DE19726081A1 - Ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) - Google Patents
Ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD)Info
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine ladungsgekoppelte Einrichtung
(Charge-Coupled Device), im folgenden kurz CCD genannt, und insbesondere
ein CCD, das die Auflösung verbessert.
Im allgemeinen kann ein CCD weitgehend eingeteilt werden in ein Lichtemp
fangsteil zum Empfangen von Licht, ein Übertragungskanalteil zum Übertra
gen von Ladungen und einen Ladungsdetektor zum Feststellen des Signalla
dungsbetrages und zum Umwandeln des selben in eine zu erfolgende Span
nung.
Da Systeme, die ein CCD benutzen, in jüngster Zeit leichter werden und eine
hohe Auflösung aufweisen, wird die Anzahl der Pixel erhöht, während die
Größe eines Chips verringert wird. Somit nimmt die Fläche des Lichtemp
fangsteils, das Licht empfangen kann, absolut ab, wodurch der Signalbetrag
vermindert wird und Eigenschaften, wie ein dynamischer Bereich gestört
werden. Um die Auflösung zu verbessern und eine hohe Empfindlichkeit bei
zubehalten, ist eine Verminderung des Rauschpegels erforderlich. Da die Be
ziehung zwischen der Empfindlichkeit und Auflösung im Hinblick auf die
Struktur einer Vorrichtung jedoch ein Kompromiß ist, ist es schwierig, die
beiden Punkte gleichzeitig zu verbessern.
Insbesondere wird, wenn eine Abbildung durchgeführt wird, die Verringerung
der Schärfe in folge der Differenz der partiellen Bildhelligkeit durch den be
grenzten Dynamikbereich bewirkt, so daß dies ein wichtiger Störfaktor für
die Eigenschaften der Vorrichtung ist.
Von Matushita Co., Japan wurde jüngst ein Verfahren vorgeschlagen, wobei
der Aufbau eines Bildschirmbildes (screen) so gemacht wird, daß ein Lang-Belichtungssignal
(LE-Signal) und ein Kurz-Belichtungssignal (SE-Signal)
abwechselnd erscheint, um dadurch den Dynamikbereich des CCD zu vergrö
ßern. Entsprechend dem obigen Verfahren sollte jedoch das Verfahren zum
Übertragen der Bildladung geändert werden. Ferner kann das Problem der
Verschlechterung der Empfindlichkeit der Vorrichtung nicht gelöst werden.
Im folgenden wird mit Bezug auf die Zeichnung ein allgemeines CCD be
schrieben. Fig. 1 zeigt den Aufbau des allgemeinen CCDs.
Im allgemeinen umfaßt das ladungsgekoppelte Bauteil eine Vielzahl von
Photodioden 1, die matrixartig angeordnet sind und ein Bildsignal bezogen
auf Licht in ein elektrisches Signal umwandeln, vertikalen Ladungsübertra
gungsbereichen 2, die die in dem Photodiodenbereich 1 umgewandelte und
erzeugte Bildladung in vertikaler Richtung übertragen, einem horizontalen
Ladungsübertragungsbereich 3, der die durch den vertikalen Ladungsübertra
gungsbereich 2 in der vertikalen Richtung übertragene Bildladung in einer
horizontalen Richtung überträgt, und einen Fühler- oder Leseverstärker 4, der
die in der horizontalen Richtung übertragene Bildladung erfaßt und einem
peripheren Schaltkreis verstärkt zuführt.
In dem wie oben beschrieben aufgebauten CCD werden die in den entspre
chenden Photodioden 1 umgewandelten und erzeugten Bildladungen durch
einen Impuls, der periodisch an ein Übertragungsgate (nicht gezeigt) angelegt
wird, in einem gewissen Moment zu dem vertikalen Ladungsübertragungsbe
reich 2 bewegt. Dann werden die zu dem vertikalen Ladungsübertragungsbe
reich 2 und dem horizontalen Ladungsübertragungsbereich 3 verschobenen
Bildladungen zu dem Ausgangsanschluß der Vorrichtung übertragen, entspre
chend der durch ein wiederholt angelegtes Taktsignal bewirkten Veränderung
der Potentialwanne.
Im Fall, daß ein Kamerasystem unter Benutzung des vorstehend erwähnten
CCDs aufgebaut ist, sollte eine Irisblende durch Feststellen der mittleren
Beleuchtung eines Bildes, das durch eine Linse auf dem CCD abgebildet
wird, so eingestellt werden, daß die mittlere Beleuchtungsstärke des obigen
Bildes an den Dynamikbereich des CCDs angepaßt ist. Im Fall, daß der Si
gnalpegel ein spezifischer Wert und weniger ist, sollte dabei der Gewinn oder
die Verstärkung durch einen automatischen Gewinn- oder Verstärkungsregler
geeignet eingestellt werden.
Das vorerwähnte herkömmliche CCD hat jedoch folgende Nachteile. Im all
gemeinen ist der Dynamikbereich des CCDs nicht mehr als 1/10 der Hellig
keit, die bei einem Gegenstand der natürlichen Welt vorkommt. Entsprechend
ist es nicht möglich, durch Benutzung des CCDs den Gegenstand mit der obi
gen Helligkeit abzubilden. Und zwar weil, selbst wenn die Iris eingestellt
wird, eine Abbildung nur in dem Fall möglich, daß das Bildschirmbild insge
samt hell oder dunkel ist. Ferner ist es nicht möglich, einen Gegenstand ab
zubilden, in dem helle Teile und dunkle Teile teilweise zusammen vorhanden
sind, da eine Verminderung der Schärfe oder Definition im dunklen Teil auf
tritt.
Um die vorstehend beschriebenen Probleme eines herkömmlichen ladungsge
koppelten Bauelements zu lösen, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfin
dung, ein CCD oder ladungsgekoppeltes Bauelement zu schaffen, in dem ein
Dynamikbereich erweitert ist, um die durch die Helligkeit und die Dunkelheit
eines Objektes bewirkte Verschlechterung eines Bildschirmbildes bei der
Abbildung zu verhindern und die Auflösung einer Vorrichtung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein CCD nach Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher
erläutert. In dieser zeigt:
Fig. 1 den Aufbau eines allgemeinen CCDs,
Fig. 2 den Gehäuseaufbau (PKG) eines CCDs und
Fig. 3 den Aufbau eines erfindungsgemäßen CCDs.
Entsprechend dem CCD nach der Erfindung ist über einem Lichtempfangsglas
21, das auf der Packung oder dem Gehäuse eines CCDs 20 mit einer Vielzahl
von Photodioden, die matrixförmig angeordnet sind und ein Bildsignal in Be
zug auf Licht in ein elektrisches Licht umwandeln, einem vertikalen La
dungsübertragungsbereich, der im Photodiodenbereich umgewandelte und er
zeugte Bildladungen in einer vertikalen Richtung überträgt, und mit einem
horizontalen Ladungsübertragungsbereich, der die durch den vertikalen
Übertragungsbereich in vertikaler Richtung übertragenen Ladungen in hori
zontaler Richtung überträgt, ausgebildet ist, ist eine photochrome Schicht 22
ausgebildet, in der ein Einfärbungs- und Entfärbungsphänomen infolge der
Lichtintensität auftritt, um dadurch die Lichtdurchlässigkeit zu verändern.
Die photochrome Schicht 22 enthält hierbei entweder ein Material, das durch
Hinzufügen feiner halogenisierter Silberkristalle zu einem anorganischen
Glas, oder ein Material, das durch Hinzufügen von Silberchlorid- (AgCl) und
Kupferchlorid- (CuCl) Kristallen in ein anorganisches Glas gebildet. Um die
photochrome Schicht 22 zu bilden, werden also entweder die halogenisierten
Silberkristalle oder AgCl- und CuCl-Kristalle zum Glas hinzugefügt, während
es in geschmolzenem Zustand ist. Das Glas besteht aus einer komplexen Sili
katmatrix, die üblicher Weise für sichtbares Licht transparent ist.
Der CCD-Verkapselungsprozeß zum Bilden des ladungsgekoppelten Bauele
ments, dessen Dynamikbereich wie oben beschrieben erweitert ist, wird nun
beschrieben.
CCD-Packung oder CCD-Gehäuse bedeutet einen Zustand, in dem ladungsge
koppelte Bauelement so vorliegt ist, das ein Endbenutzer es einfach benutzen
kann.
Im allgemeinen kann die Verkapselung einer integrierten Schaltung (IC) ent
sprechend der Qualität des Materials in einen Plastiktyp und einen Keramik
typ eingeteilt werden. Zusätzlich kann sie weiter unterteilt werden bezüglich
der Formen. Die Packung, die gegenwärtig für das CCD angewendet wird, ist
eine seitlich hart gelötete oder verschweißte Form vom Keramiktyp mit einem
dicht aufgesetztem Glasdeckel.
Der Verkapselungsprozeß der CCD wird durchgeführt in der folgenden Rei
henfolge: Prüfen, ob die Verkapselung eines gelieferten Wafers (fab-out wa
fers) geeignet ist oder nicht - Prüfen, ob die Verbindung des Wafers und die
Abtrennung eines Chips geeignet sind oder nicht (Untersuchen des UV-Band-Eintrags
(UV tape import)) - Montieren des Wafers - Aussägen des Chips -
Befestigen des ab getrennten Chips auf einem Keramiksubstrat - Aufstrahlen
von UV-Strahlung und Aushärten eines Epoxy-Materials - Bonddrähte an
bringen - Abdichten - Zuschneiden einer Leitung - Markieren der Rückseite
und aushärten.
Entsprechend dem ladungsgekoppelten Bauelement der vorliegenden Erfin
dung wird beim Abdichtprozeß des CCD-Verkapselungsprozesses, der in der
oben beschriebenen Weise ausgeführt wird, eine photochrome Schicht 22 auf
der Glasoberfläche des lichtempfangenden Teils ausgebildet.
Fig. 2 zeigt den Aufbau des CCD-Gehäuses.
Das CCD-Gehäuse bzw. die CCD-Packung umfaßt ein CCD 20, das auf einer
Keramikbasis 25 liegt, einen Keramik-Rahmen 24, der auf einem Teil ausge
nommen dem aktiven Bereich des CCDs 20 ausgebildet ist, einem Leiterrah
men zwischen dem Keramikrahmen 24 und der Keramikbasis 25, der mit dem
CCD 20 verbunden ist, und ein lichtempfangendes Glas 21, das auf den Ke
ramikrahmen 24 dicht aufgesiegelt ist.
Bei dem ladungsgekoppelten Bauelement nach der vorliegenden Erfindung ist
eine photochrome Schicht 22 auf dem Lichtempfangsglas 21 ausgebildet, die
entsprechend der Helligkeit eines Bildes durch Licht selektiv eingefärbt oder
entfärbt wird, um dadurch die Menge des durchgelassenen Lichtes zu regeln.
Zum Beispiel wird die photochrome Schicht 22 leicht eingefärbt und entfärbt
durch Oxidations-Reduktions-Reaktionen von AgCl als Antwort auf einfal
lendes Licht. AgCl kann also durch Licht oxidiert oder reduziert werden, wie
unten beschrieben.
Cl⁻ → Cl + e⁻ (Oxidation)
Ag⁺ + e⁻ → Ag (Reduktion)
Ag⁺ + e⁻ → Ag (Reduktion)
Wie in den obigen Reaktionen beschrieben, werden die Chlorionen oxidiert,
um ein Chloratom und ein Elektron zu erzeugen. Das Elektron wird dann zu
dem Silberion übertragen, um ein Silberatom zu erzeugen. Diese Atome
klumpen zusammen und blockieren den Durchgang von Licht, verringern also
die Lichtdurchlässigkeit und bewirken, daß das lichtempfangene Glas 21 ein
gefärbt wird. Ein derartiger photochromer Prozeß tritt fast zusammen mit dem
Einfall von Licht auf. Der photochrome Prozeß ist abhängig von der Intensität
des Lichtes. D. h., die folgende Reaktion tritt ein:
Cl + Cu⁺ → Cu+2 + Cl⁻
Die Chlorgasatome, die durch die Belichtung mit Licht gebildet werden, wer
den durch das Elektron der Kupferionen reduziert, wodurch verhindert wird,
daß die gasförmigen Atome aus der Matrix des Glases entweichen können.
Das Kupfer(+1)-Ion wird oxidiert um ein Kupfer(+2)-Ion zu bilden und rea
giert dann mit dem Silberatom wie folgt:
Cu+2+Ag → Cu+1 + Ag⁺
Diese Reaktionen von AgCl- und CuCl-Kristallen wiederholen sich und be
wirken dadurch, daß das lichtempfangende Glas 21 in Antwort auf die In
tensität des Lichts gefärbt oder entfärbt werden kann.
Entsprechend der Helligkeit des durch eine Linse empfangenen Bildes wird
die photochrome Schicht 22, die auf dem lichtempfangenden Glas 21 ausge
bildet ist, gefärbt oder entfärbt, so daß der Dynamikbereich von Licht, das
durch das lichtempfangende Glas 21 hindurch geht, geregelt wird, um für das
CCD geeignet zu sein.
Da der helle Teil des Bildsignals also durch den eingefärbten Bereich der
photochromen Schicht 22 hindurchgeht, wird er etwas abgedunkelt, um so für
den Dynamikbereich des ladungsgekoppelten Bauelements geeignet zu sein.
Da der dunkle Teil des Bildsignals durch den ungefärbten Bereich der photo
chromen Schicht 22 hindurch geht, wird er mit der ursprünglichen Helligkeit
abgebildet. Entsprechend wird die Abbildung der dunklen und hellen Teile
des Bildes ohne Verschlechterung des Bildschirmbildes durchgeführt. Dabei
wird, wenn die Abbildung des hellen Bildes insgesamt ausgeführt wird, die
photochrome Schicht als ganzes eingefärbt, um dadurch die Helligkeit zu re
geln, so daß sie für den Dynamikbereich des CCDs geeignet ist.
Bei einem Kamerasystem, das ein oben beschriebenes CCD nach der vorlie
genden Erfindung benutzt, wird der Betrag des durchgelassenen Lichtes nicht
von einer Irisblende sondern durch die photochrome Schicht geregelt, die
durch die Helligkeit eingefärbt oder entfärbt wird. Somit kann das System
vereinfacht werden. Ferner ist der Dynamikbereich des ladungsgekoppelten
Bauelements wirksam vergrößert, wodurch die Auflösung der Bildaufnahme
vorrichtung vergrößert ist.
Claims (4)
1. CCD mit:
- - einem lichtempfangenden Teil, das ein Glas (21) aufweist und ein Bild durch Licht empfängt, und
- - einer photochromen Schicht (22), die auf dem Glas (21) ausgebildet ist, und selektiv eingefärbt oder entfärbt wird, entsprechend der Hel ligkeit des Bildes, um dadurch die Menge des durchgelassenen Lichtes zu regeln.
2. CCD nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die photochrome
Schicht (22) durch Hinzufügen von feinen halogenierten Silberkristallen
in ein anorganisches Glas gebildet ist.
3. CCD nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die photochrome
Schicht (22) durch Hinzufügen von feinen Silberchlorid- (AgCl) und
Kupferchlorid- (CuCl) Kristallen in ein anorganisches Glas gebildet ist.
4. CCD nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas
aus einer komplexen Silikatmatrix besteht, die für sichtbares Licht
transparent ist.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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Owner name: HYNIX SEMICONDUCTOR INC., ICHON, KYONGGI, KR |
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Owner name: MAGNACHIP SEMICONDUCTOR, LTD., CHEONGJU, KR |
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Owner name: CROSSTEK CAPITAL, LLC, WILMINGTON, DEL., US |