JP5040820B2 - 画像読取装置、および画像読取装置の制御方法 - Google Patents

Description

この発明は画像読取装置、および画像読取装置の制御方法に関し、特に、２次元の画像を読取ることができる画像読取装置、および画像読取装置の制御方法に関する。

電子写真式の画像形成装置（スキャナ機能、ファクシミリ機能、複写機能、プリンタとしての機能、データ通信機能、およびサーバ機能を備えたＭＦＰ（Ｍｕｌｔｉ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ）、ファクシミリ装置、複写機など）には、紙の文書から画像を読取るスキャナ（画像読取装置の一例）が備えられている。

スキャナの構造としては、１次元に配列された複数の撮像素子を機械的に走査させることで、２次元の画像を取得するものが一般的である。また、メカ移動機構の無い２次元の密着型エリアセンサを用いて、省スペース且つ短時間で画像読取りを行なうスキャナが提案されている。このようなスキャナは、縦横に複数の画素を配置することで２次元の読取りを行なうものである。１画素のエリアは、発光エリアと受光エリアとに分割される。発光エリアの素子が発光し、原稿からの反射光を受光エリアの素子（光電変換部）が受光することでその画素における画像データの取得が行なわれる。

このような装置では、機械的な走査が不要であるため、走査に関わる不安定性や耐久劣化、騒音等の問題がなくなると共に、装置の小型化が可能である。従って、これら装置は新たな原稿読取装置として注目されている。

２次元の密着型エリアセンサを用いた原稿読取装置において、その光電変換部には電力消費量が少ないＣＭＯＳセンサを用いることが好ましい。そのようなセンサとしては、例えば埋め込みフォトダイオードを用いることができる。周辺回路には、トランスファゲート部、フローティング・ディフュージョン部（信号電荷蓄積部であり、「ＦＤ部」ともいう。）、およびリセットゲート部を備えさせ、相関二重サンプリング処理を行なうことにより画像信号のノイズを低減させることが考えられる。

下記特許文献１には、エリアセンサが有する画素に、光源としてのＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子と光電変換素子としてのフォトダイオードとを備えさせ、ＥＬ素子とフォトダイオードの動作をＴＦＴ（薄膜トランジスタ）で制御する密着型エリアセンサが記載されている。また、１つのフォトダイオードに対して３つのトランジスタを備えた光電変換回路の構成が開示されている。
特開２００１−２９２２７６号公報

２次元の密着型エリアセンサを用いた原稿読取装置は、光源／センサ層を、電源供給および制御用のＩＴＯ（酸化インジウム錫）層と基板とで挟んで構成される。ＩＴＯ層の上にある原稿の読取りが行なわれる。

通常の密着型エリアセンサでは、その読取画素数の多さ（Ａ３原稿；６００ｄｐｉの読取りでは７５００万画素、１２００ｄｐｉの読取りでは３億画素）により、一度に全面の画像を読み取った場合、各画素で光電変換された信号電荷がＦＤ部に転送・蓄積されてから、全画素分の信号電荷の電荷量を検出するまでに時間がかかる。このため、ＦＤ部に蓄積された信号電荷に、半導体内部で熱的に励起された電子が加わるなどして、その電荷量が変動し、画像信号のノイズ量が増大するという問題がある。

図９は、従来の技術における２次元の密着型エリアセンサを用いた原稿読取装置のタイミングチャートである。

時刻Ｔ１において、各画素に対する転送パルス（Ｄ）がＯＮとなる。これにより、フォトダイオード内の電荷（Ａ）は一度排出される。一定時間後に、転送パルス（Ｄ）が再度ＯＮとなるまでの時間（時刻Ｔ１〜Ｔ３）が画像読取時間となる。

２回目の転送パルスＯＮ（時刻Ｔ３）の前に、時刻Ｔ２でリセットパルス（Ｃ）をＯＮにすることで、ＦＤ部内の電荷（Ｂ）をリセットしておく。これにより、フォトダイオードで光電変換され発生した電荷量を、時刻Ｔ３の転送パルスで、ＦＤ部内の電荷量に正確に再現することができる。

但し、ＦＤ部に蓄積された電荷は、半導体内部で熱的に励起された電子の混入などにより、時間が経過するとその量が変動する。読取部全体の画素で発生する電荷を一度に各画素のＦＤ部に転送した場合でも、その電荷検出を一度に行なうことはできない。このため、最初の電荷検出と最後の電荷検出とで時間差が発生する（図における「サンプリングタイミング」が各画素で異なる）。

したがって、後の電荷検出ほど、ＦＤ部に当初転送された電荷から変動している可能性があり、フォトダイオードが受光した光量を正確に把握することが困難になる。

この発明はそのような問題点を解決するためになされたものであり、２次元に配列された複数の撮像素子を用いて原稿読取を行なう画像読取装置において、読取りの性能を向上させることができる画像読取装置、および画像読取装置の制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するためこの発明のある局面に従うと、画像読取装置は、２次元に配列された複数の画素部を用いて原稿の読取りを行なう画像読取装置であって、複数の画素部のそれぞれは、原稿を照射する光源部と、原稿からの光を検出する光電変換部と、光電変換部で発生した信号電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部とを含み、画像読取装置は、電荷蓄積部に蓄積された電荷量を検出する電荷検出部を備え、電荷蓄積部に信号電荷が転送されてから、それが電荷検出部により検出されるまでの時間が、複数の画素部のすべてにおいて略一定になるように、光電変換部での画像読取タイミングを制御する。

好ましくは画像読取装置は、複数の画素部が部分的にタイミングを変えて、かつ順次読取を行なうように制御を行なう。

好ましくは画像読取装置は、電荷検出部での電荷検出後、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を除去するための電荷リセット部をさらに備える。

好ましくは複数の画素部は、各画素部ごとに独立して発光が制御され、読取対象画素における光源部が発光し、読取対象画素の画像信号を取得する。

好ましくは光源部は、エレクトロルミネッセンス素子を含み、画素毎に配置された薄膜トランジスタにより、その発光が制御される。

好ましくは光源部は、白色バックライト光源とカラーフィルタと液晶パネルとを含み、画素毎に配置された薄膜トランジスタにより、その発光が制御される。

この発明の他の局面に従うと、２次元に配列された複数の画素部を用いて原稿の読取りを行なう画像読取装置の制御方法において、複数の画素部のそれぞれは、原稿を照射する光源部と、原稿からの光を検出する光電変換部と、光電変換部で発生した信号電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部とを含み、方法は、電荷蓄積部に蓄積された電荷量を検出する電荷検出ステップを備え、電荷蓄積部に信号電荷が転送されてから、それが電荷検出ステップにて検出されるまでの時間が、複数の画素部のすべてにおいて略一定になるように、光電変換部での画像読取タイミングを制御する。

これらの発明に従うと、２次元に配列された複数の撮像素子を用いて原稿読取を行なう画像読取装置において、読取りの性能を向上させることができる画像読取装置、および画像読取装置の制御方法を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態における、画像読取装置について説明する。画像読取装置は、２次元に配列された複数の撮像素子を供える。画像読取装置は、等倍結像（センサ（撮像素子）自体の解像度と原稿自体の読取解像度とが等しい）の光源切替え方式（光源をＲ（赤）→Ｇ（緑）→Ｂ（青）の順で切替えることによりカラー画像を得る方式）を採用する。すなわち画像読取装置は、原稿の画像情報をエリアタイプのイメージセンサ部で読取り、光電変換、画像処理を行なう密着型２次元画像読取装置である。

画像読取装置は、発光層と、その発光輝度や発光タイミングをコントロールする発光制御部と、載置された原稿の反射光を検出する光電変換層と、光電変換層で発生した信号電荷を画像信号として処理する画像信号制御部とを備える。

撮像素子としてはフォトダイオードが用いられる。１つのフォトダイオードに対して４つのトランジスタで構成される光電変換回路が用いられる。１画素は、ＥＬ素子とフォトダイオードと薄膜トランジスタとで構成される。光源はＥＬ素子でなくともよい。

図１は、本発明の実施の形態の１つにおける画像読取装置の外観を示す斜視図である。

図を参照して、画像読取装置１は、２次元に配列された複数の撮像素子を含む読取部２を備える。

図２は、画像読取装置の平面図である。

読取部２は、複数の画素部３で構成される。１つの画素部３は、光源部４とセンサ部５とで構成されている。光源部４は、ＲＥＤ光源、ＧＲＥＥＮ光源、およびＢＬＵＥ光源を含む（それぞれを異なるハッチングで示す）。

図３は、読取部２の断面構成の概略を示す図である。

読取部２は、光源／センサ層８を、電源供給および制御用のＩＴＯ層７および基板９で挟み込むように構成される。

画像読取時、点灯対象画素の光源／センサ層８の光源部４に電源が供給され、その画素が点灯する。発生した光は、透明のＩＴＯ層７を透過し、ＩＴＯ層７の上面に載置された原稿６に照射される。これにより、原稿の濃度に応じた反射光が発生する。

読取対象画素のセンサ部５は、原稿からの反射光を受光し、光電変換により反射光に応じた電圧を発生させる。各画素で発生した電圧が検出され、画像処理部で原稿の２次元画像が再構成される。

各画素部３の光源部４で、赤色、青色、緑色の３色が順次個別に点灯し、各色の光の点灯時にセンサ部５で発生する電圧を検出することにより、カラー読取りも可能である。

光源の点灯については、読取対象画素に対し、読取対象画素の光源のみ点灯させてもよいし、隣接する画素の光源も点灯させてもよいし、全画素の光源を点灯させてもよい。

図４は、画像読取装置の回路構成を示すブロック図である。

読取部２には、縦横に複数の画素部３が設けられる。列方向駆動回路１２５と、行方向駆動回路１２７とによりＸ，Ｙ方向のどの画素を発光させるか、Ｘ，Ｙ方向のどの画素で画像の読取を行なうか、Ｘ，Ｙ方向のどの画素を発光も読取りも行なわない待機状態とさせるかが制御される。列方向駆動回路１２５および行方向駆動回路１２７は、画素部３の光電変換層で発生した信号電荷を画像信号として処理する画像信号制御部の機能を備える。

各画素部には、薄膜トランジスタが配置され、これにより発光が制御される。

列方向駆動回路１２５および行方向駆動回路１２７のそれぞれは、駆動回路１２３に接続され、ＣＰＵ１２１により駆動される。すなわち外部からの読取命令に従って読取部２は読取動作を開始し、それにより得られた読取りデータはＣＰＵ１２１を介して出力される。

図５は、画像読取装置の読取部２の一部の回路構成を示す図である。

読取部２では、複数の画素部３の回路がマトリクス状に配置されている。

図６は、１つの画素部３の回路構成を示す図である。

画素部３内には、発光素子１０およびフォトダイオード１４が含まれている。

発光素子１０は、光源選択用トランジスタ１１、および光源駆動用トランジスタ１３（ならびにコンデンサ１２）により、必要なタイミングにおいて必要な輝度の光を発生するよう制御される。

また、画素部３内のフォトダイオード１４と、転送ゲート部１５と、電荷リセット部１６と、電荷検出用トランジスタ１７と、選択用トランジスタ１８との組み合わせにより、光電変換、発生電荷の転送、および発生電荷量の検出が制御される。

図７は、画素部３のフォトダイオード１４に関連する部分の詳細な断面構成を示す図である。

フォトダイオード１４に光が照射されると、光量に応じた電荷がフォトダイオード１４内に発生する。転送ゲート部１５がＯＮ状態になると、フォトダイオード１４内で発生した電荷がＦＤ部１９に移動する。ＦＤ部１９に転送された電荷量に応じ、ＦＤ部の電位が変動する。

その電位を電荷検出用トランジスタ１７で検出して、画像信号として取り出す。ＦＤ部１９に蓄積された電荷は、電荷リセット部１６をＯＮ状態にすることで、ＦＤ部１９から排出される。

図８は、画像読取装置の読取部２の動作を示すタイミングチャートである。

本実施の形態では、図９と同様の処理により画像読取り、および電荷のサンプリングが行なわれる。画像読取りのタイミングがその画素の電荷のサンプリングのタイミングに合わせて設定される。サンプリングのタイミングが後の画素ほど、画像読取りのタイミングが遅くなるように制御が行なわれる。

サンプリングを最も早く行なう１画素目の画素においては、時刻Ｔ１において、画素に対する転送パルス（Ｄ）がＯＮとなる。これにより、フォトダイオード内の電荷（Ａ）は一度排出される。一定時間後に、転送パルス（Ｄ）が再度ＯＮとなるまでの時間（時刻Ｔ１〜Ｔ３）が画像読取時間となる。

２回目の転送パルスＯＮ（時刻Ｔ３）の前に、時刻Ｔ２でリセットパルス（Ｃ）をＯＮにすることで、ＦＤ部内の電荷（Ｂ）をリセットしておく。これにより、フォトダイオードで光電変換され発生した電荷量を、時刻Ｔ３の転送パルスで、ＦＤ部内の電荷量に正確に再現することができる。ＦＤ部内の電荷は、時刻Ｔ４でサンプリングされる。

これに対し、サンプリングタイミングが１画素目よりも遅いｎ画素目では、時刻Ｔ１’（Ｔ１’はＴ１より遅い時刻）において、画素に対する転送パルス（Ｄ）がＯＮとなる。これにより、フォトダイオード内の電荷（Ａ）は一度排出される。一定時間後に、転送パルス（Ｄ）が再度ＯＮとなるまでの時間（時刻Ｔ１’〜Ｔ３’）が画像読取時間となる（この時間は、時刻Ｔ１〜Ｔ３間の時間とほぼ等しい）。

２回目の転送パルスＯＮ（時刻Ｔ３’）の前に、時刻Ｔ２’でリセットパルス（Ｃ）をＯＮにすることで、ＦＤ部内の電荷（Ｂ）をリセットしておく。これにより、フォトダイオードで光電変換され発生した電荷量を、時刻Ｔ３’の転送パルスで、ＦＤ部内の電荷量に正確に再現することができる。ＦＤ部内の電荷は、時刻Ｔ４’でサンプリングされる。

画像読取りの開始時刻Ｔ１’を調整することで、Ｔ３〜Ｔ４間の時間と、Ｔ３’〜Ｔ４’間の時間とをほぼ同じ時間（略同一）にすることができる。すなわち、各画素の画像読取時間をずらし、ＦＤ部１９への電荷転送から電荷検出までの時間を、全ての画素でおおよそ一定にすることにより、ＦＤ部１９での電荷蓄積時間の差による電荷量変動を抑えることができる。

なお、画素ごとに読取りの開始時刻をずらすようにしてもよいし、所定数の画素ごとに読取りの開始時刻をずらすようにしてもよい。例えば、ラインごと（またはブロックごと）に読取りの開始時刻をずらすなどである。

また、画素読取りのための光源の発光タイミングも、図８の画像読取時間に合わせてずらすことが望ましい。例えば図８の「画像読取」の間隔よりも余裕を見た広めの間隔で、各画素の発光を制御するなどである。このような制御のために、複数の画素部は、各画素部ごとに独立して発光および輝度を制御できる光源部を備えることが好ましい。部分的かつ順次、読取範囲内の読取対象画素（および／またはその画素の周縁画素）の光源が発光し、読取対象画素の画像信号を読取るものである。

［実施の形態における効果］

以上の実施の形態によると、発光層と原稿からの反射光を受光するセンサ層とを各画素に備えた密着型２次元画像読取装置は、タイミングをずらしながら部分的に原稿画像を読取る。各画素で発生された信号電荷がフローティング・ディフュージョン部に転送・蓄積されてから、各画素の電荷検出部にて信号電荷の電荷量を検出するまでの時間が略一定に揃えられる。すなわち、各画素で発生した信号電荷がフローティング・ディフュージョン部に転送・蓄積されてから電荷検出部にて読出されるまでの時間が、全画素で一定に揃えられる。これにより、読取面全体のノイズ量を低減させることができる。また、画像品質を均一にすることができる。これにより、高品位の画像読取装置を提供することが可能となる。

［その他］

光源としては、エレクトロルミネッセンス素子を用い、画素毎に配置した薄膜トランジスタにより、発光を制御してもよいし、白色バックライト光源とカラーフィルタと液晶パネルを用い、画素毎に配置した薄膜トランジスタにより、発光を制御してもよい。

画像読取装置は、モノクロ／カラーの複写機、プリンタ、ファクシミリ装置やこれらの複合機（ＭＦＰ）などの画像形成装置に設けられてもよい。

なお、上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態の１つにおける画像読取装置の外観を示す斜視図である。 画像読取装置の平面図である。 読取部２の断面構成の概略を示す図である。 画像読取装置の回路構成を示すブロック図である。 画像読取装置の読取部２の一部の回路構成を示す図である。 １つの画素部３の回路構成を示す図である。 画素部３のフォトダイオード１４に関連する部分の詳細な断面構成を示す図である。 画像読取装置の読取部２の動作を示すタイミングチャートである。 従来の技術における２次元の密着型エリアセンサを用いた原稿読取装置のタイミングチャートである。

符号の説明

１ ２次元画像読取装置
２ 読取部
３ 画素部
４ 光源部
５ センサ部
６ 原稿
７ ＩＴＯ層
８ 光源／センサ層
９ 基板
１０ 発光素子
１１ 光源選択用トランジスタ
１２ コンデンサ
１３ 光源駆動用トランジスタ
１４ フォトダイオード
１５ 転送ゲート部
１６ 電荷リセット部
１７ 電荷検出用トランジスタ
１８ 選択用トランジスタ
１９ ＦＤ部（フローティング・ディフュージョン部）

Claims (7)

1. ２次元に配列された複数の画素部を用いて原稿の読取りを行なう画像読取装置であって、
   前記複数の画素部のそれぞれは、
   前記原稿を照射する光源部と、
   前記原稿からの光を検出する光電変換部と、
   前記光電変換部で発生した信号電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部とを含み、
   前記電荷蓄積部に蓄積された電荷量を検出する電荷検出部を備え、
   前記電荷蓄積部に信号電荷が転送されてから、それが前記電荷検出部により検出されるまでの時間が、前記複数の画素部のすべてにおいて略一定になるように、前記光電変換部での画像読取タイミングを制御する、画像読取装置。
2. 前記複数の画素部が部分的にタイミングを変えて、かつ順次読取を行なうように制御を行なう、請求項１に記載の画像読取装置。
3. 前記電荷検出部での電荷検出後、前記電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を除去するための電荷リセット部をさらに備えた、請求項１または２に記載の画像読取装置。
4. 前記複数の画素部は、各画素部ごとに独立して発光が制御され、
   読取対象画素における光源部が発光し、読取対象画素の画像信号を取得する、請求項１から３のいずれかに記載の画像読取装置。
5. 前記光源部は、エレクトロルミネッセンス素子を含み、画素毎に配置された薄膜トランジスタにより、その発光が制御される、請求項１から４のいずれかに記載の画像読取装置。
6. 前記光源部は、白色バックライト光源とカラーフィルタと液晶パネルとを含み、画素毎に配置された薄膜トランジスタにより、その発光が制御される、請求項１から４のいずれかに記載の画像読取装置。
7. ２次元に配列された複数の画素部を用いて原稿の読取りを行なう画像読取装置の制御方法であって、
   前記複数の画素部のそれぞれは、
   前記原稿を照射する光源部と、
   前記原稿からの光を検出する光電変換部と、
   前記光電変換部で発生した信号電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積部とを含み、
   前記電荷蓄積部に蓄積された電荷量を検出する電荷検出ステップを備え、
   前記電荷蓄積部に信号電荷が転送されてから、それが前記電荷検出ステップにて検出されるまでの時間が、前記複数の画素部のすべてにおいて略一定になるように、前記光電変換部での画像読取タイミングを制御する、画像読取装置の制御方法。

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