JPH0240516A

JPH0240516A - 分光計測装置

Info

Publication number: JPH0240516A
Application number: JP63192467A
Authority: JP
Inventors: Jun Hasegawa; 潤長谷川
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1988-08-01
Filing date: 1988-08-01
Publication date: 1990-02-09

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】童呈上■剋■允互本発明は分光計測装置に関するものであり、より特定的
には入射光の各波長の光を空間的に分散させると共に、
この分散した各波長の光を固体撮像素子で受光する形式
の分光計測装置に関する。

災来勿狡徘従来、分光計測は分光素子と受光素子を組み合わせた装
置で行われる例が多い。分光素子としてはグレーティン
グや分光フィルタ等が用いられるが、装置の小型化には
分光フィルタが適している。

一方、受光素子としてはＳＰＤ（シリコン・ホトダイオ
ニド）のアレイや自己走査型イメージセンサが用いられ
る。ＳＰＤの場合、その光電変換のダイナミックレンジ
は非常に広く光計測用として十分である。しかし、アレ
イ状に並べられたＳＰＤを分光計測に用いる場合には各
ＳＰＤに対応して各々に増幅回路を接続する必要があり
、紺かいピッチで分光したい場合にはその増幅回路の部
分が膨大な量になるという欠点がある。この点、ＣＯＤ
等の自己走査型イメージセンサは画素数が増えても出力
部分は１カ所なので増幅回路も１つで済むという利点が
ある。しかしＣＣＤ等の固体撮像素子は一般にそのダイ
ナミックレンジが狭く積分時間切り換え等の手段が必要
な場合があり、使い難いという欠点があった。

ＣＯＤを分光計測の固体撮像素子として使用するものと
して特開昭５９−９２３１８号があるが、ダイナミック
レンジの拡大ということについては何ら開示されていな
い。また、特開昭６２−７６７６５号ではダイナミック
レンジを拡大することが述べられているものの、そこで
提案されているダイナミックレンジ拡大法は出力部の浮
遊拡散についてニー特性（Ｋｎｅｅ特性）をもたせて飽
和を押えようとするものである。特開昭６３−６３９２
８号では積分時間を変えて複数回撮像を行うことによっ
てダイナミックレンジを拡大しようとしている。

日が　ンしようと　るｉ上記特開昭５９−９２３１８号では狭いダイナミックレ
ンジしか得られないから、高精度な分光計測にとって十
分といえない。特開昭６２−７６７６５号では出力のり
ニアリティが無くなるという欠点が存するだけでなく、
素子ごとのバラツキにより均一な二特性が得られないと
いう欠点がある。また、特開昭６３−６３９２８号では
制御方法が複雑になると共に、瞬間的に変化する光には
対応できないという欠点がある。

本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、制
御方法が簡単でリニアリティの良い広いダイナミックレ
ンジを得ることのできる分光計測装置を提供することを
目的とする。

課　をｌするための上記６目的を達成する本発明の分光計測装置は、入射光
の各波長の光を空間的に分散させる分光手段と、分散し
た各波長の光をそれぞれの受光部が同じように受光する
べく配置された感度の異なる複数の固体撮像素子と、各
波長の光に応した前記複数の固体撮像素子の出力を選択
的に取り出す出力選択手段と、から構成されている。

その場合に、前記出力選択手段は飽和していない限り感
度の高い固体撮像素子の出力を取り出すように構成する
ことが可能である。

また、素子のバラツキによる影響を除くため感度の高い
固体撮像素子のダイナミックレンジの範囲と感度の低い
固体撮像素子のダイナミックレンジの範囲を少な（とも
一部でオーバーラツプさせるようにするとよい。

作用このような構成によると、入射光量の少ない場合には感
度の高い撮像素子の出力を選択し、入射光量の多い場合
には感度の低い撮像素子の出力を選択して取り出すこと
ができるので、ダイナミックレンジが拡がることになる
。そして感度の異なる撮像素子の数を多く設けて最小感
度と最大感度の差を大きくとることによってダイナミッ
クレンジを更に広げることができる。

尚、上記固体撮像素子の出力を選択する際に、飽和して
いない限り感度の高い固体撮像素子の出力を選択するよ
うにすると、ノイズの影響を受けない出力を得ることが
できる。

また、感度の高い固体撮像素子のダイナミックレンジの
範囲と感度の低い固体撮像素子のダイナミックレンジの
範囲を少なくとも一部でオーバーラツプさせると、製造
上のバラツキによって飽和出力のレベルが変動しても使
用可能領域を確実に確保することができる。

実施例以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図に本実施例に使用する分光センサの概念図を示す。同
図において、分光フィルタ（１）はＸ方向に沿ってその
分光透過主波長が連続的に変化するようにＸ方向の厚み
がＸ方向に沿って漸次大きくなされており、またＹ方向
に沿っては、その分光透過主波長が一様であるように前
記厚みが一定に形成されている。この分光フィルタ（１
）の下方には、受光部にＸ方向に分割された複数の画素
をもつリニア出力のＣＣＤ固体撮像素子（２）が配され
ている。分光センサにＸ方向から入射した光（３）は分
光フィルタ（１）により分光された後、ＣＣＤ固体撮像
素子（２）に到達し、該ＣＣＤ固体撮像素子（２）の各
画素で光電変換される。

第２図（ａ）に上記分光センサをＸ方向に沿って断面し
た断面構成図を示し、同図（ｂ）に各画素の出力特性を
示す。第２図（ａ）において入射光（３）は分光フィル
タ（１）に入射する。ＣＣＤ固体撮像素子の画素（４ａ
）に入射する光はその上方に位置する分光フィルタ（１
）により分光された主波長λ１の波長の光であり、また
画素（４ｂ）に入射する光は前記分光フィルタ（１）に
より分光された主波長λ２の波長の光である。各画素の
出力は第２図（ｂ）に示され、画素（４ａ）に対する出
力（５ａ）は主波長λ１の光の分光出力に対応し、画素
（４ｂ）に対する出力（５ｂ）は主波長λ２の光の分光
出力に対応する。

次に本実施例に於けるダイナミックレンジ拡大の原理に
ついて述べる。第３図（ａ）は従来のＣＣＤ固体撮像素
子による入射光量と出力の関係を示しており、領域■は
光量が極く小さい場合に相当し、出力は暗時出力分だけ
が現われ、一定の出力となっている。この領域は光の強
弱に対応する出力が得られないため分光センサとして使
用できない領域である。一方領域■は光量が極く大きい
場合に相当し、画素に蓄積し得る最大の電荷量まで電荷
が蓄積されて飽和しているためやはり一定の出力となっ
ていて領域Ｉと同様に分光センサとして使用できない領
域である。そのため、結局、分光センサとして使用でき
る領域は■だけであり、この幅がダイナミックレンジで
あるが、通常この幅は２〜３桁程度であり分光計測に必
要とされるスペックを満足しない場合が多い。

本実施例においては、第３図（ｂ）のように感度の異な
る画素を並用することによってダイナミックレンジの拡
大を図っている。第３図（ｂ）に於いてグラフ（６ａ）
は高感度の画素の出力を表わし、グラフ（６ｂ）は低感
度の画素の出力を表わしている。

この場合、領域■は高感度画素も低感度画素も暗時出力
の領域であり使用不能な領域である。領域１１−ａは低
感度画素については暗時出力の領域であるが、高感度画
素は入射光の強弱に対応した出力の得られる使用可能領
域となっている。領域■ｂは低感度画素、高感度画素の
どちらも入射光の強弱に対応した出力の得られる使用可
能領域となっている。

ここで、低感度画素と高感度画素の双方で使用できるよ
うに２つの画素の使用可能領域をオーバーラツプさせて
いるのはプロセス上のバラツキによって飽和出力のレベ
ルが変動しても使用可能領域を確保するためである。領
域１１−ｃは高感度画素については飽和出力の領域であ
るが、低感度画素は入射光の強弱に対応した出力の得ら
れる使用可能領域となっている。領域■は高感度画素も
低感度画素も飽和出力の領域であり使用不能な領域であ
る。第３図（ａ）と（ｂ）を比較して明らかなように高
感度画素と低感度画素を並用することによって分光セン
サとして使用できる領域の拡大が可能となり精度の高い
分光計測にも使用できる分光センサが得られる。

次に高感度画素と低感度画素を並用する構成について述
べる。第４図に第１の実施例を示す。分光フィルタ（１
）は第１図と同じくＸ方向に連続的に分光透過主波長が
変化するようになされ、かつＸ方向は一様であるように
なされている。この分光フィルタ（１）に対し、高感度
画素を有するＣＣＤ固体撮像素子（７）と、低感度画素
を有するＣＣＤ固体撮像素子（８）が配設されている。

ここで、（９）　、　（１３）はそれぞれオーバーフロ
ードレインであり、フォトダイオード（１０）　、　（
１４）で発生して蓄積しきれなくなった過剰電荷を排出
する機能をもつ。

（１１）、　（１５）はそれぞれ移送ゲートであり、フ
ォトダイオード（１０）　、　（１４）で発生し蓄積さ
れた電荷を転送レジスタ（１２）　、　（１６）へ移送
する機能を持つ。

転送レジスタ（１２）　、　（１６）は移送された各フ
ォトダイオードの出力電荷を転送し順次出力する。同図
から明らかなように分光フィルタ（１）の成る場所Ｘ０
を通過した分光透過主波長λ。の光はフォトダイオード
（１０）とフォトダイオード（１４）の両方に入射する
。本実施例ではフォトダイオード（１０）の面積をフォ
トダイオード（１４）の面積より大きくすることにより
ＣＣＤ固体撮像素子（７）の画素を高感度にしＣＣＤ固
体撮像素子（８）の画素を低感度にしている。

（１９）は線路（１７）を通して与えられるＣＣＤ固体
撮像素子（７）の出力と、線路（１８）を通して与えら
れるＣＣＤ固体撮像素子（８）の出力を後述する方法で
選択して出力する出力選択回路であって、例えばマイク
ロコンピュータの如き演算機能を有する要素を備えてい
るものとする。（２０）は分光センサ（２１）としての
出力端子である。第５図は各ＣＣＤ固体撮像素子（７）
　（８）の出力を示した図であって、（ａ）に高感度画
素をもつＣＣＤ固体撮像素子（７）の出力、（ｂ）に低
感度画素をもつＣＣＤ固体撮像素子（８）の出力を示し
である。ここで、Ｖ、Ｈは高感度ＣＣＤ固体撮像素子（
７）のｉ番画素出力を表わしている。同様にＶ　ｉ　Ｌ
は低感度ＣＣＤ固体撮像素子（８）のｉ番画素出力を表
わしている。

今、各ＣＣＤ固体撮像素子（７）　（８）のｉ番画素に
第３図に示した領域ｕ−ｂの光が入射しくｉ　＋　１）
番画素に第３図に示した領域Ｉｆ−ｃの光が入射しくｉ
＋２）番画素に第３図に示した領域１−ａの光が入射し
たものとして出力選択回路（１９）によるデータの選択
の方法について第６図のフローチャートを参照して説明
する。まず、ステップ（Ｉ１）で画素番号としてｉ＝１
を設定する。次にステップ（１１１）で低感度画素の出
力ＶｉＬを読み込み、ステップ（１１１２）で高感度画
素の出力■、Ｈを読込む。次にステップ（１２）で高感
度画素の出力ＶｉＨと飽和出力値Ｖ、□の比較を行なう
。

この飽和出力値Ｖ　ｓｉｔは前もって測定してストック
しておくものとする。

第５図の出力の場合Ｖ、、＜Ｖ、□であるからステップ
（１１４）へ進む。ステップ（Ｉ４）では高感度画素出
力Ｖ　ｉ　Ｈをその高感度画素の感度Ｒｉｂで割ってデ
ータの規格化を行っている。この時Ｖ　ｉ　Ｌは暗時出
力Ｖ　ａｉｒ；以上の出力となっているが■ｉ＞ｖ！Ｌ
であるのでノイズ等の影響を受は難い■、の方を選択し
ている。次に、ステップ（Ｉ５）へ進み全画素について
上記選択が完了したか否かをチエツクする。

ここでＮＯの場合、ステップ（Ｉ６）で画素番号を１つ
インクリメントしステップ（Ｉ２）へ戻る。ステップ（
Ｉ２）で続いてＶｆｉや＋１１１とＶｔ□の比較を行な
う。

第５図の出力の場合Ｖ（ｉ。Ｉ）　Ｍ”　Ｖ　ｓａｔで
あるからステップ（Ｉ３）へ進む。このステップ（＋１
３）では低感度画素出力Ｖｌｉ。Ｉ、Ｌをその低感度画
素の感度Ｒ（ｉ、１．Ｌで割り、データの規格化を行っ
ている。以上の処理を繰り返すことによりＣＣＤ固体撮
像素子（７）　（８）の全画素についてデータが得られ
る。各データは第３図の領域ＩＩ−ａ、　　Ｉ［−ｂ、
　　ＩＩ−ｃに対応するため極めてダイナミックレンジ
の広いデータが得られ高精度計測用の分光センサとして
有効となる。

次に第７図及び第８図を用いて第２の実施例について説
明する。この実施例は転送レジスタを高感度のＣＣＤ固
体撮像素子と低感度のＣＣＤ固体撮像素子とで共用する
ように構成されている。第７図において、（２２）　（
２８）はオーバーフロードレイン、　（２３）は高感度
ＣＣＤ固体撮像素子（３１）を構成するフォトダイオー
ド、　（２７）は低感度ＣＣＤ固体撮像素子（３２）を
構成するフォトダイオード、　（２４）（２６）はそれ
ぞれの移送ゲート、　（２５）は共通の転送レジスタで
ある。この第７図の実施例のＣＯＤ固体撮像素子部分の
詳細図を第８図に示す。

第８図において、転送レジスタ（２５）のピッチはフォ
トダイオード（２３）　（２７）のピッチの％であり段
数は高感度フォトダイオードの数と低感度フォトダイオ
ードの数の和になっている。（Ａ１）〜（Ａ、）は高感
度フォトダイオードを示し、（Ｂ１）〜（Ｂ、）は低感
度フォトダイオードを示している。（３３）は遮光用の
アルミニウム膜であり、転送レジスタ（２５）。

移送ゲート（２４）　（２６）及び各フォトダイオード
の一部を覆っている。移送ゲート（２４）　（２６）に
バイアスを印加するとフォトダイオード（Ａ１）で発生
蓄積された電荷は転送レジスタ（２５）の１つの段（Ｃ
１）に移送される。またフォトダイオード（Ｂ、）で発
生し、蓄積された電荷は転送レジスタ（２５）の他の１
つ（Ｃ３°）に移送される。フォトダイオード（Ａ２）
〜（八、）及び（Ｂ２）〜（Ｂ、）についても同様であ
る。以上のようにして各フォトダイオードの電荷は全て
転送レジスタ（２５）へ移送される。その後、転送レジ
スタ（２５）は各段の電荷を転送し順次出力する。更に
、その後は第１の実施例と同様の方法により出力選択回
路（２９）で各フォトダイオードの出力データの選択及
び規格化を行ない出力端子（３０）へ選択された出力の
みを導出する。第２の実施例によればＣＣＤ転送レジス
タが１本だけで済むためチップサイズの縮小歩留りの向
上、外付は回路の削減が可能となりコストダウンにもつ
ながる。

上述した各実施例で転送レジスタは２相又は４相で駆動
されるが、それ以外の何相駆動でも構わない。また本実
施例ではフォトダイオードから直接電荷を読み出してい
るが、フォトダイオードと移送ゲートの間にＭＯ３容量
で形成した電荷蓄積部を設けたり、或いはその他の構成
要件を付加してもよい。

また本実施例では分光計測用としているがその他の光計
測用にも用いることが可能である。

また本実施例では分光素子として分光フィルタを取り上
げているが当然グレーティングでも良く別の分光素子で
もかまわない。

光皿勿肱果以上の通り本発明によれば、感度の異なる複数の固体撮
像素子を用いると共に、それらの出力を選択することに
よってダイナミックレンジを拡大しているので、従来の
ように電荷の蓄積時間を制御するものに比べて制御方法
が簡単で、瞬間的に変化する光にも対応できるという効
果がある。また、良好なりニアリティも期待できる。

その際に、前記出力選択手段を、飽和していない限り感
度の高い固体撮像素子の出力を取り出すように構成する
と、ノイズの影響を受けない出力を得ることができる。

また、感度の高い固体撮像素子のダイナミックレンジの
範囲と感度の低い固体撮像素子のダイナミックレンジの
範囲を少なくとも一部でオーバーラツプきせると１．製
造上のバラツキによって飽和出力のレベルが変動しても
使用可能領域を確実に確保することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用する分光センサの概念図であり、
第２図はその原理説明図である。第３図は本発明による
ダイナミックレンジの拡大方法を従来例と対比して説明
するための図である。第４図は本発明を実施した分光計
測装置の構成図であり、第５図はその各固体撮像素子の
出力例を示す図、第６図は出力選択回路の動作フローを
示すフローチャートである。第７図は本発明の他の実施
例の構成図であり、第８図はその固体撮像素子部の構成
図である。（１）　−ｍ−分光フィルタ。（７）　（８）　（３１）　（３２）−、ＣＣＤ固体撮
像素子。（１０）　（２３）−−一高感度ホトダイオード（１６
）　（２７）−一低感度ホトダイオード。（１１）　（１５）　（２４）　（２６）・移送ゲート
。（１２）　（２５）−−一転送レジスタ。（１９（２９）−・出力選択手段。第１図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）入射光の各波長の光を空間的に分散させる分光手
段と、分散した各波長の光をそれぞれの受光部が同じよ
うに受光するべく配置された感度の異なる複数の固体撮
像素子と、各波長の光に応じた前記複数の固体撮像素子
の出力を選択的に取り出す出力選択手段と、から成るこ
とを特徴とする分光計測装置。
（２）前記出力選択手段は、飽和していない限り感度の
高い固体撮像素子の出力を取り出すことを特徴とする第
１請求項に記載の分光計測装置。
（３）感度の高い固体撮像素子のダイナミックレンジの
範囲と感度の低い固体撮像素子のダイナミックレンジの
範囲は少なくとも一部でオーバーラップすることを特徴
とする第１請求項に記載の分光計測装置。