JPH06510128A - 走査フォトダイオード - Google Patents

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】 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ビ一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、反応ウェルでの反応体の光学的分 析を行うために、キュベツト（ｅｗマｅｌｌｅｌの反応ウェルを、次いで透過回 折格子を通過する。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し、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　Ｉ＋ｔ＋＋＋１ｌｉｏｎ）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、光ビームが再変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ｆｃｌｏ＋ｉｎｇ　Ｉｚｎ＋１ｌｉｏｎ　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晴朗（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ンヨンは米国特許５，００ ２，３９２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１−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、各回転ンヤ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、走査毎にわずかな最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、回転ンヤノ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、キュベツ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は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 のっ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、理にが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晴朗 間中にフォトダイオードを走査して、晴朗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、回転ンヤ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、 本明細叢では、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ェル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。反応ウェル 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、キュベツトの各反応ウェルが各光チャネルを通って漸進 的に移動し、各反応ウェルは、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。

反応ウェル７の通過後に、ビーム１６は、反応ウェル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折格子１９により回折される。図１は 、４つの対応フォトダイオードアレイ２３上に回折ビームを黒率するための４つ の対応黒率レンズ２１が後に続く４つの回折格子１９を示す。反復になるが、回 折格子、照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、各回折 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３ ３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、ンヤソター機構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３」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。光レンーバ 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顛次投影される 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、回折格子１９及 び黒率レンズ２１により、フォトダイオードアレイＡはビームｌ７−１〜Ｌ−３ を順次受は取り、７オトダイオードアレイＢはビームＬ−４〜Ｌ−６を順次受は 取り、フォトダイオードアレイＣはビーム■、−７〜Ｌ−９を順次受は取り、フ ォトダイオードアレイＤはビームＬ　−１０〜Ｌ−１２を順次受は取り、フォト ダイオードアレイＥはビームＬ−１３〜Ｌ−１５を順次受は取る。０°　と３６ ０°のラインが、回転同期ディスク３９から生し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、１２５ｍ５だけ隔てられている。図４に０１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１分な各回転から生じる。即ち、ンヤ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ｌ７−２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 迄は七分に開いた（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量１ 後に始まり、タイムマージン量２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 オペレーンジンに基づく。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て、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ジジ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７オ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晴朗の間に走査される。この暗部中の走査の目的は、それ以 前のチャネル（光ビーＬ、　）からのアレイへのいかなる影即ち桁」二げ効果（ ｅｘ＋＋７−ｏマｅｔ＋Ｉｌｅ＋ｌ）も除去することである。従って、例えば、 光ビームＬ−２と■、−３の間の晴朗中に７オトダイオードアレイ八を走査して 、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１、−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、スペースの制暇により、接頭 辞し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 われている走査が晴朗中（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 Ｖ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３．１２５ｍ５期間中は、図４のタイミン グ図は、光チャネルＬ−６とＬ−４との間の晴朗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３．１２５ｍ ５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Ｉ、−１に対す る光集積を開始する。次の２つの３．１２５ｍ５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、いが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３．１２５ｍ５期間では 、チャネルＬ−９後の晴朗中に７オ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ｆ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Ｖ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３．１２５ｍ５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Ｖ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を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１譜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 ビームの光窄は、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■７−７、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、■、−８及びＬ−９ に対するフォトダイオードアレイＣての光集積間隔の長さを１８．７５ｍ５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 ■。

−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 ■、−１２とに対する光集積間隔は２１．８７５ｍ５であり、フォトダイオード アレイＡでのチャネルＩ、−１、Ｌ　−、−２及び■７−３と、フォトダイオー ドアレイＥでの光チャネルＬ−１３、Ｌ　−１，４及びＬ　、−、１５とに対す る光集積間隔は２５ｍ５であり、これは図３のタイミング図で図示されるノナリ 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−１ ５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３．１２５ｍ５間隔中は有効データは収集されないので、３１．２ ５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】−２ビツトカウンタの代わりにＥ　Ｐ　ＲＯＭを使用する ことにある。

図５に示さオ］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 のクロック人力に供給し、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とアドレスジエネレータ １１６とは、回転ンヤッター機構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ビツトカウンタを備え、その下位３ビツトで あるＭＡＯ〜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＠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７ オトダイオードアレイ八〜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ビツト、即ち、ビットＭＡ３〜ＭＡＩＬ、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進重み付は値（ｂｉｎ暑＋７　ｗ ｅｉｇｈｔｅｄ　ｔｌｉｕｅ　）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ＭＥＯ〜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措定されているＥＰＲ ＯＭ１１８のメモリセルは、２進重み付は値を有し、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 は晴朗中か、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７オトダイオードアレイの光集積期間の終わりのＶ 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ＭＡＯ〜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１ ２０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−〇接合が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がら続くデータ獲得期間中に、ＥＰＲＯＭ１ １８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ベレーンヨンを、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Ｏ。

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）エネレ 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、晴朗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 の間の晴朗に付されており、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〜ＭＩＯ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〜ＭＩＯ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〜ＭＩＯ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、ＥＰＲ ＯＭ１１８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ＭＡ　Ｏ−ＭＡ　２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５，００２，３ ９２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 〜ＭＩＯ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Ｉ、−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ＥＰＲＯＭＩ 　１８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、ＥＰＲＯＭ １１８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Ｖ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１２ ０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ＭＡ　Ｏ−ＭＡ　２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。位相り中は、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Ｖ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−１ ５に対する光集積期間の終わりの７オトダイオードアレイＥのＶ走査の直後、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Ｖ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。

ＦＩＧ、　４Ａ ＦＩＧ、　４Ｂ ＦＩＧ、　４Ｃ ＦＩＧ、　４Ｄ ＦＩＧ、　４Ｅ フロントページの続き （５１）　Ｉｎｔ、　Ｃ１，５識別記号　庁内整理番号ＧＯ２Ｂ　２６１０２　 Ｂ　９２２６−２ＫＩ

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．光ビームがフォトダイオード上に部分的に投影される間に開成遷移時間及び 開成遷移時間を有するシャッター機構により光ビームで照射されるフォトダイオ ードを電子的に走査し、前記シャッター機構が、光ビームによるフォトダイオー ドの十分な照射のために開成遷移時間と開成遷移時間との間の期間中は十分に開 いている方法であって、 シャッター機構が十分に開いている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前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する段階と、 前記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 を生成する段階とを含む方法。
2. ２．前記集積する段階が、前記所定時間間隔の開始時に初めてフォトダイオード を電子的に走査してフォトダイオードの電気特性を初期状態にリセットし、前記 所定時間間隔中にフォトダイオードに入射する光の全量に応じてフォトダイオー ドの電気特性が変化することにより前記所定時間間隔中フォトダイオードの光を 集積することを含んでおり、前記生成段階が前記所定時間間隔の終わりに２度目 のフォトダイオードの走査を行い、初期状態からの電気特性の変化に対応する電 気信号を発生させることを含む請求の範囲第１項記載の方法。
3. ３．前記フォトダイオードは、シャッター機構により複数の光ビームで順次照射 され、前記フォトダイオードはさらに前記集積及び生成段階により、フォトダイ オードを照射する各光ビームに関して電子的に走査され、前記方法が、フォトダ イオードの電気特性をリセットして、フォトダイオードを照射するそれ以前の光 ビームに起因するいかなる桁上げ効果も最小とするためにフォトダイオードを照 射する光ビーム間の時間中に発生する暗期間中に３度目のフォトダイオードの走 査を行うことをさらに含む請求の範囲第２項記載の方法。
4. ４．電子走査を、電荷蓄積モードオペレーションにより実施し、電気特性が、フ ォトダイオードのｐ−ｎ接合の電荷空乏を構成し、前記走査工程が電荷空乏の補 充を含む、請求の範囲第２項記載の方法。
5. ５．前記フォトダイオードが複数のフォトダイオードを有するフォトダイオード アレイの一部であり、前記の第１及び第２の走査段階が各々、アレイ中のフォト ダイオードの全てを順次走査することを含む請求の範囲第２項記載の方法。
6. ６．前記フォトダイオードは、前記シャッター機構により空間的に隔たられてい る光ビームで照射されるために配置された複数のフォトダイオードを構成し、各 フォトダイオードは前記集積及び生成段階により電気的に走査される共通の電子 生成回路に接続されており、フォトダイオードの各々から前記生成段階により発 生された電気信号が共通の前記電子生成回路と適合するように、前記方法は各フ ォトダイオードに対する光集積のための前記所定時間間隔を選択的に設定するこ とを含む、請求の範囲第２項記載の方法。
7. ７．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 合から電荷が空乏してい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し、フォトダイオードア レイが、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 移時間を有するシャ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 ー機構が、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 時間と開成遷移時間との間の期間中は十分に開いている方法であって、空乏電荷 を補充しかつ光集積期間を開始させることによってアレイのフォトダイオードを リセットするために、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 初めてフォトダイオードアレイを走査する段階と、 フォトダイオードアレイの２度自の走査を、所定時間間隔後で、かつ、空乏電荷 を補充して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 るのに必要な電荷量を測定することにより光集積期間を終了させる前記閉成遷移 時間の開始前に行う段階と、 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。
8. ８．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光 ビーム間の暗期間中に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７項記載の方法。
9. ９．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７項記載の方法。
10. １０．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 時間を有するシャッター機構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電子的に走査し、シャッター機構が、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前記開成遷移時間と前記閉成遷移時間との 間の期間中は十分に開いている方法であって、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する段階と、 所定時間間隔後で、かつ、シャッター機構がまだ十分に開いている前記閉成遷移 時間の開始前に光集積期間を終了させる段階と、 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る光に対 応する信号を生成し、記憶する段階とを含む方法。
11. １１．前記フォトダイオードアレイが複数のフォトダイオードアレイを備えてお り、各々が該アレイの個々に順次投影される個々のビームの別の群により照射さ れるために配置されており、前記集積、生成、記憶段階が前記フォトダイオード アレイの各々に対して実行され、前記方法が、各フォトダイオードアレイにおい て光ビーム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１０項記載の方法。
12. １２．ビームが群毎に変動する光度を有しており、前記設定段階が相対的に高い 光度のビームで照射されるフォトダイオードアレイに対しては前記所定時間間隔 を比較的に長く設定することを含む請求の範囲第１１項記載の方法。
13. １３．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、アレイが所定順 位で光ビームにより繰り返し照射される方法であって、 所定順位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を初めて走査し て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、 最初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。
14. １４．２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１３項記載の方法。
15. １５．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１３項記載の方法。