JPH09233259A - 光受容回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光強度の小さな差を用いるアプリケーショ
ン、すなわち、レベル差の小さい光を受けて光素子信号
の確実な使用を可能とする。 【解決手段】 光素子のベースノードにおける電圧レベ
ルを安定化させるサーボ回路を設け、ナビゲーションセ
ンサ24、26の総面積に対する受光面積の割合を高くす
る。サーボ回路は、３つのMOSトランジスタ50、52およ
び54によって形成されている。これら３つのトランジス
タ50、52、54は、フォトトランジスタ36の出力のための
共通ゲート段を有するバイアス点増幅器を形成する。光
素子回路40で生成される電流を積分コンデンサ30に適正
に伝達するために、フォトダイオード34の逆電圧をほぼ
一定のレベルに維持しなければならない。ベースノード
56の電圧が変化すると、光電流は少なくとも部分的には
基板PNPトランジスタ36によって増幅される電流とはな
らずにダイオードキャパシタンス38の充放電において消
費される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光受容回路に関
し、たとえば、低い光レベルで動作するように構成され
た光受容体で信号対雑音比が比較的小さい条件で得られ
る光受容体情報の信頼性を向上することに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】ある面上の装置の通路を正確に判定する
ことはさまざまな技術分野において重要である。たとえ
ば、走査されたオリジナルの画像（原画）の忠実な表現
を得なければならない場合、そのオリジナル画像上での
走査装置の走行に関する正確な情報がなければならな
い。通常、スキャナによって取得される捕捉画像は画素
データ配列であり、これがデジタルフォーマッタのメモ
リに記憶される。歪みのない画像を得るためには、オリ
ジナル画像をこの画素データ配列に忠実にマップングし
なければならない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】

従来文献：米国特許第5,149,980号は、オリジナル画像
と光素子アレーのある方向の相対運動を判定するための
相互相関関数の使用を説明している。この一次元的方法
を、応用によってオリジナル画像とアレーとの二次元相
対運動のベクトルを判定して二次元平面内における平行
移動、回転および拡大・縮小を追跡することが可能であ
ることに着目する。

【０００４】上述の従来の文献：特許公報には光センサ
アレーを用いたオリジナル画像の“署名”部分の収集を
説明している。かかる署名部分は、オリジナル画像の表
面のきめや他の光学的特性を照射し、撮像することによ
って得られる。光の強度は表面のきめの変動に応じて画
素ごとに変動する。オリジナル画像の表面の画像の相関
関係を得ることによって、アレーとオリジナル画像の間
の相対運動を確認することができる。

【０００５】上述の特許公報の技術によるシステムの構
成の重要な要素は、それぞれの光素子の信号対雑音比を
オリジナル画像の署名部分を確実に判定し得るように十
分高く維持する回路である。信号が白い紙のきめのわず
かな変動の結果生じる画素間の反射率の差である場合、
反射率の変動は約６パーセントにすぎない。全体的解像
度を高くするためには各光素子の信号対雑音比を比較的
低くしなければならず、ここで所望の信号は媒体の反射
率の小さな変化であり主要なノイズ項は、反射率が固定
された部分に起因するフォトダイオードのショットノイ
ズである。有効な情報を得ようとすれば、ノイズ信号は
用紙の反射率の変動信号の６パーセント未満でなければ
ならない。

【０００６】このため、アプリケーション情報として光
強度の小さな差を用いるアプリケーション、すなわち、
レベル差の小さい光を受けて、光素子信号の確実な使用
を可能とする光受容回路および光素子回路が必要とされ
ている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、小さな光強度の
識別を必要とする光素子のアプリケーションにおいて十
分な信号対雑音比を得るための２段階からなる改善をも
たらす回路を採用する。第一に、この回路においてはそ
の総面積に対する光受容体の面積の割合が高く、第二に
は、この回路を信号のうち演算回路に転送される部分を
増大させるように構成する。すなわち、本発明の光受容
回路は、光エネルギを受けて電気的信号を生成する光受
容回路であって、（１）増幅回路と光受容体を有する回
路であって、この回路がエミッタノードとベースノード
とを有し、前記光受容体が光エネルギを受けて前記ベー
スノードに電流を生成する光素子回路と、（２）前記光
受容体による光エネルギの受容中に前記ベースノードの
電圧を動的に安定化させる手段であって、前記ベースノ
ードから前記エミッタノードへの帰還ループを含むサー
ボ手段とを備える。

【０００８】具体的には、サーボ回路を用いてフォトト
ランジスタのエミッタノードを介してベースノードがバ
イアスされる。ベースノードはこれによってほぼ一定の
電圧に保たれ、その結果光エネルギを受けた結果として
生じる光電流はフォトトランジスタの寄生キャパシタン
スの充放電には用いられず、画素記憶コンデンサに流れ
る。フォトトランジスタを用いることによって、フォト
ダイオード出力の電流利得が得られる。その結果、この
光素子は低い光レベルでの動作や光強度の小さな差によ
って処理すべきデータが定義されるアプリケーションに
おける動作により適したものとなる。

【０００９】このサーボ回路は、フォトトランジスタの
ベースノードにおける電圧変動がエミッタノードにおけ
る逆の電圧変動に変換される負帰還ループである。本発
明では、ベースノードが第１のトランジスタのゲートに
接続される。第１のトランジスタのドレインは高インピ
ーダンスを生じるトランジスタ等の一定電流のソースに
接続される。このトランジスタのドレインはこの動作に
おいてソースフォロワとして機能する第２のトランジス
タのゲートにも接続される。第２のトランジスタのソー
スはフォトトランジスタのエミッタノードに接続され、
ドレインはリセットスイッチを介して定電圧源に選択的
に接続される。なお、このリセットスイッチは、Ｐチャ
ンネルトランジスタとすることができる。

【００１０】このフォトトランジスタのコレクタと第２
のトランジスタのドレインとの間に積分コンデンサを接
続することができる。受光の結果として光電流が発生す
ると、この積分コンデンサが充電される。この積分コン
デンサは、読出し線に選択的に接続され、伝達増幅器に
よって出力される。本発明では、この伝達増幅器は１列
の光素子の積分コンデンサに順次接続され、したがって
１つの伝達増幅器が１列の光素子全部に対処する。

【００１１】このサーボ回路を設けることによって、あ
る特定の光素子の積分コンデンサの充電を効率的に行な
うことができる。第１のトランジスタはこのフォトトラ
ンジスタのベースノードの電圧をモニターする。このベ
ースノード電圧が増大すると、この増大は第２のトラン
ジスタのゲートに印加され、第２のトランジスタはソー
スホロワとしてはたらいてこの電荷をエミッタノードに
印加する。このフォトトランジスタのベースには直流負
荷による制約がないためこの効果はベースノードに及ぼ
される。

【００１２】この総面積に対して比較的高い光受容体の
面積の割合は、多数の要因によって達成される。１つの
要因は、比較的少数の部品を用いたベース電圧を安定さ
せるためのサーボ回路の構成である。他の要因は、１つ
の伝達増幅器を用いて光素子列全体に対処する点であ
る。また、他の要因は、光素子対回路を形成することに
よる伝達増幅器への読出し線等の共通の回路経路の効率
的な共用である。それぞれの光素子対回路は異なる受光
領域を有し、またそれら受光領域の間に動作回路を有す
る。ここで問題とする信号は、隣り合う光素子の間の出
力差である。したがって、個々の積分コンデンサを読み
出すためのスイッチング回路は、電荷注入補償回路を設
けることなく動作させることができる。これは、１つの
光素子からの注入効果が、隣接する光素子と一致し、差
信号から取り除かれるためである。

【００１３】本発明の利点は、光素子のサーボ回路がフ
ォトトランジスタのベース上にバイアス点を維持し、そ
の結果光によって誘起される電流が適当な積分コンデン
サに効率的に供給されることである。他の利点は、受光
領域の割合を高くすることができることである。基板PN
Pトランジスタを用いてフォトダイオードからの電流レ
ベルが増強され、その結果積分コンデンサを光素子間で
の再現性を得られるだけ大きくすることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好適な実施の形態
を図面を用いて説明する。図１は、本実施の形態のオリ
ジナル上の蛇行する経路を追跡するハンドヘルド走査装
置10の斜視図である。この図１において、携帯式ハンド
ヘルド走査装置10はオリジナル14上の蛇行する経路を追
跡したものとして示されている。オリジナル14は紙片と
することができるが、本実施の形態は他の画像担持物に
も適用することができる。携帯式ハンドヘルド走査装置
10を使用するとき、紙の繊維等の固有の組織構造の位置
を追跡し、その結果得られる位置情報を用いて画像デー
タを調整することができる。しかし、本実施の形態は他
のアプリケーションにも適用することができる。

【００１５】携帯式ハンドヘルド走査装置10は、好適に
は自給式であり、バッテリーによって動作する。しか
し、この携帯式ハンドヘルド走査装置10は、外部電源あ
るいはコンピュータあるいはネットワークのデータポー
トへの接続部を有する。この携帯式ハンドヘルド走査装
置10は画像表示装置16を含む。この画像表示装置16は、
捕捉された画像をほぼ即時に見ることができるものであ
る。

【００１６】携帯式ハンドヘルド走査装置10は、３つの
自由度を与えるものであり、そのうち２つは平行移動に
おける自由度であり、他の１つは回転における自由度で
ある。第１の自由度は、オリジナル14上での左右移動
（X軸移動）である。第２の自由度は、オリジナル14上
での上下移動（Y軸移動）である。第３の自由度は、装
置を画像センサ素子の直線アレーの回転がオリジナル14
の縁に対して位置ずれした状態で動作させることができ
ることである（θ軸移動）。すなわち、撮像素子の直線
アレーに装置の平行移動の方向に直角でない迎角を持た
せることができる。

【００１７】図２は、図１の携帯式ハンドヘルド走査装
置10の撮像・ナビゲーションセンサの底面図である。図
１および図２に示すように、携帯式ハンドヘルド走査装
置10の底面18には、オリジナル14と撮像センサ22との間
に適切な接触を維持するための回転部材20が設けられて
いる。この撮像センサ22の両端にはナビゲーションセン
サ24および26が配置されている。これらのナビゲーショ
ンセンサ24、26は、回転部材20に取り付けられているた
め、撮像センサ22に対して一定した位置にある。

【００１８】物理的に小型にするために、撮像センサ22
は、密着型画像装置とすることが好適であるが、小型化
の重要度が低い、あるいは小さい画像を必要とするアプ
リケーションでは、１未満の倍率の投影光学系を用いた
センサを採用することができる。小型撮像装置には通常
SELFOCの商標（日本板硝子の登録商標）で販売されてい
るレンズが用いられる。これに比べ一般的ではないが、
撮像レンズを用いず光源と隣接面センサの交互配列要素
を用いて密着型撮像を行なうことも可能である。走査ア
プリケーション用の従来の撮像センサを使用することが
できる。撮像センサ22は、光源、照射光学系、および画
像転送光学系を有するユニットの一部とすることができ
る。

【００１９】図１には、蛇行する経路12が、４スワッス
と数分の１スワッス、すなわちオリジナル14上の横方向
のパスを有するものとして示されている。ほとんどのア
プリケーションに使用できる撮像センサ22の長さは25 m
mから100 mmの範囲内である。ステッチ（縫い合わせ）
処理を用いて走査されるオリジナルの忠実な表現を生成
するために、スワッスには重複部分がなければならな
い。

【００２０】携帯式ハンドヘルド走査装置10は、少なく
とも１つのナビゲーションセンサ24あるいは26を有す
る。本実施の形態においては、携帯式ハンドヘルド走査
装置10が１対のナビゲーションセンサ24、26を有し、そ
れらは撮像センサ22の両端に設けられる。互いに直交す
るように取り付けられた光素子の一次元アレーを用いる
こともできるが、各ナビゲーションセンサ24、26を素子
の二次元アレーとする実施例の方がはるかに好適であ
る。ナビゲーションセンサ24、26はオリジナル14に対す
る携帯式ハンドヘルド走査装置10の移動を追跡すること
に用いられる。

【００２１】各ナビゲーションセンサ24、26は、読出し
・信号処理回路を含む集積回路基板上に形成された光素
子のアレーである。40μmの画素距離の範囲に必要な位
置精度は2.0μmである。この非常に高い位置精度を得る
には、素子間で十分な差を有する信号を得るために個々
の光素子の長さを数十ミクロン以下としなければならな
い。本実施の形態においては、紙のオリジナル14上の所
望の画素サイズは40ミクロンであり、撮像光学系によっ
て1.5倍の倍率が得られる。したがって、ナビゲーショ
ンセンサ24、26の受光素子は、60μｍ×60μmである。
各ナビゲーションセンサ24、26は、64の列と32の行を有
するアレーである。

【００２２】ナビゲーションセンサ24、26の動作におい
て、求める信号はオリジナル14の表面の変化によって発
生する画素間の反射率の差である。表面の変化とは白い
紙のきめの変化であり、反射率の変動は白い紙の基本的
反射率の約６パーセントに過ぎない。したがって、全体
的解像度を高くするには、各光素子の信号対雑音比を約
２とする。主要なノイズ項は反射率の固定部分によって
発生する光素子信号のショットノイズである。走行方向
を判定すべきときには、ノイズ信号は用紙の反射率変動
の６パーセント未満でなければならない。本実施の形態
は、各光素子のベースノードにおける電圧レベルを安定
化させるサーボ回路を設け、ナビゲーションセンサ24、
26の総面積に対する受光面積の割合を高くすることによ
ってこの問題を解決するものである。

【００２３】図３は、光素子回路40の概略図である。図
４は光素子対回路のより詳細な回路図である。入射光は
電流に変換され、この電流がサンプリング期間中に積分
される。記憶された値は周期的に読み出され、処理シー
ケンスの次のステップにおいて利用可能となる。積分サ
イクルの始めに、リセットスイッチ28が“オン”され、
積分コンデンサ30が、3.25ボルトにリセットされる。図
４に示すように、リセットスイッチ28は、Ｐチャネルト
ランジスタ28であり、このトランジスタ28は第１のリセ
ット線32を介してこのトランジスタ28のゲートにローレ
ベルを印加することによって“オン”される。フォトダ
イオード34を用いて生成される光電流はPNPトランジス
タ36によって増幅される。これらのフォトダイオード34
およびトランジスタ28は寄生キャパシタンス38とともに
光素子回路40を形成する。増幅された光電流によって積
分回路30が1.75ボルトのレベルまで下向きに充電され
る。サンプリング期間の終わりに読出しスイッチ42が
“オン”され、記憶された値が読出し線44上を伝達増幅
器46に出力される。図４に示すように、この読出しスイ
ッチは読出し制御線48によって制御されるｎチャネルト
ランジスタである。

【００２４】光素子回路40のフォトダイオード34は、光
子を受けて電流を生成する。このフォトダイオード34
は、PNPトランジスタ36のベースに接続されている。逆
バイアスダイオードキャパシタンス38は、寄生キャパシ
タンスであり、0.16 pFとすることができる。32×64の
素子アレーを設ける上述の実施の形態では、このフォト
ダイオード34上の光出力は1.1 nWと判定された。これに
よってダイオードの電流源に0.6 nAの電流が発生する。
このように電流レベルが低いため、一定の光電流の約６
パーセントに過ぎない光変動信号によってノイズと十分
区別し得る電圧差を確実に発生させるには増幅が必要で
ある。

【００２５】光素子回路40のPNPトランジスタ36は、こ
の光電流を増幅する。このトランジスタ36による増幅に
よって光素子間での再現性を容易に得られる積分コンデ
ンサ30の使用が可能になる。増幅を行なわないと、フォ
トダイオード34からの低い電流で２ボルトの揺れ、たと
えば10 fFを得るためには積分器として非常に小さいコ
ンデンサが必要になる。寄生があるため、これを素子間
で再生することは困難である。光素子のレイアウトをダ
イオードから基板PNP素子に変更することは電流増幅を
行なう簡便な方法である。β値を18とすることによって
出力エミッタ電流は11.4 nAに増大する。したがって、
0.20 pFの積分コンデンサ30を用いることができる。こ
れによって再生が容易になるが、必要面積が過大になる
ほど大きなものではない。

【００２６】図３に示す回路に注意を要することは出力
電流、したがって積分コンデンサ30の電圧の決定にβへ
の直接的依存性が生じることである。しかし、試験の結
果、ユニット間の回路の整合は良好であり、β依存性の
影響は小さいことがわかった。

【００２７】３つのMOSトランジスタ50、52および54に
よってサーボ回路が形成される。これら３つのトランジ
スタ50、52、54は、フォトトランジスタ36の出力のため
の共通ゲート段を有するバイアス点増幅器を形成する。
光素子回路40で生成される電流を積分コンデンサ30に適
正に伝達するためには、フォトダイオードの逆電圧（す
なわち、トランジスタのベース電圧）をほぼ一定のレベ
ルに維持しなければならない。ベースノード56の電圧が
変化すると、光電流は少なくとも部分的には基板PNPト
ランジスタ36によって増幅される電流とはならずにダイ
オードキャパシタンス38の充放電において消費される。

【００２８】ノード56におけるトランジスタベース電圧
は３つのMOSトランジスタ50、52および54によってほぼ
一定のレベルに維持される。所望の動作を得る上で、図
３および図４の実施の形態において、このほぼ一定の電
圧レベルはコレクタノード58におけるAVSSより上のNMOS
しきい値レベルにほぼ等しい。３つのMOSトランジスタ5
0、52、54において、トランジスタ52がPNPトランジスタ
のエミッタノード62に対するソースホロワとして動作す
ることによって負帰還ループとして動作する。したがっ
て、ベース電圧はこのトランジスタのエミッタ電圧によ
って制御される。これが可能なのは、ベース電圧すなわ
ちフォトダイオード出力が非常に高い直流インピーダン
スレベルを有するためである。試験時に、このエミッタ
制御のバイアス回路は有効に機能した。出力の面からみ
れば、MOSトランジスタ52は、このトランジスタ52のエ
ミッタノード62とベースノード56とをPHTO1ノード64の
電圧の揺れかた、さらに絶縁するという追加的な利点を
有する共通ゲート段である。

【００２９】図５は、上述の図４のタイミング図であ
る。図３、図４および図５に示すように、ある期間にお
いて、PHOTO1ノード64の出力電圧は、3.25ボルトすなわ
ちVBB1に維持される。リセット切換えトランジスタ28が
この3.25ボルトを発生する。スイッチングトランジスタ
が電気的に“オン”であるとき、CGN1ノード66は約2.6
ボルトに保たれ、エミッタノード62は約1.4ボルトに保
たれる。ノード56のベース電圧は1.0ボルト近辺であ
る。

【００３０】対象となる媒体を照射する光源が“オン”
されると、トランジスタ36のベースからAVSSに接続され
たコレクタノード58に約0.6 nAの光電流が発生する。こ
のシーケンスの開始から0.7 μ秒後に、第１のリセット
線32すなわちRST1Bのリセット信号がハイレベルにな
り、これによってリセットスイッチ28が“オフ”され
る。その結果、フォトトランジスタ36のエミッタ電流が
第２のｎチャネルトランジスタ70と並列な第１のｎチャ
ネルトランジスタ68のゲートチャネルキャパシタンスに
よって形成される容量性構造から引っ張られるためにPH
OTO1ノード64における出力が線形に降下する。この電圧
範囲は3.25Vから1.75Vである。その結果、第１のｎチャ
ネルトランジスタ68と第２のｎチャネルトランジスタ70
のゲートはこれらの素子のゲート-チャンネルキャパシ
タンスが素子のしきい値レベルより上になるように高く
保たれる。

【００３１】リセットスイッチ28が“オフ”である積分
時間中、エミッタノード62とベースノード56の電圧は上
述した負帰還ループによって安定した状態に保たれる。
ベースノードの電圧は約２ mVの範囲内にとどまる。

【００３２】約20マイクロ秒の積分時間後、読出しスイ
ッチ42が“オン”され、読出し制御線48によってトラン
ジスタ42に正のゲートパルスが送られる。この正のゲー
トパルスの持続時間は約200 nsである。伝達増幅器46の
動作によってPHOTO1ノード64が1.75ボルトまで引っ張ら
れる。これによって伝達増幅器におけるコンデンサ72へ
の信号の伝達が行なわれる。この伝達処理が終わると、
読出し制御線48は、ローに戻り、第１のリセット線32も
またローになる。その結果リセットスイッチ28が“オ
ン”になり、PHOTO1ノード64は3.25ボルトに引き戻され
る。

【００３３】図６は、図４の回路のレイアウト例であ
る。図４および図６に示すように、上述したナビゲーシ
ョンセンサ24、26のそれぞれは光素子対回路としてレイ
アウトされる素子アレーである。60μm×60μmの２つの
ユニットが、これら２つのユニットの間でいくつかの共
通信号を共用しうるように製作される。これによって、
相互接続に要する面積が低減される。その結果、光素子
の受光面積を増大することができる。たとえば、受光面
積を総面積の40パーセントとすることができる。最小限
のスイッチングおよびサーボ増幅回路を用いることによ
って、従来のフォトダイオードとアナログ処理を組み合
わせた方法に比べて高い“フィルファクター”を得るこ
とができる。

【００３４】図６において、フォトダイオードあるいは
それぞれのフォトトランジスタのベース部はｐ型基板へ
のｎウェルの拡散によって形成される。このｎウェル領
域は図６の破線74および76で示す。ｐ型エピタキシャル
層の上に比較的軽くドーピングしたｎウェル領域を組み
合わせることによって、所望の光応答特性が得られる。
650 nmの波長において、量子効率は約87.8パーセントで
あった。このレイアウトの目的は総面積に対してｎウェ
ルを最小限にして、全領域に当たる光が光電流に変換さ
れる割合を高めることにある。

【００３５】破線74および76で示すｎウェル領域への２
種類の接点が用いられる。ｎアイランドストリップ78お
よび80は、それぞれの光素子のｎウェル領域と接触して
フォトダイオードのカソードを形成する。これらもまた
基板PNPトランジスタのベース接点である。それぞれの
光素子のｎウェル-基板接合部はこのフォトトランジス
タのベース-コレクタ接合部を形成する。これらの接点
と交互にｐアイランドストリップ82および84が設けられ
ている。これらのｐストリップはこのフォトトランジス
タのエミッタ接点を成し、破線74および76によって示す
ｎウェル領域との接続部を形成する。２つの光素子のそ
れぞれについて、ベース金属線86および88が読出し制御
線48および90（図４に簡単に示す）まで伸張している。

【００３６】ｎウェル領域74および76の接点を含まない
領域にのみ光をあてなければならない。さらに、図６に
示す他の回路に光があたってはならない。したがって。
金属層を用いて露出してはならない領域に必要な遮光を
施すことができる。

【００３７】図７は図４の回路のうちの図６に示す受光
領域対の間の部分の拡大図である。図４と図７を比較す
ると、２つの受光領域の間の領域にはそれぞれがリセッ
ト線32および94とPHOTO1ノード64および96とに接続され
た１対のリセット回路28および92が設けられている。ま
た、この中央領域には上述したように負帰還ループのそ
れぞれを動作させるために必要な高インピーダンス状態
と定電流源を提供するMOSトランジスタ54および92が設
けられている。実際に、この中央領域の外にはゲイント
ランジスタ50および100と共通ゲート段と記憶キャパシ
タンスを成すトランジスタ68および70のうちの１つしか
ない（図４において、第２の光素子102の記憶容量トラ
ンジスタを符号104および106で示す）。

【００３８】CMOSスイッチを用いる多くのアプリケーシ
ョンにおいて、図４および図６に示す回路にはスイッチ
ングとともに電荷注入補償回路が必要である。問題はス
イッチング動作が結合して小さなステップ誤差が生じる
ことである。従来、かかる誤差を防止するために電荷注
入補償回路が用いられてきた。しかし、この追加回路は
面積損失を生じさせる。このアプリケーションでは、こ
の面積損失によって総面積に対する受光面積の割合が小
さくなる。光素子対回路を設け、回路を図６および図７
に示すように構成することによって電荷補償回路を削除
することができる。この回路の動作は信号出力の差によ
って行われるため、隣接するユニットを比較してその差
を見ることによって電荷注入効果の一次低減が得られ
る。

【００３９】受光面積の割合を増大する他の要因として
は、光素子の列全体に対して１つの伝達増幅器を用いる
ことがある。上述した実施例では、32行×64列の光素子
がある。各行は16の光素子対からなる。各列の最下部に
は図３に示す伝達素子46等の伝達素子がある。読み出し
は一度に１行に対して行なわれる。すなわち、１つの行
のすべての素子がアレーの最下部の64列の伝達増幅器に
よって同時に読み出される。これが完了し、信号が下流
の処理回路に伝達されると、次の光素子列が読み出され
る。この動作を可能にするために、積分と読み出しのタ
イミングは１つの行と次の行まで、読み出しから再起動
まで300 nsの時間だけずらされる。

【００４０】後続の処理回路への伝達動作は本実施の形
態においては特別なものではない。しかし、ここで図３
の伝達増幅器46を概説しておく。伝達増幅器46による伝
達の間に、ユニットはリセットされ、積分コンデンサ30
はショートされる。この期間中、入力ノードは電圧1.75
Vに保持される。リセット動作の前にリセットスイッチ
が開かれる。次に、選択された光素子からの読み出しス
イッチ42が“オン”される。これによって読出し線44に
接続された伝達増幅器46の入力（すなわち、この増幅器
のマイナス入力）の電圧の正の摂動が発生する。この伝
達増幅器46の出力線108において、出力は負になり、伝
達コンデンサ７２を介して読出し線から電荷を引っ張
る。これによって電圧レベルが1.75Vになる。電荷は保
存されるため、積分コンデンサ30をその最終電圧から伝
達増幅器46の固定入力の固定された電位（たとえば1.75
V）に下げるために必要な電荷の量は積分コンデンサ30
から伝達コンデンサ72に引っ張られる。以上の実施の形
態によれば、光素子のサーボ回路（MOSトランジスタ5
0、52、54からなる回路）がフォトトランジスタ36のベ
ース上にバイアス点を維持し、その結果光によって誘起
される電流が適当な積分コンデンサ30に効率的に供給さ
れる。また、受光領域の割合を高くすることができる。
基板PNPトランジスタ36を用いてフォトダイオード34か
らの電流レベルが増強される。

【００４１】以下、本発明の実施の形態を要約して挙げ
る。

【００４２】１．光エネルギを受けて電気的信号を生成
する光受容回路であって、増幅回路と光受容体を有する
回路であって、この回路がエミッタノードとベースノー
ドとを有し、前記光受容体が光エネルギを受けて前記ベ
ースノードに電流を生成する光素子回路と、前記光受容
体による光エネルギの受容中に前記ベースノードの電圧
を動的に安定化させる手段であって、前記ベースノード
から前記エミッタノードへの帰還ループを含むサーボ手
段とからなる光受容回路。

【００４３】２．上記１記載の光受容回路において、前
記増幅装置がバイポーラトランジスタであり、前記光受
容体が前記バイポーラトランジスタのベースを前記バイ
ポーラトランジスタのコレクタに接続するフォトダイオ
ードであり、前記帰還ループが、前記光素子回路の前記
ベースノードにおける電圧の変動を前記エミッタノード
における逆の電圧変動に変換する負帰還ループである光
受容回路。

【００４４】３．上記２記載の光受容回路において、さ
らに前記フォトダイオードで光エネルギが受容されると
充電されるように前記フォトダイオードとバイポーラト
ランジスタとに接続された積分コンデンサを有する光受
容回路。

【００４５】４．上記１記載の光受容回路において、前
記帰還ループが、前記エミッタノードを介して前記ベー
スノードをバイアスするバイアス手段を含む光受容回
路。

【００４６】５．上記４記載の光受容回路において、前
記バイアス手段が、MOSトランジスタで構成されもので
あって、前記ベースノードに接続されたゲートとドレイ
ンとを有する第１のMOSトランジスタを含み、前記MOSト
ランジスタがさらに前記第１のMOSトランジスタの前記
ドレインに接続されたゲートと前記エミッタノードに接
続されたソースとを有する第２のMOSトランジスタを含
み、これらによって負帰還ループが形成される光受容回
路。

【００４７】６．上記５記載の光受容回路において、前
記MOSトランジスタが、前記第１のMOSトランジスタの前
記ドレインに接続され電流を供給する第３のMOSトラン
ジスタを含む光受容回路。

【００４８】７．上記１記載の光受容回路において、さ
らに前記光受容体による光エネルギの受容によって誘起
される電流に応じて充電される前記光素子回路に接続さ
れたコンデンサを有し、このコンデンサが電荷を選択的
に判定するための読出し線に接続される光受容回路。

【００４９】８．上記１記載の光受容回路において、前
記光素子回路が、光素子アレー回路の中の１つの素子回
路である光受容回路。

【００５０】９．ベース、エミッタおよびコレクタを有
するバイポーラトランジスタと、前記ベースに接続され
光の検出に応じて電流を誘起する光受容体と、前記ベー
スに接続されたゲートとドレインとを有する第１のMOS
トランジスタおよびこの第１のMOSトランジスタの前記
ドレインに接続されたゲートと前記バイポーラトランジ
スタの前記エミッタに接続されたソースとを有する第２
のMOSトランジスタを有する負帰還ループ回路と、前記
光受容体によって誘起される電流に応じて電荷を受ける
ように接続されるコンデンサとからなる光素子回路。

【００５１】10．上記９記載の光素子回路において、前
記第１のMOSトランジスタの前記ドレインが、ほぼ一定
の電流源に接続される光素子回路。

【００５２】11．上記10記載の光素子回路において、前
記電流源からの電流が、導通状態にバイアスされる第３
のMOSトランジスタを介して供給される光素子回路。

【００５３】12．上記９記載の光素子回路において、前
記第２のMOSトランジスタが、コンデンサの端子に接続
されたドレインを有する光素子回路。

【００５４】13．上記12記載の光素子回路において、さ
らに前記コンデンサにリセット電圧を選択的に印加する
リセット切換え手段を有する光素子回路。

【００５５】14．上記９記載の光素子回路において、さ
らに前記コンデンサの電荷を選択的に読み出す読出し切
換え手段を有する光素子回路。

【００５６】15．光エネルギを受けて電気的信号を生成
する光受容回路であって、第１および第２の光受容体
と、この第１および第２の光受容体の間に形成された第
１の動作回路とを有する回路であって、前記第１の動作
回路が、第１の読出し線および前記第１または第２の光
受容体の１つをある特定の時間に前記第１の読出し線に
接続する第１の切換え手段を含む第１の光素子対回路
と、第３および第４の光受容体と、その間に形成された
第２の動作回路とを有する回路であって、前記第２の動
作回路が、前記第１の読出し線に電気的に接続された第
２の読出し線およびある特定の時間に前記第３または第
４の光受容体のうちの１つに接続する第２の切換え手段
を含む第２の光素子対回路と、前記第１および第２の読
出し線に電気的に接続され、処理回路に伝達すべき信号
を受ける伝達増幅器とからなる光受容回路。

【００５７】16．上記15記載の光受容回路において、前
記第１および第２の動作回路のそれぞれが電荷注入補償
回路を有しない光受容回路。

【００５８】17．上記16記載の光受容回路において、前
記第１および第２の切換え手段が、第１および第２のス
イッチングトランジスタを含む光受容回路。

【００５９】18．上記17記載の光受容回路において、さ
らに前記伝達増幅器への接続に続いて前記光素子対回路
を静的状態に戻すための、前記第１の受容体から第４の
光受容体のそれぞれに対するリセット切換えトランジス
タを有する光受容回路。

【００６０】

【発明の効果】以上述べたように本発明は、増幅回路と
光受容体とを有する光素子回路がエミッタノードとベー
スノードとを有し光受容体が光エネルギを受けてベース
ノードに電流を生成し、光受容体による光エネルギの受
容中にベースノードの電圧を動的に安定化させるサーボ
手段が、ベースノードからエミッタノードへの帰還ルー
プを形成しているので、光強度の小さな差を用いるアプ
リケーションにおいて、すなわち、レベル差の小さい光
を受け光素子信号の確実な使用を可能とすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態のオリジナル上の蛇行する
経路を追跡する携帯式ハンドヘルド走査装置の斜視図で
ある。

【図２】図１の携帯式ハンドヘルド走査装置の撮像・ナ
ビゲーションセンサの底面図である。

【図３】本実施の形態の負帰還ループを有する光素子回
路である。

【図４】本実施の形態の光素子対回路の概略図である。

【図５】図４の回路のタイミング図である。

【図６】図４の回路の回路レイアウトである。

【図７】図６の回路の部分拡大図である。

【符号の説明】

28 リセットスイッチ 30 積分コンデンサ 34 フォトダイオード 36 PNPトランジスタ 38 寄生キャパシタンス 40 光素子回路 42 読出しスイッチ 44 読出し線 46 伝達増幅器 50、52、54 MOSトランジスタ 56 ベースノード 58 コレクタノード 62 エミッタノード 64 PHTO1ノード 72 コンデンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス・ハーナク アメリカ合衆国 カリフォルニア、ポート ラ・ヴァレイ、コールマイン・ヴュー １ (72)発明者 ジョーイ・ドエルンベルク アメリカ合衆国 カリフォルニア、サン・ カーロス、ウインディング・ウェイ 399

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光エネルギを受けて電気的信号を生成す
   る光受容回路であって、 増幅回路と光受容体を有する回路であって、この回路が
   エミッタノードとベースノードとを有し、前記光受容体
   が光エネルギを受けて前記ベースノードに電流を生成す
   る光素子回路と、 前記光受容体による光エネルギの受容中に前記ベースノ
   ードの電圧を動的に安定化させる手段であって、前記ベ
   ースノードから前記エミッタノードへの帰還ループを含
   むサーボ手段とからなることを特徴とする光受容回路。