JP2519412B2 - 光学像情報対電気信号変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ビデオディスクとかビデオテープ用のカメ
ラ、ファクシミリ等においての原稿読取り装置、そして
また読取った原稿内容に一部追加、変更、差し替え、足
し合せ等の処理を行ない得るコピープロセッサの当該原
稿読取り部等として用いることができる撮像装置、すな
わち光学像を捕えてこれを一連の電気信号群に変換する
ための光学像情報対電気信号変換装置に関する。

［従来の技術］ 一般に撮像装置と簡単に呼称される中にあっても、半
導体素子を用いた撮像装置が昨今、富に汎用されてきて
いる。そうしたもので最も一般的なものは、多数個のフ
ォトダイオードを一次元または二次元に配して成るフォ
トダイオードアレイとか、CCD（チャージカップルドデ
バイス）を多数個、一次元または二次元に配して成るCC
Dアレイである。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の撮像装置は、一般に各画素ごと
に、すなわち各光電変換素子ごとに専用のスイッチング
素子（トランジスタ等）とかCCD等による転送素子を必
要としていた。そのため、ある程度以上に満足すべき画
質を得たり撮像面積を増加させるには、超LSIなみの極
めて高い集積度を要求し、このことが実際上、商品化過
程での大きな欠点となっていた。コストを上昇させ、製
造を困難にし、歩留まりを低下する因となるからであ
る。

中でも特に、歩留まりを良好に保たなければならない
という要請はかなり支配的であり、これを満たすには集
積密度を犠牲にせねばならず、実際、二次元撮像素子に
おける画像分解能、すなわち集積可能な素子数は、昨
今、25万画素程度に向上してきたとは言うものの、一次
元撮像素子の集積度（5000画素／ライン程度）に比せ
ば、まだまだ決して十分なものとはなり得ていない。

これに対し、後に第１図（Ａ），（Ｂ）及び第２図に
即して説明するように、信号光を受光する光電変換素子
とスイープ光を受光する光電変換素子とを一対一で電気
的に接続した“素子対”を多数個、アレイ状ないしマト
リックス状に並設し、個々の素子対のスイープ光用光電
変換素子に順次光を照射してこれを導通させることによ
り、当該導通したスイープ光用光電変換素子を介し、こ
れと対をなす信号光用光電変換素子が光電変換した電気
信号を取り出すようにする装置も考えられる。

しかし、このように、一つの画素に対して一つずつ上
記の素子対を配する、言わば“一画素一素子対”の装置
構造では、隣接する素子対間に電気的な絶縁分離領域を
設ける必要があるので、これに伴う種々の問題が生じ
る。例えば、集積密度が増す程、そうした絶縁分離領域
自体を作り込むためのリソグラフィ工程に要求される精
度が高まり、これは歩留まりに関しても良い影響を与え
ない。また、各画素の占める面積が微細化するに伴い、
全ての分離領域の占める総面積もばかにならなくなり、
これは結局、画像入射面における無効領域が増すことに
なるので、集積密度を高めて画像分解能を高めようとし
ても、そうした有限の面積を要する分離領域の存在の故
に分解能が制限されることもある。さらに、一画素自体
が分離領域により取り囲まれた所定の面積部分として規
定されるため、いくらそれを微細化しても、最大分解能
が当該面積によって一義的に決められてしまうという制
約からは逃れられない。

もっとも、絶縁分離領域に関してだけ言うならば、特
開昭58-13078号公報に開示されているように、従来から
も隣接画素間に有形の電気的絶縁分離領域を設けないで
済む感光素子を用いた撮像装置も提案されてはいる。し
かし、この感光素子は、言わば光学像情報の記憶素子で
あって、最初に所定の電圧バイアスを印加した状態で光
学像情報を担う信号光に晒し、キャリア発生層中に光発
生キャリアを生成した後に電圧バイアスを解き、誘電体
層を有する電荷保持機構にて当該光発生キャリアを保
持、記憶してから読み取り用レーザ光を照射し、その際
に生ずる変位電流の有無により単位画素（レーザ光スポ
ット径に応じた単位面積）ごとの光学像情報を電気信号
に変換するものである。

従って、光学像情報を担う信号光を照射しながら同時
に読み取り用レーザ光を照射して光学像情報を略ゞ実時
間で電気信号に変換して行くと言うことが原理的にでき
ないし、また、誘導体層界面での光発生キャリアの捕獲
を利用しているので、界面トラップ密度の再現性は全く
にして保証され難く、特性の再現性は期待できない。お
そらくは製品ごとに、入射信号光強度と変換電気信号出
力との関係は大きくばらつくものと思われる。

本発明は、こうした実情に鑑み、画素間に有形の電気
的絶縁分離領域を必要とせず、製造容易であり、分離領
域の存在によって画像分解能が制限されることがない
外、信号光の印加状態で変換電気出力を得ることがで
き、信号光強度と変換電気信号強度との関係においても
製品間誤差が少なく、かつ、一次元撮像素子として構成
しようが二次元撮像素子として構成しようが、歩留まり
にも原則として大きな変化が生まれない光学像情報対電
気信号変換装置を提供せんとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するため、第一の端子を有
し、光学像情報を担う信号光を受光する信号光用光電変
換構造部と、第二の端子を有し、一次元的または二次元
的に走査されるスイープ光を受光するスイープ光用光電
変換構造部とを電気的に接続し、信号光用光電変換構造
部に対し信号光を照射しているときにスイープ光用光電
変換構造部にスイープ光を入射させることで、信号光用
光電変換構造部が光電変換している光学像情報を上記の
第一、第二端子間に時系列的に現れる電気信号群として
検出する光学像情報対電気信号変換装置における改良と
して、 （ａ）信号光用光電変換構造部及びスイープ光用光電変
換構造部のいずれをも、受光面の面内方向に沿って途中
に電気的絶縁分離領域を有さない一連の層状構造により
構成し； （ｂ）かつ、層状構造をなす信号光用光電変換構造部及
びスイープ光用光電変換構造部の面内方向の各局所部分
を等価的な微小光電変換素子とみなした場合にそうした
微小光電変換素子の隣接するもの同志が互いに高抵抗に
より並列接続された関係となるように、層状構造をなす
信号光用光電変換構造部及びスイープ光用光電変換構造
部を、アモルファスシリコンまたはアモルファスシリコ
ンカーバイド、もしくはアモルファスシリコンゲルマニ
ウムの層を用いて構成されたフォトダイオードまたはフ
ォトトランジスタ、あるいはフォトコンダクタとしたこ
と； を特徴とする光学像情報対電気信号変換装置を提案す
る。

［作用］ 本発明の光学像情報対電気信号変換装置においては、
光学像情報の時間的ないしは場所的な変化を電気信号の
時間的な変化（すなわち時系列電気信号群）に変換する
と言う基本的な機能に関する限り、後に詳しい第２図示
の参考装置におけると同様であるが、当該参考装置の構
造と異なり、分離領域により囲まれることでその面積が
特定された単位画素と言う概念がないため、光学像情報
を担う信号光を予め所定面積の画素ごとに幾何的に分解
して捕えるのではなく、当該信号光は層状構造をなす信
号光用光電変換構造部の受光面の全面において捕えられ
る。

この状態下において、同様に層状構造をなすスイープ
光用光電変換構造部のスイープ光受光面を適当な微小ス
ポット径のスイープ光で走査ないし掃引すると、当該微
小径のスイープ光をその時々に受ける層状構造の各局所
部分がそれぞれ微小な光電変換素子として機能し、スイ
ープ光を受光していないときの電気的な状態から他の状
態に変化（一般には非導通状態ないし高インピーダンス
状態から導通状態ないし低インピーダンス状態に変化）
するので、それに電気的に接続されている信号光用光電
変換構造部中にあって同様に微小光電変換素子とみなせ
る対応微小局所部分から当該局所部分が読取っている
（光電変換している）画素内容に対応する変換電気信号
が第一、第二端子間に得られる。

このように、本発明の装置によれば、複雑高価なスイ
ッチング素子構成や転送素子構成を要することなく、廉
価簡単な装置系で十分な撮像機能を営むことができる
し、特に、単位画素とみなせる各局所部分の面積は、分
離領域により囲まれることで幾何的にある一定の大きさ
に規定されているのではなく、実質的にスイープ光の微
小スポット径の如何に依存させ得るので、これを極めて
微小な径に絞り込めば、原理的にそれに応じて高解像度
の装置が得られる。

しかも、分離領域を用いない点では本発明と共通する
所があるものの、信号光を受光しているときに同時に変
換電気信号の読み取りを行なうことはできない先掲の従
来公報（特開昭58-13078号公報）に開示の光学像記憶型
の装置とは異なり、信号光を受けているときにスイープ
光の照射をなすことができ、略ヾ実時間で変換電気信号
出力を得ることができるし、再現性に劣ることもないの
で、製品ごとに特性のばらつく恐れも少ない。

もちろん、本発明の装置は、スイープ光の走査を一次
元的になせば一次元撮像装置となるし、二次元的になせ
ば二次元撮像装置となる。一次元撮像専用とする場合に
は一般に全体的な撮像装置としての幾何学的形態ないし
面積形状は細長くすれば良いが、こうした構造を二次元
的により大面積に展開しても均質な層状構造の光電変換
構造部を得ることは比較的簡単にできる。換言すれば、
面積の増加に伴って当然に大きくなる歩留まりの低下率
以外、二次元撮像素子としたがために当該歩留まりを大
きく低減する他の追加要因が生まれるおそれは原則とし
てない。そして何よりも、画素間分離領域がないので、
それ自体を作る工程が不要となり、全体としての製造工
程が極めて簡単化し、このこともまた、歩留まりの向
上、コストの低下に繋がる。

［実施例］ 第１図（Ａ），（Ｂ）には、本発明に至る過程で検討
された参考装置である、光学像情報対電気信号変換装置
100の等価回路が示されている。

第１図（Ａ）に示される信号光受光用の光電変換素子
Si（ｉ＝1,2,..,n）は一次元的に並設されたフォトダイ
オードとなっており、これらが全体として信号光用光電
変換構造部Soを構成し、同様にフォトダイオードとして
構成された複数個のスイープ光受光用の光電変換素子di
（ｉ＝1,2,..,n）も、全体としてスイープ光用光電変換
構造部doを構成している。信号光用光電変換構造部Soと
スイープ光用光電変換構造部doのそれぞれの中に含まれ
ている各個別のフォトダイオードSi,diは、それぞれ一
つづつ、対応的に複数個の接続点Ji（ｉ＝1,2,..,n）に
て接続され、これら接続点は全体として電気的接続部Jo
を構成している。

電気的接続部Joは、図示のようにオーミックなもので
も良いし、場合により容量結合等であっても良いが、第
１図（Ａ）に示す参考回路では、各信号光受光用フォト
ダイオードSiのアノードは全て共通端子T2に導通が取ら
れ、スイープ光受光用フォトダイオードdiのカソードは
全て共通端子T1に接続しているものの、信号光受光用フ
ォトダイオードSiのカソードは、それぞれ対応する個々
のスイープ光受光用フォトダイオードdiのアノードに対
し、一対一の関係でオーミック接続している。このよう
に、この第１図（Ａ），（Ｂ）の参考回路において、各
信号光受光用光電変換素子Siと各スイープ光受光用光電
変換素子diとを電気的に接続する接続点Jiが互いに独立
していること、すなわち、隣接する接続点同志Ji,Ji±
１が電気的に絶縁されていることは、ここで説明してい
る当該参考回路ないし参考装置100と、第１図（Ｃ）及
び第３図以降に即して後に説明する本発明実施例との相
違を明らかにする上で重要な点である。

こうした構造において、信号光用光電変換構造部Soに
一般に一括的に電気信号に変換すべき光学像情報、すな
わち信号光Isの集合を与えた状態でスイープ光受光用光
電変換素子diの例えば図中、最も左手に位置する光電変
換素子d1から最も右手に位置する光電変換素子dnに向
け、適当な走査速度でスイープ光Idを走査方向ｆに沿っ
て走査すると、その時々で当該スイープ光Idが当たって
いるスイープ光受光用光電変換素子diのみの導通状態が
変化し、従ってこれに直列に接続されている信号光受光
用フォトダイオードSiのみの変換電気信号が出力端子T
1,T2間に得られる。そのため、出力端子T1,T2間に現れ
る電気信号を時間の経過に沿って見ると、信号光Isの集
合、すなわち読取るべき光学像情報は、時系列的な電気
信号列の集合として得られることになる。

このような第１図（Ａ）に示された参考装置はさらに
改変することもでき、信号光用光電変換素子Si及びある
いはスイープ光用光電変換素子diとして、図示のフォト
ダイオードに代え、フォトトランジスタ等も用いること
ができるし、信号光用光電変換素子Siとスイープ光用光
電変換素子diの双方またはいづれか一方に、フォトコン
ダクタを採用することもできる。例えば第１図（Ｂ）に
おいては、そうした改変例の一つとして、信号光用光電
変換素子Siにのみ、フォトコンダクタを使用した例が示
されており、当該フォトコンダクタは抵抗表記で表して
いる。

ただし、フォトダイオードが信号光用、スイープ光用
の少なくともいづれかの光電変換素子Si,diとして用い
られているときには、端子T1,T2間は同電位で電気信号
を検出することができ、一連に接続されている光電変換
素子列の中で例え暗抵抗の小さなものがあっても他部分
の信号を検出するための大きな障害とならない長所があ
るが、フォトダイオードが信号光用、スイープ光用の光
電変換素子Si,diのいづれにも用いられていないときに
は、端子T1,T2間に電気信号（この場合電流）検出用の
適当な電圧を印加する必要がある。しかし、フォトコン
ダクタでいづれか一方または双方の各光電変換素子を構
成すると、実際の素子製作に関する製造技術が簡単にな
る利点が生まれる。

以上のような第１図（Ａ），（Ｂ）に示した参考回路
に対し、第１図（Ｃ）には本発明に従って構成された一
実施例である光学像情報対電気信号変換装置100の等価
回路が示されている。第１図（Ａ）の参考回路と比べれ
ば分かるように、本発明では電気的接続部Jo中の各隣接
接続点Ji±1,Ji間に抵抗rpが挿入された形となってい
る。これは、第３図以降の各実施例に明らかなように、
構造的な観点から見ると、各個別の光電変換素子Si,di
が実際の装置構造体中では一層中に連続して形成されて
いる場合に相当する。換言すれば、一つの大きなpn接合
層等の光電変換層を分布定数的に個別の微小な光電変換
素子の集合体とみなして表現した場合に対応する。もち
ろん、光電変換素子としては、図示のフォトダイオード
以外、先に挙げたフォトトランジスタ、またはフォトコ
ンダクタを採用することができる。

本発明の実施例装置でも、そのなすべき基本的な機能
である光学像情報の変換読取り原理自体に関する限り
は、先に第１図（Ａ），（Ｂ）に関して述べたと全く同
様と言って良く、抵抗rpの存在はとりあえずは考えなく
ても良い。換言すれば、本発明で対象とする基本的な動
作に関する限り、この第１図（Ｃ）に示される等価回路
も、結局は第１図（Ａ）や（Ｂ）に示す等価回路と同様
と見て差支えなく、そのため、上記した第１図（Ａ）及
び（Ｂ）に関する各種の配慮は、やはり同様にこの第１
図（Ｃ）の等価回路で示される本発明実施例にも適用す
ることができる。

しかし、これとは逆に、本発明の実施例装置では、既
に述べたように各電気的接続点Jiが独立なものではな
く、隣接するもの同志Ji,Ji±１が抵抗rpにより接続さ
れている関係になっているということ、つまり、信号光
受光用光電変換素子Siとスイープ光受光用光電変換素子
diとの各“素子対”が、隣接するもの同志、分離領域に
より互いに絶縁分離された独立なものではなくて、実際
には既述のように、微小な光電変換素子Si,diがそれぞ
れ一連の層状構造中に多数並設されているのと等価な状
態になっているという事実に着目すると、それは本発明
独自の効果に繋がる。例えばまず、そもそも分離領域が
ないために製造が極めて簡単化するというだけではな
く、分離領域に起因する画像分解能の制約もないことに
なる。この点をより明らかにするため、第１図（Ａ），
（Ｂ）の参考回路を実現するための装置構造（第２図）
と、本発明に従う第１図（Ｃ）の等価回路を実現するた
めの装置構造実施例（第３〜６図）とを構造的な観点か
ら比較検討する。

まず、第２図示の参考装置の構造から説明すると、サ
ファイア等の透明基板10の上には第一導電型、例えばｐ
型の第一の半導体層20が形成されており、さらにその上
には上記第一導電型とは逆の導電型の第二の半導体層21
が設けられていて、両層20,21でpn接合としてのフォト
ダイオードを形成するようになっている。同様に、第二
の半導体層21の上にはさらに第一導電型の第三半導体層
30が積層され、その上に積層された逆導電型の第四半導
体層31と相まって両者でpn接合としてのフォトダイオー
ドを形成するようになっている。

第一、第二半導体層20,21によるpn接合及び第三、第
四の半導体層30,31によるpn接合は、図中、横方向に所
定のピッチで形成された絶縁性の分離領域50により、個
々の単位pn接合領域に分かたれている。そして、これら
個々の単位pn接合領域は、それぞれ第１図（Ａ）中のス
イープ光受光用の各光電変換素子diと、それらの一つ一
つに対応的に配された信号光受光用の光電変換素子Siと
から成る“素子対”を構成する。各素子対はまた、換言
すれば、それぞれが分離領域により取り囲まれることで
その面積が規定された単位画素を構成する。

ここで、第１図（Ａ）における電気的接続部Jo中の各
接続点Jiをオーミック接続に選んだ場合には、第二半導
体層21と第三半導体層30との接触面が当該オーミック接
触となるように、両層とも、その接合面で縮退不純物濃
度領域を構成していることが望ましい。ただし、第一、
第二半導体層20,21、第三、第四半導体層30,31が整流性
接合を形成するという条件を満たすためには、ｐ層に対
応する層をシリサイド等で置換しても良い。

さらに、この第２図示の参考装置構造においては、信
号光用光電変換素子Siの共通端子T2は第一半導体層20の
適当な端縁部に設けられた金属等、適当な電極部20Tか
ら取出されており、一方、スイープ光用光電変換素子di
の共通端子T1は第四半導体層31の表面上にさらに設けら
れた透明電極膜40の端縁部にある金属等、適当な電極部
40Tを介して取出されている。

しかるに、このような第２図示の参考装置構造では、
等価的に第１図（Ａ）に示される構造が具現され、図
中、下側から光学像情報を担う信号光Isを照射した状態
下で上側からスイープ光Idを走査すると、当該スイープ
光Idが当たっている単位pn接合領域としてのフォトダイ
オードdiが導通し、それに直列になっている信号光用フ
ォトダイオードSiの読取り情報が端子T1,T2間に得られ
る。そのため、ある時間範囲に亘って考えると、時系列
的な直列信号として、信号光用光電変換構造部Soにて捕
えた全光学画像情報が表されることになる。

このような動作下で信号光Isとスイープ光Idとの干渉
を防ぐ必要がある場合には、その一つの手法として、各
層の厚味や材質を勘案する方法がある。すなわち、第一
半導体層20と第二半導体層21は、信号光Isがそこで十分
に吸収されるような厚味及びあるいは材料製に選び、同
様に第三半導体層30と第四半導体層31は、スイープ光Id
がそこで十分吸収されるような厚味及びあるいは材料製
に選ぶ。より具体的には、例えば第一半導体層20の厚味
及び第四半導体層31の厚味をそれぞれ信号光及びスイー
プ光の吸収係数の逆数に比して十分に厚くしたり、第二
半導体層21及びあるいは第三半導体層30をシリサイドま
たは金属等の光吸収層ないし反射層で形成するとか、第
二、第三半導体層21,30の間にさらに別途にシリサイド
層や金属層を挟む等することが考えられる。

なお、明らかな通り、この第２図示の構成において
は、図中、上方から信号光Isを、下方からスイープ光Id
を照射しても上記と同様な作用が期待できる。そうした
場合にはもちろん、第一、第二半導体層20,21で構成さ
れる光電変換構造部がスイープ光受光用の構造部doとな
るし、物の考え方としては層20,21の組と層30,31の組を
上下入れ替えて構成したと見ることもできる。

以上、第１図（Ａ），（Ｂ）の参考回路を実現するた
めの参考装置構造につき説明したが、次に、本発明に従
い第１図（Ｃ）に示される等価回路を実現した具体的な
装置構造的例として、第３図示の実施例につき説明す
る。

この実施例で最も特徴的なのは、具体的な構造体中に
おいては個々の光電変換素子が分離されていないことで
ある。

その他の点、例えば第２図示の参考装置に関して述べ
た種々の改変構造や各種配慮等については、特に断らな
い限り、本発明のこの実施例を始め、以降の実施例でも
同様に採用可能であるが、この第３図示実施例を借りて
さらにこれまでの説明とは異なる他の材料的な選択例等
も併せて説明すると、ガラス等の透明基板10の上には、
後述のように出力端子T1が付されて共通の透明電極とな
る酸化錫または酸化インジウムから成る層33を介した
後、第一導電型層としてｐ型アモルファスシリコン層30
が形成され、その上には不純物添加量の少ないｉ型アモ
ルファスシリコン層32、ｎ型アモルファスシリコン層31
が順に形成されている。そしてこの実施例の場合、まず
これら三層でいわゆるpin型で層状構造のフォトダイオ
ードを構成すると共に、符号30番台が先に述べられてい
ることから推察されるように、これら層状構造のpin型
フォトダイオードをして全体としてのスイープ光用光電
変換構造部doを構成している。

これに対し、信号光受光用の光電変換構造部Soは、ス
イープ光受光用光電変換構造部doの上に構築されてい
る。すなわち、層状構造をなすスイープ光受光用のフォ
トダイオードの最上層31の上には、信号光受光用フォト
ダイオードのアノードを構成するｐ型アモルファスシリ
コン層20が形成され、その上には不純物添加量の少ない
ｉ型アモルファスシリコン層22、ｎ型アモルファスシリ
コン層21が順に形成されて、同じく層状構造をなす信号
光用光電変換構造部Soが構成されている。そして、その
実施例の場合、信号光用光電変換構造部Soの共通配線路
としては、ｎ型アモルファスシリコン層21の上に形成さ
れた透明電極膜23がその役を担っており、その一部に出
力端子T2が形成されている。

こうした構造においても、その光学像読取り原理自体
は、先に第1,2図に即して述べたと同様であって、スイ
ープ光Idを走査方向ｆに沿って走査することにより、信
号光Isの集合で表される対象光学像を時系列電気信号群
に変換して検出できる。しかし、構造的には大いに異な
る結果、本発明のこの第３図示実施例装置によれば、後
に説明するように、その構造原理上、極めて高い分解能
に対応できる外、第２図に示された分離領域50が全く不
要になるので、製造工程が極めて簡略化され、歩留まり
も向上する。

もっとも、第３図示構造の等価回路である第１図
（Ｃ）に示されている抵抗rpの値が低過ぎて、光学像の
読出し動作に災いしては旨くないが（例えばスイープ光
の当てられていない隣接部分からの信号電流の流入）、
これは上述のように、各光電変換構造部の構築にアモル
ファスシリコンを用いれば既存の技術をしても解決でき
る問題で、当該抵抗rpの値は十分高い値範囲に留めるこ
とができる。この抵抗rpの値はｎ層31とｐ層20の並列抵
抗値に相当するが、さらに例えば、当該ｎ層31及びｐ層
20の抵抗率は、成膜条件によりアモルファスSiCまたは
アモルファスシリコンゲルマニウムを用いると一般に10
⁶Ω‐cm程度とし得るので、このような材料を用いて層
厚を100Å程度とした場合、各層31,20の抵抗値は10¹²Ω
／□となって特に好ましい。

ところで、この第３図に示される装置を蛍光灯の照明
下で用いる場合、つまり信号光Isが蛍光灯の反射光であ
る場合、ｉ層22はオプティカルギャップが1.6〜1.7eVの
通常の水素化アモルファスシリコンで3000〜5000Å程度
の厚味があれば十分であり、またスイープ光Idが緑色に
近い波長を有する場合には、ｉ層32もこれと同程度の厚
味、材料であって良いが、赤色まはた近赤外発光ダイオ
ードないしレーザダイオードから得られる光をスイープ
光として用いる場合、当該光を十分に吸収するために
は、ｉ層32及びｎ層31にアモルファスシリコンゲルマニ
ウムを用いると良い。

この第３図に示される本装置100にあっては、画像分
解能はスイープ光Idの径が関与してくるが、原理的には
極めて高いものにすることができる。第１図（Ａ），
（Ｂ）の等価回路を実現する第２図示参考装置構造のよ
うに個々の単位光電変換素子を実際に集積している訳で
はないので、スイープ光の径、走査速度、画素当たりの
検出時間等をパラメータとしても、相当に多数個の個別
光電変換素子を集積したのと等価な結果を得ることがで
きるからである。例えば、画素の解像度を10μｍ程度に
したい場合を考えてみよう。こうしたときにはスイープ
光Idの径は要求解像度程度以下、すなわちこの場合は10
μｍ以下とする必要がある。また、こうした場合、画素
の検出に要する時間（スイープを一巡させて元の位置に
迄戻す時間）は10msec程度となるが、これは通常の室内
照明程度の光でもこれを十分に検出し得る時間である。
もちろん、一次元撮像のみならず、スイープ光Idを二次
元XY方向に振れば二次元撮像も可能であり、上記の解像
度等に関する考察は、図面紙面と直交する方向に配され
ている、実効的に複数個（多数個）とみなせる光電変換
素子群に関しても適用されるものである。

第４図に示される本発明による光学像情報対電気信号
変換装置100は、信号光またはスイープ光の受光用に層
状構造のフォトコンダクタを用いたものであり、参考回
路である第１図（Ｂ）に示される等価回路構成の一部の
考え方を本発明により実現すべき第１図（Ｃ）の等価回
路構成に織り込んだものである。そのため、信号光の受
光用の構造部に関しては構造的には第３図に示される実
施例と何等実質的に変わりはないものとなっているが、
しかしこの実施例では、図中、下方から信号光を照射す
るように示されているので、透明基板10の上には透明電
極23を介してpinダイオード（20,22,21）から成る信号
光Isの受光用の光電変換素子Siの群、ないし光電変換構
造部Soが形成されている。

その上に形成されるスイープ光Idの受光用の光電変換
素子diの群、ないし光電変換構造部doを構成するフォト
コンダクタは、信号光受光用光電変換素子のｎ層21を共
通の第一層30とし、その上にさらにｉ層32、ｎ層34を積
み上げて構成されたものとなっている。

第５図に示される実施例は、信号光Isとスイープ光Id
を基板を挟んで上下方向から対向的に照射するのに限ら
ず、要すれば同一方向からの照射も可能なように改変し
たもので、当該第５図は、第3,4図における図面の向き
に対し、直角方向から見た装置構造を示している。すな
わち、透明基板10の上に透明電極23を介して構成されて
いるpinダイオード（20,22,21）から成る信号光用光電
変換構造部Soは、図中、紙面と直交する方向に多数個の
微小な光電変換素子Siを並設したに等しい層状構造とし
て構成されている。

これに応じ、当該信号光用光電変換構造部Soの右隣り
に示されている共通ｎ層21,i層32、ｎ層34から成るフォ
トコンダクタdoに与えられるスイープ光Idも、矢印（矢
尻）ｆで示すように、紙面と直交する方向に走査され
る。フォトコンダクタないしスイープ光用光電変換構造
部doのある所に対応して基板10の裏面側に設けられてい
るバックコート層12は、当該フォトコンダクタに対し、
迷光が基板裏面側から入射するのを防ぐために設けられ
た金属等の光反射膜、またはカーボン等の光吸収膜であ
る。

この実施例においては、第５図中に示すように、信号
光Isは基板10のいづれの面側からも入射させることがで
きる。が、逆に、基板に関して同一の両側から信号光Is
もスイープ光Idも入射させるものと定めたときには、基
板10は何も透明である必要はない。もちろん、不透明基
板を用いたときには、バックコート層12は不要となる。

また、信号光Isとスイープ光Idを基板を挟んで上下方
向から対向的に照射するのを原則とした第３図または第
４図示実施例にあっても、信号光とスイープ光の波長範
囲に重複がなく、それぞれを受ける信号光用光電変換構
造部とスイープ光用光電変換構造部の各内蔵する光電変
換素子群の少なくとも一方が、それぞれ対応する信号光
またはスイープ光にのみ、主として応答するようなスペ
クトラム感度を有するのであれば、当該信号光及びスイ
ープ光は同一面側から入射させることも可能である。そ
うした場合には、本発明要旨中で言う信号光用光電変換
構造部の有する信号光の受光面と、スイープ光用光電変
換構造部の有するスイープ光の受光面とは、実質的に同
一の面となるか、あるいは少なくとも一部、重なり合っ
た面となる。

第６図から第８図までは、本発明の光学像情報対電気
信号変換装置100の実際の使用例を示している。本装置1
00はこれまで述べてきたいづれの実施例のものでも良い
ことはもちろん、本発明要旨構成に即するものでありさ
えすれば良い。

まず第６図（Ａ），（Ｂ）を見ると、そこにはスイー
プ光Idの一次元走査手法例が示されている。読出すべき
光学像情報を担っている被検出パターン300は本発明装
置100の信号光受光面に臨んでおり、同図（Ｂ）に示さ
れるように、必要に応じ、適当な照明源210により照明
されている。

一方、スイープ光源200から出射されたスイープ光Id
は、反射鏡211が位置m1からm2の間まで偏角するのに連
れて境界線11から12までの間をスキャンする。これに伴
い、被検出パターンの画像面各部の濃淡に従い、対応す
る電気出力が端子T1,T2間に時系列的に得られる。先に
説明してあるように、端子T1,T2間には適当なバイアス
源が付加されることもある。また、被検出パターン自体
をスイープ光の走査方向と直交する方向に移動すれば、
当該パターンの二次元情報を得ることができる。当然の
ことではあるが、本装置自体を各照明源や走査装置系を
含め、平行移動しても同一の結果が得られる。

スイープ光は、上記したような機械的な手法によらず
とも、例えば第７図に示されるような表面弾性波装置を
用いても得ることができる。すなわち、櫛状電極E1,E2
に高周波を印加することにより超音波表面波を励起でき
る超音波薄膜212を用い、これにスイープ光源200からの
光を照射することによっても、境界線11,12間で定義で
きる領域内にあって走査されるスイープ光Idを得ること
もできる。

第８図はスイープ光を二次元的に掃引することによ
り、被検出パターンを静止させた状態でも当該パターン
の有する二次元画像情報を本発明装置100により電気信
号列に変換して読出せるようにする場合のスイープ光走
査ないし掃引手法の一例を示したものである。本発明装
置100は、もちろん、二次元撮像に適当なように、ある
程度以上の二次元面積を有するように構成されたものを
用いる。

被検出パターンは投影レンズ250（ただしこの符号で
示されるもの自体が被検出パターンであっても良い）を
介して本発明装置100に信号光Isの集合として入力され
る。照明源は示されていないが必要に応じ設けられてい
て良い。スイープ光源200から出射された光は第一の反
射鏡211に入射され、そこで偏角範囲m1,m2の間で回転す
る当該鏡により、まず一次元方向に掃引される。

これら一次元方向の掃引光は次いで第二の反射鏡213
に入射される。この反射鏡は第一の反射鏡211の回転軸
と直交する回転軸により、偏角範囲m3,m4の間で回転す
るため、当該第二の反射鏡を出射する光は結局、二次元
走査を受けたスイープ光Idとなって本発明装置100に与
えられる。この各反射鏡211,213の代わりに第７図に示
された偏向手段を使うことができるし、さらには公知既
存の他の技術により、任意の手法による二次元走査を可
能とすることもできる。

第９図は、本発明装置100にさらに、掃引に関する左
右限界点としての端部検出素子を備えさせた実施例の概
念を示している。すなわち、本発明装置100が二次元撮
像素子として構成されている場合、その平面形状は第９
図（Ａ）に示されるように一般に矩形形状となるが、ま
ずそのＸ方向に関しては本発明装置の両端縁部に沿って
一対の端部検出素子110,111が設けられ、同様にＹ方向
に関しても一対の端部検出素子120,121が設けられてい
る。これら端部検出素子自体は、第２図示の参考装置構
造でも良いし、望ましくは本発明実施例としての第３図
から第５図までに関して述べた装置構造と同様の構成と
することができる外、信号光検出に係る部分については
単に導電性薄膜で構成した構造とすることができる。本
発明装置100と同様の構成によりこれら端部検出素子を
構成した場合には、当該素子の信号光検出側には予め光
を照射して置く必要がある。

こうした端部検出素子を設けると、スイープ光の掃引
に伴う電気信号は、例えば第９図（Ｂ）に示されるよう
な形態となる。つまり、一つの端部検出素子111をＡ−
Ａ′方向に走査したときに得られる信号は、例えば第９
図（Ｂ）にあって信号で示されるようなものとなる。
また、主たる画像読取り領域を横切るようにＢ−Ｂ′方
向に走査した場合、その信号波形は同図で示されるよ
うになる。信号中にあって両端に示されているパルス
状波形部分B1,B2は、それぞれ第９図（Ａ）中における
端部検出素子121,120をスイープ光が横切ったときに生
ずるものである。このような構成としておくと、スイー
プ光の出発点、走査速度を厳密に制御する必要もなく、
被検出パターンの端部と電気信号の時間的な位置との相
関を正確に対応付けることが電気信号の処理だけで簡単
にできる。

なお、特に個別に端部検出素子を設けなくても、第３
図から第５図に掛けて示された本発明実施例を二次元的
な面積領域のあるものとして構成した場合、その装置11
0の端縁部自体の信号光受光面に予め相当程度に高い強
度の光を当てておくことによっても、当該高強度光の当
たっている端縁部分を第９図にて説明した端部検出素子
と等価な部分として用いることができる。しかし、この
端部検出素子に関しては既述の通り、他の検出機構によ
る既存の光電変換素子構造を採用しても良い。

また、上記してきたいづれの実施例においても、信号
光用光電変換構造部Soとスイープ光用光電変換構造部do
に層状構造のフォトダイオードを用いる場合、それら両
構造中にあって単位とみなせるpn接合Si,diは互いに順
方向に接続されていた。しかし、スイープ光が当たって
いる部分の信号光受光用フォトダイオードからの信号を
他とは弁別的に読出すには、それらpn接合Si,diは互い
にバックトゥバックまたはフロントトゥフロントに接続
されていて良い場合も考えられる。

さらに、上記してきた実施例中ではスイープ光は連続
掃引されるものとして説明したが、そうでなくとも良
く、例えば適当な光シャッタと組合せることにより、所
定ピッチ毎に本発明装置100のスイープ光受光面にスイ
ープ光が照射されるようにしても良い。こうした場合、
特に連続層中に実効的に複数の単位光電変換素子が含ま
れているとみなせる構造体として本発明装置を構成した
第３図や第４図の実施例にあっては、本装置の出力を処
理する処理回路以前の段階で、隣接画素からの影響を予
め低減しておける等の効果が生まれる。また、本発明装
置の場合、信号光は常時照射で一向に差支えないのであ
るが、用途によっては信号光も同期掃引する等して良
い。

［発明の効果］ 本発明によれば、画素間を電気的絶縁分離領域で分離
する必要がなく、また画素の大きさは実質的にスイープ
光の径により規定できるので、多数個の画素を極めて高
い集積密度で集積したのと同じ構造を簡単な製造方法で
得ることができ、CCDとかFETスイッチ付きのフォトダイ
オードアレイ等、高価、複雑な構成や製造技術を要求す
ることなく、廉価でありながらそれでいて高精度な光学
像情報対電気信号変換装置を提供することができる。既
述した従来公報：特開昭58-13078号公報に開示の装置の
ように、必ず光学像を一旦記憶し、電圧バイアスを切っ
た後、改めて読み出さねばならないという自由度の乏し
さや非実時間性もないし、界面トラップを使っている訳
でもないので、特性が不安定で製品ごとにばらつくよう
な恐れも少ない。

従って例えば、ビデオカメラ、ファクシミリ等の装置
を低価格で供給することができ、また本発明装置をレー
ザプリンタ等に導入すれば、本発明装置により得られる
電気信号を処理して濃淡の調整、パターンの配置変更、
他のパターンとの合成処理等を行なった後、その結果を
プリントアウトするインテリジェントコピーマシン等も
比較的容易に実現することができる。この場合、当該レ
ーザプリンタに既に用いられているスイープ機構を本発
明装置に必要なスイープ機構として流用すると合理的で
ある。

さらに、本発明装置の信号光として紫外線ないし赤外
線を用いれば、肉眼では視認不能な画像情報をテレビモ
ニタにて表示することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ），（Ｂ）は本発明に至る過程で検討された
参考装置の等価回路図、第１図（Ｃ）は本発明の光学像
情報対電気信号変換装置の等価回路図、第２図は第１図
（Ａ），（Ｂ）の等価回路を満たす参考装置の概略構成
図、第３図から第５図まではそれぞれ本発明実施例装置
の概略構成図、第６図は本発明装置の使用例の一例の説
明図、第７図はスイープ光を掃引する手段の他の例の説
明図、第８図は二次元的にスイープ光を掃引する場合の
使用例の説明図、第９図は本発明装置にさらに端部検出
素子を組付けた場合の説明図、である。 図中、10は透明または不透明な基板、20,21,22,30,31,3
2は半導体層、50は分離層、100は全体としての参考装置
または本発明実施例装置、Soは信号光用光電変換構造
部、doはスイープ光用光電変換構造部、Joは電気的接続
部、Isは信号光、Idはスイープ光、である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神本 芳明 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株 式会社リコー内 審査官 関谷 隆一 (56)参考文献 特開 昭61−253860（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−13078（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−2188（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第一の端子を有し、光学像情報を担う信号
   光を受光する信号光用光電変換構造部と、第二の端子を
   有し、一次元的または二次元的に走査されるスイープ光
   を受光するスイープ光用光電変換構造部とを電気的に接
   続し、上記信号光用光電変換構造部に対し上記信号光を
   照射しているときに上記スイープ光用光電変換構造部に
   スイープ光を入射させることで、上記信号光用光電変換
   構造部が光電変換している光学像情報を上記第一、第二
   端子間に時系列的に現れる電気信号群として検出する光
   学像情報対電気信号変換装置であって； 上記信号光用光電変換構造部及び上記スイープ光用光電
   変換構造部のいずれをも、受光面の面内方向に沿って途
   中に電気的絶縁分離領域を有さない一連の層状構造によ
   り構成し； かつ、該層状構造をなす上記信号光用光電変換構造部及
   び上記スイープ光用光電変換構造部の上記面内方向の各
   局所部分を等価的な微小光電変換素子とみなした場合に
   該微小光電変換素子の隣接するもの同志が互いに高抵抗
   により並列接続された関係となるように、該層状構造を
   なす上記信号光用光電変換構造部及び上記スイープ光用
   光電変換構造部を、アモルファスシリコンまたはアモル
   ファスシリコンカーバイド、もしくはアモルファスシリ
   コンゲルマニウムの層を用いて構成されたフォトダイオ
   ードまたはフォトトランジスタ、あるいはフォトコンダ
   クタとしたこと； を特徴とする光学像情報対電気信号変換装置。