JP5296417B2 - 光電変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射光を電気信号に変換する光電変換装置に関する。

ファクシミリやイメージスキャナ等の画像読取装置はイメージセンサを用いている。イメージセンサは光電変換装置を用いている。光電変換装置は画素数に対応する複数個の光電変換ブロックを用いている。図５は、従来の光電変換ブロックを示す回路図である。

光電変換ブロック５０は、信号φＲ用端子（図示せず）、信号φＴ用端子（図示せず）、信号φＳＣＨ用端子（図示せず）及びノードＣ〜Ｆを有する。また、光電変換ブロック５０は、光電変換素子５１、リセットスイッチ５２、アンプ５３、転送スイッチ５４、容量５５、ドライバ回路５６及びチャンネル選択スイッチ５７を有する。なお、ノードＥは、共通読出線（図示せず）に接続される。

信号φＲがハイになり、リセットスイッチ５２がオンすることにより、光電変換素子５１の出力電圧はリセット電圧Ｖｒｓｔにリセットされる。信号φＴがハイになり、転送スイッチ５４がオンすることにより、この受光前のリセット電圧Ｖｒｓｔはアンプ５３で増幅されて容量５５に転送されて蓄積される。蓄積後に、信号φＴがローになり、転送スイッチ５４はオフする。信号φＳＣＨがハイになり、チャンネル選択スイッチ５７がオンすることにより、容量５５に蓄積された受光前のアンプ５３の出力電圧（リセット電圧Ｖｒｓｔ）が共通読出線に読み出される。

出力電圧をリセット電圧Ｖｒｓｔにリセットされた光電変換素子５１は、入射光を受光すると、受光された光量に基づき、出力電圧を低くする。光電変換素子５１が所定時間受光すると、信号φＴがハイになり、転送スイッチ５４がオンすることにより、この受光後の出力電圧はアンプ５３で増幅されて容量５５に転送されて蓄積される。蓄積後に、信号φＴがローになり、転送スイッチ５４はオフする。信号φＳＣＨがハイになり、チャンネル選択スイッチ５７がオンすることにより、容量５５に蓄積された受光後のアンプ５３の出力電圧（光電変換素子５１の出力電圧）が共通読出線に読み出される。

上記のように、光電変換装置は、受光前のリセット電圧Ｖｒｓｔと受光後の出力電圧との差分電圧を検出し、画像の読み取りを行う（例えば、特許文献１参照）。

ここで、近年、画像の読み取りが高速で行われるように、例えば、画像の読み取りが２倍速で行われるように、共通読出線が２本用意され、複数個の光電変換ブロック５０のノードＥが一の共通読出線と他の共通読出線とに交互に接続されてパラレル出力を行うことがある。

また、画像の解像度切換が実現されるように、例えば、５０％の解像度と１００％の解像度とが切り換えられるように、複数個の光電変換ブロック５０のチャンネル選択スイッチ５７が１個ずつオンしていくモードと、２個ずつオンしていって隣り合う２個の光電変換ブロック５０のノードＥの電圧が同一の共通読出線で平均化されるモードと、の２個のモードが設けられることがある。
特開２００４−２８２７１６号公報

しかし、前者の画像の高速読み取りが実現されると、隣り合う２個の光電変換ブロック５０のノードＥの接続先の共通読出線は異なる。よって、これらのノードＥの電圧は同一の共通読出線で平均化されることができないので、後者の画像の解像度切換は実現されない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされ、画像の高速読み取り及び解像度切換を両立できる光電変換装置を提供する。

本発明は、上記課題を解決するため、以下のような構成とした。
複数個の光電変換ブロックと、前記複数個の光電変換ブロックに接続され解像度を制御する複数本の共通制御線と、前記複数個の光電変換ブロックの出力端子に接続され高速読み出しを可能にする複数本の共通読出線と、を備え、入射光を電気信号に変換する光電変換装置であって、
前記光電変換ブロックは、
受光した光量に基づき、出力電圧を変化させる光電変換素子と、
オンすることにより、前記光電変換素子の出力電圧をリセット電圧にリセットするリセットスイッチと、
前記光電変換素子の出力電圧に基づいた電圧を蓄積する容量と、
前記光電変換素子と前記容量の間に設けられ、前記光電変換素子の出力電圧に基づいた電圧を転送する第１転送スイッチ及び第２転送スイッチと、
前記第１転送スイッチと前記第２転送スイッチの間に設けられ、他の光電変換ブロックの前記光電変換素子の出力電圧に基づいた電圧を受信する受信端子と、
前記光電変換素子の出力電圧に基づいた電圧を他の光電変換ブロックに送信する送信端子と、
前記光電変換素子と前記送信端子の間に設けられた送信用スイッチと、
前記容量に蓄積された電圧を共通読出線に読み出すチャンネル選択スイッチと、
を備えることを特徴とする光電変換装置。

本発明では、光電変換装置が複数本の共通読出線を備えるので、その分、パラレル出力が行われ、画像の読み取りが高速で行われる。

また、光電変換ブロックは他の光電変換ブロックと通信できるので、隣り合う複数個の光電変換ブロックの出力端子の接続先の共通読出線が同一になることができる。よって、これらの出力端子の電圧は同一の共通読出線で平均化されることができるので、画像の解像度切換が実現される。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

まず、光電変換ブロックの構成について説明する。図１は、光電変換ブロックを示す回路図である。図２は、光電変換ブロックを示す回路図である。

［要素］
光電変換ブロック１０は、信号φＲ用端子（図示せず）、信号φＡ用端子（図示せず）、信号φＢ用端子（図示せず）、信号φＴ用端子（図示せず）、信号φＳＣＨ用端子（図示せず）及びノードＡ〜Ｆを有する。また、光電変換ブロック１０は、光電変換素子１１、リセットスイッチ１２、アンプ１３、転送スイッチ１４、送信用スイッチ１５、転送スイッチ１６、容量１７、ドライバ回路１８及びチャンネル選択スイッチ１９を有する。

［要素の接続状況］
光電変換素子１１は、ノードＣと接地端子との間に設けられる。リセットスイッチ１２は、ノードＣとノードＦとの間に設けられる。アンプ１３は、入力端子をノードＣに接続され、出力端子をノードＡに転送スイッチ１４を介して接続され、さらに、出力端子を
ノードＢに送信用スイッチ１５を介して接続される。転送スイッチ１６は、ノードＡとノードＤとの間に設けられる。容量１７は、ノードＤと接地端子との間に設けられる。ドライバ回路１８は、入力端子をノードＤに接続され、出力端子をノードＥにチャンネル選択スイッチ１９を介して接続される。なお、ノードＥは、一の共通読出線（図示せず）または他の共通読出線（図示せず）に接続される。

［光電変換素子１１内部］
光電変換素子１１は、フォトダイオードである。フォトダイオードは、アノードを接地端子に接続され、カソードをノードＣに接続される。

また、光電変換素子１１ａは、図２に示すように、フォトトランジスタであっても良い。フォトトランジスタは、ベースをノードＦにリセットスイッチ１２を介して接続され、エミッタをノードＣに接続され、コレクタを接地端子に接続される。この時、アンプ１３は、削除される。

［ドライバ回路１８内部］
ドライバ回路１８は、ソースフォロア回路であり、ＮＭＯＳトランジスタを有する。ＮＭＯＳトランジスタは、ゲートをノードＤに接続され、ソースをノードＥにチャンネル選択スイッチ１９を介して接続され、ドレインを電源端子に接続される。

また、ドライバ回路１８は、図示しないが、バッファ回路でも良く、アンプを有しても良い。アンプは、バッファ接続される。

次に、光電変換ブロック１０の動作について説明する。

［信号φＡがハイになり、転送スイッチ１４がオンし、信号φＢがローになり、送信用スイッチ１５がオフする時の動作（動作１）］
信号φＲがハイになり、リセットスイッチ１２がオンすることにより、光電変換素子１１の出力電圧はリセット電圧Ｖｒｓｔにリセットされる。信号φＴがハイになり、転送スイッチ１６がオンすることにより、この受光前のリセット電圧Ｖｒｓｔはアンプ１３で増幅されて容量１７に転送されて蓄積される。蓄積後に、信号φＴがローになり、転送スイッチ１６はオフする。信号φＳＣＨがハイになり、チャンネル選択スイッチ１９オンすることにより、容量１７に蓄積された受光前のアンプ１３の出力電圧（リセット電圧Ｖｒｓｔ）が一の共通読出線または他の共通読出線に読み出される。

出力電圧をリセット電圧Ｖｒｓｔにリセットされた光電変換素子１１は、入射光を受光すると、受光された光量に基づき、出力電圧を低くする。光電変換素子１１が所定時間受光すると、信号φＴがハイになり、転送スイッチ１６がオンすることにより、この受光後の出力電圧はアンプ１３で増幅されて容量１７に転送されて蓄積される。蓄積後に、信号φＴがローになり、転送スイッチ１６はオフする。信号φＳＣＨがハイになり、チャンネル選択スイッチ１９がオンすることにより、容量１７に蓄積された受光後のアンプ１３の出力電圧（光電変換素子１１の出力電圧）が一の共通読出線または他の共通読出線に読み出される。

上記のように、光電変換装置は、受光前のリセット電圧Ｖｒｓｔと受光後の出力電圧との差分電圧を検出し、画像の読み取りを行う。

［信号φＡがローになり、転送スイッチ１４がオフし、信号φＢがハイになり、送信
用スイッチ１５がオンする時の動作（動作２）］
信号φＲがハイになり、リセットスイッチ１２がオンすることにより、光電変換素子１１の出力電圧はリセット電圧Ｖｒｓｔにリセットされる。この受光前のリセット電圧Ｖｒｓｔはアンプ１３で増幅されてノードＢから出力する。

出力電圧をリセット電圧Ｖｒｓｔにリセットされた光電変換素子１１は、入射光を受光すると、受光された光量に基づき、出力電圧を低くする。光電変換素子１１が所定時間受光すると、この受光後の出力電圧はアンプ１３で増幅されてノードＢから出力する。

次に、光電変換装置の構成について説明する。図３は、光電変換装置を示す回路図である。

［要素］
光電変換装置は、画素数に対応する複数個の光電変換ブロック１０を備える。また、光電変換装置は、共通読出線２０、共通読出線３０、共通制御線４０及び共通制御線５０を備える。ここで、図３上、左端から４個の光電変換ブロック１０を左端から順番に第一〜第四の光電変換ブロック１０を呼ぶ。

［要素の接続状況］
第一の光電変換ブロック１０は、信号φＡ端子を共通制御線４０に接続され、信号φＢ端子を共通制御線５０に接続され、ノードＡとノードＢとを相互に接続し、ノードＥを共通読出線２０に接続される。第二の光電変換ブロック１０は、信号φＡ端子を共通制御線５０に接続され、信号φＢ端子を共通制御線４０に接続され、ノードＡを第三の光電変換ブロック１０のノードＢに接続され、ノードＢを第三の光電変換ブロック１０のノードＡに接続され、ノードＥを共通読出線３０に接続される。第三の光電変換ブロック１０は、信号φＡ端子を共通制御線５０に接続され、信号φＢ端子を共通制御線４０に接続され、ノードＥを共通読出線２０に接続される。第四の光電変換ブロック１０は、信号φＡ端子を共通制御線４０に接続され、信号φＢ端子を共通制御線５０に接続され、ノードＡとノードＢとを相互に接続し、ノードＥを共通読出線３０に接続される。全ての複数個の光電変換ブロック１０において、上記の接続状況が繰り返される。

［転送スイッチ１４及びノードＡ、及び、送信用スイッチ１５及びノードＢの機能］
オフした転送スイッチ１４及びノードＡは、他の光電変換ブロック１０のアンプ１３の出力電圧を他の光電変換ブロック１０から受信する。オンした送信用スイッチ１５及びノードＢは、この光電変換ブロック１０のアンプ１３の出力電圧を他の光電変換ブロック１０に送信する。

［共通制御線４０及び共通制御線５０の機能］
共通制御線４０及び共通制御線５０は、複数個の光電変換ブロック１０における転送スイッチ１４及び送信用スイッチ１５を制御し、光電変換装置の解像度を制御する。具体的には、共通制御線４０の電圧がハイになって共通制御線５０の電圧がローになると、転送スイッチ１４がオフになって送信用スイッチ１５がオンになり、光電変換装置の解像度は５０％になる。共通制御線４０の電圧がローになって共通制御線５０の電圧がハイになると、転送スイッチ１４がオンになって送信用スイッチ１５がオフになり、光電変換装置の解像度は１００％になる。

次に、光電変換装置の動作について説明する。

［共通制御線４０の電圧がハイになり、共通制御線５０の電圧がローになる時の動作（動作Ａ）］
この時、第一及び第四の光電変換ブロック１０は上記の動作１を行い、第二〜第三の光電変換ブロック１０は上記の動作２を行う。各光電変換ブロック１０の信号φＳＣＨは、各光電変換ブロック１０のチャンネル選択スイッチ１９が４個ずつオンしていくよう制御される。

すると、第一の光電変換ブロック１０のアンプ１３の出力電圧は、第一の光電変換ブロック１０のノードＥから出力する。また、第二の光電変換ブロック１０のアンプ１３の出力電圧は、転送スイッチ１４がオフであるので、第二の光電変換ブロック１０のノードＥから出力せず、送信用スイッチ１５がオンであるので、第三の光電変換ブロック１０のノードＥから出力する。よって、隣り合う２個の第一〜第二の光電変換ブロック１０のノードＥの電圧が共通読出線２０で平均化される。

また、第三の光電変換ブロック１０のアンプ１３の出力電圧は、転送スイッチ１４がオフであるので、第三の光電変換ブロック１０のノードＥから出力せず、送信用スイッチ１５がオンであるので、第二の光電変換ブロック１０のノードＥから出力する。また、第四の光電変換ブロック１０のアンプ１３の出力電圧は、第四の光電変換ブロック１０のノードＥから出力する。よって、隣り合う２個の第三〜第四の光電変換ブロック１０のノードＥの電圧が共通読出線３０で平均化される。

つまり、光電変換装置の解像度は、５０％になる。

［共通制御線４０の電圧がローになり、共通制御線５０の電圧がハイになる時の動作（動作Ｂ）］
この時、第一〜第四の光電変換ブロック１０は上記の動作１を行う。各光電変換ブロック１０の信号φＳＣＨは、各光電変換ブロック１０のチャンネル選択スイッチ１９が２個ずつオンしていくよう制御される。

つまり、光電変換装置の解像度は、動作Ａよりも良くなり、１００％になる。

このようにすると、光電変換装置が複数本の共通読出線を備えるので、その分、パラレル出力が行われ、画像の読み取りが高速で行われる。

また、光電変換ブロック１０は他の光電変換ブロック１０と通信できるので、隣り合う複数個の光電変換ブロック１０のノードＥの接続先の共通読出線が同一になることができる。よって、これらのノードＥの電圧は同一の共通読出線で平均化されることができるので、画像の解像度切換が実現される。

なお、各光電変換ブロック１０内部にドライバ回路１８がそれぞれ設けられているが、これらのドライバ回路１８が削除されても良い。この時、ドライバ回路は、図示しないが、共通読出線２０及び共通読出線３０に挿入される。

また、上記の説明では、共通読出線が２本あって解像度は２種類存在するが、これに限定されない。この時、光電変換装置の共通制御線の本数、及び、光電変換装置の共通読出線の本数が適宜回路設計される。

また、複数個の光電変換ブロック１０のノードＥは、共通読出線２０と共通読出線３０とに交互に接続されてパラレル出力を行っているが、図４に示すように、１本の共通読出線に接続されてシリアル出力を行っても良い。この時、各光電変換ブロック１０において、ノードＡとノードＢとは接続される。

また、上記の光電変換装置は、ラインイメージセンサやエリアイメージセンサに用いられる。

また、図１では、ノードＣと接地端子との間にフォトダイオードが設けられ、光電変換素子１１は入射光を受光すると受光された光量に基づいて出力電圧を低くする。しかし、図示しないが、電源端子とノードＣとの間にフォトダイオードが設けられ、光電変換素子１１は入射光を受光すると受光された光量に基づいて出力電圧を高くしても良い。

また、図２では、ノードＣと接地端子との間にフォトトランジスタが設けられ、光電変換素子１１ａは入射光を受光すると受光された光量に基づいて出力電圧を低くする。しかし、図示しないが、電源端子とノードＣとの間にフォトトランジスタが設けられ、光電変換素子１１ａは入射光を受光すると受光された光量に基づいて出力電圧を高くしても良い。

光電変換ブロックを示す回路図である。 光電変換ブロックを示す回路図である。 光電変換装置を示す回路図である。 光電変換装置を示す回路図である。 従来の光電変換ブロックを示す回路図である。

符号の説明

Ａ〜Ｆ……ノード １１……光電変換素子
１２……リセットスイッチ １３……アンプ
１４……受信用スイッチ １５……送信用スイッチ
１６……転送スイッチ １７……容量
１８……ドライバ回路 １９……チャンネル選択スイッチ

Claims (1)

1. 複数個の光電変換ブロックと、前記複数個の光電変換ブロックに接続され解像度を制御する複数本の共通制御線と、前記複数個の光電変換ブロックの出力端子に接続され高速読み出しを可能にする複数本の共通読出線と、を備え、入射光を電気信号に変換する光電変換装置であって、
   前記光電変換ブロックは、
   受光した光量に基づき、出力電圧を変化させる光電変換素子と、
   オンすることにより、前記光電変換素子の出力電圧をリセット電圧にリセットするリセットスイッチと、
   前記光電変換素子の出力電圧に基づいた電圧を蓄積する容量と、
   前記光電変換素子と前記容量の間に設けられ、前記光電変換素子の出力電圧に基づいた電圧を転送する第１転送スイッチ及び第２転送スイッチと、
   前記第１転送スイッチと前記第２転送スイッチの間に設けられ、他の光電変換ブロックの前記光電変換素子の出力電圧に基づいた電圧を受信する受信端子と、
   前記光電変換素子の出力電圧に基づいた電圧を他の光電変換ブロックに送信する送信端子と、
   前記光電変換素子と前記送信端子の間に設けられた送信用スイッチと、
   前記容量に蓄積された電圧を共通読出線に読み出すチャンネル選択スイッチと、
   を備えることを特徴とする光電変換装置。

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