JP2006215054A - 光ビーム同期式イメージセンサ及びこれを用いる共焦点顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＭＯＳイメージセンサを用いて、高感度かつ低雑音で読み出すとともに、ビーム光のピーク位置に対応する画素の信号を外部に読み出す時間を有効に活用して、ビーム光が１つの画素に照射される時間をできるだけ長くして感度を向上するための装置を提供する。
【解決手段】ビーム光に同期してＣＭＯＳイメージセンサの画素から信号を読み出すとともに、画素のリセット信号レベルと画像信号レベルとの差分を得る回路を設けてリセットノイズの軽減を図る。また、ビーム光のあたっていない状態での画像信号を捨て去るために、画像信号を読み出す直前にリセット信号を各画素に印加する。さらにビーム光をマルチビーム化することにより感度の向上を図る。
【選択図】 図１

Description

この発明は、共焦点顕微鏡や光切断法による３次元イメージ装置に用いられるイメージセンサに関する。

共焦点顕微鏡とは、レーザビームにより試料を走査し、受光側においてレーザビームの照射された部分の反射光(透過光)のみを選択して再画像化することにより、従来の結像型顕微鏡よりも面内分解能や焦点深度の向上が図れるものである。
共焦点顕微鏡には、走査系を備えたレーザビームにニポー円盤を組み合わせたものが実用化されている。また、最近レーザの走査系として、DMD(Digital Mirror Device)を用いたものが開発されてきている。撮像側にニポー円盤を用いる代わりに、アドレシング機能を備えたイメージセンサを用いて実現する方法を、本発明者らが既に特許出願している(特許文献１参照)。また、ニコンから、類似のアイデアが出願されている(特許文献２参照)。
特願２００３−１８６７６８号 特開２００４−２１９５３７号公報

ビーム光に同期して撮像することができるイメージセンサは、共焦点顕微鏡や光切断法による３次元イメージセンサ等に有用である。
特に、共焦点顕微鏡に応用する場合、光源を１次元または、２次元のマルチビームとし、それを試料面に照射して、反射または透過した光を、ビームの当たっている位置のピークの情報だけを取り出して、映像信号とすることで、ニポー円盤のような機械的な機構を用いることなく共焦点顕微鏡が実現できるとともに、従来は極めて困難とされている透過型の共焦点顕微鏡が実現できる。
これまでは、１次元または２次元のマルチビーム光に対して常にピーク位置の情報だけを取り出すようにしたもの、即ち、光ビームの動きに同期してイメージセンサを同期させたものはなかった。
この発明では、１次元または２次元のマルチビーム光を、試料に照射し、試料からの反射または透過光のビームのピーク位置の信号だけを選択して読み出し、これをＣＭＯＳイメージセンサを用いて、高感度かつ低雑音で読み出す装置、及び、ビーム光のピーク位置に対応する画素の信号を外部に読み出す時間を、有効に活用して、ビーム光が１つの画素に照射される時間をできるだけ長くして感度を向上するための装置を提供するものである。

この発明は、ビーム光に同期してＣＭＯＳイメージセンサの画素から信号を読み出すとともに、画素のリセット信号レベルと画像信号レベルとの差分を得る回路を設けてリセットノイズの軽減を図る。また、ビーム光のあたっていない状態での画像信号を捨て去るために、画像信号を読み出す直前にリセット信号を各画素に印加する。さらにビーム光をマルチビーム化することにより感度の向上を図る。

まず、１次元アレイのビーム光を検出するＣＭＯＳイメージセンサについて説明する。図１にそのブロック図を示す。１次元アレイのビーム光は、図１に示すように、上方に走査され、最上部に達したのちは、右の列の最下部に移動し、上方に走査することを繰り返す。
図１の場合は、９行、９列の場合で、ビームを３つ用いる場合を示しており、それぞれのビーム光は３列ずつ画素を走査する。各ビーム光が３列目の最上部に達したら、最初の列の最下部に戻る。これですべての画素上を走査したことになり、１枚の共焦点像が得られる。共焦点像を得るためには、あるビームのピーク輝度部がある画素に照射されているとき、その画素の信号だけを外部によみだし、それ以外の信号は捨て去ることが必要である。図１は、これを低雑音でかつ高感度に読み出すように構成されている。

その動作を以下に説明する。図１に、光を電気信号に変換する画素部(１)が示されている。その１画素部を構成する画素回路の例を図２に示す。画素回路は、フォトダイオード(３)の電圧をリセットするｎチャネルＭＯＳトランジスタ(４)と、信号の読み出しのためのアンプ(５)と選択スイッチ(６)を構成するｐチャネルＭＯＳトランジスタからなる。縦方向の共通の信号線には、電流源(７)となるｐチャネルＭＯＳトランジスタが接続されている。電流源(７)のＭＯＳトランジスタのゲートには、適当なバイアス電圧Ｖbを与える。信号線のインバースＳ(ＩＮＶ＿Ｓ)に０Ｖを与えると、選択スイッチ(６)が導通し、アンプ(５)を構成するＭＯＳトランジスタと、電流源(７)とによりソースフォロワ回路が構成され、フォトダイオードの電圧が、出力(Output)に読み出される。なお、アンプ(５)と選択スイッチ(６)、電流源(７)には、ｎチャネルＭＯＳトランジスタを用いた回路も考えられる。出力は、図１のノイズキャンセル・水平読み出し回路(２)に接続される。その内部の単位回路(８)と、最終出力段(１３)の例を図３に示す。ノイズキャンセル回路は、ビームの数だけ、単位回路(８)を持っている。

また、タイミング制御信号発生回路から供給される制御信号による、信号の蓄積と読み出しのタイミング図を図４に示す。要点は、信号の読み出し時間を有効に利用して、画素での信号の蓄積を行うことと、ビーム光を、読み出そうとしている画素に照射する前のリセットレベルを先に記憶しておいて、その後、ビーム光を照射し、信号レベルを読み出して差分を求めることで、画素部のリセットノイズをキャンセルすることができることである。例えば、イメージセンサの一番下の行の信号を読み出す場合を考える。まずＲ1を与えてフォトダイオードの電圧を初期化した後の電圧を、φＲ1を与えて、第１の信号記憶手段であるサンプルホールド容量(９)に記憶する。次いで光を一定期間(Ｌ1の期間)照射し、その後の信号φＳを与えて、第２の信号記憶手段である別のサンプルホールド容量(１０)に記憶する。それらを順番に水平読み出しによってイメージセンサ外部に読み出す。なお、所望により増幅器(１２)が最終出力段(１３)の入力側に設けられる。

これは、水平シフトレジスタの出力と、偶数行か奇数行かを示す信号Ｏ/Ｅと、パルス信号φＨ1とが、図３の中に示した論理回路で演算され、その信号でスイッチを制御し、共通の水平信号線に、サンプルホールドされたキャパシタを接続することによって行う。この水平読み出しの期間を使って、次の行の画素での信号蓄積を行う。すなわち図４では、Ｌ2の期間である。これを行う前に、２行目の画素部をリセットし、そのリセットレベルをノイズキャンセル回路に読み出し、制御信号φＲ2を与えて、サンプルホールド容量(１１)にサンプルホールドする。ここで、リセットレベル記憶用のキャパシタであるサンプルホールド容量(９)は、読み出すための１つ前の信号を記憶しているので、同じものは使用できない。そこで、ノイズキャンセル回路には、リセット記憶用のキャパシタとしてサンプルホールド容量(１１)がもう１つ必要になる。２つのリセットレベル用キャパシタを第１の信号記憶手段であるサンプルホールド容量(９，１１)として、偶数行と奇数行で交互に役割分担を切り替えて使用する。なお、Ｌ1の期間の信号読み出しは、１つの前の期間に蓄積した信号の読み出しを意味している。

このような読み出し方法により、イメージセンサのリセットノイズがキャンセルされ、さらに、ビーム光が、各画素に照射される時間は、短時間であるため、暗電流も問題になりにくい。読み出し回路は、説明の簡単化のため、図３のような容量を用いたサンプルホールド回路の例を示したが、この部分に増幅型のノイズキャンセル回路を用いれば、読み出し回路のノイズも低減することができる。これらにより、非常に低雑音な読み出しが行える。
なお、Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3は、各ビームごとの画素部の列を選択する信号であり、これらと、画素部の制御信号Ｓ1〜Ｓ9と、Ｏ/Ｅの信号の対応関係を図５に示す。

次に、２次元ビームのピーク輝度の信号だけを選択的に読み出すイメージセンサの実施例を説明する。そのブロック図を図６に示す。２次元ビームは、画素アレイをビームの数に相当する領域ごとのブロックに分け、そのブロックの中をそれぞれ走査する。各ビーム光は、図６に示すように、ブロック内で、その左端の列の最下部から上方に走査し、最上部に達したのちは、右の列の最下部に移動し、上方に走査することを繰り返す。図６の場合は、ブロック内は３行、３列であり、それぞれのビーム光は垂直方法に３画素、水平方向には３列ずつ走査される。各ビーム光が３列目の最上部に達したら、最初の列の最下部に戻る。これですべての画素上を走査したことになり、１枚の共焦点像が得られる。

２次元ビームにすることにより、１次元ビームの場合に比べて、同じフレーム周期に対して各画素ごとの滞在時間が長くなり、信号の蓄積時間を長くできるので感度向上が期待できる。この利点を有効に活用するために、信号の読み出し期間を有効に利用する信号の蓄積を行うようにする。また、１次元ビームの場合と同様、画素部のリセットノイズを除去できるタイミングとすることが必要である。そのタイミング図を図７に示す。１次元ビームの場合、信号を水平読み出しするための期間を利用して信号蓄積を行っているが、２次元ビームでは、図７に示すように、縦方向のブロックの垂直方向の読み出し期間の一部と、それらを水平走査する期間の両方の期間を利用して信号の蓄積を行うことで、十分な蓄積時間を得られるようにし、感度向上を図っている。リセットノイズをキャンセルするための読み出し動作は、２次元ビームの場合は、やや複雑であるものの、基本的な動作は、１次元ビームの場合と同様であるので、説明は割愛する。
以上、マルチビームにおける実施例を示したが、シングルビームにおいても同様の技術が採用できるものであり、シングルビームにおける採用を排除するものではない。

なお、ここで述べた光ビームの走査方法、ノイズキャンセルの回路方式、画素回路は、あくまで一例であり、本発明の基本的要素、すなわち信号の読み出し期間の一部を使って画素部での信号蓄積を行い、ノイズの主要因であるリセットノイズを除去しながらビーム光による蓄積された信号を読みだすことを満たせば、種々の変形が可能であり、それらを除外するものではない。また、１次元、２次元ビームともに、説明の簡単化のため、９×９画素と、ビーム数が３及び３×３の場合で説明したが、任意の画素数のイメージセンサにと、任意のビーム数の場合に関して、ここで説明した動作が可能であることは自明である。

ここで述べたイメージセンサを共焦点顕微鏡の撮像素子として用いれば、試料からの反射または透過光のビームのピーク位置の信号だけを選択して読み出すことができる。また、ＣＭＯＳイメージセンサから高感度かつ低雑音で読み出すこと、および、ビーム光のピーク位置に対応する画素の信号を外部に読み出す時間を有効に活用して、ビーム光が１つの画素に照射される時間をできるだけ長くして感度を向上することができる。

１次元マルチビームを用いたビーム光検出用イメージセンサを示す図 画素回路の一例を示す図 ノイズキャンセル回路と、水平読み出し回路を示す図 １次元ビーム検出用イメージセンサの動作タイミングを示す図 １次元ビーム検出用イメージセンサの全体のタイミングを示す図 ２次元ビーム光を用いたビーム光検出用イメージセンサを示す図 ２次元ビームの信号蓄積と読み出しのタイミングを示す図

符号の説明

１ 画素部
２ ノイズキャンセル・水平読み出し回路
３ フォトダイオード
４ ＭＯＳトランジスタ
５ アンプ
６ 選択スイッチ
７ 電流源

Claims (6)

1. ビーム光による対象物の走査手段と、前記ビーム光による走査と同期して前記ビーム光によるピーク輝度位置の画素の蓄積信号のみを選択的に読み出す手段とを有する光ビーム同期式イメージセンサ。
2. 前記ビーム光は１次元のアレイ状に対象物を走査するものであり、かつ、画素のアレイから蓄積信号を水平走査により外部に読み出す期間を用いて、次のピーク輝度位置の信号を蓄積するものである請求項１記載の光ビーム同期式イメージセンサ。
3. 前記ビーム光は分割された複数の画素ブロックに同時に照射され、かつ２次元のアレイ状に対象物を走査するものであり、画素のアレイから各ブロックのビーム光のピーク輝度位置の直前の蓄積信号を垂直方向に走査し、さらに、全ブロックから信号を水平走査により外部に読み出す期間を用いて、次のピーク輝度位置の信号の蓄積を行うものである請求項１記載の光ビーム同期式イメージセンサ。
4. さらに画素のアレイの周辺にビーム光の数と同じ数の信号記憶手段をアレイ状に並べて設けるとともに、前記画素からの信号を読み出して記憶させ、記憶した信号を１回の水平走査により読み出す手段を設けてなる請求項１記載の光ビーム同期式イメージセンサ。
5. 前記信号記憶手段は第１及び第２の記憶手段からなり、ビーム光を照射する前のリセットレベルを、画素の周辺に設けた前記第１の信号記憶手段に読み出し、ビーム光を照射後のピーク輝度位置の信号を、周辺部に別に設けた前記第２の信号記憶手段に読み出して、さらに、それらの信号の差を最終出力で求める手段を設けることにより、画素部のリセットノイズと、固定パターンノイズを低減することを特徴とする請求項４記載の光ビーム同期式イメージセンサ。
6. 請求項１乃至請求項５記載の光ビーム同期式イメージセンサを用いてなる共焦点顕微鏡装置。

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