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Festkörper-Bildabtastervorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildabtastervorrichtung, bei
der eine Empfindlichkeitseinstellung möglich ist.
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Festkörper-Bildabtaster (solid state image sensors) des Ladungsübertragungs-
oder -verschiebungstyps werden derzeit verbreitet verwendet. Wenn eine solche Vorrichtung
bei einer Fernsehkamera oder einem Faksimilegerät verwendet wird, die bzw.
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das ein Objekt durch Abtastung desselben mit einer bestimmten Frequenz
aufnimmt, wird der Blendenwert des Objektivs zur Einstellung der Lichtempfindlichkeit
des Festkörper-Bildabtasters entsprechend der Lichtintensität vom Aufnahmeobjekt
verändert.
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Dieser Blendenwert des Objektivs wird nach Maßgabe der Meßgröße (detected
level) von Ausgangssignalen bestimmt, die vom Bildabtaster bei jedem Abtastvorgang
geliefert werden. Wenn die Ausgangssignale niedrig sind, wird die Blende auf einen
kleinen Wert eingestellt, während sie bei hohem Ausgangssignalpegel auf einen großen
Wert eingestellt wird. Die Einstellung der Blende des Objektivs erfolgt somit in
Abhängigkeit von Ausgangssignalen, die vom Festkörper-Bildabtaster bei einem vorhergehenden
Abtastvorgang geliefert werden, um dabei die Blendeneinstellung um eine Zeitspanne
zu verzögern, während welcher der vorhergehende Abtastvorgang durchgeführt wird.
Es kann vorausgesetzt werden, daß diese Verzögerung in der Blendeneinstellung im
allgemeinen kein Problem aufwirft, wenn der Festkörper-Bildabtaster
bei
einer Fernsehkamera o.dgl. verwendet wird. Andererseits wirft diese zeitliche Verzögerung
der Blendeneinstellung aber Probleme auf, wenn dieser Bildabtaster z.B. im optischen
Sucher bzw. Entfernungsmesser (rangefinder) einer Kamera angeordnet ist.
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Wenn ein vom Festkörper-Bildabtaster in Abhängigkeit von der Lichtmenge,
die während einer vorherbestimmten ersten Lichtempfangs zeit empfangen wird, erzeugtes
Ausgangssignal nicht einen vorbestimmten Pegel besitzt, wird eine zweite Lichtempfangsperiode
oder Belichtungszeit in Abhängigkeit von der Größe des Ausgangssignals eingestellt.
Dabei wird bestimmt, ob ein vom Festkörper-Bildabtaster in Abhängigkeit von der
während einer zweiten Lichtempfangszeit empfangenen Lichtmenge erzeugtes Ausgangssignal
den vorbestimmten Pegel besitzt oder nicht. Der Vorgang der Lichtempfangszeiteinstellung
wird wiederholt, bis festgestellt wird, daß das vom Festkörper-Bildabtaster abgegebene
Ausgangssignal den vorbestimmten Pegel (Größe) besitzt. Wie erwähnt, dauert es eine
längere Zeit, bis die passende Lichtempfangszeit bzw. Belichtungszeit eingestellt
ist, und diese passende Zeit kann in manchen Fällen nicht eingestellt werden, wenn
sich das Aufnahmeobjekt schnell bewegt. Außerdem steigt dabei der Stromverbrauch
unter Verkürzung der Betriebs lebensdauer der Batterie an. Weiterhin sind mehrere
Schaltungssätze für die Einstellung der Lichtempfangs- bzw. Belichtungszeit erforderlich,
so daß die Kosten für den optischen Sucher oder Entfernungsmesser (rangefinder)
entsprechend ansteigen.
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Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer Festkörper-Bildabtastervorrichtung,
die einen einfachen Aufbau besitzt und bei welcher die Lichtempfangszeit bzw. Belichtungszeit
(light receiving time period) schnell eingestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einer Festkörper-Bildabtastervorrichtung, bestehend
aus einem Halbleitersubstrat, einem unter Isolierung auf dem Halbleitersubstrat
angeordnete Ladungsspeicherelektroden aufweisenden Ladungserzeugungs- und -speicherbereich
zur Erzeugung von Ladungen entsprechend dem einfallenden oder empfangenen Licht
und zur Speicherung dieser Ladungen, einem Ladungsübertragungsbereich, einer zwischen
dem Ladungserzeugungs- und -speicherbereich sowie dem Ladungsübertragungsbereich
angeordneten Steuerelektrode zur Steuerung der Bewegung von Signalladungen vom Ladungserzeugungs-
und -speicherbereich zum Ladungsübertragungsbereich sowie einer Steuerschaltung
zur Steuerung des Auslesezeitpunkts für die im Ladungserzeugungs- und -speicherbereich
gespeicherten Ladungen, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerschaltung
eine zwischen eine Stromspeiseklemme und die Ladungsspeicherelektrode geschaltete
Schaltereinrichtung sowie Potentialdetektoreinheiten zur Bestimmung des Potentials
der Ladungsspeicherelektrode zwecks Steuerung des Schaltzustands der Schaltereinrichtung
sowie des Potentials der Steuerelektrode entsprechend Änderungen des Potentials
der Ladungsspeicherelektrode aufweist.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die genannte Lichtempfangs
zeit (Belichtungszeit) in Abhängigkeit von der Potentialänderung der Ladungsspeicherelektroden,d.
h. der finderung der Größe der jeweils unter den Ladungsspeicherelektroden gespeicherten
Ladungen, eingestellt, so daß die jeweils passende Belichtungszeit schnell eingestellt
werden kann Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand
der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung
einer Festkörper-Bildabtastervorrichtung gemäß der Erfindung mit einem Bildabtaster
(image sensor) und einer Steuerschaltung dafür,
Fig. 2 einen Schnitt
längs der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 Wellenformdiagramme zur Erläuterung der
Arbeitsweise der Festkörper-Bildabtastervorrichtung gemäß Fig.1, Fig. 4 eine Fig.
2 ähnelnde Darstellung eines anderen Bildabtasters bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung und Fig. 5 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Festkörper-Bildabtastervorrichtung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Festkörper-Bildabtastervorrichtung gemäß
der Erfindung enthält einen schematisch in Aufsicht dargestellten Festkörper-Bildabtaster
10 und eine noch näher zu beschreibende Steuerschaltung zur Steuerung der Arbeitsweise
des Festkörper-Bildabtasters 10. Gemäß Fig. 2, die einen Schnitt längs der Linie
II-II in Fig. 1 darstellt, ist eine Isolierschicht auf Elektroden ausgebildet.
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Gemäß den Fig. 1 und 2 weist der Festkörper-Bildabtaster 10 beispielsweise
ein p-Typ-Halbleitersubstrat 12 sowie n-Typ-Halbleiterinseln 14-1 bis 14-N auf,
die in einer Reihe angeordnet sind und auf der Oberfläche des Substrats 12 einen
photoelektrischen Wandlerbereich oder -zone bilden. Auf dem Substrat 12 ist unter
Isolierung eine sich neben den Halbleiterinseln 14-1 bis 14-N längs dieser erstreckende
Ladungsspeicherelektrode 16 ausgebildet, während ein Ladungsübertragungselektrodenabschnitt
18 mit mehreren Paaren von Übertragungselektroden 18-1 und 18-2 versehen ist, die
von der Ladungsspeicherelektrode 16 beabstandet und parallel dazu angeordnet sind.
Die verschiedenen Elektrodenpaare 18-1 und 18-2 des Ladungsübertragungselektrodenabschnitts
18 werden
selektiv z.B. an Spannungen verschiedener Phasen gelegt,
und sie dienen zum Übertragen von in dem darunter liegenden Halbleiterbereich vorhandenen
Ladungen, Eine zwischen der Ladungsspeicherelektrode 16 und dem Elektrodenabschnitt
18 angeordnete Steuerelektrode 20 dient zur Steuerung der Verschiebung (travel)
von Ladungen in Richtung auf den Elektrodenabschnitt 18; diese Ladungen werden in
Abhängigkeit von dem über ein Fenster, das durch eine undurchsichtige Isolierschicht
21 und eine durchsichtige Isolierschicht 22 gebildet wird, einfallenden Licht erzeugt.
Eine in Fig. 1 schraffiert eingeteichnete p+-Kanal-Stop- oder -Sperrzone 24 dient
zur Verhinderung einer Verschiebung oder Wanderung von Ladungen zu unerwünschten
Stellen. Der Bildabtaster 10 mit dem beschriebenen Aufbau ist an sich bekannt.
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Die Ladungsspeicherelektrode 16 ist mit einem N-Kanal-MOSFET 30 und
über die Stromstrecke eines N-Kanal-MOSFETs 32 mit einer Stromspeiseklemme VA verbunden.
Die Stromstrecke des MOSFETs 30 ist an seiner Drain-Elektrode mit einer Stromspeiseklemme
VB verbunden, an seiner Source-Elektrode über einen Widerstand 34 an Masse gelegt
und an der ersten Eingangsklemme mit der zweiten Eingangsklemme eines Komparators
36 verbunden, der zur Abnahme einer Bezugsspannung VREF geschaltet ist und dessen
Ausgangsklemme an einen Impulsgenerator 38, dessen Ausgangsklemme wiederum mit der
Gate-Elektrode des MOSFETs 32 verbunden ist, sowie an einen Impulsgenerator 40 angeschlossen
ist, dessen Ausgangsklemme mit der Steuerelektrode 20 verbunden ist.
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Die Arbeitsweise der Festkörper-Bildabtastervorrichtung gemäß den
Fig. 1 und 2 ist im folgenden anhand der Spannungswellenformen nach Fig. 3A bis
3D beschrieben.
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Die Steuerelektrode 20 wird in Abhängigkeit von einem vom Impulsgenerator
40 angelegten Ausgangsimpuls (Fig. 3A) auf
ein vorbestimmtes Potential
vorgespannt, und der MOSFET 32 wird durch einen Ausgangsimpuls des Impulsgenerators
38 (Fig. 3B) durchgeschaltet, so daß eine vorbestimmte Spannung VA an die Ladungsspeicherelektrode
16 angelegt wird. Die im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats unter der Ladungsspeicherelektrode
16 gespeicherten Ladungen werden somit zum Oberflächenbereich des Substrats unter
dem Ladungsübertragungselektrodenabschnitt 18 verschoben. Diese Signalladungen werden
(sodann) längs des Elektrodenabschnitts 18 übertragen. Wenn danach ein Ausgangsimpuls
des Impulsgenerators 38 auf einen niedrigen Pegel übergeht und der MOSFET 32 sperrt,
fällt das Potential in der Ladungsspeicherelektrode 16 unter den Potentialpegel
VA ab, und zwar proportional zur Größe der Ladungen, die entsprechend der auf dem
photoelektrischen Wandlerbereich einfallenden Lichtmenge im Oberflächenbereich des
Halbleitersubstrats unter der Ladungsspeicherelektrode 16 gespeichert sind. Das
Source-Potential des MOSFETs 30 fällt entsprechend der Potential änderung der Ladungsspeicherelektrode
16 gemäß Fig. 3C allmählich ab. Wenn das Source-Potential des MOSFETs 30 den Bezugswert
VREF erreicht, liefert der Komparator 36 einen Impuls gemäß Fig. 3D.
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In Abhängigkeit von diesem Ausgangsimpuls des Komparators 36 erzeugt
der Impulsgenerator 38 einen Ausgangsimpuls gemäß Fig. 3B'und der Impulsgenerator
40 liefert in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Komparators 36 (ebenfalls) einen
Ausgangsimpuls, der gemäß Fig. 3A eine vorbestimmte zeitliche Verzögerung bzw. Verzögerungszeit
besitzt. Während der Ausgangsimpuls vom Impulsgenerator 40 geliefert wird, werden
alle im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats unter der Ladungsspeicherelektrode
16 gespeicherten Ladungen zu dem unter dem Ladungsübertragungselektrodenabschnitt
18 befindlichen Oberflächenbereich des Substrats verschoben und dann längs dieses
Elektrodenabschnitts 18 zu einer nicht dargestellten Ausgangsschaltung übertragen.
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Die an den Komparator 36 angelegte Bezugsspannung VREF wird auf eine
Größe im Bereich zwischen einer Source-Spannung V des MOSFETs 30 bei an dessen Gate-Elektrode
anliegender Spannung VA und einer Source-Spannung V52 des MOSFETs 30 eingestellt,
die dann erhalten wird, wenn Sättigungsladungen von allen Halbleiterinseln 14-1
bis 14-N im photoelektrischen Wandlerbereich geliefert werden, nachdem die Ladungsspeicherelektrode
16 auf die Spannung VA aufgeladen worden ist.
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Bei diesem Bildabtaster 10 werden somit Ladungen in Übereinstimmung
mit der auf die Halbleiterinseln 14-1 bis 14-N im photoelektrischen Wandlerbereich
auftreffenden Lichtmenge erzeugt und in Richtung auf den Ladungsübertragungselektrodenabschnitt
18 verschoben, wenn die Gesamtmenge der Ladungen eine vorbestimmte Größe erreicht
hat. Auf diese Weise ist es möglich, ohne jede Verzögerung in der Abtastperiode
eine schnelle Empfindlichkeitseinstellung vorzunehmen. Darüber hinaus umfaßt die
für die Steuerung der Empfindlichkeitseinstellung nötige Steuerschaltung den Komparator
36 und die Impulsgeneratoren 38, 40, so daß der Schaltungsaufbau entsprechend vereinfacht
ist.
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Die Erfindung ist selbstverständlich keineswegs auf die vorstehend
beschriebene Ausführungsform beschränkt. Der photoelektrische Wandlerbereich, in
welchem die Halbleiterinselnl 4-1 bis 14-N zur Erzeugung von Ladungen mittels des
photoelektrischen Wandlereffekts ausgebildet sind, ist bei der beschriebenen Ausführungsform
unabhängig von der Ladungsspeicherzone angeordnet, doch können auch die n-Typ-Halbleiterzonen
14-1 bis 14-N weggelassen werden, und eine durchsichtige Ladungsspeicherelektrode
42 kann auf die in Fig.4 gezeigte Weise unter Isolierung auf dem Halbleitersubstrat
ausgebildet werden, wobei diese durchsichtige Elektrode 42 die photoelektrischen
Wandler- und Ladungsspeicherfunktionen übernehmen kann. In diesem
Fall
werden Ladungen in Verarmungszonen unter dieser Elektrode 42 in Abhängigkeit von
der Lichtmenge erzeugt, die über Fenster einfällt bzw. empfangen wird, welche durch
die undurchsichtige Isolierschicht 21, die durchsichtige Elektrode 42 und die durchsichtige
Isolierschicht 22 festgelegt werden, wobei diese Ladungen hauptsächlich in den Oberflächenbereichen
oder -zonen des Halbleitersubstrats 12 unter der durchsichtigen Elektrode 42 gespeichert
werden.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die Halbleiterinseln 14-1
bis 14-N im photoelektrischen Wandlerbereich in einer Reihe angeordnet, doch können
sie gemäß Fig. 5 auch in zweidimensionaler Anordnung vorliegen. Dieser zweidimensionale
Bildabtaster enthält eine Anzahl von Bildabtastabschnitten 10-1 bis 10-M, die auf
ähnliche Weise wie beim Bildabtaster 10 gemäß Fig. 1 angeordnet sind, sowie eine
Ladungsübertragungsvorrichtung 44 zur Übertragung von Signalladungen, die durch
diese Bildabtastabschnitte 10-1 bis 10-M erhalten werden, zu einer nicht dargestellten
Ausgangsschaltung. Im Bildabtastabschnitt 10-1 werden beispielsweise die von den
photoelektrischen Wandlerbereichen 14-11 bis 14-1N erzeugten Ladungen in Abhängigkeit
von einem an die Steuerelektrode 20-1 angelegten Spannungsimpuls in Richtung auf
den Übertragungselektrodenabschnitt 18-11 übertragen. Auf ähnliche Weise werden
z.B. von den photoelektrischen Wandlerbereichen 14-M1 bis 14-MN im Bildabtastabschnitt
10-M erzeugte Signalladungen in Richtung auf den Übertragungselektrodenabschnitt
18-M1 übertragen. Sodann werden diese Signalladungen jeweils parallel längs der
Übertragungselektrodenabschnitte 18-11 bis 18-M1 zur Ladungsübertragungsvorrichtung
44 verschoben und hierauf durch letztere nacheinander zur nicht dargestellten Ausgangsschaltung
übertragen.
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Die Ladungsspeicherelektroden 16-1 bis 16-M sind gemeinsam an die
Gate-Elektrode des MOSFETs 30 und über den MOSFET 32 an die Stromspeiseklemme VA
angeschlossen. Die Steuerelektroden 20-1 bis 20-M sind gemeinsam mit der Ausgangsklemme
eines Impulsgenerators 40 verbunden. Die anderen Schaltungsabschnitte entsprechen
denen gemäß Fig. 1 und sind daher mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet.
Wenn die Gesamtmenge der von allen photoelektrischen Wandlerbereichen 14-11 bis
14-MN erzeugten Signalladungen eine vorbestimmte Größe erreicht, werden diese Signalladungen
in der Bildabtastervorrichtung gemäß Fig. 5 ausgelesen. Hierbei wird dieselbe Wirkung
erzielt wie bei der Bildabtastervorrichtung gemäß Fig. 1. Die Ladungsspeicherelektroden
16-1 bis 16-M können auf die in Verbindung mit Fig. 4 beschriebene Weise durchsichtig
ausgelegt und im photoelektrischen Wandlerbereich ausgebildet werden, so daß sie
photoelektrische Wandler-und Ladungsspeicherfunktionen zu erfüllen vermögen.
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Während bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ein p-Typ-Halbleitersubstrat
12 v#erwendet wird, kann auch ein n-Typ-Halbleitersubstrat verwendet werden, wenn
die anderen Halbleiterbereiche oder -zonen den gegenüber Fig.2 entgegengesetzten
Leitungstyp besitzen. Der dargestellte Übertragungselektrodenabschnitt 18 ist vom
Zweiphasentyp, doch kann er auch von einem beliebigen anderen Typ sein.