、装置の処理能力に頼らずに解決することが可能な場合がある。以下に一例を説明する。
【００３４】
いま、ひとつのＰＤから信号を読み出すために1msecが必要であり、ＰＤＡが200個のＰＤから構成されているとする。即ち、読み出し周期の最小値は200msecとなる。この最小の読み出し周期200msecで読み出した結果、ＰＤ出力が、図５（ａ）の上段に示すようになったとする。図中、１〜ｉ番目までのＰＤは飽和レベルである100を超えていることがわかる。またi+1〜200番目までのＰＤは飽和レベル100を下回っている。
【００３５】
ここで、本発明に係る信号読出方法を以下のように実行する。また、該手順を図５（ｂ）に示した。
Ｓａ：1〜ｉ番目までのPDから信号を読み出す（i msec）。
Ｓｂ：得られた信号を消去、又は保存する。
Ｓｃ：待機（100-i sec）。
Ｓｄ：1〜200番目までのPDから信号を読み出す（200msec）。
Ｓｅ：得られた信号を光強度として採用する。
Ｓｆ：前記Ｓａに戻る
【００３６】
上記ステップＳｅでは、1〜ｉ番目のＰＤは100msecの間に放電された電荷を信号として取得し、i+1〜200番目のＰＤは300msecの間に放電した電荷量を出力することになる。図５（ｂ）上段に示すように、200msecの間放電すると飽和状態になってしまうＰＤがＰＤＡに含まれていても、周期が100msecであれば飽和を防止することが可能となる。同時に、ＰＤの位置がi+1〜200番目の範囲でも、読み出し周期が長くなるため、出力を高めることができる。
【００３７】
また、本発明に係るＰＤＡ及びＰＤＡの信号読出方法は前述したような形状のスペクトルに限らず、様々なスペクトル形状に対して利用可能である。図６は他のスペクトルケースにおける本願発明の実施例を表す。
【００３８】
図６（ａ）は短波長から長波長にかけて光強度が増加する場合である。この場合、ＰＤＡを物理的に反転させればよい。短波長側をｎ番目のＰＤで、長波長側を一番目のＰＤで受光すれば、実質的に図２の場合と同じになるため、同様の手順で複数の蓄積時間を設定できるようになる。
【００３９】
図６（ｂ）は短波長、長波長領域で光強度が大きく、中波長領域の光強度が小さい場合である。この場合、上記引例２の技術を用いて、長波長領域を受光するＰＤをフィルタで覆って図６（ｃ）に示したように長波長領域の出力を補正すればよい。図６（ｃ）の黒い帯がフィルタで覆った部分を示す。実質的に図２の場合と同じになるため、同様の手順で複数の蓄積時間が設定可能となり、図６（ｄ）において実線で示したような測定結果を得ることができる。
【００４０】
図６（ｅ）に示した例は、短波長および長波長領域で光強度が小さく、中波長領域で光強度が大きい場合である。この場合、短波長領域の出力レベルを上げることはできないが、図６（ｆ）のようにｉ番目のＰＤを設定してキャンセルプロセスを実行することにより、長波長領域の出力レベルを補正することができる。
【００４１】
以上は実施例であり、本願発明は前記形態に限るものではない。例えば、吸光光度計において、光源のスペクトル強度が波長域によって大きく異なる場合などに、バックグラウンドのスペクトルもしくはスペクトルそのものを参考にして読み出し周期を調整することによって、光強度の小さい波長域においても、高いＳ／Ｎ比で測定することが可能になる。
【００４２】
本願発明の適用分野は広範囲に亘るものであり、限定されるものではないが、とりわけ分光光度計に好適に適用可能である。また各種イメージング技術においても適用が可能である。例えば、スキャナのイメージセンサとしてＰＤＡが用いられているとき、取り込む画像を走査する際に、グラデーションのように一方向に向かって濃淡がある場合等に、本発明のＰＤＡ又はＰＤＡの信号読出方法を用いることによってＳ／Ｎ比の高い画像を取り込むことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】（ａ）蓄積読み出し方式を用いた場合のPDから信号処理回路までの回路図。（ｂ）光照射によるPD接合容量部の電荷量変化を示す模式図。（ｃ）光照射によるPD接合容量部の飽和状態を示す模式図。
【図２】（ａ）理想条件での従来技術による測定結果を示す図。（ｂ）短波長領域が飽和する場合の従来技術による測定結果を示す図。（ｃ）全体の出力レベルが低い場合の従来技術による測定結果を示す図。
【図３】（ａ）キャンセルプロセスを１回実行する場合の読出方法の概念図。（ｂ）図３（ａ）の方法による測定結果を示す図。
【図４】キャンセルプロセスを２回実行する場合の読出方法とその測定結果
【図５】一実施例における、（ａ）従来技術と（ｂ）本願発明による測定の比較を示す図。
【図６】（ａ）短波長から長波長にかけて光強度が増加する場合の光強度とＰＤとの関係を示す図。（ｂ）短、長波長領域で光強度が大きく、中波長領域の光強度が小さい場合の光強度とＰＤとの関係を示す図。（ｃ）図６（ｂ）にフィルタをかけた場合の測定結果。（ｄ）図６（ｃ）に本願発明を適用した場合の測定結果。（ｅ）短、長波長領域で光強度が小さく、中波長領域で光強度が大きい場合の光強度とＰＤとの関係を示す図。（ｆ）図６（ｅ）に本願発明を適用した場合の測定結果。
【符号の説明】
【００４４】
１１…フォトダイオード
１２…フォトダイオード接合容量部
１３…フォトダイオードアレイ
１４…マルチプレクサ
１５…信号処理回路
１６…オペアンプ(積分回路)
【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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