TW202133605A - 影像感測器及影像感測器之控制方法 - Google Patents

影像感測器及影像感測器之控制方法 Download PDF

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Abstract

影像感測器5具備複數之像素10。各像素10具有光電轉換部11、控制蓄積於光電轉換部11之電荷排出之重設閘極12、電荷蓄積部13、控制電荷自光電轉換部11向電荷蓄積部13移動之蓄積閘極14、及控制來自電荷蓄積部13之電荷的讀取之讀取閘極16。重設閘極12將藉由激發光之入射而於光電轉換部11產生之電荷排出。蓄積閘極14將藉由螢光之入射而於光電轉換部11產生之電荷移動至電荷蓄積部13。讀取閘極16於電荷向電荷蓄積部13之移動進行n次後進行用以讀取電荷之控制。電荷之移動次數n可對每個像素10設定。藉此，可實現一種可選擇性地提高複數之像素中一部分像素的信號量，且可僅檢測交替入射之2束光中之一者之影像感測器。

Description

影像感測器及影像感測器之控制方法
本發明係關於一種影像感測器、及影像感測器之控制方法。
專利文獻1中揭示關於線性影像感測器及其驅動方法之技術。該線性影像感測器包含一維排列之N個像素、信號輸出線、電荷排出線及驅動控制機構。各像素具有包含光電轉換元件之信號產生部、設於信號產生部與信號輸出線之間之讀取開關、及設於信號產生部與電荷排出線之間之電荷排出開關。信號輸出線為了擷取於N個像素獲得之信號，而共通地設於全體像素。電荷排出線將N個像素獲得之信號排出。
驅動控制機構對每個像素分別獨立指示將讀取開關暫時設為導通狀態之動作、與將電荷排出開關暫時設為導通狀態之動作。驅動控制機構將各像素之讀取開關在相互不同之期間設為導通狀態，且在將各像素中讀取開關設為導通狀態之時點起至於下次將讀取開關設為導通狀態之期間中，對每個像素設定是否將該像素之電荷排出開關設為導通狀態或將該像素之電荷排出開關設為導通狀態之時序之何者，並指示各像素之讀取開關及電荷排出開關之導通/斷開。
專利文獻2中揭示關於固體攝像裝置之技術。該固體攝像裝置具備第1導電型之光電轉換部、第1導電型之保持部、第1導電型之浮動擴散部、電荷排出部、包含第1閘極且將電荷自光電轉換部傳送至保持部之第1傳送部、包含第2閘極且將電荷自保持部傳送至浮動擴散部之第2傳送部、及包含第3閘極且將電荷自光電轉換部排出至電荷排出部之第3傳送部。
第1傳送部之第1閘極之下之至少一部分區域的第2導電型之雜質濃度，低於第2傳送部之第2閘極之下之區域的第2導電型之雜質濃度、及第3傳送部之第3閘極之下之區域的第2導電型之雜質濃度。在第1傳送部及第3傳送部斷開之狀態下，會有第1傳送部之電位障壁高於第3傳送部之電位障壁的狀態之情形。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]國際公開第2014/069394號 [專利文獻2]日本特開2018-120981號公報
[發明所欲解決之問題]
影像感測器對複數之像素之每個檢測入射光之強度。當入射至像素之入射光之光量微弱時，與背景雜訊比較，檢測信號變小，該像素中之S/N比劣化。另一方面，當入射至像素之入射光之光量過大時，該像素飽和，檢測信號之大小將不會與入射光之強度對應。
例如，分光分析裝置藉由線性影像感測器檢測分光後之各波長之光強度時，根據波長而有光強度微弱之情形。該情形，若將全部之像素之信號量一樣升高，恐有檢測其他波長之光強度之像素飽和之問題。因此，期望可僅提高與光強度微弱之波長對應之像素的信號量。
又，對影像感測器有期望僅檢測交替入射之2束光中之一者之情形。例如，發光分光量測裝置中，對量測對象物照射激發光，將於量測對象物產生之螢光進行分光，再藉由線性影像感測器就每個波長檢測螢光之強度。該情形，線性影像感測器之各像素除螢光以外還入射有激發光。
通常，螢光遲於激發光而產生，故於各像素首先入射激發光，片刻後入射螢光。為了進行高精度之測定，會照射複數次之脈衝狀之激發光，並於每次就每個波長檢測螢光強度。由於量測對象物之分析中必要的是螢光強度，故期望能一邊排除激發光之影響一邊高精度地檢測螢光強度。
實施形態之目的在於提供一種可選擇性地提高複數之像素中一部分像素的信號量，且可僅檢測交替入射之2束光中之一者之影像感測器、及影像感測器之控制方法。 [解決問題之技術手段]
實施形態為一種影像感測器。影像感測器包含一維或二維配置之複數像素，且各像素具有：光電轉換部，其產生與入射光之強度對應之量之電荷；第1閘極，其控制蓄積於光電轉換部之電荷向該像素外之排出；電荷蓄積部，其與光電轉換部分開設置，且蓄積電荷；第2閘極，其設於光電轉換部與電荷蓄積部之間，且控制電荷自光電轉換部向電荷蓄積部之移動；及第3閘極，其控制來自電荷蓄積部之電荷之讀取；且，第1閘極將藉由依時間交替入射之第1光及第2光中第1光之入射而於光電轉換部產生之電荷排出至像素外；第2閘極將藉由第2光之入射而於光電轉換部產生之電荷移動至電荷蓄積部；第3閘極於電荷向電荷蓄積部之移動進行n次(n為1以上之整數)後，進行用以自電荷蓄積部讀取電荷之控制；電荷之移動次數n，可對每個像素個別設定。
依上述構成，首先，當第1光(例如發光分光量測之激發光)入射至影像感測器時，各像素之光電轉換部會產生與第1光之強度對應之量之電荷。該電荷通過第1閘極排出至該像素外。接著，當第2光(例如發光分光量測之螢光)入射至影像感測器時，各像素之光電轉換部產生與第2光之強度對應之量之電荷。該電荷通過第2閘極向電荷蓄積部移動。其後，於第2光之強度充分且S/N比較高之像素，可例如於每次第2光之入射，通過第3閘極讀取電荷。
又，於第2光之強度不充分且S/N比較低之像素，於第2光複數次入射之前，不進行通過第3閘極之讀取，可於電荷蓄積部蓄積電荷。其間，重複進行第1光及第2光之入射，藉由第1光而於光電轉換部產生之電荷通過第1閘極排出至該像素外，藉由第2光而於光電轉換部產生之電荷通過第2閘極蓄積於電荷蓄積部。且，蓄積於電荷蓄積部之第2光之入射次數量之電荷，通過第3閘極讀取。
如此，上述之影像感測器，由於可對每個像素個別設定第2光所致之電荷之蓄積次數，故在第2光之強度不充分之情形，仍可增多蓄積次數而提高信號量。且，此等動作可一邊排除與第2光交替入射之第1光之影響一邊進行。因此，根據上述之影像感測器，可選擇性地提高複數像素中一部分之像素的信號量，且可僅檢測交替入射之2束光中之一者。
實施形態為一種發光分光量測裝置。發光分光量測裝置包含：上述構成之影像感測器，其包含一維配置之複數像素；激發光源，其將作為第1光之激發光照射至量測對象物；及分光器，其將藉由激發光而於量測對象物產生之螢光進行分光；且，影像感測器之複數像素之排列方向係沿分光器之分光方向，且影像感測器就每個波長檢測藉由分光器分光後之作為第2光的螢光之強度。
根據上述之發光分光量測裝置，藉由包含上述構成之影像感測器，可選擇性地提高對於一部分波長之信號量，且可僅檢測交替入射之激發光及螢光中的螢光。
實施形態為一種影像感測器之控制方法。影像感測器之控制方法為包含一維或二維配置之複數像素之影像感測器之控制方法，且影像感測器中，各像素具有：光電轉換部，其產生與入射光之強度對應之量之電荷；及電荷蓄積部，其與光電轉換部分開設置，且蓄積電荷；且該控制方法包含：第1步驟，其將藉由對於影像感測器依時間交替入射之第1光及第2光中第1光之入射而於光電轉換部產生之電荷排出至像素外；第2步驟，其與第1步驟交替重複進行，使藉由第2光之入射而於光電轉換部產生之電荷移動至電荷蓄積部；及第3步驟，其在進行n次(n為1以上之整數)第2步驟後，自電荷蓄積部讀取電荷；且對每個像素個別設定電荷之移動次數n。
根據上述之控制方法，於第2光之強度不充分且S/N比較低之像素，於第2光複數次入射為止不進行讀取，可於電荷蓄積部蓄積電荷。其間，重複進行第1光及第2光之入射，藉由第1光而於光電轉換部產生之電荷被排出至該像素外，藉由第2光而於光電轉換部產生之電荷被蓄積於電荷蓄積部。其後，讀取蓄積於電荷蓄積部之第2光之入射次數量之電荷。
如此，上述之控制方法，由於可對每個像素個別設定第2光所致之電荷之蓄積次數，故在第2光之強度不充分之情形，可增多蓄積次數而提高信號量。且，此等動作可一邊排除與第2光交替入射之第1光之影響一邊進行。因此，根據上述控制方法，可選擇性地提高複數像素中之任意像素的信號量，且可僅檢測交替入射之2束光中之一者。 [發明之效果]
根據實施形態，可提供可選擇性地提高複數像素中一部分像素的信號量，且可僅檢測交替入射之2束光中之一者之影像感測器、及影像感測器之控制方法。
以下，一面參照附加圖式，一面詳細說明影像感測器、發光分光量測裝置、及影像感測器之控制方法之實施形態。另，圖式之說明中對相同要件附加相同符號，並省略重複說明。又，本發明並非限定於該等例示者。
圖1係概略性地顯示一實施形態之發光分光量測裝置1之構成之圖。如圖1所示，發光分光量測裝置1具備激發光源2、透鏡3、分光器4、及影像感測器5。
激發光源2與量測對象物A光學性地結合，將激發光La照射至量測對象物A之表面。激發光源2以特定之時間間隔複數次照射具有脈衝狀之時間波形之激發光La。激發光La為本實施形態之第1光。量測對象物A例如為固體，激發光La之波長例如為100 nm以上1200 nm以下。
量測對象物A每次接受脈衝狀之激發光La，均會產生包含與量測對象物A之各構成元素對應之波長成分之螢光Lb。螢光Lb為本實施形態之第2光。構成量測對象物A之各元素分別發出具有固有波長之螢光Lb。又，各波長成分之光強度表示與其波長對應之各元素之組成比(或混合比)。因此，藉由檢測螢光Lb所含之各波長成分之波長及強度，可鑑定構成量測對象物A之元素之種類及組成比(或混合比)。
分光器4介隔透鏡3與量測對象物A光學性結合。分光器4接收藉由激發光La而於量測對象物A產生之螢光Lb，並將螢光Lb分光。分光器4例如可由繞射格柵或棱鏡構成。影像感測器5與分光器4光學性結合，且接收自分光器4輸出之分光後之螢光Lb。影像感測器5藉由依每波長檢測藉由分光器4分光後之螢光Lb的強度，進行螢光Lb之光譜解析量測。
圖2係概略性地顯示影像感測器5之構成之圖。如圖2所示，影像感測器5包含一維配置之複數像素10、及電性連接於各像素10而控制各像素10之動作之控制部9。複數像素10沿X方向排列而配置，各像素10之俯視形狀為將與X方向交叉(例如正交)之Y方向設為長邊方向之長方形。影像感測器5配置為使複數像素10之排列方向(X方向)沿分光器4之分光方向(複數波長成分排列之方向)。從而，各像素10檢測分別對應之波長成分之光強度。
於影像感測器5之光入射面除入射上述螢光Lb以外，亦入射激發光La。螢光Lb由於比激發光La之照射更慢產生，故先入射激發光La，隔段時間入射螢光Lb。
通常，激發光La之峰值波長，與螢光Lb之各波長成分之峰值波長之任何者均不同。然而，激發光La之光強度與螢光Lb之光強度比較明顯較大。又，通常，激發光La之光譜具有波長方向之分佈(擴大)。因此，有即使是自激發光La之峰值波長分離之波長成分，仍具有與螢光Lb之各波長成分比較無法忽略(或大於螢光Lb之各波長成分)之強度之情形。
圖3係顯示各像素10之電性構成之電路圖。又，圖4係顯示各像素10之具體構造之剖視圖。如圖3及圖4所示，各像素10具有光電轉換部11、重設閘極12、電荷蓄積部13、蓄積閘極14、電壓轉換部15、讀取閘極16及像素電路部17。
光電轉換部11為產生與入射光之強度對應之電荷的部分。光電轉換部11，當有激發光La入射時，會產生、蓄積與激發光La之強度對應之量的電荷。又，光電轉換部11，當有螢光Lb入射時，會產生、蓄積與螢光Lb之強度對應之量的電荷。
光電轉換部11如圖4所示，例如可由光電二極體構成，該光電二極體包含：形成於Si基板20之表面20a之高濃度的第1導電型(例如p型)半導體區域11a、與位於其正下方而與半導體區域11a相接之高濃度的第2導電型(例如n型)半導體區域11b。半導體區域11a、11b例如可藉由對Si基板20進行離子注入而形成。
重設閘極12為本實施形態之第1閘極之例。重設閘極12控制蓄積於光電轉換部11之電荷向該像素10外之排出。如圖4所示，重設閘極12為嵌埋入Si基板20上之絕緣膜31(例如矽氧化膜(SiO2 ))內之電極膜(例如多晶矽膜)。重設閘極12隔著絕緣膜31之一部分與Si基板20之表面20a對向，作為場效電晶體(Field Effect Transistor：FET)之閘極發揮作用。
自表面20a之法線方向觀察，於與光電轉換部11之間隔著重設閘極12之位置之表面20a之區域，設有重設汲極23。重設汲極23為形成於Si基板20之表面20a之高濃度且第2導電型(例如n型)之半導體區域。重設汲極23例如可藉由對Si基板20進行離子注入而形成。
重設汲極23與遍及複數像素10而共通設置之定電位線41(重設電位線)電性連接。當於重設閘極12被施加特定之導通電壓時，蓄積於光電轉換部11之電荷會通過重設閘極12向重設汲極23移動，通過定電位線41排出至該像素10之外。當於重設閘極12被施加特定之斷開電壓時，蓄積於光電轉換部11之電荷不會向重設汲極23移動。
重設閘極12在依時間交替入射之激發光La及螢光Lb中與激發光La之入射時序配合而成為導通狀態。藉此，重設閘極12僅將藉由激發光La而於光電轉換部11產生之電荷排出至該像素10外。用以控制重設閘極12之導通/斷開之信號Sd1 (第1信號)，作為共通之信號自圖2所示之控制部9提供於複數像素10。
電荷蓄積部13為蓄積電荷之部分，且與光電轉換部11分開而與光電轉換部11相鄰設置。如圖4所示，電荷蓄積部13例如包含形成於Si基板20之表面20a之高濃度的第1導電型(例如p型)半導體區域13a、與位於其正下方而與半導體區域13a相接之高濃度的第2導電型(例如n型)半導體區域13b。半導體區域13a、13b例如可藉由對Si基板20進行離子注入而形成。另，圖3中為了易於理解，將電荷蓄積部13用電容器之電路記號替代顯示。
蓄積閘極14為本實施形態之第2閘極之例。蓄積閘極14自基板20之表面20a之法線方向觀察，係設於光電轉換部11與電荷蓄積部13之間，且控制電荷自光電轉換部11向電荷蓄積部13之移動。如圖4所示，蓄積閘極14為嵌埋入Si基板20上之絕緣膜31內之與重設閘極12不同之電極膜(例如多晶矽膜)。蓄積閘極14隔著絕緣膜31之一部分與Si基板20之表面20a對向，作為FET之閘極發揮作用。
當於蓄積閘極14施加特定之導通電壓時，蓄積於光電轉換部11之電荷會通過蓄積閘極14向電荷蓄積部13移動，而蓄積於電荷蓄積部13。當於蓄積閘極14施加特定之斷開電壓時，蓄積於光電轉換部11之電荷不會向電荷蓄積部13移動。
蓄積閘極14在依時間交替入射之激發光La及螢光Lb中，與於螢光Lb入射後且激發光La入射前之時序配合而成為導通狀態。藉此，蓄積閘極14僅使藉由螢光Lb之入射而於光電轉換部11產生之電荷向電荷蓄積部13移動。用以控制蓄積閘極14之導通/斷開之信號Sd2 (第2信號)，作為共通之信號自圖2所示之控制部9提供於複數像素10。
讀取閘極16為本實施形態之第3閘極之例。讀取閘極16自基板20之表面20a之法線方向觀察，係設於電荷蓄積部13與電壓轉換部15之間(本實施形態中為電荷蓄積部13與後述之浮動擴散(FD)15a之間)，且控制自電荷蓄積部13向電壓轉換部15之電荷的讀取。如圖4所示，讀取閘極16為嵌埋入Si基板20上之絕緣膜31內之與重設閘極12及蓄積閘極14不同之電極膜(例如多晶矽膜)。讀取閘極16隔著絕緣膜31之一部分與Si基板20之表面20a對向，作為FET之閘極發揮作用。
當於讀取閘極16施加特定之導通電壓時，蓄積於電荷蓄積部13之電荷會通過讀取閘極16向電壓轉換部15移動。當於讀取閘極16施加特定之斷開電壓時，蓄積於電荷蓄積部13之電荷不會向電壓轉換部15移動。
讀取閘極16，於電荷自光電轉換部11向電荷蓄積部13之移動進行n次(n為1以上之整數)後，進行用以自電荷蓄積部13向電壓轉換部15讀取電荷之控制。電荷之移動次數n可對每個像素10個別設定。
像素電路部17為產生控制讀取閘極16之信號Sd3 之電路，且包含信號控制電路17a及一對電晶體17b、17c。信號控制電路17a與對複數像素10共通設置之配線44電性連接。信號控制電路17a於複數次攝像訊框之各者，自控制部9經由配線44接收信號Sa(第3信號)。信號Sa為於各攝像訊框之特定時序中用以對各像素每個10指令使讀取閘極16成為導通狀態或成為斷開狀態之信號。
電晶體17b、17c之各控制端子(閘極)與信號控制電路17a電性連接。電晶體17b之一電流端子(例如汲極)與對於複數像素10共通之定電位線45電性連接。定電位線45之電位與讀取閘極16之特定導通電壓對應，例如與定電位線41相同。定電位線41與定電位線45亦可相互共通。電晶體17c之一電流端子與對於複數像素10共通之定電位線46電性連接。定電位線46之電位與讀取閘極16之特定斷開電壓對應，例如為-1.4V。
電晶體17b、17c之另一電流端子(例如源極)與讀取閘極16電性連接。信號控制電路17a在將讀取閘極16設為導通狀態之期間，將電晶體17b設為導通狀態，將電晶體17c設為斷開狀態。又，信號控制電路17a在將讀取閘極16設為斷開狀態之期間，將電晶體17b設為斷開狀態，將電晶體17c設為導通狀態。信號控制電路17a基於信號Sa在各攝像訊框之特定時序中，將讀取閘極16設為導通狀態，或維持讀取閘極16之斷開狀態。
電壓轉換部15為將電荷量轉換為電壓信號之部分。本實施形態之電壓轉換部15係包含FD15a、電晶體15b、重設閘極15c、開關15d、及電流源15e而構成。FD15a為蓄積電荷之部分，且與光電轉換部11及電荷蓄積部13分開而與電荷蓄積部13相鄰設置。
如圖4所示，FD15a例如為形成於Si基板20之表面20a之高濃度的第2導電型(例如n型)半導體區域。FD15a例如可藉由對Si基板20進行離子注入而形成。上述之讀取閘極16自基板20之表面20a之法線方向觀察，設於電荷蓄積部13與FD15a之間。另，圖3中為了易於理解，將FD15a用電容器之電路記號替代顯示。
電晶體15b例如為FET，且構成源極隨耦器放大器，放大與蓄積於FD15a之電荷量對應之電壓。具體而言，電晶體15b之控制端子(閘極)與FD15a電性連接，且將與蓄積於FD15a之電荷量對應之微小電壓施加於電晶體15b之控制端子。電晶體15b之一電流端子(例如汲極)與跨複數像素10而共通設置之定電位線42電性連接。電晶體15b之另一電流端子(例如源極)經由開關15d及電流源15e，與跨複數像素10而共通設置之基準電位線43電性連接。
開關15d及電流源15e在電晶體15b之另一電流端子與基準電位線43之間，相互串聯連接。定電位線42之電位例如與定電位線41相同。定電位線41與定電位線42亦可相互共通。
當開關15d為連接狀態時，於電晶體15b之另一電流端子會產生與施加於電晶體15b之控制端子之微小電壓對應大小的電壓信號Vout。換言之，於電晶體15b之另一電流端子產生與蓄積於FD15a之電荷量對應大小之電壓信號Vout。該電壓信號Vout通過讀取配線被提供於影像感測器5之外部。
重設閘極15c控制蓄積於FD15a之電荷向該像素10外之排出。重設閘極15c具有與上述重設閘極12相同之構成。重設閘極15c為嵌埋於Si基板20上之絕緣膜31內之電極膜(例如多晶矽膜)。重設閘極15c隔著絕緣膜31之一部分與Si基板20之表面20a對向，作為FET之閘極發揮作用。
自表面20a之法線方向觀察，在與FD15a之間隔著重設閘極15c之位置之表面20a之區域，設有未圖示之重設汲極。重設汲極與上述重設汲極23相同，為形成於Si基板20之表面20a之高濃度且第2導電型(例如n型)之半導體區域。
重設汲極與定電位線42電性連接。當於重設閘極15c施加特定之導通電壓時，蓄積於FD15a之電荷會通過重設閘極15c向重設汲極移動，並通過定電位線42排出至該像素10外。當於重設閘極15c施加特定之斷開電壓時，蓄積於FD15a之電荷不會向重設汲極移動。
重設閘極15c於自該像素10讀取電壓信號Vout後變為導通狀態，將蓄積於FD15a之電荷進行重設。又，此時，藉由同時使讀取閘極16成為導通狀態，可與蓄積於電荷蓄積部13之電荷 一起重設。用以控制重設閘極15c之導通/斷開之信號Sd4 ，自圖2所示之控制部9作為共通之信號被提供至複數像素10。
關於具備以上構成之影像感測器5之動作，與本實施形態之影像感測器之控制方法一同進行說明。圖5係顯示影像感測器5之各信號之動作之時序圖。又，圖6係顯示影像感測器之控制方法之流程圖。
圖5中作為例示顯示有3個攝像訊框F1 ~F3 。激發光源2(參照圖1)之發光時序與各攝像訊框F1 ~F3 為相互同步，於各攝像訊框F1 ~F3 首先入射激發光La，其次片刻後入射螢光Lb。圖5中藉由三角形概念性顯示激發光La及螢光Lb之入射時序。三角形之橫向表示時間，縱向(高度方向)表示光強度。該例中，激發光La之峰值強度大於螢光Lb之峰值強度。
作為各攝像訊框F1 ~F3 共通之動作，首先，如圖5之(a)所示，使控制部9內部之框控制信號ST設為第1有意義值(例如Hi)。同時，如圖5之(b)所示，控制重設閘極12之信號Sd1 於全體像素10中同時成為導通狀態。信號Sd1 在激發光La入射至影像感測器5期間維持導通狀態。即，將藉由激發光La之入射而蓄積於光電轉換部11之電荷經由重設汲極23及定電位線41排出至該像素10外(圖6之第1步驟S1)。
將信號Sd1 為導通狀態後，於特定期間(圖中之期間D1)將令信號Sd1 設為斷開狀態。將信號Sd1 設為斷開狀態之時序於全體像素10中共通，係在激發光La入射後且螢光Lb入射前。當信號Sd1 為斷開狀態時，光電轉換部11為可蓄積電荷之狀態。將信號Sd1 設為斷開狀態後，於整個特定期間(圖中之期間D2)，螢光Lb入射至影像感測器5，光電轉換部11蓄積與入射至該像素10之螢光Lb之光量對應之量的電荷。
將信號Sd1 設為斷開狀態後，於特定期間後，將訊框控制信號ST作為第2有意義值(例如Lo)。此時，如圖5之(c)所示，將控制蓄積閘極14之信號Sd2 於全體像素10中同時設為導通狀態。藉此，使藉由螢光Lb之入射而於光電轉換部11產生之電荷通過蓄積閘極14向電荷蓄積部13移動(圖6之第2步驟S2)。另，第1步驟S1及第2步驟S2，對各攝像訊框F1 ~F3 各者逐次交替重複進行。
接著，如圖5之(d)及(e)所示，將控制讀取閘極16之信號Sd3 設為導通狀態。藉此，將蓄積於電荷蓄積部13之電荷通過讀取閘極16向電壓轉換部15之FD15a讀取(圖6之第3步驟S3)。此時，根據需要於每個攝像訊框，將一部分像素10中之信號Sd3 維持斷開狀態，不進行自電荷蓄積部13向FD15a之電荷之讀取。該情形，該攝像訊框之該像素10中，藉由螢光Lb之入射而產生之電荷直接蓄積於電荷蓄積部13。
圖5所示之例中，圖5之(d)顯示第N個像素10之信號Sd3 ，圖5之(e)顯示第(N+1)個像素10之信號Sd3 。且，如(e)所示，於攝像訊框F2 之第(N+1)個像素10，信號Sd3 維持在斷開狀態。因此，於攝像訊框F3 之第(N+1)個像素10，在第2步驟S2進行2次後自電荷蓄積部13讀取電荷。相對於此，於攝像訊框F2 、F3 之第N個像素10，在第2步驟S2進行1次後(即每次)即自電荷蓄積部13讀取電荷。
另，圖5所示之例中，於第(N+1)個像素10，在進行2次第2步驟S2後自電荷蓄積部13讀取電荷，然而亦可在進行n次(n為3以上之整數)第2步驟S2後自電荷蓄積部13讀取電荷，或於第(N+1)次以外之其一或二以上之像素10進行相同之動作。換言之，於一或二以上之任意像素10，在進行n次(n為1以上之整數)第2步驟S2後自電荷蓄積部13讀取電荷。
圖5之(h)所示之信號Sa，為用以對每個像素10指令於各攝像訊框F1 ~F3 是使信號Sd3 為導通狀態、或維持斷開狀態之信號。信號Sa包含依時間方向排列之複數之脈衝信號。各脈衝信號在各像素10一對一對應，在某攝像訊框與某像素10對應之脈衝信號為有意義值之情形，於其後之攝像訊框之該像素10將信號Sd3 維持斷開狀態。
於圖5之(h)所示之例，攝像訊框F1 之與信號Sa之第(N+1)個像素10對應之脈衝信號P為有意義值，因此其後之攝像訊框F2 之第(N+1)個像素10之信號Sd3 維持斷開狀態(圖5之(e))。即，本實施形態可對各像素每個10個別設定上述次數n。
其後，如圖5之(g)所示，自複數像素10依序輸出電壓信號Vout。接著，電壓信號Vout之輸出結束後，如圖5之(f)所示，將信號Sd4 設為導通狀態，將重設閘極15c設為導通狀態。又，同時如圖5之(d)及(e)所示，將信號Sd3 設為導通狀態，將讀取閘極16設為導通狀態。藉此，重設FD15a及電荷蓄積部13所殘存之電荷。
此處，圖7(a)係擴大顯示對於某像素10之信號Sa之脈衝信號P之圖。圖7(b)係顯示自該像素10輸出之電壓信號Vout之圖。圖7(c)係顯示像素電路部17之信號控制電路17a內之指令保持信號Sd5 之圖。
如圖7所示，信號Sa之脈衝信號P亦可在與電壓信號Vout同步之時序為有意義值。且，亦可將電壓信號Vout被輸出之期間之脈衝信號P之上升作為觸發，將信號控制電路17a內之指令保持信號Sd5 於整個其後之攝像訊框成為有意義值。像素電路部17基於該指令保持信號Sd5 ，可在其後之攝像訊框將信號Sd3 維持在斷開狀態。
關於以上說明之本實施形態之影像感測器5及影像感測器之控制方法可獲得之效果，與比較例一同進行說明。圖8係顯示比較例之影像感測器之像素110之構成之電路圖。該像素110具備光電轉換部11、電壓轉換部15、及讀取閘極16。該等構成與本實施形態相同。
當於該像素110入射激發光La時，與激發光La對應之電荷蓄積於光電轉換部11。該電荷藉由將讀取閘極16及重設閘極15c成為導通狀態，而被排出至像素110外部。其後，當入射螢光Lb時，與螢光Lb對應之電荷蓄積於光電轉換部11。該電荷藉由讀取閘極16被傳送於FD15a，並作為電壓信號Vout而被輸出至影像感測器外部。
然而該等構成會產生以下問題。圖9(a)及(b)係顯示入射至影像感測器之螢光Lb之光強度之分佈例之曲線圖，橫軸表示波長(像素之排列方向(X方向)之位置)，縱軸表示螢光Lb之光強度。圖9中，虛線E1 表示背景雜訊位準，虛線E2 表示飽和位準。
如圖9(a)所示，於量測對象物A中所含之各物質之固有螢光波長λ1 、λ2 下之螢光Lb之強度足夠大時，可以較高之S/N比進行量測。但，如圖9(b)所示，某螢光波長λ1 下之螢光Lb之強度足夠大而另一方面另一螢光波長λ2 下之螢光Lb之強度微弱之情形，與螢光波長λ2 對應之像素110之電壓信號Vout會被背景雜訊埋沒，導致S/N比降低。又，若為了提高S/N比而企圖將螢光Lb之複數次入射量之電荷蓄積於FD15a，會有藉由激發光La產生之電荷亦被蓄積，使僅檢測螢光Lb變得困難。
對於如此之問題，本實施形態之影像感測器5如上述進行以下動作。即，當入射激發光La時，各像素10之光電轉換部11產生與該激發光La之強度對應之量之電荷。該電荷通過重設閘極12被排出至該像素10外。接著，當入射螢光Lb時，各像素10之光電轉換部11產生與該螢光Lb之強度對應之量之電荷。該電荷通過蓄積閘極14移動至電荷蓄積部13。且，於螢光Lb之強度充分且S/N比較高之像素10，例如就每次螢光Lb之入射(換言之，就每個攝像訊框)，通過讀取閘極16讀取電荷。
又，於螢光Lb之強度不充分且S/N比較低之像素10，於螢光Lb複數次入射為止，不進行通過讀取閘極16之讀取，而將電荷蓄積於電荷蓄積部13。其間，重複進行激發光La及螢光Lb之入射，藉由激發光La而於光電轉換部11產生之電荷通過重設閘極12被排出至該像素10外，藉由螢光Lb而於光電轉換部11產生之電荷則通過蓄積閘極14蓄積於電荷蓄積部13。且，蓄積於電荷蓄積部13之螢光Lb之入射次數量之電荷，通過讀取閘極16被讀取。
圖10係顯示複數像素10之排列方向(X方向)之電壓信號Vout之分佈之例的曲線圖。圖10(a)顯示圖5之攝像訊框F1 之電壓信號Vout之分佈，圖10(b)顯示攝像訊框F2 之電壓信號Vout之分佈，圖10(c)顯示攝像訊框F3 之電壓信號Vout之分佈。
如圖10(a)所示，在與某螢光波長對應之位置X1 螢光Lb之強度足夠大，另一方面與另一螢光波長對應之位置X2 螢光Lb之強度較微弱之情形下，如圖10(b)所示，位於位置X2 及其附近之像素10，不進行通過讀取閘極16之讀取而於電荷蓄積部13蓄積電荷。藉此，該攝像訊框F2 之電壓信號Vout幾乎為零。但，於其後之攝像訊框F3 ，來自位於位置X2 及其附近之像素10之電壓信號Vout之大小成為攝像訊框之2份(即圖10(a)之2倍)。因此，與背景雜訊位準E1 比較，可增大電壓信號Vout，提高S/N比。
如此，本實施形態之影像感測器5可對每個像素10個別設定螢光Lb所致之電荷之蓄積次數，故可在螢光Lb之強度不充分之情形增多蓄積次數而提高信號量。且，此等動作可一邊排除與螢光Lb交替入射之激發光La之影響一邊進行。因此，根據本實施形態之影像感測器5，可選擇性地提高複數像素10中之一部分像素10之信號量，且可僅檢測交替入射之2束光中之一者(螢光Lb)。
如本實施形態，影像感測器5亦可於每個像素10包含產生控制讀取閘極16之信號Sd3 之像素電路部17。該情形，可使對每個像素10個別設定次數n變得容易。
如本實施形態，影像感測器5亦可包含控制部9，其在複數次之攝像訊框之各者對各像素10提供：於複數像素10共通而控制重設閘極12之信號Sd1 、於複數像素10共通而控制蓄積閘極14之信號Sd2 、及於每個像素10對像素電路部17指令讀取閘極16之導通或斷開之信號Sa。例如根據此等構成，可實現上述之影像感測器5之動作。
如本實施形態，各像素10亦可進而具有將電荷量轉換為電壓信號Vout之電壓轉換部15，讀取閘極16亦可設於電荷蓄積部13與電壓轉換部15之間。該情形，可將各像素10之電荷作為電壓信號Vout而容易地進行讀取。
如本實施形態，電壓轉換部15亦可包含FD15a。該情形，可容易地構成電壓轉換部15。
如上述，本實施形態之發光分光量測裝置1具備具備一維配置之複數像素10之影像感測器5、將激發光La照射至量測對象物A之激發光源2、及將藉由激發光La而於量測對象物A產生之螢光Lb進行分光之分光器4。且，影像感測器5之複數像素10之排列方向係沿分光器4之分光方向，影像感測器5就每個波長檢測藉由分光器4分光後之螢光Lb的強度。
根據該發光分光量測裝置1，藉由具備本實施形態之影像感測器5，可選擇性地提高對於一部分波長之信號量，且可僅檢測交替入射之激發光La及螢光Lb中之螢光Lb。
如上述，本實施形態之影像感測器之控制方法包含：第1步驟S1，其將藉由對於影像感測器5依時間交替入射之激發光La及螢光Lb中之激發光La之入射而於光電轉換部11蓄積之電荷排出至該像素10外；第2步驟S2，其與第1步驟S1交替重複進行，使藉由螢光Lb之入射而於光電轉換部11產生之電荷移動至電荷蓄積部13；及第3步驟S3，其在進行n次(n為1以上之整數)第2步驟S2後，自電荷蓄積部13讀取電荷。且，對各像素每個10個別設定次數n。
根據該控制方法，於螢光Lb之強度不充分且S/N比較低之像素10，於螢光Lb複數次入射為止，不進行讀取，而可將電荷蓄積於電荷蓄積部13。其間，重複進行激發光La及螢光Lb之入射，藉由激發光La而於光電轉換部11產生之電荷被排出至該像素10外，藉由螢光Lb而於光電轉換部11產生之電荷被蓄積於電荷蓄積部13。其後，蓄積於電荷蓄積部13之螢光Lb之入射次數量之電荷被讀取。
如此，依本實施形態之控制方法，由於可對每個像素10個別設定螢光Lb所致之電荷之蓄積次數，故可在螢光Lb之強度不充分之情形增多蓄積次數而提高信號量。且，此等動作可一邊排除與螢光Lb交替入射之激發光La之影響一邊進行。因此，根據本實施形態之控制方法，可選擇性地提高複數像素10中任意之像素10之信號量，且可僅檢測交替入射之2束光中之一者。
另，為了獲得本實施形態之效果，亦考慮不設置蓄積閘極14及電荷蓄積部13，而是經由讀取閘極16將光電轉換部11與FD15a連接，將與螢光Lb之n次入射對應之電荷蓄積於FD15a。然而，於FD15a，如圖4所示，用以與配線連接之第2導電型(例如n型)之半導體區域於表面20a露出。因此，FD15a易受暗電流之影響，由於因長時間之電荷蓄積而雜訊成分亦被蓄積，故不能提高S/N比。
相對於此，由於電荷蓄積部13不與配線連接，故如圖4所示，可將第2導電型(例如n型)之半導體區域13b藉由第1導電型(例如p型)之半導體區域13a而埋入。因此，電荷蓄積部13不易受暗電流之影響，即使長時間蓄積電荷，雜訊成分仍然很小。故，根據本實施形態可提高S/N比。
影像感測器、發光分光量測裝置、及影像感測器之控制方法，並非限定於上述之實施形態及構成例，亦可為其他之各種變化。
例如，上述實施形態顯示了將影像感測器應用於發光分光量測裝置之例，然而影像感測器只要是非檢測對象之光與檢測對象之光交替入射之用途，即可用於其他各種用途。又，上述實施形態例示了將複數像素10一維排列之情形，然而亦可將複數像素10二維(例如跨複數行及複數列)排列。根據用途，將複數像素10二維排列之情形，上述構成之影像感測器亦有用。
上述實施形態之影像感測器構成為：包含一維或二維配置之複數像素，且各像素具有：光電轉換部，其產生與入射光之強度對應之數之電荷；第1閘極，其控制蓄積於光電轉換部之電荷向該像素外排出；電荷蓄積部，其與光電轉換部分開設置，且蓄積電荷；第2閘極，其設於光電轉換部與電荷蓄積部之間，且控制電荷自光電轉換部向電荷蓄積部之移動；及第3閘極，其控制來自電荷蓄積部之電荷之讀取；且，第1閘極將藉由依時間交替入射之第1光及第2光中第1光之入射而於光電轉換部產生之電荷排出至像素外；第2閘極將藉由第2光之入射而於光電轉換部產生之電荷移動至電荷蓄積部；第3閘極於將n設為1以上之整數而於電荷向電荷蓄積部之移動進行n次後，進行用以自電荷蓄積部讀取電荷之控制；電荷之移動次數n，可對各像素每個個別設定。
上述之影像感測器亦可構成為於各像素每個包含產生控制第3閘極之信號之電路。該情形，可容易地對各像素每個個別設定電荷之移動次數n。
上述影像感測器亦可構成為進而包含控制部，其在複數次之攝像訊框之各者對各像素提供：於複數像素共通而控制第1閘極之第1信號、於複數像素共通而控制第2閘極之第2信號、及於各像素每個對電路指令第3閘極之導通或斷開之第3信號。例如根據此等構成，可較佳地實現上述之影像感測器之動作。
上述之影像感測器亦可構成為各像素進而具有將電荷量轉換為電壓信號之電壓轉換部；第3閘極設於電荷蓄積部與電壓轉換部之間。該情形，可容易地將各像素之電荷作為電壓信號進行讀取。
上述之影像感測器亦可構成為電壓轉換部包含浮動擴散。該情形，可容易地構成電壓轉換部。
上述實施形態之發光分光量測裝置可構成為包含：包含一維配置之複數像素之上述構成之影像感測器；激發光源，其將作為第1光之激發光照射至量測對象物；及分光器，其將藉由激發光而於量測對象物產生之螢光進行分光；且，影像感測器之複數像素之排列方向係沿分光器之分光方向，且影像感測器就每個波長檢測藉由分光器分光後之作為第2光的螢光強度。
上述實施形態之影像感測器之控制方法係包含一維或二維配置之複數像素之影像感測器之控制方法，且影像感測器中，各像素具有：光電轉換部，其產生與入射光之強度對應之量之電荷；及電荷蓄積部，其與光電轉換部分開設置，且蓄積電荷；且，該控制方法包含：第1步驟，其將藉由對於影像感測器依時間交替入射之第1光及第2光中之第1光之入射而於光電轉換部產生之電荷排出至像素外；第2步驟，其與第1步驟交替重複進行，使藉由第2光之入射而於光電轉換部產生之電荷移動至電荷蓄積部；及第3步驟，其在進行n次第2步驟後，自電荷蓄積部讀取電荷；且，對各像素每個個別設定電荷之移動次數n。 [產業上之可利用性]
實施形態可作為可選擇性地提高複數像素中之一部分像素的信號量，且可僅檢測交替入射之2束光中之一者之影像感測器、及影像感測器之控制方法而利用。
1:發光分光量測裝置 2:激發光源 3:透鏡 4:分光器 5:影像感測器 9:控制部 10:像素 11:光電轉換部 11a:半導體區域 11b:半導體區域 12:重設閘極 13:電荷蓄積部 13a:半導體區域 13b:半導體區域 14:蓄積閘極 15:電壓轉換部 15a:浮動擴散 15b:電晶體 15c:重設閘極 15d:開關 15e:電流源 16:讀取閘極 17:像素電路部 17a:信號控制電路 17b:電晶體 17c:電晶體 20:基板 20a:表面 23:重設汲極 31:絕緣膜 41:定電位線 42:定電位線 43:基準電位線 44:配線 45:定電位線 46:定電位線 110:像素 A:量測對象物 D1:期間 D2:期間 E1 :虛線 E2 :虛線 F1 ~F3 :各攝像訊框 La:激發光 Lb:螢光 P:脈衝信號 Sa:信號 Sd1 :信號 Sd2 :信號 Sd3 :信號 Sd4 :信號 ST:框控制信號 Vout:電壓信號 X1 :位置 X2 :位置 λ1 :螢光波長 λ2 :螢光波長
圖1係概略性地顯示一實施形態之發光分光量測裝置1之構成之圖。 圖2係概略性地顯示影像感測器5之構成之圖。 圖3係顯示各像素10之電性構成之電路圖。 圖4係顯示各像素10之具體構造之剖視圖。 圖5係顯示影像感測器5之各信號之動作之時序圖。 圖6係顯示影像感測器之控制方法之流程圖。 圖7(a)係擴大顯示對於某像素10之信號Sa之脈衝信號P之圖，(b)係顯示自該像素10輸出之電壓信號Vout之圖，及(c)係顯示像素電路部17之信號控制電路17a內之指令保持信號Sd5 之圖。 圖8係顯示比較例之影像感測器之像素110之構成之電路圖。 圖9(a)、(b)係顯示入射至影像感測器之螢光Lb之光強度的分佈例之曲線圖。 圖10(a)~(c)係顯示複數像素10之排列方向(X方向)之電壓信號Vout之分佈之例的曲線圖。
10:像素
11:光電轉換部
12:重設閘極
13:電荷蓄積部
14:蓄積閘極
15:電壓轉換部
15a:浮動擴散
15b:電晶體
15c:重設閘極
15d:開關
15e:電流源
16:讀取閘極
17:像素電路部
17a:信號控制電路
17b:電晶體
17c:電晶體
41:定電位線
42:定電位線
43:基準電位線
44:配線
45:定電位線
46:定電位線
Sa:信號
Sd1:信號
Sd2:信號
Sd3:信號
Vout:電壓信號

Claims (7)

  1. 一種影像感測器，其包含一維或二維配置之複數像素，且 各像素具有： 光電轉換部，其產生與入射光之強度對應之量之電荷； 第1閘極，其控制蓄積於上述光電轉換部之電荷向該像素外之排出； 電荷蓄積部，其與上述光電轉換部分開設置，且蓄積電荷； 第2閘極，其設於上述光電轉換部與上述電荷蓄積部之間，且控制電荷自上述光電轉換部向上述電荷蓄積部之移動；及 第3閘極，其控制來自上述電荷蓄積部之電荷之讀取；且， 上述第1閘極，將藉由依時間交替入射之第1光及第2光中第1光之入射而於上述光電轉換部產生之電荷排出至上述像素之外； 上述第2閘極，將藉由上述第2光之入射而於上述光電轉換部產生之電荷移動至上述電荷蓄積部； 上述第3閘極，於電荷向上述電荷蓄積部之移動進行n次(n為1以上之整數)後，進行用以自上述電荷蓄積部讀取電荷之控制； 電荷之移動次數n，可對每個像素個別設定。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中，各像素每個包含產生控制上述第3閘極之信號之電路。
  3. 如請求項2之影像感測器，其進而包含控制部，其在複數次之攝像訊框之各者中對各像素提供：對於上述複數像素共通而控制上述第1閘極之第1信號、對於上述複數像素共通而控制上述第2閘極之第2信號、及於各像素每個對上述電路指令上述第3閘極之導通或斷開之第3信號。
  4. 如請求項1至3中任一項之影像感測器，其中 各像素進而具有將電荷量轉換為電壓信號之電壓轉換部； 上述第3閘極設於上述電荷蓄積部與上述電壓轉換部之間。
  5. 如請求項4之影像感測器，其中上述電壓轉換部包含浮動擴散。
  6. 一種發光分光量測裝置，其包含： 如請求項1至5中任一項之影像感測器，其具備一維配置之上述複數像素； 激發光源，其將作為上述第1光之激發光照射至量測對象物；及 分光器，其將藉由上述激發光而於上述量測對象物產生之螢光進行分光；且， 上述影像感測器之上述複數像素之排列方向係沿上述分光器之分光方向，且上述影像感測器就每個波長檢測藉由上述分光器分光後之作為上述第2光的上述螢光之強度。
  7. 一種影像感測器之控制方法，其係包含一維或二維配置之複數像素之影像感測器之控制方法，且 上述影像感測器中，各像素具有： 光電轉換部，其產生與入射光之強度對應之量之電荷；及 電荷蓄積部，其與上述光電轉換部分開設置，且蓄積電荷；且， 上述控制方法包含： 第1步驟，其將藉由對於上述影像感測器依時間交替入射之第1光及第2光中上述第1光之入射而於上述光電轉換部產生之電荷排出至上述像素之外； 第2步驟，其與上述第1步驟交替重複進行，使藉由上述第2光之入射而於上述光電轉換部產生之電荷移動至上述電荷蓄積部；及 第3步驟，其在進行n次(n為1以上之整數)上述第2步驟後，自上述電荷蓄積部讀取電荷；且， 對各像素每個個別設定電荷之移動次數n。
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