JP5286599B2 - 線形センサアレイによる高速かつ正確な時間分解分光法 - Google Patents
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Description
一実施形態では、集積回路(IC)は、図2に概略的に示すように、感光性ピクセルの1次元アレイ16と、電荷ストレージセル(「行ストレージレジスタ」(RSR)とも呼ぶ)の複数の行と、制御論理22とを含む。
図4A〜図4Cに示すように、線形CIDと呼ぶ実施形態の感光性ピクセルは、「注入ゲート」42及び「注入ドレーン」43と共にピクセル読み出しのために使用される2つのフォトゲート(「ストレージ」フォトゲート40及び「感知」フォトゲート41)を含む。感知フォトゲートは、ソースフォロアー及びリセット回路に電気的に接続される。注入ゲートは、ピクセルからの光子生成電荷の取得及び注入を制御するために設けられる。注入ドレーンは、光子生成電荷の一掃のためのシンクとして機能する。
線形センサアレイは、様々な時点のピクセル信号を格納するための独立したパー−ピクセルコンデンサ(行ストレージレジスタ(RSR)と呼ぶ)20(図2において)を含む。線形センサアレイ上の感光性ピクセルは、スイッチングネットワークを通してRSRに結合される。様々な実施形態では、8又は32又は他のいずれかの数のピクセル当りのRSRをデバイスに実施することができ、異なる用途における異なる数のRSRには様々な利点が生じる。パー−ピクセルコンデンサは、MIMタイプ(金属−絶縁体−金属)、MOSタイプ(金属酸化膜半導体)、又は他の適切なタイプとすることができる。
2つの復号器を図2に示す実施形態において使用する。すなわち、13ビットピクセル復号器及び5ビットRSR復号器である。13ビットピクセルアドレス復号器(「ピクセル復号器」と呼ぶ)は、読み出されるピクセルを選択することを担当し、5ビットRSRアドレス復号器(「RSR復号器」と呼ぶ)は、読む又は書くためのRSRを選択する。他の実施形態では、当業者には分るであろうが、他の数のアドレスビットが使用される。読み出しチェーンは、各線形CIDピクセルの感知フォトゲートに接続される増幅器及びCDS回路を含む。
線形センサアレイは、様々な電子制御システムによって制御することができる。線形センサアレイ制御システムの一実施形態は、発光分光法「携帯合金分析計器(PAAI)」に使用することを目的とする「二重線形CID撮像装置制御器(DLIC)」及び「撮像装置専用インタフェース(ISI)」サブシステムである。DLIC−ISIサブシステムはまた、検出器の異なる線形アレイと交わる回折格子の複数の次数を提供するために、プリズムのような次数分類器によって光信号が直交分散されるあらゆる別の計器と共に使用することができると考えられる。例示的なDLICの詳細なブロック図は、図6に提供している。
結合した線形CID及びDLIC−ISIサブシステムは、関連の時間積分又は時間分解データを生成するために、様々なアルゴリズムと共に使用することができる。以下のアルゴリズム、すなわち、「時間遅延積分(TDI)」アルゴリズム、「時間分解分光法(TRS)」アルゴリズム、「ランダムアクセス積分(RAI)」アルゴリズム、及び「極限ダイナミックレンジ(極限DR)」アルゴリズムを説明する。
線形CIDとDLIC−ISIサブシステムとを組み合わせたシステム内に含まれる「時間遅延積分(TDI)」アルゴリズムの1つの目的は、スパーク発光分光法(OES)のような一定の繰返し数で起こる個々の分光学的イベントに関する正確な高分解能時間分解データを提供することである。
線形CIDとDLIC−ISIサブシステムとを組み合わせたシステム内に収容された「時間分解分光法(TRS)」アルゴリズムの目的は、線形CIDデバイス上の一連のユーザ指定の「関連領域(ROI)」に対する時間に関する信号をモニタすることである。
線形CIDとDLIC−ISIサブシステムとを組み合わせたシステム内に収容された「ランダムアクセス積分(RAI)」アルゴリズムの目的は、線形CIDデバイス上の一連のユーザ指定の関連領域(ROI)に対してユーザ指定の期間にわたって全積分信号をモニタすることである。
線形CIDとDLIC−ISIサブシステムとを組み合わせたシステム内に収容された「極限ダイナミックレンジ(極限DR)」アルゴリズムの目的は、拡張されたダイナミックレンジを用いて線形CIDデバイス上の全てのピクセルにわたり、ユーザ指定の期間にわたって全積分信号をモニタすることである。「極限DR」アルゴリズムは、経験的に観測された光子束に基づいてROIからROIまでの有効な露出時間を制御し、従って、可能な時には、全ての線形CIDピクセル上の飽和を防止する。
ROI 関連領域
Smax 最大ピクセル信号
Xo 開始ピクセル
Claims (36)
- 時間分解によってスペクトルにより特徴付けられた光を分析する方法であって、
(a)各感光性セルがスペクトルの異なる部分によって照射され、それによって1組の該感光性セルに電荷を生成するように、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの1次元アレイをスペクトルで照射する段階、
(b)集積回路に前記感光性セルと並置されたそれぞれのストレージセルの第1の組に該感光性セルにおける前記電荷を非破壊的に複写する段階、
(c)前記集積回路のストレージセルの異なる組に対して(b)を定期的に繰り返す段階、及び
(d)前記ストレージセルの少なくとも一部に格納された前記電荷に関する情報を前記集積回路の外部の構成要素に供給する段階、
を含むことを特徴とする方法。 - (b)の前記繰返しの少なくとも一部にわたって電荷を前記感光性セルに蓄積させる段階を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- (b)を少なくとも1回実行した後に前記感光性セルの部分集合における前記電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 電荷が一掃されることになる前記感光性セルの前記部分集合を特定する段階を更に含むことを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記集積回路上に少なくとも2、000の感光性セルを設ける段階を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 各ピクセルセルに対して前記集積回路上に少なくとも16のストレージセルを設ける段階を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記供給された情報を前記集積回路の外部のメモリに格納する段階を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記情報を供給する段階は、前記ストレージセルの全てに格納された前記電荷に関する情報を前記集積回路の外部の前記構成要素に供給する段階を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記情報を供給する段階は、前記ストレージセルの選択されたもの、かつ全てよりも少ないものに格納された前記電荷に関する情報を前記集積回路の外部の前記構成要素に供給する段階を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記ストレージセルの前記選択されたものを識別する情報を前記集積回路の外部の構成要素から受け取る段階を更に含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 前記スペクトルを生成するのに使用されるサンプルの少なくとも1つの元素成分を識別するために前記格納された電荷に関して前記供給された情報を分析する段階を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- スペクトルを時間積分する方法であって、
(a)各感光性ピクセルセルがスペクトルの異なる部分によって照射され、それによって該感光性セルのそれぞれに電荷を生成するように、電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの1次元アレイをスペクトルで照射する段階、
(b)集積回路上に前記ピクセルセルと並置されたそれぞれのストレージセルに該感光性セルにおける前記電荷を定期的に非破壊的に複写する段階、及び
(c)前記ストレージセルの少なくとも1つにおける電荷が所定の値を超える場合に、該電荷に関する情報をメモリに格納する段階、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの1次元アレイを準備する段階を更に含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記メモリは、前記集積回路上に前記ピクセルセルと並置されていることを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのストレージセルに対応する少なくとも1つの感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 露出時間が所定の値を超える場合に、前記電荷に関する情報をメモリに格納する段階を更に含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのストレージセルに対応する少なくとも1つの感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 前記ストレージセルの少なくとも1つにおける電荷が所定の値を超える場合に、該少なくとも1つのストレージセルに対応する少なくとも1つの感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記ストレージセルの少なくとも1つにおける電荷が所定の値を超える場合に、該少なくとも1つのストレージセルに対応する少なくとも1つの感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃する段階を更に含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記メモリに前記情報を格納する段階は、該格納された情報に関連するタイムスタンプを格納する段階を含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記メモリに格納された前記情報をピクセル毎の方式で合計する段階を更に含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 所定の時間量が経過した場合に、前記ストレージセルの少なくとも1つにおける電荷に関する情報を少なくとも1つの対応する感光性ピクセルセルにおける電荷を一掃することなくメモリに格納する段階を更に含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの数が、ピクセル番号への波長の動的可変登録を考慮するような方法で、露出された電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの指定数を超えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 電荷転送デバイス感光性ピクセルセルのアレイと、
ストレージセルの各組に対して、組における各ストレージセルが、電荷を前記感光性ピクセルセルからストレージセルに複写するために該感光性ピクセルセルの異なるものに結合している、電荷ストレージセルの複数の組と、
光子生成電荷を前記ピクセルセルからそれぞれのストレージセルの第1の組に非破壊的に複写し、その複写をストレージセルの異なる組に対して定期的に繰り返すように作動する第1の制御論理と、
前記ストレージセルの少なくとも1つに格納された前記電荷に関する情報を集積回路の外部の構成要素に供給するように作動する第2の制御論理と、
を含むことを特徴とする集積回路。 - 各感光性ピクセルセルに関連する複数のプリアンプを更に含むことを特徴とする請求項24に記載の集積回路。
- 前記感光性ピクセルセルのアレイは、1次元アレイであることを特徴とする請求項24に記載の集積回路。
- 前記ピクセルセルのアレイは、2次元アレイであることを特徴とする請求項24に記載の集積回路。
- 前記感光性ピクセルセルのアレイは、1次元アレイに配置された少なくとも2、000のピクセルを含むことを特徴とする請求項24に記載の集積回路。
- 電荷ストレージセルの前記複数の組は、少なくとも16組のストレージセルを含むことを特徴とする請求項24に記載の集積回路。
- 前記第2の制御論理は、前記ストレージセルの全てよりも少ないものに格納された前記電荷に関する前記情報を集積回路の外部の前記構成要素に供給するように作動することを特徴とする請求項24に記載の集積回路。
- 前記ストレージセルに格納された前記電荷に関する前記情報は、集積回路の外部の構成要素によってランダムにアドレス可能であることを特徴とする請求項24に記載の集積回路。
- 前記ピクセルセルの全てよりも少ないものを識別する情報を受け取り、かつ該識別されたピクセルセルに格納された前記光子生成電荷を一掃するように作動する第3の制御論理を更に含むことを特徴とする請求項24に記載の集積回路。
- ストレージセルの各組は、前記アレイ内のピクセルセルと少なくとも同じほど多くのストレージセルを含むことを特徴とする請求項24に記載の集積回路。
- 前記第2の制御論理は、前記ストレージセルの前記少なくとも1つに格納された前記電荷に関する前記情報を前記外部構成要素にアナログ信号として供給するように作動することを特徴とする請求項24に記載の集積回路。
- 前記ストレージセルに結合した少なくとも1つのアナログ/デジタル変換器、
を更に含み、
前記第2の制御論理は、前記ストレージセルの前記少なくとも1つに格納された前記電荷に関する前記情報を前記外部構成要素にデジタル信号として供給するように作動する、 ことを特徴とする請求項24に記載の集積回路。 - 電荷転送デバイス感光性ピクセルセルの1次元アレイと、
組における各ストレージセルが電荷を前記ピクセルセルからストレージセルに複写するために該ピクセルセルの異なるものに結合している、1組の電荷ストレージセルと、
前記ピクセルセルの少なくとも一部から前記ストレージセルの前記組に光子生成電荷を非破壊的に複写するように作動する第1の制御論理と、
前記ストレージセルの選択されたもの、かつ全てよりも少ないものに格納された前記電荷に関する情報を集積回路の外部の構成要素に供給するように作動する第2の制御論理と、
を含むことを特徴とする集積回路。
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