JP3713701B2

JP3713701B2 - フォトセンサ装置及びその駆動制御方法

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Publication number: JP3713701B2
Application number: JP37053399A
Authority: JP
Inventors: 靖雄腰塚; 善亮中村
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2019-12-27
Also published as: JP2001185712A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトセンサ装置及びその駆動制御方法に関し、特に、いわゆる、ダブルゲート構造を有する薄膜トランジスタを２次元配列して構成されるフォトセンサアレイを備えた画像読取装置に適用して良好なフォトセンサ装置及びその駆動制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、印刷物や写真、あるいは、指紋等の微細な凹凸の形状等を読み取る２次元画像の読取装置として、光電変換素子（フォトセンサ）をマトリクス状に配列して構成されるフォトセンサアレイを有する構造のものがある。このようなフォトセンサアレイとして、一般に、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の固体撮像デバイスが用いられている。
ＣＣＤは、周知の通り、フォトダイオードや薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）等のフォトセンサをマトリクス状に配列した構成を有し、各フォトセンサの受光部に照射された光量に対応して発生する電子−正孔対の電荷量を、水平走査回路及び垂直走査回路により検出し、照射光の輝度を検知している。
【０００３】
このようなＣＣＤを用いたフォトセンサシステムにおいては、走査された各フォトセンサを選択状態にするための選択トランジスタを個別に設ける必要があるため、画素数が増大するにしたがって、システム自体が大型化するという問題を有している。
そこで、近年、このような問題を解決するための構成として、フォトセンサ自体にフォトセンス機能と選択トランジスタ機能とを持たせた、いわゆる、ダブルゲート構造を有する薄膜トランジスタ（以下、ダブルゲート型フォトセンサという）を画像読取装置に適用して、システムの小型化、及び、画素の高密度化を図る試みがなされている。
【０００４】
このようなフォトセンサを用いた画像読取装置は、概略、ガラス基板上にトップゲート電極及びボトムゲート電極を備えたダブルゲート型フォトセンサをマトリクス状に形成して、フォトセンサアレイを構成し、例えば、ガラス基板の背面側から照射光を入射して、フォトセンサアレイの上方に載置された２次元画像の画像パターンに応じた反射光を、ダブルゲート型フォトセンサにより明暗情報として検出し、２次元画像を読み取るものである。
ここで、フォトセンサアレイによる画像の読み取り動作は、リセットパルスの印加による初期化終了時から読み出しパルスが印加されるまでの光蓄積期間において、各ダブルゲート型フォトセンサ毎に蓄積されるキャリヤ（正孔）の蓄積量に基づいて、明暗情報が検出される。なお、ダブルゲート型トランジスタ、及び、フォトセンサアレイの具体的な構成及び動作については、後述する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようなダブルゲート型フォトセンサを適用したフォトセンサシステムにおいては、以下に示すような問題を有していた。
すなわち、ダブルゲート型フォトセンサを適用したセンサシステムにおいては、光蓄積期間におけるフォトセンサ毎のキャリヤ（正孔）の蓄積量に基づいて、画像の読み取りが行われるので、種々の環境下で被写体画像（２次元画像）を良好に読み取るためには、上記光蓄積期間（すなわち、読取感度に相当する）を適切に設定する必要がある。
特に、光蓄積期間は、環境照度等の周囲の条件に依存して異なるため、従来においては、環境照度を検出するための回路を別個に設けたり、正規のスキャン動作を開始する前に標準試料等を用いて、光蓄積期間を複数段階に変えて読み取り動作（いわゆる、事前読出動作）を行い、その検出結果や読取結果に基づいて、環境照度に応じた光蓄積期間の最適値を求める手法を採用していた。
【０００６】
一方、上述したような従来技術に係るフォトセンサシステムにおいては、ダブルゲート型フォトセンサのトップゲート及びボトムゲートの各々に、非常に短い期間のみ、例えば、正電圧のリセットパルス及び読み出しパルスを印加し、リセットパルス及び読み出しパルスが印加されていない期間においては、これらのパルスとは逆の極性の信号電圧（負電圧）、又は、０Ｖ（ＧＮＤレベル）を印加する駆動制御方法が適用されていたため、トップゲート及びボトムゲートに印加される電圧波形は、０Ｖ（ＧＮＤレベル）に対して対称ではなく、実効電圧が、例えば、ローレベル（負電圧）側に大きく偏っていた。
【０００７】
ここで、ダブルゲート型フォトセンサに光が照射された状態において、このような偏った実効電圧が各ゲートに印加され続けると、各ゲートに正孔あるいは電子がトラップされる等の現象が発生して、ダブルゲート型フォトセンサの素子特性が劣化し、感度特性が変化するという問題を有している。そのため、実効電圧を最適値に調整制御する必要がある。
ところが、上述したような事前読出動作により、環境照度に応じて、その都度、最適な光蓄積期間を変更設定すると、各ゲートに印加される実効電圧が必然的に変動して、予め設定した実効電圧の最適値から外れることになり、上記感度特性等の劣化が生じて、画像読取装置の信頼性を十分に確保することができなくなるという問題を有していた。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した問題を解決し、フォトセンサのゲートに印加される実効電圧の偏りや変動に起因する素子特性の劣化や感度特性の変化を抑制して、信頼性が十分に確保された画像読取装置を実現することができるフォトセンサ装置及びその駆動制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のフォトセンサ装置は、複数のフォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサアレイと、前記フォトセンサアレイにおける第１の電極にリセットパルスを印加して前記フォトセンサを初期化するとともに、前記第１の電極に印加される実効電圧を最適値にするための信号電圧を印加する第１の信号電圧印加手段と、前記フォトセンサアレイにおける第２の電極に読み出しパルスを印加するとともに、前記第２の電極に印加される実効電圧を最適値にするための信号電圧を印加する第２の信号電圧印加手段と、前記フォトセンサアレイにおける前記複数のフォトセンサにプリチャージパルスを印加するとともに、各フォトセンサの出力電圧を取り込む信号読み出し手段と、前記リセットパルス及び前記読み出しパルスによって設定される前記フォトセンサアレイにおける画像読取感度を変化させつつ、前記信号読み出し手段によって前記２次元配列されたフォトセンサに対応する画素より構成される被写体画像を読み取り、前記画像読取感度毎の前記被写体画像の画像パターンに基づいて、最適な画像読取感度を求める読取感度設定手段と、を具備することを特徴としている。
【００１０】
請求項２記載のフォトセンサ装置は、請求項１記載のフォトセンサ装置において、前記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくとも前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成されたトップゲート電極及びボトムゲート電極と、を備えたダブルゲート構造を有し、前記トップゲート電極を前記第１の電極として、前記リセットパルスを印加し、前記ボトムゲート電極を前記第２の電極として、前記読み出しパルスを印加することにより、前記初期化終了から前記読み出しパルスの印加までの電荷蓄積期間に前記チャネル領域に蓄積された電荷に対応した電圧を出力することを特徴としている。
【００１１】
請求項３記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法は、複数のフォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサアレイを備えたフォトセンサシステムの駆動制御方法において、前記フォトセンサアレイの電極に第１のリセットパルス及び第１の読み出しパルスを印加して、画像読取感度を変化させつつ、前記２次元配列されたフォトセンサに対応する画素より構成される被写体画像を読み取り、前記画像読取感度毎の前記被写体画像の画像パターンに基づいて、最適な画像読取感度を設定する事前読出動作を実行する手順と、前記最適な画像読取感度を用いて、前記フォトセンサアレイの前記電極に第２のリセットパルス及び第２の読み出しパルスを印加して前記被写体画像の全域を読み取る画像読取動作を実行する手順と、前記事前読出動作及び前記画像読取動作の期間に、前記フォトセンサアレイの前記電極に印加された前記第１及び第２のリセットパルス及び前記第１及び第２の読み出しパルスによる信号の実効電圧を、最適値に調整する信号電圧を前記フォトセンサアレイの前記電極に印加する実効電圧調整動作を実行する手順と、を含むことを特徴としている。
【００１２】
請求項４記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法は、請求項３記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法において、前記フォトセンサは、ＭＯＳ構造を有し、前記事前読出動作を実行する手順は、前記複数のフォトセンサの第１の電極に、第１のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第１のリセットパルスを印加して、前記フォトセンサを初期化するとともに、前記第１のタイミング以外の期間には、前記第１のリセットパルスと逆極性の第１の信号電圧を印加する第１のステップと、前記初期化終了後、プリチャージパルスに基づくプリチャージ動作が終了した前記フォトセンサに対して、前記フォトセンサの第２の電極に、第２のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第１の読み出しパルスを印加して、前記初期化終了から前記第１の読み出しパルスの印加までの電荷蓄積期間に蓄積された電荷に対応した第１の読出電圧を出力するとともに、前記第２のタイミング以外の期間には、前記第１の読み出しパルスと逆極性の第２の信号電圧を印加する第２のステップと、を含み、前記第１の読み出しパルスは、前記第２のタイミングにより、前記電荷蓄積期間を所定の比率で変化させるように印加され、前記電荷蓄積期間毎に蓄積された電荷に対応して出力される前記第１の読出電圧により得られる前記被写体画像の画像パターンに基づいて、最適な前記電荷蓄積期間が決定されることを特徴としている。
【００１３】
請求項５記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法は、請求項４記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法において、前記画像読取動作を実行する手順は、前記複数のフォトセンサの第１の電極に、第３のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第２のリセットパルスを印加して、前記フォトセンサを初期化するとともに、前記第３のタイミング以外の期間には、前記第２のリセットパルスと逆極性の第３の信号電圧を印加する第３のステップと、前記初期化終了後、プリチャージパルスに基づくプリチャージ動作が終了した前記フォトセンサに対して、前記フォトセンサの第２の電極に、前記事前読出動作により決定された前記最適な電荷蓄積期間を規定する第４のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第２の読み出しパルスを印加して、前記初期化終了から前記第２の読み出しパルスの印加までの前記最適な電荷蓄積期間に蓄積された電荷に対応した第２の読出電圧を出力するとともに、前記第４のタイミング以外の期間には、前記第２の読み出しパルスと逆極性の第４の信号電圧を印加する第４のステップと、とを含み、前記実効電圧調整動作を実行する手順は、前記第１及び第３のステップにおいて前記第１及び第２のリセットパルス及び前記第１及び第３の信号電圧により、前記フォトセンサの第１の電極に印加された実効電圧を、所定の最適値に調整制御する所定の実効電圧を有する第５の信号を、前記フォトセンサの第１の電極に印加する第５のステップと、前記第２及び第４のステップにおいて前記第１及び第２の読み出しパルス及び前記第２及び第４の信号電圧により、前記フォトセンサの第２の電極に印加された実効電圧を、所定の最適値に調整制御する所定の実効電圧を有する第６の信号を、前記フォトセンサの第２の電極に印加する第６のステップと、を含むことを特徴としている。
【００１４】
請求項６記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法は、請求項５記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法において、前記第５の信号は、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第１の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、前記第１及び第３のステップにおいて前記第１及び第２のリセットパルス及び前記第１及び第３の信号電圧により、前記フォトセンサの第１の電極に印加された実効電圧に対して、逆極性の実効電圧を有し、また、前記第６の信号は、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第２の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、前記第２及び第４のステップにおいて前記第１及び第２の読み出しパルス及び前記第２及び第４の信号電圧により、前記フォトセンサの第２の電極に印加された実効電圧に対して、逆極性の実効電圧を有していることを特徴としている。
【００１５】
請求項７記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法は、請求項５記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法において、前記第５のステップは、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第１の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、該最適値より低い第５の電圧部分と該最適値より高い第６の電圧部分とを有し、前記第１及び第３の信号電圧と前記第５の電圧の時間積分値の絶対値と、前記第１及び第２のリセットパルスと前記第６の電圧の時間積分値の絶対値とが等しくなるように、各々所定の時間幅に設定された前記第５の信号を前記フォトセンサの第１の電極に印加し、また、前記第６のステップは、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第２の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、該最適値より低い第７の電圧部分と該最適値より高い第８の電圧部分とを有し、前記第２及び第４の信号電圧と前記第７の電圧の時間積分値の絶対値と、前記第１及び第２の読み出しパルスと前記第８の電圧の時間積分値の絶対値とが等しくなるように、各々所定の時間幅に設定された前記第６の信号を前記フォトセンサの第２の電極に印加することを特徴としている。
【００１６】
請求項８記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法は、請求項３乃至７のいずれかに記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法において、前記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくとも前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成されたトップゲート電極及びボトムゲート電極と、を備えたダブルゲート構造を有し、前記トップゲート電極を前記第１の電極として、前記第１及び第３のステップにおける前記第１及び第２のリセットパルス、並びに、前記第１及び第３の信号電圧を印加するとともに、前記ボトムゲート電極を前記第２の電極として、前記第２及び第４のステップにおける前記第１及び第２の読み出しパルス、並びに、前記第２及び第４の信号電圧を印加することにより、前記最適な電荷蓄積期間に前記チャネル領域に蓄積された電荷に対応した電圧を出力することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るフォトセンサ装置及びその駆動制御方法の実施の形態について詳しく説明する。
まず、本発明に適用されるダブルゲート型トランジスタについて、図面を参照して説明する。
図１は、ダブルゲート型トランジスタの構造を示す概略断面図である。
図１（ａ）に示すように、ダブルゲート型フォトセンサ１０は、可視光が入射されると電子−正孔対が生成されるアモルファスシリコン等の半導体層（チャネル層）１１と、半導体層１１の両端にそれぞれ設けられたｎ^＋シリコン層１７、１８と、ｎ^＋シリコン層１７、１８上に形成されたソース電極１２及びドレイン電極１３と、半導体層１１の上方（図面上方）にブロック絶縁膜１４及び上部（トップ）ゲート絶縁膜１５を介して形成されたトップゲート電極２１と、半導体層１１の下方（図面下方）に下部（ボトム）ゲート絶縁膜１６を介して形成されたボトムゲート電極２２と、を有して構成されている。
【００１８】
なお、図１（ａ）において、トップゲート電極２１、トップゲート絶縁膜１５、ボトムゲート絶縁膜１６、及び、トップゲート電極２１上に設けられる保護絶縁膜２０は、いずれも半導体層１１を励起する可視光に対して透過率の高い材質により構成され、一方、ボトムゲート電極２２は、可視光の透過を遮断する材質により構成されることにより、図面上方から入射する照射光のみを検知する構造を有している。
すなわち、ダブルゲート型フォトセンサ１０は、半導体層１１を共通のチャネル領域として、半導体層１１、ソース電極１２、ドレイン電極１３及びトップゲート電極２１により形成される上部ＭＯＳトランジスタと、半導体層１１、ソース電極１２、ドレイン電極１３及びボトムゲート電極２２により形成される下部ＭＯＳトランジスタとからなる２つのＭＯＳトランジスタの組み合わせた構造が、ガラス基板等の透明な絶縁性基板１９上に形成されている。
そして、このようなダブルゲート型フォトセンサ１０は、一般に、図１（ｂ）に示すような等価回路により表される。ここで、ＴＧはトップゲート端子、ＢＧはボトムゲート端子、Ｓはソース端子、Ｄはドレイン端子である。
【００１９】
次に、上述したダブルゲート型フォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサシステムについて、図面を参照して簡単に説明する。
図２は、ダブルゲート型フォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサシステムの概略構成図である。
図２に示すように、フォトセンサシステムは、大別して、多数のダブルゲート型フォトセンサ１０を、例えば、ｎ行×ｍ列のマトリクス状に配列したフォトセンサアレイ１００と、各ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端子ＴＧ及びボトムゲート端子ＢＧを各々行方向に接続したトップゲートライン１０１及びボトムゲートライン１０２と、トップゲートライン１０１及びボトムゲートライン１０２に各々接続されたトップゲートドライバ１１１及びボトムゲートドライバ１１２と、各ダブルゲート型フォトセンサのドレイン端子Ｄを列方向に接続したデータライン１０３と、データライン１０３に接続された出力回路部１１３と、を有して構成される。ここで、φtg及びφbgは、それぞれリセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｉ、…φＴｎ、及び、読み出しパルスφＢ１、φＢ２、…φＢｉ、…φＢｎを生成するための制御信号、φpgは、プリチャージ電圧Ｖpgを印加するタイミングを制御するプリチャージ信号である。
【００２０】
このような構成において、トップゲートドライバ１１１からトップゲート端子ＴＧに電圧を印加することによりフォトセンス機能が実現され、ボトムゲートドライバ１１２からボトムゲート端子ＢＧに電圧を印加し、データライン１０３を介して検出信号を出力回路部１１３に取り込んでシリアルデータとして出力（Ｖout）することにより選択読み出し機能が実現される。
【００２１】
次に、上述したフォトセンサシステムの駆動制御方法について、図面を参照して説明する。
図３は、フォトセンサシステムの駆動制御方法の一例を示すタイミングチャートであり、図４は、ダブルゲート型フォトセンサの動作概念図であり、図５は、フォトセンサシステムの出力電圧の光応答特性を示す図である。
まず、リセット動作においては、図３、図４（ａ）に示すように、ｉ番目の行のトップゲートライン１０１にパルス電圧（リセットパルス；例えばＶtg＝＋１５Ｖのハイレベル）φＴｉを印加して、各ダブルゲート型フォトセンサ１０の半導体層に蓄積されているキャリア（正孔）を放出する（リセット期間Ｔreset）。
【００２２】
次いで、光蓄積動作においては、図３、図４（ｂ）に示すように、トップゲートライン１０１にローレベル（例えばＶtg＝−１５Ｖ）のバイアス電圧φＴｉを印加することにより、リセット動作を終了し、キャリヤ蓄積動作による光蓄積期間Ｔａがスタートする。光蓄積期間Ｔａにおいては、トップゲート電極側から入射した光量に応じてチャネル領域にキャリアが蓄積される。
そして、プリチャージ動作においては、図３、図４（ｃ）に示すように、光蓄積期間Ｔａに並行して、プリチャージ信号φpgに基づいてデータライン１０３に所定の電圧（プリチャージ電圧）Ｖpgを印加し、ドレイン電極１３に電荷を保持させる（プリチャージ期間Ｔprch）。
【００２３】
次いで、読み出し動作においては、図３、図４（ｄ）に示すように、プリチャージ期間Ｔprchを経過した後、ボトムゲートライン１０２にハイレベル（例えばＶbg＝＋１０Ｖ）のバイアス電圧（読み出し選択信号；以下、読み出しパルスという）φＢｉを印加することにより、ダブルゲート型フォトセンサ１０をＯＮ状態にする（読み出し期間Ｔread）。
ここで、読み出し期間Ｔreadにおいては、チャネル領域に蓄積されたキャリア（正孔）が逆極性のトップゲート端子ＴＧに印加されたＶtg（−１５Ｖ）を緩和する方向に働くため、ボトムゲート端子ＢＧのＶbgによりｎチャネルが形成され、ドレイン電流に応じてデータライン１０３のデータライン電圧ＶＤは、図５（ａ）に示すように、プリチャージ電圧Ｖpgから時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。
【００２４】
すなわち、光蓄積期間Ｔａにおける光蓄積状態が暗状態で、チャネル領域にキャリヤ（正孔）が蓄積されていない場合には、図４（ｅ）、図５（ａ）に示すように、トップゲートＴＧに負バイアスをかけることによって、ボトムゲートＢＧの正バイアスが打ち消され、ダブルゲート型フォトセンサ１０はＯＦＦ状態となり、ドレイン電圧、すなわち、データライン１０３の電圧ＶＤが、ほぼそのまま保持されることになる。
一方、光蓄積状態が明状態の場合には、図４（ｄ）、図５（ａ）に示すように、チャネル領域に入射光量に応じたキャリヤ（正孔）が捕獲されているため、トップゲートＴＧの負バイアスを打ち消すように作用し、この打ち消された分だけボトムゲートＢＧの正バイアスによって、ダブルゲート型フォトセンサ１０はＯＮ状態となる。そして、この入射光量に応じたＯＮ抵抗に従って、データライン１０３の電圧ＶＤは、低下することになる。
【００２５】
したがって、図５（ａ）に示したように、データライン１０３の電圧ＶＤの変化傾向は、トップゲートＴＧへのリセットパルスφＴｉの印加によるリセット動作の終了時点から、ボトムゲートＢＧに読み出しパルスφＢｉが印加されるまでの時間（光蓄積期間Ｔａ）に受光した光量に深く関連し、蓄積されたキャリアが少ない場合には緩やかに低下する傾向を示し、また、蓄積されたキャリアが多い場合には急峻に低下する傾向を示す。そのため、読み出し期間Ｔreadがスタートして、所定の時間経過後のデータライン１０３の電圧ＶＤを検出することにより、あるいは、所定のしきい値電圧を基準にして、その電圧に至るまでの時間を検出することにより、照射光の光量が換算される。
【００２６】
上述した一連の画像読取動作を１サイクルとして、ｉ＋１番目の行のダブルゲート型フォトセンサ１０にも同等の処理手順を繰り返すことにより、ダブルゲート型フォトセンサ１０を２次元のセンサシステムとして動作させることができる。
なお、図３に示したタイミングチャートにおいて、プリチャージ期間Ｔprchの経過後、図４（ｆ）、（ｇ）に示すように、ボトムゲートライン１０２にローレベル（例えばＶbg＝０Ｖ）を印加した状態を継続すると、ダブルゲート型フォトセンサ１０はＯＦＦ状態を持続し、図５（ｂ）に示すように、データライン１０３の電圧ＶＤは、プリチャージ電圧Ｖpgを保持する。このように、ボトムゲートライン１０２への電圧の印加状態により、ダブルゲート型フォトセンサ１０の読み出し状態を選択する選択機能が実現される。
【００２７】
＜実施形態＞
次に、本発明に係るフォトセンサ装置の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態においては、フォトセンサとして、上述したダブルゲート型フォトセンサを適用し、トップゲート電極を第１の電極として電圧を印加することにより、フォトセンス機能を実現するとともに、ボトムゲート電極を第２の電極として電圧を印加することにより、チャネル領域に蓄積された電荷量を読み出す機能を実現するものとして説明する。
図６は、本発明に係るフォトセンサシステムを適用した２次元画像読取装置の一例を示す概略構成図である。なお、ここでは、図１、図２に示したダブルゲート型フォトセンサ及びフォトセンサシステムの構成を適宜参照しながら説明する。また、図２に示したフォトセンサシステムと同等の構成については、同一の符号を付して説明する。
【００２８】
図６に示すように、本実施形態に係るフォトセンサシステムは、図１に示したダブルゲート型フォトセンサ１０を２次元配列して構成されるフォトセンサアレイ１００と、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端子ＴＧに所定のタイミングで、所定のトップゲート電圧（リセットパルス）を印加するトップゲートドライバ（第１の信号電圧印加手段）１１１と、ダブルゲート型フォトセンサ１０のボトムゲート端子ＢＧに所定のタイミングで、所定のボトムゲート電圧（読み出しパルス）を印加するボトムゲートドライバ（第２の信号電圧印加手段）１１２と、ダブルゲート型フォトセンサ１０へのプリチャージ電圧の印加及びデータライン電圧の読み出しを行うコラムスイッチ１１４、プリチャージスイッチ１１５、アンプ１１６からなる出力回路部（信号読み出し手段）１１３と、読み出されたデータ電圧（アナログ信号）をデジタル信号からなる画像データに変換するアナログ−デジタル変換器（以下、Ａ／Ｄコンバータと記す）１１７と、フォトセンサアレイ１００による被写体画像の読取動作制御や外部機能部２００とのデータのやり取り等を行うとともに、本発明における感度設定機能及び異常検出機能を備えたコントローラ（読取感度設定手段）１２０と、読取画像データや後述する読取感度の設定、実効電圧の調整等に関連するデータ等を記憶するＲＡＭ１３０と、を有して構成されている。
【００２９】
ここで、フォトセンサアレイ１００、トップゲートドライバ１１１、ボトムゲートドライバ１１２、出力回路部１１３（コラムスイッチ１１４、プリチャージスイッチ１１５、アンプ１１６）からなる構成は、図２に示したフォトセンサシステムと略同等の構成及び機能を有しているので、その詳細な説明を省略する。コントローラ１２０は、トップゲートドライバ１１１及びボトムゲートドライバ１１２に制御信号φtg、φbgを出力することにより、トップゲートドライバ１１１及びボトムゲートドライバ１１２の各々から、フォトセンサアレイ１００を構成する各ダブルゲート型フォトセンサのトップゲート端子ＴＧ及びボトムゲート端子ＢＧに所定の信号電圧（リセットパルスφＴｉ、読み出しパルスφＢｉ）を印加するとともに、プリチャージスイッチ１１５に制御信号φpgを出力することにより、データラインにプリチャージ電圧Ｖpgを印加して、被写体画像の読取動作の実行を制御する。
【００３０】
また、コントローラ１２０には、ダブルゲート型フォトセンサ１０から読み出されたデータライン電圧ＶＤがアンプ１１６及びＡ／Ｄコンバータ１１７を介してデジタル信号に変換され、画像データとして入力される。コントローラ１２０は、この画像データに対して、所定の画像処理を施したり、ＲＡＭ１３０への書き込み、読み出しを行うとともに、画像データの照合や加工等の所定の処理を実行する外部機能部２００に対してインタフェースとしての機能をも備えている。さらに、コントローラ１２０は、トップゲートドライバ１１１及びボトムゲートドライバ１１２に出力する制御信号φtg、φbgを設定制御することにより、外光等の環境照度に対応して被写体画像を最適に読み込むことができる読取感度、すなわち、ダブルゲート型フォトセンサ１０の最適な光蓄積期間Ｔａを設定する機能、及び、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲートＴＧ及びボトムゲートＢＧに印加される実効電圧の偏りを最適値に調整する機能を有している。
【００３１】
次に、上述した構成を有するフォトセンサ装置の駆動制御方法について、図面を参照して説明する。
図７は、本発明に係るフォトセンサ装置の駆動制御方法の一実施形態を示すタイミングチャートである。ここでは、図２、図６に示したフォトセンサ装置の構成を適宜参照しながら、その駆動制御方法を説明する。
図７に示すように、本実施形態に係るフォトセンサ装置の駆動制御方法は、事前読出動作と、画像読取動作と、実効電圧調整動作の各手順を有し、いずれもコントローラ１２０から送出される制御信号（φtg、φbg、φpg等）に基づいて、各動作制御が行われる。
以下、各処理動作について具体的に説明する。
【００３２】
＜事前読出動作＞
（第１のステップ）
図７に示すように、本実施形態における事前読取動作は、まず、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端子ＴＧを行方向に接続するトップゲートライン１０１の各々に対して、所定の遅れ時間Ｔdlyの時間間隔で順次リセットパルス（第１のリセットパルス）φＴ１、φＴ２、…φＴｎを印加してリセット期間Ｔrstをスタートし、各行毎のダブルゲート型フォトセンサ１０を初期化する。
ここで、リセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎは、ハイレベルが信号電圧Ｖtgh、ローレベルが信号電圧Ｖtglのパルス信号であり、第１のステップにおいて、ハイレベルＶtghのリセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎが印加されるタイミング（第１のタイミング）以外では、ローレベルの信号電圧（第１の信号電圧）Ｖtglが印加された状態にある。
【００３３】
（第２のステップ）
次いで、リセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎが立ち下がり、リセット期間Ｔrstが終了することにより、光蓄積期間ＴＡ₁、ＴＡ₂、…ＴＡ_nが順次スタートして、各行毎にダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート電極側から入射される光量に応じてチャネル領域に電荷（正孔）が発生し、蓄積される。
そして、各行毎に設定される光蓄積期間ＴＡ₁、ＴＡ₂、…ＴＡ_nは、図７に示すように、最後のリセットパルスφＴｎが立ち下がった後、各行毎に所定の遅れ時間Ｔdly分ずつ段階的に変化させるように、プリチャージ信号φpg及び読み出しパルス（第１の読み出しパルス）φＢｎ、…φＢ２、φＢ１を順次印加して、読み出し期間Ｔrdをスタートし、ダブルゲート型フォトセンサ１０に蓄積された電荷に対応する電圧変化ＶＤを、出力回路部１１３によりデータライン１０３を介して読み出し、順次ＲＡＭ１３０に記憶される。
【００３４】
ここで、読み出しパルスφＢ１、φＢ２、…φＢｎは、ハイレベルが信号電圧Ｖbgh、ローレベルが信号電圧Ｖbglのパルス信号であり、第２のステップにおいて、ハイレベルＶbghの読み出しパルスφＢ１、φＢ２、…φＢｎが印加されるタイミング（第２のタイミング）以外では、ローレベルの信号電圧（第２の信号電圧）Ｖbghが印加された状態にある。
なお、照射光量の検出方法は、上述したフォトセンサシステムと同様に、各データライン１０３の電圧ＶＤの低下傾向を、読み出し期間Ｔrdがスタートして、所定の時間経過後の電圧値を検出することにより、あるいは、所定のしきい値電圧を基準にして、その電圧値に至るまでの時間を検出することにより、照射光量に換算する。
したがって、このような事前読出動作によれば、各行毎に設定される光蓄積期間ＴＡ₁、ＴＡ₂、…ＴＡ_n相互が所定の遅れ時間Ｔdlyの２倍の時間間隔で増加するので、一画面の読み込み動作により行数分以上の感度調整幅で設定された読取感度で読み取られた画像データが得られる。そして、この画像データに基づいて、コントローラ１２０は、明暗パターンのコントラストが最大となる光蓄積期間を抽出し、最適な光蓄積期間Ｔａを決定する。
【００３５】
＜画像読取動作＞
（第３のステップ）
次に、上述した事前読取動作により決定された最適な光蓄積時間Ｔａを用いて画像読取動作を実行する。
すなわち、図７に示すように、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端子ＴＧを行方向に接続するトップゲートライン１０１の各々に、順次リセットパルス（第２のリセットパルス）φＴ１、φＴ２、…φＴｎを印加してリセット期間Ｔrstをスタートし、各行毎のダブルゲート型フォトセンサ１０を初期化する。
ここで、リセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎは、上述した第１のステップと同様に、ハイレベルが信号電圧Ｖtgh、ローレベルが信号電圧Ｖtglのパルス信号であり、ハイレベルＶtghのリセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎが印加されるタイミング（第３のタイミング）以外では、ローレベルの信号電圧（第３の信号電圧）Ｖtglが印加される。
【００３６】
（第４のステップ）
次いで、リセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎが立ち下がり、リセット期間Ｔrstが終了することにより、各行毎に、上記最適な光蓄積期間Ｔａが順次スタートして、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート電極側から入射される光量に応じてチャネル領域に電荷（正孔）が発生し、蓄積される。ここで、図７に示すように、光蓄積期間Ｔａ内に並行して、プリチャージ信号φpgを印加することにより、プリチャージ期間Ｔprchをスタートし、データライン１０３にプリチャージ電圧Ｖprchを印加してダブルゲート型フォトセンサ１０のドレイン電極に所定の電圧を保持させるプリチャージ動作が行われる。
【００３７】
そして、最適な光蓄積期間Ｔａ及びプリチャージ期間Ｔprchが終了したダブルゲート型フォトセンサ１０に対して、各行毎に、ボトムゲートライン１０２に順次読み出しパルス（第２の読み出しパルス）φＢ１、φＢ２、…φＢｎを印加して、読み出し期間Ｔreadをスタートし、ダブルゲート型フォトセンサ１０に蓄積された電荷に対応する電圧変化ＶＤを、コラムスイッチ１１３によりデータライン１０３を介して読み出す。
ここで、読み出しパルスφＢ１、φＢ２、…φＢｎは、上述した第１のステップと同様に、ハイレベルが信号電圧Ｖbgh、ローレベルが信号電圧Ｖbglのパルス信号であり、ハイレベルＶbghの読み出しパルスφＢ１、φＢ２、…φＢｎが印加されるタイミング（第４のタイミング）以外では、ローレベルの信号電圧（第４の信号電圧）Ｖbghが印加された状態にある。
【００３８】
＜実効電圧調整動作＞
（第５のステップ）
次に、上述した画像読取動作が、全ての行（ｎ）において終了すると、一連の事前読取動作及び画像読取動作において印加された信号の実効電圧の偏りを調整して最適化する実効電圧調整動作を実行する。
すなわち、図７に示すように、上記第１及び第３のステップにおいて、リセットパルスによりダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲートライン１０１（トップゲート端子ＴＧ）に印加された信号電圧の平均値、すなわち、実効電圧を、予め当該ダブルゲート型フォトセンサ１０の感度特性に応じて設定した最適値に調整することができる所定の実効電圧を有する信号（第５の信号）を、各行のトップゲートライン１０１に印加する。
【００３９】
（第６ステップ）
また、上記第２及び第４ステップにおいて、読み出しパルスによりダブルゲート型フォトセンサ１０のボトムゲートライン１０２（ボトムゲート端子ＢＧ）に印加された信号電圧の平均値、すなわち、実効電圧を、予め当該ダブルゲート型フォトセンサ１０の感度特性に応じて設定した最適値に調整することができる所定の実効電圧を有する信号（第６の信号）を、各行のボトムゲートライン１０２に印加する。
【００４０】
ここで、実効電圧調整動作において、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲートＴＧ及びボトムゲートＢＧに印加される信号について、図面を参照してより具体的に説明する。
図８は、本実施形態に係るフォトセンサ装置の駆動制御方法における実効電圧調整動作の作用を示す概念図である。ここでは、図７に示したフォトセンサシステムの駆動制御方法のタイミングチャートを適宜参照しながら、駆動制御方法を説明する。なお、説明の都合上、１行目のトップゲートライン及びボトムゲートラインに印加される電圧波形に着目して説明する。
【００４１】
図７に示したように、事前読出動作及び画像読取動作の第１のステップ及び第３のステップ、すなわち、リセット動作においては、第１及び第３のタイミングに係る極めて短い時間（Ｔrst）のみ、ハイレベルの信号電圧（ここでは、正電圧）Ｖtghを有するリセットパルスφＴ１がトップゲートライン１０１を介してトップゲートＴＧに印加され、第１及び第３のタイミング以外の比較的長い期間では、ローレベルの信号電圧（ここでは、負電圧）Ｖtglが印加される。そのため、事前読出動作及び画像読取動作時において、トップゲートＴＧに印加される実効電圧は、ローレベル側に大きく偏っている。さらに、画像読出動作に設定される最適な光蓄積期間Ｔａは、事前読出動作により環境照度等に応じて、その都度、変更設定されるため、上記トップゲートＴＧに印加される実効電圧は、必然的に変動する。
【００４２】
一方、事前読出動作及び画像読取動作の第２のステップ及び第４のステップ、すなわち、読み出し動作においても、第２及び第４のタイミングに係る極めて短い時間（Ｔrd）のみ、ハイレベルの信号電圧（ここでは、正電圧）Ｖbghを有する読み出しパルスφＢ１がボトムゲートライン１０２を介してボトムゲートＢＧに印加され、第２及び第４のタイミング以外の比較的長い期間では、ローレベルの信号電圧（ここでは、負電圧）Ｖtglを有する信号電圧が印加される。そのため、事前読出動作及び画像読取動作時において、ボトムゲートＢＧに印加される実効電圧も、ローレベル側に大きく偏っている。さらに、画像読出動作に設定される最適な光蓄積期間Ｔａは、事前読出動作により環境照度等に応じて、その都度、変更設定されるため、上記ボトムゲートＴＧに印加される実効電圧は、必然的に変動する。なお、以下、説明の都合上、トップゲートＴＧに印加される実効電圧、及び、ボトムゲートＢＧに印加される実効電圧のいずれもが、ローレベル側に偏った実効電圧を有しているものとする。
【００４３】
そのため、このような特定の極性の電圧側に偏った電圧がゲート電極に印加された状態が継続すると、上述したように、ゲート電極に正孔がトラップされて、ダブルゲート型フォトセンサの素子特性が劣化して感度特性が変化してしまう問題が生じる。
そこで、本実施形態においては、事前読出動作及び画像読取動作の処理サイクル内、及び、これから実行する実効電圧調整動作の処理サイクル内に印加される電圧波形について、ダブルゲート型フォトセンサの感度特性に応じて設定されるトップゲート側の実効電圧の最適値、及び、ボトムゲート側の実効電圧の最適値を基準として、上記電圧波形のハイレベル側の時間積分値の絶対値と、ローレベル側の時間積分値の絶対値とを等しくするように、調整パルス（第５の信号、第６の信号）を、実効電圧調整動作時に所定のタイミングでダブルゲート型フォトセンサのトップゲートライン、及び、ボトムゲートラインに印加する。
【００４４】
ここで、トップゲートラインに印加される調整パルスは、図７に示すように、上記トップゲート側の実効電圧の最適値Ｖteを基準として、所定の信号幅（時間幅）Ｔtplを有するローレベル側の電圧成分（信号電圧Ｖtgl；第５の電圧部分）と、所定の信号幅Ｔtphを有するハイレベル側の電圧成分（信号電圧Ｖtgh；第６の電圧部分）からなる電圧波形を有している。一方、ボトムゲートラインに印加される調整パルスは、上記ボトムゲート側の実効電圧の最適値Ｖbeを基準として、所定の信号幅Ｔbpla、Ｔbplbを有するローレベル側の電圧成分（信号電圧Ｖbgl；第７の電圧部分）と、所定の信号幅Ｔbphを有するハイレベル側の電圧成分（信号電圧Ｖbgh；第８の電圧部分）からなる電圧波形を有している。
【００４５】
すなわち、トップゲート側に印加される調整パルスと、他の信号波形との関係は、図８（ａ）の模式図に示すように、トップゲート側の実効電圧の最適値をＶte、事前読出動作及び画像読取動作の処理サイクル内に印加される電圧波形のハイレベルをＶtgh、ローレベルをＶtgl、画像読取動作における最適な光蓄積時間をＴａ、事前読出動作及び画像読取動作における最適な光蓄積時間Ｔａ以外のローレベルの期間をＴlt、事前読出動作及び画像読取動作におけるハイレベルの期間（Ｔrst＋Ｔrst）をＴhtとすると、次式にように表される。
Ｈｔ・（Ｔtph＋Ｔht）＝Ｌｔ・（Ｔａ＋Ｔlt＋Ｔtpl） ……（１）
ここで、Ｈｔは、実効電圧の最適値Ｖteに対するハイレベルＶtghの差分電圧の絶対値（｜Ｖtgh−Ｖte｜）であり、Ｌｔは、実効電圧の最適値Ｖteに対するローレベルＶtglの差分電圧の絶対値（｜Ｖtgl−Ｖte｜）である。
【００４６】
上記（１）式より、調整パルスの印加時間、すなわち、ハイレベル側の電圧成分の信号幅Ｔtphは、次式のように表される。
Ｔtph＝Ｌｔ／Ｈｔ・（Ｔａ＋Ｔlt＋Ｔtpl）−Ｔht ……（２）
したがって、実効電圧調整動作において、（２）式のように表される時間分（Ｔtph）だけ、トップゲートラインにハイレベルＶtghの調整パルスを印加して、信号電圧を付加することにより、環境照度に応じて画像読取動作の最適な光蓄積期間Ｔａが変更設定された場合であっても、トップゲートに印加される実効電圧の偏りを打ち消して、最適値Ｖteに調整制御することができ、ダブルゲート型フォトセンサの素子特性の劣化による感度特性の変化を抑制することができる。
【００４７】
一方、ボトムゲート側に印加される調整パルスと、他の信号波形との関係は、図８（ｂ）の模式図に示すように、ボトムゲート側の実効電圧の最適値をＶbe、事前読出動作及び画像読取動作の処理サイクル内に印加される電圧波形のハイレベルをＶbgh、ローレベルをＶbgl、画像読取動作における最適な光蓄積時間をＴａ、事前読出動作及び画像読取動作における最適な光蓄積時間Ｔａ以外のローレベルの期間をＴlb、事前読出動作及び画像読取動作におけるハイレベルの期間（Ｔrd＋Ｔrd）をＴhbとすると、次式にように表される。
Ｈｂ・（Ｔbph＋Ｔhb）＝Ｌｂ・（Ｔａ＋Ｔlb＋Ｔbpl） ……（３）
ここで、Ｈｂは、実効電圧の最適値Ｖbeに対するハイレベルＶbghの差分電圧の絶対値（｜Ｖbgh−Ｖbe｜）であり、Ｌｂは、実効電圧の最適値Ｖbeに対するローレベルＶbglの差分電圧の絶対値（｜Ｖbgl−Ｖbe｜）である。また、Ｔbplは、調整パルスのローレベル側の電圧成分の合計信号幅（Ｔbpla＋Ｔbplb）である。
【００４８】
上記（３）式より、調整パルスの印加時間、すなわち、ハイレベル側の電圧成分の信号幅Ｔbphは、次式のように表される。
Ｔbph＝Ｌｂ／Ｈｂ・（Ｔａ＋Ｔlｂ＋Ｔbpl）−Ｔhb ……（４）
したがって、実効電圧調整動作において、（４）式のように表される時間分（Ｔbph）だけ、ボトムゲートラインにハイレベルＶbghの調整パルスを印加して、信号電圧を付加することにより、環境照度に応じて画像読取動作の最適な光蓄積期間Ｔａが変更設定された場合であっても、ボトムゲートに印加される実効電圧の偏りを打ち消して、最適値Ｖbeに調整制御することができ、ダブルゲート型フォトセンサの素子特性の劣化による感度特性の変化を抑制することができる。
なお、上述した実効電圧調整動作において、ダブルゲート型フォトセンサの感度特性に応じて設定されるトップゲート側の実効電圧の最適値Ｖte、及び、ボトムゲート側の実効電圧の最適値Ｖbeについて、具体的な数値や電圧極性を示さなかったが、ダブルゲート型フォトセンサの素子特性や感度特性等に応じて、正又は負電圧、あるいは、０Ｖのいずれも最適値となる場合がある。
また、本実施形態においては、実効電圧調整動作においてトップゲート及びボトムゲートに印加される調整パルスのハイレベル側及びローレベル側の信号電圧として、事前読出動作及び画像読取動作におけるハイレベル及びローレベルを印加する場合について説明したが、他の電圧レベルを印加するものであってもよい。
【００４９】
次に、本発明に係るフォトセンサシステムの駆動制御方法に適用することができる事前読出動作の他の具体例について、図面を参照して説明する。
図９は、本発明に係るフォトセンサシステムの駆動制御方法に適用することができる事前読出動作の他の実施例を示すタイミングチャートである。ここでは、図２、図６に示したフォトセンサ装置の構成を適宜参照しながら説明する。
図９に示すように、本実施例に係る事前読出動作は、まず、ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端子ＴＧを行方向に接続するトップゲートライン１０１の各々に対して、同時にリセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎを印加してリセット期間Ｔrstを同時にスタートし、各行毎のダブルゲート型フォトセンサ１０を初期化する。
【００５０】
次いで、リセットパルスφＴ１、φＴ２、…φＴｎが同時に立ち下がり、リセット期間Ｔrstが終了することにより、全ての行におけるダブルゲート型フォトセンサ１０の光蓄積期間ＴＢ₁、ＴＢ₂、…ＴＢ_nが一斉にスタートして、各行毎のダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート電極側から入射される光量に応じてチャネル領域に電荷（正孔）が発生し、蓄積される。
ここで、各行毎に設定される光蓄積期間ＴＢ₁、ＴＢ₂、…ＴＢ_nは、図９に示すように、各行毎に所定の遅れ時間Ｔdly分ずつ段階的に変化させるように、プリチャージ信号φpg及び読み出しパルスφＢ１、φＢ２、…φＢｎを印加する。したがって、上述した実施形態に示したような画像読取動作に先立って行う事前読出動作において、被写体画像を構成する各行毎に異なる読取感度（すなわち、行数分の異なる読取感度）で読み取られた画像データを、１回の被写体画像（一画面）の読み込みにより取得することができる。
【００５１】
ここで、本発明に係るフォトセンサシステムの駆動制御方法に適用される事前読出動作の手法は、上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、被写体画像を異なる読取感度で画像データを取得できるものであれば、例えば、リセット動作→光蓄積動作→プリチャージ動作→読み出し動作の一連の処理サイクルを読取感度を順次変更して複数回繰り返して、異なる読取感度による画像データを取得するものでもあってもよいし、さらに他の方法であってもよいことはいうまでもない。
【００５２】
なお、上述した各実施形態においては、フォトセンサシステムを構成するフォトセンサとして、ダブルゲート型フォトセンサを適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、フォトセンサアレイを構成するフォトセンサにおいて、事前読出動作及び画像読取動作時に印加される信号電圧の極性の偏りにより、感度特性や素子特性が変化、又は、劣化する傾向を有し、かつ、実効電圧調整動作時に付加する調整パルスにより、当該特性の変化や劣化を抑制することができるものであれば、他の構成を有するフォトセンサであっても、本発明に係る駆動制御方法を良好に適用することができる。
【００５３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、フォトセンサアレイの第１の電極にリセットパルスを印加してフォトセンサを初期化するとともに、該第１の電極に印加される実効電圧を最適値にするための信号電圧を印加する第１の信号電圧印加手段と、フォトセンサアレイの第２の電極に読み出しパルスを印加するとともに、該第２の電極に印加される実効電圧を最適値にするための信号電圧を印加する第２の信号電圧印加手段と、リセットパルス及び読み出しパルスによって設定されるフォトセンサアレイにおける画像読取感度を変化させつつ、２次元配列されたフォトセンサに対応する画素より構成される被写体画像を読み取り、該写体画像の画像パターンに基づいて、最適な画像読取感度を求める読取感度設定手段と、を備えているので、新たな構成を付加することなく、環境照度に応じた最適な読取感度を設定して、被写体画像を良好に読み取ることができるとともに、フォトセンサの第１の電極及び第２の電極に印加される実効電圧を最適化して、フォトセンサの素子特性の劣化に伴う感度特性の変化を抑制することができ、信頼性が高いフォトセンサシステムを実現することができる。
【００５４】
請求項３記載の発明によれば、複数のフォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサアレイを備えたフォトセンサシステムの駆動制御方法において、フォトセンサアレイの電極に第１のリセットパルス及び第１の読み出しパルスを印加して、画像読取感度を変化させつつ、所定の被写体画像を読み取り、各画像読取感度毎の被写体画像の画像パターンに基づいて、最適な画像読取感度を設定する事前読出動作を実行する手順と、最適な画像読取感度を用いて、フォトセンサアレイの電極に第２のリセットパルス及び第２の読み出しパルスを印加して被写体画像の全域を読み取る画像読取動作を実行する手順と、事前読出動作及び画像読取動作の期間に、フォトセンサアレイの電極に印加された第１及び第２のリセットパルス及び第１及び第２の読み出しパルスによる信号の実効電圧を、最適値に調整する信号電圧をフォトセンサアレイの電極に印加する実効電圧調整動作を実行する手順と、を含んでいるので、事前読取動作により設定される最適な画像読取感度が、環境照度に応じて変更設定された場合であっても、実効電圧調整動作により事前読出動作及び画像読取動作に印加された信号の実効電圧を最適値に調整することができ、画像読取動作における画像読取感度を最適に保ちつつ、フォトセンサの素子特性の劣化に伴う感度特性の変化を抑制することができる。
【００５５】
請求項４記載の発明によれば、事前読出動作を実行する手順は、複数のフォトセンサの第１の電極に第１のリセットパルスを印加して、フォトセンサを初期化する第１のステップと、フォトセンサの第２の電極に第１の読み出しパルスを印加して、電荷蓄積期間に蓄積された電荷に対応した第１の読出電圧を出力する第２のステップと、を含み、電荷蓄積期間を所定の比率で変化させて得られた画像パターンに基づいて、最適な前記電荷蓄積期間を決定する駆動制御方法を有しているので、画像読取動作に先立って行う事前読出動作において、被写体画像を構成する各行毎に異なる読取感度で読み取られた画像データを、１回の被写体画像の読み込みにより取得することができ、事前読出動作に要する処理時間を大幅に短縮することができ、迅速に最適な画像読取感度を設定して、正規の画像読取動作を実行することができる。
【００５６】
請求項５記載の発明によれば、実効電圧調整動作を実行する手順は、第１及び第３のステップにおいて、フォトセンサの第１の電極に印加された実効電圧を、所定の実効電圧を有する第５の信号を印加して最適値に調整制御する第５のステップと、第２及び第４のステップにおいて、フォトセンサの第２の電極に印加された実効電圧を、所定の実効電圧を有する第６の信号を印加して最適値に調整制御する第６のステップと、を含んでいるので、事前読取動作により設定される最適な画像読取感度が、環境照度に応じて変更設定された場合であっても、実効電圧調整動作において、第５及び第６の信号を適宜設定することにより、上記実効電圧を最適値に調整制御することができ、簡易な制御方法でフォトセンサの素子特性劣化に伴う感度特性の変化を抑制することができる。
【００５７】
請求項６記載の発明によれば、第５の信号は、フォトセンサの感度特性に応じて設定される第１の電極側の実効電圧の最適値を基準として、第１及び第３のステップにおいてフォトセンサの第１の電極に印加された実効電圧に対して、逆極性の実効電圧を有し、また、第６の信号は、フォトセンサの感度特性に応じて設定される第２の電極側の実効電圧の最適値を基準として、第２及び第４のステップにおいてフォトセンサの第２の電極に印加された実効電圧に対して、逆極性の実効電圧を有しているので、実効電圧調整動作において、所定の信号幅を有する第５及び第６の信号を第１及び第２の電極に印加することにより、実効電圧の最適値を調整制御することができ、フォトセンサの素子特性劣化に伴う感度特性の変化を抑制することができる。
【００５８】
請求項７記載の発明によれば、第５のステップにおいて第１の電極に印加される第５の信号は、事前読出動作、画像読取動作、実効電圧調整動作の全ての動作期間中に、第１の電極側の実効電圧の最適値を基準として、第１の電極に印加される高電圧側の電圧成分の時間積分値の絶対値と、低電圧側の電圧成分の時間積分値の絶対値とが等しくなるように、高電圧側と低電圧側の時間幅が設定され、また、第６のステップにおいて第２の電極に印加される第６の信号は、事前読出動作、画像読取動作、実効電圧調整動作の全ての動作期間中に、第２の電極側の実効電圧の最適値を基準として、第２の電極に印加される高電圧側の電圧成分の時間積分値の絶対値と、低電圧側の電圧成分の時間積分値の絶対値とが等しくなるように、高電圧側と低電圧側の時間幅が設定されているので、事前読取動作により設定される最適な画像読取感度が、環境強度に応じて変更設定された場合であっても、実効電圧調整動作において、第５及び第６の信号の時間幅及び信号電圧を適宜設定することにより、両極性（実効電圧の最適値を基準として高電圧側と低電圧側）における時間積分値の絶対値を等しくして、各電極における実効電圧を最適値に調整制御することができ、簡易な制御方法でフォトセンサの素子特性劣化に伴う感度特性の変化を抑制することができる。
【００５９】
請求項２又は８記載の発明によれば、上記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくともチャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成されたトップゲート電極及びボトムゲート電極とを備え、所定のタイミングでトップゲート電極にリセットパルスを印加するとともに、ボトムゲート電極に読み出しパルス印加することにより、電荷蓄積期間にチャネル領域に蓄積された電荷に対応した電圧を出力する、いわゆる、ダブルゲート型フォトセンサにより構成されているので、事前読出動作及び画像読取動作時にトップゲート電極及びボトムゲート電極に印加される信号の電圧極性の偏りにより生じるダブルゲート型フォトセンサの素子特性の劣化に伴う感度特性の変化を抑制することができ、信頼性の高いフォトセンサシステムを提供することができる。また、ダブルゲート型フォトセンサによれば、フォトセンサアレイを構成するフォトセンサデバイスを薄型化して、フォトセンサシステムが適用される２次元画像読取装置を小型化することができるとともに、読取画素を高密度化して被写体画像を高精細で読み取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るフォトセンサ装置に適用されるダブルゲート型フォトセンサの構造を示す概略断面図である。
【図２】ダブルゲート型フォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサシステムの概略構成図である。
【図３】フォトセンサシステムの一般的な駆動制御方法を示すタイミングチャートである。
【図４】ダブルゲート型フォトセンサの動作概念図である。
【図５】フォトセンサシステムの出力電圧の光応答特性を示す図である。
【図６】本発明に係るフォトセンサ装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図７】一実施形態に係るフォトセンサ装置の駆動制御方法を示すタイミングチャートである。
【図８】一実施形態に係るフォトセンサ装置の駆動制御方法における実効電圧調整動作の作用を示す概念図である。
【図９】本発明に係るフォトセンサ装置の駆動制御方法に適用される事前読出動作の他の実施例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０ダブルゲート型フォトセンサ
１１半導体層
２１トップゲート電極
２２ボトムゲート電極
１００フォトセンサアレイ
１０１トップゲートライン
１０２ボトムゲートライン
１０３データライン
１１１トップアドレスデコーダ
１１２ローアドレスデコーダ
１１３出力回路部
１２０コントローラ

Claims

複数のフォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサアレイと、
前記フォトセンサアレイにおける第１の電極にリセットパルスを印加して前記フォトセンサを初期化するとともに、前記第１の電極に印加される実効電圧を最適値にするための信号電圧を印加する第１の信号電圧印加手段と、
前記フォトセンサアレイにおける第２の電極に読み出しパルスを印加するとともに、前記第２の電極に印加される実効電圧を最適値にするための信号電圧を印加する第２の信号電圧印加手段と、
前記フォトセンサアレイにおける前記複数のフォトセンサにプリチャージパルスを印加するとともに、各フォトセンサの出力電圧を取り込む信号読み出し手段と、
前記リセットパルス及び前記読み出しパルスによって設定される前記フォトセンサアレイにおける画像読取感度を変化させつつ、前記信号読み出し手段によって前記２次元配列されたフォトセンサに対応する画素より構成される被写体画像を読み取り、前記画像読取感度毎の前記被写体画像の画像パターンに基づいて、最適な画像読取感度を求める読取感度設定手段と、
を具備することを特徴とするフォトセンサ装置。
前記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくとも前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成されたトップゲート電極及びボトムゲート電極と、を備えたダブルゲート構造を有し、
前記トップゲート電極を前記第１の電極として、前記リセットパルスを印加し、前記ボトムゲート電極を前記第２の電極として、前記読み出しパルスを印加することにより、前記初期化終了から前記読み出しパルスの印加までの電荷蓄積期間に前記チャネル領域に蓄積された電荷に対応した電圧を出力することを特徴とする請求項１記載のフォトセンサ装置。
複数のフォトセンサを２次元配列して構成されるフォトセンサアレイを備えたフォトセンサシステムの駆動制御方法において、
前記フォトセンサアレイの電極に第１のリセットパルス及び第１の読み出しパルスを印加して、画像読取感度を変化させつつ、前記２次元配列されたフォトセンサに対応する画素より構成される被写体画像を読み取り、前記画像読取感度毎の前記被写体画像の画像パターンに基づいて、最適な画像読取感度を設定する事前読出動作を実行する手順と、
前記最適な画像読取感度を用いて、前記フォトセンサアレイの前記電極に第２のリセットパルス及び第２の読み出しパルスを印加して前記被写体画像の全域を読み取る画像読取動作を実行する手順と、
前記事前読出動作及び前記画像読取動作の期間に、前記フォトセンサアレイの前記電極に印加された前記第１及び第２のリセットパルス及び前記第１及び第２の読み出しパルスによる信号の実効電圧を、最適値に調整する信号電圧を前記フォトセンサアレイの前記電極に印加する実効電圧調整動作を実行する手順と、
を含むことを特徴とするフォトセンサ装置の駆動制御方法。
前記フォトセンサは、ＭＯＳ構造を有し、
前記事前読出動作を実行する手順は、
前記複数のフォトセンサの第１の電極に、第１のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第１のリセットパルスを印加して、前記フォトセンサを初期化するとともに、前記第１のタイミング以外の期間には、前記第１のリセットパルスと逆極性の第１の信号電圧を印加する第１のステップと、
前記初期化終了後、プリチャージパルスに基づくプリチャージ動作が終了した前記フォトセンサに対して、前記フォトセンサの第２の電極に、第２のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第１の読み出しパルスを印加して、前記初期化終了から前記第１の読み出しパルスの印加までの電荷蓄積期間に蓄積された電荷に対応した第１の読出電圧を出力するとともに、前記第２のタイミング以外の期間には、前記第１の読み出しパルスと逆極性の第２の信号電圧を印加する第２のステップと、
を含み、
前記第１の読み出しパルスは、前記第２のタイミングにより、前記電荷蓄積期間を所定の比率で変化させるように印加され、前記電荷蓄積期間毎に蓄積された電荷に対応して出力される前記第１の読出電圧により得られる前記被写体画像の画像パターンに基づいて、最適な前記電荷蓄積期間が決定されることを特徴とする請求項３記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法。
前記画像読取動作を実行する手順は、
前記複数のフォトセンサの第１の電極に、第３のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第２のリセットパルスを印加して、前記フォトセンサを初期化するとともに、前記第３のタイミング以外の期間には、前記第２のリセットパルスと逆極性の第３の信号電圧を印加する第３のステップと、
前記初期化終了後、プリチャージパルスに基づくプリチャージ動作が終了した前記フォトセンサに対して、前記フォトセンサの第２の電極に、前記事前読出動作により決定された前記最適な電荷蓄積期間を規定する第４のタイミングで所定の極性の電圧を有する前記第２の読み出しパルスを印加して、前記初期化終了から前記第２の読み出しパルスの印加までの前記最適な電荷蓄積期間に蓄積された電荷に対応した第２の読出電圧を出力するとともに、前記第４のタイミング以外の期間には、前記第２の読み出しパルスと逆極性の第４の信号電圧を印加する第４のステップと、
を含み、
前記実効電圧調整動作を実行する手順は、
前記第１及び第３のステップにおいて前記第１及び第２のリセットパルス及び前記第１及び第３の信号電圧により、前記フォトセンサの第１の電極に印加された実効電圧を、所定の最適値に調整制御する所定の実効電圧を有する第５の信号を、前記フォトセンサの第１の電極に印加する第５のステップと、
前記第２及び第４のステップにおいて前記第１及び第２の読み出しパルス及び前記第２及び第４の信号電圧により、前記フォトセンサの第２の電極に印加された実効電圧を、所定の最適値に調整制御する所定の実効電圧を有する第６の信号を、前記フォトセンサの第２の電極に印加する第６のステップと、
を含むことを特徴とする請求項４記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法。
前記第５の信号は、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第１の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、前記第１及び第３のステップにおいて前記第１及び第２のリセットパルス及び前記第１及び第３の信号電圧により、前記フォトセンサの第１の電極に印加された実効電圧に対して、逆極性の実効電圧を有し、また、
前記第６の信号は、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第２の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、前記第２及び第４のステップにおいて前記第１及び第２の読み出しパルス及び前記第２及び第４の信号電圧により、前記フォトセンサの第２の電極に印加された実効電圧に対して、逆極性の実効電圧を有していることを特徴とする請求項５記載のフォトセンサシステムの駆動制御方法。
前記第５のステップは、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第１の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、該最適値より低い第５の電圧部分と該最適値より高い第６の電圧部分とを有し、前記第１及び第３の信号電圧と前記第５の電圧の時間積分値の絶対値と、前記第１及び第２のリセットパルスと前記第６の電圧の時間積分値の絶対値とが等しくなるように、各々所定の時間幅に設定された前記第５の信号を前記フォトセンサの第１の電極に印加し、また、
前記第６のステップは、前記フォトセンサの感度特性に応じて設定される第２の電極側の実効電圧の前記最適値を基準として、該最適値より低い第７の電圧部分と該最適値より高い第８の電圧部分とを有し、前記第２及び第４の信号電圧と前記第７の電圧の時間積分値の絶対値と、前記第１及び第２の読み出しパルスと前記第８の電圧の時間積分値の絶対値とが等しくなるように、各々所定の時間幅に設定された前記第６の信号を前記フォトセンサの第２の電極に印加することを特徴とする請求項５記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法。
前記フォトセンサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくとも前記チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成されたトップゲート電極及びボトムゲート電極と、を備えたダブルゲート構造を有し、
前記トップゲート電極を前記第１の電極として、前記第１及び第３のステップにおける前記第１及び第２のリセットパルス、並びに、前記第１及び第３の信号電圧を印加するとともに、前記ボトムゲート電極を前記第２の電極として、前記第２及び第４のステップにおける前記第１及び第２の読み出しパルス、並びに、前記第２及び第４の信号電圧を印加することにより、前記最適な電荷蓄積期間に前記チャネル領域に蓄積された電荷に対応した電圧を出力することを特徴とする請求項３乃至７のいずれかに記載のフォトセンサ装置の駆動制御方法。