DE2609731C3 - Festkörper-Abbildungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung mit malrixartig in Zeilen und Spalten /ur Erfassung aweidimensionaler 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 Ausgangssigna.l auswertbar ist.

Eine derartige Festkörper-Abbildungsvorrichtung ist aus der Zeitschrift IEEE journal of solid-state circuit. Vol. SC-7, Seiten 111 bis 119, bekannt. Die Vertikal-Schalttransistoren der Bildelemente bestehen bei dieser Abbildungsvorrichtung aus Metalloxydhalblciter-Feldeffekttransistoren, deren Drain-Bereiche lichtempfindlich sind und daher einer optischen Abschirmung bedürfen. Mit steigender Integrations- bzw. Packungsdichte wird diese Abschirmung immer problematischer, so daß entweder auf eine hohe Packungsdichte verzichtet werden muß oder aber bei hoher Packungsdichte erhebliche Slörüberlagerungcn des Ausgangssignais aufgrund einer dann unzureichenden optischen Abschirmung auftreten. Außerdem entstehen beim Anlegen der Abtastimpulsc aufgrund der Gate-Drain-Kapazitätcn der Schalttransislorcn Störsignalspitzen, die dazu beilragen, daß der Gesamt-Störanteil der ausgelesenen Signale unerwünscht hoch ist. Da ferner eine relativ hohe Anzahl von Vertikal-Schalltransistoren jeweils mit einer Spaltcn-Ausgangsleitung verbunden ist, muß darüber hinaus eine durch die Widerstandskomponenlen und Streukapazitäten derSchalttransistoren bedingte hohe Zeitkonstante berücksichtigt werden, die sich nachteilig auf die erreichbare Abtastgeschwindigkeit auswirkt.

Weiterhin ist aus der DE-OS 23 53 951 eine matrixartig aufgebaute Festkörper-Abbildungseinrichtung aus auf einem Foto-Halbleitersubstrat angeordneten ladungsgekoppelten Halbleiterspeicherelementen bekannt, bei der durch Anlegen einer bestimmten zusätzlichen Vorspannung eine bessere Trennung bzw. Unterscheidungsmöglichkeit zwischen der sogenannten Signalladung und einem durch Leckströme und geringe Bildkontraste auftretenden, hier als Untergrundladung bezeichneten Störanteil ermöglicht werden soll. Weitere Maßnahmen zur Störsignalunterdrückung sind der DE-OS 23 53 951 jedoch nicht zu entnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I sowohl Störungen aufgrund der durch die Abtastimpulse an den Kapazitäten zwischen den Gate- und Drain-Bereichen der Schalttransistoren hervorgerufenen Spannungsspitzen als auch insbesondere bei sehr hoher Packungsdichte in integrierter Bauweise an den lichtempfindlichen Drain-Bereichen auftretende Stör- oder Fchlsignale zu verhindern und gleichzeitig die Abtastgeschwindigkeit zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bildelemente der ungeradzahligen Zeilen einer Spalte der Matrixanordnung jeweils mit einer ersten

Ausgangsjeiiung und die Bildelemente der geradyuhligen Zeilen derselben Spiilie der Matrixunnrdiuing jeweils mil einer zweiten Ausgangsleiiung verbunden sind und daß ein Differenzverstärker jeweils über Ilorizonial-Schulltransisioren mit den ersien und /weiten Ausgangsleitungen /ur Unierdrüekung von in einem Ausgangssignal bei der Abtastung der jeweiligen Bildelemente enthaltenen Störsignalanieilen gekoppelt ist.

Hierdurch werden somit einmal die bei Anliegen von Ilorizontal-Ablasiimpulsen an den Kapazitäten /wischen den Gaie-Drain-Elekiroden der llorizoniat-Schalttransistoren auftretenden Spiizen-Siörsignale und zum anderen aufgrund unzureichender optischer Abschirmung der Drain-Bereiche an den ersten und /weiten Ausgangsleitungen :iuftrelende 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 Bildelemenie einer geradzahligen Zeile mit der zugehörigen /vireiten Ausgangsleitung verbürgten sind, ist die Anzahl der mit einer Ausgangsleitung jeweils verbundenen Bildelemenie 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 Schalttransistorcn einer Spalte gebildete Zeitkonstante auf den halben Wert verringern läßt und somit die Abtastgeschwindigkeit verdoppelt werden kann.

In den Unteransprüclhcn 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

Fig. 1 eine schematische Darstellung der aus der Zeitschrift IEEE journal of solid-state circuit bekannten Festkörper-Abbildungsvorrichtungund

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.

Die in Fig. I dargestellte, aus der Zeitschrift IEEE journal of Solid-Stale Circuit, Vol. SC-7, Seiten III bis 119, bekannte Festkörper-Abbildungsvorrichtung weist eine Vielzahl von in M Zeilen und N Spalten angeordncien Bildclementen auf, dip jeweils aus einer Fotodiode 1 und einem an diese angeschlossenen Vertikal-Schalttransistor 2 in Form eines Melalloxydhalbleiter-Feldeffekttransistors (nachstehend abgekürzt auch als MOSFET bezeichnet) bestehen. Die Matrix wird im Abfrageverfahren mittels eines Horizontal-Abtastimpulsgencrators 4, Herizontal-Schalltransistoren 3 in Form von Metalloxyd-Feldeffekttransistoren und eines Vertikal-Abtastimpulsgenerators 5 betrieben. Die Wirkungsweise das Bildelements ist nachstehend anhand des besonderen Bildelements an dem Kreuzungspunkt der ersten Zeile mit der ersten Spalte erläutert. Gemäß Fig. 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-Schalltransistor 3 und den Vertikal-Schiilttransistor 2 fließt, wenn der Vertikal-Schalttransistor 2 mittels des Verlikal-Abtastimpulsgenerators 5 über eine erste Zeüpnsammelleitung 51 und der Horizontal-SchalUransistor 3 der ersten Soalle mittels des I l<iri/iiMiiil-AbiiiMiiH|nilsgt^>iuⁱraiors4durchgL'scliallet sind- Dieser Ladestrom dieni zur Zuführung ein«:r elektrischen Energiemenge, die die I -'oiudiodc i proportional mit der während einer Abiustpenudc eingefallenen l.ichinienge entluden hut, so d.ilt er daher der iiuf die Fotodiode I eingefallenen Lichtmeuge entspricht. Da die Spalten 41, 42 ... 4Λ/ und die /eilen 51, 52... 5Λ/der Abbildungsvorrichlung aufeinanderfolgend selektiv abgelastet werden, werden an den Kreu/punkien durch logische UND-Fiinkiionen der Vortikal-Schaluransisioren 2 und der llon/onial .Schalltransistoren J Video-Signale aufgenommen, die al·-. Signale an einem Ausgangslasiwidcrsiand erfallt werden. Wenn die in lig. 1 gezeigte Schaltung in der üblichen I lalblciier-Tcchnoliigic ausgeführt ist. einsprechen beispielsweise die Verbindungsteile der Vertikal Schalttransistoren 2 der Spalieiiausgangsleitimg 41. d. h., die Drain-Zonen der Veriikal-Schalitransisioren 2 bilden pn-iJbergünge mil einem Substrat. \\ ic es ihre Souice-Zoiien bilden, die Teile der Fotodioden darstellen. Die Drain-Zonen sind daher lii/titempfindlich und sollten optisch abgeschirmt sein. N;it steigender Iniegralionsdichte der zweidimensionalen Mntrixanord nung wird es jedoch immer schwieriger, die Drain-Zonen der Vertikal-Schalltransisloren 2 optisch abzuschirmen. Da ferner bei dieser Schaltungsanordnung die Drain-Zonen der ,V/ Vertikal-Schulitransistoren jeweils mit den .Spaltenausgangsleitungen 41, 42 ... 4Λ/ verbunden sind, bilden die von den Drain-Zonen der beispielsweise an der Ausgangsleilung 41 angeschlossenen Λ7 Verlikul-.Schalttransistoren während einer Horizontal-Abtastperiode erfaßten Lichisignale Sicirkomponenien während des Auslesens eines l.ichtsignals, das beispielsweise die Fotodiode 1 während einer Teilbildperiodc erlaßt. Wcilerhin bringen während des Auslesens des Video-Signals der Fotodiode I beispielsweise eine Widerslandskomponente des Vertikal-Schalttransislors 2 und eine durch die Spalienausgangsleitung 41 und die Drain-Zonen der M Verlikal-üchalttransisloren gebildete kapazitive Komponente eine große Zeitkonstantc in die Schaltung ein, was eine wesentliche Verringerung des oberen Grenzwertes der Abtastgeschwindigkeit verursacht.

Bei dem in Fi g. 2 gezeigten Ausfünrungsbeispiel der Erfindung ist eine Anzahl von Bildelemenlcn, die jeweils aus einer Fotodiode 1 oder Γ und einem an diese angeschlossenen Vertikal-Schaltlransistor 2 oder 2' in Form eines MOS-Feldeffektransistors bestehen, in M Zeilen und N Spalten angeordnet, wobei die Drain-Elektroden der Vertikal-Schalttransistoren 2 in den ungeradzahligen Zeilen jeweils über erste Spaltenausgangslcitungen 41.7 bis 4Na mit den Source-Elektroden ebenfalls aus MOS-Feliieffekttransistoren bestehender erster Horizontal-Schalttransistoren 3)a bis 3Na verbunden sind, während die Drain-Elektroden der ersten Horizontai-Schalttransisloren 31a bis 3Na gemeinsam an eine erste Leitung 8 angeschlossen sind. Die Drain-Elektioden der Vertikal-Schalttransistoren 2' in den geradzahligen Zeilen sind jeweils über zweite Spaltenausgangsleitungen 4ib bis 4Nb an die Source-Elektroden aus MOS^Fcldcffekttransistoren bestehender zweiter Horizontal-Schalttransistoren 3!ö'uis 3Nb angeschlossen, während die Drain-Elektroden der zweiten Horizontal-Schalttransistoren 31b bis 3Nb gemeinsam an eine "»weile 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 StromversorEunES-

anschloß ft verbunden.

Die Wirkungsweise der llildclcnicnte wird nun in Verbindung mil den an den Krcuzungspunkien der eisten Zeile und der ersten Spalte Ivw. tier /weiten /eile und der ersten Spalte angeordneten Itildelemenlon beschrieben. Wenn mittels des VertikalAbiasiiin piilsgeneraltirs 5 an eine der iingerad/ahligen /eilen Sammelleitungen 51. an die die dale Tlekiroden tier VerlikalSehalilraiisisioreii 2 in den utigeradzahligcii /eilen angeschlossen sind, ein Vertikal Ablastinipuls angelegt wird, wird der Vertikal Schaltlransistor 2 in der eine iingerad/ahlige /eile darstellenden eisten /eile !eilend. Wenn /u tliesem /eitpiinkl tliirch ilen I lon/onlal Ablasiimpulsgcnerator 4 an die (iaie-l.kk lioilen tier ersten und /weiten Horizontal SchalitraiiM siiiren J1.7 und Jl/' gleichzeitig ein I lorizonial AhLi st impuls angelegt wird, werden auch die ersten und /weilen Ilon/onl.il-Schaltiransisioren Jl./ und Wb li'iii'iul. An ilei ersten Leitung 8 nut ein Signal aul. il.is .ms der Summe eines der Linfallslichlmenge auf die I otodiodc I während einer Teilhildperiode proportionalen l'olosign.ils. einer Störspit/e. die auf die date Diam Kap,i/itäl des ersten I lorizontal-Schaltiransislois JL/ zurückzuführen isi. und I'olo-Slorsigna len. die \on den Drain-Zonen der Λ//2 ungeradz.ihligen Vertikal-Sehaltiransistoren (z. IV des MOSITT 2) wiihrend einer Ilorizontal-Abtaslpenodc erfaßt werden, besteht. An der /weiten Leitung 9 tritt ein Signal auf. das aus der Summe einer Störspit/e. die auf die date -Drain-Kapazität des /weilen I lonzonial-Schalt transistors JI/> zurückzuführen ist. und I oto-Störsigna len. die von den Drain-Zonen der M/2 geradlinigen Vertikal -Schalttransistoren (z. H. des MOSI-TT 2) während einer Ilonzonlal-Abtastpeiiode erfaßt werden, bestellt Von den an der ersten Leitung 8 und der /weiten Leitung 9 auftretenden genannten Signalkoinponenten sind die Störspit/en und die von ilen Drain-Zonen der jeweiligen Λ//2 Vcnikal-Schaltlransistören (/. IJ. 2 und 2) erfaßten Loto-Störsignalc jeweils im wesentlichen gleich. Wenn demnach die an der ersten Leitung 8 und der /weiten Leitung 9 auftretenden Signale mittels des Differen/verstiirkers 11 verstärkt werden, erscheint an dem Ausgangsanseliluß 7 nur die Signalkomponente. die proportional der Menge des auf die Lolodioden 1 während einer Teilbildperiode einfallenden Lichts und frei von .Störsignalen und lolo-Störsignalen ist. Wenn sodann mittels des I lori/ontal-Abtastimpulsgencrators 4 der Horizontal-Ablastinipuls aufeinanderfolgend an die date-Llektroden der ersten und /weiten Hori/ontal-Sehalttransistorcn 31.7 bis 3Nn und 316 bis 3Λ' b angelegt wird, erscheinen an dem Ausgangsanschluß 7 nur die Signalkomponenten, die frei von Störspitzen und l-oto-Störsignalen und proportional der Menge des während einrr Teilbildperiodc auf die lolodiodeii der ersten /eile einfallenden l.iehis sind. Wenn danach von dem Vertikal Abiasiimpulsgeneralor 5 ein Vertikal Ab tasiimpuls au die /eilensanunelleilung 52 angelegt wird, an die die < iiile Tlektroden der Vcrlikal-Schalllransistören 2' in den geradzahligen /eilen angeschlossen sind, weitlen die Veitikal-Schaltlransisioreii 2 in der geradzahligen /eile leitend. Wenn zugleich von dem

I lorizonial Abtaslimptilsgeneralor 4 ein lloii/ontal Ablastimpuls an die ersten und zweiten Horizontal Sehaltiransistoren Jl,/ und Jl/) angelegt wird, werden auch diese leitend. An der ersten und der zw eilen Leitung H Ivw. 9 Helen somit Signale aul. die /ii denjenigen entgegengesetzt sind, welche beim Anlegen lies \ ei nkal-Ablasliinpulses an die linger,ul/ahlij'c /eilens.iminelleitimg 51 auftreten. Wenn demgemäß die an der ersten und der /weilen Leitung 8 bzw. 9 aultretenden Signale mittels des Differcn/\crstarkers

II verstärkt werden, erscheint an dem Ausgangsar.-schluß 7 ein Signal, das der Menge des während einer leilbililperiode auf die I otodiode Γ einfallenden Lichts proportional ist. Während die Zeilensanimelleiiiingen 11 bis 5A/und die ersten und /weilen Spallenausgangs leitungen 41.7 bis 4/V ,/ und 41Λ bis 4/V /> aufeinander!*!)! gentl abgetastet werden, entstehen aufeinanderfolgend an dem Ausgangsanseliluß 7 nur die Signalkoinponen len. die frei von Stöispil/en und I oto Slorsignalen und jeweils ilei· Menge lies auf die I olodioden (z. H. I I) an den jeweiligen Kreiiziingspiinklen einfallenden Licht·· proportional sind

Ls wird somit eine I"estkorper-Abbililungs\orrnh tung geschaffen, bei der eine Vielzahl von IJildelementen. die jew eils einen Vertikal-Schall-MOSfTT und eitii. an eine Souree-Llektrode des Vertikal-Selialt-M():;n I angeschlossene l'oiodiode aufweisen. inatrKartig ir Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei du da-e-Llektroden der Vertikal-Schalt-MOSITT in einei jeden Zeile /usanimengeschaltet sind, die Drain-Llek troilen in ungerad/ahligen /eilen und die Drain-Llek trodeii in geradzahligen /eilen jeweils innerhalb einei Spalte zusammengeschaltet und an Sourcc-Llektroilei von eisten und /weiten Hori/.ontal-Schalt-MOSIΊΠ angeschlossen sind, die für eine jede Spalte vorgeseher sind, und wobei die Drain-Llektrodcn der ersten um /weiten I lori/ontal-Schalt-MOSFTT jeweils an cini erste bzw. an eine zweite Leitung angeschlossen sind welche mit den Lingangsansehlüssen eines Differenz Verstärkers verbunden sind. Hierdurch werden die ai den Drain-Zonen der Vertikal-Schalt-MOSITT de Bildelemente erfaßten Foto-Störsignalc und die tlurcl die date-Drain-Kapazitäten der Horizontal-SeMt MOSITT verursachten Störspitzen unterdrückt, so dal sich die Abtastgeschwindigkeit erhöhen läßt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Potentansprüche:

1. Festkörper-Abbildungsvorrichtung mit matrixartig in Zeilen und Spalten zur Erfassung zweidimensional 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 (41.3 bis 4/Va) und die Büdelemente der geradzahligen·Zeilen derselben Spalte der Matrixanordnung jeweils mit einer zweiten Ausgangsleitung (41 b bis 4Nb) verbunden sind, und daß ein Differenzverstärker (11) jeweils über Horizontal-Schalttransistoren (31a bis 3Na bzw. 316 bis 3Nb) mit den ersten und zweiten Ausgangsleitungcn zur Unterdrückung von in einem Ausgangssignal bei der Abtastung der jeweiligen Bildelemente enthaltenen Störsignalanteilen gekoppelt ist.

2. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikal-Schalttransistoren (2, 2') der Biidelemente und die Horizontal-SchaltiransK/toren (->1a bis 3Na, 316 bis 3Λ/ b) Metalloxydhalble.ter-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 (316 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 (31ObIsSM^ 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 Horizöntal-Senalttransistoren (31a bis 3Na, 3ib bis 3Nb) einer jeden Spalte der Matrixanordnung ein Horizontal-Abtastimpulsgenerator (4) verbunden sind.

5. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikal-Schalttransistoren (2,2') die Horizontal-Schalttransistoren (31a bis 3Na, 316 bis 3Nb) und die Fotodioden (I, Y) imf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet sind.