JPH01194654A - イメージセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明はイメージセンサに係り、特にマトリクス駆動
方式で、且つ蓄積モード動作により画像信号を読出す方
式のイメージセンサに関する。

（従来の技術） ファクシミリ装置や電子複写機等において原稿上の画像
を読取る手段として、密着型イメージセンサが注目され
ている。密着型イメージセンサは原稿幅と同等の読取り
長さ（アレイ長）を持ち、原稿面に密着するように設け
られるため、機器の小型・薄型化を図ることができる。

このような長尺のイメージセンサを安価に提供するため
に、マトリクス駆動方式が検討されてい）。マトリクス
駆動方式のイメージセンサにおける受光素子としては、
大面積に成膜ができるアモルファスシリコン（以下、ａ
　　Ｓ　ｉという）やＣｄ５−３ｅ等の薄膜半導体と、
電流読出し用電極とをオーミック接触させた光導電セル
と、薄膜半導体と電流読出し用電極との阻止型接合をと
ったフォトダイオード型セルとがある。光導電セルでは
、電極からの二次電流の注入により大きな感度を持ち、
非蓄積モードで用いても実用上必要なＳ／Ｎが得られる
ため、マトリクス駆動方式の適用が容易である反面、入
射光量の変化に対する光電流の応答が遅く、高速の画像
読取りは難しい。

一方、フォトダイオード型セルでは、電極からの二次電
流の注入を防止するため、入射したフォトンにより生成
されたホール・電子が電極に到達して一次電流を生成す
るまでの時間が応答速度を決めるので、実用的な構造・
寸法の設計によって容易に画像読取りの高速化が達成で
きる。しかし反面、光電流としては一次電流のみしか取
出せないため信号が微弱であり、実用上十分なＳ／Ｎを
得るためには、光電流を静電容量に蓄積して読出す、い
わゆる蓄積モード動作が不可欠となる。マトリクス駆動
方式で蓄積モード動作を実現するためには、非読出し時
にセルの電極を読出し用配線から電気的に切離すための
スイッチング素子が必要である。このスイッチング素子
としては薄膜トランジスタや、ブロッキングダイオード
（以下、分離ダイオードという）が知られている。

分離ダイオードを用いた公知例としては、１１、Ｙａａ
＋ａｍｏｔｏ、ｃＬ　ａｔ　”ｌ１１ｇ１＋　５ｐｅｅ
ｄ　Ｃｏ、ｎｔａｃｔ　ＴｙｐｅＬｉｎｅａｒ　５ｅｎ
ｓｏｒ　Ａｒｒａｙ　Ｕｓｉｎｇ　ａ−３ｌ　ｐｉｎ　
Ｄｉｏｄｅｓ　”ｌシｘＬｅｎｄｃｄＡｂｓｔｒａｃｔ
ｓｏｎ１５ｔｂＣｏｎ［’、ｏｎ８８１）Ｍ。

Ｔｏｋｙｏ、　１９８３．ｐｐ、２０５−２０８に記載
されている蓄積モード・マトリクス駆動方式イメージセ
ンサがある。

これはフォトダイオードの各々に分離ダイオードを逆極
性に直列接続した画像読取り素子の各一端をｊ１′＃内
で共通接続して駆動電圧印加手段に接続し、画像読取り
素子の各一端を群間で相対的に同位置にあるものどうし
共通接続して読出し配線を介して出力回路に接続したも
のである。

このイメージセンサの動作を一つの画像読取り素子につ
いて注目した第６図の等価回路を参照して説明する。第
６図において、ＰＣＩ（１−１，２，・・・）は受光素
子としてのフォトダイオード、ＢＤＩは分離ダイオード
、ＳＷＹは群選択用アナログスイッチ、ＳＷｘは個別選
択用アナログスイッチ、ＶＴ。

Ｖ［３はバイアス電圧であり、ＶＴとアナログスイッチ
ＳＷＹによって駆動電圧印加手段が構成される。また、
アナログスイッチＳＷＸは画像読取り素子を非続出しモ
ード（蓄積モード）においてはバイアス電圧ＶＢに接続
し、読出しモードにおいては出力回路に接続するための
ものである。

まず最初は第６図（ａ）に示す接続状態となって、バイ
アス電圧ＶＴによって分離ダイオードＢＤＩ（１−１，
２，・・・）は順バイアスされ、フォトダイオードＰＣ
Ｉは逆バイアスされることにより、フォトダイオードＰ
ＣＩの電極間容量ＣａがＱＯ−Ｃａ−ＶＴなる初期電荷
量に充電される。次に、蓄積モードにおいてはｓ　ｗｙ
、ｓ　ｗｘの動作に伴なって第６図（ｂ）　（ｃ）　（
ｄ）に示す接続状態を何回か繰返す。この間分離ダイオ
ードＢＤＩは常に逆バイアス状態となっており、フォト
ダイオードＰＤＩの充電電荷が光電流ｉｐｈによって放
電されることにより、入射光針に応じた信号電荷がノー
ドＡに蓄積される。この後、再び第６図（ａ）の接続状
態に戻って、分離ダイオードＢＤＩが順バイアスされる
ことにより、フォトダイオードＰＤ１の電極間容量Ｃａ
は１１ｇび初期値まで充電される。この再充電に必要な
電荷量Ｑｓが出力回路（電荷検出器）により検出され、
画像読取り出力が得られる。

」二連した従来のイメージセンサでは、以下に説明する
■〜■の問題がある。

第７図は分離ダイオードＢＤＩの電極間容ｆｆ１ｃｄと
フォトダイオードの電極間容量Ｃａの比に対する、画像
読取り出力における暗出力ノイズ成分および実効信号成
分の変化を実測した結果を示したものである。但し、誤
差を小さくするため、フォトダイオードＰＤＩの電極間
容量　Ｃａを予め実際より大きくして評価した。また、
実効信号成分の評価にはその信号量がフォトダイオード
ＰＤＩの電極間容量Ｃａとバイアス電圧の積から算出さ
れる最大蓄積電荷量の０．４倍となる露光量を用いた。

同図かられかるように、分離ダイオードＢＤ＋の電極問
答ＨＣｄが増加するに従って暗出力ノイズ成分が増大す
るとともに、実効信号成分のレベルが低下して、Ｓ／Ｎ
が低下する。この問題を軽減するには、分離ダイオード
１３ＤＩの電極間容量ＣｄをフォトダイオードＰＤｉの
電極間容量Ｃａに比べて無視できる程度に小さくできれ
ばよい。しかし、この種のイメージセンサではフォトダ
イオードＰＤＩおよび分離ダイオードＢＤＩを同一また
は同程度の特性の半導体薄膜で作るため、両ダイオード
ＰＤＩ。

ＢＤｉの単位面積当りの容量はほぼ同じとなり、また後
述する残像の低下のためにダイオード順方向電流を大き
くする必要から、分離ダイオードＢＤｊの面積（Ｘ容量
）を小さくするのは困難であるために、ＣｄはＣａと同
じか清々１／２〜１／３程度までが限界である。

この問題を第６図の等価回路を参照して詳細に説明する
。画像読取り出力の最大信号出力レベルはフォトダイオ
ードＰＤＩの最大蓄積電荷ｍ　Ｑ　ｐｂＭＡＸに比例す
る。この最大蓄積電荷量Ｑ　ｐｌ＋ＭＡＸはフォトダイ
オードＰＤＩの電極間容量Ｃａと、フォトダイオードＰ
ＤＩに加わるバイアス電圧との積で与えられるが、上記
公知例では分離ダイオードＢＤＩを非読出し時にオフ状
態に保っておくために逆バイアス電圧ＶＢを印加してお
り、この電圧ＶＢによって分離ダイオードＢＤ１の電極
問答Ｑ　Ｃｄを介してフォトダイオードＰＤｉのバイア
ス電圧が低下する。すなわち、フォトダイオードＰＤｉ
の蓄積モードである第６図（ｂ）　（ｃ）　（ｄ）の各
接続状態のうち、第６図（ｂ）はフォトダイオードＰＤ
Ｉの逆バイアス電圧ｖａｔが最小となる状態であり、こ
の逆バイアス電圧ｖａｔは次式で与えられる。

ｖａｌ−ｖＡｌ−ｖＸｌ ここで、ＴＩは第６図（ｂ）の状態における電荷蓄積時
間である。この状態でもフォトダイオードＰＤ１が逆バ
イアス状態にあるためには、ｖａｌ＞０でなければなら
ないから、フォトダイオードＰＣＩの蓄積電荷量Ｑ　ｐ
ｈｌ（−ｉ　ｐｈ−Ｔ　Ｉ）はＱｐｈｌ　＜　Ｃａ　ｖ
Ｔ−Ｃｄ　ＶＢ　　　　　　　・（２）となる。従って
、最大蓄積電荷量Ｑ　ｐｈＭＡＸは（Ｃａ　ＶＴ　−Ｃ
ｄ　ＶＩＩ）となり、分離ダイオードＢＤｉの電極問答
Ｑ　Ｃｄが０である理想状態に比べ、Ｃｄ　ＶＢ分だけ
Ｑ　ｐｈＭＡＸが小さくなってしまう。

この最大蓄積電荷量Ｑ　ｐｈＭＡＸの減少分に応じて、
最大信号出力も低下することになる。

一方、第６図（Ｃ）の状態は分離ダイオードＢＤＩの逆
バイアス電圧ｖｄ２が最小になる状態であり、この逆バ
イアス電圧ｖｄ２は次式で与えられる。

ｖ　ｄ２−　ｖ　Ａ２−　ｖ　Ｙ２ ここで、Ｔゼは第６図（Ｃ）の状態における電荷蓄積時
間である。この状態でも分離ダイオードＢＤｉが逆バイ
アス状態にあるためには、ｖａ２＞０でなければならな
いから、フォトダイオードＰＤＩの蓄積電荷量Ｑ　ｐｈ
２（−ｉ　ｐｈ−Ｔ　２）はＱｐｂ２　＜　Ｃａ　ＶＢ
　　　　　　　　　　　＝１４）となる。式（４）より
電荷蓄積モードにおいて分離ダイオードＰＣＩを逆バイ
アス状態に保つためのバイアス電圧ＶＢが大きい程、最
大蓄積電荷量Ｑｐｌ＋ＭＡＸは大きくなるが、これは同
時に式（２）の第２項Ｃｄ　ＶＢを大きく、すなわちＱ
　ｐｈＭＡＸを小さくすることに他ならない。

本発明者は最大蓄積電荷ＥＩ　Ｑ　ｐｈＭＡＸを最大に
するための、Ｃａ、Ｃｄ、ＶＴに対するＶＢの最適値Ｖ
Ｂ、ｏｐＬを求めた。このバイアス電圧ＶＢの最適値Ｖ
ＩＬｏｐｔは、式（２）（４）の右辺を等しい、すなわ
ち Ｃａ　　ＶＴ　　−Ｃｄ　　−Ｃａ　　ＶＢと置くこと
により、 となる。この場合の最大蓄積電荷量Ｑ　ｐｈＭＡＸ、ｏ
ｐｔは、 ＱｐｈＭＡＸ、ｏｐｔ　−”−０ＣａＶＴ　　＝（Ｂ）
Ｃｄ＋Ｃａ となる。

次に、暗出力ノイズ成分の増大について説明する。出力
回路によって検出される電荷ｍ　Ｑ　Ｓは、前述したよ
うにフォトダイオードＰＤ１の電極間界ＲＣａをＶＴな
る電圧まで再充電させるに必要な電荷量であり、画像読
取り素子群のうち最初に読出しがなされる素子からのＱ
ｓは第６図（ｂ）の状態から（ａ）の状態へ変化すると
きの電荷量、その他の素子からのＱｓは第６図（Ｃ）の
状態から（ａ）の状態へ変化するときの電荷量であって
、それぞれ式（７）（８）で与えられる。

Ｑｓ　−Ｃａ（ｖａｏ−ｖａｏ） Ｑｓ　−Ｃａ（ｖａＯ−ｖａｏ） これらの式（７）（８）において第１項が入射光量に無
関係な、暗出力ノイズ成分であり、第２項が入射光量に
対応した実質的信号成分である。両式より画１象読取り
素子群中の最初の素子からの読出し時のノイズ成分は、
その他の素子からの読出し時よりも大きく、ノイズ成分
の大きさが群内でばらつきを生じることがわかるが、駆
動タイミングの工夫によって必ず第６図（ｅ）の状態を
経てから（ａ）の状態に戻るようにすることも可能なた
め、以後式（３）について説明する。電荷蓄積時間Ｔｓ
Ｌ（１ラインの走査時間にほぼ相当する）はＴｓＬ−Ｔ
２であるから、式（３）より暗出力ノイズ成分ＱＳＮお
よび実質信号成分Ｑｓｐｂは、それぞれ式４式％ これより分離ダイオードＢＤｉの電極間界Ｑ　Ｃｄの増
加に伴ない、暗出力ノイズ成分ＱＳＮが増大し、また実
質信号成分Ｑｓｐｈが減少することがわかる。

また、式（２）　（４）および（１０）より、検出され
る最大の実質信号成分Ｑ　ｓｐｈＭＡＸは、・・・（１
１） ・・・（Ｌ２） のうちの小さい方であることがわかる。

以」二説明したＱ　ｐｈＭＡＸ、　Ｑ　ｓｐｌ＋ＭＡＸ
、　Ｑ　ｓｐｈ、　Ｑ　ＳＮの一般式とＶＢ−ＶＴと置
いた場合およびＶＢを最適化した場合の式を第８図に整
理して示す。また、これらの式を理想状態（Ｃｄ−０）
での最大蓄積電荷Ｑ　Ｑ　ｐｈＭＡＸＯで正規化してプ
ロットした図を、第７図と同じ電圧条件および最適化し
た電圧条件の場合についてそれぞれ第９図および第１０
図に示す。但し、第９図におけるＱ　５ｐｈ（０，４）
はＱ　ｐｂＭＡＸＯの０．４倍の電荷量となる露光量を
与えた場合の実質信号成分であり、容量比Ｃｄ／Ｃａが
０．５以上ではＱ　ｓｐｈＭＡＸで１：１ｊ限され、出
力は低下する。

■配線容は等の寄生容量に充電された電荷によ上述した
■の問題点の説明では寄生容量の影響を除外したが、実
際にはマトリクス配線部分およびアナログスイッチＳＷ
Ｘの人力容量等により、無視できない寄生容量が存在す
る。この寄生容量をｃｓｔｒａｙとすると、信号読出し
時にＱｓｔｒａｙ　−ＣｓＬｒａｙ　・ＶＢというノイ
ズ電荷が、暗出力ノイズ成分ＱＳＮにさらに重畳する。

すなわち、このイメージセンサでは画像読取り素子のあ
る群にバイアス電圧ＶＴを印加している時に、その群内
の非読出し素子から信号電荷が流出するのを防止するた
めに、バイアス電圧ＶＢによって分離ダイオード旧）ｉ
を逆バイアス状態に保っているわけであるが、このバイ
アス電圧ＶＢの印加によって寄生界ｌｍＣ５Ｌｒａｙが
充電され、この充電電荷が信号電荷の読出し時に同時に
検出されて暗出力ノイズ成分ＱＳＮの一部となってしま
う。

この種のイメージセンサの代表例として、Ａ４版読取り
１画素密度８画索／ｍｍ、総画素数１７２８画索のアモ
ルファスシリコンφイメージセンサを例にとると、Ｃａ
、　ＣｄはいずれもＩＩ）Ｐ程度であるが、寄生容ｕｃ
ｓｔｒａｙは現実的には１０〜５０　ｐ　Ｐ程度にもな
ってしまう。この結果、暗出力ノイズ成分ＱＳＮは寄生
容量ｃ　５ｔｒａｙによるノイズ電荷ＱＳｔｒａ）’が
ない場合の５〜２５倍程度にもなってしまう。

■分離ダイオードの順方向電流不足による残像信号読出
し時には分離ダイオードＢＤＩの順方向電流１１−’と
信号読出し時間（分離ダイオードＢＤＩのオン時間）と
の積で表わされる量の電荷がフォトダイオードＰＣＩの
電極間容量Ｃａから信号として読出される。従って、分
離ダイオードＢＤＩの順方向電流ＩＦが小さいと、信号
読出し時に完全に信号電荷が読出されず、ノードＡ１す
なわち各ダイオードＰＤ１．ＢＤｉの電極間容量Ｃａ、
Ｃｄに信号電荷が残留してしまい、次の周期（１ライン
後）の信号読出し時に、この残留信号電荷が読出し信号
に重畳して残像となる。この残像は、副走査方向の解像
攻を低下させる。

分離ダイオードＢＤＩの順方向電流ＩＦと電極間容量　
Ｃｄとは、順方向電流密度が同じであれば比例関係とな
るから、ＩＰを大きくするとＣｄも大きくなってしまう
。従って、この種の薄膜半導体を用いたイメージセンサ
では順方向電流密度を単結晶シリコンを用いた場合のよ
うには大きくできないこともあって、Ｉ　Ｐを大きくす
るには限界がある。Ｉ　Ｐが小さい場合でもほぼ完全に
信号を読出して残像を少なくするには、分離ダイオード
＋３ＤＩのオン時間を十分に長くとればよいが、これに
伴ない１画素の信号読出し時間が長くなるので、イメー
ジセンサの読取り速度が低下する。

（発明が解決しようとする課題） このように従来のイメージセンサでは、蓄積時に分離ダ
イオードＢＤ１をオフ状態に保つためのバイアス電圧Ｖ
Ｂを画像読取り素子に印加することが必要であり、この
バイアス電圧ＶＢの印加に起因して最大蓄積電荷量が減
少し、最大信号出力が低下すると共に、寄生容量も原因
となって暗出力ノイズが増加するという問題があり、さ
らに信号読出し時の分離ダイオードＩＩＤＩの順方向電
流を大きくとることができないため、画像読取り速度を
低下させることなく残像を低減することができないとい
う問題があった。

本発明はこのような従来の蓄積モード・マトリクス駆動
方式のイメージセンサの問題点を解決すべくなされたも
ので、蓄積時に分離ダイオードをオフ状態に保つための
バイアス電圧の印加を不要として、最大信号出力の低下
を防止するとともに、暗出力ノイズをキャンセルするこ
とができ、さらに画像読取り速度を低下させることなく
分離ダイオードのオン時間を長くして、残像の発生を防
止することを可能としたイメージセンサを提供すること
を目的とする。

［発明の７７１成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、入射光量に対応した電荷を保持するフォトダ
イオード及びこれと逆極性に直列接続された分離ダイオ
ードからなる複数個の画像読取り素子を複数の群に分割
し、各素子の一端を第１の配線群によって当該群内で共
通に接続し、画像読取り素子の他端を第２の配線群によ
って群内間の相対的に同位置にあるものどうし共通に接
続し、これら第１および第２の配線群の一方に順次駆動
電圧を印加する駆動電圧印加手段を接続し、他方に信号
読出し手段を接続したイメージセンサにおいて、第１お
よび第２の配線群の他方に、信号読出し手段として１隻
数個の積分回路の一定電位に保持されている入力端を接
続し、さらに該複数個の積分回路を駆動電圧印加手段に
よる駆動電圧印加に先立ち、同時に初期リセットするリ
セット手段と、駆動電圧の印加終了時点後における複数
個の積分回路の出力信号を順次検出して画像読取り出力
を得る手段を備えたものである。

（作　用） 画像読取り素子の各群に第１または第２の配線群を介し
て電圧が印加されると、その群内の画像読取り素子にお
けるフォトダイオードの電極問答はに蓄積されている電
荷は、第２または第１の配線群を介して積分回路に同時
に転送され、積分コンデンサに蓄積される。各々の積分
回路の積分コンデンサに蓄積された電荷は順次検出され
、シリアル信号からなる画像読取り出力が得られる。

このように本発明では、駆動電圧が印加された同一群内
のｉ（数個の画像読取り素子から信号電荷を同時に読出
すため、駆動電圧が印加された画像読取り素子からの信
号電荷を順次読出す従来のイメージセンサで必要とした
、非読出し状態の画像読取り素子における分離ダイオー
ドをオフ状態に保つためのバイアス電圧の印加は不要で
ある。従って、このバイアス電圧の印加に起因する最大
蓄積電荷量の減少による最大信号出力の低下という問題
が解決される。

また、同一群内の全画像読取り素子を同時に読出し状態
にすることから、分離ダイオードを順バイアス状態にす
る時間を群内の素子数倍まで長くすることが可能となり
、画像読取り速度を低下させることなく残像を低減させ
ることができる。

さらに、駆動電圧が零になった後の積分回路の出力を順
次検出して画像読取り出力を得るため、駆動電圧印加時
に発生する暗出力ノイズ成分の電荷量と笠間で７つ号が
逆の電荷が、駆動電圧を零に戻すとき積分回路に流入す
ることにより、暗出力ノイズ成分はキャンセルされ、画
像読取り出力には現われない。

（実施例） 本発明の一実施例に係るイメージセンサの回路図を第１
図に示し、またそのタイミングチャートを第２図および
第３図に示す。

第１図において、入射光量に対応した信号電荷を保持す
るフォトダイオードＰＤＩ及びこれと述極性に直列接続
された分離ダイオードＢＤＩからなる１隻数個の画像読
取り素子Ｐ　Ｉ（１−１，２，・・・）が−列に配列さ
れている。フォトダイオードＰＤＩ及び分離ダイオード
ＢＤＩは例えば薄膜半導体によって形成される。画像読
取り素子ＰＩはマトリクス駆動とするために、Ｎ個ずつ
の素子によって構成される段数（Ｍ個）の群に分割され
、その各一端は第１の配線群ＬＹＩ〜ＬＹＭにより群内
で共通に接続され、他端は第２の配線群ＬＸＩ〜ＬＸＮ
により各群間で相対的に同一位置にあるものどうし共通
に接続されている。

第１の配線群ＬＹＩ−ＬＹＭはスイッチング素子５ＷＹ
Ｉ〜ＳＷＹＭ及び駆動電圧発生回路ＤＲからなる駆動電
圧印加手段に接続されている。すなわち、第１の配線群
ＬＹＩ〜ＬＹＭはスイッチング索子ＳＷＹＩ−ＳＷＹＭ
の共通端子に接続され、スイッチング素子ＳＷＹＩ−Ｓ
ＷＹＭの第１の切換端子は駆動電圧発生回路ＤＲに接続
され、第２の切換端子は接地されている。

一方、第２の配線群ＬＸＩ−ＬＸＮは、演算増幅器と積
分コンデンサＣＩｌ〜ＣＩＮからなるＮ個の積分回路１
１〜ＩＮの入力端（演算増幅器の反転入力端子）にそれ
ぞれ接続されている。積分回路Ｉｔ〜ＩＮにおける演算
増幅器の非反転入力端子は接地されている。積分回路Ｉ
ｆ−ＩＮの出力端は、Ｎ個のサンプルホールド５ＨＩ−
３ＨＮの入力端にそれぞれ接続されている。サンプルホ
ールド回路ＳＨＩ〜ＳＨＮの出力端は、Ｎ個のスイッチ
ング素子５ＷＸＩ〜５ＷＸＮからなるマルチプレクス（
多重化）回路ＭＰＸに接続され、このマルチプレタス回
路ＭＰＸの出力端から画像読取り出力Ｖ　ｏｕｔが取出
される構成となっている。

次に、このイメージセンサの動作を第２図を参照して説
明する。

第１の配線群ＬＹＩ〜ＬＹＭには駆動電圧印加手段から
ＶＹＩ−ＶＹＭで示される波形の駆動電圧が順次印加さ
れる。これにより駆動電圧の印加がなされた群の画像読
取り素子ｐ＋に蓄積されている入射光量に括づく電荷（
これをＱＳＩ−ＱＳＭとする）は、第２の配線群ＬＸＩ
〜ＬＸＮを経て同時に積分回路！１〜ＩＮに転送され、
電圧信号に変換された後、サンプルホールド回路ＳＨＩ
〜ＳＩＮによりφＳｌ＋なるタイミングでサンプルホー
ルドされる。サンプルホールド回路５ＨＩ−３ＨＮの出
力はマルチプレクス回路ＭＰＸにより順次検出されてシ
リアル信号となり、画像読取り出力Ｖｏｕｔとして取出
される。

次に、画像読取り素子Ｐｉのある一つの群ｋ（’に＝１
．２．・・・Ｈ）からの信号電荷の読取り動作を第３図
を参照して詳細に説明する。フォトダイオードＰＤｊに
蓄積された信号電荷を読出すための駆動電圧ＶＹｋの印
加幌先立ち、積分回路１１〜ＩＮの積分コンデンサＣｌ
１−ＣＩＮはφＲなる・タイミングでリセットされ、そ
の後に番目の第１の配線ＬＹｋに駆動電圧ＶＹｋが印加
される。この駆動電圧ＶＹｋが印加された画像読取り素
子Ｐ１においては分離ダイオードＢＤ＋がオン状態とな
るため、フォトダイオードＰＤＩの電極間容量　Ｃａを
電圧ＶＴ　　（駆動電圧、ＶＹＯ〜ＶＹＭの電圧値）ま
で充電するに必要な電荷Ｑｓが積分回路１１〜ＩＮの積
分コンデンサＣｌ１−ＣＩＮに流入し、その電荷ｍ　Ｑ
　ｓに対応した電圧ｖｓｌが積分回路１１〜ＩＮの出力
端に同時に現われる。この電圧ｖｓｉの値はｖ　ｓｉ−
Ｑ　ｓ１／　Ｃ１である。Ｑｓｉ及びＶｓｌは従来技術
で説明したように、分離ダイオードＢＤｉの電極間容量
ｃｄに起因する暗出力ノイズ成分と実質信号成分との合
成値であるが、駆動電圧ＶＹｋが再び零電位になった時
、暗出力ノイズ成分と絶対値が等しく、符号の同じ電荷
が積分回路Ｉｆ−ＩＮの積分コンデンサＣＩｌ〜ＣＩＮ
に流入するため、この時点で暗出力ノイズ成分は完全に
キャンセルされ、積分回路１１〜ＩＮの出力には実質信
号成分のみが現われる。

この駆動電圧ＶＹｋの印加終了時点の積分回路ｌｌ−１
１Ｎの出力電圧がサンプルホールド回路５ＨＩ−３ＨＮ
によってサンプルホールドされ、引続＜　ｋ＋１番口の
群の画像読取り素子ＰＩからの信号電荷読出し時に期間
にマルチプレクス回路ＭＰＸによって順次シリアル信号
として取出される。この場合、画像読取り出力Ｖ　ｏｕ
ｔは第２図に示すように連続波形となる。

このように本発明では、電圧発生口路ＤＲからの駆動電
圧ＶＹｋが印加された群内の画像読取り素子ＰＩにおけ
る分離ダイオードＢＤＩを同時にオン状態として、これ
らの画像読取り素子ｐｔからの信号電荷を同時に読出す
構成であるため、従来技術で非読出し状態の画像読取り
素子における分離ダイオード１３ＤＩをオフ状態に保つ
ために必要としたバイアス電圧ＶＢの印加が不要となる
。このため、画像読取り素子Ｐ！のノードＡ（分離ダイ
オードｎＤＩとフォトダイオードＰＣＩとの接続点）で
の最大蓄積電荷ｍ　Ｑ　ｐｂＭＡＸは、式（２）におけ
るバイアス電圧ＶＢの印加に起因する右辺第２項Ｃ（Ｉ
ＶＢの低下分がなくなり、第８図のｌに示すようにＱｐ
ｈＭＡＸ　−Ｃａ　ＶＴで表わされる。従って、この最
大蓄積電荷Ｅｌｋ　Ｑ　ｐｂＭＡＸに依存する最大信号
出力も増加することになり、画像読取り出力Ｖｏｌｔの
ダイナミックレンジが大きくなる。

また、同一群内の画像読取り素子Ｐ１を同時に読出し状
態にすることから、読出し状態にある間継続して分離ダ
イオードＢＤＩをオン状態にすることができる。すなわ
ち、分離ダイオードＢＤｉの順方向電流通電時間ＴＯＮ
は第８図の■に示すように、従来技術に比較して最大同
一群内の画像読取り素子ＰＩの素子数倍まで長くなり、
順方向電流の不足が通電時間によって補われる形となっ
て、残像が減少する。また、従来技術と残像時間を同一
（すなわち順方向電流の通電時間を同一）とすれば、従
来技術と比較して画像読取り時間を短くでき、より高速
の画像読取りが可能となる。

さらに、上述したように画像読取り素子ｐｔに印加され
た駆動電圧ＶＹＯ〜ＶＹＭが零に戻った後の積分回路Ｉ
ｔ〜ＩＮの出力をサンプルホールド回ＶＦｔ　Ｓ　Ｈｉ
　−Ｓ　ＨＮによって検出することにより、画像読取り
出力Ｖｏｕｔにおいて第８図の■に示すように暗出力ノ
イズ成分ＱＳＮがキャンセルされ、そのＳ／Ｎが向上す
る。

さらに、積分回路Ｉｆ−ＩＮの入力端は演算増幅器の反
転入力端子であり、一定電位、すなわち非反転入力端子
の電位（接地電位）と同電位の仮想接地状態であるため
、ここに接続されている第２の配線群ＬＸＩ−ＬＸＮの
相互間の電位差は零となる。第２の配線群ＬＸＩ−ＬＸ
Ｎは二層配線構造であって、その配線間容量は画像読取
り素子Ｐ１における分離ダイオードＢＤＩおよびフォト
ダイオードＰＤｉの電極間容量ｃｄ、ｃａより大きいた
め、フローティング状態にあると、容量比に応じた大き
さでクロストークが発生する。本発明では第２の配線群
ＬＸＩ−ＬＸＮが一定電位に保たれ、相互の電位差が零
であるため、このような配線間容量に起因するクロスト
ークは発生せず、解像度の低下が防止される。

第４図に本発明の実施例における分離ダイオードＢＤＩ
及びフォトダイオードＰＤｉの電極間容量の容量比Ｃｄ
／Ｃａと、ノードＡの最大蓄積電荷量ＱｐｈＭＡＸ、検
出される最大の実質信号成分の電荷Ｊｅｔ　Ｑ　ｓｌ）
ｈＭＡＸ及び暗出力ノイズ成分の電荷Ｉｓ　Ｑ　ＳＮと
の関係を示す。Ｑ　ｓｐｈＭＡＸは容量比Ｃｄ／Ｃａが
大きくなるに従って減少するが、ＱｐｂＭＡＸ及びＱＳ
ＮはＣｄ／Ｃａによらず一定であることがわかる。これ
は分離ダイオード１３Ｄｉを逆バイアス状態に保つため
のバイアス電圧ＶＢが不要となったことに他ならない。

また、第５図に本発明の実施例及び従来技術においてフ
ォトダイオードＰＤ１の露光量と画像読取り出力Ｖ　ｏ
ｕｔとの関係を求めた結果を示す。第５図において（ａ
）はＣｄ　−０の理想的な場合、（ｂ）は本発明でＣｄ
−１／２Ｃａとした場合、（ｅ）は同じ＜Ｃｄ−Ｃａと
した場合、（ｄ）は従来技術でＶＢを（５）式のように
最適化し、且っＣｄ−１／２Ｃａとした場合、（１３）
は同じ＜Ｃｄ＝Ｃａとした場合、（１’）従来技術でＶ
Ｉ３−ＶＴとし、且つｃｄ−１／２Ｃａとした場合、（
ｇ）は同じ＜Ｃｄ−Ｃａとした場合である。これらの結
果より、本発明によれば同じ容量比Ｃｄ／Ｃａにおいて
、従来技術に比較して画像読取り出力Ｖ　ｏｕｔのダイ
ナミックレンジが大きくなることがわかる。

なお、本発明の実施例では第２図及び第３図に示したよ
うに、駆動電圧ｖＹＯ〜ＶＹＭの立」ニリ及び立下り波
形をゆるやかに傾斜させている。これにより次の効果が
得られる。

フォトダイオードＰＤＩの電極問答Ｃｈｉ　ＣａをＶＴ
まで充電する時に発生する暗出力ノイズ成分の電流は電
圧変化の時間微分に比例するため、駆動電圧の急峻な変
化に対しては極端に大きな充電電流が必要となる。これ
は積分回路！１〜ＩＮが理想的な積分器であれば問題な
いが、現実には積分回路１１〜ＩＮにおける演算増幅器
が飽和してしまい正常な積分動作が行なわれなくなる。

また、演算増幅器の周波数帯域やスルーレートの制限に
より急峻なパルス電流には正常に応答できず、前述した
暗出力ノイズ成分のキャンセル作用に支障を来たす場合
もある。

これに対し、駆動電圧ＶＹＯ〜ＶＹＭの立上り及び立下
り波形をゆるやかに変化させれば、積分回路ＩＹＯ〜Ｉ
ＹＮに流入する電流の波高値が小さくなるとともに、高
い周波数成分が少なくなるので、正常な積分動作がなさ
れる。

また、第１図のイメージセンサの読取り回路を実際の集
積回路で構成する場合、大電流・広帯域動作になるほど
チップ面積や消費電力（発熱）が増大するとともに、発
振等の不安定性が増し、同時に集積回路の製造プロセス
が調雑化する。」二足のように駆動電圧ＶＹＯ〜ＶＹＮ
の立上り及び立下り波形を傾斜させれば、積分回路ＩＹ
Ｏ〜Ｉ　ＹＮを含めた読取り回路を従来より小電流・狭
帯域動作にすることができ、上述した問題が回避される
。また、集積回路としては０ＭＯ８ＩＣのような一般的
で特に複雑な製造プロセスを要しない構成をとることが
可能となる。

本発明は上記実施例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が可能である。

例えば実施例では第１の配線群ＬＹＩ〜ＬＹＭに駆動電
圧ｖＹＯ〜ＶＹＭを印加し、第２の配線群ＬＸＩ〜ＬＸ
Ｎに積分回路Ｉｆ−ＩＮを接続したが、逆に第１の配線
群ＬＹＩ−ＬＹ旧こ積分回路を接続し、第２の配線群Ｌ
ＸＩ〜ＬＸＮに駆動電圧を印加してもよい。

［発明の効果］ 以」二詳述したように、本発明によればマトリクス方式
により駆動される画像読取り素子のうち、駆動電圧が印
加された同一群内の画像読取り素子からの信号電荷を入
力端が一定電位に保たれた積分回路に同時に転送し、そ
れを駆動電圧印加終了時点においてサンプルホールドし
て順次シリアル信号として検出することで画像読取り出
力を得る構成としたことにより、以下に列挙する効果が
得られる。

（１）画像読取り素子の最大蓄積電荷量の低下がなく、
画像読取り出力の最大信号出力が増加するので、ダイナ
ミックレンジが大きい。

（２）分離ダイオードの順方向電流通電時間を長くとる
ことができるので、順方向電流不足による残像が少なく
、副走査方向の解像度が高い。また、順方向電流通電時
間を従来技術と同じにした場合は、画像読取り速度が速
くなる。

（３）寄生容量に充電された電荷等による暗出力ノイズ
がキャンセルされ、Ｓ／Ｎの大きい画像読取り出力が得
られる。

（４）積分回路の入力端が接続されている配線群の配線
間各社によるクロストークがなく、主走査方向の解像度
が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るイメージセンサの回路
図、第２図は同実施例のイメージセンサの動作を示すタ
イムチャート、第３図は一つの群の画像読取り素子の読
取り動作を詳細に説明するためのタイムチャート、第４
図は本発明における分離ダイオード及びフォトダイオー
ドの電極間容量比と画像読取り出力に関係する各種電荷
量との関係を示す図、第５図は本発明と従来技術につい
ての種々の場合の露光量と画像読取り出力との関係を示
す図、第６図は従来のイメージセンサの動作と問題点を
説明するための各動作モードにおける等価回路図、第７
図は第６図のイメージセンサの分離ダイオード及びフォ
トダイオードの電極間容量比と画像読取り出力との関係
を示す図、第８図は本発明及び従来技術について各種項
目の性能を比較して示す図、第９図及び第１０図は従来
技術の問題点を説明するための分離ダイオード及びフォ
トダイオードの電極間容量比と画像読取り出力に関係す
る各種電荷量との関係を電圧条件を変えて示す図である
。 ｐ＋・・・画像読取り素子、ＰＤＩ・・・フォトダイオ
ード、１３０１・・・分離ダイオード、Ｓ　ＷＹＩ　−
Ｓ　ＷＹＭ。 ＤＲ・・・駆動電圧印加手段、■１〜ＩＮ・・・積分回
路、ＳＨＩ〜ＳＨＮ・・・サンプルホールド回路、ＭＰ
Ｘ・・・マルチプレクス回路。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 露光（（相灯１＞＞ ＳＷＹ 谷電ν乙（Ｃｄ／Ｃａ） 第　９　図 落童田（Ｃｄ／Ｃａ） 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 入射光量に対応した電荷を保持するフォトダイオード及
   びこれと逆極性に直列接続された分離ダイオードからな
   る複数個の画像読取り素子と、これら複数個の画像読取
   り素子を複数の群に分割し、各素子の一端を当該群内で
   共通に接続する第１の配線群と、 前記複数個の画像読取り素子の他端を前記群内間の相対
   的に同位置にあるものどうし共通に接続する第２の配線
   群と、 前記第１および第２の配線群の一方に順次駆動電圧を印
   加する駆動電圧印加手段と、 前記第１および第２の配線群の他方に、一定電位に保持
   されている入力端がそれぞれ接続された複数個の積分回
   路と、 これら複数個の積分回路を前記駆動電圧印加手段による
   駆動電圧の印加に先立ち、同時に初期リセットするリセ
   ット手段と、 前記駆動電圧印加手段による駆動電圧の印加終了時点後
   における前記複数個の積分回路の出力信号を順次検出し
   て画像読取り出力を得る手段とを備えたことを特徴とす
   るイメージセンサ。