JP2819620B2 - イメージセンサの駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は複数のフォトダイオードを並設して成るイメ
ージセンサの駆動装置に係り、特に、フォトダイオード
各素子毎にあらわれる暗示出力電位のバラツキを補正し
て一定の暗示出力とすることができるイメージセンサの
駆動装置に関するものである。

（従来の技術） 密着型イメージセンサは、例えば第６図に示すよう
に、長尺状の受光素子アレイ60と、これを駆動する複数
のICチップ70とから構成されている。受光素子アレイ60
は、基板50上に複数の個別電極61,光導電層62,共通電極
63を順次積層して構成され、光導電層62を個別電極61と
共通電極63とで挾んだ部分が光電変換素子を形成してい
る。個別電極61は、方形状の画素部61aと、こと画素部6
1aから引き出される引き出し電極部61bとから成る。こ
の密着型イメージセンサの幅は原稿幅と略同じ長さを必
要とするため、多数の画素部61aが一列に並べられる。
画素部61aから引き出される引き出し電極部61bは、64又
は128個毎に１つのICチップ70にボンディングワイヤ80
を介して接続されている。

この密着型イメージセンサの一つのICチップ70に対応
する等価回路を第７図に示す。受光素子アレイを構成す
る一つの光電変換素子Ｄに注目してその動作について説
明すると、光源（図示せず）からの光は光電変換素子Ｄ
上に結像し、発振器（図示せず）からのクロック信号を
基に得た蓄積期間信号による蓄積期間内に個別電極61の
配線容量であるコンデンサＣに一時的に蓄積される。一
方、各発振器（図示せず）からの制御信号（IA,CK）に
基づいてシフトレジストSRのQ₁にパルス信号が出力さ
れ、このパルス信号とINH信号とがともに「Ｈ」レベル
となり、アンドゲートのアンド条件に基づき読み出しス
イッチS1がオンする。読み出しスイッチS1がオンする
と、前記コンデンサＣに蓄積された光電変換信号がボル
テージフォロワー型増幅器Ａを介して出力線Toutに抽出
される。また、リセットスイッチS2は、コンデンサＣの
残留電荷を放出して電荷のリセットを行なうものであ
る。そして、出力線Toutの電位が上記光電変換信号に対
応して変化させられた後に、次の光電変換素子Ｄの光電
変換信号の抽出に備えるべく、スイッチ素子S3がオン
し、出力線Toutをリセット電位VRに戻す。

従って、制御信号によりシフトレジスタSRが動作を開
始し、シフトレジスタSRからの信号によって読み出しス
イッチS1が順次オンすれば、一つのICチップ70に接続さ
れた光電変換素子（64または128個）からの電気信号を
出力線Toutに時系列的に抽出することができる。64また
は128個の光電変換素子Ｄからの信号の抽出が完了する
と、シフトレジスタSRのIB端子から出力されるパルス信
号が二番目のICチップのIA端子へ入力され、二番目のIC
チップに入力されるINH信号,IA信号及びCK信号と相俟っ
て二番目のICチップで前記同様に光電変換素子Ｄから信
号が抽出される。以上の動作が順次各ICチップで行われ
ることにより全ての光電変換素子Ｄに蓄積された電気信
号を抽出することができる。

以上の動作において、電荷のリセットを行なった後、
前記リセットスイッチS2がオフする際、スイッチングノ
イズが発生しＰ点（第７図）の電位に重畳する。この電
位は、光電変換素子Ｄに光を照射しない時の暗出力（−
１〜2mV）を大きく上回る＋10〜200mVにも達し、Toutか
ら出力されるイメージセンサの暗時出力電位を大きくし
ていた。しかも、この暗時出力電位は各画素毎により異
なるので（±50〜100mV）、各画素毎に出力電圧のバラ
ツキが生じ、高いS/N比を実現するのが困難であった。

そこで、イメージセンサを駆動する際の暗時出力電圧
のバラツキを押さえるため、次のような構成が提案され
ていた。

すなわち、原稿の画像を読み取るイメージセンサと別
にダミーのイメージセンサを配置し、このダミーのイメ
ージセンサには光が照射されないようにする。そして、
第８図に示すように、スタートパルス信号IAによって原
稿のＮラインの信号（COM）を読み取る毎に暗時出力の
信号（DCOM）をダミーのイメージセンサから読み取り、
COMとDCOMとの差動出力を得ることにより、暗時出力ノ
イズを除去した原稿の１ラインの信号を読み取るもので
ある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら上記方法によると、ダミーのイメージセ
ンサを別個に設ける必要があり、また、このダミーのイ
メージセンサの構造，規格を原稿の画像を読み取るイメ
ージセンサと全く同一にしなければならず、センサの製
造プロセス上困難であるという欠点がある。

また、一つの駆動回路で原稿の画像を読み取るイメー
ジセンサ及びダミーのイメージセンサからの信号を抽出
するには、原稿のＮラインの信号（COM）を読み取る毎
に暗時出力の信号（DCOM）を読み取ることを繰り返すの
で、それぞれ蓄積時間を必要とし、走査時間が倍増して
高速読み取りに著しく不利であるという欠点がある。こ
れに対しては、一度読み取った暗時出力の信号（DCOM）
を記憶し、各ラインで読み取った信号から記憶された暗
時出力の信号を減じることにより真の信号を算出するこ
とも考えられるが、信号を記憶するための回路を必要と
するため高価になるという欠点がある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、読み取り
速度を高速に維持したままでリセットスイッチのスイッ
チングノイズを除去し、均一な低レベル暗時出力電圧を
得ることができるイメージセンサの駆動装置を提供する
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本発明は、イメー
ジセンサを構成する複数のフォトダイオードに蓄積され
た電荷を読み出す信号出力線と、前記各フォトダイオー
ドをリセット電圧にリセットするリセットスイッチとを
具備するイメージセンサの駆動装置において、ノイズ検
出手段と、リセット補正手段と、電荷抽出線と、リセッ
ト線と、アナログスイッチと、を具備することを特徴と
している。

前記ノイズ検出手段は、リセットスイッチの開動作に
より生じるノイズを検出するものである。

前記リセット補正手段は、前記ノイズ検出手段により
検出されたノイズに対応する電圧をリセット補正電圧と
して前記フォトダイオードに印加するものである。

前記電荷抽出線は、複数のフォトダイオード群毎に信
号出力線と接続するために複数設けられたものである。

前記リセット線は、複数のリセットスイッチ群毎にリ
セット電位と接続するために複数設けられたものであ
る。

前記アナログスイッチは、前記各電荷抽出線と信号出
力線とを接続する第１のスイッチ群と、前記各電荷抽出
線とノイズ検出手段の入力側とを接続する第２のスイッ
チ群と、リセット補正手段の出力側と前記各リセット線
とを接続する第３のスイッチ群と、リセット電位と前記
各リセット線とを接続する第４のスイッチ群とを有し、
第１から第４のスイッチで一つのスイッチ対を構成し、
該スイッチ対毎に接点の開閉を行なうものである。

（作用） 本発明によれば、複数のフォトダイオード群毎に信号
出力線と接続する複数の信号抽出線と、複数のリセット
スイッチ群毎にリセット電位と接続する複数のリセット
線とを設け、アナログスイッチの切り替えによってフォ
トダイオード群からの電荷読み出しと補正電圧の供給に
よるスイッチングノイズの除去とを並列して同時に行な
うことができる。

（実施例） 本発明の一実施例について図面を参照しながら説明す
る。

第１図に示すように本実施例に係るイメージセンサ駆
動装置は、ライン状に形成された複数のフォトダイオー
ドアレイ101と、このフォトダイオードアレイ101からの
電荷を抽出するための複数の駆動IC102と、ノイズキャ
ンセル回路103と、駆動IC102及びノイズキャンセル回路
103の動作を制御するパルス信号を発生させる駆動パル
ス発生器104から構成されている。

フォトダイオードアレイ101は、従来例で示したよう
な薄膜構造のサンドイッチ型のイメージセンサから成
り、その長尺方向の長さは原稿幅と略同じ長さに形成さ
れている。フォトダイオードアレイ101を構成するフォ
トダイオードPDは、複数個（例えば64個を１ブロックと
している）毎にボルテージフォロワアンプＡが内蔵され
た駆動IC102に接続されている。

また、容量ＣはフォトダイオードPDで発生した電荷を
一時的に畜える配線等価容量であり、ボルテージフォロ
ワアンプＡの入力側には、前記容量Ｃ及びフォトダイオ
ードPDの残留電荷を放電させるためのリセットスイッチ
S2が接続されている。第１及び第２ブロックの駆動IC10
2のリセットスイッチS2はリセット線105に、第３及び第
４ブロックの駆動IC102のリセットスイッチS2はリセッ
ト線105′にそれぞれ接続され、２ブロック毎にリセッ
ト線105,105′に交互に接続されている。

各ボルテージフォロワアンプＡの出力側は、駆動パル
ス発生器104からの信号により順次オンする読み出しス
イッチS1に接続され、第１及び第２ブロックの駆動IC10
2の読み出しスイッチS1は電荷抽出線106に、第３及び第
４ブロックの駆動IC102の読み出しスイッチS1は電荷抽
出線106′に２ブロック毎に交互に千鳥状に接続され、
電荷をそれぞれの電荷抽出線106,106′に時系列的に抽
出するように構成している。

ノイズキャンセル回路103は、アナログスイッチ107
と、サンプルホールド回路108から成るノイズ検出手段
と、インバーター回路109から成るリセット補正手段
と、信号出力線200に出力される補正後信号を増幅する
増幅器110から構成されている。アナログスイッチ107
は、前記電荷抽出線106,106′と信号出力線200との間の
開閉を行なうスイッチ301,301′と、前記電荷抽出線10
6,106′とノイズ検出手段のサンプルホールド回路108の
入力側との間の開閉を行なうスイッチ302,302′と、リ
セット補正手段のインバータ回路109の出力側と前記リ
セット線105,105′との間の開閉を行なうスイッチ303,3
03′と、リセット電位ＶRと前記リセット線105,105′と
の間の開閉を行なうスイッチ304,304′とを有してい
る。

そして、、スイッチ301,302′,303′,304がオンのと
き、スイッチ301′,302,303,304′がオフとなり、スイ
ッチ301,302′,303′,304がオフのとき、スイッチ30
1′,302,303,304′がオンになるように駆動パルス発生
器104で制御されている。すなわち、スイッチ301,30
2′,303′,304で一つのスイッチ対を、スイッチ301′,3
02,303,304′で一つのスイッチ対をそれぞれ構成し、ス
イッチ対毎に相補的に駆動パルス発生器104からの信号
φ，φ′により接点の開閉を行なうようになっている。
従って、アナログスイッチ107によって電荷抽出線106と
電荷抽出線106′から交互に信号出力線200に電荷（COM
出力）が抽出されるとともに、リセット線105とリセッ
ト線105′とを交互にリセット電位VRに接続するように
動作する。

次に、ノイズキャンセル回路103の構成について、第
２図に示したフォトダイオードPD1個分の等価回路を用
いて説明する。図中、第１図と同一部分については同一
符号を付している。

イメージセンサにおいて光電変換を行なうフォトダイ
オードPDの一端は信号線10に接続され、フォトダイオー
ドPDの他端はイメージセンサを構成する各フォトダイオ
ードPDの共通電極となるバイアス電源電圧ＶEEに接続さ
れている。コンデンサC1はフォトダイオードの容量であ
り、コンデンサC2は配線容量を等価的に表したもので、
このコンデンサC2にフォトダイオードPDで生成されたキ
ャリアが電荷として一時的に蓄積される。

信号線10はボルテージフォロワアンプＡに接続され、
このボルテージフォロワアンプＡは分岐スイッチ５を介
して信号出力線200に接続されいる。分岐スイッチ５
は、ノイズ検出手段としてのサンプルホールド回路108
と信号出力線200を選択的に選ぶもので、第１図で示す
スイッチ301と302とを一つのスイッチ素子で表したもの
である。また、信号線10のＸ点は分岐スイッチ８を介し
てリセット電位ＶRに接続されている。分岐スイッチ８
は、リセット電位ＶRと補正手段としてのインバータ回
路109の出力側とを選択的に選ぶもので、第１図で示す
スイッチ303と304とを一つのスイッチ素子で表したもの
である。サンプルホールド回路108は、Ｙ点に生じる電
圧をCK駆動パルスに同期してサンプルホールドするもの
である。インパータ回路109は、前記サンプルホールド
された信号の反転信号をユニティゲインして信号線10の
Ｘ点に供給している。

次にこのノイズキャンッセル回路103におけるフォト
ダイオードアレイ101からの電荷（COM出力）の抽出及び
ノイズ出力の抽出について第３図及び第４図を参照しな
がら説明する。

先ず、暗時出力信号を検出するため、フォトダイオー
ドアレイ101を駆動する。すなわち、イメージセンサの
駆動回路にスタートパルスIAの第１のパルス401（第４
図）が入力されると、駆動IC102内のシフトレジスタ等
の動作により読み出しスイッチS1がオンし、信号抽出線
106にボルテージフォロワアンプＡを介して前記信号線1
0の配線容量C2に存在する暗時出力による電荷が抽出さ
れる。この状態において、分岐スイッチ５により信号抽
出線106と信号出力線200とが接続されている。

次に読み出しスイッチンS1をオフし、リセットスイッ
チS2をオンする。この状態では、分岐スイッチ８におい
てリセット線105とリセット電位ＶRが接続されているの
で、コンデンサC2及びコンデンサC1の残留電荷が除去さ
れ信号線10がリセット電位ＶRにリセットされる。リセ
ット終了後リセットスイッチS2をオフするが、このとき
のスイッチングノイズが信号線10に残る。

この動作が各画素毎に行われ、全ての画素についての
暗時出力信号の読み取りが行われる（第３図（ａ））。

次に、駆動パルス発生器104からのパルスφ，φ′で
分岐スイッチ５及び分岐スイッチ８が動作し、信号抽出
線106とサンプルホールド回路108,リセット線105とイン
バータ回路109とがそれぞれ接続され、この状態でイメ
ージセンサを駆動する駆動回路にスタートパルスIAの第
２パルス402（第４図）が入力される。その結果、駆動I
C102内のシフトレジスタ等の動作により読み出しスイッ
チS1がオンし、前記スイッチングノイズによるリセット
ノイズ出力をサンプルホールド回路108に取り込み、タ
イミングパルス（第３図（ｂ））に同期してサンプルホ
ールドする（第３図（ｃ））。そして、インバータ回路
109により反転させた反転信号（第３図（ｄ））をユニ
ティゲインして補正電圧を得て信号線10のＸ点に供給す
る。

この動作が各画素毎に行われ、全ての画素についてリ
セットノイズ出力の除去を行なう。従って、次の読み出
しからは、画素固有に補正されたリセット電位（第３図
（ｅ））となっているため、以後の信号出力線200から
の出力（特に暗時出力）は、均一で低く押さえることが
できる。

以上の動作が終了後、イメージセンサの光電変換素子
上に配置された原稿（図示せず）に光源（図示せず）か
らの光を照射させ、その反射光が各フォトダイオードPD
に照射し、原稿の濃淡に比例してキャリアが発生し、コ
ンデンサC2に電荷として蓄積される。そして、前記と同
様に駆動回路にスタートパルスIAのパルス401（第４
図）が入力されると、駆動回路を構成するシフトレジス
タ等の動作により読み出しスイッチS1がオンし、信号出
力線200（Tout）にボルテージフォロワアンプＡを介し
て前記コンデンサC2に蓄積されたブロックＮの電荷が抽
出される（第４図）。このCOM出力は原稿の画情報を含
むとともに暗時出力による各画素毎のバラツキが補正さ
れている。

次に、コンデンサC2及びコンデンサC1の残留電荷が除
去されて信号線10がリセット電位ＶRにリセットされた
後、駆動回路にスタートパルスIAの次のパルス402（第
４図）が入力されて前記同様にリセットノイズ出力の除
去を行ない、次のブロックＮ＋１の読み出しに備える。

すなわち、イメージセンサを駆動する駆動回路にスタ
ートパルス401が入力されると、前記同様読み出しスイ
ッチS1がオンし、前記スイッチングノイズによるリセッ
トノイズ出力をサンプルホールド回路108に取り込み、
タイミングパルス（第３図（ｂ））に同期してサンプル
ホールドする（第３図（ｃ））。サンプルホールドパル
スでシンクロした後、インバータ回路109により反転さ
せた反転信号（第３図（ｄ））をユニティゲインして補
正電圧を得て信号線10のＸ点に供給する。

従って、第４図に示すように、信号抽出線106のＹ点
においては、補正されたCOM信号とノイズ出力とが交互
に抽出される。

次に本実施例の駆動装置について、第５図のタイミン
グチャート及び第１図を参照しながらその動作について
説明する。

駆動パルス発生器104より与えられるCK,Din1,Din2,EN
Aの各パルスにより、駆動IC102内にある読み出しスイッ
チS1及びリセットスイッチS2は、それぞれ順次オンする
ように動作する。また、アナログスイッチ107内では、
駆動パルス発生器104からのコントロールパルスφ，
φ′により、スイッチ対301,302′,303′,304と、スイ
ッチ対301′,302,303,304′とが交互に開閉するように
なっている。

駆動IC102二個分からの電荷は、電荷抽出線106を介し
てアナログスイッチ107に入る。アナログスイッチ107内
では、コントロールパルスφ，φ′により、CKパルス12
8カウント（駆動IC二個分）毎にCOM信号を増幅器110に
送る系とサンプルホールド108に送る系にスイッチ301,3
02の開閉により振り分ける。すなわち、始めのCKパルス
128カウント中は、スイッチ対301,302′,303′,304が
閉、スイッチ対301′,302,303,304′が開となるので、
駆動IC102の第１ブロック及び第２ブロックのCOM出力は
電荷抽出線106及びスイッチ301を介して増幅器110に流
れ、この時、リセット線105はスイッチ304を介してリセ
ット電圧VR（例えばグランド）に接続され、各フォトダ
イオードPDからの電荷を抽出した後にリセットスイッチ
S2が順次オンしてリセット電位に戻される。

次のCKパルス128カウント（129から256カウントま
で）中は、スイッチ対301,302′,303′,304が開、スイ
ッチ対301′,302,303,304′が閉となるので、駆動IC102
の第３ブロック及び第４ブロックのCOM′出力は電荷抽
出線106′及びスイッチ301′を介して増幅器110に流
れ、この時、リセット線105′はスイッチ304′を介して
リセット電圧ＶR（例えばグランド）に接続され、各フ
ォトダイオードPDからの電荷を抽出した後にリセットス
イッチS2が順次オンしてリセット電位に戻される。

また、これと並行して、既に電荷を抽出した駆動IC10
2の第１ブロック及び第２ブロックの信号線に溜まった
リセットスイッチノイズを、読み出しスイッチS1を順次
オンすることによって電荷抽出線106に読み出す（第５
図におけるCOM出力に現れるノイズ出力）。そして、ス
イッチ302を介してサンプルホールド回路108にリセット
スイッチノイズを取り込む。そして、サンプルホールド
回路108及びインバーター回路109によりリセットスイッ
チノイズに対応した反転補正出力を得て、この補正出力
をスイッチ303を介してリセット線105（第５図のＶR）
に供給し、前記リセットスイッチノイズを打ち消して、
次のラインの蓄積時間がスタートする。

以上のようなルーチンを駆動IC二個毎に繰り返して行
なうことにより、リセットスイッチノイズのノイズキャ
ンセルを行ないながらフォトダイオードからの電荷を信
号出力線200（Tout）に抽出することができる。従っ
て、ノイズ出力の抽出のための蓄積時間を別個に設ける
必要がなく、読み取り時間の短縮を図ることができる。
また同時に、リセットスイッチを開くことにより各フォ
トダイオード毎にあらわれる暗時出力電位（第５図のノ
イズ出力）のバラツキを補正して一定の暗時出力を得る
ことができる。

このような駆動装置によれば、ノイズレベルを±6mV
程度にすることができ、50dB以上の高いS/N比を得るこ
とができる。また、S/N比の高い出力信号を増幅器110で
増幅するため、従来に比較して高感度なセンサ出力を得
ることができる。

（発明の効果） 本発明によれば、電荷抽出線とリセット線をそれぞれ
二本づつ設けたので、電荷の抽出と、リセットスイッチ
ノイズの抽出とを並行して行なうことができるので、ノ
イズキャンセルを行ないながら従来の駆動装置と同じ読
み取り速度を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すイメージセンサの駆動
装置の等価回路図、第２図は同上の実施例の一画素分を
示す等価回路図、第３図（ａ）乃至（ｅ）は補正電圧を
得るためのタイミングチャート、第４図は１ブロックの
駆動ICのタイミングチャート、第５図は本実施例の駆動
装置の動作を説明するためのタイミングチャート、第６
図は密着型イメージセンサの平面説明図、第７図は同上
の密着型イメージセンサにおけるICチップ１個分の等価
回路図、第８図は密着型イメージセンサの駆動方式を示
すタイミングチャートである。 101……フォトダイオードアレイ 102……駆動IC 103……ノイズキャンセル回路 104……駆動パルス発生器 105,105′……リセット線 106,106′……電荷抽出線 107……アナログスイッチ 108……サンプルホールド回路 109……インバータ回路 110……増幅器 S1……読み出しスイッチ S2……リセットスイッチ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−14768（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−28865（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−160374（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−210665（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−194654（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−283271（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−194655（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−69969（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−122279（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−86379（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H04N 1/028 H04N 5/335

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イメージセンサを構成する複数のフォトダ
   イオードに蓄積された電荷を読み出す信号出力線と、前
   記各フォトダイオードをリセット電圧にリセットするリ
   セットスイッチとを具備するイメージセンサの駆動装置
   において、 前記リセットスイッチの開動作により生じるノイズを検
   出するノイズ検出手段と、 このノイズ検出手段により検出されたノイズに対応する
   電圧をリセット補正電圧として前記フォトダイオードに
   印加するリセット補正手段と、 前記複数のフォトダイオード群毎に信号出力線と接続す
   る複数の電荷抽出線と、 前記複数のリセットスイッチ群毎にリセット電位と接続
   する複数のリセット線と、 前記各電荷抽出線と信号出力線とを接続する第１のスイ
   ッチ群と、前記各電荷抽出線とノイズ検出手段の入力側
   とを接続する第２のスイッチ群と、リセット補正手段の
   出力側と前記各リセット線とを接続する第３のスイッチ
   群と、リセット電位と前記各リセット線とを接続する第
   ４のスイッチ群とを有し、第１から第４のスイッチで一
   つのスイッチ対を構成し、該スイッチ対毎に接点の開閉
   を行なうアナログスイッチと、 を具備するイメージセンサの駆動装置。