JP2008172591A - リニアイメージセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】リニアイメージセンサにおける、出力信号のノイズを低減し、消費電力を削減する。
【解決手段】画素列毎に高解像度転送レジスタ及び低解像度転送レジスタを設け、高解像度読出し時には低解像度転送レジスタを停止し、低解像度読出し時には高解像度レジスタを停止することによってノイズを低減する。また、両転送レジスタの電荷検出部及び出力アンプを共通にすることで、消費電力を削減する。
【選択図】図２

Description

本発明はリニアイメージセンサに関し、特に複数本の転送レジスタを有するリニアイメージセンサに関する。

近年パーソナルコンピュータの普及や複写機の高性能化の要求にともない、カラー画像を読取るためのカラーリニアイメージセンサの需要が高まってきている。

このようなカラーリニアイメージセンサは通常、受光した光を電子に変換する画素列と、各画素で変換された電荷を順次転送する転送レジスタ（ＣＣＤ）で構成されるリニアイメージセンサを３本並列に配置し、各画素列上に異なる色の色フィルタ、例えば赤（ＲＥＤ）、緑（ＧＲＥＥＮ）、青（ＢＬＵＥ）フィルタをのせることによって形成されている（以下、ＲＥＤ、ＧＲＥＥＮ、ＢＬＵＥをそれぞれＲＥ、ＧＲ、ＢＬとする）。

各画素列間には転送レジスタが配置されているため、各画素列間には一定の間隔が存在する。

実際にスキャナーや複写機で使用する場合、３本のリニアイメージセンサをそれらの配列方向に対して垂直に走査する。ここでは、リニアイメージセンサは、例えばＲＥ、ＧＲ、ＢＬの順に被写体上を操作するものとする。被写体上の所定の場所の画像に対する色の情報（例えばＲＧＢ）を得るためには、所定の場所を１本目のライン（ＲＥ）が走査してから３本目のライン（ＢＬ）が走査し終わるまで１本目（ＲＥ）と２本目（ＧＲ）のラインの色情報を外部で記憶し、３つの色情報をそろえてから信号処理を行う必要がある。このため、各色画素列の間隔（以下、ライン間隔という。）が広いと、色情報を外部で記録するための大きな容量の外部メモリが必要となり、機械的な位置ずれの影響を受けやすい、等の問題が生じる。

上記を解決するためには、ライン間隔を短くして、１本目（ＲＥ）が走査してから３本目（ＢＬ）が走査するまでの走査回数を少なくする必要がある。そこで、以下に従来例として説明する構成(特許文献１)が採用されてきている。

また、リニアイメージセンサに関して、低解像度モードで稼動させる際の信号出力期間及びリファレンス期間を長くとるために、電荷検出部への電荷転送のタイミングを変更する技術（特許文献２）や、低解像度モードの読出しを高速化する技術（特許文献３）も開示されている。

特開平０８−２７４２９４号公報 特開２００６−０５０１０１号公報 特開平０５−０６８１４０号公報

読取りデータを蓄積しておくメモリ容量の減少及び読取り位置の位置ズレ等の問題を回避するため、各色画素間（以下、ライン間隔Ｌ１とする。）を短くするために、特許文献１において、図１に示す構成のイメージセンサが開示されている。各部位の説明は次の通りである。

画素列１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃは、受光した光を光電変換し電子に変換を行うための受光部であり、主走査方向の解像度に準じた画素数が１列に配置されている。ここで、１０１ａはＲＥ画素列、１０１ｂはＧＲ画素列、１０１ｃはＢＬ画素列である。

ＴＧ１０２ａ、１０２ｂ１、１０２ｂ２、１０２ｃは各画素で光電変換された電子を転送レジスタに転送するためのトランスファーゲート（ＴＧ）である。

第１転送レジスタ１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃは画素数（主走査解像度）の１／２の転送段数を有する転送レジスタで奇数画素の信号の転送を行う。

第２転送レジスタ１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃは画素数（主走査解像度）の１／２の転送段数を有する転送レジスタで偶数画素の信号の転送を行う。

電荷検出部１０５ａ１、１０５ａ２、１０５ｂ１、１０５ｂ２、１０５ｃ１、１０５ｃ２は転送レジスタで順次転送されてくる電荷を電圧に変換し、転送レジスタごとに配置されている。

出力アンプ１０６ａ１、１０６ａ２、１０６ｂ１、１０６ｂ２、１０６ｃ１、１０６ｃ２は電荷検出部で電圧に変換された信号を増幅するための回路であり、転送レジスタごとに配置されている。

中央のイメージセンサ（ＧＲ）に関しては、画素列１０１ｂの両側に転送レジスタ１０２ｂ１、１０２ｂ２を配置し、外側配置のイメージセンサ（ＲＥ、ＢＬ）に関しては、画素列の片側かつ中央のイメージセンサの反対側に第１、第２の転送レジスタ１０３ａ、１０４ａ、１０３ｃ、１０４ｃを配置する。このように、中央のイメージセンサ（ＧＲ）と外側のイメージセンサ（ＲＥ、ＢＬ）における、画素列、転送レジスタの配置を変えることによって、画素列１０１ａと１０１ｂ、及び画素列１０１ｂと１０１ｃの間のライン間隔Ｌ１を短くする構成となっている。

また、電荷検出部１０５ａ１、１０５ａ２、１０５ｂ１、１０５ｂ２、１０５ｃ１、１０５ｃ２及び出力アンプ１０６ａ１、１０６ａ２、１０６ｂ１、１０６ｂ２、１０６ｃ１、１０６ｃ２は転送レジスタと同じ数だけ独立に配置されており、また第１、第２転送レジスタは共に同じ転送段数（画素数の１／２）で構成されていることを特徴としている。

例えばＲＥのイメージセンサの動作は、ＴＧ１０２ａをＯＮし画素列１０１ａに蓄積された電子を奇数画素は第１の転送レジスタ１０３ａへ、偶数画素は第２の転送レジスタ１０４ａへ移動させる。次に転送レジスタへ移動した電荷を順次各電荷検出部１０５ａ１、１０５ａ２へ転送を行う。電荷検出部で電荷を電圧に変換し後段の出力アンプ１０６ａ１、１０６ａ２で信号を増幅し各色の奇数画素信号１０７ａ１、偶数画素信号１０７ａ２を独立に出力する。

従来の構成であると、ライン間隔Ｌ１を短くするために色毎の画素列と転送レジスタの配置構成が異なるため、同色の第１転送レジスタと第２転送レジスタを共通の電荷検出部に合成するパターンを３色同パターンで作成することが困難である。よって、転送レジスタ毎に電荷検出部及び出力アンプを独立に有している。このため、奇数画素、偶数画素で異なる電荷検出部１０５ａ１、１０５ａ２及び出力アンプ１０６ａ１、１０６ａ２で出力信号を得るため、製造バラツキ、飛込みノイズ等の影響により同色内の奇数・偶数画素で信号に影響するノイズが異なり奇数偶数画素信号に特性差を生じる。また出力アンプの数（６個）が多いため消費電力が大きくなるという問題点がある。

また、偶数画素、奇数画素が独立に出力されるため、低解像度出力を得る場合は、イメージセンサの外部で出力信号の処理を行わなければならない。したがって、隣接の奇数画素信号と偶数画素信号を足し合わせた２画素加算のような画素欠陥のない低解像度出力を得ることは困難であるという問題がある。

本発明の第１の視点に係るリニアイメージセンサは、光電変換画素からなる画素列と、前記画素列と平行に配置されると共に前記画素列から電荷を入力して配列方向に転送する第１および第２の転送レジスタと、前記第１および第２の転送レジスタの少なくとも一方によって配列方向に転送された電荷を電圧に変換する電圧変換部を備えるリニアイメージセンサであって、前記第１の転送レジスタの各段は前記画素列のいずれか１個の対応する画素から電荷を入力するよう構成され、前記第２の転送レジスタの各段は前記画素列の隣接する複数個の対応する画素から電荷を入力するよう構成され、前記両転送レジスタは出力される解像度に応じていずれか一方が駆動されるように構成される。

本発明によれば、高解像度用の第１転送レジスタと、隣接する複数画素（例えば、隣接する２画素）の電荷を加算して転送を行う第２転送レジスタを備えることにより、画素欠落なしに容易に低解像度の出力を実現することができる。

また、高解像度用の第１転送レジスタと低解像度用の第２転送レジスタの電荷検出部を共通化することにより、リニアイメージセンサの出力アンプの個数を１画素列あたり２個から１個へ削減できる。これにより、消費電力を低減できる。

複数画素を合わせた全画素の出力を共通の電荷検出部及び出力アンプで出力するため、例えば、奇数、偶数画素でノイズの乗り方が異なることによる出力特性差が発生しない。

高解像度出力時には、第１転送レジスタのみを使用して電荷転送を行い、未使用の低解像度用の第２転送レジスタを停止させる。逆に、低解像度出力時には、第２転送レジスタのみを使用し、未使用の高解像度用の第１転送レジスタを停止させる。これにより、電荷検出部でカップリングによるノイズを低減できる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

本発明に係るリニアイメージセンサは、光電変換画素からなる画素列（図２の１ａ）と、前記画素列と平行に配置されると共に前記画素列から電荷を入力して配列方向に転送する第１および第２の転送レジスタ（図２の３ａおよび４ａ）と、前記第１および第２の転送レジスタの少なくとも一方によって配列方向に転送された電荷を電圧に変換する電圧変換部（図２の５ａおよび６ａ）を備えるリニアイメージセンサであって、前記第１の転送レジスタの各段は前記画素列のいずれか１個の対応する画素から電荷を入力するよう構成され、前記第２の転送レジスタの各段は前記画素列の隣接する複数個の対応する画素から電荷を入力するよう構成され、前記両転送レジスタは出力される解像度に応じていずれか一方が駆動されるように構成される。

ここで、電圧変換部とは、電荷検出部および出力アンプを合わせた部分（例えば、図２の５ａおよび６ａ）をいう。

また、電圧変換部（例えば、図２の５ａおよび６ａ）は前記両転送レジスタ（例えば、図２の３ａおよび４ａ）によって共有されることが好ましい。

さらに、電圧変換部（図２の５ｂ１および６ｂ１並びに図２の５ｂ２および６ｂ２）を両転送レジスタの夫々（図２の３ｂおよび４ｂ）に備えてもよい。

また、第２の転送レジスタ（図２の４ａ、４ｂ、４ｃ）の各段は画素列（図２の１ａ、１ｂ、１ｃ）の隣接する２個の対応する画素から電荷を入力するよう構成されてもよい。

本発明に係るカラーリニアイメージセンサは、第２のリニアイメージセンサとして、請求項３に記載のリニアイメージセンサを備え、第１および第３のリニアイメージセンサとして、いずれも請求項２に記載のリニアイメージセンサを前記第２のリニアイメージセンサを中央にして両側に平行に備えるカラーリニアイメージセンサであって、前記第１のリニアイメージセンサにおける両転送レジスタ（図２の３ａ、４ａ）が、前記第２のリニアイメージセンサから見て画素列（図２の１ａ）の外側に配置され、前記第２のリニアイメージセンサにおける両転送レジスタ（図２の３ｂ、４ｂ）が、画素列(図２の１ｂ)の両側に配置され、前記第３のリニアイメージセンサにおける両転送レジスタ（図２の３ｃ、４ｃ）が、前記第２のリニアイメージセンサから見て画素列（図２の１ｃ）の外側に配置される。

また、第１、第２および第３のリニアイメージセンサの第２の転送レジスタ（図２の４ａ、４ｂ、４ｃ）の各段は前記画素列の隣接する２個の対応する画素（図２の１ａ、１ｂ、１ｃ）から電荷を入力するよう構成されてもよい。

さらに、前記第２のリニアイメージセンサは、出力される解像度に応じて、前記電圧変換部（図２の５ｂ１および６ｂ１、または、５ｂ２および６ｂ２）のいずれか一方を選択するスイッチ（図２の８）をさらに備えてもよい。

実施例１の構成を図２に示す。図２の各部の説明を以下に示す。

画素列１ａ、１ｂ、１ｃは受光した光を光電変換し電子に変換を行うための受光部であり、主走査方向の解像度に準じた画素数が１列に配置されている。ここでは、例えば、１ａはＲＥ画素列、１ｂはＧＲ画素列、１ｃはＢＬ画素列である。

トランスファーゲート（ＴＧ）２ａ、２ｂ１、２ｂ２、２ｃは各画素で光電変換された電子を転送レジスタに転送する。

第１転送レジスタ３ａ、３ｂ、３ｃは画素数（解像度）と同じ転送段数を有する高解像度用の転送レジスタである。

第２転送レジスタ４ａ、４ｂ、４ｃは、画素列（解像度）の例えば１／２の転送段数を有する低解像度用の転送レジスタである。

電荷検出部５ａは、ＲＥ第１転送レジスタ３ａとＲＥ第２転送レジスタ４ａに共通の電荷検出部である。

電荷検出部５ｂ１、５ｂ２はそれぞれＧＲ第１転送レジスタ３ｂ、ＧＲ第２転送レジスタ４ｂの電荷検出部である。

電荷検出部５ｃはＢＬ第１転送レジスタ３ｃとＢＬ第２転送レジスタ４ｃに共通の電荷検出部である。

ＳＷ８はＧＲの高解像度出力と低解像度出力のモードを選択するためのスイッチである。すなわち、ＳＷ８は高解像度出力モードではＧＲ出力アンプ６ｂ１の電圧を出力し、低解像度出力モードではＧＲ出力アンプ６ｂ２の電圧を出力する。

本構成の特徴は以下の通りである。すなわち、カラーイメージセンサにおいて、１画素列に対して高解像度用の第１転送レジスタと低解像度用の第２転送レジスタの２種類を有する。

中央配置の画素列（ＧＲ）については、その両側に第１及び２転送レジスタを配置し、外側配置の画素列（ＲＥ、ＢＬ）は、画素列の片側かつ、中央の画素列（ＧＲ）の反対側に第１及び第２転送レジスタを配置する。

外側配置画素列（ＲＥ、ＢＬ）の第１、２転送レジスタの電荷検出部及び出力アンプは共通化されており、それぞれ１個のみとする。

中央配置画素列（ＧＲ）の第１、２転送レジスタの電荷検出部は、各転送レジスタにつき一つ配置され、出力アンプは２個としている。

[動作]
次に、高解像度読出し時及び低解像度読出し時それぞれの動作について説明する。

高解像度読出し時の動作は以下の通りである。ＴＧ２ａ、２ｂ１、２ｃをＯＮし、全画素に蓄積された電荷を第１転送レジスタ３ａ、３ｂ、３ｃに移動させる。このときの電荷移動の様子を図２に実線の矢印で示す。次に、第１転送レジスタで順次転送を行い、電荷検出部５ａ、５ｂ１、５ｃで電圧に変換され、アンプ６ａ、６ｂ１、６ｃで増幅された出力を得る。ＧＲについては、ＳＷ８によって出力アンプ６ｂ１の電圧が出力される。

このとき、未使用の転送レジスタを駆動するクロックによるカップリングの影響をなくすため、各色の第２転送レジスタ４ａ、４ｂ、４ｃは停止させておく。

低解像度読出し時の動作は次の通りである。ＴＧ２ａ、２ｂ２、２ｃをＯＮし、ＲＥとＢＬの電荷はいったん第１転送レジスタ３ａ、３ｃに電荷を移動させる。次に隣り合う奇数画素と偶数画素の電荷を第２転送レジスタ４ａ、４ｃの対応する転送段に移動させる。すなわち、画素欠陥のない低解像度を得るため電荷の加算を行う。ＧＲの電荷は、隣り合う奇数画素と偶数画素の電荷を、直接、対応する第２転送レジスタ４ｂに移動させる。次に、順次第２転送レジスタ４ａ、４ｂ、４ｃのみを稼動して電荷の転送を行い、ＲＥは電荷検出部５ａ、ＧＲは電荷検出部５ｂ２、ＢＬは電荷検出部５ｃで電圧に変換され、出力アンプ６ａ、６ｂ２、６ｃで増幅され出力を得る。

低解像度読出し時には、カップリングの影響を無くすため、未使用の各色の第１転送レジスタ３ａ、３ｂ、３ｃは停止させておく。さらに、ＧＲ出力に関してはパターン上電荷検出部をＲＥ、ＢＬと同様に共通化することが出来ないため低解像度、高解像度出力用の電荷検出部５ｂ１、５ｂ２と、出力アンプ６ｂ１、６ｂ２を有しており、出力アンプの後段に配した解像度切り替えＳＷ８によって各解像度出力を選択して出力を行う。

外側に配置されるイメージセンサＲＥ、ＢＬについて、第１転送レジスタ、第２転送レジスタの電荷検出部を共通化することにより、出力アンプの数を６個から４個に削減できる。これにより、消費電力を低減することができる。

奇数画素と偶数画素を合わせた全画素の出力を共通の電荷検出部及び出力アンプで出力するため、奇数画素と偶数画素間でノイズの乗り方が異なることによる同一色内での出力特性差が発生しない。

高解像度用の第１転送レジスタとは別に、隣接する奇数偶数画素を加算して転送を行う、低解像度用の第２の転送レジスタを設ける事により、画素欠落なしに容易に低解像度を実現可能である。

高解像度出力時には、未使用の低解像度転送レジスタを停止させ、低解像度出力時には、未使用の高解像度転送レジスタを停止させる。したがって、電荷検出部で飛び込みノイズ（カップリングノイズ）による影響を低減することができる。

本実施例に示す構成によって、特に複数本の画素列を有するリニアイメージセンサにおいて、画素列のライン間隔を変えることなく低ノイズな低解像度、高解像度信号を容易に得ることができ、低消費電力なイメージセンサを実現することが可能である。

なお、画素列が１本のみのリニアイメージセンサにおいても、本実施例の外側に配置されるイメージセンサＲＥ、ＢＬのいずれか１と同じ構成とすることで、低ノイズな低解像度、高解像度信号を容易に得ることができ、また低消費電力化が可能である。

従来のイメージセンサの構成。 本発明の実施例に係るイメージセンサの構成。

符号の説明

１ａ、１０１ａ ＲＥ画素列
１ｂ、１０１ｂ ＧＲ画素列
１ｃ、１０１ｃ ＢＬ画素列
２ａ、１０２ａ ＲＥトランスファーゲート
２ｂ１、２ｂ２、１０２ｂ１、１０２ｂ２ ＧＲトランスファーゲート
２ｃ、１０２ｃ ＢＬトランスファーゲート
３ａ、１０３ａ ＲＥ第１転送レジスタ
３ｂ、１０３ｂ ＧＲ第１転送レジスタ
３ｃ、１０３ｃ ＢＬ第１転送レジスタ
４ａ、１０４ａ ＲＥ第２転送レジスタ
４ｂ、１０４ｂ ＧＲ第２転送レジスタ
４ｃ、１０４ｃ ＢＬ第２転送レジスタ
５ａ、１０５ａ１、１０５ａ２ ＲＥ電荷検出部
５ｂ１、５ｂ２、１０５ｂ１、１０５ｂ２ ＧＲ電荷検出部
５ｃ、１０５ｃ１、１０５ｃ２ ＢＬ電荷検出部
６ａ、１０６ａ１、１０６ａ２ ＲＥ出力アンプ
６ｂ１、６ｂ２、１０６ｂ１、１０６ｂ２ ＧＲ出力アンプ
６ｃ、１０６ｃ１、１０６ｃ２ ＢＬ出力アンプ
７ａ、１０７ａ１、１０７ａ２ ＲＥ出力端子
７ｂ、１０７ｂ１、１０７ｂ２ ＧＲ出力端子
７ｃ、１０７ｃ１、１０７ｃ２ ＢＬ出力端子
８ スイッチ（ＳＷ）

Claims (7)

1. 光電変換画素からなる画素列と、
   前記画素列と平行に配置されると共に前記画素列から電荷を入力して配列方向に転送する第１および第２の転送レジスタと、
   前記第１および第２の転送レジスタの少なくとも一方によって配列方向に転送された電荷を電圧に変換する電圧変換部を備えたリニアイメージセンサであって、
   前記第１の転送レジスタの各段は前記画素列のいずれか１個の対応する画素から電荷を入力するよう構成され、
   前記第２の転送レジスタの各段は前記画素列の隣接する複数個の対応する画素から電荷を入力するよう構成され、
   前記両転送レジスタは出力される解像度に応じていずれか一方が駆動されるように構成されたリニアイメージセンサ。
2. 前記電圧変換部は前記両転送レジスタによって共有されることを特徴とする、請求項１に記載のリニアイメージセンサ。
3. 前記電圧変換部を前記両転送レジスタの夫々に備えたことを特徴とする、請求項１に記載のリニアイメージセンサ。
4. 前記第２の転送レジスタの各段が、前記画素列の隣接する２個の対応する画素から電荷を入力するよう構成されたことを特徴とする、請求項１に記載のリニアイメージセンサ。
5. 第２のリニアイメージセンサとして、請求項３に記載のリニアイメージセンサを備え、
   第１および第３のリニアイメージセンサとして、いずれも請求項２に記載のリニアイメージセンサを前記第２のリニアイメージセンサを中央にして両側に平行に備えたカラーリニアイメージセンサであって、
   前記第１のリニアイメージセンサにおける前記両転送レジスタが、前記第２のリニアイメージセンサから見て前記画素列の外側に配置され、
   前記第２のリニアイメージセンサにおける前記両転送レジスタが、前記画素列の両側に配置され、
   前記第３のリニアイメージセンサにおける前記両転送レジスタが、前記第２のリニアイメージセンサから見て前記画素列の外側に配置されたことを特徴とするカラーリニアイメージセンサ。
6. 前記第１、第２および第３のリニアイメージセンサにおける前記第２の転送レジスタの各段が、前記画素列の隣接する２個の対応する画素から電荷を入力するよう構成されたことを特徴とする、請求項５に記載のカラーリニアイメージセンサ。
7. 前記第２のリニアイメージセンサが、出力される解像度に応じて、前記電圧変換部のいずれか一方を選択するスイッチをさらに備えたことを特徴とする、請求項５に記載のカラーリニアイメージセンサ。

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