(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力側に、入力バイアス電源に接続され入力をリセットするリセットスイッチを有する増幅段と、
前記増幅段の出力が入力され、抵抗と第１のスイッチを介して接続された第１のコンデンサとで構成されるローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタに直列接続された直流再生用コンデンサと、
前記直流再生用コンデンサの後段に接続され、入力側に第２のスイッチを介して出力基準電源が接続されているバッファ接続オペアンプと、
前記出力基準電源を投入する時は第２のスイッチをオンし、第１のスイッチをオフし、それ以外の時は第２のスイッチをオフし、第１のスイッチをオンするスイッチ駆動手段と
を備えた二重相関サンプリング回路を有することを特徴とする画像読取信号処理装置。
【請求項２】
前記スイッチ駆動手段は、前記第２のスイッチをオフした後に前記第１のスイッチをオンする
ことを特徴とする請求項１記載の画像読取信号処理装置。
【請求項３】
前記スイッチ駆動手段は、前記増幅段への入力を行っている期間には、前記第１，第２のスイッチを共にオフとしておく
ことを特徴とする請求項１記載の画像読取信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イメージセンサで読み取った画像信号を増幅し、ついで増幅出力をサンプルホールドする画像読取信号処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、イメージセンサからの複数の画像読取信号を時系列化して取り出す画像読取信号処理装置の全体を示す図である。図４において、３０はイメージセンサ、３１Ａ〜３１Ｍは二重相関サンプリング回路、３２Ａ〜３２Ｍはサンプルホールド回路、３３Ａ〜３３Ｍはスイッチ、３４はバッファ、３５は出力端子、Ａ，Ｂ，Ｍはそれぞれ１つの画像読取信号に対する処理チャンネルである。
【０００３】
二重相関サンプリング回路３１Ａ〜３１Ｍは、まだイメージセンサ３０から画像読取信号が入力されない段階で、入力側の図示しない寄生容量等に存在する入力バイアス電圧を入力しておき、次に、入力バイアス電圧に画像読取信号が重畳されたものが入力された時には、先に入力しておいた入力バイアス電圧を差し引いた分（即ち、画像読取信号）だけを増幅した出力を得る回路である。サンプルホールド回路３２Ａ〜３２Ｍは、二重相関サンプリング回路３１Ａ〜３１Ｍの出力を保持しておく回路である。
【０００４】
処理チャンネルＡを例にとると、まず、イメージセンサ３０の或る１つの画像読取素子からの入力信号（画像読取信号）を、二重相関サンプリング回路３１Ａで増幅し、サンプルホールド回路３２Ａで保持する。このようにして、各処理チャンネルＡ〜Ｍのサンプルホールド回路３２Ａ〜３２Ｍには、イメージセンサ３０の各画像読取素子からの画像読取信号の増幅出力が保持されるが、スイッチ３３Ａ〜３３Ｍを順次オンし、バッファ３４を経て出力端子３５に取り出すと、１列に時系列化された信号となる。
【０００５】
この時系列化信号は、出来るだけ休止期間なく連続して出力されることが要求される。もし休止期間があると、その休止期間中は次の回路がデータを取り込まないよう制御をする必要があり、制御が面倒となるからである。また、休止期間を設けると、出力期間中のクロック周波数を大にしてやらなければならないが、そうすると最終段のバッファの周波数帯域を広くしてやる必要が出て来るからである。
【０００６】
しかし、連続して出力しようとする場合、サンプルホールド回路に問題点が出てくる。というのは、サンプルホールド回路では、ホールドしているデータを出力している間に、サンプリングした次のデータをホールドするということは出来ない。従って、各処理チャンネルでのサンプリングやサンプルホールドを、同一の制御信号で制御しようとすると、サンプリングしている間は出力を停止しなければならないことになる。そのようなことを回避するために、各処理チャンネルのサンプルホールド回路を、２重にすることが考えられている。以下、二重相関サンプリング回路，サンプルホールド回路について、順に説明する。
【０００７】
（二重相関サンプリング回路）
図２は、従来の二重相関サンプリング回路の１例を示す図である。図２において、１はイメージセンサ、２はフォトダイオード、３はバイアス電源、４は容量、５はＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、６は容量、７は入力信号線、８は二重相関サンプリング回路、９はリセットスイッチ、１０は入力バイアス電源、１１はオペアンプ、１２はスイッチ、１３，１４はコンデンサ、１５はローパスフィルタ、１６は抵抗、１７はコンデンサ、１８はバッファ、１９は直流再生用コンデンサ、２０はスイッチ、２１は出力基準電源、２２はバッファ、２３は出力端子、２４は駆動パルス発生器である。
【０００８】
イメージセンサ１には、カソードにバイアス電源３の正極が接続され、アノードがＴＦＴ５のドレインに接続されたフォトダイオード２が設けられていて、これが光を検出する。フォトダイオード２は１つしか描いてないが、実際には多数設けられている。フォトダイオード２のアノードに描かれている容量４は、フォトダイオード２の自己容量とＴＦＴ５のドレイン側寄生容量の合計容量を表している。また、ＴＦＴ５には、点線で記したように、ゲートとドレインＤとの間およびゲートとソースＳとの間には、ゲートとオーバーラップするために生ずる容量が、僅かではあるが存在している。容量６は、ＴＦＴ５のソース側寄生容量とＩＣで構成されている二重相関サンプリング回路８の入力容量の合計容量を表している。
【０００９】
二重相関サンプリング回路８はＩＣとして構成され、その中の各スイッチはアナログスイッチで構成される。駆動パルス発生器２４は、ＴＦＴ５および各スイッチのオン，オフを制御するパルスを発生する。入力信号線７には、リセットスイッチ９を介して入力バイアス電源１０が接続されている。オペアンプ１１は、負帰還回路としてスイッチ１２とコンデンサ１３を具え、スイッチ１２がオンされた時にはバッファ（ゲイン１倍）として動作し、スイッチ１２がオフされた時には、コンデンサ１４，１３の容量比で決まるゲインの増幅器として動作する。負帰還回路が二重にされているのは、オペアンプ１１で二重相関サンプリングをさせるためである。
【００１０】
すなわち、まず入力バイアス電圧を入力しておき（第１回サンプリング）、次にその入力バイアス電圧に画像読取信号が重畳されたものを入力し（第２回サンプリング）、その差分を増幅する。
【００１１】
（１）入力バイアス電圧の入力
ＴＦＴ５をオフにした状態でリセットスイッチ９を一定期間オンすると、容量６は、入力バイアス電源１０によって充電され、入力バイアス電圧Ｖ10となる。リセットスイッチ９をオフした後スイッチ１２をオンすると、オペアンプ１１はバッファとして動作し、その出力電圧は、入力バイアス電圧Ｖ10にオペアンプ１１自身のオフセットが加わった電圧となる。反転入力端子のコンデンサ１４は、負帰還により同じ電圧に充電される。オペアンプ１１自身のオフセットはＶ10に比して充分小さいとすると、それは無視できるから、コンデンサ１４の充電電圧は入力バイアス電圧Ｖ10と等しい。
【００１２】
オペアンプ１１の出力Ｖ10は、ローパスフィルタ１５およびバッファ１８を経て、直流再生用コンデンサ１９に印加される。このとき、スイッチ２０もオンされていて、出力基準電源２１が直流再生用コンデンサ１９の逆方向から印加される。出力基準電源２１の電圧をＶ21とすると、直流再生用コンデンサ１９の極板間には、
Ｖ10−Ｖ21
の電圧が充電される。この後、スイッチ２０はオフとされる。
【００１３】
なお、ローパスフィルタ１５は、ノイズを低減するために設けられている。増幅器の遮断周波数は、製造上のバラツキとか寄生容量等で多少変動するため、一般に仕様よりも余裕を持つよう大きめに設計してある。オペアンプ１１も、通常そのように設計してある。そのため、必要とされる帯域外のノイズも増幅してしまうので、それらを低減する必要があるからである。
【００１４】
バッファ１８は、ローパスフィルタ１５から見た入力側のインピーダンスを大にすると共に、直流再生用コンデンサ１９から出力側を見たインピーダンスを小にするために設けられている。もし、バッファ１８がないと、直流再生用コンデンサ１９がローパスフィルタ１５の負荷として接続されている形となり、ローパスフィルタ１５の遮断周波数を低下させ、周波数帯域を狭くするおそれがあるからである。
【００１５】
（２）入力バイアス電圧＋入力信号の入力
フォトダイオード２に入射した光量に応じて電流が流れ、容量４が充電され、これが画像読取信号ΔＶとなる。ＴＦＴ５がオンされると、容量６の電圧Ｖ10に画像読取信号ΔＶが重畳されたものが、オペアンプ１１に入力される。オペアンプ１１での増幅度Ａ11を仮に１００倍とすると、出力電圧は
Ｖ10＋１００×ΔＶ
となる。
【００１６】
これが、ローパスフィルタ１５およびバッファ１８を経て直流再生用コンデンサ１９に印加される。直流再生用コンデンサ１９には、先程（Ｖ10−Ｖ21）の電圧が充電されているから、それを差し引いた電圧、即ち
（Ｖ10＋１００×ΔＶ）−（Ｖ10−Ｖ21）＝１００×ΔＶ＋Ｖ21
なる電圧がバッファ２２の入力に印加されることになる。従って、出力端子２３に得られる出力は、１００×ΔＶ＋Ｖ21である。
【００１７】
図３は、前記の画像読取信号処理装置におけるタイムチャートである。実線の波形は暗時（光入射のない時）の波形、一点鎖線の波形は光入射時の波形である。以下、時間を追って動作を説明する。
【００１８】
（１）時間ｔ1 〜ｔ2
時間ｔ1 で、図３（ｂ）に示すように、ＴＦＴゲート駆動信号がＯＮとされると、ゲート信号がゲートからドレインまたはソースへ漏れ込むというフィードスルー現象が生ずる。漏れ込んで来た信号（電荷）により、容量６の充電電圧がその分上昇する。図３（ｃ）の波形が時間ｔ1 で波形ｃ−１の如く上昇しているのは、その電圧（フィードスルー電圧）を表している。暗時であれば入力はフィードスルー電圧だけであるが、光入射時であれば、それに入力信号ΔＶが重畳されて一点鎖線の波形となる。
【００１９】
オペアンプ１１は、フィードスルー電圧も含めて、図３（ｄ）に示すように増幅する。その増幅出力が入力されるローパスフィルタ１５の出力は、図３（ｅ）のように、オペアンプ１１の出力値に向かって時定数をもって上昇してゆく。
【００２０】
（２）時間ｔ2 〜ｔ4
時間ｔ2 で、図３（ｂ）に示すようにＴＦＴゲート駆動信号がＯＦＦとされると、フィードスルー現象により、ＯＮした時に容量６に漏れ込んでいたと同量の電荷が漏れ出るから、図３（ｃ）に示すように、入力信号線７の電位は漏れ出た電荷に相当する電圧（フィードスルー電圧）だけ低下する。オペアンプ１１の出力波形も、それに対応して低下する。ローパスフィルタ１５の出力は、フィードスルー電圧の増幅値を含む高い値から、その分が消滅したオペアンプ１１の出力値に向かって、時定数に従って減少する。
【００２１】
図２の出力端子２３からの出力は、図示しないサンプルホールド回路に送られて、ホールドされる。時間ｔ2 〜ｔ4 間の時間ｔ3 でサンプリングすると、暗時には出力Ｅ1 に対応した値が得られ、光入射時には出力Ｅ2 に対応した値が得られる。
【００２２】
（３）時間ｔ4
時間ｔ4 でリセットスイッチ９がオンされると、入力信号線７上の入力がリセットされる。
【００２３】
（サンプルホールド回路）
図５は、サンプルホールド回路を２重にした従来例である。図５において、４０は第１のサンプルホールド回路、４１は第２のサンプルホールド回路、４２はオペアンプ、４３はスイッチ、４４，４４Ｂはコンデンサ、４５，４６はスイッチ、４７はスイッチ、４８はコンデンサ、４９，５０はスイッチ、５１はオペアンプ、５２は出力端子である。各スイッチは、例えばＭＯＳＦＥＴ等のアナログスイッチで構成される。
【００２４】
オペアンプ４２の反転入力端子（−）は、スイッチ４３を介してオペアンプ４２の出力端子と接続されると共に、コンデンサ４４，スイッチ４５の順に接続された回路を経て固定電位（アース）と接続される。また、コンデンサ４４とスイッチ４５の接続点は、スイッチ４６を介してオペアンプ４２の出力端子と接続される。オペアンプ４２の出力はスイッチ４７を介してサンプルホールド用のコンデンサ４８と接続され、両者の接続点はスイッチ４９を介してオペアンプ５１の入力に接続される。オペアンプ５１は、出力端子と反転入力端子（−）とが接続され、バッファとして動作させられている。なお、第２のサンプルホールド回路４１は、第１のサンプルホールド回路４０と同様の構成である。
【００２５】
第１のサンプルホールド回路４０の動作は、次の通りである。入力端子３９には、二重相関サンプリング回路からの出力が入力されるが、二重相関サンプリング回路に入力バイアス電圧だけを入力する時には、スイッチ４３，４５をオン、スイッチ４６，４７，４９をオフにしておく。すると、オペアンプ４２には１００％の負帰還がかけられているのでバッファとして動作し、入力バイアス電圧をＶi ，オペアンプ４２自身のオフセット電圧をＶioとすると、非反転入力端子（＋）に入力されたＶi ＋Ｖioと同じ大きさの電圧が、オペアンプ４２の出力に現れる。コンデンサ４４はその電圧（Ｖi ＋Ｖio）に充電される。
【００２６】
次に、スイッチ４３，４５をオフ、スイッチ４６，４７をオン、スイッチ４９をオフにしておいて、画像読取信号を入力した時の二重相関サンプリング回路からの出力ＶS を、入力端子３９に入力する。すると、入力は、ＶS ＋Ｖi ＋Ｖioとなる。この時のオペアンプ４２の出力電圧をＶ42とすると、Ｖ42にコンデンサ４４の充電電圧（Ｖi ＋Ｖio）を加えた電圧（Ｖ42＋Ｖi ＋Ｖio）が、反転入力端子（−）に入力される。オペアンプ４２は、次式が成り立つように動作する。
ＶS ＋Ｖi ＋Ｖio＝Ｖ42＋Ｖi ＋Ｖio
従って、Ｖ42＝ＶS となり、スイッチ４７がオンされると、入力信号ＶS がコンデンサ４８に充電されて、サンプルホールドされる。
【００２７】
保持された電圧は、その後スイッチ４９がオンされた時に、オペアンプ５１を経て出力端子５２に取り出される。第１のサンプルホールド回路４０から出力している間に、第２のサンプルホールド回路４１を動作させて、次のデータをホールドすることが出来る。
【００２８】
なお、画像読取信号処理装置に関する従来の文献としては、例えば、特開昭62−185458号公報，特開昭62−135775号公報等がある。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来の技術には、次のような問題点があった。すなわち、図２の二重相関サンプリング回路では、ローパスフィルタの出力側にバッファを２個設ける構成となっているので、回路規模が大となると共に、消費電力が多くなるという点である。具体的には、図２を見れば分かるように、ローパスフィルタ１５の後段に２個のバッファ１８，２２が設けられでいるが、これらを構成するには多くの回路素子を必要とすると共に、それらを動作させる電力を必要とし消費電力が多くなる。また、バッファ自身が、そもそもリニアリティを悪化させたりノイズを発生したりするので、これは少ない方がよい。
【００３０】
本発明は、以上のような問題点を解決することを課題とするものである。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明に係る画像読取信号処理装置は、入力側に、入力バイアス電源に接続され入力をリセットするリセットスイッチを有する増幅段と、前記増幅段の出力が入力され、抵抗と第１のスイッチを介して接続された第１のコンデンサとで構成されるローパスフィルタと、前記ローパスフィルタに直列接続された直流再生用コンデンサと、前記直流再生用コンデンサの後段に接続され、入力側に第２のスイッチを介して出力基準電源が接続されているバッファ接続オペアンプと、前記出力基準電源を投入する時は前記第２のスイッチをオンし、前記第１のスイッチをオフし、それ以外の時は前記第２のスイッチをオフし、前記第１のスイッチをオンするスイッチ駆動手段とを備えた二重相関サンプリング回路を有する構成となっている。
【００３２】
上記構成の画像読取信号処理装置において、出力基準電源を投入する時は第２のスイッチをオンし、第１のスイッチをオフし、それ以外の時は第２のスイッチをオフし、第１のスイッチをオンすることで、キャンセル用の直流電圧を印加する時には、直流再生用コンデンサがローパスフィルタを構成するコンデンサとして兼用される。これにより、ローパスフィルタと直流再生用コンデンサとの間に接続されていたバッファを不用とすることが出来、回路規模を小にすると共に消費電力を小にすることが出来る。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３４】
図１は、本発明の一実施形態に係る画像読取信号処理装置に使用する二重相関サンプリング回路の構成例を示す図である。符号は図２のものに対応し、２６はスイッチ、２７はコンデンサである。本構成例に係る二重相関サンプリング回路は、前記した問題点、即ちローパスフィルタの出力側にバッファを２個設ける構成となっているので、回路規模が大となると共に、消費電力が多くなるという問題点を解決するために為されたものである。
【００３５】
従来例（図２）では、ローパスフィルタ１５を構成するコンデンサとしては、入力バイアス電圧だけを入力する時でも入力信号を重畳したものを入力する時でも、常にコンデンサ１７を使用していた。従って、スイッチ２０をオンしている入力バイアス電圧入力時には、もしバッファ１８が無ければ、直流再生用コンデンサ１９もコンデンサ１７と共にローパスフィルタ１５を構成するコンデンサとして作用してしまい、遮断周波数を狂わすことになってしまっていた。
【００３６】
直流再生用コンデンサ１９の容量がローパスフィルタ１５側に影響を及ぼさないようにするために、バッファ１８が挿入されていた訳であるが、本実施形態では、入力バイアス電圧入力時には、スイッチ２６をオフしてコンデンサ２７を切り離し、直流再生用コンデンサ１９をローパスフィルタ１５構成用のコンデンサとして兼用するようにしている。そのため、バッファ１８を設ける必要がなくなった。以下、動作を説明する。
【００３７】
（１）入力バイアス電圧の入力
オペアンプ１１の出力Ｖ10が出て来るまでの動作は、図２の従来例と同じであるので、その説明は省略する。入力バイアス電圧入力時には、スイッチ２６はオフされ、スイッチ２０はオンされている。抵抗１６と直流再生用コンデンサ１９とによりローパスフィルタが構成され、ノイズが低減される。直流再生用コンデンサ１９の極板間には、従来と同様、
Ｖ10−Ｖ21
の電圧が充電される。この後、スイッチ２０はオフとされる。
【００３８】
（２）入力バイアス電圧＋入力信号の入力
この時には、スイッチ２６がオンされ、スイッチ２０は既にオフされているから、抵抗１６とコンデンサ２７とでローパスフィルタ１５が構成される。ＴＦＴ５がオンされると、容量６の電圧Ｖ10に画像読取信号ΔＶが重畳されたものが、オペアンプ１１に入力される。オペアンプ１１での増幅度Ａ11を仮に１００倍とすると、出力電圧は、
Ｖ10＋１００×ΔＶ
となる。これが、前記構成のローパスフィルタ１５でノイズ低減され、直流再生用コンデンサ１９に印加される。これ以後の動作は、従来例と同様である。
【００３９】
上述した動作から分かるように、本実施形態に係る画像読取信号処理装置においては、入力バイアス電圧入力時と入力バイアス電圧＋入力信号の入力時とで、ローパスフィルタを構成するコンデンサが異なるので、それぞれの場合で遮断周波数を異ならせることが出来る。因みに、入力バイアス電圧は、リセットスイッチ９をオンした後の電圧（Ｖ10）であり、これは略一定であるので、直流再生用コンデンサ１９に充電される電圧も略一定である。従って、時定数を小にする必要はそれほどない。このことを踏まえれば、直流再生用コンデンサ１９の容量をコンデンサ２７の容量よりも大にして、この時の時定数を大にしても差し支えないから、そのようにしてランダムノイズを低減することが可能となる。
【００４０】
スイッチ２６をオンするのは、スイッチ２０をオフしてからと説明している理由は、直流再生用コンデンサ１９の充電電圧（Ｖ10−Ｖ21）を変化させないようにするためである。もし、スイッチ２６をオンした後にスイッチ２０をオフすると、両方がオンしている期間が存在し、その期間では、出力基準電源２１，直流再生用コンデンサ１９，コンデンサ２７から成る閉回路が形成されてしまう。すると、直流再生用コンデンサ１９はこの閉回路で放電し、その充電電圧が変化してしまう。
【００４１】
リセットスイッチ９は、ＭＯＳＦＥＴを用いたアナログスイッチで構成されるが、オンされたとき、ＭＯＳＦＥＴのチャンネル部分は抵抗体として働く。そこからは熱電子雑音（ｋＴＣノイズ）が発生するので、入力バイアス電圧を入力してから入力信号を取り入れるまでの間にリセットスイッチ９をオンすると、この熱電子雑音によって、Ｓ／Ｎ比が大幅に悪くなる。従って、リセットスイッチ９のオンは、入力バイアス電圧を入力する前に済ませておく必要がある。
【００４２】
また、ＴＦＴ５をオンしている期間にスイッチ２６またはスイッチ２０をオンしていると、フィードスルーによる電圧を増幅したことで飽和したオペアンプ１１の出力電圧で、コンデンサ２７または直流再生用コンデンサ１９が充電され、元の電圧に戻るまで暫くの時間を要するので高速動作が出来なくなる。従って、ＴＦＴ５のオン期間中は、スイッチ２０，２６は、共にオフしておくことが望ましい。なお、入力バイアス電源１０と出力基準電源２１とは、別々に設けてあるが、動作条件によっては共通とすることも出来る。
【００４３】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明に係る画像読取信号処理装置によれば、次のような効果を奏する。すなわち、二重相関サンプリング回路内の直流再生用コンデンサを、キャンセル用の直流電圧を印加する時には、ローパスフィルタを構成するコンデンサとしても利用することで、ローパスフィルタと直流再生用コンデンサとの間に接続されていたバッファを不用とすることが出来るため、回路規模を小にすると共に消費電力を小にすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る画像読取信号処理装置に使用する二重相関サンプリング回路の構成例を示す図
【図２】  従来の二重相関サンプリング回路の１例を示す図
【図３】  従来の二重相関サンプリング回路におけるタイムチャート
【図４】  イメージセンサからの複数の画像読取信号を時系列化して取り出す画像読取信号処理装置の全体を示す図
【図５】  サンプリングホールド回路を２重にした従来例を示す図
【符号の説明】
１…イメージセンサ、２…フォトダイオード、３…バイアス電源、４…容量、５…ＴＦＴ、６…容量、７…入力信号線、８…二重相関サンプリング回路、９…リセットスイッチ、１０…入力バイアス電源、１１…オペアンプ、１２…スイッチ、１３，１４…コンデンサ、１５…ローパスフィルタ、１６…抵抗、１７…コンデンサ、１８…バッファ、１９…直流再生用コンデンサ、２０…スイッチ、２１…出力基準電源、２２…バッファ、２３…出力端子、２４…駆動パルス発生器、２６…スイッチ、２７…コンデンサ、３０…イメージセンサ、３１Ａ〜３１Ｍ…二重相関サンプリング回路、３２Ａ〜３２Ｍ…サンプルホールド回路、３３Ａ〜３３Ｍ…スイッチ３３、３４…バッファ、３５…出力端子、３９…入力端子、４０Ａ，４０Ｂ…二重相関サンプリング回路、４１Ａ，４１Ｂ…サンプルホールド回路、４２…オペアンプ、４３…スイッチ、４４…コンデンサ、４５，４６…スイッチ、４７…スイッチ、４８…コンデンサ、４９，５０…スイッチ、５１…オペアンプ、５２…出力端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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