專利名稱：光電轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電轉(zhuǎn)換器，如用在諸如復(fù)印機，傳真機或攝象機這樣的圖象信息處理裝置上的圖象傳感器，或照相機自動曝光及/或自動對焦裝置的自動曝光/自動聚焦(AE/AF)傳感器。
由于近來電子技術(shù)的進步，已經(jīng)嘗試開發(fā)了如照相機，復(fù)印機和傳真機的高性能產(chǎn)品。
如，現(xiàn)在幾乎所有的單鏡頭反光照相機產(chǎn)品都配上了自動曝光(AE)功能及自動對焦(AF)功能。
在自動曝光功能中，要測量相應(yīng)于一個攝象區(qū)的整個區(qū)域或部分區(qū)域的絕對光強度，以便自動地控制曝光或快門速度。但是，在自動聚焦功能中，要通過物象的相關(guān)功能計算出到物體的距離，以便自動地控制透鏡位置。
因此，為了提高精確度，有必要進一步細分圖象攝取區(qū)域。
因為自動曝光和自動聚焦之間圖象攝取區(qū)域和后處理是不同的，有必要使用不同的光電轉(zhuǎn)換器(傳感器)。雖然對個別產(chǎn)品為了減少成本作了各種各樣的改進，但還沒有獲得顯著的效果。
在用于自動曝光功能的測光傳感器中，當(dāng)整個區(qū)域的光強被測定時，各個區(qū)域的信號通過對最放大器放大，而且輸出信號被多路傳輸。
在用于自動聚焦功能的距離測量傳感器中，各個光敏區(qū)域的光電晶體管的發(fā)射極連接在一起，測出一個最強信號。這種方法很難測量整個光敏區(qū)域的絕對光強，因此它不能用于自動曝光功能。
作為例子，前一種的典型例子在美國專利5，115，124中有詳細說明，而后一種的典型例子在美國專利4，751，559中有詳細說明。
在前一種方法中，后級信號處理和為多路傳輸信號而驅(qū)動譯碼器是復(fù)合的，而后一種方法不適于自動曝光功能。
本發(fā)明的目的是提供一種高性能的光電轉(zhuǎn)換器，它以一個簡單的構(gòu)造許可改變光敏區(qū)域的實質(zhì)性區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，光電轉(zhuǎn)換器包括可以使一組光電轉(zhuǎn)換元件并聯(lián)連接的并聯(lián)器件和讀出這組并聯(lián)的光電轉(zhuǎn)換元件的復(fù)合信號的復(fù)合信號讀出器件，從而實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的。
根據(jù)本發(fā)明，因為光電轉(zhuǎn)換元件組是并聯(lián)的，個別的光敏區(qū)域可以連在一起，從而產(chǎn)生整個光敏區(qū)域的復(fù)合信號。
本發(fā)明的其它目的和特征從以下的描述并結(jié)合附圖將會變得明白。


圖1是本發(fā)明一個實施例的光電轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖2A和2B是根據(jù)本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換器示意圖;
圖3是本發(fā)明實施例1的電路圖;
圖4是說明實施例1轉(zhuǎn)換器運行的時間圖;
圖5是說明實施例1轉(zhuǎn)換器運行的時間圖;
圖6是本發(fā)明實施例2轉(zhuǎn)換器的電路圖;
圖7是根據(jù)本發(fā)明實施例3轉(zhuǎn)換器的電路圖;
圖8是本發(fā)明實施例3轉(zhuǎn)換器一個光電轉(zhuǎn)換元件的等效電路圖;
圖9是根據(jù)本發(fā)明實施例4轉(zhuǎn)換器的電路圖;
圖10是說明實施例4轉(zhuǎn)換器運行的電路圖;
圖11是說明實施例4轉(zhuǎn)換器運行的示圖;
圖12是在本發(fā)明中所使用的光電轉(zhuǎn)換器的一個例子的剖面圖;
圖13A和13B是利用本發(fā)明光電轉(zhuǎn)換器的圖象信息處理裝置的方框圖。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光電轉(zhuǎn)換器(傳感器)的電路圖，其中利用了三個光電轉(zhuǎn)換元件。
ph1，…，ph3表示光電轉(zhuǎn)換元件，M1和M2表示起并聯(lián)器件作用的開關(guān)，Vcc表示電源，V01，…V03表示輸出端，100表示讀取器。當(dāng)開關(guān)M1和M2由讀取器接通時，三個元件ph1，ph2和ph3并聯(lián)，從輸出端產(chǎn)生復(fù)合輸出。
另一方面，當(dāng)要從元件ph1，…，ph3中的一個得到單獨信號時，開關(guān)M1和M2由讀取器100斷開，以便從端V01，V02或V03讀出單獨輸出。
圖2A和2B是上述傳感器一個例子的示意圖。圖2A是俯視圖而圖2B是沿A-A′線的剖視圖。
光電轉(zhuǎn)換元件ph1，…，ph3由光電二極管組成，每個光電二極管都具有一個基層101，一個作陰極的n-層102和一個作陽極的P區(qū)103。
開關(guān)M1和M2由MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管組成，每個MOS晶體管都具有作為一個源極和一個漏極的P區(qū)103，一個柵極絕緣層104和一個柵極105。
106表示讀出信號端，它通過柵極105與讀取器100(圖1)相連。
當(dāng)信柵極105施加一個低電平脈沖時，PMOS(P型金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管M1和M2被接通，從而光敏區(qū)域(P區(qū)域)被連接在一起。
另一方面，當(dāng)給柵極105施加一個高電平脈沖時，PMOS晶體管M1和M2被斷開，從而各光敏區(qū)域被分開。
在本傳感器中，光敏區(qū)域的大小可以通過有選擇地開/關(guān)PMOS晶體管M1和M2來改變。當(dāng)僅晶體管M1接通時，光電二極管ph1和ph2的復(fù)合信號(混合信號)被產(chǎn)生，而從光電二極管ph3產(chǎn)生單個光電二極管輸出。相似地，當(dāng)僅接通二極管M2時，便產(chǎn)生光電二極管ph2和ph3的復(fù)合信號。
本發(fā)明的傳感器可以按下列操作次序操作。首先，晶體管M1和M2被接通以產(chǎn)生整個光敏區(qū)域的信號。然后，晶體管M1和M2被斷開以單獨地產(chǎn)生各光電二極管的信號。在這種方式中，復(fù)合信號和單獨信號可以被產(chǎn)生。
最好在信號的第二個讀操作之前立即復(fù)位(初始化)光電二極管。以上操作可以通過一個集成在同一半導(dǎo)體基中上的驅(qū)動電路或一個片外驅(qū)動電路來控制。
用于本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換元件除了上述光電二極管之外，還包括雙極性晶體管，面結(jié)型場效應(yīng)晶體管，柵極隔離場效應(yīng)晶體管(gate insulated field effect transistors)和靜電感應(yīng)晶體管。
用于本發(fā)明的并聯(lián)器件可以包括晶體管和電荷耦合器件(CCD)。
用于本發(fā)明的讀取器可以是那些具有電阻性負載的和那些具有電容性負載的，當(dāng)需要減少輸出端數(shù)目時，也可以包括電荷耦合器件(CCD)寄存器;戽斗式器件(BBD)寄存器，移位寄存器或多路開關(guān)。
現(xiàn)在將詳細闡述本發(fā)明的具體實施例，然而本發(fā)明并不僅局限于這些具體實施例，任何獲得本發(fā)明結(jié)果的形式都可以被使用。
參照圖3，闡述本發(fā)明的第一實施例。在該實施例中，雙極性光電轉(zhuǎn)換元件被直線排列，作為光電轉(zhuǎn)換元件。各元件的基區(qū)通過PMOS晶體管M11-M14相連。本發(fā)明這個實施例的平行輸出讀操作(讀模式1)現(xiàn)在參照圖4的時間圖來解釋。
在本操作期間，在端φrT和φvc加上一個低電平電壓時，雙極性晶體管B1-B4的發(fā)射極端被浮起。這個低電平電壓被施加于φR端，PMOS晶體管M11-M14被接通，雙極性晶體管B1-B4的基區(qū)被并聯(lián)。
當(dāng)φBR的脈沖在時刻t1升到高電平時，NMOS(N型金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管MBR被接通，雙極性晶體管B1-B4的基區(qū)被復(fù)位到復(fù)位電壓VBR。當(dāng)在時刻t2φBR的脈沖下降時，雙極性晶體管B1-B4的基區(qū)浮起，同時這些基區(qū)被連接在一起。
相應(yīng)地，引向光電轉(zhuǎn)換器的光由在各個雙極性晶體管的基極和集電極之間形成的PN結(jié)進行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的電子空穴對在基區(qū)上積累，從而每個雙性晶體管的基線3的電位升高。
當(dāng)在時刻t3在φON的脈沖升高時，NMOS晶體管MA1被接通，從而一個經(jīng)柵極與基極線3相連的NMOS晶體管MA2放大的信號進一步通過輸出放大器4放大后在輸出端OUT1上輸出。
通過此操作，引向整個光敏區(qū)域的光強被測定，基于此信號，通過未示出的測光器件的自動曝光的操作可以決定曝光量。
在本實施例中，在雙極性晶體管發(fā)射極端被浮起的同時，光生載流子被積聚。或者，在給φVC施加高電平電壓以給基極-發(fā)射極結(jié)反向加偏壓的同時，進行積聚。在這種情況下，光電轉(zhuǎn)換也在基極-發(fā)射極結(jié)區(qū)中產(chǎn)生，從而靈敏度被提高。
單個光電轉(zhuǎn)換元件的信號的讀操作(讀模式2)現(xiàn)在參照圖5的時間圖來解釋。
在時刻t1低電平電壓被施加于φR以將雙向性晶體管B1-B4的基極連接在一起，而在時刻t2，φBR升高。NMOS晶體管MDR被接通，基極區(qū)被復(fù)位至電壓VBR。復(fù)位后，在時刻t3在φR的脈沖處于中電平，結(jié)果PMOS晶體管M11-M14被斷開，各光電轉(zhuǎn)換元件相互被斷開。
在時刻t4，在φVC的脈沖上升且NMOS晶體管M21-M24被接通，雙向性晶體管B1-B4的發(fā)射極端被加偏壓至φVC。在時刻t5，在φR的脈沖上升至高電平，從而雙向性晶體管B1-B4的基極電位通過電容器C1-C4升高，而基極一發(fā)射極結(jié)被上向加偏壓。因此，雙極性晶體管同時工作在射極跟隨狀態(tài)，在基極中的空穴被重新結(jié)合，基極電位降至VVC+VBE(過渡復(fù)位)。在過渡性復(fù)位之后，在φR的脈沖降至中電平，基極電位也通過電容器C1-C4下降，從而基極一發(fā)射極結(jié)被反向加偏壓。此后，光生載流子的積聚開始。當(dāng)過了預(yù)定的積聚時間后，在時刻t6，高電平脈沖被施加于φT，從而NMOS晶體管M31-M34被接通，接著，時刻t7，高電平脈沖被施加于φVC，從而NMOS晶體管M21-M24被接通。雙向性晶體管B1-B4的發(fā)射極和電容CT1-CT4被復(fù)位至電壓VVC。
復(fù)位后，在φVC的脈沖下降，從而NMOS晶體管M21-M24被斷開，雙向性晶體管B1-B4的發(fā)射極端浮起。在時刻t8，在φR的脈沖上升，基極電位上升從而基極一發(fā)射極給被正向加偏壓，在各個光電轉(zhuǎn)換元件基極積聚的光生載流子被分別續(xù)入電容器CT1-CT4。然后，在時刻t9，高電壓平脈沖被施加于φRES，以接通NMOS晶體管MRS，使輸出線2被復(fù)位，掃描電路被啟動，信號從CT1上的信號開始通過輸出電路傳送到輸出端OUT2。輸出信號經(jīng)過處理，如由外部電路進行的抽樣保持處理和交/直流轉(zhuǎn)換處理，然后每個輸出的相關(guān)操作被執(zhí)行，以在操作中被利用，如，用于自動聚焦操作中，通過圖中未示出的距離測量器件檢測聚焦位置。應(yīng)該明白，除了自動聚焦操作，各位信號可以用作一維信號。
圖6為本發(fā)明的第二實施例。
本實施例是第一實施例的發(fā)展，其中光電轉(zhuǎn)換元件以二維排列。
在讀模式1中，垂直掃描電路10的所有輸出H1-H4被給予低電平，從而光電轉(zhuǎn)換元件被一排排并聯(lián)，各線通過線3連接在一起，且與NMOS晶體管MA2的門極相連。結(jié)果，所有象素的基極電壓的平均電壓在線3上產(chǎn)生，從而在輸出端OUT1產(chǎn)生經(jīng)放大的信號。
在讀模式2中，相應(yīng)于在第一實施例中φR的脈沖相繼從垂直掃描電路施給給序列H1-H4，各象素的光信號被按時間次序逐個輸出到輸出端OUT2。
圖7是本發(fā)明的第三實施例。
在本實施例中，與圖6的第二實施例相比，復(fù)位NMOS晶體管MR1-MR4及放大器輸入級NMOS晶體管MA21-MA24，分別接到光電轉(zhuǎn)換元件每排的各個基極線上。旨在提高讀模式1中的檢測靈敏度。
這將參照圖8中所示光電轉(zhuǎn)換元件單元的等效電路來簡要解釋。
如圖8所示，與雙向性晶體管基區(qū)相連的是COX…復(fù)位光電轉(zhuǎn)換元件和讀信號的電容，Cg…PMOS晶體管的柵極電容及寄生電容;
Cbc…基極-集電極結(jié)電容，Cbe…基極-發(fā)射極結(jié)電容，Cgs… PMOS晶體管的柵極覆蓋層電容。
光輻射增量△VB由下式得到△VB＝(N×Nph×h×s×q×L×ts)/〔N×(COX+Cg+Cbc+Cbe+Cgs)〕…(1)其中N并聯(lián)的光電轉(zhuǎn)換元件數(shù)Nph每單位面積單位時間單位光能量的光子數(shù)(厘米-2，秒-1，瓦特-1)η量子效率q單位電荷(庫包)L光能量(瓦特)ts積聚時間(秒)
即，檢測靈敏度(△V0)與所連光電轉(zhuǎn)換元件的數(shù)目無關(guān)。
相應(yīng)地，在本實施例中，每排并聯(lián)的元件的輸出△VB被輸給包括NMOS晶體管MA1，MA2i(i＝1-4)的放大器的柵極，這些放大器的輸出接在一起被供給放大器4，以提高檢測靈敏度。
圖9為本發(fā)明另一實施例圖。
通過光電二極管光電轉(zhuǎn)換3的信號通過NMOS晶體管傳送給垂直CCD(電荷耦合器件)51-54，然后通過水平CCD5從一個輸出放大器被輸出給端OUT2。
另一方面，各個光電二極管通過NMOS晶體管與側(cè)溢漏區(qū)(Lateral over flow drain area)50相連，而該區(qū)的電位通過輸出放大器被輸給端OUT1。
參照圖10和11，簡要說明讀模式1的驅(qū)動。
圖10是單個光電轉(zhuǎn)換元件的電路圖，其中有光電二極管，其對面的NMOS晶體管，垂直電荷耦合器件51及在NMOS晶體管對面的側(cè)溢漏區(qū)。在續(xù)模式1中，當(dāng)在φOG的電位降低到圖11中的虛線B時，所有在光電二極管區(qū)產(chǎn)生的信號被輸送給溢漏區(qū)。
當(dāng)上面的操作在許多光電轉(zhuǎn)換元件中進行時，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的信號可以在溢漏區(qū)被收集且它通過輸出放大器從端OUT1作為電壓而被檢測到。在本實施例中，光電二極管實際上是通過溢漏區(qū)和NMOS晶體管并聯(lián)。
在續(xù)模式2中，先有技術(shù)CCD(電荷耦合器件)信號傳輸系統(tǒng)可以象那樣被使用。通過在φOG設(shè)置圖11中實線的電位，使光電二極管中的多余載流子流入溢漏區(qū)而不漏入垂直CCD的里面去，這樣可以消除模糊。
在本實施例中，側(cè)溢漏區(qū)在讀模式1中被使用。垂直電荷耦合器件也可以使用。
圖12是在使用雙極性晶體管時傳感器的剖視圖。101表示n基層，102表示n-外延層，101′表示與集電極101″的歐姆接觸層，103表示p基區(qū)，104表示絕緣膜，105表示柵極，106表示其為與發(fā)射區(qū)108相連的一個輸出端的發(fā)射極，107表示絕緣膜。通過施加一高電平脈沖，中電平脈沖或低電平脈沖于柵極105，具有由基區(qū)103形成的源極和漏極作為開關(guān)元件的PMOS晶體管便被接通或斷開。
圖13A為信息處理系統(tǒng)如通信系統(tǒng)，傳真機，錄像機，復(fù)印機或掃描器的結(jié)構(gòu)方框圖，其中利用了本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換器。
OR表示攜有圖象信息的文件紙，601表示聚焦透鏡，602表示本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換器。
光電轉(zhuǎn)換器可以在傳真機中是線傳感器，而在錄相機中可以是面?zhèn)鞲衅鳌?br> 603表示一個包括一個中心處理單元的控制電路，它通過驅(qū)動光電轉(zhuǎn)換器的輸出線610和電源線611與光電轉(zhuǎn)換器602相連，并選擇兩種讀模式中的一種。
604表示一個記錄控制電路，它與在記錄介質(zhì)606上面寫下信息的記錄頭605相連。
記錄頭605可以是錄相機上的磁頭和傳真機上的熱壓頭或噴墨頭。記錄頭605可以是通過通信系統(tǒng)電纜連接到其它場地的記錄器。
本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換元件可以被用于測光模式中，以決定文件紙是否被放在了文件紙架上。根據(jù)測量結(jié)果(文件紙在或不在)，電源被接通或斷開以節(jié)約能耗。
又，讀操作可以在文件紙檢測之后再啟動。
在檢測文件紙在或不在時，使一個微弱的發(fā)光二極管閃光，射向文件紙，如果在測光模式的傳感器與閃光同步地檢測到一個信號，那么文件紙的存在就被檢測。當(dāng)文件紙不存在時，在測光模式的傳感器不產(chǎn)生信號，據(jù)此，檢測出文件紙不存在。最好是在文件紙架的表面涂上抗反射涂層，以防止發(fā)光二極管的光被面對文件紙的文件紙架的表面反射，并阻止反射光被導(dǎo)向傳感器。
本發(fā)明適合上述信息處理系統(tǒng)。當(dāng)它被用于圖象攝取裝置如照相機時，供給測光器件620的可以是復(fù)合信號，如圖13B所示，從而攝取圖象的曝光量被決定而根據(jù)該曝光量決定光圈和快門速度?？梢越o距離測量器件621施加單獨的信號來檢測聚焦位置。測光器和測距器與光電轉(zhuǎn)換器相連，處理它的輸出信號。讀每個光電轉(zhuǎn)換元件的單獨信號的模式和讀許多光電轉(zhuǎn)換元件的復(fù)合(混合)信號的模式，由控制電路603選擇，以產(chǎn)生所想要的信號。
根據(jù)本發(fā)明，用一個簡單構(gòu)造可以變換光敏區(qū)的大小，并且以低廉成本提供具有高性能的小型光電轉(zhuǎn)換器。
權(quán)利要求
1.一種光電轉(zhuǎn)換器，包括并聯(lián)許多光電轉(zhuǎn)換元件的并聯(lián)器件；讀出從許多并聯(lián)光電轉(zhuǎn)換元件來的復(fù)合信號的復(fù)合信號讀取器件。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的光電轉(zhuǎn)換器，還包括讀出許多光電轉(zhuǎn)換元件中每個光電轉(zhuǎn)換元件的獨立的單獨信號的單獨信號讀取器件。
3.一種具有權(quán)利要求1光電轉(zhuǎn)換器的圖象信息處理裝置，包括與所述復(fù)合信號讀取器相連的測光器，和與所述單獨信號讀取器相連的測距器。
4.一種圖象信息處理裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1的光電轉(zhuǎn)換器和一個光源。
5.一種圖象信息處理裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1的光電轉(zhuǎn)換器和將從光電轉(zhuǎn)換器來的圖象信息記錄到記錄介質(zhì)上的器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光電轉(zhuǎn)換器，其中所述光電轉(zhuǎn)換元件包括晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的光電轉(zhuǎn)換器，其中所述晶體管放大經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的光電轉(zhuǎn)換器，其中所述并聯(lián)器件產(chǎn)生許多光電轉(zhuǎn)換元件信號的平均輸出。
全文摘要
一種圖象信息處理裝置，包括并聯(lián)許多光電轉(zhuǎn)換元件的并聯(lián)電路，讀取從許多并聯(lián)光電轉(zhuǎn)換元件來的復(fù)合信號的復(fù)合信號讀取電路，讀取許多光電轉(zhuǎn)換元件中每個光電轉(zhuǎn)換元件的獨立的單獨信號的單獨信號讀取電路，與復(fù)合信號讀取電路相連的測光電路，以及與單獨信息讀取電路相連的測距電路。
文檔編號H04N5/369GK1104374SQ94106790
公開日1995年6月28日 申請日期1994年6月18日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月18日
發(fā)明者宮助守, 上野勇武 申請人:佳能株式會社