JP4440885B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物から放出される光を測定する撮像装置に関するものである。

被測定物から放出される光を測定する撮像装置としては、特に励起光を照射された被測定物から発せられる蛍光を撮像する蛍光撮像装置がある。この蛍光撮像装置は、励起光を生体被測定部に照射し、被測定部から発せられた蛍光をモザイクフィルタがオンチップされたＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）撮像素子の撮像面で受光する。ＣＣＤ撮像素子から信号を読み出す際には、まず撮像面の各画素（光電変換素子と電荷蓄積素子との組み合わせ）に蓄積された電荷を横１ラインづつ、順次水平シフトレジスタに転送し、出力回路を介して順次読み出す。蛍光撮像領域から水平シフトレジスタに転送された電荷は、通常の速度で読み出される。非撮像領域から転送された電荷は通常の１０倍の速度で読み出される。この背景技術の一例は特許文献（日本国特許出願公開公報、特開２００１−２１２０７２号）に記載されている。

上記背景技術であっても、全ての撮像領域から転送された電荷を通常の速度で読み出すことに比較すれば、信号読み出し時間を短縮することができる。しかしながら、より高速に電荷を読み出すことが要望されているところ、横１ラインづつ蓄積された電荷を読み出している従来技術では、読み出しの高速化には一定の限界がある。

そこで本発明では、光電変換された電荷をより高速に読み出すことができる撮像装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、電荷の読み出し速度の高速化とあわせて利用できる読み出し方法の可能性について種々の検討を行った。その検討の過程で、いわゆる非撮像領域から転送される電荷はデータとして利用されないものであるから、所定の処理を施しても実質的な影響は極めて少ない場合があることを見いだした。本発明はこの知見に基づいてなされたものである。

本発明の撮像装置は、被測定光が照射される第１画素群と実質的に被測定光が照射されない第２画素群とのいずれかに属し、相互に交わる第１の方向および第２の方向に２次元配列されている画素と、第１の方向に転送される電荷を画素から受け取って蓄積し、当該蓄積した電荷を第２の方向に転送する水平転送レジスタと、画素および水平転送レジスタに対して電荷を転送するための転送信号を出力する制御手段とを含み、制御手段は、第２画素群に属する画素が光電変換した電荷が第１の方向に重ね合わされて水平転送レジスタに蓄積された後に第２の方向に転送され、第１画素群に属する画素が光電変換した電荷が第１の方向に一段毎に蓄積されて第２の方向に転送されるように転送信号を出力することを特徴とする。

本発明の撮像装置によれば、制御手段は第２画素群に属する画素が光電変換した電荷を重ね合わせるように蓄積させるので、有効なデータとしては用いられない電荷をまとめることができる。すなわち、複数段に渡って配置されている第２画素群に属する画素が光電変換した電荷を第２の方向における一度の転送で掃き出すことができるので、第１画素群に属する画素が光電変換した電荷をより高速に読み出すことができる。

また本発明の撮像装置において、制御手段は、第１画素群に属する画素に転送信号を出力して、当該画素が光電変換した電荷を第１の方向に転送させると共に、第２の方向に沿う一の段の画素が第１画素群に属する場合には、当該一の段の画素が光電変換した電荷が水平転送レジスタに転送される前の段において水平転送レジスタに対して転送信号を出力することも好ましい。第１画素群に属する画素が光電変換した電荷が順次転送されて水平転送レジスタに転送される前の段において、制御手段がその水平転送レジスタに対して転送信号を出力するので、水平転送レジスタに蓄積されている電荷を効率よく掃き出すことができる。

また本発明の撮像装置では、第２の方向に沿う一の段の画素が第１画素群に属する画素と第２画素群に属する画素とを含むものである場合に、制御手段は、第２の方向に沿う一の段の第１画素群に属する画素に対応する水平転送レジスタから電荷が掃き出されて新たな電荷を受け入れ可能となっている場合には、一の段の画素に対して転送信号を出力して水平転送レジスタに電荷を転送させることも好ましい。例えば、一の段の画素のうち中心近傍の画素が第１の画素群に属し、両端近傍の画素が第２の画素群に属している場合に、この一の段の前段の電荷が順次掃き出されて一の段の中心近傍の画素に対応する水平転送レジスタが新たな電荷を受け入れ可能となっている場合には、一の段の画素に対して転送信号を出力する。この場合には、両端近傍の画素が光電変換した電荷は他の段の電荷と重ねあわされるけれども、両端近傍の画素が光電変換した電荷は有効なデータとしては用いられない電荷であるから実質的な影響は極めて少ない。従って、第１画素群に属する画素が光電変換した電荷をより高速に読み出すことができる。

また本発明の撮像装置では、第２画素群に属する画素で発生した電荷を掃き捨てさせるための電子シャッタ信号を出力する電子シャッタ信号出力手段を備えることも好ましい。被測定光が実質的に照射されない画素で発生した電荷を掃き捨てることができるので、第１画素群に属する画素で発生した電荷を垂直方向に転送した後に続けて撮像することが可能となる。

本発明の撮像装置は、被測定光が照射される第１光電変換素子群と実質的に前記被測定光が照射されない第２光電変換素子群とのいずれかに属し、相互に交わる第１の方向および第２の方向に２次元配列されている光電変換素子と、光電変換素子で光電変換された電荷を蓄積し、当該蓄積した電荷を第１の方向に転送する第１電荷蓄積素子と、第１の方向に転送される電荷を第１電荷蓄積素子から受け取って蓄積し、当該蓄積した電荷を第２の方向に転送する第２電荷蓄積素子と、第１電荷蓄積素子および第２電荷蓄積素子に対して電荷を転送するための転送信号を出力する制御手段とを含み、第２の方向に沿う一の段の光電変換素子が第１光電変換素子群に属する光電変換素子と第２光電変換素子群に属する光電変換素子とを含むものである場合に、制御手段は、第２の方向に沿う一の段の第１光電変換素子群に属する光電変換素子に対応する第２電荷蓄積素子から電荷が掃き出されて新たな電荷が受け入れ可能となっている場合には、一の段の光電変換素子に対応する第１電荷蓄積素子に対して転送信号を出力して第２電荷蓄積素子に電荷を転送させることを特徴とする。

本発明の撮像装置によれば、制御手段は第２光電変換素子群に属する光電変換素子が光電変換した電荷を重ね合わせるように蓄積させるので、有効なデータとしては用いられない電荷をまとめることができる。すなわち、複数段に渡って配置されている第２光電変換素子群に属する光電変換素子が光電変換した電荷を第２の方向における一度の転送で掃き出すことができるので、第１光電変換素子群に属する光電変換素子が光電変換した電荷をより高速に読み出すことができる。また例えば、一の段の光電変換素子のうち中心近傍の光電変換素子が第１の光電変換素子群に属し、両端近傍の光電変換素子が第２の光電変換素子群に属している場合に、この一の段の前段の電荷が順次掃き出されて一の段の中心近傍の光電変換素子に対応する第２電荷蓄積素子が新たな電荷を受け入れ可能となっている場合には、一の段の光電変換素子に対応する第１電荷蓄積素子に対して転送信号を出力する。この場合には、両端近傍の光電変換素子が光電変換した電荷は他の段の電荷と重ねあわされる場合もあるけれども、両端近傍の光電変換素子が光電変換した電荷は有効なデータとしては用いられない電荷であるから実質的な影響は極めて少ない。従って、第１光電変換素子群に属する光電変換素子が光電変換した電荷をより高速に読み出すことができる。

図１は、本発明の実施形態である分光器の構成を示した図である。

図２は、図１のカメラの構成を示した図である。

図３Ａは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図３Ｂは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図３Ｃは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図３Ｄは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図３Ｅは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図４Ａは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図４Ｂは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図４Ｃは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図４Ｄは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図４Ｅは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図４Ｆは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図４Ｇは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図５Ａは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図５Ｂは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図５Ｃは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図５Ｄは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図５Ｅは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図５Ｆは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図５Ｇは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図６Ａは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図６Ｂは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図６Ｃは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図６Ｄは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図６Ｅは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図６Ｆは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図６Ｇは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図６Ｈは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図６Ｉは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図６Ｊは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図６Ｋは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図６Ｌは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図７Ａは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図７Ｂは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図７Ｃは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図７Ｄは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図７Ｅは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図７Ｆは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図７Ｇは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図７Ｈは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図７Ｉは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図７Ｊは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図７Ｋは、図２のカメラにおける電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図８Ａは、本発明の実施形態の電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図８Ｂは、本発明の実施形態の電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図８Ｃは、本発明の実施形態の電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図８Ｄは、本発明の実施形態の電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図８Ｅは、本発明の実施形態の電荷の読み出し方法を説明するための図である。

図９Ａは、本発明の実施形態のＣＣＤの動作タイミングを説明するための図である。

図９Ｂは、本発明の実施形態のＣＣＤの動作タイミングを説明するための図である。

図１０Ａは、本発明の実施形態のＣＣＤの動作タイミングを説明するための図である。

図１０Ｂは、本発明の実施形態のＣＣＤの動作タイミングを説明するための図である。

図１１は、本発明の実施形態であるストリークカメラの構成を示した図である。

本発明の知見は、例示のみのために示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解することができる。引き続いて、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

本発明の実施形態である分光器（撮像装置）１について説明する。図１は分光器１の構成を示す図である。分光器１は、分光光学系２とカメラ（撮像装置）１ａとを含む。被測定光５は分光光学系を通ってカメラ１の撮像部１０の所定領域（図２で説明する。）に照射される。撮像部１０は、同期回路（制御手段、電子シャッタ信号出力手段）２０から出力されるパルス信号に応じて各画素が光電変換および電荷転送を行うことでデータを読み出す。この読み出したデータは読み出し回路２２を介して外部に出力される。同期回路２０は外部同期信号および内部同期信号に基づいてパルス信号を撮像部１０に出力する。この出力タイミングは制御部（制御手段、電子シャッタ信号出力手段）２１からの指示信号に基づいて適宜設定される。

分光光学系２およびカメラ１ａの構成を図２に示す。分光光学系２は、レンズ３およびスリット４を含んで構成され、レンズ３に入射した被測定光５は、レンズ３およびスリット４を通過して、撮像部１０の所定領域１０ａに照射される。

撮像部１０はＣＣＤ撮像素子で構成され、本実施形態の場合には、各画素が受光して光電変換した電荷を順次転送してデータを出力するフレーム転送方式を採用している。同期回路２０から撮像部１０の各画素へは信号線２０ａを介して所定の信号が出力される。また、同期回路２０から水平転送レジスタ１１の各電荷蓄積素子へは信号線２０ｂを介して所定の信号が出力される。

撮像部１０の各画素は同期回路２０からの露光信号に応じて露光し、受光した光を光電変換する。撮像部１０の各画素は更に同期回路２０からの転送信号に応じてその光電変換して蓄積した電荷を、水平転送レジスタ１１に向かう方向（第１の方向）に転送する。撮像部１０の水平転送レジスタ１１に隣接する画素まで電荷が転送されてくると、その電荷は水平転送レジスタ１１に受け渡される。

水平転送レジスタ１１は同期回路２０からの転送信号に応じて撮像部１０から受け渡された電荷を、読み出し回路２２に向かう方向（第２の方向）に転送する。従って、このカメラ１ａを用いれば、撮像部１０の所定領域１０ａに照射される被測定光５を測定し、その測定結果を出力データとして外部に出力できる。

より具体的な電荷の読み出し方法について、図３Ａ〜図３Ｅを用いて説明する。図３Ａは、撮像部１０に被測定光５が照射されて、撮像部１０の各画素が受光した状態を模式的に示した図である。撮像部１０の画素は、第１段１０１〜第６段１０６に分けられて配置されている。各段には１０個の画素が配置されている。従って、撮像部１０の画素は水平方向と垂直方向とに２次元的に配置されている。図２の所定領域１０ａに対応する画素は、第３段および第４段に配置されている画素である。図３Ａにおいて丸印が付されている領域は、被測定光５が照射されている画素であることを示し、一重斜線が付されている領域は、実質的に被測定光５が照射されていない画素であることを示している。

図３Ａの状態から撮像部１０の各画素には同期回路２０から転送信号が入力される。撮像部１０の各画素の電荷は一段づつ水平転送レジスタ１１方向に転送される。従って、図３Ｂのように撮像部１０の第６段１０６の画素に蓄積された電荷は、水平転送レジスタ１１に受け渡される。更に、同期回路２０から撮像部１０に転送信号が入力されると、図３Ａにおける第５段１０５の画素に蓄積された電荷も、水平転送レジスタ１１に受け渡される。従って、図３Ｃにおいては、図３Ａにおける第５段１０５および第６段１０６の画素において光電変換された電荷が、水平転送レジスタ１１において重ね合わされていることとなる。図３Ｃで水平転送レジスタ１１の各領域に二重斜線が記入されているのは、このように２段に渡る電荷が重ねあわされていることを示している。

図３Ｃの状態から、同期回路２０から水平転送レジスタ１１へは転送信号が入力され、水平転送レジスタ１１に蓄積された電荷が順次掃き出される（図３Ｄ））。ここで、図３Ｃの状態から更に図３Ａにおける第４段１０４の画素において光電変換された電荷を水平転送レジスタ１１に受け渡さないのは、図３Ａにおける第４段１０４の画素は被測定光５が照射されていて有効なデータを蓄積しているためである。従って、水平転送レジスタ１１に蓄積された電荷が全て吐き出された後に、同期回路２０から撮像部１０に転送信号が入力されて、図３Ａにおける第４段１０４の画素において光電変換された電荷を水平転送レジスタ１１に受け渡すこととなる（図３Ｅ）。その後、同期回路２０から水平転送レジスタ１１に転送信号が入力されて、図３Ａにおける第４段１０４の画素において光電変換された電荷が外部に出力データとして掃き出される。

別の電荷の読み出し方法について、図４Ａ〜図４Ｇを用いて説明する。図４Ａは、撮像部１０に被測定光５が照射されて、撮像部１０の各画素が受光した状態を模式的に示した図である。図３Ａで示した例と図４Ａの例とは被測定光５が照射される所定領域１０ａが異なっている。すなわち、図３Ａで示した例では撮像部１０の全幅に渡って被測定光５が照射されているけれども、図４Ａで示す例では撮像部１０の中心近傍にのみ被測定光５が照射されている。従って、図２の所定領域１０ａに対応する画素は、第３段および第４段に配置されている画素の内、中心近傍の各段４個の画素である。図４Ａにおいて丸印が付されている領域は、被測定光５が照射されている画素であることを示し、一重斜線が付されている領域は、実質的に被測定光５が照射されていない画素であることを示している。

図４Ａの状態から撮像部１０の各画素には同期回路２０から転送信号が入力される。撮像部１０の各画素の電荷は一段づつ水平転送レジスタ１１方向に転送される。従って、図４Ｂのように撮像部１０の第６段１０６の画素に蓄積された電荷は、水平転送レジスタ１１に受け渡される。更に、同期回路２０から撮像部１０に転送信号が入力されると、図４Ａにおける第５段１０５の画素に蓄積された電荷も、水平転送レジスタ１１に受け渡される。従って、図４Ｃにおいては、図４Ａにおける第５段１０５および第６段１０６の画素において光電変換された電荷が、水平転送レジスタ１１において重ね合わされていることとなる。図４Ｃで水平転送レジスタ１１の各領域に二重斜線が記入されているのは、このように２段に渡る電荷が重ねあわされていることを示している。

図４Ｃの状態から、同期回路２０から水平転送レジスタ１１へは転送信号が入力され、水平転送レジスタ１１に蓄積された電荷が順次掃き出される。図４Ｄに示すように、水平転送レジスタ１１に蓄積された電荷が順次掃き出されて、図４Ａにおける第４段１０４の丸印を付した画素に対応する水平転送レジスタ１１の電荷蓄積素子の電荷が掃き出されて、その電荷蓄積素子が新たな電荷を受け入れ可能な状態になった時点で、同期回路２０から撮像部１０に転送信号が出力される。従って図４Ｅに示すように、図４Ａにおける第４段１０４の丸印を付した画素が光電変換した電荷は、水平転送レジスタ１１に他の電荷と重ねあわされることなく受け渡される。図４Ａにおける第４段１０４の丸印を付した画素が光電変換した電荷を受け取った電荷蓄積素子よりも読み出し回路側の電荷蓄積素子では、図４Ａの第４段１０４、第５段１０５、第６段１０６の画素が光電変換した電荷が重ね合わされて蓄積されている。

図４Ｅの状態になった段階で、同期回路２０から水平転送レジスタ１１へ転送信号が出力され、水平転送レジスタ１１に蓄積された電荷が順次掃き出される。図４Ｆに示すように、水平転送レジスタ１１に蓄積された電荷が順次掃き出されて、図４Ａにおける第３段１０３の丸印を付した画素に対応する水平転送レジスタ１１の電荷蓄積素子の電荷が掃き出されて、その電荷蓄積素子が新たな電荷を受け入れ可能な状態になった時点で、同期回路２０から撮像部１０に転送信号が出力される。従って図４Ｇに示すように、図４Ａにおける第３段１０３の丸印を付した画素が光電変換した電荷は、水平転送レジスタ１１に他の電荷と重ねあわされることなく受け渡される。

撮像部としてインターライン型のＣＣＤを用いた場合の、電荷の読み出し方法について、図５Ａ〜図５Ｇを用いて説明する。撮像部１２の各画素は、光電変換素子としてのフォトダイオード１４ａと、そのフォトダイオード１４ａが光電変換した電荷を蓄積して転送する電荷蓄積素子としての垂直転送ＣＣＤ１４ｂとから構成されている。撮像部１２の画素は、第１段１２１〜第６段１２６に分けられて、各段１０個づつ配置されている。従って、撮像部１２の画素は水平方向と垂直方向とに２次元的に配置されている。

図５Ａは、撮像部１２に被測定光５が照射されて、撮像部１２の各画素が受光した状態を模式的に示した図である。図５Ａにおいて、「Ａ」を付した領域に被測定光５が照射されているものとする。図５Ａの状態において、同期回路２０から撮像部１２に転送パルス信号が出力されると、各画素のフォトダイオード１４ａで光電変換された電荷が垂直転送ＣＣＤ１４ｂに出力されて図５Ｂに示す状態となる。各画素のフォトダイオード１４ａは、光電変換した電荷を出力すると露光可能な状態になるので、図５Ｃに示すように図５Ａと同様の部分において被測定光５を受光できる。図５Ａにおいて受光したものと区別するために、図５Ｃにおいて被測定光５が照射されている領域には「Ｂ」を付している。このように新たに被測定光５を受光している間に、図５Ｂで垂直転送ＣＣＤに出力された電荷（「Ａ」）は、水平転送レジスタ１３方向に転送される。「Ｂ」を付した領域に対応する垂直転送ＣＣＤから電荷が転送されて、新たに電荷を受け入れ可能な状態になった段階で、同期回路２０から撮像部１２に転送パルス信号が出力されて、図５Ｄに示す状態となる。

各画素のフォトダイオード１４ａは、光電変換した電荷を出力すると露光可能な状態になるので、図５Ｅに示すように図５Ａおよび図５Ｃと同様の部分において被測定光５を受光できる。図５Ａおよび図５Ｃにおいて受光したものと区別するために、図５Ｅにおいて被測定光５が照射されている領域には「Ｃ」を付している。このように新たに被測定光５を受光している間に、垂直転送ＣＣＤに出力された電荷（「Ａ」、「Ｂ」）は、水平転送レジスタ１３方向に転送されて、図５Ａの第４段１２４で光電変換された電荷（「Ａ」）が水平転送レジスタ１３に受け渡される。

水平転送レジスタ１３に受け渡された電荷（「Ａ」）は、読み出し回路方向に転送されて図５Ｆに示す状態となる。図５Ｆに示すように、水平転送レジスタ１１に蓄積された電荷が順次掃き出されて、図５Ａにおける第４段１２４の電荷（「Ａ」）が掃き出され、対応する電荷蓄積素子が新たな電荷を受け入れ可能な状態になった時点で、同期回路２０から撮像部１２に転送信号が出力される。従って図５Ｇに示すように、図５Ａにおける第３段１２３の丸印を付した画素が光電変換した電荷は、水平転送レジスタ１１に他の電荷と重ねあわされることなく受け渡される。

撮像部としてフレームトランスファー型（フレーム転送型）のＣＣＤを用いた場合の、電荷の読み出し方法について、図６Ａ〜図６Ｆを用いて説明する。

撮像部１５は、光検出部１５ａと蓄積部１５ｂとを別々に有するフレームトランスファー型（フレーム転送型）のものである。撮像部１５は、垂直方向（図中上下方向）及び水平方向（図中左右方向）に沿って複数の画素Ｐが２次元的に配列されている。ここでは、全部で１２０個の画素Ｐが、垂直方向に１２段に分けられて配列されている場合を例にとって説明する。このとき、各段には、水平方向に沿って１０個の画素が配列されている。

これらの画素Ｐは、光検出部１５ａを構成する画素と蓄積部１５ｂを構成する画素とに分けられている。すなわち、全画素Ｐのうち上半分（上から１段目から６段目まで）に含まれる６０個の画素は光検出部３１を構成し、下半分（上から７段目から１２段目まで）に含まれる６０個の画素は蓄積部１５ｂを構成している。光検出部１５ａを構成する各画素Ｐにおいては、入射した被測定光５が光電変換され、光電変換により発生した電荷が一段ずつ垂直方向に転送される。光検出部１５ａの最下段（第６段１５６）の画素から垂直方向に転送された電荷は、蓄積部１５ｂの最上段（第１段１５７）の画素に受け渡される。蓄積部１５ｂを構成する各画素においては、光検出部１５ａから受け渡された電荷が垂直方向に一段ずつ転送される。

また、蓄積部１５ｂの最下段（第６段１６２）に隣接して水平転送レジスタ１６が設けられている。蓄積部１５ｂの最下段（第６段１６２）の画素から垂直方向に転送された電荷は、水平転送レジスタ１６に受け渡される。水平転送レジスタ１６においては、蓄積部１５ｂから受け渡された電荷を水平方向に転送し、検出信号として出力される。

図６Ａは、光検出部１５ａに被測定光５が照射されて、光検出部１５ａの各画素が受光した状態を模式的に示した図である。図６Ａにおいて、「Ａ」を付した領域に被測定光５が照射されているものとする。図６Ｂは、検出部１５ａに属する各画素で発生した電荷が蓄積部１５ｂまで転送された直後の状態を示している。すなわち、図６Ａにおいて被測定光５の照射に応じて発生した電荷は、図６Ｂに示すように、蓄積部１５ｂの第１段１５７及び第２段１５８の各画素に蓄積されている。このように被測定光５の照射に応じて発生した電荷が全て蓄積部１５ｂまで転送されると、その直後に光検出部１５ａに電子シャッタ信号が送られ、光検出部１５ａにおいて被測定光５が照射されない画素で発生した電荷が全て掃き捨てられる（図６Ｃ参照）。

さらに、光検出部１５ａにおいては、電荷が掃き捨てられた直後に、次の露光が行われる。図６Ｄにおいて、「Ｂ」を付した領域に被測定光５が照射されているものとする。この露光により光検出部１５ａで発生した電荷は蓄積部１５ｂへと転送される。図６Ｅは、この露光により被測定光５の照射に応じて発生した電荷が蓄積部１５ｂまで転送された直後の状態を示している。このとき、前回の露光により光検出部１５ａで発生した電荷は、第３段１５９及び第４段１６０まで転送されている。

上述の動作が繰り返され、蓄積部１５ｂの第１段１５７〜第６段１６２全てに被測定光５の照射に応じて発生した電荷が順次蓄積された後、これらの電荷は一段ずつ水平転送レジスタ１６に転送され、水平転送レジスタ１６により順次電荷が読出し回路２２へ向けて転送される。この動作の間にも、光検出部１５ａにおける露光は行われる。ただし、この露光時間は、水平転送レジスタ１６が１段分の電荷全てを転送するのに要する時間以下に設定する必要がある。図６Ｆにおいては、１回目の露光により発生した電荷が第５段１６１及び第６段１６２に、２回目の露光により発生した電荷が第３段１５９及び第４段１６０に蓄積されており、第１段１５７及び第２段１５８には、３回目の露光により発生した電荷が蓄積されている（図中「Ｃ」を付す）。水平転送レジスタ１６は、最初の段（最下段）の電荷を全て読出し回路２２へ向けて転送すると、続いて次の段の電荷の転送を行う。このように、本例による読出し動作では、被測定光５の照射に応じて発生した電荷のみが実質的な検出信号として出力される。

本例においては、制御部２１（電子シャッタ信号出力手段）が電子シャッタ信号を出力することにより、被測定光５が照射されない各画素で発生した電荷を掃き捨てさせている。これにより、被測定光５の照射に応じて発生した電荷のみを繰返し蓄積部へ転送することができる。また、水平転送レジスタ１６による転送は光検出部１５ａにおける露光中も行われているので、被測定光５の照射に応じて発生した電荷を水平転送レジスタ１６が水平転送する時間を最小として、高繰り返しにデータを取得することができる。本例では特に、光検出部１５ａにおいて蓄積部１５ｂに隣接する第６段１５６の画素を含むように被測定光５を照射する領域を設定しているため、被測定光５を照射する領域を構成する垂直方向の数ライン（本例では２ライン）分の電荷を転送する時間間隔で、所定領域１０ａの情報を隙間なく次々と読み出すことができる。それゆえ、検出信号を特に高速度で読み出すことが可能となる。

図６Ｆの後に、引き続いて説明するような露光及び読み出しを行う。この露光及び読み出しについて図６Ｇ〜図６Ｌを参照しながら説明する。図６Ｆの状態から更に露光を行うと図６Ｇの状態となる。ここで、蓄積部１５ｂの全ての画素は受け渡された電荷で満たされている。図６Ｇの状態から１ライン分垂直転送を行うと図６Ｈに示す状態となる。引き続いて１ライン分垂直転送を行うと図６Ｉに示す状態となる。図６Ｉに示す状態では最初の露光で蓄積された電荷（図中「Ａ」を付した部分）が重ねあわされた状態で水平転送レジスタ１６に格納される（図中「ＡＡ」で示す）。ここで電子シャッタ信号を出力すると再び光検出部１５ａに属する画素の電荷は掃き捨てられる（図６Ｊ参照）。

ここで水平転送レジスタ１６を順次読み出すことで、水平方向の解像度を保ったまま（電荷が重ね合わされたのは垂直方向であるため）画像を取得することができる。また、この水平転送転送レジスタ１６の読み出し期間中には、更に次の露光が行われる（図６Ｋ参照、図中「ｅ」は露光途中の状態を示す）。水平転送レジスタ１６の読み出しが完了すると新たな露光も完了する（図６Ｌ参照。図中「Ｅ」は露光が完了した状態を示す）。図６Ｌに示す状態は図６Ｇに示す状態と等価であるから、図６Ｈ〜図６Ｌを参照しながら説明した露光及び読み出しを繰り返すと、画像出力の繰り返しレートを不必要に落とすことなく画像を連続的に出力することが可能となる。

更に別の露光及び読み出しの例について図７Ａ〜図７Ｋを参照しながら説明する。図６Ａ〜図６Ｌでは水平読み出し段において、所定領域１０ａごとに垂直方向への重ねあわせを行った例を説明した。図７Ａ〜図７Ｋでは、垂直方向への重ねあわせを行わない場合について説明する。図７Ａ〜図７Ｃでは図６Ａ〜図６Ｃを参照しながら説明したのと同様の露光及び転送を行っている。フレームトランスファー型ＣＣＤの場合、光検出部１５ａと蓄積部１５ｂのそれぞれの垂直方向への駆動を独立して行うことができる。そこで、図７Ｃに示す状態から、光検出部１５ａでは露光を行いながら（図中「ｂ」で示す）、蓄積部１５ｂでは垂直方向に転送を行う。蓄積部１５ｂでの垂直転送を２ライン分行うと、光検出部１５ａでの露光が完了する（図７Ｅ参照）。図７Ｅで示すように２ライン分の隙間が生じるように駆動したのは、２ラインを所定領域１０ａとしているためである。従って、この隙間は蓄積部のライン数と所定領域１０ａの垂直単位とから導き出される適切な値に基づいて設定される。

図７Ｅの状態から光検出部１５ａ及び蓄積部１５ｂ共に垂直転送を行い、図７Ｆに示す状態となる。図７Ｆに示す状態から電子シャッタ信号を出力し、光検出部１５ａに蓄積された電荷を掃き捨てる（図７Ｇ参照）。図７Ｇの状態から更に１ライン分垂直に転送すると、図７Ｈに示すように「Ａ」で示す電荷の最初のラインが水平転送レジスタ１６に転送される。ここで図７Ｉに示すように、水平転送レジスタ１６を読み出しながら、光検出部１５ａで露光を行う（図中「ｃ」は露光中であることを示す）。最初のラインにおける「Ａ」の電荷の読み出しが完了すると、更に蓄積部１５ｂのみに垂直転送を行い、次のラインの「Ａ」の電荷を水平転送レジスタ１６に転送する（図７Ｊ参照）。ここで水平転送レジスタ１６の読み出しが完了すると、光検出部１５ａにおける露光も完了して図７Ｋに示すような状態となる。図７Ｋに示す状態は図７Ｅに示した状態と等価であるから、図７Ｆ〜図６Ｋを参照しながら説明した露光及び読み出しを繰り返すと、画像出力の繰り返しレートを不必要に落とすことなく画像を連続的に出力することが可能となる。

図３Ａ〜図３Ｅ、図４Ａ〜図４Ｇ、図５Ａ〜図５Ｇ、図６Ａ〜図６Ｆを用いて説明した電荷の読み出し方法の効果を図８Ａ〜図８Ｅを用いて説明する。図８Ａは従来の読み出し方法のタイミングチャートを、図８Ｂは図３Ａ〜図３Ｅを用いて説明した読み出し方法のタイミングチャートを、図８Ｃは図４Ａ〜図４Ｇを用いて説明した読み出し方法のタイミングチャートを、図８Ｄは図５Ａ〜図５Ｇを用いて説明した読み出し方法のタイミングチャートを、図８Ｅは図６Ａ〜図６Ｆを用いて説明した読み出し方法のタイミングチャートを、それぞれ示している。図８Ａ〜図８Ｄに示す各タイミングチャートは、上段が垂直同期、下段が水平同期をそれぞれ示しており、図８Ｅに示すタイミングチャートは、上段が垂直同期、中段が水平同期、下段が電子シャッタ信号をそれぞれ示している。また、下段において丸印又は英文字を付してあるのは、被測定光５が照射されている部分の読み出し電荷を、斜線を付してあるのは、被測定光５が実質的に照射されていない部分の読み出し電荷を、それぞれ読み出した部分であることを示している。

図８Ａに示す従来の方法では、各段の画素が光電変換した電荷を１段づつ読み出しているので、水平方向の読み出しは６段分必要となる。一方、図８Ｂに示す方法（図３Ａ〜図３Ｅを用いて説明した読み出し方法）では、被測定光５が照射されていない画素が光電変換した電荷は重ね合わされているので、水平方向の転送速度が同一であっても１回分の電荷の読み出し時間を短縮できる。

図８Ｃに示す方法（図４Ａ〜図４Ｇを用いて説明した読み出し方法）では、各段の一部の画素が被測定光５を受光しているので、その画素と同一段の画素であっても被測定光５を受光していない画素が光電変換した電荷は重ね合わせて読み出すので、更に１回分の電荷の読み出し時間を短縮できる。

図８Ｄに示す方法（図５Ａ〜図５Ｇを用いて説明した読み出し方法）では、インターライン型のＣＣＤを用いているので被測定光５を受光していない画素の読み出しに影響されずに、被測定光５を受光している画素の電荷を読み出すことができる。また、読み出しと露光とを同時に行えるため、出力されたデータを２次元画像として取り扱うことができる。

図８Ｅに示す方法（図６Ａ〜図６Ｆを用いて説明した読み出し方法）では、フレームトランスファー型のＣＣＤを用いているので、受光素子と垂直転送素子が同一であり、電子シャッタを使用することで被測定光５の受光に応じて発生した電荷を転送する途中で他の電荷を掃き捨てることができる。

図３Ａ〜図３Ｅ、図４Ａ〜図４Ｇ、図５Ａ〜図５Ｇを用いて説明した動作の時の各ＣＣＤの動作タイミングについて図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ、図１０Ｂを用いて説明する。図９Ａはフレーム転送型のＣＣＤを用いて図３Ａ〜図３Ｅ又は図４Ａ〜図４Ｇを用いて説明した動作を行った場合のタイミングチャートを示している。図９Ｂはインターライン型のＣＣＤを用いて図３Ａ〜図３Ｅ又は図４Ａ〜図４Ｇを用いて説明した動作を行った場合のタイミングチャートを示している。図９Ａ及び図９Ｂにおいて、ＰＩＶはフレーム転送型ＣＣＤのイメージエリアシフトパルス信号を、ＰＳＶはフレーム転送型ＣＣＤのメモリエリアシフトパルス信号を、ＰＨは水平ＣＣＤシフトパルス信号を、ＳＧはフォトダイオードから垂直ＣＣＤへの転送パルス信号を、ＰＶは垂直シフトパルス信号を、ＶＶは垂直有効信号を、それぞれ示している。尚、フレーム転送型ＣＣＤは、イメージエリアが１０×６、メモリエリアが１０×６のものを想定している。図９Ａ及び図９Ｂそれぞれの垂直有効信号を比較すれば、図３Ａ〜図３Ｅ又は図４Ａ〜図４Ｇを用いて説明した動作を行う場合には、フレーム転送型ＣＣＤ及びインターライン型ＣＣＤのいずれを用いてもほぼ同じ速度での読み出しが可能となることがわかる。

図１０Ａはインターライン型のＣＣＤを用いて図５Ａ〜図５Ｇを用いて説明した動作を行った場合のタイミングチャートを示している。図１０Ｂはフレーム転送型のＣＣＤを用いて図５Ａ〜図５Ｇを用いて説明した動作を行った場合のタイミングチャートを示している。図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて用いている記号は、図９Ａ及び図９Ｂで用いている記号と同じである。図１０Ａ及び図１０Ｂそれぞれの垂直有効信号を比較すれば、図５Ａ〜図５Ｇを用いて説明した動作を行う場合には、インターライン型ＣＣＤを用いた方が格段に速度の向上が図れることとなることがわかる。これは、インターライン型ＣＣＤは不要エリアにそのまま必要エリアを足しこめるためであるのに対して、フレーム転送型ＣＣＤはその動作ができないことに起因する。

本発明の別の実施形態であるストリークカメラ（撮像装置）６について説明する。図１１はストリークカメラ６の構成を示す図である。ストリークカメラ６は、ストリーク光学系８と、カメラ（撮像装置）６ａと、ストリーク同期回路８１と、タイミング発生器８２と、光源９とを含む。タイミング発生器８２は、光源９の発光に応じて同期信号をストリーク同期回路８１とカメラ６ａとに出力する。光源９が発光して励起光を測定対象物（図示しない）に照射すると被測定光７が発生し、ストリーク光学系８に導入される。ストリーク光学系８はストリーク同期回路８１によってその被測定光７を時間分解してスリット像７ａとしてカメラ６ａ側に出力する。

スリット像７ａはカメラ６ａの撮像部１０の所定領域（図示しない）に結像される。撮像部１０は、同期回路２５から出力されるパルス信号に応じて各画素が光電変換および電荷転送を行うことでデータを読み出す。この読み出したデータは読み出し回路２２を介して外部に出力される。同期回路２５は外部同期信号および制御部２６からの指示信号に応じてパルス信号を撮像部１０に出力する。撮像部１０の電荷の読み出し方法は、既に説明したものと同様であるのでその説明を省略する。

本実施形態においては、制御部２１および同期回路２０は、実質的に被測定光５が照射されていない第２画素群に属する画素が光電変換した電荷を重ね合わせるように水平転送レジスタ１１に蓄積させるので、有効なデータとしては用いられない電荷をまとめることができる。すなわち、複数段に渡って配置されている第２画素群に属する画素が光電変換した電荷を水平方向における一度の転送で掃き出すことができるので、被測定光５が照射されている第１画素群に属する画素が光電変換した電荷をより高速に読み出すことができる。

また本実施形態においては、第１画素群に属する画素が光電変換した電荷が順次転送されて水平転送レジスタ１１に転送される前の段において、同期回路２０がその水平転送レジスタ１１に対して転送信号を出力するので、水平転送レジスタ１１に蓄積されている電荷を効率よく掃き出すことができる。

また本実施形態においては、一の段の画素のうち中心近傍の画素が第１の画素群に属し、両端近傍の画素が第２の画素群に属している場合に、この一の段の前段の電荷が順次掃き出されて一の段の中心近傍の画素に対応する水平転送レジスタ１１が新たな電荷を受け入れ可能となっている場合には、一の段の画素に対して転送信号を出力する。この場合には、両端近傍の画素が光電変換した電荷は他の段の電荷と重ねあわされるけれども、両端近傍の画素が光電変換した電荷は有効なデータとしては用いられない電荷であるから実質的な影響は極めて少ない。従って、第１画素群に属する画素が光電変換した電荷をより高速に読み出すことができる。

上述のように本発明によれば、制御手段は第２画素群に属する画素が光電変換した電荷を重ね合わせるように蓄積させるので、有効なデータとしては用いられない電荷をまとめることができる。すなわち、複数段に渡って配置されている第２画素群に属する画素が光電変換した電荷を第２の方向における一度の転送で掃き出すことができるので、第１画素群に属する画素が光電変換した電荷をより高速に読み出すことができる。

Claims (5)

1. 被測定光を光電変換して、前記光電変換によって発生した電荷を第１の方向に一段ずつ転送する光検出部と、前記光検出部から転送された電荷を前記第１の方向に１段ずつ転送する蓄積部とに分けられ、前記第１の方向および前記第１の方向に交わる第２の方向に２次元配列されている画素と、
   前記第１の方向に転送される電荷を前記画素から受け取って蓄積し、当該蓄積した電荷を前記第２の方向に転送する水平転送レジスタと、
   前記画素および前記水平転送レジスタに対して前記電荷を転送するための転送信号を出力する制御手段とを有する撮像装置であって、
   前記光検出部のうちの一部の第１画素群に前記被測定光が照射されるように設定されており、
   前記制御手段は、
   前記第１画素群に発生した前記電荷を前記蓄積部に向けて前記第１の方向に転送するように前記転送信号を出力し、
   前記第１画素群に発生した前記電荷の全てが前記蓄積部に転送されるタイミングで、前記光検出部に前記画素で発生した電荷を掃き捨てさせるための電子シャッタ信号を出力した後、
   前記蓄積部に蓄積された電荷を、前記水平転送レジスタに１段ずつ転送してから前記水平転送レジスタから前記第２の方向に順次転送するように、前記転送信号を出力する、
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記第１の画素群が前記蓄積部に隣接する画素を含むように、前記被測定光の照射領域が設定されている、
   請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御部は、前記蓄積部に蓄積された電荷を、複数段で重ね合わせた状態で前記水平転送レジスタから順次転送するように前記転送信号を出力する、
   請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記光検出部と前記蓄積部とは、前記電荷の転送が独立して制御可能にされており、
   前記制御部は、前記光検出部によって光電変換を行いながら、前記蓄積部によって前記電荷の転送を行うように前記転送信号を出力する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記第１の画素群に発生した電荷が前記第１の画素群の段数分だけ前記蓄積部を転送された時に、前記第１の画素群における次の光電変換が完了するように構成されている、
   請求項４に記載の撮像装置。

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