DE3135740C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine photoelektrische Umsetz­ einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Manche photoelektrische Umsetzeinrichtungen haben eine Gruppe von photoelektrischen Umsetzelementen und eine Ab­ tastschaltung zum zeitsequentiellen Abtasten der elektri­ schen Signale der Gruppen. Eine derartige Einrichtung kann beispielsweise aus einer Kombination von Photodioden und MOS-Feldeffekttransistoren (i. f. MOS-Typ) oder einer sog. Ladungsübertragungseinrichtung (CTD), wie einer ladungsge­ koppelten Einrichtung oder einem "Bucket-Brigade"-Element bestehen.

Bei einer derartigen Einrichtung ist jedoch sowohl bei der MOS-Technologie als auch bei der CTD-Technologie die Lichtempfangsfläche des photoelektrischen Umsetzteils durch die Abmessungen des Silizium-Einkristallwafers, das als Sub­ strat verwendet wird, begrenzt. Da die gegenwärtige Techno­ logie lediglich die Herstellung von über die gesamte Fläche gleichmäßigen Silizium-Einkristallwafern mit einem Durchmes­ ser von höchstens mehreren cm erlaubt, ist die Licht­ empfangsfläche der bekannten photoelektrischen Umsetzein­ richtungen in MOS- oder CTD-Technologie auf die vorste­ hend genannten Abmessungen beschränkt.

Photoelektrische Umsetzeinrichtungen mit einer in ihren Ab­ messungen derart begrenzten Lichtempfangsfläche erfordern, beispielsweise bei Verwendung als Eingabeeinheit für ein digitales Kopiergerät, den Einsatz von optischen Systemen mit einer hohen Auflösung zwischen der zu kopierenden Vor­ lage und der Lichtempfangsfläche zum Fokussieren der Vorlage auf der Lichtempfangsfläche. Dies führt zu einer Beschrän­ kung des Auflösungsvermögens.

Im Fall des Kopierens einer A4-Vorlage beispielsweise mit einer photoelektrischen Umsetzeinrichtung mit einer Licht­ empfangsfläche mit Längsabmessungen von 3 cm und einem Auf­ lösungsvermögen von 10 Linien/mm wird die auf die Licht­ empfangsfläche projizierte Vorlage auf eine Größe von etwa ¹/₆₉ verkleinert, so daß das tatsächliche Auflösungsvermögen der Einrichtung, bezogen auf die Vorlage, nur etwa 1,5 Linien/mm beträgt. Folglich verringert sich das tatsächliche Auflösungsvermögen umgekehrt proportional zu den Abmessungen der Vorlage.

Aus diesem Grund ist es wünschenswert, eine photoelektrische Umsetzeinrichtung mit einer Lichtempfangsfläche zu haben, deren Abmessungen vergrößert und deren Auflösungsvermögen verbessert ist.

Wird, um dies zu erreichen, ein Wafer mit großen Abmessungen oder eine Vielzahl von Chips verwendet, so besteht die Ten­ denz, daß die auf verschiedenen Teilen des Wafers oder auf verschiedenen Chips ausgebildeten photoelektrischen Umsetz­ elemente unterschiedliche Charakteristiken zeigen und äußere Störungen unterschiedliche Wirkungen haben, so daß ungleich­ mäßige Ausgangssignale erzeugt werden.

Eine dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechende photoelektrische Umsetzeinrichtung ist aus der GB 12 71 394 bekannt, bei der eine Vorlage mittels einer Vielzahl photo­ elektrischer Umsetzelemente gelesen wird, deren elektrische Ausgangssignale ein Maß für die Helligkeit der jeweils ab­ getasteten Punkte darstellen. Bei dieser Umsetzeinrichtung wird eine Kompensation des Einflusses von unterschiedlichen Papierarten oder von Lichtintensitätsschwankungen ange­ strebt. Um dies zu ermöglichen, ist ein photoelektrisches Umsetzelement vorgesehen, das einen weißen Bereich des abge­ tasteten Papiers erfaßt. Das Ausgangssignal dieses photo­ elektrischen Umsetzelements wird dann von den Ausgangssigna­ len der weiteren, das Vorlagenbild lesenden Umsetzelemente abgezogen, wobei das resultierende Signal das eigentliche Lesesignal bildet. Bei der bekannten Umsetzeinrichtung muß somit sichergestellt werden, daß das Referenz-Umsetzelement tatsächlich einen weißen Papierbereich abtastet, da andern­ falls Lesefehler auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine photoelektrische Umsetzeinrichtung zu schaffen, deren Aus­ gangssignale gleichförmige elektrische Charakteristik be­ sitzen.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen photoelektrischen Umsetzeinrich­ tung sind somit optisch abgeschirmte photoelektrische Um­ setzelemente vorhanden, deren Ausgangssignal folglich stets dem Dunkelstrom entspricht. In Abhängigkeit vom Ausgangssi­ gnal dieser optisch abgeschirmten photoelektrischen Umsetz­ elemente steuert die Kompensationseinrichtung die Spannungs­ versorgung der Umsetzelemente, so daß die Auswirkungen her­ stellungstechnisch bedingter oder durch sich verändernde Um­ gebungseinflüsse hervorgerufener Schwankungen des Ansprech­ verhaltens der photoelektrischen Umsetzelemente reduziert werden. Durch die Steuerung der Spannungsversorgung ist der Kompensationseffekt in einfacher Weise erzielbar.

Darüber hinaus besitzt die photoelektrische Umsetzeinrich­ tung hohes Auflösungsvermögen bei gleichzeitig hohem Signal/ Störverhältnis, da die photoelektrischen Umsetzelemente zu­ mindest lokal gleichförmige Charakteristik zeigen, und die optisch abgeschirmten Umsetzelemente gleiche Charakteristik wie die nicht abgeschirmten photoelektrischen Umsetzelemente besitzen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

Die beigefügte Zeichnung zeigt ein Schaltbild eines Ausfüh­ rungsbeispiels der photoelektrischen Umsetzeinrichtung.

Bei dem Ausführungsbeispiel sind 3456 photoelektrische Um­ setzelemente S 1-1 bis S 54-64 linear mit einer Dichte von ca. 16 Elementen/mm angeordnet, um eine Bildzeile der kürzeren Seite (210 mm) eines A4-Blattes zu lesen. Die photoelektri­ schen Umsetzelemente sind in Gruppen von je 64 Elementen eingeteilt, um die optischen Informationen, die auf aufein­ anderfolgende 64 Elemente auftreffen, an Signalleitungen D 1 bis D 64 mittels Abtastschaltungen weiterzugeben, die aus {(A 1-1) - (A 1-64)} ∼ {(A 54-1) - (A 54-64)}, {(Q 1-1) - (Q 1-64)} ∼ {(Q 54-1) - (Q 54-64)}, {(N 1-1) - (N 1-64)} ∼ {(N 54-1) - (N 54-64)} be­ stehen. Die optische Information, die beispielsweise auf die erste Gruppe von photoelektrischen Umsetzelementen S 1-1 ∼ S 1-64 auftrifft, ändert das Gatepotential der Verstärkerelemen­ te A 1-1 ∼ A 1-64, wodurch deren Kanalwiderstände entsprechend der einfallenden Lichtmenge variieren. Wenn ein Potential an die Wählleitung K 1 angelegt wird, werden die Wähl­ elemente Q 1-1 ∼ Q 1-64 leitend (durchgeschaltet), so daß sie die Verstärkerelemente A 1-1 ∼ A 1-64 mit einer Spannungsver­ sorgungseinrichtung V 2 verbinden. Folglich treten auf Signalleitungen D 1 ∼ D 64 Signale entsprechend den Kanalwiderständen der Verstär­ kerelemente A 1-1 ∼ A 1-64 auf. Nachdem die an den Signalleitungen D 1 ∼ D 64 anstehenden photoelektrisch umgesetzten Ausgangssignale in bekannter Weise aufgezeich­ net oder an ein nicht dargestelltes Ausgabeelement abgegeben worden sind, wird ein Potential an eine folgende nicht dargestellte Wählleitung K 2 angelegt, um Signale einer weiteren Gruppe photoelektrischer Umsetzelemente S 2-1 ∼ S 2-64 an die Signalleitungen D 1 ∼ D 64 anzulegen.

Auf diese Weise können die Ausgangssignale aller 54 × 64 Umsetzelemente S 1-1 - S 1-64 ∼ S 54-1 - S 54-64 nacheinander durch Aktivieren der Wählleitungen K 1 bis K 54 erhalten werden.

Widerstandselemente N 1-1 ∼ N 1-64 sind zur Stromrückführung für die Verstärkerelemente A 1-1 ∼ A 1-64 zur Kompensation ihrer Schwankungen der Übertragungscharakteristik vorge­ sehen. Kompensationswiderstandselemente B 1-1 ∼ B 54-64 beste­ hen im wesentlichen aus dem gleichen Material, wie die photoelektrischen Umsetzelemente und sind so ausgelegt, daß sie eine geeignete Vorspannung an die Verstärker­ elemente anlegen, wenn kein Licht einfällt. Die Kompen­ sationswiderstandselemente dienen auch dazu, die tempera­ turabhängige Änderung des Sensors zu kompensieren.

Vorspannungssteuerschaltungen Bi 1 ∼ Bi 54, die aus Widerständen R 1, L 1, T 1, Transistoren P 1, W 1, etc. bestehen, sind je­ weils in der Nachbarschaft der Gruppen von photoelektri­ schen Umsetzelementen vorgesehen, um an die entsprechen­ den Gruppen eine Vorspannung anzulegen. R 1 ist ein Refe­ renzwiderstandselement, das gleichzeitig mit und in der Nachbarschaft der photoelektrischen Umsetzelemente S 1-1 ∼ S 1-64 hergestellt wird, so daß es eine ähnliche Charak­ teristik wie das Umsetzelement hat, und vollständig durch eine Maske M 1 lichtabgeschirmt ist. T 1 ist ein Vorspannungswiderstandselement, das gleichzeitig mit und in der Nähe des Kompensationswiderstandselements B 1-1 ∼ B 1-64 hergestellt wird, so daß es eine ähnliche Charak­ teristik wie das Kompensationselement hat. Folglich ist der Widerstand und die Temperatur- oder Feuchteabhängig­ keit des Referenzwiderstandselements R 1 oder des Vor­ spannungswiderstandselements T 1 ähnlich wie bei den photoelektrischen Umsetzelementen S 1-1 ∼ S 1-64 bzw. den Kompensationswiderstandselementen B 1-1 ∼ B 1-64. Der Transistor P 1 wird auf demselben Chip wie die Verstär­ kerelemente A 1-1 ∼ A 1-64 hergestellt, so daß er eine ähnliche Charakteristik wie die Verstärkerelemente hat und über einen Drainlastwiderstand R 1 und einen Source- Folgertransistor W 1 eine Vorspannung an die photoelek­ trischen Umsetzelemente S 1-1 ∼ S 1-64 und das Referenz­ widerstandselement R 1 derart anlegt, daß der Transistor P 1 einen bestimmten Kanalwiderstand hat. Durch die über die negative Rückführungswirkung stabilisierte Vor­ spannungs-Steuerschaltung können die Widerstandsabwei­ chungen der photoelektrischen Umsetzelemente S 1-1 ∼ S 1-64 sowie der Kompensationswiderstandselemente B 1-1 ∼ B 1-64 und die Abweichungen der Schwellenspannung der Ver­ stärkerelemente A 1-1 ∼ A 1-64 aufgrund der Abweichungen der verschiedenen Charakteristiken der photoelektrischen­ Umsetzelemente S 1-1 ∼ S 1-64 sehr stark reduziert werden, wodurch der empfangenen Lichtmenge entsprechende Aus­ gangssignale erhalten werden.

Der Schwankungsbereich der Ausgangssignale der Elemente S 1-1 ∼ S 54-64, der ohne die Vorspannungs-Steuerschaltung Bi für eine feste Lichtmenge etwa ±20% beträgt, kann durch eine Vielzahl von in der Nähe angeordneten Steuerschaltungen auf ca. ±2% verringert werden, so daß die Genauigkeit der Erfassung der einfallenden Lichtmenge stark erhöht wird.

Die bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel beschriebenen photoleitenden Elemente können natürlich durch andere geeignete photoelektrische Umsetzelemente ersetzt werden. Auch kann die Steuerung lokal an der Vorspannungsquelle der Kompensatorwiderstandselemente er­ folgen.

Claims (6)

1. Photoelektrische Umsetzeinrichtung mit spannungsab­ hängige Umsetzcharakteristik besitzenden photoelektrischen Umsetzelementen zum Umsetzen von empfangenem Licht in ent­ sprechende elektrische Signale, einer die photoelektrischen Umsetzelemente mit elektrischer Spannung versorgenden Span­ nungsversorgungseinrichtung und einer Kompensationseinrichtung zur Kompensation äußerer Störeinflüsse, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kompensationseinrichtung (Bi 1 bis Bi 54) optisch abgeschirmte photoelektrische Umsetzelemente (Ri bis R 54) aufweist und die Spannungsversorgung der photoelektrischen Umsetzelemente (S 1-1 bis S 56-64) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der optisch abgeschirmten photoelektrischen Umsetzelemente (R 1 bis R 54) steuert.

2. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kompensationseinrichtung einen die Größe der Spannungsversorgung steuernden Transistor aufweist, dessen Impedanz durch die Ausgangssignale der optisch ab­ geschirmten Umsetzelemente gesteuert wird.

3. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kompensationseinrichtung zumindest eine Reihenschaltung aus einem maskierten Element und einem Widerstand sowie Transistoren aufweist, die durch das Po­ tential an dem Verbindungspunkt des maskierten Elementes und des Widerstandes gesteuert werden, und von denen einer in die Spannungsversorgungsleitung der Spannungsversorgungs­ einrichtung geschaltet ist.

4. Umsetzeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsein­ richtung eine Impedanz-Steuereinrichtung aufweist, die zwischen der Spannungsversorgungseinrichtung und einem gemeinsamen Verbindungspunkt der Umsetzelemente vorgesehen ist, daß das maskierte Element in der Nähe der photoelektri­ schen Umsetzelemente angeordnet und mit der Spannungsver­ sorgungseinrichtung verbunden ist, und daß die Kompensations­ einrichtung die Impedanz der Impedanz-Steuereinrichtung entsprechend dem Ausgangssignal des maskierten Elements steuert.

5. Umsetzeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Umsetzelemente zu mehreren Gruppen mit je einer Kompensa­ tionseinrichtung zusammengefaßt sind.

6. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Wähleinrichtung zum aufeinanderfolgenden Wählen der Vielzahl von Gruppen von photoelektrischen Umsetzelemen­ ten.