WO2023228453A1 - 分光装置、ラマン分光測定装置、及び分光方法 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a spectroscopic device, a Raman spectrometer, and a spectroscopic method.
- a conventional spectroscopic device for example, there is a spectroscopic device described in Patent Document 1.
- This conventional spectroscopic device is a so-called Raman spectroscopic device.
- the spectrometer includes means for irradiating excitation light in a line, a movable stage on which the sample is placed, an objective lens for condensing Raman light from the excitation light irradiation area, and a Raman light imaging position.
- a spectrometer that disperses light passing through the slit, a CCD detector that detects a Raman spectrum image, and a control device that controls mapping measurement by synchronizing the movable stage and the CCD detector.
- vertical binning of CCD image sensors is used to acquire spectroscopic data in order to improve the signal-to-noise ratio of signals.
- Vertical binning in a CCD image sensor involves adding charges generated in each pixel for multiple stages. In a CCD image sensor, read noise occurs only in the final stage amplifier and does not increase during the vertical binning process. Therefore, as the number of vertical binning stages increases, the signal-to-noise ratio can be improved.
- CMOS image sensors are also known as image sensors.
- CMOS image sensors have not become widespread in the field of spectroscopic measurements.
- an amplifier is placed in each pixel, and charge is converted into voltage for each pixel.
- the problem is that as the number of vertical binning stages increases, readout noise also accumulates, resulting in a lower signal-to-noise ratio than when using a CCD image sensor. was there.
- the present disclosure has been made to solve the above problems, and aims to provide a spectroscopic device, a Raman spectrometer, and a spectroscopic method that can acquire spectroscopic data with an excellent signal-to-noise ratio.
- the gist of the spectroscopic device, Raman spectroscopic measuring device, and spectroscopic method according to one aspect of the present disclosure is as follows [1] to [14].
- a spectroscopic device that receives light wavelength-resolved in a predetermined direction by a spectroscopic optical system including a spectroscopic element and obtains spectroscopic spectral data of the light, which receives the wavelength-resolved light and generates electricity.
- a CMOS image sensor having a pixel section having a plurality of pixels that convert into signals, the plurality of pixels being arranged in a row direction along a wavelength decomposition direction and a column direction perpendicular to the row direction; a specifying unit that specifies a pixel on which a spectral image of the light is formed as a specific pixel; a generating unit that integrates pixel values of the specific pixels belonging to the same column and generates spectral data based on the integration result;
- a pixel on which a spectral image of wavelength-resolved light is formed is specified as a specific pixel, and pixel values of specific pixels belonging to the same column are integrated to generate spectral data.
- pixel values of specific pixels belonging to the same column are integrated to generate spectral data.
- the specifying unit specifies an integration ratio of the specific pixel based on the aberration information of the light, and the generating unit integrates the pixel value of the specific pixel using the integration ratio [1]
- the spectroscopic device according to any one of [3]. According to such a configuration, even if a spectral image of wavelength-resolved light is distorted due to aberration, it is possible to obtain spectroscopic spectral data with a good signal-to-noise ratio.
- the pixel section includes a first pixel region and a second pixel region divided in the column direction, a first readout section that reads out each pixel belonging to the first pixel region, and the second pixel region.
- the spectroscopic device according to any one of [1] to [5], further comprising a second readout unit that reads out each pixel belonging to the pixel region.
- the first pixel area and the second image area can be used properly depending on the aspect of the spectral image. Therefore, spectral data of various lights can be acquired with a good signal-to-noise ratio.
- the spectroscopic device according to any one of [1] to [10], further comprising an analysis section that analyzes the spectroscopic spectral data.
- the spectrometer is equipped with a spectroscopic data analysis function, which improves convenience.
- the spectroscopic device according to any one of [1] to [11], further comprising the spectroscopic optical system including the spectroscopic element.
- the spectrometer is equipped with a light wavelength decomposition function, which improves convenience.
- a spectroscopic device according to any one of [1] to [12], a light source unit that generates light to be irradiated onto a sample, and a Raman scattered light generated by irradiating the sample with the light to the spectroscopic device.
- a Raman spectrometer comprising: a light guide optical system that guides light;
- a pixel on which a spectral image of wavelength-resolved Raman scattered light is formed is specified as a specific pixel, and pixel values of specific pixels belonging to the same column are integrated to generate spectral spectral data.
- pixel values of specific pixels belonging to the same column are integrated to generate spectral spectral data.
- a light receiving step in which a plurality of pixels arranged in a column direction receive the wavelength-resolved light and convert it into an electrical signal; and a pixel on which a spectral image of the light is formed among the plurality of pixels is designated as a specific pixel.
- a spectroscopy method comprising: a specifying step; and a generating step of integrating pixel values of the specific pixels belonging to the same column and generating spectroscopic spectral data based on the integration result.
- a pixel on which a spectral image of wavelength-resolved light is formed is specified as a specific pixel, and pixel values of specific pixels belonging to the same column are integrated to generate spectral data.
- pixel values of specific pixels belonging to the same column are integrated to generate spectral data.
- spectroscopic spectral data can be acquired with an excellent signal-to-noise ratio.
- FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a Raman spectrometer according to an embodiment of the present disclosure.
- FIG. 2 is a diagram showing an example of the structure of an image sensor.
- FIG. 3 is a schematic diagram showing the relationship between the exposure time of each pixel belonging to the first imaging region and the exposure time of each pixel belonging to the second imaging region.
- FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a specific pixel map.
- FIG. 3 is a schematic diagram showing details of a specific pixel map.
- FIG. 3 is a schematic diagram showing details of a read noise map.
- 1 is a flowchart illustrating a spectroscopy method according to an embodiment of the present disclosure.
- FIG. 7 is a schematic diagram showing a modified example of a pixel section.
- FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a Raman spectrometer according to an embodiment of the present disclosure.
- the Raman spectrometer 1 is an apparatus that measures the physical properties of a sample S using Raman scattered light Lr.
- the sample S is irradiated with light L1 from the light source section 2, and the spectrometer 5 detects the Raman scattered light Lr generated by the interaction between the light L1 and the sample S.
- various physical properties of the sample S such as the molecular structure, crystallinity, orientation, and amount of strain can be evaluated. Examples of the sample S include semiconductor materials, polymers, cells, and pharmaceuticals.
- the Raman spectrometer 1 includes a light source section 2, a light guiding optical system 3, a spectroscopic optical system 4, a spectroscopic device 5, a computer 6, and a display section 7.
- the light that enters the spectroscopic device 5 via the spectroscopic optical system 4 may be referred to as light L1 to distinguish it from the Raman scattered light Lr.
- the light L1 refers to the Raman scattered light Lr.
- the light source section 2 is a section that generates the light L0 that is irradiated onto the sample S.
- a light source constituting the light source section 2 for example, a laser light source, a light emitting diode, or the like, which serves as an excitation light source for Raman spectroscopy, can be used.
- the light guide optical system 3 is a part that guides the Raman scattered light Lr generated by irradiating the sample S with the light L0 to the spectrometer 5.
- the light guide optical system 3 includes, for example, a collimating lens, one or more mirrors, a slit, and the like.
- the spectroscopic optical system 4 is a part that wavelength-decomposes the light L1 in a predetermined direction.
- the spectroscopic optical system 4 includes a spectroscopic element that spectrally separates the light L1 in a predetermined wavelength decomposition direction.
- a spectroscopic element for example, a prism, a diffraction grating, a concave diffraction grating, a crystal spectroscopic element, etc. can be used.
- the Raman scattered light Lr is spectrally separated by the spectroscopic optical system 4 and input to the spectroscopic device 5 .
- the spectroscopic optical system 4 is configured separately from the spectroscopic device 5, but the spectroscopic optical system 4 may be incorporated as a component of the spectroscopic device 5. That is, the spectroscopic device 5 may further include a spectroscopic optical system 4 including a spectroscopic element that spectrally separates the light L1 in the wavelength resolution direction. In this case, convenience can be improved by providing the spectroscopic device 5 with a wavelength decomposition function for the light L1.
- the spectrometer 5 is a part that receives the light L1 wavelength-resolved in a predetermined direction and outputs spectroscopic spectrum data of the light L1.
- the spectroscopic device 5 receives the Raman scattered light Lr that has been separated in a predetermined wavelength resolution direction by the spectroscopic optical system 4, and outputs the spectroscopic spectrum data of the Raman scattered light Lr to the computer 6.
- the computer 6 physically includes a storage device such as a RAM and a ROM, a processor (arithmetic circuit) such as a CPU, a communication interface, and the like.
- a personal computer for example, a personal computer, a cloud server, or a smart device (smartphone, tablet terminal, etc.) can be used.
- the computer 6 is connected to the light source section 2 of the Raman spectrometer 1 and the spectrometer 5 so as to be able to communicate information with each other, and can control these components in an integrated manner.
- the computer 6 also functions as an analysis section 8 that analyzes the physical properties of the sample S based on the spectroscopic spectrum data received from the spectroscopic device 5 (generation section 15).
- the computer 6 outputs information indicating the analysis result of the analysis section 8 to the display section 7.
- the spectroscopic device 5 includes a pixel section 11, a conversion section 12, a reading section 13, a specifying section 14, and a generating section 15.
- the pixel section 11, the conversion section 12, and the reading section 13 are configured by the image sensor 10.
- Examples of the image sensor 10 include a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor.
- the spectroscopic device 5 is configured as a camera including an image sensor 10, a specifying section 14, and a generating section 15.
- the spectroscopic device 5 is separate from the computer 6, but the spectroscopic device 5 includes a camera including an image sensor 10, a specifying section 14, and a generating section 15, and electrically or wirelessly communicates with the camera.
- the computer 6 (analysis section 8) may be integrally connected to the computer 6 (analysis section 8) so as to be able to communicate information with each other.
- the spectroscopic device 5 is equipped with a spectroscopic data analysis function, which improves convenience.
- FIG. 2 is a diagram showing the structure of the image sensor.
- a plurality of pixels 21 are arranged in a row direction and a column direction perpendicular to the row direction.
- the row direction is along the wavelength resolution direction of the light L1 or the Raman scattered light Lr by the spectroscopic optical system 4
- the column direction is along the vertical binning direction, which will be described later.
- the pixels 21 are illustrated in 6 rows by 7 columns, but in the actual pixel section 11, the pixels 21 are arranged in n rows by m columns.
- Each pixel 21 is a part that captures a spectral image of the light L1 or the Raman scattered light Lr that is imaged by the spectroscopic optical system 4.
- Each pixel 21 has a photodiode 22 and an amplifier 23.
- the photodiode 22 accumulates electrons (photoelectrons) generated by inputting the light L1 as charges.
- the amplifier 23 converts the charge accumulated in the photodiode 22 into an electrical signal (for example, a signal indicating a voltage value) and amplifies it.
- the electrical signal amplified by the amplifier 23 is transferred to the vertical signal line 25 that connects the pixels 21 in the row direction by switching the selection switch 24 of each pixel 21.
- a CDS (correlated double sampling) circuit 26 is arranged in each of the vertical signal lines 25 .
- the CDS circuit 26 reduces read noise between each pixel 21 and temporarily stores the electrical signal transferred to the vertical signal line 25.
- the conversion unit 12 is a part that converts the voltage value output from each amplifier 23 of the plurality of pixels 21 into a digital value.
- the conversion section 12 is configured by an A/D converter 27.
- the A/D converter 27 converts the voltage value stored in the CDS circuit 26 into a digital value.
- the converted digital value (pixel value) is output to the generation unit 15 via the reading unit 13.
- the reading unit 13 When the reading unit 13 outputs the pixel value to the generating unit 15, it outputs instruction information that instructs the specifying unit 14 to start processing.
- the pixel section 11 includes a first pixel area 21A and a second pixel area 21B divided in the column direction, and each pixel 21 belonging to the first pixel area 21A. It has a first readout section 13A that reads out, and a second readout section 13B that reads out each pixel 21 belonging to the second pixel area 21B.
- the first pixel area 21A and the second pixel area 21B are divided at the center in the column direction. That is, the pixels 21 on one side of the center in the column direction belong to the first pixel area 21A, and the pixels 21 on the other side of the center in the column direction belong to the second pixel area 21B.
- the first reading section 13A and the second reading section 13B are arranged independently of each other.
- the first reading section 13A is connected to the A/D converter 27 corresponding to the vertical signal line 25 of each pixel 21 belonging to the first pixel region 21A.
- the first readout unit 13A outputs the pixel value of each pixel 21 belonging to the first pixel area 21A to the generation unit 15.
- the second reading section 13B is connected to the A/D converter 27 corresponding to the vertical signal line 25 of each pixel 21 belonging to the second pixel region 21B.
- the second readout unit 13B outputs the pixel value of each pixel 21 belonging to the second pixel area 21B to the generation unit 15.
- the first exposure time T1 of each pixel 21 belonging to the first pixel region 21A and the second exposure time T2 of each pixel 21 belonging to the second pixel region 21B are different from each other. More specifically, as shown in FIG. 3, the first exposure time T1 of each pixel 21 belonging to the first pixel region 21A is the second exposure time T1 of each pixel 21 belonging to the second pixel region 21B. It is shorter than T2. For this reason, a plurality of frames of image data are acquired in the first pixel area 21A during a period in which one frame of image data is acquired in the second pixel area 21B.
- the generation unit 15 integrates pixel values corresponding to image data of a plurality of frames in the first pixel area 21A, and generates image data based on the integrated pixel values.
- the second exposure time T2 is an integral multiple of the first exposure time T1.
- the specifying unit 14 and the generating unit 15 are physically configured by a computer system including a storage device such as a RAM or ROM, a processor (arithmetic circuit) such as a CPU, a communication interface, and the like.
- the specifying unit 14 and the generating unit 15 may be configured by a PLC (programmable logic controller) or an FPGA (field-programmable gate array).
- the identifying unit 14 is a part that identifies the pixel 21 on which the spectral image of the light L1 is formed among the plurality of pixels 21 as the specific pixel 21K. Upon receiving the instruction information from the reading unit 13, the specifying unit 14 generates specific information indicating the specific pixel 21K and outputs it to the generating unit 15.
- the specifying unit 14 may hold a specific pixel map M1 for the pixel unit 11 as specific information.
- the specific pixel map M1 can be obtained in advance from, for example, simulation data or actual measurement data when the spectroscopic optical system 4 guides the light L1 or the Raman scattered light Lr.
- FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a specific pixel map.
- five wavelength-resolved spectral images 31 (31A to 31E from the short wavelength side) are formed on a horizontally long pixel section 11 in which the number of pixels in the row direction is greater than the number of pixels in the column direction. are doing.
- the spectral images 31A to 31E all extend linearly in the column direction of the pixels 21, and are imaged on the pixel portion 11 while being spaced apart from each other in the row direction.
- a pixel 21 in which the imaging area of the spectral image 31 is 50% or more of the area of the light receiving surface is specified as a specific pixel 21K.
- pixels 21 in arbitrary three rows and three columns in the specific pixel map M1 are illustrated, and the ratio of the imaging area of the spectral image 31 to the area of the light receiving surface 21a of each pixel 21 is shown.
- the results of the spectral image 31 at three pixels 21 located at the center are coordinates (x n , y m+1 ), coordinates (x n , y m ), and coordinates (x n , y m ⁇ 1 ).
- the image area is 100% of the area of the light receiving surface 21a in both cases.
- the results of the spectral image 31 at the three pixels 21 located on the left side are coordinates (x n-1 , y m+1 ), coordinates (x n-1 , y m ), and coordinates (x n-1 , y m-1 ).
- the image areas are 15%, 40%, and 65%, respectively.
- the imaging area of the spectral image 31 at the three pixels 21 located on the right side with coordinates (x n+1 , y m+1 ), coordinates (x n+1 , y m ), and coordinates (x n+1 , y m ⁇ 1 ) is 15 %, 40%, and 65%.
- the five pixels 21 at the coordinates (x n+1 , y m-1 ) are candidates for the specific pixel 21K.
- the specifying unit 14 excludes the pixel 21Fa whose read noise exceeds the threshold value from the specific pixels 21K.
- the identifying unit 14 may have a read noise map M2 for the pixel unit 11.
- the readout noise map M2 is created, for example, by measuring the readout noise of each pixel 21 of the pixel section 11 before incorporating the image sensor 10 into the spectroscopic device 5.
- the read noise map M2 is superimposed and integrated with the specific pixel map M1 (see FIG. 4).
- the read noise threshold is set in a range of 0.1 [e - rms] or more and 1.0 [e - rms] or less.
- the specifying unit 14 excludes pixels 21Fa whose read noise exceeds 0.1 [e ⁇ rms] from candidates for the specific pixel 21K based on the read noise map M2.
- the read noise threshold is set to 1.0 [e ⁇ rms].
- the read noise threshold may be set to 0.5 [e - rms] or may be set to 0.3 [e - rms].
- the read noise threshold may be set in a range of 0.1 [e - rms] or more and 0.3 [e - rms] or less. In this case, the read noise threshold may be set to 0.2 [e ⁇ rms].
- the pixels 21 arranged in 3 rows and 3 columns shown in FIG. 5 are illustrated, and the read noise value of each pixel 21 is illustrated.
- the read noise of the pixel 21 at the coordinates (x n-1 , y m ) and the read noise of the pixel 21 at the coordinates (x n+1 , y m-1 ) are each 1.4 [e - rms] , 1.1 [e - rms].
- the read noise threshold is set to 1.0 [e ⁇ rms]
- these two pixels 21 become pixels 21Fa whose read noise value exceeds the threshold.
- Pixel 21 at coordinates (x n+1 , y m-1 ) is a candidate for specific pixel 21K in the example of FIG. 5, but since it is pixel 21Fa whose read noise exceeds the threshold, it is a candidate for specific pixel 21K. excluded from. Therefore, in the range of the pixel 21 shown in FIGS. 5 and 6, coordinates (x n , y m+1 ), coordinates (x n , y m ), coordinates (x n , y m-1 ), coordinates (x n-1 , y m-1 ) are finally specified as specific pixels 21K.
- the specifying unit 14 may previously hold area information indicating an area where no light L1 or Raman scattered light Lr is input in the pixel unit 11, and may exclude the pixel 21 corresponding to the area information from the candidates for the specific pixel 21K.
- the area information is generated in advance based on the specifications or arrangement of the spectroscopic elements in the spectroscopic optical system 4, for example.
- the area information may be superimposed on the specific pixel map M1. In the example of FIG. 4, the pixels 21 located at both ends of each column belong to area R where no light L1 is input. Pixel 21Fb belonging to area R is excluded from the candidates for specific pixel 21K.
- the generation unit 15 is a part that integrates the pixel values of the specific pixels 21K belonging to the same column and generates spectral data based on the integration result. Integrating the pixel values of a plurality of specific pixels 21K belonging to the same column is a process equivalent to so-called vertical binning.
- the spectral data may be a two-dimensional image representing the pixel value of each specific pixel 21K, or may be a histogram plotting the pixel values.
- the generation unit 15 outputs the generated spectral data to the computer 6 (analysis unit 8).
- the pixel section 11 is divided into the first pixel region 21A and the second pixel region 21B. Further, the first exposure time T1 of each pixel 21 belonging to the first pixel region 21A is shorter than the second exposure time T2 of each pixel 21 belonging to the second pixel region 21B (Figs. (See 3).
- the generation unit 15 generates first spectral data obtained by integrating the pixel values of specific pixels 21K belonging to the same column in the first pixel region 21A, and the first spectral data obtained by integrating the pixel values of the specific pixels 21K belonging to the same column in the second pixel region 21B. second spectral data obtained by integrating pixel values.
- the first spectral data is acquired in the first pixel region 21A with a relatively short first exposure time T1, and is, for example, below the saturation level in all wavelength bands.
- the second spectral data is acquired in the second pixel region 21B with a relatively long second exposure time T2, and is equal to or higher than the saturation level in a certain wavelength band.
- the generation unit 15 divides the wavelength band of the entire spectrum into a saturated wavelength band and a non-saturated wavelength band of the second spectroscopic spectrum data.
- the saturated wavelength band the second spectral data is above the saturation level and the first spectral data is below the saturation level.
- the second spectroscopic spectrum data is below the saturation level and has a better S/N ratio than the first spectroscopic spectrum data.
- the generation unit 15 combines the first spectral data in the saturated wavelength band and the second spectral data in the non-saturated wavelength band to generate spectral data to be output to the computer 6 .
- FIG. 7 is a flowchart illustrating a spectroscopy method according to an embodiment of the present disclosure.
- This spectroscopy method is a method of receiving light wavelength-resolved in a predetermined direction and acquiring spectroscopic spectral data of the light.
- the spectroscopic method according to this embodiment is implemented using the spectroscopic device 5 described above.
- this spectroscopy method includes a light receiving step (step S01), a specifying step (step S02), a generating step (step S03), and an analysis step (step S4).
- a plurality of pixels 21 arranged in a row direction along the wavelength decomposition direction and a column direction perpendicular to the row direction collect wavelength-resolved light L1 or Raman scattering. It receives the light Lr and converts it into an electrical signal.
- the first pixel region 21A and the second pixel region 21B receive the light L1 or the Raman scattered light Lr in different exposure periods. Then, the pixel value of each pixel 21 belonging to the first pixel area 21A and the pixel value of each pixel 21 belonging to the second pixel area 21B are outputted to the generation unit 15, respectively.
- the pixel 21 on which the spectral image 31 of the light L1 or the Raman scattered light Lr is formed is specified as the specific pixel 21K among the plurality of pixels 21.
- the specifying unit 14 has a specific pixel map M1 in advance, and specifies a pixel 21 whose imaging area of the spectral image 31 is 50% or more of the area of the light receiving surface 21a as a specific pixel 21K.
- pixels 21Fa whose read noise exceeds a threshold value of 1.0 [e ⁇ rms] are excluded from the specific pixels 21K.
- the pixel values of the specific pixels 21K belonging to the same column are integrated, and spectral data is generated based on the integration result.
- the generation unit 15 the first spectral data obtained by integrating the pixel values of the specific pixels 21K belonging to the same column in the first pixel region 21A and the second spectral data obtained by integrating the pixel values of the specific pixel 21K to which it belongs. Then, the first spectral data in the saturated wavelength band and the second spectral data in the non-saturated wavelength band are combined to generate spectroscopic spectral data to be output to the computer 6.
- the sample S is analyzed based on the spectral data generated in the generation step S03. For example, the waveform, peak position, half-value width, etc. of the spectroscopic spectrum are analyzed, and various physical properties of the sample S, such as the molecular structure, crystallinity, orientation, and amount of strain, are evaluated.
- the pixel 21 on which the spectral image 31 of the wavelength-resolved light L1 is formed is specified as the specific pixel 21K, and the pixel values of the specific pixels 21K belonging to the same column are integrated.
- Generate spectroscopic spectral data By excluding other pixels 21 on which the spectral image 31 is not formed from the pixel value integration, the influence of read noise when pixel values are integrated can be sufficiently reduced. Therefore, the spectroscopic device 5 can acquire spectroscopic spectrum data with an excellent signal-to-noise ratio.
- the pixel 21Fa whose readout noise exceeds the threshold value is excluded from the specific pixels 21K.
- the read noise threshold is set in a range of 0.1 [e - rms] or more and 1.0 [e - rms] or less.
- the pixel 21 in which the imaging area of the spectral image 31 is 50% or more of the area of the light-receiving surface 21a is specified as a specific pixel 21K.
- the pixel section 11 includes a first pixel region 21A and a second pixel region 21B divided in the column direction, and a first readout section 13A that reads out each pixel 21 belonging to the first pixel region 21A. and a second readout unit 13B that reads out each pixel 21 belonging to the second pixel area 21B.
- the first pixel area 21A and the second pixel area 21B can be used properly depending on the aspect of the spectral image. Therefore, spectral data of various lights can be acquired with a good signal-to-noise ratio.
- the first exposure time T1 of each pixel 21 belonging to the first pixel region 21A is shorter than the second exposure time T2 of each pixel 21 belonging to the second pixel region 21B.
- the spectral images 31 of the light L1 whose intensity differs depending on the wavelength can be acquired with different exposure times in the first pixel region 21A and the second pixel region 21B.
- the saturation wavelength band of the spectroscopic spectrum data acquired with a relatively short first exposure time T1 in the first pixel region 21A and the relatively long second exposure time T1 in the second pixel region 21B are explained.
- the spectroscopic spectrum data acquired at T2 is combined with the unsaturated wavelength band to generate final spectroscopic spectrum data. This makes it possible to acquire spectroscopic data with a good signal-to-noise ratio over a high dynamic range.
- the second exposure time T2 is longer than the first exposure time T1, and during the period in which one frame of image data is acquired in the second pixel region 21B, the second exposure time T2 is longer than the first exposure time T1. , multiple frames of image data are acquired. As a result, even if different exposure times are set for the first pixel area 21A and the second pixel area 21B, each column can be specified between the first pixel area 21A and the second pixel area 21B.
- the read noise of the pixels 21K can be made uniform. Therefore, the signal-to-noise ratio of spectroscopic data can be stably improved.
- the pixel 21 on which the spectral image 31 of the wavelength-resolved Raman scattered light Lr is formed is specified as a specific pixel 21K, and a specific pixel belonging to the same column is identified.
- Spectral spectrum data is generated by integrating the pixel values of the pixels 21K.
- the spectroscopic optical system 4 includes a spectroscopic element that spectrally separates the light L1 or the Raman scattered light Lr in the wavelength resolution direction.
- the spectral image actually formed on the pixel section 11 via the spectroscopic optical system 4 is not linear due to the influence of aberrations of the optical system, as typified by Czerny-Turner type spectroscopy. Ru.
- the spectral image 31C located at the center of the pixel section 11 is linear in the column direction (vertical binning direction), but the spectral images 31A, 31B and the spectral image 31D and 31E both have so-called pincushion distortion in which the image is curved toward the center of the pixel portion 11.
- the amount of distortion in the spectral image 31 increases as the spectral image is farther from the center of the pixel section 11.
- the amount of distortion of the spectral images 31A and 31E is larger than the amount of distortion of the spectral images 31B and 31D.
- the spectral data 32A-32E based on the spectral images 31A-31E are Among these, in the spectral data 32A, 32B, 32D, and 32E based on the spectral images 31A, 31B, 31D, and 31E, excluding the spectral image 31C, there is a possibility that the wavelength resolution in the row direction may decrease depending on the degree of distortion. be. Further, a problem may arise in that the signal-to-noise ratio decreases due to a decrease in the peak values of the spectroscopic spectrum data 32A, 32B, 32D, and 32E.
- the specifying unit 14 specifies the integration ratio of the specific pixel 21K used for integrating the number of pixels based on the aberration information of the light L1 or the Raman scattered light Lr in the spectroscopic optical system 4, and the generating unit 15
- the pixel value of the specific pixel 21K may be integrated using the integration ratio.
- the specifying unit 14 may have an integration ratio map M3 for the pixel unit 11, as shown in FIG. In the example of FIG. 9, the integration ratio map M3 is superimposed and integrated with the specific pixel map M1.
- the aberration information used to generate the integration ratio map M3 can be obtained in advance from simulation data or actual measurement data when the spectroscopic optical system 4 guides the light L1 or the Raman scattered light Lr. When using actually measured data, aberration information can be acquired based on spectral data of a plurality of optical images on the premise that there is no local distortion.
- the specifying unit 14 may refer to the cumulative ratio map M3 and perform sub-pixel processing based on the cumulative ratio of a plurality of specific pixels 21K adjacent in the row direction during vertical binning of pixel values.
- FIG. 9 shows an extracted integrated ratio of a part of the specific pixel 21K corresponding to the spectral image 31B and the spectral image 31E from the integrated ratio map M of the entire pixel section 11.
- the distortion of the spectral image 31E is greater than the distortion of the spectral image 31B. Therefore, in the example of FIG. 9, in vertical binning of the pixel value of the specific pixel 21K corresponding to the spectral image 31B, sub-pixel processing is performed based on the integration ratio of two specific pixels 21K adjacent in the row direction. Further, in vertical binning of the pixel 21 corresponding to the spectral image 31E, sub-pixel processing is performed based on the integration ratio of three specific pixels 21K adjacent in the row direction.
- the pixel value of the specific pixel 21K whose coordinates are (x, y) is P(x, y).
- the x-coordinate standard of the specific pixel 21K corresponding to the spectral spectral image 31B is 300 and the y-coordinate is -512 to +512
- the vertical binning of the pixel value of the specific pixel 21K corresponding to the spectral spectral image 31B is as follows. It is represented by the following formula (1).
- the vertical binning of the pixel value of the specific pixel 21K corresponding to the spectroscopic spectral image 31E is as follows. It is represented by the following formula (2).
- coordinates (300, -500), coordinates (301, -500), coordinates (300, -501), coordinates (301, -501) are part of the specific pixel 21K corresponding to the spectral image 31B. 4 pixels are shown. For these four pixels, the integration ratio of P (300, -500) is 80%, the integration ratio of P (301, -500) is 20%, the integration ratio of P (300, -501) is 90%, The integration ratio of P(301, -501) is 10%. Therefore, in equation (1), ⁇ (300, ⁇ 500) is determined by the following equation (3), and ⁇ (300, ⁇ 501) is determined by the following equation (4).
- ⁇ (300,-500) (80 ⁇ P(300,-500)+20 ⁇ P(301,-500))/100...
- ⁇ (300,-501) (90 ⁇ P(300,-501)+10 ⁇ P(301,-501))/100...(4)
- ⁇ (700, 350) is obtained by the following equation (5)
- ⁇ (700, 349) is obtained by the following equation (6)
- ⁇ (700, 348) is obtained by the following equation (7).
- ⁇ (700,350) (15 ⁇ P(699,350)+70 ⁇ P(700,350)+15 ⁇ P(701,350)).
- ⁇ (700,349) (20 ⁇ P(699,349)+70 ⁇ P(700,349)+10 ⁇ P(701,349)).
- ⁇ (700,348) (25 ⁇ P(699,348)+70 ⁇ P(700,348)+5 ⁇ P(701,348))...(7)
- FIG. 10 is a schematic graph showing spectral data obtained by vertical binning using an integration ratio map.
- the spectral images 31A to 31E are distorted by integrating the number of pixels of the specific pixel 21K using the integration ratio based on the aberration information of the light L1 or the Raman scattered light Lr, Even if there is, it is possible to suppress a decrease in the wavelength resolution in the row direction in each of the spectral data 32A to 32E based on the spectral images 31A to 31E. Moreover, the drop in the peak value is also suppressed, and the SN ratio is also improved.
- the generation unit 15 excludes the pixel 21 specified by the read noise map M2 and the area information from the specific pixels 21K, and then performs vertical binning by sub-pixel processing using the integration ratio map M3.
- the first exposure time T1 of each pixel 21 belonging to the first pixel region 21A is shorter than the second exposure time T2 of each pixel 21 belonging to the second pixel region 21B;
- a common exposure time may be set for the first pixel region 21A and the second pixel region 21B.
- the first spectral data obtained by integrating the pixel values of the specific pixels 21K belonging to the same column in the first pixel area 21A has a good S/N ratio as a whole, as shown in FIG. 11(a).
- a wavelength band in which the intensity is greater than a predetermined value is a saturated wavelength band.
- the saturation charge amount of each pixel 21 belonging to the second pixel region 21B is relatively increased, the read noise of these pixels 21 also becomes relatively large.
- the entire spectrum is in a non-saturated wavelength band, as shown in FIG. 11(b).
- the SN ratio decreases.
- the generation unit 15 divides the wavelength band of the entire spectrum into a saturated wavelength band and a non-saturated wavelength band of the first spectrum data.
- the generation unit 15 combines the first spectral data in the non-saturated wavelength band and the second spectral data in the saturated wavelength band, and generates spectral data to be output to the computer 6 as shown in FIG. 11(c). generate.
- the first exposure time T1 of each pixel 21 belonging to the first pixel region 21A is equal to the second exposure time T2 of each pixel 21 belonging to the second pixel region 21B. It becomes possible to acquire spectroscopic data with a good signal-to-noise ratio over a high dynamic range.
- the light reception of the first pixel region 21A is It is conceivable that the size difference between the area and the light receiving area of the second pixel region 21B increases.
- a mask 41 is provided in the pixel section 11 to make the area of the light receiving area V1 of the first pixel area 21A equal to the area of the light receiving area V2 of the second pixel area 21B. Good too.
- the pixel section 11 does not necessarily need to be divided into the first pixel region 21A and the second pixel region 21B, and may be composed of one pixel region.
- the application of the spectrometer 5 is not limited to the Raman spectrometer 1, but may be applied to other spectrometers such as a fluorescence spectrometer, a plasma spectrometer, and an emission spectrometer.
- the spectroscopic device 5 may be applied to other spectroscopic measurement devices such as a film thickness measurement device, an optical density measurement, a LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) measurement, and a DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) measurement. .
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Abstract
分光素子を含む分光光学系4によって所定の方向に波長分解された光L1を受光し、当該光L1の分光スペクトルデータを出力する分光装置5であって、波長分解された光L1を受光して電気信号に変換する複数の画素21を有し、複数の画素21が波長分解方向に沿う行方向及び行方向に垂直な列方向に配列された画素部11を有するCMOSイメージセンサと、複数の画素21のうち光L1の分光スペクトル像31が結像する画素21を特定画素21Kとして特定する特定部14と、同一列に属する特定画素21Kの画素値を積算し、積算結果に基づく分光スペクトルデータを生成する生成部15と、を備える。
Description
本開示は、分光装置、ラマン分光測定装置、及び分光方法に関する。
従来の分光装置として、例えば特許文献1に記載の分光装置がある。この従来の分光装置は、いわゆるラマン分光装置である。分光装置は、励起光をライン状に照射する手段と、試料が載置される可動ステージと、励起光照射領域からのラマン光を集光する対物レンズと、ラマン光の結像位置に設けられたスリットと、スリットの通過光を分散させる分光器と、ラマンスペクトル像を検出するCCD検出器と、可動ステージとCCD検出器との同期によってマッピング測定を制御する制御装置と、を備えている。
ラマン分光、蛍光分光、プラズマ分光といった分光計測の分野では、信号のSN比の向上のため、分光スペクトルデータの取得にあたってCCDイメージセンサの垂直ビニングが用いられている。CCDイメージセンサでの垂直ビニングは、各画素で発生した電荷を複数段分加算するものである。CCDイメージセンサでは、読み出しノイズは最終段のアンプでのみ発生し、垂直ビニングの過程では増加しない。このため、垂直ビニングの段数が増加するほど、信号のSN比を向上させることができる。
イメージセンサとしては、CCDの他、CMOSイメージセンサも知られている。しかしながら、現状では、分光計測の分野においてCMOSイメージセンサの普及は進んでいない。CMOSイメージセンサでは、各画素にアンプが配置され、画素毎に電荷が電圧に変換される。従来のCMOSイメージセンサで垂直ビニングを行った場合、垂直ビニングの段数が増加するほど読み出しノイズも積算されてしまうため、CCDイメージセンサを用いた場合よりも信号のSN比が低下してしまうという問題があった。
本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、優れたSN比で分光スペクトルデータを取得できる分光装置、ラマン分光測定装置、及び分光方法を提供することを目的とする。
本開示の一側面に係る分光装置、ラマン分光測定装置、分光方法の要旨は、以下の[1]~[14]のとおりである。
[1]分光素子を含む分光光学系によって所定の方向に波長分解された光を受光し、当該光の分光スペクトルデータを取得する分光装置であって、前記波長分解された光を受光して電気信号に変換する複数の画素を有し、前記複数の画素が波長分解方向に沿う行方向及び前記行方向に垂直な列方向に配列された画素部を有するCMOSイメージセンサと、前記複数の画素のうち前記光の分光スペクトル像が結像する画素を特定画素として特定する特定部と、同一列に属する前記特定画素の画素値を積算し、積算結果に基づく分光スペクトルデータを生成する生成部と、を備える分光装置。
この分光装置では、波長分解された光の分光スペクトル像が結像する画素を特定画素として特定し、同一列に属する特定画素の画素値を積算して分光スペクトルデータを生成する。分光スペクトル像が結像しない他の画素を画素値の積算から除外することで、画素値を積算する際の読み出しノイズの影響を十分に低減できる。したがって、この分光装置では、優れたSN比で分光スペクトルデータを取得できる。
[2]前記特定部は、読み出しノイズが閾値を超える画素を前記特定画素から除外する[1]記載の分光装置。これにより、画素値を積算する際の読み出しノイズの影響を一層十分に低減できる。したがって、分光スペクトルデータのSN比の更なる向上が図られる。
[3]前記読み出しノイズの閾値は、0.1[e-rms]以上1.0[e-rms]以下の範囲に設定されている[1]又は[2]記載の分光装置。このような閾値の設定により、画素値を積算する際の読み出しノイズの影響を一層十分に低減できる。したがって、分光スペクトルデータのSN比の更なる向上が図られる。
[4]前記特定部は、前記分光スペクトル像の結像面積が受光面の面積の50%以上となる画素を前記特定画素として特定する[1]~[3]のいずれか記載の分光装置。この場合、分光スペクトル像の取得に対する寄与が小さい画素を特定画素から除外することで、画素値を積算する際の読み出しノイズの影響を一層十分に低減できる。したがって、分光スペクトルデータのSN比の更なる向上が図られる。
[5]前記特定部は、前記光の収差情報に基づいて前記特定画素の積算比率を特定し、前記生成部は、前記積算比率を用いて前記特定画素の画素値を積算する[1]~[3]のいずれか記載の分光装置。このような構成によれば、波長分解された光のスペクトル像に収差による歪みが生じている場合であっても、SN比の良好な分光スペクトルデータの取得が可能となる。
[6]前記画素部は、前記列方向に区分された第1の画素領域及び第2の画素領域と、前記第1の画素領域に属する各画素を読み出す第1の読出部と、前記第2の画素領域に属する各画素を読み出す第2の読出部と、を有する[1]~[5]のいずれか記載の分光装置。この場合、分光スペクトル像の態様に応じて第1の画素領域と第2の画像領域とを使い分けることができる。したがって、様々な光の分光スペクトルデータを良好なSN比で取得することができる。
[7]前記第1の画素領域に属する各画素の第1の露光時間は、前記第2の画素領域に属する各画素の第2の露光時間よりも短くなっている[6]記載の分光装置。この構成によれば、例えば波長によって強度が異なる光の分光スペクトル像を第1の画素領域及び第2の画素領域で異なる露光時間で取得できる。第1の画素領域において短い露光時間で取得した分光スペクトルデータの飽和波長帯と、第2の画素領域において長い露光時間で取得した分光スペクトルデータの非飽和波長帯とを結合することで、SN比の良好な分光スペクトルデータを高いダイナミックレンジで取得することが可能となる。
[8]前記第2の画素領域において1フレームの画像データを取得する期間に、前記第1の画素領域において複数のフレームの画像データを取得する[7]記載の分光装置。この場合、第1の画素領域及び第2の画素領域で異なる露光時間を設定した場合であっても、第1の画素領域と第2の画素領域との間で各列の特定画素の読み出しノイズを揃えることができる。したがって、分光スペクトルデータのSN比を安定的に向上できる。
[9]前記第1の画素領域に属する各画素の飽和電荷量と、前記第2の画素領域に属する各画素の飽和電荷量とが互いに異なっている[6]記載の分光装置。この場合、第1の画素領域に属する各画素の露光時間と第2の画素領域に属する各画素の露光時間とを等しくした状態のままで、SN比の良好な分光スペクトルデータを高いダイナミックレンジで取得することが可能となる。
[10]前記画素部は、前記第1の画素領域の受光エリアと、前記第2の画素領域の受光エリアとを等しくするマスクを有している[9]記載の分光装置。ダイナミックレンジの拡大のため、第1の画素領域の飽和電荷量と第2の画素領域の飽和電荷量と差を大きくしたい場合、撮像センサの構成上、第1の画素領域の受光エリアと第2の画素領域の受光エリアとのサイズ差が拡大することが考えられる。これに対し、第1の画素領域の受光エリアの面積と、第2の画素領域の受光エリアの面積とを等しくするマスクを用いることで、両者の単位時間当たりの受光量を等しくすることができる。これにより、第1の画素領域に属する各画素の露光時間と第2の画素領域に属する各画素の露光時間とを等しくした状態のままで、SN比の良好な分光スペクトルデータをより高いダイナミックレンジで取得することが可能となる。
[11]前記分光スペクトルデータを解析する解析部を更に備える[1]~[10]のいずれか記載の分光装置。この場合、分光装置に分光スペクトルデータの解析機能が備わり、利便性の向上が図られる。
[12]前記分光素子を含む前記分光光学系を更に備える[1]~[11]のいずれか記載の分光装置。この場合、分光装置に光の波長分解機能が備わり、利便性の向上が図られる。
[13][1]~[12]のいずれかの分光装置と、試料に照射される光を生成する光源部と、前記試料への前記光の照射によって発生したラマン散乱光を前記分光装置に導光する導光光学系と、を備えるラマン分光測定装置。
このラマン分光測定装置では、波長分解されたラマン散乱光の分光スペクトル像が結像する画素を特定画素として特定し、同一列に属する特定画素の画素値を積算して分光スペクトルデータを生成する。分光スペクトル像が結像しない他の画素を画素値の積算から除外することで、画素値を積算する際の各画素の読み出しノイズの影響を十分に低減できる。したがって、このラマン分光測定装置では、優れたSN比でラマン散乱光の分光スペクトルデータを取得できる。
[14]所定の方向に波長分解された光を受光し、当該光の分光スペクトルデータを取得する分光方法であって、CMOSイメージセンサを用い、波長分解方向に沿う行方向及び前記行方向に垂直な列方向に配列された複数の画素で前記波長分解された光を受光して電気信号に変換する受光ステップと、複数の画素のうち前記光の分光スペクトル像が結像する画素を特定画素として特定する特定ステップと、同一列に属する前記特定画素の画素値を積算し、積算結果に基づく分光スペクトルデータを生成する生成ステップと、を備える分光方法。
この分光方法では、波長分解された光の分光スペクトル像が結像する画素を特定画素として特定し、同一列に属する特定画素の画素値を積算して分光スペクトルデータを生成する。分光スペクトル像が結像しない他の画素を画素値の積算から除外することで、画素値を積算する際の各画素の読み出しノイズの影響を十分に低減できる。したがって、この分光方法では、優れたSN比で分光スペクトルデータを取得できる。
本開示によれば、優れたSN比で分光スペクトルデータを取得できる。
以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る分光装置、ラマン分光測定装置、及び分光方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
図1は、本開示の一実施形態に係るラマン分光測定装置の構成を示すブロック図である。ラマン分光測定装置1は、ラマン散乱光Lrを用いて試料Sの物性を測定する装置である。ラマン分光測定装置1では、光源部2からの光L1を試料Sに照射し、光L1と試料Sとの相互作用によって生じるラマン散乱光Lrを分光装置5で検出し、ラマン散乱光Lrの分光スペクトルデータを取得する。分光装置5で取得した分光スペクトルデータをコンピュータ6で解析することで、試料Sの分子構造、結晶性、配向性、歪み量といった種々の物性を評価できる。試料Sとしては、例えば半導体材料、ポリマー、細胞、医薬品などが挙げられる。
ラマン分光測定装置1は、図1に示すように、光源部2と、導光光学系3と、分光光学系4と、分光装置5と、コンピュータ6と、表示部7とを備えている。以下の説明では、便宜上、分光光学系4を経て分光装置5に入射する光をラマン散乱光Lrと区別して光L1と称する場合もある。ラマン分光測定装置1に組み込まれた分光装置5では、光L1はラマン散乱光Lrを指す。
光源部2は、試料Sに照射される光L0を生成する部分である。光源部2を構成する光源としては、例えばラマン分光用の励起用光源となるレーザ光源、発光ダイオードなどを用いることができる。導光光学系3は、試料Sへの光L0の照射によって発生したラマン散乱光Lrを分光装置5に導光する部分である。導光光学系3は、例えばコリメートレンズ、一又は複数のミラー、スリットなどを備えて構成されている。
分光光学系4は、光L1を所定の方向に波長分解する部分である。分光光学系4は、所定の波長分解方向に光L1を分光する分光素子を含んで構成されている。分光素子としては、例えばプリズム、回折格子(グレーティング)、凹面回折格子、結晶分光素子などを用いることができる。ラマン散乱光Lrは、分光光学系4によって分光され、分光装置5に入力される。
図1では、分光光学系4は、分光装置5とは別体に構成されているが、分光光学系4は、分光装置5の構成要素として組み込まれていてもよい。すなわち、分光装置5は、波長分解方向に光L1を分光する分光素子を含む分光光学系4を更に備えていてもよい。この場合、分光装置5に光L1の波長分解機能が備わることで、利便性の向上が図られる。分光装置5は、所定の方向に波長分解された光L1を受光し、当該光L1の分光スペクトルデータを出力する部分である。本実施形態では、分光装置5は、分光光学系4によって所定の波長分解方向に分光されたラマン散乱光Lrを受光し、当該ラマン散乱光Lrの分光スペクトルデータをコンピュータ6に出力する。
コンピュータ6は、物理的には、RAM、ROM等の記憶装置、CPU等のプロセッサ(演算回路)、通信インターフェイス等を備えている。コンピュータ6としては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス(スマートフォン、タブレット端末など)を用いることができる。コンピュータ6は、ラマン分光測定装置1の光源部2及び分光装置5と相互に情報通信可能に接続され、これらの構成要素を統括的に制御し得る。コンピュータ6は、分光装置5(生成部15)から受け取った分光スペクトルデータに基づいて試料Sの物性を解析する解析部8としても機能する。コンピュータ6は、解析部8での解析結果を示す情報を表示部7に出力する。
分光装置5は、図1に示すように、画素部11と、変換部12と、読出部13と、特定部14と、生成部15とを備えている。画素部11、変換部12、及び読出部13は、撮像センサ10によって構成されている。撮像センサ10としては、例えばCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが挙げられる。
本実施形態では、分光装置5は、撮像センサ10、特定部14、生成部15を備えたカメラとして構成されている。ここでは、分光装置5は、コンピュータ6と別体となっているが、分光装置5は、撮像センサ10、特定部14、生成部15を備えたカメラと、当該カメラと電気的に或いは無線通信により相互に情報通信可能に接続されたコンピュータ6(解析部8)とを一体に含んで構成されていてもよい。この場合、分光装置5に分光スペクトルデータの解析機能が備わり、利便性の向上が図られる。
図2は、撮像センサの構造を示す図である。同図に示すように、撮像センサ10の画素部11では、複数の画素21が行方向及び行方向に垂直な列方向に配列されている。ここでは、行方向が分光光学系4による光L1或いはラマン散乱光Lrの波長分解方向に沿っており、列方向が後述する垂直ビニング方向に沿っている。図2では、説明の便宜上、6行×7列の画素21を例示しているが、実際の画素部11では、n行×m列の画素21が配列されている。
各画素21は、分光光学系4によって結像する光L1或いはラマン散乱光Lrのスペクトル像を撮像する部分である。各画素21は、フォトダイオード22と、アンプ23とを有している。フォトダイオード22は、光L1の入力によって生成された電子(光電子)を電荷として蓄積する。アンプ23は、フォトダイオード22に蓄積された電荷を電気信号(例えば電圧値を示す信号)に変換し、増幅する。
アンプ23によって増幅された電気信号は、各画素21の選択スイッチ24の切り替えによって、行方向の画素21同士を接続する垂直信号線25に転送される。垂直信号線25のそれぞれには、CDS(correlated double sampling)回路26が配置されている。CDS回路26は、各画素21間の読み出しノイズを軽減すると共に、垂直信号線25に転送された電気信号を一時的に保管する。
変換部12は、複数の画素21のそれぞれのアンプ23から出力される電圧値をデジタル値に変換する部分である。本実施形態では、変換部12は、A/Dコンバータ27によって構成されている。A/Dコンバータ27は、CDS回路26に保管された電圧値をデジタル値に変換する。変換後のデジタル値(画素値)は、読出部13を介して生成部15に出力される。読出部13は、生成部15への画素値の出力の際に、特定部14に対して処理の開始を指示する指示情報を出力する。
本実施形態では、画素部11は、図2に示すように、列方向に区分された第1の画素領域21A及び第2の画素領域21Bと、第1の画素領域21Aに属する各画素21を読み出す第1の読出部13Aと、第2の画素領域21Bに属する各画素21を読み出す第2の読出部13Bとを有している。図2の例では、第1の画素領域21Aと第2の画素領域21Bとは、列方向の中央で区分されている。すなわち、列方向の中央よりも一方側の画素21は、第1の画素領域21Aに属し、列方向の中央よりも他方側の画素21は、第2の画素領域21Bに属している。
第1の読出部13Aと第2の読出部13Bとは、互いに独立して配置されている。第1の読出部13Aは、第1の画素領域21Aに属する各画素21の垂直信号線25に対応するA/Dコンバータ27に接続されている。第1の読出部13Aは、第1の画素領域21Aに属する各画素21の画素値を生成部15に出力する。第2の読出部13Bは、第2の画素領域21Bに属する各画素21の垂直信号線25に対応するA/Dコンバータ27に接続されている。第2の読出部13Bは、第2の画素領域21Bに属する各画素21の画素値を生成部15に出力する。
本実施形態では、第1の画素領域21Aに属する各画素21の第1の露光時間T1と、第2の画素領域21Bに属する各画素21の第2の露光時間T2とが互いに異なっている。より具体的には、図3に示すように、第1の画素領域21Aに属する各画素21の第1の露光時間T1は、第2の画素領域21Bに属する各画素21の第2の露光時間T2よりも短くなっている。このため、第2の画素領域21Bにおいて1フレームの画像データを取得する期間に、第1の画素領域21Aにおいて複数のフレームの画像データを取得するようになっている。生成部15では、第1の画素領域21Aの複数のフレームの画像データに対応する画素値を積算し、積算された画素値に基づく画像データを生成する。なお、図3の例では、第2の露光時間T2は、第1の露光時間T1の整数倍となっている。
特定部14及び生成部15は、物理的には、RAM、ROM等の記憶装置、CPU等のプロセッサ(演算回路)、通信インターフェイス等を備えたコンピュータシステムによって構成されている。特定部14及び生成部15は、PLC(programmable logic controller)によって構成されていてもよく、FPGA(Field-programmable gate arrayによって構成されていてもよい。
特定部14は、複数の画素21のうち光L1の分光スペクトル像が結像する画素21を特定画素21Kとして特定する部分である。特定部14は、読出部13から指示情報を受け取ると、特定画素21Kを示す特定情報を生成し、生成部15に出力する。特定部14は、特定情報として、画素部11に対する特定画素マップM1を保有していてもよい。特定画素マップM1は、例えば分光光学系4に光L1或いはラマン散乱光Lrを導光させた場合のシミュレーションデータ又は実測データによって予め取得できる。
図4は、特定画素マップの一例を示す模式図である。図4の例では、行方向の画素数が列方向の画素数よりも多い横長の画素部11に対し、波長分解された5つの分光スペクトル像31(短波長側から31A~31E)が結像している。分光スペクトル像31A~31Eは、いずれも画素21の列方向に直線状に延在し、行方向に互いに離間した状態で画素部11に結像している。
このような分光スペクトル像31に対し、特定画素マップM1では、例えば分光スペクトル像31の結像面積が受光面の面積の50%以上となる画素21が特定画素21Kとして特定されている。図5では、特定画素マップM1中の任意の3行×3列の画素21を例示し、各画素21の受光面21aの面積に対する分光スペクトル像31の結像面積の割合を示している。
図5の例では、中央に位置する座標(xn,ym+1)、座標(xn,ym)、座標(xn,ym-1)の3つの画素21における分光スペクトル像31の結像面積は、いずれも受光面21aの面積の100%となっている。左側に位置する座標(xn-1,ym+1)、座標(xn-1,ym)、座標(xn-1,ym-1)の3つの画素21における分光スペクトル像31の結像面積は、それぞれ15%、40%、65%となっている。右側に位置する座標(xn+1,ym+1)、座標(xn+1,ym)、座標(xn+1,ym-1)の3つの画素21における分光スペクトル像31の結像面積は、それぞれ15%、40%、65%となっている。これらの画素21のうちでは、座標(xn,ym+1)、座標(xn,ym)、座標(xn,ym-1)、座標(xn-1,ym-1)、座標(xn+1,ym-1)の5つの画素21が特定画素21Kの候補となる。
特定部14は、読み出しノイズが閾値を超える画素21Faを特定画素21Kから除外する。特定部14は、画素部11に対する読み出しノイズマップM2を保有していてもよい。読み出しノイズマップM2は、例えば撮像センサ10を分光装置5に組み込む前に、画素部11の各画素21の読み出しノイズをそれぞれ測定することによって作成される。本実施形態では、読み出しノイズマップM2は、特定画素マップM1と重畳して一体となっている(図4参照)。
読み出しノイズマップM2では、読み出しノイズの閾値は、0.1[e-rms]以上1.0[e-rms]以下の範囲に設定されている。特定部14は、読み出しノイズマップM2に基づいて、読み出しノイズが0.1[e-rms]を超える画素21Faについては、特定画素21Kの候補から除外する。本実施形態では、読み出しノイズの閾値は、1.0[e-rms]に設定されている。読み出しノイズの閾値は、0.5[e-rms]に設定されていてもよく、0.3[e-rms]に設定されていてもよい。読み出しノイズの閾値は、0.1[e-rms]以上0.3[e-rms]以下の範囲に設定されていてもよい。この場合、読み出しノイズの閾値は、0.2[e-rms]に設定されていてもよい。
図6では、図5に示した3行×3列の画素21を例示し、各画素21の読み出しノイズの値を例示している。図6の例では、座標(xn-1,ym)の画素21の読み出しノイズ及び座標(xn+1,ym-1)の画素21の読み出しノイズは、それぞれ1.4[e-rms]、1.1[e-rms]となっている。読み出しノイズの閾値が1.0[e-rms]に設定されている場合、これらの2つの画素21は、読み出しノイズの値が閾値を超える画素21Faとなる。座標(xn+1,ym-1)の画素21は、図5の例で特定画素21Kの候補となっているが、読み出しノイズが閾値を超えている画素21Faであるため、特定画素21Kの候補から除外される。したがって、図5及び図6に示す画素21の範囲では、座標(xn,ym+1)、座標(xn,ym)、座標(xn,ym-1)、座標(xn-1,ym-1)の4つの画素21が最終的に特定画素21Kとして特定される。
特定部14は、画素部11において光L1或いはラマン散乱光Lrの入力が無いエリアを示すエリア情報を予め保有し、エリア情報に対応する画素21を特定画素21Kの候補から除外してもよい。エリア情報は、例えば分光光学系4における分光素子の仕様或いは配置態様に基づいて予め生成される。エリア情報は、特定画素マップM1に重畳されていてもよい。図4の例では、各列の両端に位置する画素21が、光L1の入力が無いエリアRに属している。エリアRに属する画素21Fbは、特定画素21Kの候補から除外される。
生成部15は、同一列に属する特定画素21Kの画素値を積算し、積算結果に基づく分光スペクトルデータを生成する部分である。同一列に属する複数の特定画素21Kの画素値の積算は、いわゆる垂直ビニングに相当する処理である。分光スペクトルデータは、各特定画素21Kの画素値を表す二次元画像であってもよく、画素値をプロットしたヒストグラムなどであってもよい。生成部15は、生成した分光スペクトルデータをコンピュータ6(解析部8)に出力する。
本実施形態では、上述したように、画素部11が第1の画素領域21A及び第2の画素領域21Bに区分されている。また、第1の画素領域21Aに属する各画素21の第1の露光時間T1が第2の画素領域21Bに属する各画素21の第2の露光時間T2よりも短くなっている(図2及び図3参照)。生成部15は、第1の画素領域21Aにおいて同一列に属する特定画素21Kの画素値の積算によって得られる第1の分光スペクトルデータと、第2の画素領域21Bにおいて同一列に属する特定画素21Kの画素値の積算によって得られる第2の分光スペクトルデータとを生成する。
第1の分光スペクトルデータは、第1の画素領域21Aにおいて相対的に短い第1の露光時間T1で取得されたものであり、例えば全ての波長帯において飽和レベル以下となっている。第2の分光スペクトルデータは、第2の画素領域21Bにおいて相対的に長い第2の露光時間T2で取得されたものであり、ある波長帯において飽和レベル以上となっている。
生成部15は、スペクトル全体の波長帯を第2の分光スペクトルデータの飽和波長帯と非飽和波長帯とに区分する。飽和波長帯では、第2の分光スペクトルデータは飽和レベル以上であり、第1の分光スペクトルデータは飽和レベル未満である。非飽和波長帯では、第2の分光スペクトルデータは飽和レベル未満であり、且つ第1の分光スペクトルデータに比べて良好なS/N比を有している。生成部15は、飽和波長帯の第1の分光スペクトルデータと、非飽和波長帯の第2の分光スペクトルデータとを結合し、コンピュータ6に出力する分光スペクトルデータを生成する。
図7は、本開示の一実施形態に係る分光方法を示すフローチャートである。この分光方法は、所定の方向に波長分解された光を受光し、当該光の分光スペクトルデータを取得する方法である。本実施形態に係る分光方法は、上述した分光装置5を用いて実施される。図7に示すように、この分光方法は、受光ステップ(ステップS01)と、特定ステップ(ステップS02)と、生成ステップ(ステップS03)と、解析ステップ(ステップS4)とを備えている。
受光ステップS01では、撮像センサ10(CMOSイメージセンサ)を用い、波長分解方向に沿う行方向及び行方向に垂直な列方向に配列された複数の画素21によって、波長分解された光L1或いはラマン散乱光Lrを受光して電気信号に変換する。本実施形態では、第1の画素領域21A及び第2の画素領域21Bにおいて、光L1或いはラマン散乱光Lrをそれぞれ異なる露光期間で受光する。そして、第1の画素領域21Aに属する各画素21の画素値と、第2の画素領域21Bに属する各画素21の画素値とをそれぞれ生成部15に出力する。
特定ステップS02では、複数の画素21のうち光L1或いはラマン散乱光Lrの分光スペクトル像31が結像する画素21を特定画素21Kとして特定する。本実施形態では、特定部14が予め特定画素マップM1を保有し、分光スペクトル像31の結像面積が受光面21aの面積の50%以上となる画素21を特定画素21Kとして特定する。本実施形態では、読み出しノイズが閾値である1.0[e-rms]を超える画素21Faについては、特定画素21Kから除外する。
生成ステップS03では、同一列に属する特定画素21Kの画素値を積算し、積算結果に基づく分光スペクトルデータを生成する。本実施形態では、生成部15において、第1の画素領域21Aにおいて同一列に属する特定画素21Kの画素値の積算によって得られる第1の分光スペクトルデータと、第2の画素領域21Bにおいて同一列に属する特定画素21Kの画素値の積算によって得られる第2の分光スペクトルデータとを生成する。そして、飽和波長帯の第1スペクトルデータと、非飽和波長帯の第2スペクトルデータとを結合し、コンピュータ6に出力する分光スペクトルデータを生成する。
解析ステップS04では、生成ステップS03で生成した分光スペクトルデータに基づいて試料Sの解析を行う。例えば分光スペクトルの波形、ピーク位置、半値幅などを解析し、試料Sの分子構造、結晶性、配向性、歪み量といった種々の物性を評価する。
以上説明したように、分光装置5では、波長分解された光L1の分光スペクトル像31が結像する画素21を特定画素21Kとして特定し、同一列に属する特定画素21Kの画素値を積算して分光スペクトルデータを生成する。分光スペクトル像31が結像しない他の画素21を画素値の積算から除外することで、画素値を積算する際の読み出しノイズの影響を十分に低減できる。したがって、分光装置5では、優れたSN比で分光スペクトルデータを取得できる。
分光装置5では、読み出しノイズが閾値を超える画素21Faを特定画素21Kから除外する。また、読み出しノイズの閾値は、0.1[e-rms]以上1.0[e-rms]以下の範囲に設定されている。これにより、画素値を積算する際の読み出しノイズの影響を一層十分に低減できる。したがって、分光スペクトルデータのSN比の更なる向上が図られる。
分光装置5では、分光スペクトル像31の結像面積が受光面21aの面積の50%以上となる画素21を特定画素21Kとして特定する。分光スペクトル像31の取得に対する寄与が小さい画素21を特定画素21Kから除外することで、画素値を積算する際の読み出しノイズの影響を一層十分に低減できる。したがって、分光スペクトルデータのSN比の更なる向上が図られる。
分光装置5では、画素部11は、列方向に区分された第1の画素領域21A及び第2の画素領域21Bと、第1の画素領域21Aに属する各画素21を読み出す第1の読出部13Aと、第2の画素領域21Bに属する各画素21を読み出す第2の読出部13Bとを有している。このような構成により、分光スペクトル像の態様に応じて第1の画素領域21Aと第2の画素領域21Bとを使い分けることができる。したがって、様々な光の分光スペクトルデータを良好なSN比で取得することができる。
分光装置5では、第1の画素領域21Aに属する各画素21の第1の露光時間T1は、第2の画素領域21Bに属する各画素21の第2の露光時間T2よりも短くなっている。この構成によれば、例えば波長によって強度が異なる光L1の分光スペクトル像31を第1の画素領域21A及び第2の画素領域21Bで異なる露光時間で取得できる。本実施形態では、第1の画素領域21Aにおいて相対的に短い第1の露光時間T1で取得した分光スペクトルデータの飽和波長帯と、第2の画素領域21Bにおいて相対的に長い第2の露光時間T2で取得した分光スペクトルデータの非飽和波長帯とを結合し、最終的な分光スペクトルデータを生成している。これにより、SN比の良好な分光スペクトルデータを高いダイナミックレンジで取得することが可能となる。
分光装置5では、第2の露光時間T2は、第1の露光時間T1よりも長くなっており、第2の画素領域21Bにおいて1フレームの画像データを取得する期間に、第1の画素領域21Aにおいて複数のフレームの画像データを取得している。これにより、第1の画素領域21A及び第2の画素領域21Bで異なる露光時間を設定した場合であっても、第1の画素領域21Aと第2の画素領域21Bとの間で各列の特定画素21Kの読み出しノイズを揃えることができる。したがって、分光スペクトルデータのSN比を安定的に向上できる。
上述した分光装置5を組み込んで構成されたラマン分光測定装置1では、波長分解されたラマン散乱光Lrの分光スペクトル像31が結像する画素21を特定画素21Kとして特定し、同一列に属する特定画素21Kの画素値を積算して分光スペクトルデータを生成する。分光スペクトル像31が結像しない他の画素21を画素値の積算から除外することで、画素値を積算する際の読み出しノイズの影響を十分に低減できる。したがって、ラマン分光測定装置1では、優れたSN比で分光スペクトルデータを取得できる。
本開示は、上記実施形態に限られるものではなく、種々の変形を適用し得る。分光光学系4は、上述したように、波長分解方向に光L1或いはラマン散乱光Lrを分光する分光素子を含んで構成されている。しかしながら、実際に分光光学系4を経て画素部11に結像される分光スペクトル像は、例えばツェルニターナ型の分光に代表されるように、光学系の収差の影響で直線状とならない場合が想定される。
例えば図8(a)の例では、画素部11の中央に位置する分光スペクトル像31Cは、列方向(垂直ビニング方向)に直線状をなしているが、分光スペクトル像31A,31B及び分光スペクトル像31D,31Eには、いずれも画素部11の中央側に向かって像が湾曲する、いわゆる糸巻型の歪みが生じている。分光スペクトル像31の歪み量は、画素部11の中央から遠い分光スペクトル像ほど大きくなっている。分光スペクトル像31A,31Eの歪み量は、分光スペクトル像31B,31Dの歪み量よりも大きくなっている。
このような歪みが生じた状態で各列の特定画素21Kの画素値の垂直ビニングを行うと、図8(b)に示すように、分光スペクトル像31A~31Eに基づく分光スペクトルデータ32A~32Eのうち、分光スペクトル像31Cを除く分光スペクトル像31A,31B,31D,31Eに基づく分光スペクトルデータ32A,32B,32D,32Eにおいて、歪みの程度に応じて行方向の波長分解能が低下してしまうおそれがある。また、分光スペクトルデータ32A,32B,32D,32Eの波高値が低下することで、SN比が低下してしまうという問題も生じ得る。
このような問題に対し、特定部14が分光光学系4における光L1或いはラマン散乱光Lrの収差情報に基づいて、画素数の積算に用いる特定画素21Kの積算比率を特定し、生成部15が積算比率を用いて特定画素21Kの画素値を積算してもよい。具体的には、特定部14は、図9に示すように、画素部11に対する積算比率マップM3を有していてもよい。図9の例では、積算比率マップM3は、特定画素マップM1と重畳して一体となっている。積算比率マップM3の生成に用いる収差情報は、分光光学系4に光L1或いはラマン散乱光Lrを導光させた場合のシミュレーションデータ又は実測データによって予め取得できる。実測データを用いる場合、局所的な歪みが無い前提で、複数の光像の分光スペクトルデータに基づいて収差情報を取得できる。
特定部14は、積算比率マップM3を参照し、画素値の垂直ビニングの際に行方向に隣り合う複数の特定画素21Kの積算比率に基づくサブピクセル処理を実施してもよい。図9には、画素部11の全体の積算比率マップMのうち、分光スペクトル像31B及び分光スペクトル像31Eに対応する特定画素21Kの一部の積算比率を抽出して示している。上述したように、分光スペクトル像31Eの歪みは、分光スペクトル像31Bの歪みより大きくなっている。このため、図9の例では、分光スペクトル像31Bに対応する特定画素21Kの画素値の垂直ビニングにおいては、行方向に隣り合う2つの特定画素21Kの積算比率に基づくサブピクセル処理を実施する。また、分光スペクトル像31Eに対応する画素21の垂直ビニングにおいては、行方向に隣り合う3つの特定画素21Kの積算比率に基づくサブピクセル処理を実施する。
図9の例では、座標が(x,y)の特定画素21Kの画素値をP(x,y)としている。分光スペクトル像31Bに対応する特定画素21Kのx座標の基準が300であり、y座標が-512~+512であるとすると、分光スペクトル像31Bに対応する特定画素21Kの画素値の垂直ビニングは、以下の式(1)で示される。分光スペクトル像31Eに対応する特定画素21Kのx座標の基準が700であり、y座標が-512~+512であるとすると、分光スペクトル像31Eに対応する特定画素21Kの画素値の垂直ビニングは、以下の式(2)で示される。
図9では、分光スペクトル像31Bに対応する特定画素21Kの一部として、座標(300,-500)、座標(301,-500)、座標(300,-501)、座標(301,-501)の4画素を示している。これらの4画素に対して、P(300,-500)の積算比率は80%、P(301,-500)の積算比率は20%、P(300,-501)の積算比率は90%、P(301,-501)の積算比率は10%となっている。したがって、式(1)中、α(300,-500)は、以下の式(3)で求められ、α(300,-501)は、以下の式(4)で求められる。
α(300,-500)=(80×P(300,-500)+20×P(301,-500))/100…(3)
α(300,-501)=(90×P(300,-501)+10×P(301,-501))/100…(4)
α(300,-500)=(80×P(300,-500)+20×P(301,-500))/100…(3)
α(300,-501)=(90×P(300,-501)+10×P(301,-501))/100…(4)
また、図9では、分光スペクトル像31Eに対応する特定画素21Kの一部として、座標(699,350)、座標(700,350)、座標(701,350)、座標(699,349)、座標(700,349)、座標(701,349)、座標(699,348)、座標(700,348)、座標(701,348)、の9画素を示している。これらの9画素に対して、P(699,350)の積算比率は15%、P(700,350)の積算比率は70%、P(701,350)の積算比率は15%、P(699,349)の積算比率は20%、P(700,349)の積算比率は70%、P(701,349)の積算比率は10%、P(699,348)の積算比率は25%、P(700,348)の積算比率は70%、P(701,348)の積算比率は5%となっている。
したがって、式(2)中、β(700,350)は、以下の式(5)で求められ、β(700,349)は、以下の式(6)で求められる。また、β(700,348)は、以下の式(7)で求められる。
β(700,350)=(15×P(699,350)+70×P(700,350)+15×P(701,350))…(5)
β(700,349)=(20×P(699,349)+70×P(700,349)+10×P(701,349))…(6)
β(700,348)=(25×P(699,348)+70×P(700,348)+5×P(701,348))…(7)
β(700,350)=(15×P(699,350)+70×P(700,350)+15×P(701,350))…(5)
β(700,349)=(20×P(699,349)+70×P(700,349)+10×P(701,349))…(6)
β(700,348)=(25×P(699,348)+70×P(700,348)+5×P(701,348))…(7)
図10は、積算比率マップを用いた垂直ビニングによって得られた分光スペクトルデータを示す模式的なグラフである。同図に示すように、光L1或いはラマン散乱光Lrの収差情報に基づく積算比率を用いて特定画素21Kの画素数を積算することで、分光スペクトル像31A~31Eに歪みが生じている場合であっても、分光スペクトル像31A~31Eに基づく分光スペクトルデータ32A~32Eのそれぞれにおいて、行方向の波長分解能の低下を抑制できる。また、波高値の低下も抑制され、SN比の向上も図られる。
なお、図9の例では、積算比率マップM3のみを示しているが、当該積算比率マップM3に上述した読み出しノイズマップM2を重畳してもよい。また、当該積算比率マップM3にエリア情報を更に重畳してもよい。この場合、生成部15は、読み出しノイズマップM2及びエリア情報によって特定される画素21を特定画素21Kから除外した上で、積算比率マップM3を用いたサブピクセル処理による垂直ビニングを実施する。
上記実施形態では、第1の画素領域21Aに属する各画素21の第1の露光時間T1が第2の画素領域21Bに属する各画素21の第2の露光時間T2よりも短くなっているが、第1の画素領域21Aと第2の画素領域21Bとで共通の露光時間を設定してもよい。共通の露光時間を設定する場合、画素部11において、第1の画素領域21Aに属する各画素21の飽和電荷量と、第2の画素領域21Bに属する各画素21の飽和電荷量とが互いに異なっていてもよい。
例えば第1の画素領域21Aに属する各画素21の飽和電荷量を相対的に小さくする場合、これらの画素21の読み出しノイズも相対的に小さくなる。第1の画素領域21Aにおいて同一列に属する特定画素21Kの画素値の積算によって得られる第1の分光スペクトルデータは、図11(a)に示すように、全体として良好なSN比となるが、所定以上の強度となる波長帯が飽和波長帯となる。
一方、第2の画素領域21Bに属する各画素21の飽和電荷量を相対的に大きくする場合、これらの画素21の読み出しノイズも相対的に大きくなる。第2の画素領域21Bにおいて同一列に属する特定画素21Kの画素値の積算によって得られる第2の分光スペクトルデータは、図11(b)に示すように、スペクトルの全体が非飽和波長帯となるが、所定以下の強度となる波長帯ではSN比が低下する。
この場合、生成部15は、スペクトル全体の波長帯を第1のスペクトルデータの飽和波長帯と非飽和波長帯とに区分する。生成部15は、非飽和波長帯の第1のスペクトルデータと、飽和波長帯の第2のスペクトルデータとを結合し、図11(c)に示すように、コンピュータ6に出力する分光スペクトルデータを生成する。このような構成によれば、第1の画素領域21Aに属する各画素21の第1の露光時間T1と第2の画素領域21Bに属する各画素21の第2の露光時間T2とを等しくした状態のままで、SN比の良好な分光スペクトルデータを高いダイナミックレンジで取得することが可能となる。
ダイナミックレンジの拡大のため、第1の画素領域21Aの飽和電荷量と第2の画素領域21Bの飽和電荷量と差を大きくしたい場合、撮像センサ10の構成上、第1の画素領域21Aの受光エリアと第2の画素領域21Bの受光エリアとのサイズ差が拡大することが考えられる。この場合、図12に示すように、画素部11において、第1の画素領域21Aの受光エリアV1の面積と、第2の画素領域21Bの受光エリアV2の面積とを等しくするマスク41を設けてもよい。
このようなマスク41の配置により、両者の単位時間当たりの受光量を等しくすることができる。これにより、第1の画素領域21Aに属する各画素21の露光時間T1と第2の画素領域21Bに属する各画素21の露光時間T2とを等しくした状態のままで、SN比の良好な分光スペクトルデータをより高いダイナミックレンジで取得することが可能となる。
その他の変形例として、画素部11は、必ずしも第1の画素領域21Aと第2の画素領域21Bとに区分されていなくてもよく、一つの画素領域で構成されていてもよい。分光装置5は、ラマン分光測定装置1への適用に限られず、蛍光分光測定装置、プラズマ分光測定装置、発光分光測定装置といった他の分光測定装置に適用してもよい。また、分光装置5は、膜厚計測装置、光学濃度(Optical Density)計測、LIBS(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)計測、DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy)計測といった他の分光測定装置に適用してもよい。
1…ラマン分光測定装置、2…光源部、3…導光光学系、4…分光光学系、5…分光装置、8…解析部、10…撮像センサ(CMOSイメージセンサ)、11…画素部、13A…第1の読出部、13B…第2の読出部、14…特定部、15…生成部、21…画素、21a…受光面、21A…第1の画素領域、21B…第2の画素領域、21K…特定画素、31(31A~31E)…分光スペクトル像、41…マスク、L1…光、Lr…ラマン散乱光、T1…第1の露光時間、T2…第2の露光時間、V1…第1の画素領域の受光エリア、V2…第2の画素領域の受光エリア。
Claims (14)
- 分光素子を含む分光光学系によって所定の方向に波長分解された光を受光し、当該光の分光スペクトルデータを取得する分光装置であって、
前記波長分解された光を受光して電気信号に変換する複数の画素を有し、
前記複数の画素が波長分解方向に沿う行方向及び前記行方向に垂直な列方向に配列された画素部を有するCMOSイメージセンサと、
前記複数の画素のうち前記光の分光スペクトル像が結像する画素を特定画素として特定する特定部と、
同一列に属する前記特定画素の画素値を積算し、積算結果に基づく分光スペクトルデータを生成する生成部と、を備える分光装置。 - 前記特定部は、読み出しノイズが閾値を超える画素を前記特定画素から除外する請求項1記載の分光装置。
- 前記読み出しノイズの閾値は、0.1[e-rms]以上1.0[e-rms]以下の範囲に設定されている請求項2記載の分光装置。
- 前記特定部は、前記分光スペクトル像の結像面積が受光面の面積の50%以上となる画素を前記特定画素として特定する請求項1~3のいずれか一項記載の分光装置。
- 前記特定部は、前記光の収差情報に基づいて前記特定画素の積算比率を特定し、
前記生成部は、前記積算比率を用いて前記特定画素の画素値を積算する請求項1~3のいずれか一項記載の分光装置。 - 前記画素部は、
前記列方向に区分された第1の画素領域及び第2の画素領域と、
前記第1の画素領域に属する各画素を読み出す第1の読出部と、
前記第2の画素領域に属する各画素を読み出す第2の読出部と、を有する請求項1~3のいずれか一項記載の分光装置。 - 前記第1の画素領域に属する各画素の第1の露光時間は、前記第2の画素領域に属する各画素の第2の露光時間よりも短くなっている請求項6記載の分光装置。
- 前記第2の画素領域において1フレームの画像データを取得する期間に、前記第1の画素領域において複数のフレームの画像データを取得する請求項7記載の分光装置。
- 前記第1の画素領域に属する各画素の飽和電荷量と、前記第2の画素領域に属する各画素の飽和電荷量とが互いに異なっている請求項6記載の分光装置。
- 前記画素部は、前記第1の画素領域の受光エリアの面積と、前記第2の画素領域の受光エリアの面積とを等しくするマスクを有している請求項9記載の分光装置。
- 前記分光スペクトルデータを解析する解析部を更に備える請求項1~3のいずれか一項記載の分光装置。
- 前記分光素子を含む前記分光光学系を更に備える請求項1~3のいずれか一項記載の分光装置。
- 請求項1~3のいずれか一項記載の分光装置と、
試料に照射される光を生成する光源部と、
前記試料への前記光の照射によって発生したラマン散乱光を前記分光装置に導光する導光光学系と、を備えるラマン分光測定装置。 - 所定の方向に波長分解された光を受光し、当該光の分光スペクトルデータを取得する分光方法であって、
CMOSイメージセンサを用い、波長分解方向に沿う行方向及び前記行方向に垂直な列方向に配列された複数の画素で前記波長分解された光を受光して電気信号に変換する受光ステップと、
複数の画素のうち前記光の分光スペクトル像が結像する画素を特定画素として特定する特定ステップと、
同一列に属する前記特定画素の画素値を積算し、積算結果に基づく分光スペクトルデータを生成する生成ステップと、を備える分光方法。
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