DE69829828T2

DE69829828T2 - Photoelektrische Umwandlungsanordnung

Info

Publication number: DE69829828T2
Application number: DE69829828T
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Ohta-ku Kaifu
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-11-19
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2018-11-18
Also published as: EP0918434A2; JPH11150255A; EP0918434A3; KR19990045413A; SG79999A1; CN1144448C; TW424331B; KR100282951B1; JP3667058B2; EP0918434B1; DE69829828D1; US6798453B1; CN1218967A

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG UND IN BETRACHT GEZOGENER STAND DER TECHNIK
Die Erfindung bezieht sich auf eine fotoelektrische Wandleranordnung zur Erzeugung eines Bildes mit Hilfe von sichtbarem Licht, Strahlung oder dergleichen und betrifft insbesondere eine fotoelektrische Wandleranordnung, die sich für eine Verwendung in Verbindung mit einem zweidimensionalen fotoelektrischen Wandlergerät wie einer Stehbildkamera oder einem Röntgen-Bildaufnahmesystem eignet.
Bei der konventionellen Fotografie wurde meist das Silbersalzverfahren unter Verwendung einer optischen Kamera und eines Silbersalzfilms angewendet. Die Halbleitertechnologie brachte dann zwar die Entwicklung von Bildaufnahmegeräten wie Videokameras mit sich, bei denen Bilder von beweglichen Motiven mit Hilfe einer Festkörper-Bildaufnahmeanordnung unter Verwendung von Si-Einkristallsensoren wie CCD-Sensoren oder MOS-Sensoren aufgenommen werden konnten, jedoch waren die erhaltenen Bilder in Bezug auf die Anzahl der Bildelemente und den Störabstand (Signal/Rauschverhältnis) den unter Verwendung des Silbersalzverfahrens erhaltenen Aufnahmen unterlegen. Zur Aufnahme von Stehbildern mit hoher Qualität wurde daher üblicherweise weiterhin das fotografische Silbersalzverfahren eingesetzt.
Andererseits werden in jüngerer Zeit zunehmend eine Bildverarbeitung mit Hilfe eines Computers, eine Bildspeicherung in Form einer elektronischen Datei und eine Bildübertragung mit Hilfe von E-Mail angestrebt. Unter diesen Umständen wird natürlich die Entwicklung eines elektronischen Bildaufnahmegerätes angestrebt, das in der Lage ist, ein Digitalsignal eines qualitativ mit dem fotografischen Silbersalzverfahren vergleichbaren Bildes abzugeben. Dies ist nicht nur auf dem Gebiet der üblichen Fotografie der Fall, sondern erstreckt sich auch auf den Bereich der medizinischen Betreuung (Behandlung, Untersuchung) bzw. die Medizintechnik.
Im Bereich dieser medizinischen Betreuung stellt die Radiografie ein beliebtes Anwendungsgebiet der fotografischen Silbersalztechnologie dar. Hierbei handelt es sich um ein in der medizinischen Diagnostik lange und weit verbreitetes fotografisches Aufnahmeverfahren, bei dem ein untersuchter Bereich des menschlichen Körpers den von einer Röntgenstrahlquelle abgegebenen Röntgenstrahlen ausgesetzt wird, um auf der Basis der durch die Röntgentransmission erhaltenen Informationen z.B. festzustellen, ob eine Fraktur oder ein Tumor vorliegt. Üblicherweise werden die durch den untersuchten Bereich hindurch getretenen Röntgenstrahlen auf ein Fluoreszenz- oder Leuchtelement gerichtet, um in sichtbares Licht umgewandelt zu werden, mit dem dann der Silbersalzfilm belichtet wird. Der Silbersalzfilm besitzt die Vorteile einer hohen Empfindlichkeit und eines hohen Auflösungsvermögens, weist jedoch die Nachteile auf, dass die Entwicklung eine gewisse Zeit erfordert, ein erheblicher Zeit- und Arbeitsaufwand für Aufbewahrung und Handhabung anfällt, keine schnelle Datenübertragung für eine Ferndiagnose möglicht ist usw. Wie vorstehend bereits angesprochen, ist somit ein elektronisches Röntgen-Bildaufnahmegerät wünschenswert, mit dessen Hilfe ein Digitalsignal eines Bildes erhalten werden kann, das qualitativ einem mit Hilfe des fotografischen Silbersalzverfahrens erhaltenen Bild entspricht. In diesem Zusammenhang ist bereits ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem ein Bild unter Verwendung eines optischen Verkleinerungssystems und einer einen Einkristall verwendenden kompakten fotoelektrischen Wandleranordnung aus CCD-Sensoren oder MOS-Sensoren erzeugt wird. Bei diesem Verfahren kann jedoch nur ungefähr 1/1000 des von dem Leuchtelement abgegebenen Lichts ausgenutzt werden, sodass es unter Berücksichtigung des Erfordernisses, dass bei der Untersuchung des menschlichen Körpers mit Röntgenstrahlen die Diagnose mit möglichst schwachen Röntgenstrahlen erfolgen sollte, weiterhin verbesserungsbedürftig ist. Die Herstellung eines Röntgen-Diagnosegerätes für medizinische Untersuchungszwecke mit Hilfe einer solchen kompakten fotoelektrischen Wandleranordnung unter Verwendung eines optischen Verkleinerungssystems mit geringem Lichtausnutzungsgrad ist daher mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.
Zur Erfüllung der vorstehend beschriebenen Anforderungen befindet sich auch bereits ein Bildaufnahmegerät in der Entwicklung, bei dem ein großer Sensor mit einer zweidimensionalen Anordnung aus Bildaufnahmeelementen verwendet wird, bei denen fotoelektrische Wandlerelemente aus hydriertem amorphem Silicium (das nachstehend als "a-Si" bezeichnet wird) eingesetzt werden. Ein Bildaufnahmegerät dieser Art weist eine Struktur auf, bei der ein Metall und a-Si in einer gewünschten Reihenfolge auf einem isolierenden Substrat mit Seitenabmessungen von 30 × 50 cm z.B. durch ein Zerstäubungsgerät, ein chemisches Aufdampfgerät (CVD-Gerät) oder dergleichen aufgebracht, darin annähernd 2000 × 2000 Halbleiterdioden ausgebildet, ein elektrisches Feld in Sperrrichtung angelegt und in der Sperr- bzw. Rückwärtsrichtung der jeweiligen Dioden fließende Ladungen einzeln mit Hilfe von gleichzeitig mit den Dioden ausgebildeten jeweiligen Dünnschichttransistoren (die nachstehend auch als "TFT" bezeichnet sind) erfasst werden. Es ist allgemein bekannt, dass durch Anlegen eines elektrischen Feldes in Sperrrichtung an eine solche Halbleiterdiode ein Fotostrom erzeugt werden kann, der einer auf die Halbleiterschicht fallenden Lichtmenge entspricht. Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung wird diese Erscheinung ausgenutzt. Auch in einem Zustand, bei dem überhaupt kein Lichteinfall stattfindet, fließt jedoch ein Strom, der als Dunkelstrom bezeichnet wird und einen sogenannten Schrotrauscheffekt zur Folge hat, der die Ursache für eine Abnahme der Messleistung des Gesamtsystems, d.h., eine Verringerung der auch als Störabstand (Signal-Rauschverhältnis) bezeichneten Messempfindlichkeit darstellt. Die Entwicklung konzentriert sich somit darauf, in welchem Umfang dieser Dunkelstrom verringert werden kann.
Aus der EP-A-0 660 421 sind Ausführungsbeispiele für Röntgen-Bildaufnahmesystem bekannt, die zur Erfüllung dieser Anforderungen konzipiert worden sind.
1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer bei einem Röntgen-Bildaufnahmesystem verwendeten fotoelektrischen Wandleranordnung, während 2 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Röntgen-Bildaufnahmesystems zeigt.
Diese Bildaufnahmesysteme sind jedoch in Bezug auf die Anforderungen hinsichtlich eines höheren Störabstands, einer besseren Bedienbarkeit und geringerer Herstellungskosten weiterhin verbesserungsbedürftig. Auf die Ursachen wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Beispiele der Bildaufnahmesysteme gemäß 1 und 2 näher eingegangen.
In 1 sind mit S₁₁, S₁₂, ..., S_mn (m und n sind positive ganze Zahlen) Fotosensoren, mit T₁₁, T₁₂, ... T_mn (m und n sind positive ganze Zahlen) Schaltelemente wie Dünnschichttransitoren, mit C₁₁, C₁₂, ..., C_mn (m und n sind positive ganze Zahlen) Kondensatorelemente und mit SR1 und SR2 Schieberegister bezeichnet. Ein jeweiliges Bildelement besteht aus einem Fotosensor S₁₁, ..., bzw. S_mn, einem Kondensatorelement C₁₁, ..., bzw. C_mn und einem Schaltelement T₁₁, ..., bzw. T_mn, wobei die Bildelemente in Matrixform angeordnet sind. Das Schaltelement T₁₁, ..., bzw. T_mn eines jeden Bildelements dient zur Übertragung eines Signals. Die Gate-Elektroden der jeweiligen Schaltelemente T₁₁, ..., T_mn der Bildelemente einer jeden Zeile sind mit einer jeweiligen Steuerleitung g₁, g₂, ..., bzw. g_m (m ist eine positive ganze Zahl) verbunden, wobei die Steuerleitungen g₁, ..., g_m wiederum mit dem Schieberegister SR1 verbunden sind. Eine der Hauptelektroden der jeweiligen Schaltelemente T₁₁, ..., T_mn der Bildelemente einer jeden Spalte ist mit einer für jede Spalte jeweils vorgesehenen Signalleitung verbunden. Eine Elektrode eines jeden der Fotosensoren S₁₁, ..., S_mn und eine Elektrode eines jeden der Kondensatorelemente C₁₁, ..., C_mn eines jeden Bildelementes sind zusammengeschaltet und sodann mit einem Schalter SWg und einem SWs verbunden. Die andere Elektrode eines jeden der Fotosensoren S₁₁, ... S_mn und die andere Elektrode eines jeden der Kondensatorelemente C₁₁, ..., C_mn eines jeden Bildelements sind mit der in Bezug auf die vorstehend genannte eine Hauptelektrode anderen Hauptelektrode eines jeden Schaltelements T₁₁, ..., T_mn verbunden. Jede Signalleitung ist mit einem Schalter M1, M2, ... bzw. Mn (n ist eine positive ganze Zahl) verbunden, wobei die Schalter M1, ..., Mn aufeinanderfolgend von dem Schieberegister SR2 zur Abgabe von Signalen über einen Verstärker als Ausgangssignale in dieser Reihenfolge angesteuert werden. Die Schalter SWg und SWs sind jeweils mit einer gewünschten bzw. erforderlichen Spannungsquelle Vg bzw. Vs verbunden und werden zum Anlegen eines gewünschten Potentials an die eine Elektrode eines jeden der Fotosensoren S₁₁, ..., S_mn und die eine Elektrode eines jeden Kondensatorelements C₁₁, ... C_mn mit einer gewünschten zeitlichen Steuerung betätigt.
In 2 sind mit der Bezugszahl 6001 ein fotoelektrischer Wandlerbereich, mit 6002 ein Analog/Digital-Signalumsetzer zur Umsetzung von Analogsignalen des fotoelektrischen Wandlerbereichs 6001 in Digitalsignale, mit 6003 Subtrahierer zur Korrektur einer Störstruktur, mit 6004 ein Speicher, mit 6005 eine Steuereinrichtung, mit 6006 ein Pufferverstärker und mit 6007 eine Bildverarbeitungseinrichtung bezeichnet. 2 zeigt ein Beispiel, bei dem eine Vielzahl von Schieberegistern SR1 in Reihenschaltung angeordnet und eine Vielzahl von integrierten Messschaltkreisen IC vorgesehen sind. Die Ausgangssignale der integrierten Messschaltkreise IC werden zur Digitalisierung den Analog/Digital-Signalumsetzern 6002 einer Signalverarbeitungsschaltung 6008 zugeführt. Jedes digitale Ausgangssignal wird einem der Subtrahierer 6003 zur Korrektur einer Störstruktur und Unterdrückung eines darauf beruhenden unerwünschten Strukturrauschens zugeführt und sodann in einen jeden Speicher 6004 eingespeichert. Die in den Speichern 6004 gespeicherten Informationen werden von der Steuereinrichtung 6005 gesteuert und über den Pufferspeicher 6006 der Bildverarbeitungseinrichtung 6007 zugeführt, die eine Signalverarbeitung zur Bildverarbeitung durchführt.
Wenn Informationsbestandteile von n × m fotoelektrischen Wandlerelementen einer fotoelektrischen Wandleranordnung erhalten werden, bei der wie bei dem Beispiel gemäß 1 m Zeilen von n fotoelektrischen Wandlerelementen in jeder Zeile vorgesehen sind und n und m nicht unter 1000 liegen, ergibt sich als erstes Problem eine unzureichende Arbeitsgeschwindigkeit des Analog/Digital-Umsetzers.
Der Analog/Digital-Umsetzer ist zwar in 1 nicht dargestellt, jedoch ist üblicherweise ein Analog/Digital-Umsetzer mit dem Ausgang Vout zur Umsetzung der abgegebenen Analogspannung in eine digitale Information verbunden. Zur Bildung von digitalen Informationen aus den von den fotoelektrischen Wandlerelementen dieser Anordnung abgegebenen Informationen benötigt der Analog/Digital-Umsetzer für die Umsetzung der dem Ausgang Vout zugeführten Analogspannung in eine digitale Information eine gewisse Zeit. Wenn die von dem Analog/Digital-Umsetzer zur Bildung der digitalen Information benötigte Zeitdauer mit Tad bezeichnet wird, wird bei dieser Anordnung zur Bildung von n Bestandteilen einer digitalen Information aus den Bildelementen einer Zeile die nachstehende Zeit T(1 Zeile) benötigt, die durch T(1 Zeile) ≥ n × Tad gegeben ist. In der Praxis muss außerdem eine Zeitdauer für das Durchschalten der Übertragungs-Dünnschichtfeldeffekttransistoren Tx1 bis Txn sowie eine Zeitdauer zum aufeinanderfolgenden Einschalten der Schalter M1 bis Mn berücksichtigt werden, was zu einer weiteren Verzögerungszeit führt.
Die Anordnung benötigt daher die nachstehende Zeit T(1 Bild) zur Erzeugung von Informationen für ein Bild bzw. Halbbild in Form von T(1 Bild) ≥ m × n × Tad. Wenn n = m = 2000 sind, ist zumindest die Zeitdauer 4 000 000 × Tad zur Bildung der Informationen für ein Bild bzw. Halbbild erforderlich. Da der Analog/Digital-Umsetzer normalerweise eine Zeitdauer von 100 ns bis 1000 ns für die Analog/Digital-Umsetzung benötigt, sind insgesamt 0,4 s bis 4 s zur Erzeugung der Informationen für ein Bild bzw. Halbbild erforderlich. Angesichts der Anforderungen, die an einen höheren Störabstand und eine Verbesserung der Betriebsfähigkeit gestellt werden, wird eine Verringerung dieser Zeitdauer angestrebt, da hierbei eine zu hohe Akkumulationszeit des Dunkelstroms auftritt. Das Auslesen setzt nach der Beendigung der Belichtung der fotoelektrischen Wandlerelemente ein. Wenn angenommen wird, dass das Auslesen 4 s in Anspruch nimmt, würde somit in dem zuletzt ausgelesenen fotoelektrischen Wandlerelement die Akkumulation eines während einer Zeitdauer von 4 s fließenden Dunkelstroms erfolgen. Diese Akkumulationszeit des Dunkelstroms ist zu lang, auch wenn in der vorstehend beschriebenen Weise fotoelektrische Wandlerelemente mit einem nur geringen Dunkelstrom Verwendung finden, was ein verstärktes Schrotrauschen zur Folge hat. Hierdurch verschlechtert sich die Messempfindlichkeit des gesamten Gerätes, da auf diese Weise der Störabstand abnimmt. Wenn der Auslesevorgang 4 s in Anspruch nimmt, muss ferner für das Auslesen eine Mindestzeitdauer von 4 s in Betracht gezogen werden, d.h., ein Patient muss während einer Zeitdauer von 4 s oder mehr bewegungslos mit angehaltenem Atem verharren. Aus diesen Grund werden Verbesserungen in Bezug auf die Betriebsfähigkeit angestrebt.
In 2 ist ein System veranschaulicht, bei dem zur Verbesserung dieser Situation Signalleitungen SIG in einige Gruppen unterteilt und eine Vielzahl von Analog/Digital-Umsetzern vorgesehen sind. Aus der europäischen Patentschrift 0 440 282 ist eine Anordnung bekannt, die mit einem solchen System vergleichbar ist. Bei diesen Systemen treten jedoch ein zweites und ein drittes Problem auf, auf die nachstehend näher eingegangen wird.
Das zweite Problem besteht bei der Anordnung gemäß 1 darin, dass vor dem aufeinanderfolgenden Einschalten der Schalter M1 bis Mn die Übertragungs-Dünnschichtfeldeffekttransistoren Tx1 bis Txn (x ist ein ganzzahliger Zahlenwert von 1 bis m) durchgeschaltet werden müssen, um die Potentiale an den Signalleitungen SIG zu stabilisieren. Da der Analog/Digital-Umsetzer eine Analogspannung in ein Digitalsignal während einer Zeitdauer umsetzen muss, bei der ein Schalter My (y ist ein ganzzahliger Zahlenwert von 1 bis n) geöffnet ist, ist die zum aufeinanderfolgenden Einschalten der Schalter M1 bis Mn erforderliche Zeitdauer TM gegeben durch TM ≥ n × Tad. In der Praxis ist jedoch eine längere Zeitdauer erforderlich, da der Analog/Digital-Umsetzer während der Zeitdauer nach einer Umschaltung von dem Schalter My auf den Schalter M(y + 1) und vor der Stabilisierung des Potentials am Ausgang Vout nicht ansteuerbar ist. Dieses Problem lässt sich zwar verringern, indem wie im Falle des vorstehend beschriebenen Systems gemäß 2 und der aus der europäischen Patentschrift 0 440 282 bekannten Anordnung eine Vielzahl von Analog/Digital-Umsetzern Verwendung findet, jedoch ist erforderlich, dass die Übertragungs-Dünnschichtfeldeffekttransistoren Tx1 bis Txn zur Stabilisierung der Potentiale an den Signalleitungen SIG während der Zeitdauer zwischen der Bildung der digitalen Information einer Zeile und der Bildung der digitalen Information einer nächsten Zeile durchgeschaltet werden. Wenn diese Zeitdauer mit Ttft bezeichnet wird, ist die Zeit T(1 Zeile) zur Bildung von n Bestandteilen einer digitalen Information an einer Zeile durch T(1 Zeile) ≥ TM + Ttft gegeben.
Das dritte Problem besteht darin, dass trotz des idealerweise nacheinander erfolgenden Einschaltens der Schalter M1 bis Mn nach dem zur Stabilisierung der Potentiale an den Signalleitungen SIG erfolgten Durchschalten der Übertragungs-Dünnschichtfeldeffekttransistoren Tx1 bis Txn dennoch in der Praxis in den Signalleitungen SIG ein geringer Leckstrom fließt, durch den die Signalladung während des aufeinanderfolgenden Einschaltablaufs der Schalter M1 bis Mn verringert oder eine zusätzliche Ladung dem ursprünglichen Signal hinzugefügt wird, wodurch sich der Störabstand (Signal-Rauschverhältnis) verringert. Ferner besitzen die Übertragungs-Dünnschichtfeldeffekttransistoren auch im durchgeschalteten Zustand einen gewissen Widerstand (den sogenannten "Einschaltwiderstand"), durch den die Bewegung der Signalladung instabil werden kann. Eine Verringerung des Störabstands ist zu erwarten, wenn eine längere Zeit t vom Durchschalten der Übertragungs-Dünnschichtfeldeffekttransistoren Tx1 bis Txn bis zum Zeitpunkt der Analog/Digital-Umsetzung einer Information in dem Analog/Digital-Umsetzer über den Schalter My vergeht. Wenn dagegen diese Zeit t zu kurz ist, kann sich der Störabstand auch auf Grund des Einschaltwiderstands der Übertragungs-Dünnschichtfeldeffekttransistoren verringern. Zur Erzielung eines hohen Störabstands sollte diese Zeit t daher einen zweckmäßig gewählten Wert aufweisen.
Bei dem Verfahren der aufeinanderfolgenden Einschaltung der Schalter M1 bis Mn und Umsetzung der Informationen in Digitaldaten durch den Analog/Digital-Umsetzer über die Schalter My fällt die Zeit t darüber hinaus in Abhängigkeit von den jeweiligen fotoelektrischen Wandlerelementen Sx1 bis Sxn unterschiedlich aus. Bei dem fotoelektrischen Wandlerelement Sx1 vergeht nämlich nur eine kurze Zeitdauer t vom Durchschalten der Übertragungs-Dünnschichtfeldeffekttransistoren Tx1 bis Txn bis zu dem Zeitpunkt der Analog/Digital-Umsetzung der Information durch den Analog/Digital-Umsetzer über den Schalter M1, während bei dem fotoelektrischen Wandlerelement Sxn eine lange Zeitdauer t vom Durchschalten der Übertragungs-Dünnschichtfeldeffekttransistoren Tx1 bis Txn bis zum Zeitpunkt der Analog/Digital-Umsetzung der Information durch den Analog/Digital-Umsetzer über den Schalter Mn vergeht. Dies kann dazu führen, dass die Information in der gewünschten Zeitdauer t nicht bei sämtlichen fotoelektrischen Wandlerelementen erhalten werden kann. Dieses dritte Problem besteht nicht nur bei der Anordnung gemäß 1, sondern kann auch bei einer Anordnung wie der aus der europäischen Patentschrift 0 440 282 bekannten Anordnung auftreten, bei der Elemente wie Verstärker vor der Schaltergruppe angeordnet sind bzw. ein sogenannter Analog-Multiplexer vorgesehen ist.
Eine Lösung des vorstehend angesprochenen ersten, zweiten und dritten Problems besteht somit in einer Konfiguration, bei der n Analog/Digital-Umsetzer vorgesehen sind, die Übertragungs-Dünnschichtfeldeffekttransistoren Tx1 bis Txn ohne Verwendung der Schalter My durchgeschaltet werden und sämtliche Analog/Digital-Umsetzer nach Ablauf der gewünschten Zeit t zur Informationsumsetzung in Digitaldaten angesteuert werden. Dies ist jedoch in der Praxis mit Schwierigkeiten verbunden, wenn n einen hohen Wert aufweist und z.B. nicht unter 1000 liegt. Selbst wenn eine solche Konfiguration ausgeführt werden kann, ist hierfür eine hohe Anzahl von teueren Analog/Digital-Umsetzern erforderlich, wodurch sich die Herstellungskosten erhöhen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine kostengünstige fotoelektrische Wandleranordnung mit hohem Störabstand und guter Betriebsfähigkeit in Verbindung mit einem kostengünstigen System anzugeben, mit dessen Hilfe digitale Informationen in einem großen Bereich mit einem hohen Störabstand erhalten werden können, wie dies bei einem Röntgen-Bildaufnahmesystem oder dergleichen erforderlich ist.
Bei der erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandleranordnung wird von einer fotoelektrischen Wandleranordnung der aus der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 792 062 bekannten Art ausgegangen, die
eine Vielzahl von in Zeilen- und Spaltenrichtung angeordneten fotoelektrischen Bildwandlerelementen,
eine Vielzahl von in der Spaltenrichtung angeordneten Signalleitungen, die jeweils Ausgänge von in der gleichen Spalte angeordneten fotoelektrischen Bildwandlerelementen verbinden,
eine Vielzahl von in der Zeilenrichtung angeordneten Steuerleitungen, die jeweils Steueranschlüsse zur Steuerung der Signalausgabe von in der gleichen Zeile angeordneten fotoelektrischen Bildwandlerelementen verbinden,
eine analoge Spannungsumsetzereinrichtung zur Umsetzung einer in den fotoelektrischen Bildwandlerelementen enthaltenen Informationsladung in eine Analogspannung,
eine mit den jeweiligen Signalleitungen verbundene analoge Speichereinrichtung zur Speicherung und Aufrechterhaltung der von der analogen Spannungsumsetzereinrichtung auf der Basis der Informationsladung der fotoelektrischen Bildwandlerelemente umgesetzten Analogspannung als Ausgangssignal,
eine Vielzahl von analogen Schalteinrichtungen, die jeweils mit einer jeweiligen Ausgangsleitungsgruppe von durch Aufteilung von Ausgangsleitungen der analogen Speichereinrichtung gebildeten Ausgangsleitungsgruppen verbunden sind, und
eine Vielzahl von Analog/Digital-Umsetzereinrichtungen umfasst, die jeweils mit einem Ausgang einer jeweiligen analogen Schalteinrichtung verbunden sind.
Erfindungsgemäß ist diese fotoelektrische Wandleranordnung dadurch gekennzeichnet, dass bei einer aus N Gruppen von Ausgangsleitungen bestehenden Vielzahl der Ausgangsleitungsgruppen, einer Anordnung der fotoelektrischen Bildwandlerelemente in n Spalten, einer durch Tad Sekunden gegebenen Umsetzungszeit der Analog/Digital-Umsetzereinrichtungen und einer durch Ttft Sekunden gegebenen Zeit für die über die analoge Spannungsumsetzereinrichtung erfolgende Umsetzung der von den fotoelektrischen Bildwandlerelementen abgegebenen Informationsladung
N die folgende Bedingung erfüllt: N ≥ n × Tad/Ttft
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorstehenden fotoelektrischen Wandleranordnung erfüllt die Anzahl N von Gruppen der Ausgangsleitungen die Bedingung: n × Tad/Ttft ≤ N < n × Tad/Ttft + 1
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Beispiels für eine fotoelektrische Wandleranordnung,
2 ein schematisches Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines Beispiels für ein fotoelektrisches Wandlersystem,
3 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der fotoelektrischen Wandleranordnung,
4 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Arbeitsweise der fotoelektrischen Wandleranordnung,
5 ein schematisches Steuersignaldiagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Arbeitsweise der fotoelektrischen Wandleranordnung,
6 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der fotoelektrischen Wandleranordnung,
7 eine schematische Anordnungsdarstellung zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels für einen bevorzugten Aufbau der fotoelektrischen Wandleranordnung,
8 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der fotoelektrischen Wandleranordnung,
9A eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels für einen bevorzugten Aufbau der fotoelektrischen Wandleranordnung,
9B eine schematische Querschnittsansicht zur Veranschaulichung des Ausführungsbeispiels für einen bevorzugten Aufbau der fotoelektrischen Wandleranordnung, und
10 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Form eines Systems, das im Rahmen einer beeinträchtigungsfreien Untersuchung unter Verwendung der fotoelektrischen Wandleranordnung Verwendung finden kann.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ausführungsbeispiel 1
3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer fotoelektrischen Wandleranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wie in 3 veranschaulicht ist, ist eine Bildelementgruppe 100 aus Bildelementen, die einen fotoelektrischen Wandlerabschnitt bilden, aus amorphem Silicium (a-Si) auf einem Isoliersubstrat ausgebildet. Ein Bildelement (ein fotoelektrische Bildwandlerelement) besteht aus einem Sensor S als fotoelektrischem Wandlerelement und einem Dünnschichttransistor T als Schaltelement. Die Bildelementgruppe 100 besteht z.B. aus 1376 Bildelementen je Zeile in der Zeilenrichtung (d.h. in der Horizontalrichtung gemäß 3) und 1376 Bildelementen je Spalte in der Spaltenrichtung (d.h., in der Vertikalrichtung gemäß 3) und umfasst somit insgesamt 1 893 376 Bildelemente. Die Ausgänge der Dünnschichttransistoren T von Bildelementen in der gleichen Spalte sind gemeinsam mit einer Signalleitung SIG verbunden, während die Steueranschlüsse von Dünnschichttransistoren T in der gleichen Zeile gemeinsam mit einer Steuerleitung g verbunden sind. Hierbei ist eine Gesamtzahl von 1376 Steuerleitungen g vorgesehen, die mit einem Schieberegister 101 verbunden sind, um aufeinanderfolgend angesteuert bzw. eingeschaltet zu werden. Wenn eine Steuerleitung g eingeschaltet wird, werden die mit dieser Steuerleitung g verbundenen 1376 Dünnschichttransistoren T durchgeschaltet, wodurch die Informationsladungen der mit diesen Dünnschichttransistoren T verbundenen fotoelektrischen Wandlerelemente S den zugehörigen Signalleitungen SIG zugeführt werden. Die Signalleitungen SIG sind in drei Signalleitungsgruppen unterteilt, nämlich in eine erste Signalleitungsgruppe 10 (352 Leitungen), eine zweite Signalleitungsgruppe 20 (512 Leitungen) und eine dritte Signalleitungsgruppe 30 (512 Leitungen).
Die erste Signalleitungsgruppe 10 ist zusammen mit 32 Leerleitungen mit einer Rückstellschaltergruppe 11 aus 384 Rückstellschaltern, einer Verstärkergruppe 12 aus 384 Verstärkern und einer Abtast/Speicherschaltungsgruppe 13 aus 384 Abtast/Speicherschaltungen (die nachstehend auch als "S/H-Schaltungen" bezeichnet werden) verbunden. Die Ausgänge der 384 Abtast/Speicherschaltungen sind in Form einer Ausgangsleitungsgruppe von 384 Ausgangsleitungen mit einem Analog-Multiplexer 14 verbunden, der einen Analogschalter darstellt. Der Analog-Multiplexer 14 wählt einen der Ausgänge der 384 Abtast/Speicherschaltungen 13 in Abhängigkeit von einer über 9 Adressenleitungen ad0 bis ad8 erfolgenden Steuerung zur Abgabe von dessen Spannung aus. Diese Spannung wird zur Verringerung der Impedanz auf einen niedrigeren Wert über Verstärker 15 und 16 geführt und die Analogspannung sodann über ein Verbindungselement 105 und einen Analog/Digital-Umsetzer 17 als digitale Information Dout1 abgegeben. Bei der zweiten Signalleitungsgruppe 20 wird die Analogspannung in ähnlicher Weise als digitale Information Dout2 über Schaltungsgruppen 21 bis 23 aus 512 Gruppierungen von Schaltungsanordnungen, einen Analog-Multiplexer 24, Verstärker 25 und 26 und einen Analog/Digital-Umsetzer 27 abgegeben. Bei der dritten Signalleitungsgruppe 30 wird die Analogspannung gleichermaßen als digitale Information Dout3 über Schaltungsgruppen 31 bis 33 aus 512 Gruppierungen von Schaltungsanordnungen, einen Analog-Multiplexer 34, Verstärker 35 und 36 sowie einen Analog/Digital-Umsetzer 37 abgegeben.
Jede der Schaltungsanordnungen wird von einer Steuereinrichtung 102 mit Signalen rc0 bis rc3, smp1 sowie ad0 bis ad8 gesteuert und betätigt. Die Steuereinrichtung 102 erzeugt vier Arten von Rückstellsignalen rc0 bis rc3 und steuert die Schalter in den Rückstellschaltergruppen 11, 21 und 31 bei jeweils vier Schaltern in der Spaltenrichtung, wodurch ein Ausdünnungsvorgang bzw. eine abwechselnde Ansteuerung von vier Zeilen ermöglicht wird. Ein Bezugsspannungsgenerator 103 führt eine Einschaltspannung Vcom und eine Abschaltspannung Vss für die Dünnschichttransistoren T über das Schieberegister 101 im Rahmen einer über die Steuereinrichtung 102 erfolgenden Steuerung zu. Das Schieberegister 101 kann die Steuerleitungen g nacheinander ansteuern, während des Ausdünnungsvorgangs eine Einschalt/Abschaltsteuerung von mehreren Leitungen gleichzeitig durchführen oder Steuerleitungen durchschalten, die in bestimmten Positionen angeordnet sind. Ein Impulsgenerator 104 führt einer gemeinsamen Elektrode der fotoelektrischen Wandlerelemente S Sensor-Vorspannungsimpulse zu. Der Impulsgenerator 104 erzeugt hierbei vier Arten von Sensor-Vorspannungsimpulsen und führt den gleichen Impuls jeweils vier Leitungen in der Spaltenrichtung zu, wodurch der Ausdünnungsvorgang bzw. die abwechselnde Ansteuerung von vier Leitungen ermöglicht wird.
Ein Ausführungsbeispiel für die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen fotoelektrischen Wandleranordnung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 4 und 5 näher beschrieben.
4 zeigt ein typisches Element aus der Bildelementgruppe 100 gemäß 3. Hierbei bezeichnen in 4 das Bezugszeichen "SIG" eine Signalleitung SIG der Signalleitungsgruppen 10, 20 und 30, die Bezugszahl 1 einen Rückstellschalter der Rückstellschaltergruppen 11, 21 und 31, die Bezugszahl 2 einen Verstärker der Verstärkergruppen 12, 22 und 32, die Bezugszahl 3 eine Abtast/Speicherschaltung der Abtast/Speicherschaltungsgruppen 13, 23 und 33, die Bezugszahl 4 einen Analog-Multiplexer der Analog-Multiplexer 14, 24 und 34 und die Bezugszahl 7 einen Analog/Digital-Umsetzer der Analog/Digital-Umsetzer 17, 27 und 37. Die den Verstärkern 15 und 16 entsprechenden Verstärker sind in 4 zur Vereinfachung der Darstellung nicht enthalten. Der Impuls 1101 kennzeichnet schematisch eine Schaltung in dem Schieberegister 101, während der Impuls 1104 schematisch eine Schaltung in dem Impulsgenerator 104 kennzeichnet. In 4 ist mit gx (x ist ein ganzzahliger Zahlenwert von 0 bis 1375) eine Steuerleitung aus den 1376 Steuerleitungen g bezeichnet. Außerdem bezeichnet das Bezugszeichen "rc" eines der Rückstellsignale rc0 bis rc3. Das Bezugszeichen "C" bezeichnet einen von der Signalleitung gebildeten Kondensator. Dieser Kondensator C ist nicht als Bauelement ausgebildet, sondern stellt eine Streukapazität der 1376 Dünnschichttransistoren dar, die mit der Signalleitung verbunden sind. Im übrigen sind die der Schaltungsanordnung gemäß 3 entsprechenden Komponenten mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
5 veranschaulicht ein Beispiel für Signalverläufe, die die zeitliche Steuerung über die Steuerleitung gx und durch die Signale rc, smp1 und ad0 bis ad8 gemäß 4 sowie die zeitliche Steuerung über die nach der Steuerleitung gx eingeschaltete Steuerleitung gx + 1 und durch die Signale rc, smp1 und ad0 bis ad8 veranschaulichen. Die bei den Impulsflanken angegebenen Zahlen bezeichnen jeweilige Zeiten, wobei ein Inkrement den Ablauf einer Zeitdauer von 1 μs bezeichnet.
Nachstehend wird die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung gemäß 4 unter Bezugnahme auf 5 näher beschrieben. Zunächst wird auf die Arbeitsweise der 1376 Bildelemente in einer Zeile eingegangen. Zunächst nimmt das Signal rc einen Einschaltpegel an, um den Rückstellschalter 1 einzuschalten, wodurch die Ladung des Kondensators C initialisiert bzw. zurückgestellt wird. Sodann geht das Signal rc zur Abschaltung des Rückstellschalters 1 auf den Abschaltpegel über. Danach wird ein Impuls der Steuerleitung gx zur Durchschaltung des Dünnschichttransistors T zugeführt, wodurch die in dem fotoelektrischen Wandlerelement S enthaltene Informationsladung über den Dünnschichttransistor T dem Kondensator C zugeführt wird, da die Kapazität des Kondensators C viel größer als die Kapazität des fotoelektrischen Wandlerelements ist. Das Potential am Kondensator C steigt durch diese Informationsladung an und wird von dem Verstärker 2 verstärkt, um sodann als Analogspannung abgegeben zu werden, d.h., der Kondensator C, der Rückstellschalter 1 und der Verstärker 2 wirken als Analogspannungsumsetzer zur Umsetzung der Informationsladung in eine Analogspannung. Bei einem analogen Umsetzer anderer Art kann auch ein Verstärker mit Stromintegration anstelle des Verstärkers 2 Verwendung finden. In diesem Falle ist der Rückstellschalter 1 bei dem Verstärker mit Stromintegration in einer Initialisierungsschaltung angeordnet (normalerweise an den beiden Enden eines Kondensators zur Ladungsakkumulation in Form einer Integration). Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass keine Beeinflussungen durch Veränderungen am Kondensator C auftreten.
Sodann wird ein Abschaltpegel zum Sperren des Dünnschichttransistors T an die Steuerleitung gx angelegt, woraufhin das Signal smp1 zum Einschalten des Schalters SW in der Abtast/Speicherschaltung 3 Impulsform annimmt. Hierdurch wird die von dem Verstärker 2 abgegebene Analogspannung als Spannung in einem Speicherkondensator Csh festgehalten. Diese festgehaltene Spannung wird nicht durch eine Änderung der von dem Verstärker 2 abgegebenen Analogspannung beeinträchtigt, nachdem das Signal smp1 zum Schalten des Schalters SW auf den Abschaltpegel übergegangen ist. Das Ausgangssignal der Abtast/Speicherschaltung 3 wird somit in Form einer Spannung aufrecht erhalten, die von dem Analog-Multiplexer 4 dem Analog/Digital-Umsetzer 7 mit einer von einem der Impulse ad0 bis ad8 bestimmten zeitlichen Steuerung zugeführt wird, um sodann als digitale Information Dout abgegeben zu werden. Während der Zeitdauer, bei der das Ausgangssignal der Abtast/Speicherschaltung 3 in Form einer Spannung aufrecht erhalten und die Information in dem Analog/Digital-Umsetzer 7 verarbeitet wird, wird der nächste Dünnschichttransistor T durch Impulse rc und gx + 1 durchgeschaltet und die nächste Information als Analogspannung dem Verstärker 2 zugeführt. In der vorstehend beschriebenen Weise erfolgt die Ansteuerung und Signalverarbeitung von 1376 Bildelementen einer Zeile, wobei weitere Digitaldaten von den 1376 Zeilen von Bildelementen für ein Bild, d.h., Daten von 1376 Spalten × 1376 Zeilen = 1 893 376 Bildelementen, durch 1376-fache Wiederholung dieses Vorgangs erhalten werden können, indem die jeweils einzuschaltende Steuerleitung g verschoben wird.
In 5 bezeichnet Ttft die erforderliche Zeit zur Umsetzung der Informationsladung in dem fotoelektrischen Wandlerelement S in eine Analogspannung durch den Dünnschichttransistor T und den Umsetzer (Kondensator C, Rückstellschalter 1 und Verstärker 2) über gx. Weiterhin bezeichnet Ttft' die erforderliche Zeitdauer zur Umsetzung der nächsten Informationsladung über gx + 1. Weiterhin gibt TM die erforderliche Zeitdauer zur Betätigung des Multiplexers 4 und Abgabe der digitalen Information der Ausgangssignale der 512 Abtast/Speicherschaltungen durch den Analog/Digital-Umsetzer 7 in Form von Dout an. Bei diesem Ausführungsbeispiel betragen Ttft = Ttft' = 78 μs und TM = 76,8 μs (wobei die Umsetzungszeit Tad des Analog/Digital-Umsetzers bei diesem Ausführungsbeispiel 150 ns beträgt). Hieraus ergibt sich, dass Ttft > TM ist und dass die Lesegeschwindigkeit der fotoelektrischen Wandleranordnung von der Zeit Ttft für die Umsetzung der Informationsladung des fotoelektrischen Wandlerelements S in die Analogspannung bestimmt wird, die bei diesem Ausführungsbeispiel durch den Dünnschichttransistor T und den Umsetzer (Kondensator C, Rückstellschalter 1 und Verstärker 2) über gx erfolgt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Signalleitungen SIG in drei Signalleitungsgruppen unterteilt. Wenn die Signalleitungen SIG nur in zwei Signalleitungsgruppen unterteilt werden, beträgt TM zumindest 103,2 μs (1376/2 × 150 ns) sodass die Lesegeschwindigkeit abnimmt. Wenn dagegen die Signalleitungen SIG in vier Signalleitungsgruppen unterteilt sind, beträgt TM nur 51,6 s (1376/4 × 150 ns); da jedoch Ttft 78 μs beträgt, beträgt auch die Lesegeschwindigkeit 78 μs, sodass keine Änderung eintritt. Eine Vergrößerung der Anzahl von Signalleitungsgruppen führt somit nicht zu einer Vergrößerung der Lesegeschwindigkeit. Um eine fotoelektrische Wandleranordnung mit guter Betriebsfähigkeit bei geringen Herstellungskosten zu erhalten, ist somit die Anzahl der Gruppen von zu unterteilenden Signalleitungen unter Berücksichtigung verschiedener Bedingungen und Faktoren in geeigneter Weise festzulegen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Information von jedem Bildelement in der konstanten Zeit Ttft von 78 μs bei sämtlichen Bildelementen erhalten werden. Da Ttft für sämtliche Bildelemente konstant ist, ist auch der Einfluss eines Leckstroms bei einer Signalleitung SIG, sofern vorhanden, bei sämtlichen Bildelementen konstant, sodass seine Korrektur auf einfache Weise erfolgen kann. Die Spannung zu einem konstanten Zeitpunkt bei 14 μs nach dem Sperren des Dünnschichttransistors T wird in die digitale Information umgesetzt. Auch wenn eine Spannungsänderung an gx die Signalleitung SIG zum Zeitpunkt des Sperrens des Dünnschichttransistors beeinflusst, ist dieser Einfluss konstant und lässt sich durch eine Korrektur oder dergleichen reduzieren. Wenn die Abtast/Speicherschaltung nicht vorhanden wäre und die Spannung an der Signalleitung SIG somit nach dem Sperren des Dünnschichttransistors in die digitale Information umgesetzt werden müsste, könnte der Vorgang zur Umsetzung der Analogspannung in die Digitaldaten durch den Analog/Digital-Umsetzer anders als bei dem Ablauf gemäß 5 nicht zur gleichen Zeit wie der Vorgang zur Umsetzung der Informationsladung des fotoelektrischen Wandlerelements S in die Analogspannung über den Analogspannungsumsetzer (Kondensator C, Rückstellschalter 1 und Verstärker 2) erfolgen. In diesem Falle wäre daher die lange Zeitdauer (Ttft + TM) erforderlich, wobei sich der Einfluss des Leckstroms der Signalleitungen SIG in Abhängigkeit von den Bildelementen unterscheiden würde. Außerdem würde auch der Einfluss einer Spannungsänderung gx auf die Signalleitung SIG zum Zeitpunkt des Sperrens des Dünnschichttransistors in Abhängigkeit von den Bildelementen unterschiedlich ausfallen.
Auch wenn bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine plötzliche Störung wie ein Strahlungsrauschen oder Stromversorgungsrauschen auftritt, bleibt das bei den Bildelementen einer Zeile auftretende Rauschen konstant, worauf nachstehend näher eingegangen wird. Da die Analogspannungen der 1376 Signalleitungen SIG gleichzeitig mit dem zum Abschalten des Schalters SW erfolgenden Übergang des Signals smp1 auf den Abschaltpegel verarbeitet werden, werden sie durch eine Änderung der anschließend von dem Verstärker 2 abgegebenen Analogspannung nicht beeinflusst, sodass das Ausgangssignal der Abtast/Speicherschaltung 3 als Spannung aufrecht erhalten wird, d.h., die Elemente in einer Zeile werden nur durch gleichzeitig auftretendes Rauschen beeinflusst. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die 1 893 376 Bildelemente in 1376 Zeilen und 1376 Spalten angeordnet, wobei die 1376 Signalleitungen zum Auslesen der 1376 Spalten in drei Gruppen unterteilt und die Anordnung mit den drei Analogschaltern und den drei Analog/Digital-Umsetzern ausgestattet ist. Auf die Anzahl der Gruppen bei einer anderen Anzahl von Spalten wird nachstehend näher eingegangen.
Die nachstehende Beschreibung bezieht sich auf die Bestimmung von N zur Erzielung eines maximalen Störabstands (Signal-Rauschverhältnisses), der besten Betriebsfähigkeit und der geringsten Herstellungskosten, wenn n Spalten von Bildelementen in N Gruppen unterteilt werden.
Wenn n Spalten in N Gruppen unterteilt werden, umfasst jede Gruppe zumindest (n/N) Signalleitungen SIG, wobei eine nicht unter (n/N) × Tad liegende Zeitdauer zur Umsetzung ihrer Ausgangssignale in digitale Informationen erforderlich ist, d.h., es besteht die folgende Beziehung: TM ≥ (n/N) × Tad. Hierbei müssen die Informationen von sämtlichen Bildelementen möglichst schnell in digitale Informationen umgesetzt werden, um eine fotoelektrische Wandleranordnung mit einem hohen Störabstand und einer guten Betriebsfähigkeit zu erhalten. Demzufolge muss auch die für eine Spalte erforderliche Zeitdauer minimal gehalten werden. Zur Umsetzung der Information eines Bildelements in die Analogspannung der Signalleitung SIG ist jedoch die Zeitdauer Ttft erforderlich. Da bei diesem Ausführungsbeispiel in der in 5 veranschaulichten Weise der Vorgang zur Umsetzung der Informationsladung des fotoelektrischen Wandlerelements S in die Analogspannung gleichzeitig mit dem Vorgang zur Umsetzung der Analogspannung in Digitaldaten durch den Analog/Digital-Umsetzer erfolgt, stellt die zum Auslesen einer Spalte erforderliche Zeitdauer eine längere Zeitdauer dar, die sich aus TM und Ttft ergibt. Aus der vorstehenden Gleichung ist ersichtlich, dass TM mit zunehmendem N abnimmt. Wenn somit Ttft ≥ TM ist, kann eine fotoelektrische Wandleranordnung mit hohem Störabstand und guter Betriebsfähigkeit erhalten werden. Aus den vorstehenden beiden Gleichungen lässt sich die nachstehende Gleichung ableiten: Ttft ≥ (n/N) × Tad
Durch Modifikation lässt sich die nachstehende Gleichung erhalten: N ≥ n × Tad/Ttft (1)
Wenn diese Gleichung erfüllt ist, kann eine fotoelektrische Wandleranordnung mit hohem Störabstand (Signal-Rauschverhältnis) und guter Betriebsfähigkeit erhalten werden.
Nachstehend wird ein spezifisches Ausführungsbeispiel anhand von Zahlenwerten näher beschrieben. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beziehen sich N auf drei Gruppen, n auf 1376 Spalten, Tad auf 150 ns (= 0,15 μs) und Ttft auf 78 μs. Wenn diese Werte in die vorstehende Gleichung eingesetzt werden, ergibt die rechte Seite: 1376 × 0,15 (μs)/78 (μs) = 2,646 ...
Somit gilt 3 > 2,646 ..., woraus ersichtlich ist, dass eine fotoelektrische Wandleranordnung mit hohem Störabstand und guter Betriebsfähigkeit erhalten werden kann.
Wenn N größer als 3 ist und z.B. N = 4 beträgt, wird TM zwar kleiner, nämlich 51,6 μs, jedoch beträgt die für eine Spalte erforderliche Zeitdauer weiterhin Ttft. Die damit verbundenen höheren Herstellungskosten sind somit nicht gerechtfertigt.
Um eine fotoelektrische Wandleranordnung mit hohem Störabstand und guter Betriebsfähigkeit bei niedrigen Herstellungskosten zu erhalten, ist es zweckmäßig, N möglichst nahe bei (n × Tad/Ttft) einzustellen und die Beziehung N ≥ n × Tad/Ttft aufrecht zu erhalten. Zu diesem Zweck sollte N dahingehend festgelegt werden, dass die nachstehende Beziehung erfüllt ist: N – 1 < n × Tad/Ttft
Durch Modifikation dieser Gleichung lässt sich N dahingehend bestimmen, dass die nachstehende Beziehung erfüllt ist: N < n × Tad/Ttft + 1 (2)
Durch Einsetzen von Zahlenwerten ergibt sich bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die rechte Seite folgendermaßen: 1376 × 0,15 (μs)/78 (μs) + 1 = 3,646 ...
Somit gilt 3 < 3,646 ..., woraus ersichtlich ist, dass bei N = 3 eine fotoelektrische Wandleranordnung mit hohem Störabstand und guter Betriebsfähigkeit bei niedrigen Herstellungskosten erhalten werden kann.
Hieraus kann somit geschlossen werden, dass eine fotoelektrische Wandleranordnung mit hohem Störabstand und guter Betriebsfähigkeit bei geringen Herstellungskosten erhalten werden kann, wenn die nachstehende Gleichung erfüllt ist, die die beiden vorstehend angegebenen Gleichungen (1) und (2) umfasst: n × Tad/Ttft ≤ N < n × Tad/Ttft + 1
Hierbei sei angemerkt, dass Gleichung (2) keine Bedingung zur Festlegung der Leistung der Dünnschichttransistoren und der Analog/Digital-Umsetzer darstellt. Eine fotoelektrische Wandleranordnung mit hohem Störabstand und guter Betriebsfähigkeit kann daher z.B. unter Verwendung von kostengünstigen Analog/Digital-Umsetzern erhalten werden, die mit hoher Geschwindigkeit arbeiten (wobei z.B. Tad = 100 ns beträgt). Es ist jedoch auch in diesem Fall besser, wenn Gleichung (2) erfüllt ist.
Ausführungsbeispiel 2
6 zeigt ein schematisches Schaltbild einer fotoelektrischen Wandleranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass die eine Elektrode eines jeden fotoelektrischen Wandlerelements in der ersten Zeile und in der ersten Spalte an Massepotential liegt und die fotoelektrischen Wandlerelemente der ersten Zeile und der ersten Spalte als Bezugselemente verwendet werden. Wenn die eine Elektrode eines fotoelektrischen Wandlerelements auf Massepotential gehalten wird, reagiert das fotoelektrische Wandlerelement nicht mehr auf Lichteinfall. Das fotoelektrische Wandlerelement ist jedoch weiterhin dem Einfluss eines Leckstroms über die Signalleitung SIG und dem Einfluss einer Spannungsänderung von gx an der Signalleitung SIG zum Zeitpunkt des Sperrens des Dünnschichttransistors ausgesetzt. Durch Subtraktion der von diesen Elementen der ersten Zeile erhaltenen Informationen von den Informationen der anderen Bildelemente lassen sich Informationen mit einem hohen Störabstand erhalten. Hierbei können 1376 Informationsbestandteile gespeichert werden, um als Korrekturwerte für die von den Bildelementen einer entsprechenden Spalte abgegebenen Informationen zu dienen. Zur Vereinfachung der Schaltungsanordnung wird jedoch ein Mittelwert der 1376 Informationsbestandteile der ersten Zeile gespeichert, um als Korrekturwert für die von jedem Bildelement abgegebene Information Verwendung zu finden. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist nämlich dahingehend ausgestaltet, dass der Einfluss des Leckstroms der Signalleitung SIG eines jeden Bildelements und der Einfluss der Spannungsänderung in gx an der Signalleitung SIG zum Zeitpunkt der Abschaltung bzw. des Sperrens des Dünnschichttransistors aus den vorstehend in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel bereits beschriebenen Gründen konstant gehalten werden. Da in dem Speicher nur der Mittelwert der 1376 Informationsbestandteile gespeichert wird, kann ein kostengünstiger Speicher mit geringer Kapazität Verwendung finden.
Bei Verwendung der von den Elementen der ersten Spalte erhaltenen Informationen als Korrekturwerte für die von den Bildelementen entsprechender Zeilen erhaltenen Informationen lassen sich durch deren Subtraktion von der Information eines jeden Bildelements Informationen mit einem erheblich höheren Störabstand (Signal-Rauschverhältnis) erhalten, worauf nachstehend näher eingegangen wird. Das Strahlungsrauschen und das Stromversorgungsrauschen, die den Grund für eine Abnahme des Störabstands darstellen können, treten auch bei den Elementen in der ersten Spalte auf, wobei jedoch die Elemente der ersten Spalte keine optischen Informationen enthalten. Die optische Information eines jeden Bildelements kann daher mit einem hohen Störabstand erhalten werden, indem die von einem Element der ersten Spalte erhaltene Information von der Information eines jeweiligen Bildelements subtrahiert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel tritt nämlich bei den Elementen in einer Zeile ein konstantes Rauschen auf, dessen Ursache in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel vorstehend bereits beschrieben worden ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel findet zwar ein Aufbau Verwendung, bei dem die eine Elektrode eines jeden fotoelektrischen Wandlerelements in der ersten Zeile und der ersten Spalte an Massepotential gelegt ist und die Wandlerelemente als Bezugselemente dienen, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern die fotoelektrischen Wandlerelemente können auch als Bezugselemente z.B. in einer Anordnung herangezogen werden, bei der die fotoelektrischen Wandlerelemente in der ersten Zeile und in der ersten Spalte in der gleichen Weise wie die anderen Bildelemente verbunden sind, jedoch optisch vom Licht nicht beeinflusst werden. So können z.B. die in Frage kommenden Bildelemente zu deren Abschirmung mit einer schwarzen organischen Beschichtung versehen werden. Im Falle einer fotoelektrischen Wandleranordnung zur Erfassung von Röntgenstrahlen kann ein Bauelement wie eine Bleiplatte vor oder hinter einem den Röntgenstrahlen auszusetzenden Objekt angeordnet werden. Weiterhin können anstelle der Bildelemente einer Zeile und einer Spalte auch die Bildelemente in zwei oder mehr Zeilen und in zwei oder mehr Spalten als Bezugselemente herangezogen werden, wobei z.B. eine größere Anzahl von Zeilen und Spalten wie 100 Zeilen und 100 Spalten in Betracht gezogen werden kann. Durch eine solche Konfiguration lassen sich die optische Abschirmung vereinfachen und Abweichungen auf Grund des Einflusses von Schwankungen des Leckstroms der Bildelemente und Veränderungen verschiedener Kennwerte und Eigenschaften der zum Auslesen dienenden Umsetzer verringern, indem der Rauschanteil der Bezugselemente selbst gemittelt wird. Diese Wirkung kann jedoch auch durch Verwendung der Bezugselemente nur in der Zeilenrichtung oder nur in der Spaltenrichtung erzielt werden.
Ausführungsbeispiel 3
Die 7 und 8 zeigen eine fotoelektrische Wandleranordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer schematischen Anordnungsdarstellung und eines schematischen Schaltbilds.
7 zeigt eine schematische Anordnungsdarstellung der fotoelektrischen Wandleranordnung, die eine durch fugenloses Zusammenfügen bzw. Bonden von vier Platinen A, B, C und D erhaltene großflächige fotoelektrische Wandleranordnung darstellt. In der Figur bezeichnen die Bezugszahlen 1100, 2100, 3100 und 4100 Bildelementgruppen in den jeweiligen Platinen. Mit CP2 sind integrierte Schaltkreise bezeichnet, die aus Rückstellschaltern, Verstärkern, Abtast/Speicherschaltungen und einem Analog-Multiplexer bestehen. Jeder integrierte Schaltkreis umfasst 128 Gruppen von Rückstellschaltern, Verstärkern und Abtast/Speicherschaltungen sowie einen analogen Viertel-Multiplexer. Als analoger Viertel-Multiplexer wird hierbei ein kleiner Analog-Multiplexer mit 128 Eingängen bezeichnet, der als Analog-Multiplexer in vier integrierten Schaltkreisen vorgesehen ist, wodurch zusammen ein großer Analog-Multiplexer erhalten wird, der 512 Eingangssignale verarbeiten kann. Mit CP1 sind integrierte Schieberegister-Schaltkreise bezeichnet, wobei große Schieberegister mit 1376 Stufen durch Reihenschaltung von 11 integrierten Schieberegister-Schaltkreisen erhalten werden. Mit DB2 ist eine Leiterplatte (gedruckte Schaltung) bezeichnet, die eine Steuereinrichtung, einen Bezugsspannungsgenerator und einen Impulsgenerator umfasst, während mit DB1 eine Leiterplatte bezeichnet ist, die Leitungen zur Zuführung von Signalen und Strom zu den integrierten Schieberegister-Schaltkreisen CP1 umfasst. Mit CRL ist eine Steuerschaltung zur Steuerung der jeweiligen Platinen bezeichnet.
Die integrierten Schaltkreise CP2 der Platine A umfassen elf integrierte Schaltkreise, die in drei Gruppen unterteilt sind, welche jeweils drei integrierte Schaltkreise, vier integrierte Schaltkreise und vier integrierte Schaltkreise von der rechten Seite her umfassen, wobei mit jeder Gruppe jeweils 352, 512 und 512 Signalleitungen SIG verbunden sind. Der äußerste rechte integrierte Schaltkreis umfasst Eingänge von Masseleitungen, die 32 Leerleitungen bilden. Die elektrische Schaltungsanordnung entspricht hierbei dem ersten oder dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Die Platine B ist spiegelbildlich zu der Platine A aufgebaut (invertierter Aufbau von links nach rechts). Die Platine C weist den gleichen Aufbau wie die Platine A auf, während die Platine D den gleichen Aufbau wie die Platine B aufweist. Die Kombination der Platine A mit der Platine C und die Kombination der Platine B mit der Platine D ergeben somit eine punktsymmetrische Anordnung um einen Mittelpunkt, der von dem Berührungspunkt der vier Platinen gebildet wird. Die vier Platinen sind durch Bonden zusammengefügt und bilden auf diese Weise eine große Platine. Es sei jedoch angemerkt, dass ein Zwischenraum in Form des Abstandes von Bildelementen z.B. einer Zeile (oder einer Spalte) zwischen den Platinen verbleibt, um das Bonden zu erleichtern.
8 zeigt ein schematisches Schaltbild der fotoelektrischen Wandleranordnung. Sechs Analog/Digital-Umsetzer und sechs Speicher, die als Pufferspeicher dienen, sind für zwei Platinen, nämlich die Platinen A und B vorgesehen, wobei die Ausgangssignale dieser Speicher über einen Digital-Multiplexer als ein digitales Ausgangssignal D1 abgegeben werden. Die Speicher stellen hierbei nach dem sogenannten FIFO-Prinzip (Eingangsfolgebearbeitung bzw. Warteschlangenmodell) arbeitende Speicher dar, bei denen die zuerst eingegebene Information auch zuerst ausgegeben wird. Die beiden Platinen im oberen Bereich werden betrieben, als würden sie eine einzige mittlere Platine bilden. Diese eine mittlere Platine ist hierbei derart aufgebaut, dass die Anzahl von Gruppen N = 3, die Anzahl von Spalten n = 1376 × 2 = 2752, Tad = 0,15 μs und Ttft = 78 μs betragen. Diese Bedingungen erfüllen die nachstehende Beziehung: n × Tad/Ttft ≤ N < n × Tad/Ttft + 1
Es ist somit ersichtlich, dass durch diesen Aufbau eine kostengünstige fotoelektrische Wandleranordnung mit hohem Störabstand und guter Betriebsfähigkeit erhalten wird.
In ähnlicher Weise umfassen die beiden Platinen im unteren Bereich sechs Analog/Digital-Umsetzer und sechs Speicher, die als Pufferspeicher dienen, wobei die Ausgangssignale dieser Speicher über einen Digital-Multiplexer als ein digitales Ausgangssignal D2 abgegeben werden. Die beiden Platinen im unteren Bereich werden ebenfalls betrieben, als würden sie eine einzige mittlere Platine bilden.
Die 9A und 9B zeigen eine schematische Anordnungsdraufsicht und eine schematische Querschnittsansicht zur Veranschaulichung einer Anwendung der Erfindung bei einer fotoelektrischen Wandleranordnung zur Röntgenstrahlerfassung.
Hierbei ist eine Vielzahl von fotoelektrischen Wandlerelementen und Dünnschicht-Feldeffekttransistoren in einem a-Si-Sensorsubstrat 6011 ausgebildet, wobei mit dem Substrat 6011 flexible Leiterplatten 6010 verbunden sind, auf denen Schieberegister SR1 oder integrierte Messschaltkreise IC angeordnet sind. Die anderen Seiten der flexiblen Leiterplatten 6010 sind mit einer Leiterplatte PCB1 (SR1-Gruppe) oder mit einer Leiterplatte PCB2 (IC-Gruppe) verbunden. Eine Vielzahl der vorstehend beschriebenen a-Si-Sensorsubstrate 6011 sind zur Bildung einer großflächigen fotoelektrischen Wandleranordnung durch Bonden auf einer Basis 6012 befestigt, wobei eine Bleiplatte 6013 zum Schutz von Speichern 6014 einer Verarbeitungsschaltung 6018 vor Röntgenstrahlen vorgesehen ist. Ein z.B. aus CsI bestehendes Leuchtmaterial 6030 ist zur Umsetzung der Röntgenstrahlen in sichtbares Licht auf die a-Si-Sensorsubstrate 6011 z.B. durch Bonden aufgebracht. Wie in 9B veranschaulicht ist, befindet sich die gesamte Anordnung in einem Karbon-Fasergehäuse 6020.
10 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandleranordnung bei einem Röntgen-Diagnosesystem.
Von einer Röntgenröhre 6050 erzeugte Röntgenstrahlen 6060 treten durch den Brustraum 6062 eines Patienten oder einer zu untersuchenden Person 6061 hindurch und treffen auf die fotoelektrische Wandleranordnung 6040, auf der das Leuchtmaterial aufgebracht ist. Die einfallenden Röntgenstrahlen enthalten hierbei Informationen bezüglich des Körperinneren des Patienten 6061. Das Leuchtmaterial leuchtet in Abhängigkeit von den einfallenden Röntgenstrahlen auf, wobei dieses Licht durch fotoelektrische Umwandlung in elektrische Informationen umgesetzt wird. Diese Informationen werden wiederum in digitale Daten umgesetzt, die von einer Bildverarbeitungseinrichtung 6070 einer Bildverarbeitung unterzogen werden und sodann in einem Kontrollraum auf einem Sichtgerät bzw. Bildschirm 6080 dargestellt und beobachtet werden können.
Diese Informationen können auch mittels einer Übertragungseinrichtung wie einer Telefonleitung 6090 zu einem entfernten Ort wie einem nicht in der Nähe gelegenen Besprechungsraum des behandelnden Arztes oder dergleichen übertragen und auf einem Sichtgerät bzw. Bildschirm 6081 dargestellt oder in einer Speichereinrichtung wie einer optischen Platte abgespeichert werden, was eine Ferndiagnose durch einen Arzt ermöglicht. Ferner können die Informationen auch mit Hilfe einer Filmentwicklungseinrichtung 6100 auf einem Film 6110 aufgezeichnet werden.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Bildelementkonfigurationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern die Bildelemente können auch in anderen Konfigurationen angeordnet werden, solange diese die Erfordernisse erfüllen, dass eine Vielzahl von Bildelementen in Zeilen- und Spaltenrichtung angeordnet, die Ausgänge der Bildelemente (der fotoelektrischen Wandlerelemente) in den jeweiligen Spalten mit einer jeweiligen Signalleitung aus einer Vielzahl von Signalleitungen verbunden und Steueranschlüsse zur Steuerung der Signalabgabe der Bildelemente in den jeweiligen Zeilen mit einer jeweiligen Steuerleitung aus einer Vielzahl von Steuerleitungen verbunden werden können. Auch der Aufbau der fotoelektrischen Wandlerelemente ist nicht auf den bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen in Betracht gezogenen spezifischen Aufbau beschränkt. Weiterhin sind die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele zwar dahingehend ausgestaltet, dass die analoge Umsetzereinrichtung mit jeder der Signalleitungen verbunden ist, jedoch kann die analoge Umsetzereinrichtung auch für jedes Bildelement vorgesehen sein.
Wie vorstehend beschrieben, kann mit Hilfe der Erfindung eine kostengünstige fotoelektrische Wandleranordnung mit einem hohen Störabstand (Signal-Rauschverhältnis) und einer guten Betriebsfähigkeit sowie ein kostengünstiges System erhalten werden, bei dem digitale Informationen in einem großflächigen Bereich mit einem hohen Störabstand erhalten werden können, wie dies bei einem Röntgen-Bildaufnahmesystem oder dergleichen erforderlich ist.

Claims

Fotoelektrische Wandleranordnung, mit einer Vielzahl von in Zeilen- und Spaltenrichtung angeordneten fotoelektrischen Bildwandlerelementen (S, T), einer Vielzahl von in der Spaltenrichtung angeordneten Signalleitungen (SIG), die jeweils Ausgänge von in der gleichen Spalte angeordneten fotoelektrischen Bildwandlerelementen verbinden, einer Vielzahl von in der Zeilenrichtung angeordneten Steuerleitungen (g), die jeweils Steueranschlüsse zur Steuerung der Signalausgabe von in der gleichen Zeile angeordneten fotoelektrischen Bildwandlerelementen verbinden, einer analogen Spannungsumsetzereinrichtung (C, 1, 2; SIG, 11, 12/SIG, 21, 22/SIG, 31, 32) zur Umsetzung einer in den fotoelektrischen Bildwandlerelementen enthaltenen Informationsladung in eine Analogspannung, einer mit den jeweiligen Signalleitungen verbundenen analogen Speichereinrichtung (3, C_sh; 13, 23, 33) zur Speicherung und Aufrechterhaltung der von der analogen Spannungsumsetzereinrichtung auf der Basis der Informationsladung der fotoelektrischen Bildwandlerelemente umgesetzten Analogspannung als Ausgangssignal, einer Vielzahl von analogen Schalteinrichtungen (4; 14, 24, 34), die jeweils mit einer jeweiligen Ausgangsleitungsgruppe von durch Aufteilung von Ausgangsleitungen der analogen Speichereinrichtung gebildeten Ausgangsleitungsgruppen (10, 20, 30) verbunden sind, und einer Vielzahl von Analog-Digital-Umsetzereinrichtungen (7; 17, 27, 37), die jeweils mit einem Ausgang einer jeweiligen analogen Schalteinrichtung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer aus N Gruppen von Ausgangsleitungen bestehenden Vielzahl der Ausgangsleitungsgruppen (10, 20, 30), einer Anordnung der fotoelektrischen Bildwandlerelemente (S, T) in n Spalten, einer durch Tad Sekunden gegebenen Umsetzungszeit der Analog-Digital-Umsetzereinrichtungen (7; 17, 27, 37) und einer durch Ttft Sekunden gegebenen Zeit für die über die analoge Spannungsumsetzereinrichtung (C, 1, 2; SIG, 11, 12/SIG, 21, 22/SIG, 31, 32) erfolgende Umsetzung der von den fotoelektrischen Bildwandlerelementen abgegebenen Informationsladung in die Analogspannung die Größe N die Bedingung N ≥ n× Tad/Ttft erfüllt.
Fotoelektrische Wandleranordnung nach Anspruch 1, bei der die Größe N die Bedingung n × Tad/Ttft ≤ N < n × Tad/Ttft + 1 erfüllt.
Fotoelektrische Wandleranordnung nach Anspruch 1, bei der jedes fotoelektrische Bildwandlerelement (S, T) ein fotoelektrisches Wandlerelement (S) und ein Schaltelement (T) zur Steuerung der Signalausgabe des fotoelektrischen Wandlerelementes aufweist und der Steueranschluss eines jeweiligen fotoelektrischen Bildwandlerelementes den Steueranschluss des Schaltelementes bildet.
Fotoelektrische Wandleranordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Pufferspeichern, die jeweils mit einer jeweiligen Analog-Digital-Umsetzereinrichtung verbunden sind, und einem mit den Pufferspeichern verbundenen Multiplexer.
Fotoelektrische Wandleranordnung nach Anspruch 4, bei der die Pufferspeicher nach dem FIFO-Prinzip arbeitende Speicher sind.