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Schaltung mit zumindest einer Bildsensorzeile, Ansteue-
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rung und Signalauswertung Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Schaltung einer Bildsensorzeile mit Ansteuerung und Signalauswertung nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Eine derartige Schaltung ist aus der DE-OS 24 25 467 bekannt. Dort
ist eine Diode vom Spaltenleiter ausgehend zum lichtempfindlichen Element in Serie
geschaltet. Solange dort das Potential am Spaltenleiter höher ist als am Zeilenleiter
und somit die Diode für die Spannung durchlässig ist, kann bei Beleuchtung des lichtempfindlichen
Elementes Strom vom Spaltenleiter zum Zeilenleiter fließen und dort ein Nutzsignal
liefern. Dabei muß die Diode einen sehr geringen Sperrstrom besitzen, da sonst eine
erhebliche Verfälschung der Meßwerte durch die parallelgeschalteten, nicht angesteuerten
Dioden erfolgen kann, wobei sich die durch diese Dioden hervorgerufenen Fehler addieren.
Außerdem ergeben sich beträchtliche Störsignale, sofern das lichtempfindliche Element
kapazitätsbehaftet ist und/oder einen nennenswerten Dunkelstrom aufweist. Diese
Störsignale treten infolge der vorhandenen elektrischen Kapazität der Diode insbesondere
während des Anstieges des Abfrageimpulses auf und nehmen in dieser Zeit besonders
hohe Werte an. Daraus resultiert ein geringes Nutz/Störverhältnis der Schaltung.
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Aus der DE-OS 31 38 294 ist eine Schaltung bekannt, bei der über das
Ausgangssignal integriert wird. Dabei fallen zwar die kapazitiven Störeinflüsse
heraus, Sperrströme
durch nicht angesteuerte Bildsensoren wirken
sich aber um so stärker aus. Daher werden dort hochwertige Transistoren und Dioden
eingesetzt.
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Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht
in einer Erhöhung des Nutz/Störverhältnisses bei gleichzeitiger Kostensenkung für
die Schaltung.
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Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung gemäß dem Oberbegriff durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Durch die Speicherung der Ausgangssignale und die Auswertung in einem
bestimmten, auf den Spaltenimpuls bezogenen Zeitintervall können die stark gestörten
Bereiche aus der Messung ausgeklammert werden. Dadurch steht ein erheblich verbessertes
Nutz/Störverhältnis zur Verfügung. Infolgedessen können zumindest bei einer Ja/Nein-Aussage
auch Dioden und/oder lichtempfindliche Elemente mit einem relativ großen Sperr-
bzw. Dunkelstrom eingesetzt werden, da es im wesentlichen auf die Zeitkonstante
ankommt, also ein Dunkelstrom bzw. ein Sperrstrom durch eine entsprechende Dimensionierung
der Kapazität unschädlich gemacht werden kann. So ist beispielsweise die Herstellung
der Dioden aus amorphem Silicium für viele Einsatzfälle ausreichend. Als lichtempfindliches
Element eignet sich insbesonderte ein Fotowiderstand.
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Eine besonders einfache Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung
besteht darin, daß der im vorbereiteten Zustand an die Zeilenleitung angeschlossene
Lesevertärker und gegebenenfalls weitere parallelgeschaltete Widerstände mit der
Kapazität der Zeilenleitung eine Zeitkonstante bilden, welche größer ist als das
Zeitintervall vom 10 %-Wert am Impulsanstieg des als Abfrageimpuls dienenden Spaltenimpulses
bis zur Auslesezeit, und daß sie einen Auslesekoppler enthält, welcher den Leseverstärker
erst
zur Auslesezeit, nach dem Abklingen der Spannung des Ansteuerimpulses, aktiviert.
Zu diesem Zeitpunkt sind Einschwingungsvorgänge und Verschiebungsströme bereits
annähernd abgeklungen, das Nutz/Störverhältnis ist besonders hoch.
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Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, welche eine Zeilenansteuerung
enthält, welche nach der Auswertung und vor dem Abfragen der nächsten Spalte einen
Rückstellimpuls mit einer Amplitude in der Höhe der Vorbereitungsspannung auf den
Zeilenleiter schaltet und in welcher der Rückstellimpuls zeitlich vor dem Spaltenimpuls
des zweiten Spaltenleiters endet. Durch diesen Rückstellimpuls ist es möglich, die
Zeitkonstante für die Ausgangsspannungen auf dem Zeilenleiter sehr hoch zu wählen,
also ein sehr großes Nutz/Störverhältnis zu erhalten und dennoch eine hohe Impulsfolgefrequenz
für die Spaltenimpulse zu realisieren.
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Zur Erhöhung des Nutz/Störverhältnisses ist es vorteilhaft, wenn jede
Spalte zweimal abgefragt wird, wenn das erste Ausgangssignal zunächst einem Speicher
und dann beide Ausgangssignale einem Differenzverstärker zugeführt werden. Der Differenzverstärker
ergibt dann ein um das Störsignal verkleinertes Nutzsignal, wobei kurzzeitige Spitzen
des Störsignals nicht wesentlich stören können, da sie nur einen schmalen Bereich
des Nutzsignales verkleinern.
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Vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Schaltung, in der zwei oder
mehr in Form einer Matrix verschaltete Zeilen angesteuert werden, in der die Zeitkonstante,
die sich aus dem Durchlaßwiderstand des lichtempfindlichen Elementes und der Kapazität
ergibt, größer ist als die Abfragezeit von einer Zeile und einer Austastlücke, in
der während einer Zeilenaustastlücke ein Vorbereitungsimpuls
auf
einen Zeilenleiter geschaltet und gleichzeitig alle Spalten durch einen Rückstellimpuls
mit der Amplitude eines Spalten impulses rückgestellt werden und in der bei der
Abfrage die kürzere Integrationszeit der früher abgefragten Spalten durch eine entsprechende
Erhöhung des Verstärkungsfaktors kompensiert wird. So können relativ -hohe Kapazitätswerte
eingesetzt werden, Störungen werden weitgehend unterdrückt, durch die volle Ausnutzung
der zur Verfügung stehenden Integrationszeit werden hohe Nutzsignale erhalten.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der
Verstärkungsfaktor des Ausgangsverstärkers regelbar ist, daß eine Regelschaltung
für die Empfindlichkeit ein dem Integral über die Helligkeitswerte einer oder mehrerer
Zeilen entsprechendes Signal dem Ausgangsverstärker zur Regelung der Verstärkung
zuführt.
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Eine qualitativ hochwertige Ausführungsform der Schaltung ist gegeben,
indem die Sensorzeile bzw. die Sensormatrix, die Zeilenansteuerung, der Auslesekoppler,
die Spaltenansteuerung, ein Taktgenerator und der Leseverstärker auf nur einem Siliciumchip
aufgebaut sind. Dabei sind vorteilhaft die Spaltenleitungen und die Dioden in IC-Technik
im monolithischen Silicium aufgebaut, die lichtempfindlichen Elemente darauf schichtförmig
aufgebracht und in einer weiteren Ebene die Zeilenleitungen, die z. B.
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aus durchsichtigem Indium-Zinn-Oxid bestehen können, angeordnet.
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Die Erfindung wird nun anhand von vier Figuren näher erläutert: Fig.
1 und 4 zeigen Ansteuerschaltungen als Blockschaltbild, Fig. 2 zeigt die Schaltung
eines Sensorelementes, Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Steuer- und Ausgangsspannungen
über der Zeit.
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Sensorelemente 1 werden von einer gemeinsamen Zeilenleitung 2 und
je einer Spaltenleitung 3 angesteuert. Die Sensorelemente 1 enthalten eine Diode
7, deren positiver Pol mit der Spaltenleitung unmittelbar verbunden ist. In Serie
zur Diode 7 liegen ein lichtempfindliches Element 4 und ein Kondensator 5. Diese
sind auf die Zeilenleitung 2 geschaltet.
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Die Zeilenleitung 2 bzw. mehrere Zeilenleitungen 2, in Fig. 1 strichpunktiert
angedeutet, werden von der Zeilenansteuerung im Ruhezustand auf eine Spannung Uz0
geschaltet. Zur Vorbereitung der Abfrage wird durch einen kurzen Spannungsimpuls
die Spannung UZO auf einen kleineren Spannungswert Uzl herabgesetzt. Nach dieser
Vorbereitung wird ein Spaltenimpuls S 1 in die erste Spaltenleitung eingespeist.
Dieser Spaltenimpuls S 1 hat eine Amplitude Us, welche größer ist als die Vorbereitungsspannung
UZl zuzüglich der Durchlaßspannung der Diode 7, aber kleiner als die Spannung UZO
des Ruhezustandes. Dadurch können die Spaltenimpulse auch während des Ruhezustandes
weiterlaufen, sie können dabei keine Abfrage der Information bewirken und die Integration
des einfallenden Lichtes nicht stören.
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Zum Zeitpunkt tl wird das Nutzsignal Ual ausgelesen (Auslesezeit tl).
Der Zeitpunkt tl liegt zeitlich nach dem Abklingen des Spaltenimpulses S 1. Zu diesem
Zeitpunkt wird durch den Auslesekoppler der Leseverstärker auf die Zeilenleitung
2 geschaltet. Nach dem Auslesevorgang wird ein Spannungsimpuls von der Größe Uzl
zur Rückstellung auf die Zeilenleitung geschaltet, wodurch der vorbereitete Zustand
wieder hergestellt wird. Darauf folgt in kurzem zeitlichem Abstand ein zweiter Spaltenimpuls
S 2, welcher ein Nullsignal Ua2 erzeugt, wobei dieses Nullsignal
zu
einem Zeitpunkt t2 ausgelesen wird (Auslesezeit t2). Dabei liegt t2 bezogen auf
den zweiten Spaltenimpuls S 2 an derselben Stelle wie t1 bezogen auf den ersten
Spaltenimpuls S 1.
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Im gezeigten Beispiel wird durch die Rückstellung auf die Spannung
Uz1 nach dem Auslesen bei tl möglich, daß während des Auslesevorganges durch die
Kapazität der Zeilenleitung 2 und/oder eine zu dieser parallelgeschaltete Kapazität
mit dem Eingangswiderstand des Leseverstärkers und gegebenenfalls weiteren Widerständen
eine Zeitkonstante gebildet wird, die erheblich größer ist als die Auslesezeit tl
bzw. t2. Das durch den Spaltenimpuls S 2 hervorgerufene Störsignal Ua2 ist im Gegensatz
zum Nutzsignal Ua1 nach dem Abklingen des Spaltenimpulses S 2 ebenfalls zumindest
annähernd wieder abgeklungen, da es sich bei dieser Störung im wesentlichen um Blindströme
über die Kapazität 6 der Diode 7 handelt. Diese Kapazität 6 ist in Fig. 2 gestrichelt
dargestellt, da sie nur in der Diode vorhanden, nicht aber als Bauelement in die
Schaltung eingebaut ist.
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Entsprechende Impulse S 1 und S 2 werden nacheinander auf alle Lichtsensoren
1 geschaltet, bevor die Zeilenspannung UZ wieder auf den Wert Uz0 zurückgesetzt
wird.
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Bei genügend großen Abständen der Spaltenimpulse S 1, S 2 kann die
Rückstellung der Zeilenleitung auf die Spannung Uz1 zwischen den Impulsen S1, S
2 entfallen, wenn die Zeitkonstante für die Entladung der Zeilenleitung relativ
klein ist, d. h. gleich oder nicht wesentlich größer als die Auslesezeit tl.
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Sofern eine aus mehreren Zeilen von Sensoren und mehreren Zeilenleitungen
2 gebildete Matrix angesteuert werden soll, wird die aus dem Durchlaßwiderstand
des fotoelek-
trischen Elementes 4 und dem Kondensator 5 gebildete
Zeitkonstante vorteilhaft größer bemessen, als die Zeit für eine Austastlücke zuzüglich
der Abfragezeit für eine Zeile. Dadurch kann die Aufintegration des Nutzsignales
in der Austastlücke nach einer Rückstellung durch einen Zeilen impuls in der Höhe
Uzl beginnen und während der Austastlücke weiterlaufen. Im nachfolgenden Abfragezyklus
wird die kürzere Beleuchtungsdauer der zuerst abgefragten Sensorelemente 1 durch
eine Regelung der Empfindlichkeit des Leseverstärkers ausgeglichen. Eine derartige
Regelung ist einfach möglich, da es sich nur um die Kompensation der Änderungen
in einer Zeile handelt.
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Zur Ansteuerung einer Sensorzeile mit einer großen Zahl von Sensoren
empfiehlt sich eine Schaltung gemäß Fig. 4, in der hintereinander angeordnete Gruppen
8 von Sensoren 1 durch je einen Zeilenleiter 2 und allen Gruppen 8 gemeinsame, mäanderförmig
geführte Spaltenleiter 9 angesteuert werden. Die Ansteuerung und die Auswertung
können dabei wie in Fig. 1 aufgebaut sein.
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In dieser Ausführung können zur Raumersparnis die Gruppen 8 eine unterschiedliche
Anzahl von Sensoren 1 enthalten und Spaltenleiter 9 an zumindest einer Gruppe 8
vorbeigeführt sein.
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Die erfindungsgemäße Schaltung ist dabei vorteilhaft in integrierter
Siliciumtechnik ausgeführt und bedarf hierbei eines relativ geringen Aufwandes.
Eine kostengünstige Ausführung für hohe Qualitätsansprüche wird erreicht, indem
die Schaltung mit Ausnahme der Fotoleiterschicht in integrierter Siliciumtechnik
ausgeführt und die Fotoleiterschicht in Form einer zusätzlichen kristallinen Fotoleiterschicht
hergestellt ist.
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4 Figuren 11 Patentansprüche