JPH11287708A - 電気回路 - Google Patents

電気回路

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JPH11287708A
JPH11287708A JP11024949A JP2494999A JPH11287708A JP H11287708 A JPH11287708 A JP H11287708A JP 11024949 A JP11024949 A JP 11024949A JP 2494999 A JP2494999 A JP 2494999A JP H11287708 A JPH11287708 A JP H11287708A
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JP
Japan
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phototransistor
array
image
photoelectric
polygon
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JP11024949A
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English (en)
Inventor
Derek L Knee
デレック・エル・ニー
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HP Inc
Original Assignee
Hewlett Packard Co
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14681—Bipolar transistor imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors

Abstract

(57)【要約】 【課題】ハンドヘルド・スキャナなどのナビゲーション
・センサ部の光電素子配列構造を改良し、簡単な構成で
捕捉イメージの歪みの低減を実現する。 【解決手段】ナビゲーション・センサ部の各フォトトラ
ンジスタ・セル４０の形状を多角形にし、上下左右方向
に隣接するセル同士の各幾何学的中心（ｃ）間距離
（ｄ）が等しくなるように２次元配列させる。これによ
り、従来ではイメージ・センサから捕捉したイメージ・
データに対して必要であった各フォトトランジスタ間の
距離のばらつき分の補正の計算処理工程を省くことがで
きる。また、フォトトランジスタ・セルの占有面積率が
向上し、レンズなどの光学的増幅手段を追加せずに従来
よりも高い光の利用効率が得られ、比較的弱い強度の照
射光での動作が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に、低レベルの
光で動作するように設計されたフォトレセプタに関する
ものであり、とりわけ、Ｓ／Ｎ比が比較的低い条件下に
おいて取得される光受信器の情報の信頼性を高めるため
の回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】表面を横切る装置の経路に関する正確な
判定は、さまざまな用途において重要になる。例えば、
走査を受ける元のイメージの忠実な表現を獲得すべき場
合、元のイメージに沿った走査装置の移動に関する正確
な情報が必要になる。一般に、スキャナによって得られ
る捕捉イメージはピクセル・データの配列であり、デジ
タル・フォーマットでメモリに記憶される。歪みのない
イメージにするには、元のイメージをピクセル・データ
配列へ忠実にマッピングすることが要求される。
【０００３】本発明の譲受人に譲渡された、Ｅｒｔｅｌ
他の米国特許第５，１４９，９８０号には、元のイメー
ジと光電素子アレイの間における所与の方向の相対運動
を判定するための相互相関関数の利用について記載があ
る。該特許では、一次元アプローチを拡張して、元のイ
メージとアレイの間における２次元相対運動のベクトル
を判定することが可能であり、これにより、２次元平面
における並進、回転、及びスケーリングを行うことが可
能である。
【０００４】このＥｒｔｅｌ他の特許には、元のイメー
ジが載った媒体（以下、「オリジナル」と称する）上の
「シグネチャ（signature）」を収集するための光セン
サ・アレイの利用について記載がある。シグネチャは、
オリジナルの表面テクスチャまたは他の光学的な特性を
照射し、イメージングすることによって得ることが可能
である。光の強度は表面テクスチャの変動に応じてピク
セル毎に変動する。オリジナルの表面の相互相関イメー
ジによって、アレイとオリジナルの間における相対運動
を確認することができる。
【０００５】Ｅｒｔｅｌ他によって解説されているよう
なシステムの設計において決定的に重要な構成要素は、
各光電素子のＳ／Ｎ比を、オリジナルのシグネチャを確
実に識別するのに十分な高さに維持するための回路要素
である。その信号を、白紙のテクスチャにおけるわずか
な変化の結果として生じるピクセル毎の反射率の差とし
た場合、その反射率の変動は約６％にしかならない。所
望の信号が問題となる媒体の反射率のわずかな変化を表
わすものになることから、総体的な解決課題が、各光電
素子の有する比較的低いＳ／Ｎ比の問題、及び、主ノイ
ズ項がフォトトランジスタの作用によって増幅され、こ
れが反射率の固定部分としてフォトダイオードのショッ
ト・ノイズとなってしまう問題に置き換えられる。
【０００６】１９９６年１月２５日に提出され、本発明
の譲受人に譲渡された、Ｂａｕｍｇａｒｔｎｅｒ他の同
時係属の米国特許出願第０８／５９１，８４８号には、
やはり、オリジナルの「シグネチャ」を収集するため
の、光センサ・アレイ用回路要素の利用に関する記載が
ある。望ましい実施態様におけるセンサ・アレイには、
オリジナルに対する走査装置の移動を追跡するために、
イメージ・センサの両端に配置された、１対のナビゲー
ション・センサも含まれている。
【０００７】Ｂａｕｍｇａｒｔｎｅｒ他の出願を参照す
ると、各ナビゲーション・センサは、読み取り及び信号
処理回路要素を含む集積回路に形成された、光電素子の
２次元アレイである。４０μｍのピクセル距離の範囲に
わたって必要とされる位置の正確度は、２．０μｍであ
る。位置正確度が極めて高くなると、光電素子毎に十分
に異なった信号が捕捉されるようにするために、個々の
長さが数十μｍしかない光電素子が必要になる。紙のオ
リジナル上の所望のピクセル・サイズが４０μｍの場
合、マイクロレンズを備えたイメージング光学装置によ
って、１．５の倍率が得られるので、６０μｍ×６０μ
ｍのピッチを有するフォトレセプタが適合する。各ナビ
ゲーション・センサは、６４列３２行のアレイから構成
され、各行は１６の光電素子対から構成されている。各
光電素子対には、単一のフォトセルが含まれている。各
光電素子には、基本的に２つの部分が含まれている。第
１の部分には、光を受けるためのフォトトランジスタが
含まれており、第２の部分には、フォトトランジスタの
ベースにバイアスをかけるためのサーボ増幅回路要素
と、光によって励起される電流から電荷を生成するため
の積分コンデンサが含まれている。所与の読み取り期間
中において、コンデンサに蓄積された電荷が周期的に読
み取られ、処理を施されて、光電素子を照射した光量が
求められる。第２の部分に対する第１の部分の面積比は
一般に充填率（fill factor）と呼ばれる。特定の感光
性マイクロチップに関する充填率が１であることは、そ
れによって、光電素子を照射する光の全てが光電流に変
換されるので、理論上、マイクロチップのスペースが最
も効率よく用いられていることを表している。Ｂａｕｍ
ｇａｒｔｎｅｒ他の回路レイアウトは、光電素子におい
て比較的少数のコンポーネントを利用することによっ
て、約０．４０の充填率を達成する。
【０００８】しかし、ある程度の価値は認められるが、
Ｂａｕｍｇａｒｔｎｅｒ他の回路レイアウトにはいくつ
かの欠点がある。第１に、Ｂａｕｍｇａｒｔｎｅｒ他の
フォトセル構成は、光電素子の隣接対が互いのミラー・
イメージを表すので、非対称性を有する。さらに詳しく
言えば、光電素子対のサーボ増幅回路及び積分コンデン
サはそれぞれ、光電素子スペースの残りの部分を占めて
いるフォトトランジスタに隣接した配向が施されてい
る。非対称性のレイアウトは、紙上のイメージがイメー
ジ捕捉中にフォトレセプタ・アレイに対して動く時に生
じるイメージのぶれを悪化させる。さらに、非対称性の
構成は、集積回路基板におけるスペースの利用が非効率
的であり、充填率を制限する。比較的充填率が低けれ
ば、ピクセル毎にマイクロレンズを利用して、有効充填
率を高めることが必要になり、このため、感光性アレイ
を利用する走査装置のコスト及び複雑さが増す。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、イメ
ージの捕捉中においてイメージのぶれを最小限に抑える
とともに、充填率を最大にして、光レベルの低い用途に
おいて特に重要なナビゲーション・チップの光の利用効
率を良くするような光電素子レイアウトを実現すること
によって、光電素子の信頼性を向上させることにある。
【００１０】本発明の他の目的、特徴、及び利点につい
ては、添付の図面と関連づけて解釈すれば、下記の説明
によって明らかになるであろう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】光エネルギから電気信号
を発生するための光電素子アレイを備えた回路構成が用
いられる。この回路は基本的に、光を受けて電気信号を
発生するフォトトランジスタを含む受光部分と、フォト
トランジスタのベースに適正なバイアスをかけて、光信
号を増幅するための増幅回路要素を含む非受光部分から
構成される。非受光部分には、それに限定されるわけで
はないが、増幅回路要素、光信号積分回路要素、及び他
の信号処理要素を含む、任意の数の素子を含めることが
可能である。望ましい実施態様の場合、受光部分は集積
回路の基板上に配置され、幾何学的中心を有している。
アレイ内において、垂直及び水平方向に隣接したフォト
トランジスタの幾何学的中心は互いに等距離であり、光
電素子の対称アレイを形成している。
【００１２】望ましい実施態様の場合、光電素子の非受
光部分には、アレイ内の少なくとも１つのフォトトラン
ジスタに電気的に結合された増幅器が含まれている。さ
らに、非受光部分は、隣接するフォトトランジスタ間の
間隙スペースに配置されている。当業者にとって明らか
なように、１つのサーボ増幅器でいくつかの隣接するフ
ォトトランジスタからの信号に処理を加えることが可能
であるが、望ましい実施態様では、サーボ増幅器は、ア
レイ内における各フォトトランジスタに対して１つずつ
含まれている。さらに、望ましい実施態様の場合、各フ
ォトトランジスタ及びサーボ増幅器の形状は多角形であ
る。望ましい実施態様の場合、サーボ増幅器の多角形の
一辺は、長さがフォトトランジスタの多角形の一辺とほ
ぼ等しい。望ましい実施態様の場合、各フォトトランジ
スタの多角形は、水平方向に隣接したフォトトランジス
タ多角形の垂直方向のエッジに接する２つのほぼ平行な
垂直方向のエッジと、垂直方向に隣接したフォトトラン
ジスタ多角形に接する２つのほぼ平行な水平方向のエッ
ジとを備える八角形である。フォトトランジスタ多角形
の残りのエッジは、四辺形の形状を有するサーボ増幅器
を収容する、四辺形の間隙スペースを形成する。
【００１３】代替実施態様の場合、各フォトトランジス
タの多角形にはその少なくとも１つのコーナに配置され
た凹面部分が含まれており、各増幅器の形状は多角形で
あり、各増幅器の多角形の少なくとも一部が凹面部分に
相補的に収容される。この代替実施態様の場合、各フォ
トトランジスタの多角形は少なくともそのコーナの１つ
に凹面部を有する四辺形であり、各サーボ増幅器は四辺
形の形状を有しており、各サーボ増幅器の多角形の少な
くとも一部は、少なくとも１つのフォトトランジスタの
多角形における少なくとも１つの凹面部分に相補的に収
容される。より詳細に云えば、各フォトトランジスタの
多角形は、十字形状または切り欠きコーナを備えた四辺
形に似たものでもよい。４つの隣接するフォトトランジ
スタ多角形からの４つの隣接する切り欠きコーナによっ
て、四辺形サーボ増幅器多角形を相補的に収容するため
の四辺形の間隙スペースを形成してもよい。
【００１４】本発明はまた、電気回路内に、光エネルギ
から電気信号を発生するためのフォトトランジスタを含
んでいる各光電素子のアレイを構成する方法に関するも
のである。すなわち、該方法には、各光電素子内におけ
るフォトトランジスタを幾何学的中心を備えた多角形の
形状をなすように形成するステップが含まれており、前
記アレイ内における垂直及び水平方向に隣接したフォト
トランジスタの幾何学的中心は、互いに等距離である。
【００１５】いくつかの要素が寄与することによって、
比較的高い充填率が得られる。寄与する要因の１つは、
比較的少数のコンポーネントで済むサーボ回路の設計で
ある。もう１つの要因は、アレイ内における光電素子の
効率のよいレイアウトである。対称アレイの主たる利点
の１つは、フォトトランジスタ及びサーボ増幅器の多角
形構造によって、０．７７〜０．８３の充填率が得られ
るという点である。この充填率の範囲では、他の同類の
設計のものよりも大きい光信号を発生する回路を実現で
き、それによって紙上のピクセルの光学的増幅を不要に
する。さらに、対称アレイの利点としては、そうでない
場合に隣接するフォトトランジスタの幾何学的中心間の
異なった距離を補正するために行われる、イメージ・セ
ンサ素子アレイによって捕捉されるイメージに対する後
続の信号処理が不要になるという点があげられる。
【００１６】
【実施例】図１を参照すると、オリジナル１４に沿った
蛇行経路１２を辿ったハンド・ヘルド走査装置１０が示
されている。オリジナルは一枚の紙とすることも可能で
あるが、本発明においては、他のイメージ保有媒体とす
ることも可能である。ハンドヘルド走査装置を用いる場
合、紙の繊維といった固有の構造特徴の位置を追跡し、
その結果得られる位置情報を利用してイメージ・データ
を修正することが可能である。しかし、本発明は他の用
途に用いることも可能である。
【００１７】走査装置１０は自立式で、バッテリで動作
するのが望ましい。しかし、走査装置には、外部電源、
または、コンピュータもしくはネットワークのデータ・
ポートに対する接続を含むことが可能である。走査装置
には、イメージ・ディスプレイ１６が含まれている。こ
のディスプレイによって、捕捉したイメージのほとんど
即時と云える検分が可能になる。しかし、ディスプレイ
は本発明にとっては決定的に重要なものではない。
【００１８】走査装置１０は３自由度を有しており、２
つは並進で、１つは回転である。第１の自由度は、オリ
ジナル１４上での横方向の運動（Ｘ軸運動）である。第
２の自由度は、オリジナル上での上下方向の運動（Ｙ軸
運動）である。第３の自由度は、直線配列をなすイメー
ジ・センサ素子の、オリジナル１４の端に対する回転方
向の整列ずれを持たせて操作する（Ｚ軸運動）ことを可
能にする能力である。つまり、イメージ・センサ素子の
直線配列が、装置の並進方向に対して垂直ではない迎え
角になるようにすることが可能となる。
【００１９】図１及び図２を参照すると、走査装置１０
の底部側１８には、オリジナル１４とイメージ・センサ
２２の間の適正な接触を維持することを目的とした旋回
部材２０が含まれている。ナビゲーション・センサ２４
及び２６がイメージ・センサの両端に配置されている。
ナビゲーション・センサは旋回部材に取り付けられてい
るので、イメージ・センサに対して固定位置にある。
【００２０】イメージ・センサ２２は、物理的にコンパ
クトな接触イメージ装置が望ましいが、コンパクトさが
それほど問題にならないか、あるいは、より小さいイメ
ージが所望される用途の場合、拡大率を１未満にして、
投影光学素子を用いたセンサを用いることも可能であ
る。接触イメージング装置には一般に、日本板硝子
（株）の登録商標である「ＳＥＬＦＯＣ」で販売されて
いるレンズが用いられている。それほど一般的ではない
が、イメージング・レンズを用いずに、挟み込まれた光
源配列素子と近接センサを利用して接触イメージングを
実施することも可能である。走査用途のための一般的な
イメージ・センサを利用することも可能である。イメー
ジ・センサは、照射源、照射光学素子、及びイメージ転
送光学素子も含んでいる装置の一部とすることも可能で
ある。
【００２１】図１には、４本の帯状部分と途中までの１
本の帯状部分で示された、オリジナル１４の端から端か
ら端へ往復する蛇行経路１２が示されている。大部分の
用途に有効なイメージ・センサ２２は、２５．４ｍｍ〜
１０１．６ｍｍの範囲内の長さを有する。走査されるオ
リジナルを忠実に再現することができるように、各帯状
部分が重なり合う領域を含むように走査するステッチ・
プロセスを利用することが望ましい。
【００２２】走査装置１０には、少なくとも１つのナビ
ゲーション・センサ２４または２６が含まれている。望
ましい実施態様の場合、走査装置には、イメージ・セン
サ２２の両端に位置する１対のナビゲーション・センサ
が含まれている。互いに直交するように取り付けられた
１次元配列をなす光電素子を利用することが可能である
が、より望ましい実施態様は、各ナビゲーション・セン
サが２次元アレイをなす光電素子である実施態様であ
る。ナビゲーション・センサ２４及び２６は、オリジナ
ルに対する走査装置１０の移動を追跡するために用いら
れる。
【００２３】各ナビゲーション・センサは、読み取り及
び信号処理回路要素を含む集積回路基板に形成された、
光電素子のアレイである。４０ｍｍのピクセル距離にわ
たって必要とされる位置正確度は２．０ｍｍである。位
置正確度が極めて高くなると、光電素子毎に十分に異な
る信号を捕捉するために、個々の長さがわずか数十μｍ
足らずの光電素子が必要になる。
【００２４】ナビゲーション・センサ２４及び２６の動
作時における所望の信号は、オリジナル１４の表面に沿
った変化によって生じる、ピクセル毎の反射率の差であ
る。表面の変化を表わすものが白紙上のテクスチャの変
化である場合、反射率は、白紙の基本反射率である約６
％だけしか変化しない可能性がある。従って、総体的な
解決目標は、各光電素子の信号−雑音比が約２となるよ
うにすることに置き換えられる。主ノイズ項は、反射率
の固定部分によって生じる光電素子信号のショット・ノ
イズである。ナビゲーションを判定する場合、ノイズ信
号は、６％である紙の反射率の変化よりも小さいもので
なければならない。
【００２５】図３には、本発明による光電素子アレイ及
び増幅回路の機能ブロック・ダイヤグラムを表してい
る。すなわち、ブロック８２は、後続の処理に備えて、
光信号８４を発生する光電素子アレイを表している。ブ
ロック８６は、光信号８４を受信してデジタル信号８８
に変換するアナログ・デジタル変換（ＡＤＣ）回路要素
を表している。次に、デジタル信号８８は、ブロック９
０で示された処理回路要素に供給される。ブロック９０
は、大規模並列デジタル・イメージ相互相関プロセッサ
を表している。
【００２６】図４は、光センサ２４及び２６の集積回路
基板に組み込むことが可能な光電素子回路の一例に関す
る概略図である。当業者であれば明らかなように、本発
明のアレイ構造に納まる限りにおいて、本発明において
は、任意の数の回路素子を用いることが可能である。入
射光３７は電流に変換され、この電流はサンプリング期
間中に積分される。その記憶値は周期的に読み取られ、
処理シーケンスにおける次のステップに利用することが
可能である。積分サイクルの開始時に、フォトダイオー
ド３４によって発生する光電流がＰＮＰトランジスタ３
６によって増幅される。フォトダイオード及びトランジ
スタは、寄生コンデンサ３８を伴って光電素子４０を形
成する。増幅された光電流は、約１．７５Ｖのレベルに
向けて積分コンデンサ３０を下方に充電する。
【００２７】光電素子４０中のフォトダイオード３４
は、光子を受けることに応答して電流を発生する。フォ
トダイオードは、ＰＮＰトランジスタ３６のベースに接
続されている。逆バイアス・ダイオード・コンデンサ３
８は、０．１６ｐＦとすることが可能な寄生コンデンサ
である。この実施態様の場合、フォトダイオードにおけ
る光パワーは、約１．１ｎＷになるように決定された。
これによって、ダイオード電流源に約０．６ｎＡの電流
が生じる。電流レベルが低いので、定光電流の約６％に
しかすぎない光変動信号によってノイズと区別するのに
十分な電圧差が生じることを保証するためには増幅が必
要になる。
【００２８】光電素子４０のＰＮＰトランジスタ３６に
よって光電流が増幅される。トランジスタによって増幅
することにより、光電素子間における再現性を助長する
積分コンデンサ３０の利用が可能になる。増幅しなけれ
ば、フォトダイオード３４からの小電流は、例えば１０
ｐＦといった１ボルトの揺れを得るために、積分器とし
て極めて小さいコンデンサを必要とする。寄生パラメー
タのため、これでは、素子間での再現が困難になる。光
電素子のレイアウトをダイオードから基板ＰＮＰ素子に
変更するのが、電流を増幅するのに好都合な方法であ
る。１８であるそのベータ値が出力エミッタ電流を１
１．４ｎＡに増大する。従って、０．２０ｐＦの積分コ
ンデンサを利用することが可能になる。これは再現性を
助長するが、過度の面積を必要とするほど大きくはな
い。
【００２９】サーボ回路２９は、ＭＯＳトランジスタ５
０及び５２を使って形成される。これらＭＯＳトランジ
スタは、フォトトランジスタ３６の出力に対する共通ゲ
ート段を備えたバイアス・ポイント増幅器を形成する。
ＭＯＳトランジスタ５４は、バイアス電圧ラインＰＢＢ
から適正な信号を受信すると、アナログ電源ラインＡＶ
ＤＤを介してバイアス電流を供給する。光電素子４０に
発生した電流を積分コンデンサ３０に適正に転送するた
めには、フォトダイオード逆電圧（すなわち、トランジ
スタ３６のベース電圧）は、ほぼ一定のレベルに保たれ
なければならない。ベース・ノード５６において電圧を
シフトさせてしまうようなことがあれば、光電流が、基
板ＰＮＰトランジスタ３６によって増幅されることにな
る電流の供給によってではなく、ダイオード・コンデン
サ３８の充電及び放電によって少なくとも部分的に消費
されてしまう。
【００３０】ノード５６におけるトランジスタ・ベース
電圧は、３つのＭＯＳトランジスタ５０、５２、及び５
４によってほぼ一定のレベルに保たれる。図３の実施態
様の場合、所望の動作を実現するのに不可欠というわけ
ではないが、このほぼ一定の電圧レベルは、コレクタ・
ノード５８において、ＡＶＤＤを超えるＮＭＯＳのしき
い値レベルにほぼ等しい。これらＭＯＳトランジスタ
は、ＰＮＰトランジスタ３６のエミッタ・ノード６２に
対するソース・フォロワとして機能するトランジスタ５
２によって、負帰還ループの働きをする。従って、ベー
ス電圧は、トランジスタのエミッタ電圧によって制御さ
れる。これは、ベース電圧、すなわち、フォトダイオー
ド出力のＤＣインピーダンス・レベルが極めて高いため
に可能になる。エミッタ制御のバイアス技法はテストに
おいて有効に作用した。出力から見て、トランジスタ５
２は、ノード６４の電圧のスイングからトランジスタの
エミッタ・ノード６２及びベース・ノード５６をさらに
分離するという利点が付加された共通ゲート段である。
【００３１】電子シャッタ３１が、ＮＭＯＳトランジス
タ５３とＰＭＯＳトランジスタ５５から形成される。入
力ノードＳＨＵＴＴＥＲからの信号が論理ローの場合、
トランジスタ５５は導通モードになり、トランジスタ５
３は非導通モードになる。この状態において、サーボ回
路は、積分コンデンサ３０の充電を続行する。このモー
ドにおいて、電子シャッタ回路３１は「開」モードにな
る。ノードＳＨＵＴＴＥＲからハイの論理信号を受信す
ると、トランジスタ５３は導通モードになり、トランジ
スタ５５は非導通モードになる。この状態において、光
電素子４０において光によって生じたエミッタ電流は、
電源ラインＡＶＤＤの方へ流れを変える。このモードに
おいて、電子シャッタ回路３１は閉モードであり、積分
コンデンサ３０は光で生じた電荷を蓄積しない。従っ
て、蓄積期間を終了するためには、電子シャッタ回路を
「閉」モードにしなければならない。閉モードの間、積
分コンデンサ３０は、読み取られるまでその電荷を保持
する。
【００３２】読み取り期間の終了時に、読み取りスイッ
チ４２が、ラインＮＲＤからの論理信号によって「オ
ン」になり、積分コンデンサ３０に蓄積された値をノー
ドＯＵＴを介して転送増幅器（不図示）に出力する。読
み取りスイッチは、読み取り制御ラインＮＲＤによって
制御されるＰＭＯＳトランジスタとすることが可能であ
る。こうして、積分コンデンサ３０は、シャッタ回路が
閉モードになった後、読み取りトランジスタ４２によっ
て読み取られるまで、その電荷を保持する。転送増幅器
（不図示）は、ノード６４を１．７５Ｖまでプル・ダウ
ンする。これによって、転送増幅回路要素（不図示）へ
の信号の転送が実施される。転送プロセスが完了する
と、読み取り制御ラインＮＲＤが論理ローに戻され、ト
ランジスタ４２が非導通状態に戻る。
【００３３】図５には、本発明に従って構成された幾何
学的レイアウトの個々の光電素子９４の平面幾何学構成
に関する概略図が示されている。この特定の実施態様に
おいて、光電素子９４には上述のように、光エネルギか
ら信号を発生するフォトトランジスタ４０が含まれてい
る。フォトトランジスタ４０は、形状が多角形であり、
２つのほぼ平行な垂直方向の辺９８と、２つのほぼ平行
な水平方向の辺９７と、４つの斜辺１００を備えてい
る。
【００３４】光電素子９４には、フォトトランジスタ４
０の下方左手コーナに位置する斜辺１００とほぼ等しい
一辺を有する、ほぼ四辺形の形状をなす多角形９５内に
処理回路要素も含んでいる。やはり、当業者であれば明
らかなように、斜辺１００の長さは、水平及び垂直方向
の辺９７及び９８と等しくなくてもよい。実際のとこ
ろ、光電素子９４の総面積に対するフォトトランジスタ
４０の面積の比である充填率を最大にするため、処理回
路要素を含む多角形９５の面積が最小になるように、辺
１００をできる限り短くするのが望ましい。当業者には
明らかなように、多角形９５には、図４に示す回路要
素、あるいは、光電素子から発生する電気信号に十分な
処理を加える他の同等回路要素を含むことが可能であ
る。望ましい実施態様の場合、垂直方向の辺９８の長さ
は約２４μｍ、水平方向の辺９７の長さは約２４μｍ、
斜辺１００の長さは約２３．５μｍである。光電素子の
全幅は約６０μｍである。素子４０の高さはその幅に等
しい。当業者には明らかなように、これらの寸法は本発
明にとって決定的に重大なものではない。
【００３５】図６には、光学素子９４の４×４のアレイ
９６が示されている。当業者には明らかなように、光電
素子９４のアレイ９６には、任意の数の光電素子を含む
ことが可能である。図６から明らかなように、サーボ回
路要素を含む多角形９５はそれぞれ、各フォトトランジ
スタ４０間における間隙スペース内に配置されている。
また、図６に示されるように、垂直及び水平方向におい
て隣接するフォトトランジスタ４０間における幾何学的
中心（ｃ）間の距離（ｄ）は等しい。
【００３６】図７には、光電素子９４’のさらにもう１
つの実施態様が示されている。光電素子９４’はやは
り、フォトトランジスタ４０’と、多角形９５’内の処
理回路要素から構成される。望ましい実施態様の場合、
多角形９５’は正方形である。フォトトランジスタ４
０’は基本的に、凹面コーナ１０６を備えた四辺形から
構成される。コーナ１０６はそれぞれ、垂直及び水平方
向の辺１０２及び１０４の端部において水平及び垂直方
向の壁１０８及び１１０を形成しているので、光電素子
は十字に似ていると言える。この実施態様の場合、多角
形９５’内の回路要素は、切り欠きコーナ１０６内に部
分的に収まる。望ましい実施態様の場合、垂直及び水平
方向の辺１０２及び１０４の長さは約３３．８μｍ、辺
１０８及び１１０の長さは約１０．９μｍ、多角形９５
の辺の長さは約２２．５μｍである。図８には光電素子
９４’の４×４のアレイが示されている。図８から明ら
かなように、垂直及び水平方向に隣接するフォトトラン
ジスタ４０’の幾何学的中心（ｃ）は、距離（ｄ）で示
すように互いに等距離である。
【００３７】図６に示されているアレイの充填率は、
０．７７であるが、図８に示されているアレイの充填率
は、０．８３である。同類の他の回路に比べて高い充填
率は、極めて効率のよいアレイ・レイアウトであること
を表している。充填率が極めて高いので、図６及び図８
に示す配列は、同じ総面積を有する他の設計の場合をは
るかに上回る光信号を発生し、このため、紙ピクセルの
光学的増幅が不要になる。さらに、フォトトランジスタ
４０及び４０’の対称配置の利点は、そうでない場合に
隣接するフォトトランジスタの幾何学的中心間の異なっ
た距離を補正するために行われる、イメージ・センサ素
子アレイによって捕捉されるイメージに対する後続の信
号処理が不要になるという点にある。
【００３８】以上の記述は、例示及び解説を目的として
示されたものである。本発明を余すところなく説明した
り、開示の形態そのままに限定したりすることを企図し
たものではない。以上の教示を考慮することによって、
明白な修正及び変更が可能になる。例えば、幾何学的中
心が垂直及び水平方向において隣接し、フォトトランジ
スタが等距離にある限りにおいて、フォトトランジスタ
は、概ねいかなる形状に構成することも可能である。さ
らに、各フォトトランジスタは、それ自身に関連する増
幅回路要素を自ら備えている必要はない。例えば、サー
ボ増幅回路要素の多角形１つでまわりの４つのフォトト
ランジスタを取り扱うことが可能である。既述の１つま
たは複数の実施態様は、本発明の原理及びその実際の応
用例を最も明確に例示し、それによって当該技術の当業
者が企図する特定の用途に適したさまざまな実施態様及
びさまざまな修正案において本発明を利用することがで
きるように選択され、説明されている。こうした修正及
び変更は全て、その正当かつ法的に権利を付与されてい
る範囲に従って解釈する場合、付属の請求項によって決
まる本発明の範囲内に含まれるものである。
【００３９】〔実施態様〕なお、本発明の実施態様の例
を以下に示す。
【００４０】〔実施態様１〕光エネルギから電気信号を
生成するための光電素子（９４、９４’）のアレイ（９
６、９６’）を備えた電気回路であって、各光電素子
（９４、９４’）に、幾何学的中心（ｃ）を有する多角
形フォトトランジスタ（４０、４０’）が含まれている
ことと、前記アレイ内において垂直方向及び水平方向に
隣接した各フォトトランジスタ（４０、４０’）の幾何
学的中心（ｃ）が互いに等距離であることを特徴とする
電気回路。
【００４１】〔実施態様２〕前記アレイ（９６、９
６’）内の少なくとも１つのフォトトランジスタ（４
０、４０’）に電気的に結合されている増幅器（９５、
９５’）がさらに含まれていることと、前記増幅器（９
５、９５’）が、前記少なくとも１つのフォトトランジ
スタ（４０、４０’）からの電気信号に処理を加えるこ
とと、前記増幅器（９５、９５’）が隣接フォトトラン
ジスタ（４０、４０’）間の間隙スペース内に配置され
ることを特徴とする、実施態様１に記載の電気回路。
【００４２】〔実施態様３〕前記各光電素子（９４、９
４’）に、１つのフォトトランジスタ（４０、４０’）
と、１つの増幅器（９５、９５’）が含まれていること
を特徴とする、実施態様１または実施態様２に記載の電
気回路。
【００４３】〔実施態様４〕少なくとも０．４の充填率
を有することを特徴とする、実施態様１乃至実施態様３
のいずれか一項に記載の光電素子（９４、９４’）の電
気回路。
【００４４】〔実施態様５〕前記各増幅器（９５）の形
状が多角形であることと、前記各増幅器（９５）の多角
形の一辺が、前記フォトトランジスタ（４０、４０’）
の多角形の一辺（１００）とほぼ同じ長さであることを
特徴とする、実施態様２乃至実施態様４のいずれか一項
に記載の電気回路。
【００４５】〔実施態様６〕前記各増幅器（９５’）の
形状が多角形であることと、前記各増幅器（９５’）の
多角形の一辺が、前記フォトトランジスタ（４０’）の
多角形の一辺（１０８、１１０）より長いことを特徴と
する、実施態様２乃至実施態様４のいずれか一項に記載
の電気回路。
【００４６】〔実施態様７〕前記各フォトトランジスタ
（４０）の多角形が八角形であることと、前記各増幅器
（９５）の多角形が四辺形であることを特徴とする、実
施態様２乃至実施態様６のいずれか一項に記載の電気回
路。
【００４７】〔実施態様８〕前記各フォトトランジスタ
（４０’）に、前記フォトトランジスタ（４０’）多角
形の少なくとも１つのコーナに配置された凹面が含まれ
ることと、前記各増幅器（９５’）の形状が多角形であ
ることと、前記各増幅器（９５’）の多角形が前記凹面
部分に相補的に収容されることを特徴とする、実施態様
２に記載の電気回路。
【００４８】〔実施態様９〕前記各フォトトランジスタ
（４０’）の多角形の形状が四辺形であり、その少なく
とも１つのコーナに凹面部分を有することと、前記各増
幅器（９５’）に四辺形の形状が含まれており、前記各
増幅器（９５’）の多角形の少なくとも一部が、少なく
とも１つのフォトトランジスタ（４０’）の少なくとも
１つの凹面部分に相補的に収容されることを特徴とす
る、実施態様２に記載の電気回路。
【００４９】〔実施態様１０〕電気回路内に、それぞれ
が光エネルギから電気信号を発生するためのフォトトラ
ンジスタ（４０、４０’）を含んでいる光電素子（９
４、９４’）のアレイ（９６、９６’）を構成する方法
であって、各光電素子（９４、９４’）内におけるフォ
トトランジスタ（４０、４０’）を幾何学的中心（ｃ）
を備えた多角形の形状をなすように形成し、前記アレイ
（９６、９６’）内で垂直方向及び水平方向に隣接した
フォトトランジスタ（４０、４０’）の幾何学的中心
（ｃ）が互いに等距離であるように光電素子アレイを構
成するステップが含まれることを特徴とする方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】オリジナルの蛇行経路を辿るハンド・ヘルド走
査装置の斜視図である。
【図２】図１の走査装置のイメージング及びナビゲーシ
ョン・センサの底面図である。
【図３】本発明による光電素子アレイ及び増幅回路の機
能ブロック図である。
【図４】負帰還ループ及びシャッタ機構を備えた光電素
子回路を示す図である。
【図５】本発明による個々の光電素子のレイアウトの平
面幾何学構成の概略図である。
【図６】本発明による光電素子アレイのレイアウトの平
面幾何学構成の概略図である。
【図７】本発明による個々の光電素子のレイアウトの代
替実施態様に関する平面幾何学構成の概略図である。
【図８】本発明による光電素子アレイのレイアウトに関
する代替実施態様の平面幾何学構成の概略図である。
【符号の説明】
１０ ハンド・ヘルド走査装置 １２ 蛇行経路 １４ オリジナル １６ イメージ・ディスプレイ ２０ 旋回部材 ２２ イメージ・センサ ２４ ナビゲーション・センサ ２６ ナビゲーション・センサ ２９ サーボ回路 ３０ 積分コンデンサ ３４ フォトダイオード ３６ ＰＮＰトランジスタ ３７ 入射光 ３８ 寄生コンデンサ ４０ 光電素子 ４０’ フォトトランジスタ ４２ 読み取りトランジスタ ５０ ＭＯＳトランジスタ ５２ ＭＯＳトランジスタ ５３ ＮＭＯＳトランジスタ ５４ ＭＯＳトランジスタ ５５ ＰＭＯＳトランジスタ ５６ ベース・ノード ５８ コレクタ・ノード ６２ エミッタ・ノード ６４ ノード ８２ 光電素子アレイ ８４ 光信号 ８６ ＡＤＣ回路要素 ８８ デジタル信号 ９０ 処理回路要素 ９４ 個別光電素子 ９４’ 光電素子 ９５ 多角形 ９５’ 多角形 ９６ 光電素子アレイ ９７ 水平方向の辺 ９８ 垂直方向の辺 １００ 斜辺 １０２ 垂直方向の辺 １０４ 水平方向の辺 １０６ 凹面コーナ １０８ 水平方向の壁 １１０ 垂直方向の壁

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光エネルギから電気信号を生成するための
    光電素子（９４、９４’）のアレイ（９６、９６’）を
    備えた電気回路であって、各光電素子（９４、９４’）
    に、幾何学的中心（ｃ）を有する多角形フォトトランジ
    スタ（４０、４０’）が含まれていることと、前記アレ
    イ内において垂直方向及び水平方向に隣接した各フォト
    トランジスタ（４０、４０’）の幾何学的中心（ｃ）が
    互いに等距離であることを特徴とする電気回路。
JP11024949A 1998-02-17 1999-02-02 電気回路 Withdrawn JPH11287708A (ja)

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