CN114641986A - 影像传感器及影像传感器的控制方法 - Google Patents

影像传感器及影像传感器的控制方法 Download PDF

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Abstract

影像传感器(5)具备多个像素(10)。各像素(10)具有光电转换部(11)、控制蓄积于光电转换部(11)的电荷的排出的重设栅极(12)、电荷蓄积部(13)、控制电荷自光电转换部(11)向电荷蓄积部(13)移动的蓄积栅极(14)、及控制来自电荷蓄积部(13)的电荷的读取的读取栅极(16)。重设栅极(12)将通过激发光的入射而在光电转换部(11)产生的电荷排出。蓄积栅极(14)将通过荧光的入射而在光电转换部(11)产生的电荷移动至电荷蓄积部(13)。读取栅极(16)在电荷向电荷蓄积部(13)的移动进行n次后进行用于读取电荷的控制。电荷的移动次数n可对每个像素(10)设定。由此，可实现一种可选择性地提高多个像素中一部分像素的信号量，且可仅检测交替入射的2束光中的一者的影像传感器。

Description

影像传感器及影像传感器的控制方法
技术领域
本发明关于一种影像传感器、及影像传感器的控制方法。
背景技术
专利文献1中公开了关于线性影像传感器及其驱动方法的技术。该线性影像传感器包含一维排列的N个像素、信号输出线、电荷排出线及驱动控制机构。各像素具有包含光电转换组件的信号产生部、设于信号产生部与信号输出线之间的读取开关、及设于信号产生部与电荷排出线之间的电荷排出开关。信号输出线为了取出在N个像素获得的信号，而共通地设于全体像素。电荷排出线将N个像素获得的信号排出。
驱动控制机构对每个像素分别独立指示将读取开关暂时设为导通状态的动作、与将电荷排出开关暂时设为导通状态的动作。驱动控制机构将各像素的读取开关在相互不同的期间设为导通状态，且在将各像素中读取开关设为导通状态的时点起至于下次将读取开关设为导通状态的期间中，对每个像素设定是否将该像素的电荷排出开关设为导通状态或将该像素的电荷排出开关设为导通状态的时序的任意者，并指示各像素的读取开关及电荷排出开关的导通/断开。
专利文献2中公开关于固体摄像装置的技术。该固体摄像装置具备第1导电型的光电转换部、第1导电型的保持部、第1导电型的浮置扩散部、电荷排出部、包含第1栅极且将电荷自光电转换部传送至保持部的第1传送部、包含第2栅极且将电荷自保持部传送至浮置扩散部的第2传送部、及包含第3栅极且将电荷自光电转换部排出至电荷排出部的第3传送部。
第1传送部的第1栅极的下的至少一部分区域的第2导电型的杂质浓度，低于第2传送部的第2栅极的下的区域的第2导电型的杂质浓度、及第3传送部的第3栅极的下的区域的第2导电型的杂质浓度。在第1传送部及第3传送部断开的状态下，会有第1传送部的电位障壁高于第3传送部的电位障壁的状态的情形。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]国际公开第2014/069394号
[专利文献2]日本特开2018-120981号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
影像传感器对多个像素的每个检测入射光的强度。当入射至像素的入射光的光量微弱时，与背景噪声比较，检测信号变小，该像素中的S/N比劣化。另一方面，当入射至像素的入射光的光量过大时，该像素饱和，检测信号的大小将不会与入射光的强度对应。
例如，分光分析装置通过线性影像传感器检测分光后的各波长的光强度时，根据波长而有光强度微弱的情形。该情形，若将全部的像素的信号量一样升高，恐有检测其他波长的光强度的像素饱和的问题。因此，期望可仅提高与光强度微弱的波长对应的像素的信号量。
另外，对影像传感器有期望仅检测交替入射的2束光中的一者的情形。例如，发光分光测量装置中，对测量对象物照射激发光，将于测量对象物产生的荧光进行分光，再通过线性影像传感器就每个波长检测荧光的强度。该情形，线性影像传感器的各像素除荧光以外还入射有激发光。
通常，荧光迟于激发光而产生，故在各像素首先入射激发光，片刻后入射荧光。为了进行高精度的测定，会照射多次的脉冲状的激发光，并在每次就每个波长检测荧光强度。由于测量对象物的分析中必要的是荧光强度，故期望能一边排除激发光的影响一边高精度地检测荧光强度。
实施方式的目的在于提供一种可选择性地提高多个像素中一部分像素的信号量，且可仅检测交替入射的2束光中的一者的影像传感器、及影像传感器的控制方法。
[解决问题的技术手段]
实施方式为一种影像传感器。影像传感器包含一维或二维配置的多个像素，且各像素具有：光电转换部，其产生与入射光的强度对应的量的电荷；第1栅极，其控制蓄积于光电转换部的电荷向该像素外的排出；电荷蓄积部，其与光电转换部分开设置，且蓄积电荷；第2栅极，其设于光电转换部与电荷蓄积部之间，且控制电荷自光电转换部向电荷蓄积部的移动；及第3栅极，其控制来自电荷蓄积部的电荷的读取；且，第1栅极将通过依时间交替入射的第1光及第2光中第1光的入射而在光电转换部产生的电荷排出至像素外；第2栅极将通过第2光的入射而在光电转换部产生的电荷移动至电荷蓄积部；第3栅极在电荷向电荷蓄积部的移动进行n次(n为1以上的整数)后，进行用于自电荷蓄积部读取电荷的控制；电荷的移动次数n，可对每个像素个别设定。
依上述结构，首先，当第1光(例如发光分光测量的激发光)入射至影像传感器时，各像素的光电转换部会产生与第1光的强度对应的量的电荷。该电荷通过第1栅极排出至该像素外。接着，当第2光(例如发光分光测量的荧光)入射至影像传感器时，各像素的光电转换部产生与第2光的强度对应的量的电荷。该电荷通过第2栅极向电荷蓄积部移动。其后，在第2光的强度充分且S/N比较高的像素，可例如在每次第2光的入射，通过第3栅极读取电荷。
另外，在第2光的强度不充分且S/N比较低的像素，在直到第2光多次入射为止，不进行通过第3栅极的读取，可在电荷蓄积部蓄积电荷。其间，重复进行第1光及第2光的入射，通过第1光而在光电转换部产生的电荷通过第1栅极排出至该像素外，通过第2光而在光电转换部产生的电荷通过第2栅极蓄积于电荷蓄积部。且，蓄积于电荷蓄积部的第2光的入射次数量的电荷，通过第3栅极读取。
如此，上述的影像传感器，由于可对每个像素个别设定第2光所致的电荷的蓄积次数，故在第2光的强度不充分的情形，仍可增多蓄积次数而提高信号量。且，这些动作可一边排除与第2光交替入射的第1光的影响一边进行。因此，根据上述的影像传感器，可选择性地提高多个像素中一部分的像素的信号量，且可仅检测交替入射的2束光中的一者。
实施方式为一种发光分光测量装置。发光分光测量装置包含：上述构成的影像传感器，其包含一维配置的多个像素；激发光源，其将作为第1光的激发光照射至测量对象物；及分光器，其将通过激发光而在测量对象物产生的荧光进行分光；且，影像传感器的多个像素的排列方向沿着分光器的分光方向，且影像传感器就每个波长检测通过分光器分光后的作为第2光的荧光的强度。
根据上述的发光分光测量装置，通过包含上述构成的影像传感器，可选择性地提高对于一部分波长的信号量，且可仅检测交替入射的激发光及荧光中的荧光。
实施方式为一种影像传感器的控制方法。影像传感器的控制方法为包含一维或二维配置的多个像素的影像传感器的控制方法，且影像传感器中，各像素具有：光电转换部，其产生与入射光的强度对应的量的电荷；及电荷蓄积部，其与光电转换部分开设置，且蓄积电荷；且该控制方法包含：第1步骤，其将通过对于影像传感器依时间交替入射的第1光及第2光中第1光的入射而在光电转换部产生的电荷排出至像素外；第2步骤，其与第1步骤交替重复进行，使通过第2光的入射而在光电转换部产生的电荷移动至电荷蓄积部；及第3步骤，其在进行n次(n为1以上的整数)第2步骤后，自电荷蓄积部读取电荷；且对每个像素个别设定电荷的移动次数n。
根据上述的控制方法，在第2光的强度不充分且S/N比较低的像素，直至第2光多次入射为止不进行读取，可在电荷蓄积部蓄积电荷。其间，重复进行第1光及第2光的入射，通过第1光而在光电转换部产生的电荷被排出至该像素外，通过第2光而在光电转换部产生的电荷被蓄积于电荷蓄积部。其后，读取蓄积于电荷蓄积部的第2光的入射次数量的电荷。
如此，上述的控制方法，由于可对每个像素个别设定第2光所致的电荷的蓄积次数，故在第2光的强度不充分的情形，可增多蓄积次数而提高信号量。且，这些动作可一边排除与第2光交替入射的第1光的影响一边进行。因此，根据上述控制方法，可选择性地提高多个像素中的任意像素的信号量，且可仅检测交替入射的2束光中的一者。
[发明的效果]
根据实施方式，可提供可选择性地提高多个像素中一部分像素的信号量，且可仅检测交替入射的2束光中的一者的影像传感器、及影像传感器的控制方法。
附图说明
图1为概略性地显示一实施方式的发光分光测量装置1的结构的图。
图2为概略性地显示影像传感器5的结构的图。
图3为显示各像素10的电气结构的电路图。
图4为显示各像素10的具体构造的剖视图。
图5为显示影像传感器5的各信号的动作的时序图。
图6为显示影像传感器的控制方法的流程图。
图7(a)为扩大显示对于某像素10的信号Sa的脉冲信号P的图，(b)为显示自该像素10输出的电压信号Vout的图，及(c)为显示像素电路部17的信号控制电路17a内的指令保持信号Sd5的图。
图8为显示比较例的影像传感器的像素110的结构的电路图。
图9(a)、(b)为显示入射至影像传感器的荧光Lb的光强度的分布例的曲线图。
图10(a)～(c)为显示多个像素10的排列方向(X方向)的电压信号Vout的分布的例的曲线图。
具体实施方式
以下，一面参照附图，一面详细说明影像传感器、发光分光测量装置、及影像传感器的控制方法的实施方式。另，附图的说明中对相同要件附加相同符号，并省略重复说明。另外，本发明并非限定于这些例示者。
图1为概略性地显示一实施方式的发光分光测量装置1的构成的图。如图1所示，发光分光测量装置1具备激发光源2、透镜3、分光器4、及影像传感器5。
激发光源2与测量对象物A光学性地结合，将激发光La照射至测量对象物A的表面。激发光源2以特定的时间间隔多次照射具有脉冲状的时间波形的激发光La。激发光La为本实施方式的第1光。测量对象物A例如为固体，激发光La的波长例如为100nm以上1200nm以下。
测量对象物A每次接受脉冲状的激发光La，均会产生包含与测量对象物A的各构成元素对应的波长成分的荧光Lb。荧光Lb为本实施方式的第2光。构成测量对象物A的各元素分别发出具有固有波长的荧光Lb。另外，各波长成分的光强度表示与其波长对应的各元素的组成比(或混合比)。因此，通过检测荧光Lb所含的各波长成分的波长及强度，可鉴定构成测量对象物A的元素的种类及组成比(或混合比)。
分光器4经由透镜3与测量对象物A光学性结合。分光器4接收通过激发光La而在测量对象物A产生的荧光Lb，并将荧光Lb分光。分光器4例如可由衍射光栅或棱镜构成。影像传感器5与分光器4光学性结合，且接收自分光器4输出的分光后的荧光Lb。影像传感器5通过依每波长检测通过分光器4分光后的荧光Lb的强度，进行荧光Lb的光谱解析测量。
图2为概略性地显示影像传感器5的构成的图。如图2所示，影像传感器5包含一维配置的多个像素10、及电连接于各像素10而控制各像素10的动作的控制部9。多个像素10沿X方向排列而配置，各像素10的俯视形状为将与X方向交叉(例如正交)的Y方向设为长边方向的长方形。影像传感器5配置为使多个像素10的排列方向(X方向)沿着分光器4的分光方向(多个波长成分排列的方向)。从而，各像素10检测分别对应的波长成分的光强度。
在影像传感器5的光入射面除入射上述荧光Lb以外，也入射激发光La。荧光Lb由于比激发光La的照射更慢产生，故先入射激发光La，隔段时间入射荧光Lb。
通常，激发光La的峰值波长，与荧光Lb的各波长成分的峰值波长的任意者均不同。然而，激发光La的光强度与荧光Lb的光强度比较明显较大。另外，通常，激发光La的光谱具有波长方向的分布(扩大)。因此，有即使是自激发光La的峰值波长分离的波长成分，仍具有与荧光Lb的各波长成分比较无法忽略(或大于荧光Lb的各波长成分)的强度的情形。
图3为显示各像素10的电气结构的电路图。另外，图4为显示各像素10的具体构造的剖视图。如图3及图4所示，各像素10具有光电转换部11、重设栅极12、电荷蓄积部13、蓄积栅极14、电压转换部15、读取栅极16及像素电路部17。
光电转换部11为产生与入射光的强度对应的电荷的部分。光电转换部11，当有激发光La入射时，会产生、蓄积与激发光La的强度对应的量的电荷。另外，光电转换部11，当有荧光Lb入射时，会产生、蓄积与荧光Lb的强度对应的量的电荷。
光电转换部11如图4所示，例如可由光电二极管构成，该光电二极管包含：形成于Si基板20的表面20a的高浓度的第1导电型(例如p型)半导体区域11a、与位于其正下方而与半导体区域11a相接的高浓度的第2导电型(例如n型)半导体区域11b。半导体区域11a、11b例如可通过对Si基板20进行离子注入而形成。
重设栅极12为本实施方式的第1栅极的例。重设栅极12控制蓄积于光电转换部11的电荷向该像素10外的排出。如图4所示，重设栅极12为嵌埋入Si基板20上的绝缘膜31(例如硅氧化膜(SiO2))内的电极膜(例如多晶硅膜)。重设栅极12隔着绝缘膜31的一部分与Si基板20的表面20a相对，作为场效晶体管(Field Effect Transistor：FET)的栅极发挥作用。
自表面20a的法线方向观察，在与光电转换部11之间隔着重设栅极12的位置的表面20a的区域，设有重设漏极23。重设漏极23为形成于Si基板20的表面20a的高浓度且第2导电型(例如n型)的半导体区域。重设漏极23例如可通过对Si基板20进行离子注入而形成。
重设漏极23与遍及多个像素10而共通设置的定电位线41(重设电位线)电连接。当在重设栅极12被施加特定的导通电压时，蓄积于光电转换部11的电荷会通过重设栅极12向重设漏极23移动，通过定电位线41排出至该像素10之外。当在重设栅极12被施加特定的断开电压时，蓄积于光电转换部11的电荷不会向重设漏极23移动。
重设栅极12在依时间交替入射的激发光La及荧光Lb中与激发光La的入射时序配合而成为导通状态。由此，重设栅极12仅将通过激发光La而在光电转换部11产生的电荷排出至该像素10外。用于控制重设栅极12的导通/断开的信号Sd1(第1信号)，作为共通的信号自图2所示的控制部9提供至多个像素10。
电荷蓄积部13为蓄积电荷的部分，且与光电转换部11分开而与光电转换部11相邻设置。如图4所示，电荷蓄积部13例如包含形成于Si基板20的表面20a的高浓度的第1导电型(例如p型)半导体区域13a、与位于其正下方而与半导体区域13a相接的高浓度的第2导电型(例如n型)半导体区域13b。半导体区域13a、13b例如可通过对Si基板20进行离子注入而形成。另，图3中为了易于理解，将电荷蓄积部13用电容器的电路记号替代显示。
蓄积栅极14为本实施方式的第2栅极的例。蓄积栅极14自基板20的表面20a的法线方向观察，设于光电转换部11与电荷蓄积部13之间，且控制电荷自光电转换部11向电荷蓄积部13的移动。如图4所示，蓄积栅极14为嵌埋入Si基板20上的绝缘膜31内的与重设栅极12不同的电极膜(例如多晶硅膜)。蓄积栅极14隔着绝缘膜31的一部分与Si基板20的表面20a相对，作为FET的栅极发挥作用。
当在蓄积栅极14施加特定的导通电压时，蓄积于光电转换部11的电荷会通过蓄积栅极14向电荷蓄积部13移动，而蓄积于电荷蓄积部13。当在蓄积栅极14施加特定的断开电压时，蓄积于光电转换部11的电荷不会向电荷蓄积部13移动。
蓄积栅极14在依时间交替入射的激发光La及荧光Lb中，与在荧光Lb入射后且激发光La入射前的时序配合而成为导通状态。由此，蓄积栅极14仅使通过荧光Lb的入射而在光电转换部11产生的电荷向电荷蓄积部13移动。用于控制蓄积栅极14的导通/断开的信号Sd2(第2信号)，作为共通的信号自图2所示的控制部9提供至多个像素10。
读取栅极16为本实施方式的第3栅极的例。读取栅极16自基板20的表面20a的法线方向观察，设于电荷蓄积部13与电压转换部15之间(本实施方式中为电荷蓄积部13与后述的浮置扩散部(FD)15a之间)，且控制自电荷蓄积部13向电压转换部15的电荷的读取。如图4所示，读取栅极16为嵌埋入Si基板20上的绝缘膜31内的与重设栅极12及蓄积栅极14不同的电极膜(例如多晶硅膜)。读取栅极16隔着绝缘膜31的一部分与Si基板20的表面20a相对，作为FET的栅极发挥作用。
当在读取栅极16施加特定的导通电压时，蓄积于电荷蓄积部13的电荷会通过读取栅极16向电压转换部15移动。当在读取栅极16施加特定的断开电压时，蓄积于电荷蓄积部13的电荷不会向电压转换部15移动。
读取栅极16，在电荷自光电转换部11向电荷蓄积部13的移动进行n次(n为1以上的整数)后，进行用于自电荷蓄积部13向电压转换部15读取电荷的控制。电荷的移动次数n可对每个像素10个别设定。
像素电路部17为产生控制读取栅极16的信号Sd3的电路，且包含信号控制电路17a及一对晶体管17b、17c。信号控制电路17a与相对于多个像素10共通设置的配线44电连接。信号控制电路17a在多次摄像帧的各者，自控制部9经由配线44接收信号Sa(第3信号)。信号Sa为在各摄像帧的特定时序中用于对各像素每个10指示使读取栅极16成为导通状态或成为断开状态的信号。
晶体管17b、17c的各控制端子(栅极)与信号控制电路17a电连接。晶体管17b的一电流端子(例如漏极)与相对于多个像素10共通的定电位线45电连接。定电位线45的电位与读取栅极16的特定导通电压对应，例如与定电位线41相同。定电位线41与定电位线45也可相互共通。晶体管17c的一电流端子与相对于多个像素10共通的定电位线46电连接。定电位线46的电位与读取栅极16的特定断开电压对应，例如为-1.4V。
晶体管17b、17c的另一电流端子(例如源极)与读取栅极16电连接。信号控制电路17a在将读取栅极16设为导通状态的期间，将晶体管17b设为导通状态，将晶体管17c设为断开状态。另外，信号控制电路17a在将读取栅极16设为断开状态的期间，将晶体管17b设为断开状态，将晶体管17c设为导通状态。信号控制电路17a基于信号Sa在各摄像帧的特定时序中，将读取栅极16设为导通状态，或维持读取栅极16的断开状态。
电压转换部15为将电荷量转换为电压信号的部分。本实施方式的电压转换部15包含FD15a、晶体管15b、重设栅极15c、开关15d、及电流源15e而构成。FD15a为蓄积电荷的部分，且与光电转换部11及电荷蓄积部13分开而与电荷蓄积部13相邻设置。
如图4所示，FD15a例如为形成于Si基板20的表面20a的高浓度的第2导电型(例如n型)半导体区域。FD15a例如可通过对Si基板20进行离子注入而形成。上述的读取栅极16自基板20的表面20a的法线方向观察，设于电荷蓄积部13与FD15a之间。另，图3中为了易于理解，将FD15a用电容器的电路记号替代显示。
晶体管15b例如为FET，且构成源极跟随放大器，放大与蓄积于FD15a的电荷量对应的电压。具体而言，晶体管15b的控制端子(栅极)与FD15a电连接，且将与蓄积于FD15a的电荷量对应的微小电压施加于晶体管15b的控制端子。晶体管15b的一电流端子(例如漏极)与跨多个像素10而共通设置的定电位线42电连接。晶体管15b的另一电流端子(例如源极)经由开关15d及电流源15e，与跨多个像素10而共通设置的基准电位线43电连接。
开关15d及电流源15e在晶体管15b的另一电流端子与基准电位线43之间，相互串联连接。定电位线42的电位例如与定电位线41相同。定电位线41与定电位线42也可相互共通。
当开关15d为连接状态时，在晶体管15b的另一电流端子会产生与施加于晶体管15b的控制端子的微小电压对应大小的电压信号Vout。换言之，在晶体管15b的另一电流端子产生与蓄积于FD15a的电荷量对应大小的电压信号Vout。该电压信号Vout通过读取配线被提供于影像传感器5的外部。
重设栅极15c控制蓄积于FD15a的电荷向该像素10外的排出。重设栅极15c具有与上述重设栅极12相同的构成。重设栅极15c为嵌埋于Si基板20上的绝缘膜31内的电极膜(例如多晶硅膜)。重设栅极15c隔着绝缘膜31的一部分与Si基板20的表面20a相对，作为FET的栅极发挥作用。
自表面20a的法线方向观察，在与FD15a之间隔着重设栅极15c的位置的表面20a的区域，设有未图标的重设漏极。重设漏极与上述重设漏极23相同，为形成于Si基板20的表面20a的高浓度且第2导电型(例如n型)的半导体区域。
重设漏极与定电位线42电连接。当在重设栅极15c施加特定的导通电压时，蓄积于FD15a的电荷会通过重设栅极15c向重设漏极移动，并通过定电位线42排出至该像素10外。当在重设栅极15c施加特定的断开电压时，蓄积于FD15a的电荷不会向重设漏极移动。
重设栅极15c在自该像素10读取电压信号Vout后变为导通状态，将蓄积于FD15a的电荷进行重设。另外，此时，通过同时使读取栅极16成为导通状态，可与蓄积于电荷蓄积部13的电荷一起重设。用于控制重设栅极15c的导通/断开的信号Sd4，自图2所示的控制部9作为共通的信号被提供至多个像素10。
关于具备以上构成的影像传感器5的动作，与本实施方式的影像传感器的控制方法一同进行说明。图5为显示影像传感器5的各信号的动作的时序图。另外，图6为显示影像传感器的控制方法的流程图。
图5中作为例示显示有3个摄像帧F1～F3。激发光源2(参照图1)的发光时序与各摄像帧F1～F3为相互同步，在各摄像帧F1～F3首先入射激发光La，其次片刻后入射荧光Lb。图5中通过三角形概念性显示激发光La及荧光Lb的入射时序。三角形的横向表示时间，纵向(高度方向)表示光强度。该例中，激发光La的峰值强度大于荧光Lb的峰值强度。
作为各摄像帧F1～F3共通的动作，首先，如图5的(a)所示，使控制部9内部的框控制信号ST设为第1有效值(例如Hi)。同时，如图5的(b)所示，控制重设栅极12的信号Sd1在全体像素10中同时成为导通状态。信号Sd1在激发光La入射至影像传感器5期间维持导通状态。即，将通过激发光La的入射而蓄积于光电转换部11的电荷经由重设漏极23及定电位线41排出至该像素10外(图6的第1步骤S1)。
将信号Sd1为导通状态后，在特定期间(图中的期间D1)将令信号Sd1设为断开状态。将信号Sd1设为断开状态的时序在全体像素10中共通，为在激发光La入射后且荧光Lb入射前。当信号Sd1为断开状态时，光电转换部11为可蓄积电荷的状态。将信号Sd1设为断开状态后，在整个特定期间(图中的期间D2)，荧光Lb入射至影像传感器5，光电转换部11蓄积与入射至该像素10的荧光Lb的光量对应的量的电荷。
将信号Sd1设为断开状态后，在特定期间后，将帧控制信号ST作为第2有效值(例如Lo)。此时，如图5的(c)所示，将控制蓄积栅极14的信号Sd2在全体像素10中同时设为导通状态。由此，使通过荧光Lb的入射而在光电转换部11产生的电荷通过蓄积栅极14向电荷蓄积部13移动(图6的第2步骤S2)。另，第1步骤S1及第2步骤S2，对各摄像帧F1～F3各者逐次交替重复进行。
接着，如图5的(d)及(e)所示，将控制读取栅极16的信号Sd3设为导通状态。由此，将蓄积于电荷蓄积部13的电荷通过读取栅极16向电压转换部15的FD15a读取(图6的第3步骤S3)。此时，根据需要在每个摄像帧，将一部分像素10中的信号Sd3维持断开状态，不进行自电荷蓄积部13向FD15a的电荷的读取。该情形，该摄像帧的该像素10中，通过荧光Lb的入射而产生的电荷直接蓄积于电荷蓄积部13。
图5所示的例中，图5的(d)显示第N个像素10的信号Sd3，图5的(e)显示第(N+1)个像素10的信号Sd3。且，如(e)所示，在摄像帧F2的第(N+1)个像素10，信号Sd3维持在断开状态。因此，在摄像帧F3的第(N+1)个像素10，在第2步骤S2进行2次后自电荷蓄积部13读取电荷。相对于此，在摄像帧F2、F3的第N个像素10，在第2步骤S2进行1次后(即每次)即自电荷蓄积部13读取电荷。
另，图5所示的例中，在第(N+1)个像素10，在进行2次第2步骤S2后自电荷蓄积部13读取电荷，然而也可在进行n次(n为3以上的整数)第2步骤S2后自电荷蓄积部13读取电荷，或在第(N+1)次以外的其他一或二以上的像素10进行相同的动作。换言之，在一或二以上的任意像素10，在进行n次(n为1以上的整数)第2步骤S2后自电荷蓄积部13读取电荷。
图5的(h)所示的信号Sa，为用于对每个像素10指示在各摄像帧F1～F3是使信号Sd3为导通状态、或维持断开状态的信号。信号Sa包含依时间方向排列的多个脉冲信号。各脉冲信号在各像素10一对一对应，在某摄像帧与某像素10对应的脉冲信号为有效值的情形，在其后的摄像帧的该像素10将信号Sd3维持断开状态。
在图5的(h)所示的例，摄像帧F1的与信号Sa的第(N+1)个像素10对应的脉冲信号P为有效值，因此其后的摄像帧F2的第(N+1)个像素10的信号Sd3维持断开状态(图5的(e))。即，本实施方式可对各像素每个10个别设定上述次数n。
其后，如图5的(g)所示，自多个像素10依序输出电压信号Vout。接着，电压信号Vout的输出结束后，如图5的(f)所示，将信号Sd4设为导通状态，将重设栅极15c设为导通状态。另外，同时如图5的(d)及(e)所示，将信号Sd3设为导通状态，将读取栅极16设为导通状态。由此，重设FD15a及电荷蓄积部13所残存的电荷。
此处，图7(a)为扩大显示对于某像素10的信号Sa的脉冲信号P的图。图7(b)为显示自该像素10输出的电压信号Vout的图。图7(c)为显示像素电路部17的信号控制电路17a内的指令保持信号Sd5的图。
如图7所示，信号Sa的脉冲信号P也可在与电压信号Vout同步的时序为有效值。且，也可将电压信号Vout被输出的期间的脉冲信号P的上升作为触发，将信号控制电路17a内的指令保持信号Sd5在整个其后的摄像帧成为有效值。像素电路部17基于该指令保持信号Sd5，可在其后的摄像帧将信号Sd3维持在断开状态。
关于以上说明的本实施方式的影像传感器5及影像传感器的控制方法可获得的效果，与比较例一同进行说明。图8为显示比较例的影像传感器的像素110的构成的电路图。该像素110具备光电转换部11、电压转换部15、及读取栅极16。这些构成与本实施方式相同。
当在该像素110入射激发光La时，与激发光La对应的电荷蓄积于光电转换部11。该电荷通过将读取栅极16及重设栅极15c成为导通状态，而被排出至像素110外部。其后，当入射荧光Lb时，与荧光Lb对应的电荷蓄积于光电转换部11。该电荷通过读取栅极16被传送于FD15a，并作为电压信号Vout而被输出至影像传感器外部。
然而这些构成会产生以下问题。图9(a)及(b)为显示入射至影像传感器的荧光Lb的光强度的分布例的曲线图，横轴表示波长(像素的排列方向(X方向)的位置)，纵轴表示荧光Lb的光强度。图9中，虚线E1表示背景噪声电平，虚线E2表示饱和电平。
如图9(a)所示，在测量对象物A中所含的各物质的固有荧光波长λ1、λ2下的荧光Lb的强度足够大时，可以较高的S/N比进行测量。但，如图9(b)所示，某荧光波长λ1下的荧光Lb的强度足够大而另一方面另一荧光波长λ2下的荧光Lb的强度微弱的情形，与荧光波长λ2对应的像素110的电压信号Vout会被背景噪声埋没，导致S/N比降低。另外，若为了提高S/N比而企图将荧光Lb的多次入射量的电荷蓄积于FD15a，会有通过激发光La产生的电荷也被蓄积，使仅检测荧光Lb变得困难。
对于如此的问题，本实施方式的影像传感器5如上述进行以下动作。即，当入射激发光La时，各像素10的光电转换部11产生与该激发光La的强度对应的量的电荷。该电荷通过重设栅极12被排出至该像素10外。接着，当入射荧光Lb时，各像素10的光电转换部11产生与该荧光Lb的强度对应的量的电荷。该电荷通过蓄积栅极14移动至电荷蓄积部13。且，在荧光Lb的强度充分且S/N比较高的像素10，例如就每次荧光Lb的入射(换言之，就每个摄像帧)，通过读取栅极16读取电荷。
另外，在荧光Lb的强度不充分且S/N比较低的像素10，直至荧光Lb多次入射为止，不进行通过读取栅极16的读取，而将电荷蓄积于电荷蓄积部13。其间，重复进行激发光La及荧光Lb的入射，通过激发光La而在光电转换部11产生的电荷通过重设栅极12被排出至该像素10外，通过荧光Lb而在光电转换部11产生的电荷则通过蓄积栅极14蓄积于电荷蓄积部13。且，蓄积于电荷蓄积部13的荧光Lb的入射次数量的电荷，通过读取栅极16被读取。
图10为显示多个像素10的排列方向(X方向)的电压信号Vout的分布的例的曲线图。图10(a)显示图5的摄像帧F1的电压信号Vout的分布，图10(b)显示摄像帧F2的电压信号Vout的分布，图10(c)显示摄像帧F3的电压信号Vout的分布。
如图10(a)所示，在与某荧光波长对应的位置X1荧光Lb的强度足够大，另一方面在与另一荧光波长对应的位置X2荧光Lb的强度较微弱的情形下，如图10(b)所示，位于位置X2及其附近的像素10，不进行通过读取栅极16的读取而在电荷蓄积部13蓄积电荷。由此，该摄像帧F2的电压信号Vout几乎为零。但，在其后的摄像帧F3，来自位于位置X2及其附近的像素10的电压信号Vout的大小成为摄像帧的2份(即图10(a)的2倍)。因此，与背景噪声位准E1比较，可增大电压信号Vout，提高S/N比。
如此，本实施方式的影像传感器5可对每个像素10个别设定荧光Lb所致的电荷的蓄积次数，故可在荧光Lb的强度不充分的情形增多蓄积次数而提高信号量。且，这些动作可一边排除与荧光Lb交替入射的激发光La的影响一边进行。因此，根据本实施方式的影像传感器5，可选择性地提高多个像素10中的一部分像素10的信号量，且可仅检测交替入射的2束光中的一者(荧光Lb)。
如本实施方式，影像传感器5也可在每个像素10包含产生控制读取栅极16的信号Sd3的像素电路部17。该情形，可使对每个像素10个别设定次数n变得容易。
如本实施方式，影像传感器5也可包含控制部9，其在多次的摄像帧的各者对各像素10提供：在多个像素10共通而控制重设栅极12的信号Sd1、在多个像素10共通而控制蓄积栅极14的信号Sd2、及在每个像素10对像素电路部17指示读取栅极16的导通或断开的信号Sa。例如根据这些构成，可实现上述的影像传感器5的动作。
如本实施方式，各像素10也可进而具有将电荷量转换为电压信号Vout的电压转换部15，读取栅极16也可设于电荷蓄积部13与电压转换部15之间。该情形，可将各像素10的电荷作为电压信号Vout而容易地进行读取。
如本实施方式，电压转换部15也可包含FD15a。该情形，可容易地构成电压转换部15。
如上述，本实施方式的发光分光测量装置1包含具备一维配置的多个像素10的影像传感器5、将激发光La照射至测量对象物A的激发光源2、及将通过激发光La而在测量对象物A产生的荧光Lb进行分光的分光器4。且，影像传感器5的多个像素10的排列方向沿着分光器4的分光方向，影像传感器5就每个波长检测通过分光器4分光后的荧光Lb的强度。
根据该发光分光测量装置1，通过具备本实施方式的影像传感器5，可选择性地提高对于一部分波长的信号量，且可仅检测交替入射的激发光La及荧光Lb中的荧光Lb。
如上述，本实施方式的影像传感器的控制方法包含：第1步骤S1，其将通过对于影像传感器5依时间交替入射的激发光La及荧光Lb中的激发光La的入射而在光电转换部11蓄积的电荷排出至该像素10外；第2步骤S2，其与第1步骤S1交替重复进行，使通过荧光Lb的入射而在光电转换部11产生的电荷移动至电荷蓄积部13；及第3步骤S3，其在进行n次(n为1以上的整数)第2步骤S2后，自电荷蓄积部13读取电荷。且，对各像素每个10个别设定次数n。
根据该控制方法，在荧光Lb的强度不充分且S/N比较低的像素10，直至在荧光Lb多次入射为止，不进行读取，而可将电荷蓄积于电荷蓄积部13。其间，重复进行激发光La及荧光Lb的入射，通过激发光La而在光电转换部11产生的电荷被排出至该像素10外，通过荧光Lb而在光电转换部11产生的电荷被蓄积于电荷蓄积部13。其后，蓄积于电荷蓄积部13的荧光Lb的入射次数量的电荷被读取。
如此，依本实施方式的控制方法，由于可对每个像素10个别设定荧光Lb所致的电荷的蓄积次数，故可在荧光Lb的强度不充分的情形增多蓄积次数而提高信号量。且，这些动作可一边排除与荧光Lb交替入射的激发光La的影响一边进行。因此，根据本实施方式的控制方法，可选择性地提高多个像素10中任意的像素10的信号量，且可仅检测交替入射的2束光中的一者。
另，为了获得本实施方式的效果，也考虑不设置蓄积栅极14及电荷蓄积部13，而是经由读取栅极16将光电转换部11与FD15a连接，将与荧光Lb的n次入射对应的电荷蓄积于FD15a。然而，在FD15a，如图4所示，用于与配线连接的第2导电型(例如n型)的半导体区域在表面20a露出。因此，FD15a易受暗电流的影响，由于因长时间的电荷蓄积而噪声成分也被蓄积，故不能提高S/N比。
相对于此，由于电荷蓄积部13不与配线连接，故如图4所示，可将第2导电型(例如n型)的半导体区域13b通过第1导电型(例如p型)的半导体区域13a而埋入。因此，电荷蓄积部13不易受暗电流的影响，即使长时间蓄积电荷，噪声成分仍然很小。故，根据本实施方式可提高S/N比。
影像传感器、发光分光测量装置、及影像传感器的控制方法，并非限定于上述的实施方式及构成例，也可为其他的各种变化。
例如，上述实施方式显示了将影像传感器应用于发光分光测量装置的例，然而影像传感器只要是非检测对象的光与检测对象的光交替入射的用途，即可用于其他各种用途。另外，上述实施方式例示了将多个像素10一维排列的情形，然而也可将多个像素10二维(例如跨多行及多列)排列。根据用途，将多个像素10二维排列的情形，上述构成的影像传感器也有用。
上述实施方式的影像传感器构成为：包含一维或二维配置的多个像素，且各像素具有：光电转换部，其产生与入射光的强度对应的数的电荷；第1栅极，其控制蓄积于光电转换部的电荷向该像素外排出；电荷蓄积部，其与光电转换部分开设置，且蓄积电荷；第2栅极，其设于光电转换部与电荷蓄积部之间，且控制电荷自光电转换部向电荷蓄积部的移动；及第3栅极，其控制来自电荷蓄积部的电荷的读取；且，第1栅极将通过依时间交替入射的第1光及第2光中第1光的入射而在光电转换部产生的电荷排出至像素外；第2栅极将通过第2光的入射而在光电转换部产生的电荷移动至电荷蓄积部；第3栅极在将n设为1以上的整数而在电荷向电荷蓄积部的移动进行n次后，进行用于自电荷蓄积部读取电荷的控制；电荷的移动次数n，可对各像素每个个别设定。
上述的影像传感器也可构成为于各像素每个包含产生控制第3栅极的信号的电路。该情形，可容易地对各像素每个个别设定电荷的移动次数n。
上述影像传感器也可构成为进而包含控制部，其在多次的摄像帧的各者对各像素提供：于多个像素共通而控制第1栅极的第1信号、于多个像素共通而控制第2栅极的第2信号、及于各像素每个对电路指示第3栅极的导通或断开的第3信号。例如根据这些构成，可较佳地实现上述的影像传感器的动作。
上述的影像传感器也可构成为各像素进而具有将电荷量转换为电压信号的电压转换部；第3栅极设于电荷蓄积部与电压转换部之间。该情形，可容易地将各像素的电荷作为电压信号进行读取。
上述的影像传感器也可构成为电压转换部包含浮置扩散部。该情形，可容易地构成电压转换部。
上述实施方式的发光分光测量装置可构成为包含：包含一维配置的多个像素的上述构成的影像传感器；激发光源，其将作为第1光的激发光照射至测量对象物；及分光器，其将通过激发光而在测量对象物产生的荧光进行分光；且，影像传感器的多个像素的排列方向沿着分光器的分光方向，且影像传感器就每个波长检测通过分光器分光后的作为第2光的荧光强度。
上述实施方式的影像传感器的控制方法为包含一维或二维配置的多个像素的影像传感器的控制方法，且影像传感器中，各像素具有：光电转换部，其产生与入射光的强度对应的量的电荷；及电荷蓄积部，其与光电转换部分开设置，且蓄积电荷；且，该控制方法包含：第1步骤，其将通过对于影像传感器依时间交替入射的第1光及第2光中的第1光的入射而在光电转换部产生的电荷排出至像素外；第2步骤，其与第1步骤交替重复进行，使通过第2光的入射而在光电转换部产生的电荷移动至电荷蓄积部；及第3步骤，其在进行n次第2步骤后，自电荷蓄积部读取电荷；且，对各像素每个个别设定电荷的移动次数n。
[产业上的可利用性]
实施方式可作为可选择性地提高多个像素中的一部分像素的信号量，且可仅检测交替入射的2束光中的一者的影像传感器、及影像传感器的控制方法而利用。
【符号说明】
1:发光分光测量装置
2:激发光源
3:透镜
4:分光器
5:影像传感器
9:控制部
10:像素
11:光电转换部
11a,11b:半导体区域
12:重设栅极
13:电荷蓄积部
13a,13b:半导体区域
14:蓄积栅极
15:电压转换部
15a:浮置扩散部
15b:晶体管
15c:重设栅极
15d:开关
15e:电流源
16:读取栅极
17:像素电路部
17a:信号控制电路
17b,17c:晶体管
17c:晶体管
20:基板
20a:表面
23:重设漏极
31:绝缘膜
41:定电位线
42:定电位线
43:基准电位线
44:配线
45,46:定电位线
46:定电位线
A:测量对象物
D1,D2:期间
F1～F3:各摄像帧
La:激发光
Lb:荧光
P:脉冲信号
Vout:电压信号。

Claims (7)

1.一种影像传感器，其包含一维或二维配置的多个像素，
各像素具有：
光电转换部，其产生与入射光的强度对应的量的电荷；
第1栅极，其控制蓄积于所述光电转换部的电荷向该像素外的排出；
电荷蓄积部，其与所述光电转换部分开设置，且蓄积电荷；
第2栅极，其设于所述光电转换部与所述电荷蓄积部之间，且控制电荷自所述光电转换部向所述电荷蓄积部的移动；及
第3栅极，其控制来自所述电荷蓄积部的电荷的读取，
所述第1栅极，将通过依时间交替入射的第1光及第2光中第1光的入射而在所述光电转换部产生的电荷排出至所述像素之外，
所述第2栅极，将通过所述第2光的入射而在所述光电转换部产生的电荷移动至所述电荷蓄积部，
所述第3栅极，在电荷向所述电荷蓄积部的移动进行n次后，进行用于自所述电荷蓄积部读取电荷的控制，n为1以上的整数；
电荷的移动次数n，能够对每个像素个别设定。
2.如权利要求1所述的影像传感器，其中，
各像素每个包含产生控制所述第3栅极的信号的电路。
3.如权利要求2所述的影像传感器，其中，
进一步包含控制部，其在多次的摄像帧的各个中对各像素提供：对于所述多个像素共通而控制所述第1栅极的第1信号、对于所述多个像素共通而控制所述第2栅极的第2信号、及在各像素每个对所述电路指示所述第3栅极的导通或断开的第3信号。
4.如权利要求1至3中任一项所述的影像传感器，其中，
各像素进一步具有将电荷量转换为电压信号的电压转换部，
所述第3栅极设于所述电荷蓄积部与所述电压转换部之间。
5.如权利要求4所述的影像传感器，其中，
所述电压转换部包含浮置扩散部。
6.一种发光分光测量装置，其包含：
权利要求1至5中任一项所述的影像传感器，其具备一维配置的所述多个像素；
激发光源，其将作为所述第1光的激发光照射至测量对象物；及
分光器，其将通过所述激发光而在所述测量对象物产生的荧光进行分光，
所述影像传感器的所述多个像素的排列方向沿着所述分光器的分光方向，且所述影像传感器针对每个波长检测通过所述分光器分光后的作为所述第2光的所述荧光的强度。
7.一种影像传感器的控制方法，其是包含一维或二维配置的多个像素的影像传感器的控制方法，
所述影像传感器中，各像素具有：
光电转换部，其产生与入射光的强度对应的量的电荷；及
电荷蓄积部，其与所述光电转换部分开设置，且蓄积电荷，
所述控制方法包含：
第1步骤，其将通过对于所述影像传感器依时间交替入射的第1光及第2光中所述第1光的入射而在所述光电转换部产生的电荷排出至所述像素之外；
第2步骤，其与所述第1步骤交替重复进行，使通过所述第2光的入射而在所述光电转换部产生的电荷移动至所述电荷蓄积部；及
第3步骤，其在进行n次所述第2步骤后，自所述电荷蓄积部读取电荷，其中，n为1以上的整数，
对各像素每个个别设定电荷的移动次数n。
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