JPH07322150A - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JPH07322150A
JPH07322150A JP6138152A JP13815294A JPH07322150A JP H07322150 A JPH07322150 A JP H07322150A JP 6138152 A JP6138152 A JP 6138152A JP 13815294 A JP13815294 A JP 13815294A JP H07322150 A JPH07322150 A JP H07322150A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速転送等の機能を駆動系に持たせなくて
も、簡単な構成にて電源立上げ時に短時間で正常動作に
移行可能な固体撮像装置を提供する。 【構成】 センサ列２の電荷転送レジスタ４の反対側に
電荷排出ゲート１１および電荷排出ドレイン１２を形成
し、電源立上げ時に時定数回路１４から一定時間だけ制
御電圧Ｖ１を出力するとともに、この制御電圧Ｖ１を電
荷排出ゲート１１に対して印加し、電源投入前に各受光
部１に蓄えられた不要な初期電荷を電荷排出ドレイン１
２へ素早く掃き出す構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、リニアセンサ（ライン
センサ）やエリアセンサと称される固体撮像装置に関
し、特に商品等の媒体に付されたバーコードを読み取る
バーコード読取り装置のイメージセンサとして用いて好
適な固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体撮像装置、例えばＣＣＤリニアセン
サの従来例を図１０に示す。このＣＣＤリニアセンサ
は、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換
して蓄積する受光部１０１が一列に複数個配列されてな
るセンサ列１０２と、このセンサ列１０２の各受光部１
０１から読出しゲート１０３を介して読み出された信号
電荷を一方向に転送するＣＣＤからなる電荷転送レジス
タ１０４とを有する構成となっている。
【０００３】読出しゲート１０３は、読出しパルスφＲ
ＯＧが印加されることにより、センサ列１０２の各受光
部１０１に蓄えられた信号電荷を電荷転送レジスタ１０
４に一斉に読み出す。電荷転送レジスタ１０４は、２相
の転送クロックφＨ１，φＨ２によって２相駆動される
ことにより信号電荷を転送する。電荷転送レジスタ１０
４の最終段には、転送されてきた信号電荷を検出して電
圧に変換する例えばフローティング・ディフュージョン
構成の電荷電圧変換部１０５が形成されている。この電
荷電圧変換部１０５の出力電圧は、バッファ１０６を介
して出力端子１０７からＣＣＤ出力として導出される。
【０００４】上記構成のＣＣＤリニアセンサは、例え
ば、商品等の媒体に付されたバーコードを読み取るバー
コード読取り装置のイメージセンサとして用いられる。
ところで、電源投入前のリニアセンサは熱的な平衡状態
にあり、この平衡状態では受光部１１が電荷で溢れてい
るため、電源投入（電源立上げ）直後には、不要な初期
電荷の存在によって画素信号を正常に読み出すことがで
きない。すなわち、不要電荷が掃き出された後でなけれ
ば、画素信号を正常に読み出すことができなく、よって
装置の立上がりが遅くなる。
【０００５】この不要な初期電荷は、センサ部の開口サ
イズ（センサ面積）が大きければ大きいほど多いため、
通常の転送動作では、数ラインあるいは数十ライン分の
電荷の読出し／転送を繰り返さなければ、受光部１０１
の不要電荷を掃き出すことができない。特に、バーコー
ド読取り装置に適用されるリニアセンサの場合は、１画
素の開口サイズが１４μｍ×２００μｍと大きいことか
ら、電源立上げ時の受光部１０１の初期電荷も大量であ
るため、この初期電荷を掃き出してから正常に動作する
までの装置の立上がりが非常に遅くなる。ちなみに、通
常のリニアセンサにおける１画素の開口サイズは、例え
ば、７μｍ×７μｍや１４μｍ×１４μｍ程度と、バー
コード読取り装置に用いられるリニアセンサに比べて小
さい。
【０００６】しかし、バーコード読取り装置の場合に
は、待機時は電源がオフ状態にあり、使用直前にユーザ
が電源スイッチをオンしたときには直ちに読取りを開始
しなければならないため、電源オン時に素早くバーコー
ドを読み取る必要がある。このため、従来のＣＣＤリニ
アセンサでは、図１１に示すように、電源投入時からの
一定期間では、転送クロックφＨ１，φＨ２の周波数を
通常転送時の周波数よりも高くして信号電荷を高速転送
することにより、初期電荷を素早く掃き出すようにして
いた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように、電源投入時に高速転送モードにて初期電荷を
掃き出す構成の従来のリニアセンサでは、高速転送モー
ド用の高い周波数と通常転送モード用の低い周波数の２
種類の転送クロックφＨ１，φＨ２が必要であるため、
これらクロックを発生するタイミングジェネレータが必
要となり、構成が複雑で高価になるという問題があっ
た。また、高速転送モードでの転送クロックφＨ１，φ
Ｈ２の周波数を上げるにも限度があるため、電源投入後
正常動作に移行するまでの時間を短縮するにも限界があ
った。
【０００８】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、高速転送等の機能を
駆動系に持たせなくても、簡単な構成にて電源立上げ時
に短時間で正常動作に移行可能な固体撮像装置を提供す
ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明による固体撮像装
置は、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変
換して蓄積する受光部が複数個配列されてなるセンサ部
と、このセンサ部の各受光部から読み出された信号電荷
を転送する電荷転送レジスタと、各受光部に蓄えられた
電荷を排出するための電荷排出部と、各受光部に蓄えら
れた電荷を電源立上げ時の一定時間内に電荷排出部へ掃
き出すべく制御する制御手段とを備えた構成となってい
る。
【００１０】
【作用】上記構成の固体撮像装置において、電源投入
前、センサ部の各受光部は不要な初期電荷で溢れてい
る。この初期電荷は、電源立上げ時に、制御手段による
制御によって電荷排出部へ強制的に掃き出される。この
とき、各受光部の初期電荷が一度に電荷排出部へ掃き出
されることから、電源立上げ時、信号電荷を正常に読み
出せる状態へ短時間で移行できる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１は、本発明の第１実施例を示す構成図
である。図１において、入射光をその光量に応じた電荷
量の信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオード等か
らなる受光部（画素）１が一列に複数個（例えば、２０
００画素分）配列されてセンサ列２を構成している。
【００１２】このセンサ列２の各受光部１に蓄えられた
信号電荷は、読出しゲート３を介して電荷転送レジスタ
４に一斉に読み出される。読出しゲート３には、クロッ
ク端子５を通して読出しパルスφＲＯＧが印加される。
一方、電荷転送レジスタ４には、クロック端子６，７を
通して２相の転送クロックφＨ１，φＨ２が印加され
る。電荷転送レジスタ４はＣＣＤからなり、２相の転送
クロックφＨ１，φＨ２によって２相駆動されることに
より、各受光部１から読み出された信号電荷を一方向
（図の右方向）へ転送する。
【００１３】電荷転送レジスタ４の最終段には、転送さ
れてきた信号電荷を検出して電圧に変換する例えばフロ
ーティング・ディフュージョン構成の電荷電圧変換部８
が設けられている。この電荷電圧変換部８の出力電圧
は、バッファ９を介して出力端子１０からＣＣＤ出力と
して導出される。以上により、例えば２０００画素のＣ
ＣＤリニアセンサが構成されている。
【００１４】また、本実施例においては、センサ列２の
電荷転送レジスタ４と反対側に、電荷排出ゲート１１を
挟んで電荷排出ドレイン１２が電荷排出部として形成さ
れている。電荷排出ゲート１１は、通常はポテンシャル
が浅い状態にあってセンサ列２の各受光部１に対してポ
テンシャルバリアとして機能する。
【００１５】この電荷排出ゲート１１には、直流電源
（装置電源）１３の立上げ時に、制御手段としての時定
数回路１４から一定時間だけ制御電圧Ｖ１が印加され
る。時定数回路１４は、センサ列２や電荷転送レジスタ
４等と同一の基板１５上に形成（オンチップ）されてお
り、直流電源１３から電源端子１６を通して印加される
電源電圧Ｖｄｄに応答して一定時間だけ制御電圧Ｖ１を
出力する。
【００１６】次に、上記構成の第１実施例に係るＣＣＤ
リニアセンサの動作について、図２のタイミングチャー
トを参照しつつ説明する。このＣＣＤリニアセンサで
は、電源投入前、センサ列２の各受光部１には不要な電
荷が初期電荷として蓄積されている。この状態におい
て、電源が投入（電源オン）されると、時定数回路１４
からは、電源端子１６を通して印加される電源電圧Ｖｄ
ｄに応答して一定時間τ（例えば、１ｍsec.程度）だけ
制御電圧Ｖ１が出力される。
【００１７】この制御電圧Ｖ１は、電荷排出ゲート１１
に印加される。すると、それまでセンサ列２の各受光部
１に対してポテンシャルバリアとして機能していた電荷
排出ゲート１１のポテンシャルが、制御電圧Ｖ１の印加
によって深くなる。これにより、センサ列２の各受光部
１に蓄えられていた初期電荷が、電荷排出ゲート１１を
介して電荷排出ドレイン１２へ掃き出されることにな
る。
【００１８】電源投入時から一定時間τが経過すると、
制御電圧Ｖ１が消滅する。すると、電荷排出ゲート１１
のポテンシャルが浅くなり、センサ列２の各受光部１に
対して再びポテンシャルバリアとして機能する。その後
は、読み取るべき画像情報（バーコード読取り装置のイ
メージセンサとして用いた場合にはバーコード情報）に
対応した信号電荷がセンサ列２の各受光部１に蓄積され
る。
【００１９】センサ列２の各受光部１に蓄えられた信号
電荷は、読出しパルスφＲＯＧが読出しゲート３に印加
されることにより電荷転送レジスタ４に一斉に読み出さ
れ、電荷転送レジスタ４が転送クロックφＨ１，φＨ２
によって２相駆動されることによって順次転送される。
そして、電荷電圧変換部８で電圧に変換され、バッファ
９を介して出力端子１０からＣＣＤ出力として導出され
る。
【００２０】上述したように、センサ列２の電荷転送レ
ジスタ４の反対側に電荷排出ゲート１１および電荷排出
ドレイン１２を形成し、電源立上げ時に時定数回路１４
から電荷排出ゲート１１に対して一定時間τだけ制御電
圧Ｖ１を印加するようにしたので、電源投入前に各受光
部１に蓄えられた不要な初期電荷を電荷排出ドレイン１
２へ素早く掃き出すことができる。これにより、簡単な
構成にて電源立上げ時に短時間で正常動作に移行できる
ことになる。
【００２１】ここで、電源立上げ時における初期電荷の
掃き出しの際には、必ずしも初期電荷の全てを掃き出す
必要はなく、初期電荷を多少でも掃き出すことができれ
ば、それ相応の効果を得ることができる。また、初期電
荷の掃き出し動作時に、読出しゲート１１に読出しパル
スφＲＯＧを印加するとともに、電荷転送レジスタ４に
転送クロックφＨ１，φＨ２を印加して通常の読出し／
転送動作を並行して実行するようにすれば、電荷排出ゲ
ート１１側からだけでなく、読出しゲート１１側からも
初期電荷を掃き出すことができる。
【００２２】図３は、本発明の第２実施例を示す構成図
であり、図中、図１と同等部分には同一符号を付して示
してある。この第２実施例では、時定数回路１４を基板
１５の外部に形成し、直流電圧Ｖｄｄの立上がりに応答
して時定数回路１４から出力される制御電圧Ｖ１を、制
御端子１７を通して基板１５内に取り込み、更に波形整
形等の処理をなすバッファ１８を介して電荷排出ゲート
１１に印加する構成となっており、それ以外は第１実施
例の構成と全く同じである。
【００２３】したがって、上記構成の第２実施例の動作
は、第１実施例の場合と全く同じであり、同様の作用効
果を奏する。なお、図４は、第２実施例に係るタイミン
グチャートである。なお、この第２実施例においては、
制御端子１７を通して基板１５内に取り込んだ制御電圧
Ｖ１を、バッファ１８を通して電荷排出ゲート１１に印
加するとしたが、波形整形等の処理が不要であれば、バ
ッファ１８を通さずに直接電荷排出ゲート１１に印加す
るようにしても良い。
【００２４】図５は、本発明の第３実施例を示す構成図
であり、図中、図３と同等部分には同一符号を付して示
してある。この第３実施例では、第２実施例における時
定数回路１４として、制御端子１７と接地間に接続され
たコンデンサＣと、制御端子１７に一端が接続されかつ
他端に電源電圧Ｖｄｄが印加される抵抗ＲとからなるＣ
Ｒ時定数回路１９を用いた構成となっている。
【００２５】また、このＣＲ時定数回路１９の出力電圧
Ｖ０を、制御端子１７を通して基板１５内に取り込み、
インバータ２０を介して電荷排出ゲート１１に印加する
ようにしている。ここで、ＣＲ時定数回路１９の電源電
圧立ち上がり特性は、
【数１】 Ｖ（ｔ）＝Ｖｄｄ・（１−ｅｘｐ（−ｔ／ＣＲ）） で表される。これを波形整形するために、インバータ２
０が設けられているのである。
【００２６】次に、上記構成の第３実施例に係るＣＣＤ
リニアセンサの動作について、図６のタイミングチャー
トを参照しつつ説明する。先ず、電源が投入（電源オ
ン）されると、これに応答してＣＲ時定数回路１９の出
力電圧Ｖ０が、数１の式で表される電源電圧立ち上がり
特性をもって徐々に上昇する。また、この出力電圧Ｖ０
を入力とするインバータ２０の出力電圧である制御電圧
Ｖ１は、ほぼ電源投入時に立ち上がる。
【００２７】この制御電圧Ｖ１が電荷排出ゲート１１に
印加されると、それまでセンサ列２の各受光部１に対し
てポテンシャルバリアとして機能していた電荷排出ゲー
ト１１のポテンシャルが、制御電圧Ｖ１の印加によって
深くなる。これにより、センサ列２の各受光部１に蓄え
られていた初期電荷が、電荷排出ゲート１１を介して電
荷排出ドレイン１２へ掃き出されることになる。
【００２８】ＣＲ時定数回路１９の出力電圧Ｖ０が上昇
し、電源投入時点から一定時間τの経過後にインバータ
２０のスレッシュホールドレベルに達すると、インバー
タ２０の出力が反転し、制御電圧Ｖ１が消滅する。する
と、電荷排出ゲート１１のポテンシャルが浅くなり、セ
ンサ列２の各受光部１に対して再びポテンシャルバリア
として機能する。その後は、バーコード情報に対応した
信号電荷がセンサ列２の各受光部１に蓄積される。セン
サ列２の各受光部１からの信号電荷の通常の読出し／転
送は、第１実施例の場合と同様にして行われる。
【００２９】なお、この第３実施例では、ＣＲ時定数回
路１９を基板１５の外部に配する構成としたが、第１実
施例の場合と同様に、オンチップすることも可能であ
る。また逆に、インバータ２０をオンチップする構成と
したが、基板１５の外部に配するようにしても良い。た
だし、基板１５外に配すると、インバータ２０のための
電源が必要になるので、オンチップした方が好ましい。
【００３０】図７は、インバータ２０の回路構成の一例
を示す回路図である。同図に示すように、インバータ２
０は、電源Ｖｄｄと接地間に直列に接続されたＰチャネ
ル形ＭＯＳトランジスタＭ１およびＮチャネル形ＭＯＳ
トランジスタＭ２からなるＣＭＯＳ構成となっている。
そして、両ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２の各ゲートの
共通接続点に入力電圧Ｖｉｎが印加され、各ドレインの
共通接続点から出力電圧Ｖｏｕｔが導出されるように配
線されている。
【００３１】この種のインバータを、一般的なロジック
回路に適用する場合には、スレッシュホールドレベルを
電源電圧Ｖｄｄのほぼ１／２（Ｖｄｄ／２）に設定し
た、図８の破線の如き入出力特性を示す、いわゆるセン
ター型インバータ構成とするのが一般的である。これに
対し、本例では、スレッシュホールドレベルを電源電圧
Ｖｄｄの１／２よりも高く設定した、図８の実線の如き
入出力特性を示す、いわゆるハイスレッシュホールド型
インバータ構成としている。
【００３２】このように、インバータ２０をハイスレッ
シュホールド型インバータ構成とすることにより、図９
の波形図から明らかなように、ＣＲ時定数回路１９のコ
ンデンサＣ及び抵抗Ｒの値を大きくしなくても、センタ
ー型インバータ構成の場合よりも一定時間τを大きく設
定できる。
【００３３】換言すれば、同じ一定時間τを設定する場
合を考えると、ＣＲ時定数回路１９のコンデンサＣ及び
抵抗Ｒの値を、センター型インバータの場合よりも小さ
くできるので安価な部品を使えることになり、コスト面
で有利となる。一例として、容量値が大きな場合には高
価な電解コンデンサやタンタルコンデンサを用いなけれ
ばならないが、容量値が小さな場合には安価なセラミッ
クコンデンサで対応できることになる。
【００３４】インバータ２０をハイスレッシュホールド
型構成のものとするには、Ｐチャネル形ＭＯＳトランジ
スタＭ１の相互コンダクタンスをｇm1、Ｎチャネル形Ｍ
ＯＳトランジスタＭ２の相互コンダクタンスをｇm2とす
るとき、ｇm1＞ｇm2となるように、具体的にはｇm2／ｇ
m1を１／２〜１／１０程度に設定すれば良い。また、ｇ
m2／ｇm1比を変えるには、一例として、Ｐチャネル形Ｍ
ＯＳトランジスタＭ１及びＮチャネル形ＭＯＳトランジ
スタＭ２の各利得を表わすパラメータであるＷ（チャネ
ル幅）／Ｌ（チャネル長）を変えれば良い。
【００３５】なお、本例では、インバータ２０としてＣ
ＭＯＳ構成のものを用いたが、これに限定されるもので
はなく、Ｎチャネル形ＭＯＳを用いたＥ／Ｄ構成やＥ／
Ｅ構成など他の構成のインバータでも良く、さらにはノ
イズに強いシュミットトリガーインバータであっても良
い。これらのインバータを用いた場合にも、ハイスレッ
シュホールド型インバータ構成とすることで、上記と同
様の効果を得ることができる。
【００３６】なお、上記各実施例においては、不要な初
期電荷を掃き出すために電荷排出ゲート１１および電荷
排出ドレイン１２を新たに設けた構成としたが、いわゆ
る電子シャッター機能を持つリニアセンサに適用すれ
ば、シャッターゲート及びシャッタードレインを電荷排
出ゲート１１および電荷排出ドレイン１２として兼用で
きるので、時定数回路を追加するのみの簡単な構成で所
期の目的を達成できることになる。
【００３７】また、上記各実施例では、センサ列２の各
受光部１の初期電荷を、電荷排出ゲート１１を介して電
荷排出ドレイン１２へ掃き出すいわゆる横型構成とした
が、基板１５に制御電圧Ｖ１を印加することによって初
期電荷を基板１５に掃き出すいわゆる縦型構成であって
も良い。さらに、本発明は、ＣＣＤリニアセンサへの適
用に限定されるものではなく、ＣＣＤに限らずエリアセ
ンサを含め全ての固体撮像装置に適用可能である。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
センサ部の各受光部に蓄えられた電荷を排出するための
電荷排出部を設け、装置電源の立上げ時に、不要な初期
電荷をこの電荷排出部へ強制的に掃き出すように構成し
たので、高速転送等の機能を駆動系に持たせなくても、
簡単な構成にて電源立上げ時に短時間で正常動作に移行
できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す構成図である。
【図２】第１実施例に係るタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２実施例を示す構成図である。
【図４】第２実施例に係るタイミングチャートである。
【図５】本発明の第３実施例を示す構成図である。
【図６】第３実施例に係るタイミングチャートである。
【図７】インバータの回路構成の一例を示す回路図であ
る。
【図８】インバータの入出力特性を示す特性図である。
【図９】電源立上げ時におけるインバータの出力波形を
示す波形図である。
【図１０】従来例を示す構成図である。
【図１１】従来例に係るタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ 受光部（画素） ２ センサ列 ３ 読出しゲート ４ 電荷転送レジスタ ８ 電荷電圧変換部 １１ 電荷排出ゲート １２ 電荷排出ドレイン １４ 時定数回路 １９ ＣＲ時定数回路 ２０ インバータ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入射光をその光量に応じた電荷量の信号
    電荷に変換して蓄積する受光部が複数個配列されてなる
    センサ部と、 前記センサ部の各受光部から読み出された信号電荷を転
    送する電荷転送レジスタと、 前記センサ部の各受光部に蓄えられた電荷を排出するた
    めの電荷排出部と、前記各受光部に蓄えられた電荷を電
    源立上げ時の一定時間内に前記電荷排出部へ掃き出すべ
    く制御する制御手段とを備えたことを特徴とする固体撮
    像装置。
  2. 【請求項２】 前記電荷排出部は、前記センサ部の前記
    電荷転送レジスタとは反対側に形成された電荷排出ドレ
    インと、前記制御手段による制御によって前記各受光部
    に蓄えられた電荷を前記電荷排出ドレインに掃き出す電
    荷排出ゲートとからなることを特徴とする請求項１記載
    の固体撮像装置。
  3. 【請求項３】 前記制御手段は、電源立上げ時点から前
    記一定時間だけゲートパルスを出力して前記電荷排出ゲ
    ートに印加する時定数回路からなることを特徴とする請
    求項２記載の固体撮像装置。
  4. 【請求項４】 前記制御手段は、電源立上げに応答して
    その出力が所定の時定数で立ち上がるＣＲ時定数回路
    と、前記一定時間を設定するためのスレッシュホールド
    レベルにて前記ＣＲ時定数回路の出力を反転しその反転
    出力を前記電荷排出ゲートに印加するインバータとから
    なり、前記スレッシュホールドレベルが電源電圧の１／
    ２よりも高く設定されたことを特徴とする請求項２記載
    の固体撮像装置。
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