JP5999864B2 - 時間分解分光器のためのシステム及び装置 - Google Patents

Description

本発明はＣＣＤデバイスに関係し、特に、時間分解分光器で使用するＣＣＤデバイスに関する。

蛍光顕微鏡検査の背後にあるコンセプトを以下に示す。蛍光染料の分子は興味ある生物学的サンプルの特別な一部に結び付けることができる。適当な光波長によって励起されるとき、これらのマーカーは顕微鏡で一部のみを見られるように蛍光を発する。１以上のタイプの蛍光染料が異なる特徴に属するサンプルに用いられ得る。励起光の波長を交換することによって、異なるタイプの染料が蛍光を発することができ、サンプル内の異構造を区別できるようになる。異なる波長で蛍光を発するように染料を選択することが可能である。したがって、光スペクトルによってサンプルが励起される場合、蛍光体の色（又は波長）が、その構造に関する情報を付与する。例えば、レーザ走査による顕微鏡検査では、レーザがサンプルや適当な検出器で観測された蛍光体を走査するだろう。このようなシステムを図１に示す。

図１に示すレーザ走査による顕微鏡検査装置は、二色性ミラー及び２つの走査ミラー１６,１８を介してサンプル１２を照射するように配置調整されたレーザ１０を含む。走査ミラーは、レーザビームがサンプル１２の面を走査させるためのものである。サンプルにおける光の走査スポットがピンホール２２上に結像されるように画像光学系２０を調整配置する。この配置は、共焦点光学配置と称され、走査される特定のスポットからの蛍光のみが検出器２４に到達することを保証する。サンプル深さが光学系の焦点に合っていないものからの光は、ピンホール上で正確に合焦されないであろうし（それはピンホールよりも大きなエアリーリングを形成するだろう）、検出器２４を通らないだろう。したがって、共焦点光学配置は、サンプルの異なる部分が（ビーム走査のように）次第にサンプルされることを認めることであって、時間分解分光器の形態である。

また、異なる波長のマルチレーザ１０はサンプルを走査するために用いられ、蛍光体のスペクトルをサンプリングする。図２は、蛍光マーカーを配置した構造図である。図１と同じ構成要素は同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略することとする。プリズム又は回折格子２６は、複数のセンサ２８にわたるサンプルからの波長のスペクトルをスプリットする。これは、異なる波長でサンプルのスペクトル応答が同時にサンプルされることを可能にする。

検出器の間で蛍光スペクトルがスプリットされる方向は、プリズム／回折格子の機器構成によって決定される。これは、例えば、興味のあるマーカーを外に分離するため、又は１つのマーカーからの光スペクトルをサンプルするために選ばれる。本実施形態では、それぞれがある範囲の波長をサンプリングする小さな数（例えば、４つ）の離散検出器を用いている。一般に用いられる検出器は、典型的には、光電子増倍管又はアバランシェ（電子なだれ）フォトダイオード機器である。例えば、光学系を簡略化するため、そしてオペレータにより多くの情報を提示するために、一般には放射スペクトルのより完全なサンプルをとる必要があり、ひとたびデータを取得したならばソフトウェアで光学フィルターをフレキシブルに使用する。

理想を言えば、検出器が３００と９００ｎｍの間の波長でスペクトルを同時にサンプルすることができることであり、分解能でいえば１０ｎｍであれば有用である。一般的な要求は、サンプルを走査して、毎秒５画像の割合で５１２×５１２ピクセルの分解能による画像を生成することである。これは、完全なスペクトルのために毎秒約1,300,000スペクトルの割合で取得されることが必要であること、つまりそれは１スペクトルが0.8マイクロ秒ごとに取得される必要があることを意味する。例えば、走査時間には、僅かではあるが走査方向を変更するための時間を要求するので、実際のスペクトル取得の要求レートは、これよりも高くなるであろう。

従来の非走査型デジタルスペクトル検出のために、例えば、分光器システム内で使用されるそれらの線状又はエリアの電荷結合素子（ＣＣＤ）が回折格子によって分散されるスペクトルの像を造るのに使用される。一般に、これらのシステムは、不十分な特定の時期の分解能を有する。スペクトルは、結像エリアを横切って分散され、結果として生じる入射光子によって発生される電子は、集積時間中に画素内に収集される。信号は、その後、読み出しレジスタ及びオンチップ電荷を介してデバイスから電圧変換アンプに読み出される。様々なモードの動作が使用され、例えば、十分な垂直ビニングが利用される。いわゆる動作の“運動モード”を可能にするＣＣＤアーキテクチャを用いることもできる。このアーキテクチャは、図３に例示される。ここで、エリアアレイ３６は、デバイスの上面で少数のライン３２（典型的には１ライン）を除いて入射光から完全にマスクされる。スペクトルは、一度得られると、デバイスの記憶領域３６に迅速に記録され、その後、出力アンプ３０に達する。したがって、良好な特定時期の分解能を備えたスペクトルが集められ得る。しかしながら、一度、記憶領域が満たされると、それは読み出しレジスタを介して逐次的に読み出されなければならない。これは、記憶装置への転送よりもかなり低速な処理であり、レーザ走査システムのタイミング要求を満たさないであろう。さらに重要なことには、従来のＣＣＤ又はＣＭＯＳに基づくシステムは、必要とされる感度を有していないであろう。これは、漂白の影響及びサンプルのダメージを避けるためにサンプルへの照明入射を最小限に削減する必要性によって決定されるものである。

時間分解分光器に対して改善された検出器の配置の必要性が認識されている。特に、サンプリング及び感度のスピード向上の必要性が認識されている。

本発明は、基準が指示される特許請求の範囲において定義される。

本発明の実施形態は、電子増倍と、新規なデバイスアーキテクチャと、所望の感度を提供するための動作モードと、レーザ走査顕微鏡検査などのシステム内で利用するための特定時期の分解能を利用する。

ここで、上記で示される本発明の様々な側面の実施形態を、図面を参照して説明する。

本発明の実施形態は、時間分解分光器に適したタイプのＣＣＤデバイスの形態で説明され、また、そのような時間分解分光器を含む分光器システムにおいて説明される。繰り返しを避けるために、ここで図４から９に関連して説明されるようなＣＣＤデバイスは、本発明を具現化するシステムを提供するために、図２に示される分光器システムにおいて用いられる。全てのＣＣＤデバイスがここで説明される時間分解分光器に適しているわけではないことが疑義を生じさせないために注目される。時間分解分光器は、任意の原因のために時間と共に変化するスペクトルの分析を行う。スペクトルの時間変化は、例えば、（ｉ）（放射減衰のためなど）時間と共に所定のサンプルスペースからのスペクトルの変化及び（ｉｉ）（レーザ走査顕微鏡検査のように）サンプルスペースの連続部分がサンプリングされるときのスペクトルの変化のためである。

図２に示されるように、本発明を具現化するとき、ターゲットサンプルは、ラインごとに５００個のサンプリングがなされて、レーザビーム（又は多重ビーム）でラインごとに走査される。これは、１ラインの走査中に５００個の異なるスペクトルがサンプリングされ処理される必要があることを意味する。また、走査ラインの数が５００個である場合には、完全な走査のためにサンプリングされ処理されるスペクトルの全数は、５００×５００＝２５０，０００である。実施形態は、信号ノイズを悪化することなく、このレートを適応させることが必要である。

本発明を具現化する第１のＣＣＤデバイスが図４に示される。そのデバイスは、感光性のサイト３２のアレイ、（ラインごとにサンプル数を一致させるように）５００本のラインを有するように構成されるＣＣＤ記憶エリア３６、読み出しレジスタ３４及び図３の既知のデバイスに類似したアンプ３０を備えている。なお、乗算レジスタ４０がレジスタ３４の出力とアンプ３０の間に提供される。フォトサイトのアレイは、典型的には、ＣＣＤアレイであるが、フォトダイオードなどの他の技術であってもよい。

乗算レジスタは、各々がシーケンス電極を備え、その少なくとも１つが衝突電離によって電荷増倍を提供するように高い電圧を提供する、クロック要素のアレイを備えている。典型的な電圧は、３０から４０ボルトであり、そのような配置は発行文献に記載されるものである。

第１の実施形態は、基本的に、“運動モード”の概念を用いている。動作のモードは以下の通りである。走査システムがサンプルを横切って走査するとき、スペクトルは、記憶領域（例えば５００本のスペクトル）内に収集され記憶される。ラインの終わり（すなわち、レーザがサンプルの境界に達するとき）に、記憶領域は読み出しレジスタ及び乗算レジスタを介して読み出される。乗算レジスタは、電荷領域内にほとんどノイズのないゲインを提供し、単一の光子が検出されるようにする。記憶装置の読み出しは、レーザが次のラインの始まりに対して走査されるように戻るときに生じる。

全てのターゲットが１秒ごとに２倍にサンプリングされ（ラインごとに５００本のスペクトルで５００ライン）、その時間の半分が走査レーザをラインの終わりから次のラインの始まりに位置を変えることが必要とされる場合、これは、１つのスペクトルを獲得するのに利用可能な時間は１マイクロ秒であることを意味している。走査が各ラインの終わりに達するときまでに、５００本のスペクトルは、記憶装置に転送されているであろう。走査がラインの終わりに達するとき、次のラインの走査が始まるまで、記憶装置の読み出しが始まり継続する。ここで議論される実施形態では、０．５ミリ秒の時間が記憶装置を読み出すのに利用可能である。１００のフォトサイトがフォトサイトの感光性アレイに用いられるとする場合、３２，５００×１００要素は、１００ＭＨｚの全データレートを与えて０．５ミリ秒で記憶装置から読み出される必要があるであろう。

出力でデータレートを最小化するために、４つの乗算レジスタ及び出力アンプを示す図５の第２の実施形態で例証される場合、多重乗算レジスタ及び出力が使用される。実際には、任意数のレジスタが使用され得る。デバイスからの出力は、出力を再結合するための多重化装置の利用によって単純化してもよい。示されているように、４つの乗算レジスタがあれば、各乗算レジスタは、全フォトサイトの一部（それゆえ、全スペクトルの一部）、この場合にはそれぞれ４分の１に対する電荷を乗算する。そのために、各乗算レジスタは、ここで、図４の配置のクロック速度の４分の１、すなわち、１００ＭＨｚ÷４＝２５ＭＨｚでクロックされることが必要となるだけである。これは、現実的で達成可能な速度であり、その結果、信号は利用可能な時間で処理され得る。

スペクトルが収集されないときが存在する場合に図５における記憶装置の利用が適用されることを我々は評価した。例えば、一のラインの終わりから次のラインの始まりへレーザが位置を変えるときである。この時間は、常に利用可能であるというわけではない。それゆえ、以下のアーキテクチャ及び動作モードが、図６に示される第３の実施形態に関係して提案される。提案されるデバイスは、（少数の行すなわち典型的には１行、及び多数の列すなわち典型的には９６列から成る）光学的に感光性の領域３２、集められたスペクトルからの信号が転送される（この領域が省略される）光学的に不透明な領域３６、多数の読み出しレジスタ３４とその同数の乗算レジスタ４０、及び電荷から電圧への出力アンプ３０（典型的には８個）から構成される。読み出しレジスタの要素の典型的な数は１２であり、乗算レジスタの要素の典型的な数は５００から６００である。乗算レジスタは、（例えば）１４ＭＨｚの画素レートでクロックされる。読み出しクロックは、スペクトルからの信号が集積されている間に静的なレベルで行われ得る。読み出しレジスタの１又は複数の位相は、その後、光学的に感光性の領域から（又は存在する場合には記憶装置から）の信号をまさに受け付けようとする。信号は、読み出しレジスタに迅速にクロックされ、読み出しクロックは、各読み出しレジスタにおける画素数（典型的には１２）を乗算レジスタに転送するために、乗算レジスタクロックと同じレートで開始する。一度、これが完了すると、読み出しレジスタクロックは停止され、そのサイクルが続く。これは、デッドタイムが制限された状態で、スペクトルの高い収集レートを可能にする。実質的に、スペクトルが検出され、サンプルと同じレートで乗算され処理される信号電荷が走査される。記憶装置３６は、電荷が感光性領域３２からクロックされ、それがサンプリングされるのと同じ速さで処理されるので、それゆえ省略され得る。典型的には、少なくとも１ラインの記憶装置が用いられるが、事前に集積された電荷が１ライン記憶装置３６からクロックされる一方で、これは、電荷が感光性アレイに集積されるようにする。信号を読み出しレジスタに転送するのに２クロックサイクルかかることを想定すると、１つのスペクトルは、典型的な値が使用される場合には１マイクロ秒ごとに得られる。１つのスペクトルより多いスペクトルが第１のスペクトルが現れる前に各乗算レジスタ内で保持されることに注目すべきである。例えば、６００の増倍要素が存在する場合、第１のスペクトルがデバイスから出力される前に、５０個のスペクトルが獲得されるであろう。

多数の電荷乗算レジスタを実行する際には幾つかの実際の問題が評価されており、図７、８及び９の実施形態で取り扱われる。

主な設計制限のうちの１つは、ボンドパッド及び乗算レジスタ間の電気的な接続を有する必要性から生じる。レジスタ及び出力アンプに対する必要な電気的接触をするために、十分なスペースを利用可能にしなければならない。図７に示されるように、スペースは、８つの乗算レジスタで制限される。ボンドパッドにより多くのスペースを許容する実施形態及び軌道が図８に示される。結像区間からの電荷の代替的なクロック方向は、例えば、埋め込まれたものの適切な利用を通して達成され得る。

レイアウトは、図９の配置をさらに用いて改善され得る。ここで、レジスタのペアは共に接近しており、軌道の可能性を改善し、共に接近するそれらの乗算レジスタ間で適合するゲインを改善する。

出力数は、スペクトルのサンプリングレートに影響を及ぼす。少なくとも８つの出力はサンプルに対して１マイクロ秒で９６のスペクトルビンを必要である。１２のスペクトルビンは、各出力によって処理されるであろう。信号を読み出しレジスタに並列転送するには、少なくとも２クロック期間が必要とされる。これは、出力ごとに（１２＋２）／１μｓ＝１４ＭＨｚの画素レートに繋がる。

十分なゲインを与えるために、実施形態の各像倍レジスタ内では、およそ６００の要素が典型的には用いられる。それゆえ、図９の実施形態では、約５０スペクトルのサンプルは、第１のものが乗算レジスタから生じる前に、獲得されるであろう。システムは、クロックフィードスルーによって損なわれる出力を回避するために、出力がサンプリングされるときに、クロック動作が存在しないことを確実にするために、クロックの同期化を用いて調整される。乗算レジスタによって与えられるゲインは、典型的には、１０００のオーダーである。

述べてきた実施形態では、フォトサイトの光電性アレイは、望ましくは、（単一ライン又は多数ラインのいずれかの）ＣＣＤアレイである。しかしながら、フォトダイオードなどの異なる技術が電荷集積のために用いられ、乗算レジスタ（ＣＣＤ）が増倍に用いられる。

多数の乗算レジスタが用いられる実施形態では、それぞれが分析されるスペクトルの異なる部分から蓄積される電荷を処理し、乗算レジスタの特性が適切な乗算を各スペクトル部分に提供するように設計され得る。

既に示されているように、フォトサイトの多数行が用いられ、この場合に、各行において所定のサンプリング時間で集積される電荷は、記憶装置又は読み出しレジスタに合計される。任意数の行は、フォトサイトのサイズに依存するようにできる。アレイは、各列がスペクトルの同じ部分から光線を受信するようにラインアレイとして効率的に動作する。多数の行を有する目的は、改善された電荷取得を提供することである。

述べてきた実施形態は、レーザ走査される分光器に関するものであるが、生活科学から燃焼化学まで多くの学問領域に用いられるような他のタイプの時間分解分光器に等しく適用できる。

既知のレーザ走査顕微鏡検査装置のブロック図である。 多数の検出器を備えた図１の装置のブロック図である。 既知のＣＣＤセンサである。 本発明の第１の実施形態に従う、図１又は２の装置と共に用いられるＣＣＤセンサである。 本発明の第２の実施形態に従う、図１又は２の装置と共に用いられるＣＣＤデバイスである。 本発明の第３の実施形態に従う、図１又は２の装置と共に用いられるＣＣＤデバイスである。 本発明の第４の実施形態に従う、図１又は２の装置と共に用いられるＣＣＤデバイスである。 本発明の第５の実施形態に従う、図１又は２の装置と共に用いられるＣＣＤデバイスである。 本発明の第６の実施形態に従う、図１又は２の装置と共に用いられるＣＣＤデバイスである。

Claims (14)

1. 波長のスペクトルが前記波長のスペクトルのそれぞれの部分に分離される時間分解分光のための分光器システムであって、
   前記波長のスペクトルの前記それぞれの部分を受信するように配置されるＣＣＤデバイスを備え、
   前記ＣＣＤデバイスは、
   前記波長のスペクトルを検出し、前記波長のスペクトルを表す信号電荷を生成するように配置されるフォトサイトのアレイと、
   前記フォトサイトのアレイから前記信号電荷を受信するように配置される記憶領域と、
   前記記憶領域から前記信号電荷を受信するように配置される読み出しレジスタと、
   前記読み出しレジスタから前記信号電荷を受信し、電荷増倍を提供するように配置される複数のＣＣＤ乗算レジスタと、を備え、
   前記波長のスペクトルの前記それぞれの部分は時間と共に変化し、前記システムは、前記フォトサイトのアレイのそれぞれの部分が前記スペクトルの時間変化に対応して前記波長のスペクトルの所定の部分を受信するように構成されており、各ＣＣＤ乗算レジスタは、前記波長のスペクトルの所定の部分に対応する前記フォトサイトのアレイのそれぞれの部分から前記信号電荷を受信するように構成されているシステム。
2. 前記記憶領域は、前記ＣＣＤ乗算レジスタに直列に前記電荷を提供するために、フォトサイトの前記アレイから並列に前記信号電荷を受信することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記複数のＣＣＤ乗算レジスタは、フォトサイトの前記アレイのそれぞれの一部から連続的に信号電荷を受信し、同時に乗算を提供することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１つに記載のシステム。
4. 前記ＣＣＤ乗算レジスタは、フォトサイトの前記アレイの一側面に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のシステム。
5. 前記ＣＣＤ乗算レジスタは、フォトサイトの前記アレイの各側面の幾つかに配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のシステム。
6. 前記ＣＣＤ乗算レジスタは、フォトサイトの前記アレイのいずれかの側面に択一的に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のシステム。
7. 前記ＣＣＤ乗算レジスタは、互いに隣接した各ペアで２つ一組となって配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のシステム。
8. フォトサイトの前記アレイは、多数の行及び列を有するように配置され、各列は、前記時間変化するスペクトルの同じ部分から光線を受信するように配置され、前記時間変化するスペクトルの各々の一部に関して前記行に蓄積される電荷が乗算の前に合計されるように配置される請求項１から７のいずれか１つに記載のシステム。
9. エリアアレイＣＣＤは、前記行に蓄積される電荷を合計するように配置されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 合計する領域は、フォトサイトの前記アレイの前記行に蓄積される電荷を受信し合計するように配置されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. フォトサイトの前記アレイは、光線感知ＣＣＤを備えたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載のシステム。
12. 前記ＣＣＤデバイスが複数のＣＣＤ乗算レジスタを有し、それぞれが、前記時間変化するスペクトルのそれぞれの異なる部分から導出される電荷を受信するように配置されると共に、異なるゲインを前記時間変化するスペクトルの各部分に提供するために、異なるゲインを有するように配置される請求項１から１６のいずれか１つに記載のシステム又は請求項１から１１のいずれか１つに記載のＣＣＤデバイス。
13. 前記フォトサイトの前記アレイは、ラインアレイを含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１つに記載のシステム。
14. 時間分解分光を実現する方法であって、
    ＣＣＤデバイスを用意するステップを備え、
    前記ＣＣＤデバイスは、
    波長のスペクトルを検出し、前記波長のスペクトルを表す信号電荷を生成するように配置されるフォトサイトのアレイと、
    前記フォトサイトのアレイから前記信号電荷を受信するように配置される記憶領域と、
    前記記憶領域から前記信号電荷を受信するように配置される読み出しレジスタと、
    前記読み出しレジスタから前記信号電荷を受信し、電荷増倍を提供するように配置される複数のＣＣＤ乗算レジスタであって、各ＣＣＤ乗算レジスタは、前記波長のスペクトルの所定の部分に対応する前記フォトサイトのアレイのそれぞれの部分から信号電荷を受信するように構成されている複数のＣＣＤ乗算レジスタとを備え、
    前記波長のスペクトルのそれぞれの部分は時間と共に変化し、
    前記方法は更に、
    前記波長のスペクトルを受信し、前記複数のＣＣＤ乗算レジスタによる電荷増倍のために、前記スペクトルの時間変化に対応して前記波長のスペクトルの異なる部分を前記フォトサイトのアレイのそれぞれの部分に与えるステップを備える方法。

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