DE2914803C2 - Halbleiter-Bildabtastvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Bildabtastvorrichiung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Es sind verschiedene Arten von Bildabtastvorrichtungen vorgeschlagen worden, die als Bilclabtastelemente das Vermögen zur photoelektrischen Umwandlung, zur Speicherung und Übertragung von analogen Signalen sowie selbstabtastende Halbleiterelemente, wie z. B. ladungsgekoppelte Elemente, Eimerketien-Schaltungen od. dgl. benutzen. Diese Halbleiter-Bildabtastvörriehtungen haben den Vorteil, daß sie von kleineren Abmessungen, geringerem Gewicht und im Betrieb zuverlässiger sind als herkömmliche Bildröhren. Jedoch besteht ein Nachteil bei ihnen darin, daß ihre Empfindlichkeit und ihre elektroskopische Eigenschaft nicht zufriedenstellen, und daß insbesondere bei ihrer Anwendung auf eine Farbfernsehkamera ihre Empfindlichkeit für zum Kurzwellenbereich gehörendes Blau unzureichend wird und es folglich schwierig ist, ein gutes Farbbild zu erhalten.

Selbstabtastende Halbleiter-Elemente mit ausgezeichneter Empfindlichkeit und ausgezeichneter spektroskopischer Eigenschaft waren ebenfalls Gegenstand von Untersuchungen und sind im Versuchsmaßstab mit Erfolg hergestellt worden. Unter den derzeitigen Bedingungen ist es jedoch schwierig, mit H:'!fe dieser ίο selbstabtastenden Halbleiter-Elemente mehrere Bilder von ausgezeichneter Güte bei guter Ausbeute aufzubauen.

F i g. 1 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen Halbleiter-Bildabtastvorrichtung mit einem Lichtempfänger 1, der, wenn er während einer gegebenen Zeit Licht ausgesetzt ist, eine photoelektrische Umwandlung vornimmt, um eine elektrische Ladung zu erzeugen, die der erhaltenen Lichtmenge entspricht Diese elektrische Ladung wird einem Übertragungsglied 2 zugeführt, welches die elektrische Ladung zu jedem gegebenen Zeitpunkt an ein Analog-Schieberegister 3 weitergibt, das die elektrische Ladung nacheinander durch den Selbstabtasteffekt ausliest und ein Bildsignal abgibt

F i g. 2 zeigt eine bekannte Bildabtastvorrichtung (vgl. z. B. L'onde electrique 1974, Bd. 54, Nr. 8, S. 405-413), die ein ladungsgekoppeltes Element verwendet und als lineare BildabtasU'orrichtung bezeichnet wird. Sie hat einen Lichtempfänger 11 mit einer Reihe von nebeneinander angeordneten Bildelementen, der, wenn er während einer gegebenen Zeit d. h. während einer Zeilenabtastperiode belichtet wird, als elektrische Ladung eine Bildelementinformation sammelt bzw. speichert. Sodann wird ein als Schiebeelektrode ausgebildetes Übertragungsglied 12 für die Weiterleitung der elektrischen Ladung zu einem ladungsgekoppelten Schieberegister 13 freigegeben. Wenn nach dem Blockieren der Schiebeelektrode 12 dem Schieberegister 13 ein Taktimpuls zugeführt wird, ist es möglich, an einem Ausgangsglied 14 ein Ausgängssignal einer Zeile zu erzeugen. Selbstverständlich wird die Abtastung in vertikaler Richtung optisch vorgenommen. Im Lichtempfänger 11 können die Bildelemente zweidimensional angeordnet sein, und durch eine Belichtung kann eine Bildelementinformation für jedes einzelne Feld erzielbar sein. In diesem Falle wird eine solche Bildabtastvorrichtung je nach Ausbildung des Übertragungsgliedes 2, des Schieberegisters 3 u.dgl. als Bildübertragungssystem oder Zwischenzeilensystem klassifiziert Alle v-jrstehend genannten herkömmlichen W Bildabtastvorrichtungen haben den Nachteil, daß ihre Empfindlichkeit und ihre spektroskopische Eigenschaft nicht zufriedenstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter-Bildabtastvorrichtung zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und eine verbesserte Empfindlichkeit und verbesserte spektroskopische Eigenschaften aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1. Aus RCA Review, Bd. 36, Sep. 1975, S. 385 - 390 ist es zwar bekannt, als photoelektrisehen Wandler eine bei Belichtung Photoelektronen emittierende Photokathode mit nachgeschaltetem Elekironenvervielfacher einzusetzen. Eine derartige Vorrichtung ist jedoch nicht zur *ί Speicherung der Photoelektronen zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen geeignet.

Die Erfindung schafft eine Halbleiter-Bildabtastvorrichtung mit einer photoelektrisehen Wandlerfläche, die

Elektronen entsprechend der an ihr auftreffenden Lichtmenge aussendet, einer Kanalplatte, welche die genannten Elektronen auffängt und unter Vervielfachung durch sich hindurchleitet, einer Einrichtung zum Anlegen einer Elektronenbeschleunigungsspannung an die Kanalplatte, einer Kollektorelektrode, die den Elektronenaussendeöffnungen der Kanalplatte gegenüber angeordnet ist und die Elektronen aufzufangen vermag, einem Speicher zum Sammeln von elektrischer Ladung, die von der Kollektorelektrode aufgefangen worden ist, einem Übertragungsglied, das zu jedem gegebenen Zeitpunkt die im Speicher gesammelte elektrische Ladung zu Obertragen vermag, und einem Analog-Schieberegister, das die vom Übertragungsglied übertragene elektrische Ladung vorübergehend zu sammeln und nacheinander die jeder Kollektorelektrode entsprechende elektrische Ladung als Ausgang abzugeben vermag.

Die erfindungsgemäße Halbleiter-Biidabtastvorrichtung besitzt den weiteren Vorteil, daß ihre Elemente, nämlich die Kanalplatte, die Kollektorelektroden und die Kondensatoren in gleicher Weise wie die Elemente zur photoelektrischen Ladungsspeicherung in integrierter Halbleiterbauweise hergestellt werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 3 die Ausbildung einer Halbleiter-Bildabtastvorrichtung mit einer Kanalplatte nach der Erfindung,

Fig.4 eine Schrägansicht, welche die Anordnung verschiedener Bauteile der erfindungsgemäßen Bildabtastvorrichtung gemäß F i g. 3 verdeutlicht,

Fig. 5a die Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 4.

F i g. 5b eine Seitenansicht derselben Anordnung,

F i g. 6 eine vereinfachte Darstellung von Kollektorelektroden, die als Einheit an einer Wafer ausgebildet sind, und

Fig.7 einen vereinfachten Schaltplan einer elektrischen Schaltungsanordnung, die zur Erzeugung einer an die Kanalplatte gemäß Fig.3 anzulegenden hohen Spannung verwendbar ist

Fig.3 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Halbleiter-Bildabtastvorrichtung von hoher Empfindlichkeit, die mit einer Kanalplatte ausgestattet ist. Sie hat eine photoelektrische WandlerTläche 21, die ein Lichtbild in ein elektronisches Bild umzuwandeln bzw. umzusetzen vermag, das dann einer als Elektronenvervielfacher wirkenden Mikrokanalplatte 22 zugeführt wird. Die photoelektrisc?>e Wandlerfläche 21 kann aus einem Material sein, das im allgemeinen für die photoelektrische Wandlerfäche der Photovervielfacher verwendet wird, z. B. Sb-Cs, oder mit zwei oder mehreren Alkalimetallen od. dgl. Die Kanalplatte 22 ist aus einer Sekunda.elektronen-Vervielfacherfläche zusammengesetzt, die Kapillarröhren aus Glas aufweist, welche die Fähigkeit zur Sekundärelektronenvervielfachung haben (Kanäle) und bei Nebeneinanderanordnung fest miteinander verschmolzen sind. F i g. 3 zeigt in vereinfachter Darstellung lediglich einen Kanal. Das an der photoelektrischen Wandlerfläche 21 erzeugte Elektron wird gegen die Innenwand des Kanals geschleudert, um Sekundärelektronen zu erzeugen, deren Amplitude um ein Mehrfaches größer ist als die des auftreffenden Elektrons. Das Elektron durchläuft b5 den vorstehend bescnriebenen Vorgang mehrere Male und wird während der P-irchlaufzeit durch den Kanal hinsichtlich der Amplitude um das ICP- bis 10'fache größer als das auftreffende Elektron. An die Kanalplatte 22 ist mit einer Spannungsquelle 23 eine Beschleunigungsspannung von etwa 1 kV angelegt, um zu bewirken, daß das Elektron die Kanalplatte 22 von links nach rechts durchfliegL Das an der rechten Seite der Kanalplatte 22 abgegebene Elektron wird von einer Kollektorelektrode 24 aufgefangen, und die so aufgefangene elektrische Ladung wird in einem Kondensator 25 gespeichert. Selbstverständlich sind die photoelektrische Wandlerfläche 21, die Kanalplatte 22 und die Kollektorelektrode 24 in einem nicht gezeichneten hermetisch abgedichteten Raum angeordnet, in dem ein Vakuum aufrechterhalten wird.

Gemäß Fig.4 hat die in Fig.3 dargestellte Kanalplatte 22 eine Reihe von nebeneinander angeordneten Kanälen, und die Kollektorelektrode 24 ist aus einer Reihe von Elektroden zusammengesetzt Es ist folglich möglich, mit einer Belichtung beispielsweise eine Bildeiementinformation für jede einzelne Zeile zu erhalten. Die so erhaltene Bildelementinformation wird für jede einzelne Zeilenperiode übet· ain Übertragungsglied 26, das dem Übertragungsglied 2 in F i g. t entspricht, einem Analog-Schieberegister 27 zugeleitet, das von einem ladungsgekoppelten Element od. dgl. gebildet ist und dem in F i g. 1 dargestellten Schieberegister 3 entspricht Aus dem Schieberegister 27 werden aufeinanderfolgende Bildelementinformationen ausgelesen, wodurch für jede einzelne Zeile ein Bildsignal erhalten wird. Selbstverständlich wird die Abtastung in vertikaler Richtung optisch vorgenommen, um aufeinanderfolgende einzelne Zeilen zu belichten.

Die Kanalplatte 22 weist eine beträchtlich große Zahl von sehr kleinen Kanälen von je beispielsweise 20 μπι Durchmesser auf, wobei die Anzahl der Kanäle ausreicht, um das von der Wandlerfläche 21 erhaltene Elektronenbild zu verstärken. Selbstverständlich muß eine entsprechende Anzahl sehr kleiner Kollektorelektroden 24 und Kondensatoren 25 vorhanden sein.

Fig.5a zeigt die Draufsicht auf die Kanalplatte 22 und die Kollektorelektroden 24 gemäß F i g. 4, F i g. 5b eine Seitenansicht davon.

Die in F i g. 4,5a und 5b dargestellte Ausführungsform weist eine Reihe nebeneinander angeordneter Kanäle auf. Alternativ können zwei Reihen Kanäle und Kollektorelektroden 24 sich rechtwhklig kreuzend angeordnet sein, so daß sich durch eine Belichtung eine Bildelementinformation für jedes einzelne Feld erzeugen läßt. In diesem Falle kann die Information jeweils immer nur für ein Feld erzeugt werden, so daß ein Speicher zum Ansammeln der Bildelementinformation für jedes einzelne Feld gewöhnlich vor dem erwähnten Analog-Schieberegister 27 angeordnet ist.

Bei der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform ist die KolleKtorelektrode 24 konkav und weist mit der konkaven Fläche gegen die Kanalplatte 22. Alternativ kann die Kollektorelektrode 24 bei entsprechender Festlegung ihrer Stellung in bezug auf die Kanalplatte 22 eben ausgeführt sein.

Die Kollektorel"ktrode 24 besteht aus einer beträchtlich großen Anzahl von Elektroden, so daß die gegenseitige Verbindung zwischen diesen Elektroden und dem Übertragungsglied 26 bei der Herstellung der Bildabtastvorrichtung schwierig wird. Es ist daher von Vorteil, wenn die Kollektorelektrode 24, der Kondensator 25, das Übertrag ingsglifid 26, das Schieberegister 27 od. dgl. als Einheit an einer Wafer ausgebildet sind.

F i g. 6 zeigt eine Kanalplatte von der Plattenseite her gesehen. Die Kollektorelektroden 32 sind an einer

Wafer 31 ausgebildet. An der Wafer 31 sind der Kondensator 25. das Übertragungsglied 26 und das ladungsgekoppelte Analog-Schieberegister 27 als Einheitausgebildet.

Als an die Kollektorelektroden anzuschließender Kondensator 25 ist eine schwimmende Kapazität od. dgl. der Verbindung zwischen den Kollektorelektroden und dem Übertragungsglied 26 verwendbar.

F i g. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer an die in Fig. 3 dargestellte Kanalplatte 22 anzulegenden Beschleunigungsspannung von etwa I kV. Das ladungsgekoppelte Schieberegister 27 wird von einer .Spannungsquelle mit etwa +15V gespeist: zur Erzeugung von I kV muß somit ein Gleichstrom Gleichstrom-Wandler bzw. Gleichumrichter verwendet werden. In diesem Falle besteht die Gefahr, daß sich dem Bildsignal Schwingungsimpulse überlagern. Zur Vermeidung solcher Überlagerung war es üblich, das Bildsignal mit dem waagerechten Abtastsignal zu synchronisieren. Wenn jedoch der Hochspannungsausgang eine Restwelligkeit aufweist, wird die Verstärkung der Kanalplatte 22 verändert und erzeugt im reproduzierten Bild helle und dunkle Sireifen. wodurch das Bild flimmert. Um dies zu verhindern, kann die Frequenz des Fernsehsignals, das die waagerechte Abtastfrequenz hat. in eine Frequenz geteüt werden, die um ein ganzzahliges Mehrfaches kleiner ist als die waagerechte Abtastfrequenz, und die Spannung des in der Frequenz herabgeteilten Fernsehsignals erhöht werden. Die Anwendung der vorstehend beschriebenen Maßnahmen gewährleistet die Ausschaltung von hellen und dunklen Streifen im reproduzierten Bild. Alternativ kann die Spannung eines Fernsehsignals erhöht werden, dessen Fiequenz um ein ganzzahliges Vielfaches größer ist als die waagerechte Abtastfrequenz. In diesem Falle ist die Welligkeit um so kleiner, je höher die Frequenz ist.

Die Verstärkung der Kanalplatte 22 läßt sich auch dadurch verändern, daß die oben erwähnte Beschleunigungsspannung veränderbar gemacht wird, wodurch der Kontrast des Bildsignals elektronisch eingestellt wird.

Die weiter oben beschriebene reflektierende photoelektrische Wandlerfläche 21 kann durch eine durchlässige photoelektrische Wandlerfläche ersetzt sein, bei der das Elektron in derselben Richtung wie die F.infallsrichtung des Lichtes ausgesandt wird. Außerdem kann die Konfiguration der Innenfläche der Kanalplatte 22 geändert und statt kreisrund polygonal od. dgl. sein.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Haibieitcr-Bildabtastvorrichtung nach der Erfindung in der Lage ist, die Empfindlichkeit und die spektroskopische Eigenschaft im Vergleich mit der herkömmlichen selbstabtastenden Festkörper-Bildabtast vorrichtung mit dem ladungsgekoppelten Element od. dgl. in bedeutendem Maße zu verbessern. Diese Wirkung der Halbleiter-Bildabtastvorrichtung ist von besonderem Vorteil, wenn die Lichtempfänger in einer Reihe angeordnet sind, da die Belichtungszeit kurz wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Bildabtastvorrichtung mit einer photoelektrischen Wandlerfläche, einem Speicher zum Sammeln von auf den Wandler auffallendem Licht entsprechender elektrischer Ladung, die über ein Übertragungsglied einem Analog-Schieberegister zugeführt wird, aus dem das Bildsignal abgerufen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der photoelektrischen Wandlerfläche (21) eine als Sekundärelektronenvervielfacher wirkende Kanalplatte (22) nachgeordnet ist, die eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Kapillarröhren aus Glas aufweist und an die von einer Spannungsquelle (23) eine Beschleunigungsspannung angelegt wird, und daß hinter den Ausgängen der Kapillarröhren der Kanalplatte (22) mindestens eine Kollektorelektrode (24) angeordnet und ausgangsseitig mit dem Speicher f?5) verbunden ist

Z Vonic&tung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarröhren der Kanalplatte (22) einen Durchmesser in der Größenordnung von 20 μπι aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode(n) (24), das Übertragungsglied (26) und das Analog-Schieberegister (27) gemeinsam auf einem Wafer (31) ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Kanalplatte (22) angelegte Beschleunigungsspannung durch Gleichrichten einer Spanning erzeugt ist, deren Frequenz um ein ganzzihliges Vielfaches größer ist als eine waagerechte Abtastfre uenz der Bildabtastvorrichtung.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Kanalplatte (22) angelegte Beschleunigungsspannung durch Gleichrichten einer Spannung erzeugt ist, deren Frequenz um ein ganzzahliges Vielfaches kleiner ist als eine waagerechte Abtaslfrequenz der Bildabtastvorrichtung.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Kanalplatte (22) angelegte Beschleunigungsspannung veränderbar ist.