TWI718371B - 受光裝置及受光裝置之信號讀出方法 - Google Patents

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Abstract

[課題] 提供一種兼顧高飽和性能與高感度性能的受光裝置。 　　[解決手段] 具有受光像素，該受光像素，係具備有：受光元件；第一電容元件(1)，蓄積藉由該受光元件之受光而產生的光電荷；第二電容元件(2)，蓄積於該電容元件(1)之光電荷的量之一部分被傳輸而蓄積於該第二電容元件；開關裝置(S)，用以進行從前述電容元件(1)朝前述電容元件(2)之光電荷傳輸動作的ON-OFF；重設用開關裝置(R)，用以重設前述電容元件(1)與前述電容元件(2)；像素選擇用開關裝置(X)；及源極隨耦開關裝置(SF)，前述電容元件(1)之有效飽和容量(1)為前述電容元件(2)之有效飽和容量(2)的10~5000倍。

Description

受光裝置及受光裝置之信號讀出方法
本發明，係關於受光裝置及受光裝置之信號讀出方法者。
以圖像感應器為代表之受光(感測器) 裝置，係廣泛地被利用在資訊裝置、醫療、防犯、車載、能源•環境、農業、基礎設施、宇宙、防衛等、各種領域。 　　受光裝置，係隨著圖像所致之資訊傳遞成為主力，除了一般的照片拍攝以外，在生命科學、防犯、車載、能源•環境、醫用、基礎設施、宇宙、防衛、農業、食品、資源調查、防災領域等的各領域中，被廣泛地應用於作為拍攝•計測•分析之裝置等的構成裝置之光輸入裝置或光檢測裝置，且其重要性急速增加。
其中，在計量•計測•分析等的領域中，係尋求可高感度•高速地計測•計量微小之光量變化的受光裝置或其信號讀出方法。而且，為了更加速其用途的擴大與事業發展，係需要可更高感度•更高速地計測•計量更微小之光量變化的受光裝置或其信號讀出方法。 　　特別是，準確地計測微小光信號或微小光量變化信號之受光感測器技術，係亦包含完成度高而巿場強烈尋求的技術之一。 　　其中，例如，記載於專利文獻1等的受光感測器備受矚目。記載於專利文獻1之受光感測器，係的確為高感度•高速處理•寬動態範圍•寬光波長頻帶對應優異的感測器。 　　為了藉由吸光分析來精度良好地分析極微量的被檢測物質，雖係考慮增加照射至包含有極微量之被檢測物質之被檢測體的光量，但為此，必需使將電荷轉換成電壓之際的轉換增益增大至某程度，並且亦增大受光感測器的飽和電荷量。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：國際公開公報WO2016/080337號
本發明所欲解決之課題
然而，在以往的受光感測器中，係由於飽和電荷量與在受光像素內進行電荷電壓轉換之浮動擴散(FD)的電容(CFD )成比例，且轉換增益與電容(CFD )成反比例，因此，在飽和電荷量與轉換增益之間存在取捨折衷關係( trade-off relation)，故，在要求高分析精度之吸光分析的領域等，係不一定有效利用高感度•高速處理•寬動態範圍•寬光波長頻帶對應的優越性。
本發明，係有鑑於上述點而深入進行研究者，其目的之一，係提供一種兼顧高飽和性能與高感度性能的受光裝置。 　　本發明之另一目的，係提供一種受光裝置之信號讀出方法，其可一面維持高感度•高速處理•寬動態範圍•寬光波長頻帶對應的優越性，一面進行高精度•高感度分析。
本發明之又另一個目的，係提供一種受光裝置之信號讀出方法，其可對要求高分析精度之吸光分析的領域等作出重大貢獻。 用以解決課題之手段
本發明之一態樣，係一種受光裝置，其特徵係，具有受光像素，該受光像素，係具備有： 　　受光元件；第一電容元件(1)，蓄積藉由該受光元件之受光而產生的光電荷；第二電容元件(2)，蓄積於該電容元件(1)之光電荷的量之一部分被傳輸而蓄積於該第二電容元件；開關裝置(S)，用以進行從前述電容元件(1)朝前述電容元件(2)之光電荷傳輸動作的ON-OFF；重設用開關裝置(R)，用以重設前述電容元件(1)與前述電容元件(2)；像素選擇用開關裝置(X)；及源極隨耦開關裝置(SF)，前述電容元件(1)之有效飽和容量(1)為前述電容元件(2)之有效飽和容量(2)的10~5000倍。
本發明之另一態樣，係一種受光裝置之信號讀出方法，該受光裝置係，具有受光像素，該受光像素，係具備有：受光元件；第一電容元件(1)，蓄積藉由該受光元件之受光而產生的光電荷；第二電容元件(2)，蓄積於該電容元件(1)之光電荷的量之一部分被傳輸而蓄積於該第二電容元件；開關裝置(S)，用以進行從前述電容元件(1)朝前述電容元件(2)之光電荷傳輸動作的ON-OFF；重設用開關裝置(R)，用以重設前述電容元件(1)與前述電容元件(2)；像素選擇用開關裝置(X)；及源極隨耦開關裝置(SF)，前述電容元件(1)之有效飽和容量(1)為前述電容元件(2)之有效飽和容量(2)的10~5000倍，該受光裝置之信號讀出方法，其特徵係，在因應所需而重設了前述受光裝置後，對前述受光元件照射可產生足以充滿前述電容元件(1)之有效飽和容量的光電荷量之光量的光，且以該受光元件內所產生的光電荷，將前述電容元件(1)之容量充滿至有效飽和容量，其次，使前述開關裝置(X)成為ON而選擇前述受光像素，其次，將超過「前述開關裝置(S)之光電荷從前述電容元件(1)朝前述電容元件(2)傳輸時之相對於前述電容元件(1)的位能障壁」之電荷量從前述電容元件(1)傳輸並蓄積於前述電容元件(2)，其次，由前述受光像素輸出因應前述電容元件(2)中所蓄積之電荷量的電壓信號。 發明之效果
根據本發明，可提供一種「兼顧高飽和性能與高感度性能」的受光裝置及「可一面維持高感度•高速處理•寬動態範圍•寬光波長頻帶對應的優越性，一面進行高精度•高感度分析」的受光裝置之信號讀出方法，例如可對要求高分析精度之吸光分析的領域等作出重大貢獻。
藉由以下參閱附加圖面之說明，本發明之其他特徵及優點將變得顯而易見。另外，在附加圖面中，相同或相似的構成，係賦予相同的參考標號。
圖1所示之像素電路部100，係由所謂像素源極隨耦電路而構成。亦即，由發光二極體等的受光元件PD之一個與電晶體等的4個電子開關裝置(S，R，SF，X)與2個電容元件(C1，C2)之電子元件群所構成，從而形成圖示的電子回路。 　　藉由進行受光的方式而在受光元件(PD)101內產生之光電荷，係暫時被蓄積於電容元件(C1)102。蓄積於電容元件(C1)102之光電荷的一部分或全部，係藉由使電荷傳輸用之開關裝置(S)103階段性或漸近性地成為ON狀態的方式，被傳輸至電容元件(C2)104。電容元件(C2)104，係利用來進行電荷電壓轉換。在圖1中，「VR」，係意味著重設電壓，「VDD」，係意味著電源電壓。 　　若像素選擇開關裝置(X)105被設成為ON時，相當於「經由源極隨耦•開關裝置(SF)106而被傳輸至電容元件(C2)104之電荷量」之大小的電壓信號則被輸出至像素列輸出信號線107。
其次，藉由圖2A~圖2C，說明本發明之信號讀出方法的原理。以下，以適於說明本發明的特徵之一之典型例之一，亦即檢測極微量之物質之吸光分析的情形為例進行說明。 　　圖2A，係示意地表示用以說明藉由受光而在受光元件(PD)101內產生之光電荷被蓄積於電容元件(C1)102之狀態的電位圖；圖2B，係用以示意地說明如圖2A所示般，從蓄積了足夠量之光電荷的狀態，將一部分之電荷量的光電荷傳輸至電容元件(C2)104之樣子的電位圖；圖2C，係用以示意地說明一部分之電荷量的光電荷被傳輸至電容元件(C2)104之樣子的電位圖。
在該例中，係為了檢測極微量的被檢測物質，而對被檢測體單元之預定位置照射大光量的光。照射至被檢測體單元的光，係由受光元件(或受光裝置)接收透過被檢測體單元中而來的透射光、在被檢測體單元中被反射的反射光、散射而來的散射光之任一光。 　　在本發明中，電容元件(C1)102之電荷蓄積的飽和容量，係被設成為足夠的容量，以便即使接收較大之光量的光亦不會溢出。實際上，係根據用以獲得可確實地檢測極微量之被檢測物質的檢測精度與高受光感度的設計原則，適當地選擇採用朝被檢測物質之照射光量與電容元件(C1)102之電荷蓄積的飽和容量及受光元件(或受光裝置，以下有時亦包含「受光裝置」而稱為「受光元件」)的受光感度•SN比。
與電容元件(C1)102之電荷蓄積容量相比，電容元件(C2)104之電荷蓄積的飽和容量，係最理想是依照可藉由目的之分析性能進行吸光分析的設計原則，被設成為必要最小限度之飽和容量。亦即，為了增大將電荷量轉換成電壓之際的轉換增益，最理想是儘可能縮小電容元件(C2)104之電荷蓄積的飽和容量。
在本發明中，來自被使用於檢測被檢測物質之光源的照射光量，雖係從受光元件接收該照射光量所生成之光電荷量為電容元件(C1)102的飽和容量或少於該飽和容量，但在適於本發明之目的的範圍內，為被蓄積直至成為實質上亦可近似為該飽和容量之容量(以下，亦有時稱為「實質飽和容量」)的光量。
另外，在本發明中，以下「飽和容量」之用語，係在無特別進行說明的情況下，使用作為除了原本技術的含義之外，亦包含前述之「實質飽和容量」的含義。 　　又，以下使用「飽和照射光量」之用語，作為使足以充滿前述飽和容量或前述實質飽和容量之光電荷量產生所需要的照射光量。 　　而且，來自光源之照射光量，係亦可因應達成所期望之目的之檢測精度的程度，被設成為足以使充滿空白照射(無被檢測物質之照射)中所生成之光電荷量未滿前述飽和容量之範圍的容量(以下，記述為「未飽和容量」)之量的光電荷產生之照射光量(以下，亦有時稱為「未飽和照射光量」)。特別是，在受光元件之物理尺寸足夠大且電容元件(C1)102之飽和容量足夠大的情況下，作為未飽和照射光量，亦可設成為與此相應略少於前述飽和照射光量的光源照射光量。
例如，作為該情況之未飽和照射光量，係最理想是空白照射中所生成之光電荷量較佳設成為較前述飽和容量減少15%，更佳設成為減少10%，進而更佳設成為減少5%。然而，從受光元件之小型化的視點來看，係儘可能選擇前述飽和照射光量程度的照射光量為較佳。 　　在本發明中，係以下，將藉由被蓄積於電容元件之前述未飽和照射光量而產生之光電荷量分的容量稱為「未飽和容量」。 　　另外，在本發明中，係除了「飽和照射光量」的技術含義之外，亦包含前述實質飽和照射光量的技術含義及前述未飽和照射光量的技術含義，以下，使用所謂「有效飽和照射光量」之用語。 　　又，在本發明中，係除了「飽和容量」的技術含義之外，亦包含前述「實質飽和容量」及前述「未飽和容量」的技術含義，以下，使用所謂「有效飽和容量」之用語。
圖2A所示之電荷蓄積狀態，係表示在電容元件(C1)102中蓄積略少於飽和容量之光電荷量的情形。藉由該蓄積之電荷量所產生的電壓，係以VA 來表示。順帶一提，電容元件(C1)102之飽和容量上的電壓，係圖示為VSI (相當於「開關裝置(S)103」之飽和位能障壁電壓)。 　　圖2B所示之電荷蓄積狀態，係表示從圖2A所示之電荷蓄積狀態，將與蓄積電荷量之上澄液量(以下亦有時稱為「傳輸電荷量」)相對應的電荷量傳輸至電容元件(C2)104的狀態。電荷從電容元件(C1)102朝電容元件(C2)104的傳輸，係可藉由提高開關裝置(S)103的閘極電壓且將開關裝置(S)103之相對於電容元件(C1)的位能障壁電壓設成比電壓VA 低的電壓VS 來進行。傳輸電荷量，係與電位差(VA -VS )相對應的電荷量。
傳輸至電容元件(C2)104之電荷量，係因應受光元件的受光感度與SN比，儘可能少者可更增大轉換增益。 　　在本發明中，係藉由增大電容元件(C1)102之電荷蓄積的飽和容量(以下亦有時稱為「飽和容量(1)」)之方式，增大空白照射(無被檢測物質的情況之照射)的光量，並即便為極微量，亦藉由增大被檢測物質所致之照射光的吸收光量之方式，提高檢測精度者。 　　而且，若飽和容量(1)較大時，則可對被檢測物質照射高照度光而獲得被檢測物質之吸收光量，且作為結果，可進行高感度吸收分析。
如上述般，即便為有效照射光量被預先設定作為相抵於電容元件(C1)102之飽和電荷蓄積量之光量的情況下，在吸收分析開始前，對空白樣本(不包含被檢測物質之樣品)照射前述有效照射光量的光而確認電容元件(C1)102之飽和電荷蓄積量亦較佳，因為可更精度良好而確實地測定被檢測物質。
圖2C，係表示藉由提高開關裝置103之閘極電壓且將相對於開關裝置103之電容元件(C1)102之位能障壁電壓從VSI 降低至VS 而剛從圖2B所示之狀態轉換後的狀態者。 　　若開關裝置103之閘極電壓被設定成相對於開關裝置103之電容元件(C1)102的位能障壁電壓VS 時，則在蓄積於電容元件(C1)102之電荷量QA 中，上澄液電荷量(電荷量Qα )被傳輸而蓄積於電容元件(C2)104。傳輸至電容元件(C2)104之電荷量Qα ，係由下述式(1)提供電壓Vα 。
Figure 02_image001
圖2D，係表示在對被檢測物質進行照射而檢測被檢測物質的情況下，藉由僅減量了被檢測物質之吸收光量分的照射光量而產生之光電荷量被蓄積於電容元件(C2)102，其後，開關裝置103之閘極電壓將相對於開關裝置103之電容元件(C1)102的位能障壁電壓從VSI 設定成VS ，藉此，對應於電位差(VB -VS )之上澄液電荷量(電荷量Qβ )即將被傳輸至電容元件(C2 )104之前的狀態(對應於圖2B)。傳輸至電容元件(C2)104之電荷量Qβ ，係由下述式(2)提供電壓Vβ 。
Figure 02_image003
圖2E，係對應於圖2C。亦即，圖2E，係藉由使開關裝置103之閘極電壓變化以將相對於開關裝置103之電容元件(C1)102的位能障壁電壓從VSI 降低至VS 而剛從圖2B所示之狀態轉換後的狀態者。藉由從式(1)減去式(2)的方式，可檢測被檢測物質之檢測量。 　　在上述的說明例中，雖係詳述了預先設定光源之有效照射光量的情況，但即便為未預先設定光源之照射光量的情況下，若其照射光量未滿前述有效照射光量，亦可如以下般地檢測被檢測物質之檢測量。
首先，在對開關裝置102之閘極施加了電壓VS1 的狀態下，於空白樣本(不包含被檢測物質之樣品)，對空白樣本照射來自光源的光，將光電荷量蓄積於電容元件(C1)102。 　　其後，使開關裝置102之閘極電壓逐步或階段性地減少，求出蓄積於電容元件(C1)102之電荷即將開始被傳輸至電容元件(C2)104之前的閘極電壓(V1)。 　　其次，對開關裝置102之閘極施加低於V1之電壓(V2)，並在被蓄積於電容元件(C1)102的光電荷量中，將上澄液電荷量(Q1)傳輸至電容元件(C2)104。此時之上澄液電荷量(Q1)，係為了提高信號檢測精度，從增大轉換增益的視點來看，雖是越少量越佳，但從擴大被檢測物質之檢測濃度範圍的視點來看，係越多量越佳。由於轉換增益與被檢測物質之檢測範圍，係具有取捨折衷的關係，因此，上澄液電荷量(Q1)，係可因應被檢測物質之檢測估計量，適當地決定最佳值。 　　其後之被檢測物質的檢測法與檢測程序，係與先前所記述之預先設定光源之照射量的情形相同。
其次，參閱圖3A~圖5，說明關於涉及本發明之適宜的實施態樣。圖2A~圖5中所記載之英文字母•希臘字母記載之記號的含義，係如以下。
PD••••光二極體等受光元件 　　C1••••(進行光電荷蓄積)之電容元件 　　C2••••(進行電荷電壓轉換)之電容元件 　　VR••••重設電壓 　　VDD•••電源電壓 　　S•••••開關裝置 　　R•••••重設裝置 　　SF••••源極•隨耦開關裝置 　　X•••••像素選擇裝置 　　VSI•••蓄積期間中之相對於開關裝置(S)的C1之飽和位能障壁 　　VS••••上澄液電荷傳輸時之相對於開關裝置(S)的C1之位能障壁 　　QA••••空白照射中C1所蓄積之光電荷量 　　VA••••空白照射中C1所產生之電壓 　　Qα••••空白照射中之傳輸電荷量 　　Vα••••藉由空白照射中之傳輸電荷而在C2中產生的信號電壓 　　QB••••在具有被檢測體物質所致之吸光的光照射中，C1所蓄積之光電荷量 　　VB••••在具有被檢測體物質所致之吸光的光照射中，C1所產生之電壓 　　Qβ••••在具有被檢測體物質所致之吸光的光照射中之傳輸電荷量 　　Vβ••••藉由在具有被檢測體物質所致之吸光的光照射中之傳輸電荷，C2所產生之信號電壓 　　VVCLR•••像素輸出線重設電壓 　　CN••••••C2重設位準取樣保持容量 　　CS••••••光信號位準取樣保持容量 　　CC••••••耦合電容 　　RS••••••感測放大器重設裝置 　　φVCLR••像素輸出線重設脈衝 　　φS••••••開關裝置驅動信號 　　φR••••••重設裝置驅動脈衝 　　φX••••••像素選擇脈衝 　　φNS•••••C2重設位準抽樣脈衝 　　φSS•••••光信號位準抽樣脈衝 　　φRS•••••感測放大器重設脈衝
圖3A及圖3B，係用以說明適宜之實施態樣之一的圖面；圖3A，係用以說明其構成的時序圖；圖3B，係用以說明其動作的時序圖。 　　在圖3A中，涉及本發明之圖像感應器的感測器要部300，係具備有配置成二維之複數個受光用的像素100之一與像素列輸出信號線107、列平行電路301。
與圖1中所示之編號相同者，係使用與圖1中所示之編號相同的編號。該點，係在以下的圖號中亦相同。具備有感測器要部300之圖像感應器的整體構成之主要部分之適宜的一例，係在圖5中表示為500。圖像感應器500，係具備有：像素陣列501，受光像素100以n行m列地被配置成2維矩陣狀；行選擇電路502；列選擇電路503；列平行電路504；輸出緩衝505；及信號輸出端子506。
列平行電路301，係具備有：電流源302，用以驅動源極隨耦電路；像素輸出線重設裝置303；2個取樣保持用之電容元件(CN )304N及電容元件(CS )304S；2個寫入選擇用開關裝置305S，305N，用於對2個取樣保持用之電容元件(CN )304N及電容元件(CS )304S的各個寫入信號(進行電荷蓄積)；2個讀出選擇用之開關裝置305S，305N，用於從2個取樣保持用之電容元件(CN )304N及電容元件(CS )304S的各個讀出信號(將所蓄積之電荷傳輸至下游的輸出側)；2條輸出線306S，306N；及列選擇電路輸出線307。 　　在列平行電路301，係亦可設置放大器或A/D轉換器。
其次，使用圖3A、圖3B、圖5，說明關於圖像感應器的信號讀出動作。圖3B，係表示圖3A之圖像感應器之信號讀出之時序圖的圖面。 　　圖5，係表示涉及本發明之圖像感應器之整體構成之主要部分之適宜的一例者。圖5所示之圖像感應器500，係具備有：像素陣列501；行選擇電路502；列選擇電路503；列平行電路陣列504；輸出緩衝505；及信號輸出端子506。只要記錄信號讀出之時序的概略，則首先，來自像素100之信號，係按每行而列平行地被讀出到像素輸出線107，並暫時被保存於列平行電路301中的取樣保持容量305，其後，按每列依序讀出所暫時保存的信號。
其讀出程序，係如以下。
(1-1)以行選擇電路502，選擇讀出對象之行。
(1-2)像素輸出線107、取樣保持電容元件(CN )304N、取樣保持電容元件(CS )304S之重設動作：使施加φVCLR、φNS、φSS的各對應裝置為ON，重設像素輸出線107與取樣保持電容元件(CN )304N、取樣保持電容元件(CS )304S。
(1-3)電容元件(C2)104重設位準之讀出：使像素選擇用開關裝置(X)105、寫入裝置305N為ON，將信號φX、信號φNS施加至對應的裝置，並使像素(SF)100之輸出與像素輸出線107及電容元件(CN )304N結合。其後，使重設用開關裝置108成為ON，施加信號脈衝φR而將電容元件(C2)104之電位重設成VR。其後，使開關裝置108成為OFF，將電容元件(C2)104之電位設成浮動。此時，熱雜訊雖被引入至電容元件(C2)104的電位中，但在本發明中，係可藉由以下的方法來去除該熱雜訊。藉由像素源極隨耦電路的動作，因應C2之電位的信號被讀出到像素輸出線107及電容元件(CN )304N。此將成為相關雙重抽樣中之重設位準的抽樣。其後，使寫入裝置(CN )304N為OFF，藉此，將電容元件(C2)104之重設位準的信號暫時保存於(CN )305N。
(1-4)使寫入裝置305S成為ON且施加信號脈衝φSS，並且將施加至開關裝置103之信號脈衝φS設成為上澄液電荷傳輸位準。在此，在被蓄積於受光元件(PD)101及電容元件102(C1)的光電荷中，超過上澄液電荷傳輸時之開關裝置(S)103之相對於電容元件(C1)102之位能障壁(VS)的電荷量會被傳輸至電容元件(C2)104。將開關裝置(S)103設成為OFF，結束上澄液電荷傳輸。 　　在像素輸出線107及電容元件(CS )304S，係讀出因應被傳輸至電容元件(C2)104之電荷量的電壓。其後，使寫入裝置305S為OFF，藉此，將因應光信號位準(受光元件101接收之受光量)之位準的信號暫時保存於電容元件(CS )304S。此將成為相關雙重抽樣中之光信號位準的抽樣。
(1-5)使開關裝置(S)103、開關裝置(R)108為ON，重設受光元件(PD)101、電容元件(C1)102、電容元件(C2)104。其後，使開關裝置(S)103、開關裝置(R)108為OFF，進入接下來的蓄積動作。使開關裝置(X)105為OFF，將像素100與像素輸出線107電性分離。
(1-6)依序選擇被暫時保存於列平行電路301中之電容元件(CN )304N、電容元件(CS )304S的信號，且經由輸出緩衝讀出到圖像感應器要部300之外部。在本實施例中，係以位於圖像感應器要部300之外部的電路，對讀出信號進行AD轉換。從電容元件(CS )304S的信號減掉電容元件(CN )304N的信號，藉此，在重設電容元件(C2)104之際，可去除所引入的熱雜訊或開關裝置(SF)106的閾值偏差，並高精度地讀出光信號。
(1-7)以行選擇電路，選擇接下來的讀出對象之行。
以上，藉由將(1-1)~(1-7)之動作重複預定行的方式，完成圖像感應器之1訊框的信號讀出。
在上述使用圖3A、圖3B、圖5進行說明之圖像感應器的信號讀出動作中，係即便縮小電容元件(C2)104之飽和容量，亦可藉由相關雙重抽樣，高精度地讀出根據被蓄積於(C2)104之光電荷量的光信號。
圖4A及圖4B，係用以說明適宜之實施態樣之又一其他例的圖面；圖4A，係用以說明其構成的時序圖；圖4B，係用以說明其動作的時序圖。 　　涉及本發明之圖像感應器的感測器要部400，係具備有配置成二維之複數個受光用的像素100之一與像素列輸出信號線107、列平行電路401。具備有感測器要部400之圖像感應器的整體構成之主要部分之適宜的一例，係與感測器要部300相同地，在圖5中表示為500。
其次，使用圖4A、圖4B、圖5，與圖3A、圖3B、圖5的情形相同地說明關於其讀出動作。圖4A所示之感測器要部400，係具備有：複數個像素100；像素輸出線1074；及列平行電路401。列平行電路401，係具備有：電流源402，用以驅動源極隨耦電路；像素輸出線重設裝置403；耦合電容元件(CC)404；感測放大器405；感測放大器之重設用的開關(重設)裝置(RS)406；閂鎖器407；計數器信號線408；輸出緩衝線409；及列選擇電路輸出線410。列平行電路401，係用於以簡單的電路構成而列平行地對像素信號進行AD轉換的構成。
根據圖4A所示之電路構成，將與計數器信號同步之斜率型的電壓施加至電荷傳輸用開關裝置103，並將「藉由光電荷從受光元件(PD)101稍微被傳輸至電容元件(C1)102而產生之像素列輸出信號線107的電壓下降值超過了預定值」之時刻記錄為數位值。 　　此為將一般單斜率型的A/D轉換器(Analog-to-Digital Converter)中之相當於參考斜率信號的信號直接施加至受光用像素之電路部的方式，比起「將在平行於以往的列且具有單斜率型A/D轉換器之CMOS受光感測器中所使用的像素列輸出信號線之電壓值與參考值即斜率信號作比較」的方式，可縮小電路規模並且進行高速化。
圖4B，係表示組合了圖4A所示之列平行電路401的情形之信號讀出之時序圖的圖面。圖4A所示之圖像感應器的信號讀出，係如圖4B之時序圖所示般，由以下的程序來進行。
(2-1)以行選擇電路502，選擇讀出對象之行。
(2-2)像素輸出線107之重設動作：使重設裝置403為ON(施加像素輸出線重設脈衝信號φVCLR)，重設像素輸出線107。
(2-3)電容元件(C2)104之重設位準的讀出：使像素選擇用之開關裝置(X)105為ON(施加像素選擇脈衝φX)，使源極隨耦開關裝置(SF)106的輸出與像素輸出線107及耦合電容元件(CC)404電性結合。其後，使重設用開關裝置(R)108為ON(施加重設裝置脈衝驅動φR)，將電容元件(C2)104之電位重設成VR。 　　其後，使開關裝置(R)108成為OFF，將電容元件(C2)104之電位設成浮動。此時，熱雜訊雖被引入至電容元件(C2)104的電位中，但在本發明中，係可藉由以下的方法來去除該熱雜訊。 　　藉由像素源極隨耦電路(電路部100)的動作，因應電容元件(C2)104之電位的信號被讀出到像素輸出線107。 　　其後，以使處於ON狀態之φRS為OFF的方式，將感測放大器405之輸入電壓箝位為中間電位。藉由該動作，可去除重設電容元件(C2)104之際所引入的熱雜訊或源極隨耦•開關裝置(SF)106的閾值偏差，並高精度地檢測接下來的動作中之被傳輸至電容元件(C2)104的光電荷所致之電容元件(C2)104的電壓變化。
(2-4)使φS之位準隨時間而傾斜狀地變化，以使相對於開關裝置(S)之C1的位能障壁慢慢變化。在列平行電路401的閂鎖器407中，係通過計數器信號線408，輸入與隨時間變化之φS的位準同步之計數器時脈。在此，若超過位能障壁而蓄積於PD及C1之光電荷開始被傳輸至C2時，則C2的電位下降且像素輸出下降。在此，重要的一點，係因應被蓄積於PD及C1之光電荷的量，像素輸出開始下降的時刻會產生變化。像素輸出線107之電位的下降，係經由耦合電容(CC)傳遞至感測放大器405的輸入位準，若在感測放大器輸入位準產生超過了感測放大器405之閾值的變化時，則感測放大器405之輸出成為High狀態。成為該High狀態之時刻與蓄積於PD及C1的光電荷量相對應。在閂鎖器407中，係保持感測放大器405的輸出已成為該High狀態之時刻的數位計數器信號。 　　藉由以上的動作，能以簡單的電路構成來對光信號位準進行數位轉換•保持。其後，將φS設成為OFF，結束上澄液電荷傳輸。在此，藉由調整φS之時間變化及變化量的方式，可調整AD轉換的階度值、蓄積電荷的讀出範圍亦即讀出光量範圍。
(2-5)使φR、φS為ON，重設PD、C1、C2。其後，使φR、φS為OFF，進入接下來的蓄積動作。其後，使φX為OFF，將像素與像素輸出線107電性分離。
(2-6)以列選擇電路503來依序選擇被保存於列平行電路401之閂鎖器407的數位信號，且經由輸出緩衝讀出。
(2-7)以行選擇電路502，選擇接下來的讀出對象之行。 　　藉由將以上的(2-1)~(2-7)之動作重複預定行的方式，完成圖像感應器之1訊框的信號讀出。
在本發明中，電容元件(C1)102之「有效飽和容量」的大小與電容元件(C2)104之「有效飽和容量」的大小，係因應設計之受光裝置所要求的性能而適當地決定。特別是，在本發明中，電容元件(C1)102之「有效飽和容量」與電容元件(C2)104之「有效飽和容量」的大小之比，係依存於受光裝置之測定的 分辨率與其精度。 　　在本發明中，電容元件(C1)102之「有效飽和容量」，係最理想是較佳為電容元件(C2)104之「有效飽和容量」的10~5000，更佳為100~1000倍。 　　在本發明中，相對於電容元件(C1)102之電荷蓄積的飽和容量，電容元件(C2)104之電荷蓄積的飽和容量，係最理想是較佳設成為1/100~1/1000。電荷蓄積之飽和容量，係最理想是較佳設成為1/100~1/1000。
圖6，係用以說明具備有圖像感應器500之吸光分析系統600之構成的方塊圖。吸光分析系統600，係具有：圖像感應器500；光源601；信號儲存/處理部603；顯示部604；控制部605；及操作部606。所吸光分析之被檢測體602，係被配設於光源601與圖像感應器500之間且光軸上。吸光分析系統600，係以下述方式進行運作：依照程序來操作操作部606，藉此，藉由控制部605分別控制圖像感應器500、光源601、信號儲存/處理部603、顯示部604。
在圖7中，表示使用吸光分析系統600進行被檢測物質的濃度體分析之際之分析程序之一例的流程圖。 　　首先，被檢測體602被設定於系統600的預定位置，且系統600之電源被設成為ON(步驟701)。系統600，係首先，判斷被檢測體602是否為新被檢測體(步驟702)。若被檢測體602不是新被檢測體，則前進至測定開始的步驟705。若被檢測體602為新被檢測體，則前進至光源波長的選擇步驟703。在步驟703中，選擇分析最佳光源波長，前進至接下來的步驟704。在步驟704中，進行檢量線之取得。 　　若檢量線之取得結束時，則前進至濃度測定開始的步驟705。在並非測定開始的情況下，係前進至結束的步驟709。測定開始為YES的情況下，係前進至步驟706。在步驟706中，係對被檢測體602照射來自光源601的光，並以圖像感應器500接收經由被檢測體602而來的照射光量，獲得根據前述照射光量之光信號。經由被檢測體602而來之照射光量，係亦可為透射光量、反射光量、散射光量的任一個。 　　根據經步驟706測定之光信號，若從圖像感應器500所輸出之輸出信號處於經步驟704取得之檢量線的範圍內，則使用該檢量線，以演算•比較等的手法導出測定對象區域中之被檢測體602內之被檢測物質的濃度(步驟708)。 　　根據經步驟706測定之光信號，若從圖像感應器500所輸出之輸出信號處於經步驟704取得之檢量線的範圍外，則返回到步驟705，在再度進行檢量線之取得後，前進至接下來的步驟707。若完成導出被檢測物質的濃度時，則接著前進至步驟709，並結束測定。
圖8，係使用涉及本發明之散射光攝像型吸光分析系統來測定人體的血液中之血糖值時的示意概略說明圖。 　　從光源802以預定角度(較佳為40~50度，更佳為45度)對被檢測體(手指)801之預定位置照射預定波長的光805，以透鏡803將藉由該照射而經由被檢測體(手指)801而來的散射光806聚光，並以圖像感應器804進行受光。因應該受光，根據從圖像感應器804所輸出之輸出信號，導出血液中的血糖值。
本發明，係並非限制於上述實施形態者，在不脫離本發明的精神及範圍之下，可進行各式各樣的變更及變形。又，附加圖面，係被包含於說明書中，且構成其一部分而表示本發明之實施形態，並與其記述一起被用來說明本發明。 　　因此，為了公開本發明之範圍，附上以下的請求項。
100‧‧‧受光用像素之電路部101‧‧‧受光元件102‧‧‧電容元件103‧‧‧電荷傳輸用開關裝置104‧‧‧電容元件105‧‧‧電荷選擇用開關裝置106‧‧‧源極追隨開關裝置107‧‧‧像素列輸出信號線108‧‧‧重設用開關裝置300‧‧‧圖像感應器要部301‧‧‧列平行電路302‧‧‧電流源303‧‧‧像素輸出線重設裝置304S、304N‧‧‧取樣保持用之電容元件305S、305N‧‧‧取樣保持用之電容元件的寫入選擇裝置306S、306N‧‧‧取樣保持用之電容元件的讀出選擇裝置307S、307N‧‧‧輸出線308‧‧‧列選擇電路輸出線400‧‧‧圖像感應器要部401‧‧‧列平行電路402‧‧‧電流源403‧‧‧像素輸出線重設裝置404‧‧‧耦合電容元件405‧‧‧感測放大器406‧‧‧感測放大器重設裝置407‧‧‧閂鎖器408‧‧‧計數器信號線409‧‧‧輸出線410‧‧‧列選擇電路輸出線500‧‧‧圖像感應器501‧‧‧像素陣列502‧‧‧行選擇電路503‧‧‧列選擇電路504‧‧‧列平行電路陣列505‧‧‧輸出緩衝506‧‧‧信號輸出端子600‧‧‧吸光分析系統601‧‧‧光源602‧‧‧被檢測體603‧‧‧信號儲存/處理部604‧‧‧顯示部605‧‧‧控制部606‧‧‧操作部701~709‧‧‧步驟801‧‧‧被檢測體802‧‧‧光源803‧‧‧透鏡804‧‧‧圖像感應器805‧‧‧照射光806‧‧‧散射光
[圖1] 圖1，係用以說明涉及本發明之被配設於受光元件之受光面之受光像素之像素電路部100的電路構成說明圖。 　　[圖2A] 圖2A，係用以說明具備有圖1所示之像素電路部100之受光元件之信號讀出原理的示意說明圖。 　　[圖2B] 圖2B，係用以說明接續於圖2A之信號讀出原理的示意說明圖。 　　[圖2C] 圖2C，係用以說明接續於圖2B之信號讀出原理的示意說明圖。 　　[圖2D] 圖2D，係用以說明接續於圖2C之信號讀出原理的示意說明圖。 　　[圖2E] 圖2E，係用以說明接續於圖2D之信號讀出原理的示意說明圖。 　　[圖3A] 圖3A，係用以說明適宜之實施態樣之一的圖面，且為用以說明構成的時序圖。 　　[圖3B] 圖3B，係用以說明適宜之實施態樣之一的圖面，且為用以說明動作的時序圖。 　　[圖4A] 圖4A，係用以說明適宜之實施態樣之又一其他例之構成的時序圖。 　　[圖4B] 圖4B，係用以說明適宜之實施態樣之又一其他例之動作的時序圖。 　　[圖5] 圖5，係表示涉及本發明之圖像感應器的整體構成之主要部分之適宜的一例者。 　　[圖6] 圖6，係用以說明具備有圖像感應器500之吸光分析系統600之構成的方塊圖。 　　[圖7] 圖7，係使用吸光分析系統600進行被檢測物質的濃度體分析之際之分析程序之一例的流程圖。 　　[圖8] 圖8，係使用涉及本發明之散射光攝像型吸光分析系統來測定人體的血液中之血糖值時的示意概略說明圖。
100‧‧‧受光用像素之電路部
101‧‧‧受光元件
102‧‧‧電容元件
103‧‧‧電荷傳輸用開關裝置
104‧‧‧電容元件
105‧‧‧電荷選擇用開關裝置
106‧‧‧源極追隨開關裝置
107‧‧‧像素列輸出信號線
108‧‧‧重設用開關裝置
VR‧‧‧重設電壓
VDD‧‧‧電源電壓
PD‧‧‧受光元件
C1、C2‧‧‧電容元件
S、SF、X‧‧‧開關裝置
R‧‧‧重設裝置

Claims (1)

  1. 一種受光裝置之信號讀出方法，該受光裝置係，具有受光像素，該受光像素，係具備有：受光元件；第一電容元件(1)，蓄積藉由該受光元件之受光而產生的光電荷；第二電容元件(2)，蓄積於該第一電容元件(1)之光電荷的量之一部分被傳輸而蓄積於該第二電容元件；開關裝置(S)，用以進行從前述第一電容元件(1)朝前述第二電容元件(2)之光電荷傳輸動作的ON-OFF；重設用開關裝置(R)，用以重設前述第一電容元件(1)與前述第二電容元件(2)；像素選擇用開關裝置(X)；及源極隨耦開關裝置(SF)，前述第一電容元件(1)之有效飽和容量(1)為前述第二電容元件(2)之有效飽和容量(2)的10~5000倍，該受光裝置之信號讀出方法，其特徵係，在因應所需而重設了前述受光裝置後，對前述受光元件照射可產生足以充滿前述第一電容元件(1)之有效飽和容量的光電荷量之光量的光，且以該受光元件內所產生的光電荷，將前述第一電容元件(1)之容量充滿至有效飽和容量，其次，使前述像素選擇用開關裝置(X)成為ON而選擇 前述受光像素，其次，將超過「前述開關裝置(S)之光電荷從前述第一電容元件(1)朝前述第二電容元件(2)傳輸時之相對於前述第一電容元件(1)的位能障壁」之電荷量從前述第一電容元件(1)傳輸並蓄積於前述第二電容元件(2)，其次，使前述像素選擇用開關裝置(X)成為ON，由前述受光像素輸出「將前述第二電容元件(2)中所蓄積之電荷量以基於前述第二電容元件(2)之容量的電荷電壓轉換增益進行電荷電壓轉換而成」的電壓信號。
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