JP2016061666A - イメージセンサの信号処理装置及び信号読出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズを低減可能なイメージセンサの信号処理装置及び信号読出方法を提供すること。
【解決手段】複数の受光部１１１と、該複数の受光部１１１を順次選択して各受光部１１１で得られた電荷信号を読み出すスイッチ部１１２を有するイメージセンサ１１の出力信号処理装置１０であって、スイッチ部１１２を通して入力された電荷信号を電圧信号に変換する積分回路１２と、一つの受光部１１１による電荷信号を積分して得られた電圧信号のサンプリング回数を設定するサンプリング回数設定部１４２と、該電圧信号が積分回路１２に保持されている期間中に、設定されている回数だけ該積分回路１２に保持されている電圧値を取得して積算する積算部１４３を備え、積算部１４３により積算された電圧値を用いて該一つの受光部１１１に対応する信号を出力することを特徴とする、イメージセンサの信号処理装置１０を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、イメージセンサの信号処理装置及び信号読出方法に関する。

イメージセンサは、1次元又は2次元状に配列した多数の受光素子が受光した光の量を電気量（電荷量）に変換して1次元又は2次元画像のデータを作成する素子である。受光素子には、電荷結合素子（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）や相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ：Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を有するトランジスタ、フォトダイオードなどの半導体素子が用いられる。これら受光素子を、1次元状に配置したものは、一般的にフォトダイオードアレイ（ＰＤＡ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ Ａｒｒａｙ）と呼ばれる。

特許文献１には、1次元状のフォトダイオードアレイ（リニアイメージセンサ）を備える分光光度計が記載されている。図４は従来の分光光度計の構成の一例を示す図である。分光光度計４００は、光源４０１、集光レンズ４０２、シャッター４０３、試料セル４０４、スリット４０５、凹面グレーティング４０６、フォトダイオードアレイ４０７、積分回路４０８、Ａ／Ｄ変換器４０９、制御及び信号処理回路４１０を備える。フォトダイオードアレイ４０７は、Ｎ個（Ｎ：２以上の自然数）の受光素子Ｄ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を有し、積分回路４０８はオペアンプ、コンデンサ（電荷読み出しコンデンサ）Ｃ_ｒ及びリセットスイッチＳ_ｒを有する。また、積分回路４０８は、各々の受光素子Ｄ_ｉに対応するスイッチＳ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を介してフォトダイオードアレイ４０７を構成する各々の受光素子Ｄ_ｉと接続される。

分光光度計４００は、光源４０１から射出される光を集光レンズ４０２により集光し、シャッター４０３を開いた明状態で、試料セル４０４内の試料に照射する。試料を透過した光は、スリット４０５を経て凹面グレーティング４０６により波長毎に異なる方向に進行するように分光され、フォトダイオードアレイ４０７の各々の受光素子Ｄ_ｉで受光される。各々の受光素子Ｄ_ｉで受光された光は、各フォトダイオードにより光電変換され、光量に対応する電荷量Ｑ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）に変換される。

積分回路４０８では、光電変換された電荷を、電荷量Ｑ_ｉに対応する電圧の値Ｖ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）に変換する。図５のタイムチャートを参照しつつ、その動作を説明する。積分回路４０８が制御及び信号処理回路４１０から電荷読出信号を受け取ると、受光素子Ｄ_ｎ−１（２≦ｎ≦Ｎ）で光電変換された電荷がスイッチＳ_ｎ−１を介してコンデンサＣ_ｒに蓄積され、積分回路４０８の出力電圧は上昇し、やがてコンデンサＣ_ｒの容量及び電荷量Ｑ_ｎ−１に応じた電圧の値Ｖ_ｎ−１に到達する。その後、電荷読出信号の入力から所定の時間Ｔ_ａが経過して制御及び信号処理回路４１０からリセット信号が入力されると、積分回路４０８のリセットスイッチＳ_ｒがオンし、コンデンサＣ_ｒに蓄積された電荷が放電される。これにより、積分回路４０８の出力電圧の値は低下する。スイッチＳ_ｎ−１をスイッチＳ_ｎに切り替えて、この動作を受光素子Ｄ_ｎについても繰り返すと、積分回路４０８は電荷量Ｑ_ｎに応じた出力電圧の値Ｖ_ｎを出力する。なお、フォトダイオードアレイに蓄積される電荷量は、フォトダイオードアレイからの信号の読み出し間隔に比例し、該蓄積に係る時間を電荷蓄積時間と呼ぶ。時間Ｔ_ａには、全受光素子Ｄ_ｉの読み出し時間（電荷蓄積時間）を素子数Ｎで割った時間から、リセットに必要な時間を差し引いた時間以下の時間が設定される。

このように、スイッチＳ_ｉを切り替えつつ、上述の動作をＮ回繰り返すことで、積分回路４０８は、フォトダイオードアレイ４０７の各々の受光素子Ｄ_ｉが検出した光量を電荷量Ｑ_ｉに応じた電圧の値Ｖ_ｉとして、順次出力する。この電圧の値Ｖ_ｉは、制御及び信号処理回路４１０の制御の下で、時間Ｔ_ａ内で１回サンプリングされてＡ／Ｄ変換器４０９によりデジタル信号に変換され、電気信号として制御及び信号処理回路４１０に取り込まれる。制御及び信号処理回路４１０は、該電気信号から、試料の吸収スペクトルを求める。

特開平８-１５０１３号公報

近年、分析の高速化に伴い、リニアイメージセンサにおける信号の読み出し間隔（電荷蓄積時間）を広範囲で可変にする需要が高まっている。例えば、信号の読み出し間隔が１ｓｅｃ、素子数が１０００の場合、１素子あたりの読み出し時間（サンプリング間隔）は最長でも１ｍｓｅｃであるが、信号の読み出し間隔が５０ｍｓｅｃとなると、１素子あたりの読み出し時間（サンプリング間隔）は最長でも５０μｓｅｃにしなければならない。このように電荷蓄積時間を広範囲で可変にすると、読み出し電荷量もそれに比例して変化するため、コンデンサＣ_ｒの静電容量は、信号の読み出し間隔（電荷蓄積時間）が最も大きい条件の場合でも積分回路以下の回路が飽和しないように定める必要がある。この状態で、信号の読み出し間隔を短くする（信号の読み出しを高速で行う）と、コンデンサＣ_ｒに蓄積される電荷量が蓄積時間に比例して減少し、積分回路の出力電圧の値Ｖ_ｉが大きく低下する。

制御及び信号処理回路４１０が取り込む電気信号には、積分回路４０８のオペアンプのノイズが含まれている。上述のように、積分回路４０８の出力電圧の値Ｖ_ｉが小さくなると、出力電圧の値Ｖ_ｉに占めるノイズの割合が大きくなり（換言すると、信号対雑音比が小さくなり）、微量成分を測定する場合（すなわち、受光素子Ｄ_ｉが受光する光量が小さい場合）、正確な測定を行うことができない。

本発明は上記の点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、ノイズを低減することが可能なイメージセンサの信号処理装置及び信号読出方法を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明に係るイメージセンサの信号処理装置は、
複数の受光部と、該複数の受光部を順次選択して各受光部で得られた電荷信号を読み出すためのスイッチ部と、を有するイメージセンサの出力信号を処理する信号処理装置であって、
a) 前記スイッチ部を通して入力された電荷信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、
b) 一つの受光部による電荷信号を積分して得られた電圧信号をサンプリングする回数を設定するサンプリング回数設定部と、
c) 一つの受光部による電荷信号を積分して得られた電圧信号が前記積分回路に保持されている期間中に、前記サンプリング回数設定部により設定されている回数だけ該積分回路に保持されている電圧値を取得して積算する積算部と、
を備え、前記積算部により積算された電圧値を用いて前記一つの受光部に対応する信号を出力することを特徴とする。

上記イメージセンサの信号処理装置が、さらに、前記積算部により積算された電圧値を前記回数で除して積算平均を計算する積算平均計算部を備える構成としてもよい。

また、上記課題を解決するために成された本発明に係るイメージセンサの信号読出方法は、
複数の受光部と、該複数の受光部を順次選択して各受光部で得られた電荷信号を読み出すためのスイッチ部と、を有するイメージセンサの出力信号を読み出す信号読出方法であって、
a) 積分回路により、前記スイッチ部を通して入力された電荷信号を積分して電圧信号に変換するステップと、
b) 一つの受光部による電荷信号を積分して得られた電圧信号をサンプリングする回数を設定するステップと、
c) 一つの受光部による電荷信号を積分して得られた電圧信号が前記積分回路に保持されている期間中に、前記設定されている回数だけ該積分回路に保持されている電圧値を取得して積算するステップと、
を有し、前記積算された電圧値を用いて前記一つの受光部に対応する信号が出力されることを特徴とする。

上記構成から成る本発明に係るイメージセンサの信号処理装置及び信号読出方法によれば、積分回路が出力する電圧の値をサンプリングする回数を１回あるいは複数回に指定できる。積分回路を構成するオペアンプに起因するノイズは、積算平均すると平均回数の平方根に反比例するため、サンプリングする回数を多くするほど、ノイズを低減することができる。これにより、信号の読出を高速で行う必要がある場合であっても、信号対雑音比を大きくでき、測定精度を高めることができる。また、本発明に係るイメージセンサの信号処理装置及び信号読出方法を用いた液体クロマトグラフでは、微量成分の測定精度を高めることができる。

本発明の一実施例に係るイメージセンサの信号処理装置を説明する図。 本発明の一実施例の変形例に係るイメージセンサの信号処理装置を説明する図。 本発明の一実施例の信号読み出し波形の一例を示すタイムチャート。 従来の分光光度計の構成の一例を示す図。 従来の信号読み出し波形の一例を示すタイムチャート。

以下、図１及び図３を用いて、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は本発明の一実施例に係るイメージセンサの信号処理装置１０を説明する図である。本実施例の信号処理装置１０が信号処理する対象であるイメージセンサ１１は、複数の受光部１１１と、該複数の受光部１１１を順次選択して各受光部１１１で得られた電荷信号を読み出すためのスイッチ部１１２で構成される。受光部１１１はフォトダイオードＰＤ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）とコンデンサＣ_i（ｉ＝１〜Ｎ）で構成されており、各コンデンサＣ_iは各フォトダイオードＰＤ_ｉと並列接続されている。本実施例では、スイッチ部１１２は、各受光部１１１と直列接続したスイッチＳ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）で構成される例を説明するが、多端子（Ｎ＋１個）のスイッチ１個で構成されていてもよい。

信号処理装置１０は、積分回路１２、Ａ／Ｄ変換器１３、制御及び信号処理回路１４で構成され、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）などの集積回路を有する再書き換え可能なプログラマブルロジックデバイスで具現化できる。制御及び信号処理回路１４は、スイッチ制御部１４１、サンプリング回数設定部１４２及び積算部１４３を備える。積分回路１２はオペアンプ、該オペアンプと並列接続されたコンデンサＣ_ｒ及びリセットスイッチＳ_ｒを有する。コンデンサＣ_ｒは容量の値を変えることが可能な可変コンデンサであってもよい。本実施例では、スイッチ部１１２を制御するスイッチ制御部１４１が制御及び信号処理回路１４に含まれる例を説明するが、該スイッチ制御部１４１は信号処理装置１０とは別体であってもよい。以下、本実施例の信号処理装置１０の動作を説明する。

複数の受光部１１１で受光された光は、各受光部１１１のフォトダイオードＰＤ_ｉにより光電変換され、受光された光の量に対応する電荷量Ｑ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）に変換される。この電荷はコンデンサＣ_iに電荷信号として保持される。スイッチ制御部１４１は複数の受光部１１１を順次選択して、選択した一つの受光部１１１をスイッチＳ_ｉを介して積分回路１２と導通させる。これにより、該選択した一つの受光部１１１のコンデンサＣ_iに保持された電荷信号をスイッチ部１１２を通して積分回路１２に入力する。

積分回路１２では、入力された電荷信号の積分が行われ、コンデンサＣ_ｒに電荷が蓄積される。積分回路１２は、入力された電荷量Ｑ_ｉが少なければ小さい電圧の値に、電荷量Ｑ_ｉが多ければ大きい電圧の値に変換し、電荷信号を電圧信号として出力する。図３は、本実施例の信号読み出し波形の一例を示すタイムチャートである。積分回路１２が制御及び信号処理回路１４から電荷読出信号を受け取ると、フォトダイオードＰＤ_ｎ−１（２≦ｎ≦Ｎ）で光電変換された電荷がスイッチＳ_ｎ−１を介してコンデンサＣ_ｒに蓄積され、積分回路１２の出力電圧は上昇し、やがてコンデンサＣ_ｒの容量及び電荷量Ｑ_ｎ−１に応じた電圧の値Ｖ_ｎ−１に到達する。その後、電荷読出信号の入力から時間Ｔ_ａが経過して制御及び信号処理回路１４からリセット信号が入力されると、積分回路１２のリセットスイッチＳ_ｒがオンし、コンデンサＣ_ｒに蓄積された電荷が放電される。これにより、積分回路１２の出力電圧の値は低下する。この時間Ｔ_ａにおいて積分回路１２の出力電圧の値が電荷量に応じた電圧の値に到達している期間は、一つの受光部１１１による電荷信号を積分して得られた電圧信号が積分回路に保持されている期間に相当し、数μｓｅｃである。スイッチＳ_ｎ−１をスイッチＳ_ｎに切り替えて、この動作をフォトダイオードＰＤ_ｎについても繰り返すと、積分回路１２は電荷量Ｑ_ｎに応じた出力電圧の値Ｖ_ｎを出力する。このように、スイッチＳ_ｉを切り替えつつ、上述の動作をＮ回繰り返すことで、積分回路１２は、イメージセンサ１１の各々のフォトダイオードＰＤ_ｉが検出した光量を電荷量Ｑ_ｉに応じた電圧の値Ｖ_ｉとして、順次出力する。

サンプリング回数設定部１４２は、上述のように積分回路１２が順次出力する電圧の値を一つの受光部１１１につきサンプリングする回数を設定する。この回数は、制御及び信号処理回路１４と機能的に繋がった、図示しないユーザインタフェースを用いて、ユーザが設定することができる。制御及び信号処理回路１４がフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）により構成されている場合には、プログラミングにより設定することができる。図３の例では、１つの受光部１１１につき、積分回路が出力する電圧の値をサンプリングする回数を５回に設定する。

積算部１４３は、一つの受光部１１１による電荷信号を積分して得られた電圧信号が積分回路１２に保持されている期間中に、サンプリング回数設定部１４２により設定された回数だけ、積分回路１２に保持されている電圧値を取得して積算する。電圧値の取得は、Ａ／Ｄ変換器１３を通してデジタル信号に変換してから取得する。近年の技術開発の進歩に伴い、変換速度が速いＡ／Ｄ変換器が開発されてきており、Ａ／Ｄ変換器１３には、数μｓｅｃの間で複数回の変換が可能なものを用いる。図３の例では、積分回路１２の出力電圧が電荷量に応じた電圧の値に到達している期間（数μｓｅｃ）の間に、５回サンプリングして、その電圧値を取得して積算する。サンプリングする時間の間隔は一定であってもランダムであっても構わないが、図３の例では１μｓｅｃずつ等間隔でサンプリングする。

信号処理装置１０は、このようにして積算部１４３により積算された電圧値を用いて一つの受光部１１１に対応する信号を出力する。信号処理装置１０は、スイッチＳ_ｉを切り替えつつ、イメージセンサ１１の各受光部１１１のフォトダイオードＰＤ_ｉの全てについて対応する信号を出力することで、イメージセンサ１１の信号を読み出すことができる。

積分回路１２が出力する電圧の値には、積分回路１２を構成するオペアンプに起因するノイズが含まれる。そのため、サンプリングする電圧値は、電荷量に応じた電圧の値に到達しているとはいえ、図３のように、わずかに変動している。また、制御及び信号処理回路１４が取り込む電気信号には、Ａ／Ｄ変換器１３の量子化ノイズが含まれている。本実施例の信号処理装置１０及び信号読出方法によれば、積分回路１２が出力する電圧の値をサンプリングする回数をユーザが設定し、設定した回数だけ積分回路１２に保持されている電圧値を取得して積算する。サンプリングする回数を複数回に設定すれば、積分回路１２を構成するオペアンプに起因するノイズやＡ／Ｄ変換器１３の量子化ノイズを平均化できるため、これらノイズを低減することができる。これにより、信号の読出を高速で行う必要がある場合であっても、信号対雑音比を大きくでき、測定精度を高めることができる。また、本発明に係るイメージセンサの信号処理装置及び信号読出方法を用いた液体クロマトグラフでは、微量成分の測定精度を高めることができる。

本実施例の変形例に係るイメージセンサの信号処理装置が備える、制御及び信号処理回路１４０を図２に示す。制御及び信号処理回路１４０は、図１の制御及び信号処理回路１４に置き換わって用いられる。制御及び信号処理回路１４０は、制御及び信号処理回路１４と同様にスイッチ制御部１４１、サンプリング回数設定部１４２、及び積算部１４３を備え、さらに積算平均計算部１４４を備える。

積算平均計算部１４４は、積算部１４３により積算された電圧値をサンプリング回数で除して積算平均を計算する。積算平均を求めることにより、積分回路１２を構成するオペアンプに起因するノイズやＡ／Ｄ変換器１３の量子化ノイズは、サンプリング回数の平方根に反比例するため、サンプリングする回数を多くするほど、ノイズを低減することができる。これにより、信号の読出を高速で行う必要がある場合であっても、信号対雑音比を大きくでき、測定精度を高めることができる。また、本発明に係るイメージセンサの信号処理装置及び信号読出方法を用いた液体クロマトグラフでは、微量成分の測定精度を高めることができる。

１０…信号処理装置
１１…イメージセンサ
１１１…受光部
１１２…スイッチ部
１２、４０８…積分回路
１３、４０９…Ａ／Ｄ変換器
１４、１４０、４１０…制御及び信号処理回路
１４１…スイッチ制御部
１４２…サンプリング回数設定部
１４３…積算部
１４４…積算平均計算部
４００…分光光度計
４０１…光源
４０２…集光レンズ
４０３…シャッター
４０４…試料セル
４０５…スリット
４０６…凹面グレーティング
４０７…フォトダイオードアレイ

Claims (4)

1. 複数の受光部と、該複数の受光部を順次選択して各受光部で得られた電荷信号を読み出すためのスイッチ部と、を有するイメージセンサの出力信号を処理する信号処理装置であって、
   a) 前記スイッチ部を通して入力された電荷信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、
   b) 一つの受光部による電荷信号を積分して得られた電圧信号をサンプリングする回数を設定するサンプリング回数設定部と、
   c) 一つの受光部による電荷信号を積分して得られた電圧信号が前記積分回路に保持されている期間中に、前記サンプリング回数設定部により設定されている回数だけ該積分回路に保持されている電圧値を取得して積算する積算部と、
   を備え、前記積算部により積算された電圧値を用いて前記一つの受光部に対応する信号を出力することを特徴とする、イメージセンサの信号処理装置。
2. さらに、
   d) 前記積算部により積算された電圧値を前記回数で除して積算平均を計算する積算平均計算部
   を備えることを特徴とする、請求項１に記載のイメージセンサの信号処理装置。
3. 複数の受光部と、該複数の受光部を順次選択して各受光部で得られた電荷信号を読み出すためのスイッチ部と、を有するイメージセンサの出力信号を読み出す信号読出方法であって、
   a) 積分回路により、前記スイッチ部を通して入力された電荷信号を積分して電圧信号に変換するステップと、
   b) 一つの受光部による電荷信号を積分して得られた電圧信号をサンプリングする回数を設定するステップと、
   c) 一つの受光部による電荷信号を積分して得られた電圧信号が前記積分回路に保持されている期間中に、前記設定されている回数だけ該積分回路に保持されている電圧値を取得して積算するステップと、
   を有し、前記積算された電圧値を用いて前記一つの受光部に対応する信号が出力されることを特徴とする、イメージセンサの信号読出方法。
4. さらに、
   d) 前記積算部により積算された電圧値を前記回数で除して積算平均を計算するステップ
   を有することを特徴とする、請求項３に記載のイメージセンサの信号読出方法。

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