DE69721109T2

DE69721109T2 - Photoelektrische Umwandlervorrichtung mit Ladungsabschöpfung

Info

Publication number: DE69721109T2
Application number: DE69721109T
Authority: DE
Inventors: Isamu Ueno
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-02-27
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2017-02-27
Also published as: JP3559640B2; EP0793378A2; DE69721109D1; EP0793378B1; US20010040634A1; JPH09233392A; ES2194154T3; US6064431A; EP0793378A3; HK1002576A1; US6342920B2

Description

HINTERGRUND UND TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine fotoelektrische Wandlervorrichtung, wie z. B. eine eindimensionale oder zweidimensionale fotoelektrische Wandlervorrichtung zum Lesen von Bildern bei einer Videokamera, einem Röntgen- Abbildungsgerät bzw. Röntgen-Bilderzeugungsgerät, einem Infrarot-Abbildungsgerät bzw. Infrarot-Bilderzeugungsgerät und dergleichen und bezieht sich insbesondere auf eine fotoelektrische Wandlervorrichtung dieser Art, die mit Ladungsabschöpfung in Verbindung mit einer entsprechenden Übertragung der abgeschöpften Ladungen arbeitet.

In Betracht gezogener Stand der Technik:

Bekanntermaßen werden ladungsgekoppelte Bauelemente, die nachstehend vereinfacht als CCD-Bauelemente bezeichnet sind, in großem Umfang als Abbildungs- bzw. Bildabtasteinrichtungen bei Videokameras, digitalen Kameras und dergleichen verwendet, wobei bei solchen Bildleseeinrichtungen ein "Ladungsabschöpfungs- und - übertragungwerfahren" Anwendung findet, wie es z. B. aus IEEE trans. Electron. Vol. ED-29, Seite 3, 1982 und der japanischen Patentschrift Nr. 7-48826 bekannt ist.
Fig. 13 veranschaulicht eine Infrarot-Abbildungseinrichtung bei der das aus der japanischen Patentschrift 7-48826 bekannte Ladungsabschöpfungs- und -übertragungsverfahren Anwendung findet. In den Fig. 12A und 12B sind die Änderungen der Ladungsmenge vor und nach einer Übertragung abgeschöpfter Ladungen veranschaulicht, während die Fig. 11A bis 11C sowie Fig. 13 eine Fotodiode 101, CCD- Siliciumbauelemente 102, Infrarot-Lichtstrahlen 104, eine Ausgangsschaltung 105, eine Eingangs-Gateelektrode 110, eine Akkumulationselektrode 111, eine Abschöpfelektrode 112, eine CCD-Elektrode 113, einen Überlauf-Drainanschluss 114, eine Überlauf-Elektrode 115 sowie einen Abschöpfspannungs-Eingabeanschluss 119 veranschaulichen.
Wie in den Figur T2A und 12B veranschaulicht ist, werden Ladungen 116 von einer Hintergrundstrahlung (Hintergrund- Lichteinfall) erzeugt, während Ladungen 117 der von einer Signalquelle abgegebenen Strahlung zugeschrieben werden, wobei die Ladungen bei einem Abschöpfpegel 118 abgeschöpft werden.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf diese Figuren näher auf Betrieb und Wirkungsweise des den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweisenden Infrarot- Abbildungsbauelements der mit Übertragung abgeschöpfter Ladungen arbeitenden Art eingegangen.
(1) Wie in Fig. 11A veranschaulicht ist, werden Infrarot- Lichtstrahlen 104 von der Fotodiode 101 in Fotoströme umgesetzt, die über die Eingangs-Gateelektrode 110 einem Abschnitt unterhalb der Akkumulationselektrode 111 zugeführt und dort akkumuliert werden.
(2) Bei Beendigung der Akkumulation wird in der in Fig. 11B veranschaulichten Weise ein Impulssignal an die Abschöpfelektrode 112 angelegt, um die Höhe der Potentialsenke zur Übertragung einiger akkumulierter Ladungen zu einem Abschnitt unterhalb der CCD- Elektrode 113 zu verändern. Die zu übertragende Ladungsmenge wird von dem an die Abschöpfelektrode 112 anzulegenden Impulssignal gesteuert (das nachstehend als Abschöpfspannung bezeichnet ist).
(3) Sodann werden die in dem Abschnitt unterhalb der Akkumulationselektrode 111 verbliebenen Ladungen in der in Fig. 11C veranschaulichten Weise über die Überlaufelektrode 115 zum Überlauf-Drainanschluss 114 abgeführt.
Wenn eine solche Übertragung abgeschöpfter Ladungen in der vorstehend beschriebenen Weise erfolgt, lässt sich auf Grund der in den Fig. 12A und 12B veranschaulichten Unterdrückung der von der Hintergrundstrahlung hervorgerufenen Gleichstromanteile 116 der Kontrast verbessern und die dem Abschnitt unterhalb der CCD- Elektrode 113 zuzuführende Ladungsmenge verringern.
Die dem Abschnitt unterhalb der CCD-Elektrode 113 zugeführten Ladungen werden von dem CCD-Bauelement 102 in der gleichen Weise wie im Falle der Nichtanwendung einer solchen Übertragung abgeschöpfter Ladungen aufeinanderfolgend übertragen und über die Ausgangsschaltung 105 einer externen Schaltungsanordnung zugeführt.
Wenn bei einer üblichen fotoelektrischen Wandlervorrichtung die Anzahl der Photonen einer Hintergrundstrahlung bzw. eines Hintergrund-Lichteinfalls erheblich größer als die Anzahl der von der Signalquelle abgegebenen Photonen ist, besitzt das erhaltene Signal einen geringen Kontrast, wobei sich dieses Problem nicht durch einfache Verlängerung der Akkumulationszeit des CCD-Siliciumbauelements lösen lässt. Beim vorstehend beschriebenen Stand der Technik wird dieses Problem jedoch mit Hilfe der Übertragung abgeschöpfter Ladungen gelöst. Da jedoch die Abschöpfspannung von einer externen Schaltung auf der Basis der Signalspannungen der jeweiligen Bildelemente berechnet und erzeugt wird, ergeben sich andere Probleme, wie eine lange Verarbeitungszeit, hohe Kosten des Gesamtsystems und dergleichen.
Andere Ausführungsbeispiele fotoelektrischer Wandlervorrichtungen sind aus der US-A-5146302 und der EP- A-0371685 bekannt. Die aus diesen Druckschriften bekannten Wandlervorrichtungen sind jeweils in der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Weise aufgebaut. Hierbei erfolgt die Ladungsübertragung und Ladungsaufnahme unter Verwendung eines CCD-Bauelements.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine fotoelektrische Wandlervorrichtung anzugeben, durch die sich durch Unterdrückung der von einer Hintergrundstrahlung hervorgerufenen Signalanteile ohne Verwendung von CCD- Bauelementen als Abschöpfladungs-Akkumulationseinrichtung ein Signal mit einem hohen Störabstand (S/N-Verhältnis) erzielen lässt.
Gemäß Patentanspruch 1 ist die erfindungsgemäße fotoelektrische Wandlervorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass:
jede zugehörige Aufnahmeeinrichtung einen jeweiligen Verstärkertransistor mit einer nichtlöschenden Verstärkungsfunktion aufweist, der zur Aufnahme der von der Elektrode übertragenen Abschöpfladung in einem Steuerelektrodenbereich ausgestaltet ist, dessen Spannungspotential von der jeweils übertragenen Ladungsmenge abhängt, und
die Steuereinrichtung jede Elektrode in Abhängigkeit von dem von dem zugehörigen Verstärkertransistor abgegebenen Signal steuert.
Wenn bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung anstelle des bei einer üblichen Wandlervorrichtung verwendeten CCD-Bauelements ein MOS-Transistor als Ladungsaufnahmeeinrichtung verwendet wird, lässt sich eine fotoelektrische Wandlervorrichtung realisieren, bei der sich Hintergrund-Signalanteile wie bei der üblichen Wandlervorrichtung unterdrücken lassen, sodass ein Signal mit einem hohen Störabstand (S/N-Verhältnis) gebildet und damit ein hoher Kontrast erhalten werden kann.
Da sich die Abschöpfspannung automatisch in Echtzeit steuern lässt, kann eine optimale Ladungsmenge auf einfache Weise abgeschöpft werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1A bis TC Schaltbilder einer Schaltungsanordnung für ein Bildelement und einen Ladungsabschöpfungs- und - übertragungsverlauf gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 ein Schaltbild des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 3 Signalverläufe bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm, das Betrieb und Wirkungsweise des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 5 ein Schaltbild einer automatischen Abschöpfspannungs-Steuerschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 6A und 6B ein Schaltbild von sowie Signalverläufe bei einer Maximalwert-Detektorschaltung für ein Bildelementsignal gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 7 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 8 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 9 ein Schaltbild der Schaltungsanordnung für ein Bildelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 10 ein Schaltbild der Schaltungsanordnung für ein Bildelement gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 11A bis 11C Schaltbilder zur Veranschaulichung des üblichen Ladungsabschöpfungs- und - übertragungsverlaufs,
Fig. 12A und 12B grafische Darstellungen der Beziehung zwischen dem Abschöpfvorgang und der Ladungsmenge, und
Fig. 13 ein Schaltbild zur Veranschaulichung des üblichen Ladungsabschöpfvorgangs.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In den Fig. 1A bis 1C sind der Sektionsaufbau sowie periphere Schaltungen eines fotoelektrischen Wandlerelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei außerdem die Vorgänge der Ladungsabschöpfung und Ladungsübertragung veranschaulicht sind.
Gemäß den Fig. 1A bis 1C umfasst das fotoelektrische Wandlerelement eine Fotodiode 1, die im Schaltbild aus Gründen der Vereinfachung als Bauelement dargestellt ist (wobei die Fotodiode 1 tatsächlich jedoch von dem p-n- Übergang zwischen einem p-leitenden Halbleitersubstrat und einer n&spplus;-leitenden Diffusionsschicht 30 gebildet wird, was auch auf die in den anderen Figuren dargestellte Fotodiode zutrifft). Das Wandlerelement umfasst ferner einen Treiber- MOS-Feldeffekttransistor 2 zur Erzeugung eines Ausgangssignals. Der Drainanschluss des MOS- Feldeffekttransistors 2 ist über einen Wählschalter 13 mit einer Ausgangsleitung verbunden, in die eine (nicht dargestellte) Widerstandslast oder Konstantspannungslast eingefügt ist. Das Lastelement und der Treiber-MOS- Feldeffekttransistor 2 bilden einen Verstärker. Das Wandlerelement umfasst außerdem eine Eingangs-Gateelektrode 10, eine Akkumulationselektrode 11, eine Abschöpfelektrode 12 und einen MOS-Schalter 16 zur Rückstellung des schwebenden Gates des MOS-Feldeffekttransistors 2.
Dieses fotoelektrische Wandlerelement akkumuliert die von der fotoelektrischen Wandlervorrichtung 1 erzeugten fotoelektrischen Signalladungen in der Steuerelektrode (Gate) des MOS-Feldeffekttransistors 2, wobei:
die Abschöpfelektrode 12 als Einrichtung zur Übertragung abgeschöpfter Ladungen von den von der fotoelektrischen Wandlereinrichtung 1 erzeugten Ladungen dient,
ein n&spplus;-leitender Bereich 31 als Einrichtung zur Akkumulation der übertragenen Abschöpfladungen dient,
der MOS-Feldeffekttransistor 2 als Einrichtung zum Auslesen der von den Abschöpfladungen hervorgerufenen Potentialänderungen dient, und
eine (unter Bezugnahme auf Fig. 2 nachstehend noch näher beschriebene) Einrichtung zur automatischen Steuerung der zu übertragenden Abschöpfladungsmenge vorgesehen ist.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf diese Figuren näher auf den Vorgang der Ladungsabschöpfung und Ladungsübertragung bei diesem Ausführungsbeispiel eingegangen.
(1) Wie in Fig. 1A veranschaulicht ist, wird einfallendes Licht 4 von der als fotoelektrische Wandlereinrichtung wirkenden Fotodiode 1 in Fotoströme umgesetzt, die über die Eingangs-Gateelektrode 10 einem Abschnitt unterhalb der Akkumulationselektrode 11 zugeführt und dort akkumuliert werden.
(2) Bei Beendigung dieser Akkumulation wird in der in Fig. 1B veranschaulichten Weise ein Impulssignal der Abschöpfelektrode 12 zur Änderung der Höhe der Potentialsenke zugeführt, woraufhin einige akkumulierte Ladungen (Abschöpfladungen) zu der mit dem schwebenden Gate des MOS-Transistors 2 verbundenen n&spplus;-leitenden Diffusionsschicht 31 übertragen werden. Die zu übertragende Ladungsmenge wird von einem an die Abschöpfelektrode 12 anzulegenden Impulssignal (Abschöpfspannung) gesteuert.
(3) Sodann werden in der in Fig. 1C veranschaulichten Weise die unter der Akkumulationselektrode 11 befindlichen Restladungen über die Überlaufelektrode 15 zum Überlauf-Drainanschluss 14 abgeführt.
Wenn eine solche Ladungsabschöpfung und -übertragung in der vorstehend beschriebenen Weise durchgeführt wird, lässt sich auf Grund der in den Fig. 12A und 12B veranschaulichten Unterdrückung der von der Hintergrundstrahlung hervorgerufenen Gleichstromanteile 116 der Kontrast verstärken und ein Signal mit einem hohen Störabstand (S/N-Verhältnis) erhalten.
Durch entsprechende Wiederholung der Vorgänge (1) bis (3) lassen sich die Hintergrund-Signalanteile unterdrücken, sodass ein Signal mit einem noch höheren Störabstand (S/N- Verhältnis) erhalten werden kann.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Signalanteile nichtlöschend ausgelesen werden können, lässt sich der Abschöpfbetrag automatisch optimieren, indem Signale während der Akkumulationsperiode ausgelesen werden und die Abschöpfspannung z. B. auf der Basis einer Spannung eingestellt wird, die dem Maximalsignal der Abschöpfladungen sämtlicher Bildelemente entspricht.
Bei Bildelementen mit dieser fotoelektrischen Wandlereinrichtung können Signale in Einheiten von Bildelement-Blöcken ausgelesen werden, wobei der Abschöpfbetrag durch eine Abschöpfspannung gesteuert werden kann, die der Minimalspannung der Lesesignale in Einheiten von Bildelement-Blöcken entspricht. Eine solche Steuerung in Takteinheiten lässt sich realisieren, indem für die Abtastung der jeweiligen Bildelemente vorgesehene Abtastschaltungen zur lokalen Abtastung der Bildelemente gesteuert werden.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines linearen MOS-Sensors als Ausführungsbeispiel des vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1A bis 1C beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels des fotoelektrischen Wandlerelements. Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung für vier Bildelemente, wobei nachstehend auf den durch eine gestrichelte Linie G1 gekennzeichneten Abschnitt als periphere Schaltung eines Bildelements näher eingegangen wird. Hierbei ist zu beachten, dass der Wählschalter 13 gemäß den Fig. 1A bis 1C in Fig. 2 nicht dargestellt ist.
Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 umfasst eine als fotoelektrische Wandlereinrichtung dienende Fotodiode 1, die in dem Schaltbild aus Gründen der Vereinfachung als Bauelement dargestellt ist (wobei die Fotodiode 1 tatsächlich von dem p-n-Übergang zwischen einem p-leitenden Halbleitersubstrat und einer n&spplus;-leitenden Diffusionsschicht 30 gebildet wird, was auch, auf die in den anderen Figuren dargestellte Fotodiode zutrifft). Die Schaltungsanordnung umfasst außerdem einen Treiber-MOS-Feldeffekttransistor 2 zur Erzeugung eines Ausgangssignals. Der Drainanschluss des MOS-Feldeffekttransistors 2 ist mit einer Ausgangsleitung verbunden, wobei ein MOS-Feldeffekttransistor 17 als in die Ausgangsleitung eingefügter Lastwiderstand dient. Das Lastelement 17 und der Treiber-MOS-Feldeffekttransistor 2 bilden einen Source-Folger-Verstärker für jedes Bildelement. Die Schaltungsanordnung umfasst außerdem eine Eingangs-Gateelektrode 10, eine Akkumulationselektrode 11, eine Abschöpfelektrode 12 und einen MOS-Schalter 16 zur Rückstellung des schwebenden Gates des MOS- Feldeffekttransistors 2.
Darüberhinaus umfasst die Schaltungsanordnung einen Überlauf-Drainanschluss 14 und einen als Überlauf- Steuerschalter dienenden MOS-Feldeffekttransistor 15.
Weiterhin umfasst der Sensor eine automatische Abschöpfspannungs-Steuerschaltung 51 sowie eine Detektorschaltung 52 zur Ermittlung des Maximalwertes der Abschöpfladungen eines jeden Bildelements.
Die Schaltungen 51 und 52 ermitteln als Einrichtungen zur automatischen Steuerung der Abschöpfladungsmenge das Maximalsignal der Abschöpfladungen und vergleichen es mit einem geeigneten Signalpegel. Wenn das Maximalsignal der Abschöpfladungen kleiner als der korrekte Signalpegel ist, steuern diese Einrichtungen die Abschöpfspannung zur Vergrößerung der Abschöpfladungsmenge, während sie andernfalls die Abschöpfspannung zur Verringerung der Abschöpfladungsmenge steuern.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 dienen die Abschöpfelektrode 12 als Einrichtung zur Übertragung von Abschöpfladungen der von der fotoelektrischen Wandlereinrichtung erzeugten Ladungen,
die automatische Abschöpfspannungs-Steuerschaltung 51 und die Maximalwert-Detektorschaltung 52 zur Ermittlung des Maximalwertes der Abschöpfladungen eines jeden Bildelements als Einrichtungen zur Steuerung der zu übertragenden Abschöpfladungsmenge,
ein n&spplus;-leitender Bereich 31 als Einrichtung zur Akkumulation der übertragenen Abschöpfladungen, und
der MOS-Schalter 15 als Einrichtung zur Rückstellung bzw. Abführung von Ladungen, die nach der Übertragung der Abschöpfladungen der von der fotoelektrischen Wandlereinrichtung erzeugten Ladungen verblieben sind.
Fig. 3 zeigt Signalverläufe bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2, während Fig. 4 den Steuerablauf und die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 in Form eines Ablaufdiagramms veranschaulicht.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 auf Betrieb und Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels näher eingegangen.
Zur Zeit t&sub0; werden Impulse φR, φT, φS und φSKM zur Rückstellung der Restladungen der Bildelemente angelegt. Mit Beendigung der Rückstellung (t&sub1;) beginnt die Akkumulation von fotoelektrischen Ladungsträgern.
Zur Zeit t&sub2;, bei der die Zuführung der Impulse φT und φS erfolgt und der Impuls φSKM einer Anfangsspannung den Abschöpfelektroden zugeführt wird, werden Abschöpfladungen entsprechend der angelegten Spannung aus den schwebenden Gates der Transistoren 2 der jeweiligen Bildelemente ausgelesen. Wenn hierbei auch die Impulse φL und φTR angelegt werden, lesen die Source-Folger-Verstärker der jeweiligen Bildelemente Bildsignale zu Kondensatoren CT1 bis CT4 aus.
Danach wird von der Zeit t&sub3; bis zu der Zeit t&sub4; eine Abtastschaltung 21 zum seriellen Auslesen der Signale aus den Kondensatoren CT1 bis GT4 zu einem Ausgangsanschluss 53 angesteuert, wobei der Schaltungsblock 52 z. B. den Maximalwert dieser Signale erhält.
Der Schaltungsblock 51 erzeugt eine optimale Abschöpfspannung φSKM in Abhängigkeit von dem erhaltenen Maximalsignalbetrag und führt diese Spannung zur Zeit t&sub5; dem jeweiligen Bildelement zur Durchführung der Abschöpfladungsübertragung und des Signalauslesens wieder zu.
Durch Wiederholung der Folge der vorstehend beschriebenen Vorgänge kann ein optimales Abschöpfsignal erhalten werden.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung setzen die Bildelemente nach der Abschöpfladungsübertragung die Ladungsakkumulation ohne Rückstellung der Akkumulationselektroden fort. Alternativ kann bei jeder Abtastung eine Rückstellung der Akkumulationselektroden sowie von Bildelementabschnitten erfolgen, woraufhin anschließend die Akkumulation wieder aufgenommen wird.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer automatischen Einstellschaltung für die Abschöpfspannung während der Akkumulationsperiode, die in Fig. 2 mit der Bezugszahl 51 bezeichnet ist. Bei dieser Schaltungsanordnung wird ein Eingangssignal (das von der Einheit 52 gemäß Fig. 2 abgegebene Signal) invertiert und von einem invertierenden Verstärker 61 verstärkt, wobei sich die erhaltene Ausgangsspannung in der Amplitude des Impulses φSKM wiederspiegelt. Wenn somit das Eingangssignal kleiner wird, wird die Amplitude des Impulses φSKM größer, um automatisch den Betrag bzw. die Menge der zu übertragenden Abschöpfladungen zu vergrößern.
Die Fig. 6A und 6B zeigen ein Ausführungsbeispiel der in Fig. 2 mit der Bezugszahl 52 bezeichneten Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Maximalwertes der Abschöpfladungssignale der jeweiligen Bildelemente. Hierbei zeigt Fig. 6A ein Schaltbild, während in Fig. 6B die zugehörigen Signalverläufe dargestellt sind. Im Betrieb der Schaltung geht ein Impuls φINIT zum Durchschalten eines MOS- Schalters 71 auf einen hohen Pegel über, wodurch ein Kondensator 72 zurückgestellt wird. Sodann wird bei jeder Eingabe eines Signals das Eingangssignal mit der Spannung am Kondensator 72 verglichen. Wenn das Eingangssignal kleiner als die Spannung am Kondensator 72 ist, geht ein Impuls OUT auf den in Fig. 6B dargestellten Pegel VCC über, während andernfalls der Impuls OUT den Massepegel GND annimmt. Demzufolge wird ein PMOS-Feldeffekttransistor 73 durchgeschaltet und das Eingangssignal dem Kondensator 72 zugeführt. Bei Beendigung einer Folge von Vorgängen geht ein Impuls φREAD zum Durchschalten eines MOS-Schalters 74 und damit zur Bildung einer Rückkopplungsschleife auf einen hohen Pegel über, wodurch die Spannung des Kondensators 72 ausgegeben wird.
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels, das im wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, mit der Ausnahme, dass eine Einrichtung zur Ermittlung eines Maximalwerts der Bildelemente vorgesehen ist.
Gemäß Fig. 7 ist ein NPN-Transistor 23 in die Ausgangsleitung eines jeden Bildelements eingefügt, wobei die jeweiligen Emitter dieser Transistoren miteinander verbunden sind. Wenn bei dieser Anordnung Signale aus den jeweiligen Bildelementen zu Kondensatoren CT1 bis CT4 ausgelesen werden, lässt sich der Maximalwert der Signale sofort erhalten.
In diesem Falle kann die Schaltung 52' ein einfacher Pufferverstärker sein.
Fig. 8 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, das im wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, mit der Ausnahme, dass die Einrichtung zur Ermittlung des Maximalsignals der Bildelemente durch eine Einrichtung zur Ermittlung von Hintergrundlicht ersetzt ist.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 8 dient z. B. ein von einer gestrichelten Linie umschlossenes Bildelement G4 als Leer-Bildelement, das in einer Position angeordnet ist, in der kein Licht einfällt, sodass die Spannung des Hintergrundlichts auf der Basis des Ausgangssignals dieses Bildelements erhalten wird und sich auf diese Weise die Abschöpfspannung steuern lässt.
Fig. 9 zeigt ein Schaltbild eines fotoelektrischen Wandlerelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, dass der Ausgangsverstärker des ersten Ausführungsbeispiels des Wandlerelements durch eine NMOS-Inverterschaltung ersetzt ist. Mit Hilfe dieser Anordnung kann der Verstärkungsfaktor auf den Wert 1 oder mehr eingestellt werden. In Fig. 9 bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche bzw. entsprechende Bauelemente und Abschnitte wie in den Fig. 1A bis 1C, sodass eine erneute detaillierte Beschreibung entfallen kann.
Fig. 10 zeigt ein Schaltbild eines fotoelektrischen Wandlerelements gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist anstelle der Anordnung einer Abschöpfelektrode, einer Eingangs-Gateelektrode und einer Akkumulationselektrode lediglich eine Abschöpfelektrode 12 vorgesehen, die auch die Aufgaben der Eingangs-Gateelektrode und der Akkumulationselektrode des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels übernimmt.
Nachdem Abschöpfladungen der von einer Fotodiode erzeugten Ladungen einem n&spplus;-leitenden Bereich 31 zugeführt sind, werden die Restladungen über einen in einem n&spplus;-leitenden Bereich 30 angeordneten MOS-Schalter 15 abgeführt.
Der Betrag der Abschöpfladungen wird von der Abschöpfelektrode 12 in der gleichen Weise wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gesteuert.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde eine fotoelektrische Wandlervorrichtung in Betracht gezogen, bei der ein fotoelektrisches Signal durch dessen Übertragung zu der Gateelektrode des MOS-Transistors ausgelesen wird. Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen fotoelektrischen Wandlervorrichtungen, wie einem FGA- Bauelement (floating gate array device, d. h., Bauelement mit einer Anordnung mit schwebendem Gate), einem AMI- Bauelement (amplified MOS intelligent imager, d. h., intelligentes MOS-Abbildungselement mit Verstärkung), einem BASIS-Bauelement (base-stored image sensor, d. h., Bildsensor mit Basisspeicherung) und dergleichen Anwendung finden.
Ferner ist bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen eine eindimensionale fotoelektrische Wandlervorrichtung betrachtet worden. Die gleiche Wirkung lässt sich jedoch auch erzielen, wenn die Erfindung bei einer zweidimensionalen fotoelektrischen Wandlervorrichtung Anwendung findet.
Ferner finden bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen n-leitende Schichten als Diffusionsschichten 30 und 31 Verwendung. Alternativ können jedoch auch ein n-leitfähiges Halbleitersubstrat und p- leitfähige Diffusionsschichten verwendet werden.
Da, wie vorstehend beschrieben, z. B. ein MOS-Transistor oder dergleichen als Akkumulationseinrichtung für die Abschöpfladungen anstelle eines bei einer üblichen Wandlervorrichtung verwendeten CCD-Bauelements Verwendung findet, lässt sich eine fotoelektrische Wandlervorrichtung mit Ladungsabschöpfung und -übertragung realisieren, bei der sich Hintergrund-Signalanteile wie bei der üblichen Wandlervorrichtung unterdrücken lassen und außerdem ein Signal mit einem hohen Störabstand (S/N-Verhältnis) gebildet und damit ein hoher Kontrast erhalten werden kann.
Da sich ferner die Abschöpfspannung automatisch in Echtzeit steuern lässt, kann eine optimale Abschöpfladungsmenge gebildet bzw. erhalten werden.
Da die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, können im Rahmen des durch die Patentansprüche definierten Schutzumfangs der Erfindung auch viele andersartige Ausführungsformen der Erfindung in Betracht gezogen werden.

Claims

1. Fotoelektrische Wandlervorrichtung, mit einer Vielzahl von Bildelementen (1, 2, 12), die jeweils eine zugehörige fotoelektrische Wandlereinrichtung (1), eine zur Übertragung einer von der fotoelektrischen Wandlereinrichtung erzeugten Abschöpfladung ausgestaltete Elektrode (12) und eine zugehörige Aufnahmeinrichtung (31, 2) zur Akkumulation der von der Elektrode übertragenen Ladung aufweisen, und

einer Steuereinrichtung (51 bis 54) zur Steuerung einer jeden Elektrode (12) zur Änderung der jeweiligen Abschöpfladungsmenge, die von jeder fotoelektrischen Wandlereinrichtung (1) zu jeder zugehörigen Aufnahmeeinrichtung (2) übertragen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

jede zugehörige Aufnahmeeinrichtung einen jeweiligen Verstärkertransistor (2) mit einer nichtlöschenden Verstärkungsfunktion aufweist, der zur Aufnahme der von der Elektrode (12) übertragenen Abschöpfladung in einem Steuerelektrodenbereich (31) ausgestaltet ist, dessen Spannungspotential von der jeweils übertragenen Ladungsmenge abhängt, und

die Steuereinrichtung (51 bis 54) jede Elektrode (12) in Abhängigkeit von dem von dem zugehörigen Verstärkertransistor (2) abgegebenen Signal steuert.

2. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (51 bis 54) eine Maximalwert-Detektorschaltung (52) zur Ermittlung eines Maximalsignals der von den Verstärkertransistoren (2) der Vielzahl von Bildelementen abgegebenen Ladungen, eine Vergleicherschaltung (61) zum Vergleich des Maximalsignals mit einem geeigneten Signalpegel und eine Spannungsausgabeschaltung (61 bis 65) aufweist, die zur Zuführung verschiedener Spannungspegel zu der Elektrode (12) ausgestaltet ist, um in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Vergleicherschaltung die von der fotoelektrischen Wandlereinrichtung (1) zu dem Verstärkertransistor (2) übertragene Ladungsmenge zu vergrößern und zu verringern.

3. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (51 bis 54) die von der fotoelektrischen Wandlereinrichtung (1) zu dem Verstärkertransistor (2) übertragene Ladungsmenge auf der Basis von Einheiten eines eine Vielzahl von Bildelementen enthaltenden Blocks steuert.

4. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkertransistor (2) ein MOS- Transistorabschnitt einer invertierenden Verstärkerschaltung ist.

5. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung die Elektrode (12) durch Veränderung einer Impulsamplitude steuert.