DE3116785C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildabtastervor­ richtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Festkörper-Bildabtastervorrichtungen des Ladungsübertra­ gungstyps werden derzeit verbreitet verwendet. Wenn eine solche Vorrichtung bei einer Fernsehkamera oder einem Faksimilegerät verwendet wird, die bzw. das ein Aufnahme­ objekt durch Abtastung desselben mit einer bestimmten Frequenz aufnimmt, wird der Blendenwert des Objektivs zur Einstellung der Lichtempfindlichkeit der Festkörper-Bild­ abtastervorrichtung entsprechend der Lichtintensität vom Aufnahmeobjekt verändert. Dieser Blendenwert des Objektivs wird nach Maßgabe der Meßgröße von Ausgangssignalen be­ stimmt, die von der Bildabtastervorrichtung 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 von der Festkörper-Bildabtaster­ vorrichtung bei einem vorhergehenden Abtastvorgang ge­ liefert 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 die Festkörper- Bildab­ tastervorrichtung bei einer Fernsehkamera o. dgl. verwendet wird. Anderer­ seits wirft diese zeitliche Verzögerung der Blendeneinstellung aber Probleme auf, wenn diese Bildabtastervorrichtung z. B. im optischen Sucher bzw. Entfernungsmesser einer Kamera angeordnet ist.

Wenn ein von der Festkörper-Bildabtastervorrichtung in Abhängigkeit von der Lichtmenge, die während einer vorherbestimmten ersten Licht­ empfangszeit empfangen wird, erzeugtes Ausgangssignal nicht einen vorbestimmten Pegel besitzt, wird eine zweite Licht­ empfangsperiode oder Belichtungszeit in Abhängigkeit von der Größe des Ausgangssignals eingestellt. Dabei wird bestimmt, ob ein von der Festkörper-Bildabtastervorrichtung in Abhängigkeit von der während einer zweiten Lichtempfangszeit empfangenen Licht­ menge erzeugtes Ausgangssignal den vorbestimmten Pegel be­ sitzt oder nicht. Der Vorgang der Lichtempfangszeiteinstel­ lung wird wiederholt, bis festgestellt wird, daß das von der Festkörper-Bildabtastervorrichtung abgegebene Ausgangssignal den vorbe­ stimmten Pegel besitzt. Wie erwähnt, dauert es eine längere Zeit, bis die passende Lichtempfangs- bzw. Belich­ tungszeit eingestellt ist, und diese passende Zeit kann in manchen Fällen nicht eingestellt werden, wenn sich das Auf­ nahmeobjekt schnell bewegt. Außerdem steigt dabei der Strom­ verbrauch unter Verkürzung der Betriebslebensdauer 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 entsprechend ansteigen.

In der DE-OS 31 05 910 ist eine Einrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung beschrieben, wobei ein Halbleitersubstrat vorgesehen ist, in welchem Eingangs- Ladungsübertragungseinrichtungen mit Speicher-Quellen­ elektroden vorhanden sind. Eine transparente Sensorelek­ trode weist mehrere, durch wenigstens einen Verbindungs­ bereich voneinander getrennte ausgewählte Bereiche auf, die den Speicher-Quellenelektroden unmittelbar benachbart gegenüber angeordnet sind, so daß die elektrische Ladungs­ übertragung zwischen ihnen gesteuert werden kann. Eine Schalteinrichtung ist an eine Bezugsspannung und an die Sensorelektrode angeschlossen. Schließlich erzeugt eine Puffereinrichtung an ihrem Ausgang eine Spannung, die ein Maß für die über die Sensorelektrode erfaßte, elektro­ magnetische Strahlung ist. Da bei dieser bekannten Ein­ richtung die Sensorelektrode von der einfallenden Strahlung durchsetzt wird, ist der photoelektrische Umsetzungswir­ kungsgrad vermindert: Selbst wenn eine solche transparente Sensorelektrode nur eine sehr geringe Filmdicke besitzt, ändert sich nämlich der photoelektrische Umsetzungswir­ kungsgrad abhängig von der Struktur bzw. Filmdicke dieser transparenten Sensorelektrode.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Festkörper- Bildabtastvorrichtung zu schaffen, die einen einfachen Aufbau besitzt und bei welcher die Lichtempfindlichkeit hoch ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Festkörper-Bildabtastervor­ richtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Festkörper-Bildabtastervorrich­ tung liegt die Reihe der Halbleiterzonen, die sogenannte "Halbleiterinseln" bilden, in der Oberfläche des Halb­ leitersubstrats frei, was bedeutet, daß einfallendes Licht diese Oberfläche ohne jede Unterbrechung erreichen kann, was wiederum zu einem hohen photoelektrischen Umsetzungs­ wirkungsgrad führt.

Die Lichtempfangszeit bzw. Belichtungszeit wird in Ab­ hängigkeit von der Potentialänderung der Ladungsspeicher­ elektroden, d. h. der Änderung 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 Erfin­ dung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Festkörper- Bildabtastervorrichtung gemäß der Erfindung mit einem Bildabtaster 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 Bild­ abtasters bei einer anderen Ausführungsform der Er­ findung und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer anderen Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Festkörper-Bildab­ tastervorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Festkörper-Bildabtastervorrichtung enthält einen schematisch in Aufsicht dar­ gestellten 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.

Gemäß den Fig. 1 und 2 weist der Festkörper-Bildabtaster 10 beispielsweise eine p-Typ-Halbleitersubstrat 12 sowie n-Typ- Halbleiterzonen bzw. "-inseln" 14-1 bis 14-N auf, die in einer Reihe ange­ ordnet 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 Halb­ leiterinseln 14-1 bis 14-N längs dieser erstreckende Ladungs­ speicherelektrode 16 ausgebildet, während ein Ladungsüber­ tragungselektrodenabschnitt 18 mit mehreren Paaren von Über­ tragungselektroden 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 Halb­ leiterbereich vorhandenen Ladungen. Eine zwischen der Ladungs­ speicherelektrode 16 und dem Elektrodenabschnitt 18 angeord­ nete Steuerelektrode 20 dient zur Steuerung der Verschiebung von Ladungen in Richtung auf den Elektrodenab­ schnitt 18; diese Ladungen werden in Abhängigkeit von dem über ein Fenster, das durch eine undurchsichtige Isolier­ schicht 21 und eine durchsichtige Isolierschicht 22 gebildet wird, einfallenden Licht erzeugt. Eine in Fig. 1 schraffiert eingezeichnete p⁺-Kanal-Stop- oder -Sperrzone 24 dient zur Verhinderung einer Verschiebung oder Wanderung von Ladungen zu unerwünschten Stellen. Der Bildabtaster 10 mit dem be­ schriebenen Aufbau ist an sich bekannt.

Die Ladungsspeicherelektrode 16 ist mit einem N-Kanal-MOSFET 30 und über die Stromstrecke eines N-Kanal-MOSFETs 32 mit einer Stromspeiseklemme V _A verbunden. Die Stromstrecke des MOSFETs 30 ist an seiner Drain-Elektrode mit einer Strom­ speiseklemme V _B verbunden, an seiner Source-Elektrode über einen Widerstand 34 an Masse gelegt und an der ersten Ein­ gangsklemme mit der zweiten Eingangsklemme eines Komparators 36 verbunden, der zur Abnahme einer Bezugsspannung V _REF ge­ schaltet ist und dessen Ausgangsklemme an einen Impuls­ generator 38, dessen Ausgangsklemme wiederum mit der Gate- Elektrode des MOSFETs 32 verbunden ist, sowie an einen Impuls­ generator 40 angeschlossen ist, dessen Ausgangsklemme mit der Steuerelektrode 20 verbunden ist.

Die Arbeitsweise der Festkörper-Bildabtastervorrichtung ge­ mäß den Fig. 1 und 2 ist im folgenden anhand der Spannungs­ wellenformen nach Fig. 3A bis 3D beschrieben.

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 V _A an die Ladungsspeicherelektrode 16 angelegt wird. Die im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats unter der La­ dungsspeicherelektrode 16 gespeicherten Ladungen werden so­ mit zum Oberflächenbereich des Substrats unter dem Ladungs­ übertragungselektrodenabschnitt 18 verschoben. Diese Signal­ ladungen werden sodann längs des Elektrodenabschnitts 18 übertragen. Wenn danach ein Ausgangsimpuls des Impulsgenera­ tors 38 auf einen niedrigen Pegel übergeht und der MOSFET 32 sperrt, fällt das Potential in der Ladungsspeicherelektrode 16 unter den Potentialpegel V _A ab, und zwar proportional zur Größe der Ladungen, die entsprechend der auf dem photo­ elektrischen Wandlerbereich einfallenden Lichtmenge im Ober­ flächenbereich des Halbleitersubstrats unter der Ladungs­ speicherelektrode 16 gespeichert sind. Das Source-Potential des MOSFETs 30 fällt entsprechend der Potentialänderung der Ladungsspeicherelektrode 16 gemäß Fig. 3C allmählich ab. Wenn das Source-Potential des MOSFETs 30 den Bezugswert V _REF er­ reicht, liefert der Komparator 36 einen Impuls gemäß Fig. 3D. 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 Aus­ gangsimpuls, der gemäß Fig. 3A eine vorbestimmte zeitliche Verzögerung besitzt. Während der Aus­ gangsimpuls vom Impulsgenerator 40 geliefert wird, werden alle im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats unter der Ladungsspeicherelektrode 16 gespeicherten Ladungen zu dem unter dem Ladungsübertragungselektrodenabschnitt 18 befind­ lichen Oberflächenbereich des Substrats verschoben und dann längs dieses Elektrodenabschnitts 18 zu einer nicht darge­ stellten Ausgangsschaltung übertragen.

Die an den Komparator 36 angelegte Bezugsspannung V _REF wird auf eine Größe im Bereich zwischen einer Source-Spannung V _{S 1} des MOSFETs 30 bei an dessen Gate-Elektrode anliegender Spannung V _A und einer Source-Spannung V _{S 2} des MOSFETs 30ein­ gestellt, die dann erhalten wird, wenn Sättigungsladungen von allen Halbleiterinseln 14-1 bis 14- N im photoelektrischen Wandlerbereich geliefert werden, nachdem die Ladungsspeicher­ elektrode 16 auf die Spannung V _A aufgeladen worden ist.

Bei diesem Bildabtaster 10 werden somit Ladungen in Überein­ stimmung mit der auf die Halbleiterinseln 14-1 bis 14-N im photoelektrischen Wandlerbereich auftreffenden Lichtmenge erzeugt und in Richtung auf den Ladungsübertragungselektro­ denabschnitt 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 Empfindlichkeitsein­ stellung nötige Steuerschaltung den Komparator 36 und die Impulsgeneratoren 38, 40, so daß der Schaltungsaufbau ent­ sprechend vereinfacht ist.

Der photo­ elektrische Wandlerbereich, in welchem die Halbleiterinseln 14-1 bis 14-N zur Erzeugung von Ladungen mittels des photoelektri­ schen Wandlereffekts ausgebildet sind, ist bei der beschrie­ benen Ausführungsform unabhängig von der Ladungsspeicherzone angeordnet. Die n-Typ-Halbleiterzonen 14-1 bis 14-N können weggelassen werden, und eine durchsichtige Ladungs­ speicherelektrode 42 kann auf die in Fig. 4 gezeigte Weise un­ ter Isolierung auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet werden, wobei diese durchsichtige Elektrode 42 die photoelektrischen Wandler- und Ladungsspeicherfunktionen übernehmen kann. In die­ sem 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 Elektro­ de 42 und die durchsichtige Isolierschicht 22 festgelegt wer­ den, wobei diese Ladungen hauptsächlich in den Oberflächen­ bereichen oder -zonen des Halbleitersubstrats 12 unter der durchsichtigen Elektrode 42 gespeichert werden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die Halbleiter­ inseln 14-1 bis 14-N im photoelektrischen Wandlerbereich in einer Reihe angeordnet, doch können sie gemäß Fig. 5 auch in zweidimensionaler Anordnung vorliegen. Dieser zweidi­ mensionale Bildabtaster enthält eine Anzahl von Bildabtast­ abschnitten 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 Signal­ ladungen, die durch diese Bildabtastabschnitt 10-1 bis 10-M erhalten werden, zu einer nicht dargestellten Ausgangsschal­ tung. Im Bildabtastabschnitt 10-1 werden beispielsweise die von den photoelektrischen Wandlerbereichen 14-11 bis 14-1N erzeugten Ladungen in Abhängigkeit von einem an die Steuer­ elektrode 20-1 angelegten Spannungsimpuls in Richtung auf den Übertragungselektrodenabschnitt 18-11 übertragen. Auf ähn­ liche Weise werden z. B. von den photoelektrischen Wandlerbe­ reichen 14-M 1 bis 14-MN im Bildabtastabschnitt 10- M erzeugte Signallampen in Richtung auf den Übertragungselektroden­ abschnitt 18-M 1 übertragen. Sodann werden diese Signalladun­ gen jeweils parallel längs der Übertragungselektrodenab­ schnitte 18-11 bis 18-M 1 zur Ladungsübertragungsvorrichtung 44 verschoben und hierauf durch letztere nacheinander zur nicht dargestellten Ausgangsschaltung übertragen.

Die Ladungsspeicherelektroden 16-1 bis 16-M sind gemeinsam an die Gate-Elektrode des MOSFETs 30 und über den MOSFET 32 an die Stromspeiseklemme V _A angeschlossen. Die Steuer­ elektroden 20-1 bis 20-M sind gemeinsam mit der Ausgangs­ klemme 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 Wandlerbe­ reichen 14-11 bis 14-MN erzeugten Signalladungen eine vor­ bestimmte Größe erreicht, werden diese Singalladungen 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 Wandlerbe­ reich ausgebildet werden, so daß sie photoelektrische Wandler- und Ladungsspeicherfunktionen zu erfüllen vermögen.

Während bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ein p-Typ-Halbleitersubstrat 12 verwendet 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.

Claims (2)

1. Festkörper-Bildabtastervorrichtung, bestehend aus einem Halbleitersubstrat (12), einem unter Isolierung auf dem Halbleitersubstrat (12) angeordneten Ladungs­ speicherelektroden (16) aufweisenden Ladungserzeugungs- und -speicherbereich zur Erzeugung von Signalladungen entsprechend dem einfallenden oder empfangenen Licht und zur Speicherung dieser Signalladungen, einem La­ dungsübertragungsbereich (18), einer zwischen dem La­ dungserzeugungs- und -speicherbereich sowie dem La­ dungsübertragungsbereich (18) angeordneten Steuer­ elektrode (20) zur Steuerung der Bewegung von Signal­ ladungen vom Ladungserzeugungs- und -speicherbereich zum Ladungsübertragungsbereich (18) sowie einer Steuerschaltung zur Steuerung des Auslesezeitpunkts für die im Ladungserzeugungs- und -speicherbereich gespeicherten Ladungen, wobei die Steuerschaltung eine zwischen eine Stromspeiseklemme (V _A ) und die Ladungsspeicherelektrode (16) geschaltete Schalter­ einrichtung ( 32) sowie Einheiten (30, 34, 36, 38, 40) zur Erfassung des Potentials der Ladungsspeicherelek­ trode (16) zwecks Steuerung des Schaltzustands der Schaltereinrichtung (32) sowie des Potentials der Steuerelektrode (20) entsprechend Änderungen des Poten­ tials der Ladungsspeicherelektrode (16) aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ladungserzeugungs- und -speicherbereich eine Reihe von Halbleiterzonen 14-1 bis 14-N aufweist, die einen dem Halbleitersubstrat (12) entgegengesetzten Leitungstyp besitzen und im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats (12) aus­ gebildet sind, um Ladungen entsprechend der einfallen­ den bzw. empfangenen Lichtmenge zu erzeugen, und daß die Ladungsspeicherelektrode (16) aus einer Leiter­ schicht geformt ist, die unter Isolierung auf dem der Reihe von Halbleiterzonen (14-1 bis 14-N) benachbar­ ten Bereich des Halbleitersubstrats (12) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (20) mehrere Leiterschichten (20-2 bis 20-M) aufweist, die jeweils zwischen den einzelnen Leiterschichten angeordnet sind, welche ge­ meinsam die Ladungsspeicherelektrode (16) und La­ dungsübertragungsvorrichtungen im Ladungsübertragungs­ bereich (18) bilden und welche elektrisch miteinander verbunden sind.