JP4115047B2 - イメージセンサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は画像を読み取るイメージセンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
原稿画像を読み取るイメージセンサは複数のフォトダイオード(光電変換素子)を一列に有する半導体チップを複数個配置している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フォトダイオードは半導体チップごとに製造バラツキをもっているので、出力される光電変換信号には各チップ間のバラツキによる誤差が生じる。
【0004】
本発明はこのような問題を克服するようにしたイメージセンサを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明では、画像読み取り用の複数の光電変換素子を一列に有する半導体チップを複数個ライン状に配置するとともに、前記各半導体チップの出力信号を順番に取り出すようにしたイメージセンサにおいて、各半導体チップは、画像読み取り用の複数のフォトダイオードと、ダミーフォトダイオードと、所定の周期で前記ダミーフォトダイオードに繰り返しバイアスを与える第1のバイアス手段と、前記複数のフォトダイオードに所定のサイクルで順番にバイアスを与える第2のバイアス手段と、差動増幅器と、外部から基準電圧の供給を受ける端子と、前記基準電圧を基準とした前記複数のフォトダイオードの出力信号を順番に前記差動増幅器の第1入力端子に導く手段と、前記ダミーフォトダイオードの出力信号を前記差動増幅器の第2入力端子に導く手段と、前記差動増幅器の出力信号を直流カットする手段と、前記直流カットされた出力信号に前記端子から供給された新たな直流電圧を与える手段と、前記新たな直流電圧を与えられた出力信号を当該半導体チップ出力端子へ出力する出力スイッチと、を有しており、前記半導体チップのそれぞれの前記端子に同一の基準電圧が供給される。
【0006】
この場合、増幅等で生じるオフセットの影響を回避できる。
【0007】
また、前記出力スイッチを全てのフォトダイオードの出力信号が通過するまで導通させる出力制御手段と、各フォトダイオードの出力信号を前記差動増幅器へ導くために用いるパルスをクロックに基づいて作成する手段とを備え、前記出力制御手段はその通過制御信号を前記クロックから形成するとともに前記通過制御信号を引き延ばす遅延手段を設けると、信号経路における遅延による不具合(最後のフォトダイオードの光電変換信号が出力される前にスイッチが閉じられるという不具合)を避けることができる。
【0008】
なお、上記の構成をワンチップに搭載して、画像読み取り用の複数の光電変換素子を一列に有する半導体チップを複数個ライン状に配置したイメージセンサを形成できる。この場合、各半導体チップにダミーの光電変換素子が設けられ、各半導体チップごとに前記ダミーの光電変換素子の出力と画像読み取り用の各光電変換素子の出力の差をとった光電変換信号が出力される。
【0009】
【発明の実施の形態】
イメージセンサは図1に示すように、19個のICチップK1、K2、K3、・・・、K19を印刷配線ボード(図示せず)上に一列に配置実装して成る。これらの各チップK1、K2、K3、・・・、K19の出力は順番に出力され、A/D変換器1でデジタル信号に変換されて出力端子2へ導出される。チップK1、K2、K3、・・・、K19はいずれも同一の構成であるが、そのうちチップK1を図2に示し、説明する。
【0010】
図2において、D0は他のフォトダイオードと同じ形状で動作するタイミングのみ異なるダミーのフォトダイオードであり、D1〜Dnは画像読み取り用のフォトダイオードである。これらのフォトダイオードのアノードはグランドに接続され、カソードは対応する増幅用のPチャンネル型MOSトランジスタA0、A1、A2、・・・、Anのゲートにそれぞれ接続されている。増幅トランジスタA0〜Anのソースは対応する定電流源I0〜Inにそれぞれ接続されている。
【0011】
B0〜Bnは対応するトランジスタA0〜Anのゲートとバイアス電圧供給回路3との間に接続されたスイッチ用のPチャンネル型MOSトランジスタであって、そのトランジスタB0のゲートはロジック回路4に接続され、トランジスタB1、B2、・・・、Bnのゲートはシフトレジスタ5の出力端子M1、M2、・・・、Mnにそれぞれ接続されている。これらのトランジスタB1、B2、・・・、Bnは順番にONされる。
【0012】
C1、C2、・・・、CnはフォトダイオードD1、D2、・・・、Dnで得られた光電変換信号を増幅トランジスタA1、A2、・・・、Anでそれぞれ増幅した後で取り出すスイッチ用のPチャンネル型MOSトランジスタであり、そのソースは対応する増幅トランジスタA1、A2、・・・、Anのソースに接続され、ドレインはNチャンネル型MOSトランジスタより成る第1ソースフォロアトランジスタT1のゲートに共通に接続されている。
【0013】
また、これらのスイッチ用トランジスタC1、C2、・・・、Cnのゲートはシフトレジスタ5の出力端子01、O2、・・・、Onに接続されていて、順番にONされる。ダミーのフォトダイオードD0に関する増幅トランジスタA0のソースはスイッチ用トランジスタを介することなく、NチャンネルMOSトランジスタより成る第2ソースフォロアトランジスタT2のゲートに直接接続されている。
【0014】
6、7はソースフォロアトランジスタT1、T2のソースに接続された定電流源であり、他端はグランドに接続されている。8、9はソースフォロアトランジスタT1、T2の出力を増幅するバッファアンプであり、それらの出力は抵抗R1、R2を通して差動増幅器10の非反転入力端子(+)、反転入力端子(−)へそれぞれ供給される。尚、差動増幅器10の出力端子は帰還抵抗R3を介して反転入力端子(−)に接続されている。非反転入力端子(+)にはチップK1の端子VREF1から抵抗R4を通して外部からの基準電圧が印加されるようになっている。
【0015】
差動増幅器10の出力は直流カット用コンデンサ11を介して次段のバッファアンプ12の非反転入力端子(+)へ与えられる。尚、このバッファアンプ12の出力端子と反転入力端子(−)は短絡されている。また、バッファアンプ12の非反転入力端子(+)にはスイッチ用のアナログスイッチT3を介して端子VREF1から基準電圧が入力されるようになっている。
【0016】
アナログスイッチT3はロジック回路4に接続されていて、チップK1の全フォトダイオードの信号を読み出し終了するまでロジック回路4からのスイッチング電圧によってONされるようになっている。バッファアンプ12の出力はアナログスイッチ(出力スイッチ)13を介してチップK1の出力端子VO1へ導出される。アナログスイッチ13はトランスミッションゲート型のスイッチとなっており、その一方のゲートに他方のゲートとは極性の異なるスイッチング電圧を与えるためのインバータ14が接続されている。端子SI1にはスタートトリガが外部より入力され、端子CLK1には外部からのクロックが入力される。これらのスタートトリガとクロックはいずれもロジック回路4へ導かれる。
【0017】
チップK2、・・・、K19のクロック端子CLK2、・・・、CLK19にも外部からクロックが与えられるが、これらのチップK2、・・・、K19のスタートトリガ端子SI2、・・・、SI19には1つ前のチップのシフトレジスタから出力されるパルスがトリガとして与えられる。例えば、第2チップK2のスタートトリガ端子SI2には、第1チップK1の端子SO1からシフトレジスタ5で発生したパルスが与えられる。このパルスはシフトレジスタ5の出力端子O1、O2、・・・、Onのうち出力端子Onにパルスが発生した後に発生する。つまり、第1チップK1の全画素の出力の取り出しが終了した後に第2チップK2のためのスタートトリガが発生する。
【0018】
図3において、(イ)は端子CLK1から入力されるクロックを示している。このクロックはロジック回路4で反転されて図3(ロ)に示すスイッチングパルスとなってトランジスタB0のゲートに印加される。トランジスタB0はスイッチングパルス(ロ)の各ローレベル期間t2〜t3、t4〜t5、t6〜t7、・・・でONする。このONにより、ダミーフォトダイオードD0はバイアス回路3に結合され、バイアスが与えられることになる。このバイアスは正の電圧である。
【0019】
前記クロックは、また、ロジック回路4を通してシフトレジスタ5に入力され、図3(ハ)(ホ)に一部波形を示すように1/2分周された形のパルスとなってシフトレジスタ5の端子O1、O2、・・・、Onから、それぞれ対応するトランジスタC1、C2、・・・、Cnのゲートに与えられる。より具体的にいえば、シフトレジスタ5はt1〜t3の期間に負パルスを端子O1から出力し、t3〜t5の期間に負パルスを端子O2から出力する如く、クロックの1周期分の幅に相当する負パルスをシーケンシャルに端子O1、O2、・・・、Onから出力する。
【0020】
シフトレジスタ5は、また、クロックパルスの入力によって図3(ニ)(ヘ)に一部波形を示すパルスを端子M1、M2、・・・、Mnに出力する。より具体的にいえば、t2〜t4の期間に負パルスを端子M1から出力し、t4〜t6の期間の負パルスを端子M2から出力する如く、クロックの1周期分の幅に相当する負パルスをシーケンシャルに端子M1、M2、・・・、Mnから出力する。図2において、15は電流源IO、I1、I2、・・・、In及び6、7を駆動する回路である。
【0021】
次に、図2の回路の動作を説明する。図3(ハ)において、t1〜t3の期間はトランジスタC1がONしてフォトダイオードD1に蓄積された信号の読み出しが行なわれるが、t2〜t4の期間にトランジスタB1がONしてフォトダイオードD1からの信号はバイアス電圧にリセットバイアス(以下「リセット」という)されるので、フォトダイオードD1から読み出した信号は、t1〜t2の期間に読み出した信号のみが有効となる。この期間t1〜t2に読み出された信号はソースフォロアトランジスタT1、バッファアンプ8、抵抗R1を通して差動増幅器10の非反転入力端子(+)へ導かれる。
【0022】
一方、トランジスタB0はt2〜t3の期間にONしてダミーフォトダイオードD0をリセットするが、増幅トランジスタA0の出力は常にソースフォロアトランジスタT2、バッファアンプ9、抵抗R2を通して差動増幅器10の反転入力端子(−)に与えられている。尚、図3(ロ)に示す負パルスのうち、t1〜t2の期間の直前の負パルスによってもトランジスタB0はONし、ダミーフォトダイオードD0の出力信号をバイアス電圧にリセットしている。そして、このリセット後の期間t1〜t2において出力されるダミーフォトダイオードD0の信号と、同じ期間t1〜t2に読み出されるフォトダイオードD1の信号が差動増幅器10で差動増幅されることになる。
【0023】
この差動増幅動作によってフォトダイオードD1のバラツキによる誤差分(フォトダイオードD1の出力信号に含まれる誤差分)は除去されることになる。これはダミーフォトダイオードD0の出力信号が同じ誤差成分を持っている(より正確にいえば、ダミーフォトダイオードD0の出力信号は誤差成分のみからなっている)からであり、それらが差動増幅動作においてキャンセルされるからである。
【0024】
前記差動増幅器10の出力は直流カット用コンデンサ11を通して次段のバッファアンプ12へ入力される。このとき、アナログスイッチT3はONされており、端子VREF1から直流電圧(バイアス電圧)が与えられる。差動増幅器10の出力には直流電圧のオフセットがかなりの大きさで生じているが、この直流電圧をコンデンサ11でカットし、新たに所定の直流電圧を外部から端子VREF1及びアナログスイッチT3を通して取り入れる。このため、バッファアンプ12を経由することにより信号は前記直流電圧を基準とした信号となる。
【0025】
このようにオフセットを除去した信号は、次に、出力スイッチ13を通して出力端子VO1へ導出される。この導出された信号は図1に示すようにA/D変換器1によってディジタル信号に変換される。A/D変換器1の基準電圧と前記バッファアンプ12で外部から入力された直流電圧は合致するように選ばれている。以上のようにして期間t1〜t2においてフォトダイオードD1の信号の読み出しと処理が行なわれる。
【0026】
次に、t2〜t3の期間にトランジスタB0のONによってダミーフォトダイオードD0の出力信号はバイアス電圧にリセットされ、また、トランジスタB1のONによってフォトダイオードD1の出力信号もバイアス電圧にリセットされる。次の期間t3〜t4では、ダミーフォトダイオードB0のリセットは解除されており、一方、フォトダイオードD1の読み出しも終了している。期間t3〜t4では、フォトダイオードD1のリセットが引続き行なわれており、そのリセット状態は、t4で解除される。また、この期間は次のフォトダイオードPD2の信号が出力される。フォトダイオードD1の信号が次に読み出されるのは、チップK1のフォトダイオードD2、・・・、Dn及びチップK2、・・・、K19のフォトダイオードの全ての読み出しが終了して再びチップK1の読み出しに戻ったときである。
【0027】
このようにして、チップK1のフォトダイオードD1〜Dnの読み出しが終了すると、シフトレジスタ5の端子SO1からパルスが出力されるが、このパルスは次のチップK2のスタートトリガ信号となる。これにより信号の読み出し動作はチップK2に移る。チップK1の読み出し動作は出力スイッチ13をOFFすることにより終了する。出力スイッチ13を制御する電圧はロジック回路4から与えられるが、ロジック回路4において、この電圧は入力されるクロックに基づいて形成される。
【0028】
図4において、(a)はロジック回路4に入力されるクロックを示しており、(b)は出力スイッチ13の制御電圧を示している。制御電圧はローレベルで出力スイッチ13をONし、ハイレベルで出力スイッチ13をOFFする。チップK1の読み出し終了のためにはクロックのパルスLの立ち下がりで制御電圧はローレベルからハイレベルに遷移する。
【0029】
ところで、図2の回路において、フォトダイオードの信号処理のための経路では増幅器等を含んでいて、信号の遅れが生じる。一方、制御電圧はクロックを基にロジック回路4で形成されるので、クロックに対する遅延は殆ど生じない。出力端子に得られる信号は図4(d)のようなものであるが、この信号のP点のレベル情報がA/D変換回路1で用いられるとしたとき、図4(b)の制御電圧では、チップK1の最終段のフォトダイオードDnの信号のP点部分がチップK1から出力されないことになってしまう。
【0030】
そこで、本実施形態では、ロジック回路4に遅延回路4aを設けて出力スイッチ13の制御電圧を図4に示す如く時間Wだけ遅延させて出力するようにしている。従って、本実施形態で出力スイッチ13を制御する電圧は図4(c)に示すものとなる。これによれば、確実に所望の信号情報を出力することができる。尚、図4において、(c)の制御電圧がハイレベルになった後に、(d)において示されている信号はチップK2の最初のフォトダイオードの信号である。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、フォトダイオード等の受光素子のバラツキによる光電変換出力の誤差が解消されるので、正確な画像読み取り出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るイメージセンサの全体の概略構成を示す図
【図2】その1つの半導体チップにおける内部回路を示す回路図
【図3】図2の回路の動作を説明するための波形図
【図4】同じく図2の回路の動作を説明するための波形図
【符号の説明】
K1〜K19 ICチップ(半導体チップ)
D0 ダミーフォトダイオード
D1〜Dn 画像読み取り用のフォトダイオード
A0〜An 増幅トランジスタ
B0〜Bn スイッチ用のPチャンネル型MOSトランジスタ
C1〜Cn スイッチ用のPチャンネル型MOSトランジスタ
1 A/D変換器
3 バイアス回路
4 ロジック回路
5 シフトレジスタ
10 差動増幅器
11 直流カット用コンデンサ
13 出力スイッチ
VO1 出力端子
Claims (2)
- 画像読み取り用の複数の光電変換素子を一列に有する半導体チップを複数個ライン状に配置するとともに、前記各半導体チップの出力信号を順番に取り出すようにしたイメージセンサにおいて、
各半導体チップは、
画像読み取り用の複数のフォトダイオードと、
ダミーフォトダイオードと、
所定の周期で前記ダミーフォトダイオードに繰り返しバイアスを与える第1のバイアス手段と、
前記複数のフォトダイオードに所定のサイクルで順番にバイアスを与える第2のバイアス手段と、
差動増幅器と、
外部から基準電圧の供給を受ける端子と、
前記基準電圧を基準とした前記複数のフォトダイオードの出力信号を順番に前記差動増幅器の第1入力端子に導く手段と、
前記ダミーフォトダイオードの出力信号を前記差動増幅器の第2入力端子に導く手段と、
前記差動増幅器の出力信号を直流カットする手段と、
前記直流カットされた出力信号に前記端子から供給された新たな直流電圧を与える手段と、
前記新たな直流電圧を与えられた出力信号を当該半導体チップ出力端子へ出力する出力スイッチと、
を有しており、前記半導体チップのそれぞれの前記端子に同一の基準電圧が供給されることを特徴とするイメージセンサ。 - 前記出力スイッチを全てのフォトダイオードの出力信号が通過するまで導通させる出力制御手段と、各フォトダイオードの出力信号を前記差動増幅器へ導くために用いるパルスをクロックに基づいて作成する手段とを備え、前記出力制御手段はその通過制御信号を前記クロックから形成するとともに前記通過制御信号を引き延ばす遅延手段を有することを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサ。
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