JPH05227363A - イメージセンサ及びその読み取り方法及び画像読取装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 イメ−ジセンサにおけるフォトダイオードの
受光量に応じた電流値ではなく、電圧値を読み取ること
ができ、更にブロック単位に読み取ることができる簡易
な構成のイメージセンサ及びその読み取り方法及び画像
読取装置を提供する。 【構成】 フォトダイオードＰＤとブロッキングダイオ
ードＢＤから成る受光素子を複数個配列して１ブロック
として複数ブロックをアレイ状に形成し、ブロッキング
ダイオードＢＤにはバイアス電圧を印加するシフトレジ
スタＳＲが接続され、フォトダイオードＰＤからの配線
はデータ・ラインに接続し、データ・ラインに負荷容量
ＣL を形成し、負荷容量ＣL に蓄積された電荷によりデ
ータ・ラインの電位をＡＭＵＸの読取回路で読み取るイ
メージセンサ及びその読み取り方法及び画像読取装置と
している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ファクシミリ、イメー
ジスキャナ等の入力部に用いられるイメージセンサ及び
画像読取装置に係り、特にフォトダイオードとブロッキ
ングダイオードとを極性を逆向きに直列に接続した受光
素子を複数個並べてアレイ状に形成したイメージセンサ
及びその読み取り方法及び画像読取装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のファクシミリ等の画像読取りに使
用されるイメージセンサは、フォトダイオードとブロッ
キングダイオードとが互いに逆極性になるように直列に
接続して一組の受光素子を形成し、この受光素子を複数
個ライン状に並べて受光素子アレイを構成するものが提
案されている。

【０００３】すなわち、上述したイメージセンサの受光
素子部分は、図１７の平面説明図及び図１７の断面説明
図である図１８に示すように、ガラス等から成る基板１
上にクロム（Ｃｒ）等から成る金属電極２、ｎ+ 層のオ
ーミックコンタクト層３、水素化アモルファスシリコン
（ａ−Ｓｉ：Ｈ）等から成る光導電層４、酸化インジウ
ム・スズ（ＩＴＯ）等から成る透明電極５、ポリイミド
等から成る絶縁層６を順次積層及びパターニングして、
フォトダイオードＰＤとブロッキングダイオードＢＤを
形成し、絶縁層６に形成したコンタクト孔８ａ、８ｂを
介してアルミニウム（Ａｌ）等から成る引き出し配線７
ａ、７ｂを形成して構成されている。

【０００４】そして、フォトダイオードＰＤ側は、上部
より光が照射される受光エリアＡ（図の斜線部分）を形
成するとともに、ブロッキングダイオードＢＤ側は光が
照射されないように引き出し配線７ｂにより遮光する構
成となっている。

【０００５】そして、このような受光素子を複数（ｎ
個）並べてアレイを形成し、各ブロッキングダイオード
ＢＤ側の各引き出し配線７ｂは、図１９の等価回路図に
示すようにシフトレジスタＳＲに接続され、フォトダイ
オードＰＤ側の各引き出し配線７ａはローディング抵抗
Ｒを介して接地されているとともに、ローディング抵抗
Ｒのフォトダイオード側に出力端子Ｔout を形成してい
る。

【０００６】上記従来の構成のイメージセンサにおける
電荷読み出しの動作を以下に説明する。まず、シフトレ
ジスタＳＲによってフォトダイオードＰＤが走査されて
順次信号がブロッキングダイオードＰＤを通して印加さ
れ、印加されたフォトダイオードＰＤに電荷が蓄積され
る。

【０００７】そして、走査が一巡する間にフォトダイオ
ードＰＤに光が照射され、その光の照射光量に応じた電
荷が放電される。次にリセット信号（読み出しパルス）
をシフトレジスタＳＲによって順次印加し、各フォトダ
イオードＰＤに前記放電量に応じた電荷が再充電される
ものである。

【０００８】この再充電時にローディング抵抗Ｒを流れ
る電流により出力端子Ｔout に生じる電流値を信号にし
て読み出すものである（特開昭５８−６２９７８号公報
参照）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成のイメージセンサ及びその読み取り方法では、
フォトダイオードＰＤに光が入射した時、フォトダイオ
ードＰＤを流れる電流によって、放電された電荷がフォ
トダイオードＰＤの容量とブロッキングダイオードＢＤ
の容量とに分配され、このときフォトダイオードＰＤに
おいて減少した電荷を補うためにローディング抵抗Ｒを
電流が流れてノイズが発生するとの問題点があった。

【００１０】そこで、遮光されていない第１フォトダイ
オードＰＤと遮光されていない第２フォトダイオードＰ
Ｄとを極性を逆向きに直列に近接して接続して受光素子
を複数個ライン状に並べて受光素子アレイを形成し、前
記第１のフォトダイオードＰＤ及び第２のフォトダイオ
ードＰＤは光が照射された際に両ダイオードを流れる電
流を等しくすることで外部に電流が流れ出さない構造を
有するイメージセンサが提案されている。

【００１１】このイメージセンサは、二つのフォトダイ
オード（１つをフォトダイオードＰＤとし、もう１つを
ブロッキングダイオードＢＤとする）を極性を逆に接続
して、両フォトダイオードに受光エリアを形成し、光が
照射された際に両フォトダイオードに流れる電流を等し
くし、外部に電流が流れ出さないようにしているので、
ノイズ成分が発生しないものである。

【００１２】しかしながら、上記イメージセンサの構成
では、再充電時にローディング抵抗Ｒを流れる電流値を
読み取って画像信号としているために、電圧値を読み取
る場合と比較して読み取りを行う回路構成が複雑になっ
てしまうとの問題点があった。特に、イメージセンサに
おける受光素子の電荷をブロック単位に読み取る場合に
電流値を読み取ることになると、その読取回路構成が更
に複雑になってしまうとの問題点があった。また、電流
値を読み取るイメージセンサでは、瞬時に電流値を読み
取るために、ノイズに対して敏感であり、ノイズに影響
され易いとの問題点があった。

【００１３】本発明は上記実情に鑑みて為されたもの
で、フォトダイオードの受光量に応じた電流値ではな
く、フォトダイオードの受光量に応じた電圧値を読み取
ることができ、更に受光素子の電荷をブロック単位に読
み取ることができる簡易な構成のイメージセンサ及びそ
の読み取り方法及び画像読取装置を提供することを目的
とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記従来例の問題点を解
決するための請求項１記載の発明は、イメージセンサに
おいて、２個のダイオードを極性を逆向きに直列に接続
し、一方をフォトダイオード、他方をブロッキングダイ
オードとする受光素子を複数個ライン状に並べて１ブロ
ックとして複数ブロックをライン状に並べて形成した受
光素子アレイと、前記受光素子のフォトダイオードの端
部から導き出された配線がブロック単位に順次接続する
共通信号線と、前記受光素子のブロッキングダイオード
の端部にブロック単位で読み出しパルスを印加するシフ
トレジスタと、前記各共通信号線に負荷容量とを有する
ことを特徴としている。

【００１５】上記例の問題点を解決するための請求項２
記載の発明は、請求項１記載のイメージセンサの読み取
り方法において、フォトダイオードとブロッキングダイ
オードの容量に比例して電荷を分配し、受光素子にて照
射されて照射光量に応じた光電流が流れて前記フォトダ
イオードと前記ブロッキングダイオードで放電減少した
電荷分に対応する電荷分をシフトレジスタからのバイア
ス電圧をオンすることで負荷容量に転送を行い、前記負
荷容量への転送によって生じた共通信号線の電圧値を読
み取ることを特徴としている。

【００１６】上記例の問題点を解決するための請求項３
記載の発明は、請求項１記載のイメージセンサの読み取
り方法において、フォトダイオードとブロッキングダイ
オードの容量に比例して電荷を分配し、受光素子にて照
射されて照射光量に応じた光電流が流れて前記フォトダ
イオードと前記ブロッキングダイオードで放電減少した
電荷分に対応する電荷分をシフトレジスタからのバイア
ス電圧をオンすることで負荷容量に転送を行い、前記バ
イアス電圧をオフして前記光電流により失われた電荷分
に比例した電荷分を前記負荷容量へ残留させて共通信号
線の電圧値を読み取ることを特徴としている。

【００１７】上記例の問題点を解決するための請求項４
記載の発明は、画像読取装置において、各共通信号線の
電位のリセットと前記電位の増幅を行い、時系列に前記
増幅された電位を出力線に出力する読取回路と、請求項
１記載のイメージセンサと、を有することを特徴として
いる。

【００１８】

【作用】請求項１記載の発明によれば、フォトダイオー
ドとブロッキングダイオードから成る受光素子を複数個
配列して１ブロックとし、複数ブロックをアレイ状に形
成して受光素子アレイとし、ブロッキングダイオードに
はバイアス電圧を印加するシフトレジスタが接続され、
フォトダイオードからの配線はブロック内の受光素子数
に対応する共通信号線に接続し、各共通信号線はそれぞ
れ負荷容量を有する構成のイメージセンサとしているの
で、照射されて流れた光電流によって放電減少した電荷
分に対応した電荷分を負荷容量に転送蓄積して形成され
た共通信号線の電圧値をブロック単位に読み取ることが
でき、変化した電流値を読み取るよりも読取回路を簡単
にすることができ、更にブロック単位の読み取り容易に
行うことができる。

【００１９】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載のイメージセンサにおいて、フォトダイオードとブロ
ッキングダイオードの容量に比例して電荷を分配し、受
光素子にて照射されて照射光量に応じた光電流が流れて
フォトダイオードとブロッキングダイオードで放電減少
した電荷分に対応する電荷分をシフトレジスタからのバ
イアス電圧をオンして負荷容量に転送を行い、負荷容量
への転送によって生じた共通信号線の電圧値を読み取る
イメージセンサの読み取り方法としているので、照射さ
れて流れた光電流によって放電減少した電荷分に対応す
る電荷分を負荷容量へ転送して形成された共通信号線の
電圧値を読み取ることができ、変化した電流値を読み取
るよりも読取回路を簡単にすることができ、更にブロッ
ク単位の読み取りも容易に行うことができる。

【００２０】請求項３記載の発明によれば、請求項１記
載のイメージセンサにおいて、フォトダイオードとブロ
ッキングダイオードの容量に比例して電荷を分配し、受
光素子にて照射されて照射光量に応じた光電流が流れて
フォトダイオードとブロッキングダイオードで放電減少
した電荷分に対応する電荷分をシフトレジスタからのバ
イアス電圧をオンして負荷容量に転送を行い、バイアス
電圧をオフして光電流により失われた電荷分に比例した
電荷分を負荷容量へ残留させて共通信号線の電圧値を読
み取るイメージセンサの読み取り方法としているので、
照射されて流れた光電流によって放電減少した電荷分に
対応した電荷分を負荷容量に残留させて形成された共通
信号線の電圧値を読み取ることができ、変化した電流値
を読み取るよりも読取回路を簡単にすることができ、更
にブロック単位の読み取り容易に行うことができる。

【００２１】請求項４記載の発明によれば、請求項１記
載のイメージセンサに、共通信号線の電位をリセット
し、共通信号線の電位を増幅し、増幅した電位を時系列
に出力線に出力する読取回路を設けた画像読取装置とし
ているので、請求項１記載のイメージセンサでブロック
単位に読み取った電圧値を読取回路で増幅して順次画像
信号として時系列的に出力することができる。

【００２２】

【実施例】本発明の一実施例に係るイメージセンサにつ
いて図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一
実施例に係るイメージセンサの等価回路図である。尚、
図１７〜図１９のイメージセンサの構成と同一の構成を
とる部分については、同一の符号を使って説明する。

【００２３】本実施例の密着型イメージセンサは、一画
素内の領域に大面積（Large Area Electronic:ＬＡＥ）
プロセスによって形成されるものであり、電気回路的に
Backto Backの直列形に接続されたフォトダイオード
（受光素子）ＰＤとブロッキングダイオードＢＤを１対
として複数個配列して１ブロックとし、複数ブロックの
受光素子から成る受光素子アレイと、それぞれのブロッ
クを選択するバイアス・ライン（Bias Line ）と、各ブ
ロック内の対応するフォトダイオードＰＤに接続されて
いる複数本のデータ・ライン（Data Line ）と、データ
・ラインにそれぞれ接続する負荷容量ＣL とから構成さ
れている。

【００２４】そして、バイアス・ライン(Bias Line)
は、シフトレジスタＳＲに接続され、このシフトレジス
タＳＲから任意のタイミングで出力されるバイアス信号
によってブロックが選択されるようになっている。例え
ば、１ブロックの画素数（受光素子数）を６４画素とす
ると、シフトレジスタＳＲのチャンネル数は、Ａ４サイ
ズで２７チャンネル、Ｂ４サイズで３２チャンネル必要
である。また、データ・ライン(Data Line) は、アナロ
グマルチプレクサ（ＡＭＵＸ）の読取回路に接続されて
いる。ここで、データ・ラインと受光素子アレイとはマ
トリクス状の多層配線(Data Matrix) によって接続され
ており、またデータ・ラインはブロック毎の共通信号線
となっている。従って、本実施例ではマトリクス駆動を
しているために、例えば、６４画素分の信号を同時にＡ
ＭＵＸ内に取り込み、信号処理を行うには６４チャンネ
ル分のアナログ入力が必要となる。

【００２５】次に、アナログマルチプレクサ（ＡＭＵＸ
=Analog Multiplexer)の構成について図１６を使って説
明する。図１６は、ＡＭＵＸの概略構成回路図である。
図１６に示すように、入力側から順に、負荷容量ＣL が
接続されたデータ・ラインにはリセット用の第１のスイ
ッチ(Reset SW)１１が設けられ、更に第１の増幅器（1s
t ＡＭＰ）１２と第２のスイッチ１３と第１の容量１４
が接続され、そして第２の増幅器（2nd ＡＭＰ）１５と
第３のスイッチ１６と第２の容量１７が接続され、更に
第３の増幅器（3rd ＡＭＰ）１８と第４のスイッチ１９
が接続されている。そして、各チャンネル毎に上記と同
様の構成となっており、全体としてスイッチアレイ(SW
Array)、容量アレイ(Capacitor Array) が形成され、更
にそれぞれの出力線が１本にまとめられて電圧フォロワ
(Voltage Follower)２０に接続され、その出力が出力線
に接続されている。

【００２６】本実施例では、容量アレイ(Capacitor Arr
ay) を２段としているが、この段数は増幅器（ＡＭＰ）
の特性、処理速度、回路構成で決まるものであるが、ブ
ロック単位に同時に読み込まれた複数の画素信号（Para
llel信号）を切れめなくシリアルの信号にマルチプレク
スするためには、信号を一時的に蓄える少なくとも１段
の容量アレイが必要である。

【００２７】本実施例のＡＭＵＸの読取回路における基
本的動作は、負荷容量ＣL に蓄積された電荷により変化
したデータ・ラインの電位を第１の増幅器１２で増幅し
て出力し、第１の容量１４に電荷を蓄積して第２のスイ
ッチ１３をオフにする。また同様に第２の増幅器１５と
第２の容量１７で増幅と電荷蓄積が行われ、第２の容量
１７に蓄積された電荷量により変化した第２の増幅器１
５からの出力線の電位を第３の増幅器１８で増幅して第
４のスイッチ１９を順次オンして電圧フォロワ２０を介
して信号が時系列に出力線に出力される。また、リセッ
ト時各増幅器と各容量とにより出力の差を得ることがで
きるので、オフセット補正を行うこともできる。

【００２８】本実施例のＡＭＵＸの読取回路でのスイッ
チの動作タイミングは、第４のスイッチ１９のアレイを
除いて各スイッチアレイは同時にオン・オフし、ブロッ
ク単位に次段の容量アレイに電荷を蓄積していき、第４
のスイッチ１９のスイッチアレイだけが画素毎に順次オ
ンするようになっている。尚、１段しか容量アレイがな
いときの場合は、つまり、図１６から第２の増幅器１５
と第３のスイッチ１６と第２の容量１７を取り除いた構
成の場合は、第１の増幅器１２と第１の容量１４の間に
設けられた第２のスイッチ１３を例えば半ブロック毎又
は１／４ブロック毎に先に出力される画素の信号線から
オン・オフを行って、第４のスイッチ１９の動作は２段
の容量アレイの場合の動作と同様に行うことで、１段の
容量アレイの場合にも時系列的な出力を得ることが可能
となる。

【００２９】また、本実施例では、データ・ラインから
の入力側の初段にはＡＭＰを設けているが、電圧フォロ
ワであっても構わない。但し、ＡＭＵＸの入力側ではＳ
／Ｎ比の点からインピーダンス変換を行った方か良いの
で、特にＡＭＰを設けることが望ましい。

【００３０】次に、受光素子部分のフォトダイオードＰ
ＤとブロッキングダイオードＢＤについて説明すると、
フォトダイオードＰＤとブロッキングダイオードＢＤは
それぞれの容量比に対応した光が当たるように予め構成
されている。例えば、図２に示すようにフォトダイオー
ドＰＤとブロッキングダイオードＢＤの受光面積と構成
を等しくし、両ダイオードに当たる光の量を等しくする
ことが具体的に考えられる。

【００３１】本実施例のイメージセンサの受光素子部分
について、図２の平面説明図及び図２のＡ−Ａ′部分の
断面説明図である図３を使って説明する。本実施例の受
光素子部分は、ガラス等から成る基板１上に、クロム
（Ｃｒ）等から成る金属電極２、ｎ+ 層のオ−ミックコ
ンタクト層３、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ）等の光導電層４、酸化インジウム・スズ（ＩＴ
Ｏ）等の透明電極５、ポリイミド等の絶縁層６を順次積
層して、パターニングを行い、極性が逆向きにかつ図２
において上下対称的にオ−ミックコンタクト層３、光導
電層４、透明電極５を配置して、フォトダイオードＰＤ
とブロッキングダイオードＢＤを形成している。

【００３２】フォトダイオードＰＤ及びブロッキングダ
イオードＢＤの透明電極５ａ、５ｂ上には、絶縁層６に
形成したコンタクト孔８ａ、８ｂを介してアルミニウム
（Ａｌ）等から成る引き出し配線７ａ、７ｂが接続され
ている。尚、引き出し配線７ｂは、ブロッキングダイオ
ードＢＤのバイアス用配線（Bias Line）となり、引き
出し配線７ａは、フォトダイオードＰＤの信号読み出し
配線（Data Line ）となるものである。

【００３３】また、引き出し配線７は、コンタクト孔８
上部において、遮光パターンを形成しており、当該遮光
パターンによって受光面積を規定している。本実施例に
おいては、フォトダイオードＰＤの受光面積とブロッキ
ングダイオードＢＤの受光面積との比を１：１となるよ
うに規定している。尚、説明を簡単にするために、ダイ
オードの特性を無視した単純なスイッチング素子を考え
るものとする。

【００３４】次に、図４〜図１０の動作プロセスを説明
する回路図を使って、本実施例の密着型イメージセンサ
の基本的動作原理を説明する。まず、説明を簡単にする
ために、１本のデータ・ライン上の任意の１bit のみを
考えることにする。

【００３５】図４は、電源投入後にバイアスＶB がオン
になった場合の等価回路図で、図中の容量ＣN は、同一
のデータ・ライン上に接続された他のブロック中の画素
の合成容量である。この過程で、フォトダイオードの容
量ＣPDとデータ・ライン上に設けられた負荷容量ＣL が
充電（charge up ）される。但しブロッキングダイオー
ドＢＤは順方向となっているので、ブロッキングダイオ
ードの容量ＣBDは、充電されず空のままである。

【００３６】つまり、図４の点間の電圧Ｖ24は、Ｖ
24＝ＶB となり、点間の電圧Ｖ23と、点間の電
圧Ｖ34は以下の式のようになる。また、ＶO は出力線Ｔ
outの電圧である。 Ｖ23＝｛（ＣL ＋ＣN ）／（ＣL ＋ＣN ＋ＣPD）｝×ＶB Ｖ34＝ＶO ＝｛ＣPD／（ＣL ＋ＣN ＋ＣPD）｝×ＶB また、容量ＣN の値は、以下の通りになる。 ＣN ＝（全ブロック数−１）×ＣPD×ＣBD／（ＣPD＋ＣBD）

【００３７】次に、図５の等価回路図に示すように、バ
イアスＶB がオフ（０Ｖ）となると、図４において充電
された電荷がブロッキングダイオードの容量ＣBD、フォ
トダイオードの容量ＣPD、負荷容量ＣL 及び容量ＣN の
容量比に応じて再分配されて、ブロッキングダイオード
ＢＤの容量ＣBDが充電（charge up ）される。つまり、
全容量をＣT とすると、ＣT は以下の式で表される。 ＣT ＝（ＣL ＋ＣN ）×ＣPD／（ＣL ＋ＣN ＋ＣPD）

【００３８】そして、全電荷をＱT とすると、ＱT ＝Ｃ
T ×ＶB となり、点間の電圧Ｖ12と出力側の電位Ｖ
O は以下の式で表すことができる。 Ｖ12＝ＱT ／（ＣBD＋ＣT ） ＶO ＝ＣPD／（ＣL ＋ＣN ＋ＣPD）×Ｖ12

【００３９】次に、図６に示すように、ドライバーＩＣ
は、バイアスＶB がオフになった後、つまり任意時間経
過後に、データ・ラインをグランド（ＧＮＤ）に落とす
ことによって負荷容量ＣL をリセットし、負荷容量ＣL
は放電（Ｄischarge）され、点がＧＮＤに落ちたこと
により、ｑr 分の電荷が移動し、フォトダイオードＰ
Ｄ、ブロッキングダイオード間の中点電位（以後Ｖ
C とする）が定まる。

【００４０】つまり、出力電位ＶO は０となり、電荷ｑ
r の移動により点間のリセット後の電圧Ｖ12(after
reset) と点間のリセット後の電圧Ｖ23(after res
et)は、Ｖ12(after reset) ＝Ｖ23(after reset) とな
る。そして、点間のリセット前の電圧Ｖ12、点
間のリセット前の電圧Ｖ23と点間のリセット後の電
圧Ｖ12(after reset) 、点間のリセット後の電圧Ｖ
23(after reset) の関係を式で表すと、以下の通りにな
る。 Ｖ12（after reset）＝Ｖ12−ｑr ／ＣBD Ｖ23（after reset）＝Ｖ23＋ｑr ／ＣPD そして、中点電位ＶC は、以下の通りになる。 ＶC ＝Ｖ12（after reset ）＝Ｖ23（after reset ）

【００４１】次に、図７を使って照射光量に応じた光電
変換プロセスによって発生した電荷蓄積過程を説明す
る。図４〜図６の経過で中点電位ＶC が定まると、フォ
トダイオードＰＤ、ブロッキングダイオードＢＤ共に逆
バイアス印加状態となっており、この状態で、フォトダ
イオードＰＤとブロッキングダイオードＢＤに光が照射
されていると、図７の等価回路図に示しているフォトダ
イオードＰＤとブロッキングダイオードＢＤの電流源か
ら照射光量に応じた光電流が流れることになる。説明を
簡単にする為に、フォトダイオードの容量ＣPDとブロッ
キングダイオードの容量ＣBDが等しく、フォトダイオー
ドＰＤ、ブロッキングダイオードＢＤのそれぞれの受光
エリアに照射される光量が等しいとすると、フォトダイ
オードＰＤ、ブロッキングダイオードＢＤに流れるそれ
ぞぞれの光電流ＩPD、ＩBDは、ＩPD＝ＩBDの関係とな
る。

【００４２】従って、バイアスがオフとなった後に負荷
容量ＣL のリセットから、次のバイアスがオフとなるま
での期間（蓄積時間）ＴS 内にフォトダイオードＰＤと
ブロッキングダイオードＢＤに発生した電荷の総量ｑPD
とｑBDは等しくなる。つまり、光電流ＩPD、ＩBDによっ
て、電荷ｑPD、ｑBDが発生し、この電荷ｑPD、ｑBDによ
って、バイアスオンからオフまでの過程で充電（charge
up ）されたフォトダイオードの容量ＣPDとブロッキン
グダイオードの容量ＣBDの電荷は、電荷ｑPD、ｑBDの量
に応じて放電（Ｄischarge）され、中点電位ＶC は、最
初に形成された中点電位ＶC init（ＶC initはリセット
直後の中点電圧）から０まで徐々に減少することになる
（図１１のタイミングチャート参照）。

【００４３】つまり、電荷ｑPD、ｑBDの放電後のフォト
ダイオードＰＤにおける電荷ＱPDとブロッキングダイオ
ードＢＤにおける電荷ＱBDは、以下の式で表される。 ＱPD＝ＣPD×Ｖ23（after reset ）−ｑPD ＱBD＝ＣBD×Ｖ12（after reset ）−ｑBD

【００４４】図７では、フォトダイオードＰＤの電荷Ｑ
PD、ブロッキングダイオードＢＤの電荷ＱBDによって、
フォトダイオードＰＤ、ブロッキングダイオードＢＤの
バイアス電圧ＶPD、ＶBDが、ＶPD＝ＱPD／ＣPD、ＶBD＝
ＱBD／ＣBDとなり、電荷ｑPD＝ｑBDであり、容量ＣPD＝
ＣBDであるので、従って電圧ＶPD＝ＶBDであって、点
間の電圧Ｖ12（storage ）＝ＶPD＝ＶBDとなり、Ｖ12
（storage ）＝ＶC という新しい中点電位となってい
る。この場合、電圧ＶPD＝ＶBDであるので、中点（点
）で移動した電流Ｉleakは０（ゼロ）である。

【００４５】蓄積の過程では、実際には時間に比例して
ＶC が減少し、ＴS 時間後、電圧ＶPD＝ＶBD＝Ｖ12（st
orage ）に達するものである。

【００４６】この過程で発生した電荷を読み出すには、
図８〜図１０の過程を繰り返せばよく、これは先に説明
した各容量の充電（charge up ）過程に等しいものであ
る。唯一異なるのは、バイアスオン・オフ時に移動する
電荷量が、ｑPD、ｑBDに比例する点である。

【００４７】この点に立って、図８〜図１０の回路図を
使って、読み出し過程を説明する。まず、図８に示すよ
うに、バイアスがオンになると、ある時定数で電荷ｑT
が流れ、点Ｂがほぼバイアスオン電圧ＶB となる。フォ
トダイオードの容量ＣPDと、負荷容量ＣL 及び容量ＣN
は、直列接続となっているので、ＣPDと、ＣL 及びＣN
とでそれぞれ電荷ｑT 分だけ電荷が増加する。つまり、
ｑT はｑPDに対応する値であり、フォトダイオードＰＤ
で光電荷によって失った分の電荷がｑT の値に反映され
ており、その電荷ｑT がＣL とＣN の容量比に従ってに
蓄えられる。従って、負荷容量ＣL には以下に示すＱCL
の電荷が蓄えられる。 ＱCL＝ＣL ／（ＣN ＋ＣL ）×ｑT ＝ＣL ／（ＣL ＋ＣN ＋ＣPD ）×｛ＧPD−（Ｖb −ＶC ）＋ｑPD｝

【００４８】次に、図９に示すようにバイアス電圧をオ
フにすると、点間の電圧Ｖ12と点内の電圧Ｖ24
の関係がＶ12＝Ｖ24となるように電荷ｑがある時定数で
移動する。この過程によって、負荷容量ＣL 及び容量Ｃ
N に蓄えられた電荷がｑだけ減少するが、負荷容量ＣL
には、更にフォトダイオードの電荷ｑPDに比例した量が
残っている。電荷ｑだけ減少して負荷容量ＣL に残留し
ている電荷の値には、フォトダイオードＰＤで光電荷に
よって失われた分の電荷ｑPDの値が反映されている。本
実施例では、この負荷容量ＣL に残留している電荷によ
って形成された共通信号線の電圧値を読むものである。
勿論、図８のバイアス電圧ＶB オン時で読むことも可能
である。

【００４９】つまり、電荷ｑの移動によるフォトダイオ
ードＰＤ、ブロッキングダイオードＢＤ、負荷容量ＣL
及び容量ＣN における容量ＣPD，ＣBD，ＣL ，ＣN と電
荷ＱPD，ＱBD，ＱCLの関係は、以下の式の通りとなり、
電荷ｑは、以下の式で表される。 （ＱPD−ｑ）／ＣPD＋（ＱCL−ｑ）／（ＣL ＋ＣN ）＝ｑ／ＣBD ｑ＝ＣBD×ＣPD×（ＣL ＋ＣN ）／｛（ＣL ＋ＣN ）×ＣBD＋（ＣL ＋ＣN ） ×ＣPD＋ＣBD×ＣPD｝×ＶB そして、この場合のフォトダイオードＰＤとブロッキン
グダイオードＢＤのバイアス電圧ＶPD、ＶBDは、ＶPD＝
（ＱPD−ｑ）／ＣPD、ＶBD＝ｑ／ＣBDで表され、図９に
おいて読み出される電圧値ＶO(read) は、ＶPDG を光電
変換作用で下がった電位分とすると、以下の値になる。 ＶO(read) ＝ＣPD／（ＣL ＋ＣN ＋ＣPD）×ＶPDG ＋Ｂ 但し、Ｂは以下のように表せる。 Ｂ＝ＣPD／（ＣL ＋ＣN ＋ＣPD）×ＶB −｛（ＣL ＋ＣN ）×ＣPD×ＣBD｝／ ｛（ＣL ＋ＣN ）×ＣPD＋（ＣL ＋ＣN ）×ＣBD＋ＣPD×ＣBD｝×ＶB −ＣPD／ （ＣL ＋ＣN ＋ＣPD）×ＶC ここで、設計上、Ｂがほぼ０となるように各容量の値を
定めると、照射光量に比例した出力を得ることができ
る。

【００５０】また、図８のバイアス・オン（ＶGON）時
に読み出す電圧値ＶO(ＶGON) は、以下のように表され
る。 ＶO(ＶBON)＝ＱCL／ＣL ＝ＣPD／（ＣL ＋ＣPD）×（ＶB −ＶC ＋ＶPDG ）

【００５１】つまり、図８に示したようにリセット・オ
フ後にブロック選択で、バイアス電圧ＶG が印加され
て、充電（charge up ）される過程で、充電と同時に発
生電荷を読み取ることが可能であり、また図９に示した
ようにバイアス電圧ＶG をオフにした後に負荷容量ＣL
の電荷を読み取ることも可能である。但し、図９で示し
た読み取り方法の方がフォトダイオードＰＤにおいて光
電荷によって失われた電荷ｑPDの値により近い値となっ
ており、バイアス電圧Ｖのオン時の影響を受けて起こる
フィードスルーをキャンセルして電荷を読み取れるの
で、フィードスルーに対処したものとなっている。

【００５２】次に、図１０の回路図に示すように、リセ
ットがオンとなり、バイアス電圧ＶB がオンからオフと
なった時に負荷容量ＣL と容量ＣN に転送された電荷が
放電され（ＱCL＝０，ＱN ＝０）、ブロッキングダイオ
ードＢＤからフォトダイオードＰＤへ電荷ｑ′が移動す
ることによって中点電位ＶC が初期化され、リセットが
オフとなり蓄積過程となる。この状態は以下の式で表さ
れ、電荷ｑ′が以下のように表される。 （ＱBD−ｑ′）／ＣBD＝（ＱPD＋ｑ′）／ＣPD ｑ′＝ＣPD×ＣBD／（ＣPD＋ＣBD）×ＶO(read)

【００５３】図１０以降は、リセットがオフとなり、光
がフォトダイオードＰＤとブロッキングダイオードＢＤ
照射されて光電流が流れて、両ダイオードで電荷が失わ
れることになり、失われた電荷分に対応する電荷を図８
〜図１０の過程によって読み取るものである。

【００５４】次に、同一データラインに継がれた他の画
素への影響について説明する。あるブロックが選択され
た場合、その画素で発生した電荷に対応した電荷ＱN
が、容量ＣN に蓄えられる。これは、非選択画素のフォ
トダイオードの容量ＣPD、ブロッキングダイオードの容
量ＣBDの合成容量に蓄えられるが、これらの画素でも蓄
積が行われており、中点電位ＶC が減少している。これ
に対し、この電荷はオフセットのように働くが、先の読
み取り過程におけるあるブロックの選択が終了し、負荷
容量ＣL がリセットされると、この電荷ＱN もリセット
される為に結果として、他の画素への影響はない。

【００５５】図１１に、上記読み取り過程のタイミング
チャートの例を示す。図１１のタイミングチャートは、
図９の動作プロセスの回路図に示した出力電位ＶO(rea
d) を読み取る場合のタイミングチャートを示してい
る。

【００５６】図１１に示すように、バイアス信号を印加
するブロック数をｍとすると、ＶB(m)はｍ番目のブロッ
クを選択するバイアス信号、ＶC(m)はｍ番目のブロック
の任意の画素の中点電圧、Reset(m)はｍ番目のブロック
の負荷容量ＣL のリセット信号、ＶO(m)はｍ番目のブロ
ックの任意の画素の出力信号、Ｔs は蓄積時間を規定す
るタイミング信号、Ｃk は駆動クロックを意味してい
る。

【００５７】１番目のブロックを例に読み取り方法につ
いて説明すると、１番目のブロック選択用のバイアス信
号ＶB(1)がｔG の期間オン（本実施例では＋５Ｖ、但
し、フォトダイオードＰＤとブロッキングダイオードＢ
Ｄの向きによっては−５Ｖでもよい）になると、１番目
のブロック内の全ての画素（本実施例では６４画素）に
それ以前の光照射によって失われた電荷に相当する電荷
の移動がブロッキングダイオードＢＤを介して起こり、
ブロック内の全ての画素のＶC(1)をほぼＶB(1)までつり
上げ、各データ・ラインの負荷容量ＣL のも電荷が移動
し、ＶO(1)という電位が負荷容量ＣL に発生する（図
４、図８参照）。

【００５８】次に、ＶB(1)がオフ（本実施例では０Ｖ）
になると、ブロック内の全ての画素でフォトダイオード
ＰＤとブロッキングダイオードＢＤとの間に電荷の再分
配が起こり、ＶC(1)がほぼＶB(1)／２＝ＶCinit(1)（厳
密には、リセットオン時にこの電位は多少変動するが、
負荷容量ＣL がブロッキングダイオードＢＤ及びフォト
ダイオードＰＤの寄生容量より十分に大きければ問題は
ない）となり、この時、中点電位ＶC(1)は蓄積開始電位
となり、光照射によってこの電位が下がっていく。

【００５９】そして、負荷容量ＣL には光照射に比例し
た電荷が残り、ＶO(1)が生じる（図５、図９参照）。こ
のｔR の期間内の任意のタイミング（Ｓ１）でブロック
内の全ての画素のＶO(1)を同時にＡＭＵＸの読取回路内
に取り込まれ、このＶO(1)をサンプリング後にReset(1)
がｔr 期間中にオンとなり、ブロック内の全ての画素の
負荷容量ＣL をリセットする（図６、図１０参照）。こ
のリセットタイミングは、次のブロックを選択する直前
まで任意に決めてもよい。

【００６０】更に、本実施例では、読取回路内で高倍率
で信号（ＶO(1)）を増幅してもオフセットが増加しない
ように、リセット後に再びサンプリング（Ｓ２）し、各
画素毎に読取回路内でオフセット補正を行うものであ
る。従って、本実施例では、読取回路内でマルチプレク
スした後の各画素の出力ＶCOM は、ＶCOM ＝Ｇ×（Ｓ１
−Ｓ２）となる。ここで、Ｇは読取回路内の総増幅率で
ある。

【００６１】画像信号の読み出しは、ｔG ＋ｔR ＋ｔr
の時間で終了するが、次のブロックの選択タイミングは
読取回路内でのマルチプレクスする時間も考慮して決め
られる。本実施例では、この周期を６４Ｃk 分としてい
る。

【００６２】以上、本実施例においては、ＣPD＝ＣBD、
ＩPD＝ＩBDという前程で説明したが、実際に原稿を読ん
でいる状態では、フォトダイオードＰＤ、ブロッキング
ダイオードＢＤに同じだけの光量が当たるとは限らない
が、この場合は１画素内の領域にフォトダイオードＰＤ
とブロッキングダイオードＢＤが作られているので、そ
の影響は小さく、ＦＡＸ等への応用には十分である。し
かしながら、両ダイオードに同じだけの光量が当たらな
い状態は現実には起こり得るので、この影響について以
下に説明する。

【００６３】図７で、もしＩPD≠ＩBDであれば、ＴS 時
間後ｑPD≠ｑBDとなり、ｖPD≠ｖBD、ｄＶ＝ｖPD−ｖBD
≠０となる。この電位差をなくすようにリーク電流Ｉle
akが流れるので、読み出し時以外にも、負荷容量ＣL と
容量ＣN の比に応じて電荷が流れ込み、他ブロックを読
み出す際のノイズとなる。このノイズ量も考慮し、設計
段階において負荷容量ＣL を最適化すれば、受光量に対
応した電荷を読み出すことができる。

【００６４】本実施例における受光素子部分は、図２に
おいて、上下対称となるようにオーミックコンタクト層
３、光導電層４、透明電極５が形成されているが、別の
実施例として、アルミニウムの配線７のパターンずれが
発生する場合を考慮して、図１２の平面説明図及び図１
２のＢ−Ｂ′部分の断面説明図である図１３に示すよう
に、特に図１２において左右対称となるように金属電極
２上にオーミックコンタクト層３、光導電層４、透明電
極５を形成することも考えられる。

【００６５】また、１画素分にフォトダイオードＰＤ、
ブロッキングダイオードＢＤを入れるとフォトダイオー
ドＰＤの面積は、ブロッキングダイオードＢＤを用いな
い場合に比べ、感度が半分となるので、この改善策とし
ての別の実施例を、図１４の平面説明図及び図１４のＣ
−Ｃ′部分の断面説明図である図１５に示すように、フ
ォトダイオードの面積ＳPD＞ブロッキングダイオードの
面積ＳBDとすることも考えられる。

【００６６】本実施例のイメージセンサ及びその読み取
り方法によれば、同一データライン上の他の画素に影響
したり、または影響されることなく、画素の電荷に応じ
た電位を出力線の電位として読み出すようにしているの
で、電流値を読み出す従来の回路と比較して読み出しの
回路を簡易にすることができる効果がある。

【００６７】また、画素の電荷を受光素子のブロック単
位で共通信号線の負荷容量ＣL に転送蓄積し、ブロック
単位に共通信号線の電位を順次読み取る方法としている
ので、ブロック単位の読み取りが容易にできる効果があ
る。

【００６８】更に、本実施例のイメージセンサに本実施
例の読取回路を設けた画像読取装置によれば、ブロック
単位に読み取った電圧値を読取回路で増幅し、更にオフ
セット補正を行って順次画像信号として時系列的に出力
できるので、正確な出力が得られ、その後の画像信号処
理を容易にすることができる効果がある。

【００６９】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、フォトダ
イオードとブロッキングダイオードから成る受光素子を
複数個配列して１ブロックとし、複数ブロックをアレイ
状に形成して受光素子アレイとし、ブロッキングダイオ
ードにはバイアス電圧を印加するシフトレジスタが接続
され、フォトダイオードからの配線はブロック内の受光
素子数に対応する共通信号線に接続し、各共通信号線は
それぞれ負荷容量を有する構成のイメージセンサとして
いるので、照射されて流れた光電流によって放電減少し
た電荷分に対応した電荷分を負荷容量に転送蓄積して形
成された共通信号線の電圧値をブロック単位に読み取る
ことができ、変化した電流値を読み取るよりも読取回路
を簡単にすることができ、更にブロック単位の読み取り
容易に行うことができる効果がある。

【００７０】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載のイメージセンサにおいて、フォトダイオードとブロ
ッキングダイオードの容量に比例して電荷を分配し、受
光素子にて照射されて照射光量に応じた光電流が流れて
フォトダイオードとブロッキングダイオードで放電減少
した電荷分に対応する電荷分をシフトレジスタからのバ
イアス電圧をオンして負荷容量に転送を行い、負荷容量
への転送によって生じた共通信号線の電圧値を読み取る
イメージセンサの読み取り方法としているので、照射さ
れて流れた光電流によって放電減少した電荷分に対応す
る電荷分を負荷容量へ転送して形成された共通信号線の
電圧値を読み取ることができ、変化した電流値を読み取
るよりも読取回路を簡単にすることができ、更にブロッ
ク単位の読み取りも容易に行うことができる効果があ
る。

【００７１】請求項３記載の発明によれば、請求項１記
載のイメージセンサにおいて、フォトダイオードとブロ
ッキングダイオードの容量に比例して電荷を分配し、受
光素子にて照射されて照射光量に応じた光電流が流れて
フォトダイオードとブロッキングダイオードで放電減少
した電荷分に対応する電荷分をシフトレジスタからのバ
イアス電圧をオンして負荷容量に転送を行い、バイアス
電圧をオフして光電流により失われた電荷分に比例した
電荷分を負荷容量へ残留させて共通信号線の電圧値を読
み取るイメージセンサの読み取り方法としているので、
照射されて流れた光電流によって放電減少した電荷分に
対応した電荷分を負荷容量に残留させて形成された共通
信号線の電圧値を読み取ることができ、変化した電流値
を読み取るよりも読取回路を簡単にすることができ、更
にブロック単位の読み取り容易に行うことができる効果
がある。

【００７２】請求項４記載の発明によれば、請求項１記
載のイメージセンサに、共通信号線の電位をリセット
し、共通信号線の電位を増幅し、増幅した電位を時系列
に出力線に出力する読取回路を設けた画像読取装置とし
ているので、請求項１記載のイメージセンサでブロック
単位に読み取った電圧値を読取回路で増幅して順次画像
信号として時系列的に出力することができる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る密着型イメージセン
サの等価回路説明図である。

【図２】 本実施例のイメージセンサの受光素子部分の
平面説明図である。

【図３】 図２のＡ−Ａ′部分の断面説明図である。

【図４】 本実施例の動作のプロセスを説明する回路図
である。

【図５】 本実施例の動作のプロセスを説明する回路図
である。

【図６】 本実施例の動作のプロセスを説明する回路図
である。

【図７】 本実施例の動作のプロセスを説明する回路図
である。

【図８】 本実施例の動作のプロセスを説明する回路図
である。

【図９】 本実施例の動作のプロセスを説明する回路図
である。

【図１０】 本実施例の動作のプロセスを説明する回路
図である。

【図１１】 本実施例の読み取りタイミングチャート図
である。

【図１２】 別の実施例の受光素子部分の平面説明図で
ある。

【図１３】 図１２のＢ−Ｂ′部分の断面説明図であ
る。

【図１４】 感度増加対策の受光素子部分の平面説明図
である。

【図１５】 図１４のＣ−Ｃ′部分の断面説明図であ
る。

【図１６】 ＡＭＵＸの概略構成回路図である。

【図１７】 従来のイメージセンサの受光素子部分の平
面説明図である。

【図１８】 図１７の断面説明図である。

【図１９】 従来のイメージセンサの等価回路図であ
る。

【符号の説明】

１…基板、 ２…金属電極、 ３…オ−ミックコンタク
ト層、 ４…光導電層、 ５…透明電極、 ６…絶縁
層、 ７…配線、 ８…コンタクト孔、 １１…第１の
スイッチ、 １２…第１の増幅器、 １３…第２のスイ
ッチ、 １４…第１の容量、 １５…第２の増幅器、
１６…第３のスイッチ、 １７…第２の容量、 １８…
第３の増幅器、 １９…第４のスイッチ、 ２０…電圧
フォロワ、ＰＤ…フォトダイオード、 ＢＤ…ブロッキ
ングダイオード、 ＣPD…フォトダイオードの容量、
ＣBD…ブロッキングダイオードの容量、 ＣL …負荷容
量、 ＣN …容量、 ＶO …出力線の電圧

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２個のダイオードを極性を逆向きに直列
   に接続し、一方をフォトダイオード、他方をブロッキン
   グダイオードとする受光素子を複数個ライン状に並べて
   １ブロックとして複数ブロックをライン状に並べて形成
   した受光素子アレイと、前記受光素子のフォトダイオー
   ドの端部から導き出された配線がブロック単位に順次接
   続する共通信号線と、前記受光素子のブロッキングダイ
   オードの端部にブロック単位で読み出しパルスを印加す
   るシフトレジスタと、前記各共通信号線に形成された負
   荷容量とを有することを特徴とするイメージセンサ。
2. 【請求項２】 フォトダイオードとブロッキングダイオ
   ードの容量に比例して電荷を分配し、受光素子にて照射
   されて照射光量に応じた光電流が流れて前記フォトダイ
   オードと前記ブロッキングダイオードで放電減少した電
   荷分に対応する電荷分をシフトレジスタからのバイアス
   電圧をオンすることで負荷容量に転送を行い、前記負荷
   容量への転送によって生じた共通信号線の電圧値を読み
   取ることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサの
   読み取り方法。
3. 【請求項３】 フォトダイオードとブロッキングダイオ
   ードの容量に比例して電荷を分配し、受光素子にて照射
   されて照射光量に応じた光電流が流れて前記フォトダイ
   オードと前記ブロッキングダイオードで放電減少した電
   荷分に対応する電荷分をシフトレジスタからのバイアス
   電圧をオンすることで負荷容量に転送を行い、前記バイ
   アス電圧をオフして前記光電流により失われた電荷分に
   比例した電荷分を前記負荷容量へ残留させて共通信号線
   の電圧値を読み取ることを特徴とする請求項１記載のイ
   メージセンサの読み取り方法。
4. 【請求項４】 各共通信号線の電位のリセットと前記電
   位の増幅を行い、時系列に前記増幅された電位を出力線
   に出力する読取回路と、請求項１記載のイメージセンサ
   と、を有することを特徴とする画像読取装置。