DE2348242C3 - Bildaufnahmeeinrichtung - Google Patents

Description

)ie Erfindung bezieht sich auf eine Bijdaufnahmednitung mit einem Feld von in Zeilen und Spalten ;eordneten Sensorelementen, von denen jedes ein nal in Antwort auf eine empfangene Strahlung eugt, einer Mehrzahl von Knotenpunkten, von denen er das Signal von jeweils einem der Sensorelernente pfängt, und mit einer Verstärkungseinrichtung für die nale.

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Beispielsweise dem Feststellen von Bildern im sichtbaren oder infraroten Bereich dienende Sensoren enthalten Sensorelemente mit einem gewissen Leckstrom. Der Leckstrom, auch Dunkelstrom im Bildsensor genannt, wird von den Sensorelementen erzeugt, auch wenn kein Eingangssignal an diese Elemente angelegt wird. Der Leckstrom für jedes Element wirkt als Quelle für Untergrund- oder festes Rauschen, das vom Element erzeugte Signale niedrigen Pegels überdecken kann. Die Sensorelemente von Photosensorfeldern werden normalerweise für eine als die Integrationsperiode definierte Zeitspanne mit Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, bevor sie ausgelesen werden. Der Leck- oder Dunkelstrom dieser Elemente wird in derselben Integrationsperiode wie das Licht- oder Signalmuster angehäuft oder integriert. Bei niedrigen Beleuchtungsstärken und/oder für lange Integrationszeiten wird der vom Leckstrom herrührende Spanriungspegel im Vergleich zum tatsächlichen Photosignalpegel erheblich. Das Photosignal kann so verlorengehen, da es nur mehr einen kleinen Anteil des gesamten, aus Signal + Rauschen bestehenden Spannungspegels, der von einem Element erzeugt wird, darstellt. Das Problem, das Photosignal vom Untergrundrauschen zu extrahieren, wird noch komplizierter durch die Tatsache, daß der Leck- oder Dunkelstrom von Element zu Element nicht gleich ist. Dies erfordert, daß das Rauschen und das Signal von jedem Element einzeln behandelt werden.

Der Leckstrom bildet zwar die Hauptquelle des Untergrundrauschens, weiterhin werden aber auch noch Störimpulse durch die Abtastschaltungen, die die Signale von den Sensorelementen abnehmen und sie an eine Video-Ausgangsklemme oder einen anderen Verwendungspunkt weitergeben, in das Signal eingefügt. Diese und andere Rauschquellen begrenzen den unteren Eingangssignalpegel, bei dem der Sensor verwendet werden kann. Es ist deshalb erwünscht, das Untergrundrauschen und die Störimpulse ganz oder teilweise auszuschalten, um den Bereich, in dem der Sensor Nutzsignale entdecken kann, wirksam zu erweitern.

Unter Zugrundelegung der Erfindung aufgebaute Schaltungen umfassen ein Feld von Sensorelementen und Einrichtungen zum Übertragen der an jedem der Sensorelemente erzeugten Signale zu einem mit diesem Element verbundenen Knotenpunkt. Mit den Knotenpunkten verbundene Ladungsübertragungseinrichtunigen gebtn die Signale von jedem der Knotenpunkte weiter und führen das Signal von einem gegebenen Knotenpunkt zurück zu diesem gegebenen Knotenpunkt. Die Rückführungseinrichtung kann dazu verwendet werden, zumindest einen Teil des im Sensor und seiner zugehörigen Abtastschaltung entstehenden Untergrundrauschens durch die Hinzufügung oder Subtraktion der Signale an diesen Knotenpunkten zu beseitigen.

Kurz dargestellt ist die Erfindung verwirklicht bei einer eingangs vorausgesetzten Bildaufnahmeeinrichtung dadurch, daß von den Sensorelementen die darin erzeugten Signale zu den Knotenpunkten parallel übertragbar sind und das Signal an jedem Knotenpunkt zur Eingangsklemme der Verstärkungseinrichtung und von der Ausgangsklemme der Verstärkungseinrichtung zurück zum ursprünglichen Knotenpunkt übertragbar ist, um eine Addition oder Subtraktion mit einem folgenden Informationsbit zu ermöglichen. Die Einrichtung zum Auslesen und Zurückführen kann zum

Entfernen störender Untergrundsignale aus dem Aus- !angssignal verwendet werden, zum Erfassen eines beweglichen Ziels oder für die zerstörungsfreie fcuslesung von gespeicherten Bildern.

Im folgenden wird die Erfindung un'sr Bezugnahme auf die Zeichnung zum Teil an Hand von Ausführungsbeispieien näher erläutert. Es zeigt

pig 1 einen Blockschaltplan eines die Erfindung beinhaltenden Bildsensorsystems.

F j g 2 einen schematischen Schaltplan eines Sensorfelds mit internen vertikalen ladungsweitergebenden Reihen als Ladungsübertragungsregister, gemäß der Erfindung,

pig 3 Verlaufsdiagramme von an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig.2 angelegten Spannungen,

pjg.4 eine Tabelle zur genaueren Erläuterung von vier Arbeitsweisen der Schaltung nach F i g. 2,

F i g 5 einen Anordnungsplan eines Photoleiter-Sensorelements zur Verwendung in der Schaltung nach ρ i g. 2,

Fig-δ einen Anordnungsplan eines mit ladungsgekoppelten Registern verbundenen Sensorelements zur Verwendung in erfindungsgemäßen Schaltungen,

Fig.7 einen Anordnungsplan eines mit einem Register nach Art einer ladungsweitergebenden Reihe gekoppelten Photodioden-Sensorelements.

F i g. 1 zeigt einen Blockschaltplan eines Bildsensors, der eine Einrichtung zum Rückführen des Videoausgangssignals zurück in den Sensor enthält.

Die Schaltung nach Fig. 1 enthält ein Matrixfeld 2, das aus lichtempfindlichen oder Ladungsspeicherelementen besteht, die in Spalten und Zeilen angeordnet sind und allgemein mit Sy bezeichnet werden, wobei /die Zeile und j die Spalte bezeichnet. Mit jeder Spalte von Elementen ist ein Vertikal- oder Spalten-Ladungsübertragungsregister CRi, CR2, CR3 bzw. CRi verbunden, mit jeweiligen Eingangs-Knotenpunkten Nij. Die Information jedes Elements Sy wird selektiv auf den entsprechend numerierten Knotenpunkt /Vy seines zugehörigen Spaltenregisters übertragen. In der Praxis wird die in den Elementen Sy gespeicherte Information zu den Spaltenregistern parallel übertragen. Jedes Spaltenregister enthält weiterhin eine Eingangsklemme /;, /2, /3 bzw. Ia, die jeweils mit einer anderen der Stufen eines Eingangsregisters 18 verbunden sind, und eine Eingangsklemme Οι, O2, Os bzw. Oa, die jeweils mit einer anderen der Stufen eines Ausgangsregisters 12 verbunden sind.

Leiter 26, 28, 30, 32, 34 und 36, an die verschiedene 5« Taktsignale angelegt werden, sind gestnrhelt in F i g. 1 eingezeichnet. Die Leiter 26 und 28, an die Horizontal-Taktsignale B2 bzw. A2 angelegt werden, sind mit den Stufen des Ausgangsregisters 12 verbunden. Die Leiter ■ 30 und 32, an die Vertikal-Taktsignale A' bzw. B angelegt werden, sind mit den Stufen der Spaltenregister verbunden. Der Leiter 34 und 36, an die Taktsignale Ai bzw. Bi angelegt werden, sind mit den Stufen des Eingangsregisters 18 verbunden.

Die Vertikal-Taktsignale A' und B, die an die <_: Spaltenregister angelegt werden, bewirken, daß die Information in jedem der Spaltenregister entlang dem Register in Richtung der eingezeichneten Pfeile weiterbefördert wird. Die in der letzten Stufe enthaltene Zeile von Videoinformationen der Spaltenregister wird (, gleichzeitig auf die Klemmen Oi bis Oi des Ausgangsregisters 12 gegeben, dem hierdurch die Information narallel eineesoeichert wird.

Die an das Register 32 angelegten Horizonial-Taktimpulse Ai und Bi bewirken, daß die Information im Register sequentiell weitergeschoben und an einer Ausgangsklemme 14 hervorgebracht wird. Wenn eine Informaiionszeile aus dem Register 12 hinaus übertragen worden ist, wird eine neue Zeile von Informationen von den Spaltenregistern in das Register 12 eingespeist. Die an der Ausgangsklemme 14 auftretenden Signale werden an eine Torschaltung 13 angelegt, die den Laufweg der Signale zu einem Ausgangsverstärker 15 oder zur Eingangsklemme eines Verstärkers 16 steuert. Die zum Ausgangsverstärker 15 geleiteten Signale bewirken das Auftreten von verstärkten Signalen an einer Ausgangsklemme 17, die als Video-Ausgangsklemme bezeichnet wird, und zwar invertiert oder nicht invertiert. Zum Verstärker 16 geleitete Signale führen zum Auftreten von verstärkten Signalen an einer Ausgangsklemme 25 mit derselben Sequenz und Häufigkeit wie die Eingangssignale und im Vergleich zu den Eingangssignalen invertiert oder nichtinvertiert. Der Verstärker 16 kann mit Hilfe einer mit ihm verbundenen Phasen- und Verstärkungssteuerschaltung 27 als invertierender Verstärker oder als nichtinvertierender Verstärker geschaltet werden. Die Signale an der Ausgangsklemme 25 sind also in Abhängigkeit von der Verstärkerschaltung Aes oder -Ae₅; wobei A = Verstärkung des Verstärkers und es = in den Verstärker 16 eingespeistes Signal. In der nun folgenden Diskussion sei angenommen, daß Λ = 1.

Die Ausgangsklemme 25 des Verstärkers 16 ist über einen Schalter S3 mit der Eingangsklemme /1 des ladungsübertragenden Eingangsregisters 18 verbunden. Die Eingangsklemme des Registers 18 und die Ausgangsklemmen jeder Stufe des Registers 18 sind jeweils mit der Eingangsklemme eines anderen Spaltenregisters verbunden. Die an das Eingangsregister 18 angelegten Impulse der Taktsignale A\ und Bi haben dieselbe Wiederholungsfrequenz wie die Impulse der Taktsignale Ai und Bi, die an das Ausgangsregister 12 angelegt werden, und bewirken die aufeinanderfolgende Übertragung der Signale entlang dem Register 18. Dem Register 18 wird eine Signalzeile eingespeichert, die aus dem Register 12 kommt. Wenn die Übertragung dieser Zeile aus dem Ausgangsregister 12 in das Eingangsregister 18 vollendet ist, ist das Eingangsregister 18 vo aufgeladen und das Ausgangsregister 12 leer. Bei voll aufgeladenem Register 18 ist das an jeder der Klemmen /; bis Ia anliegende Signal eines, das ursprünglich aus dem entsprechend numerierten Spaltenregister stammt. Nachdem eine Zeile von Informationen in das Eingangsregister 18 übertragen worden ist, bewirken die nächsten Impulse der Taktsignale A' und B folgendes: (1) die Information an den Klemmen // bis h wird in die erste Stufe der Spaltenregister übertragen: (2) die Information in den Spaltenregistern bewegt sich um eine Stufe nach unten und (3) eine neue Zeile von Informationen wird von den Spaltenregistern in das Ausgangsregister 12 übertragen. Dieser Vorgang kann wiederholt werden, bis die Informationszeiie bis in ihre , ursprüngliche Zeile zurückgebracht worden ist und jedes Informationsbit wieder an seinem ursprünglichen Knotenpunkt liegt. .

Der Schalter Si kann, wie noch genauer beschrieben wird, in eine Stellung 2 gelegt werden, um die s Eingangsklemme des Eingangsregisters 18 mit einer wahlweisen Videoeingangsklemme zu verbinden, bin nach Wunsch verwendbarer Ausgangsverstärker kann die an der Ausgangsklemme 25 anliegenden

Signale verstärken und sie einem (nicht dargestellten) Verwendungsgerät zuführen.

Die Ladungsiibertragungsregister können entweder nach dem Prinzip einer »Eimerkette« arbeitende Register wie ladungsweitergebende Schieberegister (»bucket-brigade registers«) oder ladungsgekoppelte Register sein und die Sensorelemente können von beliebiger Art sein, also auf Infrarot oder sichtbares Licht ansprechende Photoleiter, pyroelektrische Bauelemente, Photodioden, Phototransistoren oder andere zum Feststellen von Signalen geeignete Elemente, wie sie an sich bekannt sind. Die Torschaltung 13, der Schalter S3 und die Phasen- und Verstärkungssteuerschaltung 27 ermöglichen es, daß das Bildsensorsystem in vielerlei Weise betrieben wird. Bei einer Betriebsweise wird die Information vom Sensorfeld in das Sensorfeld zurückgeführt. Diese Betriebsweise ermöglicht die Addition oder Subtraktion eines ersten Signals, das zu einem Knotenpunkt zurückgeführt worden ist, mit bzw. von einem zweiten Signal, das auf diesen Knotenpunkt übertragen worden ist. Die Addition oder Subtraktion von Signalen an und in dem Feld stellt einen wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung dar. Einige der Vorteile des Zurückführens werden nachfolgend besprochen.

Beim Betrieb des Systems nach Fig. 1 kann das an jedem Element Su anliegende Signal selektiv ausgelesen und zu seinem entsprechenden Knotenpunkt My übertragen werden. Das Signal von jedem Knotenpunkt kann dann zu seinem ursprünglichen Knotenpunkt zurückgeführt werden. Das zu einem Knotenpunkt N_tJ übertragene Signal wird also von diesem Knotenpunkt N,j entlang seinem entsprechenden Spaltenregister CRj zum Ausgangsregister 12 übertragen, dann von dessen Ausgangsklemme zum Verstärker 16 geleitel und von dessen Ausgangsklemme zum Eingangsregister 18, von dem es entlang dem Spaltenregister CRj zurück zu seinem Ursprungs-Knotenpunkt gebracht wird. Diese rückgekoppelte Information kann von der ursprünglichen Information in zwei Hinsichten abweichen:

Erstens kann die Amplitude und Polarität des zu einem Knotenpunkt zurückgeführten Signals mit Hilfe des Verstärkers 16 geändert werden. Beispielsweise kann ein durch eines der Elemente Sy erzeugtes Signal esi, das ursprünglich zum Knotenpunkt No übertragen worden ist, als ± Aes\ zum Knotenpunkt /Vy zurückgebracht werden, wobei A den Verstärkungsgrad des Verstärkers 16 bedeutet. Die zum Knotenpunkt Ni₁ zurückgeführte Information kann zu einem zweiten vom Element Sy erzeugten und zum Knotenpunkt Ni₁ verbrachten Signal e*2 addiert werden. Der Netto-Signalpegel am Knotenpunkt Ny ist dann gleich es2±Ae_s\. Ist A = 1 und das Vorzeichen negativ, so ist das Nettosignal am Knotenpunkt M/= esi — e$u Stellt e$i den Untergrund-Rauschpegel und es2 den Untergrund-Rauschpegel plus das Photosignal dar, so ist das Nettosignal am Knotenpunkt Nij das tatsächliche Photosignal. Das Untergrundrauschen, das erheblich höher sein kann als das tatsächliche Photosignal, wird am Feld beseitigt. Das Netto-Photosignal kann durch die Spaltenregister und das Ausgangsregister 12 übertragen werden und entweder durch den Ausgangsverstärker 15 zur Ausgangsklemme 17 oder durch den Verstärker 16 zum alternativen Ausgangsverstärker 29 geleitet werden.

Zweitens kann das zurückgeführte Signal insofern vom ursprünglichen Signal abweichen, als es bei seiner Rückkehr Rauschsignaie enthalten kann, die in das Signal während seiner Übertragung durch die verschiedenen Register eingeführt worden sind. Es sei angenommen, daß der Verstärker als Inverter mit einer Verstärkung = 1 geschaltet ist. Auf Grund der Inversion durch den Verstärker enthält das zum Knotenpunkt zurückgeführte Signal eine Komponente, die als - cv bezeichnet werden kann, wobei en durch die Auslescschaltung eingeführte Störimpuls-Rauschsignale darstellt. Das Netto-Signal am Knotenpunkt enthält damit

ίο eine Rauschkomponente mit dem Wert -en. Es ist jedoch zu bedenken, daß das an jedem Knotenpunkt Ni₁ vorhandene Nettosignal durch eines der Spaltenregister CRj zum Ausgangsregister 12 und mit Hilfe der Torschaltung 13 zum Ausgangsverstärker 15 übertragen

wird. Bei dieser Übertragung wird der Anteil — en auf Grund des Rauschens im Spaltenregister und im Ausgangsregister aufgehoben. Es ist also ersichtlich, daQ durch das Zurückführen der Signale das von den Sensorelementen des Felds erzeugte feste Untergrundrauschen sowie große Teile des festen Störimpuls-Rauschens, das durch die Ausleseschaltung eingefünrt wird weitgehend entfernt werden.

Das System nach Fig. 1 kann in Form von nach Art einer Eimerkette arbeitenden, ladungsweitergebenden Schieberegistern verwirklicht werden, wie in F i g. 2 dargestellt ist, die ein 3 ■ 4-EIement-Sensorfeld darstellt das Schieberegister und Rückkopplungsschaltungeri enthält.

In der Schaltung nach Fig. 2 umfaßt jedes Sensorelement Sy ein Photoleiterelement Pi₁ und ein ladungsübertragendes durchlaßgesteuertes Bauelement im dargestellten Beispiel einen Transistor Cy. Jedes Photoleiterelement Py ist zwischen eine Klemme 220, an die eine Quelle eines festen Potentials mit einer Spannung von - V Volt angeschlossen ist, und einem Ende des Leitungspfads des entsprechenden durchlaßgesteuerten Transistors Gt₁ geschaltet. Das andere Ende des Leitungspfads des Transistors Gy ist mit dem entsprechend numerierten Knotenpunkt /Vy verbunden Ein Leiter 22 ist mit den Gate-Elektroden aller durchlaßgesteuerten Transistoren verbunden. Ein Element-Übertragungsimpuls, der an den Leiter 22 angelegt wird, macht alle durchlaßgesteuerten Transistoren Gi₁ gleichzeitig leitend und es wird dann jedes Photoinformationsbit vom Element P_v zum entsprechenden Knotenpunkt Λ/y übertragen.

Jedes der Spaltenregister CRi, CR2, CR3 und CR-enthält Transistoren /?_y«und /anderen Emitter-Kollek tor-Strecken in Reihe zwischen eine der Eingangsklem

men /1, h, h bzw. /4 und der entsprechend numerierter Ausgangsklemme Οι, O2, Oibzw. O<geschaltet sind. Die Gate-Elektroden der im Index mit »3« bezeichneter Transistoren sind gemeinsam an den Leiter 3C angeschlossen, an den die Taktsignale A' angelegi

werden. Die Gate-Elektroden der im Index mit »ix· bezeichneten Transistoren sind gemeinsam mit derr Leiter 32 verbunden, an den die Taktsignale B angelegi werden.

Das Ausgangsregister 12 enthält ein ladungsweiterge

bendes Schieberegister aus sieben Transistoren Tu. Ti 2 T21, T22, Tji, 7j.?und Tu,deren Emitter-Kollektor-Strek ken in Reihe zwischen die Klemmen Oi und 14 geschaltet sind. Die Gate-Elektroden der ungeradzahlig numerierten Transistoren sind mit dem Leiter 2f verbunden, an den das Taktsignal B2 angelegt wird, unc die Gate-Elektroden der geradzahlig numerierter Transistoren sind mit dem Leiter 28 verbunden, an der das Taktsignal Ai angelegt wird. Die Ausgangsklemmi

14 ist mit der Torschaltung 13 verbunden.

Die Torschaltung 13 enthält eine durch Schalter 51 und Sl dargestellte Schalleinrichtung zum Leiten der Signale von der Klemme 14 zu den Verstärkern 15 und/oder 16. Wenn der einen Teil der Torschaltung 13 darstellende Schalter Sl geschlossen wird, so wird das Taktsignal A: an die Gate-Elektrode eines Transistors T« angelegt, und die Übertragung der Signale von der Klemme 14 zu einer Klemme 141 ist ermöglicht. Der Ausgangsverstärker 15, der von üblicher Bauart sein kann, ist mit seiner Eingangsklemme an die Klemme 141 und mit seiner Ausgangsklemme an die Video-Ausgangsklemme 17 gelegt.

Wird der Schalter Sl geschlossen, so werden die an der Klemme 14 auftretenden Signale zum Verstärker 16 geleitet. Das Schließen des Schalters Sl legt das Taktsignal A2 an die Gate-Elektrode eines Transistors Ta, wodurch die Übertragung der Signale von der Klemme 14 zu einer Klemme 21 ermöglicht wird. Der Verstärker 16 ist eingangsseitig mit der Klemme 21 verbunden und sein Ausgangssignal tritt an der Klemme 25 auf. Mit dem Verstärker 16 ist ein Schalter S4 verbunden, der in seiner Stellung 1 den Verstärkungsgrad und die Phase des Verstärkers 16 auf - A festlegt und in seiner Stellung 2 den Verstärkungsgrad und die Phase des Verstärkers 16 auf A festlegt, wobei A eine beliebige Zahl größer als Null sein kann. Für die folgende Diskussion sei angenommen, daß der Verstärkungsgrad »A« = 1, so daß der Verstärker 16 mit Hilfe des Schalters S4 auf eine Spannungsverstärkung von + 1 oder - 1 eingestellt werden kann. Der Verstärker 16 kann von beliebiger Bauart sein, er ist jedoch vorzugsweise ein Ladungsverstärker. Die Funktion des Verstärkers 16 und des Schalters S4 können jedoch auf vielfache Weise erfüllt werden.

Die Ausgangsklemme 25 des Verstärkers 16 ist mit der Eingangsklemme /1 des liingangsregisters 18 verbunden, wenn der Schalter S3 in seiner Stellung I steht. Das Eingangsregister 18 enthält sechs Transistoren 7u Tu,, T2a. T2B. ftaund Tib, deren Emitter-Kollektor-Strecken in Reihe zwischen den Klemmen /1 und /4 liegen. Die Gate-Elektroden der mit dem Index »a« bezeichneten Transistoren sind mit dem Leiter 30 verbunden, an den das Taktsignal Λι angelegt wird, und die Gate-Elektroden der mit dem Index »6« bezeichnelen Transistoren sind mit dem Leiter 32 verbunden, an den das Taktsignal ßi angelegt wird.

Verschiedene Betriebsweisen der Schaltung nach F i g. 2 r.ind am besten unter Bezugnahme auf die Spannungsverläufe nach Fig. 3 und auf die Tabelle 1 von Fig.4. die vier Betriebsweisen dieser Art von Sensor zusammenfaßt, zu verstehen. Es sei hierbei als Beispiel angenommen, daß die Transistoren in der Schaltung nach F i g. 2 p-leitende Bauelemente sind. Die in F i g. 3 dargestellten Verläufe gelten also für p-leitende Transistoren.

Bei einer ersten, als Modus 1 bezeichneten Betriebsweise wird die Video-Information zum Ausgangsverstärker 15 geleilet und wird kein Signal zurückgeführt, es ist also der Schalter S2 geschlossen und der Schalter ^ Sl offen. Bei diesem Modus 1 kann die Lichtintegration im Sensorelement so lang oder so kurz wie gewünscht sein. Zur leichteren Erklärung sei jedoch angenommen, daß die Sensorelemente in festen Zeitspannen abgetastet werden. Zwischen den Abtastungen wird das Signal an jedem Element für eine feste Integrations-Zeitspanne integriert oder aufaddiert, die auch als Bildperiode hcreichnet werden kann. Die während einer Bildperiode integrierten Signale werden als ein Bild der Information oder auch als ein »Bild« bezeichnet. Die Scnsorelemente werden also für eine Zeilspanne, während derer an jedem Sensorelement ein Signal proportional zum einfallenden Licht erzeugt wird, e'ner Szene oder einem Lichtmuster ausgesetzt. In ausgewählten Intervallen, beispielsweise am Ende einer Bildperiode, werden die Einzelsignale durch das Anlegen eines Element-Übertragungsimpulses an den Leiter 22 ausgelesen. Der in Fig.4 mit dem Verlauf Fdargestellte Element-Übertragungsimpuls besteht aus einer für eine Zeit η bis Γ2 negativ werdenden Spannung. Der Impuls macht alle durchlaßgesteuerten Transistoren Gy leitend und bewirkt, daß die an jedem der Sensorelemente in Form der Photoleiterelemente Py enthaltende Information zum entsprechenden Knotenpunkt Λ/y eines der Spaltenregister übertragen wird. Die in einer als »Bild 0« bezeichneten Bildperiode angesammelte Information wird von den Sensorelementen zu ihren entsprechenden Knotenpunkten von der Zeit η bis zur Zeit ti übertragen. Zur Zeit ß beginnen die Knotenpunkte und beginnt die Integration der auf das Licht ansprechenden Signale wieder an jedem Element bis zum Anlegen des nächsten Element-Übertragungsimpulses.

Während der folgenden, als »Bild 1« bezeichneten Bildperiode wird die zu den Knotenpunkten der Spaltenregister übertragene Information nacheinander ausgelesen. Der ins Negative gehende Impuls des Taktsignals A', der von einer Zeit fj bis zu einer Zeit u anliegt, bewirkt die Übertragung der Signale an jedem der Knotenpunkte Ny der Spaltenregister nach unten zum nächstfolgenden Knotenpunkt JVy₃. Außerdem wird in Antwort auf den negativen Impuls des Taktsignals A' und auf den negativen Impuls des Taktsignals Ai, die" von η bis f4 anliegen, die Information in der letzten Stufe der Spaitenregister, also an den Knotenpunkten Mi bis N34. parallel zu den Knotenpunkten O; bis O< des Ausgangsregisters 12 übertragen. Die parallel in das Ausgangsregister 12 übertragene Information wird dann sequentiell mit Hilfe der Impulse der Taktsignale Ai und Bi, die von der Zeit ti bis zu einer Zeit ii 2 anliegen, sequentiell weitergeschoben. Die elementare Information wird nacheinander an der Ausgangsklemme 14 erzeugt. Das letzte Bit der Zeile von Informationen, nämlich das vom Knotenpunkt Οι, wird zur Zeit fi2 bei der ins Negative gehenden Flanke des Impulses des Taktsignals B2 aus dem Register ausgeschoben.

Es ist zu beachten, daß zur Zeit u der Impuls des Taktsignals A'auf + VVoIt zurückkehrt und der Impuls des Taktsignals B' ins Negative läuft, wodurch jede: Informationsbit von einem der Knotenpunkte Nija zurr nächsten Knotenpunkt /Vfi+/j/weiterbefördert wird. Zi einer Zeit tis füllt somit ein Impuls des Taktsignals A das Ausgangsregister 12 mit einer neuen Zeile voi Videoinformation und befördert die in den Spaltenregi stern vorhandene Information um einen Knotenpunk nach unten. Der Vorgang des Auslesens des Registers 1 und seiner Wiederbespeicherung setzt sich fort, bis all elementaren Signale , die am Ende des »Bilds 0« auf di Knotenpunkte /Vy übertragen worden sind, sequentie an der Klemme 14 ausgelesen sind.

Das während des »Bilds 1« angespeicherte Signalbi! kann dann von den Photoleiterelementen P_y zu de Knotenpunkten JVy mit Hilfe eines Element-Übertrj gungsimpulses zur Zeit fci (Verlauf F) übertrage werden. Ersichtlich muß die Wiederholungsfrequenz di Impulse der Taktsignale Ai und Bi höher sein als η

wobei π die Zahl der Stufen im Ausgangsregister 12 und h die Wiederholungsfrequenz der Impulse der Taktsignale A' und B' ist. Dies ist erforderlich, um das Ausgangsregister 12 zu leeren, bevor es mit einer neuen Zeile von Informationen wieder gefüllt wird.

Beim Modus 1 wird die nacheinander an deir Ausgangsklemme 14 des Registers 12 erzeugte Information zum Verstärker 15 geleitet, der in Antwort hierauf ein verstärktes Signal an der Klemme 17 erzeugt.

In einer als Modus 2 bezeichneten Betriebsweise wird der Untergrundrauschanteil des Sensorelement-Ausgangssignals, der durch den Leckstrom oder Dunkelstrom bewirkt wird, entfernt oder wegsubtrahiert. Hierbei werden wie bei Modus 1 die Signale an den Sensorelementen Si₁ für eine Bildperiode integriert und dann zu den Knotenpunkten M/ übertragen. Die Information an den Knotenpunkten N_v wird parallel entlang den Spaltenregistern CRj und dann sequentiell entlang dem Register 12 weitergegeben, wie es im Zusammenhang mit Modus 1 beschrieben wurde. Bei der Betriebsweise des Modus 2 ist jedoch der Schalter Sl mindestens für jedes zweite Bild geschlossen, und die aufeinanderfolgend an der Klemme 14 auftretende Information wird über die Klemme 21 zum Verstärker 16 geleitet. Wenn 51 geschlossen ist, wird ein Impuls des Taktsignals Ai an die Gate-Elektrode des Transistors Ta angelegt, der die Signale von der Klemme 14 zur Klemme 21 überträgt. Beim Modus 2 ist der Schalter 541 in seine Stellung 1 geschaltet und der Verstärker ist ah; Inverter mit einem Verstärkungsgrad = 1 geschaltet. Die an der Ausgangsklemme 25 erzeugten Signale — es haben dieselbe Folge und Wiederholungsfrequenz wie die Signale es, die an der Klemme 21 auftreten. In dieser • Betriebsweise liegt der Schalter 53 in der Stellung 1, und die Ausgangsklemme 25 ist hierdurch mit der Eingangsklemme /; des Registers 18 verbunden. Die Impulse der Taktsignale Ai und Si, die, wie in den Verlaufen A und C in Fig.3 dargestellt ist, mit den Impulsen der Taktsignale A2 und Bi synchron sind, bewirken die Übertragung der Signale entlang dem Eingangsregister 18.

Wie in Fig.3 dargestellt ist, laufen die Impulse des Taktsignals Ai zur Zeit is los, also um eine Periode später als die Impulse der Taktsignale B\ und A2, da es zwei Perioden dauert, nämlich einen Impuls von Ai und einen Impuls von Bi, das Signal von der Klemme O<> über den Verstärker 16 zur Klemme /1 zu bringen. Die an den Leiter 34 angelegten Impulse des Taktsignals Bt sind den an den Leiter 26 angelegten Impulsen des. Taktsignals Bi gleich und können aus der gleichen Quelle stammen. Nachdem das Signal an den Knotenpunkt oder die Klemme /1 angelegt ist, verschiebt der nächste Impuls des Taktsignals A\ das Signal zum Kollektor des Transistors 71*. Der nächste Impuls des Taktsignals B\ überträgt das Signal vom Kollektor des Transistors 77* zum Knotenpunkt /2. Sind zwei weitere Impulse der Taktsignale A1 und A2 angelegt worden, so ist das Eingangsregister 18 voll geladen und die Knotenpunkte // bis U tragen jeweils ein Signal, das ursprünglich von der entsprechend numerierten Spalte stammt.

Der nächste etwa zur Zeit iis an die Spaltenregister angelegte Impuls des Taktsignals A' bewirkt die parallele Übertragung der Signale von den Knotenpunkten oder Klemmen // bis U zu den Knotenpunkten Ntja der Spaltenregister. Die Signale an den Knotenpunkten der Spaltenregister werden in gleicher Weise entlang den Registern übertragen, wie es für den Modus 1 beschrieben wurde. Ein Signal, das zur Zeit /1 zum Knotenpunkt M/ übertragen worden war, kehrt zum selben Knotenpunkt zu einer Zeit tjo zurück. Die von jedem Knotenpunkt abgenommene Information kann also mit umgekehrtem Vorzeichen zu seinem Betriebsmodus zurückgeführt werden.

Bei der Betriebsweise des Modus 2 kann das Licht vom Sensorfeld abgeschnitten werden, und zwar mit Hilfe einer Verschlußblende, die eine mechanische rotierende Scheibe sein kann, oder einer Art von elektronischem Lichtventil wie etwa eines Flüssigkristails, der so wirkt, daß das Licht auf das Sensorfeld 2 durchgelassen oder gesperrt wird. Wie in Fig.4 und Tabelle 1 angedeutet ist, wird das Licht vom Sensorfeld bei jedem zweiten Bild ferngehalten, beispielsweise beim Bild 0,2,4 usw.

Während des »Bilds o« wird nur der Leckstrom am Sensorelement Sy integriert, da das Sensorfeld abgeblendet ist. Am Ende des »Bilds 0«, also bei Ί in F i g. 3, werden die aus Rauschsignalen auf Grund des an den Elementen Sy angehäuften Leckstroms bestehenden Signale ausgelesen und zu den Knotenpunkten Nu der vertikalen Spaltenregister mit Hilfe des Element-Übertragungsimpulses übertragen, der von fi bis ti anliegt.

Die Information in den Spaltenregistern wird jeweils gleichzeitig um eine Zeile zum Ausgangsregister 12 befördert und dann aufeinanderfolgend an den Verstärker 16 angelegt, der das Signal invertiert. Das Ausgangssignal des Verstärkers 16 wird über das Eingangsregister 18 zu den Spaltenregistern zurück und in diesen abwärts geleitet, bis jedes Informationsbit auf seinen ursprünglichen Knotenpunkt zurückgekehrt ist.

Während des »Bilds 1« werden die Signale des »Bilds 0« invertiert und auf ihre ursprünglichen Knotenpunkte

rückgekoppelt. Zu Beginn von »Bild 1« wird die Verschlußblende geöffnet und das Feld einem Bild ausgesetzt. Während der Periode von »Bild 1« wird also an jedem der Sensorelemente ein Bildsignal plus ein Leckstromsignal erzeugt. Vor dem Ende der Periode

von »Bild 1« sind alle invertierten Leckstromsignale mit umgekehrtem Vorzeichen an den gleichen Knotenpunkt in jedem Register, an dem sie ursprünglich in das Register eingetreten waren, zurückgekehrt. Beim nächsten Element-Übertragungsimpuls, beispielsweise

zur Zeit 01, wird das Bildsignal plus seinem Leckstromsignal zu den Knotenpunkten übertragen und mit den negativen Leckstromsignalen, die zu den Knotenpunkten zurückgeführt worden sind, kombiniert. Zur Zeil Ui addieren sich also an jedem Knotenpunkt N,j die

LecKsignale von den »Bildern 0« und »1« und ergeben eine Aufhebung des Lecksignals. Diese Aufhebung ist an allen Knotenpunkten gleich, unabhängig von Änderungen des Leckstroms von Element zu Element. Die an jedem Knotenpunkt des Felds 2 vorhandenen Netto-

signale können dann die Spaltenregister hinunter und durch das Register 12 zur Klemme 14 übertragen und von dort durch Schließen des Schalters 52 und Öffnen des Schalters Sl zum Verstärker 15 geleitet werden, um ein Video-Ausgangssignal an der Klemme 17 zu

erhalten. Die Nettosignale werden sequentiell während des »Bilds 2« ausgelesen. Während des »Bilds 2« ist das held wieder abgeblendet und das dabei erhaltene intormationsmuster wird während des »Bilds 3« zum ο ^{ld zuru}ckgeleitet, so daß aus dem Photosignal plus

Kauschs.gnal. die während des »Bilds 3« erzeugt werden das Rauschsignal beseitigt wird.

Der Sensor kann auch zur Anzeige eines beweglichen ^•leis dienen. Bei dieser als Modus 3 bezeichneten

Betriebsart wird das Sensorfeld 2 kontinuierlich beleuchtet. Die während einer Bildzeit, z. B. während des »Bilds 2«, erzeugten Signale werden an den Verstärker 16 angelegt, invertiert und zu ihren ursprünglichen Knotenpunkten zurückgeleitet. Diese Signale werden dann mit den während einer folgenden Bildperiode, beispielsweise im »Bild 3«, erzeugten Signalen addiert. Die Nettosignale werden dann mit Hilfe der Torschaltung an den Verstärker 15 angelegt. Sind aufeinanderfolgende Bilder identisch, so hat das an jedem der Knotenpunkte erzeugte Differenzsignal einen konstanten Wert, nämlich Null. Dieser konstante Wert kann mit Hilfe einer Verbrauchervorrichtung sichtbar gemacht werden, die mit der Ausgangsklemme 17 verbunden ist und schwarz bleibt. Weicht irgendein Teil des zweiten Bilds vom ersten Bild ab, so zeigt ein an den Knotenpunkten auftretendes Differenzsignal an, wo die Bewegung erfolgt ist. Diese Betriebsweise ähnelt derjenigen nach Modus 2, mit der Ausnahme, daß der Sensor stetig beleuchtet ist.

Bei einer weiteren Betriebsweise, dem Modus 4, wird der Sensor so betrieben, das er eine mehrfache Abtastung des gleichen Bilds ergibt. Der Sensor wird hierbei für eine gegebene Bildperiode beleuchtet und dann abgeblendet. Die während der gegebenen Bildperiode erzeugten Signale werden ausgelesen und über den Verstärker 16 zurückgeleitet. Hierbei steht der Schalter 54 in seiner Stellung 2, so daß der Verstärker nichtinvertierend mit einem Verstärkungsgrad = 1 arbeitet. Das von jedem Knotenpunkt kommende Signal wird unverändert zu den Knotenpunkten des Felds rückgekoppelt, und zwar zur gleichen Zeit, zu der auch das Video-Ausgangssignal an der Video-Ausgangsklemme 17 oder an der Ausgangsklemme des Verstärkers 29 erzeugt wird. Durch Rückkoppeln des Signals es zum Knotenpunkt, an dem dieses Signal erzeugt worden ist, kann ein gegebenes Ladungsmuster mehr als einmal ohne Zerstörung der gespeicherten Information ausgelesen werden.

Wie oft das gleiche Bild ausgelesen werden kann, hängt von seiner Verschlechterungsgeschwindigkeit durch Leckströme in den Registern ab. Die Speicherzeit, während derer die gleiche Information immer wieder gelesen werden kann, ist der Speicherzeit eines Silizium-Vidicons vergleichbar, wenn das Licht und der Strahl abgeschaltet sind. Die Speicherzeit kann verlängert werden, indem der Sensor gekühlt wird oder ein Material von breiterem Bandzwischenraum, als es Silizium ist, für die Register verwendet wird. Derzeit wird wegen der leichten Herstellung von Ladungsübertragungsregistern aus Silizium dieses Material für die Register bevorzugt.

Eine alternative Betriebsweise zum Betreiben des vorgeschlagenen Felds ergibt sich durch Legen des Schalters 53 in die Stellung 2, in der ein gewünschtes Video-Eingangssignal angelegt wird, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Das Untergrundsignal vom Sensor oder andere Signale können auf einem separaten, nicht dargestellten Analogspeicher aufgezeichnet werden. Das aufgezeichnete Untergrundsignal kann in das Feld ^ gleichzeitig mit dem Abtasten des Felds an Stelle des Rückkoppeins eines neuen Untergmndsignals in jedem zweiten Bild eingespeist werden. Diese Betriebsweise ermöglicht es, bei jeder Bildabtastung ein korrigiertes Signal mit subtrahiertem Untergrundrauschen zu ^₁. erhalten.

Wenn die Sensorelemente beispielsweise Photodioden gemäß Fig. 7 sind, ist eine weitere unterschiedliche Betriebsweise des Sensors möglich. Die Signale können dann von den vertikalen Spaltenregistern zu den Sensor-Photodioden übertragen werden, die dann als zeitweise Speicherelemente dienen. Die Kapazitäten können nämlich Ladung speichern. Es können also an der wahlweisen Videoeingangsklemme eingespeiste Videosignale gespeichert und mit folgenden Videosignalen oder optischen Signalen kombiniert werden.

Eine wichtige Eigenschaft der Schaltung ist es, daß das vertikale übertragende Register integral zum Feld ist. Wie bereits erwähnt, ermöglicht dies die Beseitigung von Rauschen oder die Signaladdition unmittelbar am und im Feld. Eine weitere Eigenschaft der Schaltung ist, daß die vertikalen Spaltenregister wie auch die horizontalen Register nicht beleuchtet werden. Infolgedessen ergeben sich bei der Übertragung der Signale von den Sensorelementen zu den Registern keine Verwischungen oder Verschlechterungen der Signale. Diese Eigenschaften ergeben sich aus der Anordnung der Schaltungsteile des erfindungsgemäßen Sensors, wie sie in den F i g. 5,6 und 7 gezeigt ist.

F i g. 5a zeigt einen Schaltplan mit einem Sensorelement in Form des Photoleiterelements Py, mit dem durchlaßgesteuerten Transistor Gy und mit einem Teil des entsprechenden Spaltenregisters CRj nach F i g. 2. Die F i g. 5b und 5c veranschaulichen die Ausführungskonstruktion der Schaltung. Nach Fig. 5b ist das Photoleiterelement Py über dem oberen Ende von einem und anschließend an ein eimerkettenartiges, die Ladung von Stufe zu Stufe weitergebendes Schieberegister mit Transistoren Rob und Ro+\)ja angeordnet. Das eine Ende (Klemme 220) des Photoleiterelements, an das ein festes Potential angelegt ist. ist mit dem Substrat über einen diffundierten n+/ohmschen Kontakt verbunden. Das andere Ende des Photoleiterelements ist mit einem diffundierten ρ+-Kontakt verbunden, der auch als Emitter für den Transistor Gy dient. Es sind p-Kanal-Transistoren dargestellt, jedoch können auch n-Kanai-Bauelemente verwendet werden. Die mit Silicium-MOS-Feldeffekttransistoren bestückten eimerkettenartigen Register sind verhältnismäßig einfach mit einer einzigen Metallisierschicht herzustellen. Die Leiterstruktur 22 mit den Übertragungs-Gate-Elektroden der Transistoren Gy können polykristalline Siliziumstreifen sein, die mit Siliziumdioxid bedeckt sind, um die metallenen Leiter 30 und 32 darüber kreuzen zu lassen Der abschließende Herstellungsschritt besteht irr Anbringen der Sensorelemente zwischen den mit n + und p+ diffundierten Inseln. Zur Herstellung dei Sensorelemente können infrarotempfindliche Photolei ter, pyroelektrische oder andere photosensitive Elemen te verwendet werden.

F i g. 6 zeigt einen weiteren Sensoraufbau, der in dei beschriebenen Betriebsweisen funktionieren kann. Nacl Fig.6 ist das Ladungsübertragungssystem ein Zwei phasen-Silikongatter-ladungsgekoppeltes Register. Dl· Sensorelemente Py sind in diesem Fall in de Verannungszone an der Oberfläche des Siliziums unte einer transparenten Metallelektrode, die so etikettier ist. gebildet. Im Silicium sind in der Bildfläche de Sensors keine Diffundierungen erforderlich. Ein Muste von polykristallinen Siliciumstreifen stellt den Leiter 2 dar, der für die Gatter der durchlaßgesteuerte Bauelemente G,jgemeinsam ist.

Fig. 7 stellt das Element eines eimerkettenartige Felds dar, das an jedem Element getrennte Photodiode verwendet. Dies ist ein einfacher Aufbau, der einen SaI polykristalliner Siliciumstreifen für die Gate-Elektrode

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der übertragenden Transistoren Cy verwendet. Eine einzige Diffundierung von p+-lnseln im Silicium ergibt die getrennten Photodioden und die Emitter und Kollektoren für die Transistoren des Schieberegisters.

Die Fig.5, 6 und 7 zeigen, daß die die Erfindung beinhaltenden Schaltungen unter Verwendung von eimerkettenartigen Schieberegistern oder ladungsgekoppelten Registern hergestellt werden können. Er-

sichtlich können die die Erfindung beinhaltenden Schaltungen und Systeme mit irgendwelchen geeigneten Bauelementen bestückt sein. Ladungsübertragungs bauelemente sind jedoch besonders geeignet, da sie so verwendet werden können, daß sie Ubertragungsregister mit hoher funktioneller Dichte ergeben, die auch die Signale von Stufe zu Stufe mit sehr gutem Wirkungs grad übertragen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche: 23

1. Bildaufnahmeeinrichtung mit einem Feld von in Zeilen und Spalten angeordneten Sensorelementen, S von denen jedes ein Signal in Antwort auf eine empfangene Strahlung erzeugt, einer Mehrzahl von Knotenpunkten, von denen jeder das Signal von jeweils einem der Sensorelemente empfängt, und mit einer Verstärkungseinrichtung für die Signale, dadurch gekennzeichnet, daß von den Sensorelementen (Sn bis S34, Fig.l) die darin erzeugten Signale zu den Knotenpunkten (Nw bis N34) parallel übertragbar sind und das Signal an jedem Knotenpunkt 0Vi 1 bis Nm)zut Eingangsklemme der Verstärkungseinrichtung (16) und von der Ausgangsklemme (25) der Verstärkungseinrichtung zurück zum ursprünglichen Knotenpunkt übertragbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Übertragen der Signale ein Spalten- Ladungsflbertragungsregister (CRi bis CRa) für jede Spalte der Sensorelemente (St \ bis 534) vorhanden ist und daß jedes dieser Register eine Serieneingangsklemme (Ii bis Ia), eine Ausgangsklemme (Oi bis On) und eine Vielzahl von parallelen Signaleingangsklemmen, von denen jede mit einem der Knotenpunkte (Ni 1 bis Na) der entsprechenden Spalte verbunden ist, aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Übertragen der Signale ein

Ausgangs-Ladungsübertragungs-Schieberegister (12) mit einer Mehrzahl von Eingangskiemmen (O\ bis Oa) vorhanden ist, von denen jede mit der Ausgangsklemme eines entsprechenden Spalten-Ladungsübertragungsregisters (CR\ bis CRa) verbunden ist, und eine Ausgangsklemme (14) zum Abgeben der Signale an die Verstärkereinrichtung (16) aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Übertragen weiterhin ein

Eingangs-Ladungsübert-agungs-Schieberegister (18) mit einer Eingangsklemme (h), die an die Ausgangsklemme (25) der Verstärkereinrichtung (16) anschließbar ist, und mit einer Vielzahl von Knotenpunkten (/1 bis Ia), von denen jeder mit der Serien-Eingangsklemme eines entsprechenden Spalten-Ladungsübertragungsregisters (CRi bis CRa) verbunden ist, vorhanden ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung (16) ein Inverter ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen Ausgangsverstärker (15), dessen Eingangsklemme (141) an die Ausgangsklemme (14) des Ausgangs-Schieberegisters (12) anschließbar ist.