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JPH06284342A - イメージセンサとその駆動方法 - Google Patents

イメージセンサとその駆動方法

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Publication number
JPH06284342A
JPH06284342A JP5066367A JP6636793A JPH06284342A JP H06284342 A JPH06284342 A JP H06284342A JP 5066367 A JP5066367 A JP 5066367A JP 6636793 A JP6636793 A JP 6636793A JP H06284342 A JPH06284342 A JP H06284342A
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JP
Japan
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voltage
signal
amplifier
photosensitive element
image sensor
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JP5066367A
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Fujio Okumura
藤男 奥村
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Priority to US08/215,719 priority patent/US5479208A/en
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Publication of JPH0767152B2 publication Critical patent/JPH0767152B2/ja
Priority to US08/511,444 priority patent/US5708471A/en
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電荷蓄積型イメージセンサの増幅器の特性ば
らつき、温度変化,経時変化の影響を除去し、S/Nを
向上させる。 【構成】 感光素子1からの光信号を増幅器5で読み取
り、これをサンプルホールド回路7で保持する。次に可
変電源4から増幅器5に電圧を与え、これを変化させて
先に保持した信号との比較をコンパレータ8で行い、両
方の値が一致した点の可変電源の電圧を真の読取値とす
ることにより、増幅器5の特性がどんなにばらついて
も、常に正しい値を検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電界効果型トランジスタ
をスイッチング素子とする単一,1次元,2次元のイメ
ージセンサとその駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、イメージセンサは電荷結合素子と
フォトダイオードで構成される、いわゆるCCDと呼ば
れるものと、MOS型の電界効果トランジスタとフォト
ダイオードで構成される、いわゆるMOS型と呼ばれる
ものに大別される。本発明はこのMOS型のイメージセ
ンサに関するものである。
【0003】MOS型のイメージセンサは一般に電荷蓄
積型の動作を行う。図8はその基本回路を示している。
図において41はフォトダイオードやフォトコンダクタ
等の感光素子、42はバイアス電源、43,44はMO
S型トランジスタからなるスイッチで、トランジスタ4
3は素子選択用、トランジスタ44はリセット用であ
る。また、45,46はそれぞれのゲート端子、47は
増幅器、48は出力端子を示している。この場合、基本
動作はスイッチ43がなくても行えるが、一般の1次
元,2次元センサの構成がこのようになっているので、
この図で説明する。
【0004】電荷蓄積型ではまずスイッチ43,44が
オン状態になり、感光素子41の等価容量に電荷を蓄積
する。この時、感光素子41の両端の電圧はバイアス電
源42の電圧に等しくなる。その後、スイッチ43,4
4がオフになると感光素子41は回路から切り離された
状態となる。その状態で感光素子41に光が当たると光
電流が流れ先に充電した電荷を消去する。消去される電
荷量は光量に依存する。従って、感光素子41の電圧は
光量によって変動する。一定期間(この期間を蓄積時間
と呼ぶ)光を当てた後、スイッチ43をオンにすれば増
幅器47で感光素子41の電圧を読むことができる。こ
れが増幅されて出力端子48に出ることになる。この
後、スイッチ44を再びオンにして上記の動作を繰り返
す。
【0005】以上は単体のイメージセンサの例である
が、1次元,2次元の場合もスイッチ43がマトリクス
状になるだけで基本的には同じである。また、場合によ
っては特開昭60−69969号公報や特開昭60−6
9968号公報等に開示されているようにスイッチ43
と増幅器47の位置が入れ代わったものもある。
【0006】また、これらのMOS型トランジスタや増
幅器,感光素子は単結晶シリコンのみでなく、近年では
多結晶シリコンや非晶質シリコン等からなる薄膜トラン
ジスタをスイッチや増幅器に用いたものや、感光素子と
して非晶質シリコンを用いたものがよく用いられるよう
になってきている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来型のイメージセン
サには雑音に関して大きな問題点がある。一般に、イメ
ージセンサの光信号は非常に小さい。例えば、ファクシ
ミリ用の密着型1次元イメージセンサにおいて解像度が
16本/mm、1ライン当たりの蓄積時間が1m秒、セ
ンサ面上の照度を100ルクスとした場合、1つのセン
サ素子で得られる光による電荷はせいぜい0.15pC
である。基本回路上の容量が数pFであるとすれば信号
電圧はわずか数十mV程度ということになる。これは図
8において増幅器47が素子の極近傍に設けられた場合
のことであって、複数の素子あるいはすべての素子の増
幅用に離れたところに形成された場合には容量が増加す
るため電圧はさらに小さくなる。
【0008】信号が小さいために増幅器が設けられてい
るわけであるが、増幅器への入力信号が小さい場合、増
幅器の入力オフセットが無視できなくなってくる。一般
の演算増幅器の入力オフセットは1〜数mVのオーダで
あり、その変動量も大体同じオーダが見込まれる。信号
電圧が最大でも数十mVであるとすると、条件の良い場
合でもS/Nは2桁とれないことになる。2値の場合な
らともかく、中間調を出すには不十分である。
【0009】増幅器が単一で、全ての素子の信号検出を
行っている場合は入力オフセットの影響を免れると認識
されがちであるが、これは正しくない。上述したように
増幅器に至るまでの寄生容量による容量増加で光信号そ
のものが小さくなってS/Nを劣化させることと、温度
変化や経時変化の影響からは逃れられない。また、各素
子に増幅器がついた形のものでは容量を小さく抑えられ
るため信号量は大きくとれるが、各増幅器の入力オフセ
ットのばらつきの影響が無視できない。これらも温度,
経時変化の影響を受ける。特に薄膜トランジスタを用い
て増幅器を構成した場合、薄膜トランジスタの特性ばら
つきが単結晶トランジスタよりもかなり大きいため増幅
器としての特性ばらつきも大きくなる。
【0010】さらに、2次元イメージセンサや1次元イ
メージセンサでもマトリクス駆動を行う場合、単に増幅
器の問題だけでなく配線間の寄生容量による信号のクロ
ストークが問題となる。このように色々な要素がS/N
の低下を招くことになる。
【0011】本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除
去せしめ、増幅器の入力オフセットや増幅率のばらつ
き、温度変化,経時変化等の影響を受けず、高いS/N
を有するイメージセンサとその駆動方法を提供すること
にある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明のイメージセンサ
は、一方の端子が一定の電位に接続された感光素子と、
この感光素子の他方の端子に一方の端子が接続されたア
ナログスイッチと、前記感光素子の他方の端子に入力端
子が接続された増幅器と、前記アナログスイッチの他方
の端子に接続された可変電源と、前記増幅器の出力端子
に接続され、前記増幅器からの信号を保持し、保持され
た信号と、前記増幅器から出力される信号とを比較する
信号検出回路と、を備え、一定期間前記感光素子で発生
する光電荷を蓄積し、これを電圧の変化として読み取る
ことを特徴とする。
【0013】本発明のイメージセンサの駆動方法は、前
記アナログスイッチをオンにして前記可変電源から前記
感光素子に電圧を加えることによって前記感光素子に電
荷を充電し、次に前記アナログスイッチをオフにして一
定期間前記感光素子で発生する光電荷を感光素子に蓄積
し、蓄積された後の電圧を前記増幅器で読み取り、これ
を一旦前記信号検出回路に保持し、次に再度前記アナロ
グスイッチをオンにし前記可変電源により少なくとも前
記感光素子の最大電圧変動以上の振幅の電圧を加え、こ
の時の前記増幅器の出力と先に保持した信号とを比較
し、これが同一となる点をもって真の信号として読み取
り、前記アナログスイッチがオフする直前の前記可変電
源の電圧を前記感光素子への充電電圧とすることを特徴
とする。
【0014】また本発明のイメージセンサの駆動方法
は、前記アナログスイッチをオンにし、前記可変電源か
ら所定の電圧変化を前記増幅器に与え、この可変電源か
らの電圧に対する前記増幅器の出力を前記信号検出回路
に保持しておき、実際の読み取り動作では前記アナログ
スイッチをオンにして前記可変電源から一定電位を前記
感光素子に与えて電荷を充電し、前記アナログスイッチ
をオフにした後一定期間光電荷を前記感光素子に蓄積
し、これを前記増幅器で読み取る動作を行い、この読み
取り値と先に保持した値とを比較して真の信号として読
み取ることを特徴とする。
【0015】
【実施例】本発明の実施例について説明する。図1に本
発明の一実施例であるイメージセンサの基本構成を示
す。このイメージセンサは、フォトダイオードやフォト
コンダクタ等の感光素子1と、MOS型のトランジスタ
やMOSあるいはMIS型(金属/絶縁膜/半導体構
造)の薄膜トランジスタ等からなるアナログスイッチ2
と、アナログスイッチのゲート電極3と、参照電圧発生
器4と、増幅器5と、信号検出回路6とから構成されて
いる。
【0016】従来構造とのもっとも大きな差異は参照電
圧発生器4の有無である。図8に示したように、従来例
ではこれが単なる接地電位であり、バイアス電圧は別途
電源によって与えられている。本発明においては、参照
電圧発生器4がバイアス電圧を与えるとともに、増幅器
5の較正をも行う。
【0017】まず、このイメージセンサの駆動方法につ
いて説明する。図2はイメージセンサの駆動回路の一例
を示している。図において1〜5までは上述したとおり
であり、信号検出回路6は、サンプルホールド回路7
と、コンパレータ8と、信号変換器9とで形成されてい
る。10は信号出力端子である。また、図中(A)〜
(E)のシンボルは、図3に示すタイミングチャートに
対応している。
【0018】動作の説明は、従来型のイメージセンサと
同様に感光素子1に電圧がかけられて電荷が充電され、
これが蓄積時間中の光電荷によって減じられたところか
らはじめる。この状態で増幅器5は光信号を出力してい
る。このときサンプルホールド回路7に図3(B)に示
すようにサンプルパルスが加えられると、サンプルホー
ルド回路7は、この信号電圧を保持する。次に図3
(A)に示すようにアナログスイッチ3のゲート電極3
にパルスを加えると、アナログスイッチ2はオン状態と
なり、図3(C)に示す参照電圧発生器4からの参照電
圧を増幅器5に加えることになる。これを感光素子1の
最大の電圧変化以上の幅に触れるように設計しておけ
ば、参照電圧は必ず信号電圧と同じ電位を通過すること
になる。この参照電圧を増幅器5で増幅したものと、先
にサンプルホールド回路7で保持した電圧がコンパレー
タ8で比較され、コンパレータの出力は図3(E)に示
すように参照電圧と感光素子の信号電圧が一致したとこ
ろで反転する。従って、このコンパレータの出力が反転
した時の参照電圧を知れば実際の感光素子の電圧を知る
ことができるわけである。信号変換器9の役目はコンパ
レータの変化を関知してその時の参照電圧を出力するこ
とである。さらに、アナログスイッチ2がオンしている
期間の参照電圧の最後の電圧が感光素子に加えるバイア
ス電圧となり、電荷蓄積型の動作を繰り返すことにな
る。
【0019】図3では2回分の信号読み取りを示してい
る。(D)でG点のように大きな光信号に対してはコン
パレータ8の出力はT1で示すように短い時間で反転
し、中程度の光信号H点に対してはT2のように中程度
の時間で反転する。全く光が入射しなかった場合、反転
する時間は最も長くなり、ほぼ(A)に示したパルス幅
Tに一致する。
【0020】ここで注意が必要なのは参照電圧の電圧波
形である。参照電圧に求められるものは電圧変化が感光
素子の電圧変化以上である点と、最終の電圧がバイアス
電圧になることだけであり、図に示したランプ波形であ
る必要はない。例えば2次関数的に増加するものや、指
数関数的に増加するもの、あるいは逆にある電圧からい
ったん減少してバイアス電圧に戻るものであってもかま
わないということである。
【0021】図2の参照電圧発生器4と信号変換器9の
動作について、図4で実現方法の一例を示して補足す
る。図において中央の斜線は参照電圧の変化を示してい
る。この場合、ランプ電圧発生器を参照電圧発生器4と
して用い、信号変換器9はコンパレータ8の反転を検知
して、その時の参照電圧をそのまま信号出力端子10に
出すもので良い。従って、信号はアナログ量である。
【0022】信号をデジタルにするにも幾つか方法があ
る。参照電圧発生器4に同様なランプ電圧発生器を用い
た場合で、ランプ電圧が時間に対して線形であれば、カ
ウンタを設けておき、コンパレータ8の反転時にカウン
タの値を信号としても良い。あるいはD/Aコンバータ
を参照電圧発生器4として用いて電圧を階段状に発生さ
せ、コンパレータ8の反転時のD/Aコンバータへの入
力信号を読みとってもよい。
【0023】以上説明したように、本発明においては参
照電圧を使って、感光素子への電荷の充電と、増幅器の
較正を行う。ただし、較正といっても必ずしも増幅器の
入出力の関係をメモリする必要はない。上記説明のよう
に参照電圧と信号電圧が一致する点のみを検出できれば
良いからである。従って、増幅器は線形である必要はな
いし、たとえ温度変化や経時変化で変動してもまったく
問題ない。また、1次元,2次元イメージセンサで複数
の増幅器を使う場合に、各増幅器の入力オフセットや増
幅率等の特性がばらついても、支障なく正確な読み取り
が可能である。本発明の利点はこのような変動要素に対
し強いということである。
【0024】また、上記実施例は特にアナログ回路で構
成されているが、これらはほとんどデジタル回路で置き
換えることもできる。サンプルホールド回路はA/Dコ
ンバータとラッチ回路で、コンパレータはロジックで構
成される比較器で置き換えられる。信号変換器がデジタ
ル化できることは上述した通りである。
【0025】次に、イメージセンサの駆動方法の他の実
施例について説明する。図5において1〜5は図1と同
じで、信号検出回路6は、A/Dコンバータ11と、信
号変換器12とから構成されている。13は信号出力端
子である。信号変換器12は前記実施例と異なり、メモ
リとロジックから構成されている。この例では最初に参
照電圧発生器4で参照電圧を発生し、これに対応した増
幅器5の出力をA/Dコンバータ11でデジタル化し、
信号変換器12中のメモリに記録しておく。次に、読み
取り動作のとき、読み取り値とこのメモリデータを比較
し出力を算出する。この方法の利点は、毎回参照動作を
行う必要が無いため読み取りを高速化できるということ
である。参照動作によるメモリへの書き込みはイメージ
ングの直前や温度変化を検知するなどして行えば良い。
【0026】次に、1次元イメージセンサに応用した実
施例を図6を使って説明する。図において1〜4は上述
した通りである。5は増幅器であるが、この例の場合は
1つのトランジスタを増幅器として使っている。これ
は、感光素子1の電圧変化をトランジスタ5のゲートに
加え、その電圧に対するドレイン電流を読むものであ
る。従って、入力電圧に対するドレイン電流は非線形と
なる。また、15は各基本素子をスイッチングする素子
選択用スイッチ、16は信号線、17はトランジスタか
らなる増幅器5を動作点にバイアスするための負側のバ
イアス電圧、18は素子選択用信号線、19は参照電圧
制御用AND回路、20は参照電圧制御信号線、21は
シフトレジスタ、22は正側のバイアス電源、23は増
幅器、24は参照電圧のオン・オフを制御する制御回路
である。
【0027】1次元の走査は素子選択用信号線18を次
々にシフトレジスタでオンにすることによって行われ
る。また、制御回路24からAND回路19をアクティ
ブにする信号を送ることによって参照電圧を素子に加え
ることができる。なお、増幅器23の出力は先に図2,
図5で示したような信号検出回路が設けられ、同様な方
法で読み取られる。
【0028】ここで強調しておきたいことは、本実施例
では増幅器5と増幅器23をトータルで補正することが
でき、これら全ての増幅器の変動やばらつきによる影響
を除去できることである。また、増幅器5が単体のトラ
ンジスタで構成でき、しかもばらつきが問題とならない
ことから、この例では薄膜トランジスタを採用すること
が可能である。薄膜トランジスタの利点はデバイスの高
密度,コンパクト,低コスト化がなされるということで
あり、実用上非常に有利である。
【0029】最後に、1次元イメージセンサにおいてマ
トリクス型の読み取りを行う場合について図7を用いて
説明する。図において、1〜5は上述した通りである。
25は全体をいくつかのブロックに分けブロック毎にま
とめてスイッチングするようにブロック選択用信号線2
6でゲートを共通化したブロック選択用スイッチ、19
は参照電圧制御用AND回路、27は参照電圧制御信
号、28は信号線、29は増幅器、30は信号変換器、
31はパラレル/シリアル変換器、32はシフトレジス
タである。
【0030】この実施例においては、1つのブロックの
素子はまとめてスイッチングされ、信号はブロック毎に
読み取られる。従って、参照電圧もブロック毎に加えら
れ、信号変換もブロック毎に行われる。その後、パラレ
ル/シリアル変換器31で信号をシリアル信号に変換し
て出力する。基本的にこのようなマトリクス状の構成は
2次元イメージセンサと同一であり、容易に2次元に拡
張され、2次元センサでも本発明のイメージセンサは適
用可能である。また、このようなマトリクス状の構造で
は従来例で説明したように配線間のクロストークが問題
となるが、本発明によれば増幅器を簡単な構成で作成で
きるためセンサ素子毎に増幅器を設けることができ、ク
ロストークに対しても強くなる。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば増
幅器の入力オフセットや増幅率のばらつき、それらの温
度,経時変化を簡単に補正でき、S/Nの高いイメージ
センサを実現できる。実際、本発明のイメージセンサと
従来型のイメージセンサを比較してみたところ、例えば
1次元の密着型イメージセンサでは、従来型ではS/N
が10:1であったものを100:1以上に引き上げる
ことができた。また、これらを同一環境下におき、温度
を60℃まで上げたところ従来型ではS/Nが4〜5:
1に減少したが、本発明のイメージセンサはほぼ10
0:1以上を維持した。
【0032】さらに、図6に示した回路を多結晶シリコ
ン薄膜トランジスタと非晶質シリコンのフォトダイオー
ドで形成したところ、多結晶シリコン薄膜トランジスタ
のしきい値電圧のばらつきが±1Vもあったにもかかわ
らず、S/Nとして100:1以上の値を得ることがで
きた。このように、本発明のイメージセンサとその駆動
方法を用いれば、すべての変動要素に対して非常に安定
な出力を得ることができるイメージセンサを実現でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のイメージセンサの基本回路構成図であ
る。
【図2】本発明のイメージセンサの一実施例を示す図で
ある。
【図3】本発明の駆動方法のタイミングチャートを示す
図である。
【図4】本発明の駆動方法の説明図である。
【図5】本発明のイメージセンサの一実施例を示す図で
ある。
【図6】本発明のイメージセンサの一実施例を示す図で
ある。
【図7】本発明のイメージセンサの一実施例を示す図で
ある。
【図8】従来型イメージセンサの基本構成図である。
【符号の説明】
1 感光素子 2 アナログスイッチ 3 アナログスイッチのゲート電極 4 参照電圧発生器 5 増幅器 6 信号検出回路 7 サンプルホールド回路 8 コンパレータ 9 信号変換器 10 信号出力端子 11 A/Dコンバータ 12 信号変換器 13 信号出力端子 15 素子選択用スイッチ 16 信号線 17 負側バイアス電源 18 素子選択用信号線 19 参照電圧制御用AND回路 20,27 参照電圧制御信号線 21 シフトレジスタ 22 正側バイアス電源 23 増幅器 24 制御回路 25 ブロック選択用スイッチ 26 ブロック選択用信号線 28 信号線 29 増幅器 30 信号変換器 31 パラレル/シリアル変換器 32 シフトレジスタ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一方の端子が一定の電位に接続された感光
    素子と、 この感光素子の他方の端子に一方の端子が接続されたア
    ナログスイッチと、 前記感光素子の他方の端子に入力端子が接続された増幅
    器と、 前記アナログスイッチの他方の端子に接続された可変電
    源と、 前記増幅器の出力端子に接続され、前記増幅器からの信
    号を保持し、保持された信号と、前記増幅器から出力さ
    れる信号とを比較する信号検出回路と、 を備え、一定期間前記感光素子で発生する光電荷を蓄積
    し、これを電圧の変化として読み取ることを特徴とする
    電荷蓄積型のイメージセンサ。
  2. 【請求項2】前記信号検出回路を、前記増幅器からの信
    号を保持するサンプルホールド回路と、このサンプルホ
    ールド回路で保持された信号と、前記増幅器から出力さ
    れる信号とを比較するコンパレータとで構成することを
    特徴とする請求項1記載のイメージセンサ。
  3. 【請求項3】前記信号検出回路を、前記増幅器からの信
    号をデジタル化するA/Dコンバータと、このA/Dコ
    ンバータからの信号を保持するメモリと、このメモリで
    保持された信号と、前記A/Dコンバータから出力され
    る信号とを比較する論理回路とで構成することを特徴と
    する請求項1記載のイメージセンサ。
  4. 【請求項4】請求項1,2または3記載のイメージセン
    サの駆動方法において、 前記アナログスイッチをオンにして前記可変電源から前
    記感光素子に電圧を加えることによって前記感光素子に
    電荷を充電し、次に前記アナログスイッチをオフにして
    一定期間前記感光素子で発生する光電荷を感光素子に蓄
    積し、蓄積された後の電圧を前記増幅器で読み取り、こ
    れを一旦前記信号検出回路に保持し、次に再度前記アナ
    ログスイッチをオンにし前記可変電源により少なくとも
    前記感光素子の最大電圧変動以上の振幅の電圧を加え、
    この時の前記増幅器の出力と先に保持した信号とを比較
    し、これが同一となる点をもって真の信号として読み取
    り、前記アナログスイッチがオフする直前の前記可変電
    源の電圧を前記感光素子への充電電圧とすることを特徴
    とするイメージセンサの駆動方法。
  5. 【請求項5】請求項1,2または3記載のイメージセン
    サの駆動方法において、 前記アナログスイッチをオンにし、前記可変電源から所
    定の電圧変化を前記増幅器に与え、この可変電源からの
    電圧に対する前記増幅器の出力を前記信号検出回路に保
    持しておき、実際の読み取り動作では前記アナログスイ
    ッチをオンにして前記可変電源から一定電位を前記感光
    素子に与えて電荷を充電し、前記アナログスイッチをオ
    フにした後一定期間光電荷を前記感光素子に蓄積し、こ
    れを前記増幅器で読み取る動作を行い、この読み取り値
    と先に保持した値とを比較して真の信号として読み取る
    ことを特徴とするイメージセンサの駆動方法。
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