特許 5676415 選択的に飛ばされたピクセルを含む自己走査型フォトダイオードアレイ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5676415

(24)【登録日】2015年1月9日

(45)【発行日】2015年2月25日

(54)【発明の名称】選択的に飛ばされたピクセルを含む自己走査型フォトダイオードアレイ

(51)【国際特許分類】

   H04N 5/357 20110101AFI20150205BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20150205BHJP

【ＦＩ】

   H04N5/335 570

   H01L27/14 A

【請求項の数】15

【外国語出願】

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2011-241231(P2011-241231)

(22)【出願日】2011年11月2日

(62)【分割の表示】特願2007-502856(P2007-502856)の分割

【原出願日】2005年3月2日

(65)【公開番号】特開2012-90275(P2012-90275A)

(43)【公開日】2012年5月10日

【審査請求日】2011年12月1日

(31)【優先権主張番号】60/552,056

(32)【優先日】2004年3月10日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】509131764

【氏名又は名称】ウオーターズ・テクノロジーズ・コーポレイシヨン

(74)【代理人】

【識別番号】110001173

【氏名又は名称】特許業務法人川口國際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100140523

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 千尋

(74)【代理人】

【識別番号】100103920

【弁理士】

【氏名又は名称】大崎 勝真

(72)【発明者】

【氏名】アンソニー・シー・ギルビー

【審査官】 木方 庸輔

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０２−０９００２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第０３／００４９８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０８−０１５０１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０６１３４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−０１１６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３５２４８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｎ ５／３０ − ５／３７８ ，

Ｈ０１Ｌ ２１／３３９ ，

Ｈ０１Ｌ ２７／１４ − ２７／１４８ ，

Ｈ０１Ｌ ２９／７６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光スペクトルの紫外線部分、可視的部分および赤外線部分の光を検出するために自己走査型フォトダイオードアレイを用いた測定の信号対雑音比を改善する方法であって、
前記フォトダイオードアレイのピクセルを基準状態から受けた光で露光し、かつ前記ピクセルの飽和状態を引き起こさない短い露光時間のスペクトルを測定するステップと、
前記短い露光時間を用いてシャッタを閉じた状態で前記ピクセルの暗スペクトルを測定するステップと、
各ピクセルからの暗修正された基準信号を計算するステップと、
蓄積電荷が、飽和状態に近いが飽和状態を下回る所定水準に達するように各ピクセルに対する露光時間を計算するステップと、
当該のスペクトル範囲内でいずれのピクセルも飽和しないだけの短さに所定の露光時間ｔ_０を設定するステップと、
個々のピクセルが所定の露光時間の整数倍Ｍｔ_０の間、露光されるように、かつ時間Ｍｔ_０の後に前記個々のピクセルが飽和状態に近いが飽和状態を上回らない蓄積電荷を有するように整数Ｍを割り当てるステップと、
整数によって決定された露光パターンを用いてシャッタを閉じた状態で暗スペクトルを再測定するステップと、
整数によって決定された露光パターンを用いて基準スペクトルを再測定し、それにより、暗修正された基準スペクトルを生み出すステップと、
整数によって決定された同じ露光パターンを用いてサンプルスペクトルを測定し、かつ暗修正されたサンプルスペクトルを生み出すステップと、
サンプルの吸収特性を決定し、それにより、改善された信号対雑音比を有するサンプルの吸収特性を特定しかつ定量化するために、基準スペクトルとサンプルスペクトルとを組み合わせるステップとを含む、方法。

【請求項2】

所定の露光時間（ｔ_０）の後に、個々のピクセルからの電荷が各ピクセルから順次少なくとも１つの出力ビデオライン上に移し替えられる自己走査型フォトダイオードアレイであって、
光を収集するためのフォトダイオードピクセルのアレイを備え、前記光の強度が、前記アレイの空間範囲を横切って変化でき、前記自己走査型フォトダイオードアレイはさらに、
前記ピクセルを読み出す手段と、
１つまたは複数の追加の露光時間ｔ_０の間、選択されたピクセルの読出しを飛ばす手段とを備え、該読出しを飛ばす手段が、前記選択されたピクセルが前記所定の露光時間ｔ_０の指定された整数（Ｍ）倍の間、露光されることを可能にし、それにより、前記選択されたピクセルが読み出される前に追加の電荷を蓄積するより少ない光を受けることを可能にして、読出し周期の数を削減しかつ測定される光の信号対雑音比を改善し、前記自己走査型フォトダイオードアレイがさらに、
前記選択されたピクセルの読出しを飛ばす手段が、シャッタを閉じて、前記所定の露光時間ｔ_０の前記指定された整数（Ｍ）倍の間、前記選択されたピクセルを露光することによって暗スペクトルを読み取るように構成される、自己走査型フォトダイオードアレイ。

【請求項3】

信号対雑音比を改善するための光検出器装置であって、
光を収集するための複数のピクセルを含むフォトダイオードアレイと、
フォトダイオードアレイに接続される走査スイッチ制御ユニットとを備え、該走査スイッチ制御ユニットが、所定の単位露光時間ｔ_０の後で、複数のピクセルの各ピクセルからの電荷を順次少なくとも１つの出力ビデオライン上に移し替えるように構成され、前記光検出器装置がさらに、
前記走査スイッチ制御ユニットに接続されるイネーブルスイッチユニットを備え、該イネーブルスイッチユニットが、所定の単位露光時間ｔ_０の整数Ｍ倍である所定の露光時間が経過する迄、前記走査スイッチ制御ユニットが１つ以上の複数のピクセルからの電荷を移し替えることを妨げ、１つ以上の妨げられたピクセルが読み出される前に追加の電荷を蓄積することを可能にし、
前記走査スイッチ制御ユニットが、シャッタを閉じて、前記所定の単位露光時間ｔ_０の指定された整数（Ｍ）倍の間、選択されたピクセルを露光することによって暗スペクトルを読み取るように構成される、光検出器装置。

【請求項4】

異なるピクセルが、前記所定の単位露光時間ｔ_０の同じまたは異なる整数倍Ｍの間、露光される、請求項３に記載の光検出器装置。

【請求項5】

複数のピクセルの所定範囲内のピクセルからの各ピクセル信号が、飽和に近いが飽和を上回らず、各ピクセル信号が、電荷の移し替えによって規定されるように、Ｍの同じまたは異なる整数倍が特徴付けられる、請求項４に記載の光検出器装置。

【請求項6】

ピクセルの所定範囲が、全ての複数のピクセルを含む、請求項５に記載の光検出器装置。

【請求項7】

所定の単位露光時間ｔ_０が、所定範囲の複数ピクセルの１つまたは複数のピクセルの飽和を上回らない、請求項３に記載の光検出器装置。

【請求項8】

所定範囲のピクセルが、全ての複数のピクセルを含む、請求項７に記載の光検出器装置。

【請求項9】

複数のピクセルの１つ以上からの個々のピクセルのｔ_０のＭ倍の所定の露光時間が、電荷が移し替えられる個々のピクセルの飽和を引き起こさない、請求項３に記載の光検出器装置。

【請求項10】

Ｍの最小値が１より大きい、請求項３に記載の光検出器装置。

【請求項11】

複数のピクセルの１つ以上からの個々のピクセルのｔ_０のＭ倍の所定の露光時間が、フォトダイオードアレイの全部または所定部分の１つ以上の完全な測定にかかった時間として定義されるサンプル時間の約数である、請求項３に記載の光検出器装置。

【請求項12】

ピクセル読出しが妨げられるとき、少なくとも１つの出力ビデオラインにゼロ値信号を記録するように構成される、請求項３に記載の光検出器装置。

【請求項13】

複数のピクセルが、サンプルセルから送信された光を収集するためのものである、請求項３に記載の光検出器装置。

【請求項14】

複数のピクセルを含むフォトダイオードアレイを用いた測定の信号対雑音比を改善する方法であって、
第１の基準露光時間の間、フォトダイオードアレイの複数のピクセルを基準光源から受ける光で露光するステップと、
第１の基準露光時間の間、複数のピクセルによって受けられた光の第１の基準スペクトルを測定するステップとを含み、第１の基準露光時間の長さは、複数のピクセルに飽和を引き起こさないように選択され、前記方法がさらに、
第１の基準露光時間に長さが等しい第２の基準露光時間の間、フォトダイオードアレイのシャッタを閉じるステップと、
第２の基準露光時間の間、複数のピクセルの第１の暗スペクトルを測定するステップと、
第１の基準スペクトルおよび第１の暗スペクトルを使用して、複数のピクセルの各ピクセルからの第１の暗修正された基準信号を計算するステップと、
蓄積された電荷が飽和未満の所定レベルに到達するように、複数のピクセルの各ピクセルの露光時間を計算するステップと、
複数のピクセルに関連する各露光時間未満である単位露光時間ｔ_０を決定するステップと、
各ピクセルについて、単位露光時間ｔ_０の整数Ｍ倍に等しい時間が、特定のピクセルに関する露光時間未満であるように、複数のピクセルの各ピクセルにＭの整数倍を割り当てるステップと、
シャッタが閉じられた状態で、複数のピクセルの各ピクセルの第２の暗スペクトルを測定するステップとを含み、各ピクセルに関する第２の暗スペクトルが、測定されるピクセルに割り当てられた単位露光時間ｔ_０の割り当てられた整数Ｍ倍に等しい時間期間の間測定される、方法。

【請求項15】

基準光源から複数のピクセルによって受けた光の第２の基準スペクトルを測定するステップをさらに含み、各ピクセルについての第２の基準スペクトルが、測定されるピクセルに割り当てられた単位露光時間ｔ_０の割り当てられた整数Ｍ倍に等しい露光時間期間の間測定され、さらに、
第２の基準スペクトルおよび第２の暗スペクトルを使用して、複数のピクセルの各ピクセルからの第２の暗修正された基準信号を計算するステップと、
フォトダイオードアレイの複数のピクセルをサンプル源から受ける光で露光するステップと、
サンプル源から複数のピクセルが受けた光のサンプルスペクトルを測定するステップとを含み、各ピクセルのサンプルスペクトルが、測定されるピクセルに割り当てられた単位露光時間ｔ_０の割り当てられた整数Ｍ倍に等しい露光時間期間の間で測定され、さらに、
サンプルスペクトルおよび第２の暗修正された基準信号を使用して、サンプル源の吸収特性を決定するステップを含む、請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、２００４年３月１０日に出願した米国仮特許出願第６０／５５２０５６号の優先権を主張するものである。この出願の内容は参照により本明細書に組み込まれている。

【0002】

本発明は多目的分光光度計または解析用検出器として使用されるように構成された分光光度計に関する。具体的には、本発明はスペクトルのＵＶ部分、可視部分およびＩＲ部分を検出するために自己走査型フォトダイオードアレイを用いて行われる測定の信号対雑音比の改善に関する。

【背景技術】

【0003】

本明細書に説明される応用例では、ある波長範囲を含む光が分散されてフォトダイオードアレイ上に結像し、その結果、アレイの出力がスペクトルとなる。典型的には、光量は波長によって大きく変化し、その結果、アレイのピクセルは広く異なる速度で光電荷（ｐｈｏｔｏ ｃｈａｒｇｅ）を生成する。

【0004】

アレイのスキャンはまた、光がシャッタで遮られた状態で行われて、暗電流の寄与および増幅エレクトロニクス（ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）に起因する任意のオフセットを判定する。これら暗値は減じられ、Ｎ個のピクセルのそれぞれに蓄積された光電荷を時間ｔ_０で測定するＮ個のデジタル値を生み出す。通常、いくつかのそのような走査は相互追加され（ｃｏ−ａｄｄｅｄ）、その結果、暗修正された（ｄａｒｋ−ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ）ピクセル信号の平均化セットがある所定のサンプル間隔、すなわちサンプル時間で生み出される。

【0005】

ダイオードアレイに当たる光度は変動しないと仮定すると、各ピクセル上に蓄積される電荷の測定精度を低下させる２つの雑音源が存在する。まず、蓄積された電荷の平方根に比例する散弾雑音が存在する。これは電子流の離散的性質の不可避な結果である。これが唯一の雑音源であれば、ピクセルが読み出されるたびに蓄積される電荷の量の平方根として、かつピクセルが読み出される回数の平方根として信号対雑音比は改善するであろう。したがって、信号対雑音比は露光時間ｔ_０に依存せず、光による電荷生成速度に依存する。しかし、第２の雑音源、いわゆる固定雑音は光度と無関係であり、かつピクセル電荷が読み出されるたびに信号を損なう。この雑音源は２つの構成要素を有する。すなわち、ＰＤＡデバイスから発生する読出し雑音、別名ｋＴＣ雑音、および外部増幅器からの雑音である。ピクセル暗電流からの散弾雑音も存在するが、本明細書で考慮される比較的高い光水準において、この散弾雑音は無視されてもよい。

【0006】

光信号が十分高い場合、信号の平方根に比例する散弾雑音が支配する。しかし当該信号が低下すると、固定雑音は信号対雑音比を支配して、信号対雑音比はその時点で下り信号に正比例して低下する。

【0007】

先行技術の方法では、いずれのピクセルも特定の実験または一連の測定に対する当該のスペクトル範囲（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ）内で飽和しないという条件で、ｔ_０に対して可能な最も長い期間を選択することが標準的技法である。いずれのピクセルも飽和しないことが知られている場合、露光時間ｔ_０は短い露光時間を用いてサンプルセル中の標準物質で全スペクトルを測定することにより設定される。次いで、露光時間ｔ_０は短い露光時間をスケーリングすることにより検出され、その結果、当該のスペクトル範囲内の最高信号ピクセルは、例えば、飽和状態の８５％になるであろう。

【0008】

ＨＰＬＣ検出では、吸収サンプルが存在しない場合、標準物質は分離開始時に移動相である。可能な限り長いｔ_０を選択することはサンプル時間内のアレイの読出し回数を最小限に抑え、それにより、ピクセル信号に加えられる読出し雑音の効果を最小限に抑える。当該のスペクトル範囲外のピクセルは飽和してもよい。自己走査工程はｔ_０間隔でアレイ内のピクセルすべてを読み出し、かつ当該の範囲外のそれらピクセルの値は単に無視される。それらピクセルのいくつかは飽和してもよいが、これは所望のスペクトル範囲内のピクセルからのデータに影響を及ぼさない。

【0009】

データ収集および信号対雑音比を最適化するには、露光時間ｔ_０はデータ転送速度（すなわち、毎秒ピクセル値が報告される回数）の逆数であるサンプル時間の約数でなければならない。この条件は測定時間が失われる場合、待機期間なしでデータ収集が連続的であることを確実にする。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

先行技術の手法は最高信号を有するピクセルにとって最良の露光時間ｔ_０を選択し、信号対雑音比がこれらピクセルに対して最適化される。しかし、アレイ内の他のピクセルははるかに少ない量の光を受け、かつはるかに低い速度で電荷を蓄積する可能性がある。それぞれの読出しに関係する固定雑音が一定であると同時に、蓄積された電荷信号が低いため、これらピクセルは大きな信号対雑音損失を伴って読み出される。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の方法および装置は、スペクトルのＵＶ部分、可視部分およびＩＲ部分を検出するために自己走査型フォトダイオードアレイを用いて行われる測定の信号対雑音比を改善する。本発明によれば、Ｎ個のピクセルの線形アレイは光を受けて、ピクセル接合領域において電子および正孔を生み出す。電荷は光度およびフォトダイオードの量子効率に比例する割合でピクセル内および関連するコンデンサ内に蓄積される。先行技術のデバイスでは、露光時間ｔ_０の後、自己走査工程が始まり、かつ各ピクセル内にある電荷は順次出力ビデオライン上に移し替えられる。それぞれの電荷パケットは増幅され、サンプルホールド回路に伝わり、デジタル値に変換されてデータシステムに伝わる。

【0012】

有利には、本発明の方法は、読み出される前に低い信号ピクセルが露光時間ｔ_０の倍数の間、電荷を蓄積することを可能にする。例えば、ｉ番目のピクセルは読出し周期のＭ_ｉ倍、すなわちＭ_ｉｔ_０期間の間、露光される。これは読出し信号を無効にするか、または読出し周期の（Ｍ_ｉ−１）倍の間、ｉ番目のピクセルに飛ばして、アレイのＭ_ｉ番目の走査ごとに読出し信号を読み出すことにより実現される。この露光パターン、すなわち整数Ｍ_ｉ（ｉはアレイ内の１からＮまでのピクセル数）は、当該のピクセルが、例えば、飽和状態の８５％を超えずに可能な限り多くの電荷を蓄積するように選択される。

【0013】

選択されたサンプルレート（例えば、１０ポイントすなわち一秒当りスペクトル走査）でアレイからのデータを報告するためには、許容露光値Ｍ_ｉｔ_０はサンプル間隔の約数、この場合１００ｍｓに限定される。第１の例示的実施形態では、ｔ_０が１２．５ｍｓに設定された場合、整数Ｍ_ｉの許容値は１、２、４および８となり、生じるピクセル露光は１２．５ｍｓ、２５ｍｓ、５０ｍｓおよび１００ｍｓとなるであろう。

【0014】

自己走査クロック速度がより短い露光ｔ_０に求められるものより高い場合、またはサンプル間隔がより長い場合、より多くの露光選択範囲が可能であることが本発明の範囲内で企画される。第２の例示的実施形態では、３００ｍｓごとに１回アレイの読出しを得ることが望まれ、かつクロック速度はアレイが６．２５ｍｓごとに走査されることを可能にする場合、ｍｓでの許容露光は、６．２５、１２．５、１８．７５、２５、３７．５、５０、７５、１００、１５０、３００であり、１、２、３、４、６、８、１２、１６、２４、４８の対応値Ｍ_ｉを含む。

【0015】

任意のピクセルに用いられる最も短い露光はやはり１２．５ｍｓであり、かつ最も長い露光は１００ｍｓであるが、クロック速度への変化は、第１実施例の場合、４に対して７の露光選択範囲を可能にする場合がある。より多い選択範囲は全体的に個々のピクセル露光時間Ｍ_ｉｔ_０のより良い信号対雑音最適化を意味する。

【0016】

先行技術のデバイスについての議論において上で述べたように、シャッタを閉じた状態で送られる暗信号は各ピクセル信号から減じられて、当該ピクセルに当たる光に帰因するデジタル値を決定する。本実施形態の場合、当然、暗信号は整数Ｍ_ｉの同じ露光パターンを用いて測定されなければならない。

【0017】

本発明の一実施形態による自己走査アレイが読み出されると、Ｎ個の電荷パケットは走査ごとに測定される。飛ばされたピクセル読出しに関するこれらＮ個の電荷パケットは名目上ゼロである値を有する。しかし、読出し雑音および増幅器雑音が存在するため、これらは厳密にゼロではない。データシステムはこれらの値を厳密にゼロに設定し、その結果、アレイのいくつかの走査からの値が相互追加され、かつサンプル時間の終わりでスペクトルが報告されると、ピクセルが実際に読み出された場合の雑音だけが追加される。このような方法で、固定雑音は最小限に抑えられる。本発明の方法を用いた手段では、散弾雑音は全アレイを支配し、かつ固定雑音は要因にならないことになる。先行技術のフォトダイオードアレイを用いた方法では、低い信号を有するピクセルの信号対雑音比は、散弾雑音よりも幾倍か大きい可能性のある固定雑音に支配される。

【0018】

添付された図と併せて解釈される以下の例示的実施形態の詳細な説明から、本発明の前述およびその他の特徴および利点をさらに完全に理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明による自己走査フォトダイオードの略図である。

【図2】すべてのダイオードが読み出されるまでクロック信号に従う、本発明による自己走査工程の略図である。

【図3A】デバイス動作を例示するスペクトラムのグラフィック図である。

【図3B】デバイス動作を例示するスペクトラムのグラフィック図である。

【図4】本発明による信号対雑音比を改善するための、本発明による方法の流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明の詳細な実施形態が本明細書で開示されるが、開示された実施形態は本発明の例示に過ぎず、様々な形態で実施することが可能であることを理解されたい。したがって、本明細書で開示されている特定の構造的かつ機能的な詳細は限定的なものとしてではなく、単に特許請求の範囲の基準として、かつ適切に詳述される事実上任意の構造に本発明を様々に用いることを当業者に教示するための代表的基準として解釈されるべきである。

【0021】

本発明による装置および方法は、より高い感度でスペクトルのＵＶ部分、可視部分およびＩＲ部分を検出するための自己走査型フォトダイオードアレイを用いることを可能にする。図１を参照すると、ブロック図は本発明による装置を示す。図１に示されるように、タイミング情報１０２は電気的信号の形態でデバイスに供給される。本発明によるフォトダイオードアレイ１０４は個々のピクセル（フォトダイオード）からなる。第１の例示的実施形態では、フォトダイオードアレイ１０４は、１から５１２までラベル付けされたコンデンサによって表される５１２個のピクセルからなる。フォトダイオードアレイは従来の半導体デバイスおよびフォトダイオードアレイ技術の分野において知られている方法で半導体デバイスとして構築される。カリフォルニア州、サンノゼ、Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能な自己走査型フォトダイオードアレイ、部品番号ＰＩ ０５１２ ＷＳＮなどで実装されたものなどのフォトダイオードアレイ技術を用いてもよいことが本発明の範囲内で企画される。フォトダイオードアレイ１０４内のピクセルは当該ピクセルに当たる光出力に比例した割合で電荷を蓄積する。電荷はピコクーロン（ｐＣ）で測定することができる。この第１の例示的実施形態では、ピクセルの最大ウェル容量は約６０ｐＣである。電荷蓄積速度はナノアンペア（ｎＡ）で光電流として表すことができる。

【0022】

従来の自己走査型フォトダイオードアレイは、本発明により実現されるイネーブルスイッチ制御（Ｅｎａｂｌｉｎｇ Ｓｗｉｔｃｈ Ｃｏｎｔｒｏｌ）１０８が欠けている。ピクセルはまずリセットされ、電荷は入射光線の量、および波長により異なるピクセル応答に従って蓄積する。所定の露光時間の後、外部から供給されるスタートパルスは自己走査工程を開始し、この工程は図２に示されるように、フォトダイオードアレイ１０４内のすべてのピクセル（フォトダイオード）が読み出されるまでクロック信号に従う。この第１の例示的実施形態では、スタートパルスの後のクロック信号の次の立ち上がりエッジは電荷を第１ピクセル１０６（フォトダイオード）から出力ビデオライン１１０に移し替えさせ、そしてそこで電荷はチャージアンプ、Ａ／Ｄ変換器、次いでデータシステムに伝わる。第１ピクセル１０６（フォトダイオード）はリセットされ、かつ次のクロック立ち上がりエッジは第２ピクセル１１２（フォトダイオード）からの電荷を出力ビデオライン１１０に移し替えさせる。この工程はフォトダイオードアレイ１０４内のピクセル（フォトダイオード）が読み出され、かつリセットされるまで続く。典型的なクロック周波数は約１００ｋＨｚである。この周波数により、５１２個のピクセルを有するフォトダイオードアレイ１０４に対する完全な走査工程は約５ｍｓを要することになる。

【0023】

上で説明されたように、露光時間が可能な限り長い場合に最良の信号対雑音比が生じ、その結果、それぞれの読出し周期に関連する雑音は最小限に抑えられる。従来のデバイスでは、ピクセル（フォトダイオード）の一部がその電荷容量の一部分のみ蓄積しているとしても、すべてのピクセル（フォトダイオード）は同じ露光時間で読み出される。

【0024】

本発明によれば、イネーブルスイッチ制御１０８を用いて、特定のピクセル（フォトダイオード）は一露光時間ｔ_０の後に読み出されるかどうか、またはその電荷蓄積が最適になるまで当該ピクセルに対する自己走査スイッチ制御１１４信号は遮断されるかどうかを判定する。すなわち、イネーブルスイッチ制御１０８は、自己走査スイッチ制御１１４により行われるようにピクセル走査を動作可能または動作不能にする。

【0025】

図２に示される例示的実施形態では、左から右へ降順に光電流を生成するいくつかのピクセルが示されている。初めの８つの読出し周期に関して、イネーブルスイッチ制御１０８により停止されるタイミングパルスがその下に示される。この例示的実施形態では、イネーブル信号の高い値は自己走査工程が起こることを可能にし、かつ低い値はピクセルが読み出されるのを防ぐことを可能にする。

【0026】

図２を参照すると、第１の自己走査読出し周期は時間ｔ_０２０２で始まるが、この例示的実施形態において、これは開始から約１２．５ミリ秒である。第２の読出し周期は時間２ｔ_０２０４で始まるが、この例示的実施形態において、これは開始から約２５ミリ秒である。第３の読出し周期は３ｔ_０２０５で示され、かつ開始から約１００ミリ秒である８ｔ_０２０８で始まる第８の読出し周期まで以下同様である。

【0027】

最高信号２１０を有するピクセル（フォトダイオード）は読出し周期ごとに読み出される。最高信号ピクセル２１０は最大ウェル容量に近いが、飽和状態２２０より低い電荷を生み出す。最高信号を有するピクセルを含む第１のピクセルグループ２１０は、最高信号ピクセルの半分またはそれ以上に相当する光電流を生み出す。第２のピクセルグループは中間信号ピクセル２１２であり、最高信号ピクセル２１０光電流の５０％未満であるが２５％を上回る光電流を生み出す。図２の上部に示される２つの露光周期２ｔ_０２０４の間、露光することが可能になる場合、これらのピクセルはより最適な電荷を得る。これは時間２ｔ_０２０４で示されるイネーブルスィッチ制御信号によって達成される。

【0028】

第３グループ内のピクセルの光電流はより低い信号ピクセル２１４であり、最高信号ピクセル２１０の４分の１と８分の１との間を生み出し、かつ時間４ｔ_０２０６で読み出される。第４グループ内のピクセルの光電流は最低信号ピクセル２１６であり、最高信号ピクセル２１０の８分の１より低い信号を生み出し、かつ時間８ｔ_０２０８で読み出される。この時点で、当該のピクセルはすべて読み出され、かつ全ての順序が繰り返される。

【0029】

データシステムソフトウェアは各ピクセルからの読出し値を蓄積し、それぞれ８ｔ_０２０８間隔の終わりでスペクトルを再構築する。特定のピクセルへの移し替えが動作可能にされたか否かにかかわらず、自己走査工程はクロック周期ごとに値を生み出す。システムソフトウェアは、ピクセルが読み出されない場合にゼロを記録し、その結果、これら周期に対する読出し雑音は結果に付加されない。

【0030】

本発明による、デバイス動作を説明するスペクトルは図３Ａおよび図３Ｂに示される。図３Ａは、自己走査フォトダイオードアレイの一部分を通して分散される２００から５００ｎｍの重水素アークスペクトルの一部分を示す。このスペクトルの記録において、イネーブルスイッチ制御は常に動作可能にされていた。図上表示（ｐｌｏｔ）上のそれぞれの点は１つのピクセルからの信号である。各ピクセルは読出し周期ごとに読み出され、その結果は、従来の自己走査フォトダイオードが用いられた場合と同じである。図３Ｂは、図２に照らして説明されるように、本発明によるイネーブルスイッチ制御が動作した場合のピクセル信号を示す。異なる幾何学的図形は異なるピクセルに対する露光時間を示す。図３Ｂに示すように、１２．５ｍｓの露光時間３０２は菱形、２５ｍｓの露光時間３０４は四角形、５０ｍｓの露光時間３０６は三角形、かつ１００ｍｓの露光時間３０８は円形で示される。すべてのピクセルは最適化された露光時間を有しており、読出し周期の数を最小限にし、かつ信号対雑音比を高める。

【0031】

信号対雑音比を改善するための本発明による方法は図４に示される。測定の信号対雑音比の改善方法は、本明細書において上に説明されたように、光スペクトルの紫外線部分、可視部分および赤外線部分を検出するためにイネーブルスイッチ制御の追加により強化されている自己走査型フォトダイオードアレイを用いて行われる。

【0032】

ゼロの時、ピクセルはすべてリセットされ、かつ電荷を蓄積し始める。ピクセルは溶剤で満たされているが、解析試料（ａｎａｌｙｔｅ）では満たされていないサンプルセルなどの標準状態に対応する光に曝される。すべてのピクセルは短い露光時間に曝され、その場合、いずれのピクセルも飽和せず、かつ読み出されない（４００）。シャッタは閉じ、かつ同じ短い露光時間を用いて暗スペクトル（ｄａｒｋ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）が測定されて記録される（４０２）。暗スペクトルは減じられ、かつ暗修正された基準スペクトルが計算される（４０４）。これらスペクトルはエネルギースペクトルであり、波長に対するＡ／Ｄカウントで測定される光電流を割り付ける（ｐｌｏｔｔｉｎｇ）。

【0033】

頻繁に、サンプルレートは指定されることになるが、これはフローセルを通過する解析試料のピーク時の幅に関連する。例えば、１秒当たり１０スペクトルのサンプルレートは、サンプルセルの内容のスペクトルが１００ｍｓ（Ｔ_０）ごとに出力されることを意味する。全アレイを読み出すのに必要な時間より長く、かつ当該の範囲において任意のピクセルが飽和するための時間より短い、選択された単位露光時間ｔ_０はＴ_０の整数の約数でなければならない。本発明によれば、許可露光時間は単位露光時間ｔ_０の整数倍（Ｍｔ_０）であり、Ｔ_０の約数でもある。Ｍ＝Ｔ_０／ｔ_０の極大値が多くの因数を有するようにｔ_０の値を選択することが有利である。Ｍの許可選択範囲がより多ければ、それだけ全体的に読出し周期がより少なく、かつピクセル信号の信号対雑音比がより厳密に最適化される。

【0034】

図２に与えられた実施例を用いると、Ｔ_０が１００ｍｓであり、かつアレイが１０ｍｓ足らずで読み出されることが可能な場合、許可露光時間のセットは１２．５、２５、５０および１００ｍｓになるであろう。整数値Ｍ＝１、２、４および８と仮定すると、ｔ_０は１２．５ｍｓである。整数３、５、６および７はＴ_０／ｔ_０を割り切れないため、Ｍの許可値でない点に留意されたい。

【0035】

次の工程はＭの値を当該の波長範囲ですべてのピクセルに割り当てることである。暗修正された基準スペクトルを用いて、各ピクセルが飽和状態の８５％などの所定の水準に達するために個別に必要となる露光時間を判定し、かつそのような水準が計算される（４０６）。サンプルレートおよびアレイ読出し時間を用いて、単位露光時間ｔ_０が判定される（４０８）。所与のピクセルが８５％飽和状態に達するのに必要な計算された露光時間がＭに関連する露光時間と同じまたはそれ以上になるように、上記のリストから各ピクセルに対するＭの最大値が割り当てられる（４１０）。例えば、第５０のピクセルが２０ｍｓで飽和状態の８５％に達する場合はＭ_５０＝２を設定し、第２５０のピクセルが６５ｍｓで飽和状態の８５％に達する場合はＭ_２５０＝８を設定し、以下同様である。特定状態のピクセル信号範囲に応じて、任意のピクセルに割り当てられていないいくつかのＭ値が存在してもよい。

【0036】

基準スペクトルは、割り当てられた整数Ｍ_ｉによって指定された露光パターンを用いて再測定される（４１２）。やはり暗スペクトルも、割り当てられた整数Ｍ_ｉによって指定された露光パターンを用いて再測定される（４１４）。割り当てられた整数Ｍ_ｉにより指定された、再測定されたスペクトルを用いて、暗修正された基準スペクトルが計算される（４１６）。次いで、割り当てられた整数により指定された同じ露光パターンを用いて、サンプルスペクトルが測定される（４１８）。この測定はサンプル時間Ｔ_０ごとに繰り返され、かつ暗修正されたサンプルスペクトルが計算される。基準スペクトルおよびサンプルスペクトルは組み合わされ、かつ以下のように吸光スペクトルが計算される（４２０）。暗修正されたサンプルスペクトルと基準スペクトルとを組み合わせることによる、当該の波長範囲に対する吸光単位Ａ：
Ａ＝ｌｏｇ_１０（基準／サンプル）。

【0037】

本発明は５１２個の個々のピクセル（フォトダイオード）を含むフォトダイオードアレイを用いて説明されているが、本発明の方法はより少ないまたはより多い個々のピクセル（フォトダイオード）を有するフォトダイオードアレイを用いて利用することが可能であることを当業者は理解されたい。

【0038】

本発明はピクセル飽和水準に関する選択基準を用いて説明されているが、個々のピクセルまたはピクセルのグループに不定の飽和水準を割り当てることが可能であることを当業者は理解されたい。

【0039】

本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明の形態および詳細に様々なその他の変更、省略および追加を行うことが可能である。したがって、上の説明は限定的なものとしてではなく、様々な実施形態の例示に過ぎないものとして解釈すべきである。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】