以下に添付図面を参照して、撮像装置、画像読取装置、画像形成装置、および撮像装置の駆動方法の実施の形態を詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1に、比較例となる一括露光方式の撮像装置のR(赤)用の画素部Rの回路図を示す。なお、G(緑)用の画素部GおよびB(青)用の画素部Bも同様の構成となっている。また、図2に、比較例となる一括露光方式の撮像装置において、各画素部R,G,Bからの信号を書き込み、読み出して出力する画素出力部1の回路図を示す。この比較例となる撮像装置の場合、電荷蓄積用キャパシタとして、リセット電荷蓄積用キャパシタCRnおよび信号電荷蓄積用キャパシタCSnを有している。このため、比較例となる撮像装置は、図2に示すように書き込みスイッチトランジスタSLの他に、接続スイッチトランジスタCS_*、および接続スイッチトランジスタCR_*を備えている(*:R,G,B)。各接続スイッチトランジスタCS_*、CR_*は、RGBの各画素部(各チャンネル)の各電荷を所定のタイミングで書き込み、読み出すために、信号電荷蓄積用キャパシタCSnまたはリセット電荷蓄積用キャパシタCRnの電荷の入出力を制御する。
図3は、比較例となる撮像装置の画素出力部1、後段処理部2および信号発生部3の接続関係を示したブロック図である。信号発生部3から出力されている各種制御信号は、同一名の各トランジスタをオンオフ制御する。また、図4は、図2の構成の画素出力部1を有する比較例となる撮像装置の、1回あたりの露光から信号読み出しまでの各種信号のタイミングを示すタイミングチャートである。
図1において、電荷蓄積部である受光素子PDは、通常、埋め込み受光素子で構成される。受光素子PDは、蓄積時間内で受光した光に応じた電荷を生成する。フローティングディフュージョン領域FDは、図4の時間T80において、受光素子PDから信号電荷が転送される前に、リセットトランジスタRTによって、リセットトランジスタRTのドレイン電圧である電源電圧Vddにリセットされる。または、フローティングディフュージョン領域FDは、図示しないそれに対応するリセットトランジスタRTのソース電圧にリセットされる。
その後、図4の時間T81において、書き込みスイッチトランジスタSL、接続スイッチトランジスタCR_*を全画素部一斉にオンする。これにより、図2のリセット電荷蓄積用キャパシタCRn(*)に、リセット時のフローティングディフュージョン領域FDのリセット電荷が、全画素一斉に転送される。次に、図4の時間T82において、接続スイッチトランジスタCR_*が全画素部一斉にオフされると共に、転送トランジスタTXがオンされる。これにより、受光素子PDからの信号電荷が、リセット電荷転送後のフローティングディフュージョン領域FDに転送される。
次に、図4の時間T83において、転送トランジスタTXがオフされると共に、接続スイッチトランジスタCS_*が全画素部一斉にオンされ、信号電荷蓄積用キャパシタCSn(*)に転送される。次に、接続スイッチトランジスタCS_*が全画素部一斉にオフされ、リセット電荷および信号電荷の各電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)の一括書き込みが終了する。
次に、図4の時間T84において、読み出しスイッチトランジスタSWがオンされると同時に、接続スイッチトランジスタCR_Rがオンされる。これにより、画素部Rのリセット電荷蓄積用キャパシタCRn(R)に蓄積されているリセット電荷が、画素出力部1の出力端PIXOUTnに転送される。転送後、接続スイッチトランジスタCR_Rがオフされ、同様に今度は、図4の時間T85において、接続スイッチトランジスタCS_Rがオンされ、画素部Rの信号電荷蓄積用キャパシタCSn(R)に蓄積されている信号電荷が画素出力部1の出力端PIXOUTnに転送される。転送後、接続スイッチトランジスタCS_Rをオフする。次の画素部Gおよび画素部Bにおいても、それぞれの各電荷蓄積用キャパシタ(CRn(G),CSn(G),CRn(B),CSn(B))に蓄積されている各電荷について同様の処理が行われる(図4の時間T86、T87)。
このように、出力端PIXOUTnの電荷は、図4の時間T80〜T87までの間、読み出し画素部順に電位変動する(Rのリセット電荷→Rの信号電荷→Gのリセット電荷→Gの信号電荷→Bのリセット電荷→Bの信号電荷)。この読み出し期間の間は、読み出しスイッチトランジスタSWは全画素部共通の制御であり、読み出し画素部以外の読み出しスイッチトランジスタSWもオンしている。これは電荷の読み出しが、最終的に接続スイッチトランジスタCR_*、CS_*がオンされて制御されるためである。このため、読み出しを行わない画素部の場合、読み出しスイッチトランジスタSWがオンしていても、接続スイッチトランジスタCR_*、CS_*がオフしていれば、リセット電荷または信号電荷の読み出しは行われない。
ところで、上述の各トランジスタはnMOS(negative-channel metal oxide semiconductor)等の半導体のため、オンおよびオフの際にノイズを発生する様々な要因を含んでいる。例えば、チャージインジェクションは、トランジスタ(スイッチング素子)がオンのときに画素部を形成していた電荷(電子または正孔)がオフすることによって、そのトランジスタのソースまたはドレインに移動する現象である。また、クロックフィードスルーは、ゲート電位がオンからオフ、またはオフからオンに変化するのに伴って、ゲート−ドレイン間またはゲート−ソース間の寄生容量に起因した静電効果により電位に影響を及ぼす現象である。
特に、クロックフィードスルーは、トランジスタのゲート入力の変化スピード、つまり撮像装置の動作速度に依存しているため、高速性の妨げとなる。このため、この発生した電荷が、後から読み出される画素部に影響を与えてしまい、その分だけ、余計に電荷が出力端PIXOUTnに伝わり、結果として画素部間のクロストークが発生する。
図5に、クロックフィードスルーの現象を説明するために、画素出力部1の簡略化した回路図を示す。例えば、リセット電荷蓄積用キャパシタCRn(R)の電荷を接続スイッチトランジスタCR_R、および読み出しスイッチトランジスタSWをオンして読み出す際に、電荷は全て読みだされる。しかし、上述のクロックフィードスルーにより、ゲート電圧の変化分も各トランジスタの寄生容量を介して出力される。この変化分による電荷は、回路構成によって変化する割合で、出力端PIXOUTn、画素部Gおよび画素部Bへ伝達する。この例では、理解容易とするために、この電荷は全て次の画素部Gのリセット電荷蓄積用キャパシタCRn(G)に回り込むものとする。すなわち、図5の実線の矢印が、読み出し時にリセット電荷蓄積用キャパシタCRn(R)から出力される正規の電荷分、点線の矢印が寄生容量を介して回り込むノイズによる電荷である。
比較例となる撮像装置の場合、図4および図5に示すようにリセット電荷蓄積用キャパシタCRn(R)の電荷を、接続スイッチトランジスタCR_R、および読み出しスイッチトランジスタSWをオンにして読み出す。このため、図5に示すように、読み出しスイッチトランジスタSWが2箇所+接続スイッチトランジスタCR_Rが1箇所の計3箇所のクロックフィードスルー発生源がある。また、このとき、接続スイッチトランジスタCR_Gはオフだが、ドレイン−ソース間の反転層で形成された容量によって、寄生容量が形成されている。これらのことを等価回路で表すと、図6のようになる。例えば、ノイズによる画素部Gの信号電荷蓄積用キャパシタCSn(G)の電圧の変化分をΔVc1、図6の等価回路の各寄生容量値をC、リセット電荷蓄積用キャパシタCRn(G)の容量値を10Cとする。この場合、容量分圧により、「ΔVc1=0.070C」となる。よって、この後、画素部Gが読み出されるときに、この変化分の電荷も合わせて出力端PIXOUTnに出力されてしまう。
この例の構成では、電荷蓄積用キャパシタが、信号電荷蓄積用キャパシタCSnおよびリセット電荷蓄積用キャパシタCRnに分かれている。この場合でも、画素部Gの各電荷蓄積用キャパシタCSn、CRnにかかる変化分が均一でないと、図3の後段処理部2のCDS回路(相関二重サンプリング回路)11で差分演算されるため、最終的な出力値に影響を与えてしまう。画素部Gの読み出し時でも、画素部Bに対して同様の現象が起こる。よって、最終的な出力端PIXOUTnは、図4の時間T86,T87の実線に示すように、画素部G,Bのリセット電圧として、本来の出力レベル(点線の波形)から外れた値が出力されてしまう。
一方、出力端PIXOUTnの電位変化のスピードは、各電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)の容量値に依存する。なお、各電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)に電圧を印加すると、微少ではあるが漏れ電流が発生する。このため、各電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)の容量値は、その影響が無視できる程度の容量の大きさにしておく必要がある。
しかしながら、各電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)の容量値を大きくした場合、漏れ電流による影響は軽減されるが、出力端PIXOUTnの電位変動については、電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)の放電スピードが遅くなる。各電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)の放電スピードを高速化するために、接続スイッチトランジスタCR_*,CS_*のオン時間を短くすると、以下の問題が生ずる。この場合、各電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)に蓄積された電荷が全て放電されずに残り、本来の出力レベルに対して外れた値が出力される。図4の出力端PIXOUTnの点線の波形および実線の波形は、RおよびBの各画素部における、明時出力(電荷量に比例してフローティングディフュージョン領域FDの電位が下降するため、電位は下がる)の場合の各波形を示している。このような問題は、電荷の読み出しの際に、前チャンネル(前に読み出しを行った画素部)と次のチャンネル(次に読み出しを行った画素部)の電荷量の差が大きいほど顕著になる。
この場合、信号電荷読み出しの後、次の画素部のリセット電荷の読み出しだが、同様の原理で、図3の後段処理部2において、ADC回路10でアナログ/デジタル変換を行い、CDS回路11でCDS処理等を行うことで最終的な信号レベル出力に影響が出る。ADCは、アナログ/デジタル変換の略記である。結果的に、この前後の画素部(読み出し順に隣接する画素部)の関係が色であると、前の色のレベルに次のレベルがつられ、撮像装置の出力として色間のクロストークとなる。読み出しスイッチトランジスタSWをオンする時間を、電荷の放電が十分にできるくらい長い時間確保すると、色間のクロストークを防止することができる。しかし、電荷の放電時間を確保することで、撮像装置の高速駆動が困難となる。
このようなことから、第1の実施の形態の撮像装置は、クロストーク防止部の一例として、読み出しスイッチトランジスタSW_*(*:R,G,B)を、各画素部独立に制御する構成を有している。図7に、第1の実施の形態の撮像装置の画素出力部1のブロック図を示す。また、図8に、第1の実施の形態の撮像装置の各種信号のタイミングチャートを示す。
図8において、第1の実施の形態の撮像装置は、上述の比較例の撮像装置と同様に、時間T80〜時間T83において、リセット電荷、信号電荷の各電荷蓄積用キャパシタCRn、CSnの一括書き込みを実施する。なお、フローティングディフュージョン領域FDは、電荷検出部の一例である。次に、第1の実施の形態の撮像装置では、読み出しスイッチトランジスタSW_R、SW_G、SW_Bを独立に制御する。
まず、図3に示す信号発生部3は、図8の時間T84〜時間T86の間、読み出しスイッチトランジスタSW_Rをオンにする。この間の時間T84において、信号発生部3は、接続スイッチトランジスタCR_Rをオンする。これにより、画素部Rのリセット電荷蓄積用キャパシタCRn(R)に蓄積されているリセット電荷が、画素出力部1の出力端PIXOUTnに転送される。
このリセット電荷の転送後、信号発生部3は、接続スイッチトランジスタCR_Rをオフして、同様に今度は、図8の時間T85において、接続スイッチトランジスタCS_Rをオンする。これにより、画素部Rの信号電荷蓄積用キャパシタCSn(R)に蓄積されている信号電荷が、画素出力部1の出力端PIXOUTnに転送される。転送後、信号発生部3は、接続スイッチトランジスタCS_Rをオフする。
画素部Gの場合も同様に、信号発生部3は、図8の時間T86〜T88の間、読み出しスイッチトランジスタSW_Gをオンし、この間の時間T86で接続スイッチトランジスタCR_Gをオンする。これにより、画素部Gのリセット電荷蓄積用キャパシタCRn(G)に蓄積されているリセット電荷が、画素出力部1の出力端PIXOUTnに転送される。また、信号発生部3は、図8の時間T86〜T88の間、時間T87において、接続スイッチトランジスタCS_Gをオンする。これにより、画素部Gの信号電荷蓄積用キャパシタCSn(G)に蓄積されている信号電荷が、画素出力部1の出力端PIXOUTnに転送される。
画素部Bの場合も同様に、信号発生部3は、図8の時間T88〜T90の間、読み出しスイッチトランジスタSW_Bをオンし、この間の時間T88で接続スイッチトランジスタCR_Bをオンする。これにより、画素部Bのリセット電荷蓄積用キャパシタCRn(B)に蓄積されているリセット電荷が、画素出力部1の出力端PIXOUTnに転送される。また、信号発生部3は、図8の時間T88〜T90の間、時間T89において、接続スイッチトランジスタCS_Bをオンする。これにより、画素部Gの信号電荷蓄積用キャパシタCSn(B)に蓄積されている信号電荷が、画素出力部1の出力端PIXOUTnに転送される。
次に、図9に、第1の実施の形態の撮像装置の画素出力部1の簡略化した回路図を示す。図5と同様に画素部Rの読み出し時の画素部Gへの影響について説明する。信号電荷蓄積用キャパシタCRn(R)の電荷を、接続スイッチトランジスタCR_R、および読み出しスイッチトランジスタSW_Rをオンして読み出す際に、電荷は全て読み出されるが、このとき読み出しスイッチトランジスタSW_Gはオフしているため、ドレイン−ソース間の寄生容量とみなすことができる。このため、クロックフィードスルー発生源を、接続スイッチトランジスタCR_R、および読み出しスイッチトランジスタSW_Rの計2箇所とすることができる。この場合、等価回路としては図10のようになる。
実際に、このノイズによる画素部Gの信号電荷蓄積用キャパシタCSn(G)の電圧の変化分をΔVc2とすると、容量分圧により、「ΔVc2=0.038C」となり、従来構成での変化分のΔVc1=0.070Cから大幅に低減される。結果、この後画素部Gが読み出されるときの出力に対するクロストーク量を低減することができる。
以上の説明から明らかなように、第1の実施の形態の撮像装置は、読み出しスイッチトランジスタSW_*(*:R,G,B)を、各画素部独立に制御する。これにより、トランジスタのクロックフィードスルーのスイッチングノイズによる他画素部への電圧変動を、他画素部の読み出しトランジスタ(オフ)の寄生容量で容量分圧して低減することができる。このため、画素部間のクロストークを防止することができる。
(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態の撮像装置の説明をする。図11に、第2の実施の形態の一括露光方式の撮像装置の画素出力部1の回路図を示す。また、図12に、第2の実施の形態の撮像装置の露光→信号読み出しまでの各種信号のタイミングチャートを示す。この第2の実施の形態の撮像装置は、クロストーク防止部の一例として、各画素部RGBそれぞれにおいて、読み出しスイッチトランジスタSWの制御を画素部毎に独立制御する構成と共に、以下の構成を有する。すなわち、この撮像装置は、各画素部RGBそれぞれにおいて、各電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)とグランドGND間にスイッチトランジスタGSW_*を設けた構成を有している。
上述の第1の実施の形態の撮像装置の場合、応答性不足による画素部間クロストークの防止は困難である。これに対して、この第2の実施の形態の撮像装置は、以下に説明するように、トランジスタの寄生容量起因のクロストークと共に、応答不足によるクロストークの発生も防止している。
すなわち、第2の実施の形態の撮像装置は、信号発生部3が、図12の時間T120において、受光素子PDから信号電荷が転送される前に、リセットトランジスタRTをオンする。これにより、フローティングディフュージョン領域FDが、リセットトランジスタRTのドレイン電圧である電源電圧Vdd、またはそれに対応するリセットトランジスタRTのソース電圧にリセットされる。その後、信号発生部3が、図12の時間T121において、書き込みスイッチトランジスタSL、接続スイッチトランジスタCR_*、およびスイッチトランジスタGSW_*をオンする。これにより、リセット時のフローティングディフュージョン領域FDのリセット電荷が、リセット電荷蓄積用キャパシタCRn(*)に、全画素一斉に転送される。
なお、上述したように、一般的にMOSスイッチは、オンオフ時にチャージインジェクションおよびクロックフィードスルー等のスイッチングノイズが発生する。しかし、第2の実施の形態の撮像装置は、図13に示すように、接続スイッチトランジスタCR_*およびスイッチトランジスタGSW_*を同時にオンしている。このため、リセット電荷蓄積用キャパシタCRn(*)の両端の電位差は変わらず、ノイズを相殺することができ、出力線形性の劣化等を防止できる。
また、第2の実施の形態の撮像装置の場合、リセット電荷蓄積用キャパシタCRn(*)および後述する信号電荷蓄積用キャパシタCSn(*)の容量値は、比較例の撮像装置と比較して小さな容量値となっている。このため、リセット電荷蓄積用キャパシタCRn(*)および信号電荷蓄積用キャパシタCSn(*)は、上述の比較例の撮像装置と同様に電荷は蓄積されるが、容量値が小さくなっている分、充電のスピードが速くなっている。
次に、信号発生部3は、図12の時間T122において、接続スイッチトランジスタCRn_*、およびスイッチトランジスタGSW_*をオフにし、比較例の撮像装置と同じく転送トランジスタTXをオンする。これにより、受光素子PDからの信号電荷が、リセット電荷転送後のフローティングディフュージョン領域FDに転送される。
次に、信号発生部3は、図12の時間T123において、転送トランジスタTXをオフし、接続スイッチトランジスタCS_*、およびスイッチトランジスタGSW_*を同時にオンして、信号電荷蓄積用キャパシタCSn(*)に信号電荷を転送する。
次に、信号発生部3は、図12の時間T124において、接続スイッチトランジスタCS_*およびスイッチトランジスタGSW_*を同時にオフすると共に、書き込みスイッチトランジスタSLをオフにする。これにより、リセット電荷、信号電荷の各電荷蓄積用キャパシタCRn(*),CSn(*)の一括書き込みが終了する。
次に、信号発生部3は、図12の時間T125〜T126の間、読み出しスイッチトランジスタSW_Rをオンする。また、信号発生部3は、読み出しスイッチトランジスタSW_Rがオンしている間の時間T125において、接続スイッチトランジスタCR_RおよびスイッチトランジスタGSW_Rを同時にオンする。これにより、時間T125において、画素部Rのリセット電荷蓄積用キャパシタCRn(R)に蓄積されているリセット電荷が、画素出力部1の出力端PIXOUTnに転送される。このときも、接続スイッチトランジスタCR_RとスイッチトランジスタGSW_Rを同時にオンしているため、リセット電荷蓄積用キャパシタCRn(R)の両端の電位差は変わらず、図13に示すようにノイズを相殺することができる。
次に、信号発生部3は、接続スイッチトランジスタCR_RおよびスイッチトランジスタGSW_Rを同時にオフする。また、信号発生部3は、読み出しスイッチトランジスタSW_Rがオンしている間の時間T126において、接続スイッチトランジスタCS_RおよびスイッチトランジスタGSW_Rを同時にオンする。これにより、時間T126において、画素部Rの信号電荷蓄積用キャパシタCSn(R)に蓄積されている信号電荷が、画素出力部1の出力端PIXOUTnに転送される。転送後、信号発生部3は、接続スイッチトランジスタCS_RおよびスイッチトランジスタGSW_Rを同時にオフする。
次に、信号発生部3は、図12の時間T127〜T128の間、読み出しスイッチトランジスタSW_Gをオンする。また、信号発生部3は、読み出しスイッチトランジスタSW_Gがオンしている間の時間T127において、接続スイッチトランジスタCR_GおよびスイッチトランジスタGSW_Gを同時にオンする。これにより、時間T127において、画素部Gのリセット電荷蓄積用キャパシタCRn(G)に蓄積されているリセット電荷が、画素出力部1の出力端PIXOUTnに転送される。このときも、接続スイッチトランジスタCR_GとスイッチトランジスタGSW_Gを同時にオンしているため、リセット電荷蓄積用キャパシタCRn(G)の両端の電位差は変わらず、図13に示すようにノイズを相殺することができる。
次に、信号発生部3は、接続スイッチトランジスタCR_GおよびスイッチトランジスタGSW_Gを同時にオフする。また、信号発生部3は、読み出しスイッチトランジスタSW_Gがオンしている間の時間T128において、接続スイッチトランジスタCS_GおよびスイッチトランジスタGSW_Gを同時にオンする。これにより、時間T128において、画素部Gの信号電荷蓄積用キャパシタCSn(G)に蓄積されている信号電荷が、画素出力部1の出力端PIXOUTnに転送される。転送後、信号発生部3は、接続スイッチトランジスタCS_GおよびスイッチトランジスタGSW_Gを同時にオフする。
次に、信号発生部3は、図12の時間T129〜T130の間、読み出しスイッチトランジスタSW_Bをオンする。また、信号発生部3は、読み出しスイッチトランジスタSW_Bがオンしている間の時間T129において、接続スイッチトランジスタCR_BおよびスイッチトランジスタGSW_Bを同時にオンする。これにより、時間T129において、画素部Bのリセット電荷蓄積用キャパシタCRn(B)に蓄積されているリセット電荷が、画素出力部1の出力端PIXOUTnに転送される。このときも、接続スイッチトランジスタCR_BとスイッチトランジスタGSW_Bを同時にオンしているため、リセット電荷蓄積用キャパシタCRn(B)の両端の電位差は変わらず、図13に示すようにノイズを相殺することができる。
次に、信号発生部3は、接続スイッチトランジスタCR_BおよびスイッチトランジスタGSW_Bを同時にオフする。また、信号発生部3は、読み出しスイッチトランジスタSW_Bがオンしている間の時間T130において、接続スイッチトランジスタCS_BおよびスイッチトランジスタGSW_Bを同時にオンする。これにより、時間T130において、画素部Bの信号電荷蓄積用キャパシタCSn(B)に蓄積されている信号電荷が、画素出力部1の出力端PIXOUTnに転送される。転送後、信号発生部3は、接続スイッチトランジスタCS_BおよびスイッチトランジスタGSW_Bを同時にオフする。
次に、トランジスタの寄生容量起因のクロストークについて、図14に示す画素出力部1の簡略化した回路図を用いて説明する。なお、画素部Rの読み出し時の画素部Gへの影響について説明する。リセット電荷蓄積用キャパシタCRn(R)の電荷を、接続スイッチトランジスタCR_R、スイッチトランジスタGSW_R、および読み出しスイッチトランジスタSW_Rをオンして読み出す際に、電荷は全て読みだされる。このとき、読み出しスイッチトランジスタSW_G、スイッチトランジスタGSW_Gはオフしているため、これらはドレイン−ソース間の寄生容量とみなすことができる。このため、クロックフィードスルー発生源は2箇所となり、等価回路としては図15のようになる。
実際に、このノイズによる画素部Gの信号電荷蓄積用キャパシタCSn(G)の電圧の変化分をΔVc3とすると、容量分圧により、「ΔVc3=0.028C」となり、比較例の撮像装置の変化分の「ΔVc1=0.070C」から見て大幅に低減される。このため、この後に画素部Gが読み出されるときの出力に対するクロストーク量を低減することができる。
次に、信号発生部3は、各電荷蓄積用キャパシタCRn(*),CSn(*)とグランドGNDとの間のスイッチトランジスタGSW_*を、書き込みおよび読み出し以外の電荷保持期間では、全てオフにする。これにより、漏れ電流を防止することが可能となるため、各電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)の容量値を、比較例の撮像装置よりもそれぞれ小さくする(CRn(*)、CSn(*)の容量値は同じ)ことが可能となる。このため、比較例の撮像装置と比較して、漏れ電流を増大させることなく、電位変動のスピードを速めることができる。従って、接続スイッチトランジスタCR_*,CS_*のオン期間を長くしなくても、期間内に各電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)に蓄積された電荷量に相当する電圧の信号を出力することができる。そして、各画素部間で急激な出力レベルの変化が発生しても、これに対応することができる。
以上の説明から明らかなように、この第2の実施の形態の撮像装置は、各画素部RGBそれぞれにおいて、読み出しスイッチトランジスタSWの制御を画素部毎に独立制御する。また、これと共に、各画素部RGBそれぞれにおいて、各電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)とグランドGNDとの間にスイッチトランジスタGSW_*を設ける。そして、各電荷蓄積用キャパシタCRn(*),CSn(*)とグランドGNDとの間のスイッチトランジスタGSW_*を、書き込みおよび読み出し以外の電荷保持期間は、全てオフにする。
これにより、漏れ電流を防止することができ、各電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)の容量値をそれぞれ小さくすることができる。このため、漏れ電流を増大させることなく、電位変動のスピードを速めることができる。従って、接続スイッチトランジスタCR_*,CS_*のオン期間を長くしなくても、期間内に各電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)に蓄積された電荷量に相当する電圧の信号を出力することができる。このため、各画素部間で急激な出力レベルの変化があった場合でも、これに対応することができる(追従性を高めることができる)。
なお、この第2の実施の形態の説明では、各電荷蓄積用キャパシタCRn(*)、CSn(*)をグランドGNDに接続することとしたが、グランドGND以外の所定の電圧(Vdd以下の電圧が好ましい)に接続しても上述と同様の効果を得ることができる。
また、この第2の実施の形態の説明では、各画素部間を色間とした場合について説明したが、色でなくとも同カラム内の画素部間の干渉全般に対して同じ原理で同様の効果を得ることができる。
(第3の実施の形態)
次に、上述の撮像装置を適用した第3の実施の形態の画像読取装置を説明する。図16は、第3の実施の形態の画像読取装置の機構部の構成例を示す模式的な断面図である。この図16において、画像読取装置100は、デジタル複写機、デジタル複合機、ファクシミリ装置等の画像形成装置に設けられるスキャナ装置または単体のスキャナ装置であり、上述の各実施の形態で説明したいずれかの撮像装置を備えている。
この画像読取装置100は、上面に原稿を載置するコンタクトガラス101を備えている。さらに、この画像読取装置100は、原稿露光用の光源102および第1反射ミラー103からなる第1キャリッジ106と、第2反射ミラー104および第3反射ミラー105からなる第2キャリッジ107とを備えている。
また、この画像読取装置100は、第3反射ミラー105で反射された光を、撮像装置109の受光領域(撮像素子)上に結像させるためのレンズユニット108を備えている。さらに、この画像読取装置100は、読み取り光学系等による各種の歪み補正等に用いる基準白板等の基準濃度を有する基準部材110と、シートスルー読取用スリット111も備えている。
基準部材110は、光源102によって照明可能であり、原稿照明位置となるコンタクトガラス101およびシートスルー読取用スリット111とは、異なる位置に設けられている。撮像装置109に対しては、コンタクトガラス101上に載置された原稿またはシートスルー読取用スリット111を通過する原稿と、基準部材110のいずれからの反射光も入射光とすることができる。
この画像読取装置100の上部には、自動原稿給送手段である自動原稿給送装置(以下「ADF」と略称する)200が設けられており、このADF200をコンタクトガラス101に対して開閉できるように、図示しないヒンジ等を介して連結している。ADF200は、複数枚の原稿からなる原稿束を載置可能な原稿載置台としての原稿トレイ201を備えている。また、このADF200は、原稿トレイ201に載置された原稿束から原稿を1枚ずつ分離して、シートスルー読取用スリット111へ向けて自動給送する、給送ローラ202を含む分離・給送手段も備えている。
このように構成された画像読取装置100において、コンタクトガラス101上に載置された原稿の画像面をスキャン(走査)して、原稿の画像を読み取るスキャンモードの動作について説明する。スキャンモードの時には、第1キャリッジ106および第2キャリッジ107が、図示しないステッピングモータによって、矢示A方向(副走査方向)に移動して原稿を走査する。このとき、コンタクトガラス101から撮像装置109の受光領域(撮像素子)までの光路長を一定に維持するために、第2キャリッジ107は第1キャリッジ106の1/2の速度で移動する。
同時に、コンタクトガラス101上にセットされた原稿の下面である画像面が、第1キャリッジ106の光源102によって照明(露光)される。すると、その画像面からの反射光が、第1キャリッジ106の第1反射ミラー103、第2キャリッジ107の第2反射ミラー104および第3反射ミラー105によって順次反射される。そして、第3反射ミラー105による反射光束が、レンズユニット108によって集束され、撮像装置109の受光領域(撮像素子)上に結像される。
撮像装置109は、その受光領域の撮像素子によって、1ライン分ずつの各画素の受光量を光電変換したアナログの電気信号を生成する。その電気信号を撮像装置109内の各部によって、デジタル信号に変換して調整したゲインで増幅し、原稿の画像を読み取った画像データとして出力する。
次に、ADF200によって原稿を自動給送して、その移動する原稿の画像を読み取るシートスルーモードの動作について説明する。このシートスルーモードの時には、第1キャリッジ106および第2キャリッジ107が、シートスルー読取用スリット111の下側へ移動して停止する。その後、原稿トレイ201上に載置された原稿束の最下位の原稿から順次、給送ローラ202によって矢示B方向(副走査方向)へ自動給送され、シートスルー読取用スリット111の位置を通過する際に、その原稿が走査される。
このとき、自動給送される原稿の下面(画像面)が第1キャリッジ106の光源102によって照明される。すると、その画像面からの反射光が、第1キャリッジ106の第1反射ミラー103、第2キャリッジ107の第2反射ミラー104および第3反射ミラー105によって順次反射される。そして、第3反射ミラー105による反射光束が、レンズユニット108よって集束され、撮像装置109上に結像される。
撮像装置109が、その受光領域の撮像素子によって1ライン分ずつの各画素の受光量を光電変換したアナログの電気信号を出力する。その電気信号を撮像装置109内の各部によって、前述したようにデジタル信号に変換し調整したゲインで増幅し、原稿の画像を読み取った画像データとして出力する。このようにして画像の読み取りが完了した原稿は、図示しない排出口に排出される。
なお、スキャンモード時又はシートスルーモード時の画像読み取り前に、点灯された光源102によって照明される、基準部材110からの反射光による画像を撮像装置109によって読み取る。そして、その1ライン分の画像データの各画素のレベルが均一な所定のレベルになるように、撮像装置109内でシェーディング補正用データを生成して記憶する。その後、原稿の画像を読み取る際には、撮像装置109が読み取った画像データに対して、先に記憶したシェーディング補正用データに基づいて、シェーディング補正を行う。
また、ADF200に搬送ベルトを備えている場合には、スキャンモードであっても、ADF200によって原稿をコンタクトガラス101上の読み取り位置に自動給送して、その原稿の画像を読み取ることもできる。よって、対象原稿が、RGB間で濃度に差がある原稿を読ませても、色間のクロストークを抑制し、高画質な画像を取得することができる。
(第4の実施の形態)
次に、上述の第1及び第2の実施の形態で説明したいずれかの撮像装置、および上述の第3の実施の形態で説明した画像読取装置を適用した第4の実施の形態の画像形成装置の説明をする。図17は、第4の実施の形態の画像形成装置の機構部の構成例を示す模式的な断面図である。
この画像形成装置300には、第3の実施の形態で説明した画像読取装置100が設けられている。図17において、図16と同じ部分には同一符号を付している。ただし、画像読取装置100の上に設けられているADF400は、図16に示したADF200と幾分異なっている。
この画像形成装置300は、画像読取装置100が設けられたデジタル複写機である。画像読取装置100の原稿を載置するコンタクトガラス101の上部に、自動原稿給送装置(ADF)400が設けられている。そのADF400を、画像読取装置100のコンタクトガラス101に対して開閉できるように、図示しないヒンジ等によって連結している。
ADF400は、複数の原稿からなる原稿束を載置可能な原稿載置台としての原稿トレイ401を備えている。このADF400は、図示しない操作部上のプリントキーの押下により、原稿トレイ401に画像面を上にして載置された原稿束から原稿を1枚ずつ分離して自動給送する。そして、その原稿をシートスルー読取用スリット111またはコンタクトガラス101へ向けて搬送するために、このADF400は給送ローラ402および搬送ベルト403を含む分離・給送手段も備えている。給送ローラ402または搬送ベルト403によって給送された原稿は、その画像読み取りが行われた後、搬送ベルト403および排送ローラ404によってADF400の上面に排出される。
ここで、ADF400によって原稿をコンタクトガラス101の読み取り位置に搬送する場合の図示しないコントローラおよびADF400の動作について説明する。ADF400の給送モータは、コントローラからの出力信号によって駆動されるようになっており、コントローラは、操作部上のプリントキーの押下によって発生した給送スタート信号が入力されると、給送モータを正・逆転駆動するようになっている。
給送モータが正転駆動されると、給送ローラ402が時計方向に回転して、原稿トレイ401上の原稿束から最上位に位置する原稿を自動給送させ、シートスルー読取用スリット111またはコンタクトガラス101へ向けて搬送する。その原稿の後端が原稿セット検知センサ405によって検知されると、コントローラは原稿セット検知センサ405からの出力信号に基づいて給送モータを逆転駆動させる。それにより、後続する原稿が進入するのを防止する。
コントローラは、また、原稿セット検知センサ405が原稿の後端を検知したとき、この検知時点からの図示しない搬送ベルトモータの回転パルスを計数し、回転パルスが所定値に達したときに、搬送ベルト403の駆動を停止する。搬送ベルト403を停止することにより、原稿をコンタクトガラス101上の読み取り位置に停止させる。
また、原稿セット検知センサ405によって原稿の後端が検知された時点で、給送モータを再び正転駆動して、後続する原稿を上述したように分離して自動給送させる。そして、コンタクトガラス101に向けて搬送させ、この原稿が原稿セット検知センサ405によって検知された時点からの給送モータのパルスが所定パルスに到達したときに、給送モータを停止させて次の原稿を先出し待機させる。
そして、原稿がコンタクトガラス101上の読み取り位置に停止したとき、原稿の画像読み取りが行なわれる。この画像読み取りが終了すると、その旨を示す信号がコントローラに入力されるため、コントローラは、その信号により、搬送ベルトモータを正転駆動して、原稿を搬送ベルト403によってコンタクトガラス101上から排送ローラ404へ向けて搬出させる。
このように、ADF400の原稿トレイ401上に画像面を上にして置かれた原稿束は、プリントキーの押下によって一番上の原稿から自動給送され、コンタクトガラス101上の読み取り位置に画像面を下にして搬送される。その読み取り位置に搬送されて停止した原稿は、画像の読み取りがなされた後、搬送ベルト403等によって排出口から排出される。原稿トレイ401上に次の原稿が有ることが検知された場合は、前の原稿と同様に次の原稿が自動給送され、コンタクトガラス101上に搬送される。
一方、この画像形成装置300内の下部には、給紙トレイである第1トレイ301、第2トレイ302、および第3トレイ303が設けられている。その各給紙トレイに積載された転写紙(記録媒体)は、各々第1給紙ユニット311、第2給紙ユニット312、第3給紙ユニット313によって給紙される。そして、その転写紙は、縦搬送ユニット314によって像担持体であるドラム状の感光体(感光体ドラム)315に当接する位置まで搬送される。なお、実際には各トレイ301〜303のうちのいずれか1つが選択され、そこから転写紙が給紙される。また、転写紙以外の記録媒体を使用することもできる。
画像読取装置100によって読み取られた画像データは、一旦図示していない画像メモリに記憶される。そして、その画像データによって書き込みユニット350で発生するレーザ光を変調し、そのレーザ光で図示していない帯電ユニットによって予め帯電された感光体315の表面を露光して、画像データに応じた静電潜像を形成する。その静電潜像が形成された感光体315の表面が現像ユニット327を通過することにより、トナーによって現像されたトナー画像が形成される。
選択された給紙トレイから給紙された記録媒体である転写紙は、感光体315の回転と等速で搬送ベルト316によって搬送されながら、感光体315上のトナー画像が転写される。その転写紙は、定着ユニット317に搬送され、そこでトナー画像を定着された後、排紙ユニット318によって機外の排紙トレイ319へ排紙される。
ここで、排紙ユニット318の機能について説明する。例えばフェースダウン(転写紙をページ順に揃えるため画像面を下向きにする)排紙のために、一方の面にトナー画像が形成された転写紙を反転したい場合は、画像が形成された転写紙は、排紙ユニット318により両面入紙搬送路320に搬送される。そして、反転ユニット321でスイッチバック反転された後、反転排紙搬送路322を通って排紙トレイ319に排出される。また、転写紙の両面に画像を形成する場合には、一方の面に画像が形成された転写紙は排紙ユニット318により両面入紙搬送路320に搬送され、反転ユニット321でスイッチバック反転された後、両面搬送ユニット323に送られる。
両面搬送ユニット323に送られた転写紙は、再び感光体315に作像されたトナー画像を転写するために、両面搬送ユニット323から再給紙され、再度、縦搬送ユニット314によって感光体315に当接する位置まで搬送される。そして、他方の面にトナー画像が転写された後、定着ユニット317によってトナー画像が定着され、排紙ユニット318によって排紙トレイ319に排出される。
感光体315、搬送ベルト316、定着ユニット317、排紙ユニット318、現像ユニット327は、図示しないメインモータによって駆動され、各給紙ユニット311〜313はメインモータの駆動力が各々給紙クラッチによって伝達されて駆動される。縦搬送ユニット314は、そのメインモータの駆動力が中間クラッチを介して伝達されて駆動される。
書き込みユニット350は、レーザ出力ユニット351、結像レンズ352、ミラー353で構成される。レーザ出力ユニット351の内部には、レーザ光源であるレーザダイオードと、レーザ光を走査する回転多面鏡(ポリゴンミラー)又は振動ミラーを備えている。レーザ出力ユニット351より照射されるレーザ光は、ポリゴンミラー又は振動ミラーで偏向され、結像レンズ352を通り、ミラー353で折り返されて感光体315の表面上に集光結像する。
このような図17に示す第4の実施の形態の画像形成装置によれば、図16に示した第3の実施の形態の画像読取装置を備えているため、複写画像において、読み取り時に色間クロストークを低減することができ、高画質な画像をプリントすることができる。
上述の各実施の形態は、例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な各実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことも可能である。各実施の形態および各実施の形態の変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。