DE3710986C2

DE3710986C2 -

Info

Publication number: DE3710986C2
Application number: DE3710986A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. 8726 Gochsheim De Dietrich
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1987-04-01
Filing date: 1987-04-01
Publication date: 1991-02-21
Also published as: FR2613567B1; DE3710986A1; US4847489A; JPH0636599B2; FR2613567A1; JPS63252073A

Description

Die Erfindung betrifft eine lichtempfindliche Detektorvorrichtung mit einer Vielzahl von Fotodetektorelementen, an die Steuerspannungen anlegbar sind, um die spektrale Lichtempfindlichkeit zu steuern, sowie mit einem vorgeschalteten optischen Filter.

Bekannte Bildaufnahmesysteme mit Farb- und Schwarz-Weiß-Fotosensoren weisen Vidiconröhren oder aber Silizium-CCD-Gruppierungen auf, wobei bei letzteren in der Regel in Zeilen und Spalten angeordnete Fotoelemente vorgesehen sind, deren Signalinhalte an ladungsgekoppelte Vorrichtungen weitergeleitet wird.

Bekannte Schwarz-Weiß-Bildsensoren weisen den Nachteil auf, daß ihre spektrale Empfindlichkeit durch das verwendete Detektormaterial vorgegeben ist. Eine Veränderung der spektralen Empfindlichkeit ist in der Regel nur durch Vorschalten von optischen Filtern möglich. Soll nun die spektrale Empfindlichkeit eines elektronischen Bildaufnahmesystems schnell geändert werden, dann ist in der Regel ein schneller Filterwechsel notwendig. Hierfür sind mechanische Teile erforderlich, welche die nicht benötigten Filter wegschwenken und die benötigten Filter vor die lichtempfindliche Wandlervorrichtung schwenken. Solche mechanischen Teile sind hinsichtlich Aufwand und Ansprechverhalten nachteilig. Auch sind Mehrfach-Bildsensorsysteme bekannt, die jeweils aus einer Vielzahl von fotoempfindlichen Detektorelementen bestehen. Jede Gruppierung solcher lichtempfindlicher Detektorelemente weist eine vorgegebene Spektralcharakteristik auf. Soll die Spektralcharakteristik geändert werden, so ist die eine Gruppierung der fotoempfindlichen Detektorelemente zu ersetzen durch eine zweite Gruppierung mit einer entsprechend anderen Spektralcharakteristik. Auch ist es denkbar, daß unterschiedliche spektrale Filter verwendet werden, um unterschiedliche Spektralcharakteristiken zu erzeugen. Solche Systeme, die sowohl in Halbleitertechnik als auch in Röhrentechnik verwirklicht werden, sind aufgrund der hohen Kosten und des hohen Aufwandes nachteilig.

Auch sind lichtempfindliche Detektorvorrichtungen bekannt, bei denen ein einziger Bildsensor verwendet wird, dem ein Farbstreifenfilter mit zum Beispiel einer Rot-Empfindlichkeit, Blau-Empfindlichkeit und Grün-Empfindlichkeit vorgeschaltet ist. Die einzelnen Filterbereiche wechseln einander ab und weisen jeweils die Größe eines fotoempfindlichen Detektorelementes (Pixels) auf. Hierbei unterscheidet man Farbstreifen-Bildaufnahmeröhren (Farbstreifen-Vidicon) und Farbstreifen-CCD-Gruppierungen (CCD-Arrays). Bei solchen Farbstreifen-CCD-Gruppierungen entspricht jedem CCD-fotoempfindlichen Pixel ein Farbfilter, welches vorzugsweise auf das CCD-Pixel aufgebracht ist.

Solche Halbleiter-CCD-Gruppierungen mit vorgeschalteten Filtern weisen den Nachteil auf, daß pro Bildpunkt (Pixel) auf dem Halbleiterchip ein sehr dünnes Farbfilter, dessen Dicke ca. 10 µm ist, mit dem erforderlichen Absorptionskoeffizienten bzw. Spektralverhalten aufgebracht werden muß. Eine solche Farbfiltertechnik erfordert eine temperaturbeständige und alterungsbeständige Aufbringung dieser Filterstreifen auf die CCD-Gruppierung. Hierbei besteht die Gefahr, daß Fehler und Schwankungen auftreten können hinsichtlich der Temperatur und Langzeitstabilität dieser Filterschichten. Auch können Probleme hinsichtlich der höchsten Absorption und der Transmission in bezug auf die sehr dünnen Farbfilterschichten entstehen.

Eine lichtempfindliche Detektorvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus IEEE Electron Device Letters, Vol. EDL-8, 1987, Seiten 13 bis 15, bekannt. Demnach kann eine derartige Detektorvorrichtung aus einer Vielzahl von Photodetektorelementen aufgebaut werden, welche durch jeweils mit einer Gegenspannung beaufschlagte Photodioden auf Siliziumbasis gebildet werden. Dabei wird von der Wellenlängenabhängigkeit der Eindringtiefe optischer Strahlung in Silizium Gebrauch gemacht. Sämtliche Photodetektorelemente werden zu gleicher Zeit jeweils mit derselben Gegenspannung beaufschlagt. Nacheinander werden unterschiedliche Spannungswerte vorgegeben, und es wird ein Zeitmultiplex-Ausleseverfahren angewendet. Die dort genannten drei Farben können also nicht gleichzeitig unterschieden werden, und um eine vollständige Farbinformation zu erhalten, sind drei nacheinander ablaufende Integrationsperioden erforderlich. Über die weitere Signalverarbeitung, und insbesondere darüber, wie die unterschiedlichen Farbinformationen gewonnen werden, ist nichts ausgesagt. Es soll lediglich vor die Anordnung ein optisches Filter gesetzt werden, welches den infraroten Strahlungsanteil blockiert, um die hohe Empfindlichkeit im roten und infraroten Spektralbereich herabzuset zen.

Diese bekannte Detektorvorrichtung weist folglich den Nachteil auf, daß eine Zeitmultiplexanordnung erforderlich ist, was einen gewissen apparativen Aufwand bedeutet, und daß um so mehr Integrationsperioden abgewartet werden müsse, bevor die vollständige Farbinformation vorliegt, je mehr Farbabstufungen gewünscht sind und demzufolge Gegen- bzw. Steuer spannungen nacheinander durchgeschaltet werden müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine lichtempfindliche Detektorvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die es ermöglicht, die gewünschte vollständige Farbinformation mit größtmöglicher Schnelligkeit bei möglichst geringem apparativem Aufwand zu gewin nen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Demnach werden Photodetektorgruppen gebildet, deren einzelne Photodetek torelemente gleichzeitig mit unterschiedlichen Steuerspannungen beaufschlagt werden, um so unterschiedliche Spektralcharakteristiken zu erzeugen. Weiterhin ist ein optisches Filter vorgesehen, welches der Detektorvorrichtung vorgeschaltet ist, und welches im Gegensatz zu der oben beschriebenen, bekannten Detektorvorrichtung nicht den langwelligen, sondern den kurzwelligen Spektralbereich abschneidet. Dadurch wird die unterschiedliche Empfindlichkeit am langwelligen Ende der Spektral charakteristik bei Anwendung unterschiedlicher Steuerspannungen voll abgenutzt. Ferner ist dies wesentlich für die anschließende Differenz bildung in den nachgeschalteten Differenzverstärkern.

Durch die Verwendung von fotoempfindlichen Halbleitern mit einer Übergitterstruktur werden bei entsprechender Steuerung der einzelnen Fotodetektorelemente nach einer Differenzbildung von benachbarten überlappenden Spektralsignalverläufen gewünschte selektive Spektralbereiche geschaffen.

Übrigens können durch Einstellung sämtlicher Steuerspannungen auf einen vorgegebenen Wert homogene Farbeindrücke mit entsprechend erhöhter Empfindlichkeit geschaffen werden. Durch Wahl dieser Steuerspannung ist es ohne weiteres möglich, eine sonst für eine Farbbildverarbeitung verwendete lichtempfindliche Detektorvorrichtung umzufunktionieren in eine höher empfindliche Schwarz-Weiß-Detektorvorrichtung.

In vorteilhafter Weise sind ein- oder zweidimensionale Gruppierungen von fotoempfindlichen Detektorelementen vorgesehen, die jeweils in Untergruppen unterteilt sind. Die spektrale Charakteristik bzw. Empfindlichkeit ist bei sämtlichen fotoempfindlichen Detektorelementen gleich. Dies erleichtert und vereinfacht die Fertigung. Die spektrale Charakteristik wird lediglich durch die Wahl der Steuerspannung verändert.

Die Steuerspannungen für die Fotodetektorelemente jeder Fotodetektorgruppe können so gewählt und deren Signalausgangsspannungen in den Differenzverstärkern und in Verarbeitungsstufen derart beeinflußt werden, daß die Spektralsignalverläufe jeweils auseinandergrenzen.

In vorteilhafter Weise wird das Ausgangssignal des Fotodetektorelementes mit dem Spektralsignalverlauf, dessen maximale Grenzwellenlänge der Filterkantenwellenlänge am nächsten liegt, ohne Differenzbildung ausgewertet.

Die lichtempfindliche Detektorvorrichtung läßt sich mit Mikrocomputer koppeln, der im Zuge des Steuerprogramms die einzelnen Signalwerte der Bildaufnahmeelemente in einen Schreib- und Lesespeicher überführt.

Die Ansteuerschaltung für die Fotodetektorgruppen enthielt zweckmäßigerweise einen Multiplexer, durch den sämtliche Fotodetektorelemente der Gruppierung nacheinander durch jede der einzelnen Steuerspannungen ansteuerbar sind, wobei die lichtabhängigen Ausgangssignale in den Schreib- und Lesespeicher einspeicherbar sind, dem die einzelnen Differenzverstärker nachgeordnet sind.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer fotoempfindlichen Detektoreinrichtung, die aus in Zeilen und Spalten bestehenden Bildaufnahmeelementen besteht,

Fig. 1a eine fotoempfindliche Detektorzeile,

Fig. 2 eine multiplexerartige Ansteuerschaltung für die lichtempfindliche Detektorvorrichtung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der lichtempfindlichen Detektorvorrichtung mit angeschlossenen Teilen,

Fig. 4 eine schematische Schaltungsanordnung der lichtempfindlichen Detektorvorrichtung,

Fig. 5 die spektrale Kennlinie eines lichtempfindlichen Detektors sowie die Charakteristik eines vorgeschalteten Filters,

Fig. 6 die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik von drei unterschiedlich angesteuerten fotoempfindlichen Detektorelementen und

Fig. 7 der spektrale Empfindlichkeitsverlauf von drei Spektralbereichen nach entsprechender Auswertung.

Gemäß Fig. 1 ist mit 1 eine lichtempfindliche Detektorvorrichtung bezeichnet, die eine Vielzahl von fotoempfindlichen Detektorelementen E111, E112, E113, . . . E1m1, E1m2, E1m3, . . . Em11, Em12, Em13; Em21, Em22, Em23 . . . und Emm1, Emm2, Emm3 aufweist. Je drei benachbarte fotoempfindliche Detektorelemente (Pixel) sind wie aus Fig. 1a ersichtlich ist, einer Fotodetektorgruppe zugeordnet. So sind z. B. die Pixel E111, E112 und E113 der Fotodetektorgruppe E11 zugeordnet. Entsprechendes gilt für die weiteren benachbarten Pixelelemente.

In Fig. 1 sind die einzelnen fotoempfindlichen Detektorelemente oder Pixel in Zeilen und Spalten angeordnet. Sie sind Bestandteil einer fotoempfindlichen CCD-Gruppierung oder Anordnung. Mit 2 ist eine Ansteuerschaltung bezeichnet, die mit Spannungsgebern 3, 4 und 5 eingangsseitig verbunden ist. Der Spannungsgeber 3 liefert die Steuerspannung U1, während die Spannungsgeber 4 und 5 jeweils die Steuerspannung U2 und U3 abgeben. Ein erster Ausgang der Ansteuerschaltung 2 ist mit der jeweils ersten Pixelspalte jeder Fotodetektorgruppe verbunden. Der zweite Ausgang der Ansteuerschaltung 2 ist jeweils mit der zweiten Spalte der Pixelelemente jeder Fotodetektorgruppe verbunden, während der dritte Ausgang der Ansteuerschaltung 2 an die jeweils dritte Spalte der Pixelelemente jeder Fotodetektorgruppe angeschlossen ist.

Die Pixelemente der letzten Fotodetektorgruppe E1m der ersten Zeile sind mit E1m1, E1m2 und E1m2 bezeichnet. Die Pixelelemente der ersten Fotodetektorgruppe der letzten Zeile sind mit Em11, Em12, Em13 bezeichnet, während die Pixelelemente der letzten Fotodetektorgruppe der letzten Zeile die Bezugszeichen Emm1, Emm2 und Emm3 aufweisen.

Die Ansteuerschaltung 2 ist derart ausgestaltet, daß sie die entsprechenden Pixelelemente mit der gewünschten Steuerspannung versorgt, um einen relativen spektralen Empfindlichkeitsverlauf zu erzeugen, wie er beispielsweise in Fig. 6 gezeigt ist.

Es ist aber auch denkbar, eine Ansteuerschaltung 6 gemäß Fig. 2 zeitmultiplexerartig auszubilden derart, daß in einer ersten Phase die Steuerspannung U1 an sämtliche Pixelelemente angelegt wird, daß in einer zweiten Phase anstelle dieser ersten Steuerspannung U1 eine zweite Steuerspannung U2 angelegt wird, und daß nachfolgend in einer dritten Phase die Steuerspannung U3 wirksam geschaltet wird.

Dies bedeutet, daß nacheinander für sämtliche Pixelelemente jeweils gleiches spektrales Empfindlichkeitsverhalten vorliegt mit dem Vorteil, daß die Auflösung entsprechend vergrößert ist.

Gemäß Fig. 3 in der die den Teilen von Fig. 1 entsprechenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, ist die lichtempfindliche Detektoreinrichtung 1 mit einer elektronischen Auswerteschaltung 7 verbunden, an die wiederum ein Monitor 8 angeschlossen ist. Der lichtempfindliche Detektorvorrichtung 1 ist ein Filter 9 vorgeschaltet, das eine vorgegebene Filterkante aufweist, wie dies insbesondere aus den Fig. 5 und 6 ersichtlich ist. Eine vorgeschaltete Optik ist mit 10 bezeichnet.

In Fig. 4 sind die den Teilen von Fig. 1 entsprechenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die fotoempfindliche Detektoreinrichtung 1 enthält die Fotodetektorgruppen E11 . . ., E1m . . ., Em1 . . ., Emm. Diese sind so aufgebaut und angeordnet, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist. Die Steuerspannungen U12, U12 und U13 sind jeweils den einzelnen Fotodetektorgruppen der Spalten zugeführt.

Mit 11 ist eine Adressensteuerschaltung für die einzelnen Zeilen, mit 12 eine Adressensteuerschaltung für die einzelnen Spalten der Fotodetektorgruppen bezeichnet. Die Adressensteuersignale werden von einer Ausgabestufe 13 eines Mikrocomputers 14 erhalten, der einen Mikroprozessor 15, einen Schreib- und Lesespeicher 16, einen Programm-Festwertspeicher 17 und eine Eingabestufe 18 aufweist. Die Ausgabestufe 13 ist darüber hinaus mit einem Monitor 19 verbunden. Die Adressensteuersignale für die Spalten und Zeilen der lichtempfindlichen Detektoreinrichtung werden außerdem den Adressensteuerschaltungen 20 und 21 für einen Schreib- und Lesehalbleiterspeicher 22 geliefert. Dieser Schreib- und Lesespeicher 22 weist Spalten und Zeilen auf, die denen der lichtempfindlichen Detektoreinrichtung entsprechen.

Die lichtempfindliche Detektoreinrichtung 1 mit ihren fotoempfindlichen Gruppen ist Bestandteil einer CCD-Anordnung.

Die Adressensteuerschaltung 12 für die Spalten enthält eine Ausgabeschaltung, über die über drei Ausgangsleitungen eine Steuerverbindung zu einem Analog-Digitalwandler 23 besteht. Von diesem Analog-Digitalwandler 23 führen 3 Signalverbindungen zu einer Verstärker- und Auswerteschaltung 24, in der die digitalen Bildsignale aufbereitet werden. Die Verstärker- und Auswerteschaltung 24 wird außerdem durch drei Steuersignale angesteuert, die von einem Analog-Digitalwandler 25 erhalten werden, dessen Eingänge mit den Steuerspannungen U1, U2, U3 verbunden sind.

Entsprechend der Zahl der Pixel pro fotoempfindlicher Gruppe, nämlich drei, sind am Ausgang der Verstärkerschaltung 24 drei Spektralkanäle vorhanden. Der erste Spektralkanal 27 führt direkt zur Dateneingangsstufe der Adressensteuerschaltung 21. Der zweite Spektralkanal 28 führt zu einem ersten Eingang eines Differenzverstärkers 29, dessen zweiter Eingang mit dem ersten Kanal 27 verbunden ist. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers 29 führt zum zweiten Dateneingang der Datenempfangsstufe der Adressensteuerschaltung 21.

Der dritte Spektralkanal 29 ist mit dem ersten Eingang eines weiteren Differenzverstärkers 30 verbunden, dessen zweiter Eingang an den zweiten Spektralkanal angeschlossen ist. Der Ausgang dieses Operationsverstärker 30 führt zum dritten Dateneingang der Datenempfangsstufe der Adressensteuerschaltung 21.

Die Adressensteuerschaltung 21 weist darüber hinaus eine Datenausgabestufe auf, die über drei Datenleitungen mit der Eingabestufe 18 des Mikrocomputers 14 verbunden ist.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß das der fotoempfindlichen Detektoreinrichtung 1 vorgeschaltete Filter 9 eine Filterkante aufweist, die einer Kantenwellenlänge λ_F zugeordnet ist. Der Durchlaßbereich bzw. die Transmission des vorgeschalteten Filters 9 unterteilt die relative spektrale Empfindlichkeitskurve S jedes fotoempfindlichen Detektors der fotoempfindlichen Detektorvorrichtung 1 in einen oberen und unteren Spektralbereich. Im vorliegenden Fall liegt der wirksame Spektralbereich jedes fotoempfindlichen Detektors zwischen der Filterkante λ_F und dem oberen oder maximalen Wellenlängenwert λ_O. Der untere Spektralbereich wird ausgefiltert.

In Fig. 6 sind nun unterschiedliche spektrale Empfindlichkeitscharakteristiken S_u1, S_u2, S_u3 gezeigt. Diese unterschiedlichen spektralen Charakteristiken weisen jeweils maximale Wellenlängen λ_o1, λ_o2 und λ_o3 auf. Der spektrale Nutzungsbereich befindet sich zwischen λ_F und λ_o1.

Die Signale der einzelnen fotoempfindlichen Detektoren werden über die Verstärkerschalter 24 den Differenzverstärker 29 und 30 zugeführt. Die in Fig. 6 gezeigten Charakteristiken liegen am Ausgang der Verstärkerschaltung 24 in digitaler Form vor.

Am Eingang der Eingabestufe der Adressensteuerschaltung 21 erhält man in digitaler Form spektrale Charakteristiken, wie sie in Fig. 7 gezeigt sind. Durch eine weitere Signalaufbereitung lassen sich die einzelnen selektierten Spektralcharakteristiken noch deutlicher voneinander unterscheiden. Somit erhält man durch Wahl der Steuerspannungen U1, U2 und U3 sowie durch Wahl der Filterkante λ_F des Vorschaltfilters gewünschte spektrale Empfindlichkeitsverläufe, die für die Farbbildaufbereitung nicht nur geeignet, sondern auch besonders vorteilhaft sind. Die wesentlichen Vorteile dieser lichtempfindlichen Detektoreinrichtung liegen darin, daß ohne die Verwendung von vorschaltbaren Filterstreifen die spektrale Empfindlichkeit, die Anzahl der Spektralkanäle, die Lage der Spektralkanäle und die Auflösung der lichtempfindlichen Detektoreinrichtung einstellbar sind. So ist es denkbar, daß die Reihenfolge der Ansteuerung der einzelnen Fotodetektorelemente durch geeignete Wahl der Steuerspannung geändert werden kann. Auf diese Weise kann die Farbfolge in jeder Fotodetektorgruppe entsprechend geändert werden.

Claims

1. Lichtempfindliche Detektorvorrichtung mit einer Vielzahl von Fotodetektorelementen, an die Steuerspannung anlegbar sind, um die spektrale Lichtempfindlichkeit zu steuern, sowie mit einem vorgeschalteten optischen Filter, dadurch gekennzeichnet,
daß als Fotodetektorelemente solche mit einer Übergitterstruktur verwendet werden, welche jeweils einen mehrschichtigen Aufbau aus abwechselnd positiv und negativ dotiertem fotoempfindlichem Halbleitermaterial und senkrecht zu den Halbleiterschichten angeordnete, stirnseitig an diese angrenzende Steuerelektroden aufweisen,
daß eine Gruppierung von jeweils eine vorgegebene Anzahl (z. B. drei) von einander unmittelbar benachbarten Fotodetektorelementen (E₁₁₁, E₁₁₂, E₁₁₃ . . . bzw. E_mm1, E_mm2, E_mm3) aufweisenden Fotodetektorgruppen (E₁₁ bis E_mm) vorgesehen ist,
daß die Steuerelektroden der Fotodetektorelemente jeder Fotodetektor gruppe über einstellbare Spannungsgeber jeweils gleichzeitig mit unter schiedlichen, abgestuften Steuerspannungen (U₁, U₂, U₃) beaufschlagbar sind, durch welche jeweils die obere Grenzwellenlänge (λ_o) der Fotodetektorelemente unterschiedlich und untereinander abgestuft einstellbar ist,
daß ein optisches Filter (9) mit Hochpaßverhalten verwendet wird, dessen Filterkante (λ_F) im Spektralbereich der einzelnen Fotodetektorelemente einen wirksamen, oberen Spektralbereich (λ_F<λ<λ_o3, λ_F<λ<λ_o2, λ_F<λ<λ_o1) abgrenzt,
und daß die Ausgangssignale der Fotodetektorelemente jeder Fotodetektor gruppe Differenzverstärkern (29, 30) zuführbar sind, wobei deren beide Eingänge jeweils durch die Ausgangssignale zweier benachbarter Fotode tektorelemente ansteuerbar sind.

2. Lichtempfindliche Detektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal desjenigen Fotodetektorelementes, dessen Grenzwellenlänge (λ_o) der Filterkantenwellenlänge (λ_F) am nächsten liegt, ohne Differenzbildung ausgewertet wird.