DE3335681C2 - Bildaufnahmeeinrichtung mit einem CCD-Bildfühler - Google Patents

Abstract

In einer Bildaufnahmeeinrichtung wird ein CCD-Bildfühler (10) mit einem die Bildstrahlung integrierenden und dreiphasig taktgesteuerten Bildregister (30) verwendet, bei welchem eine Teilbildverschachtelung dadurch erfolgt, daß ungerade Teilbilder bei hohem Zustand nur der ersten Taktphase und gerade Teilbilder bei hohem Zustand nur der zweiten und dritten Taktphasen integriert werden. Um teilbildfrequentes Flimmern zu unterdrücken, sind diejenigen Gateelektroden (32, 33; 35, 36) im Bildregister, welche die zweite und die dritte Taktphase empfangen, gleich lang und halb so lang wie die Gateelektroden (31; 34), welche die erste Taktphase empfangen.

Description

der Integrationszeiten der »ungeraden« Teilbilder eine Integration nur unter den von der ersten Phase angesteuerten Elektroden, und während der Integrationszeilen der »geraden« Teilbilder erfolgt eine Integration nur unter den von der zweiten oder der dritten Phase angesteuerten Elektroden. Die Bereiche der Gateelektroden, unter denen die Bildintegratiön während,abwechselnder Teilbilder stattfindet, sind in aufeinanderfolgenden Teilbildern gleich groß. Dsr-die unter diesen Elektroden.: für die Ladungsansammlung gebildeten Verarmungsgebiete in. aufeinanderfolgenden Teilbildern gleiche Größe haben, werden in jedem Teilbild gleiche Beträge an Dunkelstrom angesammelt, wodurch eine der Ursachen für das teilbildfrequente Flimmern im wesentlichen beseitigt wird. Ferner ist die während der Bildintegraticnszeiten stattfindende Kopplung der Taktsignale der B- und C-Register auf das A-Register, die über die Kapazitäten der Register zu ihrem gemeinsamen Substrat erfolgt, in aufeinanderfolgenden Teilbildern ähnlicher, wodurch eine weitere Ursache ff,- das teilbildfrequente Himmern im wesentlichen beseitigt ist. Die beschriebene Methode bringt zwar einen retativ flimmerfreien Dreiphasenbetrieb, führt jedoch andererseits zu Ungenauigkeiten in der Teilbildverschachtelung und zu Umfaltfehlern (aliasing) an diagonalen Zeilen, was in kritischen Anwendungsfällen wie z. B. in Fernsehkameras für Rundfunksendezwecke nicht akzeptierbar ist.

Die Schaffung einer dreiphasig gesteuerten und mit Teilbildübertragung arbeitenden CCD-Bildaufnahmeeinrichtung, die einerseits eine gute Teilbildverschachtelung bringt und andererseits frei von störendem teilbildfrcquentcm Flimmern ist, stellt ein bisher ungelöstes Problem dar. Die Mechanismen zur Erzielung einer nahezu perfekten Teilbildverschachtelung in der CCD-Bildaufnahmeeinrichtung nach Fig. 5 der oben genannten US-Patentschrift sind offenbar nicht gut genug verstanden worden, um selbst solchen Fachleuten, die auf dem Gebiet der CCD-Bildaufnahmeeinrichtungen hochqualifiziert sind, den Bau einer entsprechenden Einrichtung zu erlauben.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der entgegen iillen Erwartungen gewonnenen Erkenntnis, daß die erwähnten Mechanismen benutzt werden ^können, um eine vollständig oder im wesentlichen perfekte Teilbildverschachtelung gemeinsam mit einer Unterdrückung des tcilbifdfrequenien Flimmerns zu erzielen, auch wenn die Bereiche der Gateelektroden, unter denen Ladungsiniegraiion siaufinuei, in aufeinanderfolgenden Teilbildcrn unterschiedlich groß sind. Die nachfolgende Analyse zeigt, warum dies so ist.

In einer dreiphasig gesteuerten CCD-Bildaufnahmecinrichiung (im folgenden kurz CCD-Bildfühler genannt) wird während abwechselnder Bildintegrationszciten (d. h. während jeder zweiten Bildintegrationszeit) ein die Integration erlaubendes Potential (Integrationspotential) nur an diejenigen Gateelektroden gelegt, welche die Φα i-Taktphase empfangen. Während jeder dieser abwechselnden Integrationszeiten werden die in den Verarmiingsgebieten unter den genannten Elektroden erzeugten Ladungsträger in diesen Gebieten zurückgehalten, bis sie während der als nächstes stattfindenden Teilbildübcrtragung in der Φλ i-Phase hinausgetaktet werden.

Während der lntcgrationo.v.eit wandern Ladungsträger, «lic /wischen den erwähnten Verarmungsgebieten im statistischen Mittel erzeugt werden, zu den ihren jeweiligen Erzeugungsorten Nächstliegenden Verarmungsgebieten. Das heißt, im wesentlichen die gleiche Anzahl von Ladungsträgern, wie sie an Orten entstehen, die innerhalb eines Bereichs von

L_A3)

von der Mitte jeder Φ\ i-Gateelektröde liegen, wird während einer jeden solchen Integrationszeil unter dieser Φα i-Gateelektrode gesammelt Somit liegen wäli- rend solcher Integrationszeiten die Bildpiiiiktzentren. in jeder Zeile von Bildpuhkten bei der Mittellähge einer

Gateelektrode, die das Φα t-Taktsigriäl während der Teilbildübertragung empfängt. -, . Es wurde gefunden, daß der Vorgang der Zentrierung

von Bildpunkten abwechselnder Teübflder auf dje/:Mittellänge der Φ_Α i-Gateelektrode unabhängig "vomgeV genseitigen Verhältnis der Längeri-i* i. Lau und £43 ist und daß diese Längen nicht im Verhältnis von 1:1 :1 zueinander stehen müssen, wie es die erw&hnte US-Patentschrift zeigt.

Während .der dazwischenliegenden Bildintegrationszeiten, wenn Integrationspotentiale an die den Taktphu.-sen Φα ζ und Φα 3 zugeordneten Gateelektroden gelegt werden, wandern Ladungsträger, die unter den auf Sperrpotential liegenden Φ_Α i-Gateelektroden im statistischen Mittel erzeugt werden, zur einen Hälfte zu der vorangehenden Φα rGateelektrode un«i zur anderen Hälfte zu der nachfolgenden ^42-Gateelektrode (unter der Voraussetzung, daß die Φ at und #4rGateelektroden Integrationspotentiale gleichen Werts empfangen). Es wurde ferner gefunden, daß die Ränder oder Enden der Bildpunkte unabhängig vom' Verhältnis Lax ■■ La2:La3an den Mittellängen der Φ_Α i-Gateelektroden liegen. Wenn die Taktsteuerung wieder aufgenommen wird, verschmelzen die Ladungen unter jedem Paar benachbarter Φα r und Φα 3-Gateelektroden miteinander. Somit wird es keinerlei Konsequenz mehr tür die Teilbildverschachtelung haben, in weichem Verhältnis die beiden Elektroden eine Ladung unter sich jeweils als Funktion ihrer Längen La? und Lau aufteilen. Aus dieser Analyse wurde der Schluß gezogen, daß die Teilbildverschachtelung unabhängig von den relativen Werten der Längen L_A 1, Lai und La3 im wesentlichen perfekt ist

Wie oben erwähnt, wird das Teilbildflimmern vermindert, wenn der Bereich oder die Zone der Gateelektroden, unter denen in geraden Teilbildern Ladungsakkumulation stattfindet, so groß ist wie der Bereich der Gateelektroden, unter denen in ungeraden Teilbildern

so Ladungsakkumulation stattfindet Wenn in einer dieser beiden Teilbtldgruppen (gerade oder ungerade) nur die Φα i-Gateelektroden Integrationspotential empfangen und in der anderen TeilbUdgruppe (ungerade blw. gerade) sowohl die Φα 2-Gateelektrode als auch die Φα 3-Gateelektroden Integrationspotential empfangen, dann läßt sich folgende Bedingung für die Unterdrückung des Teilbildflimmerns aufseilen:

La 2 + La

Es gibt jedoch noch eine weitere praktische Einschränkung für das Verhältnis La\ : Lai: La3- Es wurde nämlich gefunden, daß wenn man den Überstrahlungseffekt bis zur Erreichung eines hohen Wertes der Bildes helligkeit vermeiden will, die Kapazitäten der Potentialmulden, die den unter den Φα 2- und Φα 3-Gateelektroden gebildeten Verarmungsgebieten zugeordnet sind, gleich sein sollten. Andernfalls wird eine Gruppe dieser

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Gebiete bei einer geringeren Bildhelligkeit in die Über- empfangenden Gateelektrodcn des A-P.egisiers. Der

strahlung getrieben als die andere Gruppe. Wenn die CCD-Bildfühler 10 enthält neben seinem A-Rcgisterein

Taktspannungen Φα ι und Φ_Α\ gleiche Amplitude haben, gegenüber Strahlung abgeschirmtes Teilbild-Speieher-

läßt sich die vorstehende Forderung dadurch erfüllen, register (sogenanntes B-Register), ein gegenüber Sirah-

daß man La ι und La j einander gleichmacht. Da 5 lung abgeschirmtes und eine Parallel/Scrien-Umset-

zung durchführendes Auslesercgister (sogenanntes C-

La ι - La 2 + La 3 Register) und eine Stufe am Ende des C-Rcgistcrs zur Umwandlung aufeinanderfolgender Ladungspakctc in

ist, setzt der Überstrahlungseffekt in ungeraden und ge- Videoausgangssignal-Abfragewerte. Die von dieser

raden Teilbildern jeweils bei gleichen Helligkeitswerten to Stufe gelieferten Videoausgangssignulc werden in her- |

ein. Hält man sich an diese zusätzliche Einschränkung, kömmlicher Weise auf eine Schaltung 11 /ur Filterung j|

dann wird auch durch das Abgießen überschüssiger La- und Taktsignalunterdrückung gegeben. Das Signal von f

dung in die Anti-Überstrahlungsdrains kein teilbildfre- der Schaltung U gelangt zu einem Korrekturverstärker

quentes Flimmern hervorgerufen. IZ in welchem die üblichen Synchronsignale eingefügt

Die Erfindung nutzt die vorstehend beschriebenen 15 werden, um ein ausgangsseitiges Vidcosigmi !gemisch Erkenntnise aus, um einen mit Teilbildübertragung ar- mit der Synchroninformation zu liefern,

beiienden CCD-Büdfühler za schaffen, der sich sowohl Ein Zeitsignslgsnerssor !5 leitet von einem !«icrnsR

durch gute Teilbildverschachtelung als auch durch oder externen Haupttaktgeber (nicht dargestellt) fol-

Flimmerfreiheit auszeichnet. Erfindungsgemäß werden gende Signale ab:
im Α-Register des Bildfühlers die Längen der Gateelek- 20

troden zueinander so bemessen, daß die Bedingung a) Dreiphasen-Taktsignale für das A-Rcgistcr des

CCD-Bildfühlers 10 während derTeilbild-Übcrtrn- La ι — La 1 + L_A 3 gungszeiten,

b) geeignete Taktsignale für die B- und C- Register des

im wesentlichen erfüllt wird, wie es für beste Teilbild- 25 CCD-Bildfühlers 10 und

verschachtelung im Falle dreiphasiger Taktsteuerung c) dii Synchronsignale, die der Korrekturverstärker

des Α-Registers notwendig ist. In besonderer Ausfüh- 12 in das Videoausgangssignal einfügt,
rungsform der Erfindung ist die Länge La ι der Φα i-Ga-

teelektroden, unter denen eine Bildintegration während Diese Signale sind im wesentlichen die gleichen, wie

abwechselnder Bildintegrationszeiten stattfindet, dop- 30 sie bei der Anordnung nach Fig·. 5 der US-Patentschrift

pelt so groß wie die Länge jeder der einander gleichlan- 38 01 884 verwendet werden.

gen Φαίτ und Φαj-Gateelektroden, unter denen eine Das Zeitdiagramm nach Fig.2 veranschaulicht, wie

Bildintegration während der dazwischenliegenden Bild- der CCD-Bildfühler nach Fig. 10 mit Hilfe der vom

integrationszeiten stattfindet. Zeitsignalgenerator !5 gelieferten Takiisnpulse in auf-

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausfüh- 35 einanderfolgenden Teilbildperioden betrieben wird. Die

rungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert Fig. 3 zeigt im einzelnen, in welch unterschiedlicher

Fig. 1 zeigt in Blockform das Schema einer CCD- Weise die Dreiphasen-Taktsteuerung für das A-Regi- Bildaufnahmeeinrichtung, in welcher die Erfindung rea- ster des CCD-Bildfühlers 10 während der Bildintcgra-

lisiert ist; tion für ungerade und für gerade Teilbildcr angehalten

Fig.2 ist ein allgemeines Zeitdiagramm für die La- 40 wird. Im oberen Teil der Fig.3 sind die drei Phasen

dungsübertragung in der Einrichtung nach Fig. 1: Φ_Α ι. Φα 2 und Φα ι der Taktsignale für das A-Register

Fig.3 ist ein Detail des aligemeinen Zeitdiagramms während des Bildintegrationsintervalls (vom Zeitpunkt nach F i g. 2 und veranschaulicht, wie die Taktsteuerung r₀ bis zum Zeitpunkt fi) eines ungeraden Tcilbildes dardes Bildregisters angehalten wird wenn die Integration gestellt. Im unteren Teil zeigt die F i g. 3 die drei Phasen eines ungeraden Teilbildes erfolgt und wenn die Inte- 45 der Taktsignale des A-Registcrs während des Bildintegration eines geraden Teilbildes erfolgt; grationsintervalls (vom Zeitpunkt h bis /um Zeitpunkt

F i g. 4 zeigt vereinfacht die Draufsicht auf eine Kon- tj) eines geraden Teiibildes.

struktion der CCD-Bildaufnahmeeinrichtung nach Das von fo bis /1 währende »Hinlaufintervall« für ein

F i g. 1, bei welcher die für die erste Taktphase vorgese- gerades Teilbild ist gleichzeitig das Bildintegra.ibnsin-

henen Gateelektroden des Bildregisters eine Länge ha- 50 tervall für das ungerade Teilbild, welches als nächstes

ben, die so groß ist wie die kombinierten Längen der folgen soll. Die Taktsteuerung des Α-Registers wird an-

Gateelektroden für die zweite und die dritte Taktphase; gehalten, wie es in F i g. 2 zu erkennen ist. Während der F i g. 5 zeigt in Schnittansicht die Dreifach-Polysili- Zeilenrücklaufintervalle erfolgt eine Taktsteucrung des

ziumstruktur einer Gruppe von Gateelektroden des B-Registers, um eine neue Zeile von Bildpunkl-Abfragc-

Bildregisters, deren Längen gemäß der Erfindung be- 55 werten in das C-Register zu schieben (nachdem wäh-

messensind rend des vorangegangenen Zeilenhinlaufintervalls die

Gemäß der F i g. 1 wird das Bild 3 eines Objektes 4 vorherige Zeile von Bildpunktwerden mit der BiId-

durch ein Linsensystem 5 (symbolisch als einfache Sam- punkt-Abfragefrequenz aus dem C-Register hinausge-

mellinse dargestellt) auf das Α-Register (Bildregister) taktet worden ist). Die Taktsteuerung des B-Registers

einer CCD-Bildaufnahmeeinrichtung 10 eines Typs ab- 60 kann dreiphasig (wie die normale Taktsteuerung des

gebildet, der mit Teilbildübertragung arbeitet Solche Α-Registers) sein oder wie bekannt z. B. zwei-oder vier-

Einrichtungen werden im folgenden kurz als »Bildfüh- phasig.

ler« bezeichnet Die Einrichtung 10 unterscheidet sich Wie in F i g. 3 gezeigt wird die Taktsteuerung des

von bekannten CCD-Bildfühlern dieses Typs darin, daß Α-Registers während des Hinlaufiniervalls des geraden

die der ersten Taktsignalphase zugeordneten Gateelek- 65 Teilbildes angehalten, so daß nur das Taktsignal der

troden des Α-Registers jeweils eine Länge haben, die Phase Φ_Λ ι »hoch« ist »Hoch« bedeutet, daß die betref-

gleich ist der kombinierten Länge (d. h. der Summe der fenden Gateelektroden des Α-Registers ein Potential

Längen) der die zweite und die dritte Taktsignalphase empfangen, bei welchem Ladungs-Verarmungsgebieie

im Halbleitermaterial nahe diesen Elektroden gebildet werden. Somit findet während des Intervalls zwischen den Zeitpunkten in und Λ cine Ladungsintegration nahe den die erste Taktphase Φ,\ ι empfangenden Gateelektrodcn des Α-Registers statt, d. h. die durch Photoumwandlung d^r Strahlungsenergie des Bildes 3 erzeugten Ladungsträger sammeln sich in den Verarmungsgebieten, die nächst den <P\ i-Cateelektrodendes A-Registers gebildet werden. Ladung, die in den Bereichen zwischen den Φ,\ i-Gatcelektroden erzeugt wird, wandert zur jeweils nächsllicgenden der beiden diese Bereiche jeweils flankierenden Φ λ i-Gateelektroden, so daß die Enden oder Ränder der Bildpunkte jeweils mitten zwischen den Mittellinien der Φλ i-Elektroden liegen.

Die Taktstcuerung des Α-Registers wird während des Übertraglingsintervalls des ungeraden Teilbildes wieder aufgenommen, und zwar vom Zeitpunkt t\ bis zum Zeitpunkt I₂. Die Taktsteuerung der A- und B-Register erfolgt mit schneller Geschwindigkeit, um die integrierten Ladungspakete, welche die Information von Bildpunkten darstellen, aus dem Α-Register, wo sie erzeugt wurden, zur Speicherung in das B-Register zu übertragen. Üblicherweise wird das C-Register mit schneller Taktgeschwindigkeit gesteuert, um restliche Dunkelströme abzuziehen, die sich im B-Register während des vorangegangenen Teilbild-Hinlaufintervalls angesammelt haben. Am Ende des Teilbild-Übertragungsintervalls sind die Ladungspakete, welche die Bildpunktwerle des ungeraden Teilbildes darstellen, im B-Register des Bildfühlers 10 gespeichert.

Dieses gespeicherte Teilbild wird dann während des nachfolgenden »ungeraden« Teilbild-Hinlaufintervalls, d. h. vom Zeitpunkt h bis zum Zeitpunkt f«, aus dem B-Register in das C-Rcgister übertragen. Bei dieser Übertragung wird jede Zeile auf einmal für sich während des Zeiienrückiautiruervaiis in das C-Register gegeben. Während der Zeilenhinlaufintervalle werden die !.adtingspakete, welche die Bildpunktwerte des ungeraden Tcilbildes darstellen, mit Bildpunkt-Abtastfrequenz aus dem C-Register hinausgeschleust und in eine Videoausgangsspannung oder einen Videoausgangsstrom umgewandeil.

Die Taktsteuerung des Α-Registers wird während des ungeraden Tcilbild-Hinlaufs angehalten, so daß die Ladungspaketc, welche die Bildpunktwerte des nachfolgenden geraden Teilbildes darstellen, durch die Photoumwandlung der Strahlungsenergie des Bildes aufgebaut werden können. Das Anhalten der Taktsteuerung des A-Registers erfolgt so, daß diejenigen Gateelektroden, welche die zweite und die dritte Taktsignalphase Φ_Λ ι und Φλ j empfangen, auf hohem Taktsignalpegel sind, wie es im unteren Teil der F i g. 3 veranschaulicht ist. Während dieses Anhaltens der Taktsteuerung werden Ladungs-Verarmungsgebiete im Halbleitersubstrat nahe denjenigen Elektroden gebildet, welche die nun hohen Taktsignale der Phasen Φα 2 und Φα 3 empfangen. In diesen Gebieten findet eine Ladungsintegration statt. Ladung, die in den Bereichen unter den Φ_Α i-Gateelektroden des Α-Registers erzeugt wird, wandert aus jedem dieser Bereiche zu den jeweils benachbarten beiden Elektroden, und zwar jede Teilladung zur näheren Elektrode hin. Somit liegen die Enden oder Ränder der Bildpunkte jeweils an den Mittellinien der Φα i-Gateciektroden. Hierzu spieit es keine Rolle, wie die Längen den Elektroden, die unterschiedliche Phasen der Taktsignalc des Α-Registers empfangen, zueinander bemessen sind. (Es sei angenommen, daß alle Gateelektroden des A-Registcrs, welche die jeweils gleiche Taktphase Φα ι.

Φα ι oder Φ ι ι empfangen, gleiche Länge haben.)

In ungeraden Teilbildern liegen die Bildpunktenden also mitten zwischen den Mittellinien der Φα rElektroden, und in geraden Teilbildern liegen die Bildpunkten-

s den an den Mittellinien der Φα i-Elektroden, unabhängig vom Verhältnis L_A\ : L_Ai: Las. Das heißt, der Abstand der Bildpunktränder in verflochtenen benachbarten Zeilen ist über das Teilbild gleichmäßig, so daß die Teilbildverschachtelung perfekt ist.

Der Zeitpunkt U ist das Ende einer Vollbildperiode und stellt gleichzeitig den Zeitpunkt ίο des Beginns der nächsten Periode dar, die in der gleichen Weise abläuft, wie es vorstehend beschrieben wurde. Wie oben erwähnt, ist die vorstehend geschilderte Taktsteuerung

ts des CCD-Bildfühlers 10 ähnlich wie die in der US-Patentschrift 38 01 884 beschriebene Taktsteuerung. Das Fehlen des teilbildfrequenten Flimmerns ist der Tatsache zuzuschreiben, daß im CCD-Bildfühler 10 die Länge der Φα i-Gateelektroden gleich der Summe der Längen der Φα j- und Φ_Α rGateelektroden ist Die Darstellung ist vereinfacht, indem in den A- und B-Registern die Anzahl der Reihen (jede Reihe umfaßt drei Elektroden) von z. B. 256 auf 2 und die Anzahl der Spalten von z. B. 500 auf 9 reduziert ist. Die durch gestrichelte Umrißlinien gezeigte Kanalbegrenzungsstruktur 20 definiert die neun Spalten der A- und B-Register. Jede Spalte bildet eine ladungsgekoppelte Schaltung, bestehend aus einer ersten Schieberegisteranordnung im A-Teil 30 und einer nachgeschalteten zweiten Schieberegisteranordnung im B-Teil 40. Jede dieser Spalten 21 bis 29 wird im A-Register 30 durch Gateelektroden 31, 32, 33,34,35 und 36 überkreuzt Der Anschaulichkeit halber sind in F i g. 4 die Gateelektroden nicht einander überlappend dargestellt; in der Praxis ist die Struktur vorzugsweise mit überlappenden Elektroden ausgebildet, wie es die F i g. 5 zeigt.

Gemäß der Erfindung haben die Gateelektroden 31 und 34, an welche die Taktphase Φ_Α ι gelegt wird, jeweils eine »Länge« (d. h. Ausdehnung in Spaltenrichtung), die doppelt so groß ist wie die Länge der Gateelektroden 32 und 35, an welche die Taktphase Φα ι gelegt wird, und wie die Länge der Gateelektroden 33 und 36, an welche die Taktphase Φ_Α 3 gelegt wird.

In der Praxis können die Kanalbegrenzungen, welche

die Spalten 21 bis 29 voneinander trennen, im A-Register 30 breiter sein als im B-Register 40, um bessere Anti-Überstrahlungs-Ableitungen zu bilden. Diese Besonderheit ist jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit in F i g. 4 nicht dargestellt Das B-Register 40 kann z. B_n

so wie daigestellt, mit Dreiphasen-Taktsteuerung betrieben werden und hat sechs Gateelektroden 41,42,43,44, 45 und 46 gleicher Breite, die rechtwinklig zu den Spalten 21 bis 29 verlaufen, um die Reihen m diesem Register zu definieren. Die Gateelektroden 41 und 44 empfangen eine erste Taktphase Φβ ι, die Gateelektroden 42 und 45 empfangen eine zweite Taktphase Φβί, und die Gateelektroden 43 usd 46 empfangen eine dritte Taktphase Φβ3- Ein C-Register 50 wird zur Parallel/Serien-Umsetzung der Daten verwendet und kann z.B, wie dargestellt, durch drei Phasen taktgesteuert sein. Während des Zeilenrücklaufs wird die Taktsteuerung des C-Registers so angehalten, daß das Taktsignal der Φε i-Phase, welches den Gateelektroden an den Enden der Spalten angelegt wird, hohen Pegel hat, um Verarmungsgebiete zu bilden, in weiche die Ladungspakete,' die eine Zeile von Bildpunkten darstellen, voni Ausgang des B-Registers hineingetaktet werden. Die dazwischenliegenden Φογ und ^cj-Gateelektroden sind in

dieser Zeit auf niedrigem Pegel.

Die Dreiphasen-Taktsteuerung des C-Registers setzt während des Zeilenhinlaufs wieder ein, um die Ladungspakete Bildpunkt für Bildpunkt in ein »schwimmendes« Diffusionsgebiet 51 zu geben, das mit der Gateelektrode eines MOS-Fe.'deffekttransistors 52 im Videoausgangsverstärker des> Bildfühlers verbunden ist. Das Diffusionsgebiet 51 wird periodisch auf ein Potential vorbestimmten Werts gebracht, und zwar durch einen an eine Rücksetz-Gateelektrode 53 gelegten Rücksetzimpuls, womit das Diffusionsgebiet 51 durch Feldeffekttransistorwirkung auf eine Draindiffusion 54 geklemmt wird. Vor der Gateelektrode 53 kann eine zusätzliche, an einer Gleichvorspannung liegende Gateelektrode 55 als Puffer liegen, um den Rücksetzimpuls von der Gateelektrode des Feldeffekttransistors 52 fernzuhalten. Diese Ausgangsschaltung des C-Registers ist nur ein Beispiel, es sind auch andere Typen von Ausgangsschaltungen bekannt.

Wenn man die Gateelektroden in einem CCD-Bildfühler breiter als etwa 10 Mikron macht, dann kann es vorkommen, daß eine funkelnde Störung in den vom Videoausgangssignal des Bildfühlers erzeugten Fernsehbildern sichtbar wird. Dies IaBt sich in einfacher Weise dadurch vermeiden, daß man bei Realisierung der Erfindung denjenigen Gateelektroden des A-Registers, welche die Taktphase Φα t empfangen, eine Breite von 10 Mikron oder etwas weniger gibt und daß man die von den Taktphasen Φ_{Λ 2} und Φ_Λ j beaufschlagten Gateelektroden halb so breit macht. Diese Breiten sind groß genug, um mit herkömmlichen photolithographischen Verfahren bei der Herstellung des CCD-Bildfühlers realisiert werden zu können.

Die F i g. 5 zeigt in Schnittansicht eine Gruppe von Gateelektroden des Α-Registers, deren effektive Breiten gemäß der Erfindung proportioniert sind. Der gezeigte Schnitt geht zwischen Kanalbegrenzungen durch den Block des Bildfühlers, und zwar senkrecht zur Richtung der unter den Gateelektroden erfolgenden Ladungsübertragung. Der Aufbau kann im wesentlichen so sein, wie er von C H. Sequin, F. J. Morris, T. A. Shankoff, M. F. Tompsett und E. J. Zimany Jr. in ihrer Arbeit »Charge-Coupled Area Image Sensor Using Three Levels of Polysilicon« beschrieben ist (veröffentlicht in IEEE Transactions On Electron Devices, Band ED-21, No. 11, November 1974, Seiten 712—720). Eine weitere Beschreibung des Aufbaus von CCD-Schaltungen mit dreitägiger Polysiliziumstruktur geben W. J. Bertram, A. M. Mohsen, F. J. Morris, D. A. Sealer, C. H. Sequin und M. F. Thompsett in ihrer Arbeit »A Three-Level Metallization Three-Phase CCD« (erschienen in der nachfolgenden No. 12 des Bandes ED-21 der vorstehend genannten Zeitschrift Dezember 1974. Seiten 758—767). Demgemäß wird in einem CCD-Bildfühler vom Typ mit »verdecktem Kanal« ein p-Ieitendes SiIiziumsubstrat 60 verwendet, das an seiner Vorderfläche (die in F i g. 5 nach oben weisende Fläche) für n-Leitfähigkeit dotiert ist, um einen Halbleiterübergang 61 zu bilden, der die Oberfläche des verdeckten Kanals definiert, längs dessen die Ladungspakete übertragen werden. (Die Anfangsbehandlung des Siliziumsubstrats 60 umfaßt auch die Diffundierung von Source- und Draingebieten und die Implantation von Kanalbegrenzungen; diese Einzelheiten sind jedoch in Fig.5 nicht dargestellt.) ■■- .

Auf der Vorderfläche des Substrats 60 wird durch thermisches Wachstum eine etwa 1500 Angström dicke Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) gebildet, wovon Teile 62 unter langen Φ,\ i-Elektrodcn 63 bleiben. Die erste Lage von Polysiüzium wird auf dieser ersten Gatc-Oxiclschicht niedergeschlagen, zu ihrer Lcitcndmachung und zur Ermöglichung der Kontaktbildung mit Phosphor

s dotiert und dann einer Dampfoxidicrung unterworfen. Die resultierende SiOrSchicht, die etwa 100 Angstrom dick ist, bildet die Ätzmaske bei einer nachfolgenden Photoätzung, um eine erste Gruppe von Gatcelektroden 63 zu bilden. Es ist vorteilhaft, diese langen

ίο Φα i-Elektroden zuerst herzustellen, weil damit das Verhältnis ihrer Länge zur Summe der Längen der kürzeren Φ_Α 7- und Φα j-Elektrodcn eingestellt wird, ohne daU man auf die Perfektion der Deckung der beiden nachfolgenden Photomaskierungen bauen muß. Außerdem wird die Kapazität zwischen der langen Elektrode und den umgebenden Teilen minimal, wenn man diese Rick* trode in der ersten anstatt in der /.weiten oder drillen

Polysiüziumlage anordnet. Anschließend wird durch thermisches Wachstum eine

neue Schicht von Gate-Oxidmaterial gebildet, wovon Teile 64 über den Φα i-Gateelektrodcn und unter Φα2-Gateelektroden bleiben. Auf dieses /weite Gnie-Oxid wird die zweite Lage von Polysiüzium niedergeschlagen, mit Phosphor dotiert und dampfoxidicrl. Die Oxidschicht wird einer Photoätzung unterworfen, um eine zweite Gruppe von Gateelektrodcn 65 in der unterliegenden zweiten Lage dotierten Polysiliziunis zu bilden. Dann wird durch thermisches Wachstum wiederum eine neue Schicht von Gate-Oxidmatcrial aufgebracht, wovon Teile 66 unter Φα 2-Gateelcktrodcn und unter Φα 3-Gateelektroden bleiben. Die dritte Lage von Polysilizium wird niedergeschlagen, mit Phosphor dotiert und dampfoxidiert. Das Oxid und die unterliegende dritte Lage dotierten Polysili/.iums werden phoiogciitzi.

um eine dritte Gruppe von Gateelektrodcn 67 zu definieren. Am Ende wird durch thermisches Wachstum ein Deckoxid aufgebracht.

Das Substrat 60 wird durch Fortätzung seiner ursprünglichen Bodenfläche auf etwa 10 Mikron dünner gemacht. In die neue Bodenfläche wird eine allmählich übergehende Diffusionszone eingebracht, um die Oberflächenrekombination von Ladungsträgern zu unterdrücken. Das nun dünnere Substrat wird auf eine Tragplatte aus Glas (nicht dargestellt) geschichtet. Dann werden an Teilen des CCD-Bildfühlcrs, die in Fig. 5 nicht dargestellt sind, Kontaktfenstcr zu den Polysili/.iumlagen und zum Substrat geöffnet und obere Metallisierungen aufgebracht und geätzt, wodurch eine Anordnung entsteht, die praktisch eine vierte Lage von Metall darstellt

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

";.".-.'.. ..-.■;.■. ; - nen bezieht sich die Erfindung auf Maßnahmen zur Vcr- ^ ~ Patentansprüche: meidbng des teilbildfrequenten Flimmerns bei solchen ' ':'_ , " Einrichtungen. Die hier und im folgenden verwendete

1. Bildaufnahmeeinrichtung, die aus empfangenen Abkürzung CCD steht für »ladungsgekoppcltc Bauele-Bildern von Strahlungsenergie Videosignale in Teil- 5 mente«(engL: Charge Coupled Devices),
bildverschachtelung erzeugt und folgendes aufweist: In der US-Patentschrift 38 01 884 ist in; Verbindung einen mit Teilbildübertragung arbeitenden CCD- mit der dortigen Figur 5. eine Anordnung beschrieben, Bildfühler, der ein Bildregister mit einer ersten, einer die fündie Teilbildverschachtelung in solchen CCD-zweiteh und einer dritten Gruppe von Gateeiektro- Bildaufnahmeeinrichtungen sorgt Hierbei empfangen den enthält, die zyklisch abwechselnd parallel zuein- io das Bildregister (Α-Register) und ein nachgeschaltetes ander und senkrecht zu den Ladungsübertragungs- Teilbild-Speicherregister (B-Register) dreiphasige kanälen des Bildregisters angeordnet sind, und der CCD-Taktsignale während der Teilbiid-Obertragungs- * ferner ein erstes Speicherregister und' mindestens Intervalle, die in den Teilbild-Rücklaufperioden des Viein eine Parallel/Serien-Umsetzung der Daten be- deoausgangssignals des Bildfühlers liegen. Diese Teilwirkendes Ausleseregister enthält dem eine Stufe 15 bild-Oberiragungsintervalle liegen jeweils zwischen zur Umwandlung von Ladungsabfragewerden in ein aufeinanderfolgenden Bildintegrationszeiten während Videosignal nachgeschaltet ist: der Teilbild-Hinlaufzeiten des Videoausgangssignals eine Anordnung zum Abbilden der Strahlungsener- des Bildfühlers. Die Länge La ι derjenigen GateelektrogiebiideraufdasBiidregisier des CCD-Bildfühlers; den (SteuerclcktrodcR) des A-Registers, weiche-die einen signalbehandelnden Verstärker zum Empfang 20 Taktimpulse Φα\ der ersten Taktsignalphase ernpfandes Videosignals von jeder Um Wandlungsstufe, und gen, die Länge L_A2 derjenigen Gateelektroden des A-eine Anordnung zum Liefern von Taktsignalen an Registers, welche die Taktimpulse Φα 2 der zweiten Phaden Verstärker und an das Bildregister, wobei das se empfangen, und die Länge La 3 derjenigen Gateelek-Bildregister femer folgendes enthält: troden des Α-Registers, welche die Taktimpuls«: der

25 dritten Phase empfüagen, sind in der CCD-Bildaufnah-

a) eine Anordnung zur Lieferung der ersten, der meeinrichtung nach Fig.5 der erwähnten US-Paicntzweiten und der dritten Phase dreiphasiger schrift alle gleich.

Taktsignale an die erste bzw. die zweite bzw. die Während der Bildintegrationszeiten der Teilbilder dritte Gruppe von Gateelektroden im Bildregi- ungerader Ordnungszahl, d. h. während der Hinlaufzcister des CCD-Bildfühlers während Teilbild- 30 ten der Teilbilder gerader Ordnungszahl, wird die drei-Übertragungszeiten, die zwischen aufeinander- phasige Taktsteuerung des Bildregisters angehalten, so folgenden Biidintegra'JonsT^iten liegen, die ent- daß sich Verarmungsgebiete nahe denjenigen Gatccleksprechend ihrer Reihenfolge beginnend bei ei- troden bilden, welche die erste Taklimpulsphasc Φ λ ι ner beliebig gewählten Bezugs-Bildintegra- " empfangen. In diesen Verarmungsgcbietcn werden tionszeit mit fortlaufenden Zahlen numeriert 35 durch Photoumwandlung erzeugte Ladungsträger geseien; sammelt, um die Ladungspakete zu bilden, welche die

b) eine Anordnung zum Anhalten der Dreiphasen- Abfragewerte des Bildes darstelle;-¹? und während des Taktsteuerung während jeder geradzahlig nu- nächstfolgenden Teilbild-Hinlaufintcrvalls an das Tcilmerierten Bildintegrationszeit derart, daß La- bild-Speicherregister (B-Register) zu übertragen sind, dungsintegration nur nahe den Gateelektroden 40 um dann während des nächsten Tcilbüd-Hinlaufinlcrder ersten Gruppe stattfindet, und zum Anhal- valls Zeile für Zeile über ein Auslescregister (C-Regiten der Dreiphasen-Taktsteuerung während je- ster) hinausgeschleust zu werden.

der ungeradzahlig numerierten Bildintegra- Während der Bildintegrationszeiten der Teilbilder getionszeit derart, daß Ladungsintegration nur rader Ordnungszahl (»gerade« Teilbilder) wird die dreiunter den Gateelektroden der zweiten und drit- 45 phasige Taktsteuerung so angehalten, daß Verarmungsten Gruppe stattfindet, gebiete nahe denjenigen Gatcelcktrodcn gebildet werden, welche die zweite Taktimpulsphase Φα ι und die

dadurch gekennzeichnet, daß zur wesent- dritte Taktimpulsphase Φ_Λ 3 empfangen, und in diesen liehen Reduzierung teilbildfrequenten Flimmerns Verarmungsgebieten werden Ladungsträger durch die Länge (La i) jeder der zur ersten Gruppe gehö- 50 Photoumwandlung des Bildes gesammelt. Die resultierenden Gateelektroden (31;34)des Bildregisters (30) renden, Abfragewerte des Bildes darstellenden Laim wesentlichen gleich ist der Summe der Längen dungspakete werden während des nachfolgenden Teil- (La 2 + La 3), welche die zur zweiten und zur dritten bild-Rücklaufs zum Teilbild-Speicherregister übertra-Gruppe gehörenden Gateelektroden (32,33; 35,36) gen und dann während des anschließenden Teilbild-ITmjeweils haben. 55 laufintervalls aus diesem Register Zeile für Zeile über

2. Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 1, da- das Ausleseregister hinausgeschlcusi, welches eine P.idurch gekennzeichnet daß die Länge der zur zwei- rallel/Serien-Umsetzung durchführt.

ten Gruppe gehörenden Gateelektroden (32,35) im Eine CCD-Bildaufnahmeeinrichtung des in Fig. 5 der

wesentlichen gleich der Länge der zur dritten Grup- oben erwähnten US-Patentschrift dargestellten Typs

pe gehörenden Gateelektroden (33,36) ist. 60 bringt ein unerwünschtes teilbildfrcqucntes Flimmern.

In einem Aufsatz von C. H. Sequin »Interlacing in t'har-

gc Couplcd Imaging Devices«, erschienen in IKIiK

Transactions on Electron Devices. Band KD-20. No. b, Juni 197J (Seiten 5J5—541). isi eine Methode beschric·

Die Erfindung betrifft CCD-Bililaufnahnieeinrichtun- b5 bcn. wie man die dreiphasige Steuerung der Λ- und

gen, in denen das gefühlte Bild in Form verschachtelter B-Register einer CCD-Bildaufmihmecinrichuing ilurch-

Tcilbildcr weitergegeben wird und die mil einem drei- führen kann, ohne daß es 7.11 dem ι c i 1 bi Id Γι cq nc π ι c η

phasig taktgesteuerten Bildregister arbeiten. Im einzel- Flimmern kommt. Bei dieser Methode crfolgi wahrem!