JPH0310126A - 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

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔ
ｅｒ）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。

〔従来技術の問題点〕

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１’Ａ　Ｈｉｇｈ−３ｐｅｅｄ　Ｓｐｅ
ｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔ’ｒｉｃ　ＬＣＤｅｔｅｃｔ
。

ｒＪ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一線形アレイを配置
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　ｏｕｔ
ｐｉ　１ｉｎｅ）　（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（ａｃｅｕｍｕ
ｌａｔｏｒ）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（ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ）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）　Ｊ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
十分に分離でき、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。

〔発明の目的〕

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。

〔発明の概要〕

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加
させることなく、より多（の光スループット（ｌｉｇｈ
ｔ　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　ｅ
ｆｆｅｃｔ）とその結果生ずる感光素子の非線形性を回
避するる。「予め決められた数」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。

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
て光スルーブツトを大きくすることができる。しかしな
がら、はとんどの場合光スポットは円形なので、光スル
ーブツ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。感光素子に衝
突する光線を広げると、光積分効果（ｌｉｇｈｔ−ｉｎ
ｔｅｇｒａｔｉｎｇ　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、感光素子に衝突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ブツトを増加させ、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だけ光スルーブツトを増加させ１０個のフォ
トセルからの信号を蓄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５ＱＲ（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
光素子の電荷を蓄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。

〔発明の実施例〕

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ｌ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にフォーカスされる。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。

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　（ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐ
ｈ）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と衝突し、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２
０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２
０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、ＡＩＤ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２工は個々の
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Ｃｅ１ｌ　１．、、、Ｃｅ１ｌ　
２．、、、Ｃｅ１ｌｎとも呼ばれている。セルｌ、、、
、、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ＳＷＩ、、、。

、　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。

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み電荷増幅器３
２の出力信号、ｒＰＤＡ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１７８倍、１７４倍、１７２倍、１倍、
２倍、４倍、８倍となる。コンデンサ４ｏ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（ｅａ
ｃｈ　１ｎｄｉｖｉｄｕａｌ　ｂｕｎｃｈ　ｏｆ　ｐｈ
ｏｔｏｃｅｌｌｓ）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（ｂｕ
ｎｃｈ）１　、　、　、、−１集群３の信号ライ１と、
利得ｌ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１１１１１、集群３のライン上のパタ
ーンは、蓄積されるフォトセルの数の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。

分析が完了するまで、集群１１６２、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ｌ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。

第４図では、フォトダイオード・アレイに送られるクロ
ック信号および異なる数の蓄積されたフォトセルに対す
る接続リセット信号と出力信号（Ｖｏｕｔ）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
に依存した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「蓄積されていないＪ　（
ａ）　（これは、分光検出器の周知の種類の動作である
。）フォトセルが２個蓄積している場合ｆｂ）、フォト
セルが３個蓄積している場合（Ｃ）の信号を示す。

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
るために単純なスイッチとして示した。

〔発明の効果〕

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。

【図面の簡単な説明】

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。 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。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）多色ビーム放射線のさまざまな波長をさえぎる感
   光素子のアレイと、 対応する前記感光素子にそれぞれ接続する複数個の転送
   切換え素子と、 前記転送切換え素子の開閉をおこない、読み出しサイク
   ル時に感光素子によってさえぎられた放射線の量を表す
   信号を生成する前記転送切換え素子と接続する読み出し
   回路とを含むフォトダイオード・アレイ分光検出器にお
   いて、 前転送切換え素子の出力端子が共通ビデオ・ラインを介
   して接続する電荷増幅回路をさらに含み、前記電荷増幅
   回路は接続する転送電荷素子が閉じられると感光素子へ
   電気的電荷を転送させ、よってその出力電圧は、前回の
   接続された転送切換え素子を閉じた結果、前記感光素子
   上に衝突した光の量に比例す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。
2. （２）請求項第１項記載のフォトダイオード・アレイ分
   光検出器において、 前記電荷増幅回路はコンデンサ手段をフィードバック・
   ループで有する積分器からなり、前記コンデンサ手段は
   、複数個の感光素子の信号を積分することができるにに
   十分な容量を有することを特徴とする。