DE3039264A1 - Festkoerper-bildabtastvorrichtung und deren ladungsuebertragungsverfahren - Google Patents
Festkoerper-bildabtastvorrichtung und deren ladungsuebertragungsverfahrenInfo
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Description
LEiNWEBER & ZIMMERMANN
Dipl.-Ing. H. Leinweber 0930-76)
Dipl.-Ing. Heinz Zimmermann Dipl.-Ing. A. Gf. v. Wengersky
2. Aufgang (Kustermann-Passage) Telefon (089) 2603989
Telex 52 8191 lepatd
Telegr.-Adr. Leinpat München
Telex 52 8191 lepatd
Telegr.-Adr. Leinpat München
den 17. Oktober 1980
Unser Zeichen zkr C
A5099-02
MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL CO., LTD.,
Osaka / Japan
MATSUSHITA ELECTRONICS CORPORATION,
Osaka / Japan
Osaka / Japan
Festkörper-Bildabtastvorrichtung und deren
Ladungsübertracrungsver fahren
Ladungsübertracrungsver fahren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung
mit einem hohen Auflösungsvermögen, einem hohen Rauschabstand und einem guten spezifischen Überstrahlungswiderstand sowie
auf deren Ladungsübertragungsverfahren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für wiederholte Übertragungsvorgänge wirksame Festkörper-Bildabtastvorrichtung
zu schaffen, in der bei einer infolge des Lade- und Entladevorganges auftretenden kleinen Änderung eines in einem gegebenen
Kondensator gespeicherten Ladungsbetrages mit einer höheren Geschwindigkeit und einem guten Wirkungsgrad nur der geänderte Ladungsbetrag auf eine Kapazität übertragen wird, deren Kapazitätswert
sehr viel kleiner als derjenige des erstgenannten Kondensators ist.
-2-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Ladungsübertraaungsverfahrens für die vorgenannte
Festkörper-Bildabtastvorrichtung.
Eine der für eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung zu erhebendöi wesentliche^1 Forderurgeibesteht beispielsweise in einem
hohen Auflösungsvermögen. Zur Erfüllung dieser Forderung ist eine ausreihend erhöhte Anzahl von Bildelementen notwendig.
Zu diesem Zweck wird MOSLSI-Technik angewendet, bei der verhältnismäßig einfach eine integrierte Herstellung mit hoher
Dichte durchführbar ist und bei der der Abbildungsbereich, der Schieberegisterbereich und die dazwischen liegenden Übergänge
in einer diskreten Schaltungsanordnung integriert werden können.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, auf die bezüglich aller nicht im Text beschriebenen
Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigt:
Fig.1 ein das Prinzip einer herkömmlichen auf MOS-Technik
beruhenden zweidimensionalen Festkörper-Bildabtastvorrichtung
darstellendes Schaltbild,
einer Fig. 2 ein das Prinzip auf/ der Ladungsverschiebung-Raäterübertragung
beruhenden zweidimensionalen Festkörper-Bildabtastvorrichtung darstellendes schematisches
Diagramm,
Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen zweidimensionalen Festkörper-Bildabtastvorrichtung,
Fig. 4a beim Betrieb der in Fig. 3 dargestellten Schaltung in deren jeweiligen Bereichen auftretende Spannungsformen,
—3 —
11 ο ö 1 a / ο % % i
Fig. 4b eine Reihe von Potentialdiagrammen von Betriebszuständen entsprechend den in Fig. 4a
angegebenen Zeiten,
Fig. 5 einen Satz von Impulsformer!, durch die zur
Verbesserung des Übertragungswirkungsgrads eine doppelte übertragung bewirkbar ist,
Fig. 6 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Aufbau zur Lo^
schung eines pseudooptischen Signals,
Fig. 7 ein Beispiel für Impuls ELtabläufe für den Betrieb der in Fig. 6 dargestellten zweidimensionalen
Festkörper-Bildabtastvorrichtung, und
Fig. 8 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform, bei der horizontale Schieberegister in
Entsprechung zu ungeraden und geraden ζ silen
von Übertragungsleitungen im auf der Zeichnung
gesehen oben und unteren Bereich angeordnet sind.
Festkörper-Bildabtastvorrichtungen werden allgemein in auf MOS-Technik beruhende Festkörper-Bildabtastvorrichtungen
und auf Ladungsverschiebeelement-Technik"" beruhende Festkörper-Bildabtastvorrichtungen
eingeteilt. Fig. 1 stellt eine schematische Schaltungsanordnung einer auf MOS-Technik beruhenden
Festkörper-Bildabtastvorrichtung dar. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein auf MOS-Technik beruhendes Schieberegister
für eine Horizontalabtastung und das Bezugszeichen 2 ein auf MOS-Technik beruhendes Schieberegister für eine Vertikalabtastung.
Diese Schieberegister 1 und 2 werden durch herkömmliche zweiphasige Taktimpulse betrieben. Diese Schieberegister dienen der
-4-
13Q018/0838
Verschiebung von Startimpulsen zu festen Zeitgaben von Taktimpulsen,
um Schiebeimpulse ai bilden. Diese Schiebeimpulse werden
auf Abtastimpuls-Eingangsleitungen 3-1, 3-2, 3-n bzw.
4-1, 4-2, 4-m ausgegeben. Durch ihr Ansprechen auf diese
Impulszüge werden die horizontalen MOS-Schalter 5 und die vertikalen
MOS-Schalter 6 nacheinander durchgeschaltet, so daß von
die Diffusionsschichten der Quellenbereiche der vertikalen MOS-Schalter
6 verwendenden Fotodioden 7 abgeleitete Signale über vertikale übertragungsleitungen 8-1, 8-2, 8-n an eine Videoausgangsleitung
9 abgegeben werden. Das auf die Videoausgangsleitung
9 ausgegebene Videosignal stellt den sich ergebenden Ladungsstrom dar, wenn die Diode, die während eines Rasteis durch das
einfallende Licht entladen worden ist, durch eine Videostromquelle
11 geladen und über einei Lastwiderstand 10 ausgelesen
wird.
Fig. 2 zeigt einen Prinzipaufbau einer auf Rasterübertragung beruhenden Festkörper-Bildabtastvorrichtung, welche ein
Beispiel für eine auf Ladungsverschiebungselementtechnik beruhende
Festkörper-Bildabtastvorrichtung darstellt. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet einen optoelektrischen Konversionsbereich zur
Speicherung einer optischen Signalladung und verwendet normalerweise ein auf Oberflächenkanaltechnik beruhendes Ladungsverschiebeelement.
Die durch den optoele-ktrischen Konversionsbereich 20 umgewandelten optischen Signalladungen werden in einer schnellen
Rasterübertragung während einer vertikalen Rücklaufperiode in einen daran angrenzend angeordneten optischen Signalladungs-Speicherbereich
21 übertragen. Der optische Signalladungsspeicherbereich 21 verwendet ebenfalls gewöhnlich auf Obaflächenkanaltechnik
beruhende Ladungsverschiebeelemente. Die in den optischen Signalladungsspeicherbereich 21 übertragene optische Signalladung
wird während der horizontalen Rücklaufperiode in ein horizontales Schieberegister 22 übertragen, das normalerweise ein auf der
Technik des versenkten Kanals beruhendes Ladungsverschiebeelement benutzt und wird weiter unter Verwendung eines geeigneten übertragungstaktsignals
in einen Signalausgabebereich 23 übertragen und dann ausgelesen.
ί 3QÖ18/0S
Bei der auf MOS-Technik beruhenden Festkörper-Bildabtastvorrichtung
ist jedes Bildelement einzelnen durch einen pn-übergang gebildet. Aus diesem Grund ist die Signaltrennung zwischen
den jeweiligen Bildelementen ausserordentlich gut. Der von dem auf MOS-Technik beruhenden horizontalen Schieberegister abgeleitete
Horizontalabtastimpuls durchläuft die Gatterkapazität des horizontalen MOS-Transistors sowie eine zwischen dessen Gatter
und Senke bestehende Streukapazität, was sich in auf der Videoausgangsleitung erscheinenden Störspitzen äußert. Eine Änderung
der oben erwähnten Kapazität, welche der Hauptgrund für die Verursachung eines sogenannten Festmusterrauschens darstellt,
verringert das Rauschverhältnis des Videosignals erheblich.Hierin liegt die der auf MOS-Technik beruhenden Festkörper-Bildabtastvorrichtung
innewohnende ernsthafteste Schwierigkeit.
ImFaIIe der auf der Ladungsverschiebe-Rasterübertragung
beruhenden Festkörper-Bildabtastvorrichtung , bei der die Bildelemente in m Zeilen und η Spalten angeordnet sind, wird das
mit versenktem Kanal arbeitende Ladungsverschiebeelement als
das Horizontalabtast-Schieberegister verwendet. Aus diesem Grund ist das Festmusterrauschen außerordentlich gering und das Rauschverhältnis
gut. Der prinzipielle Betrieb der derartigen Bildabtastvorrichtung besteht darin, daß die von dem optoelektrischen
Konversionsbereich abgeleitete Signalladung auf einmal in den optischen Signalladungsspeicherbereich übertragen wird und dann
die in diesem Bereich gespeicherte Signalladung sequentiell auf das horizontale Schieberegister übertragen wird. Dieser prinzipielle
Betrieb ist mit unvermeidbaren Übertragungsverlusten verbunden, die auftreten, wenn die Signalladung durch m oder mehr
Stufen übertragen wird. Der Grad der Verschlechterung des zu übertragenen Signals ändert sich in Abhängigkeit von dem Abstand
jedes Bildelementes in Bezug auf das Horizontalabtast-Schieberegister. Demzufolge ändert sich der Grad der Verschlechterung
der Bildqualität in Abhängigkeit von der Lage auf dem Bildschirm. Wie oben beschrieben, wird weder durch die auf MOS-Technik
beruhende Festkörper-Bildabtastvorrichtung noch durch die auf Ladungs-
-6-
130010/0333
verschiebeelementtechnik beruhende Festkörper-Bildabtastvorrichtung
erfolgreich eine hohe Auflösung und ein gutes Rauschverhältnis erzielt.
Daher besteht ein Ziel der Erfindung in der Schaffung einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung mit einer hohen Auflösung, einem hohen Rauschverhältnis und einem guten spezifischen
Uberstrahlungswiderstand.
In Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung einer zweidimensionalen Festkörper-Bildabtastvorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Wie aus dieser Darstellung hervorgeht, sind jeweils eine Fotodiode 31 und einen vertikalen
MOS-Schalter 32 aufweisende Bildelemente in Matrixweise angeordnet. In Fig. 3 ist der Einfachheit halber eine Matrix mit vier
Spalten und vier Zeilen dargestellt. Eine Anzahl von vertikalen MOS-Schaltern 32 sind mit ihren Gattern gemeinem verbunden, um
eine Vertikalabtastimpuls-Eingangsleitung 33 zu bilden, die an ein auf MOS-Technik beruhendes vertikales Schieberegister 34 arjge-
^reder Zeile schlossen ist. Die Senken der vertikalen MOS-Schalter 32/Jsma
zur Bildung einer vertikalen übertragungsleitung 35 untereinander verbunden. Die vertikalen Übertragungsleitungen 35 sind
jeweils an einem Ende über deren Quellenbereiche mit erste Übertragungsgatter aufweisenden Übertragungs-MOS-Transistoren 36
verbunden. Die Gatter der MOS-Transistoren 36 sind untereinander verbunden, um hierdurch eine erste Gattereingangsleitung 37
zu bilden. Der Senkenbereich jedes einzelnen der Übertragungen
MOS-Transistoren 36 ist jeweils mit dem anderen Ende von Speicherkondensatorelementen
39 verbunden, die aus an ihrem einen Ende zusammengeschalteten MOS-Kondensatoren bestehen und hierdurch eine
Speicher-Gattereingangsleitung 38 bilden, so daß Speicherbereiche N gebildet sind. Die zweiten Ubertragungsgatter 310 sind jeweils
angrenzend an die Speicherkondensatoren 39 angeordnet. Diese Übertragungsgatter sind "untereinander verbunden, um eine zweite
Gattereingangsleitung 311 zu bilden. Ein auf Ladungsverschiebung mit versenktem Kanal beruhendes horizontales Register 312 (als
ein horizontales Register bezeichnet), das angrenzend an die
-7-
Übertragungsgatter 310 angeordnet ist, ist an seinem einen Ende
mit einem Signalausgabebereich 313 verbunden. In der folgender Beschreibung ist angenommen, daß alle MOS-Schalter vom N-Kanalanreicherungstyp
sind; dasselbe Arbeitsprinzip ist jedoch entsprechend für andere Arten von MOS-Schaltern anwendbar. Auf
der Grundlage der prinzipiel-len Betriebsweise der unter Bezugnahme
auf Fig. 1 und 2 angesprochenen Bildabtastvorrichtung wird nun die Beschreibung unter Hervorhebung der für die Erfindung
wesentlichen Betriebsweise weitergeführt.
Das Arbeitsprinzip der Erfindung wird nunmehr beschrieben. Indem zuerst ein vertikaler Abtastimpuls an den vertikalen
MOS-Schalter 32 während einer -einzelnen horizontalen Rücklaufperiode
zum Zwecke des Einschaltens dieses Schalters 32 angelegt wird, wird die in den Fotodioden 31 gespeicherte Signalladung
auf die entsprechende Übertragungsleitung 35 übertragen. Indem sodann an die Impulseingangsleitungen 37 und 38 geeignete
Übertragungsimpulse angelegt werden, werden sodann die Signalladungen
auf den Übertragungsleitungen 37 effektiv an die Senkenbereiche N (Speicherbereiche) der MOS-Transistoren 36 übertragen
und darin vorübergehend gespeichert. Indem in dem nächsten Schritt der übertragungsimpuls an die Impulseingangsleitung 311
angelegt wird, wird die in dem Speicherbereich N gespeicherte Signalladung an das horizontale Schieberegister 312 übertragen.
Die Signalladung wird synchron zu geeigneten Übertragungstaktimpulsen durch das horizontale Schieberegister 312 durchgeschoben
und mittels des Signalausgangsbereichs ausgelesen.
In Fig. 4a ist in beispielshafter Weise ein Satz von Zeitablaufdiagrammen
für die Ausführung des oben erwähnten Betriebs der erfindungsgemäßen Festkörper-Bildabtastvorrichtung dargestellt.
In dieser Figur bezeichnet V die Wellenform einer auf der Impulseingangsleitung
37 auftretenden Impulsspannung, VTC die Wellenform
einer auf der Impulseingangsleitung 38 auftretenden Impulsspannung und Vm_ die Wellenform einer auf der Impulseingangsleitung
311 auftretenden Impuls spannung. In Fig. 4b sind die Betriebszustände
durch die in den entsprechenden Bereichen zu den in Fig.
-8-
130018/083S
4a dargestellten Zeiten auftretenden Potentiale ausgedrückt dargestellt. In dieser Figur bezeichnet L die Übertragungsleitung
35, N die Speicherbereiche und BCCD das horizontale Schieberegister 312. Die in den entsprechenden Bereichen auftretenden
Potentiale sind durch V , V, V bzw. V dargestellt.
Die Elektroden der Eingangsleitungen sind durchT_, T_, bzw. T_,
Cj C B
dargestellt. Die in den entsprechenden Bereichen bei t = O
im Dunkelzustand auftretenden Potentiale sind als V1. , V,_ bzw
L N V_. bezeichnet. Wenn der aus dem vertikalen Schieberegister 34
zu einer Zeit (0<t<t1) abgeleitete Abtastimpuls an den
vertikalen MOS-Schalter 32 angelegt wird, wird der größte
Teil der in der Fotodiode 31 gespeicherten Signalladung Q auf die vertikale Übertragungsleitung 35 übertragen, da die
Kapazität C der Übertragungsleitung 35 im Vergleich zu der
J_l
Kapazität der Fotodiode hinreichend groß ist. Um die auf die vertikale
Übertragungsleitung 35 übertragene Signalladung Q in
die Speicherbereiche N zu übertragen, werden die Impulse V__
ICj
und Vm„ an die Elektroden T_ und T_ angelegt. Die Kapazität
IC- Cj C
C1... des Speicherbereichs N ist durch C^ + C ausdrückbar ,wobei
N ^ O pn
Cn einen Kondensator des Speicherkapazitätselements 39 darstellt
und C einen Streukondensator am Senkenbereich des pn
MOS-Transistors 36 darstellt. Zuerst wird durch den zur Zeit t. an das Gatter T„ angelegten Impuls νφΡ eine Schwellenladung
I Cj X Cj
Q, (oC Y1. - V-J efffektiv aus dem das Poten-tial V aufweisenden
D L N N
Speicherbereich N in die vertikale Leitung 35 injiziert. Zur Zeit t„ wird der Impuls V an die Elektrode T angelegt,
um in ausreichender Weise das in dem Speicherbereich N auftretende Potential auf V zu erhöhen. Zu dieser Zeit wird die
auf der übertragungsleitung 35 zusammengesetzte Ladung (Qg + Q, )
in den Speicherbereich N in einem BBD- oder Kettenzustand übertragen. Dabei gilt V'N = Vn + Cn/(CO + C) χ VTC. Um die zusammengesetzte
Ladung von der übertragungsleitung L in den Speicherbereich N zu übertragen, muß während der in den Speicherbereich
N erfolgenden Übertragung der zusammengesetzten Ladung (Q + .Q, ) das in dem Bereich N herrschende Potential über dem Wert
von V gehalten werden. Gleichzeitig wird das auf der vertika-
-f-tih
len Übertragungsleitung 35 herrschende Potential wieder auf
den Wert Vx gesetzt. Die eingestellte Spannung V drückt
GG sich aus durch V1. = Vm_ - Vm , wobei Vm die Schwellenspannung
Jj ICj X i
des Gatters T_ darstellt. Sodann wird zur Zeit t_ der Wert
G ο
von Vm„ Null. Nachdem die Übertragungsleitung 35 von dem
IG
Speicherbedarf! N elektrisch getrennt wird, wenn der Impuls
V zu der Zeit t. in einen Nullzustand zurückkehrt, wird das
in dem Speicherbereich N herrschende Potential klein. Wenn
zur Zeit t,- der Übertraqungsimpuls V an das Gatter T an-
3 χα υ
gelegt wir^i, wird allein die Signalladung Q des Speicherbereichs
N an das horizontale Schieberegister 312 übertragen. Gleichzeitig wird das in dem Speicherbereich N herrschende
Potential wieder auf V gesetzt, so daß die Bildabtastvorrichtung für den nächsten Übertragungszyklus (t. bis tfi) bereit
ist. Dabei besteht der Zusammenhang V„ = VmTJ - Vm , wobei
JN IrJ ί
VB die Schwellenspannung des Gatters T darstellt. Um die
Ladung aus dem Speicherbereich N an das horizontale Schieberegister 312 zu übertragen, muß das Kanalpotential des horizontalen
Schieberegisters 312 auf einem höheren Wert als
V gehalten werden. In der Tat gilt V *= V„B Während der
Dauer einer horizontalen Abtastperiode wird die in das horizontale Schieberegister 312 übertragene Signalladung Qc in
den Signalausgabebereich 313 übertragen, wo sie ausgelesen wird. Damit zur Zeit to die Schwellenladung QD in den L-Bereich
injiziert wird, muß die Beziehung Vx^ N erfüllt sein. Der
effektive Wirkungsgrad für die Übertragung der Signalladung Q aus dem L-Bereich in den N-Bereich ist dadurch außerordentlich
erhöht, daß die Schwellenladung Q, automatisch injiziert wird, wenn der Impuls V früher als der Impuls
IG
Vm_ angelegt wird. Ein derartiges übertragungsverfahren wird
als eine automatisch vorgespannte Ladungsübertragung bezeichnet.
-10-
Wenn die Phasen der Impulseingangsspannungen Vm„ und
V gleichphasig sind, wird keine Schwellenladung injiziert
und der Wirkungsgrad für die Ladungsübertragung vom L-Bereich zum N-Bereich ist dürftig. Infolgedessen wird kein gutes Bild
erhalten. Wie aus den in Fig. 4b dargestellten Potentialdiagrammen
hervorgeht, wird die injizierte Ladung nicht an das horizontale Schieberegister übertragen. Es ist wohlbekannt, daß
bei der herkömmlichen Rasterübertragung in einem Ladungsverschiebeelement die Schwellenladung extern injiziert wird, um
den Übertragungswirkungsgrad zu verbessern. Bei diesem Verfahren wird jedoch das Festmusterrauschen durch eine Veränderung
der Schwellenladung verursacht. Andererseits entsteht ein derartiges Festmuster überhauot nicht, wenn das automatisch
vorgespannte LadungsnbeT-tr^gu^gs^er^ahr-en verwendet wird.
Durch die Verwendung der oben beschriebenen Steuerimpulse kann die von der vertikalen Übertragungsleitung 35, deren
Kondensator C7. aroß ist, beispielsweise einige zehn pF, abgeleitete
Signalladung mit hohem Wirkungserrad in den einen hinreichend kleinen Kondensator C aufweisenden Speicherbereich
N übertragen werden.
Wenn das Verfahren der automatisch vorgespannten Ladungsübertragung
verwendet wird, wird das Bild nicht gestört, da selbst bei einem geringen Lichtwert der Übertraauncrswirkungsgrad nicht
verschlechtert wird, so daß ein ziemlich scharfes Bild gebildet werden kann. Ein im Rahmen der Erfindung durchgeführtes
Experiment, bei dem die Kapazität des Speicherbereichs N ein Mehrfaches des Fotodiodenkondensators betrug und die Beziehung
CQ ~ C erfüllt war. hat einen Wirkungsgrad für die Ladungsübertragung
von bis zu 70% und mehr ergeben. Ein befriedigender Wert für \t. - t_| lag dabei im Bereich von einigen zehn ns und
die einzelnen Impulsbreiten betrugen unge-Fänr 1μΞ-
Bei der vorstehend erwähnten Betriebsweise wird allein die lediglich in der ersten Spalte auf die vertikale übertragungsleitung
35 übertragene Ladung in das horizontale Schieberegister 312 übertragen. Tatsächlich wird dieser Betriebsvor-
-11-
13GÖ18/083&
-/-AS'
gang gleichzeitig bei allen Fotodioden derselben Zeile bewirkt. In der Erfindung sind in jeder Spalte die betreffenden Fotodioden
durch die Senken der vertikalen MOS-Schalter 32 über die Übertragungsieitungen 35 miteinander verbunden. Durch diese
Verbindung ist rangmäßig der Abstand der von in anderen Zeilen angeordneten Fotodioden herrührenden Signalladung
bezüglich des horizontalen Schieberegisters 312 unabhängig
von dem relativen Abstand zu dem horizontalen Schieberegister 312. Weiterhin wird, nachdem die von der die große Kapazität
aufweisenden Übertragungsleitung abqeleitete Signalladunq mit hohem Wirkungsgrad an das die kleine Kapazität aufweisende
Element übertragen worden ist, diese an das horizontale Schieberegister 312 ühertraaen. Auf diese Weise ist der Wirkungsgrad
der Übertraguncr außerordentlich verbessert, wodurch eine gute
vertikale Auflösung erreicht wird, wenngleich das Bild kaum geformt wird, wenn es unmittelbar von der vertikalen Übertragungsleitung
35 an das horizontale Schieberegister übertragen wird.
Ferner verwendet die Erfindung ein Ladungsverschiebeelement für das horizontale Schieberegister und drei getrennte Impulseingangsleitungen.
Unter Ausnutzung der Vorteile dieses Merkmals kann der Wirkungsgrad für die Übertragung der Ladung
von der vertikalen Übertragungsleitung in das horizontale Schieberegister weiter verbessert werden. Fig. 5 zeigt für
die Erläuterung der in einem solchen Fall vorliegenden Betriebsweise nützliche Zeitablaufdiagramme. Die Impulse Λ Λ bis f
I ο
für die automatisch vorgespannte Ladungsübertragung gleichen denen in Fig, 4a dargestellten. Um eine zweimalige Wiederholung
dieser Impulse zu erhalten, werden während einer Zeitdauer von T' bis f' dieselben Impulse verwendet, wie
während ?. bis T Das durch diese Steuerimpulse bewirkte
1 D
Ladungsübertragungsverfahren wird doppelte Übertragung genannt. Bei dem doppelten Übertragungsverfahren ist der Wirkunsgrad
für die Übertragung der Ladung von der vertikalen Übertragungsleitung 35 in den Speicherbereich N durch η_ = η + (1 -η)η,
-12-
130018/0836
ausdrückbar, wobei r^ den Wirkungsgrad für die übertragung von
der vertikalen übertragungsleitung 35 in den Speicherbereich N unter Verwendung der in Fig, 4a dargestellten Impulssteuerung
bedeutet. Da die Kapazität des Speicherkondensators N sehr klein ist, kam angenommen werden, daß der Wirkungsgrad für die Übertragung
vom Speicherbereich N zum horizontalen Register 312 beinahe 100% beträgt. Folglich kann angenommen werden, daß
der Wirkungsgrad für die Übertragung von der vertikalen übertragungsleitung
35 zum Speicherbereich N durch denjenigen für die Übertragung von der vertikalen Übertragungsleitung 35 zum
horizontalen Register 312 gegeben ist.
Wenn das doppelte übertragungsverfahren ausgehend von r^ = 70%
angewendet wird, ergibt sich η = 91%. Wenn es bei i\ = 90% angewendet
wird, folgt η = 99%. Durch die Verwendung der doppelten Übertragung
wird die vertikale Auflösung weiter verbessert. Innerhalb der effektiven horizontalen Rücklaufperiode ist die Anwendung
einer beliebigen Anzahl von Impulsen für eine automatisch vorgespannte Ladungsübertragung zulässig. Die Impulssteuerung
gemäß V™ kann von T bis )' statt in der pulsierenden Weise
gleichstromartig vorgenommen werden, wie aus dessen Betriebsprinzip ersichtlich ist. Darüberhinaus kann sie während der gesamten
Zeitspanne als eine Gleichspannungs- Vorspannung betrieben werden. In diesem Fall muß Vn kleiner als das kleinste
Kanalpotential des horizontalen Registers sein.
Die bisherige Beschreibung bezieht sich auf die Art und Weise, wie die auf der Übertragungsleitung 35 auftretende
Signalladung mit hohem Wirkungsgrad an das horizontale Schieberegister 312 übertragen wird. Da jedoch jede der Übertragungsleitungen 35 eine Anzahl von Senken der vertikalen MOS-Schalter
32 umfaßt, wird der während der Dauer einer horizontalen Abtastperiode
erzeugte Dunkelstrom und das bei den Senken gesammelte optische Signal gespeichert, und diese pseudooptischen Signale
werden der wahren optischen Signalladung beigemischt. Demzufolge wird das Rauschverhältnis verschlechtert.
-13-
1300 18/08Ji
Durch die Erfindung ist die vorerwähnte Schwierigkeit lösbar. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf eine Festkörper-Bildabtastvorichtung,
bei der lediglich wahre Signalladungen mit einem hohen Übertragungswirkungsgrad auf das
horizontale Schieberegister 312 übertragen werden, indem das pseudooptisch© Signal auf der Übertragungsleitung 35 während
einer Impulszeitgabe im Betrieb der Bildabtastvorrüitung gelöscht
wird/ bevor die wahre Signalladung in den Speicherbereich
N übertragen wird. In Fig. 6 ist ein Schaltbild einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung dargestellt, deren Aufbau
die Löschung des pseudooptischen Signals ermöglicht. Bei der in Fig. 6 dargestellten Schaltungsanordnung ist die Anzahl
von Biteinheiten des horizontalen Schieberegisters pro vertikaler Übertragungsleitung gemäß einem Biteinheitenaufbau a.,
a1', a„, a ' , verdoppelt. Die übrigen Teile des Schaltungsaufbaus
stimmen mit denen des in Fig. 3 Dargestellten überein. Die übrigen Teile sind daher mit den gleichen Symbolen
wie in Fig. 3 bezeichnet. In Fig. 7 sind Impulszeitablaufdiagramme für die Steuerung der in Diskussien stehenden
Festkörper-Bildabtastvorrichtung dargestellt. Hierin bedeutet V_ einen Abtastimpuls, der von dem vertikalen MOS-Schieberegister
34 an den vertikalen MOS-Schalter 32 angelegt wird. Unter der Steuerung durch einen zwischen einem Zeitpunkt P1
und einem Zeitpunkt Pc wiederkehrend auftretenden Zug von
I rtpulsen wird das auf der vertikalen Übertragungsleitung auftretende
pseudooptische Signal unter der automatisch vorgespannten Übertragungsweise in die Biteinheit a.. des horizontalen
Schieberegisters übertragen. Sodann wird das in der Einheit a1
gespeicherte pseudooptische Signal an die benachbarte Biteinheit a1' des Schieberegisters übertragen, indem für das
horizontale Schieberegister ein geeigneter übertragungstakt während einer Zeitdauer von P, bis 4c verwendet wird, wodurch
D O
die Biteinheit a.. entleert wird. Danach wird nur die wahre
Signalladung, die durch Verwendung des zum Zeitpunkt P5 angelegten
Impulses V1^ von der Fotodiode auf die übertragungsleitung
übertragen wird , mit einem hohen Wirkungsgrad während der Zeit-
130018/0038
dauer von Z1 bis T'fi im doppelten Ubertragungsbetrieb in die Biteinheit
a1 des horizontalen Schieberegisters übertragen. Danach
werden während einer einzelnen horizontalen Abtastperiode die pseudooptische und die wahre Signalübertragung unter Verwendung
des geeigreisn Übertragungstaktes durch das horizontale
Schieberegister 312 hindurch an den Ausgabebereich 313 übertragen,
wo sie ausgelesen werden. Durch eine Entfernung der pseudooptischen Signalladung durch ein geeignetes Verfahren und
ein ausschließliches Lesen der wahren Signalladung wird ein einen außerordentlich hohen Wirkungsgrad aufweisendes Videosignal erhalten.
Bei einem der Verfahren zur Entfernung des pseudooptischen Signals ist ein aus einem Abtastübertragungsgatter und einer
Senke bestehendes Paar angrenzend an eines oder mehrere eigentliche Bits des horizontalen Schieberegisters bei dem Ausgabebereich
313 angeordnet, um die pseudooptische Signalladung abzuzweigen und zu beseitigen. Bei einer derartigen Anordnung wird
das pseudooptische Signal beseitigt, indem das pseudooptische Signal derart in die Senke eingetastet wird., daß bei der übertragung
des pseudooptischen Signals auf die Biteinheit ein Impuls an das Abtastübertragungsgatter angelegt wird.
In einem weiteren Verfahren zur Entfernung des pseudooptischen Signals sind die Übertragungsgatter angrenzend an eine
geeignete Anzahl der effektiven Biteinheiten des horizontalen Schieberegisters vorgesehen, so daß die auf das horizontale
Schieberegister übertragene pseudooptische Signalladung aus dem horizontalen Schieberegister durch die Übertragungsgatter
während der horizontalen Rücklaufperiode ausgegeben wird. Bei
Verwendung dieses Verfahrens ist das in dem Videosignal enthaltene Rauschen vermindert und das Signal ist in einfacher
Weise verarbeitet. Wie oben beschrieben wurde, ist erfindungsgemäß die durch eine Änderung des Dunkelstroms verursachte,
in einer Gruppe von Senken auf der vertikalen übertragungsleitung gespeicherte Festmuster-Rauschkomponente erheblich
herabgesetzt und es wird ein Vide osignal mit eirem.außerordentlich
hohen Rauschverhältnis erhalten.Die überschüssige Sättigungsladung,
die hervorgerufen wird, wenn die Bildabtastvorrich-
-15-
tung eine über das Sättigungslicht hinausgehende Lichtmenge empfängt, kann durch die Verwendung des Verfahrens zum Löschen
des pseudooptischen Signals gelöscht werden, wodurch die Überstrahlungwider Standskennlinie außerordentlich verbessert wird.
_jFür den Fall, daß eine große Anzahl von horizontalen Bildelementen
verwendet wird, kann die Schaltung der Festkörperbildabtastvorrichtung derart angeordnet werden, daß die
horizontalen Schieberegister an der oberen und unteren Seite in Bezug auf die ungeraden und geraden Spalten der vertikalen
Übertragungsleitungen angeordnet werden, wodurch der bei einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit des horizontalen Schieberegisters
hervorgerufene Übertragungsverlust vermindert und die Integrationsdichte verbessert ist. Ein Beispiel für eine derartige
Gestaltung ist in Fig. 8 dargestellt. Zur Bezeichnung der mit der Fig. 6 gleichen Teile sind die gleichen Bezugszeichen
verwendet. Die in Fig. 7 dargestellten Steuerimpulszeitabläufe können in diesem Beispiel verwendet werden. Während die vorerwähnten
Ausführungsformen auf Oberflächenkanälen beruhende Übertragungsgatter TG und TB verwenden, können dise Gatter
auch vom Typ versenkter Kanäle ausgebildet sein. In diesem Fall ist der Wirkungsgrad für die übertragung weiter verbessert.
J Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht die Erfindung die vollständige Ausschaltung des durch den horizontalen Abtastimpuls
hervorgerufenen Festmusterrauschens, was bei der herkömmlichen auf MOS-Technik beruhenden Festkörper-Bildabtastvorrichtung
kaum möglich ist. Außerdem sind das Rauschverhältnis und die ÜberstrahlungswiderStandskennlinie erheblich verbessert, indem
das pseudooptische Signal und die Überstrahlungsladung gelöscht werden. Bei der auf Ladungsvaschiebeelementen beruhenden
Festkörper-Bildabtastvorrichtung ist der Grad der durch die VielStufenübertragung der Signalladung hervorgerufenen Verschlechterung
der vertikalen Auflösung in Abhängigkeit von dem Abstand der Bildelemente in Bezug auf das horizontale Schieberegister
veränderlich. Dieser Mangel tritt bei der Erfindung nicht auf. Außerdem besteht bei der Erfindung keine Notwen-
130018/0838
digkeit für eine externe Injektion der Schwellenladung. Deshalb
ist die erfindungsgemäße Festkörper-Bildabtastvorrichtung nicht
mit dem durch die Veränderung der extern injizierten Ladungen verursachten Festmusterrauschen behaftet. Folglich ist die
erfindungsgemäße Festkörper-Bildabtastvorrichtung gegenüber
der herkömmlichen im Auflösungsvermögen, dem Rauschverhältnis, dem Überstrahlungswiderstand und dergleichen erheblich verbessert.
In dieser Hinsicht ist die erfindungsgemäße zweidimensionale
Festkörper-Bildabtastvorrichtung äußerst nützlich, wenn sie als eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung für eine
Einfach - oder . Single tip-Farbkamera verwendet wird.
-17-
13Q018/083S
Claims (10)
1. Festkörper-Bildabtastvorrichtung, gekennzeichnet durch
in m-Zeilen und η-Spalten angeordnete fotoelektrische Wandlerelemente
(31),
eine Signalladungübertragungsvorrichtung mit einem auf
MOS-Technik beruhenden Schieberegister (34) und Schalterelementen (32) zur gleichzeitigen zeilenweisen Übertragung
von in den fotoelektrischen Wandlerelementen (31) gespeicherter optischer Signalladung auf vertikale Übertragungsleitungen (35) ,
eine übertragungsvorrichtung mit Übertragungsgattem (36)
und kapazitiven Speicherelementen (39) zum Übertragen der auf die vertikalen Übertragungsleitungen (35) übertragenen
optischen Signalladung in das horizontale Schieberegister (312),
einen Signalausgabebereich (313), durch den die durch das horizontale Schieberegister (312) hindurch übertragene
optische Signalladung ausgebbar ist, wobei das horizontale Schieberegister (312) als ein auf
Ladungsverschiebeelementen beruhendes horizontales Schieberegister
ausgebildet ist.
2. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Übertragungsgatter (36)
und die kapazitiven Speicherelemente (39 ) aufweisende Übertragungsvorrichtung aus kapazitiven Speicherelementen besteht,
deren Kapazität kleiner ist als die Kapazität der vertikalen Übertragungsleitungen (35) und deren jedes an
seiner einen Elektrode mit einer ersten Impulsspannung
(V„c) beschickt ist -und deren andere Elektrode als der
Speicherbereich (N) dient, sowie aus ersten Übertragungsgattern (36), durch die in Abhängigkeit von einer zweiten Impuls-
-18-
130018/083
J039264
spannung (V) Ladung zwischen den Speicherbereichen (N)
und den vertikalen ubertragungsleitungen (35) übertragbar ist, und aus zweiten Übertragungsgattern (310), durch die
Ladung von den Speicherbereichen (N) zu dem horizontalen Schieberegister (312) übertragbar ist.
3. Pestkörper-Bildabtastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das horizontale Schieberegister
(312) in doppelter Anzahl der vertikalen ubertragungsleitungen
(35) vorgesehene Einheitelemente (a1, a ',
a„, a ' , ... ) aufweist, und daß die optische Signalladung
und die übrige Ladung in den Einheitselementen benachbart gespeichert sind.
4. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach einem, der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
horizontale Schieberegister (312) ein Übertragungsgatter
aufweist, durch das die Ladung jedes dem endseitigen Einheitselement vorangehenden effektiven Einheitelementes
verzweigbar und übertragbar ist, und daß jede von der optischen Signalladung verschiedene Ladung durch das Übertragungsgatter
in einen von dem Signalausgabebereich (313) verschiedenen Bereich ausgebbar ist.
5. Festkörper-Abtastvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die das Übertragungsgatter (36) und das kapazitive Speicherelement
(39) aufweisende Übertragungsvorrichtung und das horizontale Schieberegister (312) entsprechend ungeraden
und geraden Spalten der vertikalen Übertragungsleitungen (35) getrennt vorgesehen sind (Fig. 8).
-19-
1S6Q1Ö/OÖSS
6. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Verzweigen
und Übertragen von Ladung dienenden Übertragungsgatter jeweils entsprechend ungeraden und geraden Spalten der vertikalen
Übertragungsleitungen vorgesehen sind.
7. Festkörper-Bildabtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch
eine Phasensetzung, bei der die Phase einer an ein erstes Gatter angelegten Impulsspannung (V) zeitlich früher
als die einer an die andere Elektrode des kapazitiven Speicherelementes (39) angelegten Impuls spannung (v Tr.) auftritt,
die das Übertragungsgatter und das kapazitive Speicherelement (39) aufweisende übertragungseinrichtung während einer
gegebenen Übertragun^.gsperiode wenigstens eine Folge von
Operationen ausführt, wobei diese Folge von Operationen eine erste Operation zur Injektion einer Schwellenladung
aus dem kapazitiven Speicherelement (39) in die vertikalen Übertragungsleitungen (35) aufweist sowie eine zweite Operation
zur Übertragung einer geänderten Ladungsmenge auf der vertikalen übertragungsleitung (35) zu dem kapazitiven
Speicherelement (39) und eine dritte Operation, durch die ausschließlich die geänderte Ladungsmenge in das horizontale
Schieberegister (312) übertragbar ist.
8. Verfahren zur Ladungsübertragung bei einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß zur ausschließlichen Übertragung einer in einem ersten kapazitiven
Element gespeicherten geänderten Ladungsmenge auf ein eine kleinere Kapazität als das erste kapazitive Element
aufweisendes zweites kapazitives Element in dem Ladungsübertragungsweg vom ersten kapazitiven Element zum zweiten
kapazitiven Element ein drittes kapazitives Element mit einer einer Ladungsinjektion in das erste kapazitive Element dienende
Funktion. vorgesehen ist. , -
' 130018/0836 -20-
9. Verfahren zur Ladungsübertragung bei einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung
nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen ersten Verfahrensschritt zur Injektion eines festen
Betrag einer Schwellenladung aus einem dritten kapazitiven
Element zum ersten kapazitiven Element, einem zweiten Verfahrensschritt zur Übertragung von Ladung vom ersten kapazitiven
Element zum dritten kapazitiven Element und einen dritten Verfahrensschritt zur Übertragung einer der geänderten" Ladungsmenge
der in dem ersten kapazitiven Element gespeicherten Ladung entsprechenden Ladungsmenge von dem dritten kapazitiven
Element zu dem zweiten kapazitiven Element, wobei die im wesentlichen mit der Schwellenladungsmenge übereinstimmende
Ladung zurückgelassen wird.
10. Verfahren zur Ladungsübertragung bei einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung
nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge von Operationen während einer gegebenen
Übertragungsperiode mehrmals wiederholt wird.
130018/0831
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