JP2005227155A - Image sensor for measuring biotexture, and biotexture measuring method using the same - Google Patents

Image sensor for measuring biotexture, and biotexture measuring method using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To allow an observation for a biotexture of a living organ under the condition where the living organ maintains an intrinsic activity condition, and to obtain a high grade of biological information by combination of an observation of electric stimulation or a bioelectric signal and an observation of light emission/fluorescence phenomenon in the biotexture. <P>SOLUTION: A plurality of protrusion electrodes 16 is provided on a substrate 10 with a prescribed separate space to expose a large number of picture element cells 13 from a protection layer coating an upper face of a photoelectric transfer area 11 arranged two-dimensional-arrayedly. The protection layer comprises a resin not injuring the biotexture, the biotexture is placed directly on the protection layer, or the sensor itself is embedded in the biotexture, and an emission light from the biotexture is thereby received by a photodiode 14 very close thereto. Since the each protrusion electrode 16 contacts with the biotexture, a very weak current is made to flow in the biotexture via the protrusion electrode 16 to be simulated electrically, an image due to optical reaction thereto is observed, or an optical phenomenon and an electric phenomenon by the biotexture are measured at the same time. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、主として、生化学、分子生物学、臨床医学等の分野において、生体細胞、タンパク質、DNA、ペプチド、糖類などの各種生体組織の測定・観察を行うために好適な生体組織測定用のイメージセンサと、該センサを用いた生体組織測定方法に関する。なお、ここで言う「イメージセンサ」とは、固体撮像素子(半導体チップ)そのものと該固体撮像素子を中心として構成されたセンサユニットとの両方を含むものとする。   The present invention is mainly for measuring biological tissue suitable for measuring and observing various biological tissues such as biological cells, proteins, DNA, peptides, saccharides in fields such as biochemistry, molecular biology, and clinical medicine. The present invention relates to an image sensor and a biological tissue measurement method using the sensor. The “image sensor” referred to here includes both a solid-state image sensor (semiconductor chip) itself and a sensor unit configured around the solid-state image sensor.

近年、バイオイメージング技術として、生体細胞における光学的な現象を観察する技術の重要性が非常に増大している。こうした技術としては、例えば、エクオリン、ハウスタウリン等の発光タンパク質を用いた発光観察、GFP(Green Fluoresence Protein)等を利用した蛍光観察、Fura-2,Indo-1等のCa2+イオン感受性色素や電位感受性色素を用いた細胞活動観察、などが挙げられる。こうした生体組織の発光現象や蛍光現象を利用した現在のバイオイメージング技術は、いずれも顕微鏡下で生じた現象を拡大して観察するものである。 In recent years, as a bioimaging technique, the importance of a technique for observing an optical phenomenon in a living cell has been greatly increased. Examples of such techniques include luminescence observation using photoproteins such as aequorin and house taurine, fluorescence observation using GFP (Green Fluoresence Protein), Ca 2+ ion-sensitive dyes such as Fura-2 and Indo-1, and the like. And cell activity observation using a voltage sensitive dye. All of the current bioimaging techniques using the light emission phenomenon and the fluorescence phenomenon of living tissue are to enlarge and observe the phenomenon generated under a microscope.

上記顕微鏡としては主として近接場顕微鏡(全反射蛍光顕微鏡)などが利用されるが(非特許文献1など参照)、こうした特殊な顕微鏡は光学系が非常に複雑であって装置自体が大きく、価格もかなり高い。そのため、より簡便に且つ低廉なコストで以て生体組織の光学的現象による画像を取得できる装置の開発が強く要望されている。   As the microscope, a near-field microscope (total reflection fluorescent microscope) is mainly used (see Non-Patent Document 1, etc.), but such a special microscope has a very complicated optical system, a large apparatus itself, and a low price. Pretty expensive. Therefore, there is a strong demand for the development of an apparatus that can acquire an image due to an optical phenomenon of a living tissue more easily and at a low cost.

また一般に、生体組織の蛍光発光や自己発光はかなり微弱であるが、従来のような装置では、こうした微弱な光が光学系を通る間に更に弱められてしまい、十分な蛍光画像・発光画像を得られない場合もあった。また、光学系の収差などの歪み要因によって、蛍光画像・発光画像の一部に歪みが生じる場合もあった。   In general, the fluorescence and self-emission of living tissue is quite weak. However, with conventional devices, such weak light is further attenuated while passing through the optical system, and sufficient fluorescent and luminescent images can be obtained. In some cases, it could not be obtained. Moreover, distortion may occur in a part of the fluorescence image / light emission image due to a distortion factor such as aberration of the optical system.

さらにまた、従来の顕微鏡のような装置によって観察が可能である観察対象物は、顕微鏡にセットできるサイズや形態に限られる。そのため、基本的には生体から単離した生体組織しか観察することができないため、例えば比較的大形の動物等の生体組織を生体内に存在する状態のまま(つまりその動物から採取すること無しに)観察することは非常に困難であり、観察可能な現象に限界があった。   Furthermore, the observation object that can be observed by an apparatus such as a conventional microscope is limited to a size and a form that can be set on the microscope. Therefore, basically, only living tissue isolated from a living body can be observed. For example, living tissue such as a relatively large animal remains in the living body (that is, without being collected from the animal). B) It was very difficult to observe, and there was a limit to the phenomena that could be observed.

“アーク光源全反射蛍光顕微システム IX71-ARCEVA”、[online]、オリンパス株式会社、[平成16年1月20日検索]、インターネット、<URL : http://www.olympus.co.jp/jp/lisg/bio-micro/product/ix71-arceva.h>“Arc light source total reflection fluorescence microscope system IX71-ARCEVA”, [online], Olympus Corporation, [searched on January 20, 2004], Internet, <URL: http://www.olympus.co.jp/jp /lisg/bio-micro/product/ix71-arceva.h>

本発明はこうした課題に鑑みて成されたものであり、その主な目的は、生体細胞等の各種の生体組織による自己発光現象、蛍光現象、或いは吸光現象などの様々な光学現象による2次元画像を簡便に且つ低廉なコストで取得することができる生体組織測定用イメージセンサ及び生体組織測定方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of these problems, and its main purpose is a two-dimensional image by various optical phenomena such as self-luminous phenomenon, fluorescent phenomenon, or light absorption phenomenon by various biological tissues such as biological cells. It is an object of the present invention to provide a biological tissue measurement image sensor and a biological tissue measurement method that can be obtained easily and at low cost.

また、本発明の他の目的とするところは、生体組織の動的態様などの観察のために従来から行われている各種の光学的測定法に好適であって、高い感度で良好な2次元画像を取得することができる生体組織測定用イメージセンサ及び生体組織測定方法を提供することにある。   Further, another object of the present invention is suitable for various optical measurement methods conventionally performed for observing the dynamic aspect of a living tissue, and has a high sensitivity and good two-dimensionality. An object of the present invention is to provide a biological tissue measurement image sensor and a biological tissue measurement method capable of acquiring an image.

課題を解決するための手段、及び発明の効果Means for Solving the Problems and Effects of the Invention

上記課題を解決するために成された第1発明に係る生体組織測定用イメージセンサは、観察対象物である生体組織の光現象による2次元画像を取得するための生体組織測定用イメージセンサであって、
a)多数の微小受光素子が2次元状に配置されて成る光電変換部と、
b)該光電変換部を被覆する、生体組織を害しない材料から成る保護膜層と、
c)前記光電変換部の領域内にあって、その上端が前記保護膜層から露出又は突出して設けられた、前記観察対象物に電気的刺激を与えるため及び/又は該観察対象物の局所的な電位を検出するための電極部と、
を備え、観察対象物を保護膜層に接触させた状態で該観察対象物を撮像することを特徴としている。
The biological tissue measurement image sensor according to the first invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, is a biological tissue measurement image sensor for acquiring a two-dimensional image by a light phenomenon of a biological tissue that is an observation object. And
a) a photoelectric conversion unit in which a large number of minute light receiving elements are arranged two-dimensionally;
b) a protective film layer made of a material that does not harm living tissue, covering the photoelectric conversion part;
c) In the region of the photoelectric conversion unit, the upper end of the photoelectric conversion unit is exposed or protruded from the protective film layer, and is used to apply electrical stimulation to the observation object and / or to localize the observation object. An electrode part for detecting a potential,
The observation object is imaged in a state where the observation object is in contact with the protective film layer.

上記第1発明に係る生体組織測定用イメージセンサの一態様として、前記電極部は前記光電変換部の領域内に所定間隔で2次元状に複数配置された構成とすることが好ましい。   As one aspect of the biological tissue measurement image sensor according to the first aspect of the present invention, it is preferable that a plurality of the electrode portions are arranged two-dimensionally at a predetermined interval in the region of the photoelectric conversion portion.

この第1発明に係る生体組織測定用イメージセンサを用いて測定を行う場合に、観察対象物である生体組織例えば生体細胞などは、センサの光電変換部の表面を覆う保護膜層に直接的に接触するように配置される。この状態では、生体組織が保護膜層を挟んで光電変換部にごく近接するため、その生体組織から放出される光(蛍光光や自己発光光はもちろんのこと、それ以外に生体組織自体が放出するのではなく生体組織を透過して来る光も含む)が微弱であっても、殆ど減衰することなく2次元状に配置された微小受光素子に到達して光電変換される。そのため、光の伝送距離はきわめて短く拡がりも殆ど無視できる程度であるので、光電変換部上での投影像はほぼ観察対象物と同サイズとなる。   When measurement is performed using the biological tissue measurement image sensor according to the first aspect of the present invention, a biological tissue that is an observation object, such as a biological cell, is directly applied to the protective film layer that covers the surface of the photoelectric conversion unit of the sensor. Arranged to touch. In this state, since the living tissue is in close proximity to the photoelectric conversion unit with the protective film layer interposed therebetween, light emitted from the living tissue (not only fluorescent light and self-emitting light but also the living tissue itself is emitted). Even if the light transmitted through the living tissue is weak, the light reaches the minute light receiving elements arranged in a two-dimensional manner without being attenuated, and is photoelectrically converted. For this reason, the light transmission distance is extremely short and the spread is almost negligible, so that the projected image on the photoelectric conversion unit is almost the same size as the observation object.

したがって、この第1発明に係る生体組織測定用イメージセンサを生体組織の観察に用いれば、高感度で鮮明な画像を得ることができる。また、近接場顕微鏡のように複雑な光学系を必要としないので、従来よりも格段に低廉なコストで撮像を行うことができる。なお、生体組織が接触する保護膜層は生体組織を害さないものであるため、上記のような測定の際に生体組織の活動を阻害したり生体組織を損傷したりすることもなく、目的とする生体組織の動的態様などを正確に捉えることができる。この点は後述する第2乃至第6発明に係る生体組織測定用イメージセンサでも同様である。   Therefore, if the biological tissue measurement image sensor according to the first invention is used for observation of biological tissue, a highly sensitive and clear image can be obtained. In addition, since a complicated optical system unlike a near-field microscope is not required, imaging can be performed at a much lower cost than in the past. In addition, since the protective film layer in contact with the living tissue does not harm the living tissue, the purpose of the measurement is as follows without inhibiting the activity of the living tissue or damaging the living tissue. It is possible to accurately capture the dynamic aspect of the living tissue. This also applies to biological tissue measuring image sensors according to second to sixth inventions described later.

この第1発明に係る生体組織測定用イメージセンサにおいて、生体組織が保護膜層に接触する状態では保護膜層から露出又は突出して設けられた電極部の先端がその生体組織に接触する。この電極部は2つの機能を果たし得る。すなわち、その1つは、電極部に所定電位を印加することにより又は電極部から所定の微小電流を流すことにより、生体組織に電気的な刺激を与えることである。こうした生体組織に対する電気的刺激と生体組織の光学現象の撮像とを組み合わせることにより、例えば電気的刺激を生体組織に加えたときの光学現象の変化などを観察したり、逆に生体組織の撮影画像から収集した情報に基づいて所定の電気的刺激を生体組織に与えるといった、様々な形態の測定が可能となる。特に電極部を2次元状に複数設けることによって、生体組織に局所的に電気的刺激を与えたり、時間経過に従って電気的刺激を与える部位を変化させたりするといったことが可能となり、測定のバリエーションが広がる。   In the biological tissue measurement image sensor according to the first aspect of the present invention, when the biological tissue is in contact with the protective film layer, the tip of the electrode portion that is exposed or protrudes from the protective film layer is in contact with the biological tissue. This electrode part can serve two functions. That is, one of them is to apply electrical stimulation to a living tissue by applying a predetermined potential to the electrode part or flowing a predetermined minute current from the electrode part. By combining such electrical stimulation with respect to biological tissue and imaging of optical phenomena of biological tissue, for example, observation of changes in optical phenomena when electrical stimulation is applied to biological tissue, or conversely, a captured image of biological tissue Various forms of measurement are possible, such as applying a predetermined electrical stimulus to a living tissue based on information collected from. In particular, by providing a plurality of electrodes in a two-dimensional manner, it is possible to locally apply electrical stimulation to living tissue, or to change the site to which electrical stimulation is applied over time, and variations in measurement are possible. spread.

もう一方の電極部の機能は生体組織内で発生する電気信号の計測である。これによって、生体組織の光学現象の撮像と生体組織の電気的計測とを同時に行うことができる。   The function of the other electrode part is measurement of an electric signal generated in the living tissue. Thereby, the imaging of the optical phenomenon of the living tissue and the electrical measurement of the living tissue can be performed simultaneously.

ところで、一般的な固体撮像素子では、各画素セルの微小受光素子で入射光強度を電気信号に変換するに際し、一定時間内における光電荷量を電位として検出する方法が用いられるが、生体組織を対象とするイメージングでは、例えば発光性タンパク質の観察のようにもともとの発光強度が非常に微弱である場合や、蛍光標識されたタンパク質の蛍光を観察するときのように大きな強度の励起光が同時に存在する条件の下で蛍光光を検出しなければならない場合など、かなり厳しい条件の下での撮影が要求されることがある。こうした条件の下では、従来のような検出方法では十分なS/N比を確保することが難しい。   By the way, in a general solid-state imaging device, a method of detecting the amount of photocharge within a certain time as a potential is used when converting the incident light intensity into an electric signal by the micro light receiving device of each pixel cell. In the target imaging, for example, when the light emission intensity is originally very weak, such as when observing a luminescent protein, or when high intensity excitation light is present at the same time as observing the fluorescence of a fluorescently labeled protein. There are cases where photographing under fairly severe conditions is required, such as when fluorescent light has to be detected under such conditions. Under these conditions, it is difficult to ensure a sufficient S / N ratio with a conventional detection method.

そこでこうした点に鑑みて、第2発明に係る生体組織測定用イメージセンサは、観察対象物である生体組織の光現象による2次元画像を取得するための生体組織測定用イメージセンサであって、
a)多数の微小受光素子が2次元状に配置されて成る光電変換部と、
b)該光電変換部を被覆する、生体組織を害しない材料から成る保護膜層と、
c)前記各微小受光素子で受光した光強度信号をパルス幅変調又はパルス周波数変調することでパルス幅又はパルス頻度に情報を有するパルス信号列に変換する信号変換手段と、
を備え、観察対象物を前記保護膜層に接触させた状態で該観察対象物を撮像することを特徴としている。
In view of these points, the biological tissue measurement image sensor according to the second aspect of the present invention is a biological tissue measurement image sensor for acquiring a two-dimensional image due to a light phenomenon of a biological tissue that is an observation object,
a) a photoelectric conversion unit in which a large number of minute light receiving elements are arranged two-dimensionally;
b) a protective film layer made of a material that does not harm living tissue, covering the photoelectric conversion part;
c) a signal conversion means for converting the light intensity signal received by each of the micro light receiving elements into a pulse signal sequence having information on the pulse width or pulse frequency by pulse width modulation or pulse frequency modulation;
The observation object is imaged in a state where the observation object is in contact with the protective film layer.

すなわち、第2発明に係る生体組織測定用イメージセンサでは、微小受光素子に入射した光強度をアナログレベルの電気信号に変換するのではなく、信号変換手段により、パルス周波数変調又はパルス幅変調のいずれかの方式で所定高さ(電圧)のパルス信号列に変換して出力する。パルス周波数変調はアナログ値である光強度をパルス信号の頻度に変換するもので、生体神経系における出力形態として知られており、光強度の絶対値よりもむしろ光強度の変化を精度良く検出することができる。したがって、上述したような大きな強度の励起光が同時に存在する条件の下で微小な蛍光光を検出しなければならない場合などに特に好適である。一方、パルス幅変調はアナログ値である光強度をパルス幅に変換して出力するもので、好ましくは、光強度が小さいほどパルス幅が大きくなるように回路を構成する。この構成においては、極めて微弱な光が入射した場合に、微弱な光強度の差がパルス幅の差として拡大されて検出される。したがって、上述したような入射光強度が非常に微弱である場合などに特に好適である。また、いずれの場合でもパルスの高さは光強度に依存しないので、外来ノイズへの耐性が強い。   That is, in the biological tissue measurement image sensor according to the second aspect of the invention, the light intensity incident on the minute light receiving element is not converted into an analog level electric signal, but the signal conversion means performs either pulse frequency modulation or pulse width modulation. This is converted into a pulse signal sequence of a predetermined height (voltage) and output. Pulse frequency modulation converts the light intensity, which is an analog value, into the frequency of the pulse signal, and is known as an output form in the biological nervous system, and accurately detects changes in light intensity rather than the absolute value of light intensity. be able to. Therefore, it is particularly suitable for the case where minute fluorescent light has to be detected under the condition in which excitation light having a large intensity as described above is simultaneously present. On the other hand, the pulse width modulation is to convert the light intensity, which is an analog value, into a pulse width and output it. Preferably, the circuit is configured so that the pulse width increases as the light intensity decreases. In this configuration, when extremely weak light is incident, a weak light intensity difference is enlarged and detected as a pulse width difference. Therefore, it is particularly suitable when the incident light intensity as described above is very weak. In any case, since the height of the pulse does not depend on the light intensity, it is highly resistant to external noise.

このように第2発明に係る生体組織測定用イメージセンサによれば、生体組織の光学現象の測定に特有の厳しい条件の下でも、目的とする入射光強度やその変化を高い感度及び精度で検出することができる。したがって、生体組織による光学現象を鮮明に捉えた画像を取得することができる。   As described above, the biological tissue measurement image sensor according to the second aspect of the present invention can detect the target incident light intensity and its change with high sensitivity and accuracy even under severe conditions peculiar to the measurement of the optical phenomenon of the biological tissue. can do. Therefore, it is possible to acquire an image that clearly captures an optical phenomenon caused by a living tissue.

また、上記課題を解決するために成された第3発明に係る生体組織測定用イメージセンサは、観察対象物である生体組織の光現象による2次元画像を取得するための生体組織測定用イメージセンサであって、
a)多数の微小受光素子が2次元状に配置されて成り、各微小受光素子は、基板内部の浅い部分に形成された主として相対的に短い波長の光を検出する短波長検出領域と、該短波長検出領域よりも基板内部の深い部分に形成された主として相対的に長い波長の光を検出する長波長検出領域とを有する光電変換部と、
b)該光電変換部を被覆する、生体組織を害しない材料から成る保護膜層と、
c)前記短波長検出領域で光電変換により発生した電気信号と前記長波長検出領域で光電変換により発生した電気信号とをそれぞれ独立に取り出すための信号取り出し手段と、
を備え、観察対象物を前記保護膜層に接触させた状態で、該観察対象物から互いに異なる2つの波長で以て放出された光に対する電気信号を前記短波長検出領域及び長波長検出領域で同時に取得することを特徴としている。
A biological tissue measurement image sensor according to a third aspect of the present invention for solving the above-described problems is a biological tissue measurement image sensor for acquiring a two-dimensional image based on a light phenomenon of a biological tissue that is an observation target. Because
a) A large number of micro light receiving elements are two-dimensionally arranged, and each micro light receiving element is formed in a shallow portion inside the substrate and mainly includes a short wavelength detection region for detecting light having a relatively short wavelength, A photoelectric conversion unit having a long wavelength detection region that mainly detects light having a relatively long wavelength formed in a deeper portion inside the substrate than the short wavelength detection region;
b) a protective film layer made of a material that does not harm living tissue, covering the photoelectric conversion part;
c) a signal extraction means for independently extracting an electric signal generated by photoelectric conversion in the short wavelength detection region and an electric signal generated by photoelectric conversion in the long wavelength detection region;
In the state where the observation object is in contact with the protective film layer, an electrical signal for light emitted from the observation object at two different wavelengths is transmitted in the short wavelength detection region and the long wavelength detection region. It is characterized by acquiring at the same time.

第3発明に係る生体組織測定用イメージセンサは、例えば1波長励起・2波長蛍光レシオメトリ測定などに好適である。1波長励起・2波長蛍光測定では、保護膜層に接触するように配置した生体組織に所定波長の励起光を照射したときに、その生体組織の構成要素や活動状況等に応じて互いに異なる2波長の蛍光光が放出され得る。生体組織から放出される蛍光は互いに異なる2つの波長(ピークトップ波長)が混合したものとなっている可能性がある。こうした蛍光が微小受光素子に入射すると、相対的に長い波長成分を持つ光は基板内部の深い位置まで浸透するから、長波長検出領域にまで達して光電荷を生成する。一方、相対的に短い波長成分を持つ光は基板内部の浅い位置の短波長検出領域で光電荷を生成する。これらそれぞれ異なる領域で生成された光電荷に由来する電気信号は信号取り出し手段により個別に取り出される。   The biological tissue measurement image sensor according to the third aspect of the invention is suitable, for example, for one-wavelength excitation / two-wavelength fluorescence ratio measurement. In the one-wavelength excitation / two-wavelength fluorescence measurement, when a biological tissue arranged so as to be in contact with the protective film layer is irradiated with excitation light having a predetermined wavelength, they are different from each other depending on the components of the biological tissue, the activity status, etc. Wavelengths of fluorescent light can be emitted. The fluorescence emitted from the living tissue may be a mixture of two different wavelengths (peak top wavelengths). When such fluorescence enters the micro light receiving element, light having a relatively long wavelength component penetrates to a deep position inside the substrate, so that it reaches the long wavelength detection region and generates a photocharge. On the other hand, light having a relatively short wavelength component generates photoelectric charge in a short wavelength detection region at a shallow position inside the substrate. The electric signals derived from the photocharges generated in these different regions are individually extracted by the signal extracting means.

従来、1つのイメージセンサ(又はカメラ)により蛍光検出を行う場合には、例えば2波長蛍光を時分割で検出する必要があったが、第3発明に係る生体組織測定用イメージセンサを用いることにより、2波長の蛍光を時分割でなく同時に、つまり時間的に全く同一条件の下で検出することができる。また、従来、時間的なずれを回避するために顕微鏡内で光学系により像を2つに分割して2つのイメージセンサ(又はカメラ)でそれぞれ蛍光検出を行うことも行われているが、この場合には時間的なずれはないものの光学系に依存する空間的なずれが発生することが避けられない。それに対し、第3発明に係る生体組織測定用イメージセンサを用いることにより、上述したような空間的なずれもない全く同一箇所の蛍光の光強度を検出することができる。こうしたことから、例えば2波長蛍光の光強度比を算出する場合に、時間的にも空間的にも同一条件の下での光強度を比較することができるので測定精度が向上する。   Conventionally, when fluorescence detection is performed by one image sensor (or camera), for example, it has been necessary to detect two-wavelength fluorescence in a time-sharing manner, but by using the biological tissue measurement image sensor according to the third invention. Two wavelengths of fluorescence can be detected at the same time, not in time division, that is, under exactly the same conditions in terms of time. Conventionally, in order to avoid time lag, an image is divided into two by an optical system in a microscope and fluorescence detection is performed by two image sensors (or cameras). In some cases, there is no time shift, but a spatial shift depending on the optical system is unavoidable. On the other hand, by using the biological tissue measurement image sensor according to the third aspect of the invention, it is possible to detect the fluorescence light intensity at exactly the same location without any spatial deviation as described above. For this reason, for example, when calculating the light intensity ratio of two-wavelength fluorescence, the light intensity under the same conditions can be compared both in terms of time and space, so that the measurement accuracy is improved.

また、上記課題を解決するために成された第4発明に係る生体組織測定用イメージセンサは、観察対象物である生体組織の光現象による2次元画像を取得するための生体組織測定用イメージセンサであって、
a)1個の微小受光素子と、第1、第2なる2個の電荷蓄積部と、前記1個の微小受光素子から第1及び第2電荷蓄積部へ電荷を選択的に転送するための電荷転送部と、前記第1及び第2電荷蓄積部の蓄積電荷に応じた電圧を出力する第1、第2なる2個の出力部と、を含んで1個の画素セルが構成され、該画素セルが2次元状に配置されて成る光電変換部と、
b)該光電変換部を被覆する、生体組織を害しない材料から成る保護膜層と、
を備え、観察対象物を前記保護膜層に接触させた状態で、該観察対象物に対して互いに波長の異なる2種の励起光を時分割で照射し、該励起光に応じて該観察対象物から放出された光によって各微小受光素子でそれぞれ発生した電荷信号を2種の励起光の時分割の切替えタイミングに同期して電荷転送部により振り分けて第1及び第2電荷蓄積部に蓄積し、その後にそれぞれ第1及び第2出力部から出力することを特徴としている。
A biological tissue measurement image sensor according to a fourth aspect of the invention made to solve the above-described problem is a biological tissue measurement image sensor for acquiring a two-dimensional image based on a light phenomenon of a biological tissue that is an observation object. Because
a) One minute light receiving element, two first and second charge accumulating units, and for selectively transferring charges from the one minute light receiving element to the first and second charge accumulating units. One pixel cell is configured to include a charge transfer unit and two first and second output units that output voltages according to the accumulated charges of the first and second charge accumulation units, A photoelectric conversion unit in which pixel cells are two-dimensionally arranged;
b) a protective film layer made of a material that does not harm living tissue, covering the photoelectric conversion part;
And irradiating the observation object with two types of excitation light having different wavelengths from each other in a time-sharing manner in a state where the observation object is in contact with the protective film layer, and depending on the excitation light, the observation object The charge signals generated in each micro light receiving element by the light emitted from the object are distributed by the charge transfer unit in synchronization with the time division switching timing of the two types of excitation light and accumulated in the first and second charge storage units. Thereafter, the output is performed from the first and second output units, respectively.

この第4発明に係る生体組織測定用イメージセンサは、例えば2波長励起・1波長蛍光測定などに好適である。2波長励起・1波長蛍光測定では、保護膜層に接触するように配置した生体組織に2つの異なる波長の励起光を時分割で交互に照射する。各励起光によって生体組織内で生じた蛍光は同一の微小受光素子へと入射し、光電変換されて電荷が生じるが、励起光の時分割の切替えタイミングに同期して駆動される電荷転送部により、各励起光に対応した蛍光に由来する電荷毎に振り分けられ、それぞれの電荷蓄積部に蓄積される。したがって、第4発明に係る生体組織測定用イメージセンサを用いれば、2波長励起に対する蛍光に由来する2系統の信号を同時に取り出すことができ、例えば両者の光強度を比較する等の処理が容易に行える。   The biological tissue measurement image sensor according to the fourth invention is suitable for, for example, two-wavelength excitation / one-wavelength fluorescence measurement. In the two-wavelength excitation / one-wavelength fluorescence measurement, the living tissue disposed so as to be in contact with the protective film layer is alternately irradiated with excitation light having two different wavelengths in a time division manner. The fluorescence generated in the living tissue by each excitation light enters the same minute light receiving element and is photoelectrically converted to generate electric charge, but it is driven by the charge transfer unit driven in synchronization with the time division switching timing of the excitation light. The charge is distributed for each charge derived from the fluorescence corresponding to each excitation light, and is accumulated in each charge accumulation section. Therefore, if the biological tissue measurement image sensor according to the fourth aspect of the invention is used, two systems of signals derived from fluorescence with respect to two-wavelength excitation can be extracted at the same time. For example, processing such as comparing the light intensities of the two is easy. Yes.

さらにまた、上述したような各種形態による励起光照射・蛍光検出測定においては、一般に蛍光の光強度は励起光の光強度に比べて格段に小さい。そのため、例えば第2発明のように信号変換手段を導入したとしても、それだけでは十分な検出感度・精度を得られない場合があり得る。そこで、こうした場合には、励起光による影響を相対的に減少させることが有効である。   Furthermore, in the excitation light irradiation / fluorescence detection measurement in various forms as described above, the fluorescence light intensity is generally much smaller than the excitation light intensity. For this reason, even if the signal conversion means is introduced as in the second invention, for example, it may not be possible to obtain sufficient detection sensitivity and accuracy. Therefore, in such a case, it is effective to relatively reduce the influence of the excitation light.

こうしたことを目的とした第5発明に係る生体組織測定用イメージセンサは、観察対象物である生体組織の光現象による2次元画像を取得するための生体組織測定用イメージセンサであって、
a)多数の微小受光素子が2次元状に配置されて成る光電変換部と、
b)該光電変換部を被覆する、生体組織を害しない材料から成る保護膜層と、
c)前記保護膜層に接触して配置された観察対象物に対し照射される励起光の波長帯域の通過を阻止する一方、該励起光に応じて観察対象物から放出される蛍光光の波長帯域を通過させる光学フィルタ層と、
を備えることを特徴としている。
A biological tissue measurement image sensor according to the fifth invention for the above purpose is a biological tissue measurement image sensor for obtaining a two-dimensional image by a light phenomenon of a biological tissue that is an observation target,
a) a photoelectric conversion unit in which a large number of minute light receiving elements are arranged two-dimensionally;
b) a protective film layer made of a material that does not harm living tissue, covering the photoelectric conversion part;
c) While blocking the passage of the wavelength band of the excitation light irradiated to the observation object arranged in contact with the protective film layer, the wavelength of the fluorescent light emitted from the observation object in response to the excitation light An optical filter layer that passes the band;
It is characterized by having.

ここで、光学フィルタ層としては、励起光の波長帯域の光を選択的に吸収する吸収フィルタ、又は励起光の波長帯域の光を選択的に反射する干渉フィルタとすることができる。また、当該センサに含まれる撮像素子をCMOS構造とする場合には、ゲート等に多結晶シリコン層を用いるから、これを励起光を阻止するための光学フィルタ層として利用することもできる。   Here, the optical filter layer can be an absorption filter that selectively absorbs light in the wavelength band of excitation light or an interference filter that selectively reflects light in the wavelength band of excitation light. Further, when the imaging element included in the sensor has a CMOS structure, since a polycrystalline silicon layer is used for a gate or the like, it can be used as an optical filter layer for blocking excitation light.

この第5発明に係る生体組織測定用イメージセンサによれば、微小受光素子に入射する励起光の光強度が光学フィルタ層によって大幅に低減されるので、相対的に蛍光の光強度が大きくなり、蛍光の検出性が高まる。   According to the biological tissue measurement image sensor according to the fifth aspect of the present invention, the light intensity of the excitation light incident on the minute light receiving element is significantly reduced by the optical filter layer, so that the light intensity of the fluorescence is relatively increased. Increased fluorescence detection.

また、上記目的を達成するために、シリコン固体撮像素子において短波長側では基板内部の表面付近で光吸収が生じるために検出感度が相対的に低下してしまうという感度曲線の特徴を利用して、紫外光や短波長側の可視光である励起光によって生成される光電荷を除去することが考え得る。   In addition, in order to achieve the above object, by utilizing the characteristic of the sensitivity curve that the detection sensitivity is relatively lowered due to light absorption near the surface inside the substrate on the short wavelength side in the silicon solid-state imaging device. It is conceivable to remove photocharges generated by excitation light that is visible light on the ultraviolet light or short wavelength side.

すなわち、第6発明に係る生体組織測定用イメージセンサは、観察対象物である生体組織の光現象による2次元画像を取得するための生体組織測定用イメージセンサであって、
a)多数の微小受光素子が2次元状に配置されて成る光電変換部と、
b)該光電変換部を被覆する、生体組織を害しない材料から成る保護膜層と、
c)前記保護膜層に接触して配置された観察対象物に対し照射される相対的に短波長の励起光によって前記微小受光素子の基板表面付近で発生した電荷を不要な電荷として排出するための電荷排出手段と、
d)前記励起光に応じて観察対象物から放出された蛍光によって前記微小受光素子の基板深部で発生した電荷を有効な電荷として取り出すための信号取り出し手段と、
を備えることを特徴としている。
That is, the image sensor for biological tissue measurement according to the sixth invention is an image sensor for biological tissue measurement for acquiring a two-dimensional image due to a light phenomenon of the biological tissue that is an observation object,
a) a photoelectric conversion unit in which a large number of minute light receiving elements are arranged two-dimensionally;
b) a protective film layer made of a material that does not harm living tissue, covering the photoelectric conversion part;
c) To discharge charges generated near the substrate surface of the micro light-receiving element as unnecessary charges by the relatively short-wavelength excitation light applied to the observation object placed in contact with the protective film layer. Charge discharging means,
d) a signal extracting means for extracting the charges generated in the deep part of the substrate of the micro light receiving element by the fluorescence emitted from the observation object in response to the excitation light as effective charges;
It is characterized by having.

ここでは電荷排出手段としては例えばフォトゲートなどを利用することができる。この構成では、比較的短波長である励起光はフォトゲート直下の基板表面付近で光電荷を生成するが、これら電荷は電荷排出手段によって排出されてしまい出力には寄与しない。一方、励起光に比べて長波長である蛍光は基板内の深部まで入り込んで光電荷を生成し、この電荷による信号は信号取り出し手段により取り出されて画像形成等に利用される。したがって、このように基板深部で発生した光電荷に由来する電気信号のみを取り出すことで、励起光の影響を軽減した信号を得ることができる。   Here, for example, a photogate or the like can be used as the charge discharging means. In this configuration, the excitation light having a relatively short wavelength generates photocharges near the substrate surface directly under the photogate, but these charges are discharged by the charge discharging means and do not contribute to the output. On the other hand, the fluorescence having a longer wavelength than the excitation light penetrates deep into the substrate to generate a photocharge, and a signal due to this charge is taken out by the signal takeout means and used for image formation and the like. Therefore, by extracting only the electric signal derived from the photocharge generated in the deep part of the substrate in this way, a signal with reduced influence of the excitation light can be obtained.

この第6発明に係る生体組織測定用イメージセンサによっても、上記第5発明と同様に、微小受光素子に入射する励起光の光強度が大幅に低下するので、相対的に蛍光の光強度が大きくなり、蛍光の検出性が高まる。   Also with the image sensor for biological tissue measurement according to the sixth aspect of the invention, the light intensity of the excitation light incident on the micro light receiving element is significantly reduced, as in the case of the fifth aspect of the invention. Thus, the detection of fluorescence is enhanced.

上記第1乃至第6発明に係る生体組織測定用イメージセンサを用いた生体組織測定方法として、大別にして2つの方法が考え得る。その1つは、生体から単離した又は生体外で培養した生体組織を、上記いずれかの発明による生体組織測定用イメージセンサの保護膜層上に直接載せた状態で該生体組織の光現象による2次元画像を取得する方法である。この測定方法では、従来の顕微鏡下で観察することが可能であるような各種の蛍光検出などを行うことが可能である。   As a biological tissue measuring method using the biological tissue measuring image sensor according to the first to sixth inventions, roughly two methods can be considered. One of them is that the living tissue isolated from the living body or cultured in vitro is directly mounted on the protective film layer of the image sensor for measuring living tissue according to any one of the above-described inventions. This is a method for acquiring a two-dimensional image. In this measurement method, various types of fluorescence detection that can be observed under a conventional microscope can be performed.

一方、他の1つの測定方法は、上記いずれかの発明による生体組織測定用イメージセンサを生きた状態にある生体内部に埋植し、該生体内部で保護膜層を該生体組織に直接接触させた状態で該生体組織の光現象による2次元画像を取得する方法である。この方法では、観察対象である生体組織の蛍光標識などに制約があるものの、生体が通常活動している状態での観察が可能であり、従来、得ることが困難であった生体情報を比較的容易に得ることができる。   On the other hand, in another measurement method, the biological tissue measurement image sensor according to any one of the above inventions is implanted in a living organism, and the protective film layer is directly contacted with the biological tissue inside the organism. This is a method of acquiring a two-dimensional image due to the light phenomenon of the living tissue in a state of being in contact. In this method, although there is a limitation on the fluorescent label of the biological tissue to be observed, the biological information can be observed in a normal activity state, and biological information that has conventionally been difficult to obtain is relatively Can be easily obtained.

[第1実施例]
本発明に係る生体組織測定用イメージセンサの一実施例とそれを用いた生体組織測定方法について、図面を参照して説明する。
図1は第1実施例によるセンサユニット2に利用される撮像素子1の概略構造を示す平面図、図2はこのセンサユニット2の概略縦断面である。この撮像素子1は、シリコン等の半導体基板10上に多数の微小受光素子が2次元状に配列された光電変換領域11と、この光電変換領域11に含まれる各画素セルから信号を読み出すための列選択制御回路17及び行選択制御回路18とを備える。
[First embodiment]
One embodiment of a biological tissue measurement image sensor according to the present invention and a biological tissue measurement method using the same will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing a schematic structure of an image sensor 1 used in the sensor unit 2 according to the first embodiment, and FIG. 2 is a schematic longitudinal section of the sensor unit 2. The image sensor 1 is a photoelectric conversion region 11 in which a large number of minute light receiving elements are two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate 10 such as silicon, and a signal for reading signals from each pixel cell included in the photoelectric conversion region 11. A column selection control circuit 17 and a row selection control circuit 18 are provided.

光電変換領域11内には縦に8列、横に8行の合計64個の画素ユニット12が設けられ、各画素ユニット12にはそれぞれ縦に15列、横に15行の合計225個の画素領域が存在する。但し、各画素ユニット12内の225個の画素領域の中で、中央の25個分の画素領域は受光のためではなく突起電極の領域に充てられる。すなわち、この25個分の画素領域には略正方形状の電極形成用パッド15が設けられ、その上には上方に略円柱状に突出した金属製の突起電極16が形成される。各画素ユニット12においては、中央の電極形成用パッド15を取り囲む200個分の画素領域がそれぞれ受光用の画素セル13に充てられる。各画素セル13は、本発明における微小受光素子としてのフォトダイオード14を含むほか、フォトダイオード14で得られた電流信号を電圧信号に変換したりその電圧信号を増幅したりするための各種回路を含む。   A total of 64 pixel units 12 of 8 columns vertically and 8 rows horizontally are provided in the photoelectric conversion region 11, and each pixel unit 12 has a total of 225 pixels of 15 columns vertically and 15 rows horizontally. An area exists. However, among the 225 pixel regions in each pixel unit 12, the central 25 pixel regions are not used for light reception but are used for the protruding electrode regions. That is, a substantially square electrode forming pad 15 is provided in the 25 pixel regions, and a metal protruding electrode 16 protruding upward in a substantially cylindrical shape is formed thereon. In each pixel unit 12, 200 pixel regions surrounding the central electrode forming pad 15 are allocated to the light receiving pixel cells 13, respectively. Each pixel cell 13 includes a photodiode 14 as a micro light receiving element in the present invention, and various circuits for converting a current signal obtained by the photodiode 14 into a voltage signal and amplifying the voltage signal. Including.

したがって、この撮像素子1では、光電変換領域11内に、全部で64個の突起電極16が縦方向及び横方向に略等間隔で設けられるとともに、12800個の画素セル13が設けられている。1個の画素領域のサイズや電極形成用パッド15のサイズなどは製造に使用する半導体プロセスやこのセンサの目的などに応じて適宜に決めることができるが、例えば画素領域を5μm□、電極形成用パッドを25μm□とすることができる。もちろん、こうしたサイズや画素数などはここでの記載に限定されるものではない。なお、各画素セル13毎に光電変換によって取得された電気信号は従来の固体撮像素子と同様にシリアルに外部へと取り出すことができるように構成されているが、突起電極16に対してはそれぞれ独立に信号の取り出しや電流の注入が可能であるように構成されている。   Therefore, in this imaging device 1, a total of 64 protruding electrodes 16 are provided in the photoelectric conversion region 11 at substantially equal intervals in the vertical direction and the horizontal direction, and 12800 pixel cells 13 are provided. The size of one pixel region, the size of the electrode forming pad 15 and the like can be determined as appropriate according to the semiconductor process used for manufacturing, the purpose of this sensor, and the like. The pad can be 25 μm square. Of course, the size and the number of pixels are not limited to those described here. In addition, although it is comprised so that the electrical signal acquired by photoelectric conversion for every pixel cell 13 can be taken out serially like the conventional solid-state image sensor, it is comprised with respect to the protruding electrode 16, respectively. It is configured such that signal extraction and current injection can be performed independently.

本実施例のセンサユニット2においては、図2に示すように、上記構成の撮像素子1が例えばポリイミド樹脂などから成るセンサ基板20の上に固着され、撮像素子1上に形成されたワイヤボンディングパッドとセンサ基板20上に設けられた電極部との間はアルミニウム又は金などのワイヤ23によって電気的に接続される。さらに、撮像素子1表面全体及びワイヤ23などはエポキシ樹脂などによる保護層22で被覆される。但し、突起電極16の上端部のみは保護層22の上に露出する。このセンサユニット2は生体組織に直接的に接触した状態で、しかも場合によってはかなりの長期間その状態を保って使用されるため、電解質等を含む生体液による侵食から回路や配線等を保護する必要がある。一方、生体組織に直接接触するため、保護層22自体が生体組織に損傷を与えたり生理活動を阻害したりすることも避ける必要がある。こうしたことから保護層22としては例えばエポキシ樹脂などの生体組織を害さない材料を使用する。   In the sensor unit 2 of the present embodiment, as shown in FIG. 2, a wire bonding pad formed on the image sensor 1 by fixing the image sensor 1 having the above configuration onto a sensor substrate 20 made of, for example, polyimide resin. And an electrode portion provided on the sensor substrate 20 are electrically connected by a wire 23 such as aluminum or gold. Further, the entire surface of the image sensor 1 and the wire 23 are covered with a protective layer 22 made of epoxy resin or the like. However, only the upper end portion of the protruding electrode 16 is exposed on the protective layer 22. Since this sensor unit 2 is used in a state in which it is in direct contact with a living tissue and, in some cases, kept in that state for a considerably long period of time, it protects circuits, wirings, and the like from erosion by biological fluids including electrolytes. There is a need. On the other hand, since the protective layer 22 itself is in direct contact with the living tissue, it is also necessary to avoid that the protective layer 22 itself damages the living tissue or inhibits physiological activity. For this reason, the protective layer 22 is made of a material that does not harm the living tissue such as an epoxy resin.

図3は1個の画素セル13における回路構成を示す図、図4はこの回路の動作を説明するための波形図である。ここでは、生体細胞等からのきわめて微弱な発光や蛍光を検出することができるように、入射光量の強弱に応じてアナログ電圧値を出力する通常のCMOSアクティブピクセルセンサ(図4(a)参照)のほか、パルス周波数変調(PFM)方式及びパルス幅変調(PWM)方式の動作を可能とするための回路を組み込んでいる。   FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration in one pixel cell 13, and FIG. 4 is a waveform diagram for explaining the operation of this circuit. Here, a normal CMOS active pixel sensor that outputs an analog voltage value according to the amount of incident light so that extremely weak light emission or fluorescence from a living cell or the like can be detected (see FIG. 4A). In addition, a circuit for enabling operations of a pulse frequency modulation (PFM) system and a pulse width modulation (PWM) system is incorporated.

ずなわち、画素セル13には、入射光を電気信号に光電変換するとともにその接合容量によって光電変換で生じた電荷を蓄積する電荷蓄積部として機能するフォトダイオード31と、蓄積された電荷を消去するためのリセット用のゲートスイッチ部32と、電荷を増幅して電圧信号として出力する増幅部33、34と、増幅された電圧信号を所定の基準電圧Vrefと比較するコンパレータ35と、コンパレータ出力をデータ入力として所定周波数のクロック信号CLKにより読み込むフリップフロップ回路36と、フリップフロップ出力とリセットタイミング信号を受けてゲートスイッチ部32にリセット信号を送るANDゲート37と、出力を反転するインバータ38とを含む。   In other words, the pixel cell 13 photoelectrically converts incident light into an electrical signal, and also functions as a charge storage unit that stores charges generated by photoelectric conversion by the junction capacitance, and erases the stored charges. A reset gate switch unit 32 for amplifying, amplifying units 33 and 34 for amplifying electric charges and outputting them as voltage signals, a comparator 35 for comparing the amplified voltage signals with a predetermined reference voltage Vref, and a comparator output A flip-flop circuit 36 that reads as a data input by a clock signal CLK of a predetermined frequency, an AND gate 37 that receives a flip-flop output and a reset timing signal and sends a reset signal to the gate switch unit 32, and an inverter 38 that inverts the output are included. .

まず、上記構成をPFM方式で動作させる場合の動作について説明する。リセット信号RSTが入力されてゲートスイッチ部32がオンすることによりフォトダイオード31の電位VPDはVDD近傍まで充電され、ゲートスイッチ部32がオフするとフロート状態のフォトダイオード31の電位VPDは光電荷による放電量に応じて減少する。したがって、フォトダイオード31への入射光強度が大きいほど電位VPDの下がり方は速くなる。電位VPDに応じた電位VPD'がVrefを下回ると、コンパレータ35の出力はL→Hと変化する。これを受けてフリップフロップ回路36の出力は、次にクロック信号CLKが立ち上がるときにL→Hと変化する。すると、この変化から適度に遅延してANDゲート37の出力は立ち上がりリセット信号RSTをゲートスイッチ部32に与えるから、フォトダイオード31の電位VPDは再びVDD近傍まで上昇する。それによって、コンパレータ35の出力はH→Lと変化するから、次にクロック信号CLKが立ち上がるときにフリップフロップ回路36の出力はH→Lと変化する。   First, the operation when the above configuration is operated by the PFM method will be described. When the reset signal RST is input and the gate switch unit 32 is turned on, the potential VPD of the photodiode 31 is charged to the vicinity of VDD, and when the gate switch unit 32 is turned off, the potential VPD of the floating photodiode 31 is discharged by photocharge. Decreases with quantity. Therefore, the lowering of the potential VPD becomes faster as the incident light intensity on the photodiode 31 is higher. When the potential VPD ′ corresponding to the potential VPD falls below Vref, the output of the comparator 35 changes from L → H. In response to this, the output of the flip-flop circuit 36 changes from L to H when the clock signal CLK rises next time. Then, with an appropriate delay from this change, the output of the AND gate 37 gives the rising reset signal RST to the gate switch section 32, so that the potential VPD of the photodiode 31 rises again to the vicinity of VDD. As a result, the output of the comparator 35 changes from H → L. Therefore, when the clock signal CLK rises next time, the output of the flip-flop circuit 36 changes from H → L.

フリップフロップ回路36の出力パルスの幅はANDゲート37の遅延時間などに依存しており入射光強度とは無関係であるため常に一定であるが、出力パルスの発生頻度は電位VPDの減少速度が速いほど頻繁になるから、入射光量が大きいほどパルス周波数は高くなる(図4(b)参照)。この出力パルスを受けた回路ではパルス数を積算するが、多数回の計測を行ったときのパルス数の積算は多数回の計測の平均を採るのと同じ効果が得られる。したがって、このPFM方式は、入射光強度の変化を高い精度で検出できるという特徴を有している。そのため、例えば、蛍光タンパク質などの観察のように、強い励起光が同時に存在するという条件の下で蛍光による微小な光強度の変化を捉える必要がある場合に特に好適である。   The width of the output pulse of the flip-flop circuit 36 is always constant because it depends on the delay time of the AND gate 37 and is independent of the incident light intensity. However, the frequency of generation of the output pulse is fast at the decreasing rate of the potential VPD. As the incident light quantity increases, the pulse frequency increases (see FIG. 4B). The circuit that has received this output pulse integrates the number of pulses, but the integration of the number of pulses when a large number of measurements are performed has the same effect as taking the average of the many measurements. Therefore, this PFM method has a feature that a change in incident light intensity can be detected with high accuracy. Therefore, for example, it is particularly suitable when it is necessary to catch a minute change in light intensity due to fluorescence under the condition that strong excitation light is simultaneously present, such as observation of a fluorescent protein.

次に、上記構成をPWM方式で動作させる場合の動作について説明する。基本的な動作はPFM方式と同様であるが、PWM方式では、リセット信号RSTが入力されてゲートスイッチ部32がオンすることによりフォトダイオード31の電位VPDはVDD近傍まで充電され、それによってコンパレータ35の出力がH→Lと変化した時点から、光電荷による放電量に応じて電位VPDは減少してゆき電位VPD'がVrefを下回ってコンパレータ35の出力がL→Hと変化するまでの時間幅のパルス信号を得る。入射光量が小さいほど電位VPDの減少速度は遅くなるから、パルス幅は長くなる(図4(c)参照)。したがって、このPWM方式は、きわめて微弱な光が入射した場合でも、その微弱な光強度の僅かな差がパルス幅の差として拡大されて検出されるという特徴を有している。そのため、発光タンパク質の観察などのように、入射光強度がきわめて微弱であるような場合に特に好適である。   Next, the operation when the above configuration is operated by the PWM method will be described. Although the basic operation is the same as that of the PFM method, in the PWM method, when the reset signal RST is input and the gate switch unit 32 is turned on, the potential VPD of the photodiode 31 is charged to the vicinity of VDD, thereby the comparator 35. From the time when the output of H changes from H to L, the potential VPD decreases according to the amount of discharge due to photocharge, and the time span from when the potential VPD 'falls below Vref and the output of the comparator 35 changes from L to H The pulse signal is obtained. The smaller the amount of incident light, the slower the potential VPD decreases, so the pulse width becomes longer (see FIG. 4C). Therefore, this PWM method has a feature that even if very weak light is incident, a slight difference in the weak light intensity is detected as being enlarged as a difference in pulse width. Therefore, it is particularly suitable when the incident light intensity is extremely weak, such as when observing photoproteins.

このようにこの撮像素子では、目的に応じてPFM方式又はPWM方式の一方を適宜に選択して入射光強度に対応したパルス信号列を出力として取り出すことができる。   As described above, in this imaging device, one of the PFM method and the PWM method is appropriately selected according to the purpose, and a pulse signal sequence corresponding to the incident light intensity can be extracted as an output.

次に、上記構成のセンサユニット2を利用した生体組織の測定方法の具体例について説明する。
代表的な測定方法の一つはインビトロ(in vitro)である。すなわち、図5に示すように、生体から採取した単離細胞や試験管内等で培養した細胞Sをセンサの保護層22上に直接載せた状態で発光・蛍光イメージングを行う。このとき、突起電極16の一部が観察対象である細胞Sに接触するから、突起電極16に選択的に所定電位を印加することにより、細胞Sにあってそれに接触した部位に対して局所的な電気的刺激を加えることができる。また、電圧を印加する代わりに突起電極16に生じた電圧を検出することにより、細胞S内部での電気信号による情報を取得してもよい。こうした電気的刺激又は電気的計測と発光・蛍光イメージングによる撮像とは適宜に組み合わせることができる。
Next, a specific example of a biological tissue measurement method using the sensor unit 2 having the above-described configuration will be described.
One of the typical measurement methods is in vitro. That is, as shown in FIG. 5, light emission / fluorescence imaging is performed in a state where an isolated cell collected from a living body or a cell S cultured in a test tube or the like is directly placed on the protective layer 22 of the sensor. At this time, since a part of the protruding electrode 16 contacts the cell S to be observed, by selectively applying a predetermined potential to the protruding electrode 16, the cell S is locally applied to the portion in contact with the cell S. Can be applied with electrical stimulation. In addition, information by an electrical signal inside the cell S may be acquired by detecting a voltage generated in the protruding electrode 16 instead of applying a voltage. Such electrical stimulation or electrical measurement and imaging by light emission / fluorescence imaging can be appropriately combined.

代表的な他の測定方法はインビボ(in vivo)である。すなわち、生きた状態にあるマウス等の実験動物の生体組織内部に上記センサを埋植し、センサによって取得した信号を有線又は無線によって外部装置に伝送してイメージングによる画像を得る。こうした測定では、通常の活動状態を維持した状態での生体組織の観察が可能である。もちろん、このような測定でも、インビトロと同様に電気的刺激又は電気的計測との組み合わせが可能である。   Another representative measurement method is in vivo. That is, the sensor is implanted in the living tissue of a laboratory animal such as a mouse in a living state, and a signal acquired by the sensor is transmitted to an external device by wire or wireless to obtain an image by imaging. In such measurement, it is possible to observe a living tissue while maintaining a normal activity state. Of course, such a measurement can be combined with electrical stimulation or electrical measurement in the same manner as in vitro.

[第2実施例]
次に、第2実施例によるイメージセンサについて図6により説明する。図6はこの第2実施例によるイメージセンサの1個の画素セル13の概略縦断面図である。
現在のバイオイメージング技術においてよく利用される蛍光測定では、所定波長の励起光を観察対象物に照射し、その励起光によって蛍光色素などが励起されて生じる励起光を計測して蛍光画像を作成する。こうした測定では、撮像素子の光電変換領域に蛍光のほかに励起光も同時に入射するため、本来の測定対象である蛍光光の強度変化を高い精度で測定するには、励起光による影響を極力除去することが重要である。
[Second Embodiment]
Next, an image sensor according to a second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic longitudinal sectional view of one pixel cell 13 of the image sensor according to the second embodiment.
Fluorescence measurement often used in current bioimaging technology irradiates an observation object with excitation light of a predetermined wavelength, and creates a fluorescence image by measuring excitation light generated by exciting a fluorescent dye or the like by the excitation light. . In such a measurement, excitation light as well as fluorescence enters the photoelectric conversion area of the image sensor at the same time. Therefore, in order to measure the intensity change of fluorescent light, which is the original measurement target, with high accuracy, the influence of excitation light is removed as much as possible. It is important to.

一般に励起光は高エネルギーを付与する必要があるため、紫外光又は可視光でも短波長側の可視光が利用される。これに対し、蛍光色素等から放出される蛍光は励起光よりも波長が長い。そこで、この第2実施例によるイメージセンサでは、図6に示すように、各画素セル13のフォトダイオード14の上面に励起光の波長帯域を遮断し、蛍光の波長帯域を通過させるような特性を有する光学フィルタ層41を設けている。この光学フィルタ層41として具体的には、通常の半導体製造プロセスによって画素回路を形成した後、その保護膜の上に励起光の波長帯域を吸収する特性を有する吸収フィルタ層を形成するか、或いは励起光の波長帯域を反射させる特性を有する干渉膜フィルタ層を形成すればよい。   In general, since excitation light needs to be given high energy, visible light on the short wavelength side is used even for ultraviolet light or visible light. On the other hand, the fluorescence emitted from the fluorescent dye or the like has a longer wavelength than the excitation light. Therefore, in the image sensor according to the second embodiment, as shown in FIG. 6, the excitation light wavelength band is blocked on the upper surface of the photodiode 14 of each pixel cell 13, and the characteristic is such that the fluorescence wavelength band is allowed to pass. An optical filter layer 41 is provided. Specifically, as the optical filter layer 41, after forming a pixel circuit by a normal semiconductor manufacturing process, an absorption filter layer having a characteristic of absorbing the wavelength band of excitation light is formed on the protective film, or What is necessary is just to form the interference film filter layer which has the characteristic which reflects the wavelength range | band of excitation light.

また、CCDやCMOSプロセスでは、ゲート電極等を形成するために多結晶シリコン層を利用している。一般的にこうした多結晶シリコン層の標準的な膜厚は300nm程度であるが、こうした膜厚であっても、励起光として用いられる紫外光や短波長の可視光の大部分を吸収するのには十分な膜厚である。そこで、例えばフォトゲート構造をフォトダイオード14に採用することで、このゲート構造のために形成した多結晶シリコン層42を励起光に対する吸収フィルタとして利用することができる(図7参照)。   In a CCD or CMOS process, a polycrystalline silicon layer is used to form a gate electrode and the like. In general, the standard film thickness of such a polycrystalline silicon layer is about 300 nm, but even with such a film thickness, it absorbs most of ultraviolet light and short wavelength visible light used as excitation light. Is a sufficient film thickness. Therefore, for example, by adopting a photogate structure for the photodiode 14, the polycrystalline silicon layer 42 formed for this gate structure can be used as an absorption filter for excitation light (see FIG. 7).

[第3実施例]
この第3実施例によるイメージセンサの目的も上記第2実施例と同様であるが、フォトダイオード14に到達する前に励起光を遮蔽するのではなく、フォトダイオード14に入射して生成された電荷のうちの励起光に由来するものを除去するようにしたものである。すなわち、半導体基板の素材であるシリコンの吸収係数の波長依存性を鑑みると、光の波長が長いほど基板深部まで到達する。上述したように、通常、励起光は波長が短く、蛍光は長波長である。したがって、励起光と蛍光とが同時にフォトダイオードに入射した場合、蛍光は基板のより深い部分まで到達してその付近で電荷を生起するのに対し、励起光は基板深部には到達せず主として基板表面近傍で電荷を生起する。
[Third embodiment]
The purpose of the image sensor according to the third embodiment is the same as that of the second embodiment. However, the charge generated by being incident on the photodiode 14 rather than blocking the excitation light before reaching the photodiode 14. Of these, those derived from excitation light are removed. That is, considering the wavelength dependence of the absorption coefficient of silicon, which is the material of the semiconductor substrate, the longer the wavelength of light, the deeper the substrate. As described above, normally, the excitation light has a short wavelength and the fluorescence has a long wavelength. Therefore, when excitation light and fluorescence enter the photodiode at the same time, the fluorescence reaches a deeper part of the substrate and generates a charge in the vicinity thereof, whereas the excitation light does not reach the deep part of the substrate and mainly the substrate. An electric charge is generated near the surface.

そこで、この第3実施例によるイメージセンサでは、図8に示すように、蛍光を検出するためのPN接合を基板10の比較的深い部分に形成し、基板10表面にはフォトゲート43による電荷排出手段を設けている。比較的長波長である蛍光は基板10の深部まで達成して長波長検出領域P2近傍で光電荷を生成するが、比較的短波長である励起光はフォトゲート43直下の浅い部分にある短波長検出領域P1近傍で光電荷を生成する。この短波長検出領域P1に溜まった電荷を電極44から排出することで、フォトダイオード14内部に蛍光に由来する光電荷のみを残して検出することができる。なお、フォトゲート構造の代わりにPN接合を利用してもよい。   Therefore, in the image sensor according to the third embodiment, as shown in FIG. 8, a PN junction for detecting fluorescence is formed in a relatively deep portion of the substrate 10, and charge discharge by the photogate 43 is performed on the surface of the substrate 10. Means are provided. The fluorescence having a relatively long wavelength reaches the deep part of the substrate 10 and generates a photocharge in the vicinity of the long wavelength detection region P2, but the excitation light having a relatively short wavelength is a short wavelength located in a shallow part immediately below the photogate 43. Photocharge is generated in the vicinity of the detection region P1. By discharging the charges accumulated in the short wavelength detection region P1 from the electrode 44, it is possible to detect only the photocharge derived from the fluorescence in the photodiode 14 and to detect it. Note that a PN junction may be used instead of the photogate structure.

この構造では、基板表面に設けたフォトゲート(又はPN接合)に印加するバイアス電圧を制御することでそのフォトゲート(又はPN接合)の直下の空乏層の深さを変化させることができる。したがって、どの程度の深さまでの範囲で発生した電荷を排出するか、という動作条件を調整することが可能であり、励起光と蛍光との波長の差などを考慮して適宜に動作条件を定めればよい。なお、フォトゲート構造を用いた場合には、第2実施例で説明したようにフォトゲートの多結晶シリコン層による短波長の励起光を吸収するフィルタ効果も期待できる。   In this structure, the depth of the depletion layer immediately below the photogate (or PN junction) can be changed by controlling the bias voltage applied to the photogate (or PN junction) provided on the substrate surface. Therefore, it is possible to adjust the operating conditions such as how far the generated charges are discharged, and the operating conditions are determined appropriately in consideration of the wavelength difference between excitation light and fluorescence. Just do it. When the photogate structure is used, as described in the second embodiment, a filter effect of absorbing short wavelength excitation light by the polycrystalline silicon layer of the photogate can be expected.

[第4実施例]
次に、第4実施例によるイメージセンサについて図9、図10により説明する。上述した蛍光測定の一手法として、所定波長の励起光を観察対象物に照射し、その励起光を照射した際に蛍光色素が励起して発せられる蛍光を異なる2波長で検出し、その発光強度を比較する、1波長励起2波長検出レシオメトリと呼ばれる手法がある。例えば、図9はカルシウムCa反応性を有する蛍光色素Indo-1による標識の際の発光スペクトルである。このように、Ca+が存在する場合と存在しない場合とでは蛍光スペクトルが相違するから、両スペクトルのピーク波長で同時に蛍光の光強度を検出し、その光強度比を求めることによりCa+の存在の有無を判断することができる。
[Fourth embodiment]
Next, an image sensor according to a fourth embodiment will be described with reference to FIGS. As one method of the above-described fluorescence measurement, an observation object is irradiated with excitation light having a predetermined wavelength, and fluorescence emitted by the fluorescent dye is detected at two different wavelengths when the excitation light is irradiated. There is a technique called one-wavelength excitation and two-wavelength detection ratiometry. For example, FIG. 9 shows an emission spectrum at the time of labeling with a fluorescent dye Indo-1 having calcium Ca reactivity. Thus, since the fluorescence spectrum is different between the case where Ca + is present and the case where Ca + is not present, the presence of Ca + is obtained by detecting the light intensity of the fluorescence simultaneously at the peak wavelengths of both spectra and determining the light intensity ratio. It can be determined whether or not.

この第4実施例のイメージセンサはこうした2波長蛍光を検出するためのものであり、基本的には上記第3実施例と同様に、入射光の基板深さ方向の侵入度合の波長依存性を利用する。すなわち、CMOSの製造プロセスでは、基板内の同一位置に基板の深さ方向にPN接合を複数配列した構造を形成することができる。例えば、N-Well構造内にP-diffがある場合、N-WellとP型基板との間、P-diffとN-Wellとの間、の2つのPN接合が存在する。入射光の波長によってシリコンの吸収係数は異なるため、この複数のPN接合における信号強度は波長に依存する。そこで、この第4実施例によるイメージングセンサでは、図10に示すように、フォトダイオード14において、深い部分のPN接合を長波長検出領域Q1、浅い部分のPN接合を短波長検出領域Q2とし、それぞれ独立に信号読み出し回路51、52を設ける。これにより、本イメージセンサを用いて図5に示したような測定方法で以て生体組織からの蛍光を検出したとき、異なる2波長の蛍光を同時に得ることができる。   The image sensor of the fourth embodiment is for detecting such two-wavelength fluorescence. Basically, as in the third embodiment, the wavelength dependency of the degree of penetration of incident light in the substrate depth direction is shown. Use. That is, in the CMOS manufacturing process, a structure in which a plurality of PN junctions are arranged in the depth direction of the substrate at the same position in the substrate can be formed. For example, when the P-diff is present in the N-Well structure, there are two PN junctions between the N-Well and the P-type substrate and between the P-diff and the N-Well. Since the absorption coefficient of silicon differs depending on the wavelength of incident light, the signal intensity at the plurality of PN junctions depends on the wavelength. Therefore, in the imaging sensor according to the fourth embodiment, as shown in FIG. 10, in the photodiode 14, the deep PN junction is the long wavelength detection region Q1, and the shallow PN junction is the short wavelength detection region Q2, respectively. The signal readout circuits 51 and 52 are provided independently. Thereby, when the fluorescence from a biological tissue is detected by the measurement method as shown in FIG. 5 using this image sensor, two different wavelengths of fluorescence can be obtained simultaneously.

このときに得られる蛍光は時間的なずれがないのみならず、空間的なずれもない。したがって、第4実施例によるイメージセンサを用いて生体組織測定を行えば、2波長蛍光の強度比を算出する際にきわめて高い精度を得ることができる。   The fluorescence obtained at this time has not only a temporal shift but also a spatial shift. Therefore, if biological tissue measurement is performed using the image sensor according to the fourth embodiment, extremely high accuracy can be obtained when calculating the intensity ratio of two-wavelength fluorescence.

[第5実施例]
次に、第5実施例によるイメージセンサについて図11、図12により説明する。蛍光測定の他の手法として、互いに異なる2つの波長の励起光を時分割で交互に観察対象物に照射し、それぞれの励起光を照射した際の発光状態を計測し、同一箇所における発光強度を比較する、2波長励起1波長検出レシオメトリと呼ばれる手法がある。例えばpH感受性のGFPを生体組織内に導入し、2波長励起(410nm、488nm)による2つの蛍光の強度比を調べることで組織内のpHを推定することができる。
[Fifth embodiment]
Next, an image sensor according to a fifth embodiment will be described with reference to FIGS. As another method of fluorescence measurement, two different wavelengths of excitation light are alternately irradiated in time division on the observation object, the emission state when each excitation light is irradiated is measured, and the emission intensity at the same location is measured. There is a technique called a two-wavelength excitation / one-wavelength detection ratiometry to be compared. For example, pH-sensitive GFP can be estimated by introducing pH-sensitive GFP into a living tissue and examining the intensity ratio of two fluorescences by two-wavelength excitation (410 nm, 488 nm).

この第5実施例のイメージセンサはこうした2波長の時分割励起において2つの蛍光を同時に検出するためのものである。図11に示すように、1個の画素セル60は、1個のフォトゲート(PG)61と、フォトゲート61で発生した光電荷を蓄積するための2個の電荷蓄積部である第1、第2浮遊拡散層(FD)62、63と、フォトゲート61に蓄積された信号電荷を所定のタイミングで第1及び第2浮遊拡散層62、63へと転送するための電荷転送部としての第1、第2転送ゲート(TG)64、65と、第1及び第2浮遊拡散層62、63に加算蓄積した信号電荷を増幅して電圧として出力するための出力部66、67とを備える。   The image sensor of the fifth embodiment is for detecting two fluorescences simultaneously in such time division excitation of two wavelengths. As shown in FIG. 11, one pixel cell 60 includes a first photogate (PG) 61 and first and second charge accumulating units for accumulating photoelectric charges generated in the photogate 61. The second floating diffusion layers (FD) 62 and 63 and the first charge transfer unit for transferring the signal charges accumulated in the photogate 61 to the first and second floating diffusion layers 62 and 63 at a predetermined timing. 1 and second transfer gates (TG) 64 and 65, and output units 66 and 67 for amplifying signal charges accumulated in the first and second floating diffusion layers 62 and 63 and outputting them as voltages.

2波長励起1波長検出を行う際には、例えば図5に示すように本イメージセンサの上に載せた生体組織に対して、所定の2つの波長λ1、λ2を有する励起光を所定周波数で以て時分割で照射する。これに応じて生体組織からは2波長励起に対応した2つの蛍光が放出され、各画素セル60のフォトゲート61に入射する。上記構成の画素セル60では、励起光の切替え周期と同期して回路を動作させる。すなわち、第1波長λ1の励起光の照射期間では、フォトゲート61に第1波長λ1の励起光に応じた蛍光が入射し、この受光強度に応じた信号電荷がフォトゲート61の直下に発生する(図12(a))。この期間が終了する直前に第1転送ゲート64を開き、第1浮遊拡散層62に信号電荷を転送して蓄積する(図12(b))。一方、第2波長λ2の励起光の照射期間では、フォトゲート61に第2波長λ2の励起光に応じた蛍光が入射し、この受光強度に応じた信号電荷がフォトゲート61の直下に発生する(図12(a))。そして、この期間が終了する直前に第2転送ゲート65を開き、第2浮遊拡散層63に信号電荷を転送して蓄積する(図12(c))。   When performing two-wavelength excitation and one-wavelength detection, for example, as shown in FIG. 5, excitation light having two predetermined wavelengths λ1 and λ2 is applied to a living tissue placed on the image sensor at a predetermined frequency. Irradiate in time division. In response to this, two fluorescent lights corresponding to the two-wavelength excitation are emitted from the living tissue and enter the photogate 61 of each pixel cell 60. In the pixel cell 60 configured as described above, the circuit is operated in synchronization with the excitation light switching cycle. That is, during the irradiation period of the excitation light having the first wavelength λ 1, fluorescence corresponding to the excitation light having the first wavelength λ 1 is incident on the photogate 61, and signal charges corresponding to the received light intensity are generated immediately below the photogate 61. (FIG. 12A). Immediately before this period ends, the first transfer gate 64 is opened, and signal charges are transferred and accumulated in the first floating diffusion layer 62 (FIG. 12B). On the other hand, in the irradiation period of the excitation light having the second wavelength λ2, fluorescence corresponding to the excitation light having the second wavelength λ2 is incident on the photogate 61, and signal charges corresponding to the received light intensity are generated immediately below the photogate 61. (FIG. 12A). Then, immediately before the end of this period, the second transfer gate 65 is opened, and the signal charge is transferred and accumulated in the second floating diffusion layer 63 (FIG. 12C).

1フレームの期間中に上記動作を励起光の切替え周期と同期して多数回繰り返すことにより、第1浮遊拡散層62には第1波長λ1の励起光に由来する蛍光に対応した信号電荷が、第2浮遊拡散層63には第2波長λ2の励起光に由来する蛍光に対応した信号電荷が加算蓄積されてゆく。そして、1フレーム期間が終了した後に、第1及び第2出力部66、67を通してそれぞれの加算蓄積電荷を電圧として取り出す(図12(d))。これによって、2つの蛍光画像を構成する信号を同時に得ることができる。   By repeating the above operation many times during the period of one frame in synchronization with the switching period of the excitation light, the signal charge corresponding to the fluorescence derived from the excitation light having the first wavelength λ 1 is stored in the first floating diffusion layer 62. In the second floating diffusion layer 63, signal charges corresponding to fluorescence derived from the excitation light having the second wavelength λ2 are added and accumulated. Then, after the end of one frame period, the respective accumulated accumulated charges are taken out as voltages through the first and second output sections 66 and 67 (FIG. 12D). As a result, signals constituting two fluorescent images can be obtained simultaneously.

なお、上記画素セル60を一般的なCMOSプロセスにより形成した場合、図11中に描いたように、フォトゲート61と第1、第2転送ゲート64、65との間に寄生的なn+拡散層68が形成される。この寄生拡散層68はフォトゲート61と転送ゲート64、65との間にいわば電位ポケットを形成するため、フォトゲート61から転送ゲート64、65を介して浮遊拡散層62、63に信号電荷を転送する場合に一部の信号電荷を捕捉してしまう。そこで、こうした影響を軽減するために、寄生拡散層68をドレイン(又はソース)とし、リセット電源ラインVrsにソース(又はドレイン)を接続したMOSトランジスタ69を設けている。 When the pixel cell 60 is formed by a general CMOS process, parasitic n + diffusion between the photogate 61 and the first and second transfer gates 64 and 65 as illustrated in FIG. Layer 68 is formed. Since the parasitic diffusion layer 68 forms a potential pocket between the photogate 61 and the transfer gates 64 and 65, signal charges are transferred from the photogate 61 to the floating diffusion layers 62 and 63 via the transfer gates 64 and 65. In this case, some signal charges are captured. Therefore, in order to reduce such influence, a MOS transistor 69 is provided in which the parasitic diffusion layer 68 is a drain (or source) and the source (or drain) is connected to the reset power supply line Vrs.

そして、フォトゲート61の直下に形成された空乏層に信号電荷を蓄積し、図12(a)に示すようにフォトゲート61直下の電位が上昇する際にMOSトランジスタ69を導通させることにより、寄生拡散層68の電位をほぼVrsに近い値にセットする。つまり、信号電荷の転送に先立って寄生拡散層68の電位を上げておくことにより、その部分に形成される電位ポケットの底を浅くする。これによって、転送ゲート64又は65を開けた際に信号電荷は電位ポケットに捕捉されないか又は捕捉されたとしても少量で済み、寄生拡散層68の影響を軽減することができる。   Then, signal charges are accumulated in the depletion layer formed immediately below the photogate 61, and the MOS transistor 69 is turned on when the potential immediately below the photogate 61 rises as shown in FIG. The potential of the diffusion layer 68 is set to a value close to Vrs. That is, by raising the potential of the parasitic diffusion layer 68 prior to the transfer of the signal charge, the bottom of the potential pocket formed in that portion is made shallower. As a result, when the transfer gate 64 or 65 is opened, the signal charge is not trapped in the potential pocket or even if it is trapped, the influence of the parasitic diffusion layer 68 can be reduced.

このようにして、第4実施例によるイメージセンサを用いて生体組織測定を行えば、2波長励起に対する2つの蛍光に応じた信号を同時に得ることができ、強度比を算出する際の処理も簡単になる。   In this way, if biological tissue measurement is performed using the image sensor according to the fourth embodiment, signals corresponding to two fluorescences for two-wavelength excitation can be obtained simultaneously, and the process for calculating the intensity ratio is also simple. become.

なお、上記各実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正を行っても、本願の請求の範囲に包含されることは明らかである。   It should be noted that each of the above embodiments is an example, and it is obvious that even if appropriate changes and modifications are made within the scope of the present invention, they are included in the scope of the claims of the present application.

本発明の一実施例(第1実施例)によるセンサユニットに利用される撮像素子の概略構造を示す平面図。1 is a plan view showing a schematic structure of an image sensor used in a sensor unit according to an embodiment (first embodiment) of the present invention. 第1実施例によるセンサユニットの概略縦断面。The schematic longitudinal cross-section of the sensor unit by 1st Example. 第1実施例における撮像素子の1画素セルの回路構成図。FIG. 3 is a circuit configuration diagram of one pixel cell of the image sensor in the first embodiment. 図3の回路による動作を説明するための波形図。FIG. 4 is a waveform diagram for explaining the operation of the circuit of FIG. 3. 第1実施例によるセンサユニットをインビトロ測定に適用したときの概略図。Schematic when the sensor unit according to the first embodiment is applied to in vitro measurement. 第2実施例によるイメージセンサの1個の画素セルの概略縦断面図。The schematic longitudinal cross-sectional view of one pixel cell of the image sensor by 2nd Example. 第2実施例の変形例によるイメージセンサの1個の画素セルの概略縦断面図。The schematic longitudinal cross-sectional view of one pixel cell of the image sensor by the modification of 2nd Example. 第3実施例によるイメージセンサの1個の画素セルの概略縦断面図。FIG. 10 is a schematic longitudinal sectional view of one pixel cell of an image sensor according to a third embodiment. 蛍光色素Indo-1による標識の際の発光スペクトルを示す図。The figure which shows the emission spectrum in the case of labeling with fluorescent dye Indo-1. 第4実施例によるイメージセンサの受光部の概略構成図。The schematic block diagram of the light-receiving part of the image sensor by 4th Example. 第5実施例によるイメージセンサの1個の画素セルの概略構成図。FIG. 10 is a schematic configuration diagram of one pixel cell of an image sensor according to a fifth embodiment. 第5実施例における画素回路の動作説明図。Explanatory drawing of operation | movement of the pixel circuit in 5th Example.

符号の説明Explanation of symbols

1…撮像素子
10…半導体基板
11…光電変換領域
12…画素ユニット
13…画素セル
14、31…フォトダイオード
15…電極形成用パッド
16…突起電極
17…列選択制御回路
18…行選択制御回路
20…センサ基板
22…保護層
23…ワイヤ
32…ゲートスイッチ部
33…増幅部
35…コンパレータ
36…フリップフロップ回路
37…ANDゲート
38…インバータ
41…光学フィルタ層
42…多結晶シリコン層
43…フォトゲート
44…電極
51、52…信号読み出し回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Imaging device 10 ... Semiconductor substrate 11 ... Photoelectric conversion area | region 12 ... Pixel unit 13 ... Pixel cell 14, 31 ... Photodiode 15 ... Electrode formation pad 16 ... Projection electrode 17 ... Column selection control circuit 18 ... Row selection control circuit 20 ... Sensor substrate 22 ... Protective layer 23 ... Wire 32 ... Gate switch part 33 ... Amplifying part 35 ... Comparator 36 ... Flip-flop circuit 37 ... AND gate 38 ... Inverter 41 ... Optical filter layer 42 ... Polycrystalline silicon layer 43 ... Photo gate 44 ... Electrodes 51, 52 ... Signal readout circuit

Claims (10)

観察対象物である生体組織の光現象による2次元画像を取得するための生体組織測定用イメージセンサであって、
a)多数の微小受光素子が2次元状に配置されて成る光電変換部と、
b)該光電変換部を被覆する、生体組織を害しない材料から成る保護膜層と、
c)前記光電変換部の領域内にあって、その上端が前記保護膜層から露出又は突出して設けられた、前記観察対象物に電気的刺激を与えるため及び/又は該観察対象物の局所的な電位を検出するための電極部と、
を備え、観察対象物を保護膜層に接触させた状態で該観察対象物を撮像することを特徴とする生体組織測定用イメージセンサ。
An image sensor for measuring a living tissue for acquiring a two-dimensional image due to a light phenomenon of a living tissue that is an observation object,
a) a photoelectric conversion unit in which a large number of minute light receiving elements are arranged two-dimensionally;
b) a protective film layer made of a material that does not harm living tissue, covering the photoelectric conversion part;
c) In the region of the photoelectric conversion unit, the upper end of the photoelectric conversion unit is exposed or protruded from the protective film layer, and is used to apply electrical stimulation to the observation object and / or to localize the observation object. An electrode part for detecting a potential,
An image sensor for measuring a biological tissue, wherein the observation object is imaged in a state where the observation object is in contact with the protective film layer.
請求項1に記載の生体組織測定用イメージセンサにおいて、前記電極部は前記光電変換部の領域内に所定間隔で2次元状に複数配置されていることを特徴とする生体組織測定用イメージセンサ。   2. The biological tissue measurement image sensor according to claim 1, wherein a plurality of the electrode portions are two-dimensionally arranged at predetermined intervals in the region of the photoelectric conversion portion. 観察対象物である生体組織の光現象による2次元画像を取得するための生体組織測定用イメージセンサであって、
a)多数の微小受光素子が2次元状に配置されて成る光電変換部と、
b)該光電変換部を被覆する、生体組織を害しない材料から成る保護膜層と、
c)前記各微小受光素子で受光した光強度信号をパルス幅変調又はパルス周波数変調することでパルス幅又はパルス頻度に情報を有するパルス信号列に変換する信号変換手段と、
を備え、観察対象物を前記保護膜層に接触させた状態で該観察対象物を撮像することを特徴とする生体組織測定用イメージセンサ。
An image sensor for measuring a living tissue for acquiring a two-dimensional image due to a light phenomenon of a living tissue that is an observation object,
a) a photoelectric conversion unit in which a large number of minute light receiving elements are arranged two-dimensionally;
b) a protective film layer made of a material that does not harm living tissue, covering the photoelectric conversion part;
c) a signal conversion means for converting the light intensity signal received by each of the micro light receiving elements into a pulse signal sequence having information on the pulse width or pulse frequency by pulse width modulation or pulse frequency modulation;
An image sensor for measuring a living tissue, wherein the observation object is imaged in a state where the observation object is in contact with the protective film layer.
観察対象物である生体組織の光現象による2次元画像を取得するための生体組織測定用イメージセンサであって、
a)多数の微小受光素子が2次元状に配置されて成り、各微小受光素子は、基板内部の浅い部分に形成された主として相対的に短い波長の光を検出する短波長検出領域と、該短波長検出領域よりも基板内部の深い部分に形成された主として相対的に長い波長の光を検出する長波長検出領域とを有する光電変換部と、
b)該光電変換部を被覆する、生体組織を害しない材料から成る保護膜層と、
c)前記短波長検出領域で光電変換により発生した電気信号と前記長波長検出領域で光電変換により発生した電気信号とをそれぞれ独立に取り出すための信号取り出し手段と、
を備え、観察対象物を前記保護膜層に接触させた状態で、該観察対象物から互いに異なる2つの波長で以て放出された光に対する電気信号を前記短波長検出領域及び長波長検出領域で同時に取得することを特徴とする生体組織測定用イメージセンサ。
An image sensor for measuring a living tissue for acquiring a two-dimensional image due to a light phenomenon of a living tissue that is an observation object,
a) A large number of micro light receiving elements are two-dimensionally arranged, and each micro light receiving element is formed in a shallow portion inside the substrate and mainly includes a short wavelength detection region for detecting light having a relatively short wavelength, A photoelectric conversion unit having a long wavelength detection region that mainly detects light having a relatively long wavelength formed in a deeper portion inside the substrate than the short wavelength detection region;
b) a protective film layer made of a material that does not harm living tissue, covering the photoelectric conversion part;
c) a signal extraction means for independently extracting an electric signal generated by photoelectric conversion in the short wavelength detection region and an electric signal generated by photoelectric conversion in the long wavelength detection region;
In the state where the observation object is in contact with the protective film layer, an electrical signal for light emitted from the observation object at two different wavelengths is transmitted in the short wavelength detection region and the long wavelength detection region. An image sensor for measuring a living tissue, which is obtained simultaneously.
観察対象物である生体組織の光現象による2次元画像を取得するための生体組織測定用イメージセンサであって、
a)1個の微小受光素子と、第1、第2なる2個の電荷蓄積部と、前記1個の微小受光素子から第1及び第2電荷蓄積部へ電荷を選択的に転送するための電荷転送部と、前記第1及び第2電荷蓄積部の蓄積電荷に応じた電圧を出力する第1、第2なる2個の出力部と、を含んで1個の画素セルが構成され、該画素セルが2次元状に配置されて成る光電変換部と、
b)該光電変換部を被覆する、生体組織を害しない材料から成る保護膜層と、
を備え、観察対象物を前記保護膜層に接触させた状態で、該観察対象物に対して互いに波長の異なる2種の励起光を時分割で照射し、該励起光に応じて該観察対象物から放出された光によって各微小受光素子でそれぞれ発生した電荷信号を2種の励起光の時分割の切替えタイミングに同期して電荷転送部により振り分けて第1及び第2電荷蓄積部に蓄積し、その後にそれぞれ第1及び第2出力部から出力することを特徴とする生体組織測定用イメージセンサ。
An image sensor for measuring a living tissue for acquiring a two-dimensional image due to a light phenomenon of a living tissue that is an observation object,
a) One minute light receiving element, two first and second charge accumulating units, and for selectively transferring charges from the one minute light receiving element to the first and second charge accumulating units. One pixel cell is configured to include a charge transfer unit and two first and second output units that output voltages according to the accumulated charges of the first and second charge accumulation units, A photoelectric conversion unit in which pixel cells are two-dimensionally arranged;
b) a protective film layer made of a material that does not harm living tissue, covering the photoelectric conversion part;
And irradiating the observation object with two types of excitation light having different wavelengths from each other in a time-sharing manner in a state where the observation object is in contact with the protective film layer, and depending on the excitation light, the observation object The charge signals generated in each micro light receiving element by the light emitted from the object are distributed by the charge transfer unit in synchronization with the time division switching timing of the two types of excitation light, and are stored in the first and second charge storage units. Then, an image sensor for measuring a living tissue, which is output from the first and second output units, respectively.
観察対象物である生体組織の光現象による2次元画像を取得するための生体組織測定用イメージセンサであって、
a)多数の微小受光素子が2次元状に配置されて成る光電変換部と、
b)該光電変換部を被覆する、生体組織を害しない材料から成る保護膜層と、
c)前記保護膜層に接触して配置された観察対象物に対し照射される励起光の波長帯域の通過を阻止する一方、該励起光に応じて観察対象物から放出される蛍光光の波長帯域を通過させる光学フィルタ層と、
を備えることを特徴とする生体組織測定用イメージセンサ。
An image sensor for measuring a living tissue for acquiring a two-dimensional image due to a light phenomenon of a living tissue that is an observation object,
a) a photoelectric conversion unit in which a large number of minute light receiving elements are arranged two-dimensionally;
b) a protective film layer made of a material that does not harm living tissue, covering the photoelectric conversion part;
c) While blocking the passage of the wavelength band of the excitation light irradiated to the observation object arranged in contact with the protective film layer, the wavelength of the fluorescent light emitted from the observation object in response to the excitation light An optical filter layer that passes the band;
An image sensor for measuring a living tissue, comprising:
請求項6に記載の生体組織測定用イメージセンサにおいて、当該センサに含まれる撮像素子はCMOS構造を有し、該CMOS構造を形成するための多結晶シリコン層を前記光学フィルタ層としたことを特徴とする生体組織測定用イメージセンサ。   7. The image sensor for biological tissue measurement according to claim 6, wherein the image sensor included in the sensor has a CMOS structure, and a polycrystalline silicon layer for forming the CMOS structure is used as the optical filter layer. An image sensor for measuring biological tissue. 観察対象物である生体組織の光現象による2次元画像を取得するための生体組織測定用イメージセンサであって、
a)多数の微小受光素子が2次元状に配置されて成る光電変換部と、
b)該光電変換部を被覆する、生体組織を害しない材料から成る保護膜層と、
c)前記保護膜層に接触して配置された観察対象物に対し照射される相対的に短波長の励起光によって前記微小受光素子の基板表面付近で発生した電荷を不要な電荷として排出するための電荷排出手段と、
d)前記励起光に応じて観察対象物から放出された蛍光によって前記微小受光素子の基板深部で発生した電荷を有効な電荷として取り出すための信号取り出し手段と、
を備えることを特徴とする生体組織測定用イメージセンサ。
An image sensor for measuring a living tissue for acquiring a two-dimensional image due to a light phenomenon of a living tissue that is an observation object,
a) a photoelectric conversion unit in which a large number of minute light receiving elements are arranged two-dimensionally;
b) a protective film layer made of a material that does not harm living tissue, covering the photoelectric conversion part;
c) To discharge charges generated near the substrate surface of the micro light-receiving element as unnecessary charges by the relatively short-wavelength excitation light applied to the observation object placed in contact with the protective film layer. Charge discharging means,
d) a signal extracting means for extracting the charges generated in the deep part of the substrate of the micro light receiving element by the fluorescence emitted from the observation object in response to the excitation light as effective charges;
An image sensor for measuring a living tissue, comprising:
生体から単離した又は生体外で培養した生体組織を、請求項1〜8に記載の生体組織測定用イメージセンサの前記保護膜層上に直接載せた状態で該生体組織の光現象による2次元画像を取得することを特徴とする生体組織測定方法。   A biological tissue isolated from a living body or cultured outside a living body in a two-dimensional state due to a light phenomenon of the living tissue in a state where the living tissue is directly placed on the protective film layer of the image sensor for biological tissue measurement according to claim 1. A biological tissue measurement method characterized by acquiring an image. 請求項1〜8に記載の生体組織測定用イメージセンサを生体内部に埋植し、該生体内部で前記保護膜層を該生体組織に直接接触させた状態で該生体組織の光現象による2次元画像を取得することを特徴とする生体組織測定方法。   The image sensor for measuring biological tissue according to claim 1 is embedded in a living body, and the two-dimensional due to a light phenomenon of the living tissue while the protective film layer is in direct contact with the living tissue inside the living body. A biological tissue measurement method characterized by acquiring an image.
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