DE3522314C2

DE3522314C2 -

Info

Publication number: DE3522314C2
Application number: DE3522314A
Authority: DE
Inventors: Hirotaka Kagoshima Jp Arita
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1984-06-21
Filing date: 1985-06-21
Publication date: 1989-12-28
Also published as: DE3522314A1; DE3546717C2; US4740710A; US4703169A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leseeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine solche Leseeinrichtung ist aus der US-PS 44 19 696 bekannt.

Bei einer solchen Einrichtung ist es wünschenswert, daß sowohl die Deutlichkeit bzw. der Kontrast als auch die Reproduzierbarkeit des Lesebilds verbessert werden, um ein originalgetreues Lesen des Bilds zu ermöglichen; bei gleichzeitiger Verbesserung hinsichtlich der Produktivität bei der Herstellung einer solchen Leseeinrichtung. Der Stand der Technik bietet jedoch hinsichtlich der Deutlichkeit bzw. des Kontrasts, bei gleichzeitiger hoher Reproduzierbarkeit und Produktivität keine ausreichenden Verbesserungen.

Die US-PS 44 19 696 beschreibt eine Leseeinrichtung mit einer Vielzahl lichtelektrischer Wandlerelemente, die jeweils ein Ladungsspeicherelement aufweisen, wobei die lichtelektrischen Wandlerelemente bei Empfang von Licht elektrische Ladung in den Ladungsspeicherelementen speichern; einer Vielzahl von Schaltern, die jeweils mit einem Ende jedes lichtelektrischen Wandlerelements reihengeschaltet sind; eine Leitung, auf der die in den Ladungsspeicherelementen jeweils gespeicherte Ladungsmenge zu einem Lastwiderstand geführt wird; und eine Ansteuerschaltung, die die Mehrzahl Schalter nacheinander in zeitlicher Folge leitend macht.

Bei dieser Leseeinrichtung wird die Kapazität der Speicherkondensatoren so gewählt, daß diese gegenüber den in der Schaltung auftretenden Streukapazitäten bedeutend größer ist. Die Streukapazität der Schaltung ist dabei abhängig von der Anzahl n der Detektoren der Leseeinrichtung.

Diese Dimensionierung wird auch durch die JP-OS 60 70 870,1. Gleichung auf Seite 3, nahegelegt, worin die Anzahl n der Detektoren auftritt. Bei Zunahme der Detektorzahl droht somit das Verhältnis Signal/Rauschen klein zu werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, somit, eine Leseeinrichtung anzugeben, die mit einer gesteigerten Produktivität herstellbar ist. Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Gemäß der Erfindung wird also eine Leseeinrichtung angegeben, mit der nicht nur eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens mit der nicht nur eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens einhergeht, sondern die ferner in der Lage ist, die Lesebildelemente mit verbessertem Kontrast exakt wiederzugeben, ohne daß die Güte des Fotoleiters beeinträchtigt ist. Somit wird also eine Leseeinrichtung hoher Güte und großer Betriebszuverlässigkeit geschaffen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild der Leseeinrichtung

Fig. 2 ein prinzipielles Schaltbild der elektrischen Schaltung einer lichtelektrischen Wandlergruppe vom Ladungsspeichertyp nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der relativen Ausgangsgröße und dem Verhältnis der Kapazität C 1 des Speicherkondensators zur Kapazität SC des Analogschalters zeigt;

Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Änderungsrate des Ausgangssignals und dem Verhältnis der Kapazität C 1 des Speicherkondensators zur Kapazität SC des Analogschalters zeigt;

Fig. 5 ein Diagramm, das das Verhältnis des Fotostroms Ip zum Dunkelstrom Id wiedergibt.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nachstehend bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 ist das Schaltbild einer elektrischen Schaltung vom Ladungsspeichertyp. Fotodioden D 11-D 1 i, D 21-D 2 i, D 31-D 3 i, Ladungsspeichertyp. Fotodioden D 11-D 1 i, D 21-D 2 i, D 31-D 3 i, . . ., Dn 1-Dni, die als Halbleiter aus amorphen Silicium od. dgl. implementiert sind, sind in eine Mehrzahl von n Gruppen G 1 bis Gn unterteilt. Die Fotodioden D 11-D 1 i sind in einer Gruppe G 1 mit einer gemeinsamen Elektrode P 1 verbunden. Die gemeinsame Elektrode P 1 ist mit einer Vorspannungsquelle 35 über einen Belastungswiderstand R 1 verbunden. Die gemeinsame Elektrode P 1 ist mit einem Trennverstärker A 1 gekoppelt und gibt ein Signal auf eine Leitung 36. Die Fotodioden D 11- D 1 i sind mit einer Leitung 37 über Analogschalter S 11-S 1 i gekoppelt. Die Leitung 37 ist mit der anderen Klemme der Vorspannungsquelle 35 verbunden und geerdet. Die Analogschalter S 11-S 1 i sind mit einem Schieberegister SR gekoppelt. Diese Anordnung der Gruppe G 1 gilt in gleicher Weise für die übrigen Gruppen G 2, G 3, . . ., Gn, so daß keine nochmalige Erläuterung notwendig ist; entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Analogschalter S 11-S 1 i, S 21-S 2 i, S 31-S 3 i, . . ., Sn 1-Sni werden jeweils einzeln nacheinander leitend und werden in zeitlicher Folge vom Schieberegister SR abgetastet. D. h., es wird jeweils ein einziger Analogschalter zu einem Zeitpunkt leitend. Wenn der einzelne Analogschalter leitend ist, sind die übrigen Schalter nichtleitend. Die Fotodioden D 11-D 1 i weisen jeweils eine dazu parallele Kapazität entsprechend den Speicherkondensatoren C 11-C 1 i auf. Die Analogschalter S 11-S 1 i weisen Eingangskapazitäten SC 11-SC 1 i auf. Die übrigen Gruppen G 2, G 3, . . ., Gn sind in gleicher Weise ausgelegt.

Es sei angenommen, daß z. B. der Analogschalter S 11 leitend wird, während das Schieberegister SR die Analogschalter S 11- Sni nacheinander leitend macht und abtastet. In diesem Fall fließt ein elektrischer Strom durch den Belastungswiderstand R 1, die Fotodiode D 11 und den Analogschalter S 11 von der Vorspannungsquelle 35, wenn die Fotodiode D 11 Licht empfängt. Die Spannung der gemeinsamen Elektrode P 1, die einer von der Fotodiode D 11 empfangenen Lichtmenge entspricht, wird dann durch den Trennverstärker A 1 der Leitung 36 zugeführt. Auf diese Weise werden die übrigen Fotodioden D 12-D 1 i gleichermaßen abgetastet. Dieser Vorgang findet auch für die übrigen Gruppen G 2, G 3, . . ., Gn statt.

Wenn der Analogschalter S 11 leitend wird und gleichzeitig die Fotodiode D 11 Licht empfängt, fließt die elektrische Ladung der Speicherkondensatoren C 12-C 1 i, die mit den übrigen Fotodioden D 12-D 1 i parallelgeschaltet sind, und der Eingangskapazitäten SC 12-SC 1 i der übrigen Analogschalter S 12-S 1 i der Gruppe G 1 durch die Fotodiode D 11. Infolgedessen nimmt der Wert des elektrischen Stroms, der durch den Belastungswiderstand R 1 von der Vorspannungsquelle 35 fließt, proportional zu der Größe dieser elektrischen Ladung ab. In dieser Schaltung sind die Fotodioden D 11-Dni in die Mehrzahl von n Gruppen G 1-Gn aufgeteilt. Infolgedessen ist die Anzahl Fotodioden, die z. B. zur Gruppe G 1 gehören, die Anzahl i, die wesentlich kleiner als die Gesamtzahl der Fotodioden ist, und der elektrischen Strom, der in die Licht empfangende Fotodiode D 11 von den Speicherkondensatoren C 12-C 1 i und den Eingangskapazitäten SC 12-SC 1 i fließt, wenn der Analogschalter S 11 leitend gemacht wird, ist relativ gering. Infolgedessen kann eine Abnahme der Größe des elektrischen Stroms, der durch den Belastungswiderstand R 1 fließt, verhindert werden, wodurch die Verbesserung der Empfindlichkeit der Einrichtung möglich wird.

Fig. 2 ist ein Prinzipschaltbild des Lesesystems vom Ladungsspeichertyp gemäß Fig. 1. Eine Vorspannung von einer Vorspannungsquelle 35 a wird an einen Speicherkondensator C angelegt, der mit einer Fotodiode D parallelgeschaltet ist. Somit wird also eine vorbestimmte elektrische Ladung darin gespeicherte. Die Fotodiode D empfängt das vom Original reflektierten Licht, und die im Speicherkondensator C gespeicherte Ladung wird dann entsprechend der Größe der lichtelektrischen Umwandlung durch diesen Lichtempfang entladen. Wenn dann der Analogschalter S geschlossen ist, wird die an dem Belastungwiderstand R erzeugte Spannung einer Ausgangsklemme T zum Zeitpunkt der Wiederaufladung des Kondensators C zugeführt. Auf diese Weise wird ein Lichtsignal erfaßt. Mit TC ist ferner ein Koppelkondensator bezeichnet, und SC ist die Kapazität des Analogschalters S. Mit FC ist ferner die äquivalente Streukapazität des Schalters bezeichnet. Die Streukapazität FC steigt mit steigender Anzahl n elektrischer Wandlerelemente gemäß Fig. 6. Die Streukapazität FC kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

mit C 1=Kapazität des Speicherkondensators C.

Auf der Grundlage des Ergebnisses des nachstehend aufgeführten Experiments wurde erkannt, daß dann, wenn der Wert von C 1 größer als derjenige von SC gemacht wird, eine größere Ausgangsleistung erhalten wird, wodurch die Deutlichkeit bzw. der Kontrast eines Lesebilds verbessert wird.

Die elektrische Schaltung von Fig. 1 wurde in der erfindungsgemäßen Leseeinrichtung verwendet, und es wurden die relativen Werte der Ausgangssignale gemessen, während das Verhältnis von C 1 zu SC in der Prinzipschaltung der jeweiligen lichtelektrischen Wandlerelemente geändert wurde. So wurde das Ergebnis von Fig. 3 erhalten. Wie aus Fig. 3 ohne weiteres ersichtlich ist, steigt der Wert des relativen Ausgangssignals mit zunehmendem Verhältnis von C 1 zu SC unter Änderung des Wertes von SC entsprechend IC, während der Wert von C 1 konstantgehalten wird. Der Grund hierfür ist, daß der Wert der Streukapazität FC mit steigendem Wert der Kapazität SC ansteigt und infolgedessen ein elektrischer Strom in den Speicherkondensator C fließt, wenn der Analogschalter S geschlossen ist, wodurch der Betrag des durch den Lastwiderstand R fließenden Stroms abnimmt.

Auf der Grundlage der verschiedenen wiederholt durchgeführten Experimente wurde ferner gefunden, daß die Kapazität SC des Schalters S nicht nur eine parasitäre Kapazität, sondern auch die Kombination der Leitungskapazität der auf dem Substrat ausgebildeten Verdrahtung umfaßt.

Aufgrund der durchgeführten ausführlichen und gründlichen Untersuchungen angesichts der vorgenannten Tatsache hat sich ergeben, daß das Ausgangssignal von den verschiedensten Faktoren weniger beeinflußbar ist, wenn das Verhältnis von C 1 zu SC sehr groß gemacht wird.

In Fig. 4 ist mit (X) das Ergebnis bezeichnet, das erhalten wird, wenn man den Betrag der Erhöhung des Ausgangssignals über den Mittelwert der Ausgangssignale aufträgt, wobei das Verhältnis von C 1 zu SC geändert und der Wert von C 1 konstantgehalten wird; (Y) bezeichnet das Ergebnis, das erhalten wird, wenn man den Betrag der Abnahme des Ausgangssignals unter den Mittelwert der Ausgangssignale unter Konstanthaltung von C 1 aufträgt.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist somit erwiesen, daß die Änderungsrate des Ausgangssignals innerhalb des Bereichs von ±10% festlegbar ist, wenn C 1/SC <1. Die Leseeinrichtung, die innerhalb dieses Bereichs liegt, arbeitet im praktischen Einsatz problemlos. Es ist möglich, die Änderungsrate des Ausgangssignals, die durch die Ungleichförmigkeit der Kapazität C 1 u. dgl. bewirkt ist, noch stärker zu reduzieren.

Ferner basiert die Erfindung auf der weiteren Erkenntnis, daß der Fotoleiter 52, der als amorpher Siliciumhalbleiter auf den gemeinsamen Elektroden P 1, P 2 implementiert ist, als Fotodioden D 11-Dni dienen kann.

D. h., amorphes Silicium kann für den auf den gemeinsamen Elektroden auszubildenden Fotoleiter eingesetzt werden. Diese Verwendung von amorphem Silicium (a-Si) als Fotoleiter gewährleistet, daß das Verhältnis von Ip zu Id im wesentlichen groß gemacht werden kann, wobei Ip ein Fotostrom bei Lichtemission und Id ein Dunkelstrom bei fehlender Lichtemission ist. Versuche haben gezeigt, daß das Verhältnis von Ip zu Id bis zu 10⁴ bei einer Beleuchtungsstärke von 100 lx erhöht werden kann, wenn im Halbleiter ein PIN-Übergang ausgebildet ist.

Bei der Einrichtung nach der Erfindung kann als Speicherkondensator ein solcher a-Si-Fotoleiter verwendet werden. Die Elektrode des lichtelektrischen Wandlerteils kann ferner die Funktion der Elektrode des Kondensatorteils übernehmen und als gemeinsame Elektrode dienen.

Wenn die gemeinsame Elektrode so ausgebildet ist, ist die von der Elektrode, in der der a-Si-Fotoleiter angeordnet ist, eingenommene Fläche größer als die vom Lichtempfangsteil eingenommene Fläche. Infolgedessen besteht die Tendenz, daß der Dunkelstrom Id notwendigerweise groß ist. Wenn jedoch der a-Si-Fotoleiter verwendet wird, kann das sehr gute Verhältnis Ip/Id <10⁴ erzielt werden, wodurch jeder mögliche Nachteil bei der angegebenen Leseeinrichtung beseitigt wird.

Nachstehend ist ein Beispiel für das durchgeführte Experiment ausgeführt:

Wenn z. B. die Größe des einfallenden Lichts 100 lx o. ä. ist, beträgt die zweckmäßigste Kapazität des Speicherkondensators ca. 15 pF. Infolgedessen wird die Elektrodenfläche S (µm)² durch die folgende Gleichung bestimmt:

mit C 1=Kapazität des Speicherkondensators C (F),
ε _r=spez. Dielektrizitätskonstante von a-Si (ca. 11),
S=Elektrodenfläche (µm)² und
d=Filmdicke des a-Si-Fotoleiters (µm).

Die obige Elektrodenfläche S ist die durch die einander gegenüberliegenden Abschnitte der gemeinsamen Elektrode 49 und der Einzelelektroden 53 definierte Fläche.
S ist 2,3×10^-3 cm², wenn d ca. 1,5 µm ist. Wenn die Fläche des Lichtempfangsteils mit 100 µm×100 µm=10^-4 cm² bestimmt ist, kann das Verhältnis von Ip : Id trotzdem das Tausendfache sein, wie Fig. 5 zeigt. Dieser Wert kann ohne weiteres als der für den fotoelektrischen Wandlerteil erforderliche Wert akzeptiert werden. Ferner basiert nicht nur die Einrichtung nach der Erfindung auf der Erkenntnis, daß die Fotodiode und der Speicherkondensator einstückig ausgebildet sein können, wenn zu diesem Zweck der a-Si-Fotoleiter eingesetzt wird, sondern durch die wiederholt durchgeführten Experimente wurde auch überraschend erkannt, daß verschiedene Charakteristiken sowohl der Fotodiode als auch des Speicherkondensators weiter in effektiver Weise verbessert werden können, wenn die Filmdicke eines solchen a-Si-Fotoleiters innerhalb des Bereichs zwischen 0,4 und 3,0 µm festgelegt wird.

Der vorgenannte Bereich der Filmdicke des als Fotodiode eingesetzten a-Si-Fotoleiters entspricht z. B. Anforderungen an die Filmdicke, die von Natur aus notwendig ist, wenn der vorgenannte PIN-Übergang aufgebracht wird. Diese Tatsache ist am besten dadurch erklärbar, daß d 1,5 µm entsprechend der Gleichung (2).

Ferner wurde gefunden, daß auch ein Speicherkondensator mit einer Filmdicke in dem genannten Bereich realisierbar ist. Infolgedessen wird die Funktion von S zu d notwendigerweise bestimmt, da die optimale Kapazität der Fotodiode bei ca. 15 pF liegt. In bezug auf das Auslegungskriterium, daß das Leseelement 8 Bits/mm ist, kann der Wert für die Fläche S nicht frei gewählt werden. Insbesondere wurde gefunden, daß der Minimalwert der Fläche S, d. h., der Höchstwert der Filmdicke d, bevorzugt unterhalb 3,0 µm festgelegt wird, wodurch keine Probleme bei der praktischen Anwendung auftreten und die Produktivität bei der Herstellung des a-Si-Films nicht herabgesetzt wird. Wenn andererseits die Dicke d unter 0,4 µm liegt, ist der Speicherkondensator in der Praxis weniger geeignet, da sein Spannungswiderstand sehr niedrig ist. Es wurde somit festgestellt, daß die Filmdicke des a-Si-Fotoleiters zweckmäßigerweise zwischen 0,4 und 3,0 µm, bevorzugt im Bereich von 1,0-2,0 µm liegen sollte.

Claims

Leseeinrichtung mit
- - einer Vielzahl lichtelektrischer Wandlerelemente (D 11-Dni), die jeweils ein Ladungsspeicherelement (C 11-Cni) aufweisen, wobei die lichtelektrischen Wandlerelemente bei Empfang von Licht elektrische Ladung in den Ladungsspeicherelementen speichern;
- - einer Vielzahl von Schaltern (S 11-Sni), die jeweils mit einem Ende jedes lichtelektrischen Wandlerelements (D 11-Dni) reihengeschaltet sind;
- - einer Leitung, auf der die in den Ladungsspeicherelementen (C 11-Cni) jeweils gespeicherte Ladungsmenge zu einem Lastwiderstand geführt wird; und
- - einer Ansteuerungsschaltung (SR), die die Mehrzahl Schalter nacheinander in zeitlicher Folge leitend macht;
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Kapazität C 1 des geweiligen elektrischen Ladungsspeicherelements (C 11-Cni) zu der parasitären Kapazität SC des zugehörigen Schalters (S 11-Sni) unabhängig von der Anzahl der lichtelektrischen Wandlerelemente (D 11-Dni) nur unwesentlich größer als 1 ist.