(57)【要約】【課題】  画素を初期化した時に発生した画素電圧の上昇により制御電圧より画素の電圧が高くなりリークが発生するため、光電変換における変化電圧が正確に読取れなかった。【解決手段】  光を受光するフォトダイオードの一端が、スイッチを介して電源電圧に接続され、フォトダイオードの一端は容量を介して制御信号端子に接続されると共に画素信号伝達回路のゲート電極に接続され、画素信号伝達回路の初期化開始時にはスイッチをオン状態としフォトダイオードの一端を電源電圧に設定し、且つ制御信号端子には電源電圧を与え、初期化終了時にはスイッチをオフ状態とし、制御信号端子には電源電圧より低い電圧を与えることで、初期化時にフォトダイオードの一端の電位を電源電圧に保持し、初期化終了時には、フォトダイオードの一端の電位を電源電圧以下に保持し、初期化終了後の一定期間内のフォトダイオードの電位降下を画素信号伝達回路に出力するようにした。【選択図】          図１
2005268311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光を受光するフォトダイオードの一端が、スイッチを介して電源電圧に接続され、且つ前記フォトダイオードの一端は容量を介して制御信号端子に接続されると共に画素信号伝達回路としてのトランジスタ或いはＭＯＳゲート電極に接続され、前記画素信号伝達回路の初期化開始時には前記スイッチをオン状態とすることで前記フォトダイオードの一端を電源電圧に設定し、且つ前記制御信号端子には電源電圧を与え、初期化終了時には前記スイッチをオフ状態とするとともに前記制御信号端子には電源電圧より低い電圧を与えることで、初期化時に前記フォトダイオードの一端の電位を電源電圧に保持し、初期化終了時には、前記フォトダイオードの一端の電位を電源電圧以下に保持し、初期化終了後の一定期間内の前記フォトダイオードの電位降下を前記画素信号伝達回路の画素電圧として外部に信号出力するイメージセンサの光電変換回路。
【請求項２】
被写体からの光を受光するフォトダイオードの一端が、ゲート信号端子を有するＰＭＯＳ型スイッチを介して電源電圧に接続され、且つ前記フォトダイオードの一端は容量を介して制御信号端子に接続されると共に画素信号伝達回路としてのトランジスタ或いはＭＯＳゲート電極に接続され、前記画素信号伝達回路の初期化開始時には前記ゲート信号端子に電源電圧より低い電位で前記スイッチをオン状態とすることで前記フォトダイオードの一端を電源電圧に設定し、且つ前記制御信号端子には電源電圧を与え、初期化終了時には前記ゲート信号端子にハイレベル電圧を与えるとともに前記制御信号端子には電源電圧より低い電圧を与えることで前記スイッチをオフ状態とすることにより、初期化時に前記フォトダイオードの一端の電位を電源電圧に保持し、初期化終了時には、前記フォトダイオードの一端の電位を電源電圧以下に保持し、初期化終了後の一定期間内の前記フォトダイオードの電位降下を前記画素信号伝達回路の画素電圧として外部に信号出力するイメージセンサの光電変換回路。
【請求項３】
被写体からの光を受光するフォトダイオードの一端が、ゲート信号端子を有するスイッチを介して電源電圧に接続され、且つ前記フォトダイオードの一端はダイオードを介して基準電圧発生器に接続されると共に画素信号伝達回路としてのトランジスタ或いはＭＯＳゲート電極に接続され、前記画素信号伝達回路の初期化開始時には前記スイッチをオン状態とすることで前記フォトダイオードの一端を前記ダイオードと前記基準電圧発生器との直列回路で形成される電源電圧より低い基準電位に設定し、初期化終了時には、前記ゲート信号端子の電位を反転させ前記スイッチをオフ状態とすることにより、初期化時に前記フォトダイオードの一端の電位を前記基準電位に保持し、初期化終了後の前記基準電位から始まる一定期間内の前記フォトダイオードの電位降下を前記画素信号伝達回路の画素電圧として外部に信号出力するイメージセンサの光電変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は画像入力装置に使用されるイメージセンサの光電変換回路に関するものであり、特にＭＯＳ型半導体を搭載したイメージセンサの光電変換回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサの光電変換回路の構成の１つとして、特開２００１−２４５２１２号公報図８にはフォトダイオードを用いた光電変換回路を搭載した光電変換装置が開示されている。図中、１１は光電変換回路、ＴＲ１ａ及びＴＲ２ａはＮｃｈトランジスタ、ＳＷ１は初期化スイッチ、ＰＤは光センサ、ＶＢはバイアス電圧発生器である。
【０００３】
次に作用について説明する。特開２００１−２４５２１２号公報図８において、光センサＰＤの一端（カソード）は、スイッチＳＷ１を介して電源電圧Ｖｄｄに接続されるとともに、伝達回路としてのトランジスタＴＲ１ａのゲート電極に接続されている。光センサＰＤの初期化は、スイッチＳＷ１をオン状態にして、電源電圧Ｖｄｄを印加することにより行われる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２４５２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光センサＰＤの初期化は画素電圧を基準電圧へリセットすることを意味し、リセット直後の基準電圧（リセット電圧）である画素電圧と一定期間経過後の光電変換電圧（画素電圧）との電圧差を採取することで被写体（原稿や紙幣など）の画像電圧とする。特開２００１−２４５２１２で示される光電変換装置の構成では、リセット直後の光センサの電圧は、スイッチＳＷ１をオフ状態にした時にスイッチＳＷ１から不要電荷が光センサＰＤへ流れ込み、基準電圧が電源電圧Ｖｄｄよりも上昇する問題があった。また不要電荷は時間経過と共にリーク電流となって現れ光センサＰＤの電圧が減少し、本来の光電変換電圧（画素電圧）と重畳するため、安定した画像電圧を読み取ることが困難であった。
【０００６】
すなわちスイッチＳＷ１をオフ（ＯＦＦ）とし、リセットした後にはスイッチＳＷ１に溜まっていた電荷がフォトダイオード（光センサ）ＰＤへ移動し、フォトダイオードＰＤの端子電圧が電源電圧以上になる。フォトダイオードのＰＤの電位が電源電圧以上になると、スイッチＳＷ１が弱いオン（ＯＮ）状態になり、スイッチＳＷ１を介してフォトダイオードＰＤから電流がリークし、フォトダイオードＰＤの電位が電源電圧になるまで時間とともに徐々に低下する。このため、リセット直後のフォトダイオードＰＤの電位とリセット以後のフォトダイオードＰＤの電位はこのリーク電流があるために電圧が変化する。光電変換した際に生じる電圧は、リークによる電圧変化と重なるが、リークによる電圧変化は光電変換素子の製造プロセスのばらつきにより一定ではなく不安定であるため、光電変換のみで得た電圧変化を正確に読み出すことができない。
【０００７】
この発明のイメージセンサの光電変換回路は上記のような問題点を解消するものであり、初期化電圧を基準電圧である電源電圧に合わせ、時間経過によるリーク電流の変化に伴う光センサの電圧変化を軽減にすることにより、精度良く画素電圧を求め、安定した画像読取りを実現するイメージセンサの光電変換回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るイメージセンサの光電変換回路は、被写体からの光を受光するフォトダイオードの一端が、スイッチを介して電源電圧に接続され、且つフォトダイオードの一端は容量を介して制御信号端子に接続されると共に画素信号伝達回路としてのトランジスタ或いはＭＯＳゲート電極に接続され、画素信号伝達回路の初期化開始時にはスイッチをオン状態とすることでフォトダイオードの一端を電源電圧に設定し、且つ制御信号端子には電源電圧を与え、初期化終了時にはスイッチをオフ状態とするとともに制御信号端子には電源電圧より低い電圧を与えることで、初期化時にフォトダイオードの一端の電位を電源電圧に保持し、初期化終了時には、フォトダイオードの一端の電位を電源電圧以下に保持し、初期化終了後の一定期間内のフォトダイオードの電位降下を画素信号伝達回路の画素電圧として外部に信号出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係るイメージセンサの光電変換回路は、被写体からの光を受光するフォトダイオードの一端が、スイッチを介して電源電圧に接続され、且つフォトダイオードの一端は容量を介して制御信号端子に接続されると共に画素信号伝達回路としてのトランジスタ或いはＭＯＳゲート電極に接続され、画素信号伝達回路の初期化開始時にはスイッチをオン状態とすることでフォトダイオードの一端を電源電圧に設定し、且つ制御信号端子には電源電圧を与え、初期化終了時にはスイッチをオフ状態とするとともに制御信号端子には電源電圧より低い電圧を与えることで、初期化時にフォトダイオードの一端の電位を電源電圧に保持し、初期化終了時には、フォトダイオードの一端の電位を電源電圧以下に保持し、初期化終了後の一定期間内のフォトダイオードの電位降下を画素信号伝達回路の画素電圧として外部に信号出力するようにしたので、各光電変換回路の初期化電圧の変動や時間経過によるリーク電流による出力変動のばらつきを軽減できるので、原稿に忠実な画像出力を精度良く安定に読み取ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施例１．
以下、この発明の実施例１について説明する。図１はこの発明のイメージセンサの光電変換回路の要部構成図である。図１において、ＰＤ１ａは原稿からの光を受光するフォトダイオード（光センサ）、Ｔｒ１ａはフォトダイオードＰＤ１ａの電位を電源電圧にするためのＰＭＯＳ型トランジスタ構成のスイッチ（リセットスイッチ）、ＶＴｒ１ａはスイッチＴｒ１ａを開閉するゲート信号端子、ＶＤＤ１はスイッチＴｒ１ａのドレインに接続された電源電圧、Ｃ１ａは残留電荷などを除去する容量、ＶＣ１ａは容量Ｃ１ａの電位をコントロールする制御信号端子（コントロール端子）、ＶＢ１はバイアス電圧発生器、Ｔｒ２ａ及びＴｒ３ａは電圧伝達用Ｎｃｈトランジスタ、ＳＷ１ａはＮｃｈトランジスタＴｒ２ａのソースに出力された電圧を一時保持するスイッチである。
【００１１】
２１ａはフォトダイオードＰＤ１ａと上記周辺回路を含めた１ビット分の光電変換回路、３１は光電変換回路を必要数に応じｎ個ならべ、光電変換回路２１からの出力である各々のスイッチ（ＳＷ１ａからＳＷ１ｎ）のタイミングに対応して光電変換回路２１からの出力が順次入力されるＡＭＰ（バッファ）である。バッファ３１の出力はイメージセンサとしての信号処理に使用され最終的に画像読取りが行われる。なお、個々の光電変換回路２１のフォトダイオードＰＤ１の電圧はＶＰ１で表現する。
【００１２】
次に動作について説明する。図１において、スイッチＴｒ１のゲート信号端子ＶＴｒ１に低電位（ＬＯＷ  ＬＥＶＥＬ）を与えスイッチＴｒ１をオン（ＯＮ）とし、フォトダイオードＰＤ１の電圧ＶＰ１の電圧を電源電圧であるＶＤＤ１にリセット（初期化開始）させる。このとき、制御信号端子ＶＣ１の電位は電源電圧に設定されている。次にゲート信号端子ＶＴｒ１の電位を反転させ、リセットスイッチＴｒ１をオフ（ＯＦＦ）させる時点（初期化終了時点）では、リセットスイッチＴｒ１に蓄積されていた電荷がフォトダイオードＰＤ１へ移行するためＶＰ１の電圧は一時的には上昇する。
【００１３】
次に初期化終了時点で、制御信号端子ＶＣ１ａに電源電圧より低い電圧を与える。この時点からフォトダイオードＰＤ１の電圧ＶＰ１は電源電圧より低下するが、リセットスイッチＴｒ１の電位はＶＰ１の電位よりも高く完全にリセットスイッチＴｒ１はＯＦＦされるのでフォトダイオードＰＤ１からリセットスイッチＴｒ１への電荷の流れ（リーク電流）は無い。制御信号端子ＶＣ１で電源電圧より低く設定したフォトダイオードＰＤ１の電圧ＶＰ１をＶＰ１０としたときにこの電圧が基準電圧となる。次に各光電変換回路２１ａから２１ｎまでの基準電圧ＶＰ１０をスイッチＳＷ１ａからスイッチＳＷ１ｎを通して順次外部へ出力し基準電圧として一時保存する。
【００１４】
次に各光電変換回路２１のフォトダイオードＰＤ１の一定期間経過後の光電変換により低下した電圧であるフォトダイオードＰＤ１の電圧ＶＰ１を検出し、リセット時の基準電圧として一時保存した方法と同様な手段で画素電圧として一時保存する。この電圧をＶＰ１１とすれば光電変換する前の電圧ＶＰ１０と光電変換後の電圧ＶＰ１１との差分を求めれば光電変換により低下した電圧を外部出力回路（図示せず）で正確に求める事ができる。
【００１５】
次に上述のリセットスイッチＴｒ１に蓄積された電荷の移動に関して詳述する。図２は図１に示した光電変換回路２１にあるフォトダイオードＰＤ１周辺の等価回路である。また図３は特開２００１−２４５２１２で示すような従来のフォトダイオードＰＤ１周辺の等価回路である。
【００１６】
まず、図２に示すようにリセットスイッチＴｒ１がＯＮになりＶＰ１がＶＤＤ１へリセットされる。このとき、制御信号端子ＶＣ１にはＶＤＤ１を入力しておき、Ｃ１に電荷が蓄積しない状態にする。リセット後、ゲート信号端子Ｖｔｒ１をＶＤＤ１にする事でリセットスイッチＴｒ１をＯＦＦにすると、リセットスイッチＴｒ１に蓄積されていた電荷がフォトダイオードＰＤ１へ移動し、ＶＰ１が上昇しゲート信号端子ＶＴｒ１以上の電圧に移行しようとする。しかし制御信号端子ＶＣ１の電圧を電源電圧以下に反転させることでフォトダイオードＰＤ１へ移動した電荷は容量Ｃ１へ移動するため、ＶＰ１の電圧はＶＤＤ１以上にはならず、逆に電位は低下する。
【００１７】
すなわち、ＶＰ１をＶＤＤ１以下になるように制御信号端子ＶＣ１の電位を調整すれば、ゲート信号端子ＶＴｒ１の電位が一番高い電圧になるためトランジスタは完全にＯＦＦになり、リークによるＶＰ１の電圧低下は解消される。図３に示す従来のこの種の光電変換回路では容量Ｃ１が付加されていないので、図４に示すように電荷の移動はそのままフォトダイオードの端子電圧でもあるＶＰ１の上昇となって現れる。
【００１８】
なお、ＶＰ１を電源電圧以下にするためには容量Ｃ１および制御信号端子ＶＣ１の電圧を最適値に設定する。リセットスイッチＴｒ１からフォトダイオードＰＤ１へ流れ込む電荷をＱ１０としたとき、電荷Ｑ１０を容量Ｃ１に完全に移動できるようにすればＶＰ１は電源電圧であるＶＤＤ１となる。従って、容量Ｃ１の静電容量をＣ１０とすれば、本実施例のリーク電流を抑えるためにはＣ１０＞Ｑ１０／（ＶＣ１の変化電圧）となる。なお、本実施例ではＶＤＤ１は電源電圧としたが電源電圧に近いハイレベル（ＨＩＧＨ  ＬＥＶＥＬ）電圧であれば電源電圧と同一の効果を奏する。
【００１９】
以上から本実施例では、各光電変換回路の初期化電圧の変動や時間経過によるリーク電流による出力変動のばらつきを軽減できるので、原稿に忠実な画像出力を精度良く安定に読み取ることができる。
【００２０】
実施例２．
図５は、この発明の実施例２におけるイメージセンサの光電変換回路のフォトダイオードＰＤ１周辺の等価回路である。図において実施例１と同一符号は同一又は相当部分を示す。図５において、４１は電源電圧以下の電圧を発生させる基準電圧発生器、５１は一端を基準電圧発生器４１と接続したダイオードである。基準電圧発生器４１とダイオード５１とは直列回路を構成し、ダイオード５１のアノードはフォトダイオードＰＤ１と接続されている。なお、ダイオード５１がＯＮとなる電圧をＶＤ５０とし、基準電圧発生器４１の電圧をＶＤＢ４０とすれば、電源電圧ＶＤＤ１とダイオードのＯＮ電圧ＶＤ５０と基準電圧発生器４１の電圧ＶＤＢ４０とは、ＶＤＤ１＞ＶＤＢ４０＋ＶＤ５０の関係になるようにあらかじめ設定されている。
【００２１】
次に動作について説明する。図５において、リセットスイッチＴｒ１をゲート信号端子ＶＴｒ１に低電位を与えリセットスイッチＴｒ１をＯＮとし、フォトダイオードＰＤ１の電圧ＶＰ１の電圧を電源電圧であるＶＤＤ１にリセットさせる。次にリセットスイッチＴｒ１をＯＦＦする時点では、リセットスイッチＴｒ１に蓄積されていた電荷がフォトダイオードＰＤ１へ移行するためＶＰ１の電圧は一時的に上昇するが、ダイオード５１のアノードの端子の電位は電源電圧より低いのでフォトダイオードＰＤ１の電圧ＶＰ１は電源電圧よりは高くならず、電源電圧より低い基準電圧発生器４１とダイオード５１との直列回路で決まる設定電圧にまで低下する。
【００２２】
またフォトダイオードＰＤ１からのリセットスイッチＴｒ１への流れ込みがないためリーク電流は発生しない。従って電源電圧より低い、基準電圧発生器４１とダイオード５１との直列回路で定まる電位を基準電位として使用することができる。例えば電源電圧を５Ｖとし、基準電圧発生器４１の電圧を３．０Ｖとし、ダイオード５１のＯＮ電圧を１．５Ｖとすれば、４．５Ｖが基準電位となる。なお、本実施例でＶＤＤ１は電源電圧としたが電源電圧に近いＨＩＧＨ  ＬＥＶＥＬ電圧であれば電源電圧と同一の効果を奏する。
【００２３】
以上から本実施例では、実施例１同様、各光電変換回路の初期化電圧の変動や時間経過によるリーク電流による出力変動のばらつきを軽減できるので、原稿に忠実な画像出力を精度良く安定に読み取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施例１によるイメージセンサの光電変換回路の要部構成図である。
【図２】この発明の実施例１によるイメージセンサのフォトダイオード周辺の光電変換回路の等価回路である。
【図３】従来の光電変換回路を説明する図である。
【図４】従来の光電変換回路の電位変化を説明する図である。
【図５】この発明の実施例２によるイメージセンサのフォトダイオード周辺の光電変換回路の等価回路である。
【符号の説明】
【００２５】
ＰＤ１  フォトダイオード、  Ｔｒ１  スイッチ（リセットスイッチ）、  ＶＴｒ１  ゲート信号端子、  ＶＤＤ１  電源電圧（電源電圧端子）、  Ｃ１  容量、  ＶＣ１  制御信号端子、  ＶＢ１  バイアス電圧発生器、  Ｔｒ２  電圧伝達用Ｎｃｈトランジスタ、  Ｔｒ３  電圧伝達用Ｎｃｈトランジスタ、  ＳＷ１  スイッチ（切り替えスイッチ）、  ２１  光電変換回路、  ２１ｎ  １ビット分の光電変換回路、  ３１  ＡＭＰ（バッファ回路）、  ＶＰ１  フォトダイオードの電圧、  ４１  基準電圧発生器、  ５１ダイオード。
【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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