JP3713701B2 - Photosensor device and drive control method thereof - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトセンサ装置及びその駆動制御方法に関し、特に、いわゆる、ダブルゲート構造を有する薄膜トランジスタを２次元配列して構成されるフォトセンサアレイを備えた画像読取装置に適用して良好なフォトセンサ装置及びその駆動制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、印刷物や写真、あるいは、指紋等の微細な凹凸の形状等を読み取る２次元画像の読取装置として、光電変換素子（フォトセンサ）をマトリクス状に配列して構成されるフォトセンサアレイを有する構造のものがある。このようなフォトセンサアレイとして、一般に、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の固体撮像デバイスが用いられている。
ＣＣＤは、周知の通り、フォトダイオードや薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）等のフォトセンサをマトリクス状に配列した構成を有し、各フォトセンサの受光部に照射された光量に対応して発生する電子−正孔対の電荷量を、水平走査回路及び垂直走査回路により検出し、照射光の輝度を検知している。
【０００３】
このようなＣＣＤを用いたフォトセンサシステムにおいては、走査された各フォトセンサを選択状態にするための選択トランジスタを個別に設ける必要があるため、画素数が増大するにしたがって、システム自体が大型化するという問題を有している。
そこで、近年、このような問題を解決するための構成として、フォトセンサ自体にフォトセンス機能と選択トランジスタ機能とを持たせた、いわゆる、ダブルゲート構造を有する薄膜トランジスタ（以下、ダブルゲート型フォトセンサという）を画像読取装置に適用して、システムの小型化、及び、画素の高密度化を図る試みがなされている。
【０００４】
このようなフォトセンサを用いた画像読取装置は、概略、ガラス基板上にトップゲート電極及びボトムゲート電極を備えたダブルゲート型フォトセンサをマトリクス状に形成して、フォトセンサアレイを構成し、例えば、ガラス基板の背面側から照射光を入射して、フォトセンサアレイの上方に載置された２次元画像の画像パターンに応じた反射光を、ダブルゲート型フォトセンサにより明暗情報として検出し、２次元画像を読み取るものである。
ここで、フォトセンサアレイによる画像の読み取り動作は、リセットパルスの印加による初期化終了時から読み出しパルスが印加されるまでの光蓄積期間において、各ダブルゲート型フォトセンサ毎に蓄積されるキャリヤ（正孔）の蓄積量に基づいて、明暗情報が検出される。なお、ダブルゲート型トランジスタ、及び、フォトセンサアレイの具体的な構成及び動作については、後述する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようなダブルゲート型フォトセンサを適用したフォトセンサシステムにおいては、以下に示すような問題を有していた。
すなわち、ダブルゲート型フォトセンサを適用したセンサシステムにおいては、光蓄積期間におけるフォトセンサ毎のキャリヤ（正孔）の蓄積量に基づいて、画像の読み取りが行われるので、種々の環境下で被写体画像（２次元画像）を良好に読み取るためには、上記光蓄積期間（すなわち、読取感度に相当する）を適切に設定する必要がある。
特に、光蓄積期間は、環境照度等の周囲の条件に依存して異なるため、従来においては、環境照度を検出するための回路を別個に設けたり、正規のスキャン動作を開始する前に標準試料等を用いて、光蓄積期間を複数段階に変えて読み取り動作（いわゆる、事前読出動作）を行い、その検出結果や読取結果に基づいて、環境照度に応じた光蓄積期間の最適値を求める手法を採用していた。
【０００６】
一方、上述したような従来技術に係るフォトセンサシステムにおいては、ダブルゲート型フォトセンサのトップゲート及びボトムゲートの各々に、非常に短い期間のみ、例えば、正電圧のリセットパルス及び読み出しパルスを印加し、リセットパルス及び読み出しパルスが印加されていない期間においては、これらのパルスとは逆の極性の信号電圧（負電圧）、又は、０Ｖ（ＧＮＤレベル）を印加する駆動制御方法が適用されていたため、トップゲート及びボトムゲートに印加される電圧波形は、０Ｖ（ＧＮＤレベル）に対して対称ではなく、実効電圧が、例えば、ローレベル（負電圧）側に大きく偏っていた。
【０００７】
ここで、ダブルゲート型フォトセンサに光が照射された状態において、このような偏った実効電圧が各ゲートに印加され続けると、各ゲートに正孔あるいは電子がトラップされる等の現象が発生して、ダブルゲート型フォトセンサの素子特性が劣化し、感度特性が変化するという問題を有している。そのため、実効電圧を最適値に調整制御する必要がある。
ところが、上述したような事前読出動作により、環境照度に応じて、その都度、最適な光蓄積期間を変更設定すると、各ゲートに印加される実効電圧が必然的に変動して、予め設定した実効電圧の最適値から外れることになり、上記感度特性等の劣化が生じて、画像読取装置の信頼性を十分に確保することができなくなるという問題を有していた。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した問題を解決し、フォトセンサのゲートに印加される実効電圧の偏りや変動に起因する素子特性の劣化や感度特性の変化を抑制して、信頼性が十分に確保された画像読取装置を実現することができるフォトセンサ装置及びその駆動制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のフォトセンサ装置は、複数のフォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサアレイと、前記フォトセンサアレイにおける第１の電極にリセットパルスを印加して前記フォトセンサを初期化するとともに、前記第１の電極に印加される実効電圧を最適値にするための信号電圧を印加する第１の信号電圧印加手段と、前記フォトセンサアレイにおける第２の電極に読み出しパルスを印加するとともに、前記第２の電極に印加される実効電圧を最適値にするための信号電圧を印加する第２の信号電圧印加手段と、前記フォトセンサアレイにおける前記複数のフォトセンサにプリチャージパルスを印加するとともに、各フォトセンサの出力電圧を取り込む信号読み出し手段と、前記リセットパルス及び前記読み出しパルスによって設定される前記フォトセンサアレイにおける画像読取感度を変化させつつ、前記信号読み出し手段によって前記２次元配列されたフォトセンサに対応する画素より構成される被写体画像を読み取り、前記画像読取感度毎の前記被写体画像の画像パターンに基づいて、最適な画像読取感度を求める読取感度設定手段と、を具備することを特徴としている。
【００１０】
請求項２記載のフォトセンサ装置は、請求項１記載のフォトセンサ装置において、前記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくとも前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成されたトップゲート電極及びボトムゲート電極と、を備えたダブルゲート構造を有し、前記トップゲート電極を前記第１の電極として、前記リセットパルスを印加し、前記ボトムゲート電極を前記第２の電極として、前記読み出しパルスを印加することにより、前記初期化終了から前記読み出しパルスの印加までの電荷蓄積期間に前記チャネル領域に蓄積された電荷に対応した電圧を出力することを特徴としている。
【００１１】
請求項３記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法は、複数のフォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサアレイを備えたフォトセンサシステムの駆動制御方法において、前記フォトセンサアレイの電極に第１のリセットパルス及び第１の読み出しパルスを印加して、画像読取感度を変化させつつ、前記２次元配列されたフォトセンサに対応する画素より構成される被写体画像を読み取り、前記画像読取感度毎の前記被写体画像の画像パターンに基づいて、最適な画像読取感度を設定する事前読出動作を実行する手順と、前記最適な画像読取感度を用いて、前記フォトセンサアレイの前記電極に第２のリセットパルス及び第２の読み出しパルスを印加して前記被写体画像の全域を読み取る画像読取動作を実行する手順と、前記事前読出動作及び前記画像読取動作の期間に、前記フォトセンサアレイの前記電極に印加された前記第１及び第２のリセットパルス及び前記第１及び第２の読み出しパルスによる信号の実効電圧を、最適値に調整する信号電圧を前記フォトセンサアレイの前記電極に印加する実効電圧調整動作を実行する手順と、を含むことを特徴としている。
【００１２】
請求項４記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法は、請求項３記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法において、前記フォトセンサは、ＭＯＳ構造を有し、前記事前読出動作を実行する手順は、前記複数のフォトセンサの第１の電極に、第１のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第１のリセットパルスを印加して、前記フォトセンサを初期化するとともに、前記第１のタイミング以外の期間には、前記第１のリセットパルスと逆極性の第１の信号電圧を印加する第１のステップと、前記初期化終了後、プリチャージパルスに基づくプリチャージ動作が終了した前記フォトセンサに対して、前記フォトセンサの第２の電極に、第２のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第１の読み出しパルスを印加して、前記初期化終了から前記第１の読み出しパルスの印加までの電荷蓄積期間に蓄積された電荷に対応した第１の読出電圧を出力するとともに、前記第２のタイミング以外の期間には、前記第１の読み出しパルスと逆極性の第２の信号電圧を印加する第２のステップと、を含み、前記第１の読み出しパルスは、前記第２のタイミングにより、前記電荷蓄積期間を所定の比率で変化させるように印加され、前記電荷蓄積期間毎に蓄積された電荷に対応して出力される前記第１の読出電圧により得られる前記被写体画像の画像パターンに基づいて、最適な前記電荷蓄積期間が決定されることを特徴としている。
【００１３】
請求項５記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法は、請求項４記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法において、前記画像読取動作を実行する手順は、前記複数のフォトセンサの第１の電極に、第３のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第２のリセットパルスを印加して、前記フォトセンサを初期化するとともに、前記第３のタイミング以外の期間には、前記第２のリセットパルスと逆極性の第３の信号電圧を印加する第３のステップと、前記初期化終了後、プリチャージパルスに基づくプリチャージ動作が終了した前記フォトセンサに対して、前記フォトセンサの第２の電極に、前記事前読出動作により決定された前記最適な電荷蓄積期間を規定する第４のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第２の読み出しパルスを印加して、前記初期化終了から前記第２の読み出しパルスの印加までの前記最適な電荷蓄積期間に蓄積された電荷に対応した第２の読出電圧を出力するとともに、前記第４のタイミング以外の期間には、前記第２の読み出しパルスと逆極性の第４の信号電圧を印加する第４のステップと、とを含み、前記実効電圧調整動作を実行する手順は、前記第１及び第３のステップにおいて前記第１及び第２のリセットパルス及び前記第１及び第３の信号電圧により、前記フォトセンサの第１の電極に印加された実効電圧を、所定の最適値に調整制御する所定の実効電圧を有する第５の信号を、前記フォトセンサの第１の電極に印加する第５のステップと、前記第２及び第４のステップにおいて前記第１及び第２の読み出しパルス及び前記第２及び第４の信号電圧により、前記フォトセンサの第２の電極に印加された実効電圧を、所定の最適値に調整制御する所定の実効電圧を有する第６の信号を、前記フォトセンサの第２の電極に印加する第６のステップと、を含むことを特徴としている。
【００１４】
請求項６記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法は、請求項５記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法において、前記第５の信号は、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第１の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、前記第１及び第３のステップにおいて前記第１及び第２のリセットパルス及び前記第１及び第３の信号電圧により、前記フォトセンサの第１の電極に印加された実効電圧に対して、逆極性の実効電圧を有し、また、前記第６の信号は、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第２の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、前記第２及び第４のステップにおいて前記第１及び第２の読み出しパルス及び前記第２及び第４の信号電圧により、前記フォトセンサの第２の電極に印加された実効電圧に対して、逆極性の実効電圧を有していることを特徴としている。
【００１５】
請求項７記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法は、請求項５記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法において、前記第５のステップは、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第１の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、該最適値より低い第５の電圧部分と該最適値より高い第６の電圧部分とを有し、前記第１及び第３の信号電圧と前記第５の電圧の時間積分値の絶対値と、前記第１及び第２のリセットパルスと前記第６の電圧の時間積分値の絶対値とが等しくなるように、各々所定の時間幅に設定された前記第５の信号を前記フォトセンサの第１の電極に印加し、また、前記第６のステップは、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第２の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、該最適値より低い第７の電圧部分と該最適値より高い第８の電圧部分とを有し、前記第２及び第４の信号電圧と前記第７の電圧の時間積分値の絶対値と、前記第１及び第２の読み出しパルスと前記第８の電圧の時間積分値の絶対値とが等しくなるように、各々所定の時間幅に設定された前記第６の信号を前記フォトセンサの第２の電極に印加することを特徴としている。
【００１６】
請求項８記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法は、請求項３乃至７のいずれかに記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法において、前記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくとも前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成されたトップゲート電極及びボトムゲート電極と、を備えたダブルゲート構造を有し、前記トップゲート電極を前記第１の電極として、前記第１及び第３のステップにおける前記第１及び第２のリセットパルス、並びに、前記第１及び第３の信号電圧を印加するとともに、前記ボトムゲート電極を前記第２の電極として、前記第２及び第４のステップにおける前記第１及び第２の読み出しパルス、並びに、前記第２及び第４の信号電圧を印加することにより、前記最適な電荷蓄積期間に前記チャネル領域に蓄積された電荷に対応した電圧を出力することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るフォトセンサ装置及びその駆動制御方法の実施の形態について詳しく説明する。
まず、本発明に適用されるダブルゲート型トランジスタについて、図面を参照して説明する。
図１は、ダブルゲート型トランジスタの構造を示す概略断面図である。
図１（ａ）に示すように、ダブルゲート型フォトセンサ１０は、可視光が入射されると電子−正孔対が生成されるアモルファスシリコン等の半導体層（チャネル層）１１と、半導体層１１の両端にそれぞれ設けられたｎ＋シリコン層１７、１８と、ｎ＋シリコン層１７、１８上に形成されたソース電極１２及びドレイン電極１３と、半導体層１１の上方（図面上方）にブロック絶縁膜１４及び上部（トップ）ゲート絶縁膜１５を介して形成されたトップゲート電極２１と、半導体層１１の下方（図面下方）に下部（ボトム）ゲート絶縁膜１６を介して形成されたボトムゲート電極２２と、を有して構成されている。
【００１８】
なお、図１（ａ）において、トップゲート電極２１、トップゲート絶縁膜１５、ボトムゲート絶縁膜１６、及び、トップゲート電極２１上に設けられる保護絶縁膜２０は、いずれも半導体層１１を励起する可視光に対して透過率の高い材質により構成され、一方、ボトムゲート電極２２は、可視光の透過を遮断する材質により構成されることにより、図面上方から入射する照射光のみを検知する構造を有している。
すなわち、ダブルゲート型フォトセンサ１０は、半導体層１１を共通のチャネル領域として、半導体層１１、ソース電極１２、ドレイン電極１３及びトップゲート電極２１により形成される上部ＭＯＳトランジスタと、半導体層１１、ソース電極１２、ドレイン電極１３及びボトムゲート電極２２により形成される下部ＭＯＳトランジスタとからなる２つのＭＯＳトランジスタの組み合わせた構造が、ガラス基板等の透明な絶縁性基板１９上に形成されている。
そして、このようなダブルゲート型フォトセンサ１０は、一般に、図１（ｂ）に示すような等価回路により表される。ここで、ＴＧはトップゲート端子、ＢＧはボトムゲート端子、Ｓはソース端子、Ｄはドレイン端子である。
【００１９】
次に、上述したダブルゲート型フォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサシステムについて、図面を参照して簡単に説明する。
図２は、ダブルゲート型フォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサシステムの概略構成図である。
図２に示すように、フォトセンサシステムは、大別して、多数のダブルゲート型フォトセンサ１０を、例えば、ｎ行×ｍ列のマトリクス状に配列したフォトセンサアレイ１００と、各ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端子ＴＧ及びボトムゲート端子ＢＧを各々行方向に接続したトップゲートライン１０１及びボトムゲートライン１０２と、トップゲートライン１０１及びボトムゲートライン１０２に各々接続されたトップゲートドライバ１１１及びボトムゲートドライバ１１２と、各ダブルゲート型フォトセンサのドレイン端子Ｄを列方向に接続したデータライン１０３と、データライン１０３に接続された出力回路部１１３と、を有して構成される。ここで、φtg及びφbgは、それぞれリセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｉ、…φＴｎ、及び、読み出しパルスφＢ１、φＢ２、…φＢｉ、…φＢｎを生成するための制御信号、φpgは、プリチャージ電圧Ｖpgを印加するタイミングを制御するプリチャージ信号である。
【００２０】
このような構成において、トップゲートドライバ１１１からトップゲート端子ＴＧに電圧を印加することによりフォトセンス機能が実現され、ボトムゲートドライバ１１２からボトムゲート端子ＢＧに電圧を印加し、データライン１０３を介して検出信号を出力回路部１１３に取り込んでシリアルデータとして出力（Ｖout）することにより選択読み出し機能が実現される。
【００２１】
次に、上述したフォトセンサシステムの駆動制御方法について、図面を参照して説明する。
図３は、フォトセンサシステムの駆動制御方法の一例を示すタイミングチャートであり、図４は、ダブルゲート型フォトセンサの動作概念図であり、図５は、フォトセンサシステムの出力電圧の光応答特性を示す図である。
まず、リセット動作においては、図３、図４（ａ）に示すように、ｉ番目の行のトップゲートライン１０１にパルス電圧（リセットパルス；例えばＶtg＝＋１５Ｖのハイレベル）φＴｉを印加して、各ダブルゲート型フォトセンサ１０の半導体層に蓄積されているキャリア（正孔）を放出する（リセット期間Ｔreset）。
【００２２】
次いで、光蓄積動作においては、図３、図４（ｂ）に示すように、トップゲートライン１０１にローレベル（例えばＶtg＝−１５Ｖ）のバイアス電圧φＴｉを印加することにより、リセット動作を終了し、キャリヤ蓄積動作による光蓄積期間Ｔａがスタートする。光蓄積期間Ｔａにおいては、トップゲート電極側から入射した光量に応じてチャネル領域にキャリアが蓄積される。
そして、プリチャージ動作においては、図３、図４（ｃ）に示すように、光蓄積期間Ｔａに並行して、プリチャージ信号φpgに基づいてデータライン１０３に所定の電圧（プリチャージ電圧）Ｖpgを印加し、ドレイン電極１３に電荷を保持させる（プリチャージ期間Ｔprch）。
【００２３】
次いで、読み出し動作においては、図３、図４（ｄ）に示すように、プリチャージ期間Ｔprchを経過した後、ボトムゲートライン１０２にハイレベル（例えばＶbg＝＋１０Ｖ）のバイアス電圧（読み出し選択信号；以下、読み出しパルスという）φＢｉを印加することにより、ダブルゲート型フォトセンサ１０をＯＮ状態にする（読み出し期間Ｔread）。
ここで、読み出し期間Ｔreadにおいては、チャネル領域に蓄積されたキャリア（正孔）が逆極性のトップゲート端子ＴＧに印加されたＶtg（−１５Ｖ）を緩和する方向に働くため、ボトムゲート端子ＢＧのＶbgによりｎチャネルが形成され、ドレイン電流に応じてデータライン１０３のデータライン電圧ＶＤは、図５（ａ）に示すように、プリチャージ電圧Ｖpgから時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。
【００２４】
すなわち、光蓄積期間Ｔａにおける光蓄積状態が暗状態で、チャネル領域にキャリヤ（正孔）が蓄積されていない場合には、図４（ｅ）、図５（ａ）に示すように、トップゲートＴＧに負バイアスをかけることによって、ボトムゲートＢＧの正バイアスが打ち消され、ダブルゲート型フォトセンサ１０はＯＦＦ状態となり、ドレイン電圧、すなわち、データライン１０３の電圧ＶＤが、ほぼそのまま保持されることになる。
一方、光蓄積状態が明状態の場合には、図４（ｄ）、図５（ａ）に示すように、チャネル領域に入射光量に応じたキャリヤ（正孔）が捕獲されているため、トップゲートＴＧの負バイアスを打ち消すように作用し、この打ち消された分だけボトムゲートＢＧの正バイアスによって、ダブルゲート型フォトセンサ１０はＯＮ状態となる。そして、この入射光量に応じたＯＮ抵抗に従って、データライン１０３の電圧ＶＤは、低下することになる。
【００２５】
したがって、図５（ａ）に示したように、データライン１０３の電圧ＶＤの変化傾向は、トップゲートＴＧへのリセットパルスφＴｉの印加によるリセット動作の終了時点から、ボトムゲートＢＧに読み出しパルスφＢｉが印加されるまでの時間（光蓄積期間Ｔａ）に受光した光量に深く関連し、蓄積されたキャリアが少ない場合には緩やかに低下する傾向を示し、また、蓄積されたキャリアが多い場合には急峻に低下する傾向を示す。そのため、読み出し期間Ｔreadがスタートして、所定の時間経過後のデータライン１０３の電圧ＶＤを検出することにより、あるいは、所定のしきい値電圧を基準にして、その電圧に至るまでの時間を検出することにより、照射光の光量が換算される。
【００２６】
上述した一連の画像読取動作を１サイクルとして、ｉ＋１番目の行のダブルゲート型フォトセンサ１０にも同等の処理手順を繰り返すことにより、ダブルゲート型フォトセンサ１０を２次元のセンサシステムとして動作させることができる。
なお、図３に示したタイミングチャートにおいて、プリチャージ期間Ｔprchの経過後、図４（ｆ）、（ｇ）に示すように、ボトムゲートライン１０２にローレベル（例えばＶbg＝０Ｖ）を印加した状態を継続すると、ダブルゲート型フォトセンサ１０はＯＦＦ状態を持続し、図５（ｂ）に示すように、データライン１０３の電圧ＶＤは、プリチャージ電圧Ｖpgを保持する。このように、ボトムゲートライン１０２への電圧の印加状態により、ダブルゲート型フォトセンサ１０の読み出し状態を選択する選択機能が実現される。
【００２７】
＜実施形態＞
次に、本発明に係るフォトセンサ装置の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態においては、フォトセンサとして、上述したダブルゲート型フォトセンサを適用し、トップゲート電極を第１の電極として電圧を印加することにより、フォトセンス機能を実現するとともに、ボトムゲート電極を第２の電極として電圧を印加することにより、チャネル領域に蓄積された電荷量を読み出す機能を実現するものとして説明する。
図６は、本発明に係るフォトセンサシステムを適用した２次元画像読取装置の一例を示す概略構成図である。なお、ここでは、図１、図２に示したダブルゲート型フォトセンサ及びフォトセンサシステムの構成を適宜参照しながら説明する。また、図２に示したフォトセンサシステムと同等の構成については、同一の符号を付して説明する。
【００２８】
図６に示すように、本実施形態に係るフォトセンサシステムは、図１に示したダブルゲート型フォトセンサ１０を２次元配列して構成されるフォトセンサアレイ１００と、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端子ＴＧに所定のタイミングで、所定のトップゲート電圧（リセットパルス）を印加するトップゲートドライバ（第１の信号電圧印加手段）１１１と、ダブルゲート型フォトセンサ１０のボトムゲート端子ＢＧに所定のタイミングで、所定のボトムゲート電圧（読み出しパルス）を印加するボトムゲートドライバ（第２の信号電圧印加手段）１１２と、ダブルゲート型フォトセンサ１０へのプリチャージ電圧の印加及びデータライン電圧の読み出しを行うコラムスイッチ１１４、プリチャージスイッチ１１５、アンプ１１６からなる出力回路部（信号読み出し手段）１１３と、読み出されたデータ電圧（アナログ信号）をデジタル信号からなる画像データに変換するアナログ−デジタル変換器（以下、Ａ／Ｄコンバータと記す）１１７と、フォトセンサアレイ１００による被写体画像の読取動作制御や外部機能部２００とのデータのやり取り等を行うとともに、本発明における感度設定機能及び異常検出機能を備えたコントローラ（読取感度設定手段）１２０と、読取画像データや後述する読取感度の設定、実効電圧の調整等に関連するデータ等を記憶するＲＡＭ１３０と、を有して構成されている。
【００２９】
ここで、フォトセンサアレイ１００、トップゲートドライバ１１１、ボトムゲートドライバ１１２、出力回路部１１３（コラムスイッチ１１４、プリチャージスイッチ１１５、アンプ１１６）からなる構成は、図２に示したフォトセンサシステムと略同等の構成及び機能を有しているので、その詳細な説明を省略する。コントローラ１２０は、トップゲートドライバ１１１及びボトムゲートドライバ１１２に制御信号φtg、φbgを出力することにより、トップゲートドライバ１１１及びボトムゲートドライバ１１２の各々から、フォトセンサアレイ１００を構成する各ダブルゲート型フォトセンサのトップゲート端子ＴＧ及びボトムゲート端子ＢＧに所定の信号電圧（リセットパルスφＴｉ、読み出しパルスφＢｉ）を印加するとともに、プリチャージスイッチ１１５に制御信号φpgを出力することにより、データラインにプリチャージ電圧Ｖpgを印加して、被写体画像の読取動作の実行を制御する。
【００３０】
また、コントローラ１２０には、ダブルゲート型フォトセンサ１０から読み出されたデータライン電圧ＶＤがアンプ１１６及びＡ／Ｄコンバータ１１７を介してデジタル信号に変換され、画像データとして入力される。コントローラ１２０は、この画像データに対して、所定の画像処理を施したり、ＲＡＭ１３０への書き込み、読み出しを行うとともに、画像データの照合や加工等の所定の処理を実行する外部機能部２００に対してインタフェースとしての機能をも備えている。さらに、コントローラ１２０は、トップゲートドライバ１１１及びボトムゲートドライバ１１２に出力する制御信号φtg、φbgを設定制御することにより、外光等の環境照度に対応して被写体画像を最適に読み込むことができる読取感度、すなわち、ダブルゲート型フォトセンサ１０の最適な光蓄積期間Ｔａを設定する機能、及び、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲートＴＧ及びボトムゲートＢＧに印加される実効電圧の偏りを最適値に調整する機能を有している。
【００３１】
次に、上述した構成を有するフォトセンサ装置の駆動制御方法について、図面を参照して説明する。
図７は、本発明に係るフォトセンサ装置の駆動制御方法の一実施形態を示すタイミングチャートである。ここでは、図２、図６に示したフォトセンサ装置の構成を適宜参照しながら、その駆動制御方法を説明する。
図７に示すように、本実施形態に係るフォトセンサ装置の駆動制御方法は、事前読出動作と、画像読取動作と、実効電圧調整動作の各手順を有し、いずれもコントローラ１２０から送出される制御信号（φtg、φbg、φpg等）に基づいて、各動作制御が行われる。
以下、各処理動作について具体的に説明する。
【００３２】
＜事前読出動作＞
（第１のステップ）
図７に示すように、本実施形態における事前読取動作は、まず、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端子ＴＧを行方向に接続するトップゲートライン１０１の各々に対して、所定の遅れ時間Ｔdlyの時間間隔で順次リセットパルス（第１のリセットパルス）φＴ１、φＴ２、…φＴｎを印加してリセット期間Ｔrstをスタートし、各行毎のダブルゲート型フォトセンサ１０を初期化する。
ここで、リセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎは、ハイレベルが信号電圧Ｖtgh、ローレベルが信号電圧Ｖtglのパルス信号であり、第１のステップにおいて、ハイレベルＶtghのリセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎが印加されるタイミング（第１のタイミング）以外では、ローレベルの信号電圧（第１の信号電圧）Ｖtglが印加された状態にある。
【００３３】
（第２のステップ）
次いで、リセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎが立ち下がり、リセット期間Ｔrstが終了することにより、光蓄積期間ＴＡ1、ＴＡ2、…ＴＡnが順次スタートして、各行毎にダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート電極側から入射される光量に応じてチャネル領域に電荷（正孔）が発生し、蓄積される。
そして、各行毎に設定される光蓄積期間ＴＡ1、ＴＡ2、…ＴＡnは、図７に示すように、最後のリセットパルスφＴｎが立ち下がった後、各行毎に所定の遅れ時間Ｔdly分ずつ段階的に変化させるように、プリチャージ信号φpg及び読み出しパルス（第１の読み出しパルス）φＢｎ、…φＢ２、φＢ１を順次印加して、読み出し期間Ｔrdをスタートし、ダブルゲート型フォトセンサ１０に蓄積された電荷に対応する電圧変化ＶＤを、出力回路部１１３によりデータライン１０３を介して読み出し、順次ＲＡＭ１３０に記憶される。
【００３４】
ここで、読み出しパルスφＢ１、φＢ２、…φＢｎは、ハイレベルが信号電圧Ｖbgh、ローレベルが信号電圧Ｖbglのパルス信号であり、第２のステップにおいて、ハイレベルＶbghの読み出しパルスφＢ１、φＢ２、…φＢｎが印加されるタイミング（第２のタイミング）以外では、ローレベルの信号電圧（第２の信号電圧）Ｖbghが印加された状態にある。
なお、照射光量の検出方法は、上述したフォトセンサシステムと同様に、各データライン１０３の電圧ＶＤの低下傾向を、読み出し期間Ｔrdがスタートして、所定の時間経過後の電圧値を検出することにより、あるいは、所定のしきい値電圧を基準にして、その電圧値に至るまでの時間を検出することにより、照射光量に換算する。
したがって、このような事前読出動作によれば、各行毎に設定される光蓄積期間ＴＡ1、ＴＡ2、…ＴＡn相互が所定の遅れ時間Ｔdlyの２倍の時間間隔で増加するので、一画面の読み込み動作により行数分以上の感度調整幅で設定された読取感度で読み取られた画像データが得られる。そして、この画像データに基づいて、コントローラ１２０は、明暗パターンのコントラストが最大となる光蓄積期間を抽出し、最適な光蓄積期間Ｔａを決定する。
【００３５】
＜画像読取動作＞
（第３のステップ）
次に、上述した事前読取動作により決定された最適な光蓄積時間Ｔａを用いて画像読取動作を実行する。
すなわち、図７に示すように、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端子ＴＧを行方向に接続するトップゲートライン１０１の各々に、順次リセットパルス（第２のリセットパルス）φＴ１、φＴ２、…φＴｎを印加してリセット期間Ｔrstをスタートし、各行毎のダブルゲート型フォトセンサ１０を初期化する。
ここで、リセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎは、上述した第１のステップと同様に、ハイレベルが信号電圧Ｖtgh、ローレベルが信号電圧Ｖtglのパルス信号であり、ハイレベルＶtghのリセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎが印加されるタイミング（第３のタイミング）以外では、ローレベルの信号電圧（第３の信号電圧）Ｖtglが印加される。
【００３６】
（第４のステップ）
次いで、リセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎが立ち下がり、リセット期間Ｔrstが終了することにより、各行毎に、上記最適な光蓄積期間Ｔａが順次スタートして、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート電極側から入射される光量に応じてチャネル領域に電荷（正孔）が発生し、蓄積される。ここで、図７に示すように、光蓄積期間Ｔａ内に並行して、プリチャージ信号φpgを印加することにより、プリチャージ期間Ｔprchをスタートし、データライン１０３にプリチャージ電圧Ｖprchを印加してダブルゲート型フォトセンサ１０のドレイン電極に所定の電圧を保持させるプリチャージ動作が行われる。
【００３７】
そして、最適な光蓄積期間Ｔａ及びプリチャージ期間Ｔprchが終了したダブルゲート型フォトセンサ１０に対して、各行毎に、ボトムゲートライン１０２に順次読み出しパルス（第２の読み出しパルス）φＢ１、φＢ２、…φＢｎを印加して、読み出し期間Ｔreadをスタートし、ダブルゲート型フォトセンサ１０に蓄積された電荷に対応する電圧変化ＶＤを、コラムスイッチ１１３によりデータライン１０３を介して読み出す。
ここで、読み出しパルスφＢ１、φＢ２、…φＢｎは、上述した第１のステップと同様に、ハイレベルが信号電圧Ｖbgh、ローレベルが信号電圧Ｖbglのパルス信号であり、ハイレベルＶbghの読み出しパルスφＢ１、φＢ２、…φＢｎが印加されるタイミング（第４のタイミング）以外では、ローレベルの信号電圧（第４の信号電圧）Ｖbghが印加された状態にある。
【００３８】
＜実効電圧調整動作＞
（第５のステップ）
次に、上述した画像読取動作が、全ての行（ｎ）において終了すると、一連の事前読取動作及び画像読取動作において印加された信号の実効電圧の偏りを調整して最適化する実効電圧調整動作を実行する。
すなわち、図７に示すように、上記第１及び第３のステップにおいて、リセットパルスによりダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲートライン１０１（トップゲート端子ＴＧ）に印加された信号電圧の平均値、すなわち、実効電圧を、予め当該ダブルゲート型フォトセンサ１０の感度特性に応じて設定した最適値に調整することができる所定の実効電圧を有する信号（第５の信号）を、各行のトップゲートライン１０１に印加する。
【００３９】
（第６ステップ）
また、上記第２及び第４ステップにおいて、読み出しパルスによりダブルゲート型フォトセンサ１０のボトムゲートライン１０２（ボトムゲート端子ＢＧ）に印加された信号電圧の平均値、すなわち、実効電圧を、予め当該ダブルゲート型フォトセンサ１０の感度特性に応じて設定した最適値に調整することができる所定の実効電圧を有する信号（第６の信号）を、各行のボトムゲートライン１０２に印加する。
【００４０】
ここで、実効電圧調整動作において、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲートＴＧ及びボトムゲートＢＧに印加される信号について、図面を参照してより具体的に説明する。
図８は、本実施形態に係るフォトセンサ装置の駆動制御方法における実効電圧調整動作の作用を示す概念図である。ここでは、図７に示したフォトセンサシステムの駆動制御方法のタイミングチャートを適宜参照しながら、駆動制御方法を説明する。なお、説明の都合上、１行目のトップゲートライン及びボトムゲートラインに印加される電圧波形に着目して説明する。
【００４１】
図７に示したように、事前読出動作及び画像読取動作の第１のステップ及び第３のステップ、すなわち、リセット動作においては、第１及び第３のタイミングに係る極めて短い時間（Ｔrst）のみ、ハイレベルの信号電圧（ここでは、正電圧）Ｖtghを有するリセットパルスφＴ１がトップゲートライン１０１を介してトップゲートＴＧに印加され、第１及び第３のタイミング以外の比較的長い期間では、ローレベルの信号電圧（ここでは、負電圧）Ｖtglが印加される。そのため、事前読出動作及び画像読取動作時において、トップゲートＴＧに印加される実効電圧は、ローレベル側に大きく偏っている。さらに、画像読出動作に設定される最適な光蓄積期間Ｔａは、事前読出動作により環境照度等に応じて、その都度、変更設定されるため、上記トップゲートＴＧに印加される実効電圧は、必然的に変動する。
【００４２】
一方、事前読出動作及び画像読取動作の第２のステップ及び第４のステップ、すなわち、読み出し動作においても、第２及び第４のタイミングに係る極めて短い時間（Ｔrd）のみ、ハイレベルの信号電圧（ここでは、正電圧）Ｖbghを有する読み出しパルスφＢ１がボトムゲートライン１０２を介してボトムゲートＢＧに印加され、第２及び第４のタイミング以外の比較的長い期間では、ローレベルの信号電圧（ここでは、負電圧）Ｖtglを有する信号電圧が印加される。そのため、事前読出動作及び画像読取動作時において、ボトムゲートＢＧに印加される実効電圧も、ローレベル側に大きく偏っている。さらに、画像読出動作に設定される最適な光蓄積期間Ｔａは、事前読出動作により環境照度等に応じて、その都度、変更設定されるため、上記ボトムゲートＴＧに印加される実効電圧は、必然的に変動する。なお、以下、説明の都合上、トップゲートＴＧに印加される実効電圧、及び、ボトムゲートＢＧに印加される実効電圧のいずれもが、ローレベル側に偏った実効電圧を有しているものとする。
【００４３】
そのため、このような特定の極性の電圧側に偏った電圧がゲート電極に印加された状態が継続すると、上述したように、ゲート電極に正孔がトラップされて、ダブルゲート型フォトセンサの素子特性が劣化して感度特性が変化してしまう問題が生じる。
そこで、本実施形態においては、事前読出動作及び画像読取動作の処理サイクル内、及び、これから実行する実効電圧調整動作の処理サイクル内に印加される電圧波形について、ダブルゲート型フォトセンサの感度特性に応じて設定されるトップゲート側の実効電圧の最適値、及び、ボトムゲート側の実効電圧の最適値を基準として、上記電圧波形のハイレベル側の時間積分値の絶対値と、ローレベル側の時間積分値の絶対値とを等しくするように、調整パルス（第５の信号、第６の信号）を、実効電圧調整動作時に所定のタイミングでダブルゲート型フォトセンサのトップゲートライン、及び、ボトムゲートラインに印加する。
【００４４】
ここで、トップゲートラインに印加される調整パルスは、図７に示すように、上記トップゲート側の実効電圧の最適値Ｖteを基準として、所定の信号幅（時間幅）Ｔtplを有するローレベル側の電圧成分（信号電圧Ｖtgl；第５の電圧部分）と、所定の信号幅Ｔtphを有するハイレベル側の電圧成分（信号電圧Ｖtgh；第６の電圧部分）からなる電圧波形を有している。一方、ボトムゲートラインに印加される調整パルスは、上記ボトムゲート側の実効電圧の最適値Ｖbeを基準として、所定の信号幅Ｔbpla、Ｔbplbを有するローレベル側の電圧成分（信号電圧Ｖbgl；第７の電圧部分）と、所定の信号幅Ｔbphを有するハイレベル側の電圧成分（信号電圧Ｖbgh；第８の電圧部分）からなる電圧波形を有している。
【００４５】
すなわち、トップゲート側に印加される調整パルスと、他の信号波形との関係は、図８（ａ）の模式図に示すように、トップゲート側の実効電圧の最適値をＶte、事前読出動作及び画像読取動作の処理サイクル内に印加される電圧波形のハイレベルをＶtgh、ローレベルをＶtgl、画像読取動作における最適な光蓄積時間をＴａ、事前読出動作及び画像読取動作における最適な光蓄積時間Ｔａ以外のローレベルの期間をＴlt、事前読出動作及び画像読取動作におけるハイレベルの期間（Ｔrst＋Ｔrst）をＴhtとすると、次式にように表される。
Ｈｔ・（Ｔtph＋Ｔht）＝Ｌｔ・（Ｔａ＋Ｔlt＋Ｔtpl） ……（１）
ここで、Ｈｔは、実効電圧の最適値Ｖteに対するハイレベルＶtghの差分電圧の絶対値（｜Ｖtgh−Ｖte｜）であり、Ｌｔは、実効電圧の最適値Ｖteに対するローレベルＶtglの差分電圧の絶対値（｜Ｖtgl−Ｖte｜）である。
【００４６】
上記（１）式より、調整パルスの印加時間、すなわち、ハイレベル側の電圧成分の信号幅Ｔtphは、次式のように表される。
Ｔtph＝Ｌｔ／Ｈｔ・（Ｔａ＋Ｔlt＋Ｔtpl）−Ｔht ……（２）
したがって、実効電圧調整動作において、（２）式のように表される時間分（Ｔtph）だけ、トップゲートラインにハイレベルＶtghの調整パルスを印加して、信号電圧を付加することにより、環境照度に応じて画像読取動作の最適な光蓄積期間Ｔａが変更設定された場合であっても、トップゲートに印加される実効電圧の偏りを打ち消して、最適値Ｖteに調整制御することができ、ダブルゲート型フォトセンサの素子特性の劣化による感度特性の変化を抑制することができる。
【００４７】
一方、ボトムゲート側に印加される調整パルスと、他の信号波形との関係は、図８（ｂ）の模式図に示すように、ボトムゲート側の実効電圧の最適値をＶbe、事前読出動作及び画像読取動作の処理サイクル内に印加される電圧波形のハイレベルをＶbgh、ローレベルをＶbgl、画像読取動作における最適な光蓄積時間をＴａ、事前読出動作及び画像読取動作における最適な光蓄積時間Ｔａ以外のローレベルの期間をＴlb、事前読出動作及び画像読取動作におけるハイレベルの期間（Ｔrd＋Ｔrd）をＴhbとすると、次式にように表される。
Ｈｂ・（Ｔbph＋Ｔhb）＝Ｌｂ・（Ｔａ＋Ｔlb＋Ｔbpl） ……（３）
ここで、Ｈｂは、実効電圧の最適値Ｖbeに対するハイレベルＶbghの差分電圧の絶対値（｜Ｖbgh−Ｖbe｜）であり、Ｌｂは、実効電圧の最適値Ｖbeに対するローレベルＶbglの差分電圧の絶対値（｜Ｖbgl−Ｖbe｜）である。また、Ｔbplは、調整パルスのローレベル側の電圧成分の合計信号幅（Ｔbpla＋Ｔbplb）である。
【００４８】
上記（３）式より、調整パルスの印加時間、すなわち、ハイレベル側の電圧成分の信号幅Ｔbphは、次式のように表される。
Ｔbph＝Ｌｂ／Ｈｂ・（Ｔａ＋Ｔlｂ＋Ｔbpl）−Ｔhb ……（４）
したがって、実効電圧調整動作において、（４）式のように表される時間分（Ｔbph）だけ、ボトムゲートラインにハイレベルＶbghの調整パルスを印加して、信号電圧を付加することにより、環境照度に応じて画像読取動作の最適な光蓄積期間Ｔａが変更設定された場合であっても、ボトムゲートに印加される実効電圧の偏りを打ち消して、最適値Ｖbeに調整制御することができ、ダブルゲート型フォトセンサの素子特性の劣化による感度特性の変化を抑制することができる。
なお、上述した実効電圧調整動作において、ダブルゲート型フォトセンサの感度特性に応じて設定されるトップゲート側の実効電圧の最適値Ｖte、及び、ボトムゲート側の実効電圧の最適値Ｖbeについて、具体的な数値や電圧極性を示さなかったが、ダブルゲート型フォトセンサの素子特性や感度特性等に応じて、正又は負電圧、あるいは、０Ｖのいずれも最適値となる場合がある。
また、本実施形態においては、実効電圧調整動作においてトップゲート及びボトムゲートに印加される調整パルスのハイレベル側及びローレベル側の信号電圧として、事前読出動作及び画像読取動作におけるハイレベル及びローレベルを印加する場合について説明したが、他の電圧レベルを印加するものであってもよい。
【００４９】
次に、本発明に係るフォトセンサシステムの駆動制御方法に適用することができる事前読出動作の他の具体例について、図面を参照して説明する。
図９は、本発明に係るフォトセンサシステムの駆動制御方法に適用することができる事前読出動作の他の実施例を示すタイミングチャートである。ここでは、図２、図６に示したフォトセンサ装置の構成を適宜参照しながら説明する。
図９に示すように、本実施例に係る事前読出動作は、まず、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端子ＴＧを行方向に接続するトップゲートライン１０１の各々に対して、同時にリセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎを印加してリセット期間Ｔrstを同時にスタートし、各行毎のダブルゲート型フォトセンサ１０を初期化する。
【００５０】
次いで、リセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎが同時に立ち下がり、リセット期間Ｔrstが終了することにより、全ての行におけるダブルゲート型フォトセンサ１０の光蓄積期間ＴＢ1、ＴＢ2、…ＴＢnが一斉にスタートして、各行毎のダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート電極側から入射される光量に応じてチャネル領域に電荷（正孔）が発生し、蓄積される。
ここで、各行毎に設定される光蓄積期間ＴＢ1、ＴＢ2、…ＴＢnは、図９に示すように、各行毎に所定の遅れ時間Ｔdly分ずつ段階的に変化させるように、プリチャージ信号φpg及び読み出しパルスφＢ１、φＢ２、…φＢｎを印加する。したがって、上述した実施形態に示したような画像読取動作に先立って行う事前読出動作において、被写体画像を構成する各行毎に異なる読取感度（すなわち、行数分の異なる読取感度）で読み取られた画像データを、１回の被写体画像（一画面）の読み込みにより取得することができる。
【００５１】
ここで、本発明に係るフォトセンサシステムの駆動制御方法に適用される事前読出動作の手法は、上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、被写体画像を異なる読取感度で画像データを取得できるものであれば、例えば、リセット動作→光蓄積動作→プリチャージ動作→読み出し動作の一連の処理サイクルを読取感度を順次変更して複数回繰り返して、異なる読取感度による画像データを取得するものでもあってもよいし、さらに他の方法であってもよいことはいうまでもない。
【００５２】
なお、上述した各実施形態においては、フォトセンサシステムを構成するフォトセンサとして、ダブルゲート型フォトセンサを適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、フォトセンサアレイを構成するフォトセンサにおいて、事前読出動作及び画像読取動作時に印加される信号電圧の極性の偏りにより、感度特性や素子特性が変化、又は、劣化する傾向を有し、かつ、実効電圧調整動作時に付加する調整パルスにより、当該特性の変化や劣化を抑制することができるものであれば、他の構成を有するフォトセンサであっても、本発明に係る駆動制御方法を良好に適用することができる。
【００５３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、フォトセンサアレイの第１の電極にリセットパルスを印加してフォトセンサを初期化するとともに、該第１の電極に印加される実効電圧を最適値にするための信号電圧を印加する第１の信号電圧印加手段と、フォトセンサアレイの第２の電極に読み出しパルスを印加するとともに、該第２の電極に印加される実効電圧を最適値にするための信号電圧を印加する第２の信号電圧印加手段と、リセットパルス及び読み出しパルスによって設定されるフォトセンサアレイにおける画像読取感度を変化させつつ、２次元配列されたフォトセンサに対応する画素より構成される被写体画像を読み取り、該写体画像の画像パターンに基づいて、最適な画像読取感度を求める読取感度設定手段と、を備えているので、新たな構成を付加することなく、環境照度に応じた最適な読取感度を設定して、被写体画像を良好に読み取ることができるとともに、フォトセンサの第１の電極及び第２の電極に印加される実効電圧を最適化して、フォトセンサの素子特性の劣化に伴う感度特性の変化を抑制することができ、信頼性が高いフォトセンサシステムを実現することができる。
【００５４】
請求項３記載の発明によれば、複数のフォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサアレイを備えたフォトセンサシステムの駆動制御方法において、フォトセンサアレイの電極に第１のリセットパルス及び第１の読み出しパルスを印加して、画像読取感度を変化させつつ、所定の被写体画像を読み取り、各画像読取感度毎の被写体画像の画像パターンに基づいて、最適な画像読取感度を設定する事前読出動作を実行する手順と、最適な画像読取感度を用いて、フォトセンサアレイの電極に第２のリセットパルス及び第２の読み出しパルスを印加して被写体画像の全域を読み取る画像読取動作を実行する手順と、事前読出動作及び画像読取動作の期間に、フォトセンサアレイの電極に印加された第１及び第２のリセットパルス及び第１及び第２の読み出しパルスによる信号の実効電圧を、最適値に調整する信号電圧をフォトセンサアレイの電極に印加する実効電圧調整動作を実行する手順と、を含んでいるので、事前読取動作により設定される最適な画像読取感度が、環境照度に応じて変更設定された場合であっても、実効電圧調整動作により事前読出動作及び画像読取動作に印加された信号の実効電圧を最適値に調整することができ、画像読取動作における画像読取感度を最適に保ちつつ、フォトセンサの素子特性の劣化に伴う感度特性の変化を抑制することができる。
【００５５】
請求項４記載の発明によれば、事前読出動作を実行する手順は、複数のフォトセンサの第１の電極に第１のリセットパルスを印加して、フォトセンサを初期化する第１のステップと、フォトセンサの第２の電極に第１の読み出しパルスを印加して、電荷蓄積期間に蓄積された電荷に対応した第１の読出電圧を出力する第２のステップと、を含み、電荷蓄積期間を所定の比率で変化させて得られた画像パターンに基づいて、最適な前記電荷蓄積期間を決定する駆動制御方法を有しているので、画像読取動作に先立って行う事前読出動作において、被写体画像を構成する各行毎に異なる読取感度で読み取られた画像データを、１回の被写体画像の読み込みにより取得することができ、事前読出動作に要する処理時間を大幅に短縮することができ、迅速に最適な画像読取感度を設定して、正規の画像読取動作を実行することができる。
【００５６】
請求項５記載の発明によれば、実効電圧調整動作を実行する手順は、第１及び第３のステップにおいて、フォトセンサの第１の電極に印加された実効電圧を、所定の実効電圧を有する第５の信号を印加して最適値に調整制御する第５のステップと、第２及び第４のステップにおいて、フォトセンサの第２の電極に印加された実効電圧を、所定の実効電圧を有する第６の信号を印加して最適値に調整制御する第６のステップと、を含んでいるので、事前読取動作により設定される最適な画像読取感度が、環境照度に応じて変更設定された場合であっても、実効電圧調整動作において、第５及び第６の信号を適宜設定することにより、上記実効電圧を最適値に調整制御することができ、簡易な制御方法でフォトセンサの素子特性劣化に伴う感度特性の変化を抑制することができる。
【００５７】
請求項６記載の発明によれば、第５の信号は、フォトセンサの感度特性に応じて設定される第１の電極側の実効電圧の最適値を基準として、第１及び第３のステップにおいてフォトセンサの第１の電極に印加された実効電圧に対して、逆極性の実効電圧を有し、また、第６の信号は、フォトセンサの感度特性に応じて設定される第２の電極側の実効電圧の最適値を基準として、第２及び第４のステップにおいてフォトセンサの第２の電極に印加された実効電圧に対して、逆極性の実効電圧を有しているので、実効電圧調整動作において、所定の信号幅を有する第５及び第６の信号を第１及び第２の電極に印加することにより、実効電圧の最適値を調整制御することができ、フォトセンサの素子特性劣化に伴う感度特性の変化を抑制することができる。
【００５８】
請求項７記載の発明によれば、第５のステップにおいて第１の電極に印加される第５の信号は、事前読出動作、画像読取動作、実効電圧調整動作の全ての動作期間中に、第１の電極側の実効電圧の最適値を基準として、第１の電極に印加される高電圧側の電圧成分の時間積分値の絶対値と、低電圧側の電圧成分の時間積分値の絶対値とが等しくなるように、高電圧側と低電圧側の時間幅が設定され、また、第６のステップにおいて第２の電極に印加される第６の信号は、事前読出動作、画像読取動作、実効電圧調整動作の全ての動作期間中に、第２の電極側の実効電圧の最適値を基準として、第２の電極に印加される高電圧側の電圧成分の時間積分値の絶対値と、低電圧側の電圧成分の時間積分値の絶対値とが等しくなるように、高電圧側と低電圧側の時間幅が設定されているので、事前読取動作により設定される最適な画像読取感度が、環境強度に応じて変更設定された場合であっても、実効電圧調整動作において、第５及び第６の信号の時間幅及び信号電圧を適宜設定することにより、両極性（実効電圧の最適値を基準として高電圧側と低電圧側）における時間積分値の絶対値を等しくして、各電極における実効電圧を最適値に調整制御することができ、簡易な制御方法でフォトセンサの素子特性劣化に伴う感度特性の変化を抑制することができる。
【００５９】
請求項２又は８記載の発明によれば、上記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくともチャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成されたトップゲート電極及びボトムゲート電極とを備え、所定のタイミングでトップゲート電極にリセットパルスを印加するとともに、ボトムゲート電極に読み出しパルス印加することにより、電荷蓄積期間にチャネル領域に蓄積された電荷に対応した電圧を出力する、いわゆる、ダブルゲート型フォトセンサにより構成されているので、事前読出動作及び画像読取動作時にトップゲート電極及びボトムゲート電極に印加される信号の電圧極性の偏りにより生じるダブルゲート型フォトセンサの素子特性の劣化に伴う感度特性の変化を抑制することができ、信頼性の高いフォトセンサシステムを提供することができる。また、ダブルゲート型フォトセンサによれば、フォトセンサアレイを構成するフォトセンサデバイスを薄型化して、フォトセンサシステムが適用される２次元画像読取装置を小型化することができるとともに、読取画素を高密度化して被写体画像を高精細で読み取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るフォトセンサ装置に適用されるダブルゲート型フォトセンサの構造を示す概略断面図である。
【図２】ダブルゲート型フォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサシステムの概略構成図である。
【図３】フォトセンサシステムの一般的な駆動制御方法を示すタイミングチャートである。
【図４】ダブルゲート型フォトセンサの動作概念図である。
【図５】フォトセンサシステムの出力電圧の光応答特性を示す図である。
【図６】本発明に係るフォトセンサ装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図７】一実施形態に係るフォトセンサ装置の駆動制御方法を示すタイミングチャートである。
【図８】一実施形態に係るフォトセンサ装置の駆動制御方法における実効電圧調整動作の作用を示す概念図である。
【図９】本発明に係るフォトセンサ装置の駆動制御方法に適用される事前読出動作の他の実施例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０ ダブルゲート型フォトセンサ
１１ 半導体層
２１ トップゲート電極
２２ ボトムゲート電極
１００ フォトセンサアレイ
１０１ トップゲートライン
１０２ ボトムゲートライン
１０３ データライン
１１１ トップアドレスデコーダ
１１２ ローアドレスデコーダ
１１３ 出力回路部
１２０ コントローラ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photosensor device and a drive control method thereof, and more particularly to a photosensor that is favorable when applied to an image reading device including a photosensor array configured by two-dimensionally arranging thin film transistors having a so-called double gate structure. The present invention relates to an apparatus and a drive control method thereof.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a structure having a photosensor array configured by arranging photoelectric conversion elements (photosensors) in a matrix form as a two-dimensional image reading device that reads a printed matter, a photograph, or the shape of fine irregularities such as fingerprints There are things. In general, a solid-state imaging device such as a CCD (Charge Coupled Device) is used as such a photosensor array.
As is well known, a CCD has a configuration in which photosensors such as photodiodes and thin film transistors (TFTs) are arranged in a matrix, and is generated corresponding to the amount of light irradiated to the light receiving portion of each photosensor. The charge amount of the electron-hole pair is detected by a horizontal scanning circuit and a vertical scanning circuit, and the brightness of the irradiation light is detected.
[0003]
In such a photosensor system using a CCD, it is necessary to individually provide a selection transistor for selecting each scanned photosensor, so that the system itself becomes larger as the number of pixels increases. Have the problem of
Therefore, in recent years, as a configuration for solving such problems, a thin film transistor having a so-called double gate structure (hereinafter referred to as a double gate type photosensor) in which the photosensor itself has a photosense function and a select transistor function. ) Is applied to an image reading apparatus to try to reduce the size of the system and increase the density of pixels.
[0004]
An image reading apparatus using such a photosensor generally forms a double-gate photosensor having a top gate electrode and a bottom gate electrode on a glass substrate in a matrix to form a photosensor array. The irradiation light is incident from the back side of the glass substrate, and the reflected light corresponding to the image pattern of the two-dimensional image placed above the photosensor array is detected as light / dark information by the double gate type photosensor. Reads a dimensional image.
Here, the image reading operation by the photosensor array is performed by the carrier (correction) stored in each double-gate photosensor during the light accumulation period from the end of initialization by applying the reset pulse until the reading pulse is applied. Brightness / darkness information is detected based on the accumulated amount of holes). Note that specific structures and operations of the double gate transistor and the photosensor array will be described later.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The photo sensor system to which the double gate type photo sensor as described above is applied has the following problems.
That is, in a sensor system to which a double gate type photosensor is applied, an image is read based on the accumulated amount of carriers (holes) for each photosensor during the light accumulation period. In order to read (a two-dimensional image) satisfactorily, it is necessary to appropriately set the light accumulation period (that is, corresponding to reading sensitivity).
In particular, since the light accumulation period varies depending on ambient conditions such as ambient illuminance, conventionally, a standard sample is provided before the start of normal scanning operation or a separate circuit for detecting ambient illuminance. Using this method, the reading operation (so-called pre-reading operation) is performed by changing the light accumulation period in a plurality of stages, and the optimum value of the light accumulation period according to the ambient illuminance is obtained based on the detection result and the reading result. Was adopted.
[0006]
On the other hand, in the conventional photosensor system as described above, for example, a positive voltage reset pulse and a read pulse are applied to each of the top gate and the bottom gate of the double gate type photosensor for only a very short period. In the period when the reset pulse and the readout pulse are not applied, the drive control method of applying a signal voltage (negative voltage) or 0 V (GND level) having the opposite polarity to these pulses has been applied. The voltage waveforms applied to the top gate and the bottom gate are not symmetrical with respect to 0 V (GND level), and the effective voltage is largely biased toward, for example, the low level (negative voltage) side.
[0007]
Here, when such a biased effective voltage is continuously applied to each gate in a state where light is irradiated to the double gate type photosensor, a phenomenon such as trapping of holes or electrons in each gate occurs. Thus, there is a problem that the element characteristics of the double gate type photosensor deteriorate and the sensitivity characteristics change. Therefore, it is necessary to adjust and control the effective voltage to the optimum value.
However, if the optimum light accumulation period is changed and set each time according to the ambient illuminance by the pre-reading operation as described above, the effective voltage applied to each gate inevitably fluctuates, and the preset effective There is a problem that the sensitivity of the image reading apparatus cannot be sufficiently ensured due to deterioration of the sensitivity characteristics and the like because the voltage deviates from the optimum value.
[0008]
Accordingly, the present invention solves the above-described problems and suppresses deterioration of element characteristics and changes in sensitivity characteristics caused by bias or fluctuation of the effective voltage applied to the gate of the photosensor, thereby ensuring sufficient reliability. It is an object of the present invention to provide a photosensor device and a drive control method thereof that can realize the image reading apparatus.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
2. The photosensor device according to claim 1, wherein a photosensor array configured by two-dimensionally arranging a plurality of photosensors and a reset pulse applied to a first electrode of the photosensor array to initialize the photosensors. And a first signal voltage applying means for applying a signal voltage for optimizing an effective voltage applied to the first electrode, and a read pulse is applied to the second electrode in the photosensor array. And a second signal voltage applying means for applying a signal voltage for optimizing the effective voltage applied to the second electrode, and applying a precharge pulse to the plurality of photosensors in the photosensor array. And a signal readout means for capturing the output voltage of each photosensor, and the reset pulse and the readout pulse. The image reading sensitivity in the photosensor array set in the above is changed, while the signal reading means reads a subject image composed of pixels corresponding to the two-dimensionally arranged photosensors, and the image reading sensitivity is set for each image reading sensitivity. And a reading sensitivity setting means for obtaining an optimum image reading sensitivity based on the image pattern of the subject image.
[0010]
The photosensor device according to claim 2 is the photosensor device according to claim 1, wherein the photosensor includes a source electrode and a drain electrode formed with a channel region made of a semiconductor layer interposed therebetween, and at least above the channel region. And a top gate electrode and a bottom gate electrode formed below each via an insulating film, and having the top gate electrode as the first electrode, applying the reset pulse, By applying the read pulse using the bottom gate electrode as the second electrode, a voltage corresponding to the charge accumulated in the channel region during the charge accumulation period from the end of the initialization to the application of the read pulse is applied. It is characterized by output.
[0011]
The drive control method for a photosensor device according to claim 3, wherein the photosensor array includes a photosensor array configured by two-dimensionally arranging a plurality of photosensors. Applying a first reset pulse and a first readout pulse to the electrode; While changing the image reading sensitivity, a subject image composed of pixels corresponding to the two-dimensionally arranged photosensors is read, and an optimum image reading sensitivity is determined based on the image pattern of the subject image for each image reading sensitivity. Using the procedure for executing the pre-reading operation for setting the image reading sensitivity and the optimum image reading sensitivity, Applying a second reset pulse and a second readout pulse to the electrodes of the photosensor array The photosensor array during a procedure of performing an image reading operation for reading the entire area of the subject image, and during the pre-reading operation and the image reading operation Of the electrode Applied to By the first and second reset pulses and the first and second readout pulses. Adjust the signal voltage to adjust the effective voltage of the signal to the optimum value. To the electrodes of the photosensor array And a procedure for performing an effective voltage adjustment operation to be applied.
[0012]
The drive control method for the photosensor device according to claim 4 is the drive control method for the photosensor device according to claim 3, wherein the photosensor has a MOS structure, and the procedure for executing the pre-reading operation is as follows: The first electrodes of the plurality of photosensors have a voltage having a predetermined polarity at a first timing. Said A first reset pulse is applied to initialize the photosensor, and a first signal voltage having a polarity opposite to that of the first reset pulse is applied in a period other than the first timing. And after completion of the initialization, a voltage having a predetermined polarity is applied to the second electrode of the photosensor at a second timing with respect to the photosensor for which the precharge operation based on the precharge pulse has been completed. Said The first read pulse is applied to output a first read voltage corresponding to the charge accumulated in the charge accumulation period from the end of the initialization to the application of the first read pulse, and the second And a second step of applying a second signal voltage having a polarity opposite to that of the first readout pulse in a period other than the timing, wherein the first readout pulse is generated by the second timing according to the second timing. Based on the image pattern of the subject image obtained by the first read voltage applied so as to change the charge accumulation period at a predetermined ratio and output corresponding to the charge accumulated in each charge accumulation period. The optimum charge accumulation period is determined.
[0013]
The drive control method for a photosensor device according to claim 5 is the drive control method for a photosensor device according to claim 4, wherein the procedure for executing the image reading operation is performed on the first electrodes of the plurality of photosensors. Has a voltage of a predetermined polarity at the third timing Said Applying a second reset pulse to initialize the photosensor, and applying a third signal voltage having a polarity opposite to that of the second reset pulse in a period other than the third timing And after the initialization, for the photosensor for which the precharge operation based on the precharge pulse has been completed, the optimum electrode determined by the pre-read operation is applied to the second electrode of the photosensor. It has a voltage of a predetermined polarity at the fourth timing that defines the charge accumulation period Said Applying a second read pulse to output a second read voltage corresponding to the charge accumulated in the optimum charge accumulation period from the end of initialization to the application of the second read pulse; And a fourth step of applying a fourth signal voltage having a polarity opposite to that of the second readout pulse in a period other than the fourth timing, and the step of executing the effective voltage adjustment operation includes the steps of: In the first and third steps, the effective voltage applied to the first electrode of the photosensor is set to a predetermined optimum value by the first and second reset pulses and the first and third signal voltages. A fifth step of applying a fifth signal having a predetermined effective voltage for adjustment control to the first electrode of the photosensor; and the first and second readout pulses in the second and fourth steps. And a sixth signal having a predetermined effective voltage for adjusting and controlling the effective voltage applied to the second electrode of the photosensor to a predetermined optimum value by the second and fourth signal voltages. And a sixth step of applying to the second electrode of the sensor.
[0014]
The drive control method for the photosensor device according to claim 6 is the drive control method for the photosensor device according to claim 5, wherein the fifth signal is set according to sensitivity characteristics of the photosensor. Based on the optimum value of the effective voltage on the electrode side, the first and second reset pulses and the first and third signal voltages in the first and third steps are used to generate the first sensor of the photosensor. An effective voltage having a reverse polarity with respect to the effective voltage applied to the electrode, and the sixth signal is an effective voltage on the second electrode side set according to sensitivity characteristics of the photosensor. The effective value applied to the second electrode of the photosensor by the first and second readout pulses and the second and fourth signal voltages in the second and fourth steps with the optimum value as a reference. Voltage In contrast, it is characterized by having a reverse polarity of the effective voltage.
[0015]
The drive control method for the photosensor device according to claim 7 is the drive control method for the photosensor device according to claim 5, wherein the fifth step is set according to sensitivity characteristics of the photosensor. With the optimum value of the effective voltage on the electrode side as a reference, it has a fifth voltage portion lower than the optimum value and a sixth voltage portion higher than the optimum value, and the first and third signal voltages and the A predetermined time width is set so that the absolute value of the time integral value of the fifth voltage is equal to the absolute value of the time integral value of the first and second reset pulses and the sixth voltage. The fifth signal is applied to the first electrode of the photosensor, and the sixth step includes the effective voltage on the second electrode side set according to the sensitivity characteristic of the photosensor. 7th lower than the optimum value based on the optimum value A voltage portion and an eighth voltage portion higher than the optimum value, the absolute values of the time integral values of the second and fourth signal voltages and the seventh voltage, and the first and second readouts. The sixth signal set to a predetermined time width is applied to the second electrode of the photosensor so that the pulse and the absolute value of the time integral value of the eighth voltage are equal to each other. It is said.
[0016]
The drive control method for a photosensor device according to claim 8 is the drive control method for a photosensor device according to any one of claims 3 to 7, wherein the photosensor is formed across a channel region made of a semiconductor layer. A double gate structure comprising: a source electrode and a drain electrode; and a top gate electrode and a bottom gate electrode formed at least above and below the channel region via an insulating film, respectively, and the top gate electrode As the first electrode, the first and second reset pulses and the first and third signal voltages in the first and third steps are applied, and the bottom gate electrode is used as the second electrode. As the electrodes, the first and second readout pulses in the second and fourth steps, and the second and fourth signals By applying the pressure, it is characterized by outputting a voltage corresponding to said accumulated in the channel region to the optimum charge accumulation period charge.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a photosensor device and a drive control method thereof according to the present invention will be described in detail.
First, a double gate transistor applied to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a double gate transistor.
As shown in FIG. 1A, a double-gate photosensor 10 includes a semiconductor layer (channel layer) 11 such as amorphous silicon in which electron-hole pairs are generated when visible light is incident, and a semiconductor layer 11. N provided at both ends of each + Silicon layers 17, 18 and n + A source electrode 12 and a drain electrode 13 formed on the silicon layers 17 and 18, and a top gate formed above the semiconductor layer 11 (above the drawing) via a block insulating film 14 and an upper (top) gate insulating film 15. The electrode 21 and a bottom gate electrode 22 formed below the semiconductor layer 11 (downward in the drawing) via a lower (bottom) gate insulating film 16 are configured.
[0018]
In FIG. 1A, the top gate electrode 21, the top gate insulating film 15, the bottom gate insulating film 16, and the protective insulating film 20 provided on the top gate electrode 21 all excite the semiconductor layer 11. The bottom gate electrode 22 is made of a material that blocks the transmission of visible light while being made of a material having a high transmittance with respect to visible light. Have.
That is, the double-gate photosensor 10 uses the semiconductor layer 11 as a common channel region, the upper MOS transistor formed by the semiconductor layer 11, the source electrode 12, the drain electrode 13, and the top gate electrode 21, the semiconductor layer 11, and the source. A combined structure of two MOS transistors including a lower MOS transistor formed by the electrode 12, the drain electrode 13, and the bottom gate electrode 22 is formed on a transparent insulating substrate 19 such as a glass substrate.
Such a double gate type photosensor 10 is generally represented by an equivalent circuit as shown in FIG. Here, TG is a top gate terminal, BG is a bottom gate terminal, S is a source terminal, and D is a drain terminal.
[0019]
Next, a photo sensor system configured by two-dimensionally arranging the above-described double gate type photo sensors will be briefly described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a photosensor system configured by two-dimensionally arranging double gate type photosensors.
As shown in FIG. 2, the photosensor system is roughly divided into a photosensor array 100 in which a large number of double-gate photosensors 10 are arranged in a matrix of, for example, n rows × m columns, and each double-gate photosensor. 10 top gate line TG and bottom gate line BG connected in the row direction, and top gate driver 111 and bottom gate connected to top gate line 101 and bottom gate line 102, respectively. The driver 112 includes a data line 103 in which the drain terminals D of the double-gate photosensors are connected in the column direction, and an output circuit unit 113 connected to the data line 103. Here, φtg and φbg are control signals for generating reset pulses φT1, φT2,... ΦTi,... ΦTn and read pulses φB1, φB2,. This is a precharge signal for controlling the timing of application.
[0020]
In such a configuration, a photo sensing function is realized by applying a voltage from the top gate driver 111 to the top gate terminal TG, and a voltage is applied from the bottom gate driver 112 to the bottom gate terminal BG, via the data line 103. A selective reading function is realized by taking the detection signal into the output circuit unit 113 and outputting it as serial data (Vout).
[0021]
Next, a drive control method for the above-described photosensor system will be described with reference to the drawings.
FIG. 3 is a timing chart showing an example of a drive control method of the photo sensor system, FIG. 4 is an operation conceptual diagram of a double gate type photo sensor, and FIG. 5 is a light response characteristic of an output voltage of the photo sensor system. FIG.
First, in the reset operation, as shown in FIGS. 3 and 4A, a pulse voltage (reset pulse; for example, a high level of Vtg = + 15V) φTi is applied to the top gate line 101 of the i-th row, Carriers (holes) accumulated in the semiconductor layer of each double-gate photosensor 10 are released (reset period Treset).
[0022]
Next, in the optical storage operation, as shown in FIGS. 3 and 4B, the reset operation is completed by applying a low level (for example, Vtg = −15 V) bias voltage φTi to the top gate line 101. Then, the light accumulation period Ta by the carrier accumulation operation starts. In the light accumulation period Ta, carriers are accumulated in the channel region according to the amount of light incident from the top gate electrode side.
In the precharge operation, a predetermined voltage (precharge voltage) Vpg is applied to the data line 103 based on the precharge signal φpg in parallel with the light accumulation period Ta as shown in FIGS. Is applied to hold the charge in the drain electrode 13 (precharge period Tprch).
[0023]
Next, in the read operation, as shown in FIGS. 3 and 4D, after the precharge period Tprch has elapsed, a high level (for example, Vbg = + 10 V) bias voltage (read selection signal; By applying φBi (hereinafter referred to as a read pulse), the double gate photosensor 10 is turned on (read period Tread).
Here, in the read period Tread, carriers (holes) accumulated in the channel region work in a direction to relax Vtg (−15 V) applied to the reverse polarity top gate terminal TG. An n channel is formed by Vbg, and the data line voltage VD of the data line 103 tends to gradually decrease from the precharge voltage Vpg with time as shown in FIG. 5A in accordance with the drain current.
[0024]
That is, when the light accumulation state in the light accumulation period Ta is dark and carriers (holes) are not accumulated in the channel region, as shown in FIGS. 4 (e) and 5 (a), the top gate By applying a negative bias to TG, the positive bias of the bottom gate BG is canceled, the double-gate photosensor 10 is turned off, and the drain voltage, that is, the voltage VD of the data line 103 is held almost as it is. Become.
On the other hand, when the light accumulation state is a bright state, as shown in FIGS. 4D and 5A, carriers (holes) corresponding to the amount of incident light are trapped in the channel region. The double gate type photosensor 10 is turned on by the positive bias of the bottom gate BG by acting to cancel the negative bias of the gate TG. Then, the voltage VD of the data line 103 decreases according to the ON resistance corresponding to the incident light quantity.
[0025]
Therefore, as shown in FIG. 5A, the change tendency of the voltage VD of the data line 103 is that the read pulse φBi is applied to the bottom gate BG from the end of the reset operation by applying the reset pulse φTi to the top gate TG. It is deeply related to the amount of light received in the time until application (light accumulation period Ta), and shows a tendency to gradually decrease when the number of accumulated carriers is small, and steep when there are many accumulated carriers. Shows a tendency to decrease. Therefore, by detecting the voltage VD of the data line 103 after the elapse of a predetermined time from the start of the read period Tread or by using the predetermined threshold voltage as a reference, the time until the voltage is detected is detected. By doing so, the amount of irradiation light is converted.
[0026]
The above-described series of image reading operations is set as one cycle, and the double gate photosensor 10 is operated as a two-dimensional sensor system by repeating the same processing procedure for the i + 1th row double gate photosensor 10. Can do.
In the timing chart shown in FIG. 3, after the precharge period Tprch has elapsed, a low level (for example, Vbg = 0 V) is applied to the bottom gate line 102 as shown in FIGS. Is continued, the double-gate photosensor 10 continues to be in the OFF state, and the voltage VD of the data line 103 holds the precharge voltage Vpg as shown in FIG. 5B. As described above, the selection function of selecting the readout state of the double gate type photosensor 10 is realized by the application state of the voltage to the bottom gate line 102.
[0027]
<Embodiment>
Next, an embodiment of a photosensor device according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the embodiment described below, the photogate function is realized by applying the above-described double-gate photosensor as a photosensor, and applying a voltage using the top gate electrode as the first electrode. A description will be given assuming that the function of reading the amount of charge accumulated in the channel region is realized by applying a voltage using the gate electrode as the second electrode.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an example of a two-dimensional image reading apparatus to which the photosensor system according to the present invention is applied. Here, description will be made with reference to the configurations of the double-gate photosensor and the photosensor system shown in FIGS. 1 and 2 as appropriate. Further, the same components as those in the photosensor system shown in FIG. 2 will be described with the same reference numerals.
[0028]
As shown in FIG. 6, the photosensor system according to the present embodiment includes a photosensor array 100 configured by two-dimensionally arranging the double gate type photosensors 10 shown in FIG. 1, and a double gate type photosensor 10. A top gate driver (first signal voltage applying means) 111 for applying a predetermined top gate voltage (reset pulse) to the top gate terminal TG at a predetermined timing, and a bottom gate terminal BG of the double gate type photosensor 10 at a predetermined timing. The bottom gate driver (second signal voltage applying means) 112 for applying a predetermined bottom gate voltage (reading pulse) at the timing of the above, the application of the precharge voltage to the double gate type photosensor 10 and the reading of the data line voltage. Column switch 114, precharge switch 115, amplifier 11 An output circuit unit (signal reading means) 113, and an analog-digital converter (hereinafter referred to as an A / D converter) 117 for converting the read data voltage (analog signal) into image data including a digital signal; A controller (reading sensitivity setting means) 120 having a sensitivity setting function and an abnormality detection function according to the present invention, as well as a subject image reading operation control by the photosensor array 100 and data exchange with the external function unit 200. And a RAM 130 for storing read image data, read sensitivity setting described later, data related to effective voltage adjustment, and the like.
[0029]
Here, the configuration including the photosensor array 100, the top gate driver 111, the bottom gate driver 112, and the output circuit unit 113 (the column switch 114, the precharge switch 115, and the amplifier 116) is substantially the same as the photosensor system shown in FIG. Since it has the same configuration and function, detailed description thereof is omitted. The controller 120 outputs control signals φtg and φbg to the top gate driver 111 and the bottom gate driver 112, so that each double gate type photo constituting the photosensor array 100 is formed from each of the top gate driver 111 and the bottom gate driver 112. A predetermined signal voltage (reset pulse φTi, readout pulse φBi) is applied to the top gate terminal TG and the bottom gate terminal BG of the sensor, and a control signal φpg is output to the precharge switch 115, whereby a precharge voltage is applied to the data line. Vpg is applied to control the execution of the subject image reading operation.
[0030]
Further, the data line voltage VD read from the double gate type photosensor 10 is converted into a digital signal through the amplifier 116 and the A / D converter 117 and input as image data to the controller 120. The controller 120 performs predetermined image processing on the image data, writes to and reads out from the RAM 130, and performs external processing on the external function unit 200 that executes predetermined processing such as image data collation and processing. It also has a function as an interface. Further, the controller 120 can read the subject image optimally according to the ambient illuminance such as external light by setting and controlling the control signals φtg and φbg output to the top gate driver 111 and the bottom gate driver 112. The sensitivity, that is, the function of setting the optimum light accumulation period Ta of the double-gate photosensor 10 and the bias of the effective voltage applied to the top gate TG and the bottom gate BG of the double-gate photosensor 10 are set to the optimum values. It has a function to adjust.
[0031]
Next, a drive control method for the photosensor device having the above-described configuration will be described with reference to the drawings.
FIG. 7 is a timing chart showing an embodiment of a drive control method for a photosensor device according to the present invention. Here, the drive control method will be described with reference to the configuration of the photosensor device shown in FIGS. 2 and 6 as appropriate.
As shown in FIG. 7, the drive control method for the photosensor device according to the present embodiment includes a pre-reading operation, an image reading operation, and an effective voltage adjustment operation, all of which are sent from the controller 120. Each operation control is performed based on control signals (φtg, φbg, φpg, etc.).
Each processing operation will be specifically described below.
[0032]
<Pre-reading operation>
(First step)
As shown in FIG. 7, in the pre-reading operation in the present embodiment, first, a predetermined delay time Tdly is applied to each of the top gate lines 101 connecting the top gate terminals TG of the double gate type photosensor 10 in the row direction. The reset pulse (first reset pulse) φT1, φT2,... ΦTn is sequentially applied at the time intervals to start the reset period Trst, and the double gate photosensor 10 for each row is initialized.
Here, the reset pulses φT1, φT2,... ΦTn are pulse signals whose high level is the signal voltage Vtgh and low level is the signal voltage Vtgl. In the first step, the reset pulses φT1, φT2,. Other than the timing at which the voltage is applied (first timing), the low level signal voltage (first signal voltage) Vtgl is applied.
[0033]
(Second step)
Next, the reset pulses φT1, φT2,... ΦTn fall, and the reset period Trst ends. 1 , TA 2 ... TA n Are sequentially started, and charges (holes) are generated and accumulated in the channel region in accordance with the amount of light incident from the top gate electrode side of the double-gate photosensor 10 for each row.
The light accumulation period TA set for each row 1 , TA 2 ... TA n As shown in FIG. 7, after the last reset pulse φTn falls, the precharge signal φpg and the readout pulse (first readout) are changed so as to be changed step by step by a predetermined delay time Tdly for each row. Pulse) φBn,... ΦB2, φB1 are sequentially applied to start the readout period Trd, and a voltage change VD corresponding to the electric charge accumulated in the double gate type photosensor 10 is output via the data line 103 by the output circuit unit 113. Are read out and sequentially stored in the RAM 130.
[0034]
Here, the read pulses φB1, φB2,... ΦBn are pulse signals having a high level of the signal voltage Vbgh and a low level of the signal voltage Vbgl. In the second step, the read pulses φB1, φB2,. Other than the timing at which the signal is applied (second timing), the low level signal voltage (second signal voltage) Vbgh is applied.
Note that, in the same way as the photo sensor system described above, the method for detecting the amount of irradiation light is to detect the voltage value after a predetermined time has elapsed from the start of the reading period Trd when the voltage VD of each data line 103 decreases. Or by detecting the time until the voltage value is reached with reference to a predetermined threshold voltage, it is converted into the amount of irradiation light.
Therefore, according to such a pre-read operation, the light accumulation period TA set for each row is set. 1 , TA 2 ... TA n Since the mutual increases at a time interval twice as long as the predetermined delay time Tdly, image data read with a read sensitivity set with a sensitivity adjustment width equal to or more than the number of rows can be obtained by the reading operation of one screen. Then, based on the image data, the controller 120 extracts a light accumulation period in which the contrast of the light and dark pattern is maximized, and determines an optimum light accumulation period Ta.
[0035]
<Image reading operation>
(Third step)
Next, the image reading operation is executed using the optimum light accumulation time Ta determined by the above-described pre-reading operation.
That is, as shown in FIG. 7, a reset pulse (second reset pulse) φT1, φT2,... ΦTn is sequentially applied to each of the top gate lines 101 connecting the top gate terminals TG of the double gate type photosensor 10 in the row direction. Is applied to start the reset period Trst, and the double-gate photosensor 10 for each row is initialized.
Here, the reset pulses φT1, φT2,... ΦTn are pulse signals having a high level of the signal voltage Vtgh and a low level of the signal voltage Vtgl, as in the first step described above. Other than the timing (third timing) at which φT2,... φTn are applied, a low-level signal voltage (third signal voltage) Vtgl is applied.
[0036]
(Fourth step)
Next, when the reset pulses φT1, φT2,... ΦTn fall and the reset period Trst ends, the optimum light accumulation period Ta starts sequentially for each row, and the top gate electrode of the double-gate photosensor 10 Charges (holes) are generated and accumulated in the channel region in accordance with the amount of light incident from the side. Here, as shown in FIG. 7, by applying the precharge signal φpg in parallel within the light accumulation period Ta, the precharge period Tprch is started and the precharge voltage Vprch is applied to the data line 103. A precharge operation for holding a predetermined voltage on the drain electrode of the double gate type photosensor 10 is performed.
[0037]
Then, with respect to the double gate type photosensor 10 in which the optimum light accumulation period Ta and precharge period Tprch have ended, read pulses (second read pulses) φB1, φB2,... φBn is applied to start the reading period Tread, and the voltage change VD corresponding to the charge accumulated in the double gate type photosensor 10 is read out via the data line 103 by the column switch 113.
Here, the read pulses φB1, φB2,... ΦBn are pulse signals having a high level of the signal voltage Vbgh and a low level of the signal voltage Vbgl, as in the first step described above, and the high level Vbgh of the read pulse φB1, Other than the timing (fourth timing) when φB2,... φBn are applied, the low level signal voltage (fourth signal voltage) Vbgh is applied.
[0038]
<Effective voltage adjustment operation>
(Fifth step)
Next, when the above-described image reading operation is completed in all rows (n), an effective voltage adjusting operation for adjusting and optimizing the bias of the effective voltage of the signal applied in the series of pre-reading operations and image reading operations. Execute.
That is, as shown in FIG. 7, in the first and third steps, the average value of the signal voltage applied to the top gate line 101 (top gate terminal TG) of the double gate type photosensor 10 by the reset pulse, that is, A signal (fifth signal) having a predetermined effective voltage that can adjust the effective voltage to an optimum value set in advance according to the sensitivity characteristic of the double-gate photosensor 10 is supplied to the top gate line 101 of each row. Apply to.
[0039]
(6th step)
In addition, the second as well as In the fourth step, the average value of the signal voltage applied to the bottom gate line 102 (bottom gate terminal BG) of the double-gate photosensor 10 by the readout pulse, that is, the effective voltage, is calculated in advance from the double-gate photosensor 10. A signal (sixth signal) having a predetermined effective voltage that can be adjusted to an optimum value set in accordance with the sensitivity characteristic is applied to the bottom gate line 102 of each row.
[0040]
Here, in the effective voltage adjustment operation, signals applied to the top gate TG and the bottom gate BG of the double-gate photosensor 10 will be described more specifically with reference to the drawings.
FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating the action of the effective voltage adjustment operation in the drive control method for the photosensor device according to the present embodiment. Here, the drive control method will be described with reference to the timing chart of the drive control method of the photosensor system shown in FIG. For convenience of explanation, description will be made by paying attention to voltage waveforms applied to the top gate line and the bottom gate line in the first row.
[0041]
As shown in FIG. 7, in the first step and the third step of the pre-reading operation and the image reading operation, that is, the reset operation, only a very short time (Trst) related to the first and third timings, A reset pulse φT1 having a high level signal voltage (here, positive voltage) Vtgh is applied to the top gate TG via the top gate line 101, and during a relatively long period other than the first and third timings, the low level A signal voltage (here, negative voltage) Vtgl is applied. Therefore, the effective voltage applied to the top gate TG during the pre-reading operation and the image reading operation is greatly biased to the low level side. Furthermore, since the optimum light accumulation period Ta set for the image reading operation is changed and set each time according to the ambient illuminance or the like by the pre-reading operation, the effective voltage applied to the top gate TG is inevitably Fluctuates.
[0042]
On the other hand, in the second step and the fourth step of the pre-reading operation and the image reading operation, that is, in the reading operation, the high-level signal voltage (Trd) is limited only for a very short time (Trd) related to the second and fourth timings. Here, a read pulse φB1 having a positive voltage (Vbgh) is applied to the bottom gate BG via the bottom gate line 102. In a relatively long period other than the second and fourth timings, a low level signal voltage (here, , A negative voltage) Vtgl is applied. Therefore, the effective voltage applied to the bottom gate BG during the pre-reading operation and the image reading operation is also largely biased to the low level side. Furthermore, since the optimum light accumulation period Ta set for the image reading operation is changed and set each time according to the environmental illuminance or the like by the pre-reading operation, the effective voltage applied to the bottom gate TG is inevitably Fluctuates. Hereinafter, for the convenience of explanation, it is assumed that both the effective voltage applied to the top gate TG and the effective voltage applied to the bottom gate BG have an effective voltage biased to the low level side. To do.
[0043]
Therefore, if the state in which a voltage biased toward the voltage side having a specific polarity is applied to the gate electrode continues, holes are trapped in the gate electrode as described above, and the element characteristics of the double-gate photosensor Deteriorates and the sensitivity characteristic changes.
Therefore, in the present embodiment, the sensitivity characteristics of the double-gate photosensor are applied to the voltage waveform applied in the processing cycle of the pre-reading operation and the image reading operation, and in the processing cycle of the effective voltage adjustment operation to be executed in the future. Based on the optimum value of the effective voltage on the top gate side and the optimum value of the effective voltage on the bottom gate side set as a reference, the absolute value of the time integral value on the high level side of the voltage waveform and the low level side In order to make the absolute value of the time integral value equal, adjustment pulses (fifth signal, sixth signal) are applied to the top gate line and bottom of the double gate type photosensor at a predetermined timing during the effective voltage adjustment operation. Applied to the gate line.
[0044]
Here, as shown in FIG. 7, the adjustment pulse applied to the top gate line is on the low level side having a predetermined signal width (time width) Ttpl on the basis of the optimum value Vte of the effective voltage on the top gate side. Voltage component (signal voltage Vtgl; fifth voltage portion) and a high-level voltage component (signal voltage Vtgh; sixth voltage portion) having a predetermined signal width Ttph. On the other hand, the adjustment pulse applied to the bottom gate line is based on the optimum value Vbe of the effective voltage on the bottom gate side, and the low level side voltage component (signal voltage Vbgl; seventh) having predetermined signal widths Tbpla and Tbplb. And a voltage waveform comprising a high-level voltage component (signal voltage Vbgh; eighth voltage portion) having a predetermined signal width Tbph.
[0045]
That is, the relationship between the adjustment pulse applied to the top gate side and other signal waveforms is as shown in the schematic diagram of FIG. 8A, where the optimum value of the effective voltage on the top gate side is Vte, and the pre-read operation In addition, the high level of the voltage waveform applied in the processing cycle of the image reading operation is Vtgh, the low level is Vtgl, the optimum light accumulation time in the image reading operation is Ta, and the optimum light accumulation time in the pre-reading operation and the image reading operation. When the low level period other than Ta is Tlt and the high level period (Trst + Trst) in the pre-reading operation and the image reading operation is Tht, the following equation is obtained.
Ht. (Ttph + Tht) = Lt. (Ta + Tlt + Ttpl) (1)
Here, Ht is the absolute value (| Vtgh−Vte |) of the differential voltage of the high level Vtgh with respect to the optimum value Vte of the effective voltage, and Lt is the absolute value of the differential voltage of the low level Vtgl with respect to the optimum value Vte of the effective voltage. Value (| Vtgl−Vte |).
[0046]
From the above equation (1), the adjustment pulse application time, that is, the signal width Ttph of the voltage component on the high level side is expressed by the following equation.
Ttph = Lt / Ht · (Ta + Tlt + Ttpl) −Tht (2)
Therefore, in the effective voltage adjustment operation, by applying a high-level Vtgh adjustment pulse to the top gate line for the time (Ttph) represented by the equation (2) and adding a signal voltage, Even if the optimum light accumulation period Ta for the image reading operation is changed and set according to the above, it is possible to cancel the bias of the effective voltage applied to the top gate and perform the adjustment control to the optimum value Vte. Changes in sensitivity characteristics due to deterioration of element characteristics of the gate type photosensor can be suppressed.
[0047]
On the other hand, as shown in the schematic diagram of FIG. 8B, the relationship between the adjustment pulse applied to the bottom gate side and other signal waveforms is that the optimum value of the effective voltage on the bottom gate side is Vbe, and the pre-read operation In addition, the high level of the voltage waveform applied in the processing cycle of the image reading operation is Vbgh, the low level is Vbgl, the optimum light accumulation time in the image reading operation is Ta, and the optimum light accumulation time in the pre-reading operation and the image reading operation. When the low level period other than Ta is Tlb and the high level period (Trd + Trd) in the pre-reading operation and the image reading operation is Thb, the following expression is obtained.
Hb. (Tbph + Thb) = Lb. (Ta + Tlb + Tbpl) (3)
Here, Hb is the absolute value (| Vbgh−Vbe |) of the differential voltage of the high level Vbgh with respect to the optimum value Vbe of the effective voltage, and Lb is the absolute value of the differential voltage of the low level Vbgl with respect to the optimum value of the effective voltage Vbe. Value (| Vbgl−Vbe |). Tbpl is the total signal width (Tbpla + Tbplb) of the voltage component on the low level side of the adjustment pulse.
[0048]
From the above equation (3), the adjustment pulse application time, that is, the signal width Tbph of the voltage component on the high level side is expressed by the following equation.
Tbph = Lb / Hb. (Ta + Tlb + Tbpl) −Thb (4)
Therefore, in the effective voltage adjustment operation, by applying a high-level Vbgh adjustment pulse to the bottom gate line for the time (Tbph) represented by the equation (4) and adding the signal voltage, the environmental illuminance Even when the optimum light accumulation period Ta for the image reading operation is changed and set according to the above, the bias of the effective voltage applied to the bottom gate can be canceled and adjusted and controlled to the optimum value Vbe. Changes in sensitivity characteristics due to deterioration of element characteristics of the gate type photosensor can be suppressed.
In the above-described effective voltage adjustment operation, the optimum value Vte of the effective voltage on the top gate side and the optimum value Vbe of the effective voltage on the bottom gate side set according to the sensitivity characteristics of the double gate type photosensor are described in detail. However, depending on the element characteristics, sensitivity characteristics, etc. of the double-gate photosensor, either positive or negative voltage or 0 V may be an optimum value.
In the present embodiment, the high-level and low-level signal voltages of the adjustment pulse applied to the top gate and the bottom gate in the effective voltage adjustment operation are used as the high-level and low-level signals in the pre-read operation and the image read operation. However, other voltage levels may be applied.
[0049]
Next, another specific example of the pre-reading operation that can be applied to the drive control method of the photosensor system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 9 is a timing chart showing another embodiment of the pre-reading operation that can be applied to the drive control method for the photosensor system according to the present invention. Here, description will be made with reference to the configuration of the photosensor device shown in FIGS. 2 and 6 as appropriate.
As shown in FIG. 9, in the pre-read operation according to the present embodiment, first, the reset pulse φT1 is simultaneously applied to each of the top gate lines 101 connecting the top gate terminals TG of the double gate type photosensor 10 in the row direction. , ΦT2,... ΦTn are applied to simultaneously start the reset period Trst, and the double-gate photosensor 10 for each row is initialized.
[0050]
Next, the reset pulses φT1, φT2,... ΦTn fall simultaneously, and the reset period Trst ends, whereby the light accumulation period TB of the double-gate photosensor 10 in all rows. 1 , TB 2 ... TB n Starts simultaneously, and charges (holes) are generated and accumulated in the channel region in accordance with the amount of light incident from the top gate electrode side of the double-gate photosensor 10 for each row.
Here, the light accumulation period TB set for each row 1 , TB 2 ... TB n As shown in FIG. 9, a precharge signal φpg and read pulses φB1, φB2,... ΦBn are applied so as to change stepwise by a predetermined delay time Tdly for each row. Accordingly, in the pre-reading operation performed prior to the image reading operation as described in the above-described embodiment, images read with different reading sensitivities (that is, different reading sensitivities for the number of rows) for each row constituting the subject image. Data can be acquired by reading one subject image (one screen).
[0051]
Here, the technique of the pre-reading operation applied to the drive control method of the photosensor system according to the present invention is not limited to the above-described embodiment and examples, and subject image data is obtained with different reading sensitivities. As long as it can be acquired, for example, a series of processing cycles of reset operation → light accumulation operation → precharge operation → reading operation is performed by changing the reading sensitivity sequentially and repeating a plurality of times to acquire image data with different reading sensitivity. However, it goes without saying that other methods may also be used.
[0052]
In each of the above-described embodiments, the case where a double gate type photosensor is applied as the photosensor constituting the photosensor system has been described. However, the present invention is not limited to this. That is, in the photosensors constituting the photosensor array, the sensitivity characteristics and the element characteristics tend to change or deteriorate due to the bias of the polarity of the signal voltage applied during the pre-reading operation and the image reading operation, and As long as the change or deterioration of the characteristics can be suppressed by the adjustment pulse added during the effective voltage adjustment operation, the drive control method according to the present invention can be satisfactorily applied even to a photosensor having another configuration. Can be applied.
[0053]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the reset pulse is applied to the first electrode of the photosensor array to initialize the photosensor, and the effective voltage applied to the first electrode is set to the optimum value. And a signal for applying a readout pulse to the second electrode of the photosensor array and setting the effective voltage applied to the second electrode to an optimum value. An object composed of second signal voltage applying means for applying a voltage, and pixels corresponding to the two-dimensionally arranged photosensors while changing the image reading sensitivity in the photosensor array set by the reset pulse and the readout pulse Reading sensitivity setting means for reading an image and obtaining an optimum image reading sensitivity based on the image pattern of the body image. The optimum reading sensitivity according to the ambient illuminance can be set without adding the image, and the subject image can be read satisfactorily, and the effective voltage applied to the first electrode and the second electrode of the photosensor can be determined. By optimizing, it is possible to suppress a change in sensitivity characteristics due to deterioration of element characteristics of the photosensor, and to realize a highly reliable photosensor system.
[0054]
According to a third aspect of the present invention, in a drive control method for a photosensor system including a photosensor array configured by two-dimensionally arranging a plurality of photosensors, Applying a first reset pulse and a first readout pulse to the electrode; A procedure for performing a pre-reading operation for reading a predetermined subject image while changing the image reading sensitivity and setting an optimum image reading sensitivity based on an image pattern of the subject image for each image reading sensitivity, and an optimum image Using reading sensitivity, Applying a second reset pulse and a second readout pulse to the electrodes of the photosensor array During the period of the image reading operation for reading the entire area of the subject image and the pre-reading operation and the image reading operation, the photo sensor array Electrode Applied to By first and second reset pulses and first and second readout pulses Adjust the signal voltage to adjust the effective voltage of the signal to the optimum value. For electrode of photo sensor array And a procedure for executing an effective voltage adjustment operation to be applied. Therefore, even if the optimum image reading sensitivity set by the pre-reading operation is changed according to the ambient illuminance, the effective voltage adjustment is performed. The effective voltage of the signal applied to the pre-reading operation and the image reading operation can be adjusted to the optimum value by the operation, and the sensitivity associated with the deterioration of the element characteristics of the photosensor while keeping the image reading sensitivity in the image reading operation optimal. Changes in characteristics can be suppressed.
[0055]
According to a fourth aspect of the present invention, the procedure for executing the pre-reading operation includes a first step of initializing the photosensors by applying a first reset pulse to the first electrodes of the plurality of photosensors. Applying a first readout pulse to the second electrode of the photosensor to output a first readout voltage corresponding to the charge accumulated in the charge accumulation period, and a charge accumulation period In the pre-reading operation performed prior to the image reading operation, the subject image is obtained because the drive control method for determining the optimum charge accumulation period is provided based on the image pattern obtained by changing the image at a predetermined ratio. The image data read with different reading sensitivities for each row constituting the image data can be acquired by reading the subject image once, and the processing time required for the pre-reading operation can be greatly reduced. Set the optimal image reading sensitivity the speed, it is possible to perform a normal image reading operation.
[0056]
According to the fifth aspect of the present invention, in the procedure for executing the effective voltage adjustment operation, the effective voltage applied to the first electrode of the photosensor has a predetermined effective voltage in the first and third steps. In the fifth step of adjusting and controlling to the optimum value by applying the fifth signal, and in the second and fourth steps, the effective voltage applied to the second electrode of the photosensor has a predetermined effective voltage. And a sixth step of adjusting and controlling to the optimum value by applying the sixth signal, so that the optimum image reading sensitivity set by the pre-reading operation is changed and set according to the ambient illuminance Even so, in the effective voltage adjustment operation, by appropriately setting the fifth and sixth signals, the effective voltage can be adjusted and controlled to the optimum value, and the element characteristics of the photosensor can be degraded by a simple control method. Sensitivity characteristics associated with It is possible to suppress the variation.
[0057]
According to the invention described in claim 6, the fifth signal is determined in the first and third steps with reference to the optimum value of the effective voltage on the first electrode side set according to the sensitivity characteristic of the photosensor. An effective voltage having a reverse polarity with respect to the effective voltage applied to the first electrode of the photosensor, and the sixth signal is set on the second electrode side according to the sensitivity characteristic of the photosensor. Since the effective voltage having the opposite polarity to the effective voltage applied to the second electrode of the photosensor in the second and fourth steps with reference to the optimum value of the effective voltage, effective voltage adjustment is performed. In operation, by applying the fifth and sixth signals having a predetermined signal width to the first and second electrodes, the optimum value of the effective voltage can be adjusted and controlled, resulting in deterioration of the element characteristics of the photosensor. To suppress the change in sensitivity characteristics Kill.
[0058]
According to the seventh aspect of the present invention, the fifth signal applied to the first electrode in the fifth step is the first signal during all of the pre-reading operation, the image reading operation, and the effective voltage adjusting operation. The absolute value of the time integral value of the voltage component on the high voltage side applied to the first electrode and the absolute value of the time integral value of the voltage component on the low voltage side, with the optimum value of the effective voltage on the first electrode side as a reference Are set so that the time widths of the high voltage side and the low voltage side are equal to each other, and the sixth signal applied to the second electrode in the sixth step includes a pre-reading operation, an image reading operation, The absolute value of the time integral value of the voltage component on the high voltage side applied to the second electrode with reference to the optimum value of the effective voltage on the second electrode side during all the operation periods of the effective voltage adjustment operation, The high voltage side and the absolute value of the time integral value of the voltage component on the low voltage side are equal. Since the time width on the voltage side is set, even if the optimum image reading sensitivity set by the pre-reading operation is changed and set according to the environmental strength, By appropriately setting the time width and the signal voltage of the sixth signal, the absolute values of the time integral values in both polarities (the high voltage side and the low voltage side with reference to the optimum value of the effective voltage) are made equal to each other. It is possible to adjust and control the effective voltage at the optimum value, and it is possible to suppress the change in the sensitivity characteristic due to the deterioration of the element characteristics of the photosensor by a simple control method.
[0059]
According to the second or eighth aspect of the invention, the photosensor includes a source electrode and a drain electrode formed with a channel region made of a semiconductor layer sandwiched therebetween, and at least an upper portion and a lower portion of the channel region with an insulating film interposed therebetween. A top gate electrode and a bottom gate electrode that are formed, and a reset pulse is applied to the top gate electrode at a predetermined timing, and a read pulse is applied to the bottom gate electrode, thereby accumulating in the channel region during the charge accumulation period. Since it is composed of a so-called double gate type photosensor that outputs a voltage corresponding to the electric charge, it is caused by a deviation in voltage polarity of a signal applied to the top gate electrode and the bottom gate electrode during the pre-reading operation and the image reading operation. Changes in sensitivity characteristics due to deterioration of device characteristics of double-gate photosensors Can be suppressed, it is possible to provide a highly reliable photo-sensor system. In addition, according to the double gate type photosensor, it is possible to reduce the thickness of the photosensor device constituting the photosensor array, to reduce the size of the two-dimensional image reading apparatus to which the photosensor system is applied, and to increase the reading pixel. The subject image can be read with high definition by increasing the density.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a structure of a double gate type photosensor applied to a photosensor device according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a photosensor system configured by two-dimensionally arranging double gate type photosensors.
FIG. 3 is a timing chart showing a general drive control method of the photosensor system.
FIG. 4 is an operation conceptual diagram of a double gate type photosensor.
FIG. 5 is a diagram showing a light response characteristic of an output voltage of the photosensor system.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a photosensor device according to the present invention.
FIG. 7 is a timing chart illustrating a drive control method for the photosensor device according to the embodiment.
FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating an operation of an effective voltage adjustment operation in the drive control method for the photosensor device according to the embodiment.
FIG. 9 is a timing chart showing another embodiment of the pre-read operation applied to the drive control method for the photosensor device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Double gate type photo sensor
11 Semiconductor layer
21 Top gate electrode
22 Bottom gate electrode
100 Photosensor array
101 Top gate line
102 Bottom gate line
103 data lines
111 Top address decoder
112 row address decoder
113 Output circuit section
120 controller

Claims (8)

複数のフォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサアレイと、
前記フォトセンサアレイにおける第１の電極にリセットパルスを印加して前記フォトセンサを初期化するとともに、前記第１の電極に印加される実効電圧を最適値にするための信号電圧を印加する第１の信号電圧印加手段と、
前記フォトセンサアレイにおける第２の電極に読み出しパルスを印加するとともに、前記第２の電極に印加される実効電圧を最適値にするための信号電圧を印加する第２の信号電圧印加手段と、
前記フォトセンサアレイにおける前記複数のフォトセンサにプリチャージパルスを印加するとともに、各フォトセンサの出力電圧を取り込む信号読み出し手段と、
前記リセットパルス及び前記読み出しパルスによって設定される前記フォトセンサアレイにおける画像読取感度を変化させつつ、前記信号読み出し手段によって前記２次元配列されたフォトセンサに対応する画素より構成される被写体画像を読み取り、前記画像読取感度毎の前記被写体画像の画像パターンに基づいて、最適な画像読取感度を求める読取感度設定手段と、
を具備することを特徴とするフォトセンサ装置。A photosensor array configured by two-dimensionally arranging a plurality of photosensors;
A first pulse is applied to initialize the photosensor by applying a reset pulse to the first electrode in the photosensor array, and to apply a signal voltage for optimizing the effective voltage applied to the first electrode. Signal voltage applying means,
Second signal voltage applying means for applying a read pulse to the second electrode in the photosensor array and applying a signal voltage for optimizing the effective voltage applied to the second electrode;
A signal readout unit that applies a precharge pulse to the plurality of photosensors in the photosensor array and captures an output voltage of each photosensor;
While changing the image reading sensitivity in the photosensor array set by the reset pulse and the readout pulse, the signal readout means reads a subject image composed of pixels corresponding to the two-dimensionally arranged photosensors, A reading sensitivity setting means for obtaining an optimum image reading sensitivity based on an image pattern of the subject image for each image reading sensitivity;
A photosensor device comprising: 前記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくとも前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成されたトップゲート電極及びボトムゲート電極と、を備えたダブルゲート構造を有し、
前記トップゲート電極を前記第１の電極として、前記リセットパルスを印加し、前記ボトムゲート電極を前記第２の電極として、前記読み出しパルスを印加することにより、前記初期化終了から前記読み出しパルスの印加までの電荷蓄積期間に前記チャネル領域に蓄積された電荷に対応した電圧を出力することを特徴とする請求項１記載のフォトセンサ装置。The photosensor includes a source electrode and a drain electrode formed across a channel region made of a semiconductor layer, and a top gate electrode and a bottom gate electrode formed at least above and below the channel region via an insulating film, respectively. Having a double gate structure with
By applying the reset pulse using the top gate electrode as the first electrode and applying the read pulse using the bottom gate electrode as the second electrode, the read pulse is applied from the end of the initialization. 2. The photosensor device according to claim 1, wherein a voltage corresponding to the charge accumulated in the channel region is output during the charge accumulation period up to. 複数のフォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサアレイを備えたフォトセンサシステムの駆動制御方法において、
前記フォトセンサアレイの電極に第１のリセットパルス及び第１の読み出しパルスを印加して、画像読取感度を変化させつつ、前記２次元配列されたフォトセンサに対応する画素より構成される被写体画像を読み取り、前記画像読取感度毎の前記被写体画像の画像パターンに基づいて、最適な画像読取感度を設定する事前読出動作を実行する手順と、
前記最適な画像読取感度を用いて、前記フォトセンサアレイの前記電極に第２のリセットパルス及び第２の読み出しパルスを印加して前記被写体画像の全域を読み取る画像読取動作を実行する手順と、
前記事前読出動作及び前記画像読取動作の期間に、前記フォトセンサアレイの前記電極に印加された前記第１及び第２のリセットパルス及び前記第１及び第２の読み出しパルスによる信号の実効電圧を、最適値に調整する信号電圧を前記フォトセンサアレイの前記電極に印加する実効電圧調整動作を実行する手順と、
を含むことを特徴とするフォトセンサ装置の駆動制御方法。In a drive control method of a photosensor system including a photosensor array configured by two-dimensionally arranging a plurality of photosensors,
Applying a first reset pulse and a first readout pulse to the electrodes of the photosensor array to change an image reading sensitivity, and an object image composed of pixels corresponding to the two-dimensionally arranged photosensors A step of performing a pre-reading operation for setting an optimum image reading sensitivity based on an image pattern of the subject image for each reading and image reading sensitivity;
A step of performing an image reading operation of applying a second reset pulse and a second readout pulse to the electrodes of the photosensor array to read the entire area of the subject image using the optimum image reading sensitivity;
The effective voltage of the signal generated by the first and second reset pulses and the first and second read pulses applied to the electrodes of the photosensor array during the pre-read operation and the image read operation. Performing an effective voltage adjustment operation for applying a signal voltage to be adjusted to an optimum value to the electrodes of the photosensor array ;
A drive control method for a photosensor device, comprising: 前記フォトセンサは、ＭＯＳ構造を有し、
前記事前読出動作を実行する手順は、
前記複数のフォトセンサの第１の電極に、第１のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第１のリセットパルスを印加して、前記フォトセンサを初期化するとともに、前記第１のタイミング以外の期間には、前記第１のリセットパルスと逆極性の第１の信号電圧を印加する第１のステップと、
前記初期化終了後、プリチャージパルスに基づくプリチャージ動作が終了した前記フォトセンサに対して、前記フォトセンサの第２の電極に、第２のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第１の読み出しパルスを印加して、前記初期化終了から前記第１の読み出しパルスの印加までの電荷蓄積期間に蓄積された電荷に対応した第１の読出電圧を出力するとともに、前記第２のタイミング以外の期間には、前記第１の読み出しパルスと逆極性の第２の信号電圧を印加する第２のステップと、
を含み、
前記第１の読み出しパルスは、前記第２のタイミングにより、前記電荷蓄積期間を所定の比率で変化させるように印加され、前記電荷蓄積期間毎に蓄積された電荷に対応して出力される前記第１の読出電圧により得られる前記被写体画像の画像パターンに基づいて、最適な前記電荷蓄積期間が決定されることを特徴とする請求項３記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法。The photosensor has a MOS structure,
The procedure for performing the pre-read operation is as follows:
A first electrode of said plurality of photo sensors, and applying said first reset pulse having a predetermined polarity voltage at the first timing, thereby initializing the photosensor, other than the first timing In the period, a first step of applying a first signal voltage having a polarity opposite to that of the first reset pulse;
After the completion of initialization, to the photosensor precharge operation is completed based on the precharge pulse, the second electrode of the photosensor, the first having a predetermined polarity voltage at the second timing A read pulse is applied to output a first read voltage corresponding to the charge accumulated in the charge accumulation period from the end of initialization to the application of the first read pulse, and other than the second timing In a period, a second step of applying a second signal voltage having a polarity opposite to that of the first readout pulse;
Including
The first read pulse is applied so as to change the charge accumulation period at a predetermined ratio according to the second timing, and is output corresponding to the charge accumulated for each charge accumulation period. 4. The drive control method for a photosensor device according to claim 3, wherein the optimum charge accumulation period is determined based on an image pattern of the subject image obtained by one read voltage. 前記画像読取動作を実行する手順は、
前記複数のフォトセンサの第１の電極に、第３のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第２のリセットパルスを印加して、前記フォトセンサを初期化するとともに、前記第３のタイミング以外の期間には、前記第２のリセットパルスと逆極性の第３の信号電圧を印加する第３のステップと、
前記初期化終了後、プリチャージパルスに基づくプリチャージ動作が終了した前記フォトセンサに対して、前記フォトセンサの第２の電極に、前記事前読出動作により決定された前記最適な電荷蓄積期間を規定する第４のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第２の読み出しパルスを印加して、前記初期化終了から前記第２の読み出しパルスの印加までの前記最適な電荷蓄積期間に蓄積された電荷に対応した第２の読出電圧を出力するとともに、前記第４のタイミング以外の期間には、前記第２の読み出しパルスと逆極性の第４の信号電圧を印加する第４のステップと、
を含み、
前記実効電圧調整動作を実行する手順は、
前記第１及び第３のステップにおいて前記第１及び第２のリセットパルス及び前記第１及び第３の信号電圧により、前記フォトセンサの第１の電極に印加された実効電圧を、所定の最適値に調整制御する所定の実効電圧を有する第５の信号を、前記フォトセンサの第１の電極に印加する第５のステップと、
前記第２及び第４のステップにおいて前記第１及び第２の読み出しパルス及び前記第２及び第４の信号電圧により、前記フォトセンサの第２の電極に印加された実効電圧を、所定の最適値に調整制御する所定の実効電圧を有する第６の信号を、前記フォトセンサの第２の電極に印加する第６のステップと、
を含むことを特徴とする請求項４記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法。The procedure for executing the image reading operation is as follows:
A first electrode of said plurality of photo sensors, and applying a second reset pulse having a predetermined polarity voltage at a third timing, with initializing the photosensor, other than the third timing In the period, a third step of applying a third signal voltage having a polarity opposite to that of the second reset pulse;
After the initialization, for the photosensor for which the precharge operation based on the precharge pulse has been completed, the optimum charge accumulation period determined by the pre-read operation is applied to the second electrode of the photosensor. and applying said second read pulse in fourth timing defining with a predetermined polarity voltage, stored in the optimum charge accumulation period from the completion of initialization to the application of the second read pulse A fourth step of outputting a second read voltage corresponding to the charge and applying a fourth signal voltage having a polarity opposite to that of the second read pulse in a period other than the fourth timing;
Including
The procedure for executing the effective voltage adjustment operation is as follows:
The effective voltage applied to the first electrode of the photosensor by the first and second reset pulses and the first and third signal voltages in the first and third steps is set to a predetermined optimum value. A fifth step of applying a fifth signal having a predetermined effective voltage to be adjusted and controlled to the first electrode of the photosensor;
The effective voltage applied to the second electrode of the photosensor by the first and second readout pulses and the second and fourth signal voltages in the second and fourth steps is set to a predetermined optimum value. A sixth step of applying a sixth signal having a predetermined effective voltage to be adjusted and controlled to the second electrode of the photosensor;
The drive control method for the photosensor device according to claim 4, further comprising: 前記第５の信号は、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第１の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、前記第１及び第３のステップにおいて前記第１及び第２のリセットパルス及び前記第１及び第３の信号電圧により、前記フォトセンサの第１の電極に印加された実効電圧に対して、逆極性の実効電圧を有し、また、
前記第６の信号は、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第２の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、前記第２及び第４のステップにおいて前記第１及び第２の読み出しパルス及び前記第２及び第４の信号電圧により、前記フォトセンサの第２の電極に印加された実効電圧に対して、逆極性の実効電圧を有していることを特徴とする請求項５記載のフォトセンサシステムの駆動制御方法。In the first and third steps, the fifth signal is based on the optimum value of the effective voltage on the first electrode side set according to the sensitivity characteristic of the photosensor. An effective voltage having an opposite polarity to the effective voltage applied to the first electrode of the photosensor by the reset pulse and the first and third signal voltages, and
The sixth signal is determined based on the optimum value of the effective voltage on the second electrode side set according to the sensitivity characteristic of the photosensor, and the first and second steps in the second and fourth steps. An effective voltage having an opposite polarity to the effective voltage applied to the second electrode of the photosensor by the read pulse and the second and fourth signal voltages. 6. A drive control method for a photosensor system according to 5. 前記第５のステップは、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第１の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、該最適値より低い第５の電圧部分と該最適値より高い第６の電圧部分とを有し、前記第１及び第３の信号電圧と前記第５の電圧の時間積分値の絶対値と、前記第１及び第２のリセットパルスと前記第６の電圧の時間積分値の絶対値とが等しくなるように、各々所定の時間幅に設定された前記第５の信号を前記フォトセンサの第１の電極に印加し、また、
前記第６のステップは、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第２の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、該最適値より低い第７の電圧部分と該最適値より高い第８の電圧部分とを有し、前記第２及び第４の信号電圧と前記第７の電圧の時間積分値の絶対値と、前記第１及び第２の読み出しパルスと前記第８の電圧の時間積分値の絶対値とが等しくなるように、各々所定の時間幅に設定された前記第６の信号を前記フォトセンサの第２の電極に印加することを特徴とする請求項５記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法。The fifth step is based on the fifth voltage portion lower than the optimum value and the optimum value based on the optimum value of the effective voltage on the first electrode side set according to the sensitivity characteristic of the photosensor. A high sixth voltage portion, an absolute value of a time integral value of the first and third signal voltages and the fifth voltage, the first and second reset pulses, and the sixth voltage. Applying the fifth signal, each set to a predetermined time width, to the first electrode of the photosensor so that the absolute value of the time integral value of
The sixth step is based on the seventh voltage portion lower than the optimum value and the optimum value based on the optimum value of the effective voltage on the second electrode side set according to the sensitivity characteristic of the photosensor. A high eighth voltage portion, absolute values of time integration values of the second and fourth signal voltages and the seventh voltage, the first and second read pulses, and the eighth voltage. 6. The sixth signal, each of which is set to a predetermined time width so as to be equal to the absolute value of the time integral value, is applied to the second electrode of the photosensor. Photosensor device drive control method. 前記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくとも前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成されたトップゲート電極及びボトムゲート電極と、を備えたダブルゲート構造を有し、
前記トップゲート電極を前記第１の電極として、前記第１及び第３のステップにおける前記第１及び第２のリセットパルス、並びに、前記第１及び第３の信号電圧を印加するとともに、前記ボトムゲート電極を前記第２の電極として、前記第２及び第４のステップにおける前記第１及び第２の読み出しパルス、並びに、前記第２及び第４の信号電圧を印加することにより、前記最適な電荷蓄積期間に前記チャネル領域に蓄積された電荷に対応した電圧を出力することを特徴とする請求項３乃至７のいずれかに記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法。The photosensor includes a source electrode and a drain electrode formed across a channel region made of a semiconductor layer, and a top gate electrode and a bottom gate electrode formed at least above and below the channel region via an insulating film, respectively. Having a double gate structure with
Using the top gate electrode as the first electrode, the first and second reset pulses and the first and third signal voltages in the first and third steps are applied, and the bottom gate is applied. Using the electrode as the second electrode, applying the first and second readout pulses and the second and fourth signal voltages in the second and fourth steps allows the optimum charge accumulation. 8. The drive control method for a photosensor device according to claim 3, wherein a voltage corresponding to the charge accumulated in the channel region in a period is output.
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