DE69723136T2

DE69723136T2 - Photoelektrische Wandler-Vorrichtung und photoelektrisches Wandler-System zur Benutzung der Vorrichtung

Info

Publication number: DE69723136T2
Application number: DE69723136T
Authority: DE
Inventors: Tadao Ohta-ku Endo; Noriyuki Ohta-ku Kaifu; Toshiaki Ohta-ku Sato; Masakazu Ohta-ku Morishita
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-03-13
Filing date: 1997-03-11
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2017-03-12
Also published as: US20120206608A1; KR100266534B1; EP0796000B1; US7643077B2; JPH09307698A; JP4035194B2; DE69723136D1; KR970067953A; US8488037B2; EP0796000A3; US7440017B2; US20070115379A1; US20040027472A1; HK1002577A1; US8179469B2; US20010012070A1; EP0796000A2; US20100054407A1

Description

HINTERGRUND UND TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine fotoelektrische Wandlervorrichtung sowie ein fotoelektrisches Wandlersystem, bei dem die Wandlervorrichtung Verwendung findet, und bezieht sich insbesondere auf eine fotoelektrische Wandlervorrichtung, die bei Röntgen-Bildaufnahmegeräten zur zerstörungsfreien Untersuchung für medizinische Zwecke, ärztliche Betreuung oder im Rahmen einer innerlichen bzw. internistischen Untersuchung sowie bei Bildeingabeeinheiten für Bürogeräte, wie digitale Kopiergeräte, elektronische Anzeigetafeln und Faksimilegeräte, und dergleichen einsetzbar ist, sowie auf ein System, bei dem die Wandlervorrichtung Verwendung findet.
In Betracht gezogener Stand der Technik
Derzeit findet bei den meisten der für medizinische Diagnosezwecke eingesetzten Röntgen-Bildaufnahmegeräte ein sog. Filmverfahren Verwendung, bei dem ein menschlicher Körper mit Röntgenstrahlen beaufschlagt wird und die durch den menschlichen Körper hindurch getretenen bzw. transmittierten Röntgenstrahlen sodann auf ein Leuchtstoffelement bzw. einen Leuchtschirm zur Umsetzung der Röntgenstrahlen in sichtbares Licht gerichtet werden, das sodann zur Belichtung eines Films herangezogen wird.
Nicht nur in Japan mit seiner alternden Bevölkerung sondern auch weltweit werden jedoch in erheblichem Maße Verbesserungen der Effizienz der Diagnostik in Kliniken sowie genauer arbeitende Geräte für die Medizintechnik verlangt. Unter solchen Bedingungen erweist sich ein mit dem bekannten Filmverfahren arbeitendes Röntgen-Bildaufnahmegerät als sehr zeitaufwändig, da der Film entwickelt werden muss, bevor ein Arzt das Röntgenbild eines Patienten erhält. Ferner muss in Fällen, bei denen sich der Patient während der Röntgenbildaufnahme bewegt und demzufolge Fehleinstellungen auftreten, eine solche Röntgenbildaufnahme gegebenenfalls wiederholt werden. Diese Faktoren stehen einer Verbesserung der Effizienz der Diagnostik und Behandlung in Kliniken im Wege und führen auch zu einer erheblichen Belastung des Patienten, was ein großes Hindernis auf dem Wege der Entwicklung zu einer neuen, medizinisch besser versorgten Gesellschaft darstellt.
In diesem Zusammenhang wird auf dem Gebiet der Medizintechnik in jüngster Zeit immer mehr die Forderung nach einer "Digitalisierung der Röntgen-Bildinformation" erhoben. Mit Hilfe einer solchen Digitalisierung kann ein Arzt die Röntgen-Bildinformationen des Patienten unter optimalen Winkeln in Echtzeit erhalten, wobei die erhaltenen Röntgen-Bildinformationen unter Verwendung eines Aufzeichnungsträgers wie einer magnetooptischen Platte aufgezeichnet und verarbeitet werden können. Unter Verwendung einer Faksimile-Nachrichtenübertragung oder mit Hilfe eines anderen Nachrichtenübertragungsverfahrens oder dergleichen können die Röntgen-Bildinformationen des Patienten innerhalb kürzester Zeit weltweit einer jeden Klinik übermittelt werden.
Bei einer zerstörungsfreien Untersuchung, wie im Falle der Untersuchung des Inneren eines Objektes, wie eines wachsenden bzw. im Aufbau befindlichen Körpers, ist die wiederholte Einstellung verschiedener Geräte für die Radiografie bzw. die wiederholte Durchführung einer Röntgen-Bildaufnahme erforderlicher Bereiche bzw. Körperteile nicht zulässig. Im Falle des Filmverfahrens kann jedoch vor dem Abschluss der Filmentwicklung bei einer solchen Untersuchung nicht festgestellt werden, ob die Röntgen-Bildaufnahme erforderlicher Bereiche vollständig ist. Da eine sachkundige bzw. fachärztliche Beurteilung erst nach dem Abschluss der Filmentwicklung erfolgt, kann der Facharzt somit keine Bildaufnahme unter einem anderen in-situ-Winkel oder eine gegebenenfalls erforderliche insitu-Behandlung veranlassen.
Demzufolge besteht auf diesem Gebiet in erheblichem Maße auch ein Bedarf in Bezug auf die Gewinnung von Röntgen-Bildinformationen gewünschter Bereiche in Echtzeit.
Zur Erfüllung der Forderung nach einer "Digitalisierung von Röntgen-Bildinformationen" sind in jüngster Zeit bereits Röntgen-Bildaufnahmegeräte vorgeschlagen worden, bei denen anstelle des Films Festkörper-Bildsensoren mit ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD) oder fotoelektrische Wandlerelemente aus amorphem Silicium Verwendung finden.
1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Beispiels für eine zweidimensionale fotoelektrische Wandlereinrichtung, die bei einem solchen Röntgen-Bildaufnahmegerät einsetzbar ist. 1 veranschaulicht die zweidimensionale fotoelektrische Wandlereinrichtung zur Vereinfachung der Beschreibung in Form einer Anordnung von 3 × 3 Bits bzw. Bildelementen, jedoch weisen derartige fotoelektrische Wandlereinrichtungen in der Praxis in Abhängigkeit vom Verwendungszweck meist viel mehr Bitstellen bzw. Bildelemente auf.
In 1 bezeichnen die Bezugszeichen T1-1, T1-2, T1-3, T2-1, ..., T3-3 jeweils ein Schaltelement, die Bezugszeichen S1-1, S1-2, S1-3, S2-1, ...., S3-3 jeweils ein fotoelektrisches Wandlerelement, das Bezugszeichen SR1 ein Schieberegister, das Bezugszeichen SR2 ein Schieberegister, die Bezugszeichen G1, G2, G3 jeweils eine Gate-Ansteuerleitung, die Bezugszeichen M1, M2, M3 jeweils eine Signalleitung, die Bezugszeichen C1, C2, C3 jeweils einen Speicher- bzw. Ladekondensator (z. B. einer jeweiligen Leitung zugeordnete äquivalente Zusatzkondensatoren), die Bezugszeichen RES1, RES2, RES3 jeweils einen Rückstellschalter, das Bezugszeichen CRES einen Spannungsimpuls-Eingabeabschnitt für die Rückstellung, das Bezugszeichen OP einen Operationsverstärker, das Bezugszeichen Ca eine Sammelkapazität, die Bezugszeichen U1, U2, U3 jeweils ein Schaltelement zum Auslesen, die Bezugszeichen N1, N2, N3 jeweils eine Gate-Ansteuerleitung für die Schaltelemente U1 bis U3, die Bezugszahl 1 einen fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt und die Bezugszahl 2 einen Leseschaltungsabschnitt.
Bei der Wandlereinrichtung gemäß 1 wird auf die fotoelektrische Wandlerelemente S1-1 bis S3-3 fallendes Licht by von den fotoelektrische Wandlerelementen S1-1 bis S3-3 in Signalladungen fotoelektrisch umgesetzt, die in Zwischenelektroden-Kapazitäten der jeweiligen fotoelektrischen Wandlerelemente S1-1 bis S3-3 akkumuliert werden. Diese fotoelektrischen Wandlersignale werden zur Bildung paralleler Spannungsausgangssignale über die Übertragungsschalter T1-1 bis T3-3 und die Signalleitungen M1 bis M3 geführt. Weiterhin werden sie von dem Leseschaltungsabschnitt in serielle Signale umgesetzt und als Ausgangssignale abgegeben.
Bei dem Ausführungsbeispiel der fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß 1 sind die insgesamt 9-Bit-Bildelemente umfassenden fotoelektrischen Wandlerelemente in drei Zeilen unterteilt, die jeweils drei Bitstellen umfassen. Der vorstehend beschriebene Ablauf wird in Zeileneinheiten aufeinanderfolgend ausgeführt.
2 zeigt zeitabhängige Signalverläufe zur Veranschaulichung eines Beispiels für Betrieb und Wirkungsweise der fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß 1.
Die den fotoelektrischen Wandlerelementen S1-1 bis S1-3 der ersten Zeile zugeführten optischen Informationen (hv) werden fotoelektrisch in Signalladungen umgesetzt, die in Elektrodenkondensatoren der jeweiligen fotoelektrischen Wandlerelemente S1-1 bis S1-3 akkumuliert werden. Nach Ablauf einer konstanten Akkumulationszeit führt das Schieberegister SR1 einen ersten Spannungsimpuls für die Signalübertragung der Gate-Ansteuerleitung G1 während der Zeitdauer T1 zur Durchschaltung der Übertragungsschaltelemente T1-1 bis T1-3 zu. Hierdurch werden die in den jeweiligen Elektrodenkondensatoren (S1-1 bis S1-3) der fotoelektrischen Wandlerelemente S1-1 bis S1-3 akkumulierten Signalladungen über die jeweiligen Signalleitungen M1 bis M3 den Speicher- oder Ladekapazitäten C1 bis C3 zugeführt, wodurch die Potentiale V1 bis V3 der jeweiligen Ladekondensatoren C1 bis C3 um die Signalladungsmenge angehoben werden (Signalübertragungsvorgang).
Sodann führt das Schieberegister SR2 aufeinanderfolgend Spannungsimpulse den Gate-Ansteuerleitungen N1 bis N3 zur Umschaltung der Leseschalter U1 bis U3 in dieser Reihenfolge zu, wodurch die den Ladekapazitäten Cl bis C3 zugeführten Signale der ersten Zeile in serielle Signale umgesetzt werden. Daraufhin wird nach einer Impedanzumwandlung durch den als Spannungsfolger ausgestalteten Operationsverstärker OP das Signal von drei Bildelementen (Vout) während der Zeitdauer T3 von der fotoelektrischen Wandlereinrichtung als Ausgangssignal abgegeben (Lesevorgang).
Danach wird ein Rückstell-Spannungsimpuls CRES den Rückstellschaltern RES1 bis RES3 während der Zeitdauer T2 zur Rückstellung der Ladekapazitäten C1 bis C3 zugeführt, um den Lesevorgang der nächsten Zeile vorzubereiten (Rückstellvorgang).
Sodann steuert das Schieberegister SR1 aufeinanderfolgend die Gate-Ansteuerleitungen G2, G3 an, sodass die Daten sämtlicher Bildelemente der fotoelektrischen Wandlerelemente S2-1 bis S3-3 in zeitlich serieller Form ausgegeben werden.
Da eine solche fotoelektrische Wandlereinrichtung in Form eines Flächen- oder Bereichssensors mit einer zweidimensionalen Anordnung von Fotosensoren im allgemeinen die vorstehend beschriebenen Vorgänge der Signalübertragung, des Auslesens und der Rückstellung in Zeileneinheiten aufeinanderfolgend ausführt, werden die Bildsignale von der fotoelektrischen Wandlereinrichtung intermittierend in der in 2 durch das Signal Vout veranschaulichten Weise ausgegeben. Die zum Auslesen einer Zeile erforderliche Zeit ist somit durch T1 + T3 + T2 gegeben, wobei im Falle der zweidimensionalen fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß 1 mit 3 × 3 Bildelementen die dreifache Zeit zum Auslesen sämtlicher Bitstellen bzw. Bildelemente erforderlich ist. In der Medizintechnik wird z. B. davon ausgegangen, dass die Abmessungen des fotoelektrischen Wandlerabschnitts eines Röntgen-Bildaufnahmegerätes zur Aufnahme des Lungenbereichs etwa 40 cm × 40 cm betragen müssen. Wenn angenommen wird, dass hierbei ein Bildelementraster bzw. -abstand von 100 μm Verwendung findet, erreicht die Gesamtzahl der Bildelemente den riesigen Wert von 4000 × 4000 = 16 Millionen Bildelementen. Wenn ferner einfach angenommen wird, dass zur Durchführung des Lesevorgangs die Anordnung gemäß 1 verwendet wird, beträgt die hierfür erforderliche Zeit 4000 × (T1 + T2 + T3). Tatsächlich ist für T3 eine längere Zeitdauer anzusetzen, sodass üblicher Weise eine Anordnung aus einer Vielzahl von (N) Leseschaltungsabschnitten vorgesehen ist, die eine parallele Leseabtastung von N Bits ermöglicht, sodass sämtliche Bildelemente in der Zeitdauer 4000 × (T1 + T2 + T3/N) ausgelesen werden können.
Bei einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung, bei der die Vorgänge von der Signalübertragung für das Auslesen bis zur Rückstellung aufeinanderfolgend durchgeführt werden, muss auch bei Verwendung einer solchen Anordnung in die zum Auslesen der Bildelemente einer Zeile (= 4000/N Bildelemente) erforderliche Zeitdauer bei jedem Auslesen der Bildelemente einer Zeile jeweils die Rückstellzeit T1 und die Rückstellzeit T2 einbezogen werden, sodass bei einer solchen Wandlereinrichtung das Problem auftritt, dass die Abtastzeit der fotoelektrischen Umsetzung, insbesondere bei einer erheblichen Anzahl von Bildelementen, unter Umständen länger als erwartet ausfällt. Insbesondere bei Verwendung von sehr kostengünstigen Dünnschichttransistoren aus amorphem Silicium (nachstehend auch als "a-Si" bezeichnet) für die Übertragungsschaltelemente (T1-1 bis T3-3) zeigen diese im Vergleich zu Schaltelementen aus einkristallinem Silicium eine unzureichende Schaltleistung, was eine Verbesserungsmöglichkeit in Bezug auf die Erzielung einer höheren Lesegeschwindigkeit bei der fotoelektrischen Wandlereinrichtung eröffnet.
Die Lade- bzw. Speicherkondensatoren sind in 1 in Form von Kapazitätselementen von Lesekondensatoren C1 bis C3 dargestellt, jedoch müssen sie in der Praxis nicht in Form von diskreten Bauelementen vorgesehen werden, sondern bestehen normalerweise aus Zwischenelektroden-Kapazitäten (Cgs), die von den Gate-Elektroden der Schaltelemente T1-1 bis T3-3 und den Elektroden auf der Seite der Signalleitungen M1 bis M3 gebildet werden. Bei der Übertragung der Signalladung des Wandlerelements S1-1 in der ersten Zeile ist z. B. die Kapazität des Ladekondensators (Lesekondensators) C1 durch die Summe der Elektrodenkapazitäten Cgs der Schaltelemente T1-1, T2-1 und T3-1 gegeben, die parasitär an der Signalleitung M1 auftreten. Wenn z. B. die Signalleitung des Wandlerelements S2-2 in der zweiten Zeile übertragen wird, ist die Kapazität C2 in ähnlicher Weise durch die Summe der Elektrodenkapazitäten Cgs der Schaltelemente T1-2, T2-2 und T3-2 gegeben, die parasitär an der Signalleitung M2 auftreten. Bei jeder Signalladungsübertragung eines beliebigen fotoelektrischen Wandlerelements ist somit die Kapazität des Ladekondensators (C1 bis C3) durch die Summe der drei Kapazitäten Cgs der Schaltelemente gegeben. Bei einer zweidimensionalen fotoelektrischen Wandlereinrichtung mit 4000 × 4000 Bildelementen nimmt daher die Ladekapazität einer jeden Signalleitung in der Matrix den Kapazitätswert Cgs × 4000 an. Bei der Umsetzung der Signalladungen der Ladekapazitäten in serielle Signale durch die Schaltelemente U1 bis U3 im Leseschaltungsabschnitt wird dagegen jede Signalladung im wesentlichen zu der Eingangskapazität (Ca gemäß 1) übertragen, die parasitär am Eingang des Analog-Operationsverstärkers OP auftritt. Wenn die Übertragungsschaltelemente aus amorphem Silicium bestehen, lässt sich die Impedanzumwandlung mit nur geringfügiger Verringerung des Signalpotentials der Ladekapazität erzielen, da für die Ladekapazität gilt: Cgs × 4000 » Ca.
Bei der vom Schieberegister SR2 gesteuerten Signalübertragung vom Ladekondensator (C1 bis C3) über das Schaltelement (U1 bis U3) zum Operationsverstärker OP kann sich jedoch in einigen Fällen das Problem ergeben, dass das auf Grund der Wärmebewegung der Ladungsträger in den Schaltelementen auftretende thermische Rauschen den Störabstand (S/N) der fotoelektrischen Wandlereinrichtung verringert. Der Effektivwert Vj dieser thermischen Rauschspannung ist im allgemeinen gegeben durch: Vj = (4KTRB)1/2(Vrms).
Hierbei bezeichnen K die Boltzmann-Konstante in Form von 1,38 × 10^-23 (J/K), T die absolute Temperatur (K) und B die Frequenzbandbreite (Hz) des Systems. Weiterhin ist mit R ein Widerstandswert (Ω) bezeichnet, falls das thermische Rauschen in einem Widerstand auftritt. Im Falle dieses Systems kann dieser Widerstandswert als Einschaltwiderstand (Ω) der Schaltelemente angesehen werden.
Wenn mit CL die matrixseitige Kapazität (Cgs × 4000) und mit Ca die eingangsseitige Kapazität des Operationsverstärkers OP bezeichnet sind, lässt sich bei der thermischen Rauschspannung Vj = (4KTRB)^1/2(Vrms) die Frequenzbandbreite B annähernd in Form von B = 1/(4R(CL||Ca)) ausdrücken, sodass gilt: Vj = (4KTR/(4R(CL||Ca)))1/2 =(KT/(CL||Ca))1/ 2
Hierbei bezeichnet der Ausdruck CL||Ca die Reihenschaltung der Kapazitäten CL und Ca.
Diese Gleichung lässt sich als Ladungsmenge folgendermaßen ausdrücken: Qj = CV = (KT/(CL||Ca))^1/2(Vrms). Die in einem solchen System auftretende thermische Rauschspannung Vj wird somit nur von der Boltzmann-Konstanten K, der Temperatur T und der Kapazität C (= CL||Ca) bestimmt, was üblicherweise als sog. KTC-Rauschen bezeichnet wird. Sofern keine andere Bezeichnung gewählt wird, wird die thermische Rauschspannung nachstehend "KTC-Rauschen" genannt. Dieses KTC-Rauschen ist in vereinfachter Form durch (KT/(CL||Ca))^1/2 (Vrms) gegeben. Da CL >> Ca ist, ist das KTC-Rauschen annähernd durch (KT/Ca)^1/2 bestimmt. Ein solches Rauschen lässt sich durch Vergrößerung der Kapazität Ca verringern, jedoch sind der Vergrößerung der in einem integrierten Schaltkreis (IC) ausgebildeten Kapazität Grenzen gesetzt.
In ähnlicher Weise tritt das KTC-Rauschen auch bei der über die Rückstellschalter RES1 bis RES3 erfolgenden Rückstellung der Ladekapazitäten auf das Rückstellpotential auf, was die Verringerung des Störabstands bei der fotoelektrischen Wandlereinrichtung noch problematischer macht. Dieses KTC-Rauschen bei der Rückstellung ist durch (KT/CL)^1/2(V) gegeben. Das bei der Signalübertragung auftretende KTC-Rauschen sowie das bei der Rückstellung auftretende KTC-Rauschen zeigt sich in Form eines statistischen Rauschens der fotoelektrischen Wandlereinrichtung. Wenn wie im Falle eines für medizinische Zwecke vorgesehenen Röntgen-Bildaufnahmegerätes hochauflösende Bildinformationen mit hohen Gradationswerten erhalten werden sollen, erfordert dies eine fotoelektrische Wandlereinrichtung mit höheren Störabstandswerten als bei Bürogeräten, wie Kopiergeräten oder elektronischen (Anzeige-) Tafeln, wobei das KTC-Rauschen hierbei ein großes Problem darstellen kann.
Wenn im fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt mit CS die Zwischenelektroden-Kapazität eines einzelnen fotoelektrischen Wandlerelements, mit CL die Lade- oder Speicherkapazität der Matrix-Signalleitung und mit Q die Gesamtmenge der kumulierten Signalladung nach der durch das fotoelektrische Wandlerelement erfolgten fotoelektrischen Umsetzung bezeichnen, ist das Signalpotential V der Ladeoder Speicherkapazität CL an der Matrix-Signalleitung nach der Signalübertragung durch das Übertragungsschaltelement durch V = Q/(CS + CL) gegeben. Da eine einzelne Zwischenelektroden-Kapazität CS viel kleiner als die aus den 4000 Zwischenelektroden-Kapazitäten Cgs bestehende Lade- oder Speicherkapazität CL ist, lässt sich diese Gleichung praktisch durch V = Q/CL annähern. Wenn die Schaltelemente mit der jeweiligen Zwischenelektroden-Kapazität Cgs von einer aus amorphem Silicium bestehenden Halbleiter-Dünnschicht gebildet werden, treten auf Grund von herstellungsbedingten Streuungen der Dünnschichtdicke individuelle Unterschiede zwischen den Kapazitätswerten der Lade- oder Speicherkapazität CL bei den Wandlereinrichtungen auf, was zu dem Problem führen kann, dass sowohl Wandlereinrichtungen, die ein hohes bzw. starkes Ausgangssignal abgeben, als auch Wandlereinrichtungen, die ein niedriges bzw. geringes Ausgangssignal abgeben, hergestellt werden. Zur Überwindung dieses Problems wird als Gegenmaßnahme bei der Auslegung des Systems die Hinzufügung eines Universal-Operationsverstärkers zur Einstellung des Verstärkungsfaktors in Betracht gezogen, jedoch erfordert in einem solchen Falle das vorstehend beschriebene Beispiel die Hinzufügung von N Universal-Operationsverstärkern, was zu einem Anstieg der Herstellungskosten der Wandlereinrichtung führt, insbesondere wenn auch der erforderliche Einstellvorgang in Betracht gezogen wird.
Unter Berücksichtigung der erforderlichen Rauschunterdrückung sollten ferner die N Leseschaltungsabschnitte (integrierte Schaltkreise) insbesondere bei Geräten, die wie im Falle der Medizintechnik hohe Störabstandswerte erfordern, nicht derart angeordnet werden, dass lange Signalleitungen erforderlich sind, sondern die erforderlichen Schaltungsanordnungen sollten vorzugsweise in der Nähe des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts angeordnet sein. Wenn jedoch eine hohe Anzahl (N) von integrierten Schaltkreisen vorgesehen ist, führt die von ihnen erzeugte Wärme in einigen Fällen zu einem Temperaturanstieg des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts. Insbesondere bei Schaltelementen, die von Dünnschichttransistoren aus amorphem Silicium gebildet werden, wird davon ausgegangen, dass der Dunkelstrom im Abschaltzustand ansteigt, wobei ein weiteres Problem dadurch auftreten kann, dass die Wärmeerzeugung der integrierten Schaltkreise zu einem Anstieg des Strukturrauschens der fotoelektrischen Wandlereinrichtung führt.
Wenn z. B. der fotoelektrische Wandlerabschnitt eines für medizinische Zwecke vorgesehenen Röntgen-Bildaufnahmegeräts aus einem Festkörper-Bildsensor besteht, wird davon ausgegangen, dass der für das gesamte Gerät einschließlich der fotoelektrischen Wandlerelemente in Betracht gezogene Rauschanteil 1/10000 oder weniger im Vergleich zu dem Dynamikbereich des Signals betragen muss, wenn eine höhere Bildqualität als die mit dem Filmverfahren erreichbare Bildqualität erzielt werden soll. Dies bedeutet, dass in Bezug auf das Leistungsvermögen des zur Erzielung der angestrebten "Digitalisierung der Röntgen-Bildinformationen" erforderlichen Analog/Digital-Umsetzers ein Auflösungsvermögen von 14 oder mehr Bitstellen vorgesehen werden muss. Derzeit sind im Handel zwar Analog/Digital-Umsetzer mit 16 Bitstellen erhältlich, jedoch verringert sich beim derzeitigen Stand der Technik auch die Umsetzungsgeschwindigkeit mit steigender Anzahl der Bitstellen, sodass bislang kein Hochgeschwindigkeits-A/D-Umsetzer mit 14 oder mehr Bitstellen existiert, der in der Praxis bei einem Röntgen-Bildaufnahmegerät mit der vorstehend beschriebenen fotoelektrischen Wandlereinrichtung aus 4000 × 4000 Bildelementen eingesetzt werden kann.
Aus den US Patentschriften US-A-5 331 421 und US-A-4 965 570 sind fotoelektrische Wandlereinrichtungen bekannt, bei denen die in einer Matrixanordnung vorgesehenen fotoempfindlichen Elemente direkt mit Übertragungsschaltern verbunden sind. Den einzelnen Matrix-Signalleitungen sind keine Verstärker zugeordnet, sondern es findet lediglich eine Verstärkung des bei der getakteten Ansteuerung der Übertragungsschalter im Multiplexbetrieb erhaltenen Signals statt. Ferner sind aus der US-Patentschrift US-A-4 573 079 Sensoranordnungen bekannt, bei denen der Lesevorgang keine Ladungsspeicherung und Ladungsübertragung beinhaltet, wobei eine Verringerung von Komplexität, Abmessungen und Herstellungskosten der Leseschaltung angestrebt wird, indem im Gegensatz zur separaten Zuordnung eines Verstärkers zu einer jeden Matrix-Signalleitung ein im Multiplexbetrieb gebildetes Signal verstärkt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der im Patentanspruch 1 wiedergegebenen Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine fotoelektrische Wandlervorrichtung, durch die sich die Lese-Abtastzeit zur Erzielung eines Hochgeschwindigkeits-Auslesens verringern lässt, sowie ein System anzugeben, bei dem diese Wandlervorrichtung Verwendung findet.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine fotoelektrische Wandlervorrichtung, mit deren Hilfe ein Signal mit einem hohen Störabstand bei geringer Erzeugung von thermischem Rauschen (KTC-Rauschen) ausgelesen werden kann, sowie ein System anzugeben, bei dem diese Wandlervorrichtung Verwendung findet.
Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine fotoelektrische Wandlervorrichtung, mit deren Hilfe gute Bildinformationen ohne ungleichmäßige Dichte oder unnötige Bildstreifen bei verringertem Strukturrauschen erhalten werden können, sowie ein System anzugeben, bei dem diese Wandlervorrichtung Verwendung findet.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine fotoelektrische Wandlervorrichtung, mit deren Hilfe Bildinformationen mit exzellenten Tönungs- bzw. Gradationswerten erhalten werden können, sowie ein System anzugeben, bei dem diese Wandlervorrichtung Verwendung findet.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine fotoelektrische Wandlervorrichtung, bei der uneinheitliche Eigenschaften, wie herstellungsbedingte Abweichungen von fotoelektrischen Wandlerelementen oder dergleichen, zur Erzielung einer weiteren Senkung der Herstellungskosten auf einfache Weise korrigiert werden können, sowie ein System anzugeben, bei dem diese Wandlervorrichtung Verwendung findet.
Gemäß einer Ausführungsform ist erfindungsgemäß eine fotoelektrische Wandlervorrichtung vorgesehen, mit einem fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt, der eine Vielzahl von fotoelektrischen Wandlerelementen, Schaltelementen, Matrix-Signalleitungen und Gate-Ansteuerleitungen umfasst, die zur Ausgabe paralleler Signale auf dem gleichen Substrat angeordnet sind, einem Ansteuerschaltungsabschnitt zur Zuführung eines Ansteuersignals zu den Gate-Ansteuerleitungen und einem Leseschaltungsabschnitt zur Umsetzung der über die Matrix-Signalleitungen übertragenen parallelen Signale in serielle Signale und Ausgabe der seriellen Signale, wobei die fotoelektrische Wandlervorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Leseschaltungsabschnitt zumindest einen jeweiligen analogen Operationsverstärker, der mit einer jeweiligen Matrix-Signalleitung verbunden ist, zumindest einen Übertragungsschalter, der mit dem jeweiligen Ausgang des analogen Operationsverstärkers zur Übertragung der parallelen Signale von jedem der analogen Operationsverstärker zu zumindest einem zur Akkumulierung der übertragenen parallelen Signale vorgesehenen jeweiligen Lesekondensator verbunden ist, zumindest einen mit jedem Lesekondensator und jedem Übertragungsschalter verbundenen Pufferverstärker, zumindest einen Leseschalter zum aufeinanderfolgenden Auslesen der akkumulierten parallelen Signale aus jedem Pufferverstärker in Form von seriellen Signalen und zumindest einen Rückstellschalter zur Rückstellung der Matrix-Signalleitungen nach einer Abtast-Zwischenspeicherung der parallelen Signale umfasst.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Beispiels einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung,
2 zeitabhängige. Signalverläufe zur Veranschaulichung eines Beispiels für das Ansteuerverfahren der fotoelektrischen Wandlereinrichtung,
3 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels der fotoelektrischen Wandlervorrichtung,
4 zeitabhängige Signalverläufe zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des Ansteuerverfahrens für die fotoelektrische Wandlervorrichtung,
5A eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines fotoelektrischen Wandlerelements,
5B eine schematische Querschnittsansicht zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des fotoelektrischen Wandlerelements,
6 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels der fotoelektrischen Wandlervorrichtung,
7 eine schematische Strukturansicht zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines Geräts, bei dem die fotoelektrische Wandlervorrichtung Verwendung findet,
8 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels der fotoelektrischen Wandlervorrichtung,
9 zeitabhängige Signalverläufe zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels für die Ansteuerung der fotoelektrischen Wandlervorrichtung,
10 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels der fotoelektrischen Wandlervorrichtung,
11 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines Operationsverstärkers,
12 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des Operationsverstärkers,
13 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels einer Analog/Digital-Umsetzerschaltung,
14 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines Wählschaltungsabschnitts,
15 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines Bit-Umsetzerschaltungsabschnitts,
16 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels der fotoelektrischen Wandlervorrichtung,
17 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels der fotoelektrischen Wandlervorrichtung,
18 zeitabhängige Signalverläufe zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels für Eingangs/Ausgangssignale einer in 17 dargestellten Verzögerungsschaltung,
19 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels einer Abtast/Speicherschaltung,
20 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels der fotoelektrischen Wandlervorrichtung,
21 zeitabhängige Signalverläufe zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels für die Ansteuerung der fotoelektrischen Wandlervorrichtung,
22A, 22B und 22C schematische Darstellungen von Energiebändern zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels für die Ansteuerung eines fotoelektrischen Wandlerelements,
23 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels der fotoelektrischen Wandlervorrichtung, und
24 zeitabhängige Signalverläufe zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels für die Ansteuerung der fotoelektrischen Wandlervorrichtung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Zur Lösung der verschiedenen, vorstehend genannten Probleme umfasst die erfindungsgemäße fotoelektrische Wandlervorrichtung z. B. einen fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt mit einer Vielzahl von fotoelektrischen Wandlerelementen, Schaltelementen, Matrix-Signalleitungen und Gate-Ansteuerleitungen, die zur Ausgabe paralleler Signale auf dem gleichen Substrat angeordnet sind, einen Ansteuerschaltungsabschnitt zur Zuführung eines Ansteuersignals zu den Gate-Ansteuerleitungen und einen Leseschaltungsabschnitt zur Umsetzung der über die Matrix-Signalleitungen übertragenen parallelen Signale in serielle Signale und Ausgabe der seriellen Signale, wobei der Leseschaltungsabschnitt zumindest einen in Kaskadenschaltung mit einer jeden Matrix-Signalleitung verbundenen analogen Operationsverstärker, Übertragungsschalter zur Übertragung von über die jeweiligen Matrix-Signalleitungen zugeführten und über die analogen Operationsverstärker abgegebenen Ausgangssignalen, Lesekondensatoren zur Akkumulation der übertragenen Ausgangssignale sowie Leseschalter zum aufeinanderfolgenden Auslesen von Signalen aus den Lesekondensatoren in Form von seriellen Signalen umfasst.
Vorzugsweise weist in dem Leseschaltungsabschnitt der analoge Operationsverstärker einer mit jeder Matrix-Signalleitung verbundenen ersten Stufe eine in seinem Eingangsabschnitt umgesetzte Rauschspannungsdichte Vn (V/√Hz) sowie einen zur Verstärkung eines Signals des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts ausreichenden Frequenzbereich B (Hz) auf, die die Beziehung: Vn × √B ≤ Tn in Bezug auf eine effektive thermische Rauschspannung Tn (Vrms) des Schaltelements am Eingangsabschnitt des analogen Operationsverstärkers erfüllen, die im eingeschalteten Zustand des Schaltelements in dem fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt auftritt.
Weiterhin ist im Leseschaltungsabschnitt vorzugsweise ein Kondensatorelement zur alleinigen Weiterleitung von Wechselstromkomponenten in die Mitte einer Ausgangsleitung vom Ausgang des mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundenen analogen Operationsverstärkers geschaltet, wobei ein Rückstellschalter zur Gleichspannungsrückstellung des Kondensatorelements vorgesehen ist.
Darüber hinaus ist in dem Leseschaltungsabschnitt vorzugsweise der zumindest eine, mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundene analoge Operationsverstärker mit der Funktion ausgestattet, seinen Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit von einem externen Signal zu verändern.
Außerdem ist im Leseschaltungsabschnitt vorzugsweise der mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundene analoge Operationsverstärker mit der Funktion ausgestattet, seinen elektrischen Stromverbrauch in Abhängigkeit von einem externen Signal zu verändern.
Ferner ist mit dem Leseschaltungsabschnitt zur Umsetzung eines Analogsignals in ein Digitalsignal vorzugsweise ein Analog/Digital-Umsetzerschaltungsabschnitt verbunden, der N (N ist ganzzahlig und nicht kleiner als 2) Operationsverstärker zur Verstärkung des Ausgangssignals des Leseschaltungsabschnitts und N Analog/Digital-Umsetzer mit M Bitstellen umfasst, wobei das Verhältnis der Verstärkungsfaktoren G1, G2, ..., GN der N Operationsverstärker auf G1 : G2 : ... : GN = 2⁰ : 2¹ : ... : 2^N-1 eingestellt ist, die Ausgangssignale von den N Operationsverstärkern jeweils den N Analog/Digital-Umsetzern zugeführt werden und ein Ausgangssignal eines Analog/Digital-Umsetzers der N Analog/Digital-Umsetzer in Abhängigkeit vom Ausgangssignalpegel eines analogen Ausgangssignals des Leseschaltungsabschnitts ausgewählt und als Digitalwert mit (N + M = -1) Bits ausgegeben wird.
Außerdem ist der vorstehend beschriebene Leseschaltungsabschnitt vorzugsweise derart aufgebaut, dass in der Nähe des mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundenen ersten analogen Operationsverstärkers (amp 1) ein weiterer analoger Operationsverstärker (amp 2) vorgesehen ist, wobei der erste analoge Operationsverstärker (amp 1) als nichtinvertierender Verstärker mit einem nicht unter 1 × liegenden Verstärkungsfaktor und der weitere analoge Operationsverstärker (amp 2) als Pufferverstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 1 × ausgestaltet sind und der erste analoge Operationsverstärker (amp 1) mit einem vom Ausgang des weiteren analogen Operationsverstärkers (amp 2) zugeführten Referenzpotential beaufschlagt wird.
Ferner ist der Leseschaltungsabschnitt vorzugsweise derart aufgebaut, dass ein Kondensatorelement zur alleinigen Weiterleitung von Wechselstromkomponenten in die Mitte einer Ausgangsleitung vom Ausgang des mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundenen analogen Operationsverstärkers geschaltet ist, ein Rückstellschalter zur Gleichspannungsrückstellung des Kondensatorelements vorgesehen ist, und ein Widerstandselement zwischen das Kondensatorelement und den Rückstellschalter geschaltet ist.
Darüber hinaus ist der Leseschaltungsabschnitt vorzugsweise derart ausgestaltet, dass ein Kondensatorelement zur alleinigen Weiterleitung von Wechselstromkomponenten in die Mitte einer Ausgangsleitung vom Ausgang des mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundenen analogen Operationsverstärkers geschaltet ist, ein Rückstellschalter zur Gleichspannungsrückstellung des Kondensatorelements vorgesehen ist, ein Widerstandselement zwischen das Kondensatorelement und den Rückstellschalter geschaltet ist und eine Funktion zur Veränderung der Einschalt/Abschaltzeit des Rückstellschalters durch ein externes Signal vorgesehen ist.
Weiterhin ist der Leseschaltungsabschnitt vorzugsweise derart ausgestaltet, dass ein Kondensatorelement zur alleinigen Weiterleitung von Wechselstromkomponenten in die Mitte einer Ausgangsleitung vom Ausgang des mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundenen analogen Operationsverstärkers geschaltet ist, ein Rückstellschalter zur Gleichspannungsrückstellung des Kondensatorelements vorgesehen ist und eine Tiefpassfilterschaltung mit einem der Anschlüsse des Kondensatorelements verbunden ist, der dem mit dem Ausgang des analogen Operationsverstärkers verbundenen Anschluss gegenüber liegt.
Außerdem ist der Leseschaltungsabschnitt vorzugsweise derart aufgebaut, dass der zumindest eine, mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundene analoge Operationsverstärker mit der Funktion ausgestattet ist, die Anstiegsgeschwindigkeit eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von einem externen Signal zu verändern.
Weiterhin werden die fotoelektrischen Wandlerelemente und Schaltelemente des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts vorzugsweise unter Verwendung eines amorphen Siliciumhalbleiters als Halbleitermaterial hergestellt.
Hierbei kann die Wandlervorrichtung derart aufgebaut sein, dass jedes der fotoelektrischen Wandlerelemente von der Isoliersubstratseite her gesehen eine erste Metall- Dünnschicht (erste elektrisch leitfähige Schicht) als untere Elektrode, eine Isolierschicht aus amorphem Siliciumnitrid (a-SiNx) zur Verhinderung des Hindurchtretens von Ladungsträgern in Form von Elektronen und Defektelektronen, eine fotoelektrische Wandlerschicht aus hydriertem amorphem Silicium (a-Si:H) als Halbleiterschicht, eine n-leitfähige Injektions-Verhinderungsschicht zur Verhinderung des Eindringens von Ladungsträgern in Form von Defektelektronen, und eine in einem Bereich der Injektionsverhinderungsschicht als obere Elektrode (zweite elektrisch leitfähige Schicht) angeordnete transparente elektrisch leitfähige Schicht oder zweite Metall-Dünnschicht aufweist, dass jedes der Schaltelemente (Dünnschichttransistoren) von der Isoliersubstratseite her gesehen eine erste Metall-Dünnschicht als untere Gate-Elektrode, eine Gate-Isolierschicht aus amorphem Siliciumnitrid (a-SiNx), eine Halbleiterschicht aus hydriertem amorphem Silicium (a-Si:H), eine n-leitfähige ohmsche Kontaktschicht und eine transparente elektrisch leitfähige Schicht oder zweite Metall-Dünnschicht als Source- oder Drain-Elektrode aufweist, dass die fotoelektrischen Wandlerelemente und die Schaltelemente auf dem gleichen Isoliersubstrat ausgebildet sind, dass in einem Auffrischungsvorgang ein elektrisches Feld an die fotoelektrischen Wandlerelemente in einer solchen Richtung angelegt wird, dass Ladungsträger in Form von Defektelektronen aus der fotoelektrischen Wandlerschicht zu der zweiten Metall-Dünnschicht geführt werden, dass in einem fotoelektrischen Umsetzungsvorgang ein elektrisches Feld an die fotoelektrischen Wandlerelemente in einer solchen Richtung angelegt wird, dass die von dem auf die fotoelektrische Wandlerschicht fallenden Licht erzeugten Ladungsträger in der fotoelektrischen Wandlerschicht gehalten und Ladungsträger in Form von Elektronen zu der zweiten Metall-Dünnschicht geführt werden, und dass der fotoelektrische Umsetzungsvorgang derart ausgestaltet ist, dass als Lichtsignal die in der fotoelektrischen Wandlerschicht in Form von Defektelektronen akkumulierten Ladungsträger oder die der zweiten Metall-Dünnschicht in Form von Elektronen zugeführten Ladungsträger detektiert werden.
Weiterhin kann die Wandlervorrichtung derart aufgebaut sein, dass die fotoelektrischen Wandlerelemente in eine Vielzahl von Gruppen unterteilt sind, wobei der Auffrischungsvorgang für die fotoelektrischen Wandlerelemente einer jeden Gruppe unabhängig von den anderen Gruppen und auch der fotoelektrische Umsetzungsvorgang für die fotoelektrischen Wandlerelemente einer jeden Gruppe unabhängig von den anderen Gruppen eingestellt werden können.
Außerdem kann die Wandlervorrichtung ein Wellenlängen-Wandlerelement z. B. in Form eines fluoreszierenden Leuchtelements aufweisen.
Ferner ist vorzugsweise ein Gitter zwischen der Lichtquelle und der fotoelektrischen Wandlervorrichtung angeordnet.
Erfindungsgemäß ist für die Durchführung einer Zeilenabtastung im wesentlichen lediglich die Lesezeit zur Leseabtastung einer jeden Zeile erforderlich, was im Vergleich zu der Operationszeit im Falle eines den Ablauf von der Signalübertragung über das Auslesen zur Rückstellung umfassenden Vorgangs eine erhebliche Steigerung der Lesegeschwindigkeit der fotoelektrischen Wandlervorrichtung ermöglicht.
Außerdem kann die Verringerung des Störabstands auf Grund von KTC-Rauschen bei der Signalübertragung reduziert werden, da in dem Leseschaltungsabschnitt der mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundene analoge Operationsverstärker der ersten Stufe eine in seinem Eingangsabschnitt umgesetzte Rauschspannungsdichte Vn (V/√Hz) sowie einen zur Verstärkung eines Signals des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts ausreichenden Frequenzbereich B (Hz) aufweist, die die Beziehung: Vn × √B ≤ Tn in Bezug auf die effektive thermische Rauschspannung Tn (Vrms) des Schaltelements am Eingangsabschnitt des analogen Operationsverstärkers erfüllen, die im eingeschalteten Zustand des Schaltelements in dem fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt auftritt.
Außerdem sind im Leseschaltungsabschnitt ein Kondensatorelement zur alleinigen Weiterleitung von Wechselstromkomponenten in die Mitte einer Ausgangsleitung vom Ausgang des mit jeder der Matrix-Signalleitungen in Kaskadenschaltung verbundenen analogen Operationsverstärkers geschaltet und ein Rückstellschalter zur Gleichspannungsrückstellung des Kondensatorelements vorgesehen, wodurch sich die Verringerung des Störabstands auf Grund des KTC-Rauschens bei der Rückstellung reduzieren lässt. Außerdem lassen sich durch diese Reduzierung der Verringerung des Störabstands auf Grund eines solchen KTC-Rauschens qualitativ hochwertige Bildinformationen mit geringerem statistischem Rauschen erhalten.
Außerdem ist in dem Leseschaltungsabschnitt der mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundene analoge Operationsverstärker mit der Funktion ausgestattet, seinen elektrischen Stromverbrauch mit Hilfe eines externen Signals verringern zu können, wodurch sich der Dunkelstrom im Abschaltzustand der Übertragungsschaltelemente auf Grund der Wärmeerzeugung des integrierten Schaltkreises und damit das Strukturrauschen verringern lassen, sodass Bilder ohne Unregelmäßigkeiten der Bilddichte und ohne Streifenbildung in der Bildebene erhalten werden können.
Außerdem wird erfindungsgemäß ein Ausgangssignal eines Analog/Digital-Umsetzers der N Analog/Digital-Umsetzer in Abhängigkeit vom Ausgangssignalpegel eines analogen Ausgangssignals des Leseschaltungsabschnitts ausgewählt und als Digitalwert mit (N + M – 1) Bits ausgegeben, was eine Analog/Digital-Umsetzung der fotoelektrischen Wandlersignale mit hoher Auflösung und hoher Geschwindigkeit ermöglicht, sodass eine fotoelektrische Wandlervorrichtung mit hohen Tönungs- bzw. Gradationswerten erhalten wird, deren Verwendung bei einem Röntgen-Bildaufnahmegerät die Herstellung eines Hochleistungsgerätes ermöglicht.
Außerdem bestehen die fotoelektrischen Wandlerelemente und Schaltelemente des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts aus einem Halbleitermaterial in Form von amorphem Silicium, was eine kostengünstige Herstellung einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung für einen großen Bereich ermöglicht. Wenn ferner im Leseschaltungsabschnitt der zumindest eine, mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundene analoge Operationsverstärker mit der Funktion ausgestattet ist, seinen Verstärkungsfaktor mit Hilfe eines externen Signals verändern zu können, lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise Abweichungen des Verstärkungsfaktors kompensieren, die durch Streuungen bzw. Abweichungen der Dünnschichtdicke bei der Herstellung der Halbleiter-Dünnschicht aus amorphem Silicium verursacht werden.
Das Referenzpotential des ersten Operationsverstärkers (amp 1) lässt sich zur Gewinnung genauer fotoelektrischer Umsetzungssignale sowie zur Vergrößerung des Störabstands stabilisieren, indem der Leseschaltungsabschnitt derart ausgestaltet wird, dass in der Nähe des mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundenen ersten analogen Operationsverstärkers (amp 1) ein weiterer analoger Operationsverstärker (amp 2) vorgesehen ist, der erste Operationsverstärker (amp 1) als nichtinvertierender Verstärker mit einem nicht unter 1 × liegenden Verstärkungsfaktor und der weitere Operationsverstärker (amp 2) als Pufferverstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 1 × ausgestaltet sind und der erste Operationsverstärker (amp 1) mit einem vom Ausgang des weiteren Operationsverstärkers (amp 2) abgegebenen Referenzpotential beaufschlagt wird.
Bei der Gleichspannungsrückstellung kann zur Verringerung des statistischen Rauschens der analogen Operationsverstärker und auch zur Vergrößerung des Störabstands ein Tiefpassfilter gebildet werden, indem der Leseschaltungsabschnitt derart ausgestaltet wird, dass ein Kondensatorelement zur alleinigen Weiterleitung von Wechselstromkomponenten in die Mitte einer Ausgangsleitung vom Ausgang des mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundenen analogen Operationsverstärkers geschaltet ist, ein Rückstellschalter zur Gleichspannungsrückstellung des Kondensatorelements vorgesehen ist und ein Widerstandselement zwischen das Kondensatorelement und den Rückstellschalter geschaltet ist.
Zur weiteren Steigerung der Leistungsfähigkeit kann in einem Stehbild- oder Einzelbildbetrieb der Störabstand vergrößert werden, während bei beweglichen Bildern in einem Filmbildbetrieb die Bildfrequenz bzw. Bildfolgegeschwindigkeit erhöht werden kann, indem der Leseschaltungsabschnitt derart ausgestaltet wird, dass ein Kondensatorelement zur alleinigen Weiterleitung von Wechselstromkomponenten in die Mitte einer Ausgangsleitung vom Ausgang des mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundenen analogen Operationsverstärkers geschaltet ist, ein Rückstellschalter zur Gleichspannungsrückstellung des Kondensatorelements vorgesehen ist, ein Widerstandselement zwischen das Kondensatorelement und den Rückstellschalter geschaltet ist und außerdem die Funktion vorgesehen ist, dass die Einschalt/Abschaltzeit des Rückstellschalters mit Hilfe eines externen Signals verändert werden kann.
Zur Vergrößerung des Störabstands lässt sich das statistische Rauschen der analogen Operationsverstärker verringern, indem der Leseschaltungsabschnitt derart ausgestaltet wird, dass ein Kondensatorelement zur alleinigen Weiterleitung von Wechselstromkomponenten in die Mitte einer Ausgangsleitung vom Ausgang des mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundenen analogen Operationsverstärkers geschaltet ist, ein Rückstellschalter für die Gleichspannungsrückstellung des Kondensatorelements vorgesehen ist und eine Tiefpassfilterschaltung mit einem der Anschlüsse des Kondensatorelements verbunden ist, der dem mit dem Ausgang des analogen Operationsverstärkers verbundenen Anschluss gegenüberliegt.
Die Wandlervorrichtung zeigt vorteilhafte Eigenschaften beim Auslesen schwacher fotoelektrischer Umsetzungssignale, was eine Rauschunterdrückung erfordert, indem der Leseschaltungsabschnitt derart ausgestaltet wird, dass der zumindest eine, mit jeder der Matrix-Signalleitungen verbundene analoge Operationsverstärker die Funktion besitzt, die Anstiegsgeschwindigkeit seines Ausgangssignals mit Hilfe eines externen Signals verändern zu können.
Die Verwendung der Wandlervorrichtung im Rahmen eines Filmbildbetriebs mit beweglichen Bildern wird wesentlich vereinfacht bzw. erleichtert, indem die Wandlervorrichtung derart ausgestaltet wird, dass jedes der fotoelektrischen Wandlerelemente von der Isoliersubstratseite her gesehen eine erste Metall-Dünnschicht (erste elektrisch leitfähige Schicht) als untere Elektrode, eine Isolierschicht aus amorphem Siliciumnitrid (a-SiNx) zur Verhinderung des Hindurchtretens von Ladungsträgern in Form von Elektronen und Defektelektronen, eine fotoelektrische Wandlerschicht aus hydriertem amorphem Silicium (a-Si:H) als Halbleiterschicht, eine n-leitfähige Injektions-Verhinderungsschicht zur Verhinderung des Eindringens von Ladungsträgern in Form von Defektelektronen, und eine in einem Bereich der Injektionsverhinderungsschicht als obere Elektrode (zweite elektrisch leitfähige Schicht) angeordnete transparente elektrisch leitfähige Schicht oder zweite Metall-Dünnschicht aufweist, dass jedes der Schaltelemente (Dünnschichttransistoren) von der Isoliersubstratseite her gesehen eine erste Metall-Dünnschicht als untere Gate-Elektrode, eine Gate-Isolierschicht aus amorphem Siliciumnitrid (a-SiNx), eine Halbleiterschicht aus hydriertem amorphem Silicium (a-Si:H), eine n-leitfähige ohmsche Kontaktschicht und eine transparente elektrisch leitfähige Schicht oder zweite Metall-Dünnschicht als Source- oder Drain-Elektrode aufweist, dass die fotoelektrischen Wandlerelemente und die Schaltelemente auf dem gleichen Isoliersubstrat ausgebildet sind, dass in einem Auffrischungsvorgang ein elektrisches Feld an die fotoelektrischen Wandlerelemente in einer solchen Richtung angelegt wird, dass Ladungsträger in Form von Defektelektronen aus der fotoelektrischen Wandlerschicht zu der zweiten Metall-Dünnschicht geführt werden, dass in einem fotoelektrischen Umsetzungsvorgang ein elektrisches Feld an die fotoelektrischen Wandlerelemente in einer solchen Richtung angelegt wird, dass die von dem auf die fotoelektrische Wandlerschicht fallenden Licht erzeugten Ladungsträger in der fotoelektrischen Wandlerschicht gehalten und Ladungsträger in Form von Elektronen zu der zweiten Metall-Dünnschicht geführt werden, und dass der fotoelektrische Umsetzungsvorgang derart ausgestaltet ist, dass als Lichtsignal die in der fotoelektrischen Wandlerschicht in Form von Defektelektronen akkumulierten Ladungsträger oder die der zweiten Metall-Dünnschicht in Form von Elektronen zugeführten Ladungsträger detektiert werden.
Im Filmbildbetrieb mit beweglichen Bildern lässt sich zur Gewinnung einer großen Anzahl aufeinanderfolgender Bilder die Bildfrequenz bzw. Bildfolgegeschwindigkeit dadurch erheblich steigern, dass die fotoelektrischen Wandlerelemente in eine Vielzahl von Gruppen unterteilt sind und der Auffrischungsvorgang für die fotoelektrischen Wandlerelemente einer jeden Gruppe unabhängig von den anderen Gruppen und auch der fotoelektrische Umsetzungsvorgang für die fotoelektrischen Wandlerelemente einer jeden Gruppe unabhängig von den anderen Gruppen eingestellt werden können.
Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben.
(Ausführungsbeispiel 1)
3 zeigt ein Schaltbild der fotoelektrischen Wandlervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zur Vereinfachung der Beschreibung ist in der Figur eine Anordnung aus 3 × 3 Bildelementen dargestellt, die somit insbesondere 9 Bildelemente umfasst, wobei der Anordnung gemäß 1 entsprechende Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Mit S1-1 bis S3-3 sind somit fotoelektrische Wandlerelemente bezeichnet, die sichtbares Licht aufnehmen und es in elektrische Signale umsetzen, während mit T1-1 bis T3-3 Schaltelemente bezeichnet sind, die die durch fotoelektrische Umsetzung in den fotoelektrischen Wandlerelementen S1-1 bis S3-3 erhaltenen Signalladungen den Matrix-Signalleitungen M1 bis M3 zuführen. Mit G1 bis G3 sind Gate-Ansteuerleitungen bezeichnet, die mit dem Schieberegister SR1 und den Schaltelementen T1-1 bis T3-3 verbunden sind. Bei der Signalübertragung steht die aus drei Zwischenelektroden-Kapazitäten (Cgs) der Schaltelemente bestehende Kapazität an der Matrix-Signalleitung M1 in der vorstehend beschriebenen Weise an, wobei diese Kapazität in 3 nicht als Kondensatorelement dargestellt ist. Das gleiche trifft auch auf die anderen Matrix-Signalleitungen M2, M3 zu. Obwohl dies nicht dargestellt ist, sind die in dem fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt 101 gemäß 3 veranschaulichten fotoelektrischen Wandlerelemente S1-1 bis S3-3, Schaltelemente T1-1 bis T3-3, Gate-Ansteuerleitungen G1 bis G3 und Matrix-Signalleitungen M1 bis M3 auf einem einzigen Isoliersubstrat angeordnet. Die Bezugszahl 102 bezeichnet einen Ansteuerschaltungsabschnitt, der aus einem Schieberegister SR1 zur Ansteuerung der Schaltelemente T1-1 bis T3-3 besteht. Mit A1 bis A3 sind in der Zeichnung jeweils lediglich als eine Spannungsfolgerschaltung bildende Pufferverstärker dargestellte Operationsverstärker bezeichnet, die die Signalladungen der Matrix-Signalleitungen M1 bis M3 verstärken und eine Impedanzumwandlung bewirken. Mit Sn1 bis Sn3 sind Übertragungsschalter bezeichnet, die jeweils ein Ausgangssignal der Operationsverstärker A1 bis A3, d. h., ein an jeder Matrix-Signalleitung M1 bis M3 anstehendes Ausgangssignal, auslesen und es einem Kondensator CL1, CL2 bzw. CL3 zuführen. Die Lesekondensatoren CL1 bis CL3 werden von Leseschaltern Sr1 bis Sr3 über Spannungsfolgerschaltungen bildende Pufferverstärker B1 bis B3 ausgelesen. Die Bezugszahl 103 bezeichnet ein Schieberegister (SR2) zur Ansteuerung der Leseschalter Sr1 bis Sr3. Die von den Lesekondensatoren CL1 bis CL3 erhaltenen parallelen Signale werden von den Leseschaltern Sr1 bis Sr3 und dem Schieberegister (SR2) 103 in serielle Signale umgesetzt und einem eine Endstufen-Spannungsfolgerschaltung bildenden Operationsverstärker 104 zugeführt, woraufhin sie von einem Analog/Digital-Umsetzerschaltungsabschnitt 105 in digitale Ausgangssignale umgesetzt werden. Mit RES1 bis RES3 sind Rückstellschalter bezeichnet, die zur Rückstellung der in den an den Matrix-Signalleitungen M1 bis M3 anstehenden Kapazitäten (3 Kapazitäten Cgs) akkumulierten Signalkomponenten auf ein Rückstellpotential (oder auf Massepotential, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist) dienen, wobei diese Rückstellung in Abhängigkeit von einem über den Eingang CRES zugeführten Impuls erfolgt. Die Bezugszahl 106 bezeichnet eine Spannungsversorgungsquelle zum Anlegen einer Vorspannung an die fotoelektrischen Wandlerelemente S1-1 bis S3-3. Der Leseschaltungsabschnitt 107 besteht somit aus den Pufferverstärkern A1 bis A3, den Übertragungsschaltern Sn1 bis Sn3, den Lesekondensatoren CL1 bis CL3, den Pufferverstärkern B1 bis B3, den Leseschaltern Sr1 bis Sr3, dem Schieberegister SR2, dem Endstufen-Operationsverstärker 104 sowie den Rückstellschaltern RES1 bis RES3.
4 zeigt zeitabhängige Signalverläufe zur Veranschaulichung von Betrieb und Wirkungsweise der fotoelektrischen Wandlervorrichtung gemäß 3.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 4 näher auf Einzelheiten der Arbeitsweise eingegangen. Die durch fotoelektrische Umsetzung in den fotoelektrischen Wandlerelementen S1-1 bis S3-3 erhaltenen Signalladungen werden in den in den fotoelektrischen Wandlerelementen ausgebildeten Kapazitätselementen nur während einer ausgewählten Periode akkumuliert. Die in den fotoelektrischen Wandlerelementen S1-1 bis S1-3 der ersten Zeile akkumulierten Signalladungen werden den an den jeweiligen Matrix-Signalleitungen M1 bis M3 gebildeten Kapazitätselementen (den Kapazitäten mit dem dreifachen Kapazitätswert Cgs der Schaltelemente T1-1 bis T3-3) nur während einer Zeitdauer t1 zugeführt, während das Gate-Impulssignal G1 des Schieberegisters (SR1) 102 die Schaltelemente T1-1 bis T1-3 im durchgeschalteten Zustand hält. In 4 sind unter M1 bis M3 die Signalübertragungszustände dargestellt, wobei ein Fall veranschaulicht ist, bei dem in den jeweiligen fotoelektrischen Wandlerelementen unterschiedliche Signalladungen gespeichert sind, d. h., für die Ausgangssignalpegel der fotoelektrischen Wandlerelemente der ersten Zeile (von S1-1 bis S1-3) gilt S1-2 > S1-1 > S1-3. Die Ausgangssignale an den Matrix-Signalleitungen M1 bis M3 werden von den jeweiligen Operationsverstärkern A1 bis A3 einer Impedanzumwandlung unterzogen.
Sodann werden die Schaltelemente Sn1 bis Sn3 im Leseschaltungsabschnitt nur während der Zeitdauer t2 durch den SMPL-Impuls gemäß 4 zur Übertragung der Signale zu den Lesekondensatoren CL1 bis CL3 durchgeschaltet. Die Signale der Lesekondensatoren CL1 bis CL3 werden durch die jeweiligen Pufferverstärker B1 bis B3 einer Impedanzumwandlung unterzogen. Sodann werden die Leseschalter Sr1 bis Sr1 durch vom Schieberegister (SR2) 103 abgegebene Schiebeimpulse Sp1 bis Sp3 aufeinanderfolgend durchgeschaltet, wodurch die zu den Lesekondensatoren CL1 bis CL3 übertragenen parallelen Signalladungen in auszulesende serielle Signale umgesetzt werden. Wenn angenommen wird, dass die Impulsdauer der Schiebeimpulse Sp1, Sp2, Sp3 in Form von Sp1 = Sp2 = Sp3 = t3 festgelegt ist, ist die für dieses seriell umgesetzte Auslesen erforderliche Zeit durch t3 × 3 gegeben. Die seriell umgesetzten Signale werden von dem Endstufen-Operationsverstärker 104 abgegeben und sodann von dem Analog/Digital-Umsetzerschaltungsabschnitt 105 in Digitalsignale umgesetzt.
In 4 ist mit Vout das Analogsignal vor seiner Eingabe in den Analog/Digital-Wandlerschaltungsabschnitt bezeichnet. Wie in 4 veranschaulicht ist, werden die parallelen Signale der Wandlerelemente S1-1 bis S1-3 der ersten Zeile, d. h., die parallelen Signalpotentiale an den Matrix-Signalleitungen M1 bis M3, proportional zu ihren Beträgen seriell in das Signal Vout umgesetzt. Abschließend werden die Signalpotentiale der Matrix-Signalleitungen M1 bis M3 über die Rückstellschalterelemente RES1 bis RES3 durch Einschalten des CRES-Impulses nur während einer Zeitdauer t4 auf das vorgegebene Rückstellpotential (Massepotential) zurückgestellt, sodass die nächste Übertragung von Signalladungen in der zweiten Zeile der fotoelektrischen Wandlerelemente S2-1 bis S2-3 stattfinden kann. Sodann werden die fotoelektrisch umgesetzten Signale der zweiten Zeile und der dritten Zeile aufeinanderfolgend in der gleichen Weise ausgelesen.
Wie 4 zu entnehmen ist, können hierbei erfindungsgemäß die beiden Operationen der Rückstellung der Kapazitäten der Matrix-Signalleitungen M1 bis M3 in der ersten Zeile und der Signalübertragung durch den Gate-Impuls G2 für die fotoelektrischen Wandlerelemente S2-1 bis S2-3 der zweiten Zeile innerhalb des Zeitrahmens t3 × 3 durchgeführt werden, der für den Auslesevorgang der Signalladungen aus den Lesekondensatoren CL1 bis CL3 der ersten Zeile erforderlich ist. Da nämlich die zum Auslesen einer Zeile erforderliche Zeitdauer durch t4 + t1 + t2 gegeben ist, kann diese Zeitdauer derart eingestellt werden, dass sie im wesentlichen durch (t3 × 3) + t2 gegeben ist. Die an einer der Matrix-Signalleitungen M1 bis M3 gebildete Kapazität beträgt im Falle der Anordnung gemäß 3 höchstens das Dreifache der Zwischenelektroden-Kapazität Cgs des mit einem der fotoelektrischen Wandlerelemente S2-1 bis S2-3 verbundenen Schaltelements. Wie vorstehend beschrieben, umfasst in der Praxis die tatsächliche Anordnung der fotoelektrischen Wandlerelemente einer jeden Zeile mehrere 100 bis mehrere 1000 Bitstellen, sodass der Kapazitätswert im Vergleich zu dem Lesekondensator CL sehr groß wird. In diesem Fall ist die für die Signalübertragung durch den SMPL-Impuls erforderliche Zeitdauer t2 ausreichend festgelegt, wenn sie ungefähr den mehrfachen Wert der durch das Produkt des Kapazitätswertes des Lesekondensators CL und des Einschaltwiderstands des Schaltelements Snx (x: 1 bis 3) gegebenen Zeitkonstanten aufweist. Wenn der Leseschaltungsabschnitt 107 aus einem integrierten Schaltkreis besteht, der auf einem Substratmaterial aus üblichem kristallinen Silicium ausgebildet ist, kann diese Operation im Rahmen der Zeitdauer t2 in einer Zeit ausgeführt werden, die ausreichend kürzer als die jeweiligen Zeiten t1, t3 oder t3 × 3 festgelegt ist, d. h., die zum Auslesen der Signalladungen der fotoelektrischen Wandlerelemente der ersten Zeile erforderliche Zeit kann im wesentlichen auf t4 + t1 = t3 × 3 eingestellt werden. Während bei dem eingangs beschriebenen Beispiel die für das Auslesen einer Zeile erforderliche Zeit durch (die Zeit t1, die für die Signalübertragung von den fotoelektrischen Wandlerelementen zu den Matrix-Signalleitungen erforderlich ist) + (die Zeit t3 × 3, die zum Auslesen der Signale aus den Matrix-Signalleitungen erforderlich ist) + (die Zeit t4, die zur Rückstellung der Kapazitätselemente der Matrix-Signalleitungen erforderlich ist) gegeben ist, wird somit erfindungsgemäß das Auslesen einer Zeile während der Zeitdauer t3 × 3 ermöglicht, die zum Auslesen der Signale der Matrix-Signalleitungen erforderlich ist, wodurch sich die Lesezeit der fotoelektrischen Wandlervorrichtung in erheblichem Maße verringert.
5A zeigt eine schematische Draufsicht des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts, wobei die fotoelektrischen Wandlerelemente und Schaltelemente unter Verwendung einer Halbleiter-Dünnschicht aus amorphem Silicium hergestellt sind, während 5B eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie 5A-5B gemäß 5A darstellt. Die fotoelektrischen Wandlerelemente 301 und Schaltelemente 302 (Dünnschichttransistoren aus amorphem Silicium, die nachstehend einfach als Dünnschichttransistoren bezeichnet sind) sind auf dem gleichen Substrat 303 ausgebildet, wobei eine erste Metall-Dünnschicht 304 zur gemeinsamen Bildung der unteren Elektroden der fotoelektrischen Wandlerelemente 301 und der unteren Elektroden (Gate-Elektroden) der Dünnschichttransistoren 302 verwendet wird, während eine zweite Metall-Dünnschicht 305 zur gemeinsamen Bildung der oberen Elektroden der fotoelektrischen Wandlerelemente 301 und der oberen Elektroden (Source-Elektroden und Drain-Elektroden) der Dünnschichttransistoren 302 dient. Außerdem werden die erste und die zweite Metall-Dünnschicht auch gemeinsam zur Bildung der Gate-Ansteuerleitungen 306 und Matrix-Ansteuerleitungen 307 in dem fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt verwendet. In 5A ist eine Anordnung aus 2 × 2 Bildelementen dargestellt, die somit insgesamt vier Bildelemente umfasst. Hierbei veranschaulichen in 5A die gestrichelten Abschnitte Lichtempfangsbereiche der fotoelektrischen Wandlerelemente. Die Bezugszahl 309 bezeichnet Spannungsversorgungsleitungen, über die die fotoelektrischen Wandlerelemente mit einer Vorspannung beaufschlagt werden. Außerdem bezeichnet die Bezugszahl 310 Kontaktlöcher zur Verbindung der fotoelektrischen Wandlerelemente 301 mit den Dünnschichttransistoren 302.
Nachstehend wird näher auf das Verfahren zur Ausbildung des erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts eingegangen. Zunächst wird zur Bildung der ersten Metall-Dünnschicht 304 auf das Isoliersubstrat 303 Chrom (Cr) durch Zerstäubung oder Widerstandsheizung in einer Dicke von annähernd 500 Å aufgedampft, wobei eine Musterbildung durch Fotolithografie erfolgt und unnötige Bereiche geätzt werden. Diese erste Metall-Dünnschicht 304 bildet die unteren Elektroden der fotoelektrischen Wandlerelemente 301 und die Gate-Elektroden der Schaltelemente 302. Sodann werden durch ein CVD-Verfahren aufeinanderfolgend eine a-SiNx-Schicht (311), eine a-Si:H-Schicht (312) und eine N⁺-Schicht (313) mit einer jeweiligen Dicke von 3000 Å, 5000 Å bzw. 1000 Å im gleichen Vakuum abgeschieden. Diese Schichten bilden die Isolierschicht/fotoelektrische Wandler-Halbleiterschicht/Defektelektronen-Injektionsverhinderungsschicht der fotoelektrischen Wandlerelemente 301 sowie die Gate-Isolierdünnschicht/Halbleiterschicht/ohmsche Kontaktschicht der Schaltelemente 302 (Dünnschichttransistoren). Außerdem werden sie auch als Isolierschichten an Überschneidungsbereichen (314 in 5A) zwischen der ersten Metall-Dünnschicht 304 und der zweiten Metall-Dünnschicht 305 verwendet. Die Schichtdicke der jeweiligen Schichten wird ohne Beschränkung auf die vorstehend genannten Werte optimal in Abhängigkeit von der bei der fotoelektrischen Wandlervorrichtung verwendeten Spannung, der Ladungsmenge, der auf die Lichtaufnahmeflächen der fotoelektrischen Wandlerelemente fallenden Lichtmenge oder dergleichen ausgewählt. Zumindest beträgt jedoch die Schichtdicke von a-SiNx vorzugsweise 500 Å oder mehr, damit das Hindurchtreten von Elektronen und Defektelektronen verhindert wird und eine gute Funktion als Gate-Isolierschicht der Dünnschichttransistoren 302 gewährleistet ist. Nach der Abscheidung einer jeden Schicht werden die zu Kontaktlöchern (siehe 310 gemäß 5A) auszubildenden Bereiche einer Trockenätzung durch RIE-Verfahren oder CDE-Verfahren oder dergleichen unterzogen, woraufhin Aluminium (A1) mit einer Schichtdicke von ungefähr 10000 Å als zweite Metall-Dünnschicht 305 durch Zerstäubung oder Widerstandsheizung aufgebracht wird. Außerdem werden durch ein Fotolithografieverfahren Muster ausgebildet, wobei nicht erforderliche Bereiche geätzt werden. Die zweite Metall-Dünnschicht bildet die oberen Elektroden der fotoelektrischen Wandlerelemente 301, die Source- und Drain-Elektroden der Schalt-Dünnschichttransistoren 302, die anderen Leitungen usw. Die obere und die untere Metall-Dünnschicht werden an den Kontaktlochbereichen 310 gleichzeitig mit der Schichtausbildung der zweiten Metall-Dünnschicht 305 miteinander verbunden. Außerdem werden zur Ausbildung der Kanalbereiche der Dünnschichttransistoren 302 Abschnitte zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode durch ein RIE-Verfahren geätzt, woraufhin zur Trennung der Bauelemente voneinander durch ein RIE-Verfahren eine Ätzung unnötiger a-SiNx-Schichtbereiche, a-Si:H-Schichtbereiche und N⁺-Schichtbereiche erfolgt. Auf diese Weise werden die fotoelektrischen Wandlerelemente 301, die Schalt-Dünnschichttransistoren 302, andere Leitungen (306, 307, 309) sowie die Kontaktlochbereiche 310 ausgebildet. Obwohl in der schematischen Querschnittsansicht gemäß 5B nur zwei Bildelemente dargestellt sind, bedarf es keiner Erwähnung, dass eine Anzahl von Bildelementen auf dem Isoliersubstrat 303 gleichzeitig ausgebildet werden. Zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Feuchtigkeit werden die Bauelemente und Leitungen schließlich mit einer Passivierungsschicht (Schutzschicht) 315 aus SiNx überzogen. Wie vorstehend beschrieben, werden die fotoelektrischen Wandlerelemente, die Schalt-Dünnschichttransistoren sowie die Leitungen somit von der gemeinsamen ersten Metall-Dünnschicht, einer a-SiNx-Schicht, einer a-Si:H-Schicht, einer N⁺-Schicht sowie einer zweiten Metall-Dünnschicht gebildet, die jeweils gleichzeitig abgeschieden bzw: aufgebracht werden, wobei lediglich ein Ätzen einer jeden Schicht erfolgt.
Bei Verwendung eines Herstellungsverfahrens, bei dem das Hauptmaterial in der vorstehend beschriebenen Weise aus einem amorphen Silicium-Halbleiter besteht, können die fotoelektrischen Wandlerelemente, Schaltelemente, Gate-Ansteuerleitungen und Matrix-Signalleitungen gleichzeitig auf dem gleichen Substrat hergestellt werden, wodurch ein einen großen Bereich umfassender fotoelektrischer Wandlerschaltungsabschnitt einfach und kostengünstig erhalten werden kann.
Im allgemeinen besitzen Dünnschichttransistoren aus amorphem Silicium auf Grund des bei ihnen verwendeten Materials eine geringere Elektronenbeweglichkeit als Schaltelemente aus kristallinem Silicium und weisen demzufolge einen äußerst hohen Einschaltwiderstand auf. So nimmt z. B. der Einschaltwiderstand eines mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellten Dünnschichttransistors mit den Kanalabmessungen (W/L) : 50 μm/10 μm bei einer anliegenden Vorspannung (Vgs) von 12 V den sehr hohen Wert von 8 MΩ an. Wenn der in den 5A und 5B dargestellte fotoelektrische Wandlerschaltungsabschnitt unter Verwendung solcher Dünnschichttransistoren mit einem Bildelementraster bzw. Bildelementabstand von 100 μm hergestellt wird, besitzen die in den fotoelektrischen Wandlerelementen ausgebildeten Kapazitätselemente eine Kapazität von 2 bis 3 (pF) sodass die für die Signalübertragung von den fotoelektrischen Wandlerelementen zu den Matrix-Signalleitungen erforderliche Zeit in Form einer Zeitkonstanten ungefähr 20 μs beträgt. Für eine ausreichende Signalübertragung ist die mehrfache Zeitdauer der Zeitkonstanten erforderlich. Wenn somit angenommen wird, dass eine Zeitdauer von 4 τ vorgegeben wird, beträgt die Impulsdauer des Gate-Ansteuerimpulses der Dünnschichttransistoren 80 μs.
Wenn die Kapazität Cgs eines dieser Dünnschichttransistoren ungefähr 0,05 pF beträgt und in einer Zeile 4000 Bildelemente vorhanden sind, wird die an einer einzigen Matrix-Signalleitung gebildete Kapazität zu 4000 × Cgs = 200 (pF)Der Einschaltwiderstand der Rückstellschaltelemente (RES1 bis RES3) in dem Leseschaltungsabschnitt gemäß 3 kann auf einfache Weise im Bereich von ungefähr einigen 100 Ω bis einigen kΩ gehalten werden, wenn der Leseschaltungsabschnitt als integrierter Schaltkreis aus kristallinem Silicium besteht und die zu dessen Rückstellung erforderliche Zeitkonstante τ_R unter 1 μs liegt, solange die Widerstandskomponenten der Leitungen außer Betracht bleiben können. Bei einem Rückstellvorgang fließt jedoch der Rückstellstrom über die Kapazitäten Cgs der Dünnschichttransistoren durch die Gate-Ansteuerleitung (z. B. G1, G2 oder G3 gemäß 3). Wenn das für die Gate-Ansteuerleitungen verwendete Material aus Chrom besteht und der fotoelektrische Wandlerschaltungsabschnitt den in den 5A und 5B dargestellten Aufbau aufweist, kann davon ausgegangen werden, dass ein hoher Widerstandswert der Leitungen vorliegt. Wenn jedoch die Leitungsbreite zur Verringerung des Widerstandswertes vergrößert wird, verringert sich der Bereich der Lichtempfangsfläche eines fotoelektrischen Wandlerelements im Vergleich zum Bildelementbereich von 100 μm × 100 μm, was zur Folge hat, dass keine ausreichende Signalstärke bzw. Signalladungsmenge mehr gewährleistet werden kann. Wird dagegen die Schichtdicke der Leitungen vergrößert, verschlechtern sich die Verkleidungseigenschaften der Schutzschicht 315, wodurch sich die Zuverlässigkeit verringert. Geeignete Abmessungen liegen somit im Bereich einer Leitungsbreite von annähernd 10 μm und einer Leitungs-Schichtdicke von annähernd 1000 Å oder dergleichen.
Wenn für die Gate-Ansteverleitungen Chrom verwendet wird, beträgt dessen Schichtwiderstand annähernd 2 Ω/?, wobei die Leitungslänge bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel 4000 (Bildelemente) × 100 (μm) beträgt, was annähernd 40 cm oder mehr entspricht, sodass der Leitungs-Widerstandswert bis zu 80 (kΩ) betragen kann. In diesem Falle ist für die zur Rückstellung der in der Matrix-Signalleitung gebildeten Kapazität von ungefähr 200 (pF) erforderliche Zeitdauer eine Zeitkonstante von τ_R = 1 (μs) nicht ausreichend. Bei einem tatsächlichen Rückstellvorgang muss in Betracht gezogen werden, dass stets eine Schaltungsanordnung mit zweidimensionalem Aufbau vorliegt, was sich nicht einfach durch die CR-Zeitkonstante ausdrücken lässt, sodass für eine ausreichende Rückstellung der mehrfache Wert der Zeitdauer 200 (pF) × 80 (kΩ) = 16 (μs) erforderlich ist, was eine Zeitdauer erfordert, die annähernd gleich der Impulsdauer von 80 (μs) des Gate-Ansteuerimpulses ist.
Wenn der Leseschaltungsabschnitt, mit dem die Matrix-Signalleitungen von 4000 Bildelementen verbunden sind, aus einem einzigen integrierten Schaltkreis besteht, ergeben sich sehr große Abmessungen des integrierten Schaltkreises, was dazu führt, dass sich die Leistungsfähigkeit des integrierten Schaltkreises selbst verringert. Außerdem ist im Falle eines einzigen integrierten Schaltkreises eine sehr lange Zeitdauer zum seriellen Auslesen der Daten einer Zeile von 4000 Bildelementen erforderlich. Der Leseschaltungsabschnitt ist daher in eine geeignete Anzahl N von Segmenten unterteilt, wobei diese N Segmente gleichzeitig betrieben werden. So ist z. B. N derart vorgegeben, dass eine serielle Umsetzung in der Zeit (t1 + t4) erfolgen kann, die die Summe der Signalübertragungszeit (t1) von den fotoelektrischen Wandlerelementen zu den Matrix-Signalleitungen und der Rückstellzeit (t4) der Matrix-Signalleitungen darstellt. Im Falle des vorstehend beschriebenen Beispiels ergibt die Addition der Signalübertragungszeit t1 : 80 (μs) und der Rückstellzeit t4 : 80 (μs) einen Wert von 160 (μs), sodass bei einer Umsetzungsrate für die serielle Umsetzung (der Impulsdauer t3 der Signale Sp des Schieberegisters 2) von 1,6 (μs) eine Anzahl von N = 20 Leseschaltungsabschnitten vorgesehen werden muss, die in der Lage sind, jeweils die Eingangssignale von 100 Bildelementen aufzunehmen.
Bei diesem Beispiel beträgt die zum Auslesen einer Zeile erforderliche Zeitdauer t1 + t4 + (t3 × 100) = 320 (μs), während erfindungsgemäß eine Zeitdauer von t3 × 100 = 160 (μs) zum Auslesen einer Zeile erforderlich ist, was bedeutet, dass sich die Lesegeschwindigkeit im wesentlichen verdoppelt hat.
Wenn eine solche Hochgeschwindigkeitsoperation bei der Verwendung der fotoelektrischen Wandlervorrichtung nicht erforderlich ist, kann die gleiche Lesegeschwindigkeit bei Vorgabe einer längeren Signalübertragungszeit t1 und einer längeren Rückstellzeit t4 verwendet werden, was eine ausreichendere Signalübertragung und Rückstellung ermöglicht.
Außerdem kann durch Verwendung üblicher integrierter Schaltkreise aus kristallinem Silicium bei dem Leseschaltungsabschnitt auch die Zeit t3 im Vergleich zu der bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel angegebenen Zeit t3 = 1,6 (μs) auf einfache Weise weiter verkürzt werden. Da in diesem Falle die zum Auslesen einer Zeile erforderliche Zeitdauer durch ts + t4 bestimmt ist, ergibt sich keine Änderung der Lesegeschwindigkeit, sondern die Anzahl (N) der integrierten Schaltkreise der Leseschaltungsabschnitte kann verringert werden, sodass sich die fotoelektrische Wandlervorrichtung kostengünstiger herstellen lässt.
Wie vorstehend beschrieben, wird erfindungsgemäß die Durchführung einer Lese-Abtastung einer jeden Zeile im wesentlichen nur in der Zeit eines Lesevorgangs ermöglicht, was im Vergleich zu der beim Stand der Technik zum Auslesen und Abtasten einer jeden Zeile unerlässlichen Operationszeit von Signalübertragung plus Auslesen plus Rückstellung eine erhebliche Steigerung der Lesegeschwindigkeit der fotoelektrischen Wandlervorrichtung beinhaltet.
(Ausführungsbeispiel 2)
6 zeigt ein Schaltbild einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der der fotoelektrische Wandlerschaltungsabschnitt aus 3 × 3 = 9 Bildelementen besteht. Bauelemente, die denjenigen des Ausführungsbeispiels 1 gemäß 3 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, sodass auf eine erneute Beschreibung dieser Bauelemente verzichtet werden kann. Das Ausführungsbeispiel gemäß 6 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 dahingehend, dass die mit den jeweiligen Matrix-Signalleitungen im Leseschaltungsabschnitt verbundenen Pufferverstärker L1 bis L3 nunmehr durch nichtinvertierende Verstärker mit einem von Widerständen R1, R2 bestimmten Verstärkungsfaktor G ersetzt sind. Obwohl dies 6 natürlich nicht zu entnehmen ist, besitzen die die Pufferverstärker L1 bis L3 bildenden Operationsverstärker ausgezeichnete Eigenschaften in Bezug auf einen im Vergleich zu anderen Verstärkern sehr geringen Rauschfaktor. Der Verstärkungsfaktor beträgt hierbei 1 + (R2/R1).
Im allgemeinen tritt bei den Operationsverstärkern statistisches Spannungsrauschen auf, das hauptsächlich in den vorhandenen Transistoren auftritt, und zwar insbesondere in den Transistoren der ersten Stufe. Wenn z. B. die erste Schaltungsstufe aus einem bipolaren Transistor besteht, wird davon ausgegangen, dass das im Basiswiderstand auftretende thermische Rauschen den Rauschanteil eines Operationsverstärkers bestimmt. Dieser Rauschanteil wird üblicherweise auf Bandbreite-Einheiten bezogen und in Einheiten von (Volt/√Hz) ausgedrückt. Wenn die Operationsverstärker in Form von nichtinvertierenden Verstärkern in der in 6 dargestellten Weise Verwendung finden, wird der Rauschanteil in Verbindung mit dem einzubeziehenden Frequenzband, in dem gearbeitet wird, außerdem mit dem Faktor 1 + (R2/R1) multipliziert. Im Rahmen der nachstehenden Beschreibung wird das in den Operationsverstärkern auftretende Rauschen als vor der Multiplikation mit dem Verstärkungsfaktor erhaltener Rauschwert in Betracht gezogen, d. h., als eine äquivalente Eingangsrauschspannung, die durch Vn (V/√Hz) gegeben ist.
Erfindungsgemäß wird die Eingangsrauschspannung Vn der Operationsverstärker L1 bis L3 gemäß 6 niedriger als ein bestimmter vorgegebener Wert eingestellt. Der sich auf Grund des bei dem Signalübertragungsvorgang durch die Schaltelemente T1-1 bis T3-3 in dem fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt 101 auftretenden sog. KTC-Rauschens ergebende Rauschwert stellt diesen bestimmten, vorgegebenen Wert dar, d. h., die in den Operationsverstärkerabschnitten (L1 bis L3) der ersten Stufe im Leseschaltungsabschnitt auftretenden Rauschanteile sind derart eingestellt bzw. vorgegeben, dass sie nicht größer als der im fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt 101 auftretende KTC-Rauschanteil sind. In beiden Fällen stellt dieses Rauschen ein prinzipiell auftretendes potentielles Eigenrauschen dar, das nicht durch die Schaltungsauslegung auf den Wert "0" gebracht werden kann.
Nachstehend wird anhand einer auch in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel in Betracht gezogenen fotoelektrischen Wandlervorrichtung mit 4000 × 4000 = 16 Millionen Bildelementen eine ungefähre Abschätzung des jeweiligen Rauschens vorgenommen. Wenn die Schichten aus a-SiNx, a-Si und N⁺ aufeinanderfolgend mit einer jeweiligen Dicke von 3000 Å, 5000 Å bzw. 1000 Å vorgesehen sind und das Bildelementraster bzw. der Bildelementabstand 100 μm beträgt, besitzt der Kondensator (C1) in den fotoelektrischen Wandlerelementen S1-1 bis S3-3 eine Kapazität von ungefähr 3 pF, während der Lesekondensator (C2) von einer der Matrix-Signalleitungen M1 bis M3 eine Kapazität von Cgs × 4000 = 200 pF aufweist. Das bei der Durchführung des Signalübertragungsvorgangs durch die Schaltelemente (Dünnschichttransistoren) T1-1 bis T3-3 auftretende KTC-Rauschen (Tn) ergibt sich als Spannungsrauschen an der Kapazität C2 an einer der Matrix-Signalleitungen M1 bis M3 auf folgende Weise: Tn = (K × T × (C1||C2))1/2/ (C1 + C2)Hierbei sind mit K die Boltzmann-Konstante (1,38 × 10^-23 (J/K)), mit T die absolute Temperatur und mit C1||C2 eine Reihenschaltung aus den Kapazitäten C1 und C2 bezeichnet.
Dieses Rauschen Tn zeigt mit statistischer Wahrscheinlichkeit eine Gauss'sche Verteilung und wird durch einen effektiven Rauschspannungswert (Vrms) ausgedrückt. Wenn Tn bei Raumtemperatur (300 K) berechnet wird, ergibt sich Tn = 0,55 (μVrms). Das in den Operationsverstärkern L1 bis L3 auftretende Rauschen verändert sich dagegen in Abhängigkeit von dem verwendeten Frequenzband B. Wie in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel bereits erläutert, findet bei den Operationsverstärkern bei einer Signalübertragungszeit von 80 μs und einer Rückstellzeit von 80 μs eine Signaleingabe mit (1/160 μs) = 6,25 kHz statt. Wenn nun angenommen wird, dass die Operationsverstärker in einem Frequenzband mit dem vierfachen Betrag dieses Wertes, d. h., bei 25 kHz betrieben werden, findet eine ausreichende Verstärkung (G-fach) der übertragenen fotoelektrischen Wandlersignale und des in dem fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt auftretenden KTC-Rauschens statt. Außerdem findet auch eine G-fache Verstärkung des im Betriebsfrequenzband auftretenden effektiven Rauschens An = (Vn × √B) in den Eingangsabschnitten der Operationsverstärker statt. Das Rauschen An in den Operationsverstärkern und das KTC- Rauschen Tn in dem fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt 101 tritt jeweils unabhängig voneinander auf, wobei das diese beiden Rauschanteile umfassende effektive Rauschen Jn im Verstärker-Eingangsteil sich durch Jn = (An² + Tn²)^1/2 ausdrücken lässt, während das effektive Gesamtrauschen am Verstärkerausgang durch Jn × G gegeben ist.
Wenn hierbei An » Tn ist, wird Jn im wesentlichen von An bestimmt, was in Bezug auf den Störabstand der fotoelektrischen Wandlervorrichtung nachteilig ist. Demzufolge ist erwünscht, dass An = Tn oder An < Tn ist. Bei einem Frequenzbereich B = 25 kHz wie im Falle des vorstehenden Beispiels ist es erwünscht, dass die äquivalente Eingangsrauschspannung Vn der Operationsverstärker Vn = 3,5 oder weniger multipliziert mit (nV/ √Hz) bei Tn ≥ (Vn × B^1/2) (= An) beträgt. Wenn Vn = 3,5 (nV/ √ Hz) beträgt, wird das effektive Rauschen der Verstärker gleich dem KTC-Rauschen Tn, sodass bei Jn = (Vn² + Tn²)^1/2 das der Zusammenfassung der beiden Rauschanteile entsprechende effektive Rauschen Jn in den Verstärker-Eingangsabschnitten den √2-fachen Wert von Tn annimmt. Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel ist somit Jn = 0, 55 × √2 = 0, 78 (μVrms).
Wenn bei Verwendung der erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandlervorrichtung bei einem Röntgen-Bildaufnahmegerät Bilder erhalten werden sollen, die mit den bei Verwendung des üblichen Filmverfahrens erhaltenen Bildern vergleichbar sind, wird davon ausgegangen, dass die für eine solche Vorrichtung erforderlichen Störabstandswerte sehr hoch sind und üblicherweise in einem Bereich von 10000 oder mehr liegen.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel näher beschrieben, bei dem die fotoelektrische Wandlervorrichtung mit einer zweidimensionalen Anordnung von fotoelektrischen Wandlerelementen bei einem Röntgen-Bildaufnahmegerät Verwendung findet.
7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Röntgengerätes für medizinische Zwecke, das unter Verwendung dieser zweidimensionalen fotoelektrischen Wandlervorrichtung aufgebaut ist. Von einer Röntgenstrahlenquelle 1501 abgegebene Röntgenstrahlen werden auf ein Objekt 1502 wie einen menschlichen Körper (den betreffenden Bereich eines Patienten oder den untersuchten Bereich eines Objektes) gerichtet, woraufhin die Informationen aus dem Inneren des Körpers, die Lungenbereiche, Knochen, Scharfeinstellung oder dergleichen betreffen, oder Informationen über ein inneres Gewebe oder einen inneren Hohlraum enthaltenden Röntgenstrahlen auf eine Gitterplatte 1503 treffen. Die Gitterplatte 1503 dient dem Zweck, eine Bestrahlung des fluoreszierenden Leuchtelements bzw. Fluoreszenzelements 1504 sowie der fotoelektrischen Wandlervorrichtung 1506 durch die im Objekt erfolgende Streuung der Röntgenstrahlen zu verhindern und besteht aus einem Material 1507 wie Blei, das Röntgenstrahlen absorbiert, sowie aus einem Material 1508 wie Aluminium, durch das Röntgenstrahlen hindurchtreten können. Die durch die Gitterplatte hindurchtretenden Röntgenstrahlen fallen auf das ein Wellenlängen-Wandlerelement zur Umsetzung der Röntgenstrahlen durch Fluoreszenz in ein sichtbares Bild darstellende Fluoreszenzelement 1504 und werden auf diese Weise in Wellenlängen in einem die Ansprechempfindlichkeit der fotoelektrischen Wandlerelemente umfassenden Bereich, wie z. B. in sichtbares Licht, umgesetzt. Die Fluoreszenz dieses die Umsetzung der Röntgenstrahlen in sichtbares Licht vornehmenden Fluoreszenzelements wird von der fotoelektrischen Wandlervorrichtung 1506 fotoelektrisch umgesetzt. Hierbei sind mit 1509 die fotoelektrischen Wandlerelemente, mit 1510 die Schaltelemente und mit 1511 eine zum Schutz der fotoelektrischen Wandlerelemente 1509 und der Schaltelemente 1510 dienende Schutzschicht bezeichnet. Die Bezugszahl 1512 bezeichnet ein Isoliersubstrat, auf dem die fotoelektrischen Wandlerelemente 1509 und die Schaltelement 1510 angeordnet sind.
Wenn sich hierbei in der in 7 veranschaulichten Weise das zur Umsetzung der Röntgenstrahlen in sichtbares Licht dienende Fluoreszenzelement in engem Kontakt mit der fotoelektrischen Wandlervorrichtung befindet, wird eine maximale Beleuchtungsstärke auf den Lichtempfangsbereichen der fotoelektrischen Wandlerelemente erhalten, die hierbei in der Größenordnung von einigen Lux (Lx) oder dergleichen liegen kann, allerdings von der Art des verwendeten Fluoreszenzelements und/oder der Dosis der Röntgenstrahlenquelle abhängt. Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung mit 4000 × 4000 Bildelementen beträgt der bei Licht mit einer Beleuchtungsstärke von 1 (Lx) in den fotoelektrischen Wandlerelementen fließende Fotostrom bei jedem fotoelektrischen Wandlerelement ungefähr 5 (pA). Wenn der Fotostrom in dem eine Kapazität von 3 (pF) aufweisenden Kondensator C1 eines fotoelektrischen Wandlerelements während einer Zeitdauer von 500 (ms) akkumuliert wird, nimmt das Ausgangssignal 5 des eine Kapazität von 200 (pF) aufweisenden Kondensators C2 einer Matrix-Signalleitung nach der Signalübertragung über den Schalt-Dünnschichttransistor den Wert 5 pF × 500 ms/(3 pA + 200 pA) = 12,3 (mV) an. Der Rauschwert Jn in der Kapazität C2 von 200 (pF) der Matrix-Signalleitung beträgt Jn = 0,78 (μVrms), wobei unter Berücksichtigung des effektiven Rauschens Jn als Rauschanteil ein Signal/Rauschverhältnis bzw. Störabstand von 12,3 (mV)/0,78 (μV) = 15800 erhalten wird. Die Wandlervorrichtung kann somit in vollem Umfang als fotoelektrischer Wandlerabschnitt eines Röntgen-Bildaufnahmegeräts verwendet werden.
Das im Operationsverstärkerabschnitt auftretende Rauschen ist nicht nur durch Vn gegeben, sondern umfasst auch das z. B. in den Widerständen R1, R2 auftretende thermische Rauschen, das sich jedoch auf einfache Weise durch Verringerung ihrer Widerstandswerte auf einen erheblich kleineren Wert als das durch Vn gegebene Rauschen verringern lässt. Außerdem tritt im Eingangsabschnitt der Operationsverstärker eine stromabhängige Rauschkomponente (In) auf, die sich jedoch ebenfalls durch Verwendung von Feldeffekttransistoren der ersten Stufe der Operationsverstärker auf einen erheblich geringeren Wert als das durch Vn gegebene Rauschen verringern lässt. Da somit im wesentlichen die äquivalente Eingangsrauschspannung Vn der Operationsverstärker den Störabstand der fotoelektrischen Wandlervorrichtung in erheblichem Maße beeinträchtigt, wird somit im Rahmen der Erfindung insbesondere der Vn-Wert der Operationsverstärker betrachtet.
(Ausführungsbeispiel 3)
8 zeigt ein Schaltbild einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der fotoelektrische Wandlerschaltungsabschnitt von 3 × 3 = 9 Bildelementen gebildet wird. Dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 6 entsprechende Bauelemente sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine erneute Beschreibung dieser Bauteile verzichtet wird. 8 unterscheidet sich von 6 dahingehend, dass im Leseschaltungsabschnitt Kondensatorelemente CC1 bis CC3 zur alleinigen Weiterleitung von Wechselstromkomponenten in die Mitte von Ausgangsleitungen von den Ausgängen von Operationsverstärkern L1 bis L3 geschaltet und dass Rückstellschalter T1 bis T3 zur Gleichspannungsrückstellung der Kondensatorelemente vorgesehen sind. Außerdem ist ein jeweiliger Pufferverstärker A1 bis A3 zur Impedanzwandlung mit einem zugehörigen Kondensatorelement der Kondensatorelemente CC1 bis CC3 verbunden.
9 zeigt zeitabhängige Signalverläufe zur Veranschaulichung von Betrieb und Arbeitsweise der Wandlervorrichtung gemäß 8, die sich insbesondere auf die Arbeitsweise der Kondensatorelemente CC1 bis CC3 und der Rückstellschalter Dl bis D3 beziehen, während die anderen Operationen die gleichen wie im Falle der Schaltungsanordnung gemäß 4 sind. Nachstehend wird die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die 8 und 9 näher beschrieben.
CRES bezeichnet ein Steuersignal für die Schalter RES1 bis RES3 zur Rückstellung des in den Matrix-Signalleitungen M1 bis M3 ausgebildeten Kondensators C (3, in 8 nicht dargestellte Kapazitäten Cgs der Dünnschichttransistoren T1-1 bis T3-3) auf das Rückstellpotential (Massepotential). Unter P1 sind die Potentialänderungen an einem Knotenpunkt (der z. B. in 8 durch P1 veranschaulicht ist) einer Matrix-Signalleitung dargestellt. Hierbei sollte der Knotenpunkt P1 auf das das Rückstellpotential darstellende Massepotential durch ein Signal CRES mit dem Wert (H) zurückgestellt werden. Auf Grund des Einschaltwiderstands des Schalters RES2 tritt jedoch bei der Rückstellung des Kondensators C2 der Matrix-Signalleitung das thermische Rauschen mit statistischer Wahrscheinlichkeit als KTC-Rauschen auf, wobei dieser Rauschanteil Rn = (KT/C2)^1/2 (Vrms) beträgt. Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel, bei dem C2 = 200 pF ist, erreicht dieser Rauschanteil sogar einen Wert von Rn = 4,55 (μVrms), der den vorstehend beschriebenen Wert von Jn = 0,78 (μVrms) übersteigt und somit den Hauptanteil des Rauschens in der fotoelektrischen Wandlervorrichtung darstellt.
Wenn ein Lesevorgang in diesem Zustand erfolgt, bei dem ein solcher überlagernder Rauschanteil Rn an dem Kondensator C2 der Matrix-Signalleitung auftritt, verringert sich natürlich der Störabstand der fotoelektrischen Wandlervorrichtung. Bei dem Signalverlauf P1 gemäß 9 beruhen diese Abweichungsanteile (die in 9 mit "Fehler" bezeichnet sind) vom Rückstellpotential GND nach dem Abschalten des Signals CRES auf dem bei dieser Rückstellung auftretenden KTC-Rauschen. Dieses Rauschen wird außerdem durch die Operationsverstärker L1 bis L3 mit dem Verstärkungsfaktor G = 1 + (R2/R1) multipliziert. Obwohl dies in 8 nicht veranschaulicht ist, tritt stets der G-fache Wert des Signals P1 in dem von den Operationsverstärkern L1 bis L3 abgegebenen Ausgangssignal auf. Der Signalverlauf P2 gemäß 9 tritt an der gegenüberliegenden Elektrode des mit dem Ausgang des Operationsverstärkers L2 in Reihe geschalteten Kondensatorelements auf und veranschaulicht somit den Signalverlauf am Knotenpunkt P2 gemäß 8.
Hierbei ist der Rückstellschalter D2 mit dem Knotenpunkt P2 verbunden, der von einem Steuersignal DRES gesteuert wird. Das Signal DRES wird im wesentlichen gleichzeitig mit dem Signal CRES in den Einschaltzustand versetzt, jedoch erst ein wenig nach dem Abschalten des Signals CRES abgeschaltet. Im Einschaltzustand des Signals DRES steht das Rückstellpotential GND am Knotenpunkt P2 an. Auch nach dem Abschalten des Signals DRES zur Umschaltung des Schaltelements D2 in einen hohen Impedanzzustand wird der Knotenpunkt P2 auf dem Potential GND gehalten. Wenn in diesem Zustand z. B. der Gate-Bereich (G2) des zugehörigen Übertragungs-Dünnschichttransistors durchgeschaltet wird, wird die in der Kapazität des fotoelektrischen Wandlerelements S2-2 akkumulierte Signalladung zu dem Kondensator C2 der Matrix-Signalleitung übertragen. Dieser Zustand ist im Signalverlauf P1 gemäß 9 dargestellt, wobei das nach dem Ende des Signals DRES zwischenzeitlich aufrecht erhaltene KTC-Rauschen Rn dem Signalübertragungsvorgang überlagert wird. Der Signalverlauf am Knotenpunkt P2 bei diesem Signalübertragungsvorgang zeigt jedoch nur die mit G multiplizierte Änderung der Spannung am Kondensator C2 auf Grund des Signals des fotoelektrischen Wandlerelements, da die durch die Operationsverstärker L1 bis L3 mit G multiplizierte Gleichspannungskomponente von Rn durch das Kondensatorelement CC2 unterdrückt wird. Auf diese Weise wird somit das KTC-Rauschen bei der Rückstellung unterdrückt. Sodann wird das Ausgangssignal P2 durch den SMPL-Impuls zu dem Kondensatorelement CL2 übertragen und durch das Schaltelement SR2 seriell umgesetzt, woraufhin es über den Operationsverstärker 104 abgegeben wird. Betrieb und Wirkungsweise dieses Abschnitts entspricht dem Ausführungsbeispiel 1.
Wie vorstehend beschrieben, ist diese Wandlervorrichtung erfindungsgemäß derart aufgebaut, dass im Leseschaltungsabschnitt 107 die zur alleinigen Weiterleitung von Wechselspannungskomponenten vorgesehenen Kondensatorelemente CC1 bis CC3 in die Mitte der Ausgangsleitungen von den Ausgängen der Operationsverstärker L1 bis L3 geschaltet und die Rückstellschalter D1 bis D3 für die Gleichspannungsrückstellung der Kondensatorelemente vorgesehen sind, wodurch sich das bei der Rückstellung der in jeder Matrix-Signalleitung ausgebildeten Kapazität auftretende KTC-Rauschen unterdrücken und damit der Störabstand der fotoelektrischen Wandlervorrichtung vergrößern lässt, sodass qualitativ hochwertige Bilder erhalten werden können.
(Ausführungsbeispiel 4)
10 zeigt ein Schaltbild einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der fotoelektrische Wandlerschaltungsabschnitt ebenfalls aus 3 × 3 = 9 Bildelementen besteht. Dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 8 entsprechende Bauelemente sind hierbei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, sodass sich eine erneute Beschreibung dieser Bauteile erübrigt. Die Schaltungsanordnung gemäß 10 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung gemäß 8 dahingehend, dass im Leseschaltungsabschnitt 107 zusätzlich Operationsverstärker K1 bis K3 vorgesehen sind, deren Verstärkungsfaktor mit Hilfe eines extern zugeführten Signals variabel steuerbar ist. In 10 sind vier Signalleitungen A1 bis A4 zur externen Steuerung des Verstärkungsfaktors dargestellt, was eine Auswahl von vier Verstärkungsfaktoren ermöglicht. 11 zeigt eine schematische Darstellung der Schaltungsanordnung der jeweiligen Operationsverstärker K1 bis K3 mit variablem Verstärkungsfaktor gemäß 10, auf deren Funktion nachstehend näher eingegangen wird.
Anschlüsse A1, A2, A3, A4 dienen zur Eingabe eines extern zugeführten Signals zur Auswahl eines Verstärkungsfaktors, wobei angenommen wird, dass jeweils nur einer der vier Anschlüsse mit einem hohen Signal "H" beaufschlagt wird. Wenn dieses Signal "H" einem der Anschlüsse A1, A2, A3 oder A4 zugeführt wird, wird ein mit dem Anschluss A1, A2, A3 oder A4 verbundenes zugehöriges Schaltelement S1, S2, S3 oder S4 durchgeschaltet. Wenn eines dieser Schaltelemente durchgeschaltet wird, arbeitet der zugehörige Operationsverstärker der Operationsverstärker K1 bis K3 als nichtinvertierender Verstärker. Wenn z. B. die Widerstandswerte von Widerständen R3 bis R7 ausreichend größer als der Einschaltwiderstand eines jeden Schaltelements sind und jeweils den gleichen Widerstandswert R(Ω) aufweisen, beträgt der durch S1 gegebene Verstärkungsfaktor 1 + 1/4 = 1,25x, der durch S2 gegebene Verstärkungsfaktor 1 + 2/3 = 1,66x, der durch S3 gegebene Verstärkungsfaktor 1 + 3/2 = 2,5x und der durch S4 gegebene Verstärkungsfaktor 1 + 4/1 = 5x. Durch entsprechende Auswahl der Widerstandswerte der Widerstände R3 bis R7 lassen sich auch vier andere erwünschte Verstärkungsfaktoren erhalten.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel ist jedoch nicht auf die veranschaulichte Umschaltung von vier Verstärkungsfaktoren durch vier Steuersignale beschränkt, sondern es kann natürlich jede gewünschte Anzahl von Steuersignalen zur Umschaltung zugehöriger Verstärkungsfaktoren eingesetzt werden. Wenn eine Multiplexerschaltung mit den Steueranschlüssen verbunden ist, ermöglichen N externe Steuersignale eine Umschaltung zwischen 2^N Möglichkeiten.
In Bezug auf das vorstehend beschriebene Problem, dass auf Grund herstellungsbedingter Unregelmäßigkeiten der Halbleiter-Dünnschicht aus amorphem Silicium individuelle Unterschiede bei den bei der fotoelektrischen Umsetzung erzeugten Ausgangssignalen auftreten, ist durch dieses Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandlervorrichtung auf Grund der möglichen Steuerung des Verstärkungsfaktors durch ein in Bezug auf den Leseschaltungsabschnitt extern zugeführtes Signal eine einfache Kompensationsmöglichkeit für derartige Ausgangssignalabweichungen gegeben, sodass sich die Herstellungskosten der Wandlervorrichtung reduzieren lassen.
(Ausführungsbeispiel 5)
12 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines der Operationsverstärker, die im Leseschaltungsabschnitt einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung enthalten sind. Bei dieser Schaltungsanordnung besteht das erfindungsgemäße Merkmal darin, dass ein Schalterelement SWp vorgesehen ist, das von einem über einen Anschluss PS zugeführten Signal gesteuert wird. Nachstehend wird auf die Funktion und Arbeitsweise dieses Schalterelements SWp näher eingegangen.
Mit Vdd, Vss sind Strom- bzw. Spannungsversorgungsanschlüsse des Operationsverstärkers bezeichnet, über die die Spannungen Vdd > Vss eingegeben werden. Wenn davon ausgegangen wird, dass das Massepotential des Systems das Nullpotential der fotoelektrischen Wandlervorrichtung darstellt, wird normalerweise an den Anschluss Vdd eine positive Spannung angelegt, während am Anschluss Vss eine negative Spannung anliegt. Wenn über den Anschluss PS kein Steuersignal dem Schalterelement SWp zugeführt wird und sich das Schalterelement SWp somit im Abschaltzustand befindet, fließt ein Strom über einen Widerstand R9, eine Diode D1 und eine Diode D2, wodurch das Basispotential eines Transistors Q7 auf das durch die Durchlass-Schwellenspannung der Dioden Dl, D2 gegebene Potential vorgespannt wird. Der Transistor Q7 schaltet sodann durch, sodass der Kollektorstrom I der Transistoren Q6, Q7 vom Anschluss Vdd zum Widerstand R8 fließt. Da die Transistoren Q6 und Q5 sowie Q6 und Q8 in Form einer Stromspiegelschaltung angeordnet sind, fließt bei gleichen Kennwerten der Transistoren Q5, Q6, Q8 ein dem Kollektorstrom I des Transistors Q6 entsprechender Strom zu den Kollektoren der Transistoren Q5, Q8. Der Transistor Q5 wird zu einer Konstantstromquelle zur Realisierung der Funktion eines Operationsverstärkers. Bipolare Transistoren Q1, Q2 bilden die Transistoren der Eingangsstufe, wobei ein der Eingangsspannungsdifferenz zwischen Eingangsanschlüssen VIN(+), VIN(–) entsprechender Strom in die Basis des Transistors Q9 hineinfließt (oder aus ihr herausfließt), in der aus den Transistoren Q8, Q9, Q10 bestehenden Ausgangsstufe verstärkt wird und sodann über den Ausgangsanschluss Vout abgegeben wird. Die Transistoren Q3, Q4 bilden eine Stromspiegelanordnung, die eine Wirklast für die Transistoren Q1, Q2 der Eingangsstufe darstellt. In der Praxis wird diese Schaltungsanordnung als Gegenkopplungsschaltung zur Erzielung einer Gegenkopplung vom Ausgangsanschluss Vout auf den Eingangsanschluss VIN(–), als nichtinvertierende Verstärkerschaltung oder Impedanzwandlerschaltung, als Spannungsfolgerschaltung oder dergleichen verwendet. Außerdem erfolgt auch häufig eine Verwendung als invertierende Verstärkerschaltung.
Wenn die Operationsverstärker unter Verwendung bipolarer Transistoren in der in 12 veranschaulichten Weise aufgebaut sind, überschreitet der Versorgungsstrom normalerweise im üblichen Sinne häufig 100 μA, obwohl dies auch von den verwendeten Widerstandswerten abhängt. Wenn mehrere Operationsverstärker in der in den 3, 6, 8 und 10 dargestellten Weise mit einer Matrix-Signalleitung verbunden sind und angenommen wird, dass ein Verbrauchsstrom von 1 mA zum Auslesen eines Bildelements erforderlich ist, fließt beim Auslesen einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung mit 4000 × 4000 Bildelementen ein Versorgungsstrom von 1 mA × 4000 (Spalten) = 4 (A). Wenn weiter angenommen wird, dass die Versorgungsspannung Vdd +5 (V) und die Versorgungsspannung Vss -5 (V) betragen, ist für den Verbrauch im Leseschaltungsabschnitt eine Leistung von 40 (W) erforderlich. Diese Leistung wird ständig verbraucht, solange jedem Operationsverstärker Strom zugeführt wird, und zwar auch in dem Zustand, in dem die Schalter SR1, SR2 oder die anderen Schalter gemäß den 3, 6, 8 oder 10 nicht in Betrieb sind, d. h., auch in einem Zustand, in dem kein Auslesen erfolgt. Diese Leistung wird im Leseschaltungsabschnitt (IC) in Wärme umgesetzt, die an die Umgebung abgegeben wird.
Das Schalterelement SWp gemäß 12 ist zur Verringerung dieses Stromverbrauchs während sämtlicher Perioden mit Ausnahme der Leseperioden vorgesehen, worauf nachstehend näher eingegangen wird. Mit Ausnahme der Leseperioden wird das Schalterelement SWp durch das über den Anschluss PS zugeführte Steuersignal stets durchgeschaltet, sodass über die Dioden Dl, D2 kein Strom fließt. Auf diese Weise werden die Transistoren Q6, Q7 in den Sperrzustand versetzt, sodass kein Strom fließt. Gleichzeitig wird auch der Kollektorstrom der Transistoren Q5, Q8 unterbrochen. Das über den Anschluss PS zugeführte Steuersignal bewirkt somit eine Unterbrechung der konstanten Stromzuführung für die Operationsverstärker, wodurch eine erhebliche Verringerung des Stromverbrauchs erzielbar ist. Das Schalterelement SWp kann hierbei z. B. aus einem MOS-Transistor bestehen und von einem Spannungssignal von 0 (V)/5 (V) umgeschaltet werden.
Indem die Operationsverstärker im Leseschaltungsabschnitt in der in 12 dargestellten Weise mit einem Schalter zur Verringerung des Stromverbrauchs versehen werden, kann ein Temperaturanstieg des benachbart angeordneten fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts auf Grund der Wärmeerzeugung des Leseschaltungsabschnitts (IC) verhindert, ein Anstieg des Dunkelstroms im Abschaltzustand der Dünnschichttransistoren der Schaltelemente verringert und das Strukturrauschen der fotoelektrischen Wandlervorrichtung herabgesetzt werden. Außerdem ist eine Verringerung des Stromverbrauchs des Leseschaltungsabschnitts (IC) während sämtlicher Betriebszeiten mit Ausnahme der Leseperioden natürlich auch unter ökonomischen Gesichtspunkten von Vorteil.
(Ausführungsbeispiel 6)
13 zeigt ein schematisches Schaltbild des Analog/Digital-Umsetzerschaltungsabschnitts der fotoelektrischen Wandlervorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Analog/Digital-Wandlerschaltungsabschnitt gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht im wesentlichen aus drei Operationsverstärkern, drei Analog/Digital-Umsetzern, zwei Wählschaltungen und einer Bit-Umsetzerschaltung. Nachstehend wird näher auf Betrieb und Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung eingegangen.
Den drei Operationsverstärkern im Analog/Digital-Umsetzerschaltungsabschnitt wird das im Leseschaltungsabschnitt seriell umgesetzte Analogsignal Va zugeführt. Die drei Operationsverstärker werden nachstehend als Verstärker 1, Verstärker 2 und Verstärker 3 bezeichnet, wobei ihre Verstärkungsfaktoren G1, G2, G3 im Verhältnis 1 : 2 : 4 eingestellt sind. Jeder Verstärkungsfaktor ist durch den Widerstandswert eines mit dem Operationsverstärker verbundenen Widerstands bestimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zu Erläuterungszwecken die Verstärkungsfaktoren G1, G2, G3 der Verstärker 1, 2 und 3 jeweils auf den Wert x1, x2 bzw. x4 eingestellt. Außerdem wird davon ausgegangen, dass das vom Leseschaltungsabschnitt abgegebene Signal Va im Bereich von 0 (v) bis 1 (V) liegt, d. h., dem Analog/Digital-Umsetzerschaltungsabschnitt wird kein Signal zugeführt, das über 1 (V) liegt oder einen negativen Spannungswert aufweist. Das vom Leseschaltungsabschnitt abgegebene Signal Va wird von den Verstärkern 1, 2 und 3 verstärkt, wobei das Ausgangssignal eines jeden Verstärkers einem Analog/Digital-Umsetzer AD1, AD2 bzw. AD3 zugeführt wird. Einem Anschluss REF+ und einem Anschluss REF- der Analog/Digital-Umsetzer AD1, AD2, AD3 werden zwei Referenzspannungen zugeführt, wobei das analoge Eingangssignal in Bezug auf die zwischen den Referenzanschlüssen bestehende Differenzspannung digitalisiert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel finden Analog/Digital-Umsetzer mit 12 Bitstellen Verwendung, d. h., ein Signal wird in 2¹² = 4096 Schritten bzw. Stufen digitalisiert. Die beiden Referenzspannungen der Analog/Digital-Umsetzer sind auf 0 (V) bzw. 4 (V) eingestellt.
Da der Analog/Digital-Umsetzer AD3 mit dem Operationsverstärker mit der vierfachen Verstärkung verbunden ist, findet eine Analog/Digital-Umsetzung statt, wenn Va zwischen 0 V (einschließlich) und 0,25 V (einschließlich) liegt. Bei einem über 0,25 (V) liegenden Signal Va wird am Überlaufanschluss OF das logische Signal "H" abgegeben. Da der Analog/Digital-Umsetzer 2 mit dem Operationsverstärker mit der zweifachen Verstärkung verbunden ist, findet eine Analog/Digital-Umsetzung statt, wenn Va zwischen 0 V (einschließlich) und 0,5 V (einschließlich) liegt. Wenn Va größer als 0,5 (V) ist, wird am Überlaufanschluss OF das logische Signal "H" abgegeben. Da der Analog/Digital-Umsetzer AD1 mit dem Operationsverstärker mit dem Verstärkungsfaktor 1 verbunden ist, findet eine Analog/Digital-Umsetzung statt, wenn Va zwischen 0 V (einschließlich) und 1 V (einschließlich) liegt. Bei einem über 1 (V) liegenden Signal Va wird am Überlaufanschluss OF das logische Signal "H" abgegeben.
Die mit den von den Analog/Digital-Umsetzern AD3 und AD2 abgegebenen Digitalsignalen beaufschlagte Wählschaltung 1 hat die Funktion, bei dem Signal "L" am Überlaufanschluss OF des Analog/Digital-Umsetzers AD3 das vom Analog/Digital-Umsetzer AD3 zugeführte Digitalsignal in der zugeführten Form weiter zu leiten, jedoch bei einem Signal "H" am Überlaufanschluss OF des Analog/Digital-Umsetzers AD3 das vom Analog/Digital-Umsetzer AD2 zugeführte Digitalsignal in der zugeführten Form weiter zu leiten. Die mit den von der Wählschaltung 1 und dem Analog/Digital-Umsetzer AD1 abgegebenen Digitalsignalen beaufschlagte Wählschaltung 2 hat die Funktion, bei einem Signal "L" am Überlaufanschluss OF des Analog/Digital-Umsetzers AD2 das von der Wählschaltung 1 zugeführte Digitalsignal in der zugeführten Form weiter zu leiten, jedoch bei einem Signal "H" am Überlaufanschluss OF des Analog/Digital-Umsetzers AD2 das vom Analog/Digital-Umsetzer AD3 abgegebene Digitalsignal in der zugeführten Form weiter zu leiten. Am Ausgang der Wählschaltung 2 wird somit das Signal des Analog/Digital-Umsetzers AD3 abgegeben, wenn Va 0 (V) bis 0,25 (V) beträgt, das Signal des Analog/Digital-Umsetzers AD2 abgegeben, wenn Va 0,25 (V) bis 0,5 (V) beträgt, und das Signal des Analog/Digital-Umsetzers AD1 abgegeben, wenn Va 0,5 (V) bis 1 (V) beträgt. Die Wählschaltungen 1 und 2 weisen einen identischen Schaltungsaufbau auf, wobei 14 ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung der Wählschaltung 1 gemäß 13 in schematischer Darstellung zeigt.
Wenn das Signal "L" am Überlaufanschluss OF eines jeden Analog/Digital-Umsetzers ansteht, d. h., wenn das Signal Va kleiner als 0,25 (V) ist, entspricht das Verhältnis der digitalen Ausgangssignale der Analog/Digital-Umsetzer AD1, AD2 und AD3 dem Verstärkungsverhältnis der Verstärker in Form von G1 : G2 : G3 = 1 : 2 : 4. Das digitale Ausgangssignal des Analog/Digital-Umsetzers AD2 wird somit erhalten, indem die Bitziffern des digitalen Ausgangssignals des Analog/Digital-Umsetzers AD1 um eine Bitstelle in Richtung des höchstwertigen Bits verschoben werden, während das digitale Ausgangssignal des Analog/Digital-Umsetzers AD3 erhalten wird, indem die Bitziffern des digitalen Ausgangssignals des Analog/Digital-Umsetzers AD2 um eine Bitstelle in Richtung des höchstwertigen Bits verschoben werden.
Wenn z. B. der Analog/Digital-Umsetzer AD1 (von der Seite des höchstwertigen Bits her gesehen) das Ausgangssignal
{000100101101} abgibt, beträgt das Ausgangssignal des Analog/Digital-Umsetzers AD2
{001001011010}, während das Ausgangssignal des Analog/Digital-Umsetzers AD3
{010010110100} beträgt.
15 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Bit-Umsetzerschaltung gemäß 13. In dieser Bit-Umsetzerschaltung wird das ihr zugeführte, 12 Bits umfassende Digitalsignal der Wählschaltung 2, d. h., das Digitalsignal des ausgewählten Analog/Digital-Umsetzers, in 14 Bits umgesetzt. Hierbei wird der Schiebevorgang der Bits entsprechend dem ausgewählten Analog/Digital-Umsetzer ausgeführt.
Wenn z. B. der Analog/Digital-Umsetzer AD1 ausgewählt ist und sein Ausgangssignal (von der Seite des höchstwertigen Bits her gesehen)
{10100100101101} beträgt, gibt die Bit-Umsetzerschaltung folgendes Ausgangssignal mit 14 Bitstellen ab:
{1010010010110100}.
Wenn der Analog/Digital-Umsetzer AD2 ausgewählt ist und sein Ausgangssignal (von der Seite des höchstwertigen Bits her gesehen)
{100101001001} beträgt, gibt die Bit-Umsetzerschaltung folgendes Ausgangssignal mit 14 Bitstellen ab:
{01001010010010}.
Wenn der Analog/Digital-Umsetzer AD3 ausgewählt ist und sein Ausgangssignal (von der Seite des höchstwertigen Bits her gesehen)
{101010111010} beträgt, gibt die Bit-Umsetzerschaltung folgendes Ausgangssignal mit 14 Bitstellen ab:
{00101010111010}.
Der gewünschte Bit-Schiebevorgang wird entsprechend dem Digitalsignal des ausgewählten Analog/Digital-Umsetzers durch ein Eingangssignal an einem Anschluss SEL1, SEL2 oder SEL3 des Bit-Umsetzerschaltungsabschnitts ausgeführt. Dieses Signal kann durch eine einfache Logikschaltung unter Verwendung des am Anschluss OF eines jeden Analog/Digital-Umsetzers abgegebenen Signals erzeugt werden. Bei der Schaltungsanordnung gemäß l2 wird bei einem Signal "H" am Anschluss SEL1 eine Bit-Umsetzung für das digitale Ausgangssignal des Analog/Digital-Umsetzers AD1 ausgeführt, bei einem Signal "H" am Anschluss SEL2 eine Bit-Umsetzung für das digitale Ausgangssignal des Analog/Digital-Umsetzers AD2 ausgeführt und bei einem Signal "H" am Anschluss SEL3 eine Bit-Umsetzung für das digitale Ausgangssignal des Analog/Digital-Umsetzers AD3 ausgeführt.
Der Analog/Digital-Umsetzerschaltungsabschnitt gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist somit dahingehend ausgestaltet, dass der Analog/Digital-Umsetzer AD3 eine Digitalisierung in 2¹² = 4096 Schritten bzw. Stufen ausführt, wenn Va 0 (V) bis 0,25 (V) beträgt, der Analog/Digital-Umsetzer AD2 eine Digitalisierung in 2¹¹ = 2048 Schritten bzw. Stufen ausführt, wenn Va 0,25 (V) bis 0,5 (V) beträgt, und der Analog/Digital-Umsetzer AD1 eine Digitalisierung in 2¹¹= 2048 Schritten bzw. Stufen ausführt, wenn Va 0,5 (V) bis 1 (V) beträgt. Das von dem Leseschaltungsabschnitt abgegebene und in dem Bereich Va: 0 (V) bis 1 (V) liegende Analogsignal kann somit auf diese Weise in 4096 + 2048 + 2048 = 8192 Stufen unterteilt und als Ausgangssignal in Form eines 14 Bitstellen umfassenden Digitalwertes abgegeben werden. Dieses digitale Ausgangssignal mit 14 Bitstellen wird z. B. in einem Speicher abgespeichert und sodann durch einen Computer einer digitalen Verarbeitung unterzogen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden somit Signale, bei denen Va nicht mehr als 0,25 (V) beträgt, für einen Dynamikbereich von 1 (V) in 1/2¹⁴ Stufen quantisiert, d. h., Signale mit niedrigen Pegeln von 1/4 oder weniger werden in hoher Auflösung wiedergegeben, was insbesondere für Anwendungszwecke, wie im Falle eines für medizinische Zwecke verwendeten Röntgen-Bildaufnahmegerätes, geeignet ist. Da Offset-Komponenten, wie das im Dunkelzustand im fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt auftretende Strukturrauschen (FPN) und das in der Leseschaltung auftretende Strukturrauschen in hoher Auflösung digitalisiert werden, lässt sich auch in Bezug auf die Durchführung einer Offset-Korrektur eine höhere Korrekturgenauigkeit erzielen.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist zwar ein Analog/Digital-Umsetzerschaltungsabschnitt mit drei Operationsverstärkern und drei Analog/Digital-Umsetzern in Betracht gezogen worden, jedoch kann auch eine Vielzahl der jeweiligen Bauelemente (N Bauelemente) vorgesehen sein. Außerdem wurden für die Verstärkungsfaktoren der Operationsverstärker die Werte x1, x2 und x4 in Betracht gezogen, jedoch müssen sie nicht durch G1 : G2 : G3 = 1 : 2 : 4 gegeben sein, sondern können in Form eines anderen Verstärkungsfaktorverhältnisses vorgegeben sein, wie z. B. in Form von x2, x4 und x8. In diesem Falle kann die Referenzspannung der Analog/Digital-Umsetzer entsprechend den Verstärkungsfaktoren 8 (V) betragen. Bei N Operationsverstärkern kann das Verstärkungsverhältnis der jeweiligen Operationsverstärker auf 2⁰: 2¹: 2²: ... : 2^N ^-1 eingestellt werden, wobei N Analog/Digital-Umsetzer zu verwenden sind. Außerdem wurde bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Verwendung von Analog/Digital-Umsetzern mit 12 Bitstellen in Betracht gezogen, jedoch können auch Analog/Digital-Umsetzer mit einer beliebigen Anzahl von Bitstellen verwendet werden.
Bei Verwendung von N Operationsverstärkern und N Analog/Digital-Umsetzern mit M Bitstellen im Analog/Digital-Umsetzerschaltungsabschnitt können somit digitale Ausgangssignale mit (M + N – 1) Bits erhalten werden, wobei diese Daten in Form von Digitalwerten mit (M + N – 1) Bits in einer nachgeschalteten Datenverarbeitungseinrichtung unter Verwendung eines Computers und einer Speicherschaltung verarbeitet werden können.
Außerdem können Analogsignale mit einem Wert von 1/2^N ^-1 oder weniger des Dynamikbereiches im wesentlichen mit der gleichen Genauigkeit wie im Falle der Verwendung von Analog/Digital-Umsetzern mit (M + N – 1) Bits in Digitalsignale umgesetzt werden. Wenn somit Analog/Digital-Umsetzer mit (M + N – 1) Bits nicht vorhanden sind oder zwar vorhanden sind, jedoch auf Grund ihrer Umsetzungsgeschwindigkeit nicht verwendet werden können, lässt sich dennoch eine (M + N – 1) Bits äquivalente Digitalumsetzung durch Verwendung von N Analog/Digital-Umsetzern mit M Bitstellen erzielen.
(Ausführungsbeispiel 7)
16 zeigt ein Schaltbild einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Anzahl der Bildelemente des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts 101 nicht 3 × 3, sondern 16 veranschaulicht eine Anordnung mit einer Vielzahl von Bildelementen. Obwohl die im Leseschaltungsabschnitt gemäß 6 dargestellten Kondensatorelemente CL1 bis CL3, Schalter Sn1 bis Sn3, Verstärker B1 bis B3 und Schalter Sr1 bis Sr3 in 16 nicht dargestellt sind, sind tatsächlich für jede dieser Baugruppen 128 Elemente vorgesehen. Außerdem ist darauf hinzuweisen, dass auch das Schieberegister 103, der Verstärker 104 und der Analog/Digital-Umsetzerschaltungsabschnitt gemäß 6 in 16 ebenfalls nicht dargestellt sind.
Wie 16 zu entnehmen ist, ist eine Anzahl von 128 Eingängen für den Leseschaltungsabschnitt 107 vorgesehen. Wenn die Anzahl der Spalten in dem zweidimensionalen fotoelektrischen Wandlerelement-Schaltungsabschnitt 101 z. B. 2560 beträgt, finden 20 Leseschaltungsabschnitte 107 (integrierte Schaltkreise) Verwendung. Mit BND1 bis BND128 sind Verbindungen zwischen den Matrix-Signalleitungen (M1 bis M128) des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts und dem Leseschaltungsabschnitt bezeichnet, deren Anschluss durch Leitungskontaktierung oder ein anisotropes Verbindungsverfahren erfolgt.
Die Schaltungsanordnung gemäß 16 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung gemäß 6 dahingehend, dass das Referenzpotential (Massepotential) der Operationsverstärker L1 bis L128 der ersten Stufe für die Verstärkung der Signale an den Matrix-Signalleitungen jeweils über Pufferverstärker E1 bis E128 zugeführt wird. Wie vorstehend in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel 2 bereits beschrieben worden ist, dienen die Operationsverstärker L1 bis L128 zur Verstärkung der Ausgangssignale des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts und weisen in Bezug auf die Rauschleistung ausgezeichnete Kennwerte auf. Zusätzlich zu dem in den Operationsverstärkern L1 bis L128 auftretenden statistischen Rauschen tritt gleichzeitig bei der Verstärkung durch die Operationsverstärker auch ein thermisches Rauschen in einem in der Konfiguration als nichtinvertierender Verstärker vorgesehenen Widerstand auf. Insbesondere wird das thermische Rauschen (4KTRB), das an den jeweils zwischen den invertierenden Eingang und Masse der Operationsverstärker geschalteten Eingangswiderständen RA1 bis RA128 auftritt, mit dem Verstärkungsfaktor der nichtinvertierenden Verstärker durch die Operationsverstärker L1 bis L128 auch noch verstärkt. Die Eingangswiderstände der Operationsverstärker L1 bis L128 müssen daher geringe Widerstandswerte aufweisen, damit das in den Widerständen auftretende thermische Rauschen möglichst gering gehalten werden kann.
Bei der Zuführung eines Signals von dem fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt zu den Operationsverstärkern L1 bis L128 fließt andererseits auch ein von der Spannung des Eingangssignals abhängiger elektrischer Strom über die Eingangswiderstände RA1 bis RA128. Wenn z. B. angenommen wird, dass die Ausgangsspannung der Matrix-Signalleitung M1, d. h., die Eingangsspannung des Operationsverstärkers L1, durch V1 gegeben ist, ist der über den Eingangswiderstand RA1 fließende elektrische Strom I1 durch I1 = V1/RA1 gegeben, was beinhaltet, dass sich mit abnehmendem Eingangswiderstand das thermische Rauschen verringert, während der über den Eingangswiderstand fließende elektrische Strom ansteigt. Der elektrische Strom fließt zu Masse. Wenn eine hohe Masseimpedanz vorliegt, führt der über den Eingangswiderstand fließende elektrische Strom zu einem Spannungsabfall. Wenn z. B. das Massepotential dem Leseschaltungsabschnitt 107 an einem einzigen Punkt extern zugeführt wird, wird eine Masseverbindung von diesem Punkt zur Zuführung des Massepotentials zu den Operationsverstärkern L1 bis L128 hergestellt. Im Falle eines Leseschaltungsabschnitts, der gemäß 16 eine Anzahl von 128 Eingängen aufweist, fließen die über die 128 Eingangswiderstände fließenden elektrischen Ströme sämtlich in die Masseleitung, was zu Änderungen der Referenzpotentiale (Masse) von Operationsverstärkern führen würde, die in Bezug auf den Zuführungspunkt des Massepotentials beabstandet angeordnet sind. Außerdem hängen diese Potentialänderungen auch von den Eingangssignalen an den anderen Signalleitungen ab, was dazu führen kann, dass keine genauen fotoelektrischen Wandlersignale mehr erhalten werden können. Der Spannungsabfall des Referenzpotentials kann zwar durch Vergrößerung der Leitungsbreite der auf diese weise geführten Masseleitung verringert werden, jedoch führt dies zu einer Vergrößerung der Chipfläche, was keine erstrebenswerte Lösung darstellt. Außerdem kann die Impedanz durch jeweilige externe Zuführung des Massepotentials zu jedem der Operationsverstärker L1 bis L128 verringert werden, jedoch stellt die hierbei erforderliche Anbringung einer der Anzahl von Eingängen entsprechenden Anzahl von Zuführungskontaktierungen keine praktische Lösung dar.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist daher den Operationsverstärkern L1 bis L128 jeweils ein zugehöriger Pufferverstärker E1 bis E128 derart zugeordnet, dass das Referenzpotential (Massepotential) für die rauscharmen Verstärker L1 bis L128 über die jeweiligen Ausgänge der Pufferverstärker E1 bis E128 zugeführt wird. Wenn somit für die Eingangswiderstände RA1 bis RA128 der Operationsverstärker L1 bis L128 geringe Widerstandswerte gewählt werden und sich demzufolge die über die Eingangswiderstände fließenden elektrischen Ströme vergrößern, kann dennoch den rauscharmen Operationsverstärkern L1 bis L128 stets ein genauer Massepotential als Referenzpotential zugeführt werden, sodass genaue fotoelektrische Wandlersignale erhalten werden können. Auf Grund der kleinen Widerstandswerte tritt natürlich an den Eingangswiderständen RA1 bis RA128 nur ein geringes thermisches Rauschen auf, sodass ein größerer Störabstand erhalten werden kann. Die Widerstandswerte der Eingangswiderstände müssen jedoch nicht äußerst gering sein und können unter Berücksichtigung des in den Widerständen auftretenden thermischen Rauschens und des in den Pufferverstärkern E1 bis E128 auftretenden Rauschens vorgegeben werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist zwar eine Anzahl von 128 Eingängen im Leseschaltungsabschnitt in Betracht gezogen worden, jedoch kann der Leseschaltungsabschnitt problemlos auch eine erheblich höhere Anzahl von Eingängen aufweisen:
(Ausführungsbeispiel 8)
17 zeigt ein Schaltbild einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 entsprechende Bauelemente sind hierbei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden daher nicht erneut beschrieben.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 17 unterscheidet sich im wesentlichen in vier Punkten von dem Ausführungsbeispiel gemäß 8. Erstens sind die Kondensatorelemente CC1 bis CC3 über Widerstandselemente RB1 bis RB3 mit den Schalterelementen D1 bis D3 verbunden. Zweitens wird ein Signal zum Öffnen/Schließen der Schalterelemente D1 bis D3, d. h., ein Signal DRES, durch ein Signal CRES und ein Verzögerungsglied DL1 (oder DL2) erzeugt, das zusätzlich durch ein externes Steuersignal DSEL ausgewählt werden kann. Drittens ist ein aus einem jeweiligen Pufferverstärker F1 bis F3, einem jeweiligen Widerstandselement RF1 bis RF3 und einem jeweiligen Kondensatorelement CF1 bis CF3 bestehendes Tiefpassfilter zwischen die jeweiligen Kondensatorelemente CCl bis CC3 und die jeweiligen Pufferverstärker A1 bis A3 geschaltet. Viertens kann die Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung der zur Abtastung und Einspeicherung eines Signals in die Kondensatorelemente CL1 bis CL3 dienenden Pufferverstärker A1 bis A3 mit Hilfe eines externen Steuersignals SR verändert werden.
Obwohl dieses Ausführungsbeispiel der fotoelektrischen Wandlervorrichtung mit einer Anordnung aus 3 × 3, d. h., 9 Bildelementen dargestellt ist, kann die Wandlervorrichtung natürlich eine erheblich größere Anzahl von Bildelementen aufweisen. Da keine Beeinträchtigung durch die Beschreibung nur einer Zeile der Matrix-Signalleitungen gegeben ist, wird bei der nachstehenden Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels nur die Zeile der Matrix-Signalleitung M1 in Betracht gezogen.
Der zur Verstärkung des vom fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt 101 abgegebenen Signals dienende Operationsverstärker L1 der ersten Stufe im Leseschaltungsabschnitt 107 ist äußerst rauscharm, wie dies vorstehend bereits in Verbindung mit dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist. Sein Frequenzband kann einen Frequenzbereich umfassen, der eine ausreichende Verstärkung des durch den Signalübertragungsvorgang der Dünnschichttransistoren im fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt übertragenen fotoelektrischen Wandlersignals ermöglicht. Wenn jedoch das Frequenzband des Operationsverstärkers L1 breiter als nötig ist, kann zwar das fotoelektrische Wandlersignal verstärkt werden, jedoch findet außerdem auch eine Verstärkung der Hochfrequenzkomponenten des am Operationsverstärker L1 auftretenden statistischen Rauschens statt. Das durch diese Hochfrequenzkomponenten gegebene Rauschen tritt im Ausgangssignal des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts bei dessen Rückstellung auf und wird schließlich im Kondensatorelement CC1 unterdrückt. Dies führt jedoch zu einer Verringerung des Störabstands.
Außerdem werden bei der Übertragung des fotoelektrischen Wandlersignals über die Dünnschichttransistoren auch die Hochfrequenzkomponenten des Rauschens des Operationsverstärkers L1 verstärkt, was ebenfalls den Störabstand verringert. Für den Operationsverstärker L1 muss somit ein Frequenzband vorgegeben werden, das dem Verstärker eine ausreichende Verstärkung des durch den Signalübertragungsvorgang an den Dünnschichttransistoren im fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt übertragenen fotoelektrischen Wandlersignals ermöglicht, jedoch nicht breiter als nötig ist. In der Praxis ist jedoch die Auslegung und Herstellung eines Operationsverstärkers mit einer gewünschten Bandbreite in Form einer einfach aufgebauten Schaltungsanordnung mit Schwierigkeiten verbunden. Insbesondere im Falle der erfindungsgemäßen Leseschaltung, bei der eine Vielzahl von Operationsverstärkern auf einem Chip angeordnet werden müssen, besteht die Möglichkeit von Abweichungen nicht nur in einer Größenordnung, sondern in einer mehrfachen Größenordnung. Unter Berücksichtigung dieser Abweichungen ist daher für den Operationsverstärker L1 ein etwas breiteres Frequenzband vorgesehen als das Frequenzband, das zur Verstärkung des durch den Signalübertragungsvorgang an den Dünnschichttransistoren im fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt übertragenen fotoelektrischen Wandlersignals ausreicht.
18 zeigt den zeitlichen Verlauf des CRES-Signals und der Ausgangssignale der Verzögerungsglieder DL1 und DL2. Die Verzögerungsschaltung DL1, DL2 bewirkt eine Verzögerung nur der abfallenden Flanke des CRES-Signals, wobei die durch das Verzögerungsglied DL2 herbeigeführte Verzögerung größer als die durch das Verzögerungsglied DL1 bewirkte Verzögerung ist. Mit Hilfe eines externen Steuersignals kann somit eine Wahl zwischen DRES-Signalen mit unterschiedlichen Verzögerungsbeträgen getroffen werden. Im Einschaltzustand des CRES-Signals, d. h., bei der Rückstellung der Lesekapazität der Matrix-Signalleitung im fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt, befindet sich auch das DRES-Signal im Einschaltzustand. Das hierbei am Operationsverstärker L1 auftretende Rauschen wird durch das primäre Tiefpassfilter mit der von dem Kondensatorelement CC1 und dem Widerstand RB1 bestimmten Grenzfrequenz Fc = 1/(2·π·CC1·RB1) begrenzt. Auch wenn somit das Frequenzband des Operationsverstärkers L1 ein wenig breiter vorgegeben ist, wird durch den Widerstand RB1 im wesentlichen eine Beschränkung des Frequenzbandes erzielt, wodurch sich das hochfrequente Rauschen des Operationsverstärkers L1 unterdrücken lässt.
Während der Übertragung des fotoelektrischen Wandlersignals über die Dünnschichttransistoren nach Beendigung der Rückstellung wirken der Pufferverstärker F1, das Kondensatorelement CF1 und das Widerstandselement RF1 als primäres Tiefpassfilter, durch das das hochfrequente Rauschen des Operationsverstärkers L1 unterdrückt werden kann. Das Frequenzband des Pufferverstärkers F1 kann ein wenig höher eingestellt werden, wobei die Kennwerte der Bauelemente CF1 und RF1 derart gewählt werden können, dass ein Frequenzband erhalten wird, das eine ausreichende Verstärkung des durch den Übertragungsvorgang an den Dünnschichttransistoren im fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt erhaltenen fotoelektrischen Wandlersignals ermöglicht, jedoch nicht breiter als nötig ist.
Die Verzögerungszeit der abfallenden Flanke des Signals DRES durch die Verzögerungsschaltung DL1, DL2 wird von dem Signal DSEL gesteuert und ist nachstehend als Verzögerungszeit Td bezeichnet. Wie in Verbindung mit dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, kann das bei der Rückstellung der Lesekapazität (C2) der Matrix-Signalleitung durch das CRES-Signal auftretende KTC-Rauschen unterdrückt werden, indem eine Wechselspannungskopplung des Kondensatorelements CC1 im Rahmen der in 6 veranschaulichten Steuerung vorgenommen wird. Durch Einfügen des Widerstandselements RB1 ist der Anteil VKTC des im Kondensatorelement CCl akkumulierten KTC-Rauschens durch VKTC = VT (1 – EXP(-Td/CC1·RB1)) gegeben, wobei VT den Gesamtanteil des KTC-Rauschens bezeichnet. Das KTC-Rauschen kann somit in ausreichendem Maße im Kondensatorelement CC1 akkumuliert werden, indem die Verzögerungszeit Td ausreichend länger als die durch CC1·RB1 gegebene Zeitkonstante eingestellt wird, wobei das KTC-Rauschen dann bei dem Signalübertragungsvorgang der Dünnschichttransistoren unterdrückt werden kann. Die Vorgabe einer längeren Verzögerungszeit Td vergrößert jedoch die zum Auslesen einer Zeile erforderliche Zeitdauer, was wiederum beinhaltet, dass sich die Lesezeit der fotoelektrischen Wandlersignale für ein Bild verlängert. Wenn die erfindungsgemäße fotoelektrische Wandlervorrichtung z. B. bei einem Röntgen-Bildaufnahmegerät Verwendung findet, kann die Zeit Td zur Erzeugung eines qualitativ hochwertigen Stehbildes einer Aufnahme zwar länger eingestellt werden, jedoch führt diese Verlängerung der Lesezeit bei der Erzeugung einer Vielzahl von kontinuierlich bewegten Bildern zu einer Verringerung der Aufnahmegeschwindigkeit (Bildgeschwindigkeit, d. h., Anzahl der Bilder/Sekunde) eines sich bewegenden Bildes. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Zeit Td mit Hilfe des DSEL-Signals umgeschaltet werden. Dies ermöglicht eine einfache Umschaltung des Betriebszustands durch das DRES-Signal in Abhängigkeit vom Verwendungszweck, was z. B. derart erfolgen kann, dass das DRES-Signal mit der längeren Zeit Td im Stehbildbetrieb verwendet wird, der ein qualitativ hochwertiges Bild mit einem hohen Störabstand erfordert, während das DRES-Signal mit der kürzeren Zeit Td zur Erzeugung beweglicher Bilder mit einer hohen Bildgeschwindigkeit Verwendung findet.
Wenn das Schieberegister 103 im Leseschaltungsabschnitt von einer Schaltungsanordnung gebildet wird, die synchrone Ausgangssignale mit einem Grundtakt abgibt, werden fotoelektrische Wandlersignale (Analogsignale) nach einer seriellen Umsetzung durch das Schieberegister 103 synchron mit dem Grundtakt abgegeben (in 17 nicht dargestellt). Wenn z. B. der Grundtakt 10 MHz beträgt, kann die Ausgabegeschwindigkeit des Analogsignals ebenfalls auf 10 MHz festgelegt werden. Es gibt jedoch Fälle, bei denen eine Analogsignal-Ausgabegeschwindigkeit von 10 MHz nicht möglich ist, was z. B. auf Restriktionen auf Grund der verwendeten Schaltungsanordnung, wie dem Analog/Digital-Umsetzerschaltungsabschnitt 105 oder dem den Speicher, eine Zentraleinheit und andere nachgeschaltete digitale Schaltungsanordnungen umfassenden Schaltungssystem, oder auf durch die Programmausrüstung gegebenen Umständen beruhen kann. In solchen Fällen kann der Betrieb mit einem Grundtakt von z. B. 5 MHz erfolgen. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Verzögerungszeit Td bei der zeitlichen Ansteuerung zur Unterdrückung des vorstehend beschriebenen KTC-Rauschens auch konstant gehalten werden. Dies lässt sich realisieren, indem die Verzögerungsglieder DL1, DL2 mit dem Grundtakt angesteuert werden, wobei sie von einfachen Digitalgliedern gebildet werden können.
So kann z. B. das Verzögerungsglied DL1 derart ausgestaltet sein, dass eine Verzögerung von 16 Taktimpulsen bewirkt wird, während das Verzögerungsglied DL2 eine Verzögerung von 32 Taktimpulsen herbeiführt. Bei 10 MHz wird das Signal DSEL zur Verwendung des Verzögerungsgliedes DL2 auf "H" gesetzt, wodurch Td = 3,2 (μs) erhalten wird, während bei 5 MHz das Signal DSEL zur Verwendung des Verzögerungsgliedes DL1 auf "L" gesetzt wird; wodurch Td = 3,2 (μs) erhalten wird. Die Zeit Td kann somit durch Umschalten des Signals DSEL konstant gehalten werden. Die Kapazität des Kondensatorelements CC1 und der Widerstandswert des Widerstands RB1 können somit unter Berücksichtigung des KTC-Rauschens, des Frequenzbandes des Operationsverstärkers L1 und der Lesegeschwindigkeit in geeigneter Weise festgelegt werden, wobei die DRES-Signale in Abhängigkeit vom angestrebten Zweck durch das DSEL-Signal umgeschaltet werden können.
19 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines detaillierten Schaltungsaufbaus des den Abtast-Speicherabschnitt in 17 bildenden Bereiches, d. h., des aus dem Pufferverstärker A1, dem Schaltelement Sn1, dem Kondensatorelement CL1 und dem Pufferverstärker B1 bestehenden Bereiches. Die über Transistoren Q6, Q5 fließenden elektrischen Ströme können in Abhängigkeit vom Einschaltzustand und Abschaltzustand des externen Steuersignals SR verändert werden. Hierdurch wird die Ladungsmenge verändert, die im Kondensatorelement CL im Einschaltzustand des SMPL-Signals in einer Einheitszeit bei der im Kondensatorelement CL erfolgenden Abtastspeicherung des fotoelektrischen Umsetzungssignals des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts gespeichert werden kann, d. h., mit Hilfe des Signals SR wird die Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung (V/μs) des Verstärkers A1 verändert. Das im Verstärker A1 auftretende Rauschen ist bei der Umsetzung am Eingang des Leseschaltungsabschnitts durch den Kehrwert der Verstärkung des Verstärkers L1 in Form von 1/G (G: 1 + R2/R1) gegeben und hängt in ähnlicher Weise wie bei dem Operationsverstärker L1 und den anderen Verstärkern von der Rauschspannungsdichte (V/√Hz) und dem Frequenzband des Verstärkers A1 ab. Wenn das SR-Signal am Verstärker A1 auf den Wert "L" übergeht, verringert sich die Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung, was bedeutet, dass sich das Frequenzband des Verstärkers A1 verringert. Dies hat eine vorteilhafte Auswirkung auf den Störabstand, da das im Kondensatorelement CL akkumulierte Rauschen des Verstärkers A1 bei der Abtastung des fotoelektrischen Umsetzungssignals im Zustand "H" des SMPL-Signals verringert werden kann. Wenn z. B. vom fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt ein schwaches Signal abgegeben wird, wird das SR-Signal zur Verringerung der Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung des Verstärkers A1 auf "L" geschaltet, wodurch sich das Rauschen verringern lässt. So ist z. B. bei der Verwendung der fotoelektrischen Wandlervorrichtung bei einem Röntgen-Bildaufnahmegerät die Röntgendosis üblicherweise begrenzt, sodass – wie vorstehend bereits beschrieben – schwache Signale erhalten werden und sich die Schaltfunktion mit Hilfe des Steuersignals SR als sehr wirksam erweist.
Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel die mit Hilfe des Steuersignals DSEL oder SR erfolgende Schaltfunktion nur in Bezug auf die beiden Möglichkeiten bzw. Signalwerte "H" und "L" beschrieben worden ist, kann natürlich die Anzahl der Schaltmöglichkeiten auf einfache Weise z. B. auf vier, acht, sechzehn ....., Möglichkeiten vergrößert werden, falls dies erforderlich ist.
(Ausführungsbeispiel 9)
20 zeigt ein schematisches Schaltbild einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zur Vereinfachung der Beschreibung ist lediglich eine Anordnung aus 3 × 3 = 9 Bildelementen dargestellt. Die Schaltungsanordnung gemäß 20 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung gemäß 3 in der Art der Darstellung der fotoelektrischen Wandlerelemente S1-1 bis S3-3. Außerdem ist sie in Bezug auf den Stromversorgungsschaltungsabschnitt unterschiedlich, der zur Zuführung einer Vorspannung zu den fotoelektrischen Wandlerelementen dient. Der Leseschaltungsabschnitt entspricht dem Leseschaltungsabschnitt gemäß 3, wobei gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Das Verfahren zur Herstellung des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts ist bereits vorstehend in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben worden. Demzufolge entsprechen die schematische Draufsicht wie auch die schematische Querschnittsansicht der fotoelektrischen Wandlerelemente, Schaltelemente (Dünnschichttransistoren), usw. jeweils 5A bzw. 5B. Wie 5A und 5B zu entnehmen ist, besitzen die fotoelektrischen Wandlerelemente die gleiche Schichtstruktur wie die Schaltelemente und sind als MIS-Kondensatoren ausgestaltet. Anders als bei üblichen MIS-Kondensatoren wird jedoch die N⁺-Schicht als obere Elektrode der fotoelektrischen Wandlerelemente verwendet, da Licht einfallen können muss. Jedes fotoelektrische Wandlerelement ist außerdem auch ein Kondensatorelement, sodass die Ladung eines fotoelektrisch umgesetzten Signals in einer eigenen Kapazität akkumuliert wird. In Verbindung mit diesem Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zur Durchführung der Akkumulation der fotoelektrischen Umsetzungsladung, der Signalübertragung durch die Dünnschichttransistoren und des Signalsauslesens nach der Rückstellung der auch als Kondensatoren ausgestalteten fotoelektrischen Wandlerelemente mit Hilfe einer extern vorgesehenen Vorspannungsschaltung beschrieben. Der Rückstellvorgang der fotoelektrischen Wandlerelemente wird nachstehend als "Auffrischung" bezeichnet. Die fotoelektrischen Wandlerelemente S1-1 bis S3-3 sind in anderer Form als in 3 dargestellt, wobei die erste Metall-Dünnschicht gemäß den 5A und 5B nachstehend als "G"-Elektrode der fotoelektrischen Wandlerelemente bezeichnet wird, während ihre zweite Metall-Dünnschicht als "D"-Elektrode bezeichnet ist. Wie vorstehend beschrieben, wirkt die D-Elektrode jedoch als eine die N⁺-Schicht umfassende Elektrode für die fotoelektrischen Wandlerelemente S1-1 bis S3-3.
Zunächst wird die Ansteuerung und Arbeitsweise bei einem einzelnen fotoelektrischen Wandlerelement näher beschrieben. Die 22A bis 22C zeigen Energiebändermodelle zur Veranschaulichung der Ansteuerung bzw. Arbeitsweise.
22A zeigt die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels bei einem Auffrischungsvorgang, während 22B die Arbeitsweise bei einem fotoelektrischen Umsetzungsvorgang veranschaulicht, wobei die jeweiligen Zustände in der Dickenrichtung der jeweiligen Schichten des fotoelektrischen Wandlerelements gemäß 5A bzw. 5B dargestellt sind. Mit M1 ist die untere Elektrode (G-Elektrode) bezeichnet, die aus der ersten Metall-Dünnschicht (Cr) besteht. Die a-SiNx-Schicht stellt die Isolierschicht zur Verhinderung des Hindurchtretens von sowohl Elektronen als auch Defektelektronen dar, die eine ausreichende Dicke zur Verhinderung des Auftretens eines Tunneleffektes aufweisen muss und zu diesem Zweck auf 500 Å oder mehr eingestellt ist. Die a-Si-Schicht bildet die fotoelektrische Wandler-Halbleiterschicht, die aus einer eigenleitenden i-Halbleiterschicht besteht. Die N⁺-Schicht bildet die Injektions-Verhinderungsschicht in Form einer Nleitfähigen a-Si-Schicht, die zur Verhinderung des Eindringens von Defektelektronen in die a-Si-Schicht ausgebildet ist. Außerdem ist mit M2 die obere Elektrode (D-Elektrode) bezeichnet, die aus der zweiten Metall-Dünnschicht (A1) besteht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel deckt die D-Elektrode die N⁺-Schicht nicht vollständig ab, sondern Elektronen können sich frei zwischen der D-Elektrode und der N⁺-Schicht bewegen. Die D-Elektrode und die N⁺-Schicht befinden sich somit stets auf dem gleichen Potential, was bei der folgenden Beschreibung vorausgesetzt wird.
Diese fotoelektrischen Wandlerelemente arbeiten in zwei Betriebsarten, nämlich im Auffrischungsbetrieb und im fotoelektrischen Umsetzungsbetrieb, was von der Spannungszuführung zu der D-Elektrode und der G-Elektrode abhängt.
Gemäß 22A wird im Auffrischungsbetrieb ein negatives Potential an die D-Elektrode in Bezug auf die G-Elektrode angelegt, sodass die in Form von Punkten dargestellten Defektelektronen in der i-Schicht durch das elektrische Feld zur D-Elektrode geführt werden. Gleichzeitig werden die in Form von kleinen Kreisen dargestellten Elektronen in die i-Schicht injiziert. Hierbei findet in der N⁺-Schicht und der i-Schicht eine Rekombination einiger Defektelektronen und Elektronen statt, die auf diese Weise vernichtet werden. Wenn dieser Zustand während einer ausreichend langen Zeit andauert, werden die in der i-Schicht befindlichen Defektelektronen aus der i-Schicht entfernt.
Um von diesem Zustand auf den fotoelektrischen Umsetzungsbetrieb gemäß 22B über zu gehen, wird an die D-Elektrode ein positives Potential in Bezug auf die G- Elektrode angelegt. Daraufhin werden die Elektronen in der i-Schicht vorübergehend zu der D-Elektrode geführt. Da jedoch die N⁺-Schicht als Injektions-Verhinderungsschicht dient, werden die Defektelektronen nicht in die i-Schicht geführt. Wenn in diesem Zustand Licht auf die i-Schicht fällt, wird dieses Licht zur Bildung von Elektronen-Defektelektronen-Paaren absorbiert. Die Elektronen. werden von dem elektrischen Feld zur D-Elektrode geführt, während die Defektelektronen in die i-Schicht wandern und die Grenzschicht zwischen der i-Schicht und der a-SiNx-Isolierschicht erreichen. Da sie jedoch nicht in die Isolierschicht wandern können, verbleiben sie in der i-Schicht. Da sich während dieser Zeit somit die Elektronen zu der D-Elektrode bewegen, während sich die Defektelektronen zu der Grenzschicht zwischen der Isolierschicht und der i-Schicht bewegen, fließt von der G-Elektrode ein elektrischer Strom, um einen elektrisch neutralen Zustand in dem fotoelektrischen Wandlerelement aufrecht zu erhalten. Dieser elektrische Strom entspricht den vom Licht erzeugten Elektronen-Defektelektronen-Paaren und ist somit dem einfallenden Licht proportional. Wenn nach Aufrechterhaltung des fotoelektrischen Umsetzungsbetriebs gemäß 22B für eine bestimmte Zeitdauer dieser Zustand wieder geändert und auf den Auffrischungsbetrieb gemäß 22A übergegangen wird, werden die in der i-Schicht verbliebenen Defektelektronen in der vorstehend beschriebenen Weise zur D-Elektrode geführt, sodass hierbei ein den Defektelektronen entsprechender elektrischer Strom fließt. Die Menge der Defektelektronen entspricht der Gesamtmenge des einfallenden Lichtes während der Dauer des fotoelektrischen Umsetzungsbetriebs. Obwohl in dieser Zeit auch der der Menge der in die i-Schicht injizierten Elektronen entsprechende elektrische Strom fließt, ist diese Menge annähernd konstant, sodass ein Messwert durch Subtraktion dieser Menge erhalten werden kann. Die fotoelektrischen Wandlerelemente gemäß diesem Ausführungsbeispiel können somit der einfallenden Lichtmenge entsprechende Ausgangssignale in Echtzeit bilden und außerdem die Gesamtmenge an einfallendem Licht in einer bestimmten Zeitdauer erfassen.
Wenn jedoch die Dauer des fotoelektrischen Umsetzungsbetriebs länger wird oder wenn die Beleuchtungsstärke des einfallenden Lichtes aus gewissen Gründen zu hoch ist, kann der Fall eintreten, dass auch bei einfallendem Licht kein elektrischer Strom fließt. Dies beruht dann darauf, dass in der in 22C veranschaulichten Weise viele Defektelektronen in der i-Schicht verbleiben, die das elektrische Feld in der i-Schicht dann schwächen und damit die Führung der erzeugten Elektronen unterbrechen, sodass eine Rekombination der Elektronen mit den Defektelektronen in der i-Schicht stattfindet. Wenn sich der Lichteinfall in diesem Zustand verändert, kann dies zur Folge haben, dass ein instabiler elektrischer Strom fließt. Wenn von diesem Zustand jedoch wieder auf den Auffrischungsbetrieb übergegangen wird, werden die Defektelektronen in der i-Schicht entfernt, sodass bei dem nächsten fotoelektrischen Umsetzungsvorgang ein dem einfallenden Licht proportionaler elektrischer Strom fließen kann.
Wenn gemäß vorstehender Beschreibung die Defektelektronen in der i-Schicht im Auffrischungsbetrieb entfernt werden, findet hierbei im Idealfall eine Entfernung sämtlicher Defektelektronen statt, jedoch hat bereits die Entfernung eines Teils der Defektelektronen die Wirkung, dass problemlos ein elektrischer Strom erhalten wird, der dem vorstehend beschriebenen Strom entspricht. Dies bedeutet, dass verhindert werden muss, dass sich das Wandlerelement bei der Detektion im Rahmen des nächsten fotoelektrischen Umsetzungsbetriebs in dem Zustand gemäß 22C befindet, was wiederum erfordert, dass das Potential der D-Elektrode in Relation zu der G-Elektrode im Auffrischungsbetrieb, die Dauer des Auffrischungsbetriebs und die Eigenschaften bzw. Kennwerte der Injektions-Verhinderungsschicht in Form der N⁺-Schicht in zufriedenstellender Weise festgelegt weiden. Außerdem stellt die Injektion von Elektronen in die i-Schicht im Auffrischungsbetrieb keine notwendige Bedingung dar, und das Potential der D-Elektrode in Relation zu der G-Elektrode ist nicht auf negative Werte beschränkt. Der Grund hierfür ist folgender: Wenn viele Defektelektronen in der i-Schicht verbleiben und auch bei einem positiven Potential der D-Elektrode in Relation zu der G-Elektrode liegt das elektrische Feld in der i-Schicht in der Richtung zur Führung der Defektelektronen zu der D-Elektrode an. In ähnlicher Weise stellt auch in Bezug auf die Eigenschaften der Injektions-Verhinderungsschicht in Form der N⁺-Schicht die Fähigkeit, Elektronen in die i-Schicht injizieren zu können, keine notwendige Bedingung dar.
Nachstehend wird ein Beispiel für Betrieb und Wirkungsweise der fotoelektrischen Wandlervorrichtung gemäß 20 unter Bezugnahme auf die zeitabhängigen Signalverläufe gemäß 21 näher beschrieben. Das Steuersignal VSC dient zur Zuführung von zwei Vorspannungsarten zu der Vorspannungsleitung REF des fotoelektrischen Wandlerelements, d. h., zu der D-Elektrode des fotoelektrischen Wandlerelements. Die D-Elektrode liegt an VREF (V), wenn das Steuersignal VSC den Wert "H" aufweist, und liegt an VS (V), wenn das Steuersignal VSC den Wert "L" aufweist. Mit 106A, 106B sind Gleichspannungsquellen bezeichnet, die jeweils zur Zuführung einer Lese-Gleichspannung VS (V) bzw. einer Auffrischungs-Gleichspannung VREF (V) dienen.
Zunächst wird auf Betrieb und Wirkungsweise in der Auffrischungsperiode näher eingegangen. Sämtliche Ausgangssignale des Schieberegisters 102 werden auf "H" gesetzt, wobei das CRES-Signal des Leseschaltungsabschnitts ebenfalls in den Zustand "H" geschaltet wird. Hierdurch werden sämtliche Schalt-Dünnschichttransistoren (T1-1 bi T3-3) sowie die Schalterelemente RES1 bis RES3 im Leseschaltungsabschnitt leitend, wodurch die G-Elektroden sämtlicher fotoelektrischer Wandlerelemente an Massepotential gelegt werden. Wenn das VSC-Signal den Wert "H" annimmt, werden die D-Elektroden sämtlicher fotoelektrischer Wandlerelemente in einen Vorspannungszustand (mit negativem Potential) entsprechend der Auffrischungsspannung VREF versetzt. Sodann werden sämtliche fotoelektrische Wandlerelemente S1-1 bis S3-3 zur Wiederauffrischung in den Auffrischungsbetrieb überführt.
Nachstehend wird näher auf die fotoelektrische Umsetzungsperiode eingegangen. Das Steuersignal VSC wird in den Zustand "L" umgeschaltet, um die D-Elektroden sämtlicher fotoelektrischer Wandlerelemente in einen der Lesespannung VS entsprechenden Vorspannungszustand (mit positivem Potential) zu versetzen. Hierdurch werden die fotoelektrischen Wandlerelemente in den fotoelektrischen Umsetzungsbetrieb überführt. In diesem Zustand werden die vom Schieberegister 102 abgegebenen Signale sämtlich auf "L" gesetzt, wobei auch das CRES-Signal im Leseschaltungsabschnitt auf den Zustand "L" umgeschaltet wird. Auf diese Weise werden sämtliche Schalt-Dünnschichttransistoren (T1-1 bis T3-3) und auch die Schalterelemente RES1 bis RES3 im Leseschaltungsabschnitt in den Sperrzustand versetzt. Die G-Elektroden sämtlicher fotoelektrischer Wandlerelemente werden gleichspannungsmäßig in einen Leerlaufzustand versetzt, jedoch werden die Potentiale aufrecht erhalten, da die fotoelektrischen Wandlerelemente gleichzeitig auch Kondensatoren darstellen. Da jedoch zu diesem Zeitpunkt kein Licht auf die fotoelektrischen Wandlerelemente fällt, wird auch keine Ladung gebildet, d. h., es fließt kein elektrischer Strom. Wenn in diesem Zustand die Lichtquelle impulsartig eingeschaltet wird, wird die D-Elektrode (N⁺-Elektrode) eines jeden fotoelektrischen Wandlerelements dem Licht ausgesetzt, sodass der sog. Fotostrom fließt. Obwohl die Lichtquelle in 20 im einzelnen nicht dargestellt ist, kann es sich wie bei Kopiergeräten hierbei z. B. um eine Leuchtstoffröhre, Leuchtdioden, eine Halogenlampe oder dergleichen handeln. Im Falle eines Röntgen-Bildaufnahmegerätes wird die Lichtquelle natürlich von der Röntgenstrahlenquelle gebildet, wobei in diesem Falle ein Scintillator für die Umsetzung der Röntgenstrahlen in sichtbares Licht verwendet wird. Der auf Grund dieses Lichteinfalls fließende Fotostrom wird als Ladung in jedem fotoelektrischen Wandlerelement akkumuliert und nach dem Abschalten der Lichtquelle aufrecht erhalten.
Sodann geht der Betriebsablauf auf die Leseperiode über, wobei der Ablauf jedoch der gleiche wie im Falle des vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels ist und somit nicht erneut beschrieben wird.
Die Bilderzeugung erfolgt somit im Rahmen der Auffrischungsperiode, der fotoelektrischen Umsetzungsperiode und der Leseperiode, wobei diese Vorgänge für die Erzeugung einer Vielzahl von Bildern, wie beweglichen Bildern, wiederholt werden. Da dieses Ausführungsbeispiel derart ausgestaltet ist, dass die D-Elektroden der fotoelektrischen Wandlerelemente mit einer gemeinsamen Leitung verbunden sind und diese gemeinsame Leitung mit Hilfe des VSC-Signals zur Umschaltung zwischen den Potentialen der Auffrischungsspannung VREF und der Lesespannung VS gesteuert wird, können sämtliche fotoelektrischen Wandlerelemente gleichzeitig zwischen dem Auffrischungsbetrieb und dem fotoelektrischen Umsetzungsbetrieb umgeschaltet werden. Durch diese Ausgestaltung lässt sich ein fotoelektrisch erzeugtes Ausgangssignal mit Hilfe eines einzigen Dünnschichttransistors pro Bildelement ohne eine komplizierte Steuerung erhalten.
(Ausführungsbeispiel 10)
23 zeigt ein schematisches Schaltbild einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 23 ist jede Anordnung außer einem fotoelektrischen Wandlerelement und einem Schalt-Dünnschichttransistor zur Vereinfachung der Darstellung einfach in Form eines Rechtecks veranschaulicht. Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass vier Gruppen von Strom- bzw. Spannungsversorgungsschaltungen zur Umschaltung der Auffrischungsspannung auf die Lesespannung und umgekehrt vorgesehen sind und dass zusätzlich vier Gruppen von Rückstellschaltungen zur Rückstellung der Matrix-Signalleitungen vorgesehen sind. Die Umschaltung der Spannungsversorgung wird durch Signale VSC1 bis VSC4 durchgeführt, während die Umschaltung der Rückstellung durch Signale CRES1 bis CRES4 erfolgt. Die Operationsverstärker A1 bis A3 gemäß 23 entsprechen den Operationsverstärkern A1 bis A3 im Leseschaltungsabschnitt 107 gemäß 20. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist der sich an den Operationsverstärker A1 anschließende Schaltungsabschnitt nicht dargestellt, jedoch wird nachstehend davon ausgegangen, dass er dem entsprechenden Schaltungsabschnitt gemäß 20 entspricht. In der Schaltungsanordnung gemäß 23 ist nicht eine Anzahl von 3 × 3 = 9 Bildelementen veranschaulicht, sondern bei der Darstellung wird von einer erheblich größeren Anzahl von Bildelementen ausgegangen. Hierbei wird angenommen, dass in 23 die Anzahl der Spalten 4 × N beträgt (wobei N eine natürliche Zahl ist).
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die zeitabhängigen Signalverläufe gemäß 24 ein Beispiel für Betrieb und Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Wenn sich sowohl das Signal VSC1 als auch das Signal CRES1 im Zustand "H" befinden und das Signal G1 des Schieberegisters (SR1) den Wert "H" annimmt, werden die fotoelektrischen Wandlerelemente S1-1, S1-5, S1-9 ..., d. h., die den (4 × 1 + 1) Spalten entsprechenden fotoelektrischen Wandlerelemente (l: ganze Zahlen nicht unter Null) der ersten Zeile, wieder aufgefrischt. In ähnlicher Weise werden die Signale G2, G3, ...., GN aufeinanderfolgend auf "H" geschaltet, sodass zum Zeitpunkt des Abschlusses der Schieberegisteroperation die Auffrischung für sämtliche fotoelektrischen Wandlerelemente der ersten Spalte, der fünften Spalte, der neunten Spalte, ..., d. h., der (4 × 1 + 1) Spalten (l: ganze Zahlen nicht unter Null), abgeschlossen ist. Während dieser Periode befinden sich die fotoelektrischen Wandlerelemente der anderen Spalten, d. h., die fotoelektrischen Wandlerelemente in der zweiten Spalte, der sechsten Spalte, der zehnten Spalte, ...., und der dritten Spalte, der siebten Spalte, der elften Spalte, ...., sowie der vierten Spalte, der achten Spalte, der zwölften Spalte, ...., im Zustand des vom Leseschaltungsabschnitt durchgeführten Auslesevorgangs, da die den jeweiligen Spalten entsprechenden Signale VSC2, VSC3, VSC4 sich im Zustand "L" befinden, bei dem die D- Elektroden auf die Spannung VS vorgespannt sind, während durch die Signale CRES2, CRES3, CRES4 der normale Rückstellvorgang (in der gleichen Weise wie durch das CRES-Signal gemäß 4) wiederholt wird.
Sodann wird das Signal VSC1 von dem Zustand "H" in den Zustand "L" überführt, während der Zustand "H" des CRES1-Signals aufrecht erhalten wird. In diesem Zustand wird das Schieberegister SR1 normal von G1 bis GN betrieben. Bei Beendigung des Schieberegisterbetriebs sind die D-Elektroden sämtlicher fotoelektrischer Wandlerelemente, die der ersten Spalte, der fünften Spalte, der neunten Spalte,..., d. h., den (4 × 1 + 1) Spalten (l: ganze Zahlen nicht unter Null) entsprechen, auf die Lesespannung VS vorgespannt, während ihre G-Elektroden auf Massepotential gehalten werden. Die Betriebsart ist damit auf den fotoelektrischen Umsetzungsbetrieb übergegangen. Die fotoelektrischen Wandlerelemente der anderen Spalten, d. h., die fotoelektrischen Wandlerelemente in der zweiten Spalte, der sechsten Spalte, der zehnten Spalte ...., und der dritten Spalte, der siebten Spalte, der elften Spalte,..., sowie der vierten Spalte, der achten Spalte, der zwölften Spalte,..., befinden sich dagegen im Zustand des vom Leseschaltungsabschnitt durchgeführten Lesebetriebs, da sich die den jeweiligen Spalten entsprechenden Signale VSC2, VSC3, VSC4 im Zustand "L" befinden (bei dem die D-Elektroden auf die Spannung VS vorgespannt sind), wobei die Signale CRES2, CRES3, CRES4 den normalen Rückstellvorgang (in der gleichen Weise wie das CRES-Signal gemäß 4) wiederholen.
Bei dem Vorgang, bei dem die den (4 × 1 + 1) Spalten (1: ganze Zahlen, nicht unter Null) entsprechenden fotoelektrischen Wandlerelemente in einer bestimmten Periode aufgefrischt und in der nächsten Periode dem fotoelektrischen Umsetzungsvorgang unterzogen werden, werden die fotoelektrischen Wandlerelemente der anderen Spalten zwei aufeinanderfolgenden Lesevorgängen unterworfen. Die Folgen dieser Operationen werden durch aufeinanderfolgende Verschiebung der Phasen der Operationen der vier Gruppen der (4 × 1 + 1)-Spalten, der (4 × 1 + 2)-Spalten, der (4 × 1 + 3)-Spalten und der (4 × 1 + 4)-Spalten (l: ganze Zahlen nicht unter Null) zueinander wiederholt, wie dies in 24 veranschaulicht ist.
Wenn die Lichtquelle mit der in 24 dargestellten zeitlichen Steuerung eingeschaltet und abgeschaltet wird, geben die fotoelektrischen Wandlerelemente in den drei Gruppen mit den beiden aufeinanderfolgenden Lesevorgängen Informationen bezüglich des Dunkelzustands des ersten Bildes und Informationen bezüglich des Belichtungszustands des nächsten Bildes ab. Obwohl dies in 23 nicht veranschaulicht ist, kann eine Korrektur in Bezug auf die den Dunkelzustand betreffende Information (das Strukturrauschen) durch dessen Subtraktion in der dem Analog/Digital-Umsetzerschaltungsabschnitt einer späteren Stufe nachgeschalteten digitalen Signalverarbeitungsschaltung erfolgen. Wenn die Daten der fotoelektrischen Wandlerelemente in den in der Auffrischung befindlichen Spalten mit den Daten der fotoelektrischen Wandlerelemente in den benachbarten, dem Lesevorgang unterzogenen Spalten interpoliert werden, lassen sich im Rahmen der Betriebsart mit beweglichen Bildern kontinuierlich zeitlich serielle Bilddaten erhalten.
Die bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgende separate Durchführung des Auffrischungsvorgangs für jede der vier Gruppen ist insbesondere bei der Erzeugung kontinuierlich beweglicher Bilder sehr effektiv, wobei sich die Bildgeschwindigkeit bzw. Bildfrequenz der Bildbewegung erheblich steigern lässt.
Wenn im Rahmen des Schiebevorgangs vier Zeilen gleichzeitig angesteuert werden, etwa in der Form, dass die Leitungen G1 bis G4 des Schieberegisters SR1 gleichzeitig angesteuert werden, sodann die Leitungen G5 bis G8 gleichzeitig angesteuert werden, sodann die Leitungen G9 bis G12 gleichzeitig angesteuert werden, usw., wird eine gemittelte Information von den fotoelektrischen Wandlerelementen in vier benachbarten Zeilen erhalten, wobei sich die Abtastgeschwindigkeit auf ein Viertel verkürzt. Wenn ferner eine Mittelwertbildung der Bildelementdaten von drei nicht aufgefrischten Gruppen (drei Spalten) in Spaltenrichtung in einer nachgeschalteten digitalen Signalverarbeitungsschaltung erfolgt und hierbei z. B. angenommen wird, dass die vorliegende fotoelektrische Wandlervorrichtung aus einer Matrixanordnung von 2000 Zeilen × 2000 Spalten besteht, lassen sich die Daten auf die Daten von 500 Zeilen × 500 Spalten komprimieren, die sich auf einer im Handel erhältlichen, kostengünstigen Kathodenstrahlröhre darstellen lassen. In diesem Falle werden 4 × 4 = 16 Bildelemente zu einem Bildelement in einem bestimmten Bildfeld zur Durchführung der Auffrischung zusammengefasst, was zu einer Verschiebung des Schwerpunkts der Bildelemente führt. Da jedoch im Endergebnis eine Mittelwertbildung bei vier Bildeinheiten erfolgt, ergeben sich hierdurch keine speziellen Probleme.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Auffrischung in Verbindung mit vier Gruppen beschrieben worden, jedoch besteht natürlich keine Beschränkung auf diese vier Gruppen, sondern in Abhängigkeit vom Verwendungszweck kann eine Vielzahl von Gruppen eingesetzt werden.
Wie vorstehend im einzelnen beschrieben worden ist, kann erfindungsgemäß eine mit verkürzter Lese-Abtastzeit arbeitende und demzufolge einen Hochgeschwindigkeits-Lesevorgang erlaubende fotoelektrische Wandlervorrichtung sowie ein mit dieser Wandlervorrichtung versehenes System zur Verfügung gestellt werden.
Außerdem kann erfindungsgemäß eine fotoelektrische Wandlervorrichtung, bei der das Auslesen eines Signals mit einem hohen Störabstand und nur geringem thermischem Rauschen (KTC-Rauschen) erfolgt, sowie ein mit dieser Wandlervorrichtung versehenes System angegeben werden.
Ferner kann erfindungsgemäß eine fotoelektrische Wandlervorrichtung, mit deren Hilfe sich gute Bildinformationen ohne Unregelmäßigkeiten der Bilddichte und ohne unnötige Streifen bei verringertem Strukturrauschen erhalten lassen, sowie ein mit dieser Wandlervorrichtung versehenes System angegeben werden.
Weiterhin kann erfindungsgemäß eine fotoelektrische Wandlervorrichtung, mit deren Hilfe Bildinformationen mit einer exzellenten Tönung bzw. Gradation erhalten werden können, sowie ein mit dieser Wandlervorrichtung versehenes System angegeben werden.
Zusätzlich kann erfindungsgemäß eine fotoelektrische Wandlervorrichtung und ein mit dieser Wandlervorrichtung versehenes System angegeben werden, mit deren Hilfe sich auf einfache Weise eine Kompensation herstellungsbedingter Unregelmäßigkeiten der Eigenschaften der fotoelektrischen Wandlerelemente oder dergleichen erzielen lässt, was eine weitere Verringerung der Herstellungskosten ermöglicht.
Insbesondere werden im Leseschaltungsabschnitt die verstärkten Ausgangssignale der Matrix-Signalleitungen eines jeden fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts einmal zu den Lesekondensatoren durch die Übertragungsschalter übertragen und sodann aufeinanderfolgend durch die Leseschalter umgeschaltet, wodurch sich die Lese-Abtastzeit für eine Zeile im Vergleich zu einer üblichen Wandlervorrichtung in erheblichem Maße verringern lässt. Auf diese Weise können erfindungsgemäß eine fotoelektrische Wandlervorrichtung und ein System zur Verfügung gestellt werden, die einen Hochgeschwindigkeits-Lesevorgang erlauben.
Erfindungsgemäß werden rauscharme analoge Operationsverstärker in der ersten Stufe des Leseschaltungsabschnitts verwendet, wodurch die erhaltenen Ausgangssignale kaum durch KTC-Rauschen im fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt beeinträchtigt werden, d. h., erfindungsgemäß kann eine fotoelektrische Wandlervorrichtung und ein zugehöriges System mit hohem Störabstand zur Verfügung gestellt werden. Indem die Kondensatorelemente zur alleinigen Weiterleitung von Wechselstromkomponenten mit den Ausgängen der vorgeschalteten analogen Operationsverstärker in Reihe geschaltet und Rückstellschalter für die Gleichspannungsrückstellung der Kondensatorelemente vorgesehen werden, lässt sich ein Abfallen des Störabstands auf Grund des bei der Rückstellung des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts auftretenden KTC-Rauschens unterdrücken, sodass auch hierdurch eine fotoelektrische Wandlervorrichtung und ein zugehöriges System mit hohem Störabstand zur Verfügung gestellt werden können, bei denen sich qualitativ hochwertige Bilder mit einer feinen Bildstruktur erhalten lassen.
Da erfindungsgemäß außerdem Maßnahmen zur Verringerung des Stromverbrauchs der Operationsverstärker im Leseschaltungsabschnitt im sog. Bereitschaftszustand getroffen worden sind, bei dem kein Lesevorgang erfolgt, lässt sich die Wärmeerzeugung des integrierten Schaltkreises einschränken und der Dunkelstrom der Schaltelemente im fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt im Betrieb verringern. Erfindungsgemäß wird somit das Strukturrauschen der fotoelektrischen Wandlervorrichtung herabgesetzt, wodurch exzellente Bilder ohne Unregelmäßigkeiten der Bilddichte in der Bildebene und ohne Streifen erhalten werden.
Außerdem sind erfindungsgemäß im Analog/Digital-Umsetzerschaltungsabschnitt N (N: 2 oder mehr) Operationsverstärker zur Verstärkung des vom Leseschaltungsabschnitt abgegebenen Signals sowie N Analog/Digital-Umsetzer mit M Bitstellen vorgesehen, wobei das Verhältnis der Verstärkungsfaktoren G1, G2,..., GN der N Operationsverstärker auf G1 : G2 : ... : GN = 2⁰: 2¹ : ... : 2^N-1 festgelegt, die Ausgangssignale der N Operationsverstärker jeweils den N Analog/Digital-Umsetzern zugeführt, ein Ausgangssignal eines Analog/Digital-Umsetzers dieser N Analog/Digital-Umsetzer in Abhängigkeit vom Ausgangssignalpegel des vom Leseschaltungsabschnitt abgegebenen Analogsignals ausgewählt und dieses Ausgangssignal in Form eines Digitalwertes mit (N + M – 1) Bitstellen abgegeben wird, wodurch sich eine Analog/Digital-Umsetzung des fotoelektrischen Umsetzungssignals mit hoher Auflösung und hoher Geschwindigkeit erzielen lässt. Auf diese Weise können erfindungsgemäß Bilddaten mit einem hohen Tönungsgrad bzw. Gradationswert erhalten werden. Demzufolge eignet sich die erfindungsgemäße fotoelektrische Wandlervorrichtung für eine Verwendung bei einem System wie einem Hochleistungs-Röntgenbildaufnahmegerät für medizinische Zwecke.
Außerdem bestehen die fotoelektrischen Wandlerelemente und Schaltelemente des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts aus einem Halbleitermaterial aus amorphem Silicium, wodurch sich eine fotoelektrische Wandlervorrichtung für einen großen Bereich durch einen einfachen Herstellungsvorgang kostengünstig herstellen lässt. Wenn ferner Maßnahmen zur Steuerung der Verstärkungsfaktoren der analogen Operationsverstärker an den Matrix-Signalleitungen im Leseschaltungsabschnitt mit Hilfe eines externen Signals getroffen worden sind, lassen sich auf einfache Weise Abweichungen der Verstärkung kompensieren, die auf Streuungen der Schichtdicke bei der Herstellung der Halbleiter-Dünnschicht aus amorphem Silicium beruhen, was eine Verringerung der Herstellungskosten der Wandlervorrichtung ermöglicht.
Wie vorstehend beschrieben, weist die erfindungsgemäße fotoelektrische Wandlervorrichtung somit ausgezeichnete Eigenschaften in Bezug auf Geschwindigkeit, Störabstand, Tönungsgrad und Herstellungskosten auf und erfüllt die auf medizinischen und industriellen Anwendungsgebieten derzeit in erheblichem Maße gestellten Forderungen nach einer "Digitalisierung von Röntgen-Bildinformationen", sodass sich mit Hilfe dieser fotoelektrischen Wandlervorrichtung die Effizienz der Diagnostik in Krankenhäusern nicht nur in Japan mit seiner alternden Bevölkerung, sondern auch weltweit verbessern lässt und auch eine Verbesserung der Untersuchungsgenauigkeit bei Gebäuden und verschiedenen anderen Bauteilen und Bauelementen in Verbindung mit einer höheren Verarbeitungsgenauigkeit der Untersuchungsergebnisse erzielt werden kann.

Claims

Fotoelektrische Wandlervorrichtung, mit einem fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt (101), der eine Vielzahl von fotoelektrischen Wandlerelementen (S1-1, ..., S3-3), Schaltelementen (T1-1, ..., T3-3), Matrix-Signalleitungen (M1 bis M3) und Gate-Ansteuerleitungen (G1 bis G3) umfasst, die zur Ausgabe paralleler Signale auf dem gleichen Substrat angeordnet sind, einem Ansteuerschaltungsabschnitt (SR1) zur Zuführung eines Ansteuersignals zu den Gate-Ansteuerleitungen und einem Leseschaltungsabschnitt (107) zur Umsetzung der über die Matrix-Signalleitungen übertragenen parallelen Signale in serielle Signale und Ausgabe der seriellen Signale, dadurch gekennzeichnet, dass der Leseschaltungsabschnitt (107) zumindest einen jeweiligen analogen Operationsverstärker (A1 bis A3; L1 bis L3), der mit einer jeweiligen Matrix-Signalleitung verbunden ist, zumindest einen Übertragungsschalter (Sn1 bis Sn3), der mit dem jeweiligen Ausgang des analogen Operationsverstärkers zur Übertragung der parallelen Signale von jedem der analogen Operationsverstärker zu zumindest einem zur Akkumulierung der übertragenen parallelen Signale vorgesehenen jeweiligen Lesekondensator (CL1 bis CL3) verbunden ist, zumindest einen mit jedem Lesekondensator und jedem Übertragungsschalter verbundenen Pufferverstärker (B1 bis B3), zumindest einen Leseschalter (Sr1 bis Sr3) zum aufeinanderfolgenden Auslesen der akkumulierten parallelen Signale aus jedem Pufferverstärker in Form von seriellen Signalen und zumindest einen Rückstellschalter (REST bis RES3) zur Rückstellung der Matrix- Signalleitungen nach einer Abtast-Zwischenspeicherung der parallelen Signale umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der in dem Leseschaltungsabschnitt (107) jeder analoge Operationsverstärker (L1 bis L3) einer mit jeder Matrix-Signalleitung verbundenen ersten Stufe eine in seinem Eingangsabschnitt umgesetzte Rauschspannungsdichte Vn (V/√Hz) sowie einen zur Verstärkung eines Signals des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts (101) ausreichenden Frequenzbereich B (Hz) aufweist, die die Beziehung: Vn × √B ≤ Tnin Bezug auf eine effektive thermische Rauschspannung Tn (Vrms) des Schaltelements (T1-1, ..., T3-3) am Eingangsabschnitt des analogen Operationsverstärkers (L1 bis L3) erfüllen, die im eingeschalteten Zustand des Schaltelements in dem fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitt auftritt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der im Leseschaltungsabschnitt (107) ein jeweiliges Kondensatorelement (CC1 bis CC3) zur alleinigen Weiterleitung von Wechselstromkomponenten in die Mitte einer Ausgangsleitung vom Ausgang der mit jeder der Matrix-Signalleitungen (M1 bis M3) verbundenen jeweiligen analogen Operationsverstärker (L1 bis L3) geschaltet ist, und bei der ein jeweiliger Rückstellschalter (D1 bis D3) zur Zuführung eines Rückstellpotentials zu einer Elektrodenseite des jeweiligen Kondensatorelements vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der in dem Leseschaltungsabschnitt (107) jeder der mit den Matrix-Signalleitungen (M1 bis M3) jeweils verbundenen analogen Operationsverstärker (L1 bis L3) mit der Funktion ausgestattet ist, seinen jeweiligen Verstärkungsfaktor (K1 bis K3) in Abhängigkeit von einem externen Signal zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der im Leseschaltungsabschnitt (107) jeder der mit den Matrix-Signalleitungen (M1 bis M3) jeweils verbundenen analogen Operationsverstärker (A1 bis A3; L1 bis L3) in Abhängigkeit von einem externen Signal (PS) umschaltbar (SWp) ist, um eine konstante Stromzufuhr während anderer Perioden als den Leseperioden zur Verringerung des elektrischen Stromverbrauchs abzuschalten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mit dem Leseschaltungsabschnitt (107) zur Umsetzung eines Analogsignals in ein Digitalsignal ein Analog-Digital-Umsetzerschaltungsabschnitt (105) verbunden ist, der N (N ist ganzzahlig und nicht kleiner als 2) Operationsverstärker zur Verstärkung des Ausgangssignals des Leseschaltungsabschnitts und N Analog-Digital-Umsetzer mit M Bitstellen umfasst, wobei das Verhältnis der Verstärkungsfaktoren G1, G2, ..., GN der N Operationsverstärker auf G1 : G2 : .... : GN = 2⁰ : 2¹ : .... : 2^N ⁼¹ eingestellt ist, die Ausgangssignale von den N Operationsverstärkern jeweils den N Analog-Digital-Umsetzern zugeführt werden und ein Ausgangssignal eines Analog-Digital-Umsetzers der N Analog-Digital-Umsetzer in Abhängigkeit vom Ausgangssignalpegel eines analogen Ausgangssignals des Leseschaltungsabschnitts ausgewählt und als Digitalwert mit (N + M = -1) Bits ausgegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die fotoelektrischen Wandlerelemente (S1-1, ..., S3-3) und die Schaltelemente (T1-1, ..., T3-3) des fotoelektrischen Wandlerschaltungsabschnitts einen amorphen Siliciumhalbleiter als Halbleiterschicht (312) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der in dem Leseschaltungsabschnitt (107) jede Matrix-Signalleitung (M1 bis M128) jeweils mit dem Signaleingang eines jeweiligen ersten analogen Operationsverstärkers (L1 bis L128) verbunden ist, wobei jeder erste analoge Operationsverstärker ein nichtinvertierender Verstärker mit einem nicht unter 1 liegenden Verstärkungsfaktor ist, und der Leseschaltungsabschnitt (107) außerdem jeweilige zweite analoge Operationsverstärker (E1 bis E128) aufweist, die jeweils einen Pufferverstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 1 darstellen und mit dem Referenzeingang eines jeweiligen ersten analogen Operationsverstärkers zur Zuführung eines Referenzpotentials verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der ein jeweiliges Widerstandselement (R1, R2) zwischen jedes Kondensatorelement (CC1 bis CC3) und jeden Rückstellschalter (Dl bis D3) geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der eine Einrichtung (DRES) zur zeitlichen Steuerung des Einschaltens/Abschaltens eines jeden Rückstellschalters (D1 bis D3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Einrichtung zur zeitlichen Steuerung des Einschaltens/Abschaltens eines jeden Rückstellschalters einen Signaleingangsabschnitt zur Änderung der Einschalt/Abschalt-Steuerung der Rückstellschalter aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der eine jeweilige Tiefpassfilterschaltung (F1, RF1, CF1 – F3, RF3, CF3) mit einer Seite eines jeden Kondensatorelements (CC1 bis CC3) verbunden ist, das an seiner anderen Seite mit dem Ausgang eines jeweiligen analogen Operationsverstärkers verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die analogen Operationsverstärker derart ausgestaltet sind, dass die Anstiegsgeschwindigkeit ihres Ausgangssignals veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die jeweiligen analogen Operationsverstärker (A1 bis A3; L1 bis L3) einen Signaleingangsabschnitt zur Veränderung der Anstiegsgeschwindigkeit ihres Ausgangssignals aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die fotoelektrischen Wandlerelemente (S1-1, ..., S3-3; 301) eine erste elektrisch leitfähige Schicht (304), eine Isolierschicht (311), eine Halbleiterschicht (312) mit einer fotoelektrischen Wandlerfunktion, eine Injektions-Verhinderungsschicht (313) und eine zweite elektrisch leitfähige Schicht (305) in dieser Reihenfolge aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Injektions-Verhinderungsschicht (313) aus einem n-leitfähigen Halbleiter besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, bei der die Halbleiterschicht (312) aus einem amorphen Silicium-Halbleitermaterial besteht.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem die Isolierschicht (311) aus einem amorphen Siliciumnitrid-Material besteht.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 18, bei der die erste oder zweite elektrisch leitfähige Schicht (304, 305) transparent ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 19, bei der die Isolierschicht (311) zur Verhinderung des Hindurchtretens von Elektronen und Defektelektronen ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 19, bei der die Isolierschicht (311) derart ausgestaltet ist, dass das Hindurchtreten von Defektelektronen verhindert, das Hindurchtreten von Elektronen jedoch ermöglicht wird.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 21, bei der die Schaltelemente (T1-1, ..., T3-3) Dünnschichttransistoren umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Schaltelemente (T1-1, ..., T3-3) eine Gate-Elektrode, die von einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht (304) gebildet wird, eine Gate-Isolierschicht, die von einer Isolierschicht (311) gebildet wird, eine Halbleiterschicht (312), ohm'sche Kontaktschichtelemente (313), die beabstandet auf der Halbleiterschicht (312) angeordnet sind, und jeweils an den ohm'schen Kontaktschichtelementen vorgesehene zweite elektrisch leitfähige Schichtelemente (305) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die erste elektrisch leitfähige Schicht (304), die Isolierschicht (311), die Halbleiterschicht (312) und die Injektions-Verhinderungsschicht (313) des fotoelektrischen Wandlerelements (301) jeweils als gemeinsame Schichten (304, 311 bis 313) mit der Gate-Elektrodenschicht, Gate-Isolierschicht, Halbleiterschicht und ohm'schen Kontaktschicht der Schaltelemente (T1-1, ..., T3-3; 302) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der eine Einrichtung (106B, SVREF, VSC) zur Erzeugung eines Auffrischsignals (VREF) zur Auffrischung der fotoelektrischen Wandlerelemente (S1-1 bis S3-3) vor der fotoelektrischen Umsetzung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 25, bei der die Vielzahl der fotoelektrischen Wandlerelemente (S1-1, ..., S3-3) in eine Vielzahl von Gruppen aus jeweils einer vorgegebenen Anzahl von fotoelektrischen Wandlerelementen unterteilt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26 bei Abhängigkeit von Anspruch 25, bei der jede Gruppe von fotoelektrischen Wandlerelementen (S1-1, ..., SN-1; S1-2, ..., SN-2; ...) gemeinsam mit der Einrichtung (SVREFI, VSCI, 106B; SVREF2, VSC2, 106B; ...) zur Erzeugung des Auffrischsignals (VREF) verbunden ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 27, bei der ein Wellenlängen-Wandlerelement (1504) auf der Lichteinfallsseite der fotoelektrischen Wandlervorrichtung (1506) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der das Wellenlängen-Wandlerelement (1504) ein fluoreszierendes Leuchtelement ist.
Fotoelektrisches Wandlersystem mit zumindest: einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung (1506) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 29, und einer Lichtquelle (1501).
System nach Anspruch 30, bei dem ein Gitter (1503) zwischen der fotoelektrischen Wandlervorrichtung (1506) und der Lichtquelle (1501) angeordnet ist.
System nach Anspruch 31, bei dem ein Wellenlängen-Wandlerelement (1504) zwischen der fotoelektrischen Wandlervorrichtung (1506) und dem Gitter (1503) angeordnet ist.