DE2609731B2 - Festkoerper-abbildungsvorrichtung - Google Patents

Festkoerper-abbildungsvorrichtung

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DE2609731B2 DE19762609731 DE2609731A DE2609731B2 DE 2609731 B2 DE2609731 B2 DE 2609731B2 DE 19762609731 DE19762609731 DE 19762609731 DE 2609731 A DE2609731 A DE 2609731A DE 2609731 B2 DE2609731 B2 DE 2609731B2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung mit matrixartig in Zeilen und Spalten zur Erfassung zweidimensionaler optischer Informationen angeordneten, jeweils aus einer Fotodiode und einem
κι zur Ansteuerung der Fotodiode dienenden Vertikal-Schalttransistor bestehenden Bildelementen, bei deren Abtastung eine bei Beleuchtung in der jeweiligen Fotodiode gespeicherte Ladungsmenge entladen wird und ein dieser Ladungsmenge entsprechender Auflade-
i> strom in die Fotodiode fließt, der als der eingefallenen Lichtmenge entsprechendes Ausgangssignal auswertbarist.
Eine derartige Festkörper-Abbildungsvorrichtung ist aus der Zeitschrift IEEE journal of solid-state circuit,
.χι Vol. SC-7, Seiten 111 bis 119, bekannt. Die Vertikal-Schalttransistoren der Büdelemente bestehen bei dieser Abbildungsvorrichtung aus Metalloxydhalbleiter-Feldeffekttransistoren, deren Drain-Bereiche lichtempfindlich sind und daher einer optischen Abschirmung
j-, bedürfen. Mit steigender Integrations- bzw. Packungsdichte wird diese Abschirmung immer problematischer, so daß entweder auf eine hohe Packungsdichte verzichtet v/erden muß oder aber bei hoher Packungsdichte erhebliche Störüberlagerungen des Ausgangssi-
Hi gnals aufgrund einer dann unzureichenden optischen Abschirmung auftreten. Außerdem entstehen beim Anlegen der Abtastimpulse aufgrund der Gate-Drain-Kapazitäten der Schalttransistoren Störsignalspitzen, die dazu beitragen, daß der Gesamt-Störanteil der
π ausgelesenen Signale unerwünscht hoch ist. Da ferner eine relativ hohe Anzahl von Vertikal-Schalttransistoren jeweils mit einer Spalten-Ausgangsleitung verbunden ist, muß darüber hinaus eine durch die Widerstandskomponenten und Streukapazitäten der Schalttransisto-
4.1 ren bedingte hohe Zeitkonstante berücksichtigt werden, die sich nachteilig auf die erreichbare Abtastgeschwindigkeit auswirkt.
Weiterhin ist aus der DT-OS 23 53 951 eine matrixartig aufgebaute Festkörper-Abbildungseinrich-
4> tung aus auf einem Foto-Halbleitersubstrat angeordneten ladungsgekoppelten Halbleiterspeicherelementen bekannt, bei der durch Anlegen einer bestimmten zusätzlichen Vorspannung eine bessere Trennung bzw. Unterscheidungsmögüchkeit zwischen der sogenannten
-,o Signalladung und einem durch Leckströme und geringe Bildkontraste auftretenden, hier als Untergrundladung bezeichneten Störanteil ermöglicht werden soll. Weitere Maßnahmen zur Störsignalunterdrückung sind der DT-OS 23 53 951 jedoch nicht zu entnehmen.
■-,-, Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Festkörper-Abbildiingsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowohl Störungen aufgrund der durch die Abtastimpulse an den Kapazitäten zwischen den Gate- und Drain-Bereichen der
ho Schalttransistoren hervorgerufenen Spannungsspitzen als auch insbesondere bei sehr hoher Packungsdichte in integrierter Bauweise an den lichtempfindlichen Drain-Bereichen auftretende Stör- oder Fehlsignale zu verhindern und gleichzeitig die Abtastgeschwindigkeit
h-, zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Büdelemente der ungeradzahligen Zeilen einer Spalte der Matrixanordnung jeweils mit einer ersten
Ausgangsleitung und die Bildelemente der geradzahligen Zeilen derselben Spalte der Matrixanordnung jeweils mit einer zweiten Ausgangsleitung verbunden sind und daß ein Differenzverstärker jeweils über Horizontai-Schalttransistoren mit den ersten und zweiten Ausgangsleitungen zur Unteidrückung von in einem Ausgangssignal bei der Abtastung der jeweiligen Bildelemente enthaltenen Störsignalanteilen gekoppelt ist.
Hierdurch werden somit einmal die bei Anliegen von Horizontal-Abtastimpulsen an den Kapazitäten zwischen den Gate-Drain-Elektroden der Horizontai-Schalttransistoren auftretenden Spitzen-Störsignale und zum anderen aufgrund unzureichender optischer Abschirmung der Drain-Bereiche an den ersten und zweiten Ausgangsleitungen auftretende Überlagerungssignale unterdrückt, indem sie sowohl über die Leitung 8 als auch die Leitung 9 dem Differenzverstärker zugeführt werden. Da ferner jeweils Bildelemente einer ungeradzahligen Zeile mit einer ersten Ausgangsleitung und Bildelemente einer geradzahligen Zeile mit der zugehörigen zweiten Ausgangsleitung' verbunden sind, ist die Anzahl der mit einer Ausgangsleitung jeweils verbundenen Bildelemente im Vergleich zum Stand der Technik auf die Hälfte reduziert, so daß sich die von der Summe der Streukapazitäten der Bildelemente einer Spalte und der Summe der Widerstandswerte der Schalttransistoren einer Spalte gebildete Zeitkonstante auf den halben Wert verringern läßt und somit die Abtastgeschwindigkeit verdoppelt werden kann.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.
Der Stand der Technik und eine vorzugsweise verwendete Ausführungsform der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung der aus der Zeitschrift IEEE journal of solid-state circuit bekannten Festkörper-Abbildungsvorrichtung und
Fig.2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Die in Fig. 1 dargestellte, aus der Zeitschrift IEEE Journal of Solid-State Circuit, Vol. SC-?, Seiten 111 bis 119, bekannte Festkörper-Abbildungsvorrichtung weist eine Vielzahl von in M Zeilen und N Spalten angeordneten Bildelementen auf, die jeweils aus einer Fotodiode 1 und einem an diese angeschlossenen Vertikal-Schalttransistor 2 in Form eines Metalloxydhalbleiter-Feldeffekttransistors (nachstehend abgekürzt auch als MOSFET bezeichnet) bestehen. Die Matrix wird im Abfrageverfahren mittels eines Horizontal-Abtastimpulsgenerators 4, Horizontai-Schalttransistoren 3 in Form von Metalloxyd-Feldeffekttransistoren und eines Vertikal-Abtastimpulsgenerators 5 betrieben. Die Wirkungsweise des Bildelements ist nachstehend anhand des besonderen Bildelements an dem Kreuzungspunkt der ersten Zeile mit der ersten Spalte erläutert. Gemäß F i g. 1 tritt an einem Ausgangsanschluß 7 ein Ausgangssignal bzw. Video-Signal in Form eines Ladestroms auf, der bei Änderung des Potentials an einem Übergangsbereich der Fotodiode 1 auf einen im wesentlichen demjenigen einer Stromversorgung 6 entsprechenden Spannungswert über einen Widerstand, den Horizontal-Schalttransistor 3 und den Vertikal-Schalttransistor 2 fließt, wenn der Vertikal-Schalttransistor 2 mittels des Vertikal-Abtastimpulsgenerators 5 über eine erste Zeilensammelleitung 51 und der Horizontal-Schalttransistor 3 der ersten Süalte mittels des Horizontal-Abtastimpulsgenerators 4 durchgeschaltet sind. Dieser Ladestrom dient zur Zuführung einer elektrischen Energiemenge, die die Fotodiode 1 proportional mit der während einer Abtastperiode Ί eingefallenen Lichtmenge entladen hat, so daß er daher der auf die Fotodiode 1 eingefallenen Lichtmenge entspricht. Da die Spalten 41, 42 ... 4/V und die Zeilen 51, 52... 5M der Abbildungsvorrichtung aufeinanderfolgend selektiv abgetastet werden, werden an den
κι Kreuzpunkten durch logische UND-Funktionen der Vertikal-Schalttransistoren 2 und der Horizontai-Schalttransistoren 3 Video-Signale aufgenommen, die als Signale an einem Ausgangslastwiderstand erfaßt werden. Wenn die in Fig. 1 gezeigte Schaltung in der
ι r> üblichen Halbleiter-Technologie ausgeführt ist, entsprechen beispielsweise die Verbindungsteile der Vertikal-Schalttransistoren 2 der Spaltenausgangsleitung 41, d. h., die Drain-Zonen der Vertikal-Schalttransistoren 2 bilden pn-Übergänge mit einem Substrat, wie es ihre Source-Zonen bilden, die Teile der Fotodioden darstellen. Die Drain-Zonen sind daher lichtempfindlich und sollten optisch abgeschirmt sein. Mit steigender Integrationsdichte der zweidimensionalen Matrixanordnung wird es jedoch immer schwieriger, die Drain-Zo-
v-, nen der Vertikal-Schalttransistoren 2 optisch abzuschirmen. Da ferner bei dieser Schaltungsanordnung die Drain-Zonen der M Vertikal-Schalttransistoren jeweils mit den Spaltenausgangsleitungen 41, 42 ... 4Λ/ verbunden sind, bilden die von den Drain-Zonen der
in beispielsweise an der Ausgangsleitung 41 angeschlossenen M Vertikal-Schalttransistoren während einer Horizontal-Abtastperiode erfaßten Lichtsignale Störkomponenten während des Auslesens eines Lichtsignals, das beispielsweise die Fotodiode 1 während einer
π Teilbildperiode erfaßt. Weiterhin bringen während des Auslesens des Video-Signals der Fotodiode 1 beispielsweise eine Widerstandskomponente des Vertikal-Schalttransistors 2 und eine durch die Spaltenausgangsleitung 41 und die Drain-Zonen der M Vertikal-Schalt-
.,,, transistoren gebildete kapazitive Komponente .-ine große Zeitkonstante in die Schaltung ein, was eine wesentliche Verringerung des oberen Grenzwertes der Abtastgeschwindigkeit verursacht.
Bei dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der
4-, Erfindung ist eine Anzahl von Bildelementen, die jeweils aus einer Fotodiode 1 oder 1' und einem an diese angeschlossenen Vertikal-Schalttransistor 2 oder 2' in Form eines MOS-Feldeffektransistors bestehen, in M Zeilen und N Spalten angeordnet, wobei die Drain-Elek-
.-,„ troden der Vertikal-Schalttransistoren 2 in den ungeradzahligen Zeilen jeweils über erste Spaltenausgangsleitungen 41a bis 4Na mif' den Source-Elektroden ebenfalls aus MOS-Feldeffekttransistoren bestehender erster Horizontai-Schalttransistoren 31a bis 3Na
Y1 verbunden sind, während die Drain-Elektroden der ersten Horizontai-Schalttransistoren 31a bis 3Na gemeinsam an eine erste Leitung 8 angeschlossen sind. Die Drain-Elektroden der Vertikal-Schalttransistoren 2' in den geradzahligen Zeilen sind jeweils über zweite
hl, Spaltenausgangsleitungen 41 b bis 4Nb an die Source-Elektroden aus MOS-Feldeffekttransistoren bestehender zweiter Horizontai-Schalttransistoren 31 b bis 3Nb angeschlossen, während die Drain-Elektroden der zweiten Horizontai-Schalttransistoren 31i> bis 3Nb
M gemeinsam an eine zweite Leitung 9 angeschlossen sind.
Die erste Leitung 8 und die zweite Leitung 9 sind mit
Eingangsanschlüssen eines Differenzverstärkers 11 und über Lastwiderstände 10 mit einem Stromversoreungs-
anschluß 6 verbunden.
Die Wirkungsweise der Bildelemente wird nun in Verbindung mit den an den Kreuzungspunkten der ersten Zeile und der ersten Spalte bzw. der zweiten Zeile und der ersten Spalte angeordneten Bildelementen beschrieben. Wenn mittels des Vertikal-Abtastimpulsgenerators 5 an eine der ungeradzahligen Zeilensammelleitungen 51, an die die Gate-Elektroden der Vertikal-Schalttransistoren 2 in den ungeradzahligen Zeilen angeschlossen sind, ein Vertikal-Abtastimpuls angelegt wird, wird der Vertikal-Schalttransistor 2 in der eine ungeradzahlige Zeile darstellenden ersten Zeile leitend. Wenn zu diesem Zeitpunkt durch den Horizontal-Abtastimpulsgenerator 4 an die Gate-Elektroden der ersten und zweiten Horizontal-Schalttransistoren 31a und 316 gleichzeitig ein Horizontal-Abtastimpuls angelegt wird, werden auch die ersten und zweiten Horizontal-Schalttransistoren 31a und 316 leitend. An der ersten Leitung 8 tritt ein Signal auf, das aus der Summe eines der Einfallslichtmenge auf die Fotodiode 1 während einer Teilbildperiode proportionalen Fotosignals, einer Störspitze, die auf die Gate-Drain-Kapazität des ersten Horizontal-Schalttransistors 31a zurückzuführen ist, und Foto-Störsignalen, die von den Drain-Zonen der M/2 ungeradzahligen Vertikal-Schalttransistoren (z. B. des MOSFET 2) während einer Horizontal-Abtastperiode erfaßt werden, besteht. An der zweiten Leitung 9 tritt ein Signal auf, das aus der Summe einer Störspitze, die auf die Gate-Drain-Kapazität des zweiten Horizontal-Schalttransistors 316 zurückzuführen ist, und Foto-Störsignalen, die von den Drain-Zonen der M/2 geradlinigen Vertikal-Schalttransistoren (z. B. des MOSFET 2') während einer Horizontal-Abtastperiode erfaßt werden, besteht. Von den an der ersten Leitung 8 und der zweiten Leitung 9 auftretenden genannten Signalkomponenten sind die Störspitzen und die von den Drain-Zonen der jeweiligen M/2 Vertikal-Schalttransistoren (z. B. 2 und 2') erfaßten Foto-Störsignale jeweils im wesentlichen gleich. Wenn demnach die an der ersten Leitung 8 und der zweiten Leitung 9 auftretenden Signale mittels des Differenzverstärkers 11 verstärkt werden, erscheint an dem Ausgangsanschluß 7 nur die Signalkomponente, die proportional der Menge des auf die Fotodioden 1 während einer Teilbildperiode einfallenden Lichts und frei von Störsignalen und Foto-Störsignalen ist. Wenn sodann mittels des Horizontal-Abtastimpulsgenerators 4 der Horizontal-Abtastimpuls aufeinanderfolgend an die Gate-Elektroden der ersten und zweiten Horizontal-Schalttransistoren 31a bis 3Na und 316 bis 3Nb angelegt wird, erscheinen an dein Ausgangsanschluß 7 nur die Signalkomponenten, die frei von Störspitzen und Foto-Störsignalen und proportional der Menge des während einer Teilbildperiode auf die Fotodioden der ersten Zeile einfallenden Lichts sind. Wenn danach von dem Vertikal-Abtastimpulsgenerator 5 ein Vertikal-Abtastimpuls an die Zeilensammelleitung 52 angelegt wird, an die die Gate-Elektroden der Vertikal-Schaittransistoren 2' in den geradzahligen Zeilen angeschlossen sind, werden die Vertikal-Schalttransistoren 2' in der geradzahligen Zeile leitend. Wenn zugleich von dem Horizontal-Abtastimpulsgenerator 4 ein Honzontal-Abtastimpuls an die ersten und zweiten Horizontal-Schalttransistoren 31a und 316 angelegt wird, werden auch diese leitend. An der ersten und der zweiten Leitung 8 bzw. 9 treten somit Signale auf, die zu denjenigen entgegengesetzt sind, welche beim Anlegen des Vertikal-Abtastimpulses an die ungeradzahlige Zeilensammelleitung 51 auftreten. Wenn demgemäß die an der ersten und der zweiten Leitung 8 bzw. 9 auftretenden Signale mittels des Differenzverstärkers 11 verstärkt werden, erscheint an dem Ausgangsanschluß 7 ein Signal, das der Menge des während einer Teilbildperiode auf die Fotodiode Γ einfallenden Lichts proportional ist. Während die Zcilensammelleitungen 51 bis 5Mund die ersten und zweiten Spaltenausgangsleitungen 41a bis 4/V a und 416 bis 4Λ/ 6 aufeinanderfolgend abgetastet werden, entstehen aufeinanderfolgend an dem Ausgangsanschluß 7 nur die Signalkomponenten, die frei von Störspitzen und Foto-Störsignalen und jeweils der Menge des auf die Fotodioden (z. B. 1, Γ) an den jeweiligen Kreuzungspunkten einfallenden Lichts proportional sind.
Es wird somit eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung geschaffen, bei der eine Vielzahl von Bildelementen, die jeweils einen Vertikal-Schalt-MOSFET und eine an eine Source-Elektrode des Vertikal-Schalt-MOSFET angeschlossene Fotodiode aufweisen, matrixartig in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei die Gate-Elektroden der Vertikal-Schalt-MOSFET in einer jeden Zeile zusammengeschaltet sind, die Drain-Elektroden in ungeradzahligen Zeilen und die Drain-Elektroden in geradzahligen Zeilen jeweils innerhalb einer Spalte zusammengeschaltct und an Sourcc-Elektroden von ersten und zweiten Horizontal-Schalt-MOSFET angeschlossen sind, die für eine jede Spalte vorgesehen sind, und wobei die Drain-Elektroden der ersten und zweiten Horizontal-Schalt-MOSFET jeweils an eine erste bzw. an eine zweite Leitung angeschlossen sind, welche mit den Eingangsanschlüssen eines Differenzverstärkers verbunden sind. Hierdurch werden die an den Drain-Zonen der Vertikal-Schalt-MOSFET der Bildelemente erfaßten Foto-Störsignale und die durch die Gale-Drain-Kapazitäten der Horizontal-Schalt-MOSFET verursachten Störspitzen unterdrückt, so daß sich die Abtastgeschwindigkeit erhöhen läßt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Festkörper-Abbildungsvorrichtung mit matrixartig in Zeilen und Spalten zur Erfassung zweidimensionaler optischer Informationen angeordneten, jeweils aus einer Fotodiode und einem zur Ansteuerung der Fotodiode dienenden Vertikal-Schalttransistor bestehenden Bildelementen, bei deren Abtastung eine bei Beleuchtung in der jeweiligen Fotodiode gespeicherte Ladungsmenge entladen wird und ein dieser Ladungsmenge entsprechender Aufladestrom in die Fotodiode fließt, der als der eingefallenen Lichtmenge entsprechendes Ausgangssignal auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildelemente (1, 2) der ungeradzahligen Zeilen einer Spalte der Matrixanordnung jeweils mit einer ersten Ausgangsleitung (41a bis 4Na) und die Büdelemente der geradzahligen Zeilen derselben Spalte der Matrixanordnung jeweils mit einer zweiten Ausgangsleitung (4ib bis 4Nb) verbunden sind, und daß ein Differenzverstärker (11) jeweils über Horizontal-Schalttransistoren (31a bis 3Na bzw. 3lb bis 3Nb) mit den ersten und zweiten Ausgangsleitungen zur Unterdrückung von in einem Ausgangssignal bei der Abtastung der jeweiligen Büdelemente enthaltenen Störsignalanteilen gekoppelt ist.
2. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikal-Schalttransistoren (2, 2') der Büdelemente und die Horizontal-Schalttransistoren (31a bis 3Na, 316 bis 3Nb) Metalloxydhalbleiter-Feldeffekttransistoren sind.
3. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Elektroden der Vertikal-Schalttransistoren (2) in ungeradzahligen Zeilen der Matrixanordnung über die ersten Ausgangsleitungen (41a bis 4Na) mit den Source-Elektroden von ersten Horizontal-Schalttransistoren (31a bis 3Na) und in geradzahligen Zeilen der Matrixanordnung über die zweiten Ausgangsleitungen (41 b bis 4Nb) mit den Source-Elektroden von zweiten Horizontal-Schalttransistoren (3ib bis 3Nb) verbunden sind, wobei die Drain-Elektroden der ersten Horizontal-Schalttransistoren (31a bis 3Na) gemeinsam mit einem ersten Eingangsanschluß und die Drain-Elektroden der zweiten Horizontal-Schalttransistoren (31Zj bis 3Nb) gemeinsam mit einem zweiten Eingangsanschluß des Differenzverstärkers (11) verbunden und außerdem die Steuerelektroden jeweils eines ersten und eines zweiten Horizontal-Schalttransistors in jeder Spalte der Matrixanordnung zusammengeschaltet sind.
4. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Steuerelektroden der Vertikal-Schalttransistoren (2,2') einer jeden Zeile der Matrixanordnung ein Vertikal-Abtastimpulsgenerator (5) und mit den Steuerelektroden der Horizontal-Schalttransistoren (31a bis 3Na, 3lb bis 3Nb) einer jeden Spalte der Matrixanordnung ein Horizontal-Abtastimpulsgenerator(4) verbunden sind.
5. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikal-Schalttransistoren (2,2') die Horizontal-Schalttransistoren (31a bis 3Na, 3ib bis 3Nb) und die Fotodioden (1, V) auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet sind.
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