JPS6111505B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は手書、タイプ或いは印刷された原稿な
どの種々の画像を時系列の電気信号に変換する固
体電子−光学的読取装置に関する。さらに、詳し
くは一列に配列した複数個の光導電セルとその両
電極に接続した複数個の走査用FETスイツチと
信号検出用負荷抵抗、充電用定電圧直流電源とか
ら構成される固体受光素子アレイとその光導電セ
ル上に原稿を投影する結像光学系を具備したこと
を特徴とする小型、安価な読取装置に関する。

印刷された文字、絵などの画像のフアクシミリ
伝送には、従来から種々の複雑な型の光学的読取
装置が使用されている。第１図は市販されている
光ダイオードアレイ（PDA）の基本回路を示し
たものである。D₁，D₂，…，Dnはフオトダイオ
ード、S₁，S₂，…，SnはFETスイツチ、Ｒは負
荷抵抗、Ｖは直流電源、Ｖ_G1，Ｖ_G2，…，Ｖ_Goは
FETのゲートで、このゲートの走査回路はシフ
トレジスタＳ_Rで構成される。

光ダイオードアレイの動作原理はその１個に注
目すれば容易に理解できる。第２図がその等価回
路で光ダイオードＤは光スイツチＰ_Dとセンサ容
量またはｐ−ｎ接合容量Cjとの並列回路であら
わされる。なおＳは走査用FETスイツチで、Ｒ
は外部負荷抵抗である。Ｓが閉じた状態では光ダ
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イオードＤ（Ｐ_D，Cj）逆バイアス電圧Ｅがかゝ
り、ｐ−ｎ接合部には Ｑ＝CjE の電荷が蓄積される。前記電荷Ｑは通常飽和電荷
量と呼ばれる。充電が終了してからスイツチＳが
開かれ、その直後に光が照射され始める。明かる
さＬの光がＴ時間照射されたとき、光ダイオード
Ｄの感度をIA／1uxとすると、光ダイオードＤの
内部で放電される電荷Q′は Q′＝ILT となる。Q′がＱに等しくなるときのＬとＴの積
を飽和露光量と言う。その後で再びスイツチＳが
閉じると内部放電した電荷Q′に相当するだけの
電荷が再充電される。この再充電の電流を負荷抵
抗Ｒの両端で検出すれば画信号となるわけであ
る。したがつて位置の異る光ダイオードＤの回路
のスイツチＳが時系列的に開閉されれば、出力信
号は共通の負荷抵抗Ｒから取り出されることにな
り、増幅回路の共用化という立場からは極めて都
合がよい。

このような光センサーによる信号検出において
考慮しなければならない重要な問題は浮遊容量で
ある。前述の光ダイオードアレイ形の信号ピーク
値は読出回路の浮遊容量に影響される。すなわ
ち、得られる信号の大きさはセンサー容量Cjと
浮遊容量Csの比に比例する。それ故センサー容
量Cjを大きく、浮遊容量Csをできるだけ小さく
しなければならない。市販品ではCj／Csが数10
分の１になつているのが普通である。

市販の光ダイオードアレイやCCDセンサーは
集積化されているため原稿の読取には縮少光学系
を使わなければならない。このために光学系部分
が大型化することはさけられず、これは小型の原
稿読取装置を作るためには極めて都合の悪いこと
である。特公昭47−3482号公報には複数個の光導
電体サンドイツチセルを使つた原稿幅大の固体電
子−光学的走査装置が述べられている。この装置
は光導電体からなるセンサーに原稿を直接接触さ
せて読み取るもので、結像光学系を必要としない
小型の読取装置である。この場合、光導電セルの
光電流特性は第３図のようになり、その動作範囲
は光導電体の透過特性に大きく支配される欠点が
ある。またこの装置では原稿幅全体について透過
率の均一性が極めて良いものを作製しなければな
らない難しさがあり、さらに光電流の実時間読取
方式であるために低速になつてしまうこと、光導
電体の透過光が常にバイアスとしてのつているの
でＳ／Ｎ比が低くなつてしまうことなどの欠点を
有する。

したがつて本発明の目的は、１：１の結像光学
系を用いて一般原稿を時系列の電気信号に変換す
る小型の固体電子−光学的読取装置を提供するこ
とにある。

また本発明の目的はセンサー容量を読取画素寸
法と無関係に大きくすることを可能にし、これに
よつて浮遊容量に対する割合を調節して出力信号
の有効な検出を可能とする固体電子−光学的読取
装置を提供することにある。

更に本発明の他の目的はFETスイツチを１つ
の基本回路に２個宛配置することによつて、極め
て少数の電気部品で一次元の固体走査を可能とす
る固体電子−光学的読取装置を提供することにあ
る。

本発明の更に他の目的は、次の充電ステツプま
での露光量相当の放電々荷を高速で充電するとき
の電流を検出する方式のため、実時間信号読取方
式に比べて高速の固体電子−光学的読取装置を提
供することにある。

以下本発明を、図面を参照して詳細に説明す
る。第４図は本発明の１実施例の概略斜視図で、
原稿結像光学系１、固体受光素子アレイ２、電気
的走査回路３，４および信号検出器５から構成さ
れる。なお、原稿即ち二次元画像を時系列の電気
信号に変換するには一次元走査に原稿送り、又は
センサー移送の機械的走査を付け加えればよいだ
けなので、ここでは一次元走査に限つて述べる。
結像光学系１は原稿置き台６とレンズ７とで構成
される。この光学系は１：１結像光学系なので、
レンズ７としてはセルフオツクレンズを使うこと
ができ、小型化が容易である。固体受光素子アレ
イ２は光導電体８、透明電極９、対向電極１０で
構成され、この素子に電気的走査回路３，４と信
号検出回路５が接続されている。なお、１１は信
号検出端子である。固体受光素子２は画素サイズ
に分割され、一次元に配列されている。原稿を８
本／mmの読取分解能で信号変換したいときには受
光素子のセグメントのサイズを100μｍ×100μ
ｍ、ピツチを125μｍにすればよい。固体受光素
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子アレイ２を拡大して示したのが第５図である。
光導電体８は暗抵抗が10¹²Ω−cm以上、光感度が
1PA／lux以上、光応答時間10msec以下の条件を
満足するものでなければならない。このような条
件を満足するものには、Se−Te合金、CdSe、Ｎ
型或いはＰ型のシリコン結晶がある。透明電極９
は読取画素サイズのセグメント９ａ，９ｂ，９ｃ
…９ｎに分割された透明導電膜で、例えばSnO₂
やIn₂O₃などである。従つて固体受光素子アレイ
２への光像は透明電極９側から照射される。対向
電極１０は分割された透明電極セグメント９ａ，
９ｂ，９ｃ…９ｎの１個又は複数個を同時にカバ
ーする共通電極であり、透明であつても不透明で
あつてもよいので、通常の金属の真空蒸着で容易
につけることができる。こうして得られる固体受
光素子アレイ２は各セグメントについて、第６図
の基本回路になるように接続されている。第６図
において、Ｓ１，SAはON抵抗が10⁵Ω以下、
OFF抵抗が10¹¹Ω以上のMOS−FETスイツチで
あり、第４図の走査回路３，４に含まれている。
光像照射による応答は第２図の場合と全く同じ
で、最初スイツチＳ１，SAが同時に閉じている
状態のときセンサー容量と電源電圧の積に等しい
電荷が蓄えられ、次にＳ１，SAのどちらか一方
が開いている時間の間光像が照射され、光導電体
８の光導電により光量に応じて放電する。その後
再びＳ１，SAが同時に閉じている状態を作り出
すと、先にセンサー内部で消滅した放電々荷量を
充電すべく、抵抗Ｒに電流が流れ電気信号が現わ
れる。なお、第６図においては光導電体８を、光
像照射に応答してその抵抗値が変化する抵抗体で
代表させているが、透明電極９としてSnO₂を、
また光導電体としてSeを用いるような場合に
は、両者間にPN接合が形成されるので、第２図
と全く同様に考えることができる。以上述べたス
イツチの規則的動作を作り出すのが第４図の走査
回路３と４で、この２つの走査回路によりアレイ
方向の一次元的走査が行なわれ、時系列読出が可
能となる。先にも述べたが、この場合、実際上の
問題として検出回路の浮遊容量を無視することは
できない。市販されている1024ビツトフオトダイ
オードアレイの検出回路の浮遊容量はセンサー接
合容量の数10倍にもなつている。浮遊容量を減ら
すことは検出信号を有効に取り出す秘訣である。

このことは１：１の結像光学系を使う本発明の
固体素子アレイについても全く同様である。市販
のPDAやCCDと違つて本発明の光センサーは大
型であるため、信号検出用の電気回路の配線が作
り出す浮遊容量が非常に大きくなり、200〜
300pFにも及ぶ。これに従来の概念を入れると、
センサー容量として数pF以上必要なことがわか
る。数pFの容量を100μｍ×100μｍの読取画素
サイズで実現しようとすると、比誘電率６の材料
で厚さ0.1μｍ程度の光導電セルを作製しなけれ
ばならない。蒸着法による作製では0.5〜１μｍ
程度のものが高品質に作り易い。従つて100μｍ
×100μｍの画素サイズに限ると、1pF程度が作
製しやすい構造だと言うことになる。

読取画素サイズは100μｍ×100μｍにしたまま
センサーに必要とされる数pFの容量を作り出す
ために、本発明では第７図のような構造を採用す
る。すなわち、厚みを大きくした分だけ電極９の
面積を大きくし、このとき光照射部を制限すべく
透明部Ａと不透明部Ｂに分けておけば、前述のす
べての条件を満足するセンサーを作製できること
になる。実際には、まずＡの部分をおおつて、Ｂ
の部分のみに金属を蒸着して不透明化する。その
後Ａの部分のみ、又はＢも含めてSnO₂やIn₂O₃の
透明導電膜をつけると、第７図のようなセンサー
アレイが得られる。こうして作製された固体受光
素子アレイに走査用電気回路を接続した一例が第
８図である。図中第４，７図と同一の符号は同一
部分をあらわし、Ｔ１〜Tmは端子パツド、１
３，１４はスイツチＳ１〜Sm、SA〜SMを制御
して線走査を行なわせるためのシフトレジスタで
ある。なお、光導体層８は絵画毎に分割されたも
のとして図示しているが、これは第５図のように
一体のものでもよい。第８図における配線部分１
２は基板上に金属膜、絶縁膜、金属膜の３層構造
で作製されるのが便利である。第８図のセンサー
を用いて構成した第４図の読取装置では、セルフ
オツクレンズに代表される１：１の原稿結像光学
系を使うことができるので、小型、安価の固体電
子−光学的読取装置が得られる。

本発明者等が実施した装置の概略図は第４図と
同じであり、固体受光素子アレイ２、走査回路
３、４は第８図に示したものである。原稿結像光
学系１の光学レンズ７としては、全光学長60mm、
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F45のセルフオツクレンズを使用した。走査回路
３はシフトレジスタ１３とFETスイツチＳ１，
Ｓ２…Smで構成され、FETスイツチ１個で、一
定個数おきのセンサーセグメントを同時にスイツ
チできるように配線されている。対向電極側に接
続されているFETスイツチSA，SB…SMの出力
端は共通に接続され、信号検出回路Ｒを介して直
流電源Ｅに接続されている。第８図に示したよう
にFETスイツチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，……とSA，
SB，SC，……のスイツチON状態の組合せで信
号が読み出されるので、シフトレジスタ１３，１
４の走査信号の出力を一方向にそろえれば、セン
サーセグメント９ａ，９ｂ…９ｎの一次元走査が
可能になる。シフトレジスタとしてはTEXAS
INSTRUMENT社のSN74154、FETスイツチと
してはNATIONAL SEMICON社の2N4391を使
つた。第７図のような固体受光素子は透明ガラス
上にまず100μｍ×500μｍ、125μｍピツチで
In₂O₃を設け、次に第８図の２で示したような結
線回路になるように、第１層のアルミニウム蒸着
と第２層の絶縁層、第３層のアルミ蒸着を行つ
た。このとき受光部は透明導電膜In₂O₃部分が100
μｍ×100μｍになるようにアルミ蒸着の段階で
マスクする。この上にSe−Te合金膜を幅500μ
ｍ、長さ32mm、厚み0.5μｍになるように蒸着す
る。さらに５個１組の透明電極９と対向するよう
に500μｍ×２mmの対向電極１０をアルミ蒸着で
作る。以上に述べた本発明の読取装置を作製し、
一次元パターンを固体受光素子２上に投影して電
気的走査回路３，４をスタートさせ、出力信号を
ストレージ型オシロスコープに入れた。オシロス
コープに表示された波形は投影された光学像の濃
淡と良く一致するものであつた。

なお、第７図の不透明電極部Ｂは、必ずしも透
明電極部Ａと一体的に形成する必要はなく、別個
に形成した後にＡ部と電気的に接続してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のフオトダイオードアレイの基本
回路図、第２図はフオトダイオードセンサー１個
の等価回路図、第３図は従来の原稿接触型固体読
取装置の特性曲線を示す図、第４図は本発明の固
体電子−光学式走査型読取装置の概略斜視図、第
５図は第４図の固体受光素子アレイの断面図、第
６図は第５図の１セグメントについての等価回
路、第７図は第４図の固体受光素子アレイの斜視
図、第８図は本発明の固体受光素子アレイと読取
走査回路との結線剤を示す図である。 １……結像光学系、２……固体受光素子アレ
イ、３，４……走査回路、５……信号検出回路、
７……光学レンズ、８……光導電層、９……透明
電極、１０……対向電極、１３，１４……シフト
レジスタ、Ｒ……共通負荷抵抗、Ｂ……不透明金
属膜、Ｓ１…Sm，SA…SM……スイツチ。 〓〓〓〓

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光導電体層と、光導電体層の一面に一次元的
   に配列され、電気的に互いに絶縁分離された画素
   サイズの透明電極セグメントと、光導電体の一面
   に設けられ、それぞれの透明電極セグメントに接
   続された複数の不透明電極と、光導電層の他面に
   配置され、複数の透明電極セグメントおよび不透
   明電極に対向する対向電極と、スイツチを介して
   各透明電極セグメントに接続された共通負荷抵抗
   および電源と、前記スイツチを所定の順序で開閉
   する手段と、透明電極セグメント側から光導電体
   上に光学像を投射する手段とを具備したことを特
   徴とする固体電子−光学式走査型読取装置。 ２ 不透明電極が、同時に一体的に形成された透
   明電極の一部に遮光処理を施こして形成されたこ
   とを特徴とする第１項記載の固体電子−光学式走
   査型読取装置。 ３ 各対向電極をそれぞれ第１のスイツチ群を介
   して共通負荷抵抗に接続し、各対向電極に対向し
   ている複数の透明電極セグメントを１群とし、各
   群内の対応位置にある透明電極セグメントを互い
   に電気的に接続し、かつそれぞれ第２のスイツチ
   群を介して電源に接続し、第１および第２のスイ
   ツチ群を制御することにより、透明電極セグメン
   トの一次元的走査を行なうことを特徴とする第１
   または第２項記載の固体電子−光学式走査型読取
   装置。