イメージセンサ
【課題】 各波長において高感度の光検出をすることができるイメージセンサを提供する。
【解決手段】 イメージセンサ２０Ａは、フォトダイオードアレイ部２１、信号処理部２２、開閉指示部２３Ａおよび制御部２４Ａを含む。各スイッチＳＷｎは、対応するフォトダイオードＰＤｎと共通出力線Ｌとの間に設けられており、開閉指示部２３Ａにより指示されて開閉動作を行い、閉じることで、それまでにフォトダイオードＰＤｎの接合容量部に蓄積されていた電荷を共通出力線Ｌへ出力する。開閉指示部２３Ａにより指示に基づいて、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれが互いに異なる期間に閉状態とされるとともに、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間の整数倍となるように開閉動作を行う。このようにして、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮそれぞれの電荷蓄積時間は、基準時間の整数倍に設定される。
【解決手段】 イメージセンサ２０Ａは、フォトダイオードアレイ部２１、信号処理部２２、開閉指示部２３Ａおよび制御部２４Ａを含む。各スイッチＳＷｎは、対応するフォトダイオードＰＤｎと共通出力線Ｌとの間に設けられており、開閉指示部２３Ａにより指示されて開閉動作を行い、閉じることで、それまでにフォトダイオードＰＤｎの接合容量部に蓄積されていた電荷を共通出力線Ｌへ出力する。開閉指示部２３Ａにより指示に基づいて、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれが互いに異なる期間に閉状態とされるとともに、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間の整数倍となるように開閉動作を行う。このようにして、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮそれぞれの電荷蓄積時間は、基準時間の整数倍に設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個のフォトダイオードを含むイメージセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数個のフォトダイオードを含むイメージセンサは例えば分光装置に用いられる。分光装置では、光源から出力された或る波長帯域の光が試料に入射され、その入射した光のうち試料を透過した光が分光器により分光され、その分光された各波長の光がイメージセンサにより受光される。このような分光装置において、光源から出力される光の強度スペクトルＩ(λ)や、イメージセンサに含まれる各フォトダイオードの受光感度スペクトルＤ(λ)は、分光測定に用いられる波長帯域において一般に平坦ではない。
【０００３】
また、フォトダイオードは、受光量に応じた量の電荷を発生して、該電荷を接合容量部に蓄積し、他の回路と電気的に接続された際に、それまでに接合容量部に蓄積されていた電荷を該回路へ送出する。しかし、フォトダイオードの接合容量部に蓄積される電荷の量には限界があり、受光量が小さいうちは蓄積電荷量は受光量に比例するが、受光量が大きくなると蓄積電荷量は飽和する。
【０００４】
以上のことから、分光装置は、光源から出力される光の強度スペクトルＩ(λ)とフォトダイオードの受光感度スペクトルＤ(λ)との積（Ｉ(λ)・Ｄ(λ)）がピークとなる波長λで、フォトダイオードの接合容量部における蓄積電荷量が飽和しないように、電荷蓄積時間を設定する必要がある。特許文献１に開示された分光装置に含まれるイメージセンサは、積（Ｉ(λ)・Ｄ(λ)）がピークとなる波長λで蓄積電荷量が飽和しない範囲で、できる限り電荷蓄積時間を長く設定することで、高感度の分光測定を行うことを意図している。
【特許文献１】特許第３５７２６８１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、上記特許文献１に開示されたようなイメージセンサを含む分光装置は、積（Ｉ(λ)・Ｄ(λ)）が大きい波長範囲では高感度の分光測定が可能であるものの、積（Ｉ(λ)・Ｄ(λ)）が小さい波長範囲では信号成分に対して雑音成分を無視することができず感度が低い。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、各波長において高感度の分光測定をすることができる分光装置、および、このような分光装置において用いられるのに好適なイメージセンサ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】
【０００７】
本発明に係るイメージセンサは、(1) 各々受光量に応じた量の電荷を発生するＮ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮと、(2) Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮに対して１対１に対応して設けられ、対応するフォトダイオードと共通出力線との間に設けられたＮ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮと、(3) Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示する開閉指示部と、を備えることを特徴とする。さらに、開閉指示部が、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれを互いに異なる期間に閉状態とするとともに、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間の整数倍となるように各スイッチＳＷｎの開閉動作を指示することを特徴とする。ただし、Ｎは２以上の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の各整数である。
【０００８】
このイメージセンサでは、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮのうちの第ｎのフォトダイオードＰＤｎと、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮのうちの第ｎのスイッチＳＷｎとは、互いに対応して設けられている。各スイッチＳＷｎは、対応するフォトダイオードＰＤｎと共通出力線との間に設けられており、開閉指示部により指示されて開閉動作を行い、閉じることで、それまでにフォトダイオードＰＤｎの接合容量部に蓄積されていた電荷を共通出力線へ出力する。そして、開閉指示部による指示に基づいて、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれが互いに異なる期間に閉状態とされるとともに、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間の整数倍となるように開閉動作を行う。このようにして、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮそれぞれの電荷蓄積時間は、基準時間の整数倍に設定される。
【０００９】
開閉指示部は、(a) Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示するための開閉指示信号Ｓ１〜ＳＮを、順次に閉状態を指示する値として出力するシフトレジスタと、(b) Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮに対して１対１に設けられたＮ個のゲート回路Ｇ１〜ＧＮと、を含むのが好適である。このとき、各ゲート回路Ｇｎは、シフトレジスタから出力された開閉指示信号Ｓｎを入力するとともに、制御信号Ｔｎをも入力して、制御信号Ｔｎが第１の値であるときに、開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力し、制御信号Ｔｎが第２の値であるときに、開状態を指示する値の開閉指示信号をスイッチＳＷｎへ出力するのが好適である。或いは、各ゲート回路Ｇｎは、シフトレジスタから出力された開閉指示信号Ｓｎを入力するとともに、共通の制御信号Ｔ０をも入力して、制御信号Ｔ０が第１の値であるときに、開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力し、制御信号Ｔ０が第２の値であるときに、開状態を指示する値の開閉指示信号をスイッチＳＷｎへ出力するのも好適である。なお、各ゲート回路Ｇｎは、例えばＡＮＤ回路等の論理回路で構成され、第１の値および第２の値は、一方がハイレベルであり、他方がローレベルである。
【００１０】
このように開閉指示部が構成される場合には、スイッチＳＷｎの開閉動作を指示するため各開閉指示信号Ｓｎは、シフトレジスタから出力されてゲート回路Ｇｎに入力される。そして、各ゲート回路ＧｎからスイッチＳＷｎに与えられる開閉指示信号は、制御信号Ｔｎまたは共通の制御信号Ｔ０が第１の値であるときには、開閉指示信号Ｓｎそのままとされ、制御信号Ｔｎまたは共通の制御信号Ｔ０が第２の値であるときには、開状態を指示する値となる。すなわち、制御信号Ｔｎまたは共通の制御信号Ｔ０に基づいて、フォトダイオードＰＤｎの電荷蓄積時間は、基準時間の整数倍に設定される。
【００１１】
本発明に係るイメージセンサは、各フォトダイオードＰＤｎからスイッチＳＷｎおよび共通出力線を経て入力した電荷を、容量値が可変である可変容量部に蓄積し、可変容量部に蓄積された電荷の量と可変容量部の容量値との比に応じた電圧値を出力する信号処理部を更に備えるのが好適である。この場合には、各フォトダイオードＰＤｎからスイッチＳＷｎを経て共通出力線へ出力された電荷は、信号処理部に入力されて、その信号処理部に含まれる可変容量部に蓄積され、その可変容量部に蓄積された電荷の量と可変容量部の容量値との比に応じた電圧値が信号処理部から出力される。
【００１２】
本発明に係る分光装置は、光を出力する光源と、この光源から出力されて試料を透過した後の光を分光する分光器と、この分光器により分光された各波長の光を受光する上記の本発明に係るイメージセンサと、を備えることを特徴とする。この分光装置では、光源から出力された光のうち試料を透過した光は、分光器により分光されてイメージセンサにより受光される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、各波長において高感度の分光測定をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、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。
【００１５】
（分光装置の実施形態）
【００１６】
先ず、本発明に係る分光装置の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る分光装置１の概略構成図である。この図に示される分光装置１は、光源１１、レンズ１２、シャッタ１３、試料セル１４、スリット１５、回折格子１６およびイメージセンサ２０を備える。
【００１７】
光源１１は、或る波長帯域の光を出力するものであり、例えば、重水素ランプおよびタングステンランプを含み、これら２つのランプを同時に点灯して広帯域の光を出力する。レンズ１２は、光源１１から出力された光を集光する。シャッタ１３は、集光レンズ１２の後段に設けられ、試料セル１４へ光を入射させるか否かを設定する。試料セル１４は、測定対象である試料を容れるセルであって、シャッタ１３を通過した光を試料に入射させ、試料を透過した光を出射する。回折格子１６は、凹面反射型の回折格子であって、試料セル１４から出射されスリット１５を通過した光を入力し、この入力した光を分光する分光器として作用する。
【００１８】
イメージセンサ２０は、フォトダイオードアレイ部２１および信号処理部２２を含む。フォトダイオードアレイ部２１は、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮが配列されたものであって、回折格子１６により分光された各波長λｎの光をフォトダイオードＰＤｎにより受光する。各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間は可変である。信号処理部２２は、フォトダイオードアレイ部２１に含まれる各フォトダイオードＰＤｎから出力された電荷を入力し、その電荷量および電荷蓄積時間に応じた電圧値を出力する。ここで、Ｎは、２以上の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。
【００１９】
この分光装置１では、光源１１から出力された光は、レンズ１２により集光され、シャッタ１３を通過して、試料セル１４中の試料に入射される。この入射した光のうち試料セル１４中の試料を透過した光は、スリット１５を通過し、回折格子１６により分光される。この分光された各波長λｎの光は、フォトダイオードアレイ部２１に含まれるフォトダイオードＰＤｎにより受光される。そして、信号処理部２２から、各フォトダイオードＰＤｎから出力された電荷の量および電荷蓄積時間に応じた電圧値が出力される。
【００２０】
以上のようにして、試料セル１４中の試料を透過した光のスペクトルがイメージセンサ２０により測定される。また、試料セル１４中に試料が容れられていない状態でも光のスペクトルがイメージセンサ２０により測定される。これら２つのスペクトルから、試料セル１４中の試料の透過スペクトルが求められる。なお、光源１１を消灯してシャッタ１３を閉じた状態でイメージセンサ２０により測定された結果に基づいて暗電流補正を行うのも好適であり、また、光源１１を消灯してシャッタ１３を開いた状態でイメージセンサ２０により測定された結果に基づいてバックグラウンド補正を行うのも好適である。
【００２１】
（イメージセンサの第１実施形態）
【００２２】
次に、本発明に係るイメージセンサの第１実施形態について説明する。図２は、第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａの構成図である。この図に示されるイメージセンサ２０Ａは、図１に示された分光装置１に含まれるイメージセンサ２０として好適に用いられるものであって、フォトダイオードアレイ部２１および信号処理部２２に加えて、開閉指示部２３Ａおよび制御部２４Ａをも含む。
【００２３】
フォトダイオードアレイ部２１は、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮおよびＮ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮを含む。各フォトダイオードＰＤｎは、アノード端子が接地され、カソード端子がスイッチＳＷｎの一端に接続されていて、受光量に応じた量の電荷を発生する。各フォトダイオードＰＤｎは、スイッチＳＷｎが開いているときには電荷を自己の接合容量部に蓄積し、スイッチＳＷｎが閉じると電荷を共通出力線Ｌへ出力する。各スイッチＳＷｎは、対応するフォトダイオードＰＤｎと共通出力線Ｌとの間に設けられている。
【００２４】
信号処理部２２は、アンプＡ，容量素子Ｃ１〜Ｃ３およびスイッチＳＷ０〜ＳＷ３を含む。アンプＡの入力端子は共通出力線Ｌに接続されている。容量素子Ｃ１およびスイッチＳＷ１は、互いに直列接続されて、アンプＡの入力端子と出力端子との間に設けられている。容量素子Ｃ２およびスイッチＳＷ２は、互いに直列接続されて、アンプＡの入力端子と出力端子との間に設けられている。容量素子Ｃ３およびスイッチＳＷ３は、互いに直列接続されて、アンプＡの入力端子と出力端子との間に設けられている。また、スイッチＳＷ０も、アンプＡの入力端子と出力端子との間に設けられている。
【００２５】
容量素子Ｃ１〜Ｃ３およびスイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、容量値が可変である可変容量部を構成している。この可変容量部の容量値は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３それぞれの開閉状態によって変更される。スイッチＳＷ０〜ＳＷ３の全てが閉じることで、容量素子Ｃ１〜Ｃ３それぞれは放電される。また、スイッチＳＷ０が開いているときには、入力した電荷は可変容量部に蓄積される。そして、この信号処理部２２は、各フォトダイオードＰＤｎからスイッチＳＷｎおよび共通出力線Ｌを経て入力した電荷を可変容量部に蓄積し、可変容量部に蓄積された電荷量と可変容量部の容量値との比に応じた電圧値を出力することができる。
【００２６】
開閉指示部２３Ａは、フォトダイオードアレイ部２１に含まれるＮ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示するものである。特に、開閉指示部２３Ａは、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれを互いに異なる期間に閉状態とするとともに、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間Ｔの整数倍となるように各スイッチＳＷｎの開閉動作を指示する。
【００２７】
具体的には、開閉指示部２３Ａは、シフトレジスタＳＲおよびＮ個のゲート回路Ｇ１〜ＧＮを含む。シフトレジスタＳＲは、制御部２４Ａから出力されるスタート信号およびクロック信号に基づいて、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示するための開閉指示信号Ｓ１〜ＳＮを、順次に閉状態を指示する値として出力する。各ゲート回路Ｇｎは、スイッチＳＷｎに対応して設けられており、シフトレジスタＳＲから出力された開閉指示信号Ｓｎを入力するとともに、制御部２４Ａから出力された制御信号Ｔｎをも入力して、制御信号Ｔｎが第１の値であるときに、開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力し、制御信号Ｔｎが第２の値であるときに、開状態を指示する値の開閉指示信号をスイッチＳＷｎへ出力する。
【００２８】
各ゲート回路Ｇｎは、スイッチＳＷｎの開閉を指示する信号の極性、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎの極性、および、制御部２４Ａから出力される制御信号Ｔｎの極性、に応じて、適切な論理回路（ＡＮＤ回路、ＯＲ回路、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路、等）が選択される。例えば、スイッチＳＷｎの開閉を指示する信号がハイレベルであるときに該スイッチＳＷｎが閉じるものとし、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎがハイレベルであるときに該開閉指示信号ＳｎがスイッチＳＷｎの閉状態を指示するものとし、制御部２４Ａから出力される制御信号Ｔｎがハイレベルであるときにゲート回路Ｇｎが開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力するものとすると、このとき、ゲート回路ＧｎはＡＮＤ回路で構成され得る。なお、以下で動作例を説明する際にも、この条件であるとする。
【００２９】
制御部２４Ａは、信号処理部２２および開閉指示部２３Ａそれぞれの動作を制御するための信号を出力する。具体的には、制御部２４Ａは、信号処理部２２に含まれるスイッチＳＷ０〜ＳＷ３それぞれの開閉動作を制御する為の信号を出力し、開閉指示部２３Ａに含まれるシフトレジスタＳＲへスタート信号およびクロック信号を出力し、また、開閉指示部２３Ａに含まれる各ゲート回路Ｇｎへ制御信号Ｔｎを出力する。
【００３０】
次に、第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａの動作の一例を説明する。図３は、第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａの動作を説明するタイミングチャートである。この図には、上から順に、制御部２４ＡからシフトレジスタＳＲに与えられるスタート信号およびクロック信号、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１〜Ｓ６、制御部２４Ａからゲート回路Ｇ１〜Ｇ６へ与えられる制御信号Ｔ１〜Ｔ６、ならびに、共通出力線Ｌを経て信号処理部２２に入力される電荷の量、が示されている。
【００３１】
ここでは、Ｎの値を６としている。また、開閉指示部２３Ａは、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間Ｔの１〜４倍となるように各スイッチＳＷｎの開閉動作を指示するものとする。また、信号処理部２２に含まれる容量素子Ｃ１〜Ｃ３それぞれの容量値はＣ，２Ｃ，４Ｃであって、可変容量部の容量値はＣ，２Ｃ，３Ｃ（＝Ｃ＋２Ｃ）および４Ｃの何れかに設定され得るものとする。以下の動作は、制御部２４Ａによる制御の下に行われる。
【００３２】
制御部２４ＡからシフトレジスタＳＲに与えられるスタート信号およびクロック信号それぞれは、一定周期でレベルが変化する周期的な信号である。スタート信号の周期はＴであり、クロック信号の周期はＴより短い。以下では、スタート信号の或る立上がり時刻から次の立上がり時刻までを「サイクル」と呼ぶ。各サイクルの時間はＴである。また、スタート信号の或る立下がり時刻から次の立上がり時刻までの期間に、クロック信号は少なくともＮ（ここでは、Ｎ＝６）個のパルスを含む。
【００３３】
シフトレジスタＳＲは、スタート信号の立上がり時刻で初期化され、その後のクロック信号の各立上がり時刻で順次に、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６それぞれの開閉動作を指示するための開閉指示信号Ｓ１〜Ｓ６を、閉状態を指示する値として出力する。すなわち、各サイクルにおいて、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１〜Ｓ６は順次にハイレベルになる。
【００３４】
制御部２４Ａからゲート回路Ｇ１〜Ｇ６へ与えられる制御信号Ｔ１〜Ｔ６は以下のとおりである。制御信号Ｔ１およびＴ６それぞれは、第１サイクルでハイレベルであり、第２および第３サイクルでローレベルであり、第４および第５サイクルでハイレベルである。制御信号Ｔ２およびＴ５それぞれは、第１サイクルでハイレベルであり、第２サイクルでローレベルであり、第３サイクルでハイレベルであり、第４サイクルでローレベルであり、第５サイクルでハイレベルである。制御信号Ｔ３は、第１および第２サイクルでハイレベルであり、第３および第４サイクルでローレベルであり、第５サイクルでハイレベルである。また、制御信号Ｔ４は、第１サイクルでハイレベルであり、第２〜第４サイクルでローレベルであり、第５サイクルでハイレベルである。
【００３５】
各ゲート回路ＧｎからスイッチＳＷｎへ出力される開閉指示信号は、制御信号Ｔｎがハイレベルであるサイクルには、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎそのままであり、制御信号Ｔｎがローレベルであるサイクルには、開状態を指示する値のものとなる。すなわち、各ゲート回路ＧｎからスイッチＳＷｎへ与えられる開閉指示信号は、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎおよび制御信号Ｔｎの双方がハイレベルであるときに、閉状態を指示する値となり、開閉指示信号Ｓｎおよび制御信号Ｔｎの何れかがローレベルであるときに、開状態を指示する値となる。
【００３６】
したがって、ゲート回路Ｇ１からスイッチＳＷ１へ出力される開閉指示信号は、第１，第４および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。ゲート回路Ｇ２からスイッチＳＷ２へ出力される開閉指示信号は、第１，第３および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ２そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。
【００３７】
ゲート回路Ｇ３からスイッチＳＷ３へ出力される開閉指示信号は、第１，第２および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ３そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。ゲート回路Ｇ４からスイッチＳＷ４へ出力される開閉指示信号は、第１および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ４そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。
【００３８】
ゲート回路Ｇ５からスイッチＳＷ５へ出力される開閉指示信号は、第１，第３および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ５そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。ゲート回路Ｇ６からスイッチＳＷ６へ出力される開閉指示信号は、第１，第４および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ６そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。
【００３９】
フォトダイオードアレイ部２１に含まれる各スイッチＳＷｎは、ゲート回路Ｇｎから到達する開閉指示信号がハイレベルである期間に閉じ、その他の期間には開く。第１および第５サイクルそれぞれでは、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は順次に閉じる。
【００４０】
スイッチＳＷ１は、第５サイクル中に開閉指示信号Ｓ１がハイレベルとなったときに閉じることで、その前の第４サイクル中に開閉指示信号Ｓ１がハイレベルとなったとき以降の時間Ｔの間にフォトダイオードＰＤ１の接合容量部に蓄積された電荷を、共通出力線Ｌを介して信号処理部２２へ出力する。スイッチＳＷ２は、第５サイクル中に開閉指示信号Ｓ２がハイレベルとなったときに閉じることで、その前の第３サイクル中に開閉指示信号Ｓ２がハイレベルとなったとき以降の時間２Ｔの間にフォトダイオードＰＤ２の接合容量部に蓄積された電荷を、共通出力線Ｌを介して信号処理部２２へ出力する。
【００４１】
スイッチＳＷ３は、第５サイクル中に開閉指示信号Ｓ３がハイレベルとなったときに閉じることで、その前の第２サイクル中に開閉指示信号Ｓ３がハイレベルとなったとき以降の時間３Ｔの間にフォトダイオードＰＤ３の接合容量部に蓄積された電荷を、共通出力線Ｌを介して信号処理部２２へ出力する。スイッチＳＷ４は、第５サイクル中に開閉指示信号Ｓ４がハイレベルとなったときに閉じることで、その前の第１サイクル中に開閉指示信号Ｓ４がハイレベルとなったとき以降の時間４Ｔの間にフォトダイオードＰＤ４の接合容量部に蓄積された電荷を、共通出力線Ｌを介して信号処理部２２へ出力する。
【００４２】
スイッチＳＷ５は、第５サイクル中に開閉指示信号Ｓ５がハイレベルとなったときに閉じることで、その前の第３サイクル中に開閉指示信号Ｓ５がハイレベルとなったとき以降の時間２Ｔの間にフォトダイオードＰＤ５の接合容量部に蓄積された電荷を、共通出力線Ｌを介して信号処理部２２へ出力する。スイッチＳＷ６は、第５サイクル中に開閉指示信号Ｓ６がハイレベルとなったときに閉じることで、その前の第４サイクル中に開閉指示信号Ｓ６がハイレベルとなったとき以降の時間Ｔの間にフォトダイオードＰＤ６の接合容量部に蓄積された電荷を、共通出力線Ｌを介して信号処理部２２へ出力する。
【００４３】
以上のように、第５サイクルにおいて共通出力線Ｌを経て信号処理部２２に入力される電荷は、フォトダイオードＰＤ１については時間Ｔの間に接合容量部に蓄積されたものであり、フォトダイオードＰＤ２については時間２Ｔの間に接合容量部に蓄積されたものであり、フォトダイオードＰＤ３については時間３Ｔの間に接合容量部に蓄積されたものであり、フォトダイオードＰＤ４については時間４Ｔの間に接合容量部に蓄積されたものであり、フォトダイオードＰＤ５については時間２Ｔの間に接合容量部に蓄積されたものであり、フォトダイオードＰＤ６については時間Ｔの間に接合容量部に蓄積されたものである。このように、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間Ｔの整数倍となることで、各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間も基準時間Ｔの整数倍となる。
【００４４】
第５サイクルにおいて、各フォトダイオードＰＤｎからスイッチＳＷｎおよび共通出力線Ｌを経て信号処理部２２に入力された電荷は、信号処理部２２の可変容量部に蓄積され、この可変容量部に蓄積された電荷の量と可変容量部の容量値との比に応じた電圧値が信号処理部２２から出力される。可変容量部の容量値は、蓄積する電荷を発生した各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間に比例して設定される。
【００４５】
すなわち、フォトダイオードＰＤ１から入力された電荷を可変容量部が蓄積するときには、可変容量部の容量値はＣに設定される。フォトダイオードＰＤ２から入力された電荷を可変容量部が蓄積するときには、可変容量部の容量値は２Ｃに設定される。フォトダイオードＰＤ３から入力された電荷を可変容量部が蓄積するときには、可変容量部の容量値は３Ｃに設定される。フォトダイオードＰＤ４から入力された電荷を可変容量部が蓄積するときには、可変容量部の容量値は４Ｃに設定される。フォトダイオードＰＤ５から入力された電荷を可変容量部が蓄積するときには、可変容量部の容量値は２Ｃに設定される。フォトダイオードＰＤ６から入力された電荷を可変容量部に蓄積するときには、可変容量部の容量値はＣに設定される。
【００４６】
以上のように、第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａでは、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔を基準時間Ｔの整数倍とすることで、各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間も基準時間Ｔの整数倍とすることができ、これにより、各フォトダイオードＰＤｎについて接合容量部における蓄積電荷量が飽和しない範囲で電荷蓄積時間を変更することができる。したがって、このようなイメージセンサ２０Ａを備える分光装置１は、各波長において高感度の分光測定をすることができる。
【００４７】
また、各フォトダイオードＰＤｎについて電荷蓄積時間に応じて信号処理部２２の可変容量部の容量値を変更することにより、信号処理部２２から出力される電圧値は、各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間の相違の影響が除かれたものとなる。
【００４８】
なお、各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間の設定は、例えば以下のように行われる。初めに、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮそれぞれにおける電荷蓄積時間が基準時間Ｔとされ、信号処理部２２の可変容量部の容量値がＣとされた状態で、各フォトダイオードＰＤｎに過大な強度の光が入射されて、フォトダイオードＰＤｎの接合容量部における蓄積電荷量が飽和したときに信号処理部２２から出力される電圧値Ｖsatが求められる。また、この状態で、各フォトダイオードＰＤｎに測定対象の光が入射されて、信号処理部２２から出力される電圧値Ｖｎが求められる。そして、電圧値Ｖsatと電圧値Ｖｎとの比（Ｖsat／Ｖｎ）から、フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間を基準時間Ｔの何倍とすればよいかが求められる。
【００４９】
（イメージセンサの第２実施形態）
【００５０】
次に、本発明に係るイメージセンサの第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂの構成図である。この図に示されるイメージセンサ２０Ｂは、図１に示された分光装置１に含まれるイメージセンサ２０として好適に用いられるものであって、フォトダイオードアレイ部２１および信号処理部２２に加えて、開閉指示部２３Ｂおよび制御部２４Ｂをも含む。
【００５１】
図２に示された第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａと比較すると、この図４に示された第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂは、フォトダイオードアレイ部２１および信号処理部２２については同様の構成であるが、開閉指示部２３Ａに替えて開閉指示部２３Ｂを含む点で相違し、また、制御部２４Ａに替えて制御部２４Ｂを含む点で相違する。
【００５２】
開閉指示部２３Ｂは、フォトダイオードアレイ部２１に含まれるＮ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示するものである。特に、開閉指示部２３Ｂは、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれを互いに異なる期間に閉状態とするとともに、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間Ｔの整数倍となるように各スイッチＳＷｎの開閉動作を指示する。
【００５３】
具体的には、開閉指示部２３Ｂは、シフトレジスタＳＲおよびＮ個のゲート回路Ｇ１〜ＧＮを含む。シフトレジスタＳＲは、制御部２４Ｂから出力されるスタート信号およびクロック信号に基づいて、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示するための開閉指示信号Ｓ１〜ＳＮを、順次に閉状態を指示する値として出力する。各ゲート回路Ｇｎは、スイッチＳＷｎに対応して設けられており、シフトレジスタＳＲから出力された開閉指示信号Ｓｎを入力するとともに、制御部２４Ｂから出力された共通の制御信号Ｔ０をも入力して、制御信号Ｔ０が第１の値であるときに、開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力し、制御信号Ｔ０が第２の値であるときに、開状態を指示する値の開閉指示信号をスイッチＳＷｎへ出力する。
【００５４】
各ゲート回路Ｇｎは、スイッチＳＷｎの開閉を指示する信号の極性、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎの極性、および、制御部２４Ｂから出力される制御信号Ｔ０の極性、に応じて、適切な論理回路（ＡＮＤ回路、ＯＲ回路、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路、等）が選択される。例えば、スイッチＳＷｎの開閉を指示する信号がハイレベルであるときに該スイッチＳＷｎが閉じるものとし、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎがハイレベルであるときに該開閉指示信号ＳｎがスイッチＳＷｎの閉状態を指示するものとし、制御部２４Ｂから出力される制御信号Ｔ０がハイレベルであるときにゲート回路Ｇｎが開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力するものとすると、このとき、ゲート回路ＧｎはＡＮＤ回路で構成され得る。なお、以下で動作例を説明する際にも、この条件であるとする。
【００５５】
制御部２４Ｂは、信号処理部２２および開閉指示部２３Ｂそれぞれの動作を制御するための信号を出力する。具体的には、制御部２４Ｂは、信号処理部２２に含まれるスイッチＳＷ０〜ＳＷ３それぞれの開閉動作を制御する為の信号を出力し、開閉指示部２３Ｂに含まれるシフトレジスタＳＲへスタート信号およびクロック信号を出力し、また、開閉指示部２３Ｂに含まれる各ゲート回路Ｇｎへ共通の制御信号Ｔ０を出力する。
【００５６】
次に、第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂの動作の一例を説明する。図５は、第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂの動作を説明するタイミングチャートである。この図には、上から順に、制御部２４ＢからシフトレジスタＳＲに与えられるスタート信号およびクロック信号、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１〜Ｓ６、制御部２４Ｂからゲート回路Ｇ１〜Ｇ６へ与えられる共通の制御信号Ｔ０、ならびに、共通出力線Ｌを経て信号処理部２２に入力される電荷の量、が示されている。
【００５７】
ここでも、Ｎの値を６としている。また、開閉指示部２３Ｂは、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間Ｔの１〜４倍となるように各スイッチＳＷｎの開閉動作を指示するものとする。また、信号処理部２２に含まれる容量素子Ｃ１〜Ｃ３それぞれの容量値はＣ，２Ｃ，４Ｃであって、可変容量部の容量値はＣ，２Ｃ，３Ｃ（＝Ｃ＋２Ｃ）および４Ｃの何れかに設定され得るものとする。以下の動作は、制御部２４Ｂによる制御の下に行われる。
【００５８】
制御部２４ＢからシフトレジスタＳＲに与えられるスタート信号およびクロック信号、ならびに、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１〜Ｓ６については、第１実施形態の場合と同様である。
【００５９】
制御部２４Ｂからゲート回路Ｇ１〜Ｇ６へ与えられる共通の制御信号Ｔ０は以下のとおりである。第１および第５サイクルにおいては、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１〜Ｓ６の何れかがハイレベルである期間では、制御信号Ｔ０はハイレベルであり、その他の期間では、制御信号Ｔ０はローレベルである。第２サイクルにおいては、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ３がハイレベルである期間では、制御信号Ｔ０はハイレベルであり、その他の期間では、制御信号Ｔ０はローレベルである。第３サイクルにおいては、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ２またはＳ５がハイレベルである期間では、制御信号Ｔ０はハイレベルであり、その他の期間では、制御信号Ｔ０はローレベルである。第４サイクルにおいては、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１またはＳ６がハイレベルである期間では、制御信号Ｔ０はハイレベルであり、その他の期間では、制御信号Ｔ０はローレベルである。
【００６０】
各ゲート回路ＧｎからスイッチＳＷｎへ出力される開閉指示信号は、制御信号Ｔ０がハイレベルである期間では、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎそのままであり、制御信号Ｔ０がローレベルである期間では、開状態を指示する値のものとなる。すなわち、各ゲート回路ＧｎからスイッチＳＷｎへ与えられる開閉指示信号は、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎおよび制御信号Ｔ０の双方がハイレベルであるときに、閉状態を指示する値となり、開閉指示信号Ｓｎおよび制御信号Ｔ０の何れかがローレベルであるときに、開状態を指示する値となる。
【００６１】
したがって、ゲート回路Ｇ１からスイッチＳＷ１へ出力される開閉指示信号は、第１，第４および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。ゲート回路Ｇ２からスイッチＳＷ２へ出力される開閉指示信号は、第１，第３および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ２そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。
【００６２】
ゲート回路Ｇ３からスイッチＳＷ３へ出力される開閉指示信号は、第１，第２および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ３そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。ゲート回路Ｇ４からスイッチＳＷ４へ出力される開閉指示信号は、第１および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ４そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。
【００６３】
ゲート回路Ｇ５からスイッチＳＷ５へ出力される開閉指示信号は、第１，第３および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ５そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。ゲート回路Ｇ６からスイッチＳＷ６へ出力される開閉指示信号は、第１，第４および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ６そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。
【００６４】
フォトダイオードアレイ部２１に含まれる各スイッチＳＷｎは、ゲート回路Ｇｎから到達する開閉指示信号がハイレベルである期間に閉じ、その他の期間には開く。結局、この第２実施形態の動作例でも、各スイッチＳＷｎの開閉動作および信号処理部２２の動作は、第１実施形態の動作例と同様である。
【００６５】
以上のように、第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂでは、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔を基準時間Ｔの整数倍とすることで、各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間も基準時間Ｔの整数倍とすることができ、これにより、各フォトダイオードＰＤｎについて接合容量部における蓄積電荷量が飽和しない範囲で電荷蓄積時間を変更することができる。したがって、このようなイメージセンサ２０Ｂを備える分光装置１は、各波長において高感度の分光測定をすることができる。
【００６６】
また、各フォトダイオードＰＤｎについて電荷蓄積時間に応じて信号処理部２２の可変容量部の容量値を変更することにより、信号処理部２２から出力される電圧値は、各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間の相違の影響が除かれたものとなる。
【００６７】
さらに、第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａの構成と比較すると、この第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂでは、制御部２４ＢからＮ個のゲート回路Ｇ１〜ＧＮへ共通の制御信号Ｔ０が与えられるので、制御信号Ｔ０の為の配線が１本のみでよい。したがって、第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂは、小型のものとすることができ、また、安価なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本実施形態に係る分光装置１の概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａの構成図である。
【図３】第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａの動作を説明するタイミングチャートである。
【図４】第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂの構成図である。
【図５】第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂ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】
【００６９】
１…分光装置、１１…光源、１２…レンズ、１３…シャッタ、１４…試料セル、１５…スリット、１６…回折格子、２０，２０Ａ，２０Ｂ…イメージセンサ、２１…フォトダイオードアレイ部、２２…信号処理部、２３Ａ，２３Ｂ…開閉指示部、２４Ａ，２４Ｂ…制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個のフォトダイオードを含むイメージセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数個のフォトダイオードを含むイメージセンサは例えば分光装置に用いられる。分光装置では、光源から出力された或る波長帯域の光が試料に入射され、その入射した光のうち試料を透過した光が分光器により分光され、その分光された各波長の光がイメージセンサにより受光される。このような分光装置において、光源から出力される光の強度スペクトルＩ(λ)や、イメージセンサに含まれる各フォトダイオードの受光感度スペクトルＤ(λ)は、分光測定に用いられる波長帯域において一般に平坦ではない。
【０００３】
また、フォトダイオードは、受光量に応じた量の電荷を発生して、該電荷を接合容量部に蓄積し、他の回路と電気的に接続された際に、それまでに接合容量部に蓄積されていた電荷を該回路へ送出する。しかし、フォトダイオードの接合容量部に蓄積される電荷の量には限界があり、受光量が小さいうちは蓄積電荷量は受光量に比例するが、受光量が大きくなると蓄積電荷量は飽和する。
【０００４】
以上のことから、分光装置は、光源から出力される光の強度スペクトルＩ(λ)とフォトダイオードの受光感度スペクトルＤ(λ)との積（Ｉ(λ)・Ｄ(λ)）がピークとなる波長λで、フォトダイオードの接合容量部における蓄積電荷量が飽和しないように、電荷蓄積時間を設定する必要がある。特許文献１に開示された分光装置に含まれるイメージセンサは、積（Ｉ(λ)・Ｄ(λ)）がピークとなる波長λで蓄積電荷量が飽和しない範囲で、できる限り電荷蓄積時間を長く設定することで、高感度の分光測定を行うことを意図している。
【特許文献１】特許第３５７２６８１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、上記特許文献１に開示されたようなイメージセンサを含む分光装置は、積（Ｉ(λ)・Ｄ(λ)）が大きい波長範囲では高感度の分光測定が可能であるものの、積（Ｉ(λ)・Ｄ(λ)）が小さい波長範囲では信号成分に対して雑音成分を無視することができず感度が低い。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、各波長において高感度の分光測定をすることができる分光装置、および、このような分光装置において用いられるのに好適なイメージセンサ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】
【０００７】
本発明に係るイメージセンサは、(1) 各々受光量に応じた量の電荷を発生するＮ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮと、(2) Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮに対して１対１に対応して設けられ、対応するフォトダイオードと共通出力線との間に設けられたＮ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮと、(3) Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示する開閉指示部と、を備えることを特徴とする。さらに、開閉指示部が、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれを互いに異なる期間に閉状態とするとともに、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間の整数倍となるように各スイッチＳＷｎの開閉動作を指示することを特徴とする。ただし、Ｎは２以上の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の各整数である。
【０００８】
このイメージセンサでは、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮのうちの第ｎのフォトダイオードＰＤｎと、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮのうちの第ｎのスイッチＳＷｎとは、互いに対応して設けられている。各スイッチＳＷｎは、対応するフォトダイオードＰＤｎと共通出力線との間に設けられており、開閉指示部により指示されて開閉動作を行い、閉じることで、それまでにフォトダイオードＰＤｎの接合容量部に蓄積されていた電荷を共通出力線へ出力する。そして、開閉指示部による指示に基づいて、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれが互いに異なる期間に閉状態とされるとともに、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間の整数倍となるように開閉動作を行う。このようにして、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮそれぞれの電荷蓄積時間は、基準時間の整数倍に設定される。
【０００９】
開閉指示部は、(a) Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示するための開閉指示信号Ｓ１〜ＳＮを、順次に閉状態を指示する値として出力するシフトレジスタと、(b) Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮに対して１対１に設けられたＮ個のゲート回路Ｇ１〜ＧＮと、を含むのが好適である。このとき、各ゲート回路Ｇｎは、シフトレジスタから出力された開閉指示信号Ｓｎを入力するとともに、制御信号Ｔｎをも入力して、制御信号Ｔｎが第１の値であるときに、開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力し、制御信号Ｔｎが第２の値であるときに、開状態を指示する値の開閉指示信号をスイッチＳＷｎへ出力するのが好適である。或いは、各ゲート回路Ｇｎは、シフトレジスタから出力された開閉指示信号Ｓｎを入力するとともに、共通の制御信号Ｔ０をも入力して、制御信号Ｔ０が第１の値であるときに、開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力し、制御信号Ｔ０が第２の値であるときに、開状態を指示する値の開閉指示信号をスイッチＳＷｎへ出力するのも好適である。なお、各ゲート回路Ｇｎは、例えばＡＮＤ回路等の論理回路で構成され、第１の値および第２の値は、一方がハイレベルであり、他方がローレベルである。
【００１０】
このように開閉指示部が構成される場合には、スイッチＳＷｎの開閉動作を指示するため各開閉指示信号Ｓｎは、シフトレジスタから出力されてゲート回路Ｇｎに入力される。そして、各ゲート回路ＧｎからスイッチＳＷｎに与えられる開閉指示信号は、制御信号Ｔｎまたは共通の制御信号Ｔ０が第１の値であるときには、開閉指示信号Ｓｎそのままとされ、制御信号Ｔｎまたは共通の制御信号Ｔ０が第２の値であるときには、開状態を指示する値となる。すなわち、制御信号Ｔｎまたは共通の制御信号Ｔ０に基づいて、フォトダイオードＰＤｎの電荷蓄積時間は、基準時間の整数倍に設定される。
【００１１】
本発明に係るイメージセンサは、各フォトダイオードＰＤｎからスイッチＳＷｎおよび共通出力線を経て入力した電荷を、容量値が可変である可変容量部に蓄積し、可変容量部に蓄積された電荷の量と可変容量部の容量値との比に応じた電圧値を出力する信号処理部を更に備えるのが好適である。この場合には、各フォトダイオードＰＤｎからスイッチＳＷｎを経て共通出力線へ出力された電荷は、信号処理部に入力されて、その信号処理部に含まれる可変容量部に蓄積され、その可変容量部に蓄積された電荷の量と可変容量部の容量値との比に応じた電圧値が信号処理部から出力される。
【００１２】
本発明に係る分光装置は、光を出力する光源と、この光源から出力されて試料を透過した後の光を分光する分光器と、この分光器により分光された各波長の光を受光する上記の本発明に係るイメージセンサと、を備えることを特徴とする。この分光装置では、光源から出力された光のうち試料を透過した光は、分光器により分光されてイメージセンサにより受光される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、各波長において高感度の分光測定をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、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。
【００１５】
（分光装置の実施形態）
【００１６】
先ず、本発明に係る分光装置の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る分光装置１の概略構成図である。この図に示される分光装置１は、光源１１、レンズ１２、シャッタ１３、試料セル１４、スリット１５、回折格子１６およびイメージセンサ２０を備える。
【００１７】
光源１１は、或る波長帯域の光を出力するものであり、例えば、重水素ランプおよびタングステンランプを含み、これら２つのランプを同時に点灯して広帯域の光を出力する。レンズ１２は、光源１１から出力された光を集光する。シャッタ１３は、集光レンズ１２の後段に設けられ、試料セル１４へ光を入射させるか否かを設定する。試料セル１４は、測定対象である試料を容れるセルであって、シャッタ１３を通過した光を試料に入射させ、試料を透過した光を出射する。回折格子１６は、凹面反射型の回折格子であって、試料セル１４から出射されスリット１５を通過した光を入力し、この入力した光を分光する分光器として作用する。
【００１８】
イメージセンサ２０は、フォトダイオードアレイ部２１および信号処理部２２を含む。フォトダイオードアレイ部２１は、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮが配列されたものであって、回折格子１６により分光された各波長λｎの光をフォトダイオードＰＤｎにより受光する。各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間は可変である。信号処理部２２は、フォトダイオードアレイ部２１に含まれる各フォトダイオードＰＤｎから出力された電荷を入力し、その電荷量および電荷蓄積時間に応じた電圧値を出力する。ここで、Ｎは、２以上の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。
【００１９】
この分光装置１では、光源１１から出力された光は、レンズ１２により集光され、シャッタ１３を通過して、試料セル１４中の試料に入射される。この入射した光のうち試料セル１４中の試料を透過した光は、スリット１５を通過し、回折格子１６により分光される。この分光された各波長λｎの光は、フォトダイオードアレイ部２１に含まれるフォトダイオードＰＤｎにより受光される。そして、信号処理部２２から、各フォトダイオードＰＤｎから出力された電荷の量および電荷蓄積時間に応じた電圧値が出力される。
【００２０】
以上のようにして、試料セル１４中の試料を透過した光のスペクトルがイメージセンサ２０により測定される。また、試料セル１４中に試料が容れられていない状態でも光のスペクトルがイメージセンサ２０により測定される。これら２つのスペクトルから、試料セル１４中の試料の透過スペクトルが求められる。なお、光源１１を消灯してシャッタ１３を閉じた状態でイメージセンサ２０により測定された結果に基づいて暗電流補正を行うのも好適であり、また、光源１１を消灯してシャッタ１３を開いた状態でイメージセンサ２０により測定された結果に基づいてバックグラウンド補正を行うのも好適である。
【００２１】
（イメージセンサの第１実施形態）
【００２２】
次に、本発明に係るイメージセンサの第１実施形態について説明する。図２は、第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａの構成図である。この図に示されるイメージセンサ２０Ａは、図１に示された分光装置１に含まれるイメージセンサ２０として好適に用いられるものであって、フォトダイオードアレイ部２１および信号処理部２２に加えて、開閉指示部２３Ａおよび制御部２４Ａをも含む。
【００２３】
フォトダイオードアレイ部２１は、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮおよびＮ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮを含む。各フォトダイオードＰＤｎは、アノード端子が接地され、カソード端子がスイッチＳＷｎの一端に接続されていて、受光量に応じた量の電荷を発生する。各フォトダイオードＰＤｎは、スイッチＳＷｎが開いているときには電荷を自己の接合容量部に蓄積し、スイッチＳＷｎが閉じると電荷を共通出力線Ｌへ出力する。各スイッチＳＷｎは、対応するフォトダイオードＰＤｎと共通出力線Ｌとの間に設けられている。
【００２４】
信号処理部２２は、アンプＡ，容量素子Ｃ１〜Ｃ３およびスイッチＳＷ０〜ＳＷ３を含む。アンプＡの入力端子は共通出力線Ｌに接続されている。容量素子Ｃ１およびスイッチＳＷ１は、互いに直列接続されて、アンプＡの入力端子と出力端子との間に設けられている。容量素子Ｃ２およびスイッチＳＷ２は、互いに直列接続されて、アンプＡの入力端子と出力端子との間に設けられている。容量素子Ｃ３およびスイッチＳＷ３は、互いに直列接続されて、アンプＡの入力端子と出力端子との間に設けられている。また、スイッチＳＷ０も、アンプＡの入力端子と出力端子との間に設けられている。
【００２５】
容量素子Ｃ１〜Ｃ３およびスイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、容量値が可変である可変容量部を構成している。この可変容量部の容量値は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３それぞれの開閉状態によって変更される。スイッチＳＷ０〜ＳＷ３の全てが閉じることで、容量素子Ｃ１〜Ｃ３それぞれは放電される。また、スイッチＳＷ０が開いているときには、入力した電荷は可変容量部に蓄積される。そして、この信号処理部２２は、各フォトダイオードＰＤｎからスイッチＳＷｎおよび共通出力線Ｌを経て入力した電荷を可変容量部に蓄積し、可変容量部に蓄積された電荷量と可変容量部の容量値との比に応じた電圧値を出力することができる。
【００２６】
開閉指示部２３Ａは、フォトダイオードアレイ部２１に含まれるＮ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示するものである。特に、開閉指示部２３Ａは、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれを互いに異なる期間に閉状態とするとともに、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間Ｔの整数倍となるように各スイッチＳＷｎの開閉動作を指示する。
【００２７】
具体的には、開閉指示部２３Ａは、シフトレジスタＳＲおよびＮ個のゲート回路Ｇ１〜ＧＮを含む。シフトレジスタＳＲは、制御部２４Ａから出力されるスタート信号およびクロック信号に基づいて、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示するための開閉指示信号Ｓ１〜ＳＮを、順次に閉状態を指示する値として出力する。各ゲート回路Ｇｎは、スイッチＳＷｎに対応して設けられており、シフトレジスタＳＲから出力された開閉指示信号Ｓｎを入力するとともに、制御部２４Ａから出力された制御信号Ｔｎをも入力して、制御信号Ｔｎが第１の値であるときに、開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力し、制御信号Ｔｎが第２の値であるときに、開状態を指示する値の開閉指示信号をスイッチＳＷｎへ出力する。
【００２８】
各ゲート回路Ｇｎは、スイッチＳＷｎの開閉を指示する信号の極性、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎの極性、および、制御部２４Ａから出力される制御信号Ｔｎの極性、に応じて、適切な論理回路（ＡＮＤ回路、ＯＲ回路、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路、等）が選択される。例えば、スイッチＳＷｎの開閉を指示する信号がハイレベルであるときに該スイッチＳＷｎが閉じるものとし、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎがハイレベルであるときに該開閉指示信号ＳｎがスイッチＳＷｎの閉状態を指示するものとし、制御部２４Ａから出力される制御信号Ｔｎがハイレベルであるときにゲート回路Ｇｎが開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力するものとすると、このとき、ゲート回路ＧｎはＡＮＤ回路で構成され得る。なお、以下で動作例を説明する際にも、この条件であるとする。
【００２９】
制御部２４Ａは、信号処理部２２および開閉指示部２３Ａそれぞれの動作を制御するための信号を出力する。具体的には、制御部２４Ａは、信号処理部２２に含まれるスイッチＳＷ０〜ＳＷ３それぞれの開閉動作を制御する為の信号を出力し、開閉指示部２３Ａに含まれるシフトレジスタＳＲへスタート信号およびクロック信号を出力し、また、開閉指示部２３Ａに含まれる各ゲート回路Ｇｎへ制御信号Ｔｎを出力する。
【００３０】
次に、第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａの動作の一例を説明する。図３は、第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａの動作を説明するタイミングチャートである。この図には、上から順に、制御部２４ＡからシフトレジスタＳＲに与えられるスタート信号およびクロック信号、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１〜Ｓ６、制御部２４Ａからゲート回路Ｇ１〜Ｇ６へ与えられる制御信号Ｔ１〜Ｔ６、ならびに、共通出力線Ｌを経て信号処理部２２に入力される電荷の量、が示されている。
【００３１】
ここでは、Ｎの値を６としている。また、開閉指示部２３Ａは、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間Ｔの１〜４倍となるように各スイッチＳＷｎの開閉動作を指示するものとする。また、信号処理部２２に含まれる容量素子Ｃ１〜Ｃ３それぞれの容量値はＣ，２Ｃ，４Ｃであって、可変容量部の容量値はＣ，２Ｃ，３Ｃ（＝Ｃ＋２Ｃ）および４Ｃの何れかに設定され得るものとする。以下の動作は、制御部２４Ａによる制御の下に行われる。
【００３２】
制御部２４ＡからシフトレジスタＳＲに与えられるスタート信号およびクロック信号それぞれは、一定周期でレベルが変化する周期的な信号である。スタート信号の周期はＴであり、クロック信号の周期はＴより短い。以下では、スタート信号の或る立上がり時刻から次の立上がり時刻までを「サイクル」と呼ぶ。各サイクルの時間はＴである。また、スタート信号の或る立下がり時刻から次の立上がり時刻までの期間に、クロック信号は少なくともＮ（ここでは、Ｎ＝６）個のパルスを含む。
【００３３】
シフトレジスタＳＲは、スタート信号の立上がり時刻で初期化され、その後のクロック信号の各立上がり時刻で順次に、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６それぞれの開閉動作を指示するための開閉指示信号Ｓ１〜Ｓ６を、閉状態を指示する値として出力する。すなわち、各サイクルにおいて、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１〜Ｓ６は順次にハイレベルになる。
【００３４】
制御部２４Ａからゲート回路Ｇ１〜Ｇ６へ与えられる制御信号Ｔ１〜Ｔ６は以下のとおりである。制御信号Ｔ１およびＴ６それぞれは、第１サイクルでハイレベルであり、第２および第３サイクルでローレベルであり、第４および第５サイクルでハイレベルである。制御信号Ｔ２およびＴ５それぞれは、第１サイクルでハイレベルであり、第２サイクルでローレベルであり、第３サイクルでハイレベルであり、第４サイクルでローレベルであり、第５サイクルでハイレベルである。制御信号Ｔ３は、第１および第２サイクルでハイレベルであり、第３および第４サイクルでローレベルであり、第５サイクルでハイレベルである。また、制御信号Ｔ４は、第１サイクルでハイレベルであり、第２〜第４サイクルでローレベルであり、第５サイクルでハイレベルである。
【００３５】
各ゲート回路ＧｎからスイッチＳＷｎへ出力される開閉指示信号は、制御信号Ｔｎがハイレベルであるサイクルには、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎそのままであり、制御信号Ｔｎがローレベルであるサイクルには、開状態を指示する値のものとなる。すなわち、各ゲート回路ＧｎからスイッチＳＷｎへ与えられる開閉指示信号は、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎおよび制御信号Ｔｎの双方がハイレベルであるときに、閉状態を指示する値となり、開閉指示信号Ｓｎおよび制御信号Ｔｎの何れかがローレベルであるときに、開状態を指示する値となる。
【００３６】
したがって、ゲート回路Ｇ１からスイッチＳＷ１へ出力される開閉指示信号は、第１，第４および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。ゲート回路Ｇ２からスイッチＳＷ２へ出力される開閉指示信号は、第１，第３および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ２そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。
【００３７】
ゲート回路Ｇ３からスイッチＳＷ３へ出力される開閉指示信号は、第１，第２および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ３そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。ゲート回路Ｇ４からスイッチＳＷ４へ出力される開閉指示信号は、第１および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ４そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。
【００３８】
ゲート回路Ｇ５からスイッチＳＷ５へ出力される開閉指示信号は、第１，第３および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ５そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。ゲート回路Ｇ６からスイッチＳＷ６へ出力される開閉指示信号は、第１，第４および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ６そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。
【００３９】
フォトダイオードアレイ部２１に含まれる各スイッチＳＷｎは、ゲート回路Ｇｎから到達する開閉指示信号がハイレベルである期間に閉じ、その他の期間には開く。第１および第５サイクルそれぞれでは、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は順次に閉じる。
【００４０】
スイッチＳＷ１は、第５サイクル中に開閉指示信号Ｓ１がハイレベルとなったときに閉じることで、その前の第４サイクル中に開閉指示信号Ｓ１がハイレベルとなったとき以降の時間Ｔの間にフォトダイオードＰＤ１の接合容量部に蓄積された電荷を、共通出力線Ｌを介して信号処理部２２へ出力する。スイッチＳＷ２は、第５サイクル中に開閉指示信号Ｓ２がハイレベルとなったときに閉じることで、その前の第３サイクル中に開閉指示信号Ｓ２がハイレベルとなったとき以降の時間２Ｔの間にフォトダイオードＰＤ２の接合容量部に蓄積された電荷を、共通出力線Ｌを介して信号処理部２２へ出力する。
【００４１】
スイッチＳＷ３は、第５サイクル中に開閉指示信号Ｓ３がハイレベルとなったときに閉じることで、その前の第２サイクル中に開閉指示信号Ｓ３がハイレベルとなったとき以降の時間３Ｔの間にフォトダイオードＰＤ３の接合容量部に蓄積された電荷を、共通出力線Ｌを介して信号処理部２２へ出力する。スイッチＳＷ４は、第５サイクル中に開閉指示信号Ｓ４がハイレベルとなったときに閉じることで、その前の第１サイクル中に開閉指示信号Ｓ４がハイレベルとなったとき以降の時間４Ｔの間にフォトダイオードＰＤ４の接合容量部に蓄積された電荷を、共通出力線Ｌを介して信号処理部２２へ出力する。
【００４２】
スイッチＳＷ５は、第５サイクル中に開閉指示信号Ｓ５がハイレベルとなったときに閉じることで、その前の第３サイクル中に開閉指示信号Ｓ５がハイレベルとなったとき以降の時間２Ｔの間にフォトダイオードＰＤ５の接合容量部に蓄積された電荷を、共通出力線Ｌを介して信号処理部２２へ出力する。スイッチＳＷ６は、第５サイクル中に開閉指示信号Ｓ６がハイレベルとなったときに閉じることで、その前の第４サイクル中に開閉指示信号Ｓ６がハイレベルとなったとき以降の時間Ｔの間にフォトダイオードＰＤ６の接合容量部に蓄積された電荷を、共通出力線Ｌを介して信号処理部２２へ出力する。
【００４３】
以上のように、第５サイクルにおいて共通出力線Ｌを経て信号処理部２２に入力される電荷は、フォトダイオードＰＤ１については時間Ｔの間に接合容量部に蓄積されたものであり、フォトダイオードＰＤ２については時間２Ｔの間に接合容量部に蓄積されたものであり、フォトダイオードＰＤ３については時間３Ｔの間に接合容量部に蓄積されたものであり、フォトダイオードＰＤ４については時間４Ｔの間に接合容量部に蓄積されたものであり、フォトダイオードＰＤ５については時間２Ｔの間に接合容量部に蓄積されたものであり、フォトダイオードＰＤ６については時間Ｔの間に接合容量部に蓄積されたものである。このように、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間Ｔの整数倍となることで、各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間も基準時間Ｔの整数倍となる。
【００４４】
第５サイクルにおいて、各フォトダイオードＰＤｎからスイッチＳＷｎおよび共通出力線Ｌを経て信号処理部２２に入力された電荷は、信号処理部２２の可変容量部に蓄積され、この可変容量部に蓄積された電荷の量と可変容量部の容量値との比に応じた電圧値が信号処理部２２から出力される。可変容量部の容量値は、蓄積する電荷を発生した各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間に比例して設定される。
【００４５】
すなわち、フォトダイオードＰＤ１から入力された電荷を可変容量部が蓄積するときには、可変容量部の容量値はＣに設定される。フォトダイオードＰＤ２から入力された電荷を可変容量部が蓄積するときには、可変容量部の容量値は２Ｃに設定される。フォトダイオードＰＤ３から入力された電荷を可変容量部が蓄積するときには、可変容量部の容量値は３Ｃに設定される。フォトダイオードＰＤ４から入力された電荷を可変容量部が蓄積するときには、可変容量部の容量値は４Ｃに設定される。フォトダイオードＰＤ５から入力された電荷を可変容量部が蓄積するときには、可変容量部の容量値は２Ｃに設定される。フォトダイオードＰＤ６から入力された電荷を可変容量部に蓄積するときには、可変容量部の容量値はＣに設定される。
【００４６】
以上のように、第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａでは、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔を基準時間Ｔの整数倍とすることで、各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間も基準時間Ｔの整数倍とすることができ、これにより、各フォトダイオードＰＤｎについて接合容量部における蓄積電荷量が飽和しない範囲で電荷蓄積時間を変更することができる。したがって、このようなイメージセンサ２０Ａを備える分光装置１は、各波長において高感度の分光測定をすることができる。
【００４７】
また、各フォトダイオードＰＤｎについて電荷蓄積時間に応じて信号処理部２２の可変容量部の容量値を変更することにより、信号処理部２２から出力される電圧値は、各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間の相違の影響が除かれたものとなる。
【００４８】
なお、各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間の設定は、例えば以下のように行われる。初めに、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮそれぞれにおける電荷蓄積時間が基準時間Ｔとされ、信号処理部２２の可変容量部の容量値がＣとされた状態で、各フォトダイオードＰＤｎに過大な強度の光が入射されて、フォトダイオードＰＤｎの接合容量部における蓄積電荷量が飽和したときに信号処理部２２から出力される電圧値Ｖsatが求められる。また、この状態で、各フォトダイオードＰＤｎに測定対象の光が入射されて、信号処理部２２から出力される電圧値Ｖｎが求められる。そして、電圧値Ｖsatと電圧値Ｖｎとの比（Ｖsat／Ｖｎ）から、フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間を基準時間Ｔの何倍とすればよいかが求められる。
【００４９】
（イメージセンサの第２実施形態）
【００５０】
次に、本発明に係るイメージセンサの第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂの構成図である。この図に示されるイメージセンサ２０Ｂは、図１に示された分光装置１に含まれるイメージセンサ２０として好適に用いられるものであって、フォトダイオードアレイ部２１および信号処理部２２に加えて、開閉指示部２３Ｂおよび制御部２４Ｂをも含む。
【００５１】
図２に示された第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａと比較すると、この図４に示された第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂは、フォトダイオードアレイ部２１および信号処理部２２については同様の構成であるが、開閉指示部２３Ａに替えて開閉指示部２３Ｂを含む点で相違し、また、制御部２４Ａに替えて制御部２４Ｂを含む点で相違する。
【００５２】
開閉指示部２３Ｂは、フォトダイオードアレイ部２１に含まれるＮ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示するものである。特に、開閉指示部２３Ｂは、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれを互いに異なる期間に閉状態とするとともに、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間Ｔの整数倍となるように各スイッチＳＷｎの開閉動作を指示する。
【００５３】
具体的には、開閉指示部２３Ｂは、シフトレジスタＳＲおよびＮ個のゲート回路Ｇ１〜ＧＮを含む。シフトレジスタＳＲは、制御部２４Ｂから出力されるスタート信号およびクロック信号に基づいて、Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示するための開閉指示信号Ｓ１〜ＳＮを、順次に閉状態を指示する値として出力する。各ゲート回路Ｇｎは、スイッチＳＷｎに対応して設けられており、シフトレジスタＳＲから出力された開閉指示信号Ｓｎを入力するとともに、制御部２４Ｂから出力された共通の制御信号Ｔ０をも入力して、制御信号Ｔ０が第１の値であるときに、開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力し、制御信号Ｔ０が第２の値であるときに、開状態を指示する値の開閉指示信号をスイッチＳＷｎへ出力する。
【００５４】
各ゲート回路Ｇｎは、スイッチＳＷｎの開閉を指示する信号の極性、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎの極性、および、制御部２４Ｂから出力される制御信号Ｔ０の極性、に応じて、適切な論理回路（ＡＮＤ回路、ＯＲ回路、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路、等）が選択される。例えば、スイッチＳＷｎの開閉を指示する信号がハイレベルであるときに該スイッチＳＷｎが閉じるものとし、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎがハイレベルであるときに該開閉指示信号ＳｎがスイッチＳＷｎの閉状態を指示するものとし、制御部２４Ｂから出力される制御信号Ｔ０がハイレベルであるときにゲート回路Ｇｎが開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力するものとすると、このとき、ゲート回路ＧｎはＡＮＤ回路で構成され得る。なお、以下で動作例を説明する際にも、この条件であるとする。
【００５５】
制御部２４Ｂは、信号処理部２２および開閉指示部２３Ｂそれぞれの動作を制御するための信号を出力する。具体的には、制御部２４Ｂは、信号処理部２２に含まれるスイッチＳＷ０〜ＳＷ３それぞれの開閉動作を制御する為の信号を出力し、開閉指示部２３Ｂに含まれるシフトレジスタＳＲへスタート信号およびクロック信号を出力し、また、開閉指示部２３Ｂに含まれる各ゲート回路Ｇｎへ共通の制御信号Ｔ０を出力する。
【００５６】
次に、第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂの動作の一例を説明する。図５は、第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂの動作を説明するタイミングチャートである。この図には、上から順に、制御部２４ＢからシフトレジスタＳＲに与えられるスタート信号およびクロック信号、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１〜Ｓ６、制御部２４Ｂからゲート回路Ｇ１〜Ｇ６へ与えられる共通の制御信号Ｔ０、ならびに、共通出力線Ｌを経て信号処理部２２に入力される電荷の量、が示されている。
【００５７】
ここでも、Ｎの値を６としている。また、開閉指示部２３Ｂは、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間Ｔの１〜４倍となるように各スイッチＳＷｎの開閉動作を指示するものとする。また、信号処理部２２に含まれる容量素子Ｃ１〜Ｃ３それぞれの容量値はＣ，２Ｃ，４Ｃであって、可変容量部の容量値はＣ，２Ｃ，３Ｃ（＝Ｃ＋２Ｃ）および４Ｃの何れかに設定され得るものとする。以下の動作は、制御部２４Ｂによる制御の下に行われる。
【００５８】
制御部２４ＢからシフトレジスタＳＲに与えられるスタート信号およびクロック信号、ならびに、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１〜Ｓ６については、第１実施形態の場合と同様である。
【００５９】
制御部２４Ｂからゲート回路Ｇ１〜Ｇ６へ与えられる共通の制御信号Ｔ０は以下のとおりである。第１および第５サイクルにおいては、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１〜Ｓ６の何れかがハイレベルである期間では、制御信号Ｔ０はハイレベルであり、その他の期間では、制御信号Ｔ０はローレベルである。第２サイクルにおいては、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ３がハイレベルである期間では、制御信号Ｔ０はハイレベルであり、その他の期間では、制御信号Ｔ０はローレベルである。第３サイクルにおいては、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ２またはＳ５がハイレベルである期間では、制御信号Ｔ０はハイレベルであり、その他の期間では、制御信号Ｔ０はローレベルである。第４サイクルにおいては、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１またはＳ６がハイレベルである期間では、制御信号Ｔ０はハイレベルであり、その他の期間では、制御信号Ｔ０はローレベルである。
【００６０】
各ゲート回路ＧｎからスイッチＳＷｎへ出力される開閉指示信号は、制御信号Ｔ０がハイレベルである期間では、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎそのままであり、制御信号Ｔ０がローレベルである期間では、開状態を指示する値のものとなる。すなわち、各ゲート回路ＧｎからスイッチＳＷｎへ与えられる開閉指示信号は、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓｎおよび制御信号Ｔ０の双方がハイレベルであるときに、閉状態を指示する値となり、開閉指示信号Ｓｎおよび制御信号Ｔ０の何れかがローレベルであるときに、開状態を指示する値となる。
【００６１】
したがって、ゲート回路Ｇ１からスイッチＳＷ１へ出力される開閉指示信号は、第１，第４および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ１そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。ゲート回路Ｇ２からスイッチＳＷ２へ出力される開閉指示信号は、第１，第３および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ２そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。
【００６２】
ゲート回路Ｇ３からスイッチＳＷ３へ出力される開閉指示信号は、第１，第２および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ３そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。ゲート回路Ｇ４からスイッチＳＷ４へ出力される開閉指示信号は、第１および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ４そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。
【００６３】
ゲート回路Ｇ５からスイッチＳＷ５へ出力される開閉指示信号は、第１，第３および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ５そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。ゲート回路Ｇ６からスイッチＳＷ６へ出力される開閉指示信号は、第１，第４および第５サイクルでは、シフトレジスタＳＲから出力される開閉指示信号Ｓ６そのままであり、その他のサイクルでは、開状態を指示する値のものとなる。
【００６４】
フォトダイオードアレイ部２１に含まれる各スイッチＳＷｎは、ゲート回路Ｇｎから到達する開閉指示信号がハイレベルである期間に閉じ、その他の期間には開く。結局、この第２実施形態の動作例でも、各スイッチＳＷｎの開閉動作および信号処理部２２の動作は、第１実施形態の動作例と同様である。
【００６５】
以上のように、第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂでは、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔を基準時間Ｔの整数倍とすることで、各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間も基準時間Ｔの整数倍とすることができ、これにより、各フォトダイオードＰＤｎについて接合容量部における蓄積電荷量が飽和しない範囲で電荷蓄積時間を変更することができる。したがって、このようなイメージセンサ２０Ｂを備える分光装置１は、各波長において高感度の分光測定をすることができる。
【００６６】
また、各フォトダイオードＰＤｎについて電荷蓄積時間に応じて信号処理部２２の可変容量部の容量値を変更することにより、信号処理部２２から出力される電圧値は、各フォトダイオードＰＤｎにおける電荷蓄積時間の相違の影響が除かれたものとなる。
【００６７】
さらに、第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａの構成と比較すると、この第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂでは、制御部２４ＢからＮ個のゲート回路Ｇ１〜ＧＮへ共通の制御信号Ｔ０が与えられるので、制御信号Ｔ０の為の配線が１本のみでよい。したがって、第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂは、小型のものとすることができ、また、安価なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本実施形態に係る分光装置１の概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａの構成図である。
【図３】第１実施形態に係るイメージセンサ２０Ａの動作を説明するタイミングチャートである。
【図４】第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂの構成図である。
【図５】第２実施形態に係るイメージセンサ２０Ｂ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】
【００６９】
１…分光装置、１１…光源、１２…レンズ、１３…シャッタ、１４…試料セル、１５…スリット、１６…回折格子、２０，２０Ａ，２０Ｂ…イメージセンサ、２１…フォトダイオードアレイ部、２２…信号処理部、２３Ａ，２３Ｂ…開閉指示部、２４Ａ，２４Ｂ…制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々受光量に応じた量の電荷を発生するＮ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮと、
前記Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮに対して１対１に対応して設けられ、対応するフォトダイオードと共通出力線との間に設けられたＮ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮと、
前記Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示する開閉指示部と、
を備え、
前記開閉指示部が、前記Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれを互いに異なる期間に閉状態とするとともに、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間の整数倍となるように各スイッチＳＷｎの開閉動作を指示する、
ことを特徴とするイメージセンサ（ただし、Ｎは２以上の整数、ｎは１以上Ｎ以下の各整数）。
【請求項２】
前記開閉指示部が、
前記Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示するための開閉指示信号Ｓ１〜ＳＮを、順次に閉状態を指示する値として出力するシフトレジスタと、
前記Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮに対して１対１に設けられたＮ個のゲート回路Ｇ１〜ＧＮと、
を含み、
各ゲート回路Ｇｎが、前記シフトレジスタから出力された開閉指示信号Ｓｎを入力するとともに、制御信号Ｔｎをも入力して、前記制御信号Ｔｎが第１の値であるときに、前記開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力し、前記制御信号Ｔｎが第２の値であるときに、開状態を指示する値の開閉指示信号をスイッチＳＷｎへ出力する、
ことを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記開閉指示部が、
前記Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示するための開閉指示信号Ｓ１〜ＳＮを、順次に閉状態を指示する値として出力するシフトレジスタと、
前記Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮに対して１対１に設けられたＮ個のゲート回路Ｇ１〜ＧＮと、
を含み、
各ゲート回路Ｇｎが、前記シフトレジスタから出力された開閉指示信号Ｓｎを入力するとともに、共通の制御信号Ｔ０をも入力して、前記制御信号Ｔ０が第１の値であるときに、前記開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力し、前記制御信号Ｔ０が第２の値であるときに、開状態を指示する値の開閉指示信号をスイッチＳＷｎへ出力する、
ことを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
【請求項４】
各フォトダイオードＰＤｎからスイッチＳＷｎおよび前記共通出力線を経て入力した電荷を、容量値が可変である可変容量部に蓄積し、前記可変容量部に蓄積された電荷の量と前記可変容量部の容量値との比に応じた電圧値を出力する信号処理部を更に備えることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
【請求項５】
光を出力する光源と、この光源から出力されて試料を透過した後の光を分光する分光器と、この分光器により分光された各波長の光を受光する請求項１〜４の何れか１項に記載のイメージセンサと、を備えることを特徴とする分光装置。
【請求項１】
各々受光量に応じた量の電荷を発生するＮ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮと、
前記Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮに対して１対１に対応して設けられ、対応するフォトダイオードと共通出力線との間に設けられたＮ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮと、
前記Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示する開閉指示部と、
を備え、
前記開閉指示部が、前記Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれを互いに異なる期間に閉状態とするとともに、各スイッチＳＷｎの閉状態となる間隔が基準時間の整数倍となるように各スイッチＳＷｎの開閉動作を指示する、
ことを特徴とするイメージセンサ（ただし、Ｎは２以上の整数、ｎは１以上Ｎ以下の各整数）。
【請求項２】
前記開閉指示部が、
前記Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示するための開閉指示信号Ｓ１〜ＳＮを、順次に閉状態を指示する値として出力するシフトレジスタと、
前記Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮに対して１対１に設けられたＮ個のゲート回路Ｇ１〜ＧＮと、
を含み、
各ゲート回路Ｇｎが、前記シフトレジスタから出力された開閉指示信号Ｓｎを入力するとともに、制御信号Ｔｎをも入力して、前記制御信号Ｔｎが第１の値であるときに、前記開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力し、前記制御信号Ｔｎが第２の値であるときに、開状態を指示する値の開閉指示信号をスイッチＳＷｎへ出力する、
ことを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記開閉指示部が、
前記Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮそれぞれの開閉動作を指示するための開閉指示信号Ｓ１〜ＳＮを、順次に閉状態を指示する値として出力するシフトレジスタと、
前記Ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷＮに対して１対１に設けられたＮ個のゲート回路Ｇ１〜ＧＮと、
を含み、
各ゲート回路Ｇｎが、前記シフトレジスタから出力された開閉指示信号Ｓｎを入力するとともに、共通の制御信号Ｔ０をも入力して、前記制御信号Ｔ０が第１の値であるときに、前記開閉指示信号ＳｎをそのままスイッチＳＷｎへ出力し、前記制御信号Ｔ０が第２の値であるときに、開状態を指示する値の開閉指示信号をスイッチＳＷｎへ出力する、
ことを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
【請求項４】
各フォトダイオードＰＤｎからスイッチＳＷｎおよび前記共通出力線を経て入力した電荷を、容量値が可変である可変容量部に蓄積し、前記可変容量部に蓄積された電荷の量と前記可変容量部の容量値との比に応じた電圧値を出力する信号処理部を更に備えることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
【請求項５】
光を出力する光源と、この光源から出力されて試料を透過した後の光を分光する分光器と、この分光器により分光された各波長の光を受光する請求項１〜４の何れか１項に記載のイメージセンサと、を備えることを特徴とする分光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−３４９６２３（Ｐ２００６−３４９６２３Ａ）
【公開日】平成１８年１２月２８日（２００６．１２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１７９４６６（Ｐ２００５−１７９４６６）
【出願日】平成１７年６月２０日（２００５．６．２０）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月２８日（２００６．１２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２０日（２００５．６．２０）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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