DE3786202T2

DE3786202T2 - Bildsensornetz.

Info

Publication number: DE3786202T2
Application number: DE8787306337T
Authority: DE
Inventors: Pierre Andre Lavallee; Jagdish Chand Tandon
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1986-07-18
Filing date: 1987-07-17
Publication date: 1993-09-23
Anticipated expiration: 2007-07-18
Also published as: US4737854A; JPS6331279A; JPH07105915B2; DE3786202D1; EP0254497A3; EP0254497A2; EP0254497B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildsensoranordnung mit wenigstens einer Reihenanordnung von Fotodioden und Einrichtungen, die mit jeder Fotodiode zur Verstärkung und Überführung der Bildsignalladung von jeder Fotodiode an eine Ausgangsleitung verbunden sind.
Um eine hohe Bildauflösung zu erreichen, ist eine Bildsensoranordnung mit einer relativ großen Anzahl von lichtempfindlichen Stellen erforderlich. Jedoch sind die Versuche, eine Anordnung mit einer großen Anzahl von lichtempfindlichen Stellen zu schaffen, im allgemeinen nicht erfolgreich gewesen und die Ausbeute ist gering. Eine andere Ausgestaltung zieht in Betracht, mehrere Bildsensoranordnungen zu nehmen und diese in einer endweisen Beziehung aneinander zu stoßen, um eine längere, zusammengesetzte Anordnung zu bilden. Tatsächlich, wenn diese Technik erfolgreich ausgeführt werden sollte, können Kontaktabtastanordnungen oder Anordnungen mit voller Weite mit gleicher Größe bis für größte abzutastende Bilder gebildet werden.
Betrachtet man die Vorteile, Sensorreihenanordnungen miteinander zu verbinden, scheint es höchst vorteilhaft, daß die Schrittweite über die gesamte Reihenanordnung aufrechterhalten wird und aus diesem Grund ist es wichtig, daß der Abstand zwischen anschließenden Fotostellen an den Anstoßenden der einzelnen Reihenanordnungen derselbe wie die Beabstandung zwischen den Fotostellen im Körper der Anordnungen ist. Bei der Herstellung von Bildsensorreihenanordnungen und insbesondere von Bildsensorreihenanordnungen die die für ein endweises Anstoßen an anderen ähnlichen Anordnungen erforderlichen Eigenschaften besitzen, ist es wünschenswert, eine NMOS- oder CMOS-Technologie zu verwenden, um den Vorteil der sehr hohen möglichen Ausbeuten bei diesen Arten von Technologie zu nutzen. Jedoch kann die Verwendung von NMOS- oder CMOS-Technologien bei der Einzelstufenladungsübertragung, wie in EP-A-0 107 073, zu einem schlechten Übertragungswirkungsgrad zwischen der hohen Kapazität der Fotostellen der Reihenanordnung und der niederen Eingangskapazität der Ausgangsladung zu den Spannungsumwandlern ergeben.
Die Erfindung beabsichtigt, eine verbesserte Bildsensoranordnung mit einem hohen Übertragungswirkungsgrad gemäß den Ansprüchen 1 und 8 zu schaffen.

IN DEN ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Bildabtastreihenanordnung mit einer Fotostellenreihenanordnung in der Form Fotodioden, die die zweistufige Übertragung der vorliegenden Erfindung verkörpern;
Fig. 2 ist ein Schaltkreisschema, das Einzelheiten des Übertragungskreises zeigt, der mit jeder Fotodiode in der Reihenanordnung zur Durchführung der Zweistufenübertragung des Bildsignales von den Fotodioden zu einer Ausgangsleitung verbunden ist;
Fig. 3 ist ein ins einzelne gehendes Schaltkreisschema des Übertragungsschaltkreises;
Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm, das die Betriebstaktsignalwellenform für die Bildabtastreihenanordnung mit zweistufiger Übertragung darstellt, die in Fig. 1 gezeigt ist; und
Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm, das eine abgewandelte Betriebstaktsignalwellenform zum gemeinsamen Zurücksetzen der Übertragungskreise der Fotodiodenreihenanordnung darstellt.
Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen, in der die Bildsensorreihenanordnung mit zweistufiger Übertragung der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Bildsensorreihen anordnung 10 schließt eine Basis oder einen Chip 12 aus Silizium mit einer Mehrzahl von Fotostellen in der Form von Fotodioden 14 darauf ein. Die Fotodioden 14 befinden sich in eng beabstandeter Nebeneinanderlage zueinander auf dem Chip 12 in einer linearen Reihenanordnung oder einer Reihe 16. Mehrere kleinere Anordnungen, wie die Anordnung 10, können endweise aneinanderstoßen, um eine längere Reihenanordnung zu bilden, das heißt, eine Berührungsanordnung oder eine Anordnung mit voller Weite, wobei die Beabstandung zwischen den Fotodioden an den anstoßenden Enden dieselbe wie die Beabstandung zwischen den Fotodioden innerhalb des Chips ist, wodurch eine Fotodiodenschrittweite über die gesamte volle Weite der zusammengesetzten Reihenanordnung aufrechterhalten wird.
Während Fotodioden 14 hier gezeigt und beschrieben werden, können andere Arten von Fotostellen in Betracht gezogen werden, wie Fotostellen vom amorphen Silizium oder transparenten Elektroden MOS Typ. Während ferner eine eindimensionale Sensoranordnung mit einer einzelnen Reihe 16 aus Fotodioden 14 hier gezeigt und dargestellt ist, kann eine zweidimensionale Sensoranordnung mit einer Mehrzahl von Reihen von Fotodioden in Betracht gezogen werden.
Jede Fotodiode 14 besitzt einen mit ihr verbundenen, zweistufigen Übertragungskreis 20, der zusammen mit der Fotodiode eine Bildzelle 15 bildet. Bei dem Kreis 20 wird das Bildladungssignal von der Fotodiode zu dem Eingang eines Source-Folgers 33 (in den Fig. 2 und 3 gezeigt) übertragen, der das Signal als eine Spannung einer Ausgangsleitung 22 zuführt. Zusätzlich wird die Bildsignalladung aufgrund der Verstärkung verstärkt, die während der Übertragung der Bildsignalladung von der Fotodiode 14 zu dem Eingang des Source-Folgers 33 erreicht wurde. Die Signalverstärkung ergibt sich aus dem Unterschied der Kapazität zwischen der Fotodiode 14 und dem Eingang des Source-Folgers 33. Dies bringt das Bildladungssignal vor der Überführung der Ladung zu der Leitung 22 auf einen erwünschten Potentialpegel. Ein geeignetes Schieberegister und Logikkreis 24 liefern die Zeit-Steuerungssignale zur Verbindung einer jeden Bildzelle 15 mit der Leitung 22 in der richtigen Zeitfolge.
Die Biidsensorreihenanordnung 10 kann beispielsweise verwendet werden, eine Originalvorlage rastermäßig abzutasten, und bei dieser Anwendung werden die Originalvorlage und die Sensoranordnung 10 relativ zueinander in eine Richtung bewegt oder schrittweise bewegt, die normalerweise senkrecht zu der linearen Achse der Anordnung 10 ist. Gleichzeitig wird die Bildzeile, die abgetastet wird, beleuchtet und geeignete optische Einrichtungen, wie eine Gradientenindexfaser-Linsenanordnung ist vorgesehen, die Fotodioden 14 auf die Bildzeile scharf abzubilden. Während einer Integrationsperiode wird eine Ladung an jeder Fotodiode entwickelt. Diese Ladung ist dem Reflexionsvermögen des von jeder Fotodiode gesehenen Bildbereiches proportional. Die Bildsignalladungen werden dann durch die Kreise 20 in einer vorbestimmten schrittweisen Zeitfolge übertragen, wie sie auftreten.
Es wird besonders auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen; jeder Übertragungskreis 20 schließt einen Source-Folger oder einen gemeinsamen Drain-Verstärker 33 ein, der aus Transistoren 30, 32 zum Umwandeln der Bildsignalladung in ein Spannungssignal zusammengesetzt ist. Die zweistufige Übertragung, die aus den Transistoren 26, 28 in Reihe mit der Leitung 25 besteht, die eine Elektrode der Fotodiode 14 mit dem Gate des Transistors 30 des Source-Folgers 33 verbindet, wird zur Übertragung der Bildsignalladung von der Fotodiode 14 zu dem Source-Folger 33 verwendet, um die Rückkopplung aufgrund der dynamischen Drain-Konduktanzwirkung des Transistors zu minimieren. Die andere Elektrode der Fotodiode 14 und die Source des Transistors 32 liegen über die Masseleitung 29 auf Masse.
Die Drain des Transistors 30 ist mit einem voreingestellten Spannungspotential V-dd über die Leitung 40 verbunden. Die Source des Transistors 30 und die Drain des Transistors 32 des Source-Folgers 33 sind über die Leitung 44 mit dem Multiplextransistor 34 verbunden, der die Bildzelle mit der Ausgangsleitung 22 verbindet. Ein Ladungsinjektionstransistor 36 ist vorgesehen, um eine voreingestellte Vorspannungsladung (bias charge), beispielsweise eine elektrische fat zero V-fz, in die Fotodiode 14 zu injizieren. Ein Rücksetztransistor 38 steuert dasie Anlegen eines Rücksetzsignals von einer vorbestimmten Rücksetzsignalquelle Vr an das Gate des Transistors 30 des Source-Folgers 33.
Ein geeigneter Bildtaktgeber (nicht gezeigt) liefert Taktsignale Φ1, Φ2 und Φ3, die die Quer-Übertragung der Bildsignalladung von den Fotodioden 14 zu den Source-Folgern 33 steuert. Zusätzliche Taktsignale Φ4 und Φ5 und ein Schieberregistertaktsignal Φ6 werden in das Schieberregister und den Logikkreis 24 eingegeben. Das Schieberregister und der Logikkreis 24, der eines oder mehrere Schieberregister einschließt, gibt Taktsignale Φ7 und Φ8 zum Betreiben der Übertragungskreise 20 aus, um die Bildsignalspannung von den Source-Folgern 33 zu verstärken und seriell an die Ausgangsleitung 22 zu übertragen. Man sieht, daß die Taktsignale Φ1 bis Φ6 den Betrieb der Abtastreihenanordnung 10 mit anderen Bauteilen des Abtastsystems synchronisieren und integrieren, mit dem die Reihenanordnung 10 verbunden ist, und mit zusätzlichen Anordnungen, wenn die Anordnung 10 an andere ähnliche Anordnungen anstößt, eine längere Abtastanordnung zu bilden.
Beim Betrieb, und es wird insbesondere auf die Fig. 2 und 4 Bezug genommen, wird nach der Integrationsperiode ein Quer- Ladungsübertragungszyklus für alle Fotodioden 14 veranlaßt, bei dem die Taktsignale Φ1, Φ2 die zweistufigen Übertragungstransistoren 26, 28 des Kreises 20 für alle Bildzellen 15 gleichzeitig betätigen. Die Transistoren 26, 28 übertragen die Bildsignalladung, die an den einzelnen Fotodioden 14 während der Integrationsdauer aufgebaut worden ist, an die Gates der Transistoren 30 der Source-Folger 33. Dann betätigen Vf und die Taktsignale Φ3 die Transistoren 36, um die Vorspannungsladung Vf auf die Fotodioden 14 zu bringen.
Nach dem Quer-Ladungsübertragungszyklus wird mit einem Bildausgangszyklus begonnen, bei dem die Taktsignale Φ7 und Φ8, die von dem Schieberregister und dem Logikkreis 24 ausgegeben worden sind, aufeinanderfolgend längs der Reihe von Übertragungskreisen von jeder Bildzelle 15 verschoben werden, um die Source-Folger 33 zu aktivieren und die Ausgänge der Source-Folger seriell mit der Ausgangsleitung 22 zu verbinden. In jeder Bildzelle betätigt das Taktsignal Φ7, das dem Gate des Transistors 32 des Source-Folgers 33 und dem Gate des Ausgangstransistors 34 eingegeben worden ist, die Transistoren 32, 34, um die Bildsignalspannung Vo an die Leitung 22 auszugeben. Nach einem vorbestimmten Intervall löst das Taktsignal Φ8 den Rücksetztransistor 38 aus, um ein Rücksetzsignal Vr an das Gate des Transistors 30 anzulegen, wodurch der Source-Folger 33 zurückgesetzt und die Ausgabe der Signalspannung für diese Bildzelle beendet wird.
Das Vorstehende wird längs der Reihe von Fotodioden 14 für jede Bildzelle 15 wiederholt, bis der Ausgang, der der letzten Fotodiode in der Reihe 16 von Fotodioden 14 entspricht, übertragen worden ist.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform, in der die gleichen Bezugszeichen sich auf die gleichen Teile beziehen, wird das Taktsignal Φ8 verwendet, um die Rücksetztransistoren 38 aller Übertragungskreise 20 gleichzeitig auszulösen. Das gemeinsamen Auslösen der Rücksetztransistoren 38 legt gleichzeitig ein Rücksetzpotential Vr an die Gates der Transistoren 30 an, wodurch die Source-Folger 33 der Übertragungskreise 20 gemeinsam zurückgesetzt werden.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf die geoffenbarte Ausgestaltung beschrieben worden ist, ist sie nicht auf die angegebenen Einzelheiten begrenzt, sondern es ist beabsichtigt, solche Abwandlungen oder Abänderungen abzudecken, die innerhalb des Bereiches der folgenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Eine Bildsensoranordnung (10) mit wenigstens einer Anordnungsreihe (16) von Fotodioden (14) und Einrichtungen, die mit jeder Fotodiode (14) zur Verstärkung und Übertragung der Bildsignalladung einer jeden Fotodiode (14) an eine Ausgangsleitung (22) verbunden sind, umfassend eine Source-Folgereinrichtung (33) zur Ladungs/Spannungs-Umwandlung der Fotodiodenbildsignalladung in eine Bildsignalspannung, eine Schaltereinrichtung (34) zum Verbinden des Ausgangs der genannten Source-Folgereinrichtung (33) mit der genannten Ausgangsleitung (22), wodurch die Bildsignalladung von der genannten Fotodiode (14) nach der Ladungs/Spannungs- Umwandlung durch die genannte Source-Folgereinrichtung (33) auf die genannte Ausgangsleitung (22) übertragen wird; und eine weitere Schaltereinrichtung (38) zum Beenden des Ausgangs von der genannten Source-Folgereinrichtung (33) nach der Ausgabe der genannten Bildsignalspannung an die genannte Ausgangsleitung (22), wobei die mit jeder Fotodiode verbundene Einrichtung gekennzeichnet ist durch eine zweistufige Überführungseinrichtung, die ein Schalterpaar (26, 28) in Reihe zwischen der Fotodiode (14) und dem Eingang der genannten Source-Folgereinrichtung umfaßt; und eine Taktgebereinrichtung (Φ1, Φ2) zur Betätigung des genannten Schalterpaares (26, 28) nacheinander, um die Bildsignalladung von der Fotodiode (14) an den Eingang der genannten Source-Folgereinrichtung (33) zu übertragen, wobei die Übertragung der genannten Signalladung durch die genannte zweistufige Übertragungseinrichtung die genannte Signalladung verstärkt, während die Rückkopplung minimiert wird, und eine Injektionseinrichtung (36) zur Injektion einer Vorspannungsladung (bias charge) in die Fotodiode (14).

2. Eine Bildsensoranordnung (10), wie es in Anspruch 1 beansprucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Injektionseinrichtung (36) eine Quelle eines voreingestellten Potentials (Vf) und einen Schalter (36) zum Verbinden des genannten Potentials (Vf) mit der Fotodiode (14) einschließt, wodurch das genannte Potential an die Fotodiode (14) angelegt und die genannte Vorspannungsladung injiziert wird.

3. Eine Bildsensoranordnung (10), wie es in Anspruch 2 beansprucht ist, gekennzeichnet durch eine Taktgebereinrichtung (Φ3) zum Betätigen des genannten Schalters (36) nach der Übertragung der Bildsignalladung von der Fotodiode (14) zu dem Eingang der genannten Source- Folgereinrichtung jedoch vor der Übertragung der genannten Bildsignalspannung an die Ausgangsleitung (22) durch die genannte Schaltereinrichtung (34).

4. Eine Bildsensoranordnung (10), wie sie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch beansprucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte weitere Schaltereinrichtung (38) eine Signalquelle (Vr) und einen Schalter (38) zur Verbindung der genannten Signalquelle (Vr) mit dem Eingang der genannten Source-Folgeeinrichtung einschließt.

5. Eine Bildsensoranordnung (10), wie es in Anspruch 4 beansprucht ist, gekennzeichnet durch eine Taktgebereinrichtung (Φ8) zum Auslösen des genannten Schalters (38) nach der Ausgabe der genannten Bildsignalspannung durch die genannte Schaltereinrichtung (34).

6. Eine Bildsensoranordnung (10), wie es in Anspruch 4 beansprucht ist, gekennzeichnet durch eine Taktgebereinrichtung (Φ8), um jeden der genannten Schalter (38) gleichzeitig auszulösen, um dadurch gemeinsam den Ausgang von den mit jeder der genannten Fotodioden (14) verbundenen Source-Folgern (33) zu beenden.

7. Eine Bildsensoranordnung (10), wie es in Anspruch 1 beansprucht ist, gekennzeichnet durch eine Taktgebereinrichtung (Φ1, Φ2, Φ3), um gemeinsam die genannte zweistufige Übertragungseinrichtung für jede der genannten Fotodioden (14) zu betätigen, um die Bildsignalladungen von der Fotodiode (14) zu dem Eingang der damit verbundenen Source-Folgereinrichtung (33) zu übertragen und dann die genannte Injektionseinrichtung (36) für jede der genannten Fotodioden (14) gemeinsam zu betätigen, um die genannte Vorspannungsladung in die genannte Anordnung von Fotodioden (14) gemeinsam zu injizieren, wobei die genannte Taktgebereinrichtung daraufhin die genannte Schaltereinrichtung (34) für jede der genannten Source-Folgereinrichtung (33) einzeln in Aufeinanderfolge betätigt, um die Bildsignalspannung von der genannten Source-Folgereinrichtung (33) zu der genannten Ausgangsleitung (22) seriell zu übertragen.

8. Eine Bildsensoranordnung (10) mit wenigstens einer Anordnung (16) von Fotodioden (14) und einer mit jeder Fotodiode (14) verbundenen Einrichtung zum Übertragen der Bildsignalladung von jeder Fotodiode (14) an eine Ausgangsleitung (22), umfassend eine Source-Folgereinrichtung (33) zur Ladungs/Spannungs-Umwandlung der Fotodiodenbildsignalladung in eine Bildsignalspannung, eine Schaltereinrichtung (34) zum Verbinden des Ausgangs der genannten Source-Folgereinrichtung (33) mit der genannten Ausgangsleitung (22), wodurch die Bildsignalladung von der genannten Fotodiode (14) nach der Ladung/Spannungs-Umwandlung durch die genannte Source- Folgereinrichtung (33) zu der genannten Ausgangsleitung (22) übertragen wird; und eine weitere Schaltereinrichtung (38) zum Beenden des Ausgangs von der genannten Source-Folgereinrichtung (33) nach der Ausgabe der genannten Bildsignalspannung an die genannte Ausgangsleitung (22), wobei die mit jeder Fotodiode verbundene Einrichtung gekennzeichnet ist, durch ein Schalterpaar (26, 28) in Reihe zwischen der Fotodiode (14) und einem Eingang des genannten Source-Folgers (33), um die Bildsignalladung von der Fotodiode (14) zu dem genannten Source-Folger (33) zu übertragen; wobei die Übertragung der genannten Signalladung durch das genannte Schalterpaar die genannte Signalladung verstärkt, während die Rückkopplung minimiert wird; einen ersten Schalter (36) zum Injizieren einer Vorspannungsladung in die Fotodiode (14) zur Übertragung an den genannten Source-Folger (33); eine Taktgebereinrichtung (Φ1, Φ2, Φ3, Φ7) zum Betätigen des Schalterpaares (26, 28) und der genannten ersten Schalter (36) aller genannter Fotodioden gemeinsam, um zuerst die genannte Bildsignalladung von der Fotodiode (14) zu dem genannten Source-Folger (33) zu übertragen und dann die genannte Vorspannungsladung in die genannte Anordnung von Fotodioden (14) zu injizieren, wobei die genannte Taktgebereinrichtung (Φ7) danach die genannte Schaltereinrichtung (34) für jede der genannten Fotodioden (14) in der genannten Fotodiodenanordnung einzeln aufeinanderfolgend betätigt, um seriell die Bildsignalspannung von den genannten Source- Folgern (33) zu der genannten Ausgangsleitung (22) zu übertragen.