JP2007336006A - 光電変換装置、イメージセンサ、光学読み取り装置及び光電変換装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換装置の受光面に付着した導電性異物の影響を低減して、正確な画像読み取りを可能にする。
【解決手段】光電変換素子と、光電変換素子に初期化電位を供給しリセット状態とする光電変換素子リセット手段と、光電変換素子の電圧を転送する転送手段とからなる光電変換ブロックを複数備えた光電変換装置であって、光電変換素子リセット手段は、読み取り期間において前記光電変換素子の電圧を転送する毎と、スタンバイ期間とに光電変換素子をリセット状態とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射光を電気信号に変換する光電変換装置に関し、例えばファクシミリやイメージスキャナ等における画像の読み取り装置に関する。

ファクシミリやイメージスキャナ等の画像読み取り装置には、密着型ライン状のイメージセンサが用いられているが（例えば、特許文献１参照）、そのイメージセンサに用いられる光電変換装置の光電変換ブロック１５の回路図を図４に示す。

光電変換ブロック１５は、フォトダイオード１と、フォトダイオード１をリセット電位Ｖrstに初期化するリセットスイッチ２と、フォトダイオード１の出力電圧を増幅するアンプ３と、アンプ３の出力電圧を容量５に転送する転送スイッチ４と、読出し用ＭＯＳトランジスタ６及びチャンネル選択スイッチ７から構成されている。
図４に示す光電変換ブロック１５は、光電変換装置に設けられた複数の光電変換ブロックのうちの一つを示している。光電変換ブロック１５は、画素数分設けられており各光電変換ブロック１５のチャンネル選択スイッチ７を介して共通信号線に接続されている。

上述したような光電変換装置は、以下のように駆動され画像の読み取りを行う。
リセット信号ΦＲでリセットスイッチ２がオンすることによって、フォトダイオード１のカソードはリセット電位Ｖrstに初期化される。そのときの受光前のリセット電位Ｖrstはアンプ３で増幅され、転送スイッチ４がオンして容量５に蓄積される。
転送スイッチ４は、容量５にリセット電位Ｖrstを蓄積した後にオフする。
リセット電位Ｖrstに初期化されたフォトダイオード１は、受光すると受光した光量に応じてカソードの電位が低下する。
フォトダイオード１で一定期間受光したのち、チャンネル選択スイッチ７をオンして容量５に蓄積した受光前のリセット電位Ｖrstを共通信号線に読み出し、さらに転送スイッチ４をオンして受光後のフォトダイオード１のカソードの電位を共通信号線に読み出す。
このようにして、受光前のリセット電位Ｖrstと受光後のフォトダイオード１のカソードの電位の差を検出することで画像の読み取りを行う。

特開２００４−２８２７１６号公報

しかしながら、上述したような従来のイメージセンサでは、以下に説明するような現象で画像読み取り開始時に画像が正確に読み取ることが出来ないという課題があった。

図５に、従来の光電変換装置の駆動信号のタイミングチャートを示す。イメージセンサは、電源が投入された状態で起動操作をされると、スタート信号ΦＳＴＲによって画像の読み取り動作を行う。
このとき、図４のフォトダイオード１のカソード、ノードＣはリセット電位Ｖrstに初期化された後に読み取りを開始する必要がある。
ノードＣは、電源投入後のスタンバイ状態ではフローティングになっており、例えばＰ基板の場合ではフォトダイオードのリークによって概ね基板電位ＶＳＳになっている。このため、図５にあるように、ノードＣの電位が十分にリセット電位Ｖrstに初期化されるように、１０回程度の空サイクルを実行する必要がある。

ここで、光電変換装置の受光面は樹脂封止出来ないというイメージセンサの構造上、受光面への異物の付着は避けられない。
受光面に付着した導電性異物８は、図４に示すような等価回路で現される。電源投入後のスタンバイ状態では、ノードＤの電位はノードＣの電位と同電位、概ね基板電位ＶＳＳになっている。
従って、図５に示すようにノードＤの電位は、ノードＣの電位がリセット電位Ｖrstに初期化されたときに同時にリセット電位Ｖrstとなり、その後に数秒かけて基板電位ＶＳＳに安定する。
従って、読み取り期間において、ノードＤの電位が基板電位ＶＳＳに安定するまでの数秒間はノードＣの電位に影響を与え、残像現象を引き起こすという問題があった。

図６は、従来の光電変換装置の残像現象を示す図である。図に示すような白黒の原稿を、イメージセンサ２０を用いて読み取ったデータが読み取り画像であるが、イメージセンサ２０の光電変換素子表面に導電性異物２１が付着したときの図を示した。
イメージセンサ２０の光電変換素子表面に付着した導電性異物２１の影響によって、黒のデータとなるところが、直前の白のデータの残像が現れて、残像現象となっている。

そこで、本発明の目的は、光電変換装置の受光面に付着した導電性異物の影響を低減して正確な画像読み取りをすることである。

従来のこのような問題点を解決するために、本発明のイメージセンサに用いられる光電変換装置は以下のような構成及び駆動方法とした。
（１）請求項１に記載した発明では、光電変換素子と、前記光電変換素子に初期化電位を供給しリセット状態とする光電変換素子リセット手段と、前記光電変換素子の電圧を転送する転送手段とからなる光電変換ブロックを複数備えた光電変換装置であって、前記光電変換素子リセット手段は、読み取り期間において前記光電変換素子の電圧を転送する毎と、スタンバイ期間とに前記光電変換素子をリセット状態とする、ことを特徴とする。
（２）請求項２に記載した発明では、請求項１に記載の光電変換装置において、前記光電変換素子リセット手段は、前期初期化電位に接続されたスイッチ手段と、前記スイッチ手段のオンオフを制御するリセット信号出力手段で構成され、前記リセット信号出力手段は、読み取り期間に前記光電変換素子の電圧を転送する毎に前記光電変換素子をリセットするリセット信号と、スタンバイ期間に前記光電変換素子をリセットする第二のリセット信号を出力する、ことを特徴とする。
（３）請求項３に記載した発明では、請求項２に記載の光電変換装置において、前記第二のリセット信号を供給する第二のリセット信号発生回路は、電源の投入によって前記第二のリセット信号を出力し、前記読み取り期間に発生するスタート信号が入力されることによって前記第二のリセット信号を一定期間だけ停止する、ことを特徴とする。
（４）請求項４に記載した発明では、請求項３に記載の光電変換装置において、前記第二のリセット信号発生回路は、前記第二のリセット信号を出力する波形形成手段と、前記波形形成手段の入力に接続され、前記波形形成手段の入力に前記第二のリセット信号の電位を供給する電圧供給手段と、前記波形形成手段の入力に接続され、前記スタート信号によって、前記波形形成手段の入力の電位を前記第二のリセット信号を停止する電位にするスイッチ手段と、前記波形形成手段の入力に接続され、前記スイッチ手段がオフしたときに前記波形形成手段の入力の電位を前記第二のリセット信号を停止する電位に保持する電圧保持手段とで構成されることを特徴とする。
（５）請求項５に記載した発明では、請求項１から４のいずれかに記載の光電変換装置を複数備える、ことを特徴とするイメージセンサ。
（６）請求項６に記載した発明では、請求項５に記載のイメージセンサを備える、ことを特徴とする光学読み取り装置。
（７）請求項７に記載した発明では、光電変換素子のスタンバイ期間に前記光電変換素子をリセット状態とし、前記光電変換素子で画像読み取り期間に発生するスタート信号で前記光電変換素子のリセットを解除し、その後に前記光電変換素子で画像読み取りをする、ことを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
（８）請求項８に記載した発明では、請求項７に記載の光電変換装置の駆動方法において、電源が投入されたときから前記光電変換素子をリセット状態とすることを特徴とする。

本発明のイメージセンサに用いられる光電変換装置及び駆動方法によれば、光電変換素子のスタンバイ期間に光電変換素子をリセット状態とすることによって、光電変換装置の受光面に付着した導電性異物の影響を低減して正確な画像読み取りが可能となり、高精度な密着型イメージセンサを提供することが出来る。

図１は、本実施形態のイメージセンサに用いられる光電変換装置の光電変換ブロック１５の回路図である。
光電変換ブロック１５は、以下に示すような構成となっている。
フォトダイオード１のアノードは接地電位に接続され、フォトダイオード１のカソードには、初期化電位であるリセット電位Ｖrstがリセットスイッチ２を介して接続され、さらにアンプ３の入力端子が接続されている。
アンプ３の出力端子には、転送スイッチ４を介してフォトダイオード１のリセット電位Ｖrstを蓄積する容量５と、読出し用ＭＯＳトランジスタ６のゲートが接続されている。読出し用ＭＯＳトランジスタ６のドレインは、チャンネル選択スイッチ７に接続されている。

本実施形態の光電変換ブロック１５は、さらにリセットスイッチ２の制御端子に、リセットスイッチ２のオンオフを制御するリセット信号出力回路であるＯＲ回路９が接続されている。
ＯＲ回路９は、データを読み出すごとに光電変換素子をリセットするリセット信号と、電源投入後のスタンバイ状態に光電変換素子をリセットする第二のリセット信号とを入力し、リセットスイッチ２の制御端子に出力する。

図１に示す光電変換ブロック１５は、光電変換装置に設けられた複数の光電変換ブロックのうちの一つを示している。光電変換ブロック１５は画素数分設けられており、各光電変換ブロック１５のチャンネル選択スイッチ７を介して共通信号線に接続されている。
ＯＲ回路９に第二のリセット信号を供給する第二のリセット信号出力回路１０は、各光電変換ブロック１５共通に光電変換装置の内部に設けられている。
第二のリセット信号出力回路１０は、光電変換装置の外部に設けられても良い。

上述したような光電変換装置は、以下のように駆動され画像の読み取りを行う。
図２は、本実施形態の光電変換ブロック１５の駆動信号のタイミングチャートである。
イメージセンサに電源が投入されると、第二のリセット信号出力回路１０は第二のリセット信号ΦＲ２を各光電変換ブロック１５に出力する。各光電変換ブロック１５において、第二のリセット信号ΦＲ２はＯＲ回路９を介してリセットスイッチ２に供給され、リセットスイッチ２がオンする。
従って、フォトダイオード１のカソード、すなわちノードＣはリセット電位Ｖrstに初期化され、同時に導電性異物８のノードＤの電位もリセット電位Ｖrstとなる。
導電性異物８のノードＤの電位は、一旦リセット電位Ｖrstとなった後に、容量成分から抵抗成分を介して徐々に放電していくため、ゆっくりと基板電位ＶＳＳに近づいていく。このとき、従来の駆動方法の空サイクルによるパルス状のリセット電位Ｖrstの供給よりも、短時間でノードＣをリセット電位Ｖrstに初期化することが出来る。

ここで、イメージセンサに電源が投入された状態で起動操作されるまでの間と、起動操作の読み取り期間終了後から起動操作されるまでの間を、スタンバイ期間と称する。
スタンバイ期間では、第二のリセット信号ΦＲ２によってリセットスイッチ２は常にオンしており、フォトダイオード１のカソード、すなわちノードＣにはリセット電位Ｖrstが供給され続けている。

スタンバイ期間でイメージセンサが起動操作されると、第二のリセット信号出力回路１０にスタート信号ΦＳＴＲが入力されて第二のリセット信号ΦＲ２はオフされ、各光電変換ブロック１５にスタート信号ΦＳＴＲが入力されて読み取り動作が開始し、読み取り期間となる。
リセット信号ΦＲでリセットスイッチ２がオンすることによって、フォトダイオード１のカソードはリセット電位Ｖrstに初期化される。そのときの受光前のリセット電位Ｖrstはアンプ３で増幅され、転送スイッチ４がオンして容量５に蓄積される。
転送スイッチ４は、容量５にリセット電位Ｖrstを蓄積した後にオフする。リセット電位Ｖrstに初期化されたフォトダイオード１は、受光すると受光した光量に応じてカソードの電位が低下する。フォトダイオード１で一定期間受光したのち、チャンネル選択スイッチ７をオンして容量５に蓄積した受光前のリセット電位Ｖrstを共通信号線に読み出し、さらに転送スイッチ４をオンして受光後のフォトダイオード１のカソードの電位を共通信号線に読み出す。
このようにして、受光前のリセット電位Ｖrstと受光後のフォトダイオード１のカソードの電位の差を検出することで画像の読み取りを行う。

図３に、本実施形態の第二のリセット信号出力回路１０の一例を示す。
第二のリセット信号出力回路１０は、第二のリセット信号ΦＲ２を出力するバッファ１４と、バッファ１４の入力と電源電圧ＶＤＤの間に接続され第二のリセット信号ΦＲ２の電位をバッファ１４に供給する抵抗１２と、バッファ１４の入力と基板電位ＶＳＳの間に接続されスタート信号ΦＳＴＲによってバッファ１４の入力の電位を基板電位ＶＳＳに短絡するスイッチ回路１１と、バッファ１４の入力と電源電圧ＶＤＤの間に接続されスイッチ回路１１がオフになったときにバッファ１４の入力を一定期間基板電位ＶＳＳに保持する容量１３とで構成される。

このような構成とすることで、第二のリセット信号出力回路１０は、電源が投入されスタート信号ΦＳＴＲがスイッチ回路１１に入力されるまでの間、すなわちスタンバイ期間は、バッファ１４の入力は抵抗１２によって電源電圧ＶＤＤとなり、バッファ１４から第二のリセット信号ΦＲ２が出力される。
次に、イメージセンサが起動操作されることによって、スタート信号ΦＳＴＲが発生すると、スイッチ回路１１にスタート信号ΦＳＴＲが入力され、バッファ１４の入力は基板電位ＶＳＳになり、第二のリセット信号ΦＲ２は停止する。
また、スタート信号ΦＳＴＲの入力がなくなるとスイッチ回路１１がオフするが、抵抗１２と容量１３の時定数によって定まる期間Ｔrcはバッファ１４の入力は基板電位ＶＳＳに保持されるので、第二のリセット信号ΦＲ２は出力されない。
従って、スタート信号ΦＳＴＲの間隔をＴ１とすると、Ｔ１＜Ｔrcと設定して、読み取り期間であれば第二のリセット信号ΦＲ２が出力されない構成とする。

上述したような本実施形態のイメージセンサにおいては、リセット信号ΦＲ２は、イメージセンサを起動するときに入力されるスタート信号ΦＳＴＲが入力されるまでＯＮを維持するので、ノードＣはスタンバイ期間において短期間でリセット電位Ｖrstに初期化され、常にリセット電位Ｖrstを保持することが出来る。
従って、電源投入後にノードＣがリセット電位Ｖrstに初期化されるのと同時に導電性異物８のノードＤの電位もリセット電位Ｖrstとなるので、電源投入後のスタンバイ期間が数秒あればノードＤの電位は十分に基板電位ＶＳＳに安定する。
すなわち、読み取り期間においてノードＤの電位変動はなくなり、従来のイメージセンサで起こっていたような起動時の画像データの残像現象を防止することが可能となる。

さらに、一連の読み取り動作が終了してスタート信号ΦＳＴＲが入力されなくなると、第二のリセット信号出力回路１０は第二のリセット信号ΦＲ２を各光電変換ブロック１５に出力する。
光電変換ブロック１５のフォトダイオード１のカソード、すなわちノードＣの電位は、読み取り動作が終了してリセット信号ΦＲによるリセット電位Ｖrstの供給がされなくなると、フォトダイオード１のリークによって基板電位ＶＳＳになろうとするが、スタンバイ期間において常に第二のリセット信号ΦＲ２によってリセット電位Ｖrstに保たれるので、以降の読み取り動作においても確実に起動時の画像データの残像現象を防止することが可能となる。

第二のリセット信号出力回路１０は、一例として図３のような回路としたが、この回路に限るものではなく、電源の投入と同時に第二のリセット信号ΦＲ２が出力されて、スタンバイ期間において出力が維持されるような回路であればよい。
また、信号の論理もリセットスイッチ２の構成に併せて変更することも可能である。

以上に説明したように、本実施形態のイメージセンサに用いられる光電変換装置及び駆動方法によれば、光電変換装置の受光面に付着した導電性異物の影響を低減して正確な画像読み取りが可能となり、高精度な密着型イメージセンサを提供することが出来る。
さらに、その密着型イメージセンサを用いたイメージスキャナやファクシミリのような高精度な光学読取装置を提供することが出来る。

また、スタンバイ期間において、ノードＣ及びノードＤの電位を初期化及び安定させることが出来るので、従来必要としていた空サイクル期間は、回路の初期化のための必要最小限にとどめることが可能となり、イメージセンサの起動時の立ち上がり期間の短縮になるという効果もある。

本実施形態のイメージセンサに用いられる光電変換装置の光電変換ブロックの回路図である。 本実施形態の光電変換ブロックの駆動信号のタイミングチャートである。 本実施形態の第二のリセット信号出力回路の一例を示す回路図である。 従来のイメージセンサに用いられる光電変換装置の光電変換ブロックの回路図である。 従来の光電変換装置の駆動信号のタイミングチャートである。 従来の光電変換装置の残像現象を示す図である。

符号の説明

１ フォトダイオード
２ リセットスイッチ
３ アンプ
４ 転送スイッチ
５ 容量
６ ＭＯＳトランジスタ
７ チャンネル選択スイッチ
８ 導電性異物の等価回路
９ ＯＲ回路
１０ 第二のリセット信号出力回路
１１ ＭＯＳトランジスタ
１２ 抵抗
１３ 容量
１４ バッファ
１５ 光電変換ブロック
２０ イメージセンサ
２１ 導電性異物

Claims (8)

1. 光電変換素子と、
   前記光電変換素子に初期化電位を供給しリセット状態とする光電変換素子リセット手段と、
   前記光電変換素子の電圧を転送する転送手段とからなる光電変換ブロックを複数備えた光電変換装置であって、
   前記光電変換素子リセット手段は、読み取り期間において前記光電変換素子の電圧を転送する毎と、スタンバイ期間とに前記光電変換素子をリセット状態とする、
   ことを特徴とする光電変換装置。
   
2. 前記光電変換素子リセット手段は、
   前期初期化電位に接続されたスイッチ手段と、
   前記スイッチ手段のオンオフを制御するリセット信号出力手段で構成され、
   前記リセット信号出力手段は、読み取り期間に前記光電変換素子の電圧を転送する毎に前記光電変換素子をリセットするリセット信号と、
   スタンバイ期間に前記光電変換素子をリセットする第二のリセット信号を出力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
   
3. 前記第二のリセット信号を供給する第二のリセット信号発生回路は、
   電源の投入によって前記第二のリセット信号を出力し、
   前記読み取り期間に発生するスタート信号が入力されることによって前記第二のリセット信号を一定期間だけ停止する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
   
4. 前記第二のリセット信号発生回路は、
   前記第二のリセット信号を出力する波形形成手段と、
   前記波形形成手段の入力に接続され、前記波形形成手段の入力に前記第二のリセット信号の電位を供給する電圧供給手段と、
   前記波形形成手段の入力に接続され、前記スタート信号によって、前記波形形成手段の入力の電位を前記第二のリセット信号を停止する電位にするスイッチ手段と、
   前記波形形成手段の入力に接続され、前記スイッチ手段がオフしたときに前記波形形成手段の入力の電位を前記第二のリセット信号を停止する電位に保持する電圧保持手段とで構成されることを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
   
5. 請求項１から４のいずれかに記載の光電変換装置を複数備える、
   ことを特徴とするイメージセンサ。
   
6. 請求項５に記載のイメージセンサを備える、
   ことを特徴とする光学読み取り装置。
   
7. 光電変換素子のスタンバイ期間に前記光電変換素子をリセット状態とし、
   前記光電変換素子で画像読み取り期間に発生するスタート信号で前記光電変換素子のリセットを解除し、
   その後に前記光電変換素子で画像読み取りをする、
   ことを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
   
8. 電源が投入されたときから前記光電変換素子をリセット状態とする、
   ことを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置の駆動方法。

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