JP2011043375A - 電磁界高速撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁界高速撮像装置における撮像装置、画像処理装置の部分を安価、省電力、かつ小型で実現する。
【解決手段】電磁界高速撮像装置は、照明装置１１、プローブ装置１２、光学装置１３、撮像装置１４、処理装置１５等で構成され、近傍電磁界を生成するための特定周波数成分の光を高速撮像素子とデジタル信号処理で濾波していたものを、画素毎に濾波機能を有する撮像素子を用いる。さらに、撮像素子の複数の電荷蓄積部に振り分けられた電荷のうち、全ての電荷蓄積部に均等に蓄積されるＤＣ光成分を削除する回路を備えているため、撮像素子の入射光の飽和を防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、検体から放射される電界磁界の分布情報を高速に取得し、二次元画像として可視化する電磁界高速撮像装置に関する。

近年、電子機器の高度化、小型化、および高速化に伴い、プリント基板回路の細密化が進むと同時に、対象となる電気信号の高速化、広帯域化も著しい。たとえば、１ＧＨｚを超える非常に高い周波数で動作する集積回路や携帯機器などが開発されているが、このような高周波で駆動する回路技術の問題として、回路間の電磁干渉による設計の難しさが顕著になっている。このような高周波回路の駆動時に発生する電磁界の分布を把握することで、問題点を回避する再設計などを効率良く行うことができるので、様々な近傍電磁界測定装置が提案されている。

このような近傍電磁界測定装置として、測定用電磁界プローブを近傍電磁界中に置くことで、プローブに発生した検知電流をケーブルで取り出すものがある。しかし、検体に近づけたプローブとそれに接続するケーブルを流れる検知電流が、検体の近傍電磁界に影響を与えるために、高精度の計測を行うには適していない。

そこで、光ファイバの先端に磁気光学結晶を取り付けて磁気光学プローブとし、検体からの電磁界中に配置した磁気光学プローブ先端の磁気光学結晶へ光ファイバで光を伝搬させ、この近傍電磁界の影響を受ける磁気光学結晶に照射されて変調された反射光をスペクトラムアナライザで分析することにより、磁気光学プローブの先端位置における電磁界を測定する光ファイバ端磁気光学プローブシステムが提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。

特開２００８−０２０３０４ 特開２００８−０２０３０５

しかしながら、特許文献１、２開示の撮像装置は、高速かつ低ノイズのカメラが必要であり、さらに画像処理装置は大規模ＤＳＰなどを用いたデジタル信号処理が必要であり、装置全体が高価なものになってしまう。

そこで、本発明は、電磁界高速撮像装置における撮像装置、画像処理装置の部分を安価、省電力、かつ小型で実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、近傍電磁界を生成するための特定周波数成分の光を高速撮像素子とデジタル信号処理で濾波していたものを、画素毎に濾波機能を有する撮像素子を用いることで実現したものである。
さらに、本発明では、撮像素子の複数の電荷蓄積部に振り分けられた電荷のうち、全ての電荷蓄積部に均等に蓄積されるＤＣ光成分を削除する回路を備えているため、撮像素子の入射光の飽和を防ぐことができる。

すなわち、請求項１に記載の発明は、変調周波数ｆＬＯで振幅変調された変調光を出力可能な照明装置と、測定対象である検体から放射される検体周波数ｆＲＦの電界又は磁界により複屈折特性が局所的に変化することで、照明装置から照射された変調光に局所的な偏光状態を生ぜしめ、検体周波数ｆＲＦの近傍電磁界で変調光を更に変調して周波数混合し、変調光の変調周波数ｆＬＯと検体周波数ｆＲＦとの差周波数成分Δｆを含む検出光を発生する電気光学素子又は磁気光学素子を備えたプローブ装置と、プローブ装置から発生された検出光における局所的偏光状態を光の局所的強度に変換し、局所的強度変換された検出光を結像させる光学装置と、光学装置の検出光を結像させる位置に複数の画素からなる撮像面を有し、検出光を光電変換するイメージセンサを備えた撮像装置と、撮像装置のイメージセンサからの電気信号を解析し、検体から放射される近傍電磁界の分布の二次元像を含む情報を生成する処理装置と、を含む電磁界高速撮像装置であって、撮像装置のイメージセンサの画素毎に、光学装置からの検出光を電荷に変換する光電変換素子と、複数の電荷蓄積部と、光電変換素子で生じた電荷を複数の電荷蓄積部に振り分ける電荷振り分け部と、を備えたことを特徴とする。これにより、従来は高速撮像素子とデジタル信号処理で行っていた、任意の周波数の強度変調された光を濾波する機能を撮像素子内で実現することができる。

また、請求項２に記載の発明は、上記電磁界高速撮像装置において、電荷振り分け部は、プローブ装置によって生じた差周波数成分Δｆに同期して、光電変換素子で生じた電荷を複数の電荷蓄積部に振り分けることにより、プローブから発生する近傍電磁界分布情報を含んだ強度変調された光のうち、照明装置から照射される変調周波数ｆＬＯと、測定対象である検体から発せられる検体周波数ｆＲＦとの差周波数成分Δｆのみを抽出することによって、照射された光の変調周波数ｆＬＯを変化させることで、検体から発生する電磁界の任意の周波数成分の二次元分布を観測することができる。

請求項３に記載の発明は、上記電磁界高速撮像装置において、撮像装置はさらに、複数の電荷蓄積部とそれぞれ導通可能な複数の容量と、複数の電荷蓄積部と複数の容量との導通状態を制御する容量接続制御部と、を備えることにより、複数の電荷蓄積部に同等量蓄積される主にＤＣ光成分を削除することができる。

請求項４に記載の発明は、上記電磁界高速撮像装置において、処理装置は、撮像装置の情報をもとに、プローブ装置によって生じた差周波数成分Δｆに同期した電荷成分以外の電荷を除去するための制御信号を生成し、撮像装置の電荷蓄積部と複数の容量との導通状態を制御することにより、測定対象となる差周波数成分Δｆとそれ以外の成分を効率良く分離し、測定精度を高めることができる。

本発明は、上記記載の構造をしているので、従来用いられてきた、高速かつ低ノイズのカメラと大規模ＤＳＰなどを用いたデジタル信号処理が不要となり、同様の処理を撮像素子内部のみで行うことができる。
一般的に、撮像素子の価格は量産する数量による影響が最も大きく、従来の高速かつ低ノイズの撮像素子と、本発明に使用される撮像素子の機能による価格の差は少ない。ゆえに、大規模ＤＳＰなどを用いたデジタル信号処理部が不要になることによって、本発明はより安価に実現することができる。

同様に、デジタル信号処理部が不要になることで、省電力かつ小型化という効果が期待できる。ゆえに、本発明によって、従来の高速電磁界撮像装置を、安価、省電力、かつ小型で実現することができる。

本発明による実施形態の電磁界高速撮像装置の概略機能ブロック図である。 本発明による実施形態の電磁界高速撮像装置の一例を示す概略構成図である。 本発明による実施形態の電磁界高速撮像装置における撮像装置のイメージセンサの画素の固体撮像素子回路の一例を示す回路図である。 本発明による実施形態の電磁界高速撮像装置における撮像装置の駆動信号のタイミングチャートである。 本発明による実施形態の電磁界高速撮像装置における正接続期間におけるＦＥＴスイッチの接続状態を示す回路図である。 本発明による実施形態の電磁界高速撮像装置における反転接続期間におけるＦＥＴスイッチの接続状態を示す回路図である。 本発明による実施形態の電磁界高速撮像装置における固体撮像素子の動作結果の説明図であり、正接続期間と反転接続期間との繰り返しによる第１蓄積容量Ｆｄ１と第２蓄積容量Ｆｄ２との電圧の変化を示すタイミングチャートである。 本発明による実施形態の電磁界高速撮像装置における正接続期間と反転接続期間の切り替え回数と差周波数成分Δｆの周波数帯の差分信号の電荷量との関係を示したグラフである。 本発明による実施形態の電磁界高速撮像装置における撮像素子の駆動の様子を示したタイミングチャートである。 本発明による実施形態の電磁界高速撮像装置における固体撮像素子の動作結果の説明図であり、正接続期間と反転接続期間との繰り返しによる第１蓄積容量Ｆｄ１と第２蓄積容量Ｆｄ２との電圧の変化を示すタイミングチャートである。 正接続期間と反転接続期間の最適切り替え回数を決定するフローチャートである。

１０ 電磁界高速撮像装置
１１ 照明装置
１２ プローブ装置
１２ａ 波面整合光学系
１２ｂ 電気光学素子又は磁気光学素子
１２ｃ 検波光学系
１３ 光学装置
１３ａ 結像光学系
１４ 撮像装置
１４ａ イメージセンサ
１５ 処理装置
１５ａ 測定装置
２０ 固体撮像素子
１６ 画像表示装置
１７ 記録装置
６１ 分離蓄積部
６２ 第１容量接続制御部
６３ 第２容量接続制御部
８１，８２，８３，８４，８５，８６，８８，８９，９１，９２，９３，９４，９５，９６，９８，９９ 結線
α 検体
ＰＤ 光電変換素子
Ｔｘ１ 第１転送ゲート
Ｔｘ２ 第２転送ゲート
Ｍ１〜Ｍ１０ 第１〜第１０ＦＥＴスイッチ
Ｆｄ１ 第１電荷蓄積部
Ｆｄ２ 第２電荷蓄積部
Ｇ１ 第１ゲート
Ｇ２ 第２ゲート
Ｃ１、Ｃ２ 第１容量、第２容量
Ｖｄｄ 第１電源、第２電源

以下に、本発明による一実施形態の電磁界高速撮像装置について、図面を用いて説明する。

図１は、電磁界高速撮像装置１０の概略構成図である。

この電磁界高速撮像装置１０は、照明装置１１と、プローブ装置１２と、光学装置１３と、撮像装置１４と、処理装置１５と、画像表示装置１６と、記録装置１７と、から構成される。

照明装置１１は、例えば波長７８０ｎｍのレーザ光源１１ａとその出力光の光軸に設けられレーザ光を強度変調して変調光を生成する光強度変調器（MZM:Mach-Zhender Modulator）（図示せず）と構成される。このときの変調周波数をｆＬＯとする。

プローブ装置１２は測定対象である検体αから放射される電界又は磁界により複屈折特性が局所的に変化することで、照明装置１１から照射された変調光に局所的な偏光状態を生ぜしめ、更に偏光状態を強度変化に変換した検出光を出力する。プローブ装置１２は、照射された変調光が検体αの検体周波数ｆＲＦの近傍電磁界で変調された後に出力する。

光学装置１３は検出光を結像させるための結像光学系１３ａで構成され、該プローブ装置１２の出力光を複数の画素を有するイメージセンサ（後述する）の撮像面に結像させる。

撮像装置１４はイメージセンサ１４ａを備え、イメージセンサ１４ａが該光学装置１３で結像された光（プローブ装置１２で取得した電界又は磁界の局所的強度分布を有する検出光）を受光し、所定の周波数帯の変調光の強度信号を出力する。

処理装置１５は撮像装置１４のイメージセンサ１４ａから出力された強度信号をもとに、電磁界の二次元画像を出力する測定装置１５ａを含む。

画像表示装置１６は処理装置１５から出力される二次元画像を可視表示する。記録装置１７は処理装置１５で生成された二次元像を記憶保存する。

特に、プローブ装置１２は、照明装置１１からの変調光を受ける波面整合光学系１２ａと、波面整合光学系１２ａからの変調光を受ける電気光学素子（ＥＯ結晶）又は磁気光学素子（ＭＯ結晶）１２ｂと、電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂで再度変調した変調光を受ける検波光学系１２ｃと、それらを支持し光学条件などを調整する機構部（図示せず）と、から構成される。

電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂは検体αから放射される検体周波数ｆＲＦの電磁界の影響を受けるべく当該検体αの近傍（検体αからの波長程度の狭い空間をいい、エバネッセント電界、エバネッセント場、近接場とも称する範囲）に配置される。波面整合光学系１２ａは当該電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂに入射する変調光を電磁界検出のために最適な波面を生成する。

検波光学系１２ｃは、当該電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂからの出力光から電磁界の影響を受けた成分を抽出する。

プローブ装置１２の電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂは、検体αの発する電界もしくは磁界（近傍電磁界）によって複屈折特性が変化するため、結果として透過又は反射する光束に対して電磁界分布に応じた偏光分布を与える。また、電気光学素子および磁気光学素子の時間応答は極めて高速であり、検体αの発する近傍電磁界の検体周波数ｆＲＦに追随する高い周波数応答性を有し、偏光の分布は検体αの近傍電磁界の検体周波数ｆＲＦ（動作周波数）にも応答する。

電界又は磁界の局所的強度分布を有する検出光を受光する撮像装置１４のイメージセンサ１４ａは、光電変換部、電荷蓄積部、電荷振り分け部、出力部など（図示せず）で構成され、特定周波数の強度変調光を濾波し、特定周波数の正弦成分と余弦成分を出力する。

撮像装置１４で出力した特定周波数の正弦成分、余弦成分をもとに、処理装置１５の測定装置１５ａは、近傍電磁界の強度、位相を算出し、二次元画像データとして画像表示装置１６へ出力する。

なお、測定装置１５ａから画像情報を受ける画像表示装置１６は、画素毎に時々刻々と変化する近傍電磁界の位相情報や振幅情報を色相・濃度の変化として表示し、検体αより放射される近傍電磁界の変化を動画像として見ることができる。また、測定装置１５ａからの画像情報を随時記録する記録装置１７には、記録した画像あるいは動作の再生機能を持たせ、画像表示装置１６に表示させるようにしても良い。

図２は、電磁界高速撮像装置１０の概略構成図であり、波面整合光学系、検波光学系、結像光学系の詳細構造の一構成例を示す。

図２において、光軸上に配置された、ファイバ端２１ｄ、コリメータレンズ２２ａ、１／４波長板２２ｂ、１／２波長板２２ｃ、偏光ビームスプリッタ２２ｄ、１／４波長板２２ｅ、１／２波長板２２ｆ、誘電体ミラー２２ｇは波面整合光学系として作用する。

板状の電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂはプローブとして作用する。電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂは、マイクロ波〜ミリ波（数百ＭＨｚ〜数十ＧＨｚ）の電磁界を放射する電子回路基板や平面アンテナなどの検体αに平行に対向させて配置する。

偏光ビームスプリッタ２２ｄ、１／４波長板２２ｅ、１／２波長板２２ｆは検波光学系として作用する。

結像レンズ２２ｈは、検波光学系の偏光ビームスプリッタ２２ｄからの変調された光をイメージセンサ１４ａ上に結層する結像光学系として作用する。

本構成例では、偏光ビームスプリッタ２２ｄ、１／４波長板２２ｅ、１／２波長板２２ｆは、図面において光が右に進む場合は波面整合光学系、左に進む場合は検波光学系の構成要素として複数の作用を行っている。

図２における光学系の波面整合光学系によって偏波面を順次整合してゆき、検波光学系によって波面中の偏向状態が光りの強度に変換される。偏光ビームスプリッタ２２ｄを光軸上で電界に対して相対的に回転させることによってその出力の変化させることができる。

図２において、レーザ光源２１ａから発したレーザ光は、光ファイバにて、高周波発振器２１ｃからの変調周波数ｆＬＯにて制御された光変調器２１ｂへ導入され、振幅変調された変調光がファイバ端２１ｄより拡散放射され、コリメータレンズ２２ａにより平行光束となる。更に、当該変調レーザ光は１／４波長板２２ｂおよび１／２波長板２２ｃよりなる波面整合光学系を経て円偏光となり、偏光ビームスプリッタ２２ｄを直進し、１／４波長板２２ｅおよび１／２波長板２２ｆを経た後、誘電体ミラー２２ｇにて光軸が曲げられ、電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂを保持機構部により所定位置に配置した電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂの光照射面へ垂直に入射する。すなわち、本構成例においては、１／４波長板２２ｂ，１／２波長板２２ｃ，偏光ビームスプリッタ２２ｄ，１／４波長板２２ｅ，１／２波長板２２ｆが波面整合光学系として機能する。

一方、誘電体ミラー２２ｇで電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂの光照射面に照射された変調光は、動作周波数ｆＲＦで動作する検体αが発する電界により局所的な偏光状態の変調を受け、差周波数成分Δｆを含む検出光として反射し、照射時の光路を遡行する。但し、検出光は変調光と異なり、検光子たる偏光ビームスプリッタ２２ｄで偏光状態の変調が強度変調に変換されて図面上方へ反射誘導され、結像レンズ２２ｈによりイメージセンサ１４ａの撮像面に結像する。

当初は変調周波数ｆＬＯであったが、電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂから反射された変調光は、その波長や位相に変化を生じている。この変化は測定対象物の検体αが発する電界の強度や周波数に依存しており、さらに電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂと検体αは平面状で平行であるため、電界の平面分布情報も含んでいる。このときの測定対象物の検体αの電界の検体周波数をｆＲＦとする。

さらに、偏光ビームスプリッタ２２ｄによって、電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂに入射前の光と入射後の光が混合される。これにより、混合光には、変調周波数ｆＬＯ、検体周波数ｆＲＦの周波数以外に｜ｆＬＯ−ｆＲＦ｜の成分を持つ側波帯成分が含まれる。観測したい周波数ｆＲＦに対して変調周波数ｆＬＯを調整してやることで、任意の｜ｆＬＯ−ｆＲＦ｜側波帯を作り出すことができる。この｜ｆＬＯ−ｆＲＦ｜成分は、検体αの電界情報を含んでいる。さらに、｜ｆＬＯ−ｆＲＦ｜の周波数を、比較的低周波数に調整してやることで、検体αの電界情報を含んだ二次元像を撮像装置１４で撮像することができる。

図３は、本発明の実施例を実施する撮像装置１４のイメージセンサ１４ａの画素として用いる固体撮像素子２０の回路図である。

図３に示す固体撮像素子２０は、例えば、図１に示す構成におけるイメージセンサ１４ａの複数の画素を構成する素子の１つとして用いられるものである。

図３に示す固体撮像素子２０において、入射した光は、フォトダイオードの光電変換素子ＰＤで電荷に変換される。

図３に示す固体撮像素子２０は、光電変換素子ＰＤが光を受光することにより発生した光電子の電荷を、照明装置１１から検体αに対して照射される変調光に同期して分離蓄積する分離蓄積部６１と、容量の接続を切り替える第１容量接続制御部６２および第２容量接続制御部６３と、で構成されている。

分離蓄積部６１は、１つの光電変換素子ＰＤに対して複数の蓄積容量として第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２電荷蓄積部Ｆｄ２が、それぞれ第１ＦＥＴスイッチＭ１と第２ＦＥＴスイッチＭ２とを介して接続されて構成されている。よって、第１ＦＥＴスイッチＭ１を駆動する第１転送ゲートＴｘ１と第２ＦＥＴスイッチＭ２を駆動する第２転送ゲートＴｘ２とに印加する電圧をそれぞれ制御することによって、光電変換素子ＰＤで発生した電荷を第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２電荷蓄積部Ｆｄ２とに振り分けて蓄積することができる。

第１転送ゲートＴｘ１と第２転送ゲートＴｘ２は、外部の同期信号、例えば照明装置１１から照射された変調光の変調周波数ｆＬＯと検体αから放射される電界又は磁界の検体周波数ｆＲＦとの差周波数成分Δｆに従ってオン・オフ制御され、光学装置１３からの検出光により発生した電荷を振り分ける。

この際に、光学装置１３からの検出光に含まれる差周波数成分Δｆの変調光成分由来の電荷は、第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２電荷蓄積部Ｆｄ２に位相に応じた量が振り分けられるため、第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２電荷蓄積部Ｆｄ２では蓄積する電荷量が異なるが、差周波数成分Δｆ以外の周波数成分、例えばＤＣ光成分は、第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２電荷蓄積部Ｆｄ２に均等に振り分けられる。

第１容量接続制御部６２は、第１容量Ｃ１、第３ＦＥＴスイッチＭ３、第４ＦＥＴスイッチＭ４、第５ＦＥＴスイッチＭ５、第６ＦＥＴスイッチＭ６およびバイアス電圧を印加する第１電源Ｖｄｄで構成されている。また、第２容量接続制御部６３は、第２容量Ｃ２、第７ＦＥＴスイッチＭ７、第８ＦＥＴスイッチＭ８、第９ＦＥＴスイッチＭ９、第１０ＦＥＴスイッチＭ４およびバイアス電圧を印加する第２電源Ｖｄｄで構成されている。

第１容量接続制御部６２の第１容量Ｃ１と第２容量接続制御部６３の第２容量Ｃ２とは、それぞれ分離蓄積部６１に存在する２つの蓄積容量たる第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２電荷蓄積部Ｆｄ２とに第１〜第１０ＦＥＴスイッチＭ１〜Ｍ１０を介して接続されている。

このように、固体撮像素子２０は、それぞれ４つのＦＥＴスイッチと１個の容量とで構成される回路たる２組の容量接続制御部（第１容量接続制御部６２および第２容量接続制御部６３）を、分離蓄積部６１に付加することで構成されている。

すなわち、第１容量接続制御部６２においては、第１容量Ｃ１を挟んで対称的に第３ＦＥＴスイッチＭ３、第４ＦＥＴスイッチＭ４、第５ＦＥＴスイッチＭ５および第６ＦＥＴスイッチＭ６が配置されている。

ここで、第３ＦＥＴスイッチＭ３と第６ＦＥＴスイッチＭ６とは、同じ第１ゲートＧ１のゲート信号Ｇ１で駆動され、一方、第４ＦＥＴスイッチＭ４と第５ＦＥＴスイッチＭ５とは、同じ第２ゲートＧ２のゲート信号Ｇ２で駆動される。

同様に、第２容量接続制御部６３においては、第２容量Ｃ２を挟んで対称的に第７ＦＥＴスイッチＭ７、第８ＦＥＴスイッチＭ８、第９ＦＥＴスイッチＭ９および第１０ＦＥＴスイッチＭ１０が配置されている。

ここで、第８ＦＥＴスイッチＭ８と第９ＦＥＴスイッチＭ９とは、同じ第１ゲートＧ１のゲート信号Ｇ１で駆動され、一方、第７ＦＥＴスイッチＭ７と第１０ＦＥＴスイッチＭ１０とは、同じ第２ゲートＧ２のゲート信号Ｇ２で駆動される。

従って、第１容量Ｃ１および第２容量Ｃ２の両端は、第３〜１０ＦＥＴスイッチＭ３〜１０を介して第１電荷蓄積部Ｆｄ１、第２電荷蓄積部Ｆｄ２、第１電源Ｖｄｄならびに第２電源Ｖｄｄに選択的に接続される。

なお、第１電荷蓄積部Ｆｄ１ならびに第２電荷蓄積部Ｆｄ２は、例えば、半導体基板中に不純物拡散で形成した容量であり、また、第１容量Ｃ１ならびに第２容量Ｃ２は、例えば、金属配線層間に形成した容量である。

ここで、第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２電荷蓄積部Ｆｄ２との電気容量値は等しいものとし、また、第１容量Ｃ１と第２容量Ｃ２との電気容量値は等しいものとする。

なお、第１電荷蓄積部Ｆｄ１（第２電荷蓄積部Ｆｄ２）と第１容量Ｃ１（第２容量Ｃ２）との電気容量値は必ずしも等しい必要はないが、等しい値にすることが好ましい。

次に、図４に示す動作原理の説明図を参照し、固体撮像素子２０の動作について説明する。

この図４は、第１ゲートＧ１、第２ゲートＧ２、第１電荷蓄積部Ｆｄ１および第２電荷蓄積部Ｆｄ２の電圧の変化を示すタイミングチャートであり、図４において、図中左側から右側へ向かって時間が経過するものとする。なお、以下の説明においては、第１電荷蓄積部Ｆｄ１の電圧をＶＦＤ１と表し、第２電荷蓄積部Ｆｄ２の電圧をＶＦＤ２と表すものとする（破線矢印）。

まず、最初に、第１転送ゲートＴｘ１、第２転送ゲートＴｘ２、第１ゲートＧ１および第２ゲートＧ２の全てのゲートに電圧を印加する。なお、この全てのゲートに電圧を印加する時間を、リセット期間Ｒと称する。

このリセット期間Ｒにおいては、第１〜第１０ＦＥＴスイッチＭ１〜Ｍ１０の全てが接続されるので、第１電荷蓄積部Ｆｄ１、第２電荷蓄積部Ｆｄ２の端子はＶｄｄ電位と等しくなる。また、光電変換素子ＰＤの電位は、第１転送ゲートＴｘ１と第２転送ゲートＴｘ２とに印加した電圧に従ったポテンシャルにリセットされ、第１容量Ｃ１と第２容量Ｃ２とは、放電した状態にリセットされる。

なお、上記した各リセットは、固体撮像素子２０の各画素の属するラインの画面の読み出しの最初に行うものである。

リセット期間Ｒ終了後、次回にリセットするまで、第１転送ゲートＴｘ１と第２転送ゲートＴｘ２とには、図４に示すように、光電変換素子ＰＤが光を受光することにより発生した光電子の電荷を変調光に同期して振り分け蓄積するための高速な駆動パルスを印加し、また、第１ゲートＧ１と第２ゲートＧ２とには、図４に示すように、交互に時間の等しい反転したパルス電圧を連続的に印加する。これにより、接続期間ごとに、第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２電荷蓄積部Ｆｄ２との電圧は漸次、堆積的に変化する。

ここで、第１ゲートＧ１に電圧を印加するとともに第２ゲートＧ２に電圧を印加しない期間を正接続期間と称し、それとは反対に、第２ゲートＧ２に電圧を印加するとともに第１ゲートＧ１に電圧を印加しない期間を反転接続期間と称する。また、上記した「第１および第２電荷蓄積部Ｆｄ１、Ｆｄ２に電荷を振り分けて蓄積する時間」を「電荷蓄積時間」と適宜に称する。

こうした正接続期間および反転接続期間は等しい時間であり、第１転送ゲートＴｘ１と第２転送ゲートＴｘ２とに与える高速パルスの整数倍の時間とする。

正接続期間で第１ゲートＧ１には電圧が印加されている時、図５に示すように、第２ゲートＧ２には電圧が印加されていないので、第３ＦＥＴスイッチＭ３、第６ＦＥＴスイッチＭ６、第８ＦＥＴスイッチＭ８、第９ＦＥＴスイッチＭ９の各ＦＥＴスイッチが導通状態（図５において実線で示す。）となり、第４ＦＥＴスイッチＭ４、第５ＦＥＴスイッチＭ５、第７ＦＥＴスイッチＭ７、第１０ＦＥＴスイッチＭ１０の各ＦＥＴスイッチが非導通状態（図５において破線で示す。）となる。

従って、結線８１と結線８３とが接続されるとともに、結線８４と結線８８とが接続されて、第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第１容量Ｃ１とが等価的に並列接続となり、同様に、結線８２と結線８６とが接続されるとともに、結線８５と結線８９とが接続されて、第２電荷蓄積部Ｆｄ２と第２容量Ｃ２とが等価的に並列接続となる。よって、電荷蓄積時間における正接続期間では、第１電荷蓄積部Ｆｄ１の電荷は第１容量Ｃ１の左端へ、また、第２電荷蓄積部Ｆｄ２の電荷は第２容量Ｃ２の右端へ移動する。

一方、反転接続期間では第２ゲートＧ２には電圧が印加されているが、第１ゲートＧ１には電圧が印加されていないので、図６に示すように、第３ＦＥＴスイッチＭ３、第６ＦＥＴスイッチＭ６、第８ＦＥＴスイッチＭ８、第９ＦＥＴスイッチＭ９の各ＦＥＴスイッチが非導通状態（図６において破線で示す。）となり、第４ＦＥＴスイッチＭ４、第５ＦＥＴスイッチＭ５、第７ＦＥＴスイッチＭ７、第１０ＦＥＴスイッチＭ１０の各ＦＥＴスイッチが導通状態（図６において実線で示す。）となる。ここで、結線９１と結線９５とが接続されるとともに、結線９６と結線９９とが接続されて、第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２容量Ｃ２とが等価的に並列接続となり、同様に、結線９２と結線９４とが接続されるとともに、結線９３と結線９８とが接続されて、第２電荷蓄積部Ｆｄ２と第１容量Ｃ１とが等価的に並列接続となる。

ただし、第１容量Ｃ１および第２容量Ｃ２が第１電荷蓄積部Ｆｄ１および第２電荷蓄積部Ｆｄ２と接続される極性は、正接続期間と反転接続期間とでは反対である。よって、電荷蓄積時間における反転接続期間では、第１電荷蓄積部Ｆｄ１の電荷は第２容量Ｃ２の左端へ、また、第２電荷蓄積部Ｆｄ２の電荷は第１容量Ｃ１の右端に蓄積し、正接続期間にたまった電荷を打ち消す働きをする。

このように、電荷蓄積時間では、ＦＥＴスイッチの第１および第２転送ゲートＴｘ１、Ｔｘ２を交互に開閉し、光電変換素子ＰＤから第１および第２電荷蓄積部Ｆｄ１、Ｆｄ２に電荷を振り分ける「電荷振り分け操作」と、電荷の飽和を防ぐために第１および第２容量接続制御部６２，６３のＦＥＴスイッチのゲート信号Ｇ１、Ｇ２のＯＮ／ＯＦＦを切り替え（トグルともいう）て正接続期間と反転接続期間を切り替える「電荷相殺操作」の２つの操作を同時に行っている。つまり、正接続期間、反転接続期間のそれぞれの期間内で流入する電荷は、電気容量が等しければ第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第１容量Ｃ１、第２電荷蓄積部Ｆｄ２と第２容量Ｃ２にそれぞれ等分に分割され、正接続期間が終了して、次の瞬間に第１、第２ゲートへの印加パルスが反転すると、第１容量Ｃ１に蓄積された電荷は第２電荷蓄積部Ｆｄ２に流入され、第２容量Ｃ２に蓄積された電荷は第１電荷蓄積部Ｆｄ１に流入される。そして、第１容量Ｃ１と第２容量Ｃ２との接続極性は反対なので、電荷は加算されずに大半は中和される。

図４に示す転送ゲートへのパルス電圧に基づき正接続期間に第１電荷蓄積部Ｆｄ１に対して流入した電荷をΔＱＦｄ１と表し、第２電荷蓄積部Ｆｄ２に流入した電荷をΔＱＦｄ２と表すと、ΔＱＦｄ１＝ΔＱＦｄ２のとき、図４の下段に示す第１及び第２電荷蓄積部Ｆｄ１、Ｆｄ２の電圧は相殺される。第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２電荷蓄積部Ｆｄ２、第１容量Ｃ１と第２容量Ｃ２には、流入する電荷の差分成分のみが残存して、同一成分は電荷の中和により消失し、第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２電荷蓄積部Ｆｄ２との電圧として読み出すことが可能となる。

しかしながら、正接続期間と反転接続期間とを繰り返すと、図７に示すように、ΔＱＦｄ１とΔＱＦｄ２に差があると（たとえばΔＱＦｄ１＞ΔＱＦｄ２）、残存した差分成分に従い、第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２電荷蓄積部Ｆｄ２との電圧は堆積的に変化する（符号１１７、符号１１８、符号１１９、符号１２０で示す電圧）。ΔＱＦｄ１とΔＱＦｄ２との差分は中和されず、多い側には残り、少ない側からは余分に差し引かれる形で残存する。

そこで、第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２電荷蓄積部Ｆｄ２に蓄積された電荷量を読み出し回路（処理装置１５）によって読み出し、処理装置１５で第１、第２電荷蓄積部の電荷量差分｜Ｆｄ１−Ｆｄ２｜の演算を行うことで、差周波数成分Δｆの位相成分と振幅のみを抽出することができる。

従って、電荷振り分け方式の固体撮像素子２０によれば、雑音を排除することができるとともに、検体αから差周波成分Δｆのみを有効に抽出することができ、電磁界高速撮像装置の高感度、低雑音化を図ることが可能になる。

図７は、上記した「電荷振り分け操作」と「電荷相殺操作」の繰り返しにおいて差周波数成分Δｆの変調光成分を残したまま、それ以外の周波数成分の光を除去する様子を表している。

正接続期間と反転接続期間とを等しい時間にすると、第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２荷蓄積部Ｆｄ２とに等しく蓄積した電荷は相殺されるが、差周波数成分Δｆの変調光成分由来の電荷は、Δｆの位相に応じた比率で蓄積しているため、第１容量Ｃ１と第２容量Ｃ２とには第１電荷蓄積部Ｆｄ１と第２電荷蓄積部Ｆｄ２との差分成分だけが残ることになる。

しかしここで、正接続期間と反転接続期間を切り替える時の処理を考慮すると、正接続期間と反転接続期間を切り替えることにより、第３〜第１０ＦＥＴスイッチＭ３〜Ｍ１０がオンからオフへ、又はオフからオンへ切り替わるため、わずかであるが第３〜第１０ＦＥＴスイッチＭ３〜Ｍ１０においてスイッチングノイズが発生する。

このスイッチングノイズは第１および第２容量Ｃ１、Ｃ２に蓄積された電荷に重畳されるため、正接続期間と反転接続期間を頻繁に切り替えると、ＳＮ比を悪化させるおそれがある。

一方、正接続期間と反転接続期間の切り替え回数が不十分であると、差周波数成分Δｆ成分以外の光量が多い場合、第１電荷蓄積部Ｆｄ１又は第２電荷蓄積部Ｆｄ２が飽和してしまう可能性がある。差周波数成分Δｆとそれ以外の成分の比は、経験的に１０００：１程度である。

そこで、測定対象となる差周波数成分Δｆとそれ以外の成分を効率良く分離し、測定精度を高めるために、実施形態においては、処理装置１５は、イメージセンサ１４ａの出力信号をもとに、正接続期間と反転接続期間の切り替え回数を最適値に制御する制御信号をイメージセンサ１４ａに送り、これを制御する構成としている。すなわち、処理装置１５は、撮像装置１４のイメージセンサ１４ａからの情報をもとに、プローブ装置の電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂ上の変調光の変調周波数ｆＬＯと検体周波数ｆＲＦによって生じた差周波数成分Δｆに同期した電荷成分以外の電荷を除去するための制御信号を生成し、撮像装置の電荷蓄積部と複数の容量との導通状態を制御するのである。

次に、正接続期間と反転接続期間の切り替え回数を最適値について説明する。図８は、正接続期間と反転接続期間の切り替え回数と、差周波数成分Δｆの周波数帯の差分信号の電荷量の関係を示したグラフである。横軸は切り替え回数ｎ、縦軸は差分信号の強度である。

検出光の光量が十分に強い環境では、切り替え回数ｎが少ない場合、第１および第２電荷蓄積部Ｆｄ１、Ｆｄ２は飽和してしまい、差分成分が残らないため０となる。ｎを徐々に増やしｎ＝ｎ１になると、第１および第２電荷蓄積部Ｆｄ１、Ｆｄ２が飽和する前に差周波数成分Δｆ以外の成分が除去されるため、差分成分が検出されるようになる。さらにｎを増やしていきｎ＝ｎ２になると、差分信号成分はピークに達する。しかし、ｎ＞ｎ２の条件化では、切り替え回数に比例するスイッチングノイズが増加するため、徐々に差分信号は減少する。

図８のグラフの切り替え回数ｎと電荷量の関係について、さらに、図９示す撮像素子の駆動の様子を示したタイミングチャートを用いて説明する。

図９示すように、１つの画像を得るための時間を１フレームとする。１フレームの時間には、電荷を蓄積する電荷蓄積時間（正接続期間および反転接続期間）と、蓄積した電荷を読み出す読み出し時間が存在する。ここでは、電荷蓄積時間を１０ｍｓとする。

なお、上記図３に示す撮像素子の実施形態では、１つの光電変換素子ＰＤに２つのＦＥＴスイッチＭ１、Ｍ２（転送ゲートＴｘ１、Ｔｘ２）と２つの電荷蓄積部Ｆｄ１、Ｆｄ２を設け、反転同一位相（図４のＴｘ１、Ｔｘ２）で振り分けるタイプの撮像素子を説明しているが、本発明はこれに限定されずに、この他に、図示しないが、１つの光電変換素子に４つのＦＥＴスイッチと４つの電荷蓄積部を設け、９０度ずつ４位相に振り分けるタイプの撮像素子や、１つの光電変換素子に２つのＦＥＴスイッチと２つの電荷蓄積部を設けた分離蓄積部と容量接続制御部の組を２つ用いて９０度ずつ４位相振り分けるタイプの撮像素子や、時間的に連続した２つ以上のフレームで０度１８０度、９０度２７０度を交互に取得し１つの画像を生成する駆動方法、などにも本発明は適用できる。「９０度ずつ４位相に電荷を振り分ける」という目的は同じであるため、上記図３、図４に示す実施形態はこの目的を達成するための本発明の一例である。

よって、図９の例では、一般的に、０度位相の電荷を振り分ける転送ゲート信号をＴｘ０、９０度位相の電荷を振り分ける転送ゲート信号をＴｘ９０、以下同様に、１８０度位相振り分けの転送ゲート信号Ｔｘ１８０、２７０度位相振り分けの転送ゲート信号Ｔｘ２７０と記載してある。

Ｔｘ０〜Ｔｘ２７０までの４位相を１回ずつ開閉する期間は、電荷振り分け周波数ｆ＿ｄの逆数である。ここで、電荷振り分け周波数ｆ＿ｄを１０ｋＨｚとする。すると、４位相を振り分ける期間は１００μｓとなり、電荷蓄積時間１０ｍｓの間に、１００回の振り分けを行うことになる。

電荷振り分け周波数ｆ＿ｄは、照明装置１１から照射された変調光の変調周波数ｆＬＯと検体αから放射される電界又は磁界の検体周波数ｆＲＦとの差周波数成分Δｆ＝｜ｆＬＯ−ｆＲＦ｜と同じにする。

ゲート信号Ｇ１、Ｇ２のトグルは電荷蓄積時間の中で任意の回数（切り替え回数）で行う。図９の例では３回である。

ただし、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２のトグルは、４位相の電荷を振り分ける期間である１／ｆ＿ｄより早い周期で行うべきではない。その理由は４位相の電荷を振り分ける期間の途中でトグルを行うと、４位相の電荷が正確に蓄積されず、ある位相に偏ってしまう恐れがあるためである。

そのため、図９の例では、トグルの回数（切り替え回数）は０〜９９回にすることが現実的である。

図１０（Ａ）は、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２のトグルが０回のときの電荷の蓄積具合を示した図である。電荷蓄積時間は１０ｍｓで、その間、入射光の強度は一定であるとする。図の二点鎖線はＦｄ１（０度位相）、一点鎖線はＦｄ２（１８０度位相）とする。トグルを行わないと第１および第２電荷蓄積部Ｆｄ１、Ｆｄ２ともに飽和してしまい、差分成分は残らない。この状態は、上記図８のｎ＜ｎ１の状態を示している。

図１０（Ｂ）は、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２のトグルが１回の時の電荷の蓄積具合を示した図である。この時も図２同様、第１および第２電荷蓄積部Ｆｄ１、Ｆｄ２ともに飽和してしまい、差分成分は残らない。この状態は、上記図８のｎ＜ｎ１の状態を示している。

図１０（Ｃ）はゲート信号Ｇ１、Ｇ２のトグルが３回の時の電荷の蓄積具合である。最終的にわずかに差分成分が残っているが、２〜３ｍｓ付近と９．５ｍｓ付近でＦｄ１が飽和しているため、差分成分が少なくなってしまっている。つまり、トグルが３回ではまだ足りないことを示している。この状態は、上記図８のｎ１＜ｎ＜ｎ２の状態を示している。

図１０（Ｄ）はトグルを９回行ったときの電荷の蓄積具合を示した図である。この時は、飽和することなく、差分成分を完全に残すことができている例である。この状態は、上記図８のｎ２＜ｎの状態を示している。

理想的には、トグルの回数を図１０（Ｄ）の９回より多くしても、図１０（Ｄ）の差分成分の量と同じ量の電荷が残すことができる。しかし、実際にはゲート信号Ｇ１、Ｇ２をトグルすることで、スイッチングノイズが発生し、それは差分成分の電荷に重畳されるため、トグルの回数を多くすると差分成分が減っていく。これは、上記図８のｎ２＜ｎの領域の右下がりのグラフの意味するところである。

この上記図８に示す特性を利用し、処理装置１５において、最適切り替え回数ｎ（トグル回数）を決定する動作のフローチャートを示したものが図１１である。

まず、１つもしくは複数の画素を指定する。この画素は電磁界が観測され、差周波数成分Δｆ周波数成分の差動信号が含まれる画素であることが望ましい。

切り替え回数０の時の画像をえるためにｋ＝０とおく（ステップＳ１）。

ｎ＝ｋにおける画像を取得し、この時の指定画素の差分信号成分をＶｋ、さらに、ｎ＝ｋ＋１における画像を取得し、この時の指定画素の差分信号成分をＶｋ＋１とする（ステップＳ２）。

次に、Ｖｋ＋１−Ｖｋを演算する。ｎ＜ｎ１の場合、Ｖｋ＋１−Ｖｋ＝０となる。ｎ１＜ｎ＜ｎ２の場合、Ｖｋ＋１−Ｖｋは正の値となる。ｎ２＜ｎの場合、Ｖｋ＋１−Ｖｋは負の値となる。そこで、Ｖｋ＋１−Ｖｋ＜０か否かを判別する（ステップＳ３）。ＹＥＳであれば最適切り替え回数ｋを決定する（ステップＳ４）。ＮＯの場合は、ステップＳ２を繰り返す。つまり、ｋの値を徐々に増やしていき、Ｖｋ＋１−Ｖｋの値が正から負に転じたｋの値がｎ２となり、このｎ＝ｎ２となる制御信号を処理装置１５はイメージセンサ１４ａに送る。

以上のことを踏まえて図１１のフローチャートの説明をする。

１フレームごとにゲート信号Ｇ１、Ｇ２のトグル回数を変えながら最適なトグル回数ｎを探していく。フレーム０でｎ＝０の画像を取得する。すると、図１０（Ａ）のような結果が得られると思われる。次のフレーム１でｎ＝１の画像を取得すると、図１０（Ｂ）のような結果となる。さらにフレーム毎にｎを増やしていくと、図１０（Ｃ）のように差分成分が残り始める。ｎ１はこの時のｎを意味している。

さらにｎを増やしていくと、残る差分成分は増加していく。つまり、トグル回数ｎの時に残る差分成分をＶｎ、トグル回数ｎ−１の時に残る差分成分をＶｎ−１とすると、Ｖｎ＞Ｖｎ−１となる。

さらにｎを増やしていくと、Ｖｎ≦Ｖｎ−１となるｎが存在する。つまり、電荷の飽和によるロスがなくなり、トグルによるスイッチングノイズ増大によるロスが発生しだすｎである。このときのｎがｎ２である。
最適なトグル回数ｎはこのように導き出す。

なお、ｎ２を導く手法としては、ｎが十分大きい値、つまり図１０の例で言うとｎ＝９９のときからスタートし、徐々にｎを減らしていく方法も考えられる。これは図１１のフローチャートと逆の方法である。ｎ＞ｎ２では、Ｖｎ＞Ｖｎ−１となり、ｎ≦ｎ２では、Ｖｎ≦Ｖｎ−１となる。

従来から、飽和を防ぎながら差分成分を残す手法としては、第１に電荷蓄積時間を短くする方法と、第２に光の強度を弱くする方法などが考えられるが、第１、第２の方法ともに差分成分の電荷量も減少してしまうため、ＳＮ比が悪化してしまうことが予想される。

それに比べて、本実施例の装置では、照明装置１１から照射された光の周波数ｆＬＯを任意に変えることにより、検体αから放射される電界の周波数ｆＲＦを変えることなく、振り分け周波数ｆ＿ｄを自由に変えることができる。例えば、ｆＬＯを１．００１ＧＨｚ、をｆＲＦ１．０００ＧＨｚとすると、電荷振り分け周波数ｆ＿ｄは１ＭＨｚとなる。このときの１／ｆ＿ｄは１μｓとなり、光電変換素子ＰＤ１個あたり２つのＴｘ、Ｆｄのあるタイプの撮像素子では、理想的には１μｓ／２＝０．５μｓで飽和するような強い強度の光まで測定することができる。同様に光電変換素子ＰＤ１個あたり４つのＴｘ、Ｆｄを持つ撮像素子では、１μｓ／４＝０．２５μｓで飽和するような強い光を測定することが可能である。

一方、従来の電荷相殺機能のない撮像素子では、同様の強度の光を用いると、電荷蓄積時間を０．２５〜０．５μｓ程度としなければならず、この電荷蓄積時間で蓄積される差分成分はごく微量であるため、現実的ではない。強い強度のレーザ光を必要とする電界カメラでは、電荷振り分け機能を持った同様の撮像素子のなかでも、本実施例の撮像素子のような電荷相殺機能を持ったものでないと実現できない。

本発明の電磁界高速撮像装置は、集積回路素子周囲の近傍電磁界など、電子機器の電磁界分布を測定するための装置などとして利用され得る。

Claims (4)

1. 変調周波数ｆＬＯで振幅変調された変調光を出力可能な照明装置と、
   測定対象である検体から放射される検体周波数ｆＲＦの電界又は磁界により複屈折特性が局所的に変化することで、前記照明装置から照射された変調光に局所的な偏光状態を生ぜしめ、検体周波数ｆＲＦの近傍電磁界で前記変調光を更に変調して周波数混合し、前記変調光の変調周波数ｆＬＯと検体周波数ｆＲＦとの差周波数成分Δｆを含む検出光を発生する電気光学素子又は磁気光学素子を備えたプローブ装置と、
   前記プローブ装置から発生された検出光における局所的偏光状態を光の局所的強度に変換し、局所的強度変換された検出光を結像させる光学装置と、
   前記光学装置の前記検出光を結像させる位置に複数の画素からなる撮像面を有し、前記検出光を光電変換するイメージセンサを備えた撮像装置と、
   前記撮像装置のイメージセンサからの電気信号を解析し、前記検体から放射される近傍電磁界の分布の二次元像を含む情報を生成する処理装置と、を含む電磁界高速撮像装置であって、
   前記撮像装置のイメージセンサの画素毎に、前記光学装置からの前記検出光を電荷に変換する光電変換素子と、複数の電荷蓄積部と、光電変換素子で生じた電荷を前記複数の電荷蓄積部に振り分ける電荷振り分け部と、を備えたことを特徴とする電磁界高速撮像装置。
2. 前記電荷振り分け部は、前記プローブ装置によって生じた差周波数成分Δｆに同期して、光電変換素子で生じた電荷を複数の電荷蓄積部に振り分けることを特徴とする請求項１に記載の電磁界高速撮像装置。
3. 前記撮像装置はさらに、前記複数の電荷蓄積部とそれぞれ導通可能な複数の容量と、前記複数の電荷蓄積部と前記複数の容量との導通状態を制御する容量接続制御部と、を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁界高速撮像装置。
4. 前記処理装置は、前記撮像装置の情報をもとに、前記プローブ装置によって生じた差周波数成分Δｆに同期した電荷成分以外の電荷を除去するための制御信号を生成し、前記撮像装置の電荷蓄積部と複数の容量との導通状態を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の電磁界高速撮像装置。

Images