DE69510454T2

DE69510454T2 - Cmos-bildmatrix mit aktiven bildelementen

Info

Publication number: DE69510454T2
Application number: DE69510454T
Authority: DE
Inventors: Tzu-Chiang Hsieh; R. Mcgrath
Original assignee: Polaroid Corp
Current assignee: Polaroid Corp
Priority date: 1994-05-19
Filing date: 1995-05-18
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2015-05-19
Also published as: WO1995032580A1; EP0760191B1; ATE181630T1; EP0760191A1; KR970703673A; JPH10500823A; KR100264931B1; DE69510454D1; CA2190615A1; CN1148454A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bildsensor und eine Bildsensormatrix gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 11. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Umwandlung optischer Strahlung in ein elektrisches Signal, wie dies im Oberbegriff des Patentanspruchs 23 angegeben ist.

Hintergrund der Erfindung

Es sind Bildsensoren bekannt, die einfallende optische Strahlung detektieren, diese Strahlung in Ladungsträger umwandeln und die Ladungsträger in einem lichtempfindlichen Material speichern. Das Ausgangssignal des Bildsensors oder die Pixel entstehen mit der Übermittlung der gespeicherten Ladungsträger. Die Ladung wird von dem Pixel auf die Verarbeitungselektronik oder ein Speichermedium üblicherweise über mehrere Eimerkettenregister oder eine Folge von ladungsgekoppelten Vorrichtungen (CCDs) übertragen. Während der Übertragung ist das Ausgangssignal sehr empfänglich für die Aufnahme von Störungen, weil das Signal aus Ladungsträgern besteht. Die bisherige Entwicklung auf dem relevanten Gebiet der Technik war auf die Rauschaufnahmeprobleme gerichtet und es wurde versucht, die Kosten der auf CCD basierenden Bilderzeugungsvorrichtungen zu senken.
Die im Ausgangssignal auftretende Störung wird auf unterschiedliche Weise aufgenommen, und zwar unter anderem: durch überschüssige Ladungserzeugung, durch thermische Aktivität in der Schaltung, durch Ladungsträgerverluste, durch eine Veränderung unter den Pixeln und durch Unregelmäßigkeiten beim Zurücksetzen. Ein konstruktiver Versuch zur Lösung dieses Problems benutzt eine Photodiode, einen FET-Schalter und eine Ladungsbereichsauslesung im Pixel. Obgleich dies zu einem gewissen kommerziellen Erfolg führte, wurden die Probleme, die mit diesen Störungsquellen verknüpft sind, nicht zufriedenstellend gelöst.
Die Herstellung eines CCD-Bilderzeugers ist wegen der Zahl spezialisierter Herstellungsoperationen relativ kostspielig. Die Verminderung der physikalischen Größe der Abbildungspixel vermindert ebenso die Herstellungskosten, aber dadurch wird der dynamische Bereich der Bildsensorpixel vermindert. Wenn die Pixelgröße abnimmt, dann erhöht sich der Rauschpegel, aber die Signalstärke sinkt mit einer größeren Geschwindigkeit ab als der Rauschpegel, Ein verminderter dynamischer Bereich führt wiederum zu höheren Konstruktionserfordernissen der Optiken des Bilderzeugungssystems.
Trotz der vorstehend genannten Probleme basiert die vorherrschende Bilderzeugungstechnik im hohen Maße auf Bildsensoren, die CCDs benutzen, um die optische Strahlung zu detektieren. Derartige Vorrichtungen werden in verschiedenen kommerziellen Bilderzeugungsprodukten, beispielsweise in Camcordern und Standbild-Videokameras, benutzt, und diese Produkte richten sich auf einen sehr breiten Verbrauchermarkt. Wenn jedoch die Arbeitscharakteristiken und die Fabrikation von auf CCD basierenden Elektronikteilen betrachtet wird, ergeben sich zusätzliche Schwierigkeiten.
Die Arbeitsweise von Schaltungen, die CCDs enthalten, erfordert beispielsweise, daß Spannungen an die CCDs angelegt werden, die keinem Standardwert entsprechen. Dies erfordert wiederum eine sehr komplex aufgebaute Spannungsquelle und eine Verteilungsschaltung innerhalb der Verarbeitungselek tronik. Diese Erfordernisse machen es noch schwieriger, die CCDs enthaltenden Schaltungen in einem elektronischen System zu integrieren, das sonst nur Standard-Nennspannungen benutzt. Die Notwendigkeit der nicht-standardisierten Spannungen erhöht wiederum die Komplexität des Fabrikationsprozesses.
Diese erhöhte Komplexität von auf CCD-Basis beruhenden Elektronikschaltungen erfordert spezialisierte Herstellungsoperationen, die zusätzlich die Kosten der Herstellung solcher Bilderzeugungsvorrichtungen erhöhen. Im Gegensatz dazu werden Festkörperschaltungen, die eine Massenfabrikation benutzen, beispielsweise Speicher, Logikchips und Analogverarbeitungskomponenten, ohne Notwendigkeit für die spezialisierten Herstellungsoperationen fabriziert, die für auf CCD-Basis beruhende Vorrichtungen erforderlich sind. Es ist klar, daß, wenn eine Massenfabrikationstechnik für Bildsensoren benutzt werden könnte, ohne daß spezialisierte Operationen erforderlich sind, die Kosten der Festkörpersensoren beträchtlich vermindert werden können. Bisher konnte dies jedoch nicht realisiert werden, und eine kostspielige, auf CCD-Basis beruhende Technologie herrscht weiter vor.
Es besteht daher ein Bedarf an Lichtsensoren, die eine Massenfabrikationstechnik ermöglichen und eine Schaltungsausbildung aufweisen, die weniger empfänglich für Rauscherzeugungsprozesse ist, die beim Stande der Technik anzutreffen sind. Vorzugsweise weist eine solche Einrichtung eine Schaltungsausbildung auf, die keine CCDs benutzt und leicht integrierbare Komponenten hat, die einfach durch Benutzung kostengünstiger, kommerziell verfügbarer Herstellungstechnologien fabriziert werden können.
Die EP-A-0046396 beschreibt einen Bildsensor gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 11, der mehrere Bildelemente in einem zweidimensionalen Feld aufweist. Jedes Element besitzt ein photoelektrisches Umwandlungselement und einen Schaltungs-Feldeffekttransistor, um eine Abtastung der Elemente durch Abtastvorrichtungen zu ermöglichen. Um einem Rauschen und einer Überstrahlung entgegenzuwirken, wirkt ein zweiter Transistor als Verstärker zwischen dem photoelektrischen Umwandlungselement und dem Transistor, und ein dritter Transistor bewirkt eine Rückstellung der photoelektrischen Elemente. Es ist eine Bezugsspannungsquelle vorgesehen, die aus einem geladenen Kondensator besteht und als exponentiell abnehmende Quelle wirkt, wenn eine Entladung stattfindet. Eine Speisespannung wird von einem Ausgang über einen Lasttransistor geliefert. Die Speisespannung wird einmal im Kondensator einer vertikalen Signalleitung gleichzeitig mit der Ausleseoperation gespeichert und durch den Verstärkertransistor freigegeben, wenn der Schalttransistor leitfähig gemacht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bilderzeugungseinrichtung zu schaffen, bei der der an der Signalausgangsleitung auftretende Rauschpegel auf einem Minimum gehalten wird, und es soll eine Bilderzeugungseinrichtung mit einem vergrößerten dynamischen Bildsensorbereich geschaffen werden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Bilderzeugungseinrichtung zu schaffen, die eine Signalinformation in einem Modus liefert, der unterschiedlich ist vom CCD- Modus der Bilddetektion.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Bildsensormatrix zu schaffen, die auf einem einzigen Substrat hergestellt werden kann und dadurch die erforderliche Zahl von Herstellungsschritten vermindert.
Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Bilderzeugungsmatrix, die aus Komponenten besteht, welche zum Betrieb nur standardisierte Spannungen benötigt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Umwandlung optischer Strahlung in ein elektrisches Signal zu schaffen, das der Strahlungsmenge entspricht und die obigen Kriterien erfüllt.
Die gestellten Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch die Kennzeichnungsteile gemäß Anspruch 1 und 11, soweit es den Bildsensor und die Bildsensormatrix anbetrifft und durch den Kennzeichnungsteil des Anspruchs 23, soweit es das Verfahren zur Umwandlung optischer Strahlung in ein elektrisches Signal betrifft.
Die Erfindung umfaßt demgemäß einen Bildsensor, bei dem die Bildsensorschaltung elektrisch von der Signalsensorschaltung isoliert ist. Ladungsträger, die durch eine photosensitive Komponente erzeugt werden, die die optische Strahlung empfängt, werden gesammelt, um ein elektrisches Feld innerhalb des Sensors zu erzeugen. Das elektrische Feld wird benutzt, um den elektrischen Widerstand einer Widerstandskomponente zu modifizieren, von der ein Ende durch eine erste Spannungsquelle auf einer festen Spannung gehalten wird. Diese Spannungsquelle erzeugt einen elektrischen Signalausgang entsprechend der Strahlungsmenge, die durch die photosensitive Komponente empfangen wurde. Bei dieser Ausbildung wird die die Ladung sammelnde Schaltung von der Signalsensorschaltung entkoppelt. Die Spannungsquelle dient auch dazu, eine Signalleitung auf einem im wesentlichen konstanten Potential zu halten. Der elektrische Signalausgang kann außerdem in ein Spannungssignal durch einen Strom-Spannungswandler umgewandelt werden. Außerdem kann das Pixel durch eine Rücksetzoperation initialisiert werden, die Gebrauch macht von einer zweiten Spannungsquelle, um das lichtempfindliche Element in einen abgereicherten Zustand zu versetzen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Mehrfach-Bildsensorvorrichtungen in einer Matrix angeordnet, die aus Reihen und Spalten von Pixeln besteht, deren elektrische Ausgangssignale aufeinanderfolgend nach einem oder mehreren Konvertern über Spalten- und Reihenselektoren gerichtet werden. Die Selektoren können entweder aufeinanderfolgend arbeiten und aus Flip-Flops bestehen, oder sie können im Multiplexverfahren arbeiten und Signaldekoder und Transmissionsgatter besitzen. Stattdessen können die Ausgangspixelsignale in Spannungssignale umgewandelt werden, bevor sie durch einen Reihenselektor hindurchtreten. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Benutzung einer einzigen Spannungsquelle, die mehreren Strom-Spannungswandlern elektrische Leistung zuführt.
Es kann eine CMOS-Technologie benutzt werden, um die erfindungsgemäße Einrichtung herzustellen. Durch einen integrierten Prozeß kann die Fabrikation von aktiven Komponenten, nämlich von p-MOS- oder n-MOS-Komponenten, auf dem gleichen Substrat bewirkt werden. Hierdurch wird die Zahl von Bearbeitungsschritten vermindert, die zur Herstellung der Einrichtung erforderlich sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die neuartigen Merkmale, die als charakteristisch für die vorliegende Erfindung angesehen werden, sind im folgenden im einzelnen beschrieben. Die Anordnung und das Verfahren gemäß der Erfindung zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bildsensors;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Pixel, die innerhalb des Bildsensors nach Fig. 1 angeordnet sind;
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer Bildsensormatrix gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Signale durch einen Strom-Spannungswandler seriell ausgegeben werden;
Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bildsensormatrix gemäß Fig. 3, wobei die Signale durch zwei Strom- Spannungswandler parallel ausgegeben werden;
Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der Bildsensormatrix gemäß Fig. 3, wobei die Signale in Spannungssignale umgewandelt werden, bevor sie durch einen Spaltenmultiplexer ausgegeben werden;
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines Flip-Flops, welches bei einem Ausführungsbeispiel eines Reihenscanners im Blockdiagramm gemäß Fig. 3 Verwendung findet; und
Fig. 7 ist eine schematische Ansicht eines Paares von Transmissionsgattern, wie sie bei einem Ausführungsbeispiel eines Spaltenmultiplexers im Blockschaltbild gemäß Fig. 3 Anwendung findet.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Im folgenden wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Hier ist schematisch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung dargestellt. Optische Strahlung 12, die beispielsweise ein Teil eines zu detektierenden Bildes ist, trifft auf einen Bildsensor 100 auf. Der Bildsensor 100 umfaßt ein Pixel 10 zum Empfang der optischen Strahlung 12 und erzeugt ein Stromsignal 28 mit einer Amplitude, die proportional der Menge der erfaßten optischen Strahlung 12 ist. Das Stromsignal 28 wird in ein Spannungssignal 50 durch einen Konverter 30 umgewandelt. Die elektrische Leistung für Pixel 10 und Konverter 30 wird durch eine Vorspannquelle 40 geliefert.

Arbeitsweise eines Bildsensors

Als Ladungsträger werden Paare erzeugt. Ladungsträger der einen Polarität fließen nach einer Pixelmasse 18, und Ladungsträger der entgegengesetzten Polarität fließen nach einem Ladungsträgersammler. Der Sammler sammelt diese Ladungsträger und erzeugt ein elektrisches Feld mit einer Größe proportional zur Gesamtzahl der gesammelten Ladungsträger. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dient ein n-MOSFET als FET-Akkumulator 22. Positiv geladene Träger (d. h. "Löcher") fließen nach der Pixelmasse 18, und negativ geladene Träger (d. h. Elektronen) sammeln sich am Gatteranschluß 22 g des FET-Akkumulators 22, während Ladungsträgerpaare durch die Photodiode 20 erzeugt werden. Durch diesen Vorgang wird ein elektrisches Feld in dem FET-Kanal erzeugt. Gemäß einer abgewandelten, nicht dargestellten Ausführungsform dient ein p-MOSFET als FET-Akkumulator und die Photodiode 20 wird gegenüber der dargestellten Anordnung umgekehrt und die Photodiodenvorspannung wird in ihre Polarität umgekehrt und der Ladungsträgerfluß wird entsprechend geändert.
Das von dem FET-Akkumulator erzeugte elektrische Feld bewirkt eine Veränderung des Widerstandes im FET-Kanal. Das Ausmaß, in dem sich der Kanalwiderstand ändert, hängt von der Menge der optischen Strahlung 12 ab, die auf die Photodiode 20 einfällt. Diese Änderung des Kanalwiderstandes, die proportional ist der Menge der Ladungsträgerpaare, die durch die Photodiode 20 erzeugt werden, liefert einen Meßparameter, durch den die Strahlungsmenge, die vom Pixel 10 empfangen wird, quantitativ über einen relativ großen Beleuchtungsbereich bestimmt werden kann. Bei einem physikalischen Ausführungsbeispiel kann der FET-Kanalwiderstand, der ohne Ladung am FET-Gatteranschluß weniger als 20 Kiloohm beträgt, auf über 10 Megohm ansteigen, wenn die Ladungsansammlung den Maximalwert erreicht hat.
Der FET-Kanalwiderstand wird dadurch gemessen, daß eine Bezugsspannung 66 (VREF) an den Anschluß 22s des FET-Akkumulators 22 angelegt und das resultierende Stromsignal 28 gemessen wird. Die Bezugsspannung 66 wird aus einer Vorspannquelle 40 erhalten. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Bezugsspannung 66 dem FET-Akkumulator-Klemmenanschluß 22s dadurch angelegt, daß ein FET-Wahlschalter 16 geschlossen wird, wenn der Widerstand bestimmt werden soll. Der Wahlschalter 16 wird dadurch geschlossen, daß ein Wählimpuls 26 längs einer Wählimpulsleitung dem zweiten Schaltgatteranschluß 16g zugeführt wird. Wenn der Wahlschalter 16 schließt, so wird hierdurch der elektrische Kreis zwischen der Vorspannquelle 40 und der Anschlußklemme 22s des FET-Akkumulators 22 geschlossen. Die Bezugsspannung 66 liegt am positiven Eingang 34 eines Operationsverstärkers 32 im Konverter 30 und tritt außerdem am negativen Eingang 36 auf. Mit dem Schließen des Wahlschalters 16 wird die Bezugsspannung 66 an den FET-Akkumulatorquellenanschluß 22s angelegt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht der Wahlimpuls aus einem 5-Volt-Impuls, der etwa eine usec lang am Gatteranschluß des FET-Wahlschalters (nicht dargestellt) angelegt wird.
Das Stromsignal 28, das dadurch erzeugt wird, daß der Quellenanschluß 22s an das Potential der Bezugsspannung 66 angelegt wird, fließt längs einer Signalsensorleitung, die zwischen einem Signalsensorknoten 17 und Pixelmasse 18 liegt. Während der Arbeitsweise des Pixels 10 ist ein Rauschen, das durch innere Stromfluktuation erzeugt wird, in einer Photoladungs-Integrationsleitung vorhanden, die zwischen einem Photoladungs-Integrationsknoten 21 und dem FET-Akkumulatorgatter 22g liegt. Das Rauschen auf dieser Photoladungs-Integrationsleitung erscheint als Spannungsfluktuation auf der Signalsensorleitung durch kapazitive Kopplung über dem Kanal des FET-Akkumulators 22. Diese Spannungsfluktuationen werden jedoch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung unterdrückt, weil die Signalsensorleitung auf einem im wesentlichen konstanten Potential gehalten wird entsprechend dem Potential der Bezugsspannung 26, das dem Quellenanschluß 22s des FET-Akkumulators 22 zugeführt wird.
Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform besteht ein Pixel 10a aus einer Photodiode 20, einem Rücksetzschalter 14 und einem Wählschalter 16 gemäß Fig. 2. Ein Akkumulatorkondensator 23 wird zum Sammeln der Ladungsträger und zur Erzeugung eines elektrischen Feldes benutzt. Das elektrische Feld, das durch den Akkumulatorkondensator 23 erzeugt wird, verursacht eine Veränderung im Widerstand eines FET-Kanals 22c. Der Widerstand des FET-Kanals 22c wird dadurch bestimmt, daß eine Bezugsspannung 66 an den FET-Quellenanschluß angelegt wird und das resultierende Stromsignal gemessen wird, wobei das gleiche Verfahren Anwendung findet wie dies oben für das Pixel 10 beschrieben wurde.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist eine elektrische Leistung vorgesehen, um die Quelle 40 vorzuspannen, und dies geschieht über eine Spannungsquelle 60, die sowohl eine Schwebevorspannung 62 ((Vdd) als auch eine Schwebeniederspannung 64 (VSS) an die Vorspannungsquelle 40 anlegt. Die Vorspannungsquelle 40 wandelt die Vorspannung 62 und die Niederspannung 64 in eine Bezugsspannung 66 durch eine geeignete Gleichstrom- Gleichstromwandlerschaltung um. Der Wandler kann aus einem Vorspannungs-FET 42 und einem Niederspannungs-FET 44 bestehen, wie dies dargestellt ist. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Vorspannung Vdd etwa 5,0 Volt, die Niederspannung Vss beträgt 0,0 Volt und die Bezugsspannung VREF beträgt etwa 2,5 Volt. Wenn eine Bezugsspannung von 2,5 Volt an den Quellenanschluß eines n-MOS angelegt wird, kann sich das beobachtete Stromsignal von weniger als 1 uA auf über 100 uA ändern, was zu einem entsprechend großen Dynamikbereich für den Bildsensor 100 führt.
Die Bezugsspannung 66 ist auch die Spannungsquelle, durch die die Photodiode 20 initialisiert oder in einen Verarmungszustand gesetzt wird, wenn der Rücksetzschalter 14 geschlossen wird. Außerdem bewirkt die Anwendung der Bezugsspannung 66 in der Vorspannphotodiode 20 eine Initialisierung des Pixels 10 durch Abzug von Ladungsträgern aus dem FET-Akkumulator 22 nach der Pixelmasse 18, und dadurch wird die Menge der Ladungsträger, die am Gatteranschluß 22 g vorhanden sind, eingestellt. Über die Rücksetzimpulsleitung wird ein Rücksetzimpuls 24 geleitet, um den Rücksetzschalter 14 zu schließen, der hierbei als FET-Schalter dargestellt ist, und es wird ein elektrischer Pfad zwischen dem Wandler 20 und Pixelmasse 18 über den Photoladungs-Integrationsknoten 21 vollendet. Der Rücksetzimpuls 24 hat eine Zeit-Spannungscharakteristik genügender Größe, um zu gewährleisten, daß die Ladungsträger, die im FET-Akkumulator 22 gespeichert sind, abgezogen werden, und daß die Diode 20 einen verarmten Zustand erreicht. Ein typischer n-MOS-Akkumulator kann beispielsweise eine Ladung von 10&sup4;- bis 10&sup6;- Elektronen speichern. Diese Ladungsmenge kann auf die Pixelmasse 18 durch einen Niederspannungs-Rücksetzimpuls einer Dauer von 10 usec abgezogen werden.
Der Konverter 30 besteht aus einem Operationsverstärker 32 und einem Widerstands-Rückkopplungselement, beispielsweise einem Rückkopplungs-FET 52, das zwischen dem Ausgang 38 und einem negativen Eingang 36 geschaltet ist, um eine geschlossene Schleife zu bilden. Eine Vorspannung 62 wird dem Leistungsoperationsverstärker 32 an dem Vorspannungsanschluß 46 zugeführt, und eine Niederspannung 64 wird dem Niederspannungsanschluß 48 zugeführt. Das Stromsignal 28, das am negativen Eingang 36 des Operationsverstärkers 32 auftritt, wird in ein Spannungssignal 50 am Ausgang 38 umgewandelt. Der Wert des Spannungssignals 50, der proportional der Amplitude des Stromsignals 28 ist, fließt zu dem Pixel 10 und entspricht so der Menge optischer Strahlung 12, die von einem Pixel 10 getroffen wird.
Falls erforderlich, kann ein äußerer Verschluß (nicht dargestellt) benutzt werden, um ein Bildakquisitionsintervall durch Bestimmung der Zeitdauer zu erzeugen, während der die optische Strahlung 12 das Pixel 10 beleuchtet. Nachdem das Pixel 10 durch einen Rücksetzimpuls 24 initialisiert ist, wird der äußere Verschluß geöffnet, um das Akquisitionsintervall einzuleiten. Wenn das gewünschte Bildsignal akquiriert ist, wird der äußere Verschluß geschlossen. Die Strömung von durch Licht erzeugten Ladungen nach dem FET-Akkumulator 22 wird beendet, und das Akquisitionsintervall endet. Stattdessen kann das Akquisitionsintervall für ein Pixel ohne die Notwendigkeit eines äußeren Verschlusses wie folgt erzeugt werden. Mit der Anlegung des Rücksetzimpulses 24 wird das Pixel 10 initialisiert, und es beginnt ein Akquisitionsintervall. Die darauf folgende Anwendung eines Wählimpulses 26, der dazu dient, die Strahlung festzustellen, die von der Photodiode 20 detektiert wird, liefert ein Stromsignal 28 an den Konverter 30, und hierdurch wird wirksam das Akquisitionsintervall beendet.

Arbeitsweise eines Bildsensorfeldes

Fig. 3 zeigt ein Bildsensorfeld 120, bestehend aus: (i) einem Pixelfeld 80 zum Empfang der einfallenden Strahlung und zur Ausgabe eines Stromsignals, welches repräsentativ ist für die an der entsprechenden Pixelstelle empfangenen Strahlung, (ii) einem Konverter 30 zur Umwandlung der Pixelfeldstromsignale in Spannungssignale, (iii) einem Spaltenmultiplexer 70, der die Stromausgangssignale aller Spalten des Pixelfeldes 80 empfängt und den Strom von den designierten Feldspalten nach dem Konverter 30 überträgt, und (iv) einem Reihenscanner 90, der einen ausgewählten Impuls 26 nacheinander jeweils einer Reihe der Pixelreihen im Pixelfeld 80 zuführt.
Das Pixelfeld 80 ist in Form eines 16 · 16-Feldes von Pixeln 10 dargestellt, um die Erfindung zu veranschaulichen. Es sind jedoch auch andere Feldkonfigurationen, beispielsweise 512 · 512-Pixelfelder denkbar, in Verbindung mit den Merkmalen vorliegender Erfindung. Wie oben beschrieben, wird ein Stromsignal 28 erzeugt, wenn optische Strahlung irgendein Pixel 10 trifft. Allgemein ändert sich dieses Signal von Pixel zu Pixel und proportional jenem Teil eines detektierten Bildes, das durch die optische Strahlung 12 getroffen wird und von dem jeweiligen Pixel empfangen wird. Für den Fachmann ist es klar, daß das elektrische Signal eines jeden solchen Pixels individuell ausgelesen werden muß, wenn das detektierte Bild aus dem Signalstrom des Pixelbildfeldes wieder aufgebaut und rekonstruiert werden soll.
Das Bildsensorfeld 120 schafft ein Verfahren, durch das das elektrische Signal eines jeden Pixels in dem Pixelfeld 80 zugänglich wird und individuell ausgelesen werden kann. Ein Stromsignal 28', das durch ein Pixel 10 im Pixelfeld 80 erzeugt wird, kann durch das folgende Verfahren erlangt werden. Der Reihenscanner 90 dient dazu, einen elektrischen Pfad zwischen einer Scanner-Eingangsleitung 99 und irgendeiner Reihe von Ausgangsleitungen 27 zwischen dem Reihenscanner 90 und dem Pixelfeld 80 zu bilden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Reihenausgangsleitung 27' benutzt, weil sie nach der Reihe hin läuft, in der das Pixel 10' angeordnet ist. Dann wird ein Wählimpuls 26 auf die Reihenausgangsleitung 27' über die Scanner-Eingangsleitung 99 und den Reihenscanner 90 angelegt. Durch diese Wirkung wird der Wählschalter eines jeden Pixel 10 in der designierten Reihe, die das Pixel 10' enthält, geschlossen, und es wird ein elektrischer Pfad zwischen dem Spaltenmultiplexer 70 und dem Quellenanschluß eines jeden Pixel- FET-Akkumulators in der Reihe vollendet, die vom Scanner ausgewählt wurde.
Die Funktion des Spaltenmultiplexers 70 besteht darin, einen elektrischen Pfad zwischen dem Konverter 30 und jener Spalte zu schaffen, in der ein designiertes Pixel, beispielsweise das Pixel 10', angeordnet ist. Diese Wirkung des Spaltenmultiplexers 70 in Verbindung mit dem Schließen des Wählschalters im Pixel 10' bewirkt, daß die Bezugsspannung 66 dem Quellenanschluß des Akkumulators des Pixels 10' in der Weise angelegt wird, wie dies oben in Verbindung mit dem Bildsensor 100 gemäß Fig. 1 beschrieben wurde. Wenn die Bezugsspannung 66 auf diese Weise an das Pixel 10' angelegt wird, erscheint ein Stromsignal 28' an der Multiplexerausgangsleitung 76 zwischen dem Spaltenmultiplexer 70 und dem Konverter 30. Die Umwandlung des Stromsignals 28' in ein Spannungssignal 50 wird durchgeführt, bevor das Stromsignal vom nächsten Pixel vom Konverter 60 empfangen wird. Dieser Prozeß setzt sich fort, bis das Stromsignal für jedes Pixel in der gewählten Reihe erfaßt und ausgelesen ist.
Danach wird ein folgender Wählimpuls 26 längs der Scannereingangsleitung 99 über den freien Scanner 90 und nach einem weiteren Ausgang, beispielsweise der Reihenausgangsleitung 27", zugeführt. Es wird auf jedes Pixel in der neu gewählten Reihe zugegriffen, und es wird ein Stromsignal in der gleichen Weise ausgelesen, wie dies bezüglich der vorherigen Reihe geschah. Auf diese Weise wird auf jede Pixelreihe in irgendeiner zweckmäßigen Weise zugegriffen, bis sämtliche Pixel im Pixelfeld 80 ausgelesen sind. Beispielsweise kann die erste Reihe 91 vor der zweiten Reihe 92 ausgelesen werden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Reihenscanner 90 ein D-Flip-Flop für jede Reihe auf, die im Pixelfeld 80 angeordnet ist. Die D-Flip-Flops sind gemäß den üblichen digitalen Methoden aufgebaut und benutzen Transmissionsgatter und Inverter. Beispielsweise kann jedes Reihen- Flip-Flop eine erste Eingangsleitung aufweisen, die vom Ausgang eines D-Flip-Flops in einer anderen Reihe (beispielsweise der vorherigen Reihe) liegt. Eine zweite Eingangsleitung kann als Takteingang dienen, wobei der Wählimpuls 26 als Taktimpuls wirkt. Durch diese Ausbildung wird ein Verfahren geschaffen, um jede Reihe des Pixelfeldes 80 nacheinander zu adressieren, und es ist nur eine einzige Scannereingangsleitung 99 und ein Wählimpuls 26 zum Betrieb erforderlich. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Reihenscanner 90 gemäß Fig. 6 vorgesehen. Ein Impuls 26 wird in Takteingängen mehreren D-Flip-Flops zugeführt, beispielsweise den D-Flip-Flops 95, 95' und 95", und zwar mittels der Scannereingangsleitung 99. Der D-Anschluß eines jeden Flip-Flops ist mit dem Q-Ausgangsanschluß des Flip-Flops entsprechend der vorherigen Reihe verbunden. Wenn demgemäß das Flip-Flop 95" ein Signal längs der Reihenausgangsleitung 27" liefert, wird dadurch auch das Flip-Flop 95' gesetzt. Wenn ein folgender Impuls 26 auf die Scanner-Eingangsleitung 99 als Eingang gegeben wird, sendet seinerseits das Flip-Flop 95' einen Signalimpuls längs der Reihenausgangsleitung 27', und das Flip-Flop entsprechend der nächsten Reihe wird aufeinanderfolgend gesetzt.
Unter Benutzung bekannter Maßnahmen kann der Spaltenmultiplexer 70 aus einer Reihe von Übertragungsgattern bestehen, wobei ein Paar eines Übertragungsgatters für jede Feldspalte vorgesehen ist, mit der der Spaltenmultiplexer verbunden ist. Die Arbeitsweise der Übertragungsgatter selbst kann durch einen digitalen Spaltensignaldekoder 78 gesteuert werden. Der Spaltensignaldekoder 78 kann Spaltenwählimpulse 72 auf der Dekodereingangsleitung 97 empfangen und Steuersignale auf die Spaltenwahlsteuerleitungen 74 abgeben. Diese Arbeitsweise ergibt sich deutlicher aus Fig. 7, wobei ein Spaltensteuersignal 71 dem Gatter 75 g eines Übertragungsgattern- MOSFET 75 angelegt wird, und es wird ein Spaltensteuerkomplementierungssignal 73 dem Gatter 79 g des Übertragungsgatter-p-MOSFETs 79 angelegt. Ein ankommendes Stromsignal 28' wird einem der gemeinsam verbundenen Enden der MOSFETs 75 und 79 zugeführt. Wenn das Spaltensteuersignal 71 einen Wert von logisch-1 erhält, dann schalten beide, das n-MOSFET 75 und das p-MOSFET 79, in den Anschaltzustand und übertragen das Stromsignal 28' der Multiplexerausgangsleitung 76. Wenn das Spaltensteuersignal 71 seinen Zustand auf logisch-0 umschaltet, dann schaltet das n-MOSFET 75 und das p-MOSFET 79 in den Ausschaltzustand, und es wird kein ankommendes Stromsignal 28' übertragen. Auf diese Weise ist jede Reihe des Pixelfeldes 80 gemäß Fig. 3 getrennt adressierbar und in jeder Folge adressierbar.
Bei einer typischen Bilderzeugungsoperation wird das gesamte Pixelfeld 80 bestrahlt, gleichgültig, ob die Bilderzeugung für Standbilder oder für eine Videoaufzeichnung stattfindet. Die Operation beginnt mit der Anwendung eines Rücksetzimpulses für jedes Pixel im Pixelfeld 80. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rücksetzimpulsleitung für jedes Pixel in der ersten Pixelreihe 82a an eine erste Rücksetzleitung 84a angeschlossen. Das Rücksetzen der Pixel in der ersten Pixelspalte 82a wird dadurch bewirkt, daß zeitweise ein erster Spaltenrücksetzschalter 86a geschlossen wird, was bewirkt, daß der Rücksetzschalter in jedem Pixel der ersten Pixelreihe 82a schließt. Hierdurch wird die Bezugsspannung 66 an den Photodiodenanschluß eines jeden Pixels in der ersten Pixelspalte 82a angelegt, und es wird das entsprechende Pixel, wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben, initialisiert. Eine zweite Pixelspalte 82b wird zurückgesetzt, wenn ein zweiter Spaltenrücksetzschalter 86b geschlossen wird, um die Bezugsspannung 66 an jedes Pixel in der zweiten Pixelspalte 82b über die zweite Rücksetzleitung 84b anzulegen. Die übrigen Pixelspalten des Pixelfeldes 80 werden in gleicher Weise zurückgesetzt. Stattdessen kann die Rücksetzung in Gruppen von Spalten statt einzeln erfolgen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jeder Spaltenrücksetzschalter mit den anderen Spaltenrücksetzschaltern verbunden, um eine globale Rücksetzmöglichkeit zu schaffen, wodurch sämtliche Feldspalten bei Anwendung eines globalen Rücksetzimpulses 124 zurückgesetzt werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 4 ergibt sich die Möglichkeit einer parallelen Verarbeitung. Das Bildsensorfeld 220 weist zwei Konverter 230a und 230b auf, die jeweils benutzt werden, um das Stromsignal der Multiplexerausgangsleitung 276a vom Spaltenmultiplexer 270a und von der Multiplexerausgangsleitung 276b vom Multiplexer 270b zu konvertieren. Bei dieser Ausbildung wird die Signalausgangsrate gegenüber der Signalausgangsrate der Ausbildung gemäß Fig. 1 etwa verdoppelt. In Fig. 1 wurde nur ein Konverter 30 benutzt. Es ist nur eine Vorspannquelle 240 notwendig, um die beiden Konverter 230a und 230b zu versorgen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auch ein Reihendigitalsignaldekoder 298 vorgesehen, und außerdem ein Reihenmultiplexer 290 zur Reihenwahl anstelle eines Scanners entsprechend dem Scanner 90 gemäß Fig. 3. Durch dieses Merkmal wird es möglich, auf die Pixelreihen aufeinanderfolgend zuzugreifen oder in einer anderen Ordnung, wie dies jeweils gewünscht wird. Eine Konfiguration, die Multiplexer für die Pixelreihen und die Pixelspalten aufweist, ist zweckmäßig bei Anwendungen wie bei einer Bildverarbeitung, wo der Zugriff zu gewählten Pixeln oder Gruppen von Pixeln im Pixelfeld 80 notwendig ist. Das Bildsensorfeld 220 weist auch eine globale Rücksetzleitung 284 auf, über die ein globaler Rücksetzimpuls eingegeben werden kann.
Stattdessen können die Spaltenmultiplexer 270a und 270b durch einen oder mehrere Spaltenscanner ersetzt werden, durch die die Pixelfeldspalten in ähnlicher Weise zugänglich werden wie die Reihen mit dem Reihenscanner 90 gemäß Fig. 3. Fig. 5 zeigt eine solche Ausbildung mit einer Reihe von Konvertern 330a bis 330b, und zwar jeweils einen für den Ausgang einer jeden Spalte im Bildsensorfeld 320. Obgleich die Konverter 330a bis 330b gemäß der Darstellung durch zwei Vorspannquellen 340a und 340b gespeist werden, kann die Zahl der benutzten Vorspannquellen auch größer sein, falls dies die Auslegung erfordert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Stromsignale in Spannungssignale umgewandelt, bevor sie eine Ausgabevorrichtung, beispielsweise eine Folgestufe oder einen Multiplexer durchlaufen. Das Stromsignal 28 fließt längs einer Spaltenausgangsleitung 376, um in ein Spannungssignal 50 an der Konverterausgangsleitung 377 umgewandelt zu werden. Das Spannungssignal 50 ist als eines von zahlreichen Spannungssignaleingängen nach dem Spaltenscanner 370 verfügbar. Der Spaltenscanner 370 hat die Funktion, ein Eingangsspannungssignal jeweils auszuwählen und es als Spannungssignal 50' auszugeben.
Um einen Rücksetzimpuls 324 zu erhalten, ist eine Rücksetzleitung 384 vorgesehen. Der Rücksetzimpuls 324 tritt in eine Rücksetzimpulsverteilerstufe 386 ein, die als Folgestufe oder als Multiplexer ausgebildet sein kann. Die Rücksetzimpulsverteilerstufe 386 überträgt den ankommenden Rücksetzimpuls 324 auf eine oder mehrere Pixelfeldspalten über einen oder mehrere Spalteneingangsleitungen 382.
Es ist für den Fachmann klar, daß Abänderungen der Ausführungsbeispiele gemäß den Lehren der Erfindung vorgenommen werden können. Daher sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht als beschränkend zu werten.

Claims

1. Bildsensor (100) zur Umwandlung einfallender optischer Strahlung (12) in einen elektrischen Signalausgang, dessen Größe der aufgefangenen Strahlung entspricht, mit den folgenden Merkmalen:

ein lichtempfindliches Element (20) zum Empfang der optischen Strahlung (12) und zur Erzeugung von Ladungsträgern proportional zur Menge der aufgefangenen Strahlung;

ein Ladungsakkumulator (22g) zum Sammeln der Ladungsträger, die durch das lichtempfindliche Element (20) erzeugt wurden, wodurch ein elektrisches Feld erzeugt wird und die Größe des so erzeugten elektrischen Feldes proportional der Menge der gesammelten Ladungsträger ist; und

ein variabler Widerstand (22), dessen erstes Ende an Masse (18) gelegt ist und der auf den Ladungsakkumulator (22g) anspricht, wobei der Widerstand des variablen Widerstands (22) auf die Größe des elektrischen Feldes bezogen ist, das durch den Ladungsakkumulator erzeugt wurde;

dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor (100) außerdem eine Bezugsspannungsquelle (66) mit konstantem Potential aufweist, die selektiv an ein zweites Ende (22s) des variablen Widerstandes (22) über einen optischen Verstärker verbunden ist, um das zweite Ende (22s) auf einem im wesentlichen konstanten Potential zu halten, wodurch ein Stromausgangssignal (28) erzeugt wird.

2. Bildsensor (100) nach Anspruch 1, welcher außerdem einen Strom-Spannungswandler (30) aufweist, um das Stromausgangssignal (28) zu empfangen und um ein Ausgangs-Spannungssignal (50) zu erzeugen, dessen Wert der Amplitude des Stromausgangssignals (28) entspricht.

3. Bildsensor nach Anspruch 1, welcher außerdem Rückstellmittel (14) aufweist, um das lichtempfindliche Element (20) in einen Verarmungszustand zu überführen, wodurch die gesammelte Ladung vom Ladungsakkumulator (22g) entfernt wird.

4. Bildsensor nach Anspruch 1, bei welchem das lichtempfindliche Element (20) eine Photodiode ist.

5. Bildsensor nach Anspruch 1, bei welchem der variable Widerstand (22) der Kanal eines Feldeffekttransistors ist.

6. Bildsensor nach Anspruch 5, bei welchem der Ladungsakkumulator (22g) einen Feldeffekttransistor aufweist.

7. Bildsensor nach Anspruch 5, bei welchem der Ladungsakkumulator einen dielektrischen Kondensator (23) aufweist.

8. Bildsensor nach Anspruch 5, bei welchem der Ladungsakkumulator einen Diffusionskondensator (23) aufweist.

9. Bildsensor nach Anspruch 2, bei welchem der Strom- Spannungswandler (30) aus einem Operationsverstärker (32) mit Widerstands-Rückkopplungselement (52) besteht.

10. Bildsensor nach Anspruch 3, bei welchem die Rückstellmittel (14) einen elektrischen Rücksetzschalter aufweisen und der elektrische Rücksetzschalter zwischen dem lichtempfindlichen Element und der Bezugsspannungsquelle (66) angeordnet ist, wodurch beim Schließen des elektrischen Rück setzschalters ein elektrischer Kreis zwischen der Bezugsspannungsquelle (66) und dem lichtempfindlichen Element (20) geschlossen wird.

11. Bildsensormatrix (120) zum Empfang optischer Strahlung (12) von einem Bild und zur Erzeugung eines elektrischen Signalausgangs, wobei die Bildsensormatrix (120) folgende Merkmale aufweist:

eine Vielzahl von Pixeln (10), die in Reihen und Spalten angeordnet sind, um die optische Strahlung (12) zu empfangen, wobei jedes Pixel (10) folgende Merkmale aufweist: a) ein lichtempfindliches Element (20) zum Empfang der optischen Strahlung (12) und zur Erzeugung von Ladungsträgern proportional zur Menge der aufgefangenen Strahlung, b) einen Ladungsakkumulator (22g) zum Sammeln der Ladungsträger, die durch das lichtempfindliche Element (20) erzeugt wurden, wodurch ein elektrisches Feld erzeugt wird und die Größe des so erzeugten elektrischen Feldes proportional zur Menge der gesammelten Ladungsträger ist, c) einen variablen Widerstand (22), der mit einem ersten Ende an Masse (18) gelegt ist und auf den Ladungsakkumulator (22g) derart anspricht, daß der Widerstandswert des variablen Widerstandes (22) auf die Größe des vom Ladungsakkumulator (22g) erzeugten elektrischen Feldes bezogen ist und d) einen Pixelwählschalter (16), der mit dem Ladungsakkumulator (22g) verbunden ist;

Reihen-Wähleinrichtungen (90) zum Schließen der Pixelwählschalter (18) wenigstens einer gewählten Reihe (91) von Pixeln, und

Spalten-Wählvorrichtungen (70) zum Empfang der elektrischen Signale (28), die durch die Pixel (10) erzeugt wurden und zur Ausgabe des elektrischen Signals (28), das in wenigstens einer gewählten Spalte (82a) der Pixel erzeugt wurde,

dadurch gekennzeichnet, daß die Bildsensormatrix (120) außerdem wenigstens eine Bezugsspannungsquelle (66) mit konstantem Potential aufweist, wodurch das Schließen des Pixelwählschalters (16) bewirkt, daß selektiv die Bezugsspannungsquelle (66) konstanten Potentials an ein zweites Ende (22s) eines entsprechenden variablen Widerstandes (22) über einen Operationsverstärker angeschlossen wird, um das elektrische Signal (28) zu erzeugen, wobei die Amplitude des elektrischen Signals (28) proportional zu dem elektrischen Widerstand des jeweiligen variablen Widerstands (22) ist.

12. Bildsensormatrix nach Anspruch 11, welche außerdem wenigstens einen Strom-Spannungswandler (30) aufweist, um das elektrische Signal (28) zu empfangen, das in wenigstens einem der Pixel (10) nach Schließen eines entsprechenden Pixelwählschalters (16) erzeugt wurde und zur Erzeugung eines Spannungssignals (50) mit einem Wert, der der Amplitude des elektrischen Signals (28) entspricht.

13. Bildsensormatrix nach Anspruch 11, welche außerdem Rücksetzmittel (14) aufweist, um die lichtempfindlichen Elemente (20) in einen Verarmungszustand zu setzen.

14. Bildsensormatrix nach Anspruch 11, bei welcher das lichtempfindliche Element (20) eine Photodiode ist.

15. Bildsensormatrix nach Anspruch 11, bei welcher der variable Widerstand (22) einen Kanal eines Feldeffekttransistors aufweist.

16. Bildsensormatrix nach Anspruch 15, bei welcher der Ladungsakkumulator (22g) einen Feldeffekttransistor aufweist.

17. Bildsensormatrix nach Anspruch 15, bei welcher der Ladungsakkumulator einen dielektrischen Kondensator (23) aufweist.

18. Bildsensormatrix nach Anspruch 15, bei welcher der Ladungsakkumulator einen Diffusionskondensator (23) aufweist.

19. Bildsensormatrix nach Anspruch 12, bei welcher der Strom-Spannungswandler (30) einen Operationsverstärker (32) mit einem Widerstands-Rückkopplungselement (52) aufweist.

20. Bildsensormatrix nach Anspruch 13, bei welcher die Rücksetzmittel (16) wenigstens einen elektrischen Rücksetzschalter aufweisen und der elektrische Rücksetzschalter zwischen das lichtempfindliche Element (20) und die eine Bezugsspannungsquelle (66) geschaltet ist, wodurch beim Schließen des elektrischen Rücksetzschalters ein elektrischer Kreis zwischen der Bezugsspannungsquelle (66) und dem lichtempfindlichen Element (20) geschlossen wird.

21. Bildsensormatrix nach Anspruch 11, bei welcher die Reihen-Wählvorrichtung (90) ein Flip-Flop (95) für jede Reihe (91) der Pixel (10) in der Bildsensormatrix (120) aufweist.

22. Bildsensormatrix nach Anspruch 11, bei welcher die Spalten-Wählvorrichtung (70) ein Paar von Transmissionsgattern (75, 79) für jede Spalte (82) der Pixel (10) in der Bildsensormatrix (120) aufweist.

23. Verfahren zur Umwandlung optischer Strahlung in ein elektrisches Signal, das der empfangenen Strahlungsmenge (12) entspricht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

es werden Ladungsträger proportional zur Menge der empfangenen optischen Strahlung erzeugt;

es werden die erzeugten Ladungsträger gesammelt;

es wird ein elektrisches Feld erzeugt, wobei die Größe des so erzeugten elektrischen Feldes proportional zur Menge der gesammelten Ladungsträger ist;

es wird ein elektrischer Widerstand (22) proportional zur Größe des elektrischen Feldes erzeugt; und

es wird ein erstes Ende des elektrischen Widerstandes mit Masse (18) verbunden,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren außerdem den Schritt aufweist, selektiv ein zweites Ende (22s) des elektrischen Widerstandes (22) über einen Operationsverstärker mit einer Bezugsspannungsquelle (66) konstanten Potentials derart zu verbinden, daß ein elektrisches Signal (28) erzeugt wird, wobei die Größe des elektrischen Signals (28) proportinal zu dem Wert des elektrischen Widerstandes (22) ist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, welches weiterhin den Schritt aufweist, das elektrische Signal (28) in ein Spannungssignal (50) umzuwandeln, dessen Spannungspegel proportinal zur Größe des elektrischen Signals (28) ist.

25. Verfahren nach Anspruch 23, welches außerdem den Schritt aufweist, die gesammelten Ladungsträger zu löschen nachdem das elektrische Signal (28) erzeugt ist.