JP2002185702A - イメージセンサおよびイメージセンサユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フォトダイオードの等価容量が大きく発生電
荷に対する出力が小さくなる。電源電圧の変動や温度変
化で増幅回路１０３の動作範囲が狭い。消費電流が大き
い。 【解決手段】 フォトダイオードとＭＯＳＦＥＴのカス
コード接続で、フォトダイオードの等価容量が小さくな
り発生電荷に対する出力が大きくなる。フォトダイオー
ドのリセット電圧を増幅回路の出力電圧とすることで、
電源電圧、温度等の変動に対し増幅回路の動作範囲が広
くなる。増幅回路の動作する期間のみ電源投入制御スイ
ッチで電源投入することで、イメージセンサの消費電流
を小さくできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、文書、画像等の読
みとりに使用するイメージセンサおよびイメージセンサ
ユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】複数のフォトダイオードを有するイメー
ジセンサは近年、フォトダイオード部と回路部を同一半
導体チップ上に形成するモノリシック型が主流となり、
中でも低消費電力をねらったＭＯＳイメージセンサが有
望視されている。

【０００３】従来のＭＯＳを使用したイメージセンサの
回路構成例を図８に示す。図８において１０１はフォト
ダイオード、１０２はフォトダイオードを初期化するリ
セットスイッチ、１０３は増幅回路、１０４および１０
５はそれぞれ明信号および暗信号の伝達スイッチ、１０
６および１０７はそれぞれ明信号および暗信号の電圧保
持コンデンサ、１０８および１０９はそれぞれ明信号お
よび暗信号の増幅ＭＯＳＦＥＴ、１１０および１１１は
それぞれ明信号および暗信号の読み出しスイッチであ
り、符号１０１より１０７および１０８より１１１まで
の要素が一つの画素を構成している。図８のイメージセ
ンサは、第１画素より第Ｎ画素まで、Ｎ個の画素が一列
に配置されたものである。

【０００４】１２１は明信号出力ライン、１２２は暗信
号出力ライン、１２３はパルス発生回路、１２４は走査
回路、１２５および１２６はそれぞれ明信号および暗信
号の電流電圧変換アンプ、１２７および１２８はそれぞ
れ明信号および暗信号の外部出力スイッチである。

【０００５】以下、従来のイメージセンサの回路の動作
について説明する。リセットスイッチ１０２が短信号間
オンした直後から、入射光量に応じて発生した電荷を蓄
積してフォトダイオード１０１のカソード電位は下降し
ていく。増幅回路は２つのＭＯＳＦＥＴにより構成され
ており、フォトダイオード１０１のカソード電位を増幅
し、光情報蓄積期間経過後の増幅電位が明信号電圧保持
コンデンサ１０６に保持され、再度のリセットスイッチ
のオン動作ののち、増幅回路の増幅電位が暗信号電圧保
持コンデンサ１０７に保持される。明信号電圧保持コン
デンサ１０６に保持された電圧は暗電圧保持コンデンサ
１０７に保持された電圧よりも低く、その電位差は画素
に入射した光の量に比例する。リセットスイッチ１０
２、明信号伝達スイッチ１０４および暗信号伝達スイッ
チ１０５のゲートに加えられるパルスはパルス発生回路
１２３により全画素同時に与えられることから以上の動
作までは全画素同時である。

【０００６】走査回路１２４より各画素の明信号読み出
しスイッチ１１０および暗信号出力スイッチ１１１に加
えられる読み出しパルスは画素毎に第１画素より最終画
素に向かって順次加えられる。読み出しパルスが加えら
れた画素の明信号電圧保持コンデンサ１０６および暗信
号電圧保持コンデンサ１０７の電圧はそれぞれ明信号増
幅ＭＯＳＦＥＴ１０８および暗信号増幅ＭＯＳＦＥＴ１
０９によって電圧電流変換され、同時にそれぞれ明信号
出力ライン１２１および暗信号出力ライン１２２に出力
される。走査回路１２４はただ一つの画素からの出力を
読み出すように読み出しパルスを各画素に与えながら、
次々と読み出し画素を切り換えていく。

【０００７】明信号電流電圧変換アンプ１２５および暗
信号電流電圧変換アンプ１２６は、それぞれ明信号出力
ライン１２１および暗信号出力ライン１２２を流れる電
流を電圧に変換する。明信号外部出力スイッチ１２７お
よび暗信号外部出力スイッチ１２８は走査回路よりイメ
ージセンサ内のいずれかの画素へパルスが供給されてい
る間、導通し、明信号電流電圧変換アンプ１２５および
暗信号電流電圧変換アンプ１２６の出力電圧をイメージ
センサの外部へ供給する。

【０００８】前記従来のイメージセンサを用いたイメー
ジセンサユニットにおいては、複数のイメージセンサの
明信号電圧出力および暗信号電圧出力をそれぞれ結合し
て差動増幅器に接続して、明信号と暗信号の差分電圧を
外部に出力していた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記従来のイメージセ
ンサにおいては、フォトダイオード１０１のカソード
に、リセットスイッチ１０２のドレインと増幅回路１０
３を構成するＭＯＳＦＥＴのゲートが接続されているた
め、フォトダイオードの等価容量が大きく発生電荷に対
する出力が小さくなる。また、フォトダイオード１０１
のカソードを初期化する電圧を画素信号出力回路１２７
の外部で発生させているため電源電圧の変動や温度変化
で増幅回路１０３の動作範囲が狭くなる。さらに、増幅
回路１０３は常に電源が印加されているため、１画素の
増幅回路１０３で１０μＡ消費すると、２８８画素のイ
メージセンサでは約３ｍＡとなり、消費電流が大きい。

【００１０】さらに、明信号出力ライン１２１および暗
信号出力ライン１２２の２本のラインを用いて明信号と
暗信号をそれぞれ独立して各画素より出力しているた
め、この２本のラインは信号電流を流すために線幅を極
端に細くすることはできず、回路面積の増加を招いてい
た。さらに、増幅回路１０３の増幅電位をそのまま電圧
電流変換しており、本来の信号成分よりも高い電流が２
本の出力ラインに流れていた。明信号出力ライン１２１
および暗信号出力ライン１２２は画素の切り替えによる
電流のスイッチングが２本同時に発生し、電磁ノイズを
発生していた。２本の出力ラインは全画素の配列方向に
平行に配置されるためにライン長が長くなっており、発
生した電磁ノイズを容易に画素内のフォトダイオードへ
誘導してＳ／Ｎ比を劣化させていた。

【００１１】加えて、明信号出力ライン１２１および暗
信号出力ライン１２２が持つ配線静電容量と、接続され
た全ての画素の明信号伝達スイッチ１０５または暗信号
伝達スイッチ１０６が持つソース静電容量とが加わって
大きな静電容量成分が生じていた。読み出し中の画素の
切り換えによって明信号出力ライン１２１および暗信号
出力ライン１２２の電位変動が生じ、静電容量成分の充
放電が行われて信号成分に加わり、応答特性が劣化し、
高速読み出しが困難になっていた。さらに電流電圧変換
アンプ１２５および１２６の入力インピーダンスが低い
場合には、静電容量成分によって電流電圧変換アンプ１
２５および１２６の出力が発振するなど不安定動作の原
因になっていた。動作を安定させるためには電流電圧変
換アンプ１２５および１２６の出力の応答性を下げて安
定性を確保する必要があり、このことも高速読み出しを
困難にする一因となっていた。

【００１２】本発明の目的は、フォトダイオードの等価
容量を下げることである。

【００１３】また、本発明の他の目的は、電源電圧、温
度等の変動に対し増幅回路の動作範囲を広くすることで
ある。

【００１４】また、本発明のさらに他の目的は消費電流
の小さいイメージセンサを提供することである。

【００１５】また、本発明のさらに他の目的は出力ライ
ンを流れる電流を低下させてノイズを低減し、加えて高
速読み出しが可能なイメージセンサを提供することにあ
る。

【００１６】また、本発明のさらに他の目的は、上記イ
メージセンサを用いたイメージセンサユニットを提供す
ることである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、複数の
画素と、すべての画素の出力が接続された共通の出力ラ
インを備えたイメージセンサであって、前記画素毎にフ
ォトダイオードと前記フォトダイオードを初期化するリ
セット回路と前記フォトダイオードの電圧を増幅する増
幅回路と前記増幅回路の出力信号の明時における出力値
を保持する明信号保持手段と前記増幅回路の出力信号の
暗時における出力値を保持する暗信号保持手段と前記明
信号保持手段の出力電圧と前記暗信号保持手段の出力電
圧との差分を出力する差動出力手段とを備えたことを特
徴とするイメージセンサである。

【００１８】この構成により、出力ラインを流れる電流
を低下させて、発生するノイズを低減させたイメージセ
ンサを提供することができる。

【００１９】第２の本発明は、フォトダイオードはＭＯ
ＳＦＥＴでカスコード接続されていることを特徴とする
イメージセンサである。

【００２０】上記構成によれば、フォトダイオードの等
価容量が小さくなり発生電荷に対する出力が大きくな
る。

【００２１】第３の本発明は、リセット回路はカスコー
ド接続するＭＯＳＦＥＴのドレインと増幅回路の出力と
を同電位にすることを特徴とするイメージセンサであ
る。

【００２２】上記構成によれば、電源電圧、温度等の変
動に対し増幅回路の動作範囲が広くなる。

【００２３】第４の本発明は、増幅回路は電源投入を制
御する電源投入制御スイッチで制御されることを特徴と
するイメージセンサである。

【００２４】上記構成によれば、イメージセンサの消費
電流を小さくできる。

【００２５】第５の本発明は、フォトダイオードと前記
フォトダイオードを初期化するリセット回路と前記フォ
トダイオードの出力電圧を増幅する増幅回路とを具備す
るイメージセンサにおいて、前記フォトダイオードとカ
スコード接続するＭＯＳＦＥＴを具備することを特徴と
するイメージセンサである。

【００２６】上記構成によれば、フォトダイオードの出
力を大きくできる。

【００２７】第６の発明は、リセット回路は、フォトダ
イオードとカスコード接続するＭＯＳのドレインと増幅
回路の出力端子とを同電位にすることを特徴とするイメ
ージセンサである。

【００２８】上記構成によれば、電源電圧、温度等の変
動に対し増幅回路の動作範囲が広くなる。

【００２９】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、複数の
画素と、すべての画素の出力が接続された共通の出力ラ
インを備えたイメージセンサであって、前記画素毎に、
フォトダイオードと、前記フォトダイオードの電圧を増
幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力信号の明時にお
ける出力値を保持する明信号保持手段と、前記増幅回路
の出力信号の暗時における出力値を保持する暗信号保持
手段と、前記明信号保持手段の出力電圧と前記暗信号保
持手段の出力電圧との差分を出力する差動出力手段とを
備えたことにより、１本の出力ラインで情報伝達ができ
るという作用を有する。

【００３０】請求項２に記載の発明は、請求項１記載の
フォトダイオードはＭＯＳＦＥＴでカスコード接続され
おり、フォトダイオードの等価容量が小さくなり発生電
荷に対する出力が大きくなる作用を有する。

【００３１】請求項３に記載の発明は、請求項１記載の
リセット回路はカスコード接続するＭＯＳＦＥＴのドレ
インと前記増幅回路の出力とを同電位にすることで、電
源電圧、温度等の変動に対し増幅回路の動作範囲が広く
なる作用を有する。

【００３２】請求項４に記載の発明は、前記増幅回路は
電源投入を制御する電源投入制御スイッチで制御される
ことで、イメージセンサの消費電流を小さくできる。

【００３３】請求項５に記載の発明は、フォトダイオー
ドと前記フォトダイオードを初期化するリセット回路と
前記フォトダイオードの出力電圧を増幅する増幅回路と
を具備するイメージセンサにおいて、前記フォトダイオ
ードとカスコード接続するＭＯＳＦＥＴを具備すること
でフォトダイオードの出力が大きくなる作用を有する。

【００３４】請求項６に記載の発明は、リセット回路
は、フォトダイオードとカスコード接続するＭＯＳのド
レインと増幅回路の出力端子とを同電位にすることで、
電源電圧、温度等の変動に対し増幅回路の動作範囲が広
くなる作用を有する。

【００３５】（実施の形態１）本発明の第１の実施の形
態のイメージセンサについて図１および図２を用いて説
明する。図１は本発明の第１実施の形態におけるイメー
ジセンサの構成を示す回路図である。図１のイメージセ
ンサは第１画素より最終画素まで一列に配置されたもの
である。すべての画素は同一の構成であるが、図１では
第１画素のみ内部構成を示してある。

【００３６】１はフォトダイオード、２はフォトダイオ
ード初期化用リセットスイッチ、３は増幅回路、４およ
び５はそれぞれ明信号および暗信号の伝達スイッチ、６
および７はそれぞれ明信号および暗信号の電圧保持コン
デンサ、８および９はそれぞれ明信号および暗信号の電
圧電流変換手段としての電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ、１
０および１１はそれぞれ明信号および暗信号の読み出し
スイッチ、１２は電流ミラー回路であり、２つのＰＭＯ
ＳＦＥＴにて構成している。明信号電圧電流変換ＭＯＳ
ＦＥＴ８、暗信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ９および電
流ミラー回路１２により差動出力手段を構成する。ま
た、符号２より符号１２までの要素により画素信号出力
回路２７を構成している。図１のイメージセンサは、第
１画素より第Ｎ画素まで、Ｎ個の画素が一列に配置され
たものである。２１は信号出力ライン、２２はパルス発
生回路、２３は走査回路、２４は電圧安定化ＭＯＳＦＥ
Ｔ、２５は反転増幅器、２６は電流ミラー回路である。

【００３７】以下、図１のように構成された従来のイメ
ージセンサの回路の動作を述べる。

【００３８】図２は図１に示す回路の各部のタイミング
チャートである。図２において３１はフォトダイオード
１のカソード端子の電位、３２は増幅回路３の出力電
位、３３は明信号保持パルス、３４はリセットパルス、
３５は暗信号保持パルス、３６ａ、３６ｂ、３６ｃはそ
れぞれ第１画素、第２画素、第３画素に加えられる読み
出しパルスである。

【００３９】リセットスイッチ２が短信号間オンした直
後から、入射光量に応じて発生した電荷で蓄積電荷を放
電してフォトダイオード１のカソード電位３１は下降し
ていく。増幅回路３は２つのＭＯＳＦＥＴにより構成さ
れており、フォトダイオード１のカソード電位３１を反
転増幅する。光情報蓄積期間経過後の増幅回路３の出力
電位３２が明信号電圧保持コンデンサ６に保持され、再
度のリセットスイッチ２のオン動作の後、増幅回路３の
出力電位３２が暗信号電圧保持コンデンサ７に保持され
る。明信号電圧保持コンデンサ６に保持された電圧は暗
電圧保持コンデンサ７に保持された電圧よりも高く、そ
の電位差は画素に入射した光の量に比例する。リセット
パルス３４、明信号保持パルス３３および暗信号保持パ
ルス３５はパルス発生回路２２により全画素同時に与え
られることから以上の動作までは全画素同時である。暗
信号電圧保持コンデンサ７による保持動作の後、走査回
路２３より読み出しパルスが画素毎に第１画素より最終
画素に向かって順次加えられる。読み出しパルスが加え
られたことにより明信号読み出しスイッチ１０および暗
信号読み出しスイッチ１１はオンになり、明信号電圧保
持コンデンサ６および暗信号電圧保持コンデンサ７の電
圧はそれぞれ明信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ８および
暗信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ９によって電圧電流変
換される。暗信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ９を流れる
電流は電流ミラー回路１２によって極性反転される。電
流ミラー回路１２の出力端子は明信号電圧電流変換ＭＯ
ＳＦＥＴ８と接続されている。この接続点が画素の出力
端子として信号出力ライン２１に接続されている。明信
号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ８を流れる電流は、暗信号
電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ９を流れる電流すなわち電流
ミラー回路１２の出力電流よりも大きく、その差分電流
が信号出力ライン２１より吸い込まれ、その大きさは画
素に入射した光の量にほぼ比例する。

【００４０】信号出力ライン２１に電圧安定化ＭＯＳＦ
ＥＴ２４のソース端子を接続し、ソース端子電圧に反転
増幅器２５の入力を接続、反転増幅器２５の出力を電圧
安定化ＭＯＳＦＥＴ２４のゲート端子に接続したのち、
電流ミラー回路２６で電流出力としている。

【００４１】信号出力ライン２１は自分自身の配線静電
容量と、接続された全ての画素の出力端子の静電容量が
加わってかなり大きい静電容量を接地電位との間に持っ
ている。信号出力ライン２１の電位変動を防ぐために、
信号出力ライン２１に電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ２５のソ
ース端子を接続し、ソース端子電圧に反転増幅器２６を
接続し、反転増幅器２６の出力を電圧安定化ＭＯＳＦＥ
Ｔ２５のゲート端子に接続している。もし、信号出力ラ
イン２１の電位がわずかに低下した場合、反転増幅器２
６の出力は急速に上昇し、電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ２５
のゲート電位を上昇させる。そのとき電圧安定化ＭＯＳ
ＦＥＴ２５のソース電位も引き上げる動きにより信号出
力ライン２１の電位低下をキャンセルするため、結果と
して信号出力ライン２１の電位はほぼ一定値に安定す
る。本実施の形態においては、ＣＭＯＳ構成の反転増幅
器２６を使用しているため、信号出力ライン２１の電位
は電源電圧の約半分の値に安定する。その場合、信号出
力ラインの静電容量成分に対する充放電電流はほとんど
流れないため、本来の信号電流の応答特性が確保され
る。電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ２５のドレイン端子からは
応答特性の良好な電流が流れる。電圧安定化ＭＯＳＦＥ
Ｔ２５はソース電位をすでに電源電圧の約半分に設定し
ているため、ドレイン端子の出力端子の出力電圧範囲は
信号出力ライン２１の安定電位から電源電圧までしか動
作できない。このため、イメージセンサの外部に直接電
流電圧変換器を接続しても十分な動作範囲にならない。
それに対し、電流ミラー回路２７を電圧安定化ＭＯＳＦ
ＥＴ２５のドレイン端子に接続することによって出力電
圧範囲を電源電圧近くまで高めることができる。このた
めイメージセンサの出力端子に接続される後段回路の自
由度を高めている。イメージセンサの出力端子に接続さ
れる後段回路としては、直接接続する電流電圧変換器
や、電圧安定化回路を経由して電流電圧変換器を接続す
る場合があるが、いずれの場合も電流電圧変換器の出力
電圧の範囲を広くとることができるという利点を有す
る。

【００４２】（実施の形態２）図３は本発明のイメージ
センサの回路図を示す。以下、同図を参照しながら、本
実施の形態の構成を述べる。

【００４３】図３において１はフォトダイオード、２は
リセットスイッチ、３は増幅回路で２個のＭＯＳＦＥＴ
３ａ、３ｂで構成する。３３はＭＯＳＦＥＴ、３４は電
源投入制御スイッチである。フォトダイオード１のアノ
ードはグランド３７に接続され、カソードはＭＯＳＦＥ
Ｔ３３のソースに接続されている。リセットスイッチ２
のソースは増幅回路３の出力（ＭＯＳＦＥＴ３ａのドレ
イン、ＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース）に接続され、ドレイ
ンはＭＯＳＦＥＴ３３のドレインと増幅回路３のＭＯＳ
ＦＥＴ３ａのゲートに接続され、ゲートはパルス発生回
路２２のリセットパルス信号線２７に接続されている。
ＭＯＳＦＥＴ３３のゲートはバイアス電圧端子３５に接
続されている。電源投入制御スイッチ３４のソースは電
源３６に、ドレインは増幅回路３に、ゲートは電源投入
制御信号ライン３８に接続される。

【００４４】フォトダイオード１のカソード電位はＭＯ
ＳＦＥＴ３３のゲート電圧をＶｇ、スレッシュホールド
電圧をＶｔとすると｛Ｖｇ−Ｖｔ｝でＶｇが一定のため
一定で、フォトダイオード１の等価容量は一定となる。
フォトダイオードの等価容量をＣ、入射光量で発生する
電荷量をＱとすると、フォトダイオードの出力ＶはＶ＝
Ｑ／Ｃで表され、入射光量に忠実な出力が得られる。ま
た、従来例では、フォトダイオードの等価容量はフォト
ダイオードの容量とリセットスイッチのドレイン容量と
増幅回路ＭＯＳＦＥＴのゲート容量であるのに対し、本
発明のフォトダイオードの等価容量はフォトダイオード
１の容量とリセットスイッチ２のドレイン容量で、増幅
回路ＭＯＳＦＥＴのゲート容量はない。そのため、フォ
トダイオードの等価容量は減少し、フォトダイオードの
出力Ｖは大きくなる。

【００４５】４および５はそれぞれ明信号および暗信号
の伝達スイッチ、６および７はそれぞれ明信号および暗
信号の電圧保持コンデンサ、８および９はそれぞれ明信
号および暗信号の電圧電流変換手段としての電圧電流変
換ＭＯＳＦＥＴ、１０および１１はそれぞれ明信号およ
び暗信号の読み出しスイッチ、１２は電流ミラー回路で
あり、２つのＰＭＯＳＦＥＴ（１２ａ、１２ｂ）で構成
している。明信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ８、暗信号
電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ９および電流ミラー回路１２
により差動出力手段を構成する。明信号および暗信号の
伝達スイッチ４、５のドレインは増幅回路３の出力に接
続され、ソースはそれぞれ明信号および暗信号の電圧保
持コンデンサ６、７と明信号および暗信号の電圧電流変
換手段としての電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ８、９に接続
され、ゲートはそれぞれパルス発生回路２２の明信号保
持パルス信号線２８、暗信号保持パルス信号線２９に接
続されている。明信号および暗信号の電圧電流変換手段
としての電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ１０および１１のゲ
ートは走査回路２３の走査信号端子２３ａに接続されて
いる。図３のイメージセンサは、第１画素より第Ｎ画素
まで、Ｎ個の画素が一列に配置されたものである。２４
は電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ、２５は反転増幅器、２６は
電流ミラー回路、２０は電流出力端子である。

【００４６】以下、図３のように構成された従来のイメ
ージセンサの回路の動作を述べる。

【００４７】図４は図３に示す回路の各部のタイミング
チャートである。

【００４８】図４において４８はフォトダイオード１の
カソード端子の電位、４２は増幅回路３の出力電位、４
７は電源投入制御信号パルス、４３は明信号保持パル
ス、４４はリセットパルス、４５は暗信号保持パルス、
４６ａ、４６ｂ、４６ｃはそれぞれ第１画素、第２画
素、第３画素に加えられる読み出しパルスである。

【００４９】リセットパルス４４が印加され、リセット
スイッチ２が短信号間オンした直後から、入射光量に応
じて発生した電荷で蓄積電荷を放電してフォトダイオー
ド１のカソード電位４８は下降していく。増幅回路３は
２つのＭＯＳＦＥＴにより構成されており、フォトダイ
オード１のカソード電位４８を４２の波形のように反転
増幅する。光情報蓄積期間経過後、明信号保持パルス４
３が明信号伝達スイッチ４のゲートに印加され増幅回路
３の出力電圧４２が明信号電圧保持コンデンサ６に保持
される。再度のリセットパルス４４が印加されリセット
スイッチ２のオン動作の後、暗信号保持パルス４５が暗
信号伝達スイッチ５のゲートに印加され増幅回路３の出
力電圧４２が暗信号電圧保持コンデンサ７に保持され
る。これら動作の期間より長い期間（図４中Ｔ２）電源
投入制御信号パルス４７が電源投入制御スイッチ３４の
ゲートに印加され増幅回路３が動作する。明信号電圧保
持コンデンサ６に保持された電圧は暗電圧保持コンデン
サ７に保持された電圧よりも高く、その電位差は画素に
入射した光の量に比例する。電源投入制御信号パルス４
７、リセットパルス４４、明信号保持パルス４３および
暗信号保持パルス４５はパルス発生回路２２により全画
素同時に与えられることから、以上の動作までは全画素
同時である。従来では図４中期間Ｔ１、すなわち全期間
増幅回路３が動作していたのに対し、電源投入制御スイ
ッチ３４を電源投入制御信号パルス４７に期間（Ｔ２）
のみ動作することによって増幅回路３で消費される電流
がＴ２／Ｔ１に減少する。増幅回路３での消費電流を１
０μＡ、イメージセンサ画素数２８８、期間Ｔ１を０.
３４ｍ秒、期間Ｔ２を３.２μ秒とすると従来の２.８８
ｍＡが２７.１μＡに約１０００分の１に減少する。電
源投入制御信号パルス４７がＨＩＧＨになり電源投入制
御スイッチ３４がＯＦＦになった後、走査回路２３より
読み出しパルス（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ）が
画素毎に第１画素より最終画素に向かって順次加えられ
る。読み出しパルスが加えられたことにより明信号読み
出しスイッチ１０および暗信号読み出しスイッチ１１は
オンになり、明信号電圧保持コンデンサ６および暗信号
電圧保持コンデンサ７の電圧はそれぞれ明信号電圧電流
変換ＭＯＳＦＥＴ８および暗信号電圧電流変換ＭＯＳＦ
ＥＴ９によって電圧電流変換される。暗信号電圧電流変
換ＭＯＳＦＥＴ９を流れる電流は電流ミラー回路１２に
よって極性反転される。電流ミラー回路１２の出力端子
は明信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ８と接続されてい
る。この接続点が画素の出力端子２１ａとして信号出力
ライン２１に接続されている。明信号電圧電流変換ＭＯ
ＳＦＥＴ８を流れる電流は、暗信号電圧電流変換ＭＯＳ
ＦＥＴ９を流れる電流すなわち電流ミラー回路１２の出
力電流よりも大きく、その差分電流が信号出力ライン２
１ａより吸い込まれ、その大きさは画素に入射した光の
量にほぼ比例する。信号出力ライン２１に電圧安定化Ｍ
ＯＳＦＥＴ２４のソース端子を接続し、ソース端子電圧
に反転増幅器２５の入力を接続、反転増幅器２５の出力
を電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ２４のゲート端子に接続した
のち、電流ミラー回路２６で電流出力を電流出力端子２
０に出力する。

【００５０】図５−ａに従来の増幅回路１０３の入出力
特性を示す。横軸は入力電圧、縦軸は出力電圧とし、電
源電圧が４．０Ｖ、４．５Ｖ、５．０Ｖ、５．５Ｖ、
６．０Ｖの場合の特性曲線をそれぞれ４０ａ、４０ｂ、
４０ｃ、４０ｄ、４０ｅに示す。従来例のリセットスイ
ッチ１０２のリセット電圧が固定の場合、増幅回路３の
増幅率を確保できる入力電圧動作範囲は約０．４Ｖ（図
５−ａ中の矢印で示す）と狭い。図５−ｂは本発明の増
幅回路３の入出力特性を示す。４１ａ、４１ｂ、４１
ｃ、４１ｄ、４１ｅは電源電圧が４．０Ｖ、４．５Ｖ、
５．０Ｖ、５．５Ｖ、６．０Ｖの場合の特性曲線で従来
の増幅回路１０３と同様である。図６に本発明イメージ
センサのリセット動作時の増幅回路３を示す。期間Ｔ２
（図４中）時にリセットパルス４４が印加され、リセッ
ト用ＭＯＳ２は導通し、ＭＯＳＦＥＴ３ａのゲート電圧
とドレイン電圧は同じになる。また、電源投入制御信号
パルス４７がＬＯＷ状態のため、電源投入制御スイッチ
３４のゲートはグランドレベル３７に接続され、電源電
圧３６がＭＯＳＦＥＴ３のソースに印加される。このと
きの増幅回路３の入出力特性を図５−ｂの４２に示す。
この状態を”動作モード１”と呼ぶ。

【００５１】その後、リセットパルス４４がＬＯＷから
ＨＩＧＨに移行すると、ＭＯＳＦＥＴ３ａのゲート電圧
とドレイン電圧は等しくなくなり、増幅回路３はＭＯＳ
ＦＥＴ３ａのゲート電圧の応じた入出力特性（図５−ｂ
中の４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ）で動作
する。この状態を”動作モード２”と呼ぶ。

【００５２】たとえば、電源電圧が５．０Ｖ時の入力電
圧がVin(5.0)とすると、動作モード１は図中のＣ点にな
り、動作モード２はＣ点を通る４１ｃの入出力特性とな
る。これと同様に電源電圧が４．０Ｖ、４．５Ｖ、５．
５Ｖ、６．０Ｖ時の入力電圧はそれぞれ、Vin(4.0)、Vi
n(4.5)、Vin(5.5)、Vin(6.0)で、Ａ点、Ｂ点、Ｄ点、Ｅ
点を通る４１ａ、４１ｂ、４１ｄ、４１ｅの入出力特性
となる。

【００５３】このように、電源電圧が４．０Ｖから６．
０Ｖに変化しても動作点は常に増幅率を確保できる範囲
にあり増幅回路３の動作範囲が広くなる。

【００５４】（実施の形態３）図７に上記の第１の実施
の形態のイメージセンサを用いたイメージセンサユニッ
トの斜視図を示す。図７において、５０はイメージセン
サ、５１はイメージセンサ５０の実装基板を兼ねた出力
処理回路基板、５２は読み取り対象物からの反射光をイ
メージセンサ５０のフォトダイオード上に結像させる結
像光学系である等倍レンズ、５３は読み取り対象物に光
を照射するＬＥＤチップで、複数個を基板５４に実装し
てライン光源をなす。５５は押圧ガラスで、５６はイメ
ージセンサ５０、ＬＥＤチップ５３、等倍レンズ５２、
出力処理回路基板５１、基板５４等を支持するシャー
シ、５７は原稿である。尚、イメージセンサ５０と、出
力処理回路基板５１は、細い金属線５０ａにより接続さ
れている。

【００５５】以上の構成において、次に本イメージセン
サユニットの動作を述べる。

【００５６】即ち、図７中の矢印ａはイメージセンサ５
０の読み取り走査方向でイメージセンサの直下に位置す
る原稿５７の情報を電気信号に変換する。この状態でイ
メージセンサユニット全体を図中矢印ｂの方向に移動す
るか、矢印ｂと反対方向の原稿を移動することにより、
原稿の情報を２次元的に読み取ることができる。

【００５７】以上の様に、本実施の形態によれば、フォ
トダイオード、リセット回路、増幅回路、信号保持手段
と差動出力手段を用いて構成され、原稿情報を高出力、
電源電圧や温度等の変動に対し安定な動作、低消費電流
が可能なイメージセンサ、及びそれを用いたイメージセ
ンサユニットを実現することが出来る。

【００５８】

【発明の効果】以上のように本発明のイメージセンサに
よれば、増幅したフォトダイオード電位を電圧電流変換
したのち、明信号と暗信号差分を画素毎にとることによ
って出力ラインを１本にすることができ、出力ラインの
電流を減らすことができる。その結果、出力ラインに要
する半導体チップ上の面積の削減と、出力ラインを流れ
る電流によるノイズの低減が可能となる。さらに、出力
ラインに電圧安定化ＭＯＳＦＥＴを接続することによっ
て各画素の出力信号の高速読み出しが可能となる。

【００５９】また、本発明のイメージセンサユニットに
よれば、センサ出力ラインに電圧安定化ＭＯＳＦＥＴを
接続することによって各イメージセンサの出力信号の高
速読み出しが可能となる。さらに、電流ミラー回路を接
続したのち電流電圧変換器を接続することによって出力
電圧範囲を広くとることができる。

【００６０】また、フォトダイオードとＭＯＳＦＥＴの
カスコード接続で、フォトダイオードの等価容量が小さ
くなり発生電荷に対する出力が大きくなる。

【００６１】また、フォトダイオードのリセット電圧を
増幅回路の出力電圧とすることで、電源電圧、温度等の
変動に対し増幅回路の動作範囲が広くなる。

【００６２】さらに、増幅回路の動作する期間のみ電源
投入制御スイッチで電源投入することで、イメージセン
サの消費電流を小さくできる。

【００６３】また、高出力、変動に安定動作、低消費電
流のイメージセンサユニットが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１におけるイメージセンサ
の構成を示す回路図

【図２】本発明の実施の形態１におけるイメージセンサ
の動作を示すタイムチャート

【図３】本発明の実施の形態２におけるイメージセンサ
の構成を示す回路図

【図４】本発明の実施の形態２におけるイメージセンサ
の動作を示すタイムチャート

【図５】本発明の実施の形態２におけるイメージセンサ
の増幅回路の入出力特性図

【図６】本発明の実施の形態２におけるイメージセンサ
のリセット動作時の増幅回路図

【図７】本発明の実施の形態３におけるイメージセンサ
を用いたイメージセンサユニットの斜視図

【図８】従来のイメージセンサの構成を示す回路図

【符号の説明】

１ フォトダイオード ２ リセットスイッチ ３ 増幅回路 ３ａ，３ｂ ＭＯＳＦＥＴ ４ 明信号伝達スイッチ ５ 暗信号伝達スイッチ ６ 明信号電圧保持コンデンサ ７ 暗信号電圧保持コンデンサ ８ 明信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ ９ 暗信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ １０ 明信号読み出しスイッチ １１ 暗信号読み出しスイッチ １２ 電流ミラー回路 １２ａ，１２ｂ ＰＭＯＳＦＥＴ ３３ ＭＯＳＦＥＴ ３４ 電源投入制御スイッチ ３５ バイアス電圧端子 ３６ 電源 ３７ グランド ３８ 電源投入制御信号ライン ２０ 電流出力端子 ２１ 信号出力ライン ２２ パルス発生回路 ２３ 走査回路 ２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ 読み出しパルス ２４ 電圧安定化ＭＯＳＦＥＴ ２５ 反転増幅器 ２６ 電流ミラー回路 ２７ セットパルス信号線 ２８ 明信号保持パルス信号線 ２９ 暗信号保持パルス信号線 ４８ フォトダイオード１のカソード端子の電位 ４２ 増幅回路３の出力電位 ４３ 明信号保持パルス ４４ リセットパルス ４５ 暗信号保持パルス ４６ａ，４６ｂ，４３６ｃ 第１画素、第２画素、第３
画素に加えられる読み出しパルス ４７ 電源投入制御信号パルス ４０ 増幅回路１０３の特性曲線 ４１ 増幅回路３の入出力特性 ４２ ＭＯＳＦＥＴ３ａのゲート電圧とドレイン電圧が
等しい場合の特性 ５０ イメージセンサ ５１ 出力処理回路基板 ５２ 等倍レンズ ５３ ＬＥＤチップ ５４ ライン光源基板 ５５ 押圧ガラス ５６ シャーシ ５７ 原稿 １０１ フォトダイオード １０２ リセットスイッチ １０３ 増幅回路 １０４ 明信号伝達スイッチ １０５ 暗信号伝達スイッチ １０６ 明信号電圧保持コンデンサ １０７ 暗信号電圧保持コンデンサ １０８ 明信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ １０９ 暗信号電圧電流変換ＭＯＳＦＥＴ １１０ 明信号読み出しスイッチ １１１ 暗信号読み出しスイッチ １２１ 明信号出力ライン １２２ 暗信号出力ライン １２３ パルス発生回路 １２４ 走査回路 １２５ 明信号の電流電圧変換アンプ １２６ 暗信号の電流電圧変換アンプ １２７ 明信号の外部出力スイッチ １２８ 暗信号の外部出力スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA04 AA05 AA10 AB01 BA14 CA02 DD09 DD10 DD11 DD12 FA08 5C024 AX01 CY42 GX03 GY39 GZ01 HX40 5C051 AA01 BA03 DA03 DB01 DB15 DB18 DB22 DB29

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の画素と、すべての画素の出力が接続
   された共通の出力ラインを備えたイメージセンサであっ
   て、前記画素毎に、フォトダイオードと、前記フォトダ
   イオードを初期化するリセット回路と、前記フォトダイ
   オードの電圧を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出
   力信号の明時における出力値を保持する明信号保持手段
   と、前記増幅回路の出力信号の暗時における出力値を保
   持する暗信号保持手段と、前記明信号保持手段の出力電
   圧と前記暗信号保持手段の出力電圧との差分を出力する
   差動出力手段とを備えたことを特徴とするイメージセン
   サ。
2. 【請求項２】フォトダイオードはＭＯＳＦＥＴでカスコ
   ード接続されていることを特徴とする請求項１記載のイ
   メージセンサ。
3. 【請求項３】リセット回路は、フォトダイオードとカス
   コード接続するＭＯＳＦＥＴのドレインと増幅回路の出
   力とを同電位にすることを特徴とする請求項２記載のイ
   メージセンサ。
4. 【請求項４】増幅回路は電源投入を制御する電源投入ス
   イッチで制御されることを特徴とする請求項１から請求
   項３のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
5. 【請求項５】フォトダイオードと、前記フォトダイオー
   ドを初期化するリセット回路と、前記フォトダイオード
   の出力電圧を増幅する増幅回路とを具備するイメージセ
   ンサにおいて、前記フォトダイオードとカスコード接続
   するＭＯＳＦＥＴを具備することを特徴とするイメージ
   センサ。
6. 【請求項６】リセット回路は、フォトダイオードとカス
   コード接続するＭＯＳＦＥＴのドレインと増幅回路の出
   力端子とを同電位にすることを特徴とする請求項５記載
   のイメージセンサ。
7. 【請求項７】請求項１から請求項６のいずれか１項に記
   載のイメージセンサを複数個配列したイメージセンサ列
   を具備することを特徴とするイメージセンサユニット。