線形センサアレイによる高速かつ正確な時間分解分光法
線形センサアレイを使用した分光法を提供する。スペクトルの時間分解分析は、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの１次元アレイを照射し、集積回路に感光性セルと並置されたそれぞれのストレージセル（行ストレージレジスタ）に感光性セルにおける電荷を定期的に非破壊的に複写することによって実行される。ストレージセルの少なくとも一部に格納された電荷に関する情報は、集積回路の外部の構成要素に供給される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、本明細書においてその全内容が引用により組み込まれている２００７年２月２３日に出願の米国特許仮出願出願番号第６０／８９１、３２０号からの優先権を請求するものである。
【０００２】
本発明は、時間分解分光法と、開始イベントに対して時間的に遅延したスペクトルの取得及び分析とに関し、より具体的には、線形センサアレイを使用したそのような分光法に関する。
【背景技術】
【０００３】
励起された材料のサンプルによって生成されるスペクトルの分析は、構成元素の相対濃度を含むサンプルの元素組成に関する情報をもたらすことができる。このような分析は、金属再利用施設における金属の種類の特定及び分離と、工場及び科学捜査作業における品質管理試験とを含む多くの状況において行われている。一部の分光システムでは、直接読み取り光電子増倍管（ＰＭＴ）システムは、多くの場合にスペクトルの僅かな部分のみ（典型的には、１３０ｎｍから５００ｎｍまでのスペクトルの数パーセント未満）を網羅する解析的に関連のある波長に設定された複数のＰＭＴを使用する。
【０００４】
一部の事例においては、スペクトルの時間分解又はスペクトルの時間的結果の分析は、サンプルの組成に関して付加的な又は他の方法で得られると考えられるものよりも正確な情報を提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許仮出願出願番号第６０／８９１、３２０号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊａｍｅs Ｇ．Ｍａｉｎｐｒｉｚｅ他著「デジタルマモグラフィのためのスロット走査式フォトダイオードアレイ／ＣＣＤ混成検出器」、２００２年６月２５日、医学生物物理学部、トロント大学、サニーブルック、及び女子大保健科学センター、トロント、オンタリオ、Ｍ４Ｎ３Ｍ５、カナダ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の２次元電荷結合デバイス（ＣＣＤ）は、時間分解スペクトルデータを捕捉するのに使用されることがあるが、ある一定の用途での使用を妨げる時間分解の制限を受けやすい。このようなＣＣＤデバイスは、行及び列に配置された感光性ピクセルを含む。１つの作動モードにおいて、ピクセルの１行以外の全ての行を遮蔽することができるので、１つの遮蔽されていない行のみが露出される。各ピクセルがスペクトルの異なる部分に露出されるように、スペクトルは、ＣＣＤピクセルの露出された行の上に投影される。光子生成電荷は、露出されたピクセルの１つ又はそれよりも多くの下に蓄積する。全ての行に格納された電荷は、定期的に、それぞれの隣接した行に移動する（シフトされる）。すなわち、露出されたピクセル内の電荷は、第１の遮蔽された行に移動し、第１の遮蔽された行の電荷は、第２の遮蔽された行に移動するなどである。露出された行から電荷を移動させることにより、その行のピクセルから電荷を一掃する。最終行の電荷は、デバイスから読み出される。このアーキテクチャは、いずれかの露出されたピクセルに蓄積された電荷が、電荷を読み取出すことができる前に対応する列の全てのピクセルを通って移動する必要があるので、比較的質が悪い信号対ノイズ特性をもたらし、撮像デバイスの迅速な循環を容易にしない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の好ましい実施形態により、時間分解によって光を分析する方法を提供する。本方法は、（ａ）各感光性セルがスペクトルの異なる部分によって照射され、それによって１組の感光性セル内に電荷を生成するように、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの１次元アレイをスペクトルで照射する段階、（ｂ）感光性セル内の電荷を、集積回路内に感光性セルと並置されたそれぞれのストレージセルの第１の組に非破壊的に複写する段階、（ｃ）集積回路内のストレージセルの異なる組に対してこの前の段階を定期的に繰り返す段階、及び（ｄ）ストレージセルの少なくとも一部に格納された電荷に関する情報を集積回路の外部の構成要素に供給する段階を有する。
【０００９】
本発明の代替的な実施形態により、本方法は、電荷を非破壊的に複写する段階の繰返しの少なくとも一部に対して電荷を感光性セルに蓄積させる更に別の段階を含むことができる。更に、本方法は、感光性セルの部分集合における電荷を一掃する付加的な段階と、更に、電荷が一掃されることになる感光性セルの部分集合を特定する付加的な段階とを有することができる。
【００１０】
本方法は、集積回路上の少なくとも２、０００の感光性セルと、ピクセルセル当り少なくとも１６のストレージセルとを準備する段階を更に含むことができる。本発明の一部の実施形態では、格納された電荷に関する情報は、それ自体、集積回路の外部にあるメモリに格納される。格納された電荷に関する情報は、ストレージセルの全て又は部分集合に関連する場合があり、選択されたストレージセルを識別する情報は、外部の構成要素から受け取ることができる。
【００１１】
本方法はまた、格納された電荷に関する提供された情報を分析して、スペクトルを生成するのに使用されるサンプルの少なくとも１つの元素成分を識別する段階を含むことができる。
【００１２】
本発明の他の実施形態により、各感光性セルがスペクトルの異なる部分によって照射され、それによって感光性セルのそれぞれに電荷を生成するように、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの１次元アレイをスペクトルで照射する段階、感光性セル内の電荷を、集積回路上にピクセルセルと並置されたそれぞれのストレージセルに定期的に非破壊的に複写する段階、及びストレージセルの少なくとも１つにおける電荷が所定の値を超える場合に電荷に関する情報をメモリに格納する段階を有する方法を提供する。
【００１３】
本発明の一部の実施形態では、メモリは、集積回路上にピクセルセルと並置することができる。本方法は、少なくとも１つのストレージセルに対応する少なくとも１つの感光性ピクセルセル内の電荷を一掃する更に別の段階、及び露出時間が所定の値を超える場合に電荷に関する情報をメモリに格納する更に別の段階を含むことができる。特に、少なくとも１つのストレージセルに対応する少なくとも１つの感光性ピクセルセル内の電荷は、一掃することができる。更に、本方法はまた、メモリに格納された情報をピクセル毎の方式で合計する段階を含むことができる。
【００１４】
本発明の更に別の実施形態では、所定の時間量が経過した場合に、ストレージセルの少なくとも１つにおける電荷に関する情報は、いずれかの対応する感光性ピクセルセル内の電荷を一掃することなくメモリに格納される。
【００１５】
本発明の更に別の実施形態では、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの数は、波長のピクセル番号への動的可変登録を考慮するような方法で、露出された電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの特定の数を超える。
【００１６】
本発明の別の態様により、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルのアレイを有する集積回路を提供する。更に、集積回路は、電荷ストレージセルの複数の組を有し、ストレージセルの各組に対して、その組の各ストレージセルは、電荷を感光性ピクセルセルからストレージセルに複写するために感光性ピクセルセルの異なるセルに結合している。最後に、集積回路は、光子生成電荷をピクセルセルからストレージセルの連続する組に定期的に非破壊的に複写するように作動する第１の制御論理と、ストレージセルの少なくとも１つに格納された電荷に関する情報を集積回路の外部の構成要素に供給するように作動する第２の制御論理とを有する。
【００１７】
本発明の他の実施形態により、集積回路はまた、各感光性ピクセルセルに関連する複数のプリアンプを有することができる。感光性ピクセルセルのアレイは、１次元又は２次元とすることができ、具体的には、１次元アレイに配置された少なくとも２、０００のピクセルを有することができる。感光性ピクセルセル当り少なくとも１６組の電荷ストレージセルがある場合がある。第２の制御論理は、ストレージセルの全てよりも少ないセルに格納された電荷に関する情報を集積回路の外部の構成要素に供給するように作動することができ、ストレージセルに格納された電荷に関する情報は、集積回路の外部の構成要素によってランダムにアドレス可能である。
【００１８】
ある一定の実施形態では、全てよりも少ないピクセルセルを識別する情報を受け取り、識別されたピクセルセルに格納された光子生成電荷を一掃するように作動する第３の制御論理を提供することができる。第２の制御論理は、ストレージセルの少なくとも１つに格納された電荷に関する情報を外部の構成要素にアナログ信号又はデジタル信号のいずれかとして供給するように作動することができる。
【００１９】
本発明の他の実施形態により、集積回路はまた、各感光性ピクセルセルに関連する複数のプリアンプを有することができる。本発明の別の態様により、波長と基準イベントに続く時間とによって定められる２次元マニホルド上の１つ又はそれよりも多くの関連領域を形成するために使用することができるコンピュータベースのグラフィカルユーザインタフェースを提供する。インタフェースは、関連の波長、時間的ゲート開始時間、及びユーザ入力を受け取るための時間的ゲート継続時間を示すメニューを有する。インタフェースはまた、ユーザ指定の関連波長、ゲート開始時間、及び時間的ゲート継続時間をユーザ指定の関連領域内に集める関連領域モジュールと、ユーザ指定の関連領域を循環ＲＯＩ待ち行列にグループ分けするためのソフトウエアモジュールとを有する。最後に、インタフェースは、ユーザ指定の関連領域に従ってピクセル問い合わせ及びデータストレージ機能を実行するための執行モジュールを有し、執行モジュールはまた、ユーザ指定の関連領域が特定の最大ピクセル信号を超える信号を含むか否かを判断するための比較器を含むことができる。
【００２０】
本発明の他の態様は、１つ又はそれよりも多くのスカラー値を空間｛あらゆる次元数｝の順序付けされた要素に関連付けるための撮像システムのダイナミックレンジを拡張する方法を提供し、スカラー値は、励起に対する信号応答を特徴付け、空間の順序付けされた要素は、空間の順序付けされた要素の部分集合として定められた少なくとも１つの関連領域を含み、各関連領域は、閾値時間によって特徴付けられ、本方法は、第１の予備露出時間にわたって撮像システムを励起に露出し、閾値時間が指定の持続時間を超える全ての関連領域に対して閾値時間を判断する段階、第１の予備露出時間よりも短い第２の予備露出時間にわたって撮像システムを励起に露出し、閾値時間が指定の持続時間よりも短い関連領域に対する閾値時間を判断する段階、及び判断された閾値時間に基づいて、対応する関連領域に従って空間の順序付けされた要素の値を読み取ってリセットする段階を含む。
【００２１】
本発明の特定的な実施形態では、第２の予備露出時間にわたって撮像システムを励起に露出する段階は、第１の予備露出時間にわたって撮像システムを励起に露出する段階に先行する。
【００２２】
本発明は、図面と共に以下の「発明を実施するための形態」を参照することによってより完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態により図２のＩＣを使用することができる例示的な環境の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態により電荷転送デバイス感光性ピクセルの１次元アレイを有する集積回路（ＩＣ）のブロック図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態により有効スペクトル分解能を増加するために線形ＣＩＤに対して交互に配列されたピクセル構造の２つの実施形態の一方を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態により有効スペクトル分解能を増加するために線形ＣＩＤに対して交互に配列されたピクセル構造の２つの実施形態の一方を示す図である。
【図４Ａ】線形ＣＩＤピクセル内の光子生成電荷蓄積に関するポテンシャル井戸の図である。
【図４Ｂ（１）】最初のシーケンスにおいて電荷が感知フォトゲートに転送される線形ＣＩＤピクセル読み出しに関するポテンシャル井戸の図である。
【図４Ｂ（２）】電荷が感知フォトゲートからストレージフォトゲートに転送される線形ＣＩＤピクセル読み出しに関するポテンシャル井戸の図である。
【図４Ｃ（１）】電荷が最初にストレージフォトゲートに転送された状態の線形ＣＩＤピクセル位置からの電荷の注入（又は一掃）に関するポテンシャル井戸の図である。
【図４Ｃ（２）】ストレージフォトゲート及び感知フォトゲートから一掃された電荷を示す図である。
【図５】本発明の実施形態による「行ストレージレジスタ（ＲＳＲ）」セルの概略図である。
【図６】本発明の実施形態による例示的な「二重線形ＣＩＤ画像制御器」のブロック図である。
【図７】２００Ｈｚのスパーク速度での１つの個別のスパーク放電及び第２の放電の開始からの仮想の信号対時間プロフィールを示す図である。
【図８】本発明の好ましい実施形態により線形ＣＩＤデバイス上の３２行ストレージレジスタ（ＲＳＲ０〜ＲＳＲ３１）の図式的表現を示す図である。
【図９】本発明の実施形態により線形ＣＩＤを使用する時間分解分光法に関する基本的な流れ図である。
【図１０Ａ】本発明の実施形態による「時間分解分光法（ＴＲＳ）」アルゴリズムを使用して同時に得られた２つの関連領域に関する仮想の信号対時間プロフィールの例を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態による「時間分解分光法（ＴＲＳ）」アルゴリズムを使用して同時に得られた２つの関連領域に関する仮想の信号対時間プロフィールの例を示す図である。
【図１０Ｃ】本発明の実施形態による「時間分解分光法（ＴＲＳ）」アルゴリズムを使用して同時に得られた２つの関連領域に関する仮想の信号対時間プロフィールの例を示す図である。
【図１１】異なる元素種からの信号の出現を示す多数のスパーク放電のＴＲＳアルゴリズムを使用して得られた仮想の信号対時間プロフィールを示す図である。
【図１２】本発明の実施形態により「ランダムアクセス積分（ＲＡＩ）」アルゴリズムに従って実行される段階のフローを示す流れ図である。
【図１３】図１２のＲＡＩアルゴリズムを使用して質問される３つのＲＯＩの場合の時間の関数としての信号を示す図である。
【図１４】「極限ダイナミックレンジ（ＤＲ）」アルゴリズムを使用して質問される３つのＲＯＩの場合の時間の関数としての信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の好ましい実施形態により、電荷転送デバイス感光性ピクセルの１次元アレイ（「線形センサアレイ」とも呼ぶ）を使用し、時間分解又は時間積分を用いてスペクトルを分析する方法及び装置を開示する。感光性ピクセルは、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）、電荷注入デバイス（ＣＩＤ）、又は別の適切なタイプの電荷転送デバイス、又はいくつかのタイプの組合せとすることができる。開示する方法及び装置は、発光分光法（ＯＥＳ）、光吸収分光法、光学的蛍光分光法、及び天文学を利用する分析器のような手持ち式の化学組成分析器を含む多くの事例において適用可能である。
【００２５】
１つの事例において、図１に概略的に示すようにサンプルの一部を励起することにより（スパーク／アーク、レーザなどにより）、又はそれとは異なり、基準光源の光の吸収などにより生成されたスペクトル１０は、回折格子１８を通って線形センサアレイ上に投影され、各ピクセル１５は、図１に概略的に示すように、スペクトルの異なる部分（すなわち、異なる波長又は波長域）によって照射されるようになる。サンプルからの光１２は、入射スリット１４を通って、番号１１によって全体的に示すような分光計に入る。この照射は、感光性ピクセルの１つ又はそれよりも多くに光子生成の電荷を作る。
【００２６】
以下の節は、（１）線形センサアレイの一実施形態の電子アーキテクチャ、（２）線形センサアレイを駆動する電子制御システムのアーキテクチャ、及び（３）線形センサアレイ及び制御システムを適用することができるある一定の化学組成分析用途のために時間積分又は時間分解データを生成するために利用することができるアルゴリズムの説明を提供する。
【００２７】
線形センサアレイ
一実施形態では、集積回路（ＩＣ）は、図２に概略的に示すように、感光性ピクセルの１次元アレイ１６と、電荷ストレージセル（「行ストレージレジスタ」（ＲＳＲ）とも呼ぶ）の複数の行と、制御論理２２とを含む。
【００２８】
感光性ピクセルの１次元アレイ１６は、図３Ａ及び図３Ｂに概略的に示すように、１行に配列することができ、又はこれらのピクセルは、２つ又はそれよりも多くの行にわたって交互に配列することができる。感光性ピクセルを交互に配列することにより、より小さい有効ピクセルピッチ及びより高い有効空間分解能がもたらされる。一実施形態（図３Ａ）において、感光性ピクセルは、２行に均一に交互配列された１４μｍ幅のピクセルである。得られる有効ピッチは、７μｍであり、飽和容量は、約３００、０００電子量である。ピクセル高さは、１００μｍであり、撮像された入射スリットの高さを合わせて最適化することができる。従って、本明細書で使用する用語「１次元の」及び「線形アレイ」は、そのもの自体が特定の線よりも上又は下に中心がある検出器からその値を得る可能性があるとしても、スペクトル成分を表現する単一の値のみがいずれかの変位での分散ビームの強度に関連付けられているということを示している。
【００２９】
ピクセル作動
図４Ａ〜図４Ｃに示すように、線形ＣＩＤと呼ぶ実施形態の感光性ピクセルは、「注入ゲート」４２及び「注入ドレーン」４３と共にピクセル読み出しのために使用される２つのフォトゲート（「ストレージ」フォトゲート４０及び「感知」フォトゲート４１）を含む。感知フォトゲートは、ソースフォロアー及びリセット回路に電気的に接続される。注入ゲートは、ピクセルからの光子生成電荷の取得及び注入を制御するために設けられる。注入ドレーンは、光子生成電荷の一掃のためのシンクとして機能する。
【００３０】
線形センサアレイは、上述の線形ＣＩＤにおいて使用されるフォトゲートと接続したソースフォロアーのような各ピクセル上のプリアンプ（プリアンプ−パー−ピクセル又はアクティブピクセル）を含むことができる。２次元プリアンプ−パー−ピクセル又はアクティブピクセルＣＣＤ又はＣＭＯＳデバイスも使用することができる。
【００３１】
図４Ｃに示すように、ピクセル注入は、ピクセル読み出しの後、又は光子生成電荷の一掃が要求される露出サイクルのいずれかの時間に実行することができる。注入サイクルに間に、感知及びストレージフォトゲートは、それぞれ「Ｖsｔｏ＿ｉｎｊ」及び「Ｖsｅｎ＿ｉｎｊ」にバイアスされ、注入ドレーン電圧は、「Ｖｄｒａｉｎ＿ｉｎｊ」に設定される。注入ゲートは、その時に注入電位「Ｖ＿ｉｎ」にバイアスされる。注入は、全体的に（全ピクセル上で同時に）、ピクセルの群で（「セグメント注入」とも呼ぶ）、又はピクセルｘピクセルベースで実行することができる。いずれかの感光性ピクセル又は感光性ピクセルの群（連続的又は不連続）内の電荷は、残りの感光性ピクセルとは無関係に一掃することができる。感光性ピクセルは、一掃するためにランダムにアドレス指定することができる。
【００３２】
図４Ａに示すように、光子生成電荷蓄積は、正の電圧が感知電極４１及びストレージ電極４０に印加される時に起こる。蓄積時間とは、これら２つのフォトゲートが深い空乏バイアスにある時間量のことである（「深い空乏」とは、移動電荷を奪われた比較的深い領域がＭＯＳデバイスのゲート電極に印加された電圧のために電極の下に形成されるような非平衡状態のことをいう）。電子を伝導帯に上げるのに十分なエネルギを有する光子がピクセルに衝突する時、得られた移動電荷は、ストレージ電極バイアスによって首尾よく生成された電位に引き込まれる。
【００３３】
ストレージ電極で集められる光子生成電荷４４の総量は、光強度、蓄積時間、及び暗電流からの電荷寄与の関数である。撮像装置設計及び製造工程を最適化することによって暗電流を低減することはできるが、暗電流は、完全に除去することはできない。従って、拡張された蓄積時間を要求する用途では、線形センサアレイは、冷却される。
【００３４】
図４Ｂに示すように、ピクセル読み出しは、最初にストレージフォトゲートから感知フォトゲートへの光子生成電荷の前方転送によって実行され、感知フォトゲートからストレージフォトゲートへの電荷の後方転送が続く。前方転送の間に、感知ゲートは、基準を「Ｖsｅｎ＿ｒｅａｄ」電位に取る一方、ストレージゲートは、基準を「Ｖsｔｏ＿ｒｆｒ」電位に取る。感知ゲートは、次に絶縁され、感知ゲートの最初の電位サンプルＣＤＳ１が得られる。ＣＤＳ１は、ピクセルの光子生成電荷の合計及びノイズ兆候を測定する。
【００３５】
ストレージゲートは、次に、感知ゲートからストレージゲートに電荷を後方転送する「Ｖsｔｏ＿ｂｔｒｆ」に基準を取る。感知ゲートは、この作動の間には絶縁し続ける。次に、第２の感知フォトゲートサンプルＣＤＳ２が得られる。ＣＤＳ２信号は、ピクセルのみのノイズ性質を示している。関連のノイズ補正信号は、この時に２つのＣＤＳコンデンサ上に格納された値の間の差異（ＣＤＳ１マイナスＣＤＳ２）である。この値（ＣＤＳ１マイナスＣＤＳ２）は、ピクセル位置における電荷の量に比例する。ピクセル読み出し処理は、ピクセル位置における光子生成電荷を破壊しない。線形ＣＩＤ上のいずれかのピクセルの光子生成電荷レベルは、非破壊的に問い合わせする（読む）ことができる。非破壊的なピクセル読み出しは、スパークＯＥＳ及び他の用途に関するダイナミックレンジ及び時間分解性能を改善する。
【００３６】
線形ＣＩＤデバイス上のいずれかのピクセル位置にランダムにアクセスすることが可能である。ピクセルは、順不同に、かついずれかの方向にアドレス可能である。ランダムにアドレス指定されたいずれかのピクセル内の光子生成電荷を問い合わせする（読む）か、又は一掃するかのいずれかが可能である。ピクセルのランダムなアクセス可能性は、スパークＯＥＳ及び他の用途に関するダイナミックレンジ及び時間分解性能を改善する。
【００３７】
行ストレージレジスタ（ＲＳＲ）
線形センサアレイは、様々な時点のピクセル信号を格納するための独立したパー−ピクセルコンデンサ（行ストレージレジスタ（ＲＳＲ）と呼ぶ）２０（図２において）を含む。線形センサアレイ上の感光性ピクセルは、スイッチングネットワークを通してＲＳＲに結合される。様々な実施形態では、８又は３２又は他のいずれかの数のピクセル当りのＲＳＲをデバイスに実施することができ、異なる用途における異なる数のＲＳＲには様々な利点が生じる。パー−ピクセルコンデンサは、ＭＩＭタイプ（金属−絶縁体−金属）、ＭＯＳタイプ（金属酸化膜半導体）、又は他の適切なタイプとすることができる。
【００３８】
制御論理の制御の下で（図２におけるｒＷ、ＩＲＣ、及びＣＤＳ）、全ての感光性ピクセルにおける光子生成電荷は、当業技術で公知のように、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）によってＲＳＲのいずれかの行の対応するストレージセルに並列に非破壊的に複写することができる。従って、ＲＳＲは、効率的にランダムにアクセス可能なアナログメモリデバイスである。
【００３９】
一般的なＣＣＤデバイスの作動とは異なり、ＣＩＤアレイ内の電荷は、本発明の実施形態によれば、実際に感光性ピクセルから他のセルに移動せず、電荷は、感光性ピクセル位置から全く移動しない。むしろ、各感光性ピクセルに関連するプリアンプ及び他の適切な電気回路により、電荷（現在の感光性セルにおける電荷に等しいか又は比例している）がＲＳＲ内に形成されることが可能になり、従って、感光性ピクセル内の電荷の量を低減することなくＲＳＲ内に感光性ピクセルの電荷の複写を生成する。従って、感光性ピクセル内の電荷がストレージセルに複写された（すなわち、「書かれた」）後であっても、光子生成電荷は、感光性ピクセルに蓄積し（「積分され」）続けることができる。感光性ピクセル内の光子生成電荷の連続する蓄積は、感光性ピクセルから得られた情報のＳＮ比を改善することができる。
【００４０】
従って、電荷を移動させることと電荷を非破壊的に複写することの間の差異が、本発明の事例においては重要である。本明細書において「電荷を非破壊的に複写すること」とは、感光性ピクセルのような第１のセル内にある電荷の複写を第１のセル内の電荷の量を低減することなく、別のセル内に生成することを意味する。非破壊的な複写作動の結果として、２つのほぼ等しい電荷が存在する。すなわち、第１のセル内にあるものと、第２のセル内にある第２のものである。上述のように、ＣＣＤデバイスは、時間分解データを捕捉するのに使用される。しかし、このような処理の間に、光子生成電荷は、第１のアクティブＣＣＤ位置から除去され、別の位置に移動させられる。その結果、第１の位置は、既に電荷を持たない。このような処理は、「破壊的な移動」と呼ぶ。光子生成電荷は破壊されずに、電荷は、単に別の位置に移動させられるに過ぎないという点において、ＣＣＤ処理は、電荷を必ずしも破壊するわけではない。しかし、本明細書に説明されているように、破壊的な移動は、非破壊的な複写とは異なる。
【００４１】
作動の１つのモードにおいて、感光性ピクセル内の電荷は、ストレージセル（ＲＳＲ）の連続する行に定期的に複写される。従って、ＲＳＲは、感光性ピクセルによって観測されたスペクトルに関する時間分解情報を格納する。ＲＳＲの各行は、スペクトルが撮像された異なる期間を表し、１行にある各ＲＳＲは、スペクトルの異なる部分（波長又は波長域）に関する情報を表している。以下により詳細に示すように、スペクトルの一部分のみが多くの場合に分析の対象になる。従って、１行の全てのＲＳＲを読むことは、必要ではない場合がある。更に、以下でより詳細に説明するように、特定の期間中に又はいくつかの期間中に収集された情報のみが、多くの場合に分析の対象になる場合がある。関連の期間は、関連のスペクトルの各部分で異なる可能性がある。従って、全てのＲＳＲ行からの読み出し情報は、必要でない場合がある。関連のＲＳＲのみを読むことは、全てのＲＳＲを読むのにかかると考えられる時間よりも少ない時間しかかからない。従って、関連のＲＳＲに関する情報が読まれ、線形センサアレイは電荷を一掃され、全てのＲＳＲが読まれると仮定した場合よりも迅速にその後の分光学的イベントからのデータを取得するように線形センサアレイに準備させることができる。
【００４２】
ピクセル復号器、ＲＳＲ復号器、及びＲＳＲ読み出しチェーン
２つの復号器を図２に示す実施形態において使用する。すなわち、１３ビットピクセル復号器及び５ビットＲＳＲ復号器である。１３ビットピクセルアドレス復号器（「ピクセル復号器」と呼ぶ）は、読み出されるピクセルを選択することを担当し、５ビットＲＳＲアドレス復号器（「ＲＳＲ復号器」と呼ぶ）は、読む又は書くためのＲＳＲを選択する。他の実施形態では、当業者には分るであろうが、他の数のアドレスビットが使用される。読み出しチェーンは、各線形ＣＩＤピクセルの感知フォトゲートに接続される増幅器及びＣＤＳ回路を含む。
【００４３】
上述のように、ＲＳＲは、効率的にランダムにアクセス可能なアナログメモリデバイスである。単一のＲＳＲセルの結線図を図５に示している。ＣＤＳ回路から来るアナログ電圧情報は、コンデンサ「Ｃ」上の電荷として格納される。この情報は、トランジスタスイッチ「Ｔ１」を通してストレージコンデンサに接続することができる垂直バス「Ｗｒｉｔｅ＿Ｍ」を通してセルにもたらされる。ＲＳＲの行「Ｎ」を書くために、「Ｗｒｉｔｅ＿sｅｌｅｃｔ＿Ｎ」は、アドレス「Ｎ」が５ビットＲＳＲ復号器によってラッチされた後に、入力信号「Ｗｒｉｔｅ＿Ｍ」を「高」に設定することにより、「高」に設定される。
【００４４】
ＲＳＲは、ビデオ増幅器の入力をもたらす垂直バス「Ｒｅａｄ＿Ｍ」を通して読むことができる。このバスは、トランジスタスイッチ「Ｔ２」を通してストレージコンデンサ「Ｃ」に接続することができる。行Ｎ、ピクセルＭのメモリ位置を読むために、３つの条件を達成する必要がある。第１に、アドレス「Ｎ」は、５ビットＲＳＲ復号器内にラッチする必要がある。第２に、ピクセルアドレス「Ｍ」は、１３ビットピクセル復号器によってラッチする必要があり、最後に、入力信号「Ｖｉｄｅｏ＿ｒｅａｄ」は、「高」に設定する必要がある。これらの３つの条件が達成される時、トランジスタのゲート「Ｔ２」が「高」に設定され、従って、「Ｔ２」スイッチを閉じて、ＲＳＲセルの情報がビデオ信号として読み出されるのを可能にする。
【００４５】
ＲＳＲの全て又は一部における電荷に関する情報は、線形センサアレイから選択的に読むことができる。線形センサアレイは、ＲＳＲ内の電荷の量をデジタル化し、ＲＳＲ内の電荷の量に関する情報を線形センサアレイ外部のデバイスに供給するために、１つ又はそれよりも多くのアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を含むことができる。代替的に、ＡＤＣは、線形センサアレイの外部に存在することができる。一実施形態では、線形センサアレイは、ＡＤＣを含まず、その代わりに１つ又はそれよりも多くの別のＩＣ上に設けられた外部ＡＤＣ又はＡＤＣの組にアナログ信号を供給する。
【００４６】
ＲＳＲの全て又は選択された部分集合（連続的又は不連続的）は、読むためにランダムにアドレス可能である。選択されたＲＳＲは、残りのＲＳＲを読むことなく読むことができる。従って、関連の時間の関連のピクセルに関する情報が、線形センサアレイから読み出され、次に、感光性ピクセルから電荷を一掃することができる。関連のＲＳＲは、ＲＳＲの全てを読むように要求されると考えられる時よりも少ない時間で読むことができ、従って、時間分解分光法に使用される従来の２次元ＣＣＤデバイス及び線形ＣＣＤデバイスに勝る利点をもたらす。
【００４７】
電子制御システムアーキテクチャ
線形センサアレイは、様々な電子制御システムによって制御することができる。線形センサアレイ制御システムの一実施形態は、発光分光法「携帯合金分析計器（ＰＡＡＩ）」に使用することを目的とする「二重線形ＣＩＤ撮像装置制御器（ＤＬＩＣ）」及び「撮像装置専用インタフェース（ＩＳＩ）」サブシステムである。ＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムはまた、検出器の異なる線形アレイと交わる回折格子の複数の次数を提供するために、プリズムのような次数分類器によって光信号が直交分散されるあらゆる別の計器と共に使用することができると考えられる。例示的なＤＬＩＣの詳細なブロック図は、図６に提供している。
【００４８】
ＤＬＩＣ／ＩＳＩサブシステムは、「デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）」ベースのコントローラと二重線形ＣＩＤ分光計サブアセンブリとの間のインタフェース及び制御信号を提供する。このようなサブシステムは、特にＯＥＳ分光計とのインタフェースで接続するのに適している。分光計は、二重の（又は他のいずれかの数の）熱電（ＴＥ）冷却線形ＣＩＤ撮像装置を含むことができる。
【００４９】
本明細書で説明する線形ＣＩＤデバイス及びＤＬＩＣは、時間遅延積分（ＴＤＩ）モード（以下に説明）において行ストレージレジスタ（ＲＳＲ）の読み出しを助け、１６ビットビデオ信号デジタル処理又はアナログ信号読み出しを提供し、破壊的読み出し（図４Ｃに連続的に続く図４Ｂを参照）、非破壊的読み出し（図４Ｂを参照）、光子生成電荷の全体的な注入及び光子生成電荷のセグメント注入（図４Ｃを参照）を助け、実時間一定パターンノイズ（ＦＰＮ）減算及び直接読み出し極限ダイナミックレンジ（以下に説明）アルゴリズムを助け、並列の撮像装置読み出し（線形ＣＩＤ撮像装置のいずれかの数において）、及びＤＳＰへの実時間画像データ転送を助けることができる。更に、一体型湿度センサをＤＬＩＣインタフェース内に含むことができる。本発明の好ましい実施形態では、線形ＣＩＤデバイスの温度は、暗電流を低減し、かつＳＮ比を改善するために周囲よりも低い温度で安定させる必要がある。
【００５０】
時間積分及び時間分解アルゴリズム
結合した線形ＣＩＤ及びＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムは、関連の時間積分又は時間分解データを生成するために、様々なアルゴリズムと共に使用することができる。以下のアルゴリズム、すなわち、「時間遅延積分（ＴＤＩ）」アルゴリズム、「時間分解分光法（ＴＲＳ）」アルゴリズム、「ランダムアクセス積分（ＲＡＩ）」アルゴリズム、及び「極限ダイナミックレンジ（極限ＤＲ）」アルゴリズムを説明する。
【００５１】
時間遅延積分（ＴＤＩ）アルゴリズム
線形ＣＩＤとＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムとを組み合わせたシステム内に含まれる「時間遅延積分（ＴＤＩ）」アルゴリズムの１つの目的は、スパーク発光分光法（ＯＥＳ）のような一定の繰返し数で起こる個々の分光学的イベントに関する正確な高分解能時間分解データを提供することである。
【００５２】
一実施形態では、ＴＤＩアルゴリズムは、十分な時間分解能を有し、一定の時間増加単位で個々のスパーク放電からの信号の３２のＲＳＲサンプルまでを格納し、次のスパーク放電の前にこれら３２のＲＳＲサンプルを読んで線形センサから離れたメモリ（一般的に静的ランダムアクセスメモリ、ＳＲＡＭ）に送る。例えば、スパークが２００Ｈｚで行われる時、５ミリ秒（ｍs）毎にスパーク放電が起こる。図７は、２００Ｈｚのスパーク速度における１個のスパーク放電と第２の放電の開始とからできた、各々が時間の関数としてプロットされた、２つの仮想の信号６２及び６４を示している。太い信号プロフィール６２は、中性ニッケルに関する２０６ｎｍ輝線において検出された信号を示すが、細い信号プロフィール６４は、Ｎｉ２０６輝線の近くのバックグランド放射による信号を示している。バックグランド信号６４は、Ｎｉ２０６ｎｍ信号６２よりも急激に低下する。最適なＳＮ比（及び従って検出限界）は、信号対バックグランド比が最大化される領域（例えば、図７のＲＳＲ２とＲＳＲ５との間）に観測窓を開閉することによって達成することができる。
【００５３】
最大の信号対バックグランド比の領域におけるこの時間的ゲートを達成するために、一実施形態の線形ＣＩＤは、一定のユーザ指定の時間増加単位でスパーク放電の３２の時間分解サンプルを格納することができる。図８は、線形ＣＩＤデバイス上の３２のＲＳＲ（ＲＳＲ０〜ＲＳＲ３１）の図式的表現を提供する。ＲＳＲの他の数は、他の実施形態において使用することができる。
【００５４】
時間分解分光法の例をこれから図８を参照して提供する。スパーク周波数は、２００Ｈｚと仮定する。最適なＮｉ２０６ｎｍ（ピクセルＸNi＝９４７、ｄＸNi＝１１のピクセル）ＳＮ比は、スパーク放電後の１００μsから２００μsの間に起こることを仮定する。最適なＣｒ２６７ｎｍ（ピクセルＸCr＝１、３８７、ｄＸCr＝１３のピクセル）ＳＮ比は、スパーク放電後の１４０μsから２８０μsの間に起こることを仮定する。この場合に、ＴＤＩモードは、３２個の２０μs時間サンプリングを実行するために３２のＲＳＲに設定され、スパーク放電後の合計６４０μsを取得すると考えられる。６４０μsが２０μsの増加単位で得られると、ＴＤＩアルゴリズムは、ピクセル９４７から９５９までに関するＲＳＲ４からＲＳＲ９まで（放電後１００μsから２００μsの間）のＮｉ２０６ｎｍデータと、ピクセル１、３８７から１、４００までに関するＲＳＲ６からＲＳＲ１３まで（放電後１４０μsから２８０μsの間）のＣｒ２６７ｎｍデータとを抽出する。５ＭＨｚのピクセル速度で個々のピクセルＲＳＲを読むことは可能であるので、これらのＮｉ２０６ｎｍに関する５５のＲＳＲ（１１のピクセルの各々に関して５のＲＳＲ）及びＣｒ２６７ｎｍに関する９１のＲＳＲ（１３のピクセルの各々に関して７のＲＳＲ）の読み出しは、合計２９．２μsを必要とする。ＲＳＲ読み出しが完了した後に、線形ＣＩＤ上の全てのピクセルは、１０μsの全体注入を使用して光子生成電荷を一掃される（図４Ｃを参照）。
【００５５】
従って、３２個の２０μs時間サンプルのＴＤＩサンプリング、１４６のピクセルＲＳＲの読み出し、及びデバイスの注入の間に、合計６７９．２μsが経過する。２００Ｈｚスパークによってスパーク放電間に５０００μsが存在するので、スパーク間にこの例のようなＴＤＩ分析を実行する十分な時間がある。
【００５６】
上述の場合には、解析的に有用な情報がＲＳＲの小部分集合から得られるという点において比較的簡単な例である。以下の場合には、より複雑である。スパーク周波数が５００Ｈｚ（放電間２ｍs）まで増加し、ＴＤＩサンプリングが５μsの速度で起こると仮定する（この実施形態の線形ＣＩＤにおける最速可能ＲＳＲ行書込み時間は、約１〜３μsであり、この速度において、信号対ノイズは低下する可能性がある）。時間的制約のために、一実施形態の線形ＣＩＤデバイス上にある全４、１６０のピクセルに関する全３２のＲＳＲを読むことは、実行不可能になる。
【００５７】
しかし、１５０ｎｍから８００ｎｍの間のスパークＯＥＳスペクトルの大部分は、解析的に有用ではない。更に、一般的な分析における解析的に関連の波長においてさえも、ユーザは、通常は僅かのＲＳＲからのデータしか必要としない。関連のＲＳＲが、波長から波長に（すなわち、ピクセル領域からピクセル領域に）変化する場合があるが、関連の全ての波長に関する全３２のＲＳＲを読むことは、必要ではない場合がある。表１は、一実施形態の線形ＣＩＤにおいて１００Ｈｚから１、０００Ｈｚまでの範囲のスパーク周波数に対して読むことが可能なＲＳＲの総数の試算を提供する。１、０００Ｈｚの最速スパーク周波数においてさえも、スパーク放電間に著しい数のＲＳＲ読み出し（約３、３００）を達成することが依然として可能であることに注意されたい。
【００５８】
【００５９】
以下の実施例で理解することができるように、比較的低いスパーク周波数において、ＲＳＲ行書込時間は、スパーク放電間に達成することができる個々のＲＳＲピクセル読み出しの数に小さい影響しかもたらさない。スパーク周波数が２００Ｈｚ（放電間５ｍs）であると仮定し、ユーザが、サンプリング当り１０μsで３２のＴＤＩサンプルを要求すると仮定する。この場合に、ＴＤＩサンプリングのための３２０μsと線形ＣＩＤの注入のための１０μsとを減算した後に、ＲＳＲ読み出しのために４、６７０μsが残ることになる。５ＭＨｚのＲＳＲ読み出し速度において、その時間は、２３、３５０個のＲＳＲピクセル読み出しに相当する。その一方、ＴＤＩサンプリング増分が１μsまで減少した場合に、ＴＤＩサンプリングのための３２μsと線形ＣＩＤの注入のための１０μsとを減算した後に、ＲＳＲ読み出しのために４、９５８μsが残ることになる。５ＭＨｚのＲＳＲ読み出し速度において、その時間は、２４、７９０個のＲＳＲピクセル読み出し、又は１０μsのＴＤＩサンプリング速度で達成することができる時よりも約６％だけ多い読み出しに相当する。
【００６０】
スパーク周波数（スパーク放電間の時間間隔を決める）、ＴＤＩサンプリング速度、及び光子生成電荷を線形ＣＩＤデバイスから一掃するのに必要な時間量が与えられる時、次のスパーク放電の前に読むことができるピクセルＲＳＲの数に限界がある。表１に示すように、スパーク周波数が４００Ｈｚであり、ＴＤＩサンプリング速度が１０μsであり、線形ＣＩＤ一掃時間が１０μsである時、個々のＲＳＲピクセル読み出しのために２、１７０μsが利用可能である。５ＭＨｚのＲＳＲピクセル読み出し速度は、合計１０、８５０のＲＳＲピクセル読み出しに相当する。全３２のＲＳＲ行ではなく、ピクセル当り平均５のＲＳＲのみを問い合わせすることが必要な時、２、１７０ピクセルと同数（又は４、１６０のピクセルを有する一実施形態の線形ＣＩＤデバイスの半分よりも僅かに多く）のＴＤＩ試験を実施することができる。
【００６１】
スパーク発光間に問い合わせすることができる個々のピクセルＲＳＲの総数は、スパーク周波数、ＴＤＩサンプリング速度、及び線形ＣＩＤ注入時間によって制限される。これらの制限内で、ピクセル領域のあらゆる数（Ｘｏ、ｄＸによって判断される）を観測することができる。
【００６２】
本発明のある一定の実施形態内では、線形ＣＩＤアレイ内のピクセルの数は、必要なスペクトルチャンネルの数を超える。スペクトル撮像のために使用されるピクセルのいずれかの側に対する付加的なピクセルは、アラインメント公差を軽減するように機能することができる。更に、垂直ピクセル寸法（すなわち、アレイ方向に対して垂直である）は、画像サイズよりも大きく、また、例えば、分光計の分散要素に対するアレイの配置に関するアラインメント公差を軽減することができる。更に、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの数は、露出された電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの特定の数を上回り、極限のスペクトルチャンネルは、アラインメント又は他の作動条件の変動のために変化する可能性がある特定のピクセルに対応することができる。従って、ピクセル番号への波長の登録は、本発明が組み込まれる計器の作動の進行中に動的に変化する場合がある。
【００６３】
時間分解分光法アルゴリズム
線形ＣＩＤとＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムとを組み合わせたシステム内に収容された「時間分解分光法（ＴＲＳ）」アルゴリズムの目的は、線形ＣＩＤデバイス上の一連のユーザ指定の「関連領域（ＲＯＩ）」に対する時間に関する信号をモニタすることである。
【００６４】
本発明の範囲は、本発明を適用することができる分光法技術に限定されることはない。このような技術の例には、レーザ誘起絶縁破壊分光法（ＬＩＢＳ）、スパーク発光分光法（ＯＥＳ）、イオンクロマトグラフィー誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣ−ＩＣＰ−ＯＥＳ）、高速液体クロマトグラフィーＩＣＰ−ＯＥＳ（ＨＰＬＣ−ＩＣＰ−ＯＥＳ）、及びフローインジェクション分析ＩＣＰ−ＯＥＳ（ＦＩＡ−ＩＣＰ−ＯＥＳ）が含まれる。線形ＣＩＤのＴＲＳアルゴリズムはまた、ＨＰＬＣのための紫外可視吸収検出、時間分解蛍光のような他の時間分解用途に有利に使用することができる。
【００６５】
例示的なＴＲＳアルゴリズムの基本的な流れ図を図９に示している。他のアルゴリズムは、本発明の範囲内で使用することができるが、実施例として本明細書で説明するアルゴリズムは、経過時間と現在の信号の両方をモニタすることによって信号データ点を時間ベースで取得する。新しい点が得られる時間又は信号のいずれかに到達すると、線形ＣＩＤのＲＯＩ（Ｘｏ及びｄＸに依存する）が読まれ、データは、ＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）に格納される。
【００６６】
アルゴリズムの詳細を続ける。ユーザは、線形ＣＩＤ上に開始ピクセル（Ｘｏ）及び領域サイズ（ｄＸ）を含む１つ又はそれよりも多くのＲＯＩを判断する。グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）は、この目的のために使用することができる。アルゴリズムは、その際に、これらのＲＯＩを集合させて循環ＲＯＩ待ち行列にする。
【００６７】
アルゴリズムの第１の段階は、循環観測待ち行列の最上部のＲＯＩを読むことである。線形ＣＩＤ上で実行される全ての読み出しは、光子生成電荷に関しては非破壊的であることに注意されたい。これは、線形ＣＩＤ上のいずれかのピクセルがそのピクセル位置（又は別のいずれかのピクセル位置）における光子生成電荷に影響を与えることなくいずれかの点において時間ベースで問い合わせすることができることを意味している。ＲＯＩを読んだ後に、アルゴリズムは、ＲＯＩにおける最大ピクセル信号（Ｓmax）、すなわち、最大の蓄積光子生成電荷を有するＲＯＩ内のピクセルの信号を判断する。この最大信号（Ｓmax）は、次に、ユーザ指定の信号増分に対して比較され、現在の露出時間は、ユーザ指定の時間増分に対して比較される。ユーザ指定の信号増分又はユーザ指定の時間増分のいずれかに到達すると、ＲＯＩピクセルデータは、読み出しのためのタイムスタンプと共にＤＬＩＣのＲＡＭに格納される。ユーザ指定の信号増分とユーザ指定の時間増分のいずれにも到達しなかった時、ＲＯＩは、循環して観測待ち行列の最下部に至り、循環待ち行列内の次のＲＯＩが質問される。
【００６８】
ユーザ指定の信号増分及びユーザ指定の時間増分は、ＧＵＩの全てのＲＯＩに関して全体的にユーザによって判断することができる。例えば、信号増分は、線形ＣＩＤデバイス飽和容量の百分率として設定することができ、信号増分をより低い値に設定することにより、ユーザは、信号が急速に立ち上がっている間に、より頻繁に時間分解ピクセルデータをアルゴリズムに取得させることができる。このようにして、クロマトグラフィーピークのような過渡現象の時間プロフィールをより正確に判断することができる。
【００６９】
一実施形態では、時間増分の値を約１μsと同じ低さに、また約１０秒と同じ高さに設定することができる。通常、時間増分は、約０．００１秒から約１秒の間の値に設定される。ユーザが一定の時間増分でデータ点を取得することを望む時、信号増分は、飽和容量の１００％に設定される。このようにして、時間増分は、いつも信号増分よりも前に達成される。
【００７０】
時間分解データ点が得られた後に、アルゴリズムは、閾値信号（通常は、線形ＣＩＤ飽和容量の７５％）に対して、すなわち、所定の値又はユーザによって入力された値に対してＲＯＩの最大信号（Ｓmax）を検査する（上述のように）。信号が閾値レベルを超えると、信号は、飽和状態に接近している可能性があり、ＲＯＩは、光子生成電荷を一掃される。このようにして、ＲＯＩに関する信号が線形ＣＩＤの飽和レベル（すなわち、飽和容量）を超えるのを防止することができる。アルゴリズムのこの点において、ＲＯＩは、循環して観測待ち行列の最下部に至り、待ち行列内の次のＲＯＩが質問される。
【００７１】
図１０Ａ〜図１０Ｃは、信号積分の進行中の個々のＲＯＩからの一掃を示すか又は示さないかの２つの場合の例を示している。図１０Ａ〜図１０Ｃに示す２つのＲＯＩに関する信号対時間のプロフィールは、ＴＲＳアルゴリズムを使用して同時に得られる。図１０Ａにおいて、露出を継続する経路の約６０％でプロフィール９２によって示したＲＯＩの信号においてガウス分布スパイクが発生する。しかし、図１０Ａに示すように、信号９２は、閾値レベルに到達することはなく、従って、ＲＯＩを一掃することは必要ではない。単純な積分信号対時間プロフィールのＲＯＩのガウス分布ピークが観測される。
【００７２】
しかし、図１０ＡのＲＯＩプロフィール９４によって示した状況は、より複雑である。積分ガウス分布信号スパイクが、露出を継続する経路の約４０％でこのＲＯＩ上に観測される。この信号スパイクは、信号を閾値信号レベル（飽和容量の７５％）に到達させるのに十分な強度のものであり、従って、信号スパイクが消えていく時にＲＯＩから光子生成電荷を一掃することが必要である。最初のＲＯＩ一掃の後に、信号は、積分ガウス分布スパイクの残りの間に上がり続ける。スパイクが完全に消えた後に、信号レベルが再び閾値レベルに到達する露出を継続する経路の約７０％までは、単純なバックグランド信号のために、信号は、上がり続ける。この点において、ＲＯＩは再び一掃される。この一掃の後に、ユーザ指定の露出時間に到達するまでは、バックグランドのために、信号は上がり続ける。
【００７３】
ＴＲＳ露出の完了後に、ＲＯＩ一掃点は、ＲＯＩ一掃の前の点で得られた信号をＲＯＩ一掃後に測定された全ての信号レベルに加えることによって除去される。この信号補正処理の結果は、図１０Ｂに示し、ＲＯＩ信号９２と９４の両方に関して連続的な積分信号レベルが観測される。図１０ＢのＲＯＩ信号の時間微分は、図１０Ｃに示している。所望により、グラフィカルユーザインタフェースは、ユーザが、ＲＯＩ一掃点の全てを示している生信号モード（図１０Ａのような）において、積分モード（図１０Ｂのような）において、１次微分モード（図１０Ｃのような）において、及び場合により２次微分モード（図示せず）においてプロット表示するのを可能にする。
【００７４】
図１１は、ＴＲＳアルゴリズムの１つの可能な用途を示している。本発明の実施形態によってもたらされた時間分解のレベルにより、個々のＯＥＳスパーク放電を時間ベースで分解することができ、個々のスパーク放電を分解する機能により、元素のスペシエーションを実行することが可能になる。例えば、鋼鉄の分析において、アルミニウムの総含有量を計量するだけでなく、Ａｌ2Ｏ3含有物（「不溶性」アルミニウム）及び元素金属Ａｌ（「可溶性」アルミニウム）を計量することができる点が有用である。図１１に示すようなＡｌ３０８ｎｍ発光の仮想の１次微分ＴＲＳ走査において、より強いピークは、Ａｌ2Ｏ3含有物に当たる個々のスパークによるものであり、より弱いピークは、元素金属Ａｌを有する位置に当たる個々のスパークによるものである。このようなＴＲＳ走査からのデータにより、適切なアルミニウム分析統計値を生成することができ、総アルミニウム量、並びにＡｌ2Ｏ3及び金属Ａｌ濃度を判断することができる。
【００７５】
ランダムアクセス積分
線形ＣＩＤとＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムとを組み合わせたシステム内に収容された「ランダムアクセス積分（ＲＡＩ）」アルゴリズムの目的は、線形ＣＩＤデバイス上の一連のユーザ指定の関連領域（ＲＯＩ）に対してユーザ指定の期間にわたって全積分信号をモニタすることである。
【００７６】
ＲＡＩアルゴリズムは、経験的に観測された光子束に基づいてＲＯＩからＲＯＩまでの有効な露出時間を制御し、従って、可能な時にＲＯＩ上の線形ＣＩＤ飽和を防止する。このアルゴリズムはまた、可能な時には、ＳＮ比を光子発射ノイズ制限ドメインに押し込むために、非破壊的読み出し（ＮＤＲＯ）の数を変化させることができる。
【００７７】
このアルゴリズムの基本的な流れ図は、図１２において示している。ＲＯＩは、ＲＯＩ待ち行列の最上部まで移動し、ＲＯＩは非破壊的に読まれる。次に、アルゴリズムは、通常は飽和信号の約７５％（又は別の適切な値）に設定されている閾値信号に対してＲＯＩの最大ピクセル信号を検査する。最大ピクセル信号が閾値信号を上回らない時、ＲＯＩは、循環してＲＯＩ待ち行列の最下部に至る。ＲＯＩ上の最大信号が閾値信号を超える時、ＲＯＩ読み出しからのピクセルデータ及びタイムスタンプは、ＲＡＭに格納され、セグメント注入命令を使用して、ＲＯＩは光子生成電荷を一掃される。この点において、ＲＯＩは、循環してＲＯＩ待ち行列の最下部に至り、この処理は、待ち行列内の次のＲＯＩにおいて繰り返される。この処理の結果は、図１３に示している。
【００７８】
いずれかの所定のＲＯＩ上の信号がユーザ指定の露出時間（通常５〜６０秒）の間に閾値信号に達する時、単一の非破壊的読み出しだけが、ＳＮ比を光子発射ノイズ制限ドメインに押し込むように要求される。しかし、所定のＲＯＩ上の信号がユーザ指定の露出時間にわたって閾値に達しない時、ＳＮ比を光子発射ノイズ制限ドメインに押し込むために、最後の読み出しに複数の非破壊的読み出しを使用することができる。
【００７９】
図１３は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）が使用される場合のように、定常状態光源（すなわち、光子束がデータ取得の時間スケールにおいて時間と共に高々ゆっくりと変化するような光源）がある時の３つのＲＯＩに関する仮想の信号対露出時間プロフィールを示している。プロフィール１３０によって示したＲＯＩは、強く照射される。３つの均等に離間した間隔において、ＲＯＩ上の信号は、閾値信号レベルに達する。これらの点において、ＲＯＩに関するピクセルデータは、タイムスタンプを押され、かつ格納する必要があり、ＲＯＩは、次のサイクルを見越して一掃する必要がある。ユーザ指定の露出期間（露出時間）の最後に、３つの積分注入サイクルからのデータと露出時間において得られた最後の読み出しからのデータとが合計され、ＲＯＩに関する時間積分信号データを生成する。プロフィール１３２によって示したＲＯＩは、強くは照射されていない。このプロフィールは、ユーザ指定の露出時間が終了する前に１つの積分注入サイクルのみを有し、最後の時間にわたって読み出される。線１３４によって示したＲＯＩは、弱く照射される。ＲＯＩ上の信号は、ユーザ指定の露出時間の間には閾値に到達しない。ＲＯＩに関するピクセルデータは、露出時間が終了した後に一度かつ一度だけ格納される。ＲＯＩを読むのに使用される非破壊的読み出し（ＮＤＲＯ）の数は、可能な時には、ＳＮ比を光子発射ノイズ制限ドメインに押し込むように設定される。３つ全てのＲＯＩは、信号強度に関係なく同じ時間間隔の間に観測されることに注意されたい。このようにして、線形ＣＩＤシステムの線形ダイナミックレンジは、光源の線形ダイナミックレンジに合うように拡張することができる（約６桁から８桁の間のように）。
【００８０】
極限ダイナミックレンジアルゴリズム
線形ＣＩＤとＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムとを組み合わせたシステム内に収容された「極限ダイナミックレンジ（極限ＤＲ）」アルゴリズムの目的は、拡張されたダイナミックレンジを用いて線形ＣＩＤデバイス上の全てのピクセルにわたり、ユーザ指定の期間にわたって全積分信号をモニタすることである。「極限ＤＲ」アルゴリズムは、経験的に観測された光子束に基づいてＲＯＩからＲＯＩまでの有効な露出時間を制御し、従って、可能な時には、全ての線形ＣＩＤピクセル上の飽和を防止する。
【００８１】
「極限ＤＲ」アルゴリズムは、以下のように実行する。線形ＣＩＤは、短い「予備露出」期間にわたって光源に露出される。予備露出の時間は、通常はユーザ指定の露出期間の０．４％から１％の間である。予備露出及びユーザ指定の露出期間からの線形ＣＩＤピクセル信号に基づいて、ユーザ指定の露出期間において又はその前に飽和信号レベル（飽和容量又は別の適切な値）に達する線形ＣＩＤ上のこれらのピクセル（ＲＯＩ）が識別される。線形ＣＩＤデバイスは、次に、全体的に光子生成電荷を一掃され、ユーザ指定時間の露出が開始される。露出中に、予備露出ルーチンによって識別されたＲＯＩは、図１４に示すように、アルゴリズム指定の間隔で読まれて光子生成電荷を一掃される。
【００８２】
図１４は、予備露出ルーチンによって識別された３つのＲＯＩに関する仮想の信号対露出時間のプロフィールを示している。プロフィール１５０によって示したＲＯＩは、強く照射される。９つの均等に離間した間隔において、ＲＯＩは読まれ、ピクセルデータは、タイムスタンプを押されて格納され、ＲＯＩは、次のサイクルを見越して一掃する必要がある。ユーザ指定の露出期間の最後に、９つの積分注入サイクルからのデータとユーザ指定の露出時間に得られた最後の読み出しからのデータとが合計され、ＲＯＩに関する時間積分信号データを生成する。プロフィール１５２によって示したＲＯＩは、強くは照射されていない。このプロフィールは、ユーザ指定の露出時間が終了する前に３つの積分注入サイクルのみを有し、最後の時間にわたって読まれる。線１５４によって示したＲＯＩは、弱く照射される。このプロフィールは、ユーザ指定の露出時間が終了する前に１つの積分注入サイクルのみを有し、最後の時間にわたって読み出される。
【００８３】
線形ＣＩＤピクセルの並列ＣＤＳサンプリングに関するオーバヘッドを最小限にするために、予備露出アルゴリズムによって識別された全てのＲＯＩは、同じ並列ＣＤＳサンプリングを使用して読まれる。図１４に示す実施例において、プロフィール１５０によって示したＲＯＩは、２秒間隔でＣＤＳサンプリングによって読まれる。第３の２秒ＣＤＳサンプリング毎に、プロフィール１５２によって示したＲＯＩも読まれ、第９番目の２秒ＣＤＳサンプリング毎に、プロフィール１５４によって示したＲＯＩも読まれる。
【００８４】
予備露出ルーチンによって識別された全てのＲＯＩは、信号強度に関係なく同じユーザ指定の露出期間にわたって観測されることに注意されたい。このようにして、線形ＣＩＤシステムの線形ダイナミックレンジは、光源の線形ダイナミックレンジに合うように拡張することができる（約６桁から９桁の間のように）。
【００８５】
ユーザ指定の露出期間が終了した後に、予備露出によって識別されたＲＯＩ内に存在しなかった全ての線形ＣＩＤピクセルが読まれる。このようにして、線形ＣＩＤ上の全てのピクセルに関する信号データが得られる。図１４のプロフィール１５０、１５２、及び１５４によって示したデータのように、より強く照射されたピクセルに関するピクセルデータが、ユーザ指定の露出期間にわたって得られ、より弱く照射されたピクセルに関するピクセルデータは、ユーザ指定の露出期間の後に得られる。
【００８６】
従って、ランダムピクセルアドレス指定と、非破壊的読み出しと、線形ＣＩＤ及びＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムの選択的なピクセル一掃の特徴とを利用して、極限ＤＲ露出モードは、経験的に観測された光子束によって判断された周波数で、強く照射されたピクセル領域を読み取ってリセットする。このモードにおいて、ダイナミックレンジは、飽和容量によって制限されない。代替的に、ダイナミックレンジは、ＲＯＩを読み、かつ一掃することができる最大周波数によって制限される。この周波数は、３００〜１０、０００Ｈｚの範囲（０．１〜３．３ミリ秒のサイクル）にあることができる。
【００８７】
「極限ＤＲ」アルゴリズムの一実施形態では、ＲＯＩを読み、かつ一掃することができる最大周波数、従って、達成することができる最大ダイナミックレンジは、予備露出の時間によって制限される。例えば、ユーザ指定の露出時間が６０秒で、予備露出時間が０．３０秒である時、ＲＯＩを読み、かつ一掃することができる最大周波数は、約３００Ｈｚに制限される場合がある。この場合及び他の同様の場合には、ダイナミックレンジは、より短い時間の第２の予備露出を実行することにより、更に拡張することができる。本明細書に記載した実施例では、０．０３秒時間の第２の予備露出を実行することができる。第２の０．０３秒予備露出からの線形ＣＩＤピクセルデータは、０．０から０．３秒の間の露出時間（第１の予備露出の時間）において線形ＣＩＤピクセルを飽和させるＲＯＩを識別するのに使用され、第１の０．３秒予備露出は、０．３秒からユーザ指定の全露出時間の間の露出時間において線形ＣＩＤピクセルを飽和させるＲＯＩを識別するのに使用されると考えられる。この結果は、ＲＯＩを読み、かつ一掃することができる最大周波数においては約３０００Ｈｚまでの増加になり、ダイナミックレンジにおいては１桁の増加になるであろう。一部の実施形態では、これらの予備露出の順序は、反対になる場合がある。一部の実施形態では、２つの予備露出の一方又は両方の時間は、自動的に計算することができる。一実施形態では、より短い予備露出の時間は、既定の又はユーザ指定のより長い予備露出の分割量とすることができる。
【００８８】
概略的に説明すると、ダイナミックレンジは、１つ又はそれよりも多くのスカラー値をあらゆる数の次元の空間の順序付けされた要素に関連付けるあらゆる撮像システムに対して拡張することができる。スカラー値は、励起に対する信号応答を特徴付ける値、例えば、特定の検出器要素上の検出強度である。空間の順序付けされた要素には、空間の順序付けされた要素の部分集合として定められた少なくとも１つの関連領域が含まれる。関連の各領域は、関連領域の要素の１つにおいて電荷が飽和する時間に対応する閾値時間によって特徴付けられる。撮像に対して撮像システムを設定するために、撮像システムは、第１の予備露出時間にわたって最初に励起に露出され、閾値時間が指定の持続時間を超えるような全ての関連領域に関する閾値時間を判断する。次に、撮像システムは、第１の予備露出時間よりも短い第２の予備露出時間にわたって励起に露出され、閾値時間が指定の持続時間よりも短い関連領域に関する閾値時間を判断する。判断された閾値時間に基づいて、空間の順序付けされた要素の値は、対応する関連領域に関して判断された閾値時間に応じて読まれ、かつリセットされる。
【００８９】
本明細書では、４、１６０の感光性ピクセルを有する集積回路を説明してきたが、他の数の感光性ピクセルを含むことができる。具体的には、アラインメント公差を軽減するために、かつピクセル番号への動的に変化する波長の登録に備えるために、設けられる感光性ピクセルの数は、実際に使用されるスペクトルチャンネルの数を超えることが望ましい。
【００９０】
更に、感光性ピクセルの１次元アレイを有する集積回路を説明してきたが、感光性ピクセルの２次元アレイを含むことができる。このような場合には、感光性ピクセルの各行に個別の組のＲＳＲを設けることができる。一実施形態では、ＲＳＲの各組は、別々の平面として実施される。別の態様では、２次元デバイスが、上述の方法と同様の方法で作動し、すなわち、全ての感光性ピクセルセル内の電荷の複写が、選択されたＲＳＲの組に並行して複写される。このようなデバイスは、スペクトル及び他の種類の画像を含む時間分解２次元画像を供給するために使用することができる。
【００９１】
線形ＣＩＤセンサのアーキテクチャに適用することができる例示的な原理は、図２に示すブロック図を参照して本明細書で説明し、ピクセル及び／又はＲＳＲの特定の数に言及したが、これらの数は一例を示すためだけである。それと同様に、これらの原理は、感光性ピクセルが１つの基板上に形成され、行ストレージレジスタが別の基板上に形成され、これら２つの基板は、インジウムバンプ結合などによって結合される回路のような混成集積回路に適用することができる。（このような結合は、Ｊａｍｅs Ｇ．Ｍａｉｎｐｒｉｚｅ他著「デジタルマモグラフィのためのスロット走査式フォトダイオードアレイ／ＣＣＤ混成検出器」、２００２年６月２５日、医学生物物理学部、トロント大学、サニーブルック、及び女子大保健科学センター、トロント、オンタリオ、Ｍ４Ｎ３Ｍ５、カナダに記載されており、その内容は、引用により本明細書に組み込まれている。）これらの原理は、センサを有する基板又は集積回路とストレージセルを有する基板又は集積回路との他の組合せにも適用することができる。
【００９２】
スペクトル分析器は、メモリに格納された命令によって制御されるプロセッサを含むものとして説明した。メモリは、制御ソフトウエア又は他の命令及びデータを格納するのに適するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、又はいずれかの他のメモリ、又はその組合せとすることができる。スペクトル分析器によって実行される機能の一部は、流れ図を参照して説明した。流れ図の各ブロックの全て又は一部分又はブロックの組合せの機能、作動、判断などは、コンピュータプログラム命令、ソフトウエア、ハードウエア、ファームウエア、又はその組合せとして実施することができることを当業者は容易に認めるはずである。本発明の機能を判断する命令又はプログラムは、以下に限定されるものではないが、書込不能ストレージ媒体（例えば、ＲＯＭのようなコンピュータ内の読み出し専用メモリデバイス、又はＣＤ−ＲＯＭ又はＤＶＤディスクのようなコンピュータＩ／Ｏアタッチメントによる可読デバイス）に永久に格納される情報、書込可能ストレージ媒体（例えば、フロッピーディスク、着脱式フラッシュメモリ、及びハードドライブ）に変更可能に格納される情報、又はコンピュータネットワークを含む通信媒体を通してコンピュータに伝送される情報を含む多くの形式でプロセッサに供給することができることも当業者は容易に認めるはずである。更に、本発明は、ソフトウエアにおいて実施することができるが、本発明を実施するのに必要な機能は、代替的に、組合せ論理、「特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）」、「フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）」、又は他のハードウエア、又はハードウエア、ソフトウエア、及び／又はファームウエア構成要素の何らかの組合せのようなファームウエア及び／又はハードウエア構成要素を使用して部分的又は全体的に具現化することができる。
【００９３】
本発明は、上述の例示的な実施形態を通して説明したが、例示した実施形態の修正及び変更は、本明細書に開示した発明の精神から離れることなく行うことができることを当業者は理解するであろう。更に、好ましい実施形態を様々な例示的なデータ構造と共に説明したが、本発明のシステムは、様々なデータ構造を使用して実施することができることを当業者は認識するであろう。更に、開示した態様又はこれらの態様の一部分は、上述しなかった方法で組み合わせることができる。従って、本発明は、限定的に見てはならない。
【符号の説明】
【００９４】
ｄＸ 領域サイズ
ＲＯＩ 関連領域
Ｓmax 最大ピクセル信号
Ｘｏ 開始ピクセル
【技術分野】
【０００１】
本出願は、本明細書においてその全内容が引用により組み込まれている２００７年２月２３日に出願の米国特許仮出願出願番号第６０／８９１、３２０号からの優先権を請求するものである。
【０００２】
本発明は、時間分解分光法と、開始イベントに対して時間的に遅延したスペクトルの取得及び分析とに関し、より具体的には、線形センサアレイを使用したそのような分光法に関する。
【背景技術】
【０００３】
励起された材料のサンプルによって生成されるスペクトルの分析は、構成元素の相対濃度を含むサンプルの元素組成に関する情報をもたらすことができる。このような分析は、金属再利用施設における金属の種類の特定及び分離と、工場及び科学捜査作業における品質管理試験とを含む多くの状況において行われている。一部の分光システムでは、直接読み取り光電子増倍管（ＰＭＴ）システムは、多くの場合にスペクトルの僅かな部分のみ（典型的には、１３０ｎｍから５００ｎｍまでのスペクトルの数パーセント未満）を網羅する解析的に関連のある波長に設定された複数のＰＭＴを使用する。
【０００４】
一部の事例においては、スペクトルの時間分解又はスペクトルの時間的結果の分析は、サンプルの組成に関して付加的な又は他の方法で得られると考えられるものよりも正確な情報を提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許仮出願出願番号第６０／８９１、３２０号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊａｍｅs Ｇ．Ｍａｉｎｐｒｉｚｅ他著「デジタルマモグラフィのためのスロット走査式フォトダイオードアレイ／ＣＣＤ混成検出器」、２００２年６月２５日、医学生物物理学部、トロント大学、サニーブルック、及び女子大保健科学センター、トロント、オンタリオ、Ｍ４Ｎ３Ｍ５、カナダ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の２次元電荷結合デバイス（ＣＣＤ）は、時間分解スペクトルデータを捕捉するのに使用されることがあるが、ある一定の用途での使用を妨げる時間分解の制限を受けやすい。このようなＣＣＤデバイスは、行及び列に配置された感光性ピクセルを含む。１つの作動モードにおいて、ピクセルの１行以外の全ての行を遮蔽することができるので、１つの遮蔽されていない行のみが露出される。各ピクセルがスペクトルの異なる部分に露出されるように、スペクトルは、ＣＣＤピクセルの露出された行の上に投影される。光子生成電荷は、露出されたピクセルの１つ又はそれよりも多くの下に蓄積する。全ての行に格納された電荷は、定期的に、それぞれの隣接した行に移動する（シフトされる）。すなわち、露出されたピクセル内の電荷は、第１の遮蔽された行に移動し、第１の遮蔽された行の電荷は、第２の遮蔽された行に移動するなどである。露出された行から電荷を移動させることにより、その行のピクセルから電荷を一掃する。最終行の電荷は、デバイスから読み出される。このアーキテクチャは、いずれかの露出されたピクセルに蓄積された電荷が、電荷を読み取出すことができる前に対応する列の全てのピクセルを通って移動する必要があるので、比較的質が悪い信号対ノイズ特性をもたらし、撮像デバイスの迅速な循環を容易にしない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の好ましい実施形態により、時間分解によって光を分析する方法を提供する。本方法は、（ａ）各感光性セルがスペクトルの異なる部分によって照射され、それによって１組の感光性セル内に電荷を生成するように、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの１次元アレイをスペクトルで照射する段階、（ｂ）感光性セル内の電荷を、集積回路内に感光性セルと並置されたそれぞれのストレージセルの第１の組に非破壊的に複写する段階、（ｃ）集積回路内のストレージセルの異なる組に対してこの前の段階を定期的に繰り返す段階、及び（ｄ）ストレージセルの少なくとも一部に格納された電荷に関する情報を集積回路の外部の構成要素に供給する段階を有する。
【０００９】
本発明の代替的な実施形態により、本方法は、電荷を非破壊的に複写する段階の繰返しの少なくとも一部に対して電荷を感光性セルに蓄積させる更に別の段階を含むことができる。更に、本方法は、感光性セルの部分集合における電荷を一掃する付加的な段階と、更に、電荷が一掃されることになる感光性セルの部分集合を特定する付加的な段階とを有することができる。
【００１０】
本方法は、集積回路上の少なくとも２、０００の感光性セルと、ピクセルセル当り少なくとも１６のストレージセルとを準備する段階を更に含むことができる。本発明の一部の実施形態では、格納された電荷に関する情報は、それ自体、集積回路の外部にあるメモリに格納される。格納された電荷に関する情報は、ストレージセルの全て又は部分集合に関連する場合があり、選択されたストレージセルを識別する情報は、外部の構成要素から受け取ることができる。
【００１１】
本方法はまた、格納された電荷に関する提供された情報を分析して、スペクトルを生成するのに使用されるサンプルの少なくとも１つの元素成分を識別する段階を含むことができる。
【００１２】
本発明の他の実施形態により、各感光性セルがスペクトルの異なる部分によって照射され、それによって感光性セルのそれぞれに電荷を生成するように、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの１次元アレイをスペクトルで照射する段階、感光性セル内の電荷を、集積回路上にピクセルセルと並置されたそれぞれのストレージセルに定期的に非破壊的に複写する段階、及びストレージセルの少なくとも１つにおける電荷が所定の値を超える場合に電荷に関する情報をメモリに格納する段階を有する方法を提供する。
【００１３】
本発明の一部の実施形態では、メモリは、集積回路上にピクセルセルと並置することができる。本方法は、少なくとも１つのストレージセルに対応する少なくとも１つの感光性ピクセルセル内の電荷を一掃する更に別の段階、及び露出時間が所定の値を超える場合に電荷に関する情報をメモリに格納する更に別の段階を含むことができる。特に、少なくとも１つのストレージセルに対応する少なくとも１つの感光性ピクセルセル内の電荷は、一掃することができる。更に、本方法はまた、メモリに格納された情報をピクセル毎の方式で合計する段階を含むことができる。
【００１４】
本発明の更に別の実施形態では、所定の時間量が経過した場合に、ストレージセルの少なくとも１つにおける電荷に関する情報は、いずれかの対応する感光性ピクセルセル内の電荷を一掃することなくメモリに格納される。
【００１５】
本発明の更に別の実施形態では、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの数は、波長のピクセル番号への動的可変登録を考慮するような方法で、露出された電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの特定の数を超える。
【００１６】
本発明の別の態様により、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルのアレイを有する集積回路を提供する。更に、集積回路は、電荷ストレージセルの複数の組を有し、ストレージセルの各組に対して、その組の各ストレージセルは、電荷を感光性ピクセルセルからストレージセルに複写するために感光性ピクセルセルの異なるセルに結合している。最後に、集積回路は、光子生成電荷をピクセルセルからストレージセルの連続する組に定期的に非破壊的に複写するように作動する第１の制御論理と、ストレージセルの少なくとも１つに格納された電荷に関する情報を集積回路の外部の構成要素に供給するように作動する第２の制御論理とを有する。
【００１７】
本発明の他の実施形態により、集積回路はまた、各感光性ピクセルセルに関連する複数のプリアンプを有することができる。感光性ピクセルセルのアレイは、１次元又は２次元とすることができ、具体的には、１次元アレイに配置された少なくとも２、０００のピクセルを有することができる。感光性ピクセルセル当り少なくとも１６組の電荷ストレージセルがある場合がある。第２の制御論理は、ストレージセルの全てよりも少ないセルに格納された電荷に関する情報を集積回路の外部の構成要素に供給するように作動することができ、ストレージセルに格納された電荷に関する情報は、集積回路の外部の構成要素によってランダムにアドレス可能である。
【００１８】
ある一定の実施形態では、全てよりも少ないピクセルセルを識別する情報を受け取り、識別されたピクセルセルに格納された光子生成電荷を一掃するように作動する第３の制御論理を提供することができる。第２の制御論理は、ストレージセルの少なくとも１つに格納された電荷に関する情報を外部の構成要素にアナログ信号又はデジタル信号のいずれかとして供給するように作動することができる。
【００１９】
本発明の他の実施形態により、集積回路はまた、各感光性ピクセルセルに関連する複数のプリアンプを有することができる。本発明の別の態様により、波長と基準イベントに続く時間とによって定められる２次元マニホルド上の１つ又はそれよりも多くの関連領域を形成するために使用することができるコンピュータベースのグラフィカルユーザインタフェースを提供する。インタフェースは、関連の波長、時間的ゲート開始時間、及びユーザ入力を受け取るための時間的ゲート継続時間を示すメニューを有する。インタフェースはまた、ユーザ指定の関連波長、ゲート開始時間、及び時間的ゲート継続時間をユーザ指定の関連領域内に集める関連領域モジュールと、ユーザ指定の関連領域を循環ＲＯＩ待ち行列にグループ分けするためのソフトウエアモジュールとを有する。最後に、インタフェースは、ユーザ指定の関連領域に従ってピクセル問い合わせ及びデータストレージ機能を実行するための執行モジュールを有し、執行モジュールはまた、ユーザ指定の関連領域が特定の最大ピクセル信号を超える信号を含むか否かを判断するための比較器を含むことができる。
【００２０】
本発明の他の態様は、１つ又はそれよりも多くのスカラー値を空間｛あらゆる次元数｝の順序付けされた要素に関連付けるための撮像システムのダイナミックレンジを拡張する方法を提供し、スカラー値は、励起に対する信号応答を特徴付け、空間の順序付けされた要素は、空間の順序付けされた要素の部分集合として定められた少なくとも１つの関連領域を含み、各関連領域は、閾値時間によって特徴付けられ、本方法は、第１の予備露出時間にわたって撮像システムを励起に露出し、閾値時間が指定の持続時間を超える全ての関連領域に対して閾値時間を判断する段階、第１の予備露出時間よりも短い第２の予備露出時間にわたって撮像システムを励起に露出し、閾値時間が指定の持続時間よりも短い関連領域に対する閾値時間を判断する段階、及び判断された閾値時間に基づいて、対応する関連領域に従って空間の順序付けされた要素の値を読み取ってリセットする段階を含む。
【００２１】
本発明の特定的な実施形態では、第２の予備露出時間にわたって撮像システムを励起に露出する段階は、第１の予備露出時間にわたって撮像システムを励起に露出する段階に先行する。
【００２２】
本発明は、図面と共に以下の「発明を実施するための形態」を参照することによってより完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態により図２のＩＣを使用することができる例示的な環境の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態により電荷転送デバイス感光性ピクセルの１次元アレイを有する集積回路（ＩＣ）のブロック図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態により有効スペクトル分解能を増加するために線形ＣＩＤに対して交互に配列されたピクセル構造の２つの実施形態の一方を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態により有効スペクトル分解能を増加するために線形ＣＩＤに対して交互に配列されたピクセル構造の２つの実施形態の一方を示す図である。
【図４Ａ】線形ＣＩＤピクセル内の光子生成電荷蓄積に関するポテンシャル井戸の図である。
【図４Ｂ（１）】最初のシーケンスにおいて電荷が感知フォトゲートに転送される線形ＣＩＤピクセル読み出しに関するポテンシャル井戸の図である。
【図４Ｂ（２）】電荷が感知フォトゲートからストレージフォトゲートに転送される線形ＣＩＤピクセル読み出しに関するポテンシャル井戸の図である。
【図４Ｃ（１）】電荷が最初にストレージフォトゲートに転送された状態の線形ＣＩＤピクセル位置からの電荷の注入（又は一掃）に関するポテンシャル井戸の図である。
【図４Ｃ（２）】ストレージフォトゲート及び感知フォトゲートから一掃された電荷を示す図である。
【図５】本発明の実施形態による「行ストレージレジスタ（ＲＳＲ）」セルの概略図である。
【図６】本発明の実施形態による例示的な「二重線形ＣＩＤ画像制御器」のブロック図である。
【図７】２００Ｈｚのスパーク速度での１つの個別のスパーク放電及び第２の放電の開始からの仮想の信号対時間プロフィールを示す図である。
【図８】本発明の好ましい実施形態により線形ＣＩＤデバイス上の３２行ストレージレジスタ（ＲＳＲ０〜ＲＳＲ３１）の図式的表現を示す図である。
【図９】本発明の実施形態により線形ＣＩＤを使用する時間分解分光法に関する基本的な流れ図である。
【図１０Ａ】本発明の実施形態による「時間分解分光法（ＴＲＳ）」アルゴリズムを使用して同時に得られた２つの関連領域に関する仮想の信号対時間プロフィールの例を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態による「時間分解分光法（ＴＲＳ）」アルゴリズムを使用して同時に得られた２つの関連領域に関する仮想の信号対時間プロフィールの例を示す図である。
【図１０Ｃ】本発明の実施形態による「時間分解分光法（ＴＲＳ）」アルゴリズムを使用して同時に得られた２つの関連領域に関する仮想の信号対時間プロフィールの例を示す図である。
【図１１】異なる元素種からの信号の出現を示す多数のスパーク放電のＴＲＳアルゴリズムを使用して得られた仮想の信号対時間プロフィールを示す図である。
【図１２】本発明の実施形態により「ランダムアクセス積分（ＲＡＩ）」アルゴリズムに従って実行される段階のフローを示す流れ図である。
【図１３】図１２のＲＡＩアルゴリズムを使用して質問される３つのＲＯＩの場合の時間の関数としての信号を示す図である。
【図１４】「極限ダイナミックレンジ（ＤＲ）」アルゴリズムを使用して質問される３つのＲＯＩの場合の時間の関数としての信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の好ましい実施形態により、電荷転送デバイス感光性ピクセルの１次元アレイ（「線形センサアレイ」とも呼ぶ）を使用し、時間分解又は時間積分を用いてスペクトルを分析する方法及び装置を開示する。感光性ピクセルは、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）、電荷注入デバイス（ＣＩＤ）、又は別の適切なタイプの電荷転送デバイス、又はいくつかのタイプの組合せとすることができる。開示する方法及び装置は、発光分光法（ＯＥＳ）、光吸収分光法、光学的蛍光分光法、及び天文学を利用する分析器のような手持ち式の化学組成分析器を含む多くの事例において適用可能である。
【００２５】
１つの事例において、図１に概略的に示すようにサンプルの一部を励起することにより（スパーク／アーク、レーザなどにより）、又はそれとは異なり、基準光源の光の吸収などにより生成されたスペクトル１０は、回折格子１８を通って線形センサアレイ上に投影され、各ピクセル１５は、図１に概略的に示すように、スペクトルの異なる部分（すなわち、異なる波長又は波長域）によって照射されるようになる。サンプルからの光１２は、入射スリット１４を通って、番号１１によって全体的に示すような分光計に入る。この照射は、感光性ピクセルの１つ又はそれよりも多くに光子生成の電荷を作る。
【００２６】
以下の節は、（１）線形センサアレイの一実施形態の電子アーキテクチャ、（２）線形センサアレイを駆動する電子制御システムのアーキテクチャ、及び（３）線形センサアレイ及び制御システムを適用することができるある一定の化学組成分析用途のために時間積分又は時間分解データを生成するために利用することができるアルゴリズムの説明を提供する。
【００２７】
線形センサアレイ
一実施形態では、集積回路（ＩＣ）は、図２に概略的に示すように、感光性ピクセルの１次元アレイ１６と、電荷ストレージセル（「行ストレージレジスタ」（ＲＳＲ）とも呼ぶ）の複数の行と、制御論理２２とを含む。
【００２８】
感光性ピクセルの１次元アレイ１６は、図３Ａ及び図３Ｂに概略的に示すように、１行に配列することができ、又はこれらのピクセルは、２つ又はそれよりも多くの行にわたって交互に配列することができる。感光性ピクセルを交互に配列することにより、より小さい有効ピクセルピッチ及びより高い有効空間分解能がもたらされる。一実施形態（図３Ａ）において、感光性ピクセルは、２行に均一に交互配列された１４μｍ幅のピクセルである。得られる有効ピッチは、７μｍであり、飽和容量は、約３００、０００電子量である。ピクセル高さは、１００μｍであり、撮像された入射スリットの高さを合わせて最適化することができる。従って、本明細書で使用する用語「１次元の」及び「線形アレイ」は、そのもの自体が特定の線よりも上又は下に中心がある検出器からその値を得る可能性があるとしても、スペクトル成分を表現する単一の値のみがいずれかの変位での分散ビームの強度に関連付けられているということを示している。
【００２９】
ピクセル作動
図４Ａ〜図４Ｃに示すように、線形ＣＩＤと呼ぶ実施形態の感光性ピクセルは、「注入ゲート」４２及び「注入ドレーン」４３と共にピクセル読み出しのために使用される２つのフォトゲート（「ストレージ」フォトゲート４０及び「感知」フォトゲート４１）を含む。感知フォトゲートは、ソースフォロアー及びリセット回路に電気的に接続される。注入ゲートは、ピクセルからの光子生成電荷の取得及び注入を制御するために設けられる。注入ドレーンは、光子生成電荷の一掃のためのシンクとして機能する。
【００３０】
線形センサアレイは、上述の線形ＣＩＤにおいて使用されるフォトゲートと接続したソースフォロアーのような各ピクセル上のプリアンプ（プリアンプ−パー−ピクセル又はアクティブピクセル）を含むことができる。２次元プリアンプ−パー−ピクセル又はアクティブピクセルＣＣＤ又はＣＭＯＳデバイスも使用することができる。
【００３１】
図４Ｃに示すように、ピクセル注入は、ピクセル読み出しの後、又は光子生成電荷の一掃が要求される露出サイクルのいずれかの時間に実行することができる。注入サイクルに間に、感知及びストレージフォトゲートは、それぞれ「Ｖsｔｏ＿ｉｎｊ」及び「Ｖsｅｎ＿ｉｎｊ」にバイアスされ、注入ドレーン電圧は、「Ｖｄｒａｉｎ＿ｉｎｊ」に設定される。注入ゲートは、その時に注入電位「Ｖ＿ｉｎ」にバイアスされる。注入は、全体的に（全ピクセル上で同時に）、ピクセルの群で（「セグメント注入」とも呼ぶ）、又はピクセルｘピクセルベースで実行することができる。いずれかの感光性ピクセル又は感光性ピクセルの群（連続的又は不連続）内の電荷は、残りの感光性ピクセルとは無関係に一掃することができる。感光性ピクセルは、一掃するためにランダムにアドレス指定することができる。
【００３２】
図４Ａに示すように、光子生成電荷蓄積は、正の電圧が感知電極４１及びストレージ電極４０に印加される時に起こる。蓄積時間とは、これら２つのフォトゲートが深い空乏バイアスにある時間量のことである（「深い空乏」とは、移動電荷を奪われた比較的深い領域がＭＯＳデバイスのゲート電極に印加された電圧のために電極の下に形成されるような非平衡状態のことをいう）。電子を伝導帯に上げるのに十分なエネルギを有する光子がピクセルに衝突する時、得られた移動電荷は、ストレージ電極バイアスによって首尾よく生成された電位に引き込まれる。
【００３３】
ストレージ電極で集められる光子生成電荷４４の総量は、光強度、蓄積時間、及び暗電流からの電荷寄与の関数である。撮像装置設計及び製造工程を最適化することによって暗電流を低減することはできるが、暗電流は、完全に除去することはできない。従って、拡張された蓄積時間を要求する用途では、線形センサアレイは、冷却される。
【００３４】
図４Ｂに示すように、ピクセル読み出しは、最初にストレージフォトゲートから感知フォトゲートへの光子生成電荷の前方転送によって実行され、感知フォトゲートからストレージフォトゲートへの電荷の後方転送が続く。前方転送の間に、感知ゲートは、基準を「Ｖsｅｎ＿ｒｅａｄ」電位に取る一方、ストレージゲートは、基準を「Ｖsｔｏ＿ｒｆｒ」電位に取る。感知ゲートは、次に絶縁され、感知ゲートの最初の電位サンプルＣＤＳ１が得られる。ＣＤＳ１は、ピクセルの光子生成電荷の合計及びノイズ兆候を測定する。
【００３５】
ストレージゲートは、次に、感知ゲートからストレージゲートに電荷を後方転送する「Ｖsｔｏ＿ｂｔｒｆ」に基準を取る。感知ゲートは、この作動の間には絶縁し続ける。次に、第２の感知フォトゲートサンプルＣＤＳ２が得られる。ＣＤＳ２信号は、ピクセルのみのノイズ性質を示している。関連のノイズ補正信号は、この時に２つのＣＤＳコンデンサ上に格納された値の間の差異（ＣＤＳ１マイナスＣＤＳ２）である。この値（ＣＤＳ１マイナスＣＤＳ２）は、ピクセル位置における電荷の量に比例する。ピクセル読み出し処理は、ピクセル位置における光子生成電荷を破壊しない。線形ＣＩＤ上のいずれかのピクセルの光子生成電荷レベルは、非破壊的に問い合わせする（読む）ことができる。非破壊的なピクセル読み出しは、スパークＯＥＳ及び他の用途に関するダイナミックレンジ及び時間分解性能を改善する。
【００３６】
線形ＣＩＤデバイス上のいずれかのピクセル位置にランダムにアクセスすることが可能である。ピクセルは、順不同に、かついずれかの方向にアドレス可能である。ランダムにアドレス指定されたいずれかのピクセル内の光子生成電荷を問い合わせする（読む）か、又は一掃するかのいずれかが可能である。ピクセルのランダムなアクセス可能性は、スパークＯＥＳ及び他の用途に関するダイナミックレンジ及び時間分解性能を改善する。
【００３７】
行ストレージレジスタ（ＲＳＲ）
線形センサアレイは、様々な時点のピクセル信号を格納するための独立したパー−ピクセルコンデンサ（行ストレージレジスタ（ＲＳＲ）と呼ぶ）２０（図２において）を含む。線形センサアレイ上の感光性ピクセルは、スイッチングネットワークを通してＲＳＲに結合される。様々な実施形態では、８又は３２又は他のいずれかの数のピクセル当りのＲＳＲをデバイスに実施することができ、異なる用途における異なる数のＲＳＲには様々な利点が生じる。パー−ピクセルコンデンサは、ＭＩＭタイプ（金属−絶縁体−金属）、ＭＯＳタイプ（金属酸化膜半導体）、又は他の適切なタイプとすることができる。
【００３８】
制御論理の制御の下で（図２におけるｒＷ、ＩＲＣ、及びＣＤＳ）、全ての感光性ピクセルにおける光子生成電荷は、当業技術で公知のように、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）によってＲＳＲのいずれかの行の対応するストレージセルに並列に非破壊的に複写することができる。従って、ＲＳＲは、効率的にランダムにアクセス可能なアナログメモリデバイスである。
【００３９】
一般的なＣＣＤデバイスの作動とは異なり、ＣＩＤアレイ内の電荷は、本発明の実施形態によれば、実際に感光性ピクセルから他のセルに移動せず、電荷は、感光性ピクセル位置から全く移動しない。むしろ、各感光性ピクセルに関連するプリアンプ及び他の適切な電気回路により、電荷（現在の感光性セルにおける電荷に等しいか又は比例している）がＲＳＲ内に形成されることが可能になり、従って、感光性ピクセル内の電荷の量を低減することなくＲＳＲ内に感光性ピクセルの電荷の複写を生成する。従って、感光性ピクセル内の電荷がストレージセルに複写された（すなわち、「書かれた」）後であっても、光子生成電荷は、感光性ピクセルに蓄積し（「積分され」）続けることができる。感光性ピクセル内の光子生成電荷の連続する蓄積は、感光性ピクセルから得られた情報のＳＮ比を改善することができる。
【００４０】
従って、電荷を移動させることと電荷を非破壊的に複写することの間の差異が、本発明の事例においては重要である。本明細書において「電荷を非破壊的に複写すること」とは、感光性ピクセルのような第１のセル内にある電荷の複写を第１のセル内の電荷の量を低減することなく、別のセル内に生成することを意味する。非破壊的な複写作動の結果として、２つのほぼ等しい電荷が存在する。すなわち、第１のセル内にあるものと、第２のセル内にある第２のものである。上述のように、ＣＣＤデバイスは、時間分解データを捕捉するのに使用される。しかし、このような処理の間に、光子生成電荷は、第１のアクティブＣＣＤ位置から除去され、別の位置に移動させられる。その結果、第１の位置は、既に電荷を持たない。このような処理は、「破壊的な移動」と呼ぶ。光子生成電荷は破壊されずに、電荷は、単に別の位置に移動させられるに過ぎないという点において、ＣＣＤ処理は、電荷を必ずしも破壊するわけではない。しかし、本明細書に説明されているように、破壊的な移動は、非破壊的な複写とは異なる。
【００４１】
作動の１つのモードにおいて、感光性ピクセル内の電荷は、ストレージセル（ＲＳＲ）の連続する行に定期的に複写される。従って、ＲＳＲは、感光性ピクセルによって観測されたスペクトルに関する時間分解情報を格納する。ＲＳＲの各行は、スペクトルが撮像された異なる期間を表し、１行にある各ＲＳＲは、スペクトルの異なる部分（波長又は波長域）に関する情報を表している。以下により詳細に示すように、スペクトルの一部分のみが多くの場合に分析の対象になる。従って、１行の全てのＲＳＲを読むことは、必要ではない場合がある。更に、以下でより詳細に説明するように、特定の期間中に又はいくつかの期間中に収集された情報のみが、多くの場合に分析の対象になる場合がある。関連の期間は、関連のスペクトルの各部分で異なる可能性がある。従って、全てのＲＳＲ行からの読み出し情報は、必要でない場合がある。関連のＲＳＲのみを読むことは、全てのＲＳＲを読むのにかかると考えられる時間よりも少ない時間しかかからない。従って、関連のＲＳＲに関する情報が読まれ、線形センサアレイは電荷を一掃され、全てのＲＳＲが読まれると仮定した場合よりも迅速にその後の分光学的イベントからのデータを取得するように線形センサアレイに準備させることができる。
【００４２】
ピクセル復号器、ＲＳＲ復号器、及びＲＳＲ読み出しチェーン
２つの復号器を図２に示す実施形態において使用する。すなわち、１３ビットピクセル復号器及び５ビットＲＳＲ復号器である。１３ビットピクセルアドレス復号器（「ピクセル復号器」と呼ぶ）は、読み出されるピクセルを選択することを担当し、５ビットＲＳＲアドレス復号器（「ＲＳＲ復号器」と呼ぶ）は、読む又は書くためのＲＳＲを選択する。他の実施形態では、当業者には分るであろうが、他の数のアドレスビットが使用される。読み出しチェーンは、各線形ＣＩＤピクセルの感知フォトゲートに接続される増幅器及びＣＤＳ回路を含む。
【００４３】
上述のように、ＲＳＲは、効率的にランダムにアクセス可能なアナログメモリデバイスである。単一のＲＳＲセルの結線図を図５に示している。ＣＤＳ回路から来るアナログ電圧情報は、コンデンサ「Ｃ」上の電荷として格納される。この情報は、トランジスタスイッチ「Ｔ１」を通してストレージコンデンサに接続することができる垂直バス「Ｗｒｉｔｅ＿Ｍ」を通してセルにもたらされる。ＲＳＲの行「Ｎ」を書くために、「Ｗｒｉｔｅ＿sｅｌｅｃｔ＿Ｎ」は、アドレス「Ｎ」が５ビットＲＳＲ復号器によってラッチされた後に、入力信号「Ｗｒｉｔｅ＿Ｍ」を「高」に設定することにより、「高」に設定される。
【００４４】
ＲＳＲは、ビデオ増幅器の入力をもたらす垂直バス「Ｒｅａｄ＿Ｍ」を通して読むことができる。このバスは、トランジスタスイッチ「Ｔ２」を通してストレージコンデンサ「Ｃ」に接続することができる。行Ｎ、ピクセルＭのメモリ位置を読むために、３つの条件を達成する必要がある。第１に、アドレス「Ｎ」は、５ビットＲＳＲ復号器内にラッチする必要がある。第２に、ピクセルアドレス「Ｍ」は、１３ビットピクセル復号器によってラッチする必要があり、最後に、入力信号「Ｖｉｄｅｏ＿ｒｅａｄ」は、「高」に設定する必要がある。これらの３つの条件が達成される時、トランジスタのゲート「Ｔ２」が「高」に設定され、従って、「Ｔ２」スイッチを閉じて、ＲＳＲセルの情報がビデオ信号として読み出されるのを可能にする。
【００４５】
ＲＳＲの全て又は一部における電荷に関する情報は、線形センサアレイから選択的に読むことができる。線形センサアレイは、ＲＳＲ内の電荷の量をデジタル化し、ＲＳＲ内の電荷の量に関する情報を線形センサアレイ外部のデバイスに供給するために、１つ又はそれよりも多くのアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を含むことができる。代替的に、ＡＤＣは、線形センサアレイの外部に存在することができる。一実施形態では、線形センサアレイは、ＡＤＣを含まず、その代わりに１つ又はそれよりも多くの別のＩＣ上に設けられた外部ＡＤＣ又はＡＤＣの組にアナログ信号を供給する。
【００４６】
ＲＳＲの全て又は選択された部分集合（連続的又は不連続的）は、読むためにランダムにアドレス可能である。選択されたＲＳＲは、残りのＲＳＲを読むことなく読むことができる。従って、関連の時間の関連のピクセルに関する情報が、線形センサアレイから読み出され、次に、感光性ピクセルから電荷を一掃することができる。関連のＲＳＲは、ＲＳＲの全てを読むように要求されると考えられる時よりも少ない時間で読むことができ、従って、時間分解分光法に使用される従来の２次元ＣＣＤデバイス及び線形ＣＣＤデバイスに勝る利点をもたらす。
【００４７】
電子制御システムアーキテクチャ
線形センサアレイは、様々な電子制御システムによって制御することができる。線形センサアレイ制御システムの一実施形態は、発光分光法「携帯合金分析計器（ＰＡＡＩ）」に使用することを目的とする「二重線形ＣＩＤ撮像装置制御器（ＤＬＩＣ）」及び「撮像装置専用インタフェース（ＩＳＩ）」サブシステムである。ＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムはまた、検出器の異なる線形アレイと交わる回折格子の複数の次数を提供するために、プリズムのような次数分類器によって光信号が直交分散されるあらゆる別の計器と共に使用することができると考えられる。例示的なＤＬＩＣの詳細なブロック図は、図６に提供している。
【００４８】
ＤＬＩＣ／ＩＳＩサブシステムは、「デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）」ベースのコントローラと二重線形ＣＩＤ分光計サブアセンブリとの間のインタフェース及び制御信号を提供する。このようなサブシステムは、特にＯＥＳ分光計とのインタフェースで接続するのに適している。分光計は、二重の（又は他のいずれかの数の）熱電（ＴＥ）冷却線形ＣＩＤ撮像装置を含むことができる。
【００４９】
本明細書で説明する線形ＣＩＤデバイス及びＤＬＩＣは、時間遅延積分（ＴＤＩ）モード（以下に説明）において行ストレージレジスタ（ＲＳＲ）の読み出しを助け、１６ビットビデオ信号デジタル処理又はアナログ信号読み出しを提供し、破壊的読み出し（図４Ｃに連続的に続く図４Ｂを参照）、非破壊的読み出し（図４Ｂを参照）、光子生成電荷の全体的な注入及び光子生成電荷のセグメント注入（図４Ｃを参照）を助け、実時間一定パターンノイズ（ＦＰＮ）減算及び直接読み出し極限ダイナミックレンジ（以下に説明）アルゴリズムを助け、並列の撮像装置読み出し（線形ＣＩＤ撮像装置のいずれかの数において）、及びＤＳＰへの実時間画像データ転送を助けることができる。更に、一体型湿度センサをＤＬＩＣインタフェース内に含むことができる。本発明の好ましい実施形態では、線形ＣＩＤデバイスの温度は、暗電流を低減し、かつＳＮ比を改善するために周囲よりも低い温度で安定させる必要がある。
【００５０】
時間積分及び時間分解アルゴリズム
結合した線形ＣＩＤ及びＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムは、関連の時間積分又は時間分解データを生成するために、様々なアルゴリズムと共に使用することができる。以下のアルゴリズム、すなわち、「時間遅延積分（ＴＤＩ）」アルゴリズム、「時間分解分光法（ＴＲＳ）」アルゴリズム、「ランダムアクセス積分（ＲＡＩ）」アルゴリズム、及び「極限ダイナミックレンジ（極限ＤＲ）」アルゴリズムを説明する。
【００５１】
時間遅延積分（ＴＤＩ）アルゴリズム
線形ＣＩＤとＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムとを組み合わせたシステム内に含まれる「時間遅延積分（ＴＤＩ）」アルゴリズムの１つの目的は、スパーク発光分光法（ＯＥＳ）のような一定の繰返し数で起こる個々の分光学的イベントに関する正確な高分解能時間分解データを提供することである。
【００５２】
一実施形態では、ＴＤＩアルゴリズムは、十分な時間分解能を有し、一定の時間増加単位で個々のスパーク放電からの信号の３２のＲＳＲサンプルまでを格納し、次のスパーク放電の前にこれら３２のＲＳＲサンプルを読んで線形センサから離れたメモリ（一般的に静的ランダムアクセスメモリ、ＳＲＡＭ）に送る。例えば、スパークが２００Ｈｚで行われる時、５ミリ秒（ｍs）毎にスパーク放電が起こる。図７は、２００Ｈｚのスパーク速度における１個のスパーク放電と第２の放電の開始とからできた、各々が時間の関数としてプロットされた、２つの仮想の信号６２及び６４を示している。太い信号プロフィール６２は、中性ニッケルに関する２０６ｎｍ輝線において検出された信号を示すが、細い信号プロフィール６４は、Ｎｉ２０６輝線の近くのバックグランド放射による信号を示している。バックグランド信号６４は、Ｎｉ２０６ｎｍ信号６２よりも急激に低下する。最適なＳＮ比（及び従って検出限界）は、信号対バックグランド比が最大化される領域（例えば、図７のＲＳＲ２とＲＳＲ５との間）に観測窓を開閉することによって達成することができる。
【００５３】
最大の信号対バックグランド比の領域におけるこの時間的ゲートを達成するために、一実施形態の線形ＣＩＤは、一定のユーザ指定の時間増加単位でスパーク放電の３２の時間分解サンプルを格納することができる。図８は、線形ＣＩＤデバイス上の３２のＲＳＲ（ＲＳＲ０〜ＲＳＲ３１）の図式的表現を提供する。ＲＳＲの他の数は、他の実施形態において使用することができる。
【００５４】
時間分解分光法の例をこれから図８を参照して提供する。スパーク周波数は、２００Ｈｚと仮定する。最適なＮｉ２０６ｎｍ（ピクセルＸNi＝９４７、ｄＸNi＝１１のピクセル）ＳＮ比は、スパーク放電後の１００μsから２００μsの間に起こることを仮定する。最適なＣｒ２６７ｎｍ（ピクセルＸCr＝１、３８７、ｄＸCr＝１３のピクセル）ＳＮ比は、スパーク放電後の１４０μsから２８０μsの間に起こることを仮定する。この場合に、ＴＤＩモードは、３２個の２０μs時間サンプリングを実行するために３２のＲＳＲに設定され、スパーク放電後の合計６４０μsを取得すると考えられる。６４０μsが２０μsの増加単位で得られると、ＴＤＩアルゴリズムは、ピクセル９４７から９５９までに関するＲＳＲ４からＲＳＲ９まで（放電後１００μsから２００μsの間）のＮｉ２０６ｎｍデータと、ピクセル１、３８７から１、４００までに関するＲＳＲ６からＲＳＲ１３まで（放電後１４０μsから２８０μsの間）のＣｒ２６７ｎｍデータとを抽出する。５ＭＨｚのピクセル速度で個々のピクセルＲＳＲを読むことは可能であるので、これらのＮｉ２０６ｎｍに関する５５のＲＳＲ（１１のピクセルの各々に関して５のＲＳＲ）及びＣｒ２６７ｎｍに関する９１のＲＳＲ（１３のピクセルの各々に関して７のＲＳＲ）の読み出しは、合計２９．２μsを必要とする。ＲＳＲ読み出しが完了した後に、線形ＣＩＤ上の全てのピクセルは、１０μsの全体注入を使用して光子生成電荷を一掃される（図４Ｃを参照）。
【００５５】
従って、３２個の２０μs時間サンプルのＴＤＩサンプリング、１４６のピクセルＲＳＲの読み出し、及びデバイスの注入の間に、合計６７９．２μsが経過する。２００Ｈｚスパークによってスパーク放電間に５０００μsが存在するので、スパーク間にこの例のようなＴＤＩ分析を実行する十分な時間がある。
【００５６】
上述の場合には、解析的に有用な情報がＲＳＲの小部分集合から得られるという点において比較的簡単な例である。以下の場合には、より複雑である。スパーク周波数が５００Ｈｚ（放電間２ｍs）まで増加し、ＴＤＩサンプリングが５μsの速度で起こると仮定する（この実施形態の線形ＣＩＤにおける最速可能ＲＳＲ行書込み時間は、約１〜３μsであり、この速度において、信号対ノイズは低下する可能性がある）。時間的制約のために、一実施形態の線形ＣＩＤデバイス上にある全４、１６０のピクセルに関する全３２のＲＳＲを読むことは、実行不可能になる。
【００５７】
しかし、１５０ｎｍから８００ｎｍの間のスパークＯＥＳスペクトルの大部分は、解析的に有用ではない。更に、一般的な分析における解析的に関連の波長においてさえも、ユーザは、通常は僅かのＲＳＲからのデータしか必要としない。関連のＲＳＲが、波長から波長に（すなわち、ピクセル領域からピクセル領域に）変化する場合があるが、関連の全ての波長に関する全３２のＲＳＲを読むことは、必要ではない場合がある。表１は、一実施形態の線形ＣＩＤにおいて１００Ｈｚから１、０００Ｈｚまでの範囲のスパーク周波数に対して読むことが可能なＲＳＲの総数の試算を提供する。１、０００Ｈｚの最速スパーク周波数においてさえも、スパーク放電間に著しい数のＲＳＲ読み出し（約３、３００）を達成することが依然として可能であることに注意されたい。
【００５８】
【００５９】
以下の実施例で理解することができるように、比較的低いスパーク周波数において、ＲＳＲ行書込時間は、スパーク放電間に達成することができる個々のＲＳＲピクセル読み出しの数に小さい影響しかもたらさない。スパーク周波数が２００Ｈｚ（放電間５ｍs）であると仮定し、ユーザが、サンプリング当り１０μsで３２のＴＤＩサンプルを要求すると仮定する。この場合に、ＴＤＩサンプリングのための３２０μsと線形ＣＩＤの注入のための１０μsとを減算した後に、ＲＳＲ読み出しのために４、６７０μsが残ることになる。５ＭＨｚのＲＳＲ読み出し速度において、その時間は、２３、３５０個のＲＳＲピクセル読み出しに相当する。その一方、ＴＤＩサンプリング増分が１μsまで減少した場合に、ＴＤＩサンプリングのための３２μsと線形ＣＩＤの注入のための１０μsとを減算した後に、ＲＳＲ読み出しのために４、９５８μsが残ることになる。５ＭＨｚのＲＳＲ読み出し速度において、その時間は、２４、７９０個のＲＳＲピクセル読み出し、又は１０μsのＴＤＩサンプリング速度で達成することができる時よりも約６％だけ多い読み出しに相当する。
【００６０】
スパーク周波数（スパーク放電間の時間間隔を決める）、ＴＤＩサンプリング速度、及び光子生成電荷を線形ＣＩＤデバイスから一掃するのに必要な時間量が与えられる時、次のスパーク放電の前に読むことができるピクセルＲＳＲの数に限界がある。表１に示すように、スパーク周波数が４００Ｈｚであり、ＴＤＩサンプリング速度が１０μsであり、線形ＣＩＤ一掃時間が１０μsである時、個々のＲＳＲピクセル読み出しのために２、１７０μsが利用可能である。５ＭＨｚのＲＳＲピクセル読み出し速度は、合計１０、８５０のＲＳＲピクセル読み出しに相当する。全３２のＲＳＲ行ではなく、ピクセル当り平均５のＲＳＲのみを問い合わせすることが必要な時、２、１７０ピクセルと同数（又は４、１６０のピクセルを有する一実施形態の線形ＣＩＤデバイスの半分よりも僅かに多く）のＴＤＩ試験を実施することができる。
【００６１】
スパーク発光間に問い合わせすることができる個々のピクセルＲＳＲの総数は、スパーク周波数、ＴＤＩサンプリング速度、及び線形ＣＩＤ注入時間によって制限される。これらの制限内で、ピクセル領域のあらゆる数（Ｘｏ、ｄＸによって判断される）を観測することができる。
【００６２】
本発明のある一定の実施形態内では、線形ＣＩＤアレイ内のピクセルの数は、必要なスペクトルチャンネルの数を超える。スペクトル撮像のために使用されるピクセルのいずれかの側に対する付加的なピクセルは、アラインメント公差を軽減するように機能することができる。更に、垂直ピクセル寸法（すなわち、アレイ方向に対して垂直である）は、画像サイズよりも大きく、また、例えば、分光計の分散要素に対するアレイの配置に関するアラインメント公差を軽減することができる。更に、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの数は、露出された電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの特定の数を上回り、極限のスペクトルチャンネルは、アラインメント又は他の作動条件の変動のために変化する可能性がある特定のピクセルに対応することができる。従って、ピクセル番号への波長の登録は、本発明が組み込まれる計器の作動の進行中に動的に変化する場合がある。
【００６３】
時間分解分光法アルゴリズム
線形ＣＩＤとＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムとを組み合わせたシステム内に収容された「時間分解分光法（ＴＲＳ）」アルゴリズムの目的は、線形ＣＩＤデバイス上の一連のユーザ指定の「関連領域（ＲＯＩ）」に対する時間に関する信号をモニタすることである。
【００６４】
本発明の範囲は、本発明を適用することができる分光法技術に限定されることはない。このような技術の例には、レーザ誘起絶縁破壊分光法（ＬＩＢＳ）、スパーク発光分光法（ＯＥＳ）、イオンクロマトグラフィー誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣ−ＩＣＰ−ＯＥＳ）、高速液体クロマトグラフィーＩＣＰ−ＯＥＳ（ＨＰＬＣ−ＩＣＰ−ＯＥＳ）、及びフローインジェクション分析ＩＣＰ−ＯＥＳ（ＦＩＡ−ＩＣＰ−ＯＥＳ）が含まれる。線形ＣＩＤのＴＲＳアルゴリズムはまた、ＨＰＬＣのための紫外可視吸収検出、時間分解蛍光のような他の時間分解用途に有利に使用することができる。
【００６５】
例示的なＴＲＳアルゴリズムの基本的な流れ図を図９に示している。他のアルゴリズムは、本発明の範囲内で使用することができるが、実施例として本明細書で説明するアルゴリズムは、経過時間と現在の信号の両方をモニタすることによって信号データ点を時間ベースで取得する。新しい点が得られる時間又は信号のいずれかに到達すると、線形ＣＩＤのＲＯＩ（Ｘｏ及びｄＸに依存する）が読まれ、データは、ＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）に格納される。
【００６６】
アルゴリズムの詳細を続ける。ユーザは、線形ＣＩＤ上に開始ピクセル（Ｘｏ）及び領域サイズ（ｄＸ）を含む１つ又はそれよりも多くのＲＯＩを判断する。グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）は、この目的のために使用することができる。アルゴリズムは、その際に、これらのＲＯＩを集合させて循環ＲＯＩ待ち行列にする。
【００６７】
アルゴリズムの第１の段階は、循環観測待ち行列の最上部のＲＯＩを読むことである。線形ＣＩＤ上で実行される全ての読み出しは、光子生成電荷に関しては非破壊的であることに注意されたい。これは、線形ＣＩＤ上のいずれかのピクセルがそのピクセル位置（又は別のいずれかのピクセル位置）における光子生成電荷に影響を与えることなくいずれかの点において時間ベースで問い合わせすることができることを意味している。ＲＯＩを読んだ後に、アルゴリズムは、ＲＯＩにおける最大ピクセル信号（Ｓmax）、すなわち、最大の蓄積光子生成電荷を有するＲＯＩ内のピクセルの信号を判断する。この最大信号（Ｓmax）は、次に、ユーザ指定の信号増分に対して比較され、現在の露出時間は、ユーザ指定の時間増分に対して比較される。ユーザ指定の信号増分又はユーザ指定の時間増分のいずれかに到達すると、ＲＯＩピクセルデータは、読み出しのためのタイムスタンプと共にＤＬＩＣのＲＡＭに格納される。ユーザ指定の信号増分とユーザ指定の時間増分のいずれにも到達しなかった時、ＲＯＩは、循環して観測待ち行列の最下部に至り、循環待ち行列内の次のＲＯＩが質問される。
【００６８】
ユーザ指定の信号増分及びユーザ指定の時間増分は、ＧＵＩの全てのＲＯＩに関して全体的にユーザによって判断することができる。例えば、信号増分は、線形ＣＩＤデバイス飽和容量の百分率として設定することができ、信号増分をより低い値に設定することにより、ユーザは、信号が急速に立ち上がっている間に、より頻繁に時間分解ピクセルデータをアルゴリズムに取得させることができる。このようにして、クロマトグラフィーピークのような過渡現象の時間プロフィールをより正確に判断することができる。
【００６９】
一実施形態では、時間増分の値を約１μsと同じ低さに、また約１０秒と同じ高さに設定することができる。通常、時間増分は、約０．００１秒から約１秒の間の値に設定される。ユーザが一定の時間増分でデータ点を取得することを望む時、信号増分は、飽和容量の１００％に設定される。このようにして、時間増分は、いつも信号増分よりも前に達成される。
【００７０】
時間分解データ点が得られた後に、アルゴリズムは、閾値信号（通常は、線形ＣＩＤ飽和容量の７５％）に対して、すなわち、所定の値又はユーザによって入力された値に対してＲＯＩの最大信号（Ｓmax）を検査する（上述のように）。信号が閾値レベルを超えると、信号は、飽和状態に接近している可能性があり、ＲＯＩは、光子生成電荷を一掃される。このようにして、ＲＯＩに関する信号が線形ＣＩＤの飽和レベル（すなわち、飽和容量）を超えるのを防止することができる。アルゴリズムのこの点において、ＲＯＩは、循環して観測待ち行列の最下部に至り、待ち行列内の次のＲＯＩが質問される。
【００７１】
図１０Ａ〜図１０Ｃは、信号積分の進行中の個々のＲＯＩからの一掃を示すか又は示さないかの２つの場合の例を示している。図１０Ａ〜図１０Ｃに示す２つのＲＯＩに関する信号対時間のプロフィールは、ＴＲＳアルゴリズムを使用して同時に得られる。図１０Ａにおいて、露出を継続する経路の約６０％でプロフィール９２によって示したＲＯＩの信号においてガウス分布スパイクが発生する。しかし、図１０Ａに示すように、信号９２は、閾値レベルに到達することはなく、従って、ＲＯＩを一掃することは必要ではない。単純な積分信号対時間プロフィールのＲＯＩのガウス分布ピークが観測される。
【００７２】
しかし、図１０ＡのＲＯＩプロフィール９４によって示した状況は、より複雑である。積分ガウス分布信号スパイクが、露出を継続する経路の約４０％でこのＲＯＩ上に観測される。この信号スパイクは、信号を閾値信号レベル（飽和容量の７５％）に到達させるのに十分な強度のものであり、従って、信号スパイクが消えていく時にＲＯＩから光子生成電荷を一掃することが必要である。最初のＲＯＩ一掃の後に、信号は、積分ガウス分布スパイクの残りの間に上がり続ける。スパイクが完全に消えた後に、信号レベルが再び閾値レベルに到達する露出を継続する経路の約７０％までは、単純なバックグランド信号のために、信号は、上がり続ける。この点において、ＲＯＩは再び一掃される。この一掃の後に、ユーザ指定の露出時間に到達するまでは、バックグランドのために、信号は上がり続ける。
【００７３】
ＴＲＳ露出の完了後に、ＲＯＩ一掃点は、ＲＯＩ一掃の前の点で得られた信号をＲＯＩ一掃後に測定された全ての信号レベルに加えることによって除去される。この信号補正処理の結果は、図１０Ｂに示し、ＲＯＩ信号９２と９４の両方に関して連続的な積分信号レベルが観測される。図１０ＢのＲＯＩ信号の時間微分は、図１０Ｃに示している。所望により、グラフィカルユーザインタフェースは、ユーザが、ＲＯＩ一掃点の全てを示している生信号モード（図１０Ａのような）において、積分モード（図１０Ｂのような）において、１次微分モード（図１０Ｃのような）において、及び場合により２次微分モード（図示せず）においてプロット表示するのを可能にする。
【００７４】
図１１は、ＴＲＳアルゴリズムの１つの可能な用途を示している。本発明の実施形態によってもたらされた時間分解のレベルにより、個々のＯＥＳスパーク放電を時間ベースで分解することができ、個々のスパーク放電を分解する機能により、元素のスペシエーションを実行することが可能になる。例えば、鋼鉄の分析において、アルミニウムの総含有量を計量するだけでなく、Ａｌ2Ｏ3含有物（「不溶性」アルミニウム）及び元素金属Ａｌ（「可溶性」アルミニウム）を計量することができる点が有用である。図１１に示すようなＡｌ３０８ｎｍ発光の仮想の１次微分ＴＲＳ走査において、より強いピークは、Ａｌ2Ｏ3含有物に当たる個々のスパークによるものであり、より弱いピークは、元素金属Ａｌを有する位置に当たる個々のスパークによるものである。このようなＴＲＳ走査からのデータにより、適切なアルミニウム分析統計値を生成することができ、総アルミニウム量、並びにＡｌ2Ｏ3及び金属Ａｌ濃度を判断することができる。
【００７５】
ランダムアクセス積分
線形ＣＩＤとＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムとを組み合わせたシステム内に収容された「ランダムアクセス積分（ＲＡＩ）」アルゴリズムの目的は、線形ＣＩＤデバイス上の一連のユーザ指定の関連領域（ＲＯＩ）に対してユーザ指定の期間にわたって全積分信号をモニタすることである。
【００７６】
ＲＡＩアルゴリズムは、経験的に観測された光子束に基づいてＲＯＩからＲＯＩまでの有効な露出時間を制御し、従って、可能な時にＲＯＩ上の線形ＣＩＤ飽和を防止する。このアルゴリズムはまた、可能な時には、ＳＮ比を光子発射ノイズ制限ドメインに押し込むために、非破壊的読み出し（ＮＤＲＯ）の数を変化させることができる。
【００７７】
このアルゴリズムの基本的な流れ図は、図１２において示している。ＲＯＩは、ＲＯＩ待ち行列の最上部まで移動し、ＲＯＩは非破壊的に読まれる。次に、アルゴリズムは、通常は飽和信号の約７５％（又は別の適切な値）に設定されている閾値信号に対してＲＯＩの最大ピクセル信号を検査する。最大ピクセル信号が閾値信号を上回らない時、ＲＯＩは、循環してＲＯＩ待ち行列の最下部に至る。ＲＯＩ上の最大信号が閾値信号を超える時、ＲＯＩ読み出しからのピクセルデータ及びタイムスタンプは、ＲＡＭに格納され、セグメント注入命令を使用して、ＲＯＩは光子生成電荷を一掃される。この点において、ＲＯＩは、循環してＲＯＩ待ち行列の最下部に至り、この処理は、待ち行列内の次のＲＯＩにおいて繰り返される。この処理の結果は、図１３に示している。
【００７８】
いずれかの所定のＲＯＩ上の信号がユーザ指定の露出時間（通常５〜６０秒）の間に閾値信号に達する時、単一の非破壊的読み出しだけが、ＳＮ比を光子発射ノイズ制限ドメインに押し込むように要求される。しかし、所定のＲＯＩ上の信号がユーザ指定の露出時間にわたって閾値に達しない時、ＳＮ比を光子発射ノイズ制限ドメインに押し込むために、最後の読み出しに複数の非破壊的読み出しを使用することができる。
【００７９】
図１３は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）が使用される場合のように、定常状態光源（すなわち、光子束がデータ取得の時間スケールにおいて時間と共に高々ゆっくりと変化するような光源）がある時の３つのＲＯＩに関する仮想の信号対露出時間プロフィールを示している。プロフィール１３０によって示したＲＯＩは、強く照射される。３つの均等に離間した間隔において、ＲＯＩ上の信号は、閾値信号レベルに達する。これらの点において、ＲＯＩに関するピクセルデータは、タイムスタンプを押され、かつ格納する必要があり、ＲＯＩは、次のサイクルを見越して一掃する必要がある。ユーザ指定の露出期間（露出時間）の最後に、３つの積分注入サイクルからのデータと露出時間において得られた最後の読み出しからのデータとが合計され、ＲＯＩに関する時間積分信号データを生成する。プロフィール１３２によって示したＲＯＩは、強くは照射されていない。このプロフィールは、ユーザ指定の露出時間が終了する前に１つの積分注入サイクルのみを有し、最後の時間にわたって読み出される。線１３４によって示したＲＯＩは、弱く照射される。ＲＯＩ上の信号は、ユーザ指定の露出時間の間には閾値に到達しない。ＲＯＩに関するピクセルデータは、露出時間が終了した後に一度かつ一度だけ格納される。ＲＯＩを読むのに使用される非破壊的読み出し（ＮＤＲＯ）の数は、可能な時には、ＳＮ比を光子発射ノイズ制限ドメインに押し込むように設定される。３つ全てのＲＯＩは、信号強度に関係なく同じ時間間隔の間に観測されることに注意されたい。このようにして、線形ＣＩＤシステムの線形ダイナミックレンジは、光源の線形ダイナミックレンジに合うように拡張することができる（約６桁から８桁の間のように）。
【００８０】
極限ダイナミックレンジアルゴリズム
線形ＣＩＤとＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムとを組み合わせたシステム内に収容された「極限ダイナミックレンジ（極限ＤＲ）」アルゴリズムの目的は、拡張されたダイナミックレンジを用いて線形ＣＩＤデバイス上の全てのピクセルにわたり、ユーザ指定の期間にわたって全積分信号をモニタすることである。「極限ＤＲ」アルゴリズムは、経験的に観測された光子束に基づいてＲＯＩからＲＯＩまでの有効な露出時間を制御し、従って、可能な時には、全ての線形ＣＩＤピクセル上の飽和を防止する。
【００８１】
「極限ＤＲ」アルゴリズムは、以下のように実行する。線形ＣＩＤは、短い「予備露出」期間にわたって光源に露出される。予備露出の時間は、通常はユーザ指定の露出期間の０．４％から１％の間である。予備露出及びユーザ指定の露出期間からの線形ＣＩＤピクセル信号に基づいて、ユーザ指定の露出期間において又はその前に飽和信号レベル（飽和容量又は別の適切な値）に達する線形ＣＩＤ上のこれらのピクセル（ＲＯＩ）が識別される。線形ＣＩＤデバイスは、次に、全体的に光子生成電荷を一掃され、ユーザ指定時間の露出が開始される。露出中に、予備露出ルーチンによって識別されたＲＯＩは、図１４に示すように、アルゴリズム指定の間隔で読まれて光子生成電荷を一掃される。
【００８２】
図１４は、予備露出ルーチンによって識別された３つのＲＯＩに関する仮想の信号対露出時間のプロフィールを示している。プロフィール１５０によって示したＲＯＩは、強く照射される。９つの均等に離間した間隔において、ＲＯＩは読まれ、ピクセルデータは、タイムスタンプを押されて格納され、ＲＯＩは、次のサイクルを見越して一掃する必要がある。ユーザ指定の露出期間の最後に、９つの積分注入サイクルからのデータとユーザ指定の露出時間に得られた最後の読み出しからのデータとが合計され、ＲＯＩに関する時間積分信号データを生成する。プロフィール１５２によって示したＲＯＩは、強くは照射されていない。このプロフィールは、ユーザ指定の露出時間が終了する前に３つの積分注入サイクルのみを有し、最後の時間にわたって読まれる。線１５４によって示したＲＯＩは、弱く照射される。このプロフィールは、ユーザ指定の露出時間が終了する前に１つの積分注入サイクルのみを有し、最後の時間にわたって読み出される。
【００８３】
線形ＣＩＤピクセルの並列ＣＤＳサンプリングに関するオーバヘッドを最小限にするために、予備露出アルゴリズムによって識別された全てのＲＯＩは、同じ並列ＣＤＳサンプリングを使用して読まれる。図１４に示す実施例において、プロフィール１５０によって示したＲＯＩは、２秒間隔でＣＤＳサンプリングによって読まれる。第３の２秒ＣＤＳサンプリング毎に、プロフィール１５２によって示したＲＯＩも読まれ、第９番目の２秒ＣＤＳサンプリング毎に、プロフィール１５４によって示したＲＯＩも読まれる。
【００８４】
予備露出ルーチンによって識別された全てのＲＯＩは、信号強度に関係なく同じユーザ指定の露出期間にわたって観測されることに注意されたい。このようにして、線形ＣＩＤシステムの線形ダイナミックレンジは、光源の線形ダイナミックレンジに合うように拡張することができる（約６桁から９桁の間のように）。
【００８５】
ユーザ指定の露出期間が終了した後に、予備露出によって識別されたＲＯＩ内に存在しなかった全ての線形ＣＩＤピクセルが読まれる。このようにして、線形ＣＩＤ上の全てのピクセルに関する信号データが得られる。図１４のプロフィール１５０、１５２、及び１５４によって示したデータのように、より強く照射されたピクセルに関するピクセルデータが、ユーザ指定の露出期間にわたって得られ、より弱く照射されたピクセルに関するピクセルデータは、ユーザ指定の露出期間の後に得られる。
【００８６】
従って、ランダムピクセルアドレス指定と、非破壊的読み出しと、線形ＣＩＤ及びＤＬＩＣ−ＩＳＩサブシステムの選択的なピクセル一掃の特徴とを利用して、極限ＤＲ露出モードは、経験的に観測された光子束によって判断された周波数で、強く照射されたピクセル領域を読み取ってリセットする。このモードにおいて、ダイナミックレンジは、飽和容量によって制限されない。代替的に、ダイナミックレンジは、ＲＯＩを読み、かつ一掃することができる最大周波数によって制限される。この周波数は、３００〜１０、０００Ｈｚの範囲（０．１〜３．３ミリ秒のサイクル）にあることができる。
【００８７】
「極限ＤＲ」アルゴリズムの一実施形態では、ＲＯＩを読み、かつ一掃することができる最大周波数、従って、達成することができる最大ダイナミックレンジは、予備露出の時間によって制限される。例えば、ユーザ指定の露出時間が６０秒で、予備露出時間が０．３０秒である時、ＲＯＩを読み、かつ一掃することができる最大周波数は、約３００Ｈｚに制限される場合がある。この場合及び他の同様の場合には、ダイナミックレンジは、より短い時間の第２の予備露出を実行することにより、更に拡張することができる。本明細書に記載した実施例では、０．０３秒時間の第２の予備露出を実行することができる。第２の０．０３秒予備露出からの線形ＣＩＤピクセルデータは、０．０から０．３秒の間の露出時間（第１の予備露出の時間）において線形ＣＩＤピクセルを飽和させるＲＯＩを識別するのに使用され、第１の０．３秒予備露出は、０．３秒からユーザ指定の全露出時間の間の露出時間において線形ＣＩＤピクセルを飽和させるＲＯＩを識別するのに使用されると考えられる。この結果は、ＲＯＩを読み、かつ一掃することができる最大周波数においては約３０００Ｈｚまでの増加になり、ダイナミックレンジにおいては１桁の増加になるであろう。一部の実施形態では、これらの予備露出の順序は、反対になる場合がある。一部の実施形態では、２つの予備露出の一方又は両方の時間は、自動的に計算することができる。一実施形態では、より短い予備露出の時間は、既定の又はユーザ指定のより長い予備露出の分割量とすることができる。
【００８８】
概略的に説明すると、ダイナミックレンジは、１つ又はそれよりも多くのスカラー値をあらゆる数の次元の空間の順序付けされた要素に関連付けるあらゆる撮像システムに対して拡張することができる。スカラー値は、励起に対する信号応答を特徴付ける値、例えば、特定の検出器要素上の検出強度である。空間の順序付けされた要素には、空間の順序付けされた要素の部分集合として定められた少なくとも１つの関連領域が含まれる。関連の各領域は、関連領域の要素の１つにおいて電荷が飽和する時間に対応する閾値時間によって特徴付けられる。撮像に対して撮像システムを設定するために、撮像システムは、第１の予備露出時間にわたって最初に励起に露出され、閾値時間が指定の持続時間を超えるような全ての関連領域に関する閾値時間を判断する。次に、撮像システムは、第１の予備露出時間よりも短い第２の予備露出時間にわたって励起に露出され、閾値時間が指定の持続時間よりも短い関連領域に関する閾値時間を判断する。判断された閾値時間に基づいて、空間の順序付けされた要素の値は、対応する関連領域に関して判断された閾値時間に応じて読まれ、かつリセットされる。
【００８９】
本明細書では、４、１６０の感光性ピクセルを有する集積回路を説明してきたが、他の数の感光性ピクセルを含むことができる。具体的には、アラインメント公差を軽減するために、かつピクセル番号への動的に変化する波長の登録に備えるために、設けられる感光性ピクセルの数は、実際に使用されるスペクトルチャンネルの数を超えることが望ましい。
【００９０】
更に、感光性ピクセルの１次元アレイを有する集積回路を説明してきたが、感光性ピクセルの２次元アレイを含むことができる。このような場合には、感光性ピクセルの各行に個別の組のＲＳＲを設けることができる。一実施形態では、ＲＳＲの各組は、別々の平面として実施される。別の態様では、２次元デバイスが、上述の方法と同様の方法で作動し、すなわち、全ての感光性ピクセルセル内の電荷の複写が、選択されたＲＳＲの組に並行して複写される。このようなデバイスは、スペクトル及び他の種類の画像を含む時間分解２次元画像を供給するために使用することができる。
【００９１】
線形ＣＩＤセンサのアーキテクチャに適用することができる例示的な原理は、図２に示すブロック図を参照して本明細書で説明し、ピクセル及び／又はＲＳＲの特定の数に言及したが、これらの数は一例を示すためだけである。それと同様に、これらの原理は、感光性ピクセルが１つの基板上に形成され、行ストレージレジスタが別の基板上に形成され、これら２つの基板は、インジウムバンプ結合などによって結合される回路のような混成集積回路に適用することができる。（このような結合は、Ｊａｍｅs Ｇ．Ｍａｉｎｐｒｉｚｅ他著「デジタルマモグラフィのためのスロット走査式フォトダイオードアレイ／ＣＣＤ混成検出器」、２００２年６月２５日、医学生物物理学部、トロント大学、サニーブルック、及び女子大保健科学センター、トロント、オンタリオ、Ｍ４Ｎ３Ｍ５、カナダに記載されており、その内容は、引用により本明細書に組み込まれている。）これらの原理は、センサを有する基板又は集積回路とストレージセルを有する基板又は集積回路との他の組合せにも適用することができる。
【００９２】
スペクトル分析器は、メモリに格納された命令によって制御されるプロセッサを含むものとして説明した。メモリは、制御ソフトウエア又は他の命令及びデータを格納するのに適するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、又はいずれかの他のメモリ、又はその組合せとすることができる。スペクトル分析器によって実行される機能の一部は、流れ図を参照して説明した。流れ図の各ブロックの全て又は一部分又はブロックの組合せの機能、作動、判断などは、コンピュータプログラム命令、ソフトウエア、ハードウエア、ファームウエア、又はその組合せとして実施することができることを当業者は容易に認めるはずである。本発明の機能を判断する命令又はプログラムは、以下に限定されるものではないが、書込不能ストレージ媒体（例えば、ＲＯＭのようなコンピュータ内の読み出し専用メモリデバイス、又はＣＤ−ＲＯＭ又はＤＶＤディスクのようなコンピュータＩ／Ｏアタッチメントによる可読デバイス）に永久に格納される情報、書込可能ストレージ媒体（例えば、フロッピーディスク、着脱式フラッシュメモリ、及びハードドライブ）に変更可能に格納される情報、又はコンピュータネットワークを含む通信媒体を通してコンピュータに伝送される情報を含む多くの形式でプロセッサに供給することができることも当業者は容易に認めるはずである。更に、本発明は、ソフトウエアにおいて実施することができるが、本発明を実施するのに必要な機能は、代替的に、組合せ論理、「特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）」、「フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）」、又は他のハードウエア、又はハードウエア、ソフトウエア、及び／又はファームウエア構成要素の何らかの組合せのようなファームウエア及び／又はハードウエア構成要素を使用して部分的又は全体的に具現化することができる。
【００９３】
本発明は、上述の例示的な実施形態を通して説明したが、例示した実施形態の修正及び変更は、本明細書に開示した発明の精神から離れることなく行うことができることを当業者は理解するであろう。更に、好ましい実施形態を様々な例示的なデータ構造と共に説明したが、本発明のシステムは、様々なデータ構造を使用して実施することができることを当業者は認識するであろう。更に、開示した態様又はこれらの態様の一部分は、上述しなかった方法で組み合わせることができる。従って、本発明は、限定的に見てはならない。
【符号の説明】
【００９４】
ｄＸ 領域サイズ
ＲＯＩ 関連領域
Ｓmax 最大ピクセル信号
Ｘｏ 開始ピクセル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間分解によってスペクトルにより特徴付けられた光を分析する方法であって、
（ａ）各感光性セルがスペクトルの異なる部分によって照射され、それによって１組の該感光性セルに電荷を生成するように、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの１次元アレイをスペクトルで照射する段階、
（ｂ）集積回路に前記感光性セルと並置されたそれぞれのストレージセルの第１の組に該感光性セルにおける前記電荷を非破壊的に複写する段階、
（ｃ）前記集積回路のストレージセルの異なる組に対して（ｂ）を定期的に繰り返す段階、及び
（ｄ）前記ストレージセルの少なくとも一部に格納された前記電荷に関する情報を前記集積回路の外部の構成要素に供給する段階、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
（ｂ）の前記繰返しの少なくとも一部にわたって電荷を前記感光性セルに蓄積させる段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
（ｂ）を少なくとも１回実行した後に前記感光性セルの部分集合における前記電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
電荷が一掃されることになる前記感光性セルの前記部分集合を特定する段階を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記集積回路上に少なくとも２、０００の感光性セルを設ける段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
各ピクセルセルに対して前記集積回路上に少なくとも１６のストレージセルを設ける段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記供給された情報を前記集積回路の外部のメモリに格納する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記情報を供給する段階は、前記ストレージセルの全てに格納された前記電荷に関する情報を前記集積回路の外部の前記構成要素に供給する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記情報を供給する段階は、前記ストレージセルの選択されたもの、かつ全てよりも少ないものに格納された前記電荷に関する情報を前記集積回路の外部の前記構成要素に供給する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ストレージセルの前記選択されたものを識別する情報を前記集積回路の外部の構成要素から受け取る段階を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記スペクトルを生成するのに使用されるサンプルの少なくとも１つの元素成分を識別するために前記格納された電荷に関して前記供給された情報を分析する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
スペクトルを時間積分する方法であって、
（ａ）各感光性ピクセルセルがスペクトルの異なる部分によって照射され、それによって該感光性セルのそれぞれに電荷を生成するように、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの１次元アレイをスペクトルで照射する段階、
（ｂ）集積回路上に前記ピクセルセルと並置されたそれぞれのストレージセルに該感光性セルにおける前記電荷を定期的に非破壊的に複写する段階、及び
（ｃ）前記ストレージセルの少なくとも１つにおける電荷が所定の値を超える場合に、該電荷に関する情報をメモリに格納する段階、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの１次元アレイを準備する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記メモリは、前記集積回路上に前記ピクセルセルと並置されていることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのストレージセルに対応する少なくとも１つの感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
露出時間が所定の値を超える場合に、前記電荷に関する情報をメモリに格納する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのストレージセルに対応する少なくとも１つの感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記ストレージセルの少なくとも１つにおける電荷が所定の値を超える場合に、該少なくとも１つのストレージセルに対応する少なくとも１つの感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記ストレージセルの少なくとも１つにおける電荷が所定の値を超える場合に、該少なくとも１つのストレージセルに対応する少なくとも１つの感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記メモリに前記情報を格納する段階は、該格納された情報に関連するタイムスタンプを格納する段階を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記メモリに格納された前記情報をピクセル毎の方式で合計する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
所定の時間量が経過した場合に、前記ストレージセルの少なくとも１つにおける電荷に関する情報を少なくとも１つの対応する感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃することなくメモリに格納する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの数が、ピクセル番号への波長の動的可変登録を考慮するような方法で、露出された電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの指定数を超えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
電荷転送デバイス感光性ピクセルセルのアレイと、
ストレージセルの各組に対して、組における各ストレージセルが、電荷を前記感光性ピクセルセルからストレージセルに複写するために該感光性ピクセルセルの異なるものに結合している、電荷ストレージセルの複数の組と、
光子生成電荷を前記ピクセルセルから前記ストレージセルの連続する組に定期的に非破壊的に複写するように作動する第１の制御論理と、
前記ストレージセルの少なくとも１つに格納された前記電荷に関する情報を集積回路の外部の構成要素に供給するように作動する第２の制御論理と、
を含むことを特徴とする集積回路。
【請求項２５】
各感光性ピクセルセルに関連する複数のプリアンプを更に含むことを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項２６】
前記感光性ピクセルセルのアレイは、１次元アレイであることを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項２７】
前記ピクセルセルのアレイは、２次元アレイであることを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項２８】
前記感光性ピクセルセルのアレイは、１次元アレイに配置された少なくとも２、０００のピクセルを含むことを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項２９】
電荷ストレージセルの前記複数の組は、少なくとも１６組のストレージセルを含むことを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項３０】
前記第２の制御論理は、前記ストレージセルの全てよりも少ないものに格納された前記電荷に関する前記情報を集積回路の外部の前記構成要素に供給するように作動することを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項３１】
前記ストレージセルに格納された前記電荷に関する前記情報は、集積回路の外部の構成要素によってランダムにアドレス可能であることを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項３２】
前記ピクセルセルの全てよりも少ないものを識別する情報を受け取り、かつ該識別されたピクセルセルに格納された前記光子生成電荷を一掃するように作動する第３の制御論理を更に含むことを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項３３】
ストレージセルの各組は、前記アレイ内のピクセルセルと少なくとも同じほど多くのストレージセルを含むことを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項３４】
前記第２の制御論理は、前記ストレージセルの前記少なくとも１つに格納された前記電荷に関する前記情報を前記外部構成要素にアナログ信号として供給するように作動することを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項３５】
前記ストレージセルに結合した少なくとも１つのアナログ／デジタル変換器、
を更に含み、
前記第２の制御論理は、前記ストレージセルの前記少なくとも１つに格納された前記電荷に関する前記情報を前記外部構成要素にデジタル信号として供給するように作動する、
ことを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項３６】
電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの１次元アレイと、
組における各ストレージセルが電荷を前記ピクセルセルからストレージセルに複写するために該ピクセルセルの異なるものに結合している、１組の電荷ストレージセルと、
前記ピクセルセルの少なくとも一部から前記ストレージセルの前記組に光子生成電荷を非破壊的に複写するように作動する第１の制御論理と、
前記ストレージセルの少なくとも一部に格納された前記電荷に関する情報を集積回路の外部の構成要素に供給するように作動する第２の制御論理と、
を含むことを特徴とする集積回路。
【請求項３７】
波長と基準イベントに続く時間とによって定められる２次元マニホルド上の１つ又はそれよりも多くの関連領域を形成するために使用されるコンピュータベースのグラフィカルユーザインタフェースであって、
関連の波長と、時間的ゲート開始時間と、ユーザ入力を受け取るための時間的ゲート継続時間とを示すメニューインタフェースと、
ユーザ指定の関連波長と、ゲート開始時間と、時間的ゲート継続時間とをユーザ指定関連領域内に集めるための関連領域モジュールと、
前記ユーザ指定関連領域を循環ＲＯＩ待ち行列にグループ分けするためのソフトウエアモジュールと、
前記ユーザ指定関連領域に従ってピクセル問い合わせ機能及びデータストレージ機能を実行するための執行モジュールと、
を含むことを特徴とするグラフィカルユーザインタフェース。
【請求項３８】
前記執行モジュールは、ユーザ指定関連領域が指定の最大ピクセル信号を超える信号を含むか否かを判断するための比較器を含むことを特徴とする請求項３７に記載のコンピュータベースのグラフィカルユーザインタフェース。
【請求項３９】
１つ又はそれよりも多くのスカラー値を空間の順序付けされた要素に関連付けるための撮像システムのダイナミックレンジを拡張する方法であって、
スカラー値が、励起に対する信号応答を特徴付け、
空間の順序付けされた要素が、該空間の該順序付けされた要素の部分集合として形成された少なくとも１つの関連領域を含み、
各関連領域が、閾値時間によって特徴付けられ、
第１の予備露出時間にわたって撮像システムを前記励起に露出し、領域の閾値時間が指定持続時間を超える全ての関連領域に対して前記閾値時間を判断する段階と、
前記第１の予備露出時間よりも短い第２の予備露出時間にわたって前記撮像システムを前記励起に露出し、領域の閾値時間が前記指定の持続時間よりも短い関連領域に対して前記閾値時間を判断する段階と、
前記判断された閾値時間に基づいて、対応する関連領域に従って前記空間の順序付けされた要素の値を読み取ってリセットする段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４０】
第２の予備露出時間にわたって前記撮像システムを前記励起に露出する前記段階は、第１の予備露出時間にわたって該撮像システムを該励起に露出する前記段階に先行することを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項１】
時間分解によってスペクトルにより特徴付けられた光を分析する方法であって、
（ａ）各感光性セルがスペクトルの異なる部分によって照射され、それによって１組の該感光性セルに電荷を生成するように、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの１次元アレイをスペクトルで照射する段階、
（ｂ）集積回路に前記感光性セルと並置されたそれぞれのストレージセルの第１の組に該感光性セルにおける前記電荷を非破壊的に複写する段階、
（ｃ）前記集積回路のストレージセルの異なる組に対して（ｂ）を定期的に繰り返す段階、及び
（ｄ）前記ストレージセルの少なくとも一部に格納された前記電荷に関する情報を前記集積回路の外部の構成要素に供給する段階、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
（ｂ）の前記繰返しの少なくとも一部にわたって電荷を前記感光性セルに蓄積させる段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
（ｂ）を少なくとも１回実行した後に前記感光性セルの部分集合における前記電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
電荷が一掃されることになる前記感光性セルの前記部分集合を特定する段階を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記集積回路上に少なくとも２、０００の感光性セルを設ける段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
各ピクセルセルに対して前記集積回路上に少なくとも１６のストレージセルを設ける段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記供給された情報を前記集積回路の外部のメモリに格納する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記情報を供給する段階は、前記ストレージセルの全てに格納された前記電荷に関する情報を前記集積回路の外部の前記構成要素に供給する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記情報を供給する段階は、前記ストレージセルの選択されたもの、かつ全てよりも少ないものに格納された前記電荷に関する情報を前記集積回路の外部の前記構成要素に供給する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ストレージセルの前記選択されたものを識別する情報を前記集積回路の外部の構成要素から受け取る段階を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記スペクトルを生成するのに使用されるサンプルの少なくとも１つの元素成分を識別するために前記格納された電荷に関して前記供給された情報を分析する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
スペクトルを時間積分する方法であって、
（ａ）各感光性ピクセルセルがスペクトルの異なる部分によって照射され、それによって該感光性セルのそれぞれに電荷を生成するように、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの１次元アレイをスペクトルで照射する段階、
（ｂ）集積回路上に前記ピクセルセルと並置されたそれぞれのストレージセルに該感光性セルにおける前記電荷を定期的に非破壊的に複写する段階、及び
（ｃ）前記ストレージセルの少なくとも１つにおける電荷が所定の値を超える場合に、該電荷に関する情報をメモリに格納する段階、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの１次元アレイを準備する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記メモリは、前記集積回路上に前記ピクセルセルと並置されていることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのストレージセルに対応する少なくとも１つの感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
露出時間が所定の値を超える場合に、前記電荷に関する情報をメモリに格納する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのストレージセルに対応する少なくとも１つの感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記ストレージセルの少なくとも１つにおける電荷が所定の値を超える場合に、該少なくとも１つのストレージセルに対応する少なくとも１つの感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記ストレージセルの少なくとも１つにおける電荷が所定の値を超える場合に、該少なくとも１つのストレージセルに対応する少なくとも１つの感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記メモリに前記情報を格納する段階は、該格納された情報に関連するタイムスタンプを格納する段階を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記メモリに格納された前記情報をピクセル毎の方式で合計する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
所定の時間量が経過した場合に、前記ストレージセルの少なくとも１つにおける電荷に関する情報を少なくとも１つの対応する感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃することなくメモリに格納する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの数が、ピクセル番号への波長の動的可変登録を考慮するような方法で、露出された電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの指定数を超えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
電荷転送デバイス感光性ピクセルセルのアレイと、
ストレージセルの各組に対して、組における各ストレージセルが、電荷を前記感光性ピクセルセルからストレージセルに複写するために該感光性ピクセルセルの異なるものに結合している、電荷ストレージセルの複数の組と、
光子生成電荷を前記ピクセルセルから前記ストレージセルの連続する組に定期的に非破壊的に複写するように作動する第１の制御論理と、
前記ストレージセルの少なくとも１つに格納された前記電荷に関する情報を集積回路の外部の構成要素に供給するように作動する第２の制御論理と、
を含むことを特徴とする集積回路。
【請求項２５】
各感光性ピクセルセルに関連する複数のプリアンプを更に含むことを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項２６】
前記感光性ピクセルセルのアレイは、１次元アレイであることを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項２７】
前記ピクセルセルのアレイは、２次元アレイであることを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項２８】
前記感光性ピクセルセルのアレイは、１次元アレイに配置された少なくとも２、０００のピクセルを含むことを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項２９】
電荷ストレージセルの前記複数の組は、少なくとも１６組のストレージセルを含むことを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項３０】
前記第２の制御論理は、前記ストレージセルの全てよりも少ないものに格納された前記電荷に関する前記情報を集積回路の外部の前記構成要素に供給するように作動することを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項３１】
前記ストレージセルに格納された前記電荷に関する前記情報は、集積回路の外部の構成要素によってランダムにアドレス可能であることを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項３２】
前記ピクセルセルの全てよりも少ないものを識別する情報を受け取り、かつ該識別されたピクセルセルに格納された前記光子生成電荷を一掃するように作動する第３の制御論理を更に含むことを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項３３】
ストレージセルの各組は、前記アレイ内のピクセルセルと少なくとも同じほど多くのストレージセルを含むことを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項３４】
前記第２の制御論理は、前記ストレージセルの前記少なくとも１つに格納された前記電荷に関する前記情報を前記外部構成要素にアナログ信号として供給するように作動することを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項３５】
前記ストレージセルに結合した少なくとも１つのアナログ／デジタル変換器、
を更に含み、
前記第２の制御論理は、前記ストレージセルの前記少なくとも１つに格納された前記電荷に関する前記情報を前記外部構成要素にデジタル信号として供給するように作動する、
ことを特徴とする請求項２４に記載の集積回路。
【請求項３６】
電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの１次元アレイと、
組における各ストレージセルが電荷を前記ピクセルセルからストレージセルに複写するために該ピクセルセルの異なるものに結合している、１組の電荷ストレージセルと、
前記ピクセルセルの少なくとも一部から前記ストレージセルの前記組に光子生成電荷を非破壊的に複写するように作動する第１の制御論理と、
前記ストレージセルの少なくとも一部に格納された前記電荷に関する情報を集積回路の外部の構成要素に供給するように作動する第２の制御論理と、
を含むことを特徴とする集積回路。
【請求項３７】
波長と基準イベントに続く時間とによって定められる２次元マニホルド上の１つ又はそれよりも多くの関連領域を形成するために使用されるコンピュータベースのグラフィカルユーザインタフェースであって、
関連の波長と、時間的ゲート開始時間と、ユーザ入力を受け取るための時間的ゲート継続時間とを示すメニューインタフェースと、
ユーザ指定の関連波長と、ゲート開始時間と、時間的ゲート継続時間とをユーザ指定関連領域内に集めるための関連領域モジュールと、
前記ユーザ指定関連領域を循環ＲＯＩ待ち行列にグループ分けするためのソフトウエアモジュールと、
前記ユーザ指定関連領域に従ってピクセル問い合わせ機能及びデータストレージ機能を実行するための執行モジュールと、
を含むことを特徴とするグラフィカルユーザインタフェース。
【請求項３８】
前記執行モジュールは、ユーザ指定関連領域が指定の最大ピクセル信号を超える信号を含むか否かを判断するための比較器を含むことを特徴とする請求項３７に記載のコンピュータベースのグラフィカルユーザインタフェース。
【請求項３９】
１つ又はそれよりも多くのスカラー値を空間の順序付けされた要素に関連付けるための撮像システムのダイナミックレンジを拡張する方法であって、
スカラー値が、励起に対する信号応答を特徴付け、
空間の順序付けされた要素が、該空間の該順序付けされた要素の部分集合として形成された少なくとも１つの関連領域を含み、
各関連領域が、閾値時間によって特徴付けられ、
第１の予備露出時間にわたって撮像システムを前記励起に露出し、領域の閾値時間が指定持続時間を超える全ての関連領域に対して前記閾値時間を判断する段階と、
前記第１の予備露出時間よりも短い第２の予備露出時間にわたって前記撮像システムを前記励起に露出し、領域の閾値時間が前記指定の持続時間よりも短い関連領域に対して前記閾値時間を判断する段階と、
前記判断された閾値時間に基づいて、対応する関連領域に従って前記空間の順序付けされた要素の値を読み取ってリセットする段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４０】
第２の予備露出時間にわたって前記撮像システムを前記励起に露出する前記段階は、第１の予備露出時間にわたって該撮像システムを該励起に露出する前記段階に先行することを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ−３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ（１）】
【図４Ｂ（２）】
【図４Ｃ（１）】
【図４Ｃ（２）】
【図５】
【図６】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３Ａ−３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ（１）】
【図４Ｂ（２）】
【図４Ｃ（１）】
【図４Ｃ（２）】
【図５】
【図６】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公表番号】特表２０１０−５１９５５１（Ｐ２０１０−５１９５５１Ａ）
【公表日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５５１０２２（Ｐ２００９−５５１０２２）
【出願日】平成２０年２月２２日（２００８．２．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０５４６４３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１０３８６５
【国際公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．フロッピー
【出願人】（５０８０１９８９４）サーモ ニトン アナライザーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー (12)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２２日（２００８．２．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０５４６４３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１０３８６５
【国際公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．フロッピー
【出願人】（５０８０１９８９４）サーモ ニトン アナライザーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー (12)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]