JPH04268422A - 分光装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料から発生した放射
又は試料を通過した放射を放射検出器上に入射させる手
段と、前記放射検出器から発生した信号を処理する処理
手段と、処理した信号を表示する表示手段とを具え、前
記放射検出器が、ｍ行ｎ列の電荷結合装置と、複数の電
荷結合素子からの電荷を出力コンデンサに蓄積させる手
段と、前記出力コンデンサに蓄積した電荷を表示する出
力信号を発生させる手段とを有する分光装置に関するも
のである。

【従来の技術】

【０００２】このような型式の分光装置は次の３個の文
献に記載されている。 （１）　　１９８７年１１月７日に発行された雑誌“ア
プライド　　スペクトロスコピー　　　　（Ａｐｐｌｉ
ｅｄ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）　第４１巻，表題“
チャージ　　トランスファ　　デバイスディテクダーズ
フォー　　アナリティカル　　オプテイカル　　スペク
トロスコピー　　オペレーション　　アンド　　キャラ
クタリシティックス　（Ｃｈａｒｇｅ　Ｔｒａｎｓｆｅ
ｒ　　　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ　ｆｏｒ　
Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｏｐｔｉｅｃａｌ　Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｓｃｏｐｙ−Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄＣｈａｒ
ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）Ｒ．　Ｂ．　Ｂｉｌｈｏｒｍ
，　Ｊ．　Ｖ．　Ｓｗｅｅｄｌｅｒ，　Ｐ．　Ｍ．　Ｅ
．Ｅｐｐｅｒｓｏｎ及び　　Ｍ．Ｂ．　Ｄｅｎｔｏｎ　
　著。 （２）　　１９８７年８月に発行された雑誌“オプテイ
カル　　エンジニアリング（ＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎ
ｅｅｒｉｎｇ）”第２６巻　　第８号，表題“インテン
ジファイド　　チャージーカップリド−デバイス　　カ
メラズ　　フォー　　ア　　スペィシャリ　　リゾルビ
ィング　　エクストリーム　　ウルトラバイアレット　
　スペクトロメータ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ　ｃｈａ
ｒｇｅｄ−　ｃｏｕｐｌｅｄ−ｄｅｖｉｃｅ　ｃａｍｅ
ｒａｓ　ｆｏｒ　ａ　ｓｐａｔｉａｌｌｙ　ｒｅｓｏｌ
ｖｉｎｇ　ｅｘｔｒｅｍｅ　ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ　
　　　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）　”　　Ｄ．　Ｃｏ
ｎｔｅｎｔ，　Ｍ．　Ｐｅｒｒｙ，　Ｄ．　Ｗｒｏｂｏ
ｅｗｓｋｉ，　　及びＨ．　Ｗ．Ｍｏｏｓｒ　著。　（
３）　　１９８７年１０月に発行された雑誌“オプティ
カル　　エンジニアリング（ＯｐｔｅｃａｌＥｎｇｉｎ
ｅｅｒｉｎｇ）”第２６巻　　第１０号　　表題“オプ
ティマイジング　　チャージ−カップルド−デバィス　
　ディラクタ　　オペレーション　　フォー　　オプテ
ィカル　　アストロノミィ（Ｏｐｔｉｍｉｓｉｎｇ　ｃ
ｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ−ｄｅｖｉｅ　ｄｅｔｅｃ
ｔｏｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　　　　ｏｐｔｉ
ｃａｌ　ａｓｔｒｏｎｏｍｙ　　Ｒｏｂｅｒｔ　Ｗ．　
Ｌｅａｃｈ　　著。これらの文献の全ては、読出モード
において電荷を読出す前に１個以上の電荷結合素子から
の電荷をＣＣＤの内部で結合できる利点に関するもので
ある。 このプロセスは結合と称せられている。デジタル信号を
メモリで加算するデジタル加算と比較してアナログ信号
を“オン　　チィップ”で加算する方式の利点は、１回
の読取操作しか受けないことであり、この結果データは
１回の読取操作によるノイズの影響しか受けない。これ
に対してデジタル加算の場合データは各読取操作と関連
するノイズがそれぞれ加算されてしまう。

【発明が解決しようとする課題】

【０００３】このアナログ加算技術は、最大電荷を蓄積
する少数の検出素子を結合する場合又は微小電荷を蓄積
する多数の検出素子を結合する場合だけしか適用するこ
とができない。すなわち、アレイの一方向についてシフ
トレジスタは小量の電荷、典型的な場合検出素子の最大
蓄積電荷量の１〜５倍程度の電荷量しか保持できず、上
記方向と直交する方向については出力コンデンサは小さ
な処理容量、典型的な場合シフトレジスタ段の保持電荷
量の５倍以下の処理容量しか有していないためである。 従って、本発明の目的は、分光装置用のＣＣＤ検出器の
性能を一層向上させることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、冒頭部で述べ
た分光装置において、別の外部コンデンサを出力コンデ
ンサに並列に接続した分光装置を提供するものである。

【０００５】

【作用】ＣＣＤは通常ビデオカメラの撮像用に用いられ
ており、通常６００　×５７５　個の検出素子（画素）
のアレイである（例えば、フィリィップス　　ＮＸＡ１
００１　　ソリッドステート　　イメージ　　センサ参
照）。典型的な場合、分光装置は放射を分散させて狭帯
域の波長光を発生させ、検出器の各列を照明している。 最大感度を得るため、１列中の全ての素子又はほとんど
全ての素子を用いて狭帯域の放射光を検出することが望
ましい。すなわち、試料の吸収率が低い場合又は試料か
ら放射される放射が強い場合、つまり検出器に入射する
エネルギーが高い場合１列中の各検出素子は大量の電荷
を蓄積するため、ＣＣＤの出力コンデンサにおいて電荷
を結合することが不可能になってしまう。この課題を回
避する方法として、試料の吸収率にかかわらず検出素子
に大量の電荷が蓄積しないように放射エネルギーを制限
し、或は積分時間を制限し、又は各検出素子の電荷を個
別に読出し又は少数の検出素子の電荷だけを読出してデ
ィジタル的に加算する方法がある。しかしながら、上記
第１の方法では、試料が顕著な吸収率を有していても検
出器によって受光される光量が低下してしまい、この結
果感度が低下しノイズが増大してしまう欠点がある。第
２の方法は、上述した読出ノイズが増大する欠点がある
。一方、特別な外部コンデンサを付加することにより、
この外部コンデンサはＣＣＤに設けた“オン　　チィッ
プ”の出力コンデンサも一層大容量とすることができる
ので、多数の画素からの電荷を加算することが可能にな
る。従って、本発明によれば、ビデオカメラのような民
生用に設計された安価な標準ＣＣＤを分光装置に用いる
ことができ、しかも信号を最小ノイズで読み出すことが
できる。全列の検出素子の電荷は外部コンデンサに蓄積
することができ、この電荷が蓄積されたとき出力信号を
発生させることができる。このように構成することによ
り、検出器において低レベルの信号が受信されても大き
な検出器領域を利用できるので受光される全放射光量が
最大になり、従って測定感度を最大にすることができる
。操作に起因する信号ショットノイズについては、信号
強度が増大するにつれてノイズは信号強度の１／２乗で
増大するので、Ｓ／Ｎ比も向上する。

【０００６】１列の検出素子のうち選択された数の素子
からの電荷を外部コンデンサに蓄積させ、これらの電荷
が蓄積されたとき出力信号を発生させる。このように構
成することにより標準のアレイを使用する光学系に調整
適合させることができ、すなわち、測定ビームによって
照明された検出素子だけを読出すことができる。また、
検出素子を選択することにより大きさの異なる試料につ
いても容易に適合させることができ、測定ビームの大き
さを変更することにより測定性能を改善することができ
る。

【０００７】分光装置は前記コンデンサの並列接続に接
続したトランジスタと、このトランジスタを、前記出力
信号が発生したとき前記コンデンサが所定の電荷状態に
リセットされるように制御する手段とを含むことができ
る。これらの手段を設けることにより、ＣＣＤチィップ
の正規の動作に必要な最小の変更だけですむことになる
。この画素リセットトランジスタは基準電圧から絶縁さ
れ、内部コンデンサをリセットする代りにこの画素リセ
ットトランジスタにより内部コンデンサと外部コンデン
サとの間で電荷分配を行なう。このリセット機能は、コ
ンデンサを所定の電荷状態にリセットするために用いる
基準電圧源から内部トランジスタを絶縁するように作用
する外部トランジスタにより達成される。

【０００８】以下図面に基いて本発明を詳細に説明する
。

【０００９】

【実施例】図１に示すように、本発明による分光装置は
広帯域の放射ビームを放出する放射源１を具える。この
放射源として種々の光源が既知であり、例えば可視域の
光源としてタングステンフィラメントランプ又は紫外域
用のランプとして重水素ランプが既知である。放射源１
からの放射ビームは試料室２を経て発散素子３に入射す
る。通常、この放射ビームはミラー及び／又はレンズの
ような適当な光学素子３により試料室２を経て発散素子
３に入射する。この発散素子はプリズム又は回折格子と
することができる。また、適切な光学素子を用いて放射
ビームを平行ビームとし適当な位置に集束させることが
できる。発散した放射ビームは電荷結合素子アレイを有
する検出器４に入射する。この検出器４はテレビジョン
カメラで通常用いられているｍ行ｎ列の電荷結合素子の
規則的なアレイで構成する。制御兼処理回路５は検出器
４からの出力信号を読出すために必要な信号を供給する
と共に表示装置６上に表示するため読み出された信号を
処理する。表示装置６は、例えばビデオ表示ユニット、
チャートレコーダ、Ｘ−Ｙプロッタのようないかなる形
態の表示装置も利用できる。

【００１０】図２は検出器４を示し、この検出器はｍ行
ｎ列の電荷結合素子を有するアレイ５０の形態の電荷結
合装置とする。出力シフトレジスタ５１を出力回路５２
に接続し、この出力回路から出力端子５３に出力信号を
発生させる。検出器４は市販のＣＣＤアレイで構成され
、蓄積された電荷をイネーブルして読み出す制御回路５
４と協働する。この制御回路の詳細は、例えばフィリィ
ップス　　コンポーネント社から　　１９８９年に発行
されたデータハンドブック“ソリッド　　ステート　　
イメージ　　センサズ　　アンド　　ペリフェラル　　
インテグレーデッド　　サーキュッツ”（Ｓｏｌｉｄ　
　　　Ｓｔａｔｅ　Ｉｍａｇｅ　Ｓｅｍｓｏｒｓ　ａｎ
ｄ　Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃ
ｉｒｃｕｉｔｓ）　から容易に入手できる。制御回路は
適切なクロック信号及び読出信号を発生し、これらの信
号により各素子から順次１ライン毎に時間的に並列に電
荷をシフトレジスタ５１に読み出し、このシフトトラン
ジスタにおいて読み出した電荷を出力回路５２に直列に
出力し、この出力回路から制御兼処理回路５に接続した
出力端子５３に供給する。

【００１１】図３は、１列中の全電荷を結合するための
出力回路５２の変更内容を示す。破線で示す部分５２は
図２に示す出力回路を表わす。第１の入力部６１をコン
デンサＣ１とｎチャネル電界効果トランジスタＴ１のソ
ース電極との接続部及びｎチャネル電界効果トランジス
タＴ２のゲート電極に接続する。コンデンサＣ１の他端
は負の給電線−Ｖに接続し、トランジスタＴ２のドレイ
ン電極は正の給電線＋Ｖに接続する。トランジスタＴ１
のドレイン電極をコンデンサＣ２とｎチャネル電界効果
トランジスタＴ３のソース電極との接続部に接続する。 コンデンサＣ２の他端は負の給電線−Ｖに接続しトラン
ジスタＴ３のドレイン電極はトランジスタＴ１のゲート
電極に接続し、第３入力部５３はトランジスタＴ３のゲ
ート電極に接続する。トランジスタＴ２のソース電極は
出力端子５３に接続する。

【００１２】動作に際し、シフトレジスタ５１からの電
荷は第１入力部に供給され、画素リセット制御信号は第
２入力部６２に供給する。列リセット制御信号は第３入
力部６３に供給する。通常、トランジスタＴ１のドレイ
ン電極は基準電圧ＶＲ　に直接接続されるので、画素リ
セットパルスが受信されるとトランジスタＴ１によりコ
ンデンサＣ１の電荷は所定の値にリセットされる。この
電荷は、入力部６１でシストレジスタ５１から供給され
る電荷パケットの各々により増分される。画素リセット
パルスは通常各電荷パケットが受信された後供給される
ので、大きさが個々の電荷パケットの大きさに対応する
パルス列が出力部５３に発生する。一方、画素リセット
パルスの周波数を低下することにより制限された数の電
荷パケットをコンデンサＣ１に蓄積させることができる
。この電荷パケットの数及び電荷パケットの大きさはコ
ンデンサＣ１の値により制限され、コンデンサＣ１の容
量は集積回路技術では大きくすることはできない。すな
わち、微小な電荷がアレイの各素子に蓄積される場合で
あれば、多数の電荷パケットをコンデンサＣ１に蓄積さ
せることができる。

【００１３】図３に示す回路はＣＣＤに対して外部のも
のとして接続したトランジスタＴ３及びコンデンサＣ２
を含み、トランジスタＴ３は基準電圧源ＶＲとトランジ
スタＴ１のドレイン電極との間に接続する。トランジス
タＴ３は第３入力端子６３に供給される列リセット電極
により制御され、リセット信号が存在するときを除いて
トランジスタＴ１を基準電圧源ＶＲ　から絶縁する。従
って、各電荷パケットが受け取られると、電荷パケット
は、トランジスタＴ１が画素リセットパルスによってオ
ンに切り換えられるとき互いに並列に接続されるコンデ
ンサＣ１及びＣ２に蓄積する。コンデンサＣ２は、別に
設けた素子として配置される場合、コンデンサＣ１より
も一層大きな容量に選択することができる。電荷パケッ
トの電荷はコンデンサＣ１とＣ２との並列結合に蓄積し
、ＣＣＤの１列全体は、その全ての素子が最大電荷を蓄
積したとき上記コンデンサの並列結合に結合することが
できる。

【００１４】図４を参照する。図４ａは入力部６１に供
給される電荷パケットを示し、図４ｂは入力部６２に供
給される画素リセットパルスを示し、図４ｃは入力部６
３に供給される列リセットパルスを示し、図４ｄは出力
端子５３における出力信号を示す。

【００１５】トランジスタＴ１のゲート電極を端子６２
において一定のバイアス電圧に接続してトランジスタＴ
１を常時導通させることもできる。この場合コンデンサ
Ｃ１とＣ２は常時並列に接続され、コンデンサＣ１とＣ
２との並列結合は列リセットパルスにより一定の電荷に
設定される。このように構成することにより、寄生容量
を有するトランジスタＴ１の切換によって生ずる精度の
低下を改善することができる利点が達成される。この場
合、図４ｂに示す波形は一定のバイアスレベルで置換さ
れる。

【００１６】図１に示す実施例は放射源からの放射光を
サンプルを経て検出器に入射させることにより試料の吸
収率や透過率を測定するために用いる光学式分光装置の
典型的な構成であるが、本発明は検出器が試料から放出
された放射を受光する分光装置、例えば試料が直接放射
を放出する原子放射分光装置や試料が励起光に応じて放
出するＸ線蛍光分光装置又は原子蛍光分光装置にも適用
することができる。

【００１７】本発明は上述した実施例だけに限定されず
種々の変形や変更が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明による分光装置の一例を示すブロ
ック線図である。

【図２】図２は電荷結合素子アレイ及び制御回路を有す
る検出器の構成を示すブロック図である。

【図３】図３は図１に示す検出器の読出回路を示す回路
図である。

【図４】図４は図３に示す読出回路の動作を理解するた
めに有用な波形図である。

【符号の説明】

１　　放射源 ２　　試料 ３　　分散素子 ４　　検出器 ５　　制御兼処理回路 ６　　表示装置 ５０　　電荷結合装置 ５１　　シストレジスタ ５２　　出力回路 ５４　　制御回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　試料から発生した放射又は試料を通過
   した放射を放射検出器上に入射させる手段と、前記放射
   検出器から発生した信号を処理する処理手段と、処理し
   た信号を表示する表示手段とを具え、前記放射検出器が
   、ｍ行ｎ列の電荷結合装置と、複数の電荷結合素子から
   の電荷を出力コンデンサに蓄積させる手段と、前記出力
   コンデンサに蓄積した電荷を表示する出力信号を発生さ
   せる手段とを有する分光装置において、別の外部コンデ
   ンサを、前記出力コンデンサに並列に接続したことを特
   徴とする分光装置。
2. 【請求項２】　　請求項１に記載の分光装置において、
   全ての列の電荷結合素子からの電荷を前記コンデンサに
   蓄積させ、前記電荷が蓄積されたとき前記出力信号を発
   生させることを特徴とする分光装置。
3. 【請求項３】　　請求項１に記載の分光装置において、
   １個の列中の選択された数の電荷結合素子からの電荷を
   前記コンデンサに蓄積させ、前記電荷が蓄積されたとき
   前記出力信号を発生させることを特徴とする分光装置。
4. 【請求項４】　　請求項１から３までのいずれか１項に
   記載の分光装置において、前記コンデンサの並列接続に
   接続したトランジスタと、このトランジスタを、前記出
   力信号が発生したとき前記コンデンサが所定の電荷状態
   にリセットされるように制御する手段とを具えることを
   特徴とする分光装置。