DE2533405C3

DE2533405C3 - Verfahren zum verschachtelten Auslesen einer Ladungsspeicheranordnung

Info

Publication number: DE2533405C3
Application number: DE2533405A
Authority: DE
Inventors: Walter Frank Skillman N.J. Kosonocky (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-07-25
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1978-06-15
Also published as: CA1042102A; FR2280197A1; FR2280197B1; JPS5444413B2; DE2533405B2; NL185970C; US3932775A; AU497072B2; NL7508834A; GB1503820A; JPS5911230B2; AU8287475A; DE2533405A1; NL185970B; JPS5136820A; JPS5484920A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum verschachtelten Auslesen einer Anordnung von Ladungsspeicherstufen, die jeweils mehr als einen Bereich enthalten, in dem Ladung speicherbar ist, bei welchem während erster und zweiter Eingangszeitperioden jeder Stufe Spannungen zugeführt werden, die die Ansammlung eines Ladungssignais in einem entsprechenden Bereich jeder Stufe während der ersten Eingangszeitperiode und die Ansammlung eines Ladungssignals in einem zweiten entsprechenden Bereich jeder Stufe während der zweiten Eingangszeitperiode ermöglichen, und die Werte der Spannungen während erster und zweiter Leseperiode, die auf die ersten bzw. die zweiten Eingangszeitperioden folgen, zum Herausschieben der Ladungssignale aus der Anordnung gesteuert werden, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein verschachteltes Auslesen der einzelnen Stufen einer Ladungsspeicheranordnung kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn es sich bei der Speicheranordnung um ein Bildaufnahmegerät handelt, welches in jeder Stufe die Information eines Bildpunkts als strahliingsabhängig erzeugtes Ladungssignal speichert. Bei Anordnung der Speicherstufen in Form der Zeilen und Spalten eines Fernsehrasters wird ein solches Aufnahmegerät mit dem kommerziellen Fernsehen kompatibel, wenn man die Möglichkeit für eine zeilenweise verschachtelte Auslesung der Stufen gemäß dem Fernseh-Zeilensprungverfahren schafft. Hierzu ist aus der Veröffentlichung »Charge-Coupled Imaging Devices« aus IEEE, Traiis-Elec. Devices (Vol. ED-20, No. 6, Juni 1973) ein Verfahren bekannt, bei dem die Bildpunktc der Zeilen des ersten Halbbildes während einer ersten Eingangszeitperiode durch eine erste Gruppe von Speicherstufen erfaßt werden und dann die dort gebildeten Ladungssignale zur Gänze aus der Anordnung herausgeschoben und verarbeitet werden, bevor sie damit zeilenverschachtelten, zum zweiten Halbbild gehörenden Bildpunkte durch eine zweite Gruppe von Speicherstufen erfaßt werden. Bevor wieder die erste Eingangszeitperiode folgt, werden die zum zweiten Halbbild gehörenden Ladungssignale zur Gänze aus der Anordnung herausgeschoben und verarbeitet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung so zu gestalten, daß die Qualität der am Ende aus der Ladungsspeicheranordnung herausgeschobenen Signale verbessert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Vereinigung und Auslesung von Ladungssignalen aus jeweils zwei nebeneinanderliegenden Bereichen einmal derselben und einmal zweier benachbarter Speicherstufen besteht jedes ausgelesene Signal aus der Summe zweier Teilbeträge, zu deren Speicherung nur jeweils etwa die halbe Spannung notwendig ist. Da die Erzeugung unerwünschter Ladungsmengen (z. B. von sogenannten Dunkclströmen an unbelichteten Speicherstufen im Falle einer Bildaufnahmeordnung) überproportional mit

der an die Stufen gelegten Spannung steigt, werden die Stärke und die Wahrscheinlichkeit solcher unerwünschter Komponenten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verringert

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise zum Auslesen einer Ladungsspeicheranordnung angewendet, deren Stufen aus ladungsgekoppelten Elementen bestehen. Bei einer speziellen Anwendungsart handelt es sich um Elemente, die in zeilen- und spaltenweiser Anordnung eine Matrix bilden und in deren Bereichen sich während der jeweiligen Eingangszeitperioden Ladungssignale entsprechend einer auf die betreffenden Bereiche fallenden Strahlungs'menge ansammeln. Hierbei werden die Werte der an die Bereiche angelegten Spannungen während der ersten bzw. der zweiten Lesezeitperiode so gesteuert, daß die Ladungssignale in den in Spaltenrichtung benachbarten Bereichen derselben Stufe bzw. zweier in Spaltenrichtung benachbarter Stufen vereinigt werden, bevor sie in Spaltenrichtung aus der Anordnung herausgeschoben werden. Eine derartige Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Betrieb der Strahlungsfühlermatrix eines Bildaufnahmegerätes führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Vertikalauflösung und zur Verminderung von Moiremustereffekten bei gleichzeitiger Geringhaltung von Dunkelströmen.

Bei einer anderen speziellen Anwendungsart handelt es sich bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgelesenen Ladungsspeicheranordnung um die ladungsgekoppelten Stufen des Ausgangsregisters einer Matrix aus zeilen- und spaltenweise angeordneten ladungsgekoppelten Bildfühlelementen, wobei diese Stufen parallel jeweils die aus den verschiedenen Spalten der Matrix herausgeschobenen Ladungssignsie empfangen. Hier führt die erfindungsgemäße Ve.einigung von Ladungssignalen aus nebeneinanderliegenden Bereichen einmal jeweils derselben Stufe und einmal jeweils zweier benachbarter Stufen dazu, daß die Horizontalauflösrng verbessert wird und gleichzeitig Moiremustereffekte sowie Störkomponente gering gehalten werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem Bildaufnahmegerät auch gleichzeitig sowohl zum Auslesen der Bildfühlermatrix selbst als auch zum Auslesen des Ausgangsregisters angewendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen, von denen eines zusätzlich noch Maßnahmen zur Verringerung des sogenannten Überstrahlens aufweist, anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekann-•en ladungsgekoppelten Bildaufnahmeeinrichtung;

Fig.2 einen Querschnitt durch einen Teil eines Kanals der Einrichtung gemäß Fig. 1;

F i g. 3a, Fi g. 3b und F i g. 3c eine schematische Darstellung, wie bei einer Einrichtung gemäß der Erfindung eine vertikale Verschachtelung erreicht werden kann;

F i g. 4 eine zur weiteren Erläuterung der Vertikalverschachtelung dienende Darstellung von Elektroden und fto Oberflächenpotentialprofilen;

F i g. 5 eine graphische Darstellung des Verlaufes von Signalen, die beim Betrieb der in F i g. 4 dargestellten Einrichtung verwendet werden;

F i g. 6 eine schematische Darstellung einer Einrich- '·> tung, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann, um eine Horizontalverschachtelungzu erzielen;

F i g. 7 eine schematische Darstellung einer Elektrodenstruktur für ein Ausgangsregister der Einrichtung gemäß Fig.6 und von Potentialprofilen, die während des Betriebes auftreten;

F i g. 8 eine etwas vereinfachte, realistischere Darstellung des Aufbaues eines Ausgangsregisters, wie es zur Realisierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;

F i g. 9 eine graphische Darstellung des Verlaufes von Signalen, wie sie im Bereich von Ausführungsbeispielen der Erfindung auftreten, und

Fig. 10 eine schematische Darstellung von einer Elektrodenstruktur und Potentialprofi.'en, die bei einer Ausführungsform der Erfindung auftreten, welche einen gewissen Grad von Überstrahlungskontrolle gewährleistet

Die in F i g. 1 dargestellte bekannte Einrichtung kann als ladungsgekoppelte Einzelbild- oder Rasterübertragungsbildaufnahmeeinrichtung bezeichnet werden und enthält eine photoempfindliche Anordnung oder Matrix 10, eine Temporär- oder Zwischenspeichermatrix 12 mit der gleichen Anzahl von Plätzen wie die Matrix 10, und ein Ausgangsregister 14, das ebensoviele Stufen hat, wie die Matrizen 10 und 12 Spalten. Die Matrizen 10,12 und das Ausgangsregister 14 werden manchmal auch als A, B- bzw. C-Register bezeichnet. Bei dem dargestellten Zweiphasensystem enthält jede Stufe oder jeder Platz zwei Elektrodenanordnungen K und L Wie F i g. 2 zeigt, kann eine Elektrodenanordnung, wie die Elektrodenanordnung K, bei nur zwei Phasensystemen zwei Elektroden k\ und 2 enthalten. Die Elektrode Jt₂ kann aus polykristallinem oder Polysilicium, und die Elektrode K^] aus Polysilicium oder Aluminium bestehen und beide Elektroden werden mit derselben Phasenspannung Φαι beaufschlagt. Die Elektrodenanordnung L ist entsprechend aufgebaut und wird durch die andere Phasenspannung Φα2 gesteuert. Hinsichtlich der Einrichtungen gemäß dieser und den folgenden Figuren wird angenommen, daß das Substrat η-leitend ist, man kann selbstverständlich statt dessen auch ein p-leitendes Substrat verwenden, wenn man die Betriebsspannungen entsprechend wählt.

Bei konventionellem, ohne vertikale oder horizontale Verschachtelung arbeitenden Betrieb kann die Elektrodenanordnung K während der sogenannten »Integrationszeitspanne«, die in der Photographic der Belichtungszeit entspricht, auf einem solchen Spannungswert gehalten werden, daß bei der Oberfläche des Substrats Potentialmulden erzeugt werden. Die Elektrodenanordnung L kann auf einem solchen Spannungswert gehalten werden, daß zwischen den Potentialmulden Potentialberge oder Potentialbarrieren entstehen. Der Übergang von Ladungen aus einem Kanal in den nächsten Kanal wird durch nicht gesondert dargestellte »Kanalsperren« verhindert. Unter diesen Umständen bewirkt eine Strahlungsenergieverteilung, z. B. ein Bild aus sichtbarem oder infrarotem Licht, die auf die Matrizen fällt, daß in den jeweiligen Photosensorplätzen Ladungen erzeugt und angesammelt werden, die Ladungssignale darstellen. Die Anzahl der sich während der Integrationszeit an den verschiedenen Plätzen ansammelnden Ladungsträger ist proportional dem Betrag der den betreffenden Platz erreichenden Strahlungsenergie und damit wiederum proportional der Strahlungsintensität und der Dauer der Integrationszeit. Die Matrix 12 und das Register 14 sind abgeschirmt, so daß die Strahlung dieser Anordnung nicht erreichen kann.

Am Ende der Inteerationszeit werden Hip I «Ηιιησς-

träger von der Photosensor-Matrix 10 in die Zwischenspeicher-Matrix 12 übergeführt. Diese Überführung erfolgt bei dem dargestellten Beispiel durch Verschiebung mittels zweier Gruppen von Phasenspannungen Φα\, Φα2, Φβ\, Φβι (mit praktisch dergleichen Gatter- s struktur währe auch ein Vierphasenbetrieb möglich). Während des Verschiebungsvorganges sind Φα\ — Φβ\ und ΦAi = Φβ2· Nachdem die durch die Matrix 10 wahrgenommene Information als Ganzes in die Zwischenspeichermatrix 12 verschoben worden ist, wird ι ο sie jeweils Zeile für Zeile (oder Reihe für Reihe) von der Zwischenspeichermatrix 12 in das Ausgangsregister 14 verschoben. Während die Signale von der Zwischenspeichermatrix 12 in das Ausgangsregister 14 verschoben werden, kann die Photosensor-Matrix wieder in den auinahmebereiten Zustand gebracht werden und ein Lichtbild empfangen.

Die Verschiebung des Inhalts der Zwischenspeichermatrix 12 in das Ausgangsregister 14 wird durch die Zweiphasenspannungen Φβ\, Φβ2 bewirkt. Nachdem die einzelnen Zeilen von der Zwischenspeichermatrix 12 parallel in das Ausgangsregister 14 verschoben worden sind, werden sie jeweils durch zwei verschiedenphasige Spannungen Φα, Φα vom Ausgangsregister 14 serienmäßig auf eine Ausgangsleitung 20 übertragen. Die letzterwähnten Spannungen haben selbstverständlich eine viel höhere Frequenz als die zweiphasigen Spannungen Φβ\, Φβ2, so daß eine Entleerung des Ausgangsregisters 14 vor dem Eintreffen der nächsten Informationszeile gewährleistet ist. w

In der Praxis kann der Inhalt der Photosensormatrix 10 in die Zwischenspeichermatrix 12 während einer Zeitspanne verschoben werden, die der Vertikalaustastzeil beim komerziellen Fernsehen entspricht, d. h. während einer Zeitspanne von z. B. 900 μβ. Das Speichern der Information im Ausgangsregister 14 kann z.B. 10 μ5 dauern und der Zeilenrücklaufzeit entsprechen und das bitweise Verschieben seines Inhalts zur Ausgangsklemme kann während einer Zeilenperiode (z. B. 50 μβ) erfolgen.

Die vertikale Verschachtelung der aus der Einrichtung gemäß Fig. 1 herausgelesenen Information kann ähnlich erfolgen, wie es in der Veröffentlichung »Cahrge-Coupled Imaging Devices« IEEE, Trans-Elec. Divices, Vol. ED-20, No. 6, Juni 1973, beschrieben ist. Während jeder zweiten Bild- oder Rasterperiode findet eine Ladungsintegration unter der Elektrodenanordnung K statt, während die Elektrodenanordnung L auf einer solchen Spannung gehalten wird, daß Barrieren zwischen den Aw-Elektrodenanordnungen enstehen. Nach der Ansammlung von Ladungen während der Integrationszeit werden diese Ladungen in ihrer Gänze von der Matrix 10 in die Matrix 12 und dann von letzterer zeilenweise ir, das Ausgangsregister 14 verschoben, wie bereits erläutert wurde.

Während des Auslesens der Zwischenspeichermatnx 12 läßt man in der Photosensormatrix 10 sich ein zweites Raster von Information ansammeln. Während dieses zweiten Rasters oder Teilbildes sammeln sich die Ladungen nun unter dem L-Elektrodenanordnungen, anstatt unter den K-Elektrodenanordnungen an und letztere werden auf einer Spannung gehalten, die Barrieren zwischen den L-Elektrodenanordnungen entstehen läßt

Bei der oben beschriebenen Einrichtung hat das fts Ausgangsregister 14 ebensoviele Stufen, wie die Matrix Spalten hat, gleichgültig ob mit Vertikalverschachtelung gearbeitet wird oder nicht. Bei der in F i g. 1 dargestellten Einrichtung hat die Anordnung alsc (^-Spalten und das Ausgangsregister 14 hat (?-Stufer Die Information aus der l-ten Spalte der Anordnunj oder Matrix wird in die i-te Registerstufe verschoben wobei i eine ganze Zahl mit dem Wert 1,2,3 .. .Q ist.

Fig. 3 zeigt schemalisch, wie die Vertikalverschach telung bewirkt wird. Jede Elektrodenanordnung is durch einen einzigen Block dargestellt, wobei de Hauptteil des Blockes, unter dem die Ladungsansamm lung stattfindet, mil Ai oder /2 und ein kleiner Teil jede; Blockes, unter dem die Potentialwelle oder Barriercr gebildet werden, mit k\ oder l\ bezeichnet sind. Fig. 3; zeigt die Verhältnisse während der Ladungsintegra tionszeit. Fig.4 zeigt das Gleiche bei a. Die Potential· oder Spannungen Φα\ und Φαί haben während dei integrationszeit solche Werte, daß sich Ladungen untei jeder Polysiliciumelektrode ansammeln. Es sammelr sich also Ladungen unter den Elektroden h und untei den Elektroden ki an. Die Aluminiumelektroden k\ unc /1 haben einen genügenden Abstand vom Substrat, da; bei den für die Spannungen Φα\ und Φαί verwendeter Werte Potentialwellen zwischen den Potentialmulder vorhanden sind, wie F i g. 4 zeigt.

Man beachte, daß bei der vorliegenden Anordnung gemäß der Erfindung während der Integrationszei doppelt so viele Potentialmulden vorhanden sind als in bekannten Falle. Wie gleich erläutert wird, werden nach der Integration die in jedem Paar von Mulder vorhandenen Ladungen in einer einzigen Mulde vereinigt. Dies bedeutet, daß die anfänglichen Potential mulden relativ flach sein müssen (nicht tiefer als di( Hälfte der Mulde, in dem das jeweilige Paar vor Ladungssignalen später vereinigt wird). Die zur Zeugung dieser flachen Mulden erforderliche Spannung ist relativ niedrig und dies stellt hinsichtlich de Betriebes einen wichtigen Vorteil dar. Die Verwendung niedriger Spannungen während der Integrationszeit führt zu relativ niedrigen Dunkelströmen (Dunkelströme lassen Ladungssignale aufgrund anderer Ursachen als der interessierenden Strahlung entstehen. Dunkelströme können z. B. durch Wärmeeffekte entstehen und im wiedergegebenen Bild eine unerwünschte Aufhellung, z. B weiße Flecken, zur Folge haben). Untersuchungen haben gezeigt, daß die Amplitude der Dunkelstromimpulse mit Erhöhung der während der Integrationszeit verwendeten Spannung sehr rasch und in nichtlinearer Weise ansteigt.

DieFig. 3c und 4b zeigen, wie die Information für alternierende Raster oder Teilbilder, die willkürlich mit »Teilbild 1« bezeichnet werden sollen, erhalten werden Am Ende der Integrationszeit wird die Spannung, die den Elektroden K für die eine Phase zugeführt wird erhöht, während die Spannung, die den Elektroden L für die Phase 2 zugeführt wird, unverändert bleibt. Dies ist in den Diagrammen der Fig.5 durch den Doppelpfeil mit der Beschriftung »Ladungsverschiebung zu den K-Mulden« dargestellt Die Folge dieser Spannungswertänderung besteht darin, daß die vorher unter den Elektroden L befindlichen Ladungen unter die Elektroden K geschoben werden, wie dies durch die Schraffierung in F i g. 3c dargestellt ist

Das mit dem eben beschriebenen Teilbild verschachtelte Teilbild wird in ähnlicher Weise erhalten. Während der zweiten Integrationszeit läßt man Ladungen sich in der gleichen Weise ansammeln, wie es in den Fig.3a und 4a dargestellt wird und verschiebt diese dann wie in den F i g. 3b und 4c dargestellt ist. Diese Verschiebung erfolgt dadurch, daß man die Spannung an den

Elektroden L erhöht, während die Spannung an den Elektroden K unverändert bleibt. Dies ist in K i g. 5 durch den Doppelpfeil mit der Bezeichnung »Ladeverschiebung zu dem λ-Mulden« ebenfalls dargestellt.

Der letzte Teil der Fig.4 zeigt bei dschematisch die in der eben beschriebenen Weise bewirkte Vertikalverschachtelung. Die Kreuze steüen die »Schwerpunkte« für die willkürlich mit »Teilbild 2« bezeichneten Teilbilder und Raster dar, während die Schwerpunkte der willkürlich mit »Teilbild I« bezeichneten Teilbilder oder Raster durch Kreise dargestellt sind.

F i g. 6 zeigt schematisch eine Struktur, mit der gemäß der Erfindung eine horizontale Verschachtelung bewirkt werden kann. Es sind ein Teil der letzten beiden Zeilen der Matrix 12 und ein Teil des Ausgangsregisters 14 dargestellt. Im bekannten Falle ist eine Registerstufe pro Kanal vorgesehen. Bei der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist für jeweils zwei Kanäle eine Registerstufe vorhanden, d. h. eine halbe Registerstufe pro Kanal. Die Arbeitsweise ist in F i g. 7 dargestellt. Anfänglich sind die Spannungen Φα und Φα verhältnismäßig hoch und haben solche Werte, daß sich Potentialmulden unter jeder der Elektroden bilden, die sich verhältnismäßig nahe beim Substrat befinden und daß sich Potentialwellen zwischen diesen Mulden bilden, d. h. unter jeder Elektrode, die verhältnismäßig weit vom Substrat entfernt ist Das Oberflächenpotential ist in F i g. 7 bei a dargestellt Wenn eine Zeile Information in das Ausgangsregister übertragen wird, füllt sich jede Potentialmulde in einem Ausmaß, daß von der von der Spalte übertragenen Ladungsmenge abhängt.

Nach der anfänglichen Übertragung einer horizontalen Zeile des Teilbildes 1 in das Ausgangsregister 14 werden die Spannungen Φα und Φα zuerst etwas herabgesetzt, die Mulden und Wall-Oberflächenpotentiale nehmen beide ab, die relative Tiefe der Mulden bleibt jedoch gleich; dann wird die Spannung Φα erhöht, während die Spannung Φα auf dem herabgesetzten Wert bleibt. Dies bewirkt die Übertragung von Ladungen von jeder Ausgangsregisterstufenhälte a in die folgende Ausgangsregisterstufenhälfte b, wie in F i g. 7 bei (b) dargestellt wird. Z. B. werden die Inhalte der Halbstufen J₃ und Jb in der Potentialmulde der Stufenhälfte Jb vereinigt Die so angesammelten Ladungen werden anschließend mit hoher Geschwindigkeit aus dem Ausgangsregister herausgeschoben, wie in F i g. 9 schematisch angedeutet ist Der Vorgang setzt sich fort, bis das ganze Teilbild 1 zeilenweise oder zeilenparallel in das Ausgangsregister und dann seriell aus dem Ausgangsregister heraus verschoben worden ist

Das mit dem oben beschriebenen Teilbild horizontal verschachtelte Teilbild wird in entsprechender Weise gewonnen. Nach einer zweiten Integrationszeit erfolgt zuerst eine Ladungsübertragung in der gleichen Weise, wie es anhand von Fig.7a erläutert wurde. Die angesammelten Ladungen werden dann jedoch von den Halbstufen b in die nachfolgenden Halbstufen a verschoben. Z. B. wird, wie in F i g. 7c dargestellt ist, der Inhalt der Halbstufe (J—\)b in die Halbstufe /, verschoben und diese Verschiebung erfolgt dadurch, daß zuerst Φα und Φα verringert werden und dann der Wert der Spannung Φα verhältnismäßig groß gemacht wird, während die Spannung Φα auf ihrem herabgesetzten Wert gehalten wird Dieser Prozeß dauert an, bis das ganze Teilbild 2 zeilenweise parallel in das Ausgangsregister und aus diesem seriell heraus verschoben worden ist

Fig. 7 zeigt bei t/ die in der oben erläuterten Weise erhaltene horizontale Verschachtelung. Die Kreise stellen die »Schwerpunkte« der willkürlich mit »Teilbild 1« bezeichneten alternierenden Teilbilder und die Kreuze die Schwerpunkte der willkürlich mit »Teilbild 2« bezeichneten Teilbilder dar.

In F i g. 8 ist das Ausgangsregister etwas wirklichkeitsgetreuer dargestellt als in den vorangegangenen Figuren. Mit 80 ist die Polysiliciumelektrode der letzten

ίο Zeile der Zwischenspeichermatrix 12 bezeichnet. Diese Elektrode 80 wird von einer zweiten Elektrode 82 überlappt, die z. B. aus Polysilicium oder Aluminium bestehen kann. Das Ausgangsregister enthält u. a. Elektroden 84 bis 87 aus Polysilicium oder Aluminium und Elektroden 88 bis 91 aus Polysilicium.

Das Ausgangsregister kann ferner eine schwimmende Diffusionszone 92, eine Kollektor- oder Drain-Diffusionszone 94 und eine Gate-Elektrode 96 enthalten.
Bei der folgenden Erläuterung der Arbeitweise der in F i g. 8 dargestellten Anordnung wird auch auf F i g. 9 Bezug genommen. Wenn eine Ladungssignalzeile die letzte Polysiliciumelektrode 80 erreicht, erhält die zweite Elektrode 82 (Übertragungselektrode) einen negativen Spannungsimpuls Φβα wie beispielsweise bei 100 in Fig.9 dargestellt ist. Dieser Impuls 100 nimmt seinen negativen Wert an, während Φβι negativ ist und bleibt noch negativ, nachdem sich Φ& in positiver Richtung geändert hat. Durch diesen zeitlichen Verlauf wird verhindert, daß sich Ladung, die in das Ausgangsregister übertragen worden ist, zurück zu den Kanälen abgewandt Sowohl Φα als auch Φα sind während mindestens eines Teiles des negativen Impulses Φβε negativ. Dies gewährleistet, daß die Ladungssignalzeile beim Enden des negativen Impulses Φβο in das Ausgangsregister 14 übertragen wird. Der Spannungswert bei 100 kann so gewählt werden, daß die Potentialmulde unter der Elektrode 82 flacher ist, als die unter den Polysiliciumelektroden des Ausgangsregisters und tiefer als die unter der Polysiliciumelektrode 80.

Nach dem Enden des Impulses 100 ändert sich die Spannung Φβι in positiver Richtung, während die Spannung Φ_α ihren relativ negativen Wert beibehält. Dies hat zur Folge, daß der Inhalt der durch die Elektroden Φ_α gesteuerten Halbstufe unter die Elektroden Φα verschoben wird. Dies unterscheidet sich etwas von der in F i g. 7 dargestellten Arbeitsweise, die Wirkung ist jedoch die gleiche. In Fig.7 ist das Oberflächenpotential unter allen Elektroden mit dem Index b anfänglich hoch. Die Vereinigung wird dadurch erreicht daß man zuerst Φα und Φα herabsetzt, um die Oberflächenpotentiale unter den b-Elektroden abzusenken und dann eine der Phasenspannungen erhöht (negativer) macht während die andere Phasenspannung auf dem herabgesetzten Wert bleibt; in F i g. 9 wird die

SS Vereinigung dadurch bewirkt, daß man die eine der

Phasenspannungen verringert (relativ positiver macht),

während die andere Phasenspannung unverändert bleibt

Nachdem die Ladungen in der eben beschriebenen

Weise vereinigt worden sind, werden die vereinigten Ladungen mit hoher Geschwindigkeit aus dem Aus gangsregister 14 herausgeschoben. Jedesmal, wenn eine Ladung die schwimmende Diffusionszone 92 erreicht erzeugt sie ein Signal auf einer Ausgangsleitung 102, die zu einer nicht dargestellten Ausgangsverstärkerstufe führt Kurze Zeit später wird die Gate-Elektrode 96 erregt, um einen leitenden Kanal zwischen der schwimmenden Diffusionszone 92 und der Drain-Diffu-

sions2:one 94 herzustellen, um das Potential der Diffusionszone 92 auf einen Bezugswert zu bringen. Der restliche Arbeitsablauf läßt sich ohne weiteres aus den in F i g. 9 dargestellten Signalverläufen entnehmen.

Der Beginn der Übertragung der das Teilbild 2 bildenden Zeilen in das Ausgangsregister wird durch den 4>ß(~Impuls 104 angezeigt Die Vereinigung der übertragenen Ladungen von zwei Halbstufen mit dem Index 6 in solche mit dem Index a ist im Bereich 106 der Spannung Φ_Ώ in F i g. 9 dargestellt. Im übrigen läßt sich der Fiiinktionsablauf ohne weiteres aus Fig.9 entnehmen.

Fig. 10 zeigt eine Struktur, die das Überstrahlen (Aufblühen) während der in Verbindung mit den F i g. 3 bis 5 erläuterten Vertikalverschachtelung verringert. Auch hier wird das Substrat als η-Leitend angenommen. Bei der Anordnung gemäß Fig. 10 werden die Aluminiumelektroden während der Integrationszeit auf einer Spannung V gehalten, die genügend positiv (relativ) betrachtet, ist, um die Ansammlung von Majoritätsträgern (Elektronen) im Substrat zu bewirken. Diese Spannung kann einen Wert von 0 Volt (unter der Annahme, daß das Substrat auf OVoIt gehalten wird) oder einen kleinen positiven Wert (wie etwa 1 bis 5 Volt) haben. Wenn intensive Strahlung auftritt, wie in Fig. 10 durch Pfeile dargestellt ist, werden einige der Minoritätträger (Löcher), die sonst auf einer Potentialmulde in benachbarte Potentialmulden überfließen würden, mit den Majoritätsträgern in den Ansammlungsbereichen unterhalb der Aluminiumelektrode;* rekomibinieren, wie in Fig. 10 dargestellt ist. Wenn die Ladungssignale in der oben beschriebenen Weise vereinigt und verschoben werden sollen, werden die Aluminiumelektroden mit den Klemmen für die mehrphasigen Spannungen verbunden, wie schematisch durch die Symbole für mechanische Schalter angedeutet ist. Selbstverständlich wird dies in der Praxis mit elektronischen Schaltern und Schaltungsanordnungen bewirkt.

Im vorstehenden wurde eine sowohl horizontale als auch vertikale Verschachtelung der Ladungsverteilungen beschrieben; selbstverständlich läßt sich die Erfindung sowohl für eine solche kombinierte Verschachtelung als auch für eine der beiden Verschachtelungsarten allein verwenden.

Anstelle der beschriebenen ladungsgekoppelten Bildaufnahmeeinrichtungen mit η-leitendem Substrat läßt sich die Erfindung selbstverständlich auch bei Einrichtungen mit p-leitenden Substraten verwenden, und sie eignet sich für ladungsgekoppelte Einrichtungen sowohl mit Oberflächenkanal als auch mit verdecktem Kanal, mit der Ausnahme des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 10, das in erster Linie bei Einrichtungen mit Oberflächenkanal anwendbar ist. Der Erfindungsgedanke ist auch auf Vierphasensysteme anwendbar, und kann dann mit einer entsprechenden Elektrodenstruktur realisiert werden.

Zu den beschriebenen speziellen Zweiphasenelektrodenstrukturen gibt es selbstverständlich ebenfalls Alternativen. Z. B. kann man asymmetrische Potentialmulden erzeugen, indem man die beiden Elektroden jedes Paares mit verschiedenen Gleichspannungen vorspannt und die Aluminiumelektroden können den gleichen oder einen größeren Abstand vom Substrat haben, als die Polysiliciumelektroden. Asymmetrische Potentialmulden kann man auch dadurch erhalten, daß man die Ladung entweder in das Substrat unter die eine der Elektroden jedes Elektrodenpaares bringt, oder indem man eine geeignete Isolation mit eingebauter Ladung verwendet, die unter der einen Elektrode eines Paares einen anderen Wert hat, als unter der anderen Elektrode des Paares. Man kann auch andere Metalle aus Aluminium verwenden. Wenn nur Polysiliciumelektroden verwendet werden, kann man Aluminiumanschlüsse für die Elektroden sowie für die Source- und Drain-Diffusionszone und das Substrat benützen.

Beim Betrieb der erläuterten Einrichtung ist es wichtig, daß die Raster oder Teilbilder bei der Wiedergabe auf einer Wiedergabeeinrichtung, wie einer Fernsehbildröhre, in der gleichen relativen Lage erscheinen, wie Schwerpunkte der Teilbilder während der Integrationszeit der betreffenden Teilbilder. Dies entspricht dem, was beim kommerziellen Fernsehen geschieht

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum verschachtelten Auslesen einer Anordnung von Ladungsspeicherstufen, die jeweils mehr als einen Bereich enthalten, in dem Ladung speicherbar ist, bei welchem während erster und zweiter Eingangszeitperiode jeder Stufe Spannungen zugeführt werden, die die Ansammlung eines Ladungssignals in einem entsprechenden Bereich jeder Stufe während der ersten Eingangszeitperiode ι ο und die Ansammlung eines Ladungssignals in einem zweiten entsprechenden Bereich jeder Stufe während der zweiten Eingangszeitperiode ermöglichen, und die Werte der Spannungen während erster und zweiter Lesezeitperioden, die auf die ersten bzw. zweiten Eingangsszeitperioden folgen, zum Herausschieben der Ladungssignale auf der Anordnung gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen (Φαι, Φαί, Φα, Φα) jedem Bereich (K, L, J₁, Jb usw.) einer Stufe (die Stufe eines Kanals in der Matrix 10; die Stufe 1 ... Q im Ausgangsregister) sowohl während der ersten als auch während der zweiten Eingangszeitperioden zugeführt werden, um die Ansammlung eines Ladungssignales in jedem Bereich während jeder ²S Eingangszeitperiode zu ermöglichen; daß die Werte der Spannungen während der ersten Lesezeitperiode so gesteuert werden, daß das angesammelte Ladungssignal von einem Bereich (K; J₁) jeder Stufe in einen benachbarten Bereich (L; Jb) derselben Stufe v> verschoben und die Ladungssignale vor ihrem Herausschieben aus der Anordnung (Kanal 1, Kanal 2 .... Kanal Q; Ausgangsregister) vereinigt werden; und das die Werte der Elektrode k\ der zweiten Leseperiode so gesteuert werden, daß das angesammelte Ladungssignal von einem Bereich (L, Jb) jeder Stufe in einen benachbarten Bereich (K; (J+\)_a) einer benachbarten Stufe zur Vereinigung der Ladungssignale vor dem Heraasschieben der Ladungssignale aus der Anordnung verschoben wird. -1°

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Auslesen einer Ladungsspeicheranordnung angewendet wird, deren Stufen aus ladungsgekoppelten Elementen bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Auslesen einer Ladungsspeicheranordnung (10) angewendet wird, deren Stufen eine Matrix aus zeilen- und spaltenweise angeordneten ladungsgekoppelten Elementen bilden, ii. deren Bereichen (K, L) sich während der jeweiligen Eingangszeitperioden Ladungssignale entsprechend einer auf die betreffenden Bereiche fallenden Mengen an Strahlungsenergie ansammeln, wobei die Werte der an die Bereiche angelegten Spannungen (Φα\, Φαί) während der ersten bzw. der zweiten Lesezeitperiode so gesteuert werden, daß die Ladungssignale in den in Spaltenrichtung benachbarten Bereichen derselben Stufe bzw. zweier in Spaltennchtung benachbarter Stufen (z. B.

k\ und /ι bzw. /1 und fo) vereinigt werden, bevor sie in Spaltenrichtung aus der Anordnung herausgeschoben werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es /um Auslesen einer Ladungsspeicheranordnung (14) angewendet v,jrd, ^Λ5 deren Stufen (J, /+1, ...) als ladungsgekoppelte Elemente das Ausgangsregister einer Matrix (10) aus zeilen- und spaltenweise angeordneten ladungsgekoppelten Bildfühlelementen bilden und parallel jeweils die aus den verschiedenen Spalten der Matrix herausgeschobenen Ladungssignale empfangen.