CN115088249A - 光学干涉断层摄影装置 - Google Patents

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CN115088249A CN202180014608.8A CN202180014608A CN115088249A CN 115088249 A CN115088249 A CN 115088249A CN 202180014608 A CN202180014608 A CN 202180014608A CN 115088249 A CN115088249 A CN 115088249A
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铃木智史
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Abstract

本发明的光学干涉断层摄影装置具备：光源、包括进行往复动作的可动反射镜的反射镜器件、支承对象物的支承部、生成干涉光的分束器、检测干涉光的光传感器和控制部。光传感器所包括的多个像素中的各个包括：受光部、多个传送栅极和排出栅极。控制部，以对干涉光的干涉图信号的每1个周期，在相互分离的至少3个时间范围，多个传送栅极依次成为电荷传送状态，且在至少3个时间范围以外的时间范围，排出栅极成为电荷排出状态的方式，对光传感器施加电信号。

Description

光学干涉断层摄影装置
技术领域
本公开涉及光学干涉断层摄影装置。
背景技术
作为光学干涉断层摄影装置，已知有利用被称为TD-OCT(Time Domain-OpticalCoherence Tomography：时域光学相干断层成像)的方法的装置(例如，参照非专利文献1)。在TD-OCT中，将从光源出射的光分割为第1光和第2光，使第1光入射于可动反射镜并且使第2光入射于对象物。此时，通过一边使可动反射镜沿光轴方向平行移动，一边使被可动反射镜反射的第1光和被对象物反射的第2光(具体而言，在对象物的内部或表面反射或散射的第2光)耦合，从而生成干涉光，并且通过对所生成的干涉光进行检测，来取得干涉光的干涉图信号。通过将所取得的干涉图信号转换为其包络线，并且将转换了的干涉图信号的包络线看作深度方向上的对象物的结构，从而能够取得对象物的像(断层像)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Stephan Beer and Peter Seitz,“REAL-TIME TOMOGRAPHICIMAGING WITHOUT X-RAYS:A SMART PIXEL ARRAY WITH MASSIVELY PARALLEL SIGNALPROCESSING FOR REAL-TIME OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY PERFORMING CLOSE TO THEPHYSICAL LIMITS”,Published in:Research in Microelectronics and Electronics,2005PhD,Date of Conference:28-28July 2005,Date Added to IEEE Xplore:12December 2005,Print ISBN:0-7803-9345-7,DOI:10.1109/RME.2005.1542955,Publisher:IEEE,Conference Location:Lausanne,Switzerland,Page:135-138
发明内容
发明所要解决的问题
在上述那样的光学干涉断层摄影装置中，高精度地取得干涉光的干涉图信号的包络线在高精度地生成对象物的像上很重要。
本公开的目的在于，提供一种光学干涉断层摄影装置，其能够高精度地取得干涉光的干涉图信号的包络线。
用于解决问题的手段
本公开的一个方面的光学干涉断层摄影装置具备：光源；反射镜器件，其包括进行往复动作的可动反射镜；支承部，其支承对象物；分束器，其将从光源出射的光分割为第1光和第2光，并通过将由可动反射镜反射的第1光和由对象物反射的第2光耦合，生成干涉光；光传感器，其检测由分束器生成的干涉光；和控制部，其至少与光传感器电连接，光传感器包括多个像素，多个像素中的各个包括：根据入射光而产生电荷的受光部、用于传送由受光部产生的电荷的多个传送栅极、和用于排出由受光部产生的电荷排出的栅极，控制部，以对干涉光的干涉图信号的每1个周期，在相互分离的至少3个时间范围，多个传送栅极依次成为电荷传送状态，且在至少3个时间范围以外的时间范围，排出栅极成为电荷排出状态的方式，对光传感器施加电信号。
在该光学干涉断层摄影装置中，通过使可动反射镜往复动作，将干涉图信号的时间变化设为周期性地的变化，将向干涉图信号的包络线的转换容易化。并且，在光传感器所包括的多个像素中的各个，对干涉光的干涉图信号的每1个周期，在相互分离的至少3个时间范围，多个传送栅极依次成为电荷传送状态，且在该至少3个时间范围以外的时间范围，排出栅极成为电荷排出状态。由此，能够取得在至少3个时间范围中的各个仅由受光部产生的电荷作为信号电荷。由此，根据该光学干涉断层摄影装置，例如即使在可动反射镜的往复动作的速度为不恒定的情况下或电荷的取得不以恒定时间间隔实施的情况下，也能够高精度地取得干涉光的干涉图信号的包络线。
在本公开的一个方面的光学干涉断层摄影装置中，也可以为，可动反射镜通过在反射镜器件进行共振动作来进行往复动作。据此，能够高速地取得干涉光的干涉图信号。此外，由于可动反射镜进行共振动作，可动反射镜的往复动作的速度变得不恒定，即使在这种情况下，也如上述那样，能够高精度地取得干涉光的干涉图信号的包络线。
在本公开的一个方面的光学干涉断层摄影装置中，也可以为，可动反射镜以1kHz以上的频率进行往复动作。据此，能够高速取得干涉光的干涉图信号。此外，由于可动反射镜以1kHz以上的频率进行往复动作，可动反射镜的往复动作的速度难以恒定，即使在这种情况下，也如上述那样，能够高精度地取得干涉光的干涉图信号的包络线。
在本公开的一个方面的光学干涉断层摄影装置中，也可以为，多个像素二维地排列。据此，能够一次性生成对象物的规定区域的像。
在本公开的一个方面的光学干涉断层摄影装置中，也可以为，反射镜器件是MEMS反射镜器件。据此，能够使可动反射镜高速地往复动作。
在本公开的一个方面的光学干涉断层摄影装置中，也可以为，多个像素中的各个还包括：将由受光部产生的电荷吸引到多个传送栅极和排出栅极侧的光栅电极。据此，由于能够高速地实施由受光部产生的电荷的传送和排出，因此，能够以短时间生成对象物的像。
在本公开的一个方面的光学干涉断层摄影装置中，也可以为，至少3个时间范围中的各个是以干涉图信号的相位各偏移π/2的时间为中心的时间范围。据此，能够简化用于将干涉光的干涉图信号转换为其包络线的运算。通过简化运算，能够通过硬件实现运算的一部分或全部，并且能够有助于整体的高速处理。
发明的效果
根据本发明，能够提供能够一种光学干涉断层摄影装置，其能够高精度地取得干涉光的干涉图信号的包络线。
附图说明
图1是一个实施方式的光学干涉断层摄影装置的结构图。
图2是图1所示的反射镜器件的俯视图。
图3是沿图2所示的III-III线的反射镜器件的截面图。
图4是图1所示的光传感器的像素的俯视图。
图5是图4所示的像素的截面图。
图6是用于说明信号电荷的蓄积动作的电势分布图。
图7是用于说明不需要电荷的排出动作的电势分布图。
图8是示出在图1所示的光传感器的各像素取得的干涉光的干涉图信号的图表。
图9是施加于图1所示的光传感器的各像素的电信号的时序图。
图10是示出可动反射镜的位置的时间变化与干涉光的强度的时间变化的关系的图表。
图11是示出可动反射镜的位置的时间变化与干涉光的强度的时间变化的关系的图表。
图12是示出可动反射镜的位置的时间变化与干涉光的强度的时间变化的关系的图表。
图13是示出可动反射镜的位置的时间变化与干涉光的强度的时间变化的关系的图表。
图14是变形例的光传感器的像素的俯视图。
图15是用于说明变形例的光传感器的受光部的图。
图16是用于说明变形例的光传感器的受光部的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本公开的实施方式进行详细说明。另外，在各图中对相同或相当部分标注相同的附图标记，并且省略重复的说明。
[光学干涉断层摄影装置的结构]
图1是一个实施方式的光学干涉断层摄影装置的结构图。图1所示的光学干涉断层摄影装置100是利用了TD-OCT的装置。光学干涉断层摄影装置100具备：光源10、反射镜器件20、支承部30、分束器40、光传感器50和控制部60。
光源10出射作为低相干光的光L0。光源10例如是出射具有650nm的中心波长和20μm的相干长度的光的SLD(Super Luminescent Diode：超辐射发光二极管)。
反射镜器件20包括可动反射镜21。可动反射镜21沿与可动反射镜21的反射镜面21a垂直的方向进行往复动作。
支承部30支承对象物S。支承部30例如是输送对象物S的带式输送机(beltconveyor)。对象物S例如是包装用的透明塑料薄膜。
分束器40通过将从光源10出射的光L0分割为第1光L1和第2光L2，并且将被可动反射镜21反射的第1光L1和被对象物S反射的第2光L2(具体而言，在对象物S的内部或表面反射或散射的第2光L2)耦合，从而生成干涉光L10。
光传感器50检测由分束器40生成的干涉光L10。光传感器50包括：多个像素51和CMOS读出电路(省略图示)。多个像素51二维地排列。多个像素51和CMOS读出电路(省略图示)在半导体基板(例如，硅基板)形成为单片(monolithic)。
控制部60与光源10、反射镜器件20、支承部30和光传感器50中的各个电连接。控制部60具有：作为生成用于使各部动作的电信号并将该电信号施加于各部的信号生成部的功能、和作为处理从光传感器50输出的电信号的信号处理部的功能。控制部60例如包括：FPGA(field-programmable gate array：现场可编程门阵列)等集成电路、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory：电可擦可编程只读存储器)等非易失性存储器、PC(Personal Computer：个人电脑)等。
在本实施方式中，从光源10出射的光L0由准直透镜70准直并入射于分束器40。入射于分束器40的光L0中的第1光L1被分束器40反射而入射于可动反射镜21，并且被可动反射镜21反射而入射于分束器40。入射于分束器40的光L0中的第2光L2透过分束器40而入射于对象物S，并且被对象物S反射而入射于分束器40。
入射于分束器40的第1光L1透过分束器40。入射于分束器40的第2光L2被分束器40反射。由此生成的第1光L1和第2光L2的干涉光L10经由中继透镜80入射于光传感器50的各像素51。中继透镜80由配置在分束器40与光传感器50之间的透镜构成，并且将对象物S的实像在多个像素51上成像。
另外，中继透镜80也可以由配置在分束器40与支承部30之间的透镜构成。或者，中继透镜80也可以由配置在分束器40与光传感器50之间的透镜和配置在分束器40与支承部30之间的透镜构成。此外，在分束器40与反射镜器件20之间也可以配置有聚光透镜。这在可动反射镜21的反射镜面21a的直径为小的情况下是有效的。此外，也可以在图1所示的反射镜器件20的位置配置支承部30，并且在图1所示的支承部30的位置配置反射镜器件20。
[反射镜器件的结构]
图2是图1所示的反射镜器件20的俯视图。图3是沿图2所示的III-III线的反射镜器件20的截面图。如图2和图3所示，反射镜器件20除可动反射镜21之外，还包括：基座22、框部23、多个弹性支承部24。可动反射镜21、基座22、框部23和多个弹性支承部24由SOI(Silicon On Insulator：绝缘衬底上的硅)基板200构成。即，反射镜器件20是MEMS(MicroElectro Mechanical Systems：微机电系统)反射镜器件。SOI基板200具有：支承层201、器件层202和中间层203。支承层201和器件层202分别是半导体层(例如，硅层)。中间层203是配置在支承层201与器件层202之间的绝缘层(例如，氧化硅层)。
基座22由支承层201形成，并且例如呈圆板状。基座22具有开口22a。在从基座22的厚度方向观察的情况下，开口22a例如呈以基座22的中心为中心的圆形状。基座22的厚度例如为320μm的程度。
框部23由器件层202形成，并且例如呈圆环状。框部23经由中间层203配置在基座22的中间层203侧的表面22b。框部23的厚度例如为30μm的程度。中间层203的厚度例如为1.5μm的程度。
可动反射镜21由器件层202形成，并且例如呈圆板状。可动反射镜21配置在框部23的内侧，在基座22的厚度方向上与开口22a相对。在可动反射镜21的与开口22a为相反侧的表面21b，配置有构成反射镜面21a的金属膜25。可动反射镜21的厚度例如为30μm的程度。可动反射镜21的直径例如为500μm的程度。
多个弹性支承部24由器件层202形成。在从基座22的厚度方向观察的情况下，各弹性支承部24例如呈以基座22的中心为中心的圆弧状。各弹性支承部24配置在框部23与可动反射镜21之间。各弹性支承部24的一端与框部23连接，各弹性支承部24的另一端与可动反射镜21连接。在基座22的厚度方向上，各弹性支承部24与基座22的开口22a的周边部分22c相对。在各弹性支承部24与周边部分22c之间，形成有间隙。
在基座22的表面22b，配置有一对电极焊盘(pad)26。各电极焊盘26以基座22的表面22b露出的方式，位于形成于框部23和中间层203的开口23a内。在框部23的与中间层203为相反侧的表面23b，配置有一对电极焊盘27。在从基座22的厚度方向观察的情况下，一对电极焊盘26和一对电极焊盘27以电极焊盘26和电极焊盘27交替排列的方式，以基座22的中心为中心90度间隔地配置。在各电极焊盘26、27，连接有与控制部60(参照图1)电连接的导线28。
在如以上那样构成的反射镜器件20中，当从控制部60(参照图1)经由导线28对电极焊盘26、27施加电信号时，在各弹性支承部24与周边部分22c之间周期性地产生静电力。由此，各弹性支承部24周期性地弹性变形，可动反射镜21沿与反射镜面21a垂直的方向往复动作。可动反射镜21通过在反射镜器件20进行共振动作，而以1kHz以上(例如，100kHz)的频率进行往复动作。
[光传感器的结构]
图4是图1所示的光传感器50的像素51的俯视图。图5的(a)是沿图4所示的Va-Va线的像素51的截面图，图5的(b)是沿图4所示的Vb-Vb线的像素51的截面图。如图4和图5所示，光传感器50具备：具有彼此相对的第1主面1a和第2主面1b的半导体基板1。半导体基板1由位于第1主面1a侧的p型的第1半导体区域3、和相比于第1半导体区域3杂质浓度更低且位于第2主面1b侧的p-型的第2半导体区域5构成。半导体基板1例如能够通过在p型的半导体基板上，使相比于该半导体基板杂质浓度更低的p-型的外延层生长而得到。在半导体基板1的第2主面1b(第2半导体区域5)上形成有绝缘层7。
在绝缘层7上配置有光栅电极PG。光栅电极PG例如在俯视中呈长方形状。半导体基板1(第2半导体区域5)的与光栅电极PG对应的区域(在图5中，为位于光栅电极PG的下方的区域)作为根据入射光而产生电荷的受光部2而发挥功能。即，光传感器50具备：二维状地排列的多个受光部2。
在第2半导体区域5，在与光栅电极PG分离而定位的区域中的各个，相对地形成有杂质浓度高的n型的第3半导体区域9a、9b。第3半导体区域9a是用于蓄积由受光部2产生的电荷的第1电荷蓄积部，第3半导体区域9b是用于蓄积由受光部2产生的电荷的第2电荷蓄积部。第3半导体区域9a、9b夹着光栅电极PG相对地配置。第3半导体区域9a、9b例如在俯视中呈正方形状。
在第2半导体区域5，在与光栅电极PG分离而定位的区域中的各个，相对地形成有杂质浓度高的n型的第3半导体区域9c、9d。第3半导体区域9c是用于蓄积由受光部2产生的电荷的第3电荷蓄积部，第3半导体区域9d是用于蓄积由受光部2产生的电荷的第4电荷蓄积部。第3半导体区域9c、9d夹着光栅电极PG相对地配置。第3半导体区域9c、9d例如在俯视中呈正方形状。
第3半导体区域9a、9c夹着后述的第4半导体区域11a相对地配置。第3半导体区域9b、9d夹着后述的第4半导体区域11b相对地配置。
在第2半导体区域5，在与各光栅电极PG分离而定位的区域中的各个，形成有杂质浓度高的n型的第4半导体区域11a、11b。第4半导体区域11a、11b是用于将由受光部2产生的电荷向外部排出的电荷排出部。在本实施方式中，第4半导体区域11a、11b相对光栅电极PG配置有3对。第4半导体区域11a、11b夹着光栅电极PG相对地配置。第4半导体区域11a、11b例如在俯视中呈正方形状。
另外，在本实施方式中，“杂质浓度高”是指例如杂质浓度为1×1017cm-3程度以上，并且对导电型附“+”地进行表示。另一方面，“杂质浓度低”是指例如为10×1015cm-3程度以下，并且对导电型附“-”地进行表示。各半导体区域的厚度/杂质浓度如以下所示。第1半导体区域3的厚度：10～1000μm/杂质浓度：1×1012～1019cm-3。第2半导体区域5的厚度：1～50μm/杂质浓度：1×1012～1015cm-3。第3半导体区域9a、9b和第4半导体区域11a、11b的厚度：0.1～1μm/杂质浓度：1×1018～1020cm-3。
在半导体基板1(第1半导体区域3和第2半导体区域5)，经由背栅(back gate)或贯通电极等施加有接地电位等基准电位。
在绝缘层7上，与光栅电极PG对应地配置有传送电极TX1、传送电极TX2、传送电极TX3和传送电极TX4。传送电极TX1位于光栅电极PG与第3半导体区域9a之间，与光栅电极PG分离地配置。传送电极TX2位于光栅电极PG与第3半导体区域9b之间，与光栅电极PG分离地配置。传送电极TX3位于光栅电极PG与第3半导体区域9c之间，与光栅电极PG分离地配置。传送电极TX4位于光栅电极PG与第3半导体区域9d之间，与光栅电极PG隔开间隔地配置。传送电极TX1～TX4例如在俯视中呈长方形状。
半导体基板1(第2半导体区域5)的与传送电极TX1对应的区域(图5中，位于传送电极TX1的下方的区域)，作为用于将由受光部2产生的电荷传送至作为第1电荷蓄积部的第3半导体区域9a的传送栅极4a而发挥功能。半导体基板1(第2半导体区域5)的与传送电极TX2对应的区域(图5中，位于传送电极TX2的下方的区域)，作为用于将由受光部2产生的电荷传送至作为第2电荷蓄积部的第3半导体区域9b的传送栅极4b而发挥功能。
半导体基板1(第2半导体区域5)的与传送电极TX3对应的区域(图5中，位于传送电极TX3的下方的区域)，作为用于将由受光部2产生的电荷传送至作为第3电荷蓄积部的第3半导体区域9c的传送栅极4c而发挥功能。半导体基板1(第2半导体区域5)的与传送电极TX4对应的区域(图5中，位于传送电极TX4的下方的区域)，作为用于将由受光部2产生的电荷传送至作为第4电荷蓄积部的第3半导体区域9d的传送栅极4d而发挥功能。
在绝缘层7上，与光栅电极PG对应地配置有多个(此处为6个)传送电极TX5。多个传送电极TX5中的光栅电极PG的一侧的一部分位于光栅电极PG与第4半导体区域11a之间，夹着传送电极TX1和传送电极TX3并与光栅电极PG分离地配置。多个传送电极TX5中的光栅电极PG的另一侧的其余部分位于光栅电极PG与第4半导体区域11b之间，夹着传送电极TX2和传送电极TX4并与光栅电极PG分离地配置。传送电极TX5例如在俯视中呈长方形状。
半导体基板1(第2半导体区域5)的与一侧的传送电极TX5对应的区域(图5中，位于一侧的传送电极TX5的下方的区域)，作为用于将由受光部2产生的电荷传送至作为电荷排出部的第4半导体区域11a的排出栅极6a而发挥功能。半导体基板1(第2半导体区域5)的与另一侧的传送电极TX5对应的区域(图5中，位于另一侧的传送电极TX5的下方的区域)，作为用于将由受光部2产生的电荷传送至作为电荷排出部的第4半导体区域11b的排出栅极6b而发挥功能。这样，排出栅极6a、6b是用于将由受光部2产生的电荷排出的排出栅极。
另外，传送电极TX1～TX5的与光栅电极PG的相对方向的长度尺寸，即，传送电极TX1～TX5的栅极宽度，以覆盖在传送电极TX1～TX5能够进行信号电荷和不需要电荷的高速传送的光栅电极PG的区域的方式，根据信号电荷和不需要电荷的可传送的距离来决定。
在绝缘层7，设置有用于使第1半导体区域3的表面露出的接触孔。在接触孔内，配置有：用于将第3半导体区域9a～9d和第4半导体区域11a、11b与外部连接的导体13。半导体基板作为一例由Si构成，绝缘层7作为一例由SiO2构成。光栅电极PG、传送电极TX1～TX5，作为一例由多晶硅构成。另外，它们也可以使用其它材料。
如上所述，第3半导体区域9a～9d是用于蓄积根据入射光而由受光部2产生的电荷的区域。施加于传送电极TX1～TX4的电荷传送信号的相位彼此不同。入射于1个像素51的光在受光部2被转换为电荷，由受光部2产生的电荷通过施加有电压的光栅电极PG而被吸引到传送栅极4a～4d和排出栅极6a、6b侧。被吸引的电荷，作为信号电荷，按照由施加于光栅电极PG和传送电极TX1～TX4的电压而形成的电势梯度，沿传送电极TX1～TX4的方向行进。
当对传送电极TX1～TX4施加正电位时，传送电极TX1～TX4之下的电势与光栅电极PG之下的部分的半导体基板1(第2半导体区域5)的电势相比，相对于电子变低，负的电荷(电子)被沿传送电极TX1～TX4的方向引入，并蓄积在由第3半导体区域9a～9d形成的势阱内。
n型的半导体包含正离子化的施主(donor)，具有正的电势，吸引电子。当对传送电极TX1～TX4施加比上述正电位低的电位(接地电位)时，产生由传送电极TX1～TX4的势垒，在半导体基板1产生的电荷不被引入第3半导体区域9a～9d。
第4半导体区域11a、11b是用于收集根据入射光而由受光部2产生的不需要电荷并向外部排出的区域。入射于1个像素51的光在受光部2被转换为电荷，由受光部2产生的电荷通过施加有电压的光栅电极PG而被吸引到传送栅极4a～4d和排出栅极6a、6b侧。被吸引的电荷，作为不需要电荷，按照由施加于光栅电极PG和传送电极TX5的电压而形成的电势梯度，沿传送电极TX5的方向行进。
当对传送电极TX5施加正电位时，传送电极TX5之下的电势与光栅电极PG之下的部分的半导体基板1(第2半导体区域5)的电势相比，相对于电子变低，负的电荷(电子)被沿传送电极TX5的方向引入，并蓄积在由第4半导体区域11a、11b形成的势阱内。当对传送电极TX5施加比上述正电位低的电位(接地电位)时，产生由传送电极TX5的势垒，在半导体基板1产生的电荷不被引入第4半导体区域11a、11b内。
图6是示出用于说明信号电荷的蓄积动作的“半导体基板1的第2主面1b附近的电势分布”的图。图7是示出用于说明不需要电荷的排出动作的“半导体基板1的第2主面1b附近的电势分布”的图。在图6和图7中，向下是电势的正方向。在图6中，(a)和(b)示出图4的横方向的截面的沿着横方向的电势分布，(c)示出图5的横方向的截面的沿着横方向的电势分布。在图7中，(a)示出图4的横方向的截面的沿着横方向的电势分布，(b)示出图5的横方向的截面的沿着横方向的电势分布。
在图6和图7中，示出：传送电极TX1的正下方的区域(传送栅极4a)的电势φTX1，传送电极TX2的正下方的区域(传送栅极4b)的电势φTX2，传送电极TX5的正下方的区域(排出栅极6a、6b)的电势φTX5，光栅电极PG正下方的受光部2的电势φPG，第3半导体区域9a的电势φFD1，第3半导体区域9b的电势φFD2，第4半导体区域11a的电势φOFD1，第4半导体区域11b的电势φOFD2。
光栅电极PG的正下方的受光部2的电势φPG，当以无偏压时的相邻的传送电极TX1、TX2和传送电极TX5正下方的区域的电势(φTX1、φTX2、φTX5)为基准电位时，设定为比该基准电位高。该受光部2的电势φPG变得比电势φTX1、φTX2、φTX5高，该区域的电势分布成为附图的向下凹陷的形状。
参照图6，说明信号电荷的蓄积动作。当施加于传送电极TX1的电荷传送信号的相位为0度时，对传送电极TX1施加正的电位，对传送电极TX2施加逆相的电位，即，相位为180度的电位(接地电位)。在这种情况下，如图6的(a)所示，由受光部2产生的负的电荷e通过传送电极TX1正下方的区域的电势φTX1下降而流入第3半导体区域9a的势阱内。
另一方面，传送电极TX2正下方的区域的电势φTX2不下降，电荷不流入第3半导体区域9b的势阱内。在第3半导体区域9a、9b，由于添加了n型的杂质，所以电势向正方向凹陷。
当施加于传送电极TX2的电荷传送信号的相位为0度时，对传送电极TX2施加正的电位，对传送电极TX1施加逆相的电位，即，相位为180度的电位(接地电位)。在这种情况下，如图6的(b)所示，由受光部2产生的负的电荷e通过传送电极TX2正下方的区域的电势φTX2下降而流入第3半导体区域9b的势阱内。另一方面，传送电极TX1正下方的区域的电势φTX1不下降，电荷不流入第3半导体区域9a的势阱内。由此，信号电荷被收集并蓄积在第3半导体区域9b的势阱。这样，在此，相对于受光部2形成电势的倾斜。
在传送电极TX1和传送电极TX2施加有相位相差180度的电荷传送信号期间，在传送电极TX5施加有接地电位。因此，如图6的(c)所示，传送电极TX5正下方的区域的电势φTX3不下降，电荷不流入第4半导体区域11a、11b的势阱内。
由此，信号电荷被收集并蓄积在第3半导体区域9a、9b的势阱。蓄积在第3半导体区域9a、9b的势阱的信号电荷被读出至外部。另外，在以上的例子中，针对传送电极TX1和传送电极TX2的组进行了说明，针对传送电极TX3和传送电极TX4的组也一样。
有时将如以上那样对传送电极TX1～TX4施加规定的电位，它们的正下方的区域即传送栅极4a～4d为能够将电荷传送至第3半导体区域9a～9d中的各个的状态，称作电荷传送状态。此外，也有时将传送栅极4a～4d为电荷传送状态称作传送栅极4a～4d为ON(接通)状态。
接着，参照图7，说明不需要电荷的排出动作。对传送电极TX1和传送电极TX2(进一步，传送电极TX3和传送电极TX4)，施加有接地电位。因此，如图7的(a)所示，传送电极TX1和传送电极TX2正下方的区域的电势φTX1、φTX2不下降，电荷不流入第3半导体区域9a、9b的势阱内。
另一方面，对传送电极TX5施加正的电位。在这种情况下，如图7的(b)所示，由受光部2产生的负的电荷e通过传送电极TX5正下方的区域的电势φTX5下降而流入第4半导体区域11a、11b的势阱内。由此，不需要电荷被收集于第4半导体区域11a、11b的势阱。被收集于第4半导体区域11a、11b的势阱的不需要电荷被向外部排出。
有时将如以上那样对传送电极TX5施加规定的电位，它们的正下方的区域即排出栅极6a、6b为能够将电荷传送至第4半导体区域11a、11b的状态，称作电荷排出状态。此外，也有时将排出栅极6a、6b为电荷传送状态称作排出栅极6a、6b为ON状态。
另外，光传感器50包括：设置在像素51的复位晶体管(省略图示)。通过对复位晶体管施加复位电压，执行复位处理。复位电压是以光栅电极PG的电位为基准的正的电压。由此，成为蓄积在作为电荷蓄积部的第3半导体区域9a～9d等的电荷被向外部排出而电荷不蓄积的状态。
[控制部的动作]
图8是示出在图1所示的结构中，使可动反射镜21向两个箭头的任一方向、横跨比光L0的相干长度更长的距离地移动时，在光传感器50的各像素51取得的干涉光L10的干涉图信号的图表。干涉图信号的包络线表示深度方向上的对象物S的结构。包络线的宽度由光L0的相干长度决定，并规定深度方向上的光学干涉断层摄影装置100的分辨率。在将可动反射镜21的驱动设为短距离的往复动作，并将可动反射镜21的动作时的速度设为恒定的情况下，从图8所示的干涉图信号截取一部分的时间范围的量，并将由此获得的干涉图信号设为在时间上往复的形态的信号。在光学干涉断层摄影装置100中，干涉光L10的干涉图信号的周期对应从光源10出射的光L0的中心波长(或者峰波长)的一半。因此，控制部60以对干涉光L10的干涉图信号的每1个周期，在相互分离的4个时间范围，4个传送栅极4a、4b、4c、4d依次成为电荷传送状态，且在该4个时间范围以外的时间范围，多个排出栅极6a、6b同时成为电荷排出状态的方式，对光传感器50的各像素51施加电信号。
以下，将干涉光L10的干涉图信号的周期设为T，对施加于光传感器50的各像素51的电信号进行更详细的说明。图9是施加于光传感器50的各像素51的电信号的时序图。
电信号VTX1是施加于传送电极TX1的电信号，是在以周期T重复的时间范围T1(＜t/4)，将传送栅极4a设为电荷传送状态(ON状态)的电信号。电信号VTX2是施加于传送电极TX2的电信号，是在以周期T重复的时间范围T2(＜t/4)，将传送栅极4b设为电荷传送状态(ON状态)的电信号。电信号VTX2相对于电信号VTX1相位延迟T/4的量。
电信号VTX3是施加于传送电极TX3的电信号，是在以周期T重复的时间范围T3(＜t/4)，将传送栅极4c设为电荷传送状态(ON状态)的电信号。电信号VTX3相对于电信号VTX2相位延迟T/4的量。电信号VTX4是施加于传送电极TX4的电信号，是在以周期T重复的时间范围T4(＜t/4)，将传送栅极4d设为电荷传送状态(ON状态)的电信号。电信号VTX4相对于电信号VTX3相位延迟T/4的量。
电信号VTX5是同时施加于多个排出栅极6a、6b的电信号，是在时间范围T1、T2、T3、T4以外的时间范围(换言之，在以周期T/4重复时间范围T5)，将多个排出栅极6a、6b设为电荷排出状态(ON状态)的电信号。另外，各时间范围T1、T2、T3、T4是彼此相同的长度。此外，各时间范围T1、T2、T3、T4比时间范围T5短。
控制部60通过将以上的电信号VTX1、VTX2、VTX3、VTX4、VTX5施加于光传感器50的各像素51，来在干涉光L10的干涉图信号的各周期T，取得4个干涉光L10的强度V0、V1、V2、V3。控制部60基于取得的4个干涉光L10的强度V0、V1、V2、V3，在干涉光L10的干涉图信号的各周期T，取得：
AMP成分＝[{V3-V1)2+(V2-V0)2}1/2]/2
OFF成分＝(V0+V1+V2+V3)/4。
由此，控制部60能够对光传感器50的各像素51高精度地再现干涉光L10的干涉图信号的包络线，并且能够高精度地生成对象物S的像(断层像)。
[作用及效果]
在光学干涉断层摄影装置100中，通过使可动反射镜21往复动作，来将干涉图信号的时间变化设为周期性的变化，并使向干涉图信号的包络线的转换容易化。并且，在光传感器50所包含的各像素51，对干涉光L10的干涉图信号的每1个周期，在相互分离的4个时间范围，多个传送栅极4a、4b、4c、4d依次成为电荷传送状态，且在该4个时间范围以外的时间范围，排出栅极6a、6b同时成为电荷排出状态。由此，能够在4个时间范围中的各个，取得仅由受光部2产生的电荷作为信号电荷。由此，根据光学干涉断层摄影装置100，能够高精度地取得干涉光L10的干涉图信号的包络线。以上那样的信号电荷的取得，在可动反射镜21的往复动作的速度不为恒定，干涉光L10的干涉图信号为非对称形状的情况下，特别有效。
在光学干涉断层摄影装置100中，可动反射镜21通过在反射镜器件20进行共振动作而进行往复动作。由此，能够高速地取得干涉光L10的干涉图信号。此外，由于可动反射镜21进行共振动作，可动反射镜21的往复动作的速度变得不恒定，即使在这种情况下，也如上述那样，能够高精度地取得干涉光L10的干涉图信号的包络线。
在光学干涉断层摄影装置100中，可动反射镜21以1kHz以上的频率进行往复动作。由此，能够高速地取得干涉光L10的干涉图信号。此外，由于可动反射镜21以1kHz以上的频率进行往复动作，可动反射镜21的往复动作的速度变得难以恒定，即使在这种情况下，也如上述那样，能够高精度地取得干涉光L10的干涉图信号的包络线。另外，在可动反射镜21以小于1kHz的频率进行往复动作那样的情况下，能够通过使用通常的二维传感器(高速相机等)，将二维图像数字化后实施图像处理，从而将干涉光L10的干涉图信号转换为其包络线。但是，在可动反射镜21以1kHz以上的频率进行往复动作那样的情况下，使用通常的二维传感器(高速相机等)而将干涉光L10的干涉图信号转换为其包络线是困难的。
在光学干涉断层摄影装置100中，多个像素51二维地排列。由此，能够一次性生成对象物S的规定区域的像。另外，在由单一的PD检测干涉光L10那样的情况下，通过在高速地对波形数据进行AD转换之后实施数字信号处理，能够将干涉光L10的干涉图信号转换为其包络线。但是，在由二维地配置的多个PD检测干涉光L10那样的情况下，高速地对波形数据进行处理并将干涉光L10的干涉图信号转换为其包络线是困难的。
在光学干涉断层摄影装置100中，反射镜器件20是MEMS反射镜器件。由此，能够使可动反射镜21高速地往复动作。
在光学干涉断层摄影装置100中，各像素51包括光栅电极PG。由此，能够高速地实施由受光部2产生的电荷的传送和排出，因此，能够以短时间生成对象物S的像。即，由于能够高速地取得干涉光L10的干涉图信号的包络线，因此，能够将对象物S的像作为瞬间像生成。能够将对象物S的像作为瞬间像生成，在例如对象物S由支承部30运送那样的情况等对象物S为移动体的情况下，是极为有效。
[变形例]
本发明并不限定于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，各时间范围T1、T2、T3、T4为彼此相同的长度，但各时间范围T1、T2、T3、T4也可以彼此不是相同的长度。在上述实施方式中，将排出栅极6a、6b设为电荷排出状态的时间范围T5的开始定时(timing)与将各传送栅极4a、4b、4c、4d设为电荷传送状态的各时间范围T1、T2、T3、T4的结束定时一致，但只要时间范围T5的结束定时与各时间范围T1、T2、T3、T4的开始定时一致，时间范围T5的开始定时也可以从各时间范围T1、T2、T3、T4的结束定时延迟。
控制部60也可以，以对干涉光L10的干涉图信号的每1个周期，在相互分离的至少3个时间范围，多个传送栅极(传送栅极4a、4b、4c、4d中的至少2个)依次成为电荷传送状态，且在该至少3个时间范围以外的时间范围，排出栅极(排出栅极6a、6b中的至少1个)成为电荷排出状态的方式，对光传感器50施加电信号。
如果对干涉光L10的干涉图信号的每1个周期，在相互分离的至少3个时间范围取得电荷，则能够再现干涉光L10的干涉图信号的理由如下所述。首先，干涉光L10的干涉图信号I能够以相位差的正弦函数表示。即，能够表示为I＝A+B·cosφ。此处，将光L0的中心波长设为λ。例如，设为：反射镜器件20以最大位移量L、角频率ω进行正弦波振动的往复运动。此时，φ＝(2π/λ)·L·sin(ωt)+φ0。进一步，例如当设为L＝λ/2时，
I＝A+B·cos{π·sin(ωt)+φ0}
在该式中，未知数是A、B、φ0，因此，如果对干涉光L10的干涉图信号的每1个周期，在相互分离的至少3个时间范围取得电荷，则能够根据干涉光L10的干涉图信号再现表示其包络线的B的值。
在干涉光L10的干涉图信号的各周期取得电荷的至少3个时间范围(例如，4个时间范围)中的各个，也可以是以干涉光L10的干涉图信号的相位各偏移π/2的时间为中心的时间范围。据此，能够简化用于将干涉光L10的干涉图信号转化为其包络线的运算。通过简化运算，能够以硬件实现运算的一部分或全部，并且能够有助于整体的高速处理。例如，当在上述的I＝A+B·cosφ中，将初始相位设为φ0，将从初始相位偏移0、π/2、π、3π/2相位的量时的I分别设为I0、Iπ/2、Iπ、I3π/2时，
I0＝A+B·cos(0+φ0)＝A+B·cosφ0
Iπ/2＝A+B·cos(π/2+φ0)＝A-B·sinφ0
Iπ＝A+B·cos(π+φ0)＝A-B·cosφ0
I3π/2＝A+B·cos(3π/2+φ0)＝A+B·sinφ0
由此，能够导出I0-Iπ＝2B·cosφ0和I3π/2-Iπ/2＝2B·sinφ0，并且能够由它们的平方和求出B。
图10是示出“可动反射镜21的位置的时间变化”与“初始相位φ0＝0的情况下的干涉光L10的强度的时间变化”的关系的图表。图11是示出“可动反射镜21的位置的时间变化”与“初始相位φ0＝π/2的情况下的干涉光L10的强度的时间变化”的关系的图表。图12是示出“可动反射镜21的位置的时间变化”与“初始相位φ0＝π的情况下的干涉光L10的强度的时间变化”的关系的图表。图13是示出“可动反射镜21的位置的时间变化”与“初始相位φ0＝3π/2的情况下的干涉光L10的强度的时间变化”的关系的图表。
在图10、图11、图12和图13所示的任何情况下，如果将取得电荷的4个时间范围中的各个设为以相位各偏移π/2的时间为中心的时间范围，则电荷的取得变为不以恒定时间间隔实施。在这样的情况下，在光学干涉断层摄影装置100中，由于对干涉光L10的干涉图信号的每1个周期，在相互分离的4个时间范围取得电荷，因此，也能够高精度地取得干涉光L10的干涉图信号的包络线。
例如，当将干涉光L10的干涉图信号的1个周期分为4个时间范围(连续的时间范围)，在各时间范围累计取得电荷时(即，在完全不实施电荷的排出，而将所有电荷作为信号电荷取得时)，例如，在可动反射镜21的往复动作的速度为不恒定的情况下或电荷的取得不以恒定时间间隔实施的情况下(在后者的情况下，即使可动反射镜21的往复动作的速度为恒定)，不能将干涉光L10的干涉图信号高精度地转换为其包络线。根据光学干涉断层摄影装置100，在任何情况下，都能够高精度地取得干涉光L10的干涉图信号的包络线。
在光传感器50，各像素51也可以如图14所示，包括2个传送栅极4a、4b(在图14中，示出与2个传送栅极4a、4b对应的2个传送电极TX1、TX2)。即，各像素51包括多个传送栅极即可。在光传感器50，多个像素51也可以一维地排列。反射镜器件20也可以是通过磁力使可动反射镜21往复动作的结构，也可以是通过压电致动器等驱动源使可动反射镜21往复动作的结构。根据本发明，在具备可动反射镜的动作的速度为不恒定的反射镜器件的光学干涉断层摄影装置中，能够高精度地取得干涉光的干涉图信号的包络线。此时，在可动反射镜的移动量相对于控制信号发生偏差的情况下，通过将使光传感器的各传送栅极为电荷传送状态的各时间范围与可动反射镜的移动量的偏差配合地进行调整，能够容易地进行补偿。
在上述光传感器50中，作为受光部2例示了光栅结构的受光部。但是，受光部2并不限定于光栅结构而也可以为其它结构。作为一例，也可以如图15的(a)所示，受光部2为嵌入式PD结构。在这种情况下，受光部2由在第2主面1b侧设置于第2半导体区域5的p+型的半导体区域2B和在半导体区域2B的正下方设置于第2半导体区域5的n型的半导体区域2A构成。
在这种情况下也为，为了进行高速电荷传送，能够在受光部2设置电势的倾斜。作为实现该目的的结构的一例，能够列举如图15的(b)和(c)所示那样，通过n型的半导体区域2A包含例如以随着朝向传送栅极4a而杂质浓度变高的方式排列的多个(此处为3个)n型的半导体区域2a、2b、2c，而电场具有梯度的结构。另外，图15的(b)是示意性的截面图，图15的(c)是俯视图。
作为用于在受光部2设置电势的倾斜的结构也可以是，如图16所示，通过n型的半导体区域2A包含：一对n型的半导体区域2d、2e、和被半导体区域2d、2e夹持并且例如以随着朝向传送栅极4a而宽度W扩大的n+型的半导体区域2f，而电场具有梯度的结构。另外，图16是从第2主面1b侧的俯视图。
在上述的实施方式的各结构中，并不限定于上述的材料和形状，能够使用各种各样的材料和形状。此外，上述的一个实施方式或变形例的各结构，能够任意地应用于其它实施方式或变形例的各结构中。
附图标记的说明
100…光学干涉断层摄影装置，2…受光部，4a、4b、4c、4d…传送栅极，6a、6b…排出栅极，10…光源，20…反射镜器件，21…可动反射镜，30…支承部，40…分束器，50…光传感器，51…像素，PG…光栅电极，60…控制部，L0…光，L1…第1光，L2…第2光，L10…干涉光，S…对象物。

Claims (7)

1.一种光学干涉断层摄影装置，其中，
具备：
光源；
反射镜器件，其包括进行往复动作的可动反射镜；
支承部，其支承对象物；
分束器，其将从所述光源出射的光分割为第1光和第2光，并通过将由所述可动反射镜反射的所述第1光和由所述对象物反射的所述第2光耦合，生成干涉光；
光传感器，其检测由所述分束器生成的所述干涉光；和
控制部，其至少与所述光传感器电连接，
所述光传感器包括多个像素，
所述多个像素中的各个包括：根据入射光而产生电荷的受光部、用于传送由所述受光部产生的电荷的多个传送栅极、和用于排出由所述受光部产生的电荷的排出栅极，
所述控制部，以对所述干涉光的干涉图信号的每1个周期，在相互分离的至少3个时间范围，所述多个传送栅极依次成为电荷传送状态，且在所述至少3个时间范围以外的时间范围，所述排出栅极成为电荷排出状态的方式，对所述光传感器施加电信号。
2.根据权利要求1所述的光学干涉断层摄影装置，其中，
所述可动反射镜通过在所述反射镜器件进行共振动作而进行往复动作。
3.根据权利要求1或2所述的光学干涉断层摄影装置，其中，
所述可动反射镜以1kHz以上的频率进行往复动作。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光学干涉断层摄影装置，其中，
所述多个像素二维地排列。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光学干涉断层摄影装置，其中，
所述反射镜器件是MEMS反射镜器件。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的光学干涉断层摄影装置，其中，
所述多个像素中的各个还包括：将由所述受光部产生的电荷吸引到所述多个传送栅极和所述排出栅极侧的光栅电极。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的光学干涉断层摄影装置，其中，
所述至少3个时间范围中的各个是以所述干涉图信号的相位各偏移π/2的时间为中心的时间范围。
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