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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Lesens vom lichtempfindlichen Zellen,
wobei die Zellen insbesondere vom Festkörpertyp sind und wobei jede Zelle zwei
Dioden enthält, die in Serie und entgegengesetzt, d.h. mit entgegengesetzten
Durchlaßrichtungen geschaltet sind, wobei wenigstens eine dieser beiden Dioden eine
Photodiode ist. Das Verfahren der Erfindung hat insbesondere zum Ziel, die
Geschwindigkeit des Lesens zu erhöhen und dabei die geforderte Genauigkeit und die geforderte
Qualität beim Lesen beizubehalten, insbesondere dann, wenn die lichtempfindliche
Zelle einem Nutzsignal mit geringer Intensität ausgesetzt worden ist.
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Es ist üblich, beispielsweise lichtempfindliche Zellen in lichtempfindlichen
Einrichtungen vom Festkörpertyp zu verwenden, in denen die lichtempfindlichen Zellen in einer
Matrixanordnung angeordnet sind und eine lichtempfindliche Matrix bilden. Eine
lichtempfindliche Matrix enthält ein Netz von Zeilenleitern und ein Netz von
Spaltenleitern. In jedem Kreuzungspunkt eines Zeilenleiters und eines Spaltenleiters ist eine
lichtempfindliche Schaltung oder lichtempfindliche Zelle angeordnet, die in der
folgenden Beschreibung lichtempfindlicher Punkt genannt wird; die lichtempfindlichen
Punkte sind somit ebenso in Zeilen und in Spalten organisiert. Jeder lichtempfindliche
Punkt ist zwischen einen Zeilenleiter und einen Spaltenleiter geschaltet: In
Wirklichkeit sind mit jedem Zeilenleiter so viele lichtempfindliche Punkte verbunden, wie
Spalten dieser letzteren vorhanden sind, und mit jedem Spaltenleiter sind so viele
lichtempfindliche Punkte verbunden, wie Zeilen dieser letzteren vorhanden sind.
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Die Anzahl der lichtempfindlichen Punkte auf einer gegebenen Obeffläche bestimmt
die Auflösung des Bildes. Es ist bekannt, Matrizen von lichtempfindlichen Elementen
mit großer Kapazität, beispielsweise mit 2000 x 2000 lichtempfindlichen Punkten zu
verwirklichen, um ein Bild zu erhalten, dessen Abmessungen in der Größenordnung
von 40 cm x 40 cm liegen. In diesem Fall befindet sich jeder lichtempfindliche Punkt in
einer elementaren Obefflächenzone, deren maximale Abmessungen 200 Mikrometer x
200 Mikrometer betragen. Eine solche Anordnung erlaubt die Bildung von Detektoren
des Oberflächentyps, die insbesondere in der Röntgenologie, sofern ein Scintillator
hinzugefügt wird, bei der Erfassung von Teilchen (Elektronen, Neutronen usw.) und in
der Reprographie angewandt werden können.
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Jeder lichtempfindliche Punkt enthält ein lichtempfindliches Element wie etwa eine
Photodiode oder einen Phototransistor, die für Photonen im sichtbaren Bereich oder in
der Nähe des sichtbaren Bereichs empfindlich sind. Diese Photonen werden in
elektrische Ladung umgewandelt, wobei diese elektrische Ladung in einer eine
Speicherkapazität bildenden elektrischen Kapazität akkimuliert wird, welche durch die Kapazität
des lichtempfindlichen Elements selbst gebildet sein kann. Eine Leseeinrichtung
erlaubt es, den elektrischen Zustand der Speicherkapazität abzufragen und die
elektrische Ladung, die das Signal bildet, an einen Signalverstärker zu befördern.
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Eines der Hauptprobleme, die sich beim Lesen der lichtempfindlichen Punkte stellen,
besteht in einem zu großen Wert der elektrischen Kapazität der lichtempfindlichen
Zellen. Der Einfluß dieser Kapazität wirkt sich insbesondere beim Lesen der
lichtempfindlichen Punkte aus, d.h. bei der Verstärkung der Photoladung, die von einem
lichtempfindlichen Element wie etwa einer Photodiode infolge ihrer Beleuchtung
entwickelt wird. Diese Kapazität eines jeden lichtempfindlichen Elements wirkt sich auf
die Spaltenleiter und auf den Leseverstärker aus, mit dem dieses Element verbunden
ist, und ist bestrebt, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verschlechtern.
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Es muß außerdem festgestellt werden, daß vermieden werden sollte, die Kapazität,
welche diejenigen lichtempfindlichen Elemente besitzen, die mit von dem in einem
gegebenen Zeitpunkt adressierten Zeilenleiter verschiedenen Zeilenleitern verbunden
sind, für einen Spaltenleiter und einen entsprechenden Leseverstärker zu übernehmen,
d.h. es ist wünschenswert, eine gute Entkopplung der nicht adressierten
lichtempfindlichen Punkte in bezug auf den Spaltenleiter zu verwirklichen. Dies macht es notwendig,
daß jede lichtempfindliche Zelle ein Element enthält, das als Ein-Aus-Schalter dient,
der außer in der Lesephase der lichtempfindlichen Zelle, der er zugehört, im offenen
Zustand gehalten wird. Um die Herstellung von lichtempfindlichen Matrizen des
Festkörpertyps zu vereinfachen, ist bekannt, zur Erfüllung der obenerwähnten
Schalterfünktion eine mit einem lichtempfindlichen Element in Serie geschaltete Diode zu
verwenden.
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Eine solche Anordnung ist insbesondere durch die französische Patentanmeldung
FR-A-2 605 166, eingereicht am 9. Oktober 1986 im Namen von THOMSON-CSF,
bekannt, die sich auf eine lichtempfindliche Einrichtung des Festkörpertyps, deren
Leseverfahren und deren Herstellungsverfahren bezieht. Diese Patentanmeldung beschreibt
insbesondere eine lichtempfindliche Einrichtung, die matrixförmig oder linienförmig
sein kann und in der jeder lichtempfindliche Punkt aus einer lichtempfindlichen Zelle
gebildet ist, die aus zwei Dioden aufgebaut ist, die in Serie und entgegengesetzt, d.h.
mit entgegengesetzten Durchlaßrichtungen geschaltet sind; wobei eine erste Diode mit
einem Zeilenleiter und die zweite Diode mit einem Spaltenleiter verbunden ist. In dem
in dieser Patentanmeldung beschriebenen Beispiel besitzt die erste Diode eine
Kapazität, die ungefähr zehnmal kleiner als die Kapazität der zweiten Diode ist. Daraus ergibt
sich eine Verringerung der äquivalenten Kapazität, die von jeder mit diesem
Spaltenleiter verbundenen lichtempfindlichen Zelle auf diesen Spaltenleiter zurückgeführt
wird. Andererseits ist das verwendete Leseverfahren so beschaffen, daß die erste Diode
als Ein-Aus-Schalter arbeitet, der ausschließlich während der Lesephase derjenigen
Zellen geschlossen wird, die mit dem Zeilenleiter verbunden sind, dem er zugehört;
daraus ergibt sich eine gute Entkopplung der Spaltenleiter in bezug auf die
lichtempfindlichen Zellen der nicht adressierten Zeilen.
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Indessen weist eine lichtempfindliche Zelle, die durch eine Reihenschaltung aus zwei
entgegengesetzt geschalteten Dioden gebildet ist und deren Funktion durch ein
herkömmliches Leseverfahren erhalten wird, wie es in dem obenerwähnten Dokument
beschrieben ist, gewisse, große Nachteile auf, insbesondere den Nachteil, daß sie einen
Fehler einführt, der beim Lesen von solchen Ladungen beträchtlich sein kann, die auf
Höhe eines lichtempfindlichen Punktes bei der Belichtung desselben mit einem
aufzunehmenden Lichtsignal erzeugt werden können; dieser Mangel tritt umso deutlicher
hervor, je kleiner das Signal ist und je mehr eine hohe Lesegeschwindigkeit zu erhalten
versucht wird.
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Das Verfahren der Erfindung erlaubt es, diese Nachteile zu vermeiden, und findet
Anwendung auf das Lesen von lichtempfindlichen Punkten oder Zellen, die zwei Dioden
enthalten, die in Serie und entgegengesetzt geschaltet sind, wie oben erläutert worden
ist.
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Gemäß der Erfindung besteht ein Verfahren zum Lesen wenigstens eines
lichtempfindlichen Punktes mit einer ersten Diode und einer damit mit entgegengesetzter
Durchlaßrichtung in Serie geschalteten zweiten Diode, wobei wenigstens die zweite
Diode lichtempfindlich ist darin, daß die zwei Dioden in Sperrichtung vorgespannt
werden, während der lichtempfindliche Punkt einem Nutzsignal ausgesetzt ist, so daß
eine Signalladungsmenge in einer Zone mit schwimmendem Potenfial, die bei der
Verbindung der zwei Dioden liegt, akkumuliert wird, dann die erste Diode im Verlauf
der Lesephasen mittels periodischer Leseimpulse in Durchlaßrichtung vorgespannt
wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es ferner darin besteht, den
lichtempfindlichen Punkt mit einer zusätzlichen Beleuchtung zu beleuchten, um in der
Zone mit schwimmendem Potential Verschiebeladungen zu erzeugen, die wenigstens
zum Teil zur Signalladung hinzukommen, damit der dynamische Widerstand, der von
der ersten Diode gebildet wird, wenn sie in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, reduziert
wird.
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Die Erfindung wird besser verständlich mit Hilfe der folgenden, anhand eines nicht
beschränkenden Beispiels gegebenen Beschreibung und der fünf beiliegenden Figuren,
von denen:
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- Fig. 1 schematisch eine Matrix von lichtempfindlichen Punkten des Typs zeigt, auf
den das Verfahren der Erfindung angewendet werden kann;
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- Fig. 2a bis 2d Signaldiagramme sind, die ein herkömmliches Leseverfahren von in
Fig. 1 gezeigten lichtempfindlichen Punkten erläutern;
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- Fig. 3 eine Kurve ist, mit der gleichzeitig die Lesefehler im Falle eines
herkömmlichen Leseverfahrens und die durch das Leseverfahren gemäß der Erfindung
geschaffenen Vorteile veranschaulicht werden können;
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- Fig. 4a bis 4e Signaldiagramme sind, die das Leseverfahren gemäß der Erfindung
in einer ersten Variante dieser letzteren erläutern;
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- Fig. 5a bis 5e Signaldiagramme sind, die das Leseverfahren gemäß der Erfindung
in einer zweiten Variante erläutern.
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Fig. 1 zeigt anhand eines nicht beschränkenden Beispiels den Schaltplan einer
lichtempfindlichen Matrix 1; dieser Schaltplan entspricht seinerseits dem Stand der
Technik: Die Matrix umfaßt nämlich mehrere lichtempfindliche Punkte P1 bis P9, die
jeweils durch lichtempfindliche Zellen aufgebaut sind, wie sie etwa in der
obenerwähnten französischen Patentanmeldung FR-A-2 605 166 beschrieben sind, d.h., daß jeder
lichtempfindliche Punkt P1, P9 oder jede Zelle durch zwei Dioden Da, Db gebildet ist,
die in Serie und entgegengesetzt, d.h. mit entgegengesetzten Durchlaßrichtungen
geschaltet sind.
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In dem beschriebenen, nicht beschränkenden Beispiel ist die Anzahl der
lichtempfindlichen Punkte P1 bis P9 auf 9 begrenzt, wobei diese Punkte in einer 3x3-Matrix
angeordnet sind, um die Fig. 1 zu vereinfachen, innerhalb des Geistes der Erfindung kann
diese matrixförmige Anordnung jedoch eine viel größere Anzahl, beispielsweise
mehrere Millionen Punkte besitzen.
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Die Matrix 1 enthält Zeilenleiter L1 bis L3 und Spaltenleiter F1 bis F3, wobei die
Anzahl eines jeden Leitertyps wegen des in der Figur gezeigten Beispiels, in dem lediglich
9 lichtempfindliche Punkte P1 bis P9 gezeigt sind, auf 3 begrenzt ist.
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In der Praxis und auf an sich herkömmliche Weise sind die lichtempfindlichen Punkte
P1 bis P9 jeweils im Schnittpunkt eines Zeilenleiters L1 bis 13 und eines Spaltenleiters
F1 bis F3 gebildet. Jeder lichtempfindliche Punkt P1 bis P9 enthält ein erstes Ende 10,
das mit einem Zeilenleiter L1 bis L3 verbunden ist, sowie ein zweites Ende 11, das mit
einem Spaltenleiter F1 bis F3 verbunden ist. In dem beschriebenen, nicht
beschränkenden Beispiel ist für jeden lichtempfindlichen Punkt P1 bis P9 die erste Diode Da
mit ihrer Anode, die das erste Ende 10 bildet, mit einem Zeilenleiter L1 bis L3
verbunden, und mit ihrer zweiten Diode Db ebenfalls über ihre Anode, die das zweite
Ende 11 bildet, mit einem Spaltenleiter F1 bis F3 verbunden.
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Jede der Dioden Da, Db bildet auf bekannte Weise eine Kapazität Ca, Cb, wenn diese
Diode in Sperrichtung vorgespannt ist; im Falle der lichtempfindlichen Punkte P1 bis
P9 ist die Kapazität Cb der zweiten Dioden Db ungefähr zehnmal so groß wie die
Kapazität Ca der ersten Dioden Da; hierbei erfüllen die ersten Dioden Da hauptsächlich
eine Schalter-Funktion, wie dies die bereits erwähnte Patentanmeldung lehrt.
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Die Zeilenleiter L1 bis L3 sind mit einer Zeilen-Adressierungseinrichtung 2
verbunden, die insbesondere ein logisches Schieberegister 3 enthält, welches die sequentielle
Adressierung einer jeden Zeile L1 bis L3 zum Lesen der mit dieser Zeile verbundenen
lichtempfindlichen Punkte P1 bis P9 gewährleistet. Das Register 3 gestattet das
zeilenleiterweise Anlegen einer Spannung VL in Form eines Impulses, der Leseimpuls IL
genannt wird, während die anderen, nicht adressierten Zeilenleiter auf einem
Referenzpotential VR gehalten werden. Die Lesespannungsimpulse IL werden von einem
Spannungsimpulsgenerator 6 ausgegeben, wovon ein Ausgang 7 hierzu mit dem
Schieberegister 3 verbunden ist und wovon ein anderer Ausgang 8 mit der
Referenzspannung VR verbunden ist, die in dem beschriebenen, nicht beschränkenden Beispiel die
Masse ist. Die Leseimpulse IL erlauben das Lesen der lichtempfindlichen Punkte P1
bis P9, d.h. die Beförderung von Ladungen über die Spaltenleiter, wobei die Ladungen
durch eine Signalbeleuchtung oder ein (nicht gezeigtes) Nutzsignal erzeugt werden,
dem jeder lichtempfindliche Punkt ausgesetzt werden kann: Diese Ladungen, die zur
Beleuchtungsintensität proportional sind, werden in einer im Verbindungspunkt
zwischen den beiden Dioden Da und Db eines jeden lichtempfindlichen Punktes P1 bis P9
gebildeten Zone gespeichert, wobei diese Zone oder dieser Verbindungspunkt
zwischen
diesen beiden Dioden in der Figur durch einen mit A bezeichneten Punkt
dargestellt ist und einen Punkt mit schwimmendem Potential bildet, weil sich sein
Potential mit der Menge der hier akkumulierten Ladungen verändert; diese Ladungsmenge
kann durch die eine oder die andere der beiden Dioden Da, Db oder durch diese
beiden Dioden erzeugt werden, je nachdem, ob die eine und/oder die andere
lichtempfindlich sind. Vorzugsweise muß jedoch die die höhere Kapazität besitzenden zweite
Diode Db lichtempfindlich sein, während die erste Diode Da, deren Hauptfunktion
diejenige eines Schalters ist, eventuell nicht lichtempfindlich zu sein braucht.
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Andererseits ist jeder Spaltenleiter F1 bis F3 mit dem negativen Eingang "-" eines
Operationsverstärkers G1 bis G3 verbunden, der jeweils mit Hilfe eines
Integrierkondensators CL1 bis CL3 als Integrierer geschaltet ist. Jeder Integrierkondensator ist
zwischen den negativen Eingang "-" des Verstärkers G1 bis G3 und den Ausgang OF1,
OF2, OF3 dieses letzteren geschaltet. Der zweite Eingang oder positive Eingang "+"
eines jeden Verstärkers G1 bis G3 ist mit einem Spalten-Referenzpotential verbunden,
das jedem Spaltenleiter F1 bis F3 dieses Referenzpotential aufprägt. Dieses Potential
kann dasselbe Potential VR wie dasjenige der Zeilen-Adressiernngseinrichtung sein
oder nicht. Im folgenden wird zur Vereinfachung angenommen, daß das
Referenzpotential für die Zeilen und für die Spalten gleich ist.
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Jeder integrierte Verstärker G1, G3 enthält einen Nullrücksetz-Schalter I1 bis I3, der
zum Integrierkondensator CL1 bis CL3 parallel geschaltet ist. In Fig. 1 sind die
Schalter I1 bis I3 als normale Schalter gezeigt, sie können jedoch selbstverständlich auf
herkömmliche Weise durch Transistoren, beispielsweise vom MOS-Typ gebildet sein, die
durch (nicht gezeigte) Nullrücksetz-Signale gesteuert werden.
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Die Ausgänge OF1 bis OF3 des Verstärkers G1 bis G3 sind mit Lese- und
Multiplexierermitteln 9 verbunden, die beispielsweise eine Erfassungseinrichtung 4 für analoge
Daten enthalten, die durch ein Schieberegister mit parallelem Eingang und seriellem
Ausgang S beispielsweise des CCD-Typs (vom englischen Ausdruck "Charge Coupled
Device") gebildet ist. Die Erfassungseinrichtung 9 für analoge Daten kann somit auf
herkömmliche Weise seriell (nicht gezeigte) Signale ausgeben, die den Ladungen
entsprechen, die durch die Verstärker G1 bis G3 in der Lesephase sämtlicher mit
demselben Zeilenleiter L1 bis L3 verbundener lichtempfindlicher Punkte integriert worden
sind.
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Fig. 2a bis 2e veranschaulichen die Wirkungsweise eines beliebigen lichtempfindlichen
Punktes P1 bis P9 der in Fig. 1 gezeigten Matrix 1, beispielsweise des ersten
lichtempfindlichen
Punkts P1 in dem Fall, in dem dessen Funktion durch ein Leseverfahren des
Standes der Technik erhalten wird.
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Fig. 2a zeigt, daß jeder lichtempfindliche Punkt, d. h. in dem Beispiel der erste
lichtempfindliche Punkt P1, die Leseimpulse IL1, IL2 periodisch empfängt, die aus
Spannungsimpulsen V1 bestehen und eine positive Amplitude VL1 in bezug auf die
Referenzspannung VR aufweisen, die in Abwesenheit der Leseimpulse IL1, IL2 an die
Zeilenelektroden L1 bis L3 angelegt ist.
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Fig. 2b zeigt, daß der lichtempfindliche Punkt zwischen zwei Leseimpulsen eine
Signalbeleuchtung empfängt, die kontinuierlich oder, wie in Fig. 2b gezeigt, gepulst sein
kann.
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Fig. 2c zeigt die Veränderungen des Potentials Va im Punkt A aufgrund des Anlegens
der Leseimpulse und der Einwirkung einer Signalbeleuchtung. Die Fig. 2d erlaubt eine
Anordnung der Perioden, während derer die Nullrücksetz-Schalter I1 bis I3 vom
geschlossenen Zustand (0) in den geöffneten Zustand (1) übergehen, derart, daß sie die
Integration (im offenen Zustand) der mit Hilfe der Leseimpulse gelesenen Ladungen
durch die Verstärker G1 bis G3 ermöglichen. Die Öffnungs-Rechteckimpulse der
Schalter sind jedoch nur während der Zeitintervalle gezeigt, welche die gerade
gelesene Zeile betreffen.
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Im Zeitpunkt t0: Aus Fig. 2a ist ersichtlich, daß ein erster Leseimpuls IL1 beginnt, der
eine Dauer TL besitzt, die zwischen dem Zeitpunkt t0 und einem Zeitpunkt t1 liegt. Im
Zeitpunkt t0, bei der Vordefflanke des Leseimpulses IL1, wird eine Zunahme der
Spannung VA im Punkt A festgestellt, die beispielsweise dann, wenn der Zeitpunkt t0
der Beginn des Betriebs ist, von der Referenzspannung VR zu einer Spannung VA1
übergeht, wovon ausgehend die Vorspannung der ersten Diode Da in
Durchlaßrichtung beginnt und längs einer quasi-exponentiellen Kurve zu einem Wert VL1 strebt,
insbesondere deswegen, weil die zweite Diode Db in Sperrichtung vorgespannt ist und
eine Kapazität Cb bildet.
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Im Zeitpunkt t1: Der Leseimpuls IL1 kehrt auf Null zurück, d.h. zum Wert der
Referenzspannung VR, während die Spannung Va im Punkt A einen Wert VA2 erreicht
hat, der kleiner als der Wert VL1 des Leseimpulses IL1 ist; da die zweite Diode Db auf
den Wert VA2 aufgeladen ist, wird die erste Diode Da (die kleinere der beiden
Dioden) gesperrt, d.h. sie geht in den Sperrzustand über, während die Spannung VA im
Punkt A durch kapazitive Teilung bis auf einen Wert VA3 abnimmt und eine
Veränderung -ΔVC aufweist, mit:
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-ΔVC = -VL1 Ca/Ca+Cb,
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wobei Ca und Cb die Kapazitäten der ersten Diode Da bzw. der zweiten Diode Db
sind, wenn diese letzteren in Sperrichtung vorgespannt sind; und wobei VL1 die
Amplitude des Lesespannungsimpulses VL ist.
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In einem Zeitpunkt t2 beginnt eine Beleuchtungsphase, in der der lichtempfindliche
Punkt einem aufzunehmenden Lichtsignal ausgesetzt sein kann. Es muß festgestellt
werden, daß zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 die Spannung VA im
Punkt A aufgrund von Dunkelströmen der ersten und zweiten Dioden Da und Db sehr
langsam abnehmen kann, die Darstellung der Wirkung dieser Dunkelströme ist jedoch
vernachlässigt worden, um die Beschreibung zu vereinfachen.
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Die Beleuchtungsphase durch ein aufzunehmendes Nutzsignal liegt zwischen dem
Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t3, wobei diese Beleuchtung entweder maximal oder
Null sein kann, je nachdem, ob der lichtempfindliche Punkt P1 in Dunkelheit bleibt.
Durch eine mit einer durchgezogenen Linie dargestellte und mit E bezeichnete Kurve
ist ein Fall mit Beleuchtung gezeigt, während durch eine durch eine unterbrochene
Linie dargestellte und mit O bezeichnete Kurve die Beleuchtung Null oder Dunkelheit
darstellt. Die Signalbeleuchtung erzeugt im Punkt A einen Spannungsabfall ΔVS der
Spannung VA. Diese Spannungsänderung ΔVS steht mit der unter der Wirkung der
Signalbeleuchtung im Punkt A akkumulierten Ladung durch die folgende Beziehung in
Verbindung:
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ΔVS=QS/Ca+Cb,
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wobei QS die durch die eine oder die andere der beiden Dioden Da und Db erzeugte
Signalladung ist. Aufgrund der Veränderung des Spannungssignals ΔVS wird ein Wert
VA4 der Spannung VA im Zeitpunkt t3 erreicht, welcher das Ende der
Belichtungsperiode markiert. Wenn die obenerwähnten Dunkelströme vernachlässigt werden, wird
der Wert VA4 der Spannung VA bis zu einem Zeitpunkt t4 beibehalten, in welchem
ein zweiter Leseimpuls IL2 beginnt, der die gleiche Amplitude VL1 wie der erste
Leseimpuls IL1 besitzt. Es muß festgestellt werden, daß während der Zeit TL der
Leseimpulse IL1, IL2 der Lese-Nullrücksetz-Schalter IL1 bis IL3 offen ist, derart, daß die
Integration der im Punkt A akkumulierten Ladungen möglich ist, welche gerade durch
den einer Belichtung folgenden Leseimpuls an die Spaltenelektrode und den
entsprechenden Integrationsverstärker befördert worden sind.
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Im Zeitpunkt t4: Im Zeitpunkt des Beginns des zweiten Leseimpulses IL2 ist die
Spannung VA somit gleich der Spannung VA4, wobei sie um einen Wert erhöht wird, der Δ
VC, d.h. der mit dem Verhältnis
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Ca/Ca+Cb,
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multiplizierten Spannung VL1 entspricht, also um den gleichen Wert wie im Zeitpunkt
t1, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen. Wenn die Veränderung ΔVC ausgeführt
wird, besitzt die Spannung VA einen Wert VDLE, der dem Wert am Beginn des Lesens
nach der Beleuchtung entspricht. Anschließend steigt die Spannung VA an und strebt
bis zu einem Zeitpunkt t5, der das Ende des zweiten Leseimpulses IL2 markiert, gegen
einen Wert VL1.
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Im Zeitpunkt t5 hat die Spannung VA einen Wert VFLE erreicht, der dem Wert am
Ende des Lesens nach der Beleuchtung entspricht und der kleiner als der Wert VL1
des Leseimpulses IL2 ist. Am Ende dieses Leseimpulses weist die Spannung VA eine
Veränderung -ΔVC auf, die derjenigen im Zeitpunkt t1 ähnlich ist.
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Nun wird die gestrichelt gezeichnete Kurve O betrachtet, die den Fall darstellt, in dem
der lichtempfindliche Punkt P1 in Dunkelheit bleibt: Der Wert VA3, den die Spannung
VA im Zeitpunkt t2 besitzt, wird bis zum Zeitpunkt t4 beibehalten. Im Zeitpunkt t4
(der dem Beginn des zweiten Leseimpulses IL2 entspricht) steigt die Spannung VA um
+ΔVC an, um einen Wert VDLO zu erreichen, der dem Wert am Beginn des Lesens
nach Dunkelheit entspricht; dann und bis zum Zeitpunkt t5 steigt die Spannung VA an
und strebt gegen den Wert VL1, um im Zeitpunkt t5 einen Wert VFLO zu erreichen,
welcher der Wert am Ende des Lesens nach Dunkelheit ist; dieser letztere Wert VFLO
ist größer als der Wert VFLE am Ende des Lesens nach Beleuchtung und kleiner als
der Wert VL1 des Leseimpulses IL2.
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Aus Fig. 2 geht deutlich hervor, daß die Spannung VA am Ende des Lesens nach
Dunkelheit einen Wert VFLO besitzt, der größer als der Wert VFLE am Ende des Lesens
nach Beleuchtung ist, was anzeigt, daß eine bestimmte Menge der Signalladung QS
nicht transportiert, d.h. gelesen worden ist. Zwischen dem Zeitpunkt t4 und dem
Zeitpunkt t5 entspricht die Zunahme der Spannung VA bei Dunkelheit zwischen der
Spannung VDLO und VFLO einer Dunkelladung Q, während zur gleichen Zeit die Zunahme
der Spannung VA bei Beleuchtung einer Beleuchtungsladung Q entspricht: Die
gelesene Ladungsmenge QL zwischen dem Zeitpunkt t4 und dem Zeitpunkt t5 lautet:
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QL = Q(Beleuchtung) - Q(Dunkelheit)
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QL = Cb (VFLE - VDLE)-Cb (VFLO-VDLO),
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QL = Cb (VDLE-VDLO)-Cb (VFLE-VFLO),
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QL = Cb ΔVS-Cb (VFLE-VFLO).
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Dies ist mit der Ladungsmenge zu vergleichen, die gelesen würde, wenn die erste
Diode Da ein idealer Schalter parallel zur Kapazität Ca wäre: Die Ladungsmenge Qli,
die idealerweise gelesen würde, ist Cb ΔVS.
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Daher ist eine nicht gelesene Ladung vorhanden, die gleich Cb (VFLE - VFLO) ist,
woraus ein Lesefehler und eine Verringerung der Empfindlichkeit der Einrichtung
resultieren.
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Damit der Lesefehler minimal wird, muß der Wert der Spannung VA im Punkt A am
Ende der Lesezeit TL unabhängig vom Wert der Spannung Va am Beginn des
Leseimpulses, d.h. der Zeit TL sein.
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Es ist sicherlich möglich, VFLE - VFLO zu reduzieren, indem die Dauer TL erhöht
wird, weil die Spannung VA in sämtlichen Fällen gegen den Wert VL1 strebt (obwohl
die Spannung VA im Punkt A wegen der Knickspannung der.ersten Diode Da nur
einen Wert erreichen kann, der etwas kleiner als der Wert VL1 der Leseimpulse ist). In
der Praxis ist jedoch die Dauer TL der Lesezeit vorgegeben und muß außerdem so kurz
wie möglich sein, so daß diese Lösung nicht anwendbar ist.
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Ein weiterer Nachteil des unvollständigen Lesens besteht darin, daß die nicht gelesene
Ladung im Punkt A verbleibt. Dies hat zur Folge, daß bei jedem Zyklusbeginn (der in
Fig. 2a den Zeitpunkten t1 und t5 entspricht) eine Speicherung dessen stattfindet, was
im vorangehenden Zyklus geschieht; somit ist eine Remanenz des Detektors
vorhanden.
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Fig. 3 zeigt eine Kurve, welche die Ladungsmenge zeigt, die durch die durch die zweite
Diode Db gebildete Kapazität Cb akkumuliert wird und die vom Punkt A abzuführen
bleibt, um den Punkt A beim Wert VL1 (bis auf die Knickspannung) vollständig zu
reinitialisieren, etwa die Kurve Cb (Va - VL1) = f(t). Diese Kurve entspricht der
Entladung der Kapazität Cb über die erste Diode Da, wenn diese in Durchlaßrichtung
vorgespannt ist. Diese Kurve hat daher als Gleichung:
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dCb (VA-VL1)/Cb (VA-VL1)=-dt/RdDa Cb,
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wobei RdDa der dynamische Widerstand der ersten Diode Da in Durchlaßrichtung ist.
Dies ist somit eine Kurve mit einer nahezu exponentiellen Form (sie wäre exponentiell,
wenn RdDa zeitunabhängig wäre).
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Wenn eine Lesezeit TL1 zum Lesen einer Signalladung QS festgesetzt wird, ist
ersichtlich, daß eine Restladung QSR in bezug auf die Signalladung QS sehr groß sein kann;
ferner ist der Lesefehler
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ε0=QSR/QS
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um so größer, je geringer die Signalladung QS ist.
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Die von dem Verfahren der Erfindung vorgeschlagene Lösung besteht darin, der
Signalladung QS eine Ladung Q0, eine sogenannte Verschiebeladung hinzuzufügen,
derart, daß im Punkt A eine Gesamtladung Q1, etwa Q1 = Q0 + QS, akkumuliert
wird.
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Unter diesen Bedingungen kann an der Kurve von Fig. 3 beobachtet werden, daß nach
einer Lesezeit TL2, deren Dauer gleich der voher untersuchten Lesezeit TL1 ist, die
nicht gelesene Ladung der Gesamtladung Q1, d.h. eine Restladung Q1R derart ist, daß
in diesem Fall der Lesefehler ε1 kleiner als der Lesefehler ε0 im vorhergehenden Fall
ist, mit
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ε1=Q1R/Q1 oder
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Q1R = ε1 Q1
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Q1R = ε1 (Q0 + Qs)
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Q1R = ε1 QS + ε1 Q0
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Q1R = ε1 Qs + Konstante
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Es ist ersichtlich, daß es damit möglich ist, kraft der Verschiebeladung Q0 die
Signalladung QS bis auf eine Konstante mit besserer Wirksamkeit zu lesen.
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Gemäß einem Merkmal des Verfahrens der Erfindung wird die Verschiebeladung Q0
mit Hilfe einer Beleuchtung des lichtempfindlichen Punkts P1 bis P9 hinzugefügt, die
entweder permanent oder durch einen einzigen Lichtimpuls gegeben sein kann, der
beispielsweise wie in dem in Fig. 4b gezeigten, nicht beschränkenden Beispiel zwischen
dem Ende eines Leseimpulses IL und dem Anfang einer Signalbeleuchtung erzeugt
werden kann.
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Es muß festgestellt werden, daß die materielle Struktur einer lichtempfindlichen
Matrix wie etwa der in Fig. 1 gezeigten Matrix mit zwei in Serie und entgegengesetzt
geschalteten Dioden Da und Db pro lichtempflndlichem Punkt P1 bis P9 auf jede
beliebige Weise verwirklicht sein kann, etwa entsprechend der Lehre der bereits erwähnten
französischen Patentanmeldung FR-A-2 605 166, die eine Ausführungsform beschreibt,
in der das Substrat aus Glas oder aus Quarz ist, so daß es lichtdurchlässig ist. Die (in
der vorliegenden Beschreibung nicht gezeigte) Lichtquelle, die hierfür verwendet wird,
kann gegen dieses Substrat gepreßt sein und durch an sich bekannte Mittel,
beispielsweise eine Leuchtplatte, oder durch ein Netz von Elektrolumineszenz-Dioden, wie dies
beispielsweise in einer französischen Patentanrneldung FR-A-2 598 250 beschrieben ist,
gebildet sein. Selbstverständlich erlaubt die gewählte Lichtquelle vorzugsweise eine
gute Reproduzierbarkeit der Menge der Verschiebeladungen Q0 von einem Bildzyklus
zum nächsten, damit diese Ladungsmenge als einfacher Schwellenwert angesehen
werden kann.
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Die Fig. 4a bis 4e zeigen eine erste Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung, in
der die Verschiebeladung Q0 durch einen Lichtimpuls oder eine
Verschiebebeleuchtung gebildet wird, die sich zwischen dem Ende eines Leseimpulses IL und dem Beginn
einer Signalbeleuchtung durch das Nutzsignal befindet.
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Fig. 4a zeigt die Leseimpulse IL, die die Spannung VL der Zeilenleiter auf einem in
bezug auf die Referenzspannung VR positiven Wert VL1 halten; Fig. 4b offenbart die
zeitliche Anordnung der Verschiebebeleuchtungsphase; Fig. 4c zeigt den
Signalbeleuchtungsimpuls; Fig. 4d zeigt die Werte der Spannung Va im Punkt A; und Fig. 4e
veranschaulicht den offenen Zustand (1) oder den geschlossenen Zustand (0) der
Nullrücksetz-Schalter IL1 bis IL3, für die schon jetzt festgestellt werden kann, daß sie
die Integration der im Punkt A während der Leseimpulse IL1, IL2 akkumulierten
Ladungen durch die Verstärker G1 bis G3 zulassen.
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Der Zeitpunkt t1 entspricht wie im Beispiel von Fig. 3 der Rückflanke eines
Leseimpulses IL1, der eine Zeitdauer TL ab dem Zeitpunkt t0 besitzt. Das Auftreten des
ersten Leseimpulses IL1 im Zeitpunkt t0 hat dazu geführt, daß die Spannung VA im
Zeitpunkt t1 einen Wert VA2 erreicht, der kleiner als der Wert VL1 ist; durch die
Rückflanke des ersten Leseimpulses IL1 nimmt die Spannung VA infolge einer
Spannungsveränderung -ΔVC bis auf den Wert VA3 ab.
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Die Spannung VA behält den Wert VA3 bis zu einem Zeitpunkt t2 bei, in dem eine
Verschiebebeleuchtung beginnt, die bis zu einem Zeitpunkt t3 einwirkt. Zwischen dem
Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t3 nimmt die Spannung VA unter der Wirkung der
durch die Verschiebeleuchtung erzeugten Ladungen ab und geht vom Wert VA3 zu
einem Wert VA5 über, was eine Veränderung ΔVe ist, die der obenerwähnten
Verschiebeladung Q0 entspricht. Ausgehend vom Zeitpunkt t3 behält die Spannung VA ihren
Wert VA5 bis zu einem Zeitpunkt t4 bei, in dem die Signalbeleuchtung beginnt, die bis
zu einem Zeitpunkt t5 dauert.
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Unter der Wirkung der Signalbeleuchtung wird im Punkt A eine Signalladung QS
erzeugt, die eine Veränderung ΔVS der Spannung VA hervorruft, die die Richtung einer
Abnahme besitzt und zur Veränderung ΔVe (die die Verschiebeladung Q0
repräsentiert) hinzukommt, um die Spannung VA beispielsweise auf den Wert VA4
abzusenken. Der Wert VA4 der Spannung VA wird bis zu einem Zeitpunkt t6 beibehalten, in
dem ein zweiter Leseimpuls IL2 beginnt. Die Spannung VA weist eine Zunahme ΔVc
auf, von dem ausgehend sie anwächst und gegen den Wert VL1 des Leseimpulses IL2
strebt; im Zeitpunkt t7, der dem Ende des Leseimpulses IL2 entspricht, und am Beginn
eines folgenden Zyklus hat die Spannung VA einen Wert VFLE erreicht, d.h den Wert
des Endes des Lesens der Beleuchtung, und weist eine Verringerung auf, die der
Veränderung ΔVc entspricht.
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Wenn eine im Zeitpunkt t4 beginnende, in Strichlinien dargestellte und mit O'
bezeichnete Kurve betrachtet wird, die die Abwesenheit einer Signalbeleuchtung, also
Dunkelheit darstellt, wird bemerkt, daß die Spannung VA in diesem Fall den Wert
VA5 bis zum Zeitpunkt t6 des Beginns des Leseimpulses beibehält; außerdem geht der
Wert VA dann durch eine Veränderung ΔVc ähnlich wie im Beispiel von Fig. 2 zu
einem Wert V'DLO über und wächst dann an, um bis zum Zeitpunkt t7 des Endes des
Leseimpulses gegen den Wert VL1 zu streben. Im Zeitpunkt t7 des Endes des
Leseimpulses hat die Spannung VA einen Wert des Endes des Dunkelheit-Lesens V'FLO, der
kleiner als der Wert VFLO ist, den sie im Beispiel von Fig. 2 besaß, und dies wegen des
Vorhandenseins der Verschiebeladung Q0; dies weist darauf hin, daß der Fehler beim
Lesen geringer als im Fall von Fig. 2, d.h. im Stand der Technik ist. Es muß bemerkt
werden, daß diese Verbesserung mit der Tatsache in Verbindung steht, daß mit Hilfe
der Verschiebeladung der Wert der Spannung zwischen dem Referenzpotential VR
und der Spannung im Punkt A verringert wird und infolgedessen die Amplitude VL1
eines Leseimpulses IL1, IL2 ausreichend groß wird, um die erste Diode Da mit einem
hohen Strom, d.h. mit einem geringen dynamischen Widerstand RdDa in
Durchlaßrichtung vorzuspannen.
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Es muß festgestellt werden, daß zwischen zwei Leseimpulsen IL1, IL2 auf
herkömmliche Weise nacheinander sämtliche Leitungen L1 bis L3 der lichtempfindlichen Matrix
gelesen werden können, wobei zur Vereinfachung der Darstellung der Fig. 4 der
zeitliche Maßstab nicht berücksichtigt worden ist. Das Lesen der anderen Zeilen muß
zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 vorgesehen werden. Dies ist auf die Fig.
2, 4 und 5 anwendbar. In diesen Figuren ist der Zeitpunkt, in dem der Integrierer in
Betrieb gesetzt wird, dennoch nur für eine einzige Zeile dargestellt.
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Die Fig. 5a bis 5d sind Signaldiagramme, die das Leseverfahren gemäß der Erfindung
in einer zweiten Variante dieser letzteren erläutern. In Fig. 5a sind die Leseimpulse
IL1, IL2 dargestellt, die wie oben in den ersten Zeilenleiter L1 mit einer Amplitude
VL1 eingegeben werden; außerdem wird zwischen zwei Leseimpulsen IL1, IL2 ein
Teilleseimpuls ILP eingegeben, der dieselbe Polarität wie die Leseimpulse, jedoch eine
Amplitude VL2 besitzt, die kleiner als die Amplitude VL1 ist. Fig. 5b zeigt die
Verschiebebeleuchtung; Fig. 5c zeigt die Signalbeleuchtung; Fig. 5d zeigt die Werte der
Spannung VA im Punkt A; und Fig. 5e veranschaulicht den offenen Zustand (1) oder
den geschlossenen Zustand (0) des Nullrücksetz-Schalters I1 bis I3 und zeigt, daß die
Integration der im Punkt A akkumulierten Ladungen durch einen Verstärker G1 bis
G3 während der Dauer eines Leseimpulses IL1, IL2 zugelassen wird.
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Wie in den vorangehenden Beispielen entspricht der Zeitpunkt t1 dem Ende einer
Lesephase des vorangehenden Zyklus, d.h. dem Ende eines Leseimpulses IL1, der
ausgehend vom Zeitpunkt t0 eine Zeitdauer TL besitzt. Der Zeitpunkt t1 markien daher die
Rückflanke des ersten Leseimpulses IL1 sowie eine Veränderung ΔVc der Spannung
VA im Punkt A, die vom Wert VA2 zum Wert VA3 übergeht. Somit markiert der
Zeitpunkt t1 das Ende der Lesephase sämtlicher lichtempfindlicher Punkte des ersten
Zeilenleiters L1. Zwischen dem Zeitpunkt t1 und einem Zeitpunkt t2 wird das Ende
des Lesens sämtlicher anderer Zeilen der Matrix (in den Fig. 5a bis 5e nicht gezeigt)
verwirklicht: Der Wert VA3 der Spannung VA wird bis zum Zeitpunkt t2 beibehalten.
Ab dem Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 wird die Verschiebeladung Q0
beispielsweise für sämtliche lichtempfindlichen Punkte der Matrix erzeugt, indem für die gesamte
Detektortafel eine Verschiebebeleuchtung ausgesandt wird. Die
Verschiebebeleuchtung
hat beispielsweise auf Höhe des ersten lichtempfindlichen Punkts P1 die Wirkung,
eine Veränderung ΔVe der Spannung VA wie etwa im Beispiel von Fig. 4
hervorzurufen, wobei die Veränderung ΔVe zu einer Verringerung der Spannung VA führt, die
vom Wert VA3 zumWert VA5 übergeht.
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Die Spannung VA behält den Wert VA5 bis zu einem Zeitpunkt t4 bei. Im Zeitpunkt
t4 wird ein Teilleseimpuls ILP mit der Amplitude VL2 entweder gleichzeitig oder
nacheinander für sämtliche Zeilenleiter L1 bis L3 ausgesandt. Dieser Teilleseimpuls
ILP muß eine Amplitude VL2 besitzen, die kleiner als die Amplitude VL1 eines
Leseimpulses IL1, IL2 und größer als die Spannung VA5 ist, d.h. größer als die Spannung,
die im Zeitpunkt t4 zwischen dem Punkt A und der Referenzspannung VR vorhanden
ist. Unter diesen Bedingungen erlaubt der Teilleseimpuls die Ausführung eines
teilweisen Lesens der im Punkt A vorhandenen Verschiebeladung Q0, d.h. er erlaubt die
Beseitigung eines Teils dieser Verschiebeladung. Daraus folgt, daß nach einem Zeitpunkt
t5, der das Ende des Teilleseimpulses ILP markiert, die Spannung VA angestiegen ist
und der erhaltene Wen VA7 der Spannung VA nur noch von der Amplitude VL2 des
Teilleseimpulses abhängt. Somit können räumliche oder zeitliche Streuungen der
Verschiebebeleuchtung zugelassen werden; insbesondere werden auf diese Weise die
zeitlichen Fluktuationen dieser Beleuchtung, die mindestens gleich ihren
Quantenfluktuationen sind, beseitigt.
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Zum Abschluß der Erläuterungen, die auf diese letzte Version des Verfahrens der
Erfindung bezogen sind, wird erwähnt, daß bei Anlegen des Teilleseimpulses ILP die
Spannung VA eine Zunahme ΔVc' aufweist, die von der Amplitude VL2 und vom
Kapazitätsverhältnis Ca, Cb abhängt, wobei dann die erste Diode Da in Sperrichtung
vorgespannt ist; anschließend nimmt die Spannung VA zu und strebt bis zum Zeitpunkt t5
gegen den Wert VL2, anschließend weist sie eine Verringerung -ΔVc durch kapazitive
Teilung auf, durch die sie einen Wert Va7 erhält. Der Wert Va7 der Spannung VA
wird bis zum Zeitpunkt t6 beibehalten, in dem die Signalbeleuchtung beginnt, die bis
zu einem Zeitpunkt t7 dauert. Zwischen dem Zeitpunkt t6 und dem Zeitpunkt t7
verringert sich die Spannung VA durch eine Veränderung ΔVs, die durch die
Akkumulation der Signalladungsmenge QS im Punkt A hervorgerufen wird. Die Spannung VA
besitzt dann einen Wert Va8, den sie bis zum Zeitpunkt t8 beibehält, der den Beginn
des zweiten Leseimpulses IL2 markiert. Wie in den vorangehenden Beispielen weist
die Spannung VA dann eine schnelle Zunahme ΔVc auf und nimmt anschließend
langsamer zu, um in einem Zeitpunkt t9, der das Ende des zweiten Leseimpulses IL2
markiert, einen Wert für das Ende der Lesebeleuchtung VFLE zu erreichen. Der zweite
Leseimpuls IL2 hat ermöglicht, die Signalladung QS zu lesen, zu der eine
Rest-Verschiebeladung Q0'
hinzukommt, die dem verbleibenden Teil der Verschiebeladung
entspricht, d.h. demjenigen Teil, der nicht beim teilweisen Lesen zwischen den
Zeitpunkten t4 und t5 durch den Teilleseimpuls ILP vom Punkt A abgeführt wird.
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Diese zweite Variante des Verfahrens ist anwendbar, wenn die Verschiebeleuchtung
einen Abfall der Spannung VA bewirkt hat, derart, daß die Spannung VL2 des
Teilleseimpulses ILP um einen Betrag größer als diese Spannung VA ist, der mindestens
gleich dem Wert der Knickspannung in Durchlaßrichtung ist.
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Es muß bemerkt werden, daß die Ausführung des Verfahrens der Erfindung um so
nutzbringender ist, je größer die Kapazität Cb der zweiten Diode Db in Sperrichtung in
bezug auf die Kapazität Ca der ersten Diode Da in Sperrichtung ist. Im allgemeinen
erzeugt eine Photodiode, die eine höhere Kapazität in Sperrichtung besitzt, bei
derselben Beleuchtung eine größere Ladungsmenge. Somit wird bei der Beleuchtung eines
lichtempfindlichen Punkts P1 bis P9 der wesentliche Teil der Ladungen durch die
zweite Diode Db erzeugt, was sich inbesondere für die Erzeugung einer
Verschiebeladung Q0 eignet, die durch eine Verschiebebeleuchtung erzeugt wird; hierbei kann die
erste Diode Da eventuell "blind" sein.