DE2847992A1

DE2847992A1 - Festkoerper-bildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE2847992A1
Application number: DE19782847992
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Akiyama; Norio Koike
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-11-07
Filing date: 1978-11-06
Publication date: 1979-05-10
Also published as: FR2408261B1; NL7811038A; GB2008889A; DE2847992C2; GB2008889B; FR2408261A1

Description

HITACHI, LTD._S Tokyo, Japan

Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit Halbleiteraufbau und insbesondere einen neuartigen Aufbau einer derartigen Bildaufnahmevorrichtung, wobei eine Maßnahme zur Unterdrückung der sogenannten Überstrahlungserscheinung vorgesehen istο

Es gibt derzeit zwei Arten von Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen oder -röhren, nämlich solche, die aus Ladungstransportelementen (CTD) und solche, die aus Metalloxidhalbleitertransistoren (MOST) gebildet sind (vgl. beispielsweise US-PS 3 801 884 und J. D. Plummer et al, "A Low-Light-Level Self-Scanned MOS Image Sensor" in ISSCC 72, Digest of Technical Papers, S. 30/31).

Derartige Festkörper-Aufnahmevorrichtungen sind derzeit auf hohem technischem Standard. Jedoch besteht noch ein zu

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lösendes Problan. Und zvrar ist dies das Auftreten der sogenannten überstrahlungserscheinung, bei der weiße Streifen im wiedergegebenen Bild auftreten. Diese Erscheinung oder dieses Phänomen kann dadurch erklärt werden, daß das auf eine den das Bild abtastenden Schirm bildende Fotodiode einstrahlende Licht hoher Intensität die Erzeugung überschüssiger fotoelektrischer Ladung mit sich bringt oberhalb des Sättigungs-Ladungspegels der Fotodiode, wobei diese überschüssige Ladung zu den benachbarten Fotodioden übertragen wird und mit den Signalladungen dieser Fotodioden vermischt wird. Folglich treten weiße Streifen in dem aus dem Videosignal-Ausgangssignal der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung wiedergegebenen Bild auf. Im Fall einer durch MOSTs gebildeten Bildaufnahmevorrichtung werden vertikale weiße Ränder oder Streifen im wiedergegebenen Bild erzeugt, da die in der gleichen Reihe der Matrixanordnung angeordneten Fotodioden mit einer gemeinsamen vertikalen Ausgangsleitung bzw. einem -leiter verbunden sind. Selbstverständlich stören derartige weiße Streifen, ob sie nun vertikal sind oder nicht, die Qualität des wiedergegebenen Bildes mit erheblichem Nachteil für praktische Anwendungen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Festkörper-Aufnahmevorrichtung anzugeben, bei der die Überstrahlungserscheinung befriedigend unterdrückt werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Lehre wird eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung angegeben, die darin eine Einrichtung aufweist, um die überschüssige Ladung von der Fotodiode während der Austastperiode beim Betrieb der Bildaufnahmevorrichtung zu entfernen.

Insbesondere besteht das Wesen der Erfindung in einer

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Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, die mehrere lichtempfindliche oder fotoelektrische Elemente besitzt, die zweidimensional bzw. in einer Matrix angeordnet sind, die ebensoviele vertikale Schaltelemente besitzt, deren jedes mit je einem der lichtempfindlichen Elemente verbunden ist zum Auslesen des der darin gespeicherten Ladung entsprechenden elektrischen Signals, die weiter enthält eine VertikalrÄbtastschaltung zum Zuführen von Steuerimpulsen zu Steueranschlüssen der vertikalen Schaltelemente, gemeinsame vertikale Ausgangsleitungen oder -leiter, deren jeder die Ausgangsanschlüsse der vertikalen Schaltelemente verbindet, die in der gleichen Reihe oder Spalte der Matrix angeordnet sind, horizontale Schaltelemente zum Auslesen von gespeicherter Ladung, die mit einem Ende der vertikalen Ausgangsleitungen verbunden sind, und eine HorizontatÄbtastschaltung zur Zufuhr von Steuerimpulsen zu den Steueranschlüssen der horizontalen Schaltelemente. Die Erfindung zeichnet sich durch eine Einrichtung aus, um die überschüssige Ladung zu entfernen durch das Verändern des Potentialpegels der Steuerelektroden der vertikalen Schaltelemente während der Horizontal-Austastperiode.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung können die vertikalen auslesenden Schaltelemente durch MOSFETS(MOS-Feldeffekttransistor) gebildet sein. In diesem Fall kann das Unterdrücken der Überstrahlungserscheinung in gleicher Weise auch dadurch erreicht werden, daß das Potential an einem Halbleitersubstrat verändert wird, in dem MOS-FETs und Fotodioden einstückig ausgebildet sind.

Die Erfindung gibt eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung an, die aufweist: eine Matrixanordnung aus Fotodioden mit PN-Übergang, die in einem monolithischen Halbleitersub-

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strat gebildet sind, vertikale Schalt-MOSFETs, die jeweils mit der zugeordneten Fotodiode verbunden sind zum Auslesen von darin gespeicherten elektrischen Ladungen, ein vertikales oder Vertikal-Schieberegister zum Zuführen von Steuerimpulsen zu den Gate-Anschlüssen der vertikalen Schalt-MOSFETs, vertikale Ausgangsleiter, die jeweils diejenigen vertikalen Schalt-MOSFETs miteinander verbinden, die in der gleichen Spalte angeordnet sind, horizontale Schalt-MOSFETs zum horizontalen Auslesen, die mit den anderen Enden der vertikalen Ausgangsleiter verbunden sind, ein horizontales oder Horizontal-Schieberegister zum Zuführen von Steuerimpulsen zu Gate-Anschlüssen der horizontalen Schalt-MOSFETs und einen horizontalen Ausgangsleiter, der die Ausgänge der horizontalen Schalt-MOSFETs miteinander verbindet. Die Bildaufnahmevorrichtung enthält weiter eine Einrichtung zum Verändern des Potentials am geerdeten Anschluß des Vertikal-Schieberegisters während der Horizontal-Austastperiode sowie eine Gruppe von MOSFET-Schaltern, die mit den anderen Enden der vertikalen Ausgangsleiter verbunden sind, wodurch überschüssige elektrische Ladungen an den Fotodioden, falls solche vorhanden sind, über die MOSFET-Schalter während der Horizontal-Austastperiode entfernt werden.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der schematischen Anordnung herkömmlicher MOS-Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen;

Fig. 2 Signalverläufe der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 zu deren Erläuterung;

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Fig. 3 ein Äquivalent-Schaltbild einer einzigen Fotodiode und eines vertikalen MOST, der bei der Bildaufnahmevorrichtung gemäß Fig. 1 daran angeschlossen ist;

Fig. 4 schematisch den Zustand der Ladungsspeicherung in der Fotodiode gemäß Fig. 3 bei Auftreffen von einfallendem Licht hoher Intensität;

Fig. 5 eine Darstellung ähnlich Fig. 4, jedoch zur schematischen Erläuterung des Prinzips der Erfindung;

Fig. 6 A, 6 B, schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zu deren Erläuterung, wobei Fig. 6 A schematisch ein Schaltbild einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß der Erfindung zeigt, während Fig. 6 B ein Schaltbild einer Impulsgenerator-Schaltung zur Erzeugung eines Impulssignals zeigt, das einem geerdeten Anschluß einer Vertikal-Abtastschaltung gemäß Fig. 6 A zugeführt ist;

Fig. 7 eine beispielhafte Ausführung einer Vertikal-Abtastschaltung, die bei der erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung verwendbar ist;

Fig. 8 Signalverläufe zur Erläuterung des Betriebs der Schaltung gemäß Fig. 6 A;

Fig. 9, 10 schematisch Schaltungsanordnungen von Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen gemäß anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung;

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Fig. 11 A ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 11 B Signalverläufe zu deren Erläuterung;

Fig. 12 A, 12 B schematisch Schnittdarstellungen zur Erläuterung weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung;

Fig. 13, 14 Blockschaltbilder weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst ein typisches Beispiel bisheriger Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen, die mit MOSTs ausgerüstet sind, mit Bezug auf Fig. 1 näher erläutert.

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, besteht eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung aus folgenden Teilen: einem Licht empfangenden Abschnitt 9, der durch mehrere fotoempfindliche Elemente wie Fotodioden 1 gebildet ist, die in Form einer Matrix angeordnet sind, vertikale auslesende Schalt-MOSTs 91 bis 9 n, die im folgenden einfach als Vertikal-MOSTsbezeichnet werden, und horizontale auslesende Schalt-MOSTs 81 bis 8m, die beide zum Auslesen der in den Fotodioden 1 gespeicherten fotoelektrischen Signale dienen, ein Vertikal-Schieberegister 3 und ein Horizontal-Schieberegister 2, die eine Vertikal-Abtastschaltung bzw. eine Horizontal-Abtastschaltung bilden^ zum Schalten der zugeordneten Schalt-MOSTs in vorgegebener richtiger Folge, und eine Horizontal-AusgangsSignalleitung 4. Die vertikalen und die horizontalen

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MOSTs werden durch Ansteuer- oder Gate-Impulse gesteuert, die von den zugeordneten Stufen von Vertikal- bzw. Horizontal-Schieberegistern 3, 2 zugeführt werden, um den Schaltbetrieb zu erreichen. Fig. 2 zeigt Ausgangsimpulssignale, die von dem Horizontal- und Vertikal-Schieberegistern 3, 2 erhältlich sind. Die von den einzelnen Stufen des Horizontal-Schieberegisters 2 erhältlichen Signale sind in Fig. 2a, 2b, 2c dargestellt, während die Ausgangsimpulse von den einzelnen Stufen des Vertikal-Schieberegisters 3 beispielhaft in den Figuren 2 d, 2 e und 2 f wiedergegeben sind. Es ist festzustellen, daß in Fig. 2 die Impulsintervalle für die Horizontal-Austastperiode und die Vertikal-Austastperiode nicht dargestellt sind.

In Fig. 1 sind weiter ein Impuls-Eingangsanschluß 5 und ein geerdeter Anschluß 6 des Horizontal— bzw. des Vertikal— Schieberegisters 2, 3 dargestellt sowie eine Spannungsquelle 7 zum Anlegen einer Vorspannung in Sperrichtung an die Fotodioden 1, um von diesen die fotoelektrischen Signale auszulesen, und eine vertikale Ausgangssignalleitung 10. Bei dieser Anordnung werden die in den Fotodioden 1 gespeicherten fotoelektrischen Signale sequentiell an die horizontalen Signalausgangsleitungen 4 ausgegeben und einer (nicht dargestellten) Signalverarbeitungsschaltung zugeführt.

Bei einer derartigen Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung tritt die sogenannte ÜberStrahlungserscheinung auf, bei der vertikale weiße Streifen erscheinen, wenn die Menge des einfallenden Lichts einen vorgegebenen Pegel überschreitet, wodurch eine merkliche Störung der Qualität des wiedergegebenen Lichtes auftritt, wie das eingangs erläutert worden ist. Diese unerwünschte Überstrahlungserscheinung ist der weiter

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unten erläuterten Tatsache zuzuschreiben.

Die Figuren 3 und 4 dienen zur Darstellung des Vorgangs beim Erzeugen der überStrahlungserscheinung, wobei Fig. 3 ein Äquivalent-Schaltbild zeigt, das sich von irgendeiner der Fotodioden 1 zur horizontalen Ausgangsleitung 4 erstreckt über den zugeordneten vertikalen MOST 9 i, während Fig. 4 schematisch die Zustände der elektrischen Ladungspotentiale wiedergibt an den verschiedenen Schaltungspunkten in Fig. 3, unter der Annahme, daß diese jeweilige Fotodiode 1 der Strahlung hochintensiven Lichtes ausgesetzt ist. Folglich wird diese Fotodiode 1 in Vorwärts- oder Durchlaßrichtung vorgespannt aufgrund der hohen Menge der elektrischen Ladung 12 (Fig. 4), die darin gespeichert ist. Weitere anschließend infolge des Fotostromeffekts erzeugte Ladung wird der horizontalen Ausgangsleitung 10 als überschüssige oder überfließende Ladung über einen parasitären Transistor 11 i zugeführt, der unter dem vertikalen MOST 9 i gebildet ist, der im Durchschaltzustand ist. Die so zur horizontalen Ausgangsleitung 10 als Überflußladung während einer einzigen Horizontal-Abtastperiode übertragene elektrische Ladung 13 (Fig. 4) wird simultan mit den von den anderen Fotodioden ausgelesenen Ladungen der horizontalen Ausgangsleitung 10 zugeführt, wodurch die Überstrahlungserscheinung auftritt, d. h. die Erzeugung weißer vertikaler Streifen im wiedergegebenen Bild. Mit der Erfindung wird bezweckt, derartige Nachteile wie die Überstrahlungserschexnung zu beseitigen.

Im folgenden wird die Erfindung ausführlich mit Bezug auf in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Fig. 5 zeigt eine Ansicht ähnlich der in Fig.

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die schematisch den Zustand der elektrischen Ladung in der Schaltung irgendeiner gegebenen Fotodiode zeigt, die einer Bestrahlung hochintensiven Lichts ausgesetzt ist, sowie des zugeordneten vertikalen MOST 9 i, der mit dieser Fotodiode 1 verbunden ist, um das Prinzip der Erfindung zu erläutern. In Fig. 5 ist ein mit Strichlinien schraffierter Bereich 13 dargestellt, der die zur Ausgangsleitung übertragene überschüssige Ladung wiedergibt als Überschuß an elektrischer Ladung, die während einer einzigen Horizontal-Abtastperiode in der Fotodiode 1 gespeichert ist. Gemäß der Lehre der Erfindung wird diese überschüssige Ladung 13 entfernt durch Auslesen während der Horizontal-Austastperiode durch entsprechendes Steuern der Gate-Spannung, die dem vertikalen MOST 9 i zugeführt ist, um so das Überfließen der überschüssigen Ladung zur horizontalen Ausgangsleitung 10 von einer Fotodiode 1 während der folgenden Horizontal-Abtastperiode zu verhindern, um so schließlich die überStrahlungserscheinung zu unterdrücken.

Mathematisch ausgedrückt wird überschüssige Ladung ausgelesen, wenn das Potential V_p über der Fotodiode 1 über einen vorgegebenen Wert V_p_ ansteigt, der sich aus folgender Beziehung ergibt:

^VPO

^VG - ^VT

mit V"_r = Gate-Spannung des vertikalen MOST 9 i, V^ = deren Schwellenwert

Wie sich aus diesem Ausdruck ergibt, ist es selbstverständlich möglich, die gleiche Wirkung dadurch zu erreichen, daß das Erd- oder Massepotential der Fotodiode 1 verändert wird.

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Fig. 6 A zeigt ein Ausführungsbeispxel der Erfindung, das so ausgebildet ist, daß die Gate-Spannung aller vertikaler MOSTs um einen vorgegebenen Wert gegenüber dem Potential des Halbleitersubstrats während der Horizontal-Austastperiode verringert wird durch entsprechendes Verringern des Potentials am geerdeten Anschluß 6. Ein Ausführungsbeispxel der Schaltung zum Verändern des Potentialpegels am geerdeten Potential 6 während der Horizontal-Austastperiode ist in Fig. 6 B dargestellt.

In Fig. 6 A ist ein Eingangsanschluß 14 dargestellt, der mit einem Gate-Impulssignal zum simultanen öffnen oder Durchschalten von MOST-Schaltern 141 bis 14m versorgt ist, deren eine Enden mit den vertikalen MOST-Schaltern 91 bis 9 η und deren andere Enden gemeinsam mit der Spannungsquelle 7 verbunden sind. Die übrige in Fig. 6 A dargestellte Schaltung besitzt den gleichen Aufbau wie die Schaltung gemäß Fig. 1. Fig. 6 B zeigt ein Ausführungsbeispxel der Impulsgeneratorschaltung zum Erzeugen des Impulssignals, das dem geerdeten Anschluß 6 des Vertikal-Schieberegisters 3 zuzuführen ist, wobei dargestellt sind: eine aus den fotoempfindlichen Elementen einer Abtastschaltung und den horizontalen und vertikalen MOSTs bestehende Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung 61, ein Impulsgenerator 62 zur Erzeugung von Impulsen wie Taktimpulsen und Eingangsimpulsen für die Abtastschaltung, Gate-Impulse für die horizontalen und vertikalen MOSTs, einen Austastimpuls und den Gate-Impuls für die MOST-Schalter 141 bis 14 m, monostabile Multiplizierer 63 und 64 (one-shot multipliers), eine Impulsamplituden-Einstellschaltung 65 mit einem veränderbaren Widerstand 68 und ein Vorverstärker 66. Weiter ist die Übertragung eines Horizontalaustast-Impulssignals 67 dargestellt, das dem

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monostabilen Multiplizierer 63 zugeführt wird, um die Phase des Impulses zu bestimmen. Das Ausgangssignal des monostabilen Multiplizierers 63 wird dem anderen monostabilen Multiplizierer 64 zugeführt, um die Impulsbreite zu bestimmen. Das Ausgangssignal des monostabilen Multiplizierers 64 seinerseits wird der Amplituden-ELnstellschaltung 65 zugeführt, durch die das Steuerimpulssignal mit eingestellter Amplitude erzeugt wird. Die Impulsphase und die Impulsbreite, die durch die monostabilen Multiplizierer 63, 64 bestimmt sind, sind so gewählt, daß das so erhaltene Steuerimpulssignal im wesentlichen mit dem Horizontalaustast-Impulssignal in Phase ist oder zumindest durch die Dauer des Horizontalaustast— impulses überdeckt ist.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Abtastschaltung, die insbesondere für die Vertikalabtastung geeignet ist. Die Abtastschaltung besteht aus mehreren inverter- oder Umsetzerschaltungen, die durch MOSTs und Übertragungs-MOSTs gebildet sind. In Fig. 7 ist ein Impulseingangsanschluß 18 und ein mit einer Stromversorgungsquelle verbundener Leiter 15 dargestellt. Weiter sind Eingangsanschlüsse 16, 17 für Taktimpulssignale vorgesehen, die miteinander nicht in Phase sind. Ein Ausgangsanschluß 30 für die Vertikalabtastimpulse ist für jede weitere Umsetzerstufe vorgesehen. Die Vertikalabtastimpulse werden sequentiell den vertikalen MOSTs 91 bis 9 η zugeführt. Das heißt insbesondere, daß die dem Eingangsanschluß 18 zugeführten Impulse sequentiell durch die Umsetzerstufe und einen Übertragungs-MOST 31 unter der Zeitsteuerung durch die den Anschlüssen 16 und 17 zugeführten Taktimpulse sequentiell übertragen wird, wobei die an den Ausgangsanschlüssen 30 auftretenden Impulse sequentiell mit den Gate-Anschlüssen der horizontalen MOSTs 8 i gekop-

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pelt oder verbunden werden. Andererseits wird erreicht, daß das Potential des geerdeten Anschlusses 6 sich während der Horizontatftustastperiode mittels der in Fig. 6 B dargestellten Schaltung ändert.

Fig. 8 zeigt Signalverläufe, die bei der in Fig. 6 A dargestellten Schaltung auftreten. Das endgültig erhaltene Videosignal ist in Fig. 8 a dargestellt, und das dem geerdeten Anschluß 6 des Vertikal-Abtastregisters 3 zugeführten Impulssignals ist in Fig. 8 b dargestellt. Infolge des Anlegens des Impulssignals gemäß Fig. 8 b an den Anschluß 6 wirddie Gate-Spannung V_ aller vertikalen MOSTs 91 bis 9 η um einen vorgegebenen Spannungswert abgesenkt gegenüber dem Potential am Substrat. Unter dieser Bedingung werden lediglich diejenigen vertikalen MOSTs durchgeschaltet, deren Schwellenwert niedriger ist als die Gate-Spannung aufgrund der in den zugeordneten Fotodioden gespeicherten Ladung. Die in den Fotodioden oberhalb des vorgegebenen Pegels gespeicherte überschüssige Ladung wird ausgelesen zur Entfernung über die MOST-Schalter 141 bis 14 m, die während der Austastperiode durch das in Fig. 8 c dargestellte Impulssignal simultan geöffnet oder durchgeschaltet sind. Anschließend werden die Impulssignale, die dem geerdeten Anschluß 6 des Vertikal-Schieberegisters 3 sowie den Gate-Elektroden der MOST-Schalter 141 bis 14 m zugeführt werden, gelöscht, und wird das in Fig. 8 d dargestellte Eingangs-Impulssignal dem Exngangsanschluß 5 des Horizontal-Schieberegisters 2 zugeführt. Auf diese Weise kann ein gegenüber der Überstrahlungserscheinung immunes oder unempfindliches Videosignal erhalten werden. Es ist nicht notwendigerweise erforderlich, daß der den MOST-Schaltern 141 bis 14 m zum Entfernen der überschüssigen Ladung zugeführte Impuls die gleiche Impulsbreite

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besitzt wie die Dauer der Horizontal-Austastperiode. Vielmehr kann die Impulsbreite ebensogut kürzer sein als die Horizontal-Austastperiode, da dann ein fehlerhafter Betrieb des Vertikal-Schieberegisters viel wirksamer ausgeschlossen werden kann, wenn ein (nicht dargestellter) Taktimpuls zugeführt wird, nachdem das Erd- oder Massepotential am Anschluß 6 wiederhergestellt worden ist.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispxel der Erfindung ist eine Einrichtung zum Entfernen der überschüssigen Ladung vorgesehen für die horizontale Ausgangsleitung, ohne die Verwendung der MOST-Schalter 141 bis 14 m gemäß Fig. 6 A zu erfordern. In diesem Fall wird die überschüssige Ladung zur vertikalen Ausgangsleitung 10 dadurch übertragen, daß die Gate-Spannung aller vertikalen MOSTs abgesenkt wird durch entsprechendes Verringern oder Absenken des Potentials am geerdeten Anschluß 6 des Vertikal-Schieberegisters 3 während der Horizontal-Austastperiode mittels einer Schaltung, wie sie in Fig. 6 B beispielsweise dargestellt ist. Anschließend werden alle horizontalen MOSTs 8 i durchgeschaltet während der gleichen Horizontal-Austastperiode durch Anlegen des in Fig. 8 c dargestellten Impulses an den Scurce-Anschluß und den geerdeten Anschluß eines Hori-■sontal-Schieberegisters mit gleichem Schaltungsaufbau wie das Vertikal-Schieberegisters _t wie ein solches beispielsweise in Fig. 7 dargestellt ist- Auf diese Weise kann die in den Fotodioden oberhalb eines vorgegebenen Pegels gespeicherte und zur vertikalen Äusgangsleitung 10 übertragene überschüssige Ladung durch die horizontalen MOSTs 8 i in deren leitendem Zustand während der Horizontal-Austastperiode entfernt werden. Danach werden die Erd- bzw. Massepotentiale von Vertikal- und Horizontal-Schieberegistern 3,

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2 wiederhergestellt. Dann kann das gegenüber der Überstrahlungserscheinung unempfindliche Videosignal durch den Normalbetrieb von Vertikal- und Horizontal-Schieberegistern 3, 2 erhalten werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zum sequentiellen Entfernen der überschüssigen Ladung an den Fotodioden über die horizontalen MOSTs 8 i sind die Taktimpuls-Eingangsanschlüsse 16, 17 gemäß Fig. 7 mit einer Spannung ausreichender Größe versorgt, um alle übertragungs-MOSTs 31 durchzuschalten. Danach wird ein Eingangsimpuls am Eingangsanschluß 18 angelegt, das durch die Übertragungs-MOSTs 31 mit hoher Geschwindigkeit verschoben oder übertragen wird. In diesem Fall muß, da die Abtastgeschwindigkeit erhöht ist, infolge der verkürzten Leitzustands-Dauer der horizontalen MOSTs 8 i die Impulsbreite des Eingangsimpulses so gewählt sein, daß sie so groß ist, daß eine geeignete lange Leitzustands-Dauer für die horizontalen MOSTs 8 i sichergestellt ist.

Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Gate-Spannung V_ einer Änderung unterliegt, ist in Fig.

Ca

dargestellt, wobei ein Eingangsanschluß 21 vorgesehen ist, der mit einem Steuerimpuls zu beaufschlagen ist zum Verändern der Gate-Spannung V_G· Weiter sind MOSTs 211 bis 21 n, die von dem Steuerimpuls gesteuert werden, und eine Spannungsquelle 22 zum Verringern der Gate-Spannung V_Q der vertikalen MOSTs 9 i dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden alle MOSTs 211 bis 21 η während der Horizontal-Austastperiode durchgeschaltet, während alle vertikalen MOSTs 9 i mit der Spannung der Quelle 22 versorgt sind. Es wird erforderlich sein, daß das Vertikal-Schieberegister 3 so ausgebildet ist,

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daß ein fehlerhafter Betrieb aufgrund der Spannung der Quelle 22 während der Horizontal-Austastperiode verhindert ist. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß das in Fig. 7 dargestellte Schieberegister unempfänglich bzw. unempfindlich in bezug auf einen derart fehlerhaften Betrieb ist.

In Fig. 9 sind MOST-Schalter 14 i zusätzlich zu den horizontalen MOSTs 8 i vorgesehen und so ausgebildet, daß sie während der Horizontal-Austastperiode abhängig von dem einem gemeinsamen Gate-Anschluß 14 zugeführten Impuls durchgeschaltet sind, wodurch es möglich ist, daß die Signal-Ladung ausgelesen wird. In diesem Fall bleiben selbstverständlich die horizontalen MOSTs 8 i im nichtleitfähigen oder Sperrzustand während der Horizontal-Austastperiode.

Fig. 10 zeigt ein viertes Äusfuhrungsbeispxel, das eine Weiterbildung der Bildaufnahmevorrichtung gemäß Fig. 9 ist. Eine Parallelschaltung von MOST-Schaltern 21 i¹ und 23 i ist an jedem der Gate-Leiter 20 angeschlossen. Weiter ist eine Wahlschaltung 24 vorgesehen, um entweder den Ausgangsimpuls von dem Vertikal-Schieberegister 3 als Vertikal-Abtastschaltung oder die Spannung von einer Spannungsquelle 22' zu wählen. Die MOST-Schalter 21 i werden während der Horizontal-Austastperiode durch die Wählschaltung 24 durchgeschaltet, die Wählschalter 25 besitzt, um so das Gate-Potential V_ der vertikalen MOSTs 9 i zu ändern. Die MOST-Schalter 23 i werden während der Periode außerhalb der Horizontal-Austastperiode durchgeschaltet, wodurch die Ausgangsimpulse von der Vertikal-Abtastschaltung bzw. dem Vertikal-Schieberegister 3 sequentiell den vertikalen MOSTs 9 i zugeführt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Vertikal-Schieberegister

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nicht direkt mit der Spannung von der Quelle 22' versorgt. Das heißt, da der Stromfluß zum Vertikal-Schieberegister 3 inhibiert oder verhindert wird, kann das Gate-Potential v\, der vertikalen MOSTs 9 i auf den gleichen Pegel gesetzt werden.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 10 wird die überschüssige Ladung über die horizontale Ausgangsleitung 4 in ähnlicher Weise ausgelesen wie im Fall der Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, da keine MOST-Schalter 141 bis 14 m vorgesehen sind, obwohl diese MOST-Schalter zusätzlich verwendet werden können, wie im Fall der Vorrichtung gemäß Fig. 9.

Im Fall der bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele ist die Obergrenze der Lichtmenge zum Verhindern der Überstrahlungserscheinung durch die Größe der Verringerung der Gate-Spannung bestimmt. Wenn beispielsweise mehr als 70 %
der gespeicherten Ladung bis die Fotodiode in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, während der Austastperiode ausgelesen wird,kann dieObergrenze der Lichtmenge zum Verhindern des Auftretens der Überstrahlungserscheinung um etwa das 80fache erhöht werden in bezug auf die Höhe der oberen Grenze, die zulässig ist, wenn ein derartiger Auslesebetrieb
nicht durchgeführt wird.

Die Figuren 11 A und 11 B zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Paar von Impulsfolgen entgegengesetzter Polaritäten, die von dem Horizontal-Schieberegister 2 erhältlich sind, als Schaltimpulse für die MOST-Schalter verwendet v/erden. Gemäß Fig. 11 A werden Impulse
einer Polarität den Gate-Elektroden der MOST-Schalter 111,

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112, ... 11m zugeführt j. die mit der Stromversorgungsquelle 131 verbunden sind zur Zufuhr der Gate-Spannung zum Durchschalten der horizontalen MOSTs 8 i, während die Impulse der anderen Polarität den Gate-Elektroden von MOST-Schaltern 121, 122, ... 12 m zugeführt bzw. gekoppelt sind. Auf diese Weise ergibt sich die Impulsbreite der den Gates der horizontalen MOSTs 8 i zugeführten Impulse durch den Ausgangsimpuls vom horizontalen Schieberegister 2, während die Amplitude der Impulse durch den Spannungspegel der externen oder äußeren Stromversorgung 131 bestimmt ist. Folglich kann die den Gates der horizontalen MOSTs 8 i zugeführte Spannung durch den Impuls gesteuert werden, der über die Stromversorgungsquelle 131 und den Anschluß 132 angelegt ist, ohne den Betrieb des Horizontal-Schieberegisters 2 zu stören oder zu beeinträchtigen. Das Horizontal-Schieberegister 2 kann im allgemeinen mit Invertern oder Umsetzern und mit schiebenden MOSTs versehen sein bei einer vereinfachten Ausführung. Zu diesem Zweck kann das in Fig. 7 dargestellte Schieberegister verwendet werden.

Fig. 11 B zeigt Signalverläufe zur Darstellung der Betriebsweise der erläuterten Schaltung, wobei das erhaltene Videosignal in Fig. 11 Ba, die Taktimpulsfolgen HCP₁ und HCP des Horizontal-Schieberegisters 2 in Fig. 11 Bb bzw. Fig. 11Bc und der Eingangsimpuls Hin in Fig. 11Bd dargestellt sind, wobei der Eingangsimpuls Hin unmittelbar vor der Beendigung der Horizontal-Äustastdauer des Horizontal-Schieberegisters 2 angelegt wird. Die beiden Ausgangsimpulse entgegengesetzter Polaritäten, die den Gates der MOST-Schalter 111 und 121 von dem Horizontal-Schieberegister 2 zugeführt werden, sind in Fig. 11 Be und Fig. 11 Bf dargestellt. Die Impuls-Ausgangssignale des Horizontal-Schiebere-

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gisters 2, die den Gates der MOST-Schalter 112 und 122 zugeführt werden, sind in Fig. 11 Bg bzw. Fig. 11Bh dargestellt.

Wenn angenommen wird, daß ein Impulssignal mit dem Signalverlauf gemäß Fig. 11 Bi an den Anschluß 132 angelegt wird, werden Signale mit den in Fig. 11Bj und Fig. 11Bk dargestellten Signalverläufen den Gate-Elektroden der horizontalen MOSTs 81 bzw. 82 zugeführt, wie sich das aus der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 11 A ergibt. Da die Gates der horizontalen MOSTs 81, 82 ... 8m mit der Stromversorgung 131 und dem Anschluß 132 über die MOST-Schalter 111, 112 ... 11 m bzw. 121, 122 ... 12 m verbunden sind, nimmt das Potential an diesen Gates den Spannungspegel 110 (z. B. - 12 V) der Stromversorgung 131, wie in Fig. 11Bj und Fig. 11Bk dargestellt, nur dann an, wenn die Impulse gemäß Fig. 11Be und Fig. 11Bg angelegt sind, und bleiben ansonsten auf dem Spannungspegel 120 (dem Abschaltpegel oder z. B. OV) des Anschlusses 132 über die MOST-Schalter 121, 122 ... 12 m. Folglich werden, wenn das Impulssignal gemäß Fig. 11 Bi, das den Spannungspegel 120' während der Horizontal-Austastperiode annimmt, dem Anschluß 132 zugeführt wird, die Gate-Elektroden aller horizontaler MOSTs 81, 82 ... 8m mit der Verknüpfungs- oder Steuer- bzw. Gate-Spannung 12O¹ während der Horizontal-Austastperiode versorgt.

Nun wird eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Bei der vorhergehenden Beschreibung war angenommen, daß die Gate-Spannung V_G der vertikalen MOSTs 9 i verändert wird. Jedoch wird beim sechsten Ausführungsbeispiel das Erd- bzw. Massepotential der Fotodioden 1 verändert. Die Figuren 12 A und

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12 B sind schematische Querschnitte eines vertikalen MOSTs 9 i einer MOS-Festkörper-Bildaufnahmevorriehtung bzw. einer Fotodiode 1. Fig. 12 A zeigt ein P-Substrat 33, eine N-Kanal-Gate-Elektrode 35 des vertikalen MOSTs 9 i und eine Isolierschicht 36. Die Fotodiode 1 gemäß Fig. 12 B ist dreischichtig aufgebaut, um eine gleichförmige Empfindlichkeit zu erreichen. Dabei ist eine P-Halbleiterschicht 34 vorgesehen. Bei diesem Aufbau ist es möglich, die überschüssige Ladung zu entfernen durch Verändern des Potentials am Substrat 33 oder der Halbleiterschicht 34 während der Horizontal-Austastperiode. Bei jedem Fall wird überschüssige Ladung zur vertikalen Ausgangsleitung 10 übertragen und auf diese Weise in der gleichen Weise entfernt wie im Fall der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele.

Bei den bisher beschriebenen Bildaufnahmevorrichtungen werden einige oder etwa 10 % des Signals abgeschnitten selbst in dem Fall, in dem das Videosignal gegenüber der Überstrahlungserscheinung unempfindlich ist, was nachteilig einen Verlust des dynamischen Bereiches zur Folge hat.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 13 ist so ausgebildet, daß dieser Nachteil dadurch verhindert ist, daß die den Gates der vertikalen MOSTs während der Horizontal-Austastperiode angelegte Spannung verändert wird, abhängig von der Intensität oder Stärke des einfallenden Lichts an den zugeordneten Fotodioden. In Fig. 13 sind dargestellt: ein Ausgangsanschluß 41 einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, ein Vorverstärker 42, ein Tiefpaßfilter 43, ein Maximalwert-Detektor 44, ein Differenzverstärker 45 und eine Bezugsspannungsquelle 46. Das Ausgangs-Videosignal der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, das am Ausgangsanschluß 41 zur Verfügung

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steht, wird durch den Vorverstärker 42 verstärkt, und die Signalkomponente in einem niedrigen Band wird durch das Tiefpaßfilter 43 herausgeführt. Anschließend wird der Spitzenwert des Videosignals während einer einzigen Horizontal-Abtastperiode oder einer einzigen Teilbildperiode durch den Maximalwert-Detektor 44 erfaßt und mit der Bezugsspannung von der BezugsSpannungsquelle 46 mittels des Differenzverstärkers 45 verglichen, wobei dessen Ausgangssignal ein Gleichsignal einer Größe ist, die proportional dem Ausgangssignalpegel der Bildaufnahmevorrichtung ist. Wenn das so erhaltene Gleichsignal dem geerdeten Anschluß 6 des Vertikal-Schieberegisters 3 gemäß Fig. 6 A zugeführt wird, wird das Gate-Potential des vertikalen MOSTs 9 i, abhängig vom Ausgangssignalpegel der Bildaufnahmevorrichtung, geändert. Bei einer derartigen Anordnung wird der Prozentsatz der entfernten oder abgeschnittenen Signalladung nur erhöht, wenn das einfallende Licht eine solche Intensität hat, daß die Überstrahlungserscheinung hervorgerufen wird', während der Prozentsatz der abgeschnittenen Signalladung verringert wird, wenn das von einem Gegenstand aufzunehmende einfallende Licht zu niedrig ist, als daß die Überstrahlungserscheinung auftreten könnte, wodurch der dynamische Bereich in letzterem Fall keiner Begrenzung unterliegt.

Es ist zu bemerken, daß eine Pegelbegrenzerschaltung anschließend an den Differenzverstärker 45 vorgesehen sein kann, um den Bereich zu bestimmen, in dem die Überstrahlungserscheinung unterdrückt werden soll.

Fig. 14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Unterdrückung der Überstrahlungserscheinung während der ersten Horizontal-Abtastperiode für

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jedes Teilbild desVideosignals auxch.gef.nhxt. wird, und zwar in der im Zusammenhang mit dem ersten. Ausführungsbeispiel der Erfindung beschriebenen Weise, wodurch der Betrieb der Schaltung zur Verhinderung der überstrahlungserscheinung während des verbleibenden Teils des ^ilMMes verhindert oäer inhibiert wird, wenn kein ÜberStrahlungssignal, was einer überschüssigen Ladung äquivalent ist, während der ersten horizontalen Abtastperiode erfaßt wird.

Das Vorhandensein des überstrahluiigssignals kann abhängig davon erfaßt werden, ob Irgendein Signal während der Eorizontal-Austastperiode vorhanden ist oder nicht. In bezug auf Fig. 14 wird das Video-Äusgangssignial vom Ausgangsanschluß 41 der Festkorper-Bildaufnahiaevorriclitung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung durch einen Vorverstärker 42 verstärkt und wird eine niederfrequente Komponen te, durch ein Tiefpaßfilter 43 abgetrennt, wobei dessen Äusgangssignal einem Überstrahlungssignal-Detektor 47 bzw. einer -Detektorschaltung zugeführt wird,der einen Anschluß 48 besitzt,der mit einem Erfassungs-Impulssignal synchron zum Horizontal-Synchronsignal versorgt ist. Wenn das t&erstraiilungssignal erfaßt ist, wird ein Steuersignal durch einen Steuersignal-Generator 49 erzeugt ztim Steuern eines Schaltelemente 50, um dadurch das Potential am Anschluß 51 dem geerdeten Anschluß 66 des Vertikal-Schieberegisters zuzuführen. Wenn andererseits kein Oberstrahltmgssignal erfaßt wird, wird der geerdete Anschluß 6 auf dem Erd- oder Massepotential gehalten. Im Fall der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 6 A ist das öberstrahliingssigmal von der Leitung 50 erhältlich. Der Überstrahlungssignal-Detektor 47 kann mittels einer üblichen Abtastspeicherschaltumg (sample-and-hold) gebildet sein.

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Die beschriebene Überstrahlunrrs-Unterdrückung kann anstatt bei jedem Teilbild bei jedem Vollbild durchgeführt werden oder auch während jeder Horizontal-Abtastperiode.

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Ze.

Leerseite

Claims

Ansprüche

yi Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, mit

mehreren matrixförmig angeordneten fotoelektrischen Elementen,

vertikalen Schaltelementen, deren jedes je einem der fotoelektrischen Elemente zugeordnet ist zum Auslesen von darin gespeicherter elektrischer Ladung,

einer Vertikal-Abtastschaltung zum Zuführen von Steuerimpulsen an Steueranschlüsse der vertikalen Schaltelemente,

gemeinsamen vertikalen Ausgangsleitern, um jeweils Ausgangsanschlüsse solcher vertikaler Schaltelemente miteinander zu verbinden, die in der gleichen Reihe bzw. Spalte der matrixförmigen Anordnung angeordnet sind,

horizontalen Schaltelementen zum Auslesen, die mit jeweils einem Ende mit den vertikalen Ausgangsleitern verbunden sind, und

einer Horizontal-Abtastschaltung zum Zuführen von Steuerimpulsen zu den Steueranschlüssen der horizontalen Schaltelemente ,

81-(A 3398-03)-Me-

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ORIGINAL INSPECTED

gekennzeichnet durch

eine Einrichtung zum Entfernen überschüssiger elektrischer Ladungen an den fotoelektrischen Elementen (1) durch Verändern des Potentials an den Steueranschlüssen der vertikalen Schaltelemente (9 i) während einer Austastperiode.
2. Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vertikale Schaltelement durch einen MOSFET gebildet ist.
3. Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Entfernen der überschüssigen Ladung eine Einrichtung aufweist, um das Potential am geerdeten Anschluß (6) der Vertikal-Abtastschaltung (Vertikal-Schieberegister 3) zu verändern.
4. Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die überschüssige Ladung entfernende Einrichtung eine erste Gruppe von Schaltelementen (14 i) enthält, die jeweils mit dem anderen Ende des vertikalen Ausgangsleiters (10) verbunden sind.
5. Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4₇ dadurch gekennzeichnet, daß die die überschüssige Ladung entfernende Einrichtung eine zweite Gruppe von Schaltelementen (21 i) enthält, deren eines Ende jeweils mit der Ausgangsleitung (20) der Vertikal-Abtastschaltung (3)

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verbunden ist, sowie eine mit den anderen Enden der zweiten Schaltelemente (21 i) verbundene Stromversorgung (22).
6. Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach
Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die überschüssige Ladung entfernende Einrichtung weiter eine dritte Gruppe von Schaltelementen besitzt, die zwischen den Ausgangsanschlüssen der Vertikal-Abtastschaltung (3) und den Steueranschlüssen der vertikalen Schaltelemente (9 i) vorgesehen sind, sowie eine Wähleinrichtung für das abwechselnde öffnen und Schließen bzw.
Durchschalten und Sperren der Schaltelemente der zweiten und der dritten Gruppe.
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