JP2556191B2 - 画像読取装置における積分器入力容量の設定方法及び画像読取装置 - Google Patents

画像読取装置における積分器入力容量の設定方法及び画像読取装置

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JP2556191B2 JP2293676A JP29367690A JP2556191B2 JP 2556191 B2 JP2556191 B2 JP 2556191B2 JP 2293676 A JP2293676 A JP 2293676A JP 29367690 A JP29367690 A JP 29367690A JP 2556191 B2 JP2556191 B2 JP 2556191B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はファクシミリ等の原稿読み取りに使用される
画像読取装置及び画像読取装置における積分器入力容量
の設定方法に係り、特に電流モードの出力を持つセンサ
に接続される微小電荷電圧変換用アンプ(積分器)につ
いて、画像信号のS/N比を向上させる構成及びその際の
積分器の入力容量の設定方法に関する。
(従来の技術) 従来、ファクシミリ等の原稿読み取りに使用される画
像読取装置は、例えば第7図に示すように、フォトダイ
オードPDとブロッキングダイオードBDとが互いに逆極性
になるように直列に接続して一つの受光素子70を形成
し、この受光素子70を複数個ライン状に並べて構成する
ものが提案されている。
上記画像読取装置の動作について説明すると、先ずシ
フトレジストSRによってフォトダイオードPDが走査され
て順次信号が印加され、逆バイアスされた各フォトダイ
オードPDに電荷が充電される。そして、走査が一巡する
間にフォトダイオードPDに光が照射され、その光の照射
光量に応じた電荷が放電される。そして、次に読み出し
パルスをシフトレジスタSRによって順次印加し、各フォ
トダイオードPDに前記放電量に応じた電荷が再充電さ
れ、再充電により流れる電流が読取回路80へ流れること
により各フォトダイオードPDからの画像信号を時系列的
に出力するものである。
(発明が解決しようとする課題) 上述の画像読取装置において、読取回路80に積分器を
用いた場合、再充電によりセンサ側から流れる電流を積
分器へ流し、これを電圧に変換することにより各フォト
ダイオードPDからの画像信号を時系列的に出力する。従
って、センサからの微小電荷を検出して画像信号とする
ため一般的にS/N比が悪くなるという問題点があった。
しかしながら従来、積分器の出力ノイズを最小とする
ための積分器とセンサとの関係について言及されていな
かった。
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、電流モー
ドの出力を持つセンサと積分器とから成り、最良のS/N
比で画像信号を出力することができる画像読取装置及び
画像読取装置における積分器入力容量の設定方法を提供
することを目的とする。
(課題を解決するための手段) 上記従来例の問題点を解消するため請求項1は、薄膜
積層構造のフォトダイオードで形成され電流モードの出
力を持つセンサに対して、負帰還部にコンデンサを有す
るとともに差動入力段を接合形FETで構成した積分器を
接続して画像読取装置を形成するに際し、前記センサの
半導体層を絶縁体として算出したセンサ出力容量と等し
くなるように、前記積分器の入力容量を設定することを
特徴とする。
請求項2は、薄膜積層構造のフォトダイオードで形成
され電流モードの出力を持つセンサと、負帰還部にコン
デンサを有するとともに差動入力段を接合形FETで構成
した積分器とを具備する画像読取装置であって、前記積
分器の入力容量は、前記センサの半導体層を絶縁体とし
て算出したセンサ出力容量と等しくなるように設定する
ことを特徴とする。
(作用) 本発明によれば、センサ出力容量と積分器の入力容量
とを等しくすることにより、積分器からの出力ノイズを
最小にし、最良のS/N比でセンサからの出力電荷を電圧
に変換することできる。
(実施例) 本発明及び本発明方法を適用した画像読取装置の一実
施例について、図面を参照しながら説明する。
第2図に示すように、フォトダイオードPDとブロッキ
ングダイオードBDとが互いに逆極性になるように直列に
接続して一つの受光素子1を形成し、この受光素子1を
複数個ライン状に並べて一次元センサアレイを形成する
とともに、ブロッキングダイオードBDの一端をシフトレ
ジスタの各端子に接続し、フォトダイオードPDの一端を
共通電極2に接続し、この共通電極線2を積分器3に接
続して構成されている。前記受光素子1を構成するフォ
トダイオードPD及びブロッキングダイオードBDは、アモ
ルファスシリコン等の半導体層を二つの電極(例えば金
属電極と透明電極)で挟んだ薄膜積層構造で構成されて
いる。
この画像読取装置の動作は、従来例で説明したよう
に、一次元センサアレイを構成する各受光素子1の一方
のブロッキングダイオードBD側に、順にシフトレジスタ
SRでパルスを印加していくと、他方側に光によって放電
した電荷を充電するためのセンサ電流Isが共通電極線2
を通して積分器3へと流れ、ここで電圧に変換される。
積分器3のより詳細な説明について、第1図の等価回
路を参照して説明する。
積分器3は、反転入力と非反転入力を有するととも
に、接合型FET(電界効果トランジスタ)4による差動
アンプを入力段に持つ演算増幅器Aと、該演算増幅器A
の出力と前記反転入力との間に介在させた積分コンデン
サCiとから構成され、演算増幅器Aの非反転入力を接地
するとともに、前記反転入力側にセンサを接続してい
る。
またセンサ出力容量Caは、センサ出力側(X点)から
センサ側をみたときの等価的な容量で、各フォトダイオ
ードPDによる容量Cpdを並列に接続した容量に配線容量
を加えた値となる。すなわち、センサ出力容量Csは、共
通電極線2が下地接地面との間で形成する容量CLと、
各フォトダイオードPDによる容量Cpdの総和となる。こ
の容量Cpdは、例えば第3図(a)(b)に示した容量
の周波数依存性の特性線に示すように、周波数,バイア
ス電位,光量などによりその値が4倍程度変動するの
で、前記センサ出力容量Csを固定値として考えることは
できない。
しかしながら、アモルファスシリコンを半導体として
用いた薄膜積層構造のフォトダイオードにおいては、ノ
イズの観点からは前記フォトダイオード容量を、その半
導体層部分を絶縁層として考えたコンデンサとして計算
可能なことが確認できる。これは周波数が十分に高くな
ると空乏層が応答しないため、フォトダイオードの容量
はシリコンの誘電率だけで決まる定常的な容量値となる
ことに起因する。
具体的に説明すると、積分器を構成する接合型FET
(電界効果トランジスタ)4の入力換算雑音及びこれを
積分した出力ノイズの周波数依存性は、それぞれ第4図
(a)(b)に示すような特性線となる。一方、アモル
ファスシリコンを半導体層とした薄膜積層構造のセンサ
を積分器に接続した場合の接合型FET(電界効果トラン
ジスタ)4の入力換算雑音及びこれを積分した出力ノイ
ズの周波数依存性は、それぞれ第5図(a)(b)に示
すような特性線となる。第5図(a)(b)から判るよ
うに、入力換算雑音は周波数が高くなるほど容量が小さ
くなり雑音は減少するが、その割合は緩やかで−6dB/oc
t以下である。一方出力ノイズは6dB/octで周波数と共に
増加するため、雑音電圧密度は6dB/oct以下の割合で周
波数と共に増加することになる。このため、高周波数ノ
イズがトータルノイズを決めることになる。前記したセ
ンサ出力容量Csは10kHz以上で変動が小さくなるため、1
0kHz以上での容量からセンサ出力容量Csを決めればよ
い。より簡単にするため、100kHz以上で考えると、セン
サ出力容量Csは光量やバイアス電圧によらず半導体層の
膜厚,電極の面積,半導体の誘電率から決まる値に近付
くので、センサの設計時に算出することが可能となる。
積分器3を用いた画像読取装置によれば、センサから
の微小電荷を検出して画像信号とするため一般的にS/N
比が悪くなる。本発明者は、前記センサ出力容量Csの値
(ノイズの観点からの値)が算出可能な点に着目し、積
分器3の出力ノイズを最小とするため前記センサ出力容
量Csと積分器の入力容量Cgsとの関係について考察する
に及んだ。
すなわち、上記構成の積分器3によれば、接合型FET
(電界効果トランジスタ)4のチャネルで熱電子雑音電
圧Enが発生し、この熱電子雑音電圧Enは次式で表され
る。
K:ボルツマン定数 T:絶対温度 B:周波数帯域 G:接合型FETの相互コンダクタンス ここで第1図のX点から接合型FET(電界効果トラン
ジスタ)4をみた積分器の入力容量(FETのゲート部容
量)Cgsは、一般にG∝Cgsの関係があるので、 G=C1Cgs(C1:比例定数) となり、従って、 となる。
前記熱電子雑音電圧Enが積分器3の出力側にどのよう
にあらわれるかというと、ノイズ電位の逆電位が反転入
力側にあらわれるように出力電位が発生する。すなわ
ち、積分コンデンサCiの容量と、前記センサ出力容量Cs
及びX点から積分器3側をみた等価的な容量である入力
容量Cgsとの分圧によって求めることができる。よっ
て、積分コンデンサCi、センサ出力容量Cs,入力容量Cgs
の容量値をそれぞれCi,Cs,Cgsとすれば、 En=Eout×Ci/(Ci+(Cgs+Cs)) Enout=En(Ci+(Cgs+Cs))/Ci =En(1+(Cgs+Cs)/Ci) ここで一般にCs》Ciのため、 1+(Cgs+Cs)/Ci=(Cgs+Cs)/Ci が成り立ち、 Enout=En(Cgs+Cs)/Ci となる。
上記ノイズは非反転側においても発生し、ランダムノ
イズであるため最終的な出力ノイズは、 となる。従って、 となる。上記式において、Ci,C1,K,T,Bは定数であるの
で、EnoutはCgsがCsに対しある値で最小値をとることが
判る。上記式の定数部分をDで置き換えると、 上式をCgsで微分すると、 となり、Cgs=CsのときEnoutは最小となることが判る。
よって、積分器3を設計する際に、その入力容量Cgsを
予め算出したセンサ出力容量Csと等しくなるように設計
すれば、積分器3からの出力ノイズを最少にすることが
できる。注意しなければならないのは、入力容量Cgsは
あくまでX点からみた接合型FET4の入力容量であり、FE
T単体でのソース,ゲート間の容量と必ずしも一致しな
い点である。
従って、センサ出力容量Csと接合型FET4の入力容量Cg
sが等しいときに出力ノイズは最小となる。
第6図は本発明の他の実施例を示し、TFT(薄膜トラ
ンジスタ)やMOSをスイッチとした電流モードで出力さ
れるセンサに適用したものである。この画像読取装置
は、シフトレジスタSRの各端子をスイッチ5となる各TF
Tのゲート電極に接続し、各TFTのソース側を演算増幅器
Aの反転入力に接続し、各TFTのドレイン電極側を各フ
ォトダイオードPDを介して共通電極線2に接続し、該共
通電極線2にバイアス電源Vを供給するとともに、非反
転入力を接地して構成されている。
この実施例のセンサ出力容量Csは、スイッチ5を構成
するTFTやMOSのドレイン−ソース間やゲート−ソース間
容量で決まるため、設計時にこれらの総容量を計算し、
演算増幅器の入力段に使用する接合型FETの入力容量Cgs
を決めればよい。このタイプのセンサでは、センサ出力
容量Csがオペレーション条件にあまり左右されず、演算
増幅器の入力雑音電圧は周波数に対して一定であるた
め、第1図及び第2図の実施例と同様に積分された演算
増幅器出力とトータルノイズは、高周波での雑音電圧密
度でほぼ決定することとなる。
以上説明した各実施例によれば、ノイズの観点からセ
ンサ出力容量Csが計算可能なことに着目し、センサに接
続される積分器3を設計する際、センサ出力容量Csと積
分器3の入力容量Cgsとを等しくなるよう設計する。そ
して、積分器の出力ノイズを減少させることにより、最
良のS/N比で画像信号を検出することができる。
(発明の効果) 本発明によれば、電流で出力されるセンサの積分器を
設計する際、センサの出力容量と積分器の入力容量とを
等しくすることにより、最良のS/N比でセンサからの出
力電荷を電圧に変換することができる。その結果、セン
サの階調再現性が向上し、ばらつき感のない画像信号を
出力させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図は本発明の一実施例の画像読取装置の
等価回路図、第3図(a)はアモルファスシリコンを半
導体層とした薄膜積層構造のセンサ容量−周波数実測特
性図(バイアス電圧0Vの場合)、第3図(b)はアモル
ファスシリコンを半導体層とした薄膜積層構造のセンサ
容量−周波数実測特性図(バイアス電圧−5Vの場合)、
第4図(a)は本実施例で使用される積分器の接合型FE
T(電界効果トランジスタ)入力でのノイズスペクトル
グラフ(入力開放)、第4図(b)は同上の接合型FET
(電界効果トランジスタ)の出力のノイズスペクトルグ
ラフ、第5図(a)はアモルファスシリコンセンサ接続
時の接合型FET(電界効果トランジスタ)入力でのノイ
ズスペクトルグラフ、第5図(b)はアモルファスシリ
コンセンサ接続時の接合型FET(電界効果トランジス
タ)の出力のノイズスペクトルグラフ、第6図は本発明
の他の実施例を示す画像読取装置、第7図は従来の二つ
のダイオードを対向して構成される画像読取装置の等価
回路図である。 1……受光素子 3……積分器 4……接合型FET(電界効果トランジスタ) PD……フォトダイオード BD……ブロッキングダイオード Cs……センサ出力容量 A……演算増幅器 Ci……積分コンデンサ Cgs……入力容量 SR……シフトレジスタ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】薄膜積層構造のフォトダイオードで形成さ
    れ電流モードの出力を持つセンサに対して、負帰還部に
    コンデンサを有するとともに差動入力段を接合形FETで
    構成した積分器を接続して画像読取装置を形成するに際
    し、 前記センサの半導体層を絶縁体として算出したセンサ出
    力容量と等しくなるように、前記積分器の入力容量を設
    定する ことを特徴とする画像読取装置における積分器入力容量
    の設定方法。
  2. 【請求項2】薄膜積層構造のフォトダイオードで形成さ
    れ電流モードの出力を持つセンサと、負帰還部にコンデ
    ンサを有するとともに差動入力段を接合形FETで構成し
    た積分器とを具備し、 前記積分器の入力容量は、前記センサの半導体層を絶縁
    体として算出したセンサ出力容量と等しくなるように設
    定する ことを特徴とする画像読取装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH01280974A (ja) * 1988-05-06 1989-11-13 Semiconductor Energy Lab Co Ltd イメージセンサ駆動方法

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