JP3143747B2 - フォトダイオード・アレイ分光検出器とフォトダイオード・アレイ分光検出器を操作する方法 - Google Patents
フォトダイオード・アレイ分光検出器とフォトダイオード・アレイ分光検出器を操作する方法Info
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- JP3143747B2 JP3143747B2 JP02128991A JP12899190A JP3143747B2 JP 3143747 B2 JP3143747 B2 JP 3143747B2 JP 02128991 A JP02128991 A JP 02128991A JP 12899190 A JP12899190 A JP 12899190A JP 3143747 B2 JP3143747 B2 JP 3143747B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
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- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、フォトダイオード・アレイ分光検出器（ph
otodiode array spectrometer）に関する。このような
分光検出器を用いて、例えば、試料物質の吸収スペクト
ルを測定し、試料の化学成分や試料の個別の成分物質の
量に関する情報を得ることができる。
otodiode array spectrometer）に関する。このような
分光検出器を用いて、例えば、試料物質の吸収スペクト
ルを測定し、試料の化学成分や試料の個別の成分物質の
量に関する情報を得ることができる。
従来のフォトダイオード・アレイ分光検出器は、例え
ば、1984年４月のHewlett−Packard Jounalの「A High
−Speed Spectrophotometric LC Detector」に記載され
ている。従来の分光検出器は、クロマトグラフのカラム
から溶出する物質を分析する液体クロマトグラフに用い
られている。従来の分光検出器は、広範囲なスペクトル
の紫外及び可視光線を放射する光源、分析対象の試料物
質が流れる試料セルにビームをフォーカスさせるための
光学系から構成されている。セルを流れる特定の物質に
依存して、試料は試料セルに入る放射線のある特性のス
ペクトル部分を吸収するので、セルに残る放射線のスペ
クトル成分が試料物質を表わすこととなる。
ば、1984年４月のHewlett−Packard Jounalの「A High
−Speed Spectrophotometric LC Detector」に記載され
ている。従来の分光検出器は、クロマトグラフのカラム
から溶出する物質を分析する液体クロマトグラフに用い
られている。従来の分光検出器は、広範囲なスペクトル
の紫外及び可視光線を放射する光源、分析対象の試料物
質が流れる試料セルにビームをフォーカスさせるための
光学系から構成されている。セルを流れる特定の物質に
依存して、試料は試料セルに入る放射線のある特性のス
ペクトル部分を吸収するので、セルに残る放射線のスペ
クトル成分が試料物質を表わすこととなる。
従来の分光検出器では、セルの後続の光学路に配置さ
れた回折格子手段によって試料セルに残る放射線のスペ
クトルを導出する。回折格子は、異なる波長の光線を異
なる方向に導く。フォトダイオードの線形アレイを配置
して格子が回折した光を受信する。各ダイオードは異な
る波長域に対応する光を受信する。各フォトダイオード
に衝突した光によって発生した電気信号は、読み出し回
路によって読み出され、デジタル・データ値に変換され
る。このデータは、特定のダイオードに衝突した光の強
度（intensity of the light）を表す。これらのデータ
値は波長の関数として都合のよい形で、たとえばCRTス
クリーン上に表示される。
れた回折格子手段によって試料セルに残る放射線のスペ
クトルを導出する。回折格子は、異なる波長の光線を異
なる方向に導く。フォトダイオードの線形アレイを配置
して格子が回折した光を受信する。各ダイオードは異な
る波長域に対応する光を受信する。各フォトダイオード
に衝突した光によって発生した電気信号は、読み出し回
路によって読み出され、デジタル・データ値に変換され
る。このデータは、特定のダイオードに衝突した光の強
度（intensity of the light）を表す。これらのデータ
値は波長の関数として都合のよい形で、たとえばCRTス
クリーン上に表示される。
フォトダイオード・アレイは、半導体材料上に製造さ
れ、多数の感光素子から構成される。感光素子は、電子
スイッチを通して共通出力ライン（common output lin
e）（ビデオ・ライン）と接続し、続いて電荷増幅器、
より正確には電荷蓄積器（accumulator）あるいは電荷
−電圧変換器に接続する。各感光素子には接続（associ
ated）コンデンサが備えられ、これはフォトダイオード
の接合容量を表す。感光素子と接続コンデンサの組合せ
は「フォトセル（photocell）」とも呼ばれる。感光物
質に衝突する光は、電荷キャリアを生成し、これらのコ
ンデンサを放電させる。動作時では、最初にフォトセル
のコンデンサをそれぞれ一定の値に充電される。次に、
順次スイッチを閉じることによって予め決められた間隔
で全アレイを走査し、電荷増幅器によってその初期充電
レベルにまでフォトセルを再充電させる。この結果、伝
送された電荷量は、電荷増幅器の出力電圧を変化させ
る。この電圧変化量は、フォトセルを放電させた光の量
に比例する。
れ、多数の感光素子から構成される。感光素子は、電子
スイッチを通して共通出力ライン（common output lin
e）（ビデオ・ライン）と接続し、続いて電荷増幅器、
より正確には電荷蓄積器（accumulator）あるいは電荷
−電圧変換器に接続する。各感光素子には接続（associ
ated）コンデンサが備えられ、これはフォトダイオード
の接合容量を表す。感光素子と接続コンデンサの組合せ
は「フォトセル（photocell）」とも呼ばれる。感光物
質に衝突する光は、電荷キャリアを生成し、これらのコ
ンデンサを放電させる。動作時では、最初にフォトセル
のコンデンサをそれぞれ一定の値に充電される。次に、
順次スイッチを閉じることによって予め決められた間隔
で全アレイを走査し、電荷増幅器によってその初期充電
レベルにまでフォトセルを再充電させる。この結果、伝
送された電荷量は、電荷増幅器の出力電圧を変化させ
る。この電圧変化量は、フォトセルを放電させた光の量
に比例する。
分光検出器の性能を特徴づける３つの重要な量は、ス
ペクトル分解能、スペクトル範囲および感度である。ス
ペクトル分解能は、近接する波長の放射線成分をどれだ
け充分に分離でき、別の成分として識別できるかを示
す。スペクトル範囲は、分光検出器が分析できる波長の
間隔を示す。感度は、微小信号をバックグラウンド・ノ
イズからいかに正確に識別できるかを示し、S/N比に相
当する。フォトダイオード・アレイを光検出素子として
用いた分光検出器において、所与の分解能で、広いスペ
クトル範囲を要求することは、1024個のダイオードを備
える従来の分光検出器のように、多数のフォトダイオー
ドのアレイを必要とする。走査時では、感光素子の各読
み出し時に、新しいデータ値を得、例えば、A/D変換器
等によってさらに処理する。
ペクトル分解能、スペクトル範囲および感度である。ス
ペクトル分解能は、近接する波長の放射線成分をどれだ
け充分に分離でき、別の成分として識別できるかを示
す。スペクトル範囲は、分光検出器が分析できる波長の
間隔を示す。感度は、微小信号をバックグラウンド・ノ
イズからいかに正確に識別できるかを示し、S/N比に相
当する。フォトダイオード・アレイを光検出素子として
用いた分光検出器において、所与の分解能で、広いスペ
クトル範囲を要求することは、1024個のダイオードを備
える従来の分光検出器のように、多数のフォトダイオー
ドのアレイを必要とする。走査時では、感光素子の各読
み出し時に、新しいデータ値を得、例えば、A/D変換器
等によってさらに処理する。
分光検出器の感度は、一般に、分光検出器の光源のパ
ワーを増加させることにより改善することができる。そ
の結果、フォトダイオードに入射する光のパワーも増加
され、よって、感光素子に接続したコンデンサは光のパ
ワーが低い場合より大きく放電される。非線形性を回避
するためにコンデンサを完全に放電させず、そしてフォ
トダイオード・アレイのチップ面積を経済的に使うため
にコンデンサの大きさが制限されるので、光パワーが増
加するとコンデンサを再充電する走査速度を早めなけれ
ばならない。結果として単位時間あたりのデータ値の
数、即ち、データ・レートが増加する。しかしながら、
フォトセルの数を減少させると、スペクトル範囲および
／または分解能が減少する。前述の考察に従えば、従来
のフォトダイオード・アレイ分光検出器は全ての点で十
分ではない。これはスペクトル分解能、スペクトル範
囲、感度とデータ・レートの間に妥協が要求され、その
結果、特定のアプリケーションにおいてこれらのパラメ
ータの全てを同時に所望の値に選択できるとは限らない
からである。したがって、もし高性能の分光検出器を所
望するならば、従来のフォトダイオード・アレイ分光検
出器は、かなり高価な回路費用が要求されることにな
る。
ワーを増加させることにより改善することができる。そ
の結果、フォトダイオードに入射する光のパワーも増加
され、よって、感光素子に接続したコンデンサは光のパ
ワーが低い場合より大きく放電される。非線形性を回避
するためにコンデンサを完全に放電させず、そしてフォ
トダイオード・アレイのチップ面積を経済的に使うため
にコンデンサの大きさが制限されるので、光パワーが増
加するとコンデンサを再充電する走査速度を早めなけれ
ばならない。結果として単位時間あたりのデータ値の
数、即ち、データ・レートが増加する。しかしながら、
フォトセルの数を減少させると、スペクトル範囲および
／または分解能が減少する。前述の考察に従えば、従来
のフォトダイオード・アレイ分光検出器は全ての点で十
分ではない。これはスペクトル分解能、スペクトル範
囲、感度とデータ・レートの間に妥協が要求され、その
結果、特定のアプリケーションにおいてこれらのパラメ
ータの全てを同時に所望の値に選択できるとは限らない
からである。したがって、もし高性能の分光検出器を所
望するならば、従来のフォトダイオード・アレイ分光検
出器は、かなり高価な回路費用が要求されることにな
る。
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、信号処理回
路のコストと複雑性が増すことなく、高感度のフォトダ
イオード・アレイ分光検出器を提供することにある。
路のコストと複雑性が増すことなく、高感度のフォトダ
イオード・アレイ分光検出器を提供することにある。
本発明では、電荷増幅器が出力信号を発生する周波数
より高い周波数で、フォトダイオード・アレイの感光素
子を読み出す。したがって、一定の時間内に発生するデ
ータは、同等の性能を備える従来のフォトダイオード・
アレイに比べて少ない。従来のフォトダイオードでは、
各走査の各フォトダイオードの読み出し時に電荷増幅器
の出力信号を生成する。したがって、分光検出器のデー
タ・レートは小さい値に維持される。電荷増幅回路の出
力信号発生速度は、感光素子の走査速度より小さい。こ
の事実により、従来の分光検出器と比較してデータ・レ
ート、即ち、A/D変換手段によってさらに処理される出
力信号の速度等を増幅させることなく、より多くの光ス
ループット（light throughput）が可能となる。それに
もかかわらず、出力信号のデータ・レートを上昇させず
に感光素子の走査速度を従来の分光検出器より増加させ
ることができるので、飽和効果（saturation effect）
とその結果生ずる感光素子の非線形性を回避する。請求
項１中の「予め定められた個数」は、感光素子の総数よ
り小さく、本実施例の感光素子の総数の1024と比較して
かなり小さいことが好ましく、例えば、２か３、あるい
は８までぐらいである。
より高い周波数で、フォトダイオード・アレイの感光素
子を読み出す。したがって、一定の時間内に発生するデ
ータは、同等の性能を備える従来のフォトダイオード・
アレイに比べて少ない。従来のフォトダイオードでは、
各走査の各フォトダイオードの読み出し時に電荷増幅器
の出力信号を生成する。したがって、分光検出器のデー
タ・レートは小さい値に維持される。電荷増幅回路の出
力信号発生速度は、感光素子の走査速度より小さい。こ
の事実により、従来の分光検出器と比較してデータ・レ
ート、即ち、A/D変換手段によってさらに処理される出
力信号の速度等を増幅させることなく、より多くの光ス
ループット（light throughput）が可能となる。それに
もかかわらず、出力信号のデータ・レートを上昇させず
に感光素子の走査速度を従来の分光検出器より増加させ
ることができるので、飽和効果（saturation effect）
とその結果生ずる感光素子の非線形性を回避する。請求
項１中の「予め定められた個数」は、感光素子の総数よ
り小さく、本実施例の感光素子の総数の1024と比較して
かなり小さいことが好ましく、例えば、２か３、あるい
は８までぐらいである。
高いデータ・レートを用いなければならない場合に要
求される高速A/D変換器、マイクロプロセッサ、大容量
記憶デバイス等のコストのかかるデータ処理およびデー
タ記憶回路は、本発明では不要である。
求される高速A/D変換器、マイクロプロセッサ、大容量
記憶デバイス等のコストのかかるデータ処理およびデー
タ記憶回路は、本発明では不要である。
より高い強度の光源を用いれば従来の分光検出器に比
べて光スループットを大きくすることができる。しかし
ながら、ほとんどの場合光スポットは円形なので、光ス
ループットを増加させるためには、分光検出器のスリッ
ト幅を広げるだけでよく、この結果、特定の波長の放射
線が多数の感光素子を覆うことができる。感光素子に入
射する光線を広げると、光積分効果（light−integrati
ng effect）が同時に生ずる。光学手段やレンズ等の他
の手段によって幅を広げることもできる。分光検出器の
入口スリットは可変幅にしてもよい。そして、感光素子
に入射する放射線の強度が比較的高ければ、小さいスリ
ットを用いて高分解能を得ることができる。放射線の強
度が比較的低い場合は、幅の広いスリットを用いて光の
スループットを増加させ、ノイズの影響を減少させる。
放射線の強度が高ければ、感光素子の感度を考慮するた
め、例えば、小さいスリット幅を用いて、強度を減少さ
せる必要がある場合がある。
べて光スループットを大きくすることができる。しかし
ながら、ほとんどの場合光スポットは円形なので、光ス
ループットを増加させるためには、分光検出器のスリッ
ト幅を広げるだけでよく、この結果、特定の波長の放射
線が多数の感光素子を覆うことができる。感光素子に入
射する光線を広げると、光積分効果（light−integrati
ng effect）が同時に生ずる。光学手段やレンズ等の他
の手段によって幅を広げることもできる。分光検出器の
入口スリットは可変幅にしてもよい。そして、感光素子
に入射する放射線の強度が比較的高ければ、小さいスリ
ットを用いて高分解能を得ることができる。放射線の強
度が比較的低い場合は、幅の広いスリットを用いて光の
スループットを増加させ、ノイズの影響を減少させる。
放射線の強度が高ければ、感光素子の感度を考慮するた
め、例えば、小さいスリット幅を用いて、強度を減少さ
せる必要がある場合がある。
ファクタｎだけ光スループットを増加させ、ｎ個のフ
ォトセルからの信号を累積することによって、従来の分
光検出器と比較すると、S/N比をおよそファクタｎだけ
向上させることができる。光スループットを増加させな
ければ、ファクタはSQR（ｎ）となる。SQRは、平方根の
略号である。
ォトセルからの信号を累積することによって、従来の分
光検出器と比較すると、S/N比をおよそファクタｎだけ
向上させることができる。光スループットを増加させな
ければ、ファクタはSQR（ｎ）となる。SQRは、平方根の
略号である。
電荷増幅器のコンデンサ手段は、予め決められた数の
感光素子の電荷を累積するのに十分大きいことが好まし
い。コンデンサ手段の容量を可変にして異なる条件に合
致するようにすればより有効である。要求されるコンデ
ンサを形成するために並列に切り換えることが可能な複
数個のコンデンサを設けることにより、コンデンサの可
変性を有効に達成することが可能である。コンデンサ手
段の容量が可変であれば、電荷増幅器が供給する電圧増
幅を変化させ、適切な容量を選択することによってさら
にノイズを減少させることが可能である。
感光素子の電荷を累積するのに十分大きいことが好まし
い。コンデンサ手段の容量を可変にして異なる条件に合
致するようにすればより有効である。要求されるコンデ
ンサを形成するために並列に切り換えることが可能な複
数個のコンデンサを設けることにより、コンデンサの可
変性を有効に達成することが可能である。コンデンサ手
段の容量が可変であれば、電荷増幅器が供給する電圧増
幅を変化させ、適切な容量を選択することによってさら
にノイズを減少させることが可能である。
第１図に本発明の一実施例であるフォトダイオード・
アレイ分光検出器を示す。フォトダイオード・アレイ分
光検出器は、分析対象の試料による紫外線および／また
は可視放射線の多色ビームの吸収の測定を可能とする。
分光検出器は、例えば、重水素ランプの光源１を含み、
多色放射線のビーム２を照射させる。ビーム２は、レン
ズ系３によって試料セル５をフォーカスされる。レンズ
系３は、色消し系が好ましく、異なる波長の光線が実質
的に同一の焦点を有することを保証する。フォトダイオ
ード・アレイ11のフォトダイオードにおける暗信号を測
定するため、シャッタを設け、光ビーム２を遮断する。
実際の測定装置や測定プロセスにおいては、ビーム２が
試料セル５を通過し、暗信号及び他の電子的オフセット
信号が測定値から差し引かれ、全ての測定誤差を補償す
る。
アレイ分光検出器を示す。フォトダイオード・アレイ分
光検出器は、分析対象の試料による紫外線および／また
は可視放射線の多色ビームの吸収の測定を可能とする。
分光検出器は、例えば、重水素ランプの光源１を含み、
多色放射線のビーム２を照射させる。ビーム２は、レン
ズ系３によって試料セル５をフォーカスされる。レンズ
系３は、色消し系が好ましく、異なる波長の光線が実質
的に同一の焦点を有することを保証する。フォトダイオ
ード・アレイ11のフォトダイオードにおける暗信号を測
定するため、シャッタを設け、光ビーム２を遮断する。
実際の測定装置や測定プロセスにおいては、ビーム２が
試料セル５を通過し、暗信号及び他の電子的オフセット
信号が測定値から差し引かれ、全ての測定誤差を補償す
る。
試料セル５は、入口と出口から構成し、この間を分析
対象の試料液体が連続的に流れる。このような分光検出
器は、例えば、液体クロマトグラフに用いられ、その入
口はクロマトグラフ・カラムと接続し、ここから試料物
質が連続的に溶出している。
対象の試料液体が連続的に流れる。このような分光検出
器は、例えば、液体クロマトグラフに用いられ、その入
口はクロマトグラフ・カラムと接続し、ここから試料物
質が連続的に溶出している。
試料セル５に入射する多色放射線は、試料セル内の物
質によって部分的に吸収され、試料物質に依存して特定
の波長の光線が他の波長の光線より強く吸収される。そ
の結果、試料セル５から出て、可変幅の入口スリット７
を通ってスペクトログラフ６（spectrograph）に入射す
るビームは、試料セル５に入射したビームとはスペクト
ル成分が異なり、よって、最終のスペクトルは試料セル
中の物質の種類及びその量に関する情報を含む。
質によって部分的に吸収され、試料物質に依存して特定
の波長の光線が他の波長の光線より強く吸収される。そ
の結果、試料セル５から出て、可変幅の入口スリット７
を通ってスペクトログラフ６（spectrograph）に入射す
るビームは、試料セル５に入射したビームとはスペクト
ル成分が異なり、よって、最終のスペクトルは試料セル
中の物質の種類及びその量に関する情報を含む。
入口スリット７を通るビームはホログラフィック回折
格子10に入射し、回折格子10は該ビーム内の異なる波長
に応じて光を分散させる。空間的に分離された回折格子
10からの光線はフォトダイオード・アレイ11に衝突す
る。フォトダイオード・アレイ11は多数の感光性ダイオ
ードから成り、これらは非感光性ギャップによって分離
されている。
格子10に入射し、回折格子10は該ビーム内の異なる波長
に応じて光を分散させる。空間的に分離された回折格子
10からの光線はフォトダイオード・アレイ11に衝突す
る。フォトダイオード・アレイ11は多数の感光性ダイオ
ードから成り、これらは非感光性ギャップによって分離
されている。
フォトダイオード・アレイ11は、フォトダイオードか
らの電気信号を周期的に読み出すための読み出し回路20
に接続される。これらの信号は、フォトダイオードに衝
突するそれぞれの光線の強度を表す。読み出し回路20の
詳細は、第２図と第３図に基づいて以下に説明する。フ
ォトダイオード・アレイ11から読み出された電気信号は
さらに信号処理回路21で処理される。信号処理回路21
は、典型的には、A/D変換器22、およびこれらのデジタ
ル値をストアし、さらに処理するための回路からなる。
読み出し回路20および信号処理回路21の動作は、コント
ローラ23によって制御される。コントローラ23は、典型
的には、マイクロプロセッサを含み、分析された試料の
最終スペクトルを表示するための表示手段の動作も制御
する。信号処理回路21は個々のフォトダイオードからの
電気信号を前述の暗電流や他の効果に関する補正回路を
も含む。
らの電気信号を周期的に読み出すための読み出し回路20
に接続される。これらの信号は、フォトダイオードに衝
突するそれぞれの光線の強度を表す。読み出し回路20の
詳細は、第２図と第３図に基づいて以下に説明する。フ
ォトダイオード・アレイ11から読み出された電気信号は
さらに信号処理回路21で処理される。信号処理回路21
は、典型的には、A/D変換器22、およびこれらのデジタ
ル値をストアし、さらに処理するための回路からなる。
読み出し回路20および信号処理回路21の動作は、コント
ローラ23によって制御される。コントローラ23は、典型
的には、マイクロプロセッサを含み、分析された試料の
最終スペクトルを表示するための表示手段の動作も制御
する。信号処理回路21は個々のフォトダイオードからの
電気信号を前述の暗電流や他の効果に関する補正回路を
も含む。
第２図はフォトダイオード・アレイ11を示す。フォト
ダイオード・アレイ11はｎ個の個別のフォトダイオード
15−1,..,15−ｎからなり、半導体チップの部分を形成
する。各フォトダイオードは（もし入口スリット７が分
光検出器のの最高分解能に対応した小さい幅であれば）
回折された放射線の特定のスペクトル部分を遮断する。
各フォトダイオードは接続コンデンサCd1,..,Cdnを有
し、フォトダイオードの接合容量を表す。または、個別
のコンデンサがフォトダイオードと並列に切換えられる
場合では、このコンデンサと接合容量の和となる。フォ
トダイオード及び接続コンデンサはまたフォトセルCell
1,..,Cell 2,...Cellnとも呼ばれている。セル1,...,n
は共通ビデオ・ライン30に接続されている。個別のセル
とビデオ・ライン30間の電気接続は、電子的スイッチ手
段SW1,....,SWnよりそれぞれ遮断される。スイッチはス
イッチ制御回路31によって制御される。以下に第３図を
参照しながらスイッチ制御回路31の詳細を説明する。
ダイオード・アレイ11はｎ個の個別のフォトダイオード
15−1,..,15−ｎからなり、半導体チップの部分を形成
する。各フォトダイオードは（もし入口スリット７が分
光検出器のの最高分解能に対応した小さい幅であれば）
回折された放射線の特定のスペクトル部分を遮断する。
各フォトダイオードは接続コンデンサCd1,..,Cdnを有
し、フォトダイオードの接合容量を表す。または、個別
のコンデンサがフォトダイオードと並列に切換えられる
場合では、このコンデンサと接合容量の和となる。フォ
トダイオード及び接続コンデンサはまたフォトセルCell
1,..,Cell 2,...Cellnとも呼ばれている。セル1,...,n
は共通ビデオ・ライン30に接続されている。個別のセル
とビデオ・ライン30間の電気接続は、電子的スイッチ手
段SW1,....,SWnよりそれぞれ遮断される。スイッチはス
イッチ制御回路31によって制御される。以下に第３図を
参照しながらスイッチ制御回路31の詳細を説明する。
ビデオ・ライン30は電荷増幅器32に接続される。電荷
増幅器32は、帰還ループでコンデンサ手段37を備える演
算増幅器33からなる積分器として設計されている。演算
増幅器32の非反転入力端子は信号Ｕガードに接続し、そ
の電位は、例えば、−5Vと一定である。ゆえに反転入力
端子（ビデオライン30）は仮想的に同電位となる。各電
荷転送の前にコンデンサ手段における制御可能なリセッ
ト・スイッチ38を閉じ、積分器をリセットする。動作に
おいて、選択されたフォトセルのコンデンサは、最初に
一定値に充電される。光子が感光物質に浸透すると電荷
キャリアが発生し、与えられた積分時間内に受信された
光子の量に応じてコンデンサを放電する。各コンデンサ
の放電レベルは積分帰還に入射した光の強度に比例す
る。
増幅器32は、帰還ループでコンデンサ手段37を備える演
算増幅器33からなる積分器として設計されている。演算
増幅器32の非反転入力端子は信号Ｕガードに接続し、そ
の電位は、例えば、−5Vと一定である。ゆえに反転入力
端子（ビデオライン30）は仮想的に同電位となる。各電
荷転送の前にコンデンサ手段における制御可能なリセッ
ト・スイッチ38を閉じ、積分器をリセットする。動作に
おいて、選択されたフォトセルのコンデンサは、最初に
一定値に充電される。光子が感光物質に浸透すると電荷
キャリアが発生し、与えられた積分時間内に受信された
光子の量に応じてコンデンサを放電する。各コンデンサ
の放電レベルは積分帰還に入射した光の強度に比例す
る。
これらのコンデンサは、さらに、走査シーケンス毎に
周期的に再充電される。再充電による電荷転送量により
電荷増幅器の出力電圧が変化し、その変化量は積分時間
における入射光レベルの積分値に比例する。電荷増幅器
32の出力信号、「PDA信号」はここではさらに付加回
路、本実施例においてはサンプル／ホールド回路35およ
びA/D変換器によって処理される。電荷増幅器からセル
への各電荷転送の前にリセット・スイッチ38を閉じ、次
の電荷転送に備えて電荷増幅器32をリセットする。
周期的に再充電される。再充電による電荷転送量により
電荷増幅器の出力電圧が変化し、その変化量は積分時間
における入射光レベルの積分値に比例する。電荷増幅器
32の出力信号、「PDA信号」はここではさらに付加回
路、本実施例においてはサンプル／ホールド回路35およ
びA/D変換器によって処理される。電荷増幅器からセル
への各電荷転送の前にリセット・スイッチ38を閉じ、次
の電荷転送に備えて電荷増幅器32をリセットする。
第３図にコンデンサ手段37の詳細を示す。本実施例で
は、７個の複数個のコンデンサ40−1,..,40−７を含
む。これらは、それぞれ感光素子を形成するダイオード
の容量の1/8倍、1/4倍、1/2倍、１倍、２倍、４倍、８
倍となる。コンデンサ40は対応する制御可能なスイッチ
41とそれぞれ直列に接続する。スイッチ41はFETより形
成され、その制御電極はデコーダ44の各出力と接続す
る。さまざまな選択可能のコンデンサを備える目的は、
まず、第１に蓄積されたフォトセルの数に応じた適切な
量のフルスケール容量を提供することであり、第２にフ
ォトセルの各個別の集群（each individual bunch of p
hotocells）に対して適切な利得設定能力を提供するこ
とである。
は、７個の複数個のコンデンサ40−1,..,40−７を含
む。これらは、それぞれ感光素子を形成するダイオード
の容量の1/8倍、1/4倍、1/2倍、１倍、２倍、４倍、８
倍となる。コンデンサ40は対応する制御可能なスイッチ
41とそれぞれ直列に接続する。スイッチ41はFETより形
成され、その制御電極はデコーダ44の各出力と接続す
る。さまざまな選択可能のコンデンサを備える目的は、
まず、第１に蓄積されたフォトセルの数に応じた適切な
量のフルスケール容量を提供することであり、第２にフ
ォトセルの各個別の集群（each individual bunch of p
hotocells）に対して適切な利得設定能力を提供するこ
とである。
デコーダの出力によりFETが制御され、所望のコンデ
ンサを積分器の帰還ループ内に切り換える。どのコンデ
ンサの組合せで切り換えるかは、集群（bunch）1,....,
集群３の信号ラインと、利得１と利得２の信号ライン上
のパターンに依存する。利得１及び利得２のライン上の
パターンは、フォトセルの個別集群に対する実際の利得
ファクタ（１、２、４、８）を表す。集群１、...、集
群３のライン上のパターンは、その出力が累積されるフ
ォトセルの個数の２進化コードを表す。本実施例では、
１から８までの範囲の数が可能である。集群は、フォト
ダイオード・アレイの連続したフォトセルからなる。
ンサを積分器の帰還ループ内に切り換える。どのコンデ
ンサの組合せで切り換えるかは、集群（bunch）1,....,
集群３の信号ラインと、利得１と利得２の信号ライン上
のパターンに依存する。利得１及び利得２のライン上の
パターンは、フォトセルの個別集群に対する実際の利得
ファクタ（１、２、４、８）を表す。集群１、...、集
群３のライン上のパターンは、その出力が累積されるフ
ォトセルの個数の２進化コードを表す。本実施例では、
１から８までの範囲の数が可能である。集群は、フォト
ダイオード・アレイの連続したフォトセルからなる。
表１にデコーダの真理値表を示す。ここでは、コンデ
ンサ１〜７は、コンデンサ40−１〜40−７を表す。
ンサ１〜７は、コンデンサ40−１〜40−７を表す。
分析が完了するまでは、集群１、..、集群３の信号ラ
イン・パターンは（入口スリットの幅に応じて一定に維
持されると同時に、信号ライン利得１、利得２上のパタ
ーンは個別のフォトセルの集群ごとに制御される。全て
のフォトセルの個別集群に対する利得パターンは、一定
の利得ファクタでブランク走査をおこない、個々の波長
インクリメントに対する光子密度にしたがって利得パタ
ーンを割り当て、これらは分析のはじめにコントローラ
のメモリにストアされる。分析をおこなっている間、フ
ォトセルの集群を読み出す前に、コントローラが実際の
利得パターンを利得１および利得２の信号ラインにセッ
トし、リセット・ラインを通してリセット・スイッチを
起動することにより電荷蓄積器をリセットする。「リセ
ット」パルスの間、全てのコンデンサが帰還ループ内に
切り換えられる。こうして電荷蓄積器のリセット動作
で、全てのコンデンサがゼロとなる。
イン・パターンは（入口スリットの幅に応じて一定に維
持されると同時に、信号ライン利得１、利得２上のパタ
ーンは個別のフォトセルの集群ごとに制御される。全て
のフォトセルの個別集群に対する利得パターンは、一定
の利得ファクタでブランク走査をおこない、個々の波長
インクリメントに対する光子密度にしたがって利得パタ
ーンを割り当て、これらは分析のはじめにコントローラ
のメモリにストアされる。分析をおこなっている間、フ
ォトセルの集群を読み出す前に、コントローラが実際の
利得パターンを利得１および利得２の信号ラインにセッ
トし、リセット・ラインを通してリセット・スイッチを
起動することにより電荷蓄積器をリセットする。「リセ
ット」パルスの間、全てのコンデンサが帰還ループ内に
切り換えられる。こうして電荷蓄積器のリセット動作
で、全てのコンデンサがゼロとなる。
増幅度１ではコンデンサ手段37の全容量は１つの集群
のフォトダイオードの数を容量Cdに掛けたものである。
増幅度が１より大きいと、総容量は小さくなる。
のフォトダイオードの数を容量Cdに掛けたものである。
増幅度が１より大きいと、総容量は小さくなる。
第４図では、フォトダイオード・アレイに送られるク
ロック信号およびフォトセル出力の累積を行わない場合
と出力を行うフォトセルの個数が２の場合と３の場合に
ついて、接続リセット信号と出力信号（V out）を示
す。ここでは、スケールされていないことに注意する。
クロック（PDA開始、クロック１、クロック２）のため
のクロック周波数は可変することができ、入口スリット
の幅に依存して光密度に適合させなければならない。も
し、スリットの幅を大きくすれば入口スリットによって
スペクトル分解能が優勢になり、スペクトログラフの全
スペクトル分解能にあまり影響を与えずにフォトセルの
集群が可能になる。フォトセルの集群はより高速の走査
を補償し、A/D変換器の変換速度を一定に保つことがで
きる。第４図は、フォトセルが「累積されていない」
（ａ）（これは、分光検出器の周知の種類の動作であ
る。）２個のフォトセルの出力を累積している場合
（ｂ）、３個のフォトセルの出力を累積している場合
（ｃ）、の信号を夫々示す。
ロック信号およびフォトセル出力の累積を行わない場合
と出力を行うフォトセルの個数が２の場合と３の場合に
ついて、接続リセット信号と出力信号（V out）を示
す。ここでは、スケールされていないことに注意する。
クロック（PDA開始、クロック１、クロック２）のため
のクロック周波数は可変することができ、入口スリット
の幅に依存して光密度に適合させなければならない。も
し、スリットの幅を大きくすれば入口スリットによって
スペクトル分解能が優勢になり、スペクトログラフの全
スペクトル分解能にあまり影響を与えずにフォトセルの
集群が可能になる。フォトセルの集群はより高速の走査
を補償し、A/D変換器の変換速度を一定に保つことがで
きる。第４図は、フォトセルが「累積されていない」
（ａ）（これは、分光検出器の周知の種類の動作であ
る。）２個のフォトセルの出力を累積している場合
（ｂ）、３個のフォトセルの出力を累積している場合
（ｃ）、の信号を夫々示す。
スイッチ手段（SW 1からSW n、38、41）は全て電子的
スイッチング素子であるが、図を簡略化するための単純
なスイッチとして示した。
スイッチング素子であるが、図を簡略化するための単純
なスイッチとして示した。
以上説明したように、本願発明により、信号処理系の
回路構成を複雑化することなく、安価で高精度なフォト
ダイオード・アレイ分光検出器を得ることができる。
回路構成を複雑化することなく、安価で高精度なフォト
ダイオード・アレイ分光検出器を得ることができる。
第１図は本発明の一実施例であるフォトダイオード・ア
レイ分光検出器の概略図。 第２図は本発明の一実施例であるフォトダイオード・ア
レイ分光検出器の読み出し回路の概略図。 第３図は本発明の一実施例であるフォトダイオード・ア
レイ分光検出器のスイッチ制御回路の部分詳細図。 第４図は本発明の一実施例であるフォトダイオード・ア
レイ分光検出器の動作説明図。 1:光源、3:レンズ系、5:試料セル、 7:入口スロット、10:回折格子、 11:フォトダイオード・アレイ、 20:読み出し回路、21:信号処理回路、 22:A/D変換器、23:コントローラ、 30:ビデオ・ライン、 31:スイッチ制御回路、 32:電荷増幅器、 35:サンプル・ホールド回路、 44:デコーダ。
レイ分光検出器の概略図。 第２図は本発明の一実施例であるフォトダイオード・ア
レイ分光検出器の読み出し回路の概略図。 第３図は本発明の一実施例であるフォトダイオード・ア
レイ分光検出器のスイッチ制御回路の部分詳細図。 第４図は本発明の一実施例であるフォトダイオード・ア
レイ分光検出器の動作説明図。 1:光源、3:レンズ系、5:試料セル、 7:入口スロット、10:回折格子、 11:フォトダイオード・アレイ、 20:読み出し回路、21:信号処理回路、 22:A/D変換器、23:コントローラ、 30:ビデオ・ライン、 31:スイッチ制御回路、 32:電荷増幅器、 35:サンプル・ホールド回路、 44:デコーダ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01J 3/00 - 3/52 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＷＰＩ／Ｌ（ＱＵＥＳＴＥＬ)
Claims (8)
- 【請求項１】以下の（ア）から（エ）を設けて複数の色
成分を有する光線のスペクトル成分を判定するフォトダ
イオード・アレイ分光検出器において、以下のステップ
（ａ）を設けたことを特徴とするフォトダイオード・ア
レイ分光検出器を操作する方法： （ア）前記複数の色成分を有する光線の各種の波長の光
を捕らえる複数の感光素子のアレイ； （イ）夫々が前記複数の感光素子のひとつに接続された
複数のスイッチ； （ウ）前記スイッチに接続され、前記スイッチを開閉し
前記感光素子によってとらえられた前記光の量を表す信
号を読出しサイクル中に生成する読出し回路； （エ）前記スイッチが閉じられたときそれに関連付けら
れた前記感光素子へ電荷を転送し、これによって前記転
送された電荷を表す電圧変化を出力にもたらす電荷増幅
器回路； （ａ）１よりも大きなあらかじめ定められた個数の前記
スイッチが閉じられる毎に前記電荷増幅器回路によって
累積された電荷を表す出力信号を出力し、これにより、
前記出力信号が、対応する複数の前記感光素子によって
とらえられた複数の前記光の量の全体を表すようにす
る。 - 【請求項２】複数の色成分を有する光線の各種の波長の
光を捕らえる複数の感光素子のアレイと、 夫々が前記複数の感光素子のひとつに接続された複数の
スイッチと、 前記スイッチに接続され、前記スイッチを開閉し前記感
光素子によってとらえられた前記光の量を表す信号を読
出しサイクル中に生成する読出し回路 を設け、 前記スイッチの出力端子は共通ビデオ・ラインに接続さ
れ、 前記共通ビデオ・ラインは前記スイッチが閉じられたと
きそれに関連付けられた前記感光素子へ電荷を転送し、
これによって前記転送された電荷を表す電圧変化であっ
て、当該感光素子に対応する前記スイッチが前回開いて
以来の当該感光素子へ入射した前記光の量に比例する前
記電圧変化を出力にもたらす電荷増幅器回路に接続され
る フォトダイオード・アレイ分光検出器において、 前記電荷増幅器回路はそのフィードバック・ループ中に
容量手段を有する積分器を有し、 前記容量手段のキャパシタンスは複数の前記感光素子に
基づく信号を積分するのに充分な大きさである ことを特徴とするフォトダイオード・アレイ分光検出
器。 - 【請求項３】前記容量手段の前記キャパシタンスは制御
可能であることを特徴とする請求項２記載のフォトダイ
オード・アレイ分光検出器。 - 【請求項４】前記容量手段の前記キャパシタンスは２の
べき乗倍に制御可能であることを特徴とする請求項３記
載のフォトダイオード・アレイ分光検出器。 - 【請求項５】前記容量手段は複数のキャパシタを有し、 前記キャパシタは複数の異なるキャパシタンスを形成で
きるように制御可能な切替え手段によって並列に切り替
えできる ことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のフ
ォトダイオード・アレイ分光検出器。 - 【請求項６】特定の波長の前記光が複数の隣接する前記
感光素子に入射するように前記光線の幅を拡げる拡張手
段を設けたことを特徴とする請求項２から５のいずれか
に記載のフォトダイオード・アレイ分光検出器。 - 【請求項７】前記拡張手段が前記光線のための入り口ス
リットの幅を設定することによって実現されることを特
徴とする請求項６記載のフォトダイオード・アレイ分光
検出器。 - 【請求項８】前記光線のための入り口スリットの幅が可
変であることを特徴とする請求項２から７のいずれかに
記載のフォトダイオード・アレイ分光検出器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP89109138.1 | 1989-05-20 | ||
| EP89109138A EP0399057B1 (en) | 1989-05-20 | 1989-05-20 | Method for operating a photodiode array spectrometer and photodiode array spectrometer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0310126A JPH0310126A (ja) | 1991-01-17 |
| JP3143747B2 true JP3143747B2 (ja) | 2001-03-07 |
Family
ID=8201382
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02128991A Expired - Fee Related JP3143747B2 (ja) | 1989-05-20 | 1990-05-18 | フォトダイオード・アレイ分光検出器とフォトダイオード・アレイ分光検出器を操作する方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5116123A (ja) |
| EP (1) | EP0399057B1 (ja) |
| JP (1) | JP3143747B2 (ja) |
| DE (1) | DE68903831T2 (ja) |
| ES (1) | ES2035985T3 (ja) |
Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP2005504313A (ja) * | 2001-10-01 | 2005-02-10 | ユーディー テクノロジー コーポレーション | 実時間ｉｒ分光法の装置および方法 |
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|---|---|---|---|---|
| GB2250089A (en) * | 1990-11-21 | 1992-05-27 | Philips Electronic Associated | Spectrometer |
| GB2259135A (en) * | 1991-09-02 | 1993-03-03 | Zed Instr Ltd | Colour analysis |
| FR2704650B1 (fr) * | 1993-04-27 | 1995-06-09 | Savoie Universite | Procédé et dispositif pour la détection et l'identification instantanées d'une entité. |
| US6204919B1 (en) | 1993-07-22 | 2001-03-20 | Novachem Bv | Double beam spectrometer |
| US5684582A (en) * | 1994-03-18 | 1997-11-04 | Lucid Technologies, Inc. | Spectrophotometry |
| DE4413096B4 (de) * | 1994-04-15 | 2004-09-09 | Berthold Gmbh & Co. Kg | Multielement-Atomabsorptionsspektrometer sowie Meßverfahren unter Nutzung eines solchen Atomabsorptionsspektrometers |
| JP3397580B2 (ja) * | 1996-06-07 | 2003-04-14 | ペンタックス株式会社 | 遠隔操作可能なスキャナ |
| US5774209A (en) * | 1996-10-08 | 1998-06-30 | Spectronic Instruments, Inc. | Transmittance cell for spectrophotometer |
| KR20010084555A (ko) * | 2000-02-26 | 2001-09-06 | 타게지 미야키 | 흐림 및 결로를 방지하기 위한 장치를 구비한 커브미러 |
| AU2001252085A1 (en) | 2000-06-27 | 2002-01-08 | Alberta Research Council Inc. | Multiple pathlength spectrophotometer |
| DE60118202T2 (de) * | 2000-08-03 | 2007-04-12 | Hamamatsu Photonics K.K., Hamamatsu | Optischer sensor |
| US6534768B1 (en) | 2000-10-30 | 2003-03-18 | Euro-Oeltique, S.A. | Hemispherical detector |
| DE10054062A1 (de) * | 2000-10-31 | 2002-05-16 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Verfahren zur Positionsbestimmung und Positionsmesseinrichtung zur Ausführung des Verfahrens |
| JP2004112034A (ja) | 2002-09-13 | 2004-04-08 | Canon Inc | 撮像装置 |
| FR2859279B1 (fr) * | 2003-09-03 | 2005-11-25 | Jobin Yvon Sas | Dispositif et procede de mesure spectroscopique avec un dispositif d'imagerie comprenant une matrice de photodetecteurs |
| JP5197915B2 (ja) | 2005-06-20 | 2013-05-15 | 浜松ホトニクス株式会社 | イメージセンサ |
| DE202008003977U1 (de) * | 2008-02-26 | 2009-07-02 | Bürkert Werke GmbH & Co. KG | Mikrospektrometer |
| JP5150939B2 (ja) * | 2008-10-15 | 2013-02-27 | 大塚電子株式会社 | 光学特性測定装置および光学特性測定方法 |
| JP2012078200A (ja) * | 2010-10-01 | 2012-04-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 分光計測装置 |
| JP5475057B2 (ja) | 2012-04-20 | 2014-04-16 | 株式会社 オフィス・カラーサイエンス | 変角分光イメージング測定方法およびその装置 |
| US9945774B2 (en) | 2012-04-24 | 2018-04-17 | Siemens Healthcare Diagnostics Inc. | Channel light measurement apparatus having reduced signal-to-noise ratio |
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| US4678917A (en) * | 1985-02-19 | 1987-07-07 | The Perkin-Elmer Corporation | Instantaneous reading multichannel polychromatic spectrophotometer method and apparatus |
| EP0355174B1 (en) * | 1988-08-17 | 1993-02-24 | Hewlett-Packard GmbH | Photodiode array spectrometer |
-
1989
- 1989-05-20 DE DE8989109138T patent/DE68903831T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1989-05-20 ES ES198989109138T patent/ES2035985T3/es not_active Expired - Lifetime
- 1989-05-20 EP EP89109138A patent/EP0399057B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1989-12-21 US US07/454,371 patent/US5116123A/en not_active Expired - Lifetime
-
1990
- 1990-05-18 JP JP02128991A patent/JP3143747B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
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| ES2035985T3 (es) | 1993-05-01 |
| DE68903831T2 (de) | 1993-04-15 |
| EP0399057A1 (en) | 1990-11-28 |
| US5116123A (en) | 1992-05-26 |
| EP0399057B1 (en) | 1992-12-09 |
| JPH0310126A (ja) | 1991-01-17 |
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