JP3909856B2 - フォトダイオードの走査方法 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、光集積フォトダイオードの電子走査方法に関し、特に、各々が複数の光ビームで時分割される１個以上のフォトダイオードアレイを電子走査するための方法に関する。
米国特許５，００２，３９２号を、それを参照することによりその開示内容を本明細書に含めることとするが、そこには、複数のフォトダイオードアレイが、シャッター機構により同アレイに投影される光ビームで照射される多重チャネル光学式モニタシステムが開示されている。複数の単一ビームから成る複数の群がアレイの個々に投影され、各ビーム群内で、ビームはアレイに順次投影される。この結果各アレイが１ビーム群で時分割される。
光ビームの各々が１つの光チャネルを構成し、反応ウエルでの反応体の光学的分析を行うために、キュベット(cuvette)の反応ウエルを、次いで透過回析格子を通過する。フォトダイオードアレイは各々、アレイに達する各ビームのスペクトル分布に対応する電気信号を発生し、アレイは電子走査回路で定期的に読まれる。
前記特許に開示されているシャッター機構は、電動軸に装着された多数のカムエレメントを有する回転シャッターを備える。光ビームは、カムの回転面に平行な方向でカムに入射する。各カム機素は光チャネルの個々と整合され、又、各カムが特定回転期間中はそれと整合される光ビームを遮断し、残りの回転期間中は光ビームを通過させるように、１８０°より大きい切欠きセグメントを有する。回転シャッターが所定の順位でビームを順次通過させるように、カムの切欠きセグメントは相互に傾斜アレイされている。
各カムは、従って、各回転中に光路を開閉するシャッター機素を構成する。実際には、カムの各回転は４周期に分けることができる。第１周期は、カムが光ビームの光路を完全に阻止する回転の一部の期間中に生ずる。第２周期は、切欠きセグメントに接するカムの端がビームの光路を通過するときに生じ、この間、光ビームはフォトダイオードアレイに一部伝送される。これが開遷移(opening transition)である。第３周期は、ビーム光路がカムで妨害されず、それ故、全ビームがフォトダイオードアレイに十分に投影されるようにカムの切欠きセグメントが配置される際の開遷移の終わりに生じる。第４周期は、光ビームが再度部分的にのみフォトダイオードアレイに伝送されるように切欠きセグメントの他端がビーム光路を通過する際の閉遷移期(closing transition period)である。閉遷移期の終わりには、光チャネルが次の開遷移期迄に暗期（前記第１期）に入るように、光ビームは完全に阻止される。
米国特許５，００２，３９２号に開示されている電子走査回路は、走査時に補充されるそのｐ−ｎ接合の電子空乏のために、各フォトダイオード素子がそれに投影される光を集積することとなる電荷蓄積モードのオペレーションを有する。電子空乏の補充に必要な電荷量は、集積される光の尺度である。フォトダイオードアレイを電子走査するための電荷結合モードオペレーションは米国特許５，００２，３９２号及びそこに引用されている従来技術に開示の通り、良く知られている。
フォトダイオードアレイを走査するための電荷蓄積モードオペレーションは、高速で評価されなければならない数百の低レベル光信号が存在する環境が望ましく、且つ、各フォトダイオード素子に対する別個の増幅器の代わりに単一の電荷結合増幅器が必要とされるのみなので、前記オペレーションはコスト及びスペースの点から経済的である。
米国特許５，００２，３９２号に開示の電子走査を利用したマシンの開発の過程では、多数の実際的問題が発生した。例えば、フォトダイオードアレイへの光は、開成遷移時間及び閉成遷移時間を含めて、各回転シャッター機素が開いている全期間中集積された。理論的には、開成遷移時間及び閉成遷移時間は回転毎に当然一定であるが、実際には、走査毎にわずかな量のモータジッタが光信号にジッタを導入することが発見された。即ち、回転シャッターを駆動するモータにおけるモータジッタの結果として、開成遷移時間及び閉成遷移時間が回転毎に変動し、走査毎に異なる量の光が集積されるが、光路特性はこれ以外は不変である。かくて、走査毎の集積時間の変動が、測定対象の信号にエラーを導入し、キュベットの反応体に起きていることを正確に決定することが困難になった。
複数の光チャネルによるフォトダイオードアレイの時分割に関連して、明るく輝いていたそれ以前のチャネルの残留効果がそれに続くチャネルに観察され、従って、測定された信号が更に混濁することも発見された。
外側光チャネルの光度は、中央光チャネルの光度ほどには大きくないこともわかった。しかし、走査回路の増幅器の利得極値内にとどめるためには、光チャネルのつりあいをとることが望ましい。
発生した別の実際の問題は、ホストコンピュータがデータを集めて次の走査のために利得値を計算するのに利用できる時間量に関するものだった。特定すると、各走査中に集められたデータは、ホストコンピュータに送られる前にバッファーメモリに記憶される。走査データがバッファーメモリに記憶され、それと同時にデータがホストコンピュータによりバッファーから取得されることはなく、従って、一定時間がバッファーレジスタを空にするのに必要な場合には、バッファーメモリに記憶された全走査データがホストコンピュータにより利用されるようにするために、充分なデータ獲得時間、即ち、バッファーレジスタを空にしてホストコンピュータのメモリに記憶させるのに必要な時間を獲得できることが重要である。従って、理にかなった範囲でできるだけ多量のデータの獲得時間を提供するためには、走査順序を最適化することが望ましい。
発明の概要
本発明の一目的は、前記問題点が回避された、特に、走査信号に対するモータジッタの影響が回避されたフォトダイオードアレイ走査方法を提供することである。
本発明の別の目的は、複数のビームで時分割されるフォトダイオードにおける明るく照明されたそれ以前のチャネルの残留効果を除去することである。
本発明の更に別の目的は、走査データをバッファーメモリからホストコンピュータに転送するための有効データ獲得時間を長くするように複数のフォトダイオードアレイの電子走査を最適化することである。
上記及び他の目的は、本発明により、光ビームにより照射されるフォトダイオードを、光ビームがアレイに部分的に投影される開成遷移時間及び閉成遷移時間を有しており光ビームによるフォトダイオードの十分な照射のための開成遷移時間と閉成遷移時間との間の期間中は十分に開いているシャッター機構により電子走査する方法により達成され、同方法は、
シャッター機構が十分に開く開成遷移時間後に始まり、シャッター機構がまだ十分に開いている閉成遷移時間の開始まえに終了する所定時間間隔中に光ビームによりフォトダイオードに投影される光を集積し；同所定時間間隔中にフォトダイオードにより集積される光に対応する電気信号を発生させる；段階を含む。
本発明の別の特徴により、個々の光ビームで順次照射される時分割フォトダイオードアレイを、個々の光ビームがアレイに部分的に投影される開成遷移時間及び閉成遷移時間を有しており、アレイが光ビームで十分に照射されている開成遷移時間と閉成遷移時間との間の十分に開いている期間を有するシャッター機構、により電子走査する方法が提供され、同方法は、シャッター機構が十分に開いている開成遷移時間後にフォトダイオードアレイに投影される各光ビームに対して光集積期間を開始し；この光集積期間を、所定時間後に、かつ、シャッター機構がまだ十分に開いている閉成遷移時間開始前に終了し；光集積期間の終わりにアレイのフォトダイオードの各々により集積された光に対応する信号を発生させる；段階を含む。
即ち、シャッターが十分に開いている所定期間中のみ光を集積することにより、各シャッター機素の開成遷移時間及び閉成遷移期間を延長或いは短縮するモータジッタの影響を完全に回避できる。
更に、本発明の別の特徴により、アレイに投影される一連の光ビームの間の暗期間中にフォトダイオードを走査して、暗期間中にフォトダイオードをリセットする。これにより、同じアレイを時分割した明るく照射されたそれ以前のチャネルの桁上げ効果が最小となる。
本発明の別の特徴により、複数のフォトダイオードアレイを、個々のビームの別の群による照射のために配置し、各群の個々のビームをアレイの個々に順次投影し、各アレイを、上記と同様な方法で、但し、フォトダイオードアレイの各々に光ビームを集積するための所定時間間隔を選択的に設定することを更に含む方法で走査する。本発明のこの特徴により、チャネル間の光度が均一でなくても、チャネルを相互に釣り合わせることが可能になる。例えば、米国特許５，００２，３９２号記載のタイプの多重チャネルアナライザに関連して、もし外側チャネルよりも内側即ち中央のチャネルで光がより明るいとすれば、本発明の走査機構により、外側チャネルの集積時間を延ばし、中央チャネルの集積時間を短縮して、アレイを走査する時に発生する電気信号の釣合をとることが可能になる。このようにして信号の釣合をとると、それらと電荷結合増幅器に続く電子回路での増幅器利得域との適合性が高められる。
本発明の他の目的、特徴、利点は、図面と関連させた以下の詳細な記載から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の走査方法が役立つ光学式モニタシステムの既知例を示す略図である。
図２は、図１のシステムで使用される既知回転シャッターの正面図である。
図３は、図２に図示される回転シャッターのオペレーションを説明する略図である。
図４は、回転シャッターのオペレーションと、本発明の走査方法のオペレーション原理を説明するのに使用されるタイミング線図である。
図５は、本発明の走査方法を実施するための電子回路のブロック回路図である。
発明を実施するための最良の形態
図１は、本発明の走査方法を利用できる多重チャネル光学式アナライザの略図である。図１に図示される多重チャネル光学式アナライザは、参照として本明細書に含められている米国特許５，００２，３９２号により詳細に記述されており、本明細書では、本発明の理解に必要な程度に簡略に記述するのみとする。
図１に示される通り、広帯域スペクトル光源１が、スリットパターンを有するビーム４を通過させるスリット形成装置３に向けて光を投影する。短焦点距離コリメータ５がスリットに続き、スリットパターンのビーム４を無限大に投影し、これによりゆっくりと広がるビーム６を形成するのに使用する。ビーム６は、光学的にモニタされる反応体を含む反応ウエル７の数に対応する複数の個々のビーム１６にビーム６を分割するための複数の口１５を有するマスク１３で遮断される前にミラー９、１０及び１１で数回曲げられる様子が示されている。反応ウエル７は、ステーションからステーションへ矢印８の方向へ漸進的に移動し、各ステーションは個々のビーム１６の個々の光路に対応する。各光ビームは本明細書では、光チャネルとも呼ぶ。図１には８個の光チャネルのみが図示されているが、マシンに組み込まれる光チャネルの数は設計上の選択による。例えば、本出願の譲受人より開発されたマシンの一例では、１５の光チャネルがあり、これは、マスク１３により形成された１５の光ビームがあり、キュベットの各反応ウエルが各光チャネルを通って漸進的に移動し、各反応ウエルは、その反応体を透過する光ビームのスペクトルの何らかの変化を検出するために反応体が光学的にモニタされるのに十分長く各ステーション或いはチャネルに滞留したことを意味する。
反応ウエル７の通過後に、ビーム１６は、反応ウエル７中の反応体により透過されるビームを順次通過させる回転シャッター１７により遮断される。シャッター１７を通過するビームは既知方法で伝送回析格子１９により回析される。図１は、４つの対応フォトダイオードアレイ２３上に回析ビームを焦準するための４つの対応焦準レンズ２１が後に続く４つの回析格子１９を示す。反復になるが、回析格子、焦準レンズ及びフォトダイオードアレイの数は、光チャネルを時分割する方法に依存する設計上の選択である。フォトダイオードアレイ２３は、各回析ビームのスペクトルが、アレイの個々の直線配列フォトダイオード素子と交差するように配置される。このシステムの光学的特性は、各アレイ２３の中央素子が、スリット３の光学的共役体であるというようなものである。フォトダイオードアレイ２３は各々、アレイに到達するスペクトル分布に対応する電気信号を発生する。アレイ２３は、電気信号をデジタル信号に変換し、以後の処理及び評価のためにこのデジタル信号をコンピュータメモリに記憶するためにフォトダイオードを順次走査する走査・記録エレクトロニクスに接続されている。
図２に示される通り、回転シャッター機構１７は、モータ３４で駆動される軸３３に装着された多数のカム（シャッター）機素３１を備える。図２は、Ｃ−１からＣ−１５と番号が付された１５のカム機素３１を示し、これらは、図１に示されるマスク１３の窓１５を通過するビーム１６の個々と各々整合するように光学式モニタシステム中に配置されている。各機素３１は、シャッター機構１７の回転によりビーム１６の個々が各カム機素の回転位置に依存して阻止されるか通過するように取り除かれたセクタを有する。同一サイズのセクタ、例えば、２４０°、が各カムから切り取られる。この切欠きセクタが相互に傾斜配置されて、フォトダイオードアレイ２３へ通過するビーム１６の所望のタイミング順位を生じるように、カム３１は軸３３に固定される。
図３は、各カム機素３１、特定すると、図２の最も左側の一番目の位置にあるカムＣ−１、を示す。図３に示される通り、カム機素Ｃ−１は、光ビーム１６を伝送するのに十分に開いた位置にある。カム機素が矢印３２の方向に回転するとカム機素の端３１Ａがビーム１６を徐々に遮断し、この場合に、それはカム機素の回転Ｒの周期を出て、ビームがカム機素により十分に阻止される迄漸進的にビーム１６を阻止することがわかるであろう。これを本明細書では、カム機素の閉成遷移期と呼ぶ。カム機素が回転を続けるにつれて、カム機素の端３１Ｂがビーム１６を通過して、カム機素の回転Ｒの周期に入り、ビームが図３に図示されるカム機素を十分に伝送される迄、ビームの伝送路を漸進的に開く。これを本明細書では、カム機素の開成遷移期と呼ぶ。
図２及び３を併せて参照すると、光トランスミッタを備える光電子回路４０は、光ビームを光レシーバ４２に向ける。このビームは、同期ディスク３９により、かかるディスク３９のスロット３９Ａが光トランスミッタ４１と光レシーバ４２との光路中にある時間を除いては遮断される。それ故、電気同期信号が、スロット３９Ａがビームを通過させる毎に光レシーバ４２により発生する。光レシーバ４２により生じる同期信号は後述する走査回路に送られる。
図４は、本発明の方法のオペレーション原理が明らかとなる例示的なシャッター・走査タイミング図を示している。図４に図示されるタイミング図は、１５の光ビーム（チャネル）Ｌ−１〜Ｌ−１５と５つのフォトダイオードアレイ２３、即ち、アレイＡ〜Ｅ、が存在する例に基づく。この例では、各フォトダイオードアレイＡ−Ｅは、図２に図示されるようなシャッター機構を利用する図１に図示されるような光学システムによりフォトダイオードアレイの個々へ順次投影される３本のビームで時分割されている。即ち、回転シャッター１７、回析格子１９及び焦準レンズ２１により、フォトダイオードアレイＡはビームＬ−１〜Ｌ−３を順次受け取り、フォトダイオードアレイＢはビームＬ−４〜Ｌ−６を順次受け取り、フォトダイオードアレイＣはビームＬ−７〜Ｌ−９を順次受け取り、フォトダイオードアレイＤはビームＬ−１０〜Ｌ−１２を順次受け取り、フォトダイオードアレイＥはビームＬ−１３〜Ｌ−１５を順次受け取る。０°と３６０°のラインが、回転同期ディスク３９から生じる基準時間位置である。垂直な時間分割ライン１００は、前記走査回路を駆動する電子クロックにより生じるタイミングに対応する３．１２５ｍｓだけ隔てられている。図４に０°と３６０°との間に図示されているシャッター・走査タイミングは、図２に図示されるシャッター機構の十分な各回転から生じる。即ち、シャッター機構の各回転中に、各フォトダイオードアレイＡ−Ｅは、前述通り、光ビーム即ち光チャネルにより時分割される。
以下、タイミング図の説明をするために、フォトダイオードアレイＡを照射する光ビームＬ−２を参照する。光ビームＬ−２の伝送は、カム機素Ｃ−２の回転により制御される。光ビームＬ−２は、時間ＢＯに始まる開成遷移期ＯＴを有し、この間は光ビームＬ−２は、カム機素Ｃ−２がフォトダイオードアレイＡへ全光ビームを伝送するための十分に開いた（非阻止）位置にある時間ＦＯ迄は、フォトダイオードアレイＡにカム機素Ｃ−２により部分的にのみ送られる。カム機素Ｃ−２は、その端３１Ａ（図３）が光ビームの経路中に移動して、光ビームＬ−２が十分に阻止される時間ＦＣに停止する閉成遷移時間を開始させる時間ＢＣ迄は十分に開いた（非阻止）位置に留まる。タイムマークＦＯとＢＣの間の斜ビーム部分は、フォトダイオードアレイが実際に光を集積している期間を表す。明らかなとおり、光集積はタイムマージンＭ１後に始まり、タイムマージンＭ２前に終わる。タイムマージンＭ１及びＭ２は、カムがその十分に開いた位置に到着した直後でかつその閉成遷移を開始させる直前である組込み期間であり、光集積が、カム機素Ｃ−２を通過する光路が遮断されない期間中に生じることを確実なものとしている。光ビーム２に関する以上の論述は、他の光ビームの各々に当てはまり、重要な点は、各カム機素が十分に開いた光路を提供する期間に光は単に集積されるということである。従って、開成遷移時間及び閉成遷移時間中は光は集積されないが、各カム機素が前述通り十分に開いた位置にある時間のみの間に集積されるという点で、回転シャッター機構を駆動するモータのジッタに起因するいかなる影響も完全に除去される。
各光集積期間は、フォトダイオードアレイのリセットで開始され、フォトダイオードアレイの走査、アレイ中のフォトダイオード素子の各々により集積された光量を表す信号の発生により終わる。
このスキャナーエレクトロニクスは、フォトダイオードアレイの電荷蓄積モードオペレーションに基づく。電荷蓄積モードオペレーションでは、フォトダイオードは、光がアレイの各フォトダイオードに衝突すると光子によりｐ−ｎ接合から電子が導出されるという点で、所定期間中光子を集積して電気変換する。フォトダイオードの寄生キャパシタンスに貯蔵された電荷は、光が増大すると電荷担体を空にする。電荷損失量は、フォトダイオード素子を十分に（或いはほぼ十分に）再充電するのにどれだけの電荷が必要かを測定することにより決定でき、これは、ダイオードに接続された電荷結合増幅器により達成される。電荷結合増幅器の出力は、集積電気信号を反映する。
フォトダイオードのリセットオペレーションは、実際には、光集積が電荷初期値で始まるように、フォトダイオードアレイを走査し、これによりフォトダイオードの各々から空乏した電荷を補充することにより行う。光集積期の終わりに、フォトダイオードアレイを電荷蓄積モードオペレーションにより再走査する。フォトダイオードアレイをリセットするために光集積開始時に行われる走査と、光集積期の終わりに行われる走査との相違は、光集積期の終わりに発生する損失電荷の尺度を表す信号が記憶されるという点である。一方、リセットオペレーション中の光集積開始時に発生する走査信号は記憶されない。
本発明の更に別の特徴により、各フォトダイオードアレイは、アレイを照射する各光チャネルの間の暗期の間に走査される。この暗期中の走査の目的は、それ以前のチャネル（光ビーム）からのアレイへのいかなる影即ち桁上げ効果(carry-overeffect)も除去することである。従って、例えば、光ビームＬ−２とＬ−３の間の暗期中にフォトダイオードアレイＡを走査して、光ビームＬ−２から残存しているなんらかの残留空乏電荷を補充して、フォトダイオードアレイＡを光ビームＬ−３の光集積期の始めに反復可能値に確実にリセットする。
図４の下部には、タイミング図に交差する３列がある。中列Ｃは、現在走査されているチャネルの番号、Ｌ−１〜Ｌ−１５を示し、スペースの制限により、接頭辞Ｌは番号から省略されている。下列Ｐは、現在走査されている光チャネルにより照射されているフォトダイオードアレイ、Ａ〜Ｅ、を示す。上列Ｓは、現在行われている走査が暗期中（Ｄ）、即ち、フォトダイオードアレイのリセット（Ｒ）が目的なのか、光集積を表すデータを記憶する有効データのための実際の走査Ｓであるかを示している。
従って、０°時間ラインの後の最初の３．１２５ｍｓ期間中は、図４のタイミング図は、光チャネルＬ−６とＬ−４との間の暗期中にフォトダイオードアレイＢが走査されていることを示している。０°時間ラインの後の第２の３．１２５ｍｓ期間中は、フォトダイオードアレイＡをリセットしてチャネルＬ−１に対する光集積を開始する。次の２つの３．１２５ｍｓ期間中は、チャネルＬ−１からの光はフォトダイオードアレイＡに集積され続けるが、フォトダイオードはいずれも、いかなる目的のためにも走査されない。これは、列Ｐ中の０°時間ラインの後の第３、第４のボックス中にＸで示される。第５の３．１２５ｍｓ期間では、チャネルＬ−９後の暗期中にフォトダイオードアレイＣが走査されている。フォトダイオードアレイは列Ｐに示す順位で走査され続ける。
有効データは、列ＳにＳで示される期間中に単に収集される。明らかな通り、走査が有効データを発生する最初は、０°時間ラインに続く１０番目の３．１２５ｍｓ期間におけるチャネルＬ−１に対する光集積間隔の終わりである。列Ｓ中のボックスの１５番目中にＳがマークされており、これは、それら期間中に行われたフォトダイオードアレイの走査が、フォトダイオードアレイに集積された光を表す有効データを収集する目的であることを意味している。
本発明の別の特徴により、フォトダイオードアレイの個々に対する光集積間隔の長さは、出力信号が信号測定回路中の増幅器の利得域と適合性を保つようにチャネルが相対的に釣り合ったままであるように、調整される。即ち、図１の末広ビームの光度は、中央チャネルでの光度が外側チャネルでのものより強いように、中央領域から外側領域にかけて低下することが実際に発見された。従って、チャネル出力を釣り合わせるために、本発明の方法により、光集積間隔の長さを、フォトダイオードアレイＣに集積される中央チャネルＬ−７、Ｌ−８及びＬ−９から徐々に、フォトダイオードアレイＡに集積される最も外側の光チャネルに向けて増加させる。従って、例えば、チャネルＬ−７、Ｌ−８及びＬ−９に対するフォトダイオードアレイＣでの光集積間隔の長さを１８．７５ｍｓとすることができ、フォトダイオードアレイＢでの光チャネルＬ−４、Ｌ−５及びＬ−６と、フォトダイオードアレイＤでの光チャネルＬ−１０、Ｌ−１１及びＬ−１２とに対する光集積間隔は２１．８７５ｍｓであり、フォトダイオードアレイＡでのチャネルＬ−１、Ｌ−２及びＬ−３と、フォトダイオードアレイＥでの光チャネルＬ−１３、Ｌ−１４及びＬ−１５とに対する光集積間隔は２５ｍｓであり、これは図３のタイミング図で図示されるシナリオによる。光集積が同期信号中には起きないようにするために、チャネルＬ−１５での光集積は任意に短縮される。
明らかに、フォトダイオードアレイＥでのチャネルＬ−１５の有効データ走査に続く１０回の３．１２５ｍｓ間隔中は有効データは収集されないので、３１．２５ミリ秒という期間をデータ獲得に利用でき、この間、シャッターの十分な回転中に収集され、バッファーメモリに記憶される有効データを処理、分析のためにホストコンピュータに転送できる。
図５は、図４のタイミング図に描かれたフォトダイオードアレイの走査を達成するのに利用できる電子回路のブロック回路図を示す。図５のブロック回路図は、米国特許５，００２，３９２号の図６のブロック回路図に類似しており、主要な相違は、フォトダイオードアレイの走査のための適当な順位でマルチプレクサのアドレス指定をする１２ビットカウンタの代わりにＥＰＲＯＭを使用することにある。
図５に示される通り、５１．２ＫＨｚの基本周波数を有する自走オシレータの形態とすることができる、クロックはクロックパルス信号を同期カウンタ１１２のクロック入力に供給し、その出力は４つの位相ジェネレータ１１４とアドレスジェネレータ１１６とに送られる。同期カウンタ１１２とアドレスジェネレータ１１６とは、回転シャッター機構１７の各回転に際して、同期ディスク３９により発生する同期パルスにより各々リセットされる。
４つの位相ジェネレータ１１４は、カウンタ１１２の同期出力を受け取り、米国特許５，００２，３９２号に記載のものに類似した方法でスキャナーエレクトロニクスを駆動するための基本的タイミング信号に使用される別々のラインに、本発明では位相Ａ−Ｄと呼ぶ４つの順次パルスを発生するデコーダを備える。フォトダイオードアレイの１つにおける単一フォトダイオードの走査には、４つの位相Ａ〜Ｄの全てを経る１つの完全サイクルが必要である。
アドレスジェネレータ１１６は１２ビットカウンタを備え、その下位３ビットであるＭＡ０〜ＭＡ２が２５個のマルチプレクサＭ１〜Ｍ２５の各々に、２５個のマルチプレクサの個々に接続されている８個のフォトダイオードからなる各群において８個のフォトダイオードのうちから１個を選択するために送られる。各フォトダイオードアレイＡ〜Ｅは４０個のフォトダイオードを有し、合計２００個であり、これらが１群８個のフォトダイオードからなる２５群で走査される。アドレスジェネレータ１１６の上位８ビット、即ち、ビットＭＡ３〜ＭＡ１１、は適当なマルチプレクサをイネーブルとするためにＥＰＲＯＭ１１８にアドレスとして入力される。
ＥＰＲＯＭ１１８のメモリセルに記憶される２進重み付け値(binary weighted value)は、図４に描かれる走査の達成に必要な順位でマルチプレクサをイネーブルとするためにマルチプレクサＭ１〜Ｍ２５の個々に接続された２５個の出力ＭＥ０〜ＭＥ２４を有する２進デコーダ１２０に選択的に出力される。即ち、アドレスジェネレータ１１６により数字でアドレス指定されているＥＰＲＯＭ１１８のメモリセルは、２進重み付け値を有し、これを復号する時には、フォトダイオードアレイＡ〜Ｅが、図４の列Ｐに示される順序と時間順位で走査されるように、適当な順序で２５個のマルチプレクサＭ１〜Ｍ２５をイネーブルとする。フォトダイオードアレイが図４の列Ｃに図示される様々な光チャネルＬ−１〜Ｌ−１５により照射される順位のために、フォトダイオードアレイの各走査は暗期中か、或いは、光集積期間の開始時のフォトダイオードアレイのリセットのためか、或いは、有効集積データを収集する光集積期間の終わりにおけるフォトダイオードアレイの走査のためのいずれかである。これら３つの異なるタイプの走査は前述通り、図４の列Ｃに描かれている。
適当なマルチプレクサをアレイの走査に対してイネーブルとすることに加えて、ＥＰＲＯＭ１１８の０５出力を有効データ信号を発生するために「高」に設定するように、ＥＰＲＯＭ１１８のメモリセルに記憶される２進値に適当に重み付けすることにより、ある所与のフォトダイオードアレイの光集積期間の終わりのＳ走査中に有効データは収集される。
マルチプレクサＭ１〜Ｍ２５の出力は、電荷結合増幅器１２０の出力に接続される。即ち、イネーブルされたマルチプレクサをそれが接続されている８個のフォトダイオードを経て一巡させるアドレスジェネレータ１１６のＭＡ０〜ＭＡ２出力と共に、ＥＰＲＯＭ１１８に記憶される走査表で決まる順位で、フォトダイオード素子は、電荷結合増幅器１２０の出力に順次接続される。電荷結合増幅器１２０にフォトダイオードが接続される都度、走査信号が、走査されたフォトダイオードのｐ−ｎ接合から空乏した電荷量を表す電荷結合増幅器１２０の出力で発生する。フォトダイオードを光集積期間の終わりに走査する時には、走査信号は集積期間中に集積する光量に対応する。電荷結合増幅器１２０の出力は、米国特許５，００２，３９２号記載のものに類似した方法での増幅、ろ波、Ａ／Ｄ変換等のための電子処理回路１２２へ入力される。前述通り、光集積期間の終わりに行われる走査には、走査データをデータ獲得期間中にホストコンピュータ（図示せず）に転送する前にローカルに一時的に記憶できるように、電子処理回路とバッファーメモリボード１２６との間に接続されたゲート１２４をイネーブルとする有効データ信号が伴う。
図４に示される通り、光チャネルＬ−１５に対する光集積期間とチャネルＬ−１５に対する暗走査期間との終わりから続くデータ獲得期間中に、ＥＰＲＯＭ１１８の出力０６を「高」に設定して,バッファーメモリボード１２２にそのデータをホストコンピュータに出力せしめるためのデータ獲得信号を発生させることを確実とする２進値で、ＥＰＲＯＭ１１８の適当なメモリセルは、重みを付けられる。
図５に図示される走査エレクトロニクスのオペレーションを、例示として以下に記述する。図４に図示される走査順位が０°時間ラインとなるように、同期パルスを同期カウンタ１１２とアドレスジェネレータ１１６とのリセットのために発生させたばかりと仮定する。図４に示される通り、この時点で、光チャネルＬ−１はフォトダイオードアレイＡを十分に照射しており、暗期中のフォトダイオードアレイＢの走査が光チャネルＬ−６とＬ−４との間で始まり、フォトダイオードアレイＣは光チャネルＬ−９とＬ−７との間の暗期に付されており、フォトダイオードアレイＤは光チャネルＬ−１２に対して閉成遷移期間にあり、フォトダイオードアレイＥは光チャネルＬ−１５で十分に照射されているが、有効データのために既に走査されている。
フォトダイオードアレイＢの４０個のフォトダイオード素子を走査するには、マルチプレクサＭ６〜Ｍ１０を順次イネーブルとする必要がある。各マルチプレクサＭ６〜Ｍ１０は、フォトダイオードアレイＢの８個のダイオードを電荷結合増幅器１２０に順次接続する。マルチプレクサＭ６〜Ｍ１０を順次イネーブルとすることにより、フォトダイオードアレイＢの４０個のフォトダイオード素子の全てが走査される。
暗間隔中及びデータ獲得間隔中のフォトダイオードアレイＢの走査には、ＥＰＲＯＭ１１８のデータ獲得出力を「高」に設定し、有効データ出力を「低」に設定し、２進デコーダ１２０のＭＥ５出力をイネーブルとするアドレスジェネレータ１１６によりアドレス指定された第１セルに２進重みが必要である。マルチプレクサＭ６は、入力ＭＡ０−ＭＡ２がフォトダイオードアレイＢの８個のフォトダイオード素子を経て一巡する迄はイネーブルのままである。従って、フォトダイオードアレイＢの最初の８個のフォトダイオード素子Ｅ１６０〜Ｅ１６７の出力を、既知方法でフォトダイオード素子から空乏している電荷を補充し、かつ、空乏電荷の尺度である出力を発生させる電荷結合増幅器１２０に順次結合させる。次いで、電荷結合増幅器１２０の出力を米国特許５，００２，３９２号記載のものに類似した方法で電子的に処理するが、ゲート１２４が有効データ信号でイネーブルとなっていないので、データはどこに行くこともない。フォトダイオードアレイＢの残りのフォトダイオード素子を、マルチプレクサＭ７〜Ｍ１０を順次イネーブルとすることにより同様な方法で走査する。これは、アドレスジェネレータ１１６によりアドレス指定されるＥＰＲＯＭ１１８の次の４個のメモリセルで１だけ２進重みを増やすことにより行われる。
図４の列Ｐを参照すると、０°時間ライン後に走査すべき第２のフォトダイオードアレイは、走査されてそのフォトダイオード素子をリセットして光チャネル番号Ｌ−１に対して光集積間隔を開始するフォトダイオードアレイＡである。従って、アドレスジェネレータ１１６により順次アドレス指定されるＥＰＲＯＭ１１８の次の５個のメモリセルは、マルチプレクサＭ１〜Ｍ５を順次イネーブルにし、ＥＰＲＯＭ１１８のデータ獲得信号を高レベルに、有効データ出力を低レベルに設定し続ける２進重みを有する。フォトダイオードアレイは、ＥＰＲＯＭ１１８にプログラムされた走査表により図４の列Ｐにより示される順位で走査され続ける。各光チャネルに対する各光集積間隔の終わりに行われるＳ走査では、アレイの各フォトダイオード素子により集積される光の尺度を表す電荷結合増幅器１２０の出力での信号がバッファーメモリボード１２６に記憶されるように、ゲート１２４をイネーブルとするためにＥＰＲＯＭ１１８の有効データ出力を高に設定することが必要となる。
前述通り、４つの位相ジェネレータ１１４が、図５に図示される走査エレクトロニクスに対する基本的タイミングを設定する。位相Ａ中は、電荷結合増幅器１２０の集積キャパシタ（図示せず）を、位相Ｂ中に電荷結合増幅器１２０が現在走査されているフォトダイオード素子からの信号を受け取る準備ができているようにリセットする。位相Ｃ中に適当なマルチプレクサを２進デコーダ１２０の出力によりイネーブルとし、これは、同マルチプレクサが接続している８個のフォトダイオード素子を、マルチプレクサへのＭＡ０−ＭＡ２出力の制御下にある電荷結合増幅器に順次接続されるようにするためである。位相Ｄ中は、米国特許５，００２，３９２号に開示のものに類似した方法で信号が増幅、ろ波され、デジタル信号に変換される電子処理回路１２２を信号は通過する。次いで、データを、ゲート１２０を開く有効データ信号Ｓが存在する場合のみにバッファーメモリボード１２２に送り、記憶するが、同場合は、フォトダイオード素子を図４に示される通りに光集積間隔の終わりに走査しようとする時にのみ発生する。前述通り、有効データを１５の光チャネルの全てに対してバッファーメモリボードに記憶した後に、ＥＰＲＯＭ１１８をプログラム処理して、バッファーメモリボードに記憶されたデータをホストコンピュータに転送することを可能にするデータ獲得信号を発生させる。図４に示される通り、ＤＡＣＱ信号は、チャネルＬ−１５に対する光集積期間の終わりのフォトダイオードアレイＥのＳ走査の値後、かつ、チャネルＬ−１の光集積期間の終わりのフォトダイオードアレイＡのＳ走査の直前に開始する間隔のために存在する。かくて、データ獲得間隔は、図４に示される３．１２５時間間隔の約１０を占め、これは、バッファーメモリボードからホストコンピュータへデータを転送するのに十分な時間を提供するものである。
本発明に関する以上の記載は様々な改良、変更及び適用を可能とするものであり、かつ、それらが、添付された請求の範囲の均等物の意味、範囲内に包含されることを意図されていることは理解されるであろう。

Claims (6)

1. フォトダイオードに入射する光の量に依存してフォトダイオードのｐ−ｎ接合から電荷が空乏する電荷蓄積モードオペレーションの、複数のフォトダイオードを備えたフォトダイオードアレイを電子的に走査する方法であって、フォトダイオードアレイは、光ビームの個々がアレイに部分的に投影される開成遷移時間及び閉成遷移時間を有するシヤッター機構により個々の光ビームで順次照射され、シャッター機構は、各光ビームによりフォトダイオードを十分に照射するために開成遷移時間と閉成遷移時間との間の期間中は十分に開いており、前記方法が、
   空乏電荷を補充することにより、アレイのフォトダイオードをリセットし、かつ光集積期間を開始するために、シャッター機構が十分に開いている前記開成遷移期間後に１度目のフォトダイオードアレイの走査を行う段階と、
   空乏電荷を補充することにより、光集積期間を終了するために、フォトダイオードアレイの２度目の走査を、１度目の走査から所定時間間隔後で、かつ、前記閉成遷移時間の開始前に行い、光集積期間の終わりに各フォトダイオードに対する空乏電荷を補充するのに必要とされた電荷量を測定する段階と、
   測定電荷量を表す信号を記憶する段階と、
   シャッター機構によりフォトダイオードアレイに投影される以後の各々の光ビームに対して以上の段階を繰り返す段階とを含む方法。
2. 残留空乏電荷を補充することによりフォトダイオードアレイに投影される一連の複数の光ビームの間の暗期間中に３度目のフォトダイオードアレイの走査を行うことを更に含む請求の範囲第１項記載の方法。
3. 前記の各アレイに対して前記方法を実行するための共通電子走査回路に接続された複数のフォトダイオードアレイが存在し、前記方法が、アレイの各々に光を集積するための前記所定時間間隔を選択的に設定することを更に含む請求の範囲第１項記載の方法。
4. 複数の光集積フォトダイオードアレイを電子的に走査し、アレイが所定の順序で光ビームにより繰り返し照射される、請求の範囲第１項に記載の方法であって、
   所定の順序でかつ各アレイが各ビームで照射されている間にアレイの１度目の走査を行い各アレイのフォトダイオードを初期状態にリセットする段階と、
   １度目の走査から所定間隔後で、かつ、アレイが各ビームでまだ照射されている間に各アレイの２度目の走査を行い、所定間隔中にアレイのフォトダイオードにより集積された光の量を表す信号を生成する段階と、
   ２度目の走査段階で生成された信号を記憶する段階とを含む方法。
5. ２度目の走査から所定間隔後で、かつ、アレイが光ビームで照射されていない暗期間中に各アレイの３度目の走査を行い、暗期間中にアレイのフォトダイオードをリセットすることを更に含む請求の範囲第４項記載の方法。
6. 各光ビームの光度に応じて、各アレイに対して所定の集積時間間隔を選択的に設定することを更に含む請求の範囲第４項記載の方法。

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