JP4236271B2

JP4236271B2 - 光電変換装置

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Publication number: JP4236271B2
Application number: JP2006008660A
Authority: JP
Inventors: 開小塚
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2016-01-24
Also published as: JP2006109530A

Description

本発明は、光電変換装置に関し、例えばファクシミリ、デジタル複写機あるいはＸ線撮像装置等の読み取りを行う一次元及び二次元の光電変換装置に関し、特に光センサのリセット動作に起因するランダムノイズの除去に関するものである。

従来、ファクシミリ、デジタル複写機等の画像読取系や、ビデオカメラ、ディジタルカメラ等の撮像デバイスとして、主にＣＣＤが用いられてきたが、近年、ＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタの増幅機能を画素単位で有する、いわゆる増幅型の光電変換装置の開発も盛んに行なわれている。

増幅型光電変換装置において、高感度化を実現する為には、ノイズの除去が重要となるが、このノイズ除去に関して、従来、いくつかの提案が為されている。

［従来例１］
図６は、バイポーラトランジスタを光センサとして各画素に有する１次元の光電変換装置の回路図、及びそのタイミングチャートである（テレビジョン学会誌Vol.47,No.9(1993)pp.1180より（非特許文献１））。

この光電変換装置の動作を以下に説明する。スタートパルス（ＳＰ）が入力されると、蓄積容量Ｃ_TS，Ｃ_TNがリセットされ、続いてセンサノイズを含む光信号をＣ_TSに転送する。

その後、光センサのリセット動作を行ない、そのセンサノイズを含む暗時の出力をＣ_TNに転送する。再びセンサをリセットして蓄積動作に入る。それと同時に１チップ目のシフトレジスタが走査を開始し、Ｃ_TS，Ｃ_TNのデータをそれぞれ１チップ目の共通出力線であるＣ_HS，Ｃ_HNに容量分割にて出力する。出力された信号は、それぞれボルテージフォロワを介して差動アンプに入力され、ＩＣの出力としてセンサノイズのない信号が得られる。

なお、ここでいうセンサリセットノイズとは、各画素の光センサとなるバイポーラトランジスタのｈ_FEや、ベース／コレクタ間容量Ｃ_bcのバラツキに起因するＦＰＮ（Fixed Pattern noise）を指す。すなわち、ｈ_FEやＣ_bcのバラツキにより、φＥＲＳによるエミッタリセット後のエミッタ電位が、画素ごとにばらつく為、それが通常の読み出しにおいては、オフセットとして現われるが、この方式により、そのオフセットが除去できるため、ＦＰＮが低減できる。

［従来例２］
また、他の従来例として、特開平１−１５４６７８号公報には、図７及び図８に示すような固体撮像装置が提案されている（特許文献１）。

同図において、入射光によって生じ、各ホトダイオード１０１に蓄積された信号電荷の出力は、次の手順で行われる。装置の出力の水平帰線期間の始めに、次ぎに読み出すべき水平方向一列のホトダイオード１０１が選択されると、その一列に対応したリセット線１０６がオン、オフし、リセットスイッチ１０３によるリセットを行った後、次いでドレイン線１０７がオンすると、この一列の各画素アンプ１０４はソースフォロアのドライバトランジスタとして動作する。

このときの各ソースフォロアの出力は、信号電荷の無い場合のアンプ出力であり、ゲート線１１６がオン、オフすることによって、この出力電圧はゲートスイッチ１０９を介して蓄積容量１１１へと記憶される。

次いで、この水平方向一列に対応した垂直ゲート線１０５がオン、オフし、信号電荷が各画素アンプ１０４のゲートに加わると、各ソースフォロアの出力は、信号電荷の量に対応した値をとる。ここでゲート線１１７をオン、オフすることによってこの出力電圧はここでゲートスイッチ１１０を介して蓄積容量１１２へと記憶される。

水平帰線期間内の動作は以上であり、水平走査出力期間内には、水平レジスタ１２２が各画素に対応する水平ゲートスイッチ１１３、１１４を順次開閉走査することにより、蓄積容量１１１、１１２に蓄えられていたソースフォロア出力電荷は水平信号線１２０より順次出力される。

蓄積容量１１１、１１２に蓄えられていた出力電荷は、１個の画素アンプ１０４についての、リセット時と信号電荷入力時の両者の場合の出力を時間的に連続して得たものであり、さらにこれら両出力の差分をとることにより、複数のソースフォロアの入力オフセットばらつきに起因する雑音、及びソースフォロアの１／ｆ雑音を容易に抑圧することができる。
特開平１−１５４６７８号公報テレビジョン学会誌Vol.47,No.9(1993)pp.1180

しかしながら、前述した従来例では、光電変換手段のリセット時に生ずるリセットノイズを除去することができないという解決すべき課題があった。

このリセットノイズとは、光センサをリセットする度にリセットされた電位がゆらぐもので、ランダムノイズとして現われる。

例えば、ｐｎ接合を有するホトダイオードにおいて、光生成キャリアＱ_P をホトダイオード部の容量Ｃ_PDに蓄積し、電圧に変換する場合、光生成キャリアによる光信号電圧Ｖ_P は、
Ｖ_P ＝Ｑ_P ／Ｃ_PD ・・・・・（１）
となる。

一方リセットノイズＶ_N は、
Ｖ_N ＝√（ｋＴ／Ｃ_PD）・・・・・（２）
（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：温度（ｋ））
となる為、Ｓ／Ｎ比は、Ｖ_P ／Ｖ_N ＝Ｑ_PD・√（１／（ｋＴＣ_PD））・・・・・（３）
となる。

従って、（３）式より、Ｓ／Ｎ比を上げる為には、光センサの蓄積容量Ｃ_PDをできるだけ小さくすることが望ましいが、現実的には限界がある。一方、光電変換装置の高精細化、高速化に伴い、信号電荷Ｑ_P は、減少する方向になる為、このリセットノイズを除去することは、光電変換装置の高Ｓ／Ｎ化の重要なポイントとなる。

しかしながら、従来例１において、図６のタイミングチャートに示されるように、センサリセットを２回行なっており、読み出される光信号とノイズ信号は、異なるセンサリセットによるものとなっている。即ち、２回目のセンサリセット後に蓄積動作と光信号読み出し動作を行ない、この２回目のセンサリセット時に発生したセンサノイズＮ’を含む読み出し信号Ｓ＋Ｎ’から、１回目のセンサリセットで発生したセンサノイズＮを差し引くことで、センサノイズを除去しようとするため、センサリセットノイズの√２倍のランダムノイズが発生することになる。

また、従来例２においても、リセットスイッチ１０３によるリセット時にはゲートスイッチ１０９は閉じている状態で行なうため、ホトダイオード１０１のリセットと、リセットスイッチ１０３によるリセットは、異なるリセット動作になるため、従来例１と同様にリセットに起因するランダムノイズは、完全に除去できない。

また従来例２において、ゲートスイッチ１０９を設けない例も開示されているが、この場合も同様にセンサリセットに起因するランダムノイズが発生してしまうという問題があるということが開示されている。

すなわち、従来技術において、ＦＰＮの改善は可能となったが、いぜんとして光センサのリセット動作に起因するランダムノイズに対しては、改善されていない。

［発明の目的］
本発明の目的は、光信号蓄積と信号出力を同時に行なう１次元又は２次元の光電変換装置において、センサ部のリセット動作に起因するランダムノイズを低減することにある。

本発明の光電変換装置は、光電変換領域と、入力部が前記光電変換領域と電気的に接続された増幅用トランジスタと、前記光電変換領域及び前記増幅用トランジスタの入力部をリセットするリセット手段と、を有する光電変換手段と、スイッチと容量を含み、前記リセット手段によるリセット時に前記光電変換手段から出力されたノイズ信号と、前記光電変換領域にて光電荷蓄積後に前記光電変換手段から出力された光信号を、前記スイッチを開閉することでそれぞれ一時的に保持する信号保持手段と、前記信号保持手段に一時的に保持された前記ノイズ信号を保持する第１の保持手段と、前記信号保持手段に一時的に保持された前記光信号を保持する第２の保持手段と、前記第１及び第２の保持手段に保持された信号の差分を出力する差分手段と、を有するノイズ信号除去手段と、を備え、前記リセット手段により第１のタイミングで前記光電変換領域と前記増幅用トランジスタの入力部をリセットし、このリセットに対応する前記ノイズ信号を前記信号保持手段に保持し、前記信号保持手段に前記ノイズ信号を保持したまま、前記光電変換領域における光信号の蓄積動作と、前記第１及び第２の保持手段からの読み出しとを行い、前記リセットの際に前記信号保持手段に保持された前記ノイズ信号を第２のタイミングで前記第１の保持手段に保持し、第３のタイミングで前記光電変換領域に蓄積された電荷に基づく光信号を前記信号保持手段に保持し、前記第３のタイミングで前記信号保持手段に保持された光信号を第４のタイミングで前記第２の保持手段に保持し、前記光電変換領域が電荷蓄積を行っている期間中に、前記第２のタイミングで前記第１の保持手段に保持されたノイズ信号と、前記第４のタイミングで前記第２の保持手段に保持された光信号とを前記差分手段に入力することを特徴とする。

本発明によれば、ノイズの保持手段を持ったことにより、１回目のセンサリセット時に発生したノイズを保持した後、そのまま、光信号の蓄積動作と読み出し動作を行ない、１回目のリセットにおけるノイズと光信号の差分をとることができるため、センサリセットノイズの完全な除去ができる。

すなわち、本発明においては、センサリセットに対するノイズ信号は、蓄積期間中、ノイズ信号保持手段に保持され、光信号を読み出す前に容量Ｃ_TNに入力される。従って、センサリセットに対するノイズ信号と、光信号の差分を正味の光信号として出力することができるため、センサリセットノイズを完全に除去することが可能となる。

以下、発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の回路図及びそのタイミングチャートである。

本実施形態の光電変換装置は、図に示すように、光電変換手段となるホトダイオード１と、ＭＯＳトランジスタ３，３’と、該光電変換手段のリセット手段となるＭＯＳスイッチ２と、上記光電変換手段のリセット時のノイズ信号を保持するノイズ信号保持手段となるＭＯＳトランジスタ４，６，６’と容量（Ｃ_M ）５と、同一の上記リセット後に上記光電変換手段が蓄積した信号から上記保持しておいたノイズ信号を用いてノイズを除去するノイズ信号除去手段（７〜１６）と、を有することを特徴とする光電変換装置である。

また、上記リセット直後のノイズ信号電荷を読み出すノイズ信号読み出し手段としてのＭＯＳスイッチ７，容量（Ｃ_TN）９と、光信号蓄積後の光信号電荷を読み出す光信号読み出し手段としてのＭＯＳスイッチ８，容量（Ｃ_TS）１０と、上記ノイズ信号読み出し手段のノイズ信号と上記光信号読み出し手段の光信号を順次走査する走査手段となるシフトレジスタ１３と、上記走査手段により、上記ノイズ信号読み出し手段（７，９）、及び光信号読み出し手段（８，１０）から、信号を読み出すと同時に、上記光電変換手段で光信号蓄積を行なう光電変換装置において、上記リセット直後のノイズ信号を、前記同一のリセット後蓄積された上記光信号を上記光信号読み出し手段（８，１０）に読み出す前まで保持するノイズ信号保持手段（４，５，６，６’）と、上記保持しておいたリセット直後のノイズ信号と、上記同一のリセット後の上記光信号との差分を出力する手段となるバッファアンプ１４，１４’，及び差動アンプ１５と、を有することを特徴とする光電変換装置である。

ここで、ＭＯＳトランジスタ６，６’、及び３，３’は、各々ＭＯＳソースフォロアを形成している。

また、バッファアンプ１４，１４’の入力１６，１６’が共通出力線であり、バッファアンプ１４，１４’及び差動アンプ１５以外は、ビット分有することになる。

また、本実施形態においては、図に示す部分を全て、同一半導体基板上に形成している。

以下、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、スタートパルスＳＰが入力されると、最初に、光信号、及びノイズ信号蓄積用の容量Ｃ_TS１０及びＣ_TN９がリセットされる。

続いて、駆動パルスφＴＮをＯＮし、容量Ｃ_M５に保持されていたノイズ信号を容量Ｃ_TN９に読み出す。この時、容量Ｃ_M ５から読み出されるノイズ信号は、前のフィールドにおいて、センサがリセットされた直後のノイズ信号である。容量Ｃ_TN９にノイズ信号が読み出された後、駆動パルスφＴ１をＯＮし、光信号を容量Ｃ_M ５に読み出し、更に駆動パルスφＴＳをＯＮして容量Ｃ_TS１０に光信号を読み出す。

その後、駆動パルスφＲをＯＮしてセンサリセットを行ない、続いて駆動パルスφＴ１をＯＮし、センサリセット直後の信号を、ノイズ信号として容量Ｃ_M ５に読み出し、センサは、蓄積を開始する。

そして、センサが蓄積を行なうのと同時に、容量Ｃ_TS１０、容量Ｃ_TN９に保持された光信号、及びノイズ信号は、順次、共通出力線に出力され、最終的には、光信号とノイズ信号が、不図示の差分回路等により差分され、正味の光信号として出力されることになる。

従って、本発明においては、タイミングチャート中に示す（１）のセンサリセットに対するノイズ信号は、蓄積期間中、容量Ｃ_M ５に保持され（Ａ）、光信号を読み出す前に容量Ｃ_TN９に入力される（Ａ’）。従って、（１）の同一のセンサリセットに対するノイズ信号（Ａ’）と、光信号（Ｂ’）の差分を正味の光信号として出力することができるため、センサリセットノイズを完全に除去することが可能となる。

また、ノイズ除去手段としては、上述した実施形態に限定されることはなく、例えば、クランプ回路等を用いることも可能である。

また、特願昭６１−２１９６６６号に開示されているように、差分回路としては、センサ信号を保持する回路と基準信号を保持する回路と、それらの差信号を出力する差動アンプを用いることもできる。

［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態を示す回路図及びタイミングチャートである。

本実施形態では、バイポーラトランジスタ１’による光電変換手段を用いた点が、第１の実施形態とは異なる。本実施形態でも、点線で囲った部分がノイズ信号保持手段となり、その構成は第１の実施形態と同じである。

以下、タイミングチャートに沿って、動作を説明する。

不図示のスタートパルスが入力されると、まず、駆動パルスφＣＲがＯＮし、光信号蓄積用容量Ｃ_TS１０及びノイズ信号蓄積用容量Ｃ_TN９がリセットされる。

次に、駆動パルスφＴＮをＯＮしてノイズ信号を容量Ｃ_TN９に読み出す。

次に、駆動パルスφＴ１をＯＮして光信号を容量Ｃ_M ５に読み出す。

次に、駆動パルスφＴＳをＯＮして光信号を容量Ｃ_TS１０に読み出す。

次に、駆動パルスφＢＲＳをＯＮして、バイポーラトランジスタ１’のベースをＶ_BBにクランプリセットし、更に、駆動パルスφＥＲＳをＯＮすることで、センサリセットを行なう。

次に、駆動パルスφＴ１をＯＮして、センサリセット時に発生したノイズ信号を容量Ｃ_M ５に入力する。その後、センサの蓄積動作を行なう。

そして、センサが蓄積を行なうのと同時に、容量Ｃ_TS１０、容量Ｃ_TN９に保持された光信号、及びノイズ信号は、順次、共通出力線に出力され、最終的には、光信号とノイズ信号が、差分回路１５により差分され、正味の光信号として出力されることになる。

従って、本発明においても、センサリセットに対するノイズ信号は、蓄積期間中、容量Ｃ_M ５に保持され、光信号を読み出す前に容量Ｃ_TN９に入力される。従って、同一のセンサリセットに対するノイズ信号と、光信号の差分を正味の光信号として出力することができるため、センサリセットノイズを完全に除去することが可能となる。

なお、ノイズ保持用の容量Ｃ_M ５は、無くても良く、その場合は、配線や素子の寄生容量を容量Ｃ_M ５の代わりとして利用することができる。

また、本実施形態においては、差動アンプ１５以外を、同一半導体基板に形成している。

［第３の実施形態］
図３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及びそのタイミングチャートである。

図において、１はホトダイオードであり、点線で囲った部分は、本発明の特徴となるノイズ信号保持手段であり、ノイズ信号を保持するための容量Ｃ_M ５と、ＭＯＳトランジスタ・スイッチ４、１６、１７と、ＭＯＳトランジスタのソースフォロア回路６，６’とから構成されている。また、光信号蓄積用容量Ｃ_TS１０及びノイズ信号蓄積用容量Ｃ_TN９を有している。

まず、不図示のスタートパルスＳＰが入力されると、最初に、駆動パルスφＣＲがＯＮされて光信号蓄積用の容量Ｃ_TS１０、及びノイズ信号蓄積用の容量Ｃ_TN９がリセットされる。

続いて、駆動パルスφＴ２をＯＮし、このＯＮ期間中に駆動パルスφＴＮをＯＮし、ノイズ信号を容量Ｃ_TN９に入力する。

次に、駆動パルスφＲ２をＯＮして、ソースフォロア６，６’をリセットする。

次に、駆動パルスφＴ１をＯＮして、光信号を容量Ｃ_M ５に入力する。

続いて、駆動パルスφＴ２をＯＮし、このＯＮ期間中に駆動パルスφＴＳをＯＮし、光信号を容量Ｃ_TS１０に入力する。

その後、駆動パルスφＲ１及び駆動パルスφＲ２をＯＮしてセンサリセット及びソースフォロアリセットを行ない、続いて駆動パルスφＴ１をＯＮし、センサリセット直後の信号を、ノイズ信号として容量Ｃ_M ５に読み出し、センサは、蓄積動作を開始する。

そして、センサが蓄積を行なうのと同時に、容量Ｃ_TS１０、容量Ｃ_TN９に保持された光信号、及びノイズ信号は、順次、共通出力線に出力され、最終的には、光信号とノイズ信号が、不図示の差分回路により差分され、正味の光信号として出力されることになる。

［第４の実施形態］
図４は、本発明の第４の実施形態を示す回路図であり、図５は、そのタイミングチャートである。本実施形態では、前述した本発明の光電変換素子の複数個を２次元状に配列して、水平シフトレジスタＨ．Ｓ．Ｒ．及び垂直シフトレジスタＶ．Ｓ．Ｒ．を接続した画像読取装置を示すものである。

図に示すように、各画素は、光電変換手段としてのホトダイオードと、ノイズ信号保持手段として、ＭＯＳトランジスタスイッチ４３とソースフォロアとされたＭＯＳトランジスタ４４とを持ち、ＭＯＳトランジスタ４４のゲート容量を前述したノイズ保持用容量として用いている。

また、複数個の画素に対して１個ずつの前述した光信号蓄積用容量Ｃ_TS及びノイズ信号蓄積用容量Ｃ_TNが接続されている。

まず、不図示のスタートパルスＳＰが入力されると、最初に、光信号、及びノイズ信号蓄積用の容量Ｃ_TS及び容量Ｃ_TNがリセットされる。

続いて、駆動パルスφＴＮをＯＮし、ノイズ信号をＭＯＳトランジスタ４４のゲート容量から容量Ｃ_TNに読み出し、更に駆動パルスφＴＳをＯＮして容量Ｃ_TSに光信号を読み出す。

その後、駆動パルスφＲをＯＮしてセンサリセットを行ない、続いて駆動パルスφＴ１をＯＮし、センサリセット直後の信号を、ＭＯＳトランジスタ４２のソースフォロアを介してＭＯＳトランジスタ４４のゲート容量に読み出し、センサは、蓄積を開始する。

そして、センサが蓄積を行なうのと同時に、容量Ｃ_TS、容量Ｃ_TNに保持された光信号、及びノイズ信号は、順次、共通出力線に出力され、最終的には、光信号とノイズ信号が、不図示の差分回路により差分され、正味の光信号として出力されることになる。

従って、本発明においては、センサリセットに対するノイズ信号は、蓄積期間中、ＭＯＳトランジスタ４４のゲート容量に保持され、光信号を読み出す前に容量Ｃ_TNに入力される。従って、同一のセンサリセットに対するノイズ信号と、光信号の差分を正味の光信号として出力することができるため、センサリセットノイズを完全に除去することが可能となる。

また、本実施形態のようなエリアセンサ等においては、開口率を向上させる為に、ホトダイオード４０として、例えば、アモルファスシリコンのような光導電膜を半導体基板上に積層して用いても良い。

本発明の第１の実施形態の回路図及びその動作を示すタイミングチャートである。本発明の第２の実施形態の回路図及びその動作を示すタイミングチャートである。本発明の第３の実施形態の回路図及びその動作を示すタイミングチャートである。本発明の第４実施形態の回路図である。本発明の第４実施形態の回路の動作を示すタイミングチャートである。従来例１の回路図及びその動作を示すタイミングチャートである。従来例２の回路図である。従来例２の回路図である。

符号の説明

１光センサ（ホトダイオード）
１’ 光センサ（バイポーラトランジスタ）
２，３，３’，４，６，６’，７，８，１１，１２ＭＯＳトランジスタ
５ノイズ信号保持用容量Ｃ_M
９ノイズ信号蓄積用容量Ｃ_TN
１０光信号蓄積用容量Ｃ_TS
１３シフトレジスタ
１４，１４’ バッファアンプ
１５差動アンプ
１６，１６’ 共通出力線
４０ホトダイオード
４２，４３，４４，４５，４６ＭＯＳトランジスタ
１０１ホトダイオード
１０３リセットスイッチ
１０４画素アンプ
１０５垂直ゲート線
１０６リセット線
１０７ドレイン線
１０９，１１０ゲートスイッチ
１１１，１１２蓄積容量
１１３，１１４水平ゲートスイッチ
１１６ゲート線
１１７ゲート線
１２０水平信号線
１２２水平レジスタ

Claims

光電変換領域と、入力部が前記光電変換領域と電気的に接続された増幅用トランジスタと、前記光電変換領域及び前記増幅用トランジスタの入力部をリセットするリセット手段と、を有する光電変換手段と、
スイッチと容量を含み、前記リセット手段によるリセット時に前記光電変換手段から出力されたノイズ信号と、前記光電変換領域にて光電荷蓄積後に前記光電変換手段から出力された光信号を、前記スイッチを開閉することでそれぞれ一時的に保持する信号保持手段と、
前記信号保持手段に一時的に保持された前記ノイズ信号を保持する第１の保持手段と、前記信号保持手段に一時的に保持された前記光信号を保持する第２の保持手段と、前記第１及び第２の保持手段に保持された信号の差分を出力する差分手段と、を有するノイズ信号除去手段と、を備え、
前記リセット手段により第１のタイミングで前記光電変換領域と前記増幅用トランジスタの入力部をリセットし、このリセットに対応する前記ノイズ信号を前記信号保持手段に保持し、
前記信号保持手段に前記ノイズ信号を保持したまま、前記光電変換領域における光信号の蓄積動作と、前記第１及び第２の保持手段からの読み出しとを行い、前記リセットの際に前記信号保持手段に保持された前記ノイズ信号を第２のタイミングで前記第１の保持手段に保持し、
第３のタイミングで前記光電変換領域に蓄積された電荷に基づく光信号を前記信号保持手段に保持し、
前記第３のタイミングで前記信号保持手段に保持された光信号を第４のタイミングで前記第２の保持手段に保持し、
前記光電変換領域が電荷蓄積を行っている期間中に、前記第２のタイミングで前記第１の保持手段に保持されたノイズ信号と、前記第４のタイミングで前記第２の保持手段に保持された光信号とを前記差分手段に入力することを特徴とする光電変換装置。
前記第１の保持手段は、前記信号保持手段から受けた前記ノイズ信号を蓄積するノイズ信号蓄積容量、前記第２の保持手段は、前記信号保持手段から受けた前記光信号を蓄積する光信号蓄積容量であることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
前記スイッチはＭＯＳスイッチであり、
前記信号保持手段は、前記容量に保持された信号を増幅するＭＯＳソースフォロワをさらに有することを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載の光電変換装置。