JP3933972B2 - 光電変換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光照射された原稿からの反射光を受けて電気信号に変換する光電変換装置に関し、特にファクシミリやイメージスキャナ等の画像読み取り装置に適用するリニアイメージセンサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の画像読み取り装置に用いられているイメージセンサーＩＣの回路図を図４にタイミングチャートを図５に示す。このイメージセンサーについては特開平１０−０５１１６４号公報に記載されている。
【０００３】
フォトダイオード１０１のＮ型領域が正電源電圧端子ＶＤＤに接続しており、Ｐ型領域がリセットスイッチ１０２のドレインとソースフォロアアンプ１０３のゲートに接続している。リセットスイッチ１０２のソースには基準電圧ＶＲＥＦ１が与えられている。ソースフォロアアンプ１０３の出力端子であるソースは、読み出しスイッチ１０５と定電流源１０４につながっている。定電流源１０４のゲートは基準電圧ＶＲＥＦＡの定電圧が与えられている。図６に示す光電変換ブロックＡｎの枠の内側の要素は画素数分設けられており、各ブロックの読み出しスイッチ１０５は共通信号線１０６に接続している。なお、光電変換ブロックＡｎはｎビット目の光電変換ブロックを示している。
共通信号線１０６は、抵抗１１０を通じてオペアンプ１０９の反転端子に入力しており、オペアンプ１０９の出力端子がチップセレクトスイッチ１１２と容量１１３を介して出力端子１１６につながっている。共通信号線１０６は、信号線リセットスイッチ１０７に接続し、信号線リセットスイッチ１０７のソースには基準電圧ＶＲＥＦ２が与えられている。オペアンプ１０９の出力端子と反転端子の間には抵抗１１１が接続されていて、オペアンプ１０９の非反転端子は一定電圧ＶＲＥＦ３に固定されている。オペアンプ１０９、抵抗１１０、抵抗１１１で反転増幅器Ｄが形成されている。
【０００４】
イメージセンサーの出力端子１１６は、ＭＯＳトランジスタ１１４のドレインに接続し、ＭＯＳトランジスタ１１４のソースには基準電圧ＶＲＥＦ４が与えられている。また、イメージセンサーの出力端子１１６には、寄生容量などの容量１１５も接続されている。容量１１３、容量１１５、ＭＯＳトランジスタ１１４でクランプ回路Ｃが構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この様なイメージセンサーにおいては、光電荷蓄積後、光信号電圧を読み出してから、フォトダイオードをリセットし、その後基準電圧を読み出し、光信号電圧と基準電圧の差をとるので、基準電圧と光信号電圧に乗っているリセットノイズが異なるという問題があった。すなわち、異なった、タイミングのリセットノイズを比較するため、ランダムノイズが大きいという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
従来のこのような問題点を解決するために、本発明は、光電変換手段の出力端子が、リセット手段とアンプ手段の入力端子に接続され、前記アンプ手段の出力端子に、電荷転送手段が接続され、前記電荷転送手段のもう一つの端子が容量とソースフォロアアンプのゲートに接続され、前記ソースフォロアアンプのソースがチャンネル選択手段に接続され、前記チャンネル選択手段のもう一つの端子が共通信号線に接続され、前記共通信号線が電流源に接続された光電変換装置とし、前記チャンネル選択手段が開き基準電圧を共通信号線に読み出し、前記電荷転送手段が開き信号電圧を前記容量に読み出し、前記チャンネル選択手段が閉じてから前記電荷転送手段が閉じ、次に、前記チャンネル選択手段が開き信号電圧を共通信号線に読み出し、前記リセット手段が開いて、光電変換手段を初期化し、前記リセット手段が閉じてから、前記電荷転送手段が開き基準電圧を前記容量に読み出し、前記チャンネル選択手段が閉じてから、前記電荷転送手段が閉じることを特徴とした。
【０００７】
または、前記チャンネル選択手段が開き基準電圧を共通信号線に読み出し、前記電荷転送手段が開き信号電圧を前記容量に読み出し、前記電荷転送手段が閉じてから信号電圧を共通信号線に読み出し、前記リセット手段が開いて、光電変換手段を初期化し、前記リセット手段が閉じてから、前記電荷転送手段が開き基準電圧を前記容量に読み出し、前記電荷転送手段が閉じてから前記チャンネル選択手段が閉じることを特徴とした。
また、光電変換手段の出力端子が、リセット手段と第１のアンプ手段の入力端子に接続され、前記第１のアンプ手段の出力端子に、第１の電荷転送手段が接続され、前記第１の電荷転送手段のもう一つの端子が第１の容量と第２のアンプ手段の入力端子に接続され、前記第２のアンプ手段の出力端子に、第２の電荷転送手段が接続され、前記第２の電荷転送手段のもう一つの端子が第２の容量と第３のアンプ手段の入力端子に接続され、前記第３のアンプ手段の出力端子に、第３の電荷転送手段が接続され、前記第３の電荷転送手段のもう一つの端子が第３の容量とソースフォロアアンプのゲートに接続され、前記ソースフォロアアンプのソースがチャンネル選択手段に接続され、前記チャンネル選択手段のもう一つの端子が共通信号線に接続され、前記共通信号線が電流源に接続された光電変換装置とし、前記第２の電荷転送手段が動作し、次に、前期第１の電荷転送手段と第３の電荷転送手段が動作し、次に、リセット手段と第２の電荷転送手段が動作し、次に、第１の電荷転送手段が動作し、次に、前記チャンネル選択手段が動作し、次に、第３の電荷転送手段が動作し、次に、前記チャンネル選択手段が動作する、以上の一連の動作を繰り返すことを特徴とした。
【０００８】
この読み出し方によれば、リセットスイッチの同じオフノイズが乗った基準電圧と信号電圧とを順に読み出すので、相関２重サンプリング等の方法で、この電圧の差をとれば、固定パターンノイズとランダムノイズの小さい光電変換装置を得ることができる。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の光電変換装置の回路図である。
図１に示す光電変換ブロックＡｎの枠の内側の要素は画素数分設けられており、各ブロックのチャンネル選択スイッチ７は共通信号線１１に接続している。なお、光電変換ブロックＡｎはｎビット目の光電変換ブロックを示している。図９に、全体の構成図を示す。
【００１０】
この回路は、光電変換手段となるフォトダイオード１、電荷転送手段となる転送スイッチ４、リセット手段となるリセットスイッチ２、アンプ手段３、容量５、ＭＯＳソースフォロアを形成するＭＯＳトランジスタ６、チャンネル選択手段となるチャンネル選択スイッチ７、共通信号線１１、電流源８からなる。アンプ手段３はＭＯＳソースフォロアやボルテージフォロアアンプ等で形成し、動作状態を選択するアンプイネーブル端子１０を設けても良い。また、 ＭＯＳトランジスタ６のゲートとソース間には寄生容量９が存在する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置のタイミングチャートである。
【００１１】
以下にこのタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の動作及び構成を説明する。まず、ｎビット目の光電変換ブロックの動作について説明する。
φR(n)によりリセットスイッチ２がオンすると、フォトダイオード１の出力端子Ｖｄｉは基準電圧Ｖｒｅｓｅｔに固定され、リセットスイッチ２がオフすると、Ｖｄｉの電圧はＶｒｅｓｅｔにオフノイズが加算された値になる。このオフノイズは、リセットする度に電位がゆらぐので、ランダムノイズとなる。したがって、ランダムノイズを防ぐためには、リセットした後のアンプ３の出力電圧と、その後、フォトダイオードが光電荷を蓄積した後のアンプ３の出力電圧の差をとればよい。
【００１２】
そこで、図２のように、リセットスイッチ２がオフした後、φT1(n)により転送スイッチ４をオンして、TRの期間で基準電圧を容量５に読み出し、１周期の間、この基準電圧を容量５に保持する。この間にフォトダイオード１には、光電荷が蓄積し、Ｖｄｉの電位は光電荷の量に応じて変動している。次の周期のφSCH(n)によりチャンネル選択スイッチ７を開くと、REFの期間に、この基準電圧に相当した基準電圧が共通信号線１１に読み出される。次に、φT1(n)をオンし、TSの期間でフォトタダイオードに蓄積した電荷に応じた信号電圧を容量５に読み出す ここで、後で述べる理由によりφSCH(n)をオフしてからφT1(n)をオフする。次に、再び、φSCH(n)をオンすると信号電圧に相当した信号電圧がSIGの期間で共通信号線１１に読み出される。REFの期間とSIGの期間の共通信号線１１の出力電圧VOUTの差を取れば、固定パターンノイズとリセットスイッチ２によるランダムノイズを除去できる。一方、φT1(n)をオフしてから、φR(n)をオンして、次回のフォトダイオードのリセットを行い、φT1(n)をオンして、TRの期間で基準電圧を容量５に読み出す。ここで、後で述べる理由によりφSCH(n)をオフしてからφT1(n)をオフする。
【００１３】
この読み出し方法では次の点を守る必要がある。図１に示した、寄生容量９が存在することにより、基準電圧と信号電圧を容量５に転送するときのＭＯＳトランジスタ６のソースの電位が同じでなければならない。基準電圧と信号電圧はＣ１とＣ２に貯えられるので、 ＭＯＳトランジスタ６のソースの電位が違っていると、Ｖ１の電位は同じでも、貯えられる電荷の量は異なってしまう。この差は、共通信号線に基準電圧と信号電圧を読み出すときに、電圧の差になって現れる。 ＭＯＳトランジスタ６のソースの電位は、チャンネル選択スイッチ７がオン状態とオフ状態で大きく変わる。したがって、図２の例では、ＴＳとＴＲの期間で、チャンネル選択スイッチ７をオフ状態としている。特に、電荷の転送が終了するφT1(n)がオフするときに、φSCH(n)をオフ状態とする必要がある。
【００１４】
図３は、図２と逆に、 ＴＳとＴＲの期間で、チャンネル選択スイッチ７がオン状態としている。この方法では、SIGの期間で信号電圧の読み出しが終了した後も、φT1(n)がオフするまで、φSCH(n)のオン状態を保つ必要がある。
図２、図３とも、SIGの期間の後、φSCH(n)がオフしてから、次のビットのチャンネル選択スイッチ７がφSCH(n+1)によって開き、次のビットの基準電圧の読み出しが始まる。
【００１５】
基準電圧と信号電圧は、相関２重サンプリング回路を使い差をとる。これは、例えば、従来例の図４のブロックＣの回路で可能である。
【００１６】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る光電変換装置の回路図である。図６に示す光電変換ブロックＡｎの枠の内側の要素は画素数分設けられており、各ブロックのチャンネル選択スイッチ７は共通信号線１１に接続している。なお、光電変換ブロックＡｎはｎビット目の光電変換ブロックを示している。図９に、全体の構成図を示す。
【００１７】
この回路は、光電変換手段となるフォトダイオード１、電荷転送手段となる転送スイッチ１８、１９、２０、リセット手段となるリセットスイッチ２、アンプ手段１５、１６、１７、容量２１、２２、２３、ＭＯＳソースフォロアを形成するＭＯＳトランジスタ６、チャンネル選択手段となるチャンネル選択スイッチ７、共通信号線１１、電流源８からなる。アンプ手段１５、１６、１７はＭＯＳソースフォロアやボルテージフォロアアンプ等で形成し、動作状態を選択するアンプイネーブル端子１２、１３、１４を設けても良い。また、 ＭＯＳトランジスタ６のゲートとソース間には寄生容量９が存在する。
図７は、本発明の第３の実施形態に係る光電変換装置のタイミングチャートである。
以下にこのタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の動作及び構成を説明する。図６、図７のφR、φT1、φT2、φSEL1、φSEL2は全ビットについて同時に動作する。φSCH、φT3はビットによって動作ずつタイミングが異なるので、(n)付で表示している。
【００１８】
まず、ｎビット目の光電変換ブロックの動作について説明する。まず、電圧転送の動作を説明する。φRのＲ１の位置のパルスによりリセットスイッチ２がオンすると、フォトダイオード１の出力端子Ｖｄｉは基準電圧Ｖｒｅｓｅｔに固定され、リセットスイッチ２がオフすると、Ｖｄｉの電圧はＶｒｅｓｅｔにオフノイズが加算された値になる。このオフノイズは、リセットする度に電位がゆらぐので、ランダムノイズとなる。したがって、ランダムノイズを防ぐためには、リセットした後の第１のアンプ１５の出力電圧と、その後、フォトダイオードが光電荷を蓄積した後の第１のアンプ１５の出力電圧の差をとればよい。
【００１９】
そこで、図７のように、リセットスイッチ２がオフした後、φT1のＲ１の位置のパルスにより第１の転送スイッチ１２をオンして、基準電圧を第１の容量２１に読み出し、１読み取り周期の間、この基準電圧を第１の容量２１に保持する。この間にフォトダイオード１には、光電荷が蓄積し、Ｖｄｉの電位は光電荷の量に応じて変動している。この蓄積期間は図７のＴＳ１の期間となる。
【００２０】
次に、φT2のＲ１の位置のパルスにより第２の転送スイッチ１９をオンして、基準電圧を第２の容量２２に読み出す。次に、φT1のＳ１の位置のパルスにより第１の転送スイッチ１８をオンして、フォトダイオードに蓄積した電荷に応じた信号電圧を第１の容量２１に読み出す。また、全てのビットのφT3(n)をオンして、基準電圧を第２の容量２２に読み出す。
【００２１】
次に、φRのＲ２の位置のパルスによりフォトダイオード１を再びリセットする。リセットスイッチ２がオフすると、Ｖｄｉの電圧はＶｒｅｓｅｔにオフノイズが加算された値になる。また、φT2のＳ１の位置のパルスにより第２の転送スイッチ１９をオンして、ＴＳ１の蓄積期間に応じた信号電圧を第２の容量２２に読み出す。
【００２２】
次に、φT1のＲ２の位置のパルスにより第１の転送スイッチ１８をオンして、基準電圧を第１の容量２１に読み出す。
【００２３】
次に電圧読み出しの動作を説明する。
【００２４】
図７のＴＳ２の蓄積期間中に、φSCH(n)のＲ１の位置のパルスによりチャンネル選択スイッチ７を開くと、第３の容量２３に保持されていた基準電圧が共通信号線１１に読み出される。この基準電圧は、φRのＲ１の位置のパルスにより発生した基準電圧である。次に、φT3(n)のＳ１の位置のパルスによりＴＳ１の期間でフォトダイオードに蓄積した電荷に応じた信号電圧を容量２３に読み出す。ここで、後で述べる理由によりφSCH(n)をオフしてからφT3(n)をオフする。
次に、再び、φSCH(n)をオンすると信号電圧が共通信号線１１に読み出される。先に共通信号線１１に読み出された基準電圧とこの信号電圧の差を取れば、固定パターンノイズとリセットスイッチ２によるランダムノイズを除去できる。これは、両方に同じリセットパルスφRのオフノイズがのっており、両方の電圧の出力経路が同じであるからである。
【００２５】
この読み出し方法では次の点を守る必要がある。図６に示した、寄生容量９が存在することにより、基準電圧と信号電圧を容量５に転送するときのＭＯＳトランジスタ６のソースの電位が同じでなければならない。基準電圧と信号電圧は第３の容量２３と寄生容量９に貯えられるので、 ＭＯＳトランジスタ６のソースの電位が違っていると、Ｖ３の電位は同じでも、貯えられる電荷の量は異なってしまう。この差は、共通信号線に基準電圧と信号電圧を読み出すときに、電圧の差になって現れる。 ＭＯＳトランジスタ６のソースの電位は、チャンネル選択スイッチ７がオン状態とオフ状態で大きく変わる。したがって、図７の例では、T3(n)のＲ１とＳ１のパルスの期間で、チャンネル選択スイッチ７をオフ状態としている。特に、電荷の転送が終了するφT3(n)がオフするときに、φSCH(n)をオフ状態とする必要がある。
【００２６】
図８は、図７と逆に、T3(n)のＲ１とＳ１のパルスの期間で、チャンネル選択スイッチ７がオン状態としている。この方法では、φT3(n)がオフするまで、φSCH(n)のオン状態を保つ必要がある。図７、図８とも、電圧読み出し動作時はφSCH(n)がオフしてから、次のビットのチャンネル選択スイッチ７がφSCH(n+1)によって開き、次のビットの基準電圧の読み出しが始まる。基準電圧と信号電圧は、相関２重サンプリング回路を使い差をとる。これは、例えば、従来例の図４のブロックＣの回路で可能である。
【００２７】
図６、図７、図８の実施例では、ＴＳ２の期間でフォトダイオードが蓄積動作中に、前の蓄積期間ＴＳ１の期間で蓄積した信号電圧を読み出すことができる。したがって、ＲＧＢの３色のＬＥＤを順に点灯して、カラー画像データを読み取ることができる。たとえば、ＴＳ１の期間に赤のＬＥＤを点灯し赤の成分を読み取り、ＴＳ２の期間に緑のＬＥＤを点灯し緑の成分を読み取り、ＴＳ２の次の期間に青のＬＥＤを点灯し青の成分を読み取ることができる。この場合、ＴＳ２の期間内に赤の信号電圧を読み出すことになる。
【００２８】
以上の説明で、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。上記の回路は１つの半導体基盤上に形成し、リニアイメージセンサーＩＣとすることが可能である。また、このリニアイメージセンサーＩＣを複数個直線状に実装して、密着型イメージセンサーを供給することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、リセットスイッチの同じオフノイズが乗った信号電圧と基準電圧とを読み出すので、固定パターンノイズと、ランダムノイズの小さい光電変換装置が得られる。
したがって、簡単な構成で、暗出力のばらつきが小さいイメージセンサーＩＣを供給できる。また、このイメージセンサーＩＣを複数個直線状に実装した、密着型イメージセンサーを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光電変換装置の回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置のタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る光電変換装置のタイミングチャートである。
【図４】従来の画像読み取り装置に用いられているイメージセンサーＩＣの回路図である。
【図５】従来の画像読み取り装置に用いられているイメージセンサーＩＣのタイミングチャートである。
【図６】本発明の第３の実施携帯に係る光電変換装置の回路図である。
【図７】本発明の第３の実施携帯に係る光電変換装置のタイミングチャートである。
【図８】本発明に第４の実施携帯に係る光電変換装置のタイミングチャートである。
【図９】本発明に係る光電変換装置の回路図である。
【符号の説明】
１ フォトダイオード
２ リセットスイッチ
３ アンプ
４ 転送スイッチ
５ 容量
６ ＭＯＳトランジスタ
７ チャンネル選択スイッチ
８ 電流源
９ 寄生容量
１０,１２，１３，１４ アンプイネーブル端子
１１ 共通信号線
１５ 第１のアンプ
１６ 第２のアンプ
１７ 第３のアンプ
１８ 第１の転送スイッチ
１９ 第１の転送スイッチ
２０ 第１の転送スイッチ
２１ 第１の容量
２２ 第２の容量
２３ 第３の容量
１０１ フォトダイオード
１０２ リセットスイッチ
１０３ ソースフォロアアンプ
１０４ 定電流源
１０５ 読み出しスイッチ
１０６ 共通信号線
１０７ 信号線リセットスイッチ
１０８ 寄生容量
１０９ オペアンプ
１１０ 抵抗
１１１ 抵抗
１１２ チップセレクトスイッチ
１１３ 容量
１１４ ＭＯＳトランジスタ
１１５ 容量
１１６ 出力端子
Ａｎ ｎビット目の光電変換ブロック
Ｂｍ ｍチップ目のイメージセンサーＩＣブロック
Ｃ クランプ回路
Ｄ 反転増幅器
【発明の属する技術分野】
本発明は、光照射された原稿からの反射光を受けて電気信号に変換する光電変換装置に関し、特にファクシミリやイメージスキャナ等の画像読み取り装置に適用するリニアイメージセンサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の画像読み取り装置に用いられているイメージセンサーＩＣの回路図を図４にタイミングチャートを図５に示す。このイメージセンサーについては特開平１０−０５１１６４号公報に記載されている。
【０００３】
フォトダイオード１０１のＮ型領域が正電源電圧端子ＶＤＤに接続しており、Ｐ型領域がリセットスイッチ１０２のドレインとソースフォロアアンプ１０３のゲートに接続している。リセットスイッチ１０２のソースには基準電圧ＶＲＥＦ１が与えられている。ソースフォロアアンプ１０３の出力端子であるソースは、読み出しスイッチ１０５と定電流源１０４につながっている。定電流源１０４のゲートは基準電圧ＶＲＥＦＡの定電圧が与えられている。図６に示す光電変換ブロックＡｎの枠の内側の要素は画素数分設けられており、各ブロックの読み出しスイッチ１０５は共通信号線１０６に接続している。なお、光電変換ブロックＡｎはｎビット目の光電変換ブロックを示している。
共通信号線１０６は、抵抗１１０を通じてオペアンプ１０９の反転端子に入力しており、オペアンプ１０９の出力端子がチップセレクトスイッチ１１２と容量１１３を介して出力端子１１６につながっている。共通信号線１０６は、信号線リセットスイッチ１０７に接続し、信号線リセットスイッチ１０７のソースには基準電圧ＶＲＥＦ２が与えられている。オペアンプ１０９の出力端子と反転端子の間には抵抗１１１が接続されていて、オペアンプ１０９の非反転端子は一定電圧ＶＲＥＦ３に固定されている。オペアンプ１０９、抵抗１１０、抵抗１１１で反転増幅器Ｄが形成されている。
【０００４】
イメージセンサーの出力端子１１６は、ＭＯＳトランジスタ１１４のドレインに接続し、ＭＯＳトランジスタ１１４のソースには基準電圧ＶＲＥＦ４が与えられている。また、イメージセンサーの出力端子１１６には、寄生容量などの容量１１５も接続されている。容量１１３、容量１１５、ＭＯＳトランジスタ１１４でクランプ回路Ｃが構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この様なイメージセンサーにおいては、光電荷蓄積後、光信号電圧を読み出してから、フォトダイオードをリセットし、その後基準電圧を読み出し、光信号電圧と基準電圧の差をとるので、基準電圧と光信号電圧に乗っているリセットノイズが異なるという問題があった。すなわち、異なった、タイミングのリセットノイズを比較するため、ランダムノイズが大きいという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
従来のこのような問題点を解決するために、本発明は、光電変換手段の出力端子が、リセット手段とアンプ手段の入力端子に接続され、前記アンプ手段の出力端子に、電荷転送手段が接続され、前記電荷転送手段のもう一つの端子が容量とソースフォロアアンプのゲートに接続され、前記ソースフォロアアンプのソースがチャンネル選択手段に接続され、前記チャンネル選択手段のもう一つの端子が共通信号線に接続され、前記共通信号線が電流源に接続された光電変換装置とし、前記チャンネル選択手段が開き基準電圧を共通信号線に読み出し、前記電荷転送手段が開き信号電圧を前記容量に読み出し、前記チャンネル選択手段が閉じてから前記電荷転送手段が閉じ、次に、前記チャンネル選択手段が開き信号電圧を共通信号線に読み出し、前記リセット手段が開いて、光電変換手段を初期化し、前記リセット手段が閉じてから、前記電荷転送手段が開き基準電圧を前記容量に読み出し、前記チャンネル選択手段が閉じてから、前記電荷転送手段が閉じることを特徴とした。
【０００７】
または、前記チャンネル選択手段が開き基準電圧を共通信号線に読み出し、前記電荷転送手段が開き信号電圧を前記容量に読み出し、前記電荷転送手段が閉じてから信号電圧を共通信号線に読み出し、前記リセット手段が開いて、光電変換手段を初期化し、前記リセット手段が閉じてから、前記電荷転送手段が開き基準電圧を前記容量に読み出し、前記電荷転送手段が閉じてから前記チャンネル選択手段が閉じることを特徴とした。
また、光電変換手段の出力端子が、リセット手段と第１のアンプ手段の入力端子に接続され、前記第１のアンプ手段の出力端子に、第１の電荷転送手段が接続され、前記第１の電荷転送手段のもう一つの端子が第１の容量と第２のアンプ手段の入力端子に接続され、前記第２のアンプ手段の出力端子に、第２の電荷転送手段が接続され、前記第２の電荷転送手段のもう一つの端子が第２の容量と第３のアンプ手段の入力端子に接続され、前記第３のアンプ手段の出力端子に、第３の電荷転送手段が接続され、前記第３の電荷転送手段のもう一つの端子が第３の容量とソースフォロアアンプのゲートに接続され、前記ソースフォロアアンプのソースがチャンネル選択手段に接続され、前記チャンネル選択手段のもう一つの端子が共通信号線に接続され、前記共通信号線が電流源に接続された光電変換装置とし、前記第２の電荷転送手段が動作し、次に、前期第１の電荷転送手段と第３の電荷転送手段が動作し、次に、リセット手段と第２の電荷転送手段が動作し、次に、第１の電荷転送手段が動作し、次に、前記チャンネル選択手段が動作し、次に、第３の電荷転送手段が動作し、次に、前記チャンネル選択手段が動作する、以上の一連の動作を繰り返すことを特徴とした。
【０００８】
この読み出し方によれば、リセットスイッチの同じオフノイズが乗った基準電圧と信号電圧とを順に読み出すので、相関２重サンプリング等の方法で、この電圧の差をとれば、固定パターンノイズとランダムノイズの小さい光電変換装置を得ることができる。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の光電変換装置の回路図である。
図１に示す光電変換ブロックＡｎの枠の内側の要素は画素数分設けられており、各ブロックのチャンネル選択スイッチ７は共通信号線１１に接続している。なお、光電変換ブロックＡｎはｎビット目の光電変換ブロックを示している。図９に、全体の構成図を示す。
【００１０】
この回路は、光電変換手段となるフォトダイオード１、電荷転送手段となる転送スイッチ４、リセット手段となるリセットスイッチ２、アンプ手段３、容量５、ＭＯＳソースフォロアを形成するＭＯＳトランジスタ６、チャンネル選択手段となるチャンネル選択スイッチ７、共通信号線１１、電流源８からなる。アンプ手段３はＭＯＳソースフォロアやボルテージフォロアアンプ等で形成し、動作状態を選択するアンプイネーブル端子１０を設けても良い。また、 ＭＯＳトランジスタ６のゲートとソース間には寄生容量９が存在する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置のタイミングチャートである。
【００１１】
以下にこのタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の動作及び構成を説明する。まず、ｎビット目の光電変換ブロックの動作について説明する。
φR(n)によりリセットスイッチ２がオンすると、フォトダイオード１の出力端子Ｖｄｉは基準電圧Ｖｒｅｓｅｔに固定され、リセットスイッチ２がオフすると、Ｖｄｉの電圧はＶｒｅｓｅｔにオフノイズが加算された値になる。このオフノイズは、リセットする度に電位がゆらぐので、ランダムノイズとなる。したがって、ランダムノイズを防ぐためには、リセットした後のアンプ３の出力電圧と、その後、フォトダイオードが光電荷を蓄積した後のアンプ３の出力電圧の差をとればよい。
【００１２】
そこで、図２のように、リセットスイッチ２がオフした後、φT1(n)により転送スイッチ４をオンして、TRの期間で基準電圧を容量５に読み出し、１周期の間、この基準電圧を容量５に保持する。この間にフォトダイオード１には、光電荷が蓄積し、Ｖｄｉの電位は光電荷の量に応じて変動している。次の周期のφSCH(n)によりチャンネル選択スイッチ７を開くと、REFの期間に、この基準電圧に相当した基準電圧が共通信号線１１に読み出される。次に、φT1(n)をオンし、TSの期間でフォトタダイオードに蓄積した電荷に応じた信号電圧を容量５に読み出す ここで、後で述べる理由によりφSCH(n)をオフしてからφT1(n)をオフする。次に、再び、φSCH(n)をオンすると信号電圧に相当した信号電圧がSIGの期間で共通信号線１１に読み出される。REFの期間とSIGの期間の共通信号線１１の出力電圧VOUTの差を取れば、固定パターンノイズとリセットスイッチ２によるランダムノイズを除去できる。一方、φT1(n)をオフしてから、φR(n)をオンして、次回のフォトダイオードのリセットを行い、φT1(n)をオンして、TRの期間で基準電圧を容量５に読み出す。ここで、後で述べる理由によりφSCH(n)をオフしてからφT1(n)をオフする。
【００１３】
この読み出し方法では次の点を守る必要がある。図１に示した、寄生容量９が存在することにより、基準電圧と信号電圧を容量５に転送するときのＭＯＳトランジスタ６のソースの電位が同じでなければならない。基準電圧と信号電圧はＣ１とＣ２に貯えられるので、 ＭＯＳトランジスタ６のソースの電位が違っていると、Ｖ１の電位は同じでも、貯えられる電荷の量は異なってしまう。この差は、共通信号線に基準電圧と信号電圧を読み出すときに、電圧の差になって現れる。 ＭＯＳトランジスタ６のソースの電位は、チャンネル選択スイッチ７がオン状態とオフ状態で大きく変わる。したがって、図２の例では、ＴＳとＴＲの期間で、チャンネル選択スイッチ７をオフ状態としている。特に、電荷の転送が終了するφT1(n)がオフするときに、φSCH(n)をオフ状態とする必要がある。
【００１４】
図３は、図２と逆に、 ＴＳとＴＲの期間で、チャンネル選択スイッチ７がオン状態としている。この方法では、SIGの期間で信号電圧の読み出しが終了した後も、φT1(n)がオフするまで、φSCH(n)のオン状態を保つ必要がある。
図２、図３とも、SIGの期間の後、φSCH(n)がオフしてから、次のビットのチャンネル選択スイッチ７がφSCH(n+1)によって開き、次のビットの基準電圧の読み出しが始まる。
【００１５】
基準電圧と信号電圧は、相関２重サンプリング回路を使い差をとる。これは、例えば、従来例の図４のブロックＣの回路で可能である。
【００１６】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る光電変換装置の回路図である。図６に示す光電変換ブロックＡｎの枠の内側の要素は画素数分設けられており、各ブロックのチャンネル選択スイッチ７は共通信号線１１に接続している。なお、光電変換ブロックＡｎはｎビット目の光電変換ブロックを示している。図９に、全体の構成図を示す。
【００１７】
この回路は、光電変換手段となるフォトダイオード１、電荷転送手段となる転送スイッチ１８、１９、２０、リセット手段となるリセットスイッチ２、アンプ手段１５、１６、１７、容量２１、２２、２３、ＭＯＳソースフォロアを形成するＭＯＳトランジスタ６、チャンネル選択手段となるチャンネル選択スイッチ７、共通信号線１１、電流源８からなる。アンプ手段１５、１６、１７はＭＯＳソースフォロアやボルテージフォロアアンプ等で形成し、動作状態を選択するアンプイネーブル端子１２、１３、１４を設けても良い。また、 ＭＯＳトランジスタ６のゲートとソース間には寄生容量９が存在する。
図７は、本発明の第３の実施形態に係る光電変換装置のタイミングチャートである。
以下にこのタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の動作及び構成を説明する。図６、図７のφR、φT1、φT2、φSEL1、φSEL2は全ビットについて同時に動作する。φSCH、φT3はビットによって動作ずつタイミングが異なるので、(n)付で表示している。
【００１８】
まず、ｎビット目の光電変換ブロックの動作について説明する。まず、電圧転送の動作を説明する。φRのＲ１の位置のパルスによりリセットスイッチ２がオンすると、フォトダイオード１の出力端子Ｖｄｉは基準電圧Ｖｒｅｓｅｔに固定され、リセットスイッチ２がオフすると、Ｖｄｉの電圧はＶｒｅｓｅｔにオフノイズが加算された値になる。このオフノイズは、リセットする度に電位がゆらぐので、ランダムノイズとなる。したがって、ランダムノイズを防ぐためには、リセットした後の第１のアンプ１５の出力電圧と、その後、フォトダイオードが光電荷を蓄積した後の第１のアンプ１５の出力電圧の差をとればよい。
【００１９】
そこで、図７のように、リセットスイッチ２がオフした後、φT1のＲ１の位置のパルスにより第１の転送スイッチ１２をオンして、基準電圧を第１の容量２１に読み出し、１読み取り周期の間、この基準電圧を第１の容量２１に保持する。この間にフォトダイオード１には、光電荷が蓄積し、Ｖｄｉの電位は光電荷の量に応じて変動している。この蓄積期間は図７のＴＳ１の期間となる。
【００２０】
次に、φT2のＲ１の位置のパルスにより第２の転送スイッチ１９をオンして、基準電圧を第２の容量２２に読み出す。次に、φT1のＳ１の位置のパルスにより第１の転送スイッチ１８をオンして、フォトダイオードに蓄積した電荷に応じた信号電圧を第１の容量２１に読み出す。また、全てのビットのφT3(n)をオンして、基準電圧を第２の容量２２に読み出す。
【００２１】
次に、φRのＲ２の位置のパルスによりフォトダイオード１を再びリセットする。リセットスイッチ２がオフすると、Ｖｄｉの電圧はＶｒｅｓｅｔにオフノイズが加算された値になる。また、φT2のＳ１の位置のパルスにより第２の転送スイッチ１９をオンして、ＴＳ１の蓄積期間に応じた信号電圧を第２の容量２２に読み出す。
【００２２】
次に、φT1のＲ２の位置のパルスにより第１の転送スイッチ１８をオンして、基準電圧を第１の容量２１に読み出す。
【００２３】
次に電圧読み出しの動作を説明する。
【００２４】
図７のＴＳ２の蓄積期間中に、φSCH(n)のＲ１の位置のパルスによりチャンネル選択スイッチ７を開くと、第３の容量２３に保持されていた基準電圧が共通信号線１１に読み出される。この基準電圧は、φRのＲ１の位置のパルスにより発生した基準電圧である。次に、φT3(n)のＳ１の位置のパルスによりＴＳ１の期間でフォトダイオードに蓄積した電荷に応じた信号電圧を容量２３に読み出す。ここで、後で述べる理由によりφSCH(n)をオフしてからφT3(n)をオフする。
次に、再び、φSCH(n)をオンすると信号電圧が共通信号線１１に読み出される。先に共通信号線１１に読み出された基準電圧とこの信号電圧の差を取れば、固定パターンノイズとリセットスイッチ２によるランダムノイズを除去できる。これは、両方に同じリセットパルスφRのオフノイズがのっており、両方の電圧の出力経路が同じであるからである。
【００２５】
この読み出し方法では次の点を守る必要がある。図６に示した、寄生容量９が存在することにより、基準電圧と信号電圧を容量５に転送するときのＭＯＳトランジスタ６のソースの電位が同じでなければならない。基準電圧と信号電圧は第３の容量２３と寄生容量９に貯えられるので、 ＭＯＳトランジスタ６のソースの電位が違っていると、Ｖ３の電位は同じでも、貯えられる電荷の量は異なってしまう。この差は、共通信号線に基準電圧と信号電圧を読み出すときに、電圧の差になって現れる。 ＭＯＳトランジスタ６のソースの電位は、チャンネル選択スイッチ７がオン状態とオフ状態で大きく変わる。したがって、図７の例では、T3(n)のＲ１とＳ１のパルスの期間で、チャンネル選択スイッチ７をオフ状態としている。特に、電荷の転送が終了するφT3(n)がオフするときに、φSCH(n)をオフ状態とする必要がある。
【００２６】
図８は、図７と逆に、T3(n)のＲ１とＳ１のパルスの期間で、チャンネル選択スイッチ７がオン状態としている。この方法では、φT3(n)がオフするまで、φSCH(n)のオン状態を保つ必要がある。図７、図８とも、電圧読み出し動作時はφSCH(n)がオフしてから、次のビットのチャンネル選択スイッチ７がφSCH(n+1)によって開き、次のビットの基準電圧の読み出しが始まる。基準電圧と信号電圧は、相関２重サンプリング回路を使い差をとる。これは、例えば、従来例の図４のブロックＣの回路で可能である。
【００２７】
図６、図７、図８の実施例では、ＴＳ２の期間でフォトダイオードが蓄積動作中に、前の蓄積期間ＴＳ１の期間で蓄積した信号電圧を読み出すことができる。したがって、ＲＧＢの３色のＬＥＤを順に点灯して、カラー画像データを読み取ることができる。たとえば、ＴＳ１の期間に赤のＬＥＤを点灯し赤の成分を読み取り、ＴＳ２の期間に緑のＬＥＤを点灯し緑の成分を読み取り、ＴＳ２の次の期間に青のＬＥＤを点灯し青の成分を読み取ることができる。この場合、ＴＳ２の期間内に赤の信号電圧を読み出すことになる。
【００２８】
以上の説明で、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。上記の回路は１つの半導体基盤上に形成し、リニアイメージセンサーＩＣとすることが可能である。また、このリニアイメージセンサーＩＣを複数個直線状に実装して、密着型イメージセンサーを供給することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、リセットスイッチの同じオフノイズが乗った信号電圧と基準電圧とを読み出すので、固定パターンノイズと、ランダムノイズの小さい光電変換装置が得られる。
したがって、簡単な構成で、暗出力のばらつきが小さいイメージセンサーＩＣを供給できる。また、このイメージセンサーＩＣを複数個直線状に実装した、密着型イメージセンサーを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光電変換装置の回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置のタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る光電変換装置のタイミングチャートである。
【図４】従来の画像読み取り装置に用いられているイメージセンサーＩＣの回路図である。
【図５】従来の画像読み取り装置に用いられているイメージセンサーＩＣのタイミングチャートである。
【図６】本発明の第３の実施携帯に係る光電変換装置の回路図である。
【図７】本発明の第３の実施携帯に係る光電変換装置のタイミングチャートである。
【図８】本発明に第４の実施携帯に係る光電変換装置のタイミングチャートである。
【図９】本発明に係る光電変換装置の回路図である。
【符号の説明】
１ フォトダイオード
２ リセットスイッチ
３ アンプ
４ 転送スイッチ
５ 容量
６ ＭＯＳトランジスタ
７ チャンネル選択スイッチ
８ 電流源
９ 寄生容量
１０,１２，１３，１４ アンプイネーブル端子
１１ 共通信号線
１５ 第１のアンプ
１６ 第２のアンプ
１７ 第３のアンプ
１８ 第１の転送スイッチ
１９ 第１の転送スイッチ
２０ 第１の転送スイッチ
２１ 第１の容量
２２ 第２の容量
２３ 第３の容量
１０１ フォトダイオード
１０２ リセットスイッチ
１０３ ソースフォロアアンプ
１０４ 定電流源
１０５ 読み出しスイッチ
１０６ 共通信号線
１０７ 信号線リセットスイッチ
１０８ 寄生容量
１０９ オペアンプ
１１０ 抵抗
１１１ 抵抗
１１２ チップセレクトスイッチ
１１３ 容量
１１４ ＭＯＳトランジスタ
１１５ 容量
１１６ 出力端子
Ａｎ ｎビット目の光電変換ブロック
Ｂｍ ｍチップ目のイメージセンサーＩＣブロック
Ｃ クランプ回路
Ｄ 反転増幅器
Claims (8)
- 光電変換手段の出力端子が、リセット手段とアンプ手段の入力端子に接続され、前記アンプ手段の出力端子に、電荷転送手段が接続され、前記電荷転送手段のもう一つの端子が容量とソースフォロアアンプのゲートに接続され、前記ソースフォロアアンプのソースがチャンネル選択手段に接続され、前記チャンネル選択手段のもう一つの端子が共通信号線に接続され、前記共通信号線が電流源に接続された光電変換装置であって、前記チャンネル選択手段が開き基準電圧を共通信号線に読み出し、前記電荷転送手段が開き信号電圧を前記容量に読み出し、前記チャンネル選択手段が閉じてから前記電荷転送手段が閉じ、次に、前記チャンネル選択手段が開き信号電圧を共通信号線に読み出し、前記リセット手段が開いて、光電変換手段を初期化し、前記リセット手段が閉じてから、前記電荷転送手段が開き基準電圧を前記容量に読み出し、前記チャンネル選択手段が閉じてから、前記電荷転送手段が閉じることを特徴とする光電変換装置。
- 光電変換手段の出力端子が、リセット手段とアンプ手段の入力端子に接続され、前記アンプ手段の出力端子に、電荷転送手段が接続され、前記電荷転送手段のもう一つの端子が容量とソースフォロアアンプのゲートに接続され、前記ソースフォロアアンプのソースがチャンネル選択手段に接続され、前記チャンネル選択手段のもう一つの端子が共通信号線に接続され、前記共通信号線が電流源に接続された光電変換装置であって、前記チャンネル選択手段が開き基準電圧を共通信号線に読み出し、前記電荷転送手段が開き信号電圧を前記容量に読み出し、前記電荷転送手段が閉じてから信号電圧を共通信号線に読み出し、前記リセット手段が開いて、光電変換手段を初期化し、前記リセット手段が閉じてから、前記電荷転送手段が開き基準電圧を前記容量に読み出し、前記電荷転送手段が閉じてから前記チャンネル選択手段が閉じることを特徴とする光電変換装置。
- 光電変換手段の出力端子が、リセット手段と第１のアンプ手段の入力端子に接続され、前記第１のアンプ手段の出力端子に、第１の電荷転送手段が接続され、前記第１の電荷転送手段のもう一つの端子が第１の容量と第２のアンプ手段の入力端子に接続され、前記第２のアンプ手段の出力端子に、第２の電荷転送手段が接続され、前記第２の電荷転送手段のもう一つの端子が第２の容量と第３のアンプ手段の入力端子に接続され、前記第３のアンプ手段の出力端子に、第３の電荷転送手段が接続され、前記第３の電荷転送手段のもう一つの端子が第３の容量とソースフォロアアンプのゲートに接続され、前記ソースフォロアアンプのソースがチャンネル選択手段に接続され、前記チャンネル選択手段のもう一つの端子が共通信号線に接続され、前記共通信号線が電流源に接続された光電変換装置。
- 前記チャンネル選択手段が開き基準電圧を共通信号線に読み出し、前記第３の電荷転送手段が開き信号電圧を前記第３の容量に読み出し、前記チャンネル選択手段が閉じてから前記第３の電荷転送手段が閉じ、次に、前記チャンネル選択手段が開き信号電圧を共通信号線に読み出すことを特徴とする、請求項３記載の光電変換装置。
- 前記チャンネル選択手段が開き基準電圧を共通信号線に読み出し、前記第３の電荷転送手段が開き信号電圧を前記第３の容量に読み出し、前記第３の電荷転送手段が閉じてから信号電圧を共通信号線に読み出すことを特徴とする、請求項３記載の光電変換装置。
- 前記第２の電荷転送手段が動作し、次に、前期第１の電荷転送手段と第３の電荷転送手段が動作し、次に、リセット手段と第２の電荷転送手段が動作し、次に、第１の電荷転送手段が動作し、次に、前記チャンネル選択手段が動作し、次に、第３の電荷転送手段が動作し、次に、前記チャンネル選択手段が動作する、以上の一連の動作を繰り返すことを特徴とする、請求項３記載の光電変換装置。
- 前記第３の電荷転送手段の動作が終了するときは常に、前記チャンネル選択手段が動作していないことを特徴とする、請求項６記載の光電変換装置。
- 前記第３の電荷転送手段の動作が終了するときは常に、前記チャンネル選択手段が動作していることを特徴とする、請求項６記載の光電変換装置。
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