DE3135740A1 - Photoelektrische umsetzeinrichtung - Google Patents
Photoelektrische umsetzeinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine photoelektrische
Umsetzeinrichtung zum Umsetzen optischer Informationen in elektrische Signale.
Bestimmte photoelektrische Umsetzeinrichtungen haben eine Gruppe won Umsetzelementen mit photoelektrischen
Umsetzeigenschaften und eine Schaltung mit Abtastfunktion
zum zeitsequentiellen Sammeln der elektrischen Signale der Gruppen. Eine derartige Einrichtung kann
beispielsujeise aus einer Kombination uon Photodioden
und MÜS-Feleffekttransistoren (i.f. WOS-Typ) oder einer
sog. Ladüngsübertragungseinrichtung (CTD), ώχε einer
ladungsgekoppelten Einrichtung oder einem "Backet-Brigade"-Element
bstehen.
Bei einer derartigen Einrichtung ist jedoch - ob die MOS-Typtechnologie oder die CTD-Technologie ueruiendet
tüird - die Lichtempfangsfläche des photoel.ektrischen
Umsetzteils unausweichlich durch die Abmessungen des Silizium-Einkris"tallmafers, das als Substrat verwendet
wird, begrenzt. Da die gegenwärtige Technologie
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lediglich die Herstellung uon Silizium-Einkristallwafern
mit einem Durchmesser von einigen Inch allerhöchstens,
wenn man die Gleichmäßigkeit über die gesamte Fläche in Rechnung stellt, erlaubt, kann die Lichtempfangsfläche
der bekannten photoelektrischen Umsetzeinrichtungen, die MOS-Typ- oder CTD-Technologie basierend auf Silizium-Ulafern
verwenden, nicht die vorstehend genannten Abmessungen überschreiten.
Photoelektrische Umsetzeinrichtungen mit einer in ihren
Abmessungen derart begrenzten Lichtempfangsfläche erfordern,
beispielsweise bei Verwendung als Eingabeeinheit für ein digitales Kopiergerät, den Einsatz won optischen
Systemen mit einer hohen Auflösung zwischen der zu ko~
pierenden Vorlage und der Lichtempfangsfläche zum Fokussie ren der Vorlage auf die Lichtempfangsfläche.
In einem derartigen Fall ist das Auflösungsvermögen des
Bildes durch die technischen Beschränkungen bestimmt, die ;;0 vorstehend erläutert worden sind.
Im Falle des Kopierens einer A4-Vorlage beispielsweise
mit einer photoelektrischen Umsetzeinrichtung mit einer Lichtemp-fangsflache mit Längsabmessungen von 3 cm und
einem Auflösungsvermögen von 10 Linien/mm wird die auf
die Lichtempfangsfläche projizierte Vorlage auf eine
Größe von etwa 1/69 verkleinert, so daß das tatsächliche Auflösungsvermögen der Einrichtung bezogen auf die Vorlage
auf etwa 1,5 Linien/mm fällt. Auf dies Weise wird ' das tatsächliche Auflösungsvermögen umgekehrt proportional
zu den Abmessungen der Vorlage verringert.
Zur Beseitigung /dieses Nachteils der vorstehend erläuterten Umsetzeinrichtung ist eine Herstellungstechnologie
erforderlich, die das Auflösungsvermögen der photoelek-
Umsetzeinheit verbessert; eine derartige Technologie hat
jedoch ihre Beschränkungen, da das erforderliche Auflösungsvermögen
in einem begrenzten kleinen Gebiet lediglich mit einem äußerst hohen Integrationsgrad erreichbar
ist, wobei Defekte in den Bauelementen zu vermeiden sind.
Aus diesem Grund ist es wünschenswert, eine photoelektrische Umsetzeinrichtung mit einer Lichtempfangsfläche
zu haben, deren Abmessungen vergrößert und deren Auflösungsvermögen
verbessert ist. Ferner u/ird eine photoelektrische Umsetzeinrichtung vorgeschlagen mit photoelektrischen
Umsetzeinheiten auf einer Vielzahl von "Chips", wobei das Bild getrennt auf die Vielzahl von
Umsetzeinheiten projiziert wird, anstelle daß ein großer Chip verwendet wird.
Bei einer derartigen Einrichtung, wie sie vorstehend
erläutert worden ist, besteht aufgrund der Verwendung eines Wafers mit großen Abmessungen oder einer Vielzahl
uon Chips die Tendenz, daß die auf verschiedenen Teilen
des Wafers oder auf verschiedenen Chips ausgebildeten photoelektrischen Umsetzelemente unterschiedliche Charakteristiken
zeigen, so daß äußere Störungen unterschiede liehe Wirkungen haben, so daß ungleichmäßige Ausgangssignale
erzeugt werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine photoelektrische Umsetzeinrichtung
zu schaffen, bei der von verschiedenen photoelektrischen Umsetzelementen Ausgangssignale mit
gleichförmiger elektrischer Charakterisitk abgegeben werden. Ferner soll eine photoelektrische Umsetzeinrichtung
geschaffen werden, die aufgrund der Verwendung von bei der Herstellung der Einrichtung äußerst leicht zu
fertigenden Kompensationselementen Signale mit gleichförmiger elektrischer Charakteristik erzeugt. Auch soll
eine photoelektrische Umsetzeinrichtung geschaffen werden, die aufgrund der Verwendung einer geringeren Zahl Kompensationselemente
als der Zahl photoelektrischer Umsetzelemente Ausgangssignale mit gleichförmiger elektrischer
Charakteristik abgibt, Darüberhinaus soll eine photoelektrische Umsetzeinrichtung geschaffen werden, die die
Tatsache verwendet, daß photoelektrische Umsetzelemente
zuminde-st lokal eine gleichförmige Charakteristik zeigen,
und die mit Lichtabschirmelementen versehen ist, die die ]0 gleiche Charakteristik wie die photoelektrischen Umsetzelemente
haben, so daß ein hohes Auflösungsvermögen für die Lichtmenge bei gleichzeitig hohem Signal/Störverhältnis
sichergestellt ist,
Die beigefügte Zeichnung zeigt als Ausführungsbeispiel
der.Erfindung einen Schaltplan der photoelektrischen
Umsetzeinrichtung.
Anhand dieses Schaltplans soll Öie Erfindung exemplarisch
erläutert werden. 3456 photoelektrische Umsetzelemente S1-1 bis S54-64 sind linear mit einer Dichte von ca
16 Elementen/mm angeordnet, um eine Bildzeile in der kurzen
Seite (210 mm) eines A4~Blattes zu lesen. Die photoelektrischen
Umsetzelemente sind in Gruppen von je 64 Elementen eingeteilt, um die optischen Informationen,
die auf aufeinanderfolgende 64 Elementen auftreffen, an
Signalleitungen D1 bis D64 mittels Abtastschaltungen weiterzugeben, die aus J(A1-f) - (A1-64)j " f( A54-1 ) (A54-64)},
(.(Q1-1) - (Q1-64 j) "£(Q54-1 ) - (0,54-64)} ,
L(N1-1) - (N1-B4)} ~{(N54-1) - (N54-64)} bestehen .Die optische
Informations die beispielsweise auf die erste Gruppe von photoelektrischen Umsetzelementen S1-1""S1-64 auftrifft,
ändert das Gatepotential der Verstärkerelemente A1-1 -'
A1-64, wodurch deren Kanaluiiderstände entsprechend der
einfallenden Lichtmenge variieren. Wenn ein Potential
an die UJählleitung K1 angelegt wird, werden die Wähl —
elemente Q1-1 -^'Q1 -B4 leitend (durchgeschaltet), so daß
sie die Verstärkerelemente A1«1**A1-64 mit einer Energiequelle
V/2 v/erbinden, so daß Signalleitungen DTa»D64 mit
Signalen entsprechend den Kanalwiderständen der Verstärkerelemente
A1 -1 "-» A1 -64 versorgt ujerden. Nachdem die an
den Signalleitungen D1*^D64 anstehenden photoelektrisch
umgesetzten Ausgangssignale in bekannter Weise a:ufgezeichnet
oder an ein nicht dargestelltes Ausgabeelement angelegt morden sind, wird ein Potential an eine folgende
nicht dargestellte Wählleitung K2 angelegt, um Signale einer weiteren Gruppe photoelektrischer Umsetzelemente S2-1
S2-64 an die Signalleitungen Dt »^064 anzulegen.
Auf diese Weise können die Ausgangssignale aller 54 χ
Umsetzelemente S1-1 - S1 -64 «' S54-1 - S54-64 nacheinander
durch Aktivieren der Wählleitungen bis K54 erhalten werden.
Widerstandselemente M1 -1 "' N1 -64 sind zur Stromrückführung
■ für die V/erstärkerelemente A1-1 ·" Al-64 zur Kompensation
ihrer Schwankungen der Übertragungscharakteristik vorgesehen.
Kompenstionswiderstandselemente B1 -1 A*-B54-64 bestehen
im wesentlichen aus dem gleichen Material wie die photoelektrischen Umsetzelemente und sind so ausgelegt,
daß sie eine geeignete Vorspannung an die Verstärkerelemente anlegen, wenn kein Licht einfällt. Die Kompensationswiderstandselemente
dienen auch dazu, die temperaturabhängige Änderung des Sensors zu kompensieren.
Vorspannungssteuerschaltungen BiI^ Bl54 bestehend aus
Widerständen R1,L1,T1, Transistoren P1,W1 etc. sind jeweils in der Nachbarschaft der Gruppen von photoelektrischen
Umsetzelementen vorgesehen, um an die entsprechenden Gruppen eine Vorspannung anzulegen. R1 ist ein Refe-
renzwiderstandselement, das gleichzeitig mit und in der
Nachbarschaft der photoelektrischen Umsetzelemente SI-I''
51-64 hergestellt wird, so daß es eine ähnliche Charakteristik wie das Umsetzelement hat, und vollständig
durch eine Maske MI lichtabgeschirmt ist. T1 ist ein
Vorspannungswiderstandselement, das gleichzeitig mit und in der Nähe des Kompensationswiderstandselements B1-1
Π1-64 herqesteilt wird, so daß es eine ähnliche Charakteristik
wie das Kompensationselement hat. Folglich ist der Widerstand und die Temperatur- oder Feuchteabhängigkeit
des Referenzwiderstandselements R1 oder des l/orspannungswiderstandselements
T1 ähnlich wie bei den photoelektrischen Umsetzelementen 51-1^SI-BA bzw.
den Kompensationswiderstandselementen B1 —1 «^ B1 —64. Der
Transistor P1 wird auf dem selben Chip wie die Uerstär kerelemente
A1-1~'A1-64 hergestellt, so daß er eine ähnliche Charakteristik wie die Verstärkerelemente hat
und über einen Drainlastijjiderstand R1 und einen Source-Folgertransistor
U/1 eine Vorspannung an die photoelektrischen Umsetzelemente S1-1ri*S1-64 und das Referenz-Widerstandselement
1RI derart anlegt, daß der Transistor P1 einen bestimmten Kanalwiderstand hat» Durch die über
die negative Rückführungsuiirkung stabilisierte Vorspannungs-Steuerschaltung
können die Widerstandsabweichungen der photoelektrischen Umsetze]enente S1-1 <-* S1-64
sowie der Kompensationswiderstandselemente B1-1A/B1-64
und die Abweichungen der Schwellenspannung der Verstärkerelemente A1-1-"·'A1-64 aufgrund der Abweichungen
der verschiedenen Charakteristiken der photoelektrischen Umsetzelemente S1-1^S1-64 sehr stark reduziert werden,
wodurch der empfangenen Lichtmenge entsprechende Ausgangssignale erhalten werden.
Der Schwankungsbereich der Ausgangssignale der Elemente S1-1·"S54-64„ der ohne die Vorspannungs-Steuerschaltunq
für eine feste Lichtmenge etwa _+ 2Ώ% ist, kann durch eine
Vielzahl von in der Nähe angeordneten Steuerschaltungen
auf ca_+2% verringert werden, so daß die Genauigkeit der
einfallenden Lichtmenge stark erhöht luird.
Die bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
beschriebenen phatoleitenden Elemente können natürlich durch andere geeignete photoelektrische Umsetzelemente
ersetzt werden. Auch kann die Steuerung lokal an der
Vorspannungsquelle der KompenstoruJiderstandselemente erfolgen.
Geschrieben wird eine photoelektrische Umsetzeinrichtung
mit photoelektrischen Umsetzelementen, die in eine Vielzahl von Gruppen eingeteilt sind, und einer Abtastschaltung
zum dynamischen Abtasten der photoelektrischen Umsetzelemente. Die Umsetzeinrichtung ist ferner mit
einem abgeschirmten Element mit derselben Charakteristik wie die photoelektrischen Umsetzelemente für jede der
Gruppen sowie mit einer Schaltung versehen, die eine
Vorspannung an die photoelektrischen Umsetzelemente und
das abgeschirmte Element entsprechend dem Ausgangssignal des abgeschirmten Elements anlegt.
Claims (4)
1. Photoelektrische Umsetzeinrichtung, gekennzeichnet durch photoelektrische Umsetzmittel (S1 —1 - S56-64)
zum Umsetzen des empfangenen Lichts in elektrische Signale, die dem empfangenen Licht entsprechen, eine
Energie- Uersorgungseinrichtung, die elektrische Energie für die photoelektrischen Umsetzmittel liefert,
und eine Steuereinrichtung, die in einem Teil der Energie-Versorgungsleitung für die elektrische Energieversorgung
von der Energie-Versorgungseinrichtung zu den photoelektrischen Umsetzmitteln vorgesehen
ist, um die Energieversorgung zu steuern» wobei die Steuereinrichtungmaskierte Elemente aufweist, die
durch optisches Abschirmen von photoelektrischen Umsetzelementen, die das empfangene Licht in
elektrische Signale entsprechend dem empfangenen Licht umsetzen, hergestellt sind.
2. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Transistor
aufweist, dessen Impedanz durch die Ausgangssignale der .maskierten Elemente gesteuert wird.
3. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,-daß
die Steuereinrichtung maskierte Elementes
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mit den Maskenelementen in Serie verbundene Widerstände, und Transistoren aufweist, die durch die Potentiale an
den Verbindungspunkten der maskierten Elemente und der Uliderstände gesteuert werden,
5
4. Photoelektrische Umsetzeinrichtung, gekennzeichnet durch eine Gruppe von photoelektrischen Umsetzelementen,
die das empfangene Licht in elektrische Signale entsprechend dem empfangenen Licht umsetzen und an einem
ihrer Anschlüsse verbunden sind, eine Energie-Versorgungs einrichtung, die elektrische Energie für die Gruppe von
photoelektrischen Umsetzelementen liefert, eine Impedanz-Steuereinrichtung, die zwischen der Energieversorgungseinrichtung
und dem Verbindungspunkt der Umsetzelemente vorgesehen ist, und ein maskiertes Element, das in der
Nähe der photoelektrischen Umsetzelemente angeordnet und durch optisches Abschirmen eines Elements , das
empfangenes Licht in elektrische Signale entsprechend dem empfangenen Licht umsetzen kann, hergestellt ist, und
das mit der Energie-Versorgungseinrichtung verbunden ist, und eine Einrichtung,die die Impedanz der Impedanz-Steuereinrichtung
entsprechend dem Ausgangssignal des maskierten Elements steuert.
255. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch
eine Vielzahl von Gruppen von photoelektrischen Umsetzelementen.
B. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch
eine Wähleinrichtung zum Wählen der Reihenfolge der Vielzahl von Gruppen von photoelektrischen Umsetzelementen.
7. Photoelektrische Umsetzeinrichtung, gekennzeichnet durch ein photoelektrisches Umsetzelement zum Umsetzen des
empfangenen Lichts in elektrische Signale entsprechend dem empfangenen Licht, ein elektrisches Element, das
mit dem photoelektrischen Umsetzelement verbunden und so eingerichtet ist, daß seine elektrische Charakteristik
entsprechend dem empfangenen Licht variiert, einen
ersten mit einem Anschluß des elektrischen Elements verbundenen Transistor, und einen zweiten Transistor, 'der
durch das Ausgangssignal des ersten Transistors gesteuert wird und zwischen das photoelektrische Umsetzelement und
-in eine Energie-Versorgungseinrichtung zur Versorgung des
Umsetzelements mit elektrischer Energie geschaltet ist»
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