DE2602800B2 - Festkörper-Bildsensor - Google Patents

Festkörper-Bildsensor

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Description

25
jo
40
Die Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildsensor entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
F i g. 1 der beigefügten Zeichnungen zeigt eine ladungsgekoppelte Vorrichtung 10, wie sie bei einem 4r> derartigen Bildsensor zur Anwendung gelangt. Die ladungsgekoppelte Vorrichtung besteht aus einem Halbleitersubstrat 1, Sensorbereichen 2 auf dem Halbleitersubstrat, die in zweidimensionalen Bereichen als Bildsensorelemente ausgerichtet sind, vertikalen -)0 Schieberegistern 3 in der Anzahl gleich der der Sensorbereiche 2 in horizontaler Abtastrichtung und einem horizontalen Schieberegister 4 zur Übertragung gespeicherter Träger zu einem Ausgang.
Um ein Ausgangssignal von dem Bildsensor 10 zu ■>.> erhalten, wird zuerst Minoritätsträger, die in jedem Sensorbereich 2 in Abhängigkeit von einer Lichtinformation gespeichert sind, einmal während des Vertikalaustastintervalls eines Fernsehsignals in jeder vertikalen Zeile z;i dem vertikalen Schieberegister 3 (parallele w) Übertragung) übertragen, dann werden die Träger über jedes vertikale Schieberegister 3 in der vertikalen Richtung (serielle Übertragung) sequentiell übertragen, und danach werden die Träger über das horizontale Schieberegister 4 in jeder horizontalen Abtastzeile in μ der horizontalen Richtung ausgelesen. Somit kann ein gewünschtes Ausgangssignal am Ausgang des horizontalen Schieberegisters 4 erhalten werden.
Da die Übertragung gespeicherter Träger bei jeder horizontalen Atastzeile durchgeführt wird, handelt es sich um ein Zwischenzeilen-Übertragungssystem (bzw. Zwischenzeilen-Schiebesystem).
Die Pfeile in Fig. 1 zeigen die Richtung der Trägerübertragung; wenn ein Zeilensprung-Abtastsystem bei der Bildaufnahme angewandt wird, zeigen die gestrichelten Pfeile in F i g. 1 Trägerübertragungen bei bestimmten geradzahligen Halbbildern. Die gespeicherten Träger werden so zu den vertikalen Schieberegistern 3 nur über die durch ausgezogene Pfeile gezeigten Wege bei ungeradzahligen Halbbildern übertragen.
Wenn bei dem bekannten Bildsensor eine ausreichende Auflösung erhalten werden soll, ist es notwendig, daß die Anzahl der BildeJemente möglichst groß ist; ein derartiger Bildsensor ist jedoch nur schwer rißfrei herzustellen. Außerdem ergeben sich bei dem Trägerübertragungswirkungsgrad der vertikalen Schieberegister Schwierigkeiten, die dazu führen, daß sich der Bildsensor vom praktischen Standpunkt aus kaum herstellen läßt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Festkörper-Bildsensor mit Zwischenzeilen-Übertragung derart auszubilden, daß ohne Verschlechterung der vertikalen Auflösung ein großer Trägerübertragungswirkungsgrad erreicht wird.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die vorgeschlagene Ausbildung bewirkt im Vergleich zum Stand der Technik eine Vergrößerung des Elektrodenbereichs an den vertikalen Schieberegistern, ohne daß dadurch die vertikale Auflösung beeinträchtigt wird.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der F i g. 1 bis 9 beispielsweise erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Aufsicht eines Beispiels eines bekannten Festkörper-Bildsensors vom Zwischenzeilenübertragungstyp unter Verwendung einer ladungsgekoppelten Vorrichtung,
F i g. 2A eine Vorderansicht einer Ausführungsform des Festkörper-Bildsensors gemäß der Erfindung,
F i g. 2B, 2C und 2D Schnitte längs der Linien 1-1,11-11 und IH-III der F ig.2A,
F i g. 3 zur Erläuterung der Erfindung eine vergrößerte Darstellung eines Teils der F i g. 2A,
F i g. 4 eine schematische Darstellung eines der Fälle, in denen der Bildsensor der Erfindung in Fig.2A als Fernsehkamera verwendet ist,
F i g. 5 eine schematische Darstellung eines der Fälle, in denen der Bildsensor in Fig. 2A als Farbfernsehkamera verwendet ist,
Fig.6, 7 und 8 Vorderansichten von weiteren Ausführungsformen des Festkörper-Bildsensors gemäß der Erfindung, und
Fig.9A und 9B schematische Darstellungen zur Erläuterung der Wirkungen der Erfindung.
In F i g. 1 sind die Bildelemente der ungeradzahligen Spalten bezüglich der horizontalen Abtastrichtung mit 2a und die Bildelemente der geradzahligen Spalten bezüglich der horizontalen Abtastrichtung mit 2b bezeichnet. Außerdem sind in F i g. 1 die ungeradzahligen horizontalen Abtastzeilen mit 5a und die geradzahligen horizontalen Abtastzeilen mit 5b bezeichnet.
!η F i g. 2A, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, bezeichnet 10 einen Hauptteil einer Ausführungs-Form des Festkörper-Bildsensors gemäß der Erfindung. Wie zuvor erwähnt wurde, sind bei der Erfindung die Bildelemente in jeder zweiten Zeile im Vergleich zu der bekannten Vorrichtung der F i g. 1 angeordnet
Bei dem Beispiel der F i g. 2A sind die Bildelemente auf den geradzahligen horizontalen AbtastzeL'in 5b weggelassen. Somit ist seine Grundrißkonstruktion gleich dev in der Figur gezeigten.
In Fig.2A sind die durch gestrichelte Linien gezeigten Bereiche solche zur Speicherung und Übertragung von Trägern und werden im folgenden als Bildsensor- oder Aufnahmeteile bezeichnet In F i g. 2A bezeichnet Φ, Elektroden zur Speicherung von Trägern und Φι Steuerelektrode^ die an Steuerbereichen 6 zur Verschiebung der gespeicherten Träger zu den vertikalen Schieberegistern 3' vorgesehen sind. Da Fig.2A den Fall zeigt, daß die Träger in einem zweiphasigen Takt übertragen werden, ist jedes der vertikalen Schieberegister 3' mit einem Satz von zwei Elektroden Φι und Φ2 versehen und damit ist die Gesamtanzahl von Elektroden zweimal so groß wie die der Bildelemente in der vertikalen Richtung.
Bei der Erfindung erstreckt sich die Elektrode Φι (oder Φ2) der vertikalen Schieberegister 3' zu dem Bereich, wo das Bildelement weggelassen i t, um den Bereich der Elektrode zu vergrößern. Somit ist jedes Schieberegister 3' in Form eines Zickzackmusters ausgebildet.
Die Querschnittsdarstellungen und die Längsschnittdarstellung des Festkörper-Bildsensors 10, der in der obigen Weise aufgebaut ist, sind in den F i g. 2B, 2C und 2D gezeigt. Bei diesem Beispiel ist ein Halbleitersubstrat mit N-Leitfähigkeit als Hauptleitersubstrat 1 verwendet, und die obenerwähnten Elektroden sind auf die eine Oberfläche 1 η des Halbleitersubstrats 1 an bestimmten Stellen über eine Isolierschicht 7 z. B. aus Siliziumdioxyd SiO2 aufgeschichtet, da solch eine Konstruktion eine Form einer CCD ist, wodurch man den gewünschten Festkörper-Bildsensor 10 erhält. In dem Halbleitersubstrat 1 sind Zonen 8 gebildet, die als Kanalbegrenzer dienen.
Die Leitfähigkeit einer Überlauf-Drainzone 9, die in der Zone 8 gebildet ist, unterscheidet sich von der des Substrats 1 bzw. ist vom P+-Typ. Bei dem gezeigten Beispiel ist die Zone 9 so gebildet, daß ihre Breite sehr viel geringer als die der Zone 8 des Kanalbegrenzers ist, es ist jedoch selbstverständlich möglich, daß die Breite und Form bzw. Anordnung der Zone 9 entsprechend der Abmessung der Zone 8 gewählt werden.
Da die Übertragung von Trägern in dem Festkörper-Bildsensor dadurch verschlechtert wird, daß Träger infolge des Grenzpegels in dem Substrat 1 eingefangen werden, wird der Übertragungswirkungsgrad allgemein durch den »fat zero«-Effekt verbessert, der elektrisch oder optisch hervorgerufen wird, oder durch die ständige Zufuhr einer geringen Menge von Vorspannungsladung zu dem vertikalen Schieberegister 3' hervorgerufen wird. Wenn daher der Bereich der Elektrode des vertikalen Schieberegisters 3' im Zusammenhang mit dem »fat zero«-Effekt ausgedehnt wird, kann der Einfangeinfluß gegenüber den Minoritätsträgern infolge des Grenzpegels weiter verringert und demzufolge der Übertragungswirkungsgrad stark verbessert werden.
Zum Beispiel ist einer der Maßstäbe zur Bestimmung, ob der u'befiiägüngswirküiigägrad hoch oder niedrig ist das Verhältnis von S und /, wobei 5 dem Bereich des vertikalen Schieberegisters 3' und / die Länge ihrer einen Seite (Kante ist die als Trägerauffang wirkt der nicht von dem »fat zero«-Ef5ekt überdeckt werden kann. Hierbei bedeutet die Länge / der Seite, die als Trägerauffang wirkt, die Länge einer Seite, die die Grenzfläche bildet die nicht von dem »fat zero«-Effekt überdeckt wird, in den Grenzflächen der Verarmungsschicht, die durch die Elektrode für die Trägerübertragung verursacht wird. Wenn somit die Richtung der Trägerübertragung gewählt wird, wie durch die Pfeile in F i g. 3 angegeben ist werden die Grenzflächen 9a und 9b, die senkrecht zu der Trägerübertragungsrichtung verlaufen, die durch die Pfeile angegeben ist von dem »fat zero«-Effekt und der Übertragung von Signalträgern überdeckt Daher wird die gesamte Länge der Seiten der Grenzflächen, die nicht zu den obigen Grenzflächen gehören (diese Seiten sind in Fig.3 schraffiert gezeigt) zu einem Problem.
Wenn daher der Bereich S größer ist als die Länge / bzw. wenn das Verhältnis S/l groß ist, wird der Auffangeinfluß an der Grenzfläche klein, und somit kann der Übertragungswirkungsgrad verbessert werden. Es ist daher ersichtlich, daß, wenn der Bereich der Elektrode wie bei der Erfindung erweitert wird, der Übertragungswirkungsgrad wirksam verbessert werden kann. Obwohl später praktische Werte beschrieben werden, ist zu beachten, daß der Übertragungswirkungsgrad um etwa 20 bis 50% im Vergleich zum
so Stand der Technik verbessert werden kann.
Wie zuvor beschrieben wurde, sind bei dem Festkörper-Bildsensor 10 in F i g. 2A die Bildelementc 2 entsprechend der horizontalen Abtastlinie bei jedem weiteren 1 H weggelassen. Wenn somit ein Videoaus-
r> gangssignal unter Verwendung dieses Festkörper-Bildsensors 10 erzeugt wird, genügt es, daß der Bildsensor 10 mit der in Fig.4 gezeigten Schaltung verbunden wird.
In F i g. 4 bezeichnet 21 ein aufzunehmendes Objekt, 22 ein optisches Linsensystem, 23 einen 1 H-Verzögerungskreis, 24 einen Schalter, der jeweils bei 1 H geschaltet wird, und 40 einen Signalmischer. Der Schalter 24 besteht aus einem beweglichen Kontakt 24a, der mit einem Ausgangsanschluß 4Oo verbunden ist, und
4*) festen Kontakten 24o und 24/:. Wenn die Lichtinformationen entsprechend den ungeradzahligen Abtastzeilen 5a als Ausgangssignale ausgelesen werden, ist der Schalter 24 geschaltet, wie F i g. 4 zeigt bzw. dessen beweglicher Kontakt 24a berührt dessen festen Kontakt 24a Wenn die Lichtinformationen entsprechend den geradzahligen horizontalen Abtastzeilen 5b ausgelesen werden, werden diejenigen vor 1 H zu dem Ausgangsanschluß 4Oo geleitet. Im allgemeinen besteht eine vertikale Korrelation, so daß ein wiedergegebenes Bild nicht verschlechtert wird, selbst wenn eine Signalverarbeitung durchgeführt wird.
An Hand der F i g. 5 wird nun dor Fall einer Farbsignalverarbeitung mit dem Festkörper-Bildsensor 10 beschrieben. In der Farbfernsehkamera, die in F i g. 5
W) gezeigt ist, sind drei Festkörper-Bildsensoren 10Λ, 1OG und 1Oi? verwendet, von denen jeder gleich dem oben beschriebenen Bildsensor ist. Monochromatische Filter 25R, 25G und 25 S entsprechend R (rot), G (grün) und B (blau) sind vor den Festkörper-Bildsensoren 10/?, 1OG
b) und lOß angeordnet. Somit werden gewünschte farbgetrennte Bilder der Objekte 21 von den Bildsensoren 10Λ, 1OG und 10ß aufgenommen. In Fig. 5 bezeichnen 26 und 26i? Halbspiegel und 27a und 27b
Spiegel.
Die Lagebeziehungen zwischen den farbgetrennten Bildern und den Bildsensoren 10/? bis lOB sind so gewählt, daß sie um '/3 τ« (wobei τ η den Fluchtungsabstand in der horizontalen Abtastrichtung darstellt) in der horizontalen Richtung gegeneinander verschoben sind, so daß die farbgetrennten Bilder mit einer Phasendifferenz von 120° vom Standpunkt der Phase aus projiziert werden. Videoausgangssignale werden von den jeweiligen Bildsensoren 10Λ bis 10ß sequentiell und abwechselnd ausgelesen und dann über einen Addierkreis 28 und den Signalmischer 40 (der in F i g. 4 gezeigt ist) zu einem Tiefpaßfilter 29 geleitet, dessen Abschneidfrequer.z etwa 20 MHz beträgt. Der Grund, weshalb das Tiefpaßfilter 29 zwischengeschaltet ist, besteht darin, daß die Auflösung in der vertikalen Richtung im Zusammenhang mit der später beschriebenen Konstruktion nicht verschlechtert wird. Zu diesem Zweck werden die unteren Bandkomponenten, die die Auflösung beeinträchtigen könnten, keiner Signalverarbeitung unterzogen.
Das Ausgangssignal des Filters 29 und das Mischsignal des Signalmischers 40 (dessen Band nicht begrenzt ist) werden einem Subtrahierkreis 30 zugeführt, der die obere Bandkomponente abgibt Das Ausgangssignal des Subtrahierkreises 30 wird über einen Verzögerungskreis 32 um 1 H verzögert und dann einem Addierkreis 32 zugeführt, der von dem Mischer 40 mit dem Mischsignal versorgt wird. Somit enthält das Ausgangssignal des Addierkreises 32 die unteren Bandkomponenten, die nicht über das Signalverarbeitungssystem laufen, wird jedoch einem Tiefpaßfilter 33 zugeführt, dessen Abschneidfrequenz 5,0 MHz beträgt Dieses Tiefpaßfilter 33 erzeugt eine modulierte Gleichspannungskomponente. Das Ausgangssignal des Addierkreises 32 wird auch über ein Bandpaßfilter 34 Demodulatoren 35A und 35ß zugeführt, die bestimmte Demodulationsachsen haben und die Farbsignalkomponenten demodulieren. Zum Beispiel demoduliert der Demodulator 35A die Farbsignalkomponente G + ß
während der Demodulator 35ß die
Farbsignalkomponente G-B demoduliert, so daß, wenn diese Farbsignalkomponenten und die modulierte Komponente R+C+B einer Matrixschaltung 36 zugeführt werden, das Leuchtdichtesignal Y und die Farbdifferenzsignale bzw. Farbartsignale R-Y und B- Y z. B. des NTSC-Systems an Ausgangsanschlüssen 36a, 36Z) und 36c erhalten werden können, die von dem Matrixkreis 36 herausgeführt sind.
Wie oben beschrieben wurde, wird der Bildsensor 10 in F i g. 2A verwendet, wenn bei der Bildaufnahme nicht das Zeilensprungsystem angewandt wird. Der FaIL wenn das Zeilensprungsystem angewandt wird, wird an Hand der Fig.6 und der folgenden beschrieben. In solch einem Fall werden die Bildelemente benachbarter horizontaler Abtastperioden zu einem Satz ausgebildet, und diese Sätze von Bildelementen sind abwechselnd angeordnet, um den Festkörper-Bildsensor 10 zu bilden.
F i g. 6 zeigt einen Teil solch eines Bildsensors 10 in vergrößertem Maßstab. Hierbei ist die Überlauf-Drainzone 9 als Zickzackmuster ausgebildet
F i g. 7 zeigt einen Teil eines weiteren Beispiels des Bildsensors 10 in vergrößertem Maßstab. Hierbei sind die Bildelemente abwechselnd längs der beiden Seiten des vertikalen Schieberegisters 3' angeordnet, und die Lichtinformationen von den Bildelementen auf beiden Seiten des vertikalen Schieberegisters 3' bzw. der beiden Spalten werden von einem einzigen vertikalen Schieberegister 3' übertragen. Somit kann bei dem ■> Beispiel der Fig.7 die Anzahl der vertikalen Schieberegister 3' ohne die zuvor beschriebene Wirkung der Erfindung zu verlieren, verringert werden. Außerdem ist das Beispiel der Fig. 7 einfach im Aufbau und damit leicht herzustellen.
Bei dem Beispiel der Fig.7 wird ein Bereich 11, der von den Überlaufzonen 9 umgeben ist, zu einem Einheitsbereich in der horizontalen Abtastrichtung, und es sind ein gemeinsames vertikales Schieberegister 3' und zwei Spalten von Bildelementen in einem Einheitsbereich 11 vorgesehen.
F i g 8 zeigt eine Abwandlung des Festkörper-Bildsensors der F i g. 7.
Wie oben beschrieben wurde, sind bei der Erfindung die Bildelemente bei jeder zweiten horizontalen Abtastperiode weggelassen, und die Elektrode des Schieberegisters ist in den freien Bereich erweitert, so daß der Triigerübertragungswirkungsgrad im Vergleich zum Stand der Technik stark erhöht werden kann. Dies bedeutet, daß bei den Festkörper-Bildsensoren in den Fig.2, 6, 7 und 8 der Trägerwirkungsgrad um etwa 20 bis 50% im Vergleich zum Stand der Technik verbessert werden kann.
Zum besseren Verständnis wird nun der in F i g. 1 gezeigte Stand der Technik mit der in F i g. 7 gezeigten Erfindung beschrieben. Bei dem Beispiel des Standes der Technik, das in Fig.9A gezeigt ist, beträgt das Verhältnis S/I 4,5, jedoch ist bei dem Beispiel der Erfindung /= /, +I2 + h + U=44 (μηι) gegenüber 5= 297 (μίτι), wie F i g. 9B zeigt, so daß das Verhältnis S/l zu 6,8 wird, was bedeutet, daß der Trägerübertragungswirkungsgrad um etwa 50% erhöht ist.
Außerdem nimmt bei der Expansion des Elektrodenbereichs die Anzahl der zu verarbeitenden Träger zu, so daß Störungen verringert werden können.
Wie die Fig.7 und 8 zeigen, kann, wenn die Bildelemente längs der beiden Seiten jedes vertikalen Schieberegisters 3' und abwechselnd bezüglich der vertikalen Richtung liegen, die Anzahl der vertikalen Schieberegisters' um '/2 im Vergleich zu derjenigen der Bildelemente in der horizontalen Richtung theoretisch verringert werden, und auch die Anzahl der Bildelemente selbst kann im Vergleich zum Stand der Technik um V2 verringert werden. Wenn hierbei das Signal unter Verwendung der vertikalen Korrelation verarbeite!
wird, wird die Qualität der wiedergegebenen Bilder kaum verschlechtert- Wenn eine Bildqualität im wesentlichen gleich derjenigen des derzeitigen Fernsehbildes erhalten wird, genügt es, daß die Anzahl dei Bildelemente zu Va derjenigen des Standes der Technik und die Anzahl der vertikalen Schieberegister ir Abhängigkeit von derjenigen der Bildelemente gewähli wird. Wenn z. B. die Anzahl der Bildelemente in dei horizontalen Richtung in der Größenordnung von 28( gewählt wird, kann eine ausreichende Auflösuni erhalten werden. Somit wird die Anzahl der vertikalei Schieberegister 3' bei dem Festkörper-Bildsensor 10 ii der Größenordnung von 140 gewählt
Wie im Zusammenhang mit den Fig.7 und f beschrieben wurde, können die Festkörper-Bildsen soren leicht hergestellt werden.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Festkörper-Bildsensor mit einer Ladungsübertragungs-Vorrichtung, bestehend aus mehreren Bildsensor-Teilen, die in zweidimensionalen Bereichen eines Halbleiterkörpers angeordnet sind, von denen jeder einen Bildsensorbereich und einen Übertragungsbereich hat, mit mehreren vertikalen Schieberegistern, die sich nahe den Bildaufnahmeteilen vertikal erstrecken und von denen jedes mehreie Sätze Elektroden hat, und mit einem horizontalen Register zum parallelen Empfang der aufgenommenen Lichtinformationen von den vertikalen Schieberegistern und zur Weiterleitung der Lichtinformation in serieller Form zu einem Ausgang, dadurch gekennzeichnet, daß die Sätze Elektroden (O\, O2) derart erweitert sind, daß sie gleichmäßig zwischen den BildsensorteiJen (2,6) relativ zu der vertikalen Richtung liegen.
2. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Bildsensorteile, die in der vertikalen Richtung angeordnet sind, eine Gruppe (11) bilden, und daß die Elektrode jedes vertikalen Schieberegisters (3') sich zwischen den Bildsensorteilen jeder Gruppe erstreckt.
3. Bildsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen von Bildsensorteilen in benachbarten Spalten verschachtelt angeordnet sind.
4. Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daS die Bildsensorteile, die in vertikaler Richtung und in einem vertikalen Schieberegister (3') angeordnet sind, ein vertikales Aufnahmeelement bilden, und daß ein Isolierbereich {8) zwischen benachbarten vertikalen Sensorteilen gebildet ist.
20
DE2602800A 1975-01-30 1976-01-26 Festkörper-Bildsensor Expired DE2602800C3 (de)

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