(57)【要約】光電変換装置の遮光時に生じる暗電圧ノイズ信号を除去させる技術に関して、システム構成を簡潔にすることで、コストの削減、占有面積の縮小し、または複数バッファアンプ間のばらつきを抑える。その為に、光電変換素子１を、光電変換素子から第１の期間に出力される出力信号を蓄積する為の第１の蓄積手段６と、前記光電変換素子から前記第１の期間とは異なる第２の期間に出力される出力信号を蓄積する為の第２の蓄積手段７と、光電変換素子１からの出力信号を第１の蓄積手段又は第２の蓄積手段に選択的に導く為の第１のスイッチ手段４及び第２のスイッチ手段５と、第１の蓄積手段６の極性を変化させ第１の蓄積手段６及び第２の蓄積手段７に蓄積された光電変換素子１からの出力信号を出力する出力手段で構成させる。
2005022903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子と、前記光電変換素子から第１の期間に出力される出力信号を蓄積する為の第１の蓄積手段と、前記光電変換素子から前記第１の期間とは異なる第２の期間に出力される出力信号を蓄積する為の第２の蓄積手段と、前記光電変換素子からの出カ信号を前記第１の蓄積手段又は第２の蓄積手段に選択的に導く為の第１のスイッチ手段及び第２のスイッチ手段とを有する光電変換装置であって、前記第１の蓄積手段の極性を変化させ、前記第１の蓄積手段及び前記第２の蓄積手段に蓄積された前記光電変換素子からの出力信号を同時に出カさせる出力手段を備えてなる光電変換装置。
【請求項２】
出力手段が、前記第１のスイッチ手段と前記第１の蓄積手段との間の接点に対して基準電圧を選択的に印加させる第３のスイッチ手段と、第前記第１の蓄積手段と前記第２の蓄積手段に対して基準電圧を選択的に印加させる第４のスイッチ手段と、前記第２の蓄積手段と前記第２のスイッチ手段との間に接点をもち前記第１の蓄積手段及び前記第２の蓄積手段からの信号を読み出す第５のスイッチ手段からなる請求の範囲第１項記載の光電変換装置。
【請求項３】
光電変換素子と、前記光電変換素子から第１の期間に出カされる出力信号を蓄積する為の第１の蓄積手段と、前記光電変換素子から前記第１の期間とは異なる第２の期間に出力される出力信号を蓄積する為の第２の蓄積手段と、前記光電変換素子からの出力信号を前記第１の蓄積手段又は第２の蓄積手段に選択的に導く為の第１のスイッチ手段及び第２のスイッチ手段とを有する光電変換装置であって、前記第１のスイッチ手段と前記第１の蓄積手段との間の接点に対して基準電圧を選択的に印加させる第３のスイッチ手段と、第前記第１の蓄積手段と前記第２の蓄積手段に対して基準電圧を選択的に印加させる第４のスイッチ手段と、前記第２の蓄積手段と前記第２のスイッチ手段との間に接点をもち前記第１の蓄積手段及び前記第２の蓄積手段からの信号を読み出す第５のスイッチ手段とを備えてなる光電変換装置。
【請求項４】
光電変換素子と、前記光電変換素子から第１の期間に出力される出力信号を蓄積する為の第１の蓄積手段と、前記光電変換素子から前記第１の期間とは異なる第２の期間に出力される出力信号を蓄積する為の第２の蓄積手段と、前記光電変換素子からの出力信号を前記第１の蓄積手段又は第２の蓄積手段に選択的に導く為の第１のスイッチ手段及び第２のスイッチ手段とを有する光電変換装置であって、読出をおこなう場合に前記第１の蓄積手段に対して基準電圧を選択的に印加させる第３のスイッチ手段と、前記光電変換素子からの出力信号を蓄積する場合に前記第１の蓄積手段及び前記第２の蓄積手段に対して基準電圧を選択的に印加させる第４のスイッチ手段と、読出し時に前記第１の蓄積手段と前記第２の蓄積手段からの出力信号を同時に出力させる第５のスイッチ手段とを備えてなる光電変換装置。
【請求項５】
各々が画素を形成するマトリクス状に配列された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子から第１の期間に出力される出力信号を蓄積する為の第１の蓄積手段と、前記光電変換素子から前記第１の期間とは異なる第２の期間に出力される出カ信号を蓄積する為の第２の蓄積手段と、前記光電変換素子からの出力信号を前記第１の蓄積手段又は第２の蓄積手段に選択的に導く為の第１のスイッチ手段及び第２のスイッチ手段とを有する光電変換装置であって、読出をおこなう場合に前記第１の蓄積手段に対して基準電圧を選択的に印加させる第３のスイッチ手段と、前記光電変換素子からの信号を蓄積する場合に第前記第１の蓄積手段及び前記第２の蓄積手段に対して基準電圧を選択的に印加させる第４のスイッチ手段と、読出し時に第１の蓄積手段と第２の蓄積手段からの信号を同時に出力させる第５のスイッチ手段とを備えており、画素毎にノイズ除去をさせることを特徴とした光電変換装置。
【請求項６】
スイッチ手段がＭＯＳトランジスタで構成されることを特徴とする請求の範囲第１項〜第５項記載の光電変換装置。
【請求項７】
第４のスイッチ手段は、第１の蓄積手段に基準電圧を選択的に印加させる第１のＭＯＳトランジスタと、第２の蓄積手段に基準電圧を選択的に印加させる第２のＭＯＳトランジスタと、前記第１の蓄積手段と前記第１のＭＯＳトランジスタとの間の接点が、前記第２の蓄積手段と前記第２のＭＯＳトランジスタとの間の接点に対して第３のＭＯＳトランジスタを介して接続されてなることを特徴とする請求の範囲第１項〜第５項記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、例えば、ファクシミリ、複写機、デジタルカメラ等に用いられる光電変換装置において遮光時に生じている暗電圧ノイズの除去に関するものである。
【背景技術】    従来はファクシミリ、複写機、デジタルカメラ等で使用されるイメージセンサにおいて主としてＣＣＤが用いられていたが、最近ではＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタの増幅作用を有する素子を画素単位に備えた増幅型の光電変換装置も用いられるようになってきた。この増幅型光電変換装置において、高感度に信号を読み取るためにはノイズの除去が重要となっている。
従来の増幅型光電変換装置の例を図６に示す。光電変換素子１０１に光が入射されていない状態でも電流が流れてノイズの原因となっている。実際に光電変換装置１０１に光が入射して生じた信号を読み出す場合に、暗電圧ノイズ、暗電圧のばらつきに起因するノイズ（以下これらノイズを、ノイズ信号成分という）を除去する必要がある。まず、光電変換素子１０１に光が入射していない状態で生じるノイズ信号成分を出力するためにバッファアンプ１０３を介し、ＭＯＳトランジスタ１０４で構成される選択手段をオンしてノイズ蓄積手段１０６にノイズ信号成分の電荷を蓄積する。任意の蓄積時間の経過後、ＭＯＳトランジスタ１０４をオフする。次に光電変換素子１０１に光が入射することで生じる信号を、バッファアンプ１０３を通じて、ＭＯＳトランジスタ１０５をオンすることで、信号蓄積手段１０７に電荷を蓄積させる。任意の蓄積時間の経過後にＭＯＳトランジスタ１０５をオフする。
このとき蓄積手段１０６，１０７には、それぞれ暗電圧ノイズによる電荷と光入射時の電荷とが蓄積されている。そこで、ＭＯＳトランジスタ１１０，１１１を同時にオンし、それぞれバッファアンプ１１２，１１３を通じて、差動アンプ１１４に入力される。差動アンプ１１４において蓄積手段１０７と蓄積手段１０６の差をとり、蓄積手段１０６におけるノイズ信号成分を除去し、実際の入射光に起因する信号を取り出す。最後に、ＭＯＳトランジスタ１０８，１０９をオンすることで蓄積手段１０６，１０７の電荷をリセットする。また、光電変換素子１０１の残留電荷をリフレッシュために、ＭＯＳトランジスタ１０２をオンさせて、オフセット電圧が印加される。このように動作することで、ノイズ信号成分が除去でき、実際の入射光に起因し正味の信号を正確に取り出すことができる。（例えば、特開平９−２０５５８８号、特開平８−２５５０２７号参照）。
しかし、差動アンプ１１４には図５に示すような様々な素子（具体的には少なくともＭＯＳトランジスタ８個、コンデンサ１個、抵抗１個）が必要になり、差動アンプ分の占める面積が、光電変換素子装置の小型化に伴う占有面積の縮小の点で、少なからず問題があった。また、暗電圧ノイズ用バッファアンプ１１２、光信号用バッファアンプ１１３、の２つのアンプが必要であり、これも占有面積の点で問題となっていた。差動アンプ同様、バッファアンプ１１２，１１３も一般的に複数個のＭＯＳトランジスタで構成されている。さらに、バッファアンプまたは差動アンプは一般的に高精度に機能させるために、さらに多くの素子を使用することがあり面積の問題は無視できない。
また、暗電圧ノイズ用バッファアンプ１１２と光信号用バッファアンプ１１３の２つのアンプ間に出力電圧のばらつきが生じて、実際には暗電圧ノイズ信号成分が完全には除去されず、正確な信号の読み取りがされない可能一性があるという問題があった。特にバッファアンプ１１２，１１３は、帰還をかける増幅率が１のバッファアンプであり、複数のＭＯＳトランジスタ、又はバイポーラトランジスタによって構成されていることから、半導体集積回路の製造プロセスなどに起因するトランジスタ素子の特性誤差、特性のズレが生じることがあり、特に素子数が多いほど出力電圧のばらつきが生じる可能性が大きくなる傾向にある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、発明の目的は、ノイズ信号成分を除去させ光入射に起因する信号を読み出す光電変換装置において、システム構成を簡潔にすることで、コストの削減、占有面積の縮小、又は複数のバッファ間のばらつきをなくすことである。
【発明の開示】
請求項１記載の発明は、光電変換素子と、前記光電変換素子から第１の期間に出カされる出カ信号を蓄積する為の第１の蓄積手段と、前記光電変換素子から前記第１の期間とは異なる第２の期間に出力される出力信号を蓄積する為の第２の蓄積手段と、前記光電変換素子からの出力信号を前記第１の蓄積手段又は第２の蓄積手段に選択的に導く為の第１のスイッチ手段及び第２のスイッチ手段とを有する光電変換装置であって、前記第１の蓄積手段の極性を変化させ、前記第１の蓄積手段及び前記第２の蓄積手段に蓄積された前記光電琴換素子からの出力信号を同時に出力させる出力手段を備えてなる光電変換装置である。
請求項２記載の発明は、出力手段が、前記第１のスイッチ手段と前記第１の蓄積手段との間の接点に対して基準電圧を選択的に印加させる第３のスイッチ手段と、第前記第１の蓄積手段と前記第２の蓄積手段に対して基準電圧を選択的に印加させる第４のスイッチ手段と、前記第２の蓄積手段と前記第２のスイッチ手段との間に接点をもち前記第１の蓄積手段及び前記第２の蓄積手段からの信号を読み出す第５のスイッチ手段からなる請求項１記載の光電変換装置である。
請求項３記載の発明は、光電変換素子と、前記光電変換素子から第１の期間に出力される出カ信号を蓄積する為の第１の蓄積手段と、前記光電変換素子から前記第１の期間とは異なる第２の期間に出力される出力信号を蓄積する為の第２の蓄積手段と、前記光電変換素子からの出力信号を前記第１の蓄積手段又は第２の蓄積手段に選択的に導く為の第１のスイッチ手段及び第２のスイッチ手段とを有する光電変換装置であって、前記第１のスイッチ手段と前記第１の蓄積手段との間の接点に対して基準電圧を選択的に印加させる第３のスイッチ手段と、第前記第１の蓄積手段と前記第２の蓄積手段に対して基準電圧を選択的に印加させる第４のスイッチ手段と、前記第２の蓄積手段と前記第２のスイッチ手段との間に接点をもち前記第１の蓄積手段及び前記第２の蓄積手段からの信号を読み出す第５のスイッチ手段とを備えてなる光電変換装置である。
請求項４記載の発明は、光電変換素子と、前記光電変換素子から第１の期間に出力される出力信号を蓄積する為の第１の蓄積手段と、前記光電変換素子から前記第１の期間とは異なる第２の期間に出力される出カ信号を蓄積する為の第２の蓄積手段と、前記光電変換素子からの出力信号を前記第１の蓄積手段又は第２の蓄積手段に選択的に導く為の第１のスイッチ手段及び第２のスイッチ手段とを有する光電変換装置であって、読出をおこなう場合に前記第１の蓄積手段に対して基準電圧を選択的に印加させる第３のスイッチ手段と、前記光電変換素子からの出力信号を蓄積する場合に前記第１の蓄積手段及び前記第２の蓄積手段に対して基準電圧を選択的に印加させる第４のスイッチ手段と、読出し時に前記第１の蓄積手段と前記第２の蓄積手段からの出力信号を同時に出力させる第５のスイッチ手段とを備えてなる光電変換装置を提供するものである。
請求項５記載の発明は、各々が画素を形成するマトリクス状に配列された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子から第１の期間に出力される出力信号を蓄積する為の第１の蓄積手段と、前記光電変換素子から前記第１の期間とは異なる第２の期間に出力される出力信号を蓄積する為の第２の蓄積手段と１前記光電変換素子からの出カ信号を前記第１の蓄積手段又は第２の蓄積手段に選択的に導く為の第１のスイッチ手段及び第２のスイッチ手段とを有する光電変換装置であって、読出をおこなう場合に前記第１の蓄積手段に対して基準電圧を選択的に印加させる第３のスイッチ手段と、前記光電変換素子からの信号を蓄積する場合に第前記第１の蓄積手段及び前記第２の蓄積手段に対して基準電圧を選択的に印加させる第４のスイッチ手段と、読出し時に第１の蓄積手段と第２の蓄積手段からの信号を同時に出力させる第５のスイッチ手段とを備えており、画素毎にノイズ除去をさせることを特徴とした光電変換装置である。
請求項６記載の発明は、スイッチ手段がＭＯＳトランジスタで構成されることを特徴とする請求項１〜５記載の光電変換装置であり、
請求項７記載の発明は、第４のスイッチ手段が、第１の蓄積手段に基準電圧を選択的に印加させる第１のＭＯＳトランジスタと、第２の蓄積手段に基準電圧を選択的に印加させる第２のＭＯＳトランジスタと、前記第１の蓄積手段と前記第１のＭＯＳトランジスタとの間の接点が、前記第２の蓄積手段と前記第２のＭＯＳトランジスタとの間の接点に対して第３のＭＯＳトランジスタを介して接続されてなることを特徴とする請求項１〜５記載の光電変換装置に関するものである。
（作用）本発明によれば、ノイズ信号成分を蓄積した第１の蓄積手段の極性を変化させて、入射光に応じた光信号成分を蓄積した第２の蓄積手段との差から導き出された出力信号を出力線に出力する出力回路を構成することで、差動アンプなどの回路を構成する必要が無く、システム構成が簡潔になり、素子数の削減、レイアウト面積の縮小ができる。また、画素単位でノイズ信号成分を除去するような構成にできる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明における第１の実施例の光電変換装置を説明するための回路図である。
図２は、本発明における第１の実施例の光電変換装置を説明するためのタイミングチャートである。
図３は、本発明における第１の実施例で複数の画素を２次元的に配列した光電変換装置を表した回路構成図である。
図４は、本発明における第２の実施例の光電変換装置を説明するための回路図である。
図５は、差動アンプの基本構成を示す回路図である。
図６は、従来例の光電変換装置を説明するための回路図である。
なお、図中の符号、１は光電変換素子、３はバッファアンプ、４は第１のスイッチ手段、５は第２のスイッチ手段、６は第１の蓄積手段、７は第２の蓄積手段、８は第３のスイッチ手段、９は第４のスイッチ手段、９ａは第１のＭＯＳトランジスタ、９ｂは第２のＭＯＳトランジスタ、９ｃは第３のＭＯＳトランジスタ、そして、１０は第５のスイッチ手段である。
【発明を実施するための最良の形態】  図１に本発明の第１の実施例を説明する回路図を示す。各画素単位にフォトダイオードからなる光電変換素子１が設けられ、光電変換素子１はバッファアンプ３に接続され、バッファアンプ３は、ＭＯＳトランジスタからなる第１のスイッチ手段４及び第２のスイッチ手段５における各々のソース側と接続される。ＭＯＳトランジスタからなる第１のスイッチ手段４のドレイン側は、コンデンサ等からなる第１の蓄積手段６に接続されており、第１の蓄積手段６は、光電変換素子１からのノイズ信号を蓄積する。ＭＯＳトランジスタからなる第１のスイッチ手段４と第１の蓄積手段６との命接点は、ＭＯＳトランジスタからなる第３のスイッチ手段８を介して接地される。また、ＭＯＳトンジスタからなる第２のスイッチ手段５のドレイン側は、コンデンサ等からなる第２の蓄積手段７に接続されており、第２の蓄積手段７は、光電変換素子１からのノイズ信号を蓄積する。それぞれのスイッチ手段は、ＭＯＳトランジスタに限らず、バイポーラトランジスタで構成してもよい。
ＭＯＳトランジスタからなる第５のスイッチ手段１０のソース側は、第２のスイッチ手段５と第２の蓄積手段７との間の接点に、第５のスイッチ手段１０のドレイン側は、バッファアンプ１１に接続される。ＭＯＳトランジスタからなる第４のスイッチ手段９のソース側は、第１の蓄積手段６と第２の蓄積手段７の間に設けられた接点と接続され、第４のスイッチ手段９のドレイン側は接地される。さらに、光電変換素子１は、ＭＯＳトランジスタからなるスィッチ手段２を介して、バイアス電圧が印加されようになっている。
図２に本発明の第１の実施例を説明するタイミングチャートを示し、動作及び構成を説明する。
まず、ＭＯＳトランジスタのゲートに印加する駆動パルスＷＴＬ，ＷＴＧをオンし（段階１）光電変換素子１に光が入射することで生じる光信号を任意の期間内に、第２の蓄積手段７に蓄積する（段階２）。続いて、駆動パルスＷＴＬをオフ、駆動パルスＶＢをオンし、バイアス電圧を印加して、光電変換素子１のリフレッシュを行なう（段階３）。このリフレッシュ動作直後、駆動パルスＷＴＤをオンし、任意の期間内にノイズ信号を第１の蓄積手段６に蓄積する（段階４）。この時点で、第１の蓄積手段６及び第２の蓄積手段７には、それぞれノイズ信号、光信号が蓄積されている。ＭＯＳトランジスタ４に印加される駆動パルスＷＴＤの印加時間（ノイズ信号蓄積期間）とＭＯＳトランジスタ５に印加される駆動パルスＷＴＬの印加時間（光信号蓄積期間）は、光信号成分からノイズ信号成分を取り除いた正味の信号を正確に取り出すためほぼ同じすることが望ましい。
そして、駆動パルスＷＴＧをオフし（段階５）、続いて駆動パルスＲＤＧをオンする（段階６）ことで、第１の蓄積手段６の極性を変化させ、第２の蓄積手段７の極性にあわせることで、第２の蓄積手段７に蓄積された光信号成分に相当する電圧から第１の蓄積手段６に蓄積されたノイズ信号成分に相当する電圧を差し引きし、ノイズ信号成分が除去される。さらに、駆動パルスＲＤをオンし、ノイズ信号成分の取り除かれた正味の光信号を取り出す（段階７）。
（段階２）における基準電圧に対する第１の蓄積手段６に蓄積されたノイズ信号成分の電位の値を＋Ｖｄとし、（段階４）における第２の蓄積手段に蓄積された光信号成分の電位の値を＋ＶＬとすると、（段階５）、（段階６）の後は、蓄積手段６と蓄積手段７が直接に接続されているため、蓄積手段６の極性は−ＶＤとなり、第２のスイッチ手段と蓄積手段７との間の接点の電位は、（ＶＬ−ＶＤ）となる。次に（段落７）において、駆動パルスＲＤをオンさせることで、バッファアンプ１１に電圧（ＶＬ−ＶＤ）が印加される。これによってノイズ信号成分が光信成分から除去され、正味の信号が出力される。
基本画素構造を２次元的に表した光電変換装置を図３に示す。ＭＯＳトランジスタからなる第５のスイッチ手段１０は、シフトレジスタ等の走査回路１３によって駆動パルスＲＤが各画素からの信号を出力するため順次オンされる。順次出力された出カ信号は、共通出カ線１２を介してバッファアンプ１１に送られる。
図４に本発明の第２の実施例を説明する回路図を示す。第４のスイッチ手段が、第１実施形態とは異なり、３つのＭＯＳトランジスタから構成されている。第１のＭＯＳトランジスタ９ａは、第１の蓄積手段６に基準電圧を選択的に印加させ、第２のＭＯＳトランジスタは、第２の蓄積手段７に基準電圧を選択的に印加させる。第３のＭＯＳトランジスタにおいては、第１の蓄積手段６と第２の第１のＭＯＳトランジスタ９ｂとの間の接点を、第３のＭＯＳトランジスタ９ｃのソース側と接続させ、第２の蓄積手段７と第２のＭＯＳトランジスタとの間の接点を第３のＭＯＳトランジスタ９ｃのドレイン側と接続させる。
第２の実施例における動作を説明する（タイミングチャートは図示せず）。基本的に、第１の実施例における図２のタイミングチャートに従うが、駆動パルスＷＴＧ１をオンさせて第１の蓄積手段６にノイズ信号成分を蓄積し、駆動パルスＷＴＧ２をオンさせて、第２の蓄積手段７に光信号成分を蓄積する。また、ＷＴＧ１及びＷＴＧ２をオフし、ＲＤＧをオンした後、ＷＴＧ３オンして、第１の蓄積手段６のノイズ信号成分を除去させるようにした。
ここで、光電変換素子１はフォトダイオードとしたが、キャパシタとバイポーラトランジスタとを組み合わせた素子でもよい。その場合、バイポーラトランジスタのベースに光入射によって発生した電荷を蓄積して、その電荷量によってエミッターコレクタ電極間の電流を制御する。また、キャパシタ電極にパルスを印加してリフレッシュ動作をおこなう。
また、第１及び第２の実施形態における基準電圧は、接地電圧としたが、可変電圧としてもよい（図示せず）。これは、第１のスイッチ手段４、第２のスイッチ手段５がトランジスタである場合において生じる寄生容量が無視できないときに有効である。第１の蓄積手段６では暗電圧ノイズ信号成分以外、第２の蓄積手段７においては光信号成分以外の寄生容量起源のノイズが含まれるるが、寄生容量起源の電圧分を除去するように可変電圧を任意の値に設定すればよい。また、その他、この寄生容量起源のノイズを除去する回路を構成させてもよい。
本発明の説明においては、光信号成分を先に蓄積させたが、ノイズ信号成分を先に蓄積させてノイズ信号成分を除去させることもできる。また、第１の蓄積手段６を光信号成分の蓄積に使用し、第２の蓄積手段７を、ノイズ成分蓄積に使用しても、電位の正負が逆になることを考慮するのみで実施可能である。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２００３年８月２９日出願の日本特許出願（特願２００３−３０７７０６）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】  本発明によれば、差動アンプないし余分なバッファアンプ等の回路を構成する必要が無いため、システム構成が簡潔になり、素子数の削減、レイアウト面積を縮小できる。また、暗電圧ノイズ用バッファアンプと光信号用バッファアンプの２つのアンプを必要としないために面積縮小の効果の他にも、出カ電圧のばらつきが生じて暗電圧ノイズ信号成分が精度よく除去されないという不具合が生じ無いため、正確な信号の読み取りができる。
【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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【図６】
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【国際調査報告】
2005022903.tif 000009
2005022903.tif 000010