CN100525366C - 线性图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器被提供，其中读速率可增加和光接收元件输出信号的数据丢失可消除。在此放置开关元件，它们连接按照接收到的光量输出输出信号的所有光接收元件的输出端。开关元件是按照从最高分辨率到最高分辨率的1/n任意地连通，平均值的输出被保存在多个相同电位的各个采样/保持电路中，从而按照读出时的分辨率只读出特定的数据。在有不必要数据的情况下，数据被跳过因而增加读出速率和消除光接收元件输出信号数据的丢失。

Description

线性图像传感器
技术领域
本发明涉及一种线性图像传感器IC，由对接收到的光量作出响应输出输出信号的多个光接收元件，连接在相邻的光接收元件输出端之间的多个开关元件，保持光接收元件输出的采样/保持电路，和读出由控制下的采样/保持电路保持的电荷的扫描电路组成，更具体而言，涉及一种接触型图像传感器，图像扫描器，一种可以改变分辨率的传真机或复印机。
背景技术
例如，JP 5-227362A已经提出一种接触型图像传感器，其中控制端被另外放置供分辨率控制，使用户可以按照应用条件转换分辨率。
图11是一张电路图，示出在以上提到的出版物中已经提出的一种接触型图像传感器集成电路。在这种常规技术中，控制端125被放置在图像传感器芯片中，用户输入高电平或低电平信号到控制端，从而实现高分辨率模式和低分辨率模式之间分辨率的转换。现在将描述图11的概要。启始脉冲SI和时钟脉冲CLK被输入到移位寄存器组104。当移位寄存器104a由于启始脉冲SI的作用开始工作时，移位寄存器104a的输出通过或非门121a和与门120a供给信道选择开关103a以接通信道选择开关103a，信道选择开关103a拾取来自光电池101a的信号送到信号线107a。其他的移位寄存器104b到104f也顺序地开始工作并输出信号从各自的光电池101b到1011到信号线107a和107b。在本例中，当控制信号H输入到控制信号输入端125时，模拟开关110a，110b，122a和122b转换状态，以致在图像输出端111上可以获得读出密度为16点/mm的图像信号。当控制信号L也输入控制信号输入端125时，模拟开关110a恒定地处于导通状态，从而在图像输出端111获得读出密度为8点/mm的图像信号，这是整个光电池101a到1011的一半。也就是，虽然在传感器IC上所有的光电池101a到1011始终在工作，当输出的图像信号拾取到外部时，可以依据控制信号使输出的图像信号部分地变细并输出。因此，图像信号的电压水平始终保持不变，可以用常规的电路构成后级上的图像处理电路。
因为常规的图像传感器IC是按上述的方式构成的，光接收元件中跳过的输出信号数据可被略去，因为当分辨率变粗时，数据被细化。
发明内容
因而，为了解决以上提到的问题，按照本发明的图像传感器，多个线性的图像传感器IC被线性地排列，传感器包括开关元件，连接所有多个光接收元件的输出端，依据接收到的光量输出输出信号，它们是按照从最高分辨率到最高分辨率的1/n任意连通的，平均值的输出被保持在多个相同电位上的采样/保持电路中，从而只按照读出时间上的分辨率读出任意的数据。在有不必要的数据的情况下，数据被跳过，从而增加读出速率并免除光接收元件中输出信号数据的丢失。
附图说明
从以下的详述连同附图将使本发明的这些和其他目的及优点变得更加明显，其中：
图1是依据本发明实施方案的一个完整的图像传感器的电路图；
图2是图1中第n个方框的电路图；
图3是最高分辨率a情况下的定时图；
图4是最高分辨率a*1/2情况下的定时图；
图5是最高分辨率a*1/4情况下的定时图；
图6是最高分辨率a*1/6情况下的定时图；
图7是最高分辨率a*1/8情况下的定时图；
图8是TEST 1模式情况下的定时图；
图9是TEST 2模式情况下的定时图；
图10是TEST 3模式情况下的定时图；
图11是一种常规的电路图；
图12是示出在图2的各个分辨率中光接收元件之间开关设置的示意图；和
图13是示出测试在图2的光接收元件之间开关元件功能的设置的示意图。
具体实施方式
由此往后，将参考附图更详细地给出本发明优选实施方案的描述。
图1是示出依据本发明实施方案的一个完整的图像传感器的电路图。图2是示出图1中第n个方框的电路图。图12示出图2中光接收元件之间开关3-n-1，2，3，...24的设置。图13是在图2的测试期间光接收元件之间开关3-n-1，2，3...24的设置。
图3是在最高分辨率a情况下的定时图。图4是在最高分辨率a*1/2情况下的定时图。图5是在最高分辨率a*1/4情况下的定时图。
图6是在最高分辨率a*1/6情况下的定时图。图7是在最高分辨率a*1/8情况下的定时图。图8是在TEST 1模式情况下的定时图。图9是在TEST 2模式情况下的定时图。图10是在TEST 3模式情况下的定时图。
参考图1，在此提供光接收元件的一个复位电路阵列1，沿此阵列，光接收元件的复位电路元件方框1-1，1-2，...，1-m被排成一直线，多个光接收元件阵列2，沿此阵列光接收元件方框2-1，2-2，...，2-m被排成一直线，在光接收元件之间的开关元件阵列3，沿此阵列在光接收元件之间的开关元件方框3-1，3-2，...，3-m被排成一直线，放大器1的电路阵列4，沿此阵列放大器1电路方框4-1，4-2，...4-m被排成一直线，采样/保持电路阵列5，沿此阵列采样/保持电路方框5-1，5-2，...，5-m被排成一直线，放大器2电路阵列6，沿此阵列放大器2的电路方框6-1，6-2，...，6-m被排成一直线，读开关元件阵列7，沿此阵列读开关元件方框7-1，7-2，...，7-m被排成一直线，公共信号线8，和扫描电路阵列9，沿此阵列扫描电路方框9-1，9-2，...，9-m被排成一直线。地电位被给于一个伪开关10的一个输出端和一个门，伪开关10通常处于OFF状态，它的另一个输出端被连到光接收元件之间的开关元件方框3-1的输入端SWIN，并且连接成使光接收元件方框2-1中第一光接收元件输出端的负载电容与各个其他的光接收元件输出端的负载电容相同，从而获得均匀的特性，在各个方框的结合点上没有任何固定型式的噪音。
参考数字11表示各种分辨率和TEST模式的转换控制电路，它们是如此构成的，以便对输入信号X1，X2和X3作出响应，任意地产生光接收元件之间开关的控制信号SWCTL和扫描电路中读出跳过次序的控制信号SRCTL。
在光接收元件的复位电路阵列1中，用于将光接收元件初始化的复位电压VRESET，控制复位元件的复位1(φRST1)和复位2(φRST2)被共同地连接到阵列1中每个方框。
光接收元件之间的开关元件阵列2被用总线线路连接光接收元件之间开关元件的控制信号(SWCTL)。
读元件阵列7中每个方框被通过公共的信号线(SIG)共同地连接来自光接收元件的读信号。
扫描电路阵列9被共同地连接用于驱动扫描电路的钟(φCK)，连接启始脉冲(φST)，并用总线线路连接控制扫描电路读次序的控制信号线(SRCTL)。
图2是用于24位的第n级的电路，对应于各个元件方框和电路阵列方框中每个方框1，2，...，m，在光接收元件的复位电路元件方框1-n中，复位电压VRESET电压被给于奇数光接收元件中复位开关元件(1-n-1，1-n-3，1-n-5，...，1-n-23)的一端，以便依据φRST1控制复位开关元件。复位电压VRESET电压被给于偶数光接收元件中复位开关元件(1-n-2，1-n-4，1-n-6，...，1-n-24)的一端，以便依据φRST2控制复位开关元件。光接收元件方框2-n中光电二极管(2-n-1，...2-n-24)的输出端分别连接复位开关元件(1-n-1，...，1-n-24)。
在光接收元件之间的开关元件方框3-n中，光接收元件之间的开关(3-n-1，3-n-2，...，3-n-23)与相邻光接收元件之间的输出端相联，并分别按照控制信号(SWCTL)的总线线路控制光接收元件之间的开关。SWIN端是连接相邻前级的光接收元件之间的开关元件方框或图1中的伪开关10的一个端点。SWOUT端是连接后级的光接收元件之间的开关元件方框或图1中的地电位的一个端点。
放大器1电路方框4-n由各个放大器1(4-n-1，...，4-n-24)组成，并临时将各个光接收元件(2-n-1，...2-n-24)的输出作为电荷存储在采样/保持电路阵列方框5-n的采样/保持电路(5-n-1，...，5-n-24)中。
放大器2电路方框6-n具有各自的放大器2(6-n-1，...，6-n-24)，连接读开关元件阵列7-m的开关元件(7-n-1，...，7-n-24)，由SRCTL总线线路控制的扫描电路阵列9-n的输出(Q1，...，Q24)顺序地接通读开关元件阵列7-m的开关元件(7-n-1，...，7-n-24)，根据在最高分辨率时输入的启始脉冲φSTIN与时钟信号φCK同步地进行，并且当分辨率变低时，任意地跳跃式读出和输出，从而将临时存储在采样/保持电路(5-n-1，...，5-n-24)中的电荷读到公共的信号线8上。
图12示出在图2的各种分辨率中光接收元件之间的开关设置示意图。当X1，X2，和X3是低电平时，最高分辨率变成a，在光接收元件之间所有的开关断开，各个光接收元件(2-n-1，...，2-n-24)的输出被作为电荷存储在各自的采样/保持电路(5-n-1，...，5-n-24)中。图3是最高分辨率为a的情况下的定时图。当输入启始脉冲φSTIN时，读开关元件(7-n-1，...，7-n-24)按扫描电路输出Q1，...，Q24所述的次序与时钟信号φCK同步地顺序接通，存储在各自的采样/保持电路(5-n-1，...，5-n-24)中的电荷被读到公共的信号线8(SIG)上。
接着，当X1是高电平，X2和X3是低电平时，最高分辨率变成a*1/2，在光接收元件之间的奇数开关(3-n-1，3-n-3，...，3-n-23)接通，光接收元件之间的偶数开关(3-n-2，3-n-4，...，3-n-24)断开，从而两个相邻光接收元件的输出被相互连接。在本例中，按照接收到的光量，光接收元件的光电荷量被加倍，结合点的容量也被加倍，所以它们被抵消，输出的平均值被作为电荷存储在两个相邻的采样/保持电路中。图4是最高分辨率为a*1/2的情况下的定时图。当输入启始脉冲φSTIN时，读开关元件(7-n-1，7-n-4，7-n-5，7-n-8，7-n-9，7-n-12，7-n-13，7-n-14，7-n-16，7-n-19，7-n-21，7-n-22，7-n-24)按照扫描电路的输出Q1，Q4，Q5，Q8，Q9，Q12，Q13，Q16，Q17，Q21，Q22和Q24所述的次序，与时钟信号φCK同步地顺序接通，存储在各自的采样/保持电路(5-n-1，5-n-4，5-n-5，5-n-8，5-n-9，5-n-12，5-n-13，5-n-14，5-n-16，5-n-19，5-n-21，5-n-22，5-n-24)中的电荷被读到公共的信号线8(SIG)上。
接着，当X1是低电平，X2是高电平和X3是低电平时，最高的分辨率变成a*1/4，在光接收元件之间(第4的倍数)各级中的开关(3-n-4，3-n-8，3-n-12，3-n-16，3-n-20，3-n-24)断开，光接收元件之间的其他开关接通，从而4个相邻的光接收元件的输出被相互连接。在本例中，按照接收到的光量光接收元件的光电荷量增加4倍，结合点的容量也增加4倍，所以它们被抵消，输出的平均值被作为电荷存储在4个相邻的采样/保持电路中。图5是在最高分辨率为a*1/4情况下的定时图。当输入启始脉冲φSTIN时，读开关元件(7-n-1，7-n-8，7-n-9，7-n-16，7-n-19，7-n-24)按照扫描电路的输出Q1，Q8，Q9，Q16，Q17和Q24所述的次序与时钟信号φCK同步地顺序接通，存储在各自的采样/保持电路(5-n-1，5-n-8，5-n-9，5-n-16，5-n-19，5-n-24)中的电荷被读到公共的信号线8(SIG)上。
接着，当X1是低电平，X2是低电平，和X3是低电平时，最高分辨率变成a*1/6，在光接收元件之间第(6的倍数)级中的开关(3-n-6，3-n-12，3-n-18，3-n-24)断开，在光接收元件之间的其他开关接通，从而6个相邻的光接收元件的输出被相互连接。在本例中，按照接收到的光量光接收元件的光电荷量增加6倍，结合点容量也增加6倍，所以它们被抵消，输出的平均值被作为电荷存储在6个相邻的采样/保持电路中。图6是在最高分辨率为a*1/6情况下的定时图。
当输入启始脉冲φSTIN时，读开关元件(7-n-1，7-n-8，7-n-17，7-n-24)按照扫描电路输出Q1，Q8，Q17和Q24所述的次序与时钟信号φCK同步地顺序接通，存储在各自的采样/保持电路(5-n-1，5-n-8，5-n-17，5-n-24)中的电荷被读到公共的信号线8(SIG)上。
接着，当X1是低电平，X2是低电平和X3是高电平时，最高分辨率变成a*1/8，在光接收元件之间第(8的倍数)级中的开关(3-n-8，3-n-16，3-n-24)断开，在光接收元件之间的其他开关接通，从而8个相邻的光接收元件的输出被相互连接。在本例中，按照接收到的光量光接收元件的光电荷量增加8倍，结合点容量也增加8倍，所以它们被抵消，输出的平均值被作为电荷存储在8个相邻的采样/保持电路中。
图7是最高分辨率为a*1/8情况下的定时图。当输入启始脉冲φSTIN时，读开关元件(7-n-1，7-n-12，7-n-24)按照扫描电路输出Q1，Q12和Q24所述的次序与时钟信号φCK同步地顺序接通，存储在各自的采样/保持电路(5-n-1，5-n-12，5-n-24)中的电荷被读到公共的信号线8(SIG)上。
在光接收元件之间的开关3-n-24在所有的分辨率中断开，并且在图1中，光接收元件之间的开关元件方框3-m的一个输出端SWOUT被连到地，并且连接成光接收元件方框3-m中最后的光接收元件输出端的负载容量与其他的各个光接收元件输出端的负载容量相同，从而利用消除在各个方框结合点部分上的固定型式的噪音获得均匀的特性。
图13示出在图2中光接收元件之间开关元件的功能被测试时的设置。当X1是高电平，X2是低电平和X3是高电平时，模式被设置为TEST1模式，在各个光接收元件之间的偶数开关(3-n-2，3-n-4，...，3-n-24)接通，在各个光接收元件之间的奇数开关(3-n-1，3-n-3，...，3-n-23)断开，使得两个相邻的光接收元件输出被相互连接。在本例中，φRST2始终是高电平，偶数光接收元件(2-n-2，2-n-4，...，2-n-24)始终被给于初始化电压VRESET。
在光照射到进行测试的所有的光接收元件上的情况下，如果在光接收元件之间的偶数开关正常地起作用，则所有的光接收元件输出是黑暗状态中的初始化电平，如果存在异常状态，奇数光接收元件输出对接收到的光量作出响应，从而能够检出异常状态。图8是模式被设置为TEST1模式情况下的定时图。因为在最高分辨率a中，当启始脉冲φSTIN输入时，读开关元件(7-n-1，...，7-n-24)按照扫描电路输出Q1，...，Q24与时钟信号φCK同步地顺序接通，从而将存储在各自的采样/保持电路(5-n-1，...，5-n-24)中的电荷读到公共信号线8(SIG)上。这个例子示出在光接收元件之间的开关3-n-2中存在异常状态和第3个光接收元件输出变成高的情况。
接着，X1是高电平，X2是高电平和X3是低电平，模式被设置为TEST2模式，在各个光接收元件之间的偶数开关(3-n-2，3-n-4，...，3-n-24)断开，在各个光接收元件之间的奇数开关(3-n-1，3-n-3，...，3-n-23)接通，使两个相邻光接收元件输出被相互连接。在本例中，φRST2始终是高电平，奇数光接收元件(2-n-1，2-n-3，...，2-n-23)被始终给于初始化电压VRESET。
在光照射到进行测试的所有光接收元件上的情况下，如果在光接收元件之间的奇数开关正常地起作用，则所有的光接收元件输出是在黑暗状态中的初始化电平，如果存在异常状态，偶数光接收元件输出对接收到的光量作出响应，从而能够检出异常状态。图9是模式被设置为TEST2模式情况下的定时图。因为最高分辨率a中，当启始脉冲φSTIN输入时，读开关元件(7-n-1，...，7-n-24)按照扫描电路输出Q1，...，Q24与时钟信号φCK同步地顺序接通，从而将存储在各自的采样/保持电路(5-n-1，...，5-n-24)中的电荷读到公共信号线8(SIG)上。本例示出在光接收元件之间的开关3-n-2中存在异常状态，和第4个光接收元件输出变成高的情况。
接着，当X1是高电平，X2是高电平和X3是高电平时，模式被设置为TEST3模式，在光接收元件之间所有的开关(3-n-1，...，3-n-24)断开，从而φRST2始终是高电平，偶数光接收元件(2-n-2，2-n-4，2-n-24)始终被给于初始化电压VRESET。在光照射在进行测试的所有光接收元件上的情况下，如果在光接收元件之间的开关正常地起作用，则偶数光接收元件输出是在黑暗状态中的初始化电平，奇数光接收元件输出对接收到的光量作出响应。如果存在异常状态，偶数光接收元件输出对接收到的光量作出响应，从而能够检出异常状态。图10是在模式被设置为TEST3模式情况下的定时图。因为在最高分辨率a中，当启始脉冲φSTIN输入时，读开关元件(7-n-1，...，7-n-24)按照扫描电路输出Q1，...，Q24与时钟信号φCK同步地顺序接通，从而将存储在各自的采样/保持电路(5-n-1，...，5-n-24)中的电荷读到公共信号线8(SIG)上。本例示出在光接收元件之间的开关3-n-6中存在异常状态，和第6个光接收元件输出成为高的情况。
如上所述，可以由控制端X1，X2和X3选择多种分辨率，如图1中所示，在各个方框中，图像传感器由m级相同的电路组成。光接收元件之间的开关有选择地接通，只有一个任意的扫描电路扫描光接收元件的平均输出，读数据被跳过的多种分辨率可从最高分辨率的倍数来选取，在其中扫描电路在许多光接收元件中扫描所有的24×m位的光接收元件，数据被顺序地读出直到光接收元件数为24×m×1/8位的最低分辨率为止。当信息量被压缩到最小时也获得一种可以增强扫描速率的图像传感器，从而由于伪开关和TEST模式进行的固定型式噪音的对付措施改进质量。
在本实施方案中，为方便起见，光接收元件的偏置电压被设置为地(OV)，但可被设置为VBIAS(中间电位)或VDD(电源电压)。在光接收元件之间的开关元件是由NMOS构成的，但可用PMOS或CMOS(传输门)构成。用于对各个光接收元件初始化的复位元件是由NMOS构成的，但可用PMOS构成。
而且，以上提到的结构是这样完成的，即控制端点X1，X2和X3，以便获得8种扫描系统。然而，通过增加控制端的数量可以提供m种扫描系统。
在低分辨率时扫描电路输出的位置也可被改变到与采样/保持电路一致的任何地点，在采样/保持电路中保存着光接收元件的平均输出。依据分辨率跳过读数的扫描电路的次序可作为选项选取。
而且，在以上的描述中，图像传感器IC使用光电二极管作为传感器元件，但如果传感器元件是由光电变换元件中的光电三极管组成，传感器元件适用于线性图像传感器IC或光学指纹传感器，可以检出任意的信号或转换分辨率，或者适用于静电指纹传感器，如果静电电容被用于传感器元件可以检出任意的信号或转换分辨率。
如上所述，依据本发明。可以用相同的IC转换多种分辨率，通过在低分辨率时连接光接收元件中各自的输出端，可以免去数据的丢失。由于分辨率引起的光接收元件的输出电平是始终恒定的，因为输出的是平均值。结果，当后级图像处理电路的输入电压被读出时，按照分辨率跳过的扫描电路获得按照分辨率的读出速率。而且，当在各自的光接收元件之间的伪开关连接各自的方框之间并连到第一和最后的光接收元件时，如果各自的光接收元件的负载电容做成相互一致，固定型式的噪音很难发生。因而，由于通过TEST模式处理光接收元件之间开关的异常状态，检出故障可以提高质量。
为了说明和描述的目的提供了本发明优选实施方案的上面描述。并不指望是毫无遗漏的或者将本发明限制在所公开的精确形式上，根据以上的讲授各种修改或变更都是可能的，或者可从本发明的实践中得到。这些实施方案被选取和描述是为了解释本发明的原理和它的实际应用，使本领域的技术人员在考虑适合于特定应用时可用各种实施方案和以各种修改来利用本发明。本发明的范围由在此所附的权利要求书和它们的等同物来限定。

Claims (6)

1.一种线性图像传感器，在其上线性地安装有多个线性图像传感器IC，每个线性图像传感器IC包括：
光接收元件电路阵列，具有多个光接收元件，用于依照所接收的光量来输出输出信号，所述光接收元件根据预先选择的分辨率级别来排列；
复位电路元件阵列，用于初始化光接收元件电路阵列；
开关元件阵列，把相邻的两个或者多个光接收元件的输出端相互连接起来，用于在光接收元件的预先选择的分辨率级别和至少另一个另外分辨率级别之间切换，所述另一个另外分辨率级别是所述预先选择的分辨率级别的分数；
第一放大器电路阵列，连接到光接收元件的输出端；
采样和保持电路阵列，用于临时地保持第一放大器电路阵列的输出；
第二放大器电路阵列，连接到采样和保持电路阵列的输出端；
读开关元件阵列，用于读取第二放大器电路阵列的输出；
扫描电路阵列，用于控制读开关元件阵列；以及
伪开关元件，连接到所述光接收元件电路阵列的第一光接收元件的输出端，用于使第一光接收元件的输出端的负载电容与各其他光接收元件的输出端的负载电容一致，所述伪开关元件的另一端接地。
2.如权利要求1所述的线性图像传感器，其中开关元件阵列把所有光接收元件的输出端相互连接起来，每个开关元件把第i个光接收元件的输出端和相邻的第i+1个光接收元件的输出端相互连接起来，此处，i表示1到n中的任一整数，n表示光接收元件的数目。
3.如权利要求1所述的线性图像传感器，其中当开关元件接通时，线性图像传感器IC输出输出端通过开关元件相互连接起来的任意数目个相邻光接收元件的输出的平均值。
4.如权利要求1所述的线性图像传感器，其中每个线性图像传感器IC的扫描电路阵列作用于采样和保持电路阵列的、任意跳过读取的输出信号。
5.如权利要求1所述的线性图像传感器，其中每个线性图像传感器IC的复位电路元件阵列具有多个复位元件；每个线性图像传感器IC具有多条控制线，用于控制复位元件去初始化光接收元件阵列。
6.如权利要求1所述的线性图像传感器，其中每个线性图像传感器IC具有测试电路，用于测试开关元件是断开还是闭合。
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