DE2622828B2

DE2622828B2 - Verfahren zum betreiben von bildfuehlern

Info

Publication number: DE2622828B2
Application number: DE19762622828
Authority: DE
Inventors: Peter Alan Trenton N.J. Levine (V-StA.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1975-05-21
Filing date: 1976-05-21
Publication date: 1977-12-01
Also published as: US3953733A; DE2622828A1; IT1060656B; CA1103346A; FR2312147B1; JPS51142908A; DE2622828C3; FR2312147A1; GB1531920A; NL188261C; NL7605367A; NL188261B

Description

u: „„«.Kar»

SSÄ·» ⁰T ^des;^{n Rede}

Tvos kann verbessert werden, indem man der sogenannten Integrationszeit die Kapazi-^Wf Her LadungSJeicherelemente an jeder Speicher^{tat d} c LmXelle des Bildfühlers verändert. Das ?^er „^Sr_s e indungsgemäßen Verfahrens, dem diese Prinzip des eriinaug β Patentanspruch i

Erkenntnis ^zuf^rU^_z2' Ausführungsformen eines KTÄhE sind in den Unteransprüchen

nach Anspruch 1, dadurch gekennze^daß daⁿs^aA^hns^Aamme.n von Lad₌äjern und das Entfernen derjenigen d.eser Ladungsträger die über eine erste Anzahl hinausgehen durch Verwendung einer Speichereinrichtung gegebene Kapazität erfolgt und durch anschließende Vermin derung der Kapazität dieser Speichereinrichtung unter "gleichzeitigem Entfernen aller überschussigen Ladungsträger, die über das verminderte Maß der Kapazität der Speichereinrichtung hinausgehen, ιund daß zum weiteren Ansammeln von Ladungsträgern und Entfernen derjenigen dieser Ladungsträger, die über eine zweite Anzahl hinausgehen, wahrend des folgenden Teils der Integrationszeit zunächst ύlie Kapazität der Speichereinrichtung an jeder Fuhlstel Ie erhöht wird und dann die Kapazität der Speichereinrichtung auf ein zweites Maß vermindert wird, welches höher als das erste verminderte MaIJ ist, und diejenigen Ladungsträger entfernt werden die über die auf das zweite Maß verminderte Kapazität der Speichereinrichtung hinausgehen.

3 Verfahrennach Anspruch 1 zum Betreiben eines Bildfühlers, der ein Substrat und gegenüber diesem Substrat isolierte Elektroden aufweist, denen wanrend einer Integrationszeit eine Spannung anlegbar ist um im Substrat nahe den Elektroden Verarmüngszonen zu schaffen, die als die Speichereinrichtungen zum Ansammeln strahlungsinduzierter Ladungsträger dienen, dadurch gekennzeichnet, dau der Schritt des Ansammeins von Ladungsträgern darin besteht, an die Elektroden eine sich mit der Zeit erhöhende Spannung zu legen, um die Meten der Verarmungszonen im Substrat in entsprechender Weise zu vergrößern, und daß der Schritt des weiteren Ansammeins von Ladungsträgern dann besteht, während des folgenden Teils der Integrationszeit an die Elektroden eine Spannung zu legen, die ebenfalls mit der ZeK ansteigt.

°^f ηί Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbei-

• ι η »nhand von Zeichnungen näher erläutert. ^Spl _F ^ee _e t zeTgt einen Schnitt durch einen CCD-Kanal • 1 rireiohasig gesteuerten Bildfühlgeräts und veran-Xulth 'Kern das Profi, des Flächenpotentia.s

ch, rat während der Integrationszeit; ^am _F1g 2 zeTgt Wellenformen zur Erläuterung des Rpiriebs des Geräts nach F i g. 1;

π"ο \ 7eiet den Dunkelstrom als Funktion der an eine Übertragungselektrode (Übergabeelektrode) ge ^l^^SP!T

^gp^4ze!sTdie Wellenform, die verwendet wird, um die hier behandelte Verbesserung des Betriebs zu

Fi e 5 zeigt eine Potentialgrube unterhalb einer Ladungsspeicherelektrode während aufeinanderfolgen-Mpn ZeitDuHcten eines Integrations.ntervalls, wenn df! ElXode gemäß dem Stand der Technik auf in einem festen Potential gehalten wird;

Fi ε 6 veranschaulicht die Arbeitsweise unter den deichen Bedingungen wie in Fig.5, jedoch bei Verwendung der erfindungsgemäßen Betriebsart;

Fig 7 zeigt in einer graphischen Darstellung die J₅ Szenenhelligkeit unter mehreren angenommenen Um-

Fi e 8 zeigt das Bildausgangssignal (Video-Ausgang), wie es an aufeinanderfolgenden Stellen längs e.ner Ze.le eines Bildfühlgeräts unter den in F ι g. 7 angenommenen Bedingungen erhalten wird;

Fie 9 veranschaulicht anhand von Wellenformen,

wie der Aussteuerungsbereich vergrößert werden kann;

F i e 10 zeigt dieselben Variablen wie F ι g. 8, jedoch

für den Fall, daß die Wellenformen nach Fig.9

« verwendet werden;

Fie 11 bis 13 und 17 zeigen andere Wellenformen,

mit deren Verwendung der Aussteuerungsbereich

vergrößert werden kann, wobei die Fig. 13 auch e.ne

Wellenform zeigt, die zur Gammakorrektur herangezo-

^r)0 gen werden kann;

Fig 14 zeigt in einer graphischen Darstellung die Helligkeit als Funktion der Amplitude des ansteuernden Signals für eine Bildröhre;

pig 15 zeigt die Ausgangsgroße einer CCD-Kamera « einmal im gammakorrigierten Fall und einmal im unkorrigiertenFall; ,

F i g 16 zeigt einen Schnitt quer zu einem CCD-Kanal eines Bildfühlgeräts sowie bestimmte Profile des Flächenpotentials am Substrat während der Integra-

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Betreiben von Bildaufnahmegeräten wie z. B. von Bildfühlern, die aus ladungsgekoppelten Elementen bestehen. Für den Begriff »ladungsgekoppelte Elemente« wird nachfolgend auch die aus der angelsächsischen Fachsprache entlehnte und mittlerweile auch hierzulande gebräuchliche Kurzbezeichnung »CCD« (Charge

onszeu.

Der im oberen Teil der F i g. 1 gezeigte CCD-Bildfühler enthält ein Substrat 10 vom P-Typ und eine Vielzahl von Elektroden, die gegenüber dem Substrat isoliert und kapazitiv mit ihm gekoppelt sind. Die Figur ist rein schematisch, d. h., die in der Praxis verwendete und normalerweise aus Siliziumdioxid bestehende Isolierschicht ist nicht eigens dargestellt, und die Elektrodenstruktur ist nur schematisch gezeigt. Der hier zu

Erläuterungszwecken gewählte Typ des CCD-Geräts ist ein Typ mit Dreiphasensteuerung. In der Praxis können sich die Elektroden einander überlappen, oder sie können, wie dargestellt, nebeneinander liegen, beispielsweise mit einer Isolierung in den Lücken zwischen den '■> Elektroden. Die vorliegende Erfindung ist auch auf zweiphasige oder vier- oder mehrphasige Strukturen anwendbar, die hier nicht gesondert dargestellt sind. Auch kann das Substrat vom N-Typ statt vom P-Typ sein, vorausgesetzt, daß Versorgungsspannungen mit ι ο der jeweils passenden Polarität gewählt werden.

Es sei z. B. angenommen, daß die in F i g. 1 gezeigte Struktur einen Teil eines vertikalen Kanals des bildfühlenden Bereichs der matrixförmigen Anordnung ist, die manchmal auch als Α-Register bezeichnet wird. \*> Während eines Teils der Betriebszeit, der als »Integrationszeit« bezeichnet, wird und in dem eine Szene auf der Matrix abgebildet wird, sei eine der Elektroden jeder Stufe (im vorliegenden Beispisl die Φ2-Elektrode) auf einem festen Spannungspegel gehalten, um unter den betreffenden Elektroden Verarmungszonen zu schaffen, während die übrigen Elektroden, d. h. die Elektroden Φ\ und Φ₃, auf solchen Potentialen gehalten werden, daß in den Substratzonen unter diesen Elektronen eine geringe Verarmung bzw. leichte Akkumulation stattfindet. Dies ist bei (a) in F i g. 1 veranschaulicht (alternativ können auch zwei Elektroden jeder Stufe auf einem zur Bildung tief verarmter Zonen führenden Potential gehalten werden, während die jeweils dritte Elektrode auf ein solches Potential m gelegt wird, daß in der darunterliegenden Substratzone schwache Verarmung bzw. leichte Akkumulation herrscht). Die stark verarmten Zonen bilden sogenannte Potentialgruben im Substrat, d. h. Bereiche an der Substratfläche, von denen Majoritätsträger (Löcher) js fortgedrängt worden sind und wo sich eine Flächenladung von Minoritätsträgern (Elektronen) ansammeln kann. Die Bereiche des Substrats mit schwacher Verarmung (bzw. leichter Akkumulation) bilden Potentialschwellen oder -berge zwischen den Potentialgruben.

Im Betrieb wird ein Strahlungsbild auf den Bildfühler projiziert, und zwar entweder durch die Elektroden hindurch (wie es schematisch gezeigt ist) oder durch die Rückseite des Substrats. (Für die vorliegende Beschrei- v> bung sei angenommen, daß, falls die Belichtung von der Vorderseite her erfolgt, die Elektroden im wesentlichen strahlungsdurchlässig sind.) In den verschiedenen Potentialgruben sammeln sich Ladungen an, und zwar entsprechend der Strahlungsintensität, die das Substrat im Bereich nahe den Orten der jeweiligen <?>2-Elektroden, erreicht. Wie in F i g. 1 (a) dargestellt ist, ist die Strahlungsintensität im Bereich der Elektrode 12 höher ah im Bereich der Elektrode 14, so daß sich in der Potentialgrube 12a mehr Ladungsträger ansammeln als γ, in der Potentialgrube 14a. Im dargestellten Beispiel sind die Ladungsträger Elektronen.

Die Fig. 2 zeigt die Wellenformen der verwendeten Steuersignale. Während der Integrationszeit liegt die <i>2-Spannung auf einem solchen festen Wert, daß h» Verarmungszonen gebildet werden. Die Φι- unr¹ $3-Elektroden liegen ebenfalls auf einer festen Spannung, die im dargestellten Fall einen solchen Wert hat, daß die unter diesen Elektroden liegenden Substratbereiche in geringer Akkumulation sind. Eine solche h^r> Betriebsart ist vorteilhaft, um eine sogenannte »Betriebs-Überstrah'iungsregeiung« zu erhalten. Alternativ können die Φι- und Φ3-Spannungspegel auch etwas höher (positiver) gemach! werden, so daß die Substratsbereiche unter diesen Elektronen in leichter Verarmung sind.

Die Integrationszeit kann relativ lang sein, im Falle des kommerziellen Fernsehens etwas unterhalb einer Sechzigstelsekunde. Nach Ablauf der Integrationszeit werden die im Bildfühler gespeicherten Ladungen in ein sogenanntes B-Register (Zwischenspeichermatrix) übertragen und von dort, jeweils eine Reihe oder Zeile gleichzeitig, in ein C-Register übergeben. Die Ladungsübertragung vom Α-Register zum B-Register erfolgt mit Hilfe der gezeigten Mehrphasenspannungen während des Vertikalrücklaufintervalls, welches in der Größenordnung von 900 Mikrosekunden liegen kann.

Ein bei Bildfühlern des hier beschriebenen Typs auftretendes Problem sind die sogenannten Dunkeistromdefekte. Hiermit sind Stellen des Bildfühlers gemeint, an denen auch beim Fehlen erregender Strahlung eine wesentliche Menge an Ladungsträgers erzeugt wird. Im normalen Betrieb erscheinen solche Defekte als intensive weiße Punkte oder Flecken im wiedergegebenen Bild. Man nimmt an, daß solche Defekte die Folge einer thermischen Erzeugung von Ladungsträgern sind. Ungeachtet ihres Ursprungs wurde jedoch gefunden, daß hervorgerufene Dunkelströme extrem empfindlich gegenüber der Amplitude des angelegten elektrischen Feldes sind, und diese ist wiederum proportional der während der Integrationszeit an die Elektroden gelegten Spannung. Dies ist in der graphischen Darstellung nach F i g. 3 veranschaulicht. Bei einer normalen Fühlstelle ändert sich der Dunkelstrom (mit »normaler Hintergrundstrom« bezeichnet) mit der angelegten Spannung, wie es die durchgezogene Kurve A zeigt. Bei einem Defekt jedoch ändert sich der Dunkelstrom mit der Spannung so, wie es die durchgezogene Kurve B zeigt. Man beachte das exponentiell Anwachsen des Dunkelstroms mit der angelegten Spannung.

Wie bereits erwähnt, ist es bekannt, die Elektroden auf die in F i g. 2 gezeigte Weise zu betreiben, d. h. indem man während der Integrationszeit einen konstanten Spannungspegel an diejenigen Elektroden (die Φ2-Ε1ε^ troden beim vorliegenden Beispiel) legt, unter denen Ladungssignale gespeichert werden sollen. Mit dieser Betriebsart wird beim Fehlen eines strahlungsinduzierten Signals eine auf +10 Volt liegende Φ₂-ΕΙε^κχ1ε an einer normalen Speicherstelle bewirken, daß sich ein Ladungspegel ansammelt, wie er bei AA in F i g. 3 gezeigt ist. Eine auf +10VoIt liegende Φ2-Elektrode hingegen, die sich über einem eine Defektstelle aufweisenden Teil der Oberfläche befindet, wird hingegen bewirken, daß sich ein Ladungspegel ansammelt, wie er mit der gestrichelten Linie BB in Fig. 3 gezeigt ist.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird den Speicherelektroden während der Integrationszeit nicht wie irr: bekannten Fall ein fester Spannungspegel, sondern eine Spannung angelegt, die mit einem niedrigen Wert beginnt und als Funktion der Zeit in einer solchen Weise ansteigt, daß das Substratpotential linear mit der Zeit höher wird. Zum Zwecke der Erläuterung ist die Spannung selbst als lineare Rampe oder Sägezahn dargestellt, in der Praxis kann sie natürlich leicht nichtlinear sein, wobei das Maß dieser Nichtlinearität durch die jeweilige Dotierung des Substrats vorgeschrieben wird. Eine solche Wellenform ist in Fig.4 mit der dicker, durchgezogenen Linie 20 dargestellt. Die bisher bekannte Betriebsart ist mit der

dünnen strichpunktierten Linie 22 veranschaulicht. Wenn man eine lineare Sägezahnspannung wie bei 20 verwendet, dann ist die sich an irgendeiner Stelle infolge des Dunkelstroms ansammelnde Ladung proportional der Fläche unter den durchgezogenen Kurven der ^r> F i g. 3. Im Falle einer defekten Stelle ist die Fläche unter der durchgezogenen Kurve B nur etwa gleich einem Drittel der Fläche unter der gestrichelten Linie BB, und in der Tat wurde empirisch nachgewiesen, daß eine derartige Verbesserung tatsächlich erzielt wird. Ein in entsprechender Versuch wurde an einem dreiphasig gesteuerten CCD-Bildfühler mit 256 χ 160 Speicherzellen vorgenommen, wobei die Bereiche zwischen den Potentialgruben während der Integrationszeit in leichter Verarmung gehalten wurden. Während dieses \^r> Versuchs stellte sich heraus, daß die Auflösung und die Größe der Potentialgruben durch die Verwendung einer Sägezahnspannung nicht nachteilig beeinflußt wurden. Man konnte eine geringe Abnahme in der Lichtempfindlichkeit beobachten, die wahrscheinlich auf eine Abnahme der mittleren Größe des Verarmungsbereichs zurückzuführen ist. Dies sollte jedoch bei Bildfühlern, die eine hohe Trägerdiffusionslänge im Vergleich zur Größe des Verarmungsgebiets haben, lediglich von untergeordneter Bedeutung sein.

Man erkennt in F i g. 3, daß der normale Hintergrundstrom etwas verringert wird, wenn man die vorstehend beschriebene Technik anwendet. Anders ausgedrückt heißt dies, daß die Fläche unter der Kurve A etwas kleiner als die Fläche unter der Kurve AA ist. κι

Man könnte auf den ersten Blick annehmen, daß die eben beschriebene Betriebsart zu einer wesentlichen Abnahme in der Anzahl der während der Integrationszeit angesammelten Signaiiadungsträger führt. Eine weitere Analyse anhand der F i g. 5 und 6 zeigt jedoch, daß eine solche merkliche Abnahme nicht stattfindet. Die Zeiten ίο bis ti in den Fig.5 und 6 stellen aufeinanderfolgende Zeitpunkte während einer Integrationsperiode dar. Die F i g. 5 zeigt die Verhältnisse beim Stand der Technik, wo die Potentialgrube während aufeinanderfolgender Perioden gleichbleibende Tiefe hat, weil die an die Elektrode (nicht dargestellt) zur Erzeugung dieser Potentialgrube angelegte Spannung auf einem konstanten Wert bleibt. Jedoch sammelt sich während der aufeinanderfolgenden Perioden mehr und mehr Ladung in dieser gleichbleibend großen Grube an.

Die Fig.6 zeigt die Verhältnisse für den Fall, daß während der Integrationszeit ein linearer Sägezahn angelegt wird, wie er in Fig.4 gezeigt ist. Zum Zeitpunkt fo beispielsweise ist die Grube weit weniger 5(1 groß (flacher) als beim Stand der Technik. Da der Betrag des Ladungssignals, welches sich zu diesem Zeitpunkt angesammelt haben muß, ebenfalls relativ klein ist, läßt er sich in dieser flachen Grube unterbringen. Bei der zu diesem Zeitpunkt relativ niedrigen Spannung wird auch im Falle eines Defekts kein großer Dunkelstrom erzeugt, wie man an der Fi g. 3 sieht. Mit fortschreitender Zeit stellen sich immer mehr Ladungsträger ein, die Grube wird jedoch gleichzeitig auch immer tiefer. Durch richtige Wahl der Steilheit der Sägezahnspan- wi nung kann somit erreicht werden, daß die Grube stets die angemessene Größe zur Aufnahme der erzeugt werdenden Ladung hat, und da die höheren Spannungen für einen kleineren Teil der Integrationszeit als beim Stand der Technik angelegt werden, sind die an hi Defektstellen erzeugten Dunkelströme wesentlich geringer als beim Stand der Technik.

Wenn ein Bildfleck sehr hell ist. so daß eine Grube überfließt, ergibt sich das Problem des sogenannten »Überstrahlens«. Wenn sich jedoch die Substratfläche zwischen den Potentialgruben in leichter Akkumulation (leichter Anreicherung) befindet, dann rekombinieren sich die an der Grube überfließenden überschüssigen Ladungsträger mit den Majoritätsträgern, die in leicht angereicherten Bereichen vorhanden sind, und werden auf diese Weise beseitigt. Dieser Vorgang an sich ist die bekannte sogenannte »Betriebs-Überstrahlungsregelung«.

Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen ein weiteres Problem, welches während des Betriebs eines CCD-Büdfühlers in herkömmlicher Weise, d. h. mit den Wellenformen nach Fig. 2 und 3, auftreten kann. Die Fig. 7 zeigt graphisch für ein angenommenes Bild die Helligkeitsverteilung der Szene längs einer Richtung einer Matrix, d. h. die Szenenhelligkeit abhängig von der Position in der Szene. Es sei angenommen, daß die Szenenhelligkeit linear mit der Position höher wird. Bei irgend einer willkürlichen Position X₂ befinde sich eine Unregelmäßigkeit im Helligkeitswert, die als plötzliche Helligkeitsabnahme gezeigt ist.

Es sei nun angenommen, daß die an die Φ2-Elektroden gelegte Spannung konstant auf irgendeinem Pegel V₂ ist. Ferner sei angenommen, daß eine über dem Wert B\ liegende Szenenhelligkeit ausreicht, eine Potentialgrube zum Überfahren zu bringen. Das Ergebnis des Betriebs unter diesen Bedingungen ist in F i g. 8 veranschaulicht. Bei Helligkeitswerten bis B\ ist der Betrag der in einer Potentialgrube angesammelten Ladung proportional dem Helligkeitswert, und die Video-Ausgangsspannung Vo, die dem Betrieb des angesammelten Ladungssignals proportional ist, ist somit ebenfalls dem Helligkeitswert proportional. Daher erzeugt der CCD-Biidfühler für alle Helligkeitswerte zwischen Bo und B\ ein Ausgangssignal Vo, welches linear proportional zur Helligkeit ist. Wenn jedoch die Helligkeit höher als B\ wird, fließt die Potentialgrube über. Die überschüssigen Ladungsträger vereinigen sich mit den Majoritätsträgern, die sich unter den Φι- und Φ3-Elektroden befinden, so daß diese Ladungsträger verschwinden (vorausgesetzt, daß die Betriebs-Überstrahlungsregelung angewandt wird, wie es in Fig.2 gezeigt ist). Alternativ können auch Sammelschienen zur Kontrolle der Überstrahlung (strukturelle Überstrahlungsregelung) verwendet werden, um die Überschüssige Ladung zur Vermeidung eines Überstrahlens abzuführen.

Der Aussteuerungsbereich des Bildfühlers entsprich) in etwa dem Helligkeitsbereich Bx nach F i g. 8, dei zwischen den Werten B₀ und B\ liegt Zur Vereinfachung ist der Wert B₀ am Ursprung der Kurve dargestellt, ir Wirklichkeit handelt es sich bei ihm jedoch um der niedrigsten nutzbaren Helligkeitspege!. Dieser ist stet; größer als 0, und sein tatsächlicher Wert hängt von der Rauscheigenschaften des jeweiligen Bildfühlers ab. (E; sei hier festgehalten, daß die Abszisse der graphischer Darstellung in Fig. 8 zwar eigentlich ein Längenmal bzw. eine Entfernung darstellt, jedoch auch gleichzeitig den Helligkeitswert, da sich in dem hier zu Erläuterungs zwecken gewählten Beispiel die Helligkeit linear mit dei Entfernung ändert.) Oberhalb des Helligkeitswerts Bi und zwar über den gesamten Bereich By, sind di( Potentialgruben gesättigt (voll mit Ladung), so daß dor die Video-Ausgangsspannung Vo einen gleichbleibender Wert V_s hat. Wie man aus Fi g. 8 herleiten kann, kanr im Helligkeitsbereich von B\ bis B₂ kein Detai wahrgenommen werden. So ist es z. B. nicht möglich, di( in F i g. 7 gezeigte Unregelmäßigkeit 50 zu erkennen.

Der Aussteuerungsbereich des Bildfühlers kann weit verbessert (d. h. erhöht) werden, wenn man gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung die in Fig. 9 veranschaulichte Betriebsart wählt. Die Φ\- und <i>3-Spannungen sind hier ähnlich wie die entsprechenden Spannungen bei der Fig. 2. Die $₂-Spannung ist jedoch anders. Während des größten Teils Ti der Integrationszeit liegt die «^-Spannung auf einem Wert Vi, und während des übrigen Teils T₂ der Integrationszeit hat die <P₂-Spannung einen zweiten, höheren Wert V₂. Mit richtiger Wahl der jeweiligen Amplituden Vi und V2 und der Länge der Perioden 71 und 7^, während welcher die Spannungen Vi und V₂ angelegt werden, läßt sich der Aussteuerungsbereich stark erweitern.

Dies ist in Fig. 10 veranschaulicht. Die gestrichelte Linie 52 entspricht der in F i g. 8 gezeigten Kurve. Sie stellt die Amplitude des Video-Ausgangs V₀ als Funktion des Helligkeitswerts für den Fall dar, daß die iVSpannung während der gesamten Integrationszeit den gleichbleibenden Wert V₂ hat. Die gestrichelte Linie 54 zeigt die Video-Ausgangsspannung Vo, die man erhielte, wenn die <J>₂-Elektroden für den Teil 71 der Integrationszeit auf einem gleichbleibenden Wert V, gehalten würde. Die Steilheit der Kurve 54 ist proportional dem Bruch W(Ti + T₂). Das heißt, je größer der von 71 eingenommene Bruchteil der Integrationszeit ist, desto mehr nähert sich die Steilheit des rampenförmigen Teils der Kurve 54 an diejenige der Kurve 52 an. Qualitativ betrachtet ist die Steilheit eine Anzeige für die Anzahl der Ladungsträger, die sich bei einem gegebenen Helligkeitswert während der gesamten Periode 71 an einer Speächersteüe ansammeln. Diese Anzahl der bei einem gegebenen Helligkeitswert angesammelten Ladungsträger ist natürlich um so größer, je größer 71 ist. Bei einem Helligkeitswert By wird während der Teilzeit 71 also irgendeine Ladungsträgermenge C\ angesammelt (Kurve 54), und während der Gesamtzeit 71 + T₂ würde eine größere Anzahl an Ladungsträgern C₂ angesammelt werden.

Wenn man die <i>₂-Elektroden mit der Spannung V₁ betreibt, dann werden die Potentialgruben beim Helligkeitswert By vollständig angefüllt. Die Video-Ausgangsspannung ist also bei diesem und bei höheren Helligkeitswerten auf dem Konstanten Spannungswert Vs, gesättigt, wenn die Spannung Vi in ^-Elektroden angelegt wird (Kurve 54).

Die Kurve 55 zeigt den Video-Ausgang für den Fall, daß die Φτ-ΕΙ^Ιτοάεη für die relativ kurze Zeitspanne 72 auf das Potential V₂ gelegt werden. Die Steilheit dieser Kurve ist proportional zu T₂/(71 + T₂), und der Sättigungswert beträgt Vs₂. Man erkennt, daß die Sättigung bei diesem speziellen Beispiel nicht erreicht wird, außer bei extrem starken Helligkeiten (die den Skalenwert überschreiten wurden). Dies ist natürlich nur ein Beispiel, die Erfindung läßt sich auch in Verbindung mit längeren Zeitspannen anwenden, als sie für T₂ angegeben sind (gewünschtenfalls auch mit kürzeren Zeitspannen).

Die durchgezogene Kurve 56 zeigt die Verhältnisse für den Fall, daß die in F i g. 9 dargestellte Wellenform mit den zwei Pegeln verwendet wird. Die Kurve 56 erhält man durch Addition der Kurve 55 mit der Kurve 54. Für Helligkeitswerte von B₀ bis B\ (während der Zeit 71) erhält man eine Ausgangsspannung V₀, die proportional dieser Helligkeit ist. Ein Helligkeitswert, fc^r> der zur Erzeugung eines höher als Vs \ liegenden Ausgangssignals während der Integrationszeit 71 führen würde, bewirkt die Sättigung einer Potcntialgrube, und die überschüssige Ladung wird in der bereits beschriebenen Weise abgeführt. Am Ende der Zeitspanne 71 werden die Potentialgruben durch Änderung der Spannung von Vi auf V₂ tiefer gemacht. Hiermit wird ein eventuell vorhandenes Überstrahlen sofort beendet. Außerdem wird hiermit ermöglicht, daß sich zusätzliche Ladungsträger in den Potentialgruben während des relativ kurzen Intervalls T₂ ansammeln können. Falls also eine Potentialgrube an einer bestimmten Stelle wie etwa bei X₂ vorher bereits voll war, kann sie nun noch mehr Ladungsträger aufnehmen, da die Grube tiefer gemacht worden ist. Unter der Voraussetzung, daß die Szene nicht so hell ist, um diese spezielle Grube während der Zeitspanne T₂ zum Überlaufen zu bringen, wird die insgesamt angesammelte Ladung proportional der tatsächlichen Helligkeit an dieser betreffenden Stelle sein. So erkennt man in Fig. 10, daß an der Position A₂ die kleine Unregelmäßigkeit im Helligkeitswert sichtbar ist. Der Aussteuerungsbereich ist praktisch vom bisherigen Bereich Βχ = (Bo bis B]) auf Bx + By = (Bq bis B₂) erweitert worden.

Vorstehend wurde die einfachste Form der erfindungsgemäßen Erweiterung des Aussteuerungsbereichs beschrieben. Eine noch befriedigendere Wirkung läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß man mehr als zwei Schritte während der Integrationszeit vorsieht, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. Je mehr man sich der glatten Kurve annähert, die bei 58 in Fig. 13 gezeigt ist, desto näher kommt man dem Idealfall. Natürlich ist es in vielen Fällen nicht notwendig, eine sich stetig ändernde Kurve wie in Fig. 13 zu erzeugen. Eine stufenförmige Welle kann völlig ausreichen, insbesondere wenn sie ausreichend viele Stufen zur Annäherung an eine glatte Kurve enthält.

Es ist auch möglich, die Vorteile verminderter Dunkelströme und eines erweiterten Aussteuerungsbereichs miteinander zu vereinen. Dies !äßt sich beispielsweise auf die in Fig. 12 veranschaulichte Weise erreichen. Hier setzt sich die $₂-Spannung während der Integrationszeit aus zwei linearen Rampen oder Sägezähnen zusammen, die verschiedene Steilheiten S] und 52 aufweisen. Während die in Fig. 12 gezeigte Wellenform nur zwei solcher Rampen hat, können statt dessen auch drei oder vier oder noch mehr Rampen fortschreitend größer werdender Steilheit verwendet werden.

In den Fig. 14 und 15 ist ein wiederum anderes Problem veranschaulicht, welches mit den erfindungsgemäßen Verfahren gelöst werden kann. Bei einer gewöhnlichen Bildröhre ist die Bildhelligkeit nichtlinear proportional zur Amplitude des die Bildröhre ansteuernden Signals. Es besteht vielmehr eine nichtlineare Abhängigkeit, wie sie in Fig. 14 gezeigt ist. Die Kurve mit γ — 2 bezeichnet, womit angezeigt werden soll, daß die Helligkeit des Bildes proportional dem Quadrat der Amplitude des Ansteuersignals ist.

Um die genannte Nichtlinearität auszugleichen, müssen die der Bildröhre angelegten Signale einer sogenannten Gammakorrektur unterworfen werden. Das heißt, die Bildsignale für höhere Bildhelligkeiten werden in ihrer Amplitude herabgesetzt, und die Signale für dunklere Bilder werden in ihrer Amplitude erhöht, und zwar in einer dem Gamma der Bildröhre komplementären Weise, so daß das wiedergegebene Bild eine Helligkeit hat, die linear-proportional der Helligkeit der aufgenommenen Szene ist.

Ein Aufnahmegerät wie ein CCD-Bildfühler liefert Ausgangssignale, die linear proportional der aufgenom-

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menen Szene sind (unter der Annahme, daß das Gerät nicht mit Überstrahlungen betrieben wird). Es ist möglich, die Gamma-Korrektur des erhaltenen Video-Signals in derselben Weise durchzuführen, wie es bei Video-Signalen aus herkömmlichen Röhren-Fernsehkameras wie etwa Vidikons oder Plumbikons geschieht. Wenn man so vorgeht, dann werden die dunkleren Teile der Szene verstärkt, welche die schwachen Signalen anhaftenden Rauchkomponenten enthalten. Solche Änderungen bei schwachen Signalen erscheinen nach Verstärkung ausgeprägter als bei den stärkeren Signalen, die von den helleren Teilen der Szene abgeleitet werden. Leider sind jedoch gewisse Rauschkomponenten wie z. B. das feste Bildrauschen infolge räumlicher Unregelmäßigkeiten im Hintergrund-Dunkelstrompegel bei einem von einem CCD-Gerät erzeugten Signal (bei Raumtemperatur) größer als beispielsweise bei einem Signal, welches von einem Plumbikon erzeugt wird. Wenn man daher zur Gammakorrektur eines CCD-Signals die herkömmlichen Gammakorrekturmaßnahmen anwendet, was eine Verstärkung der schwachen Signale und eine Dämpfung der stärkeren Signale bedeutet, dann werden die den schwachen Nutzsignalen anhaftenden Rauschkomponenten der CCD-Kamera stark angehoben. Dies ist natürlich höchst unerwünscht. (Dieselben Überlegungen gelten auch für den Fall, daß man bei einem CCD-Bildfühler Maßnahmen anwendet, wie sie herkömmlicherweise außerhalb einer integrierten Schaltung zur Kompensation des Dynamikbereichs getroffen werden.)

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Gammakorrektur während der Integrationszeit innerhalb der integrierten Schaltung (»on chip«) durchgeführt, indem man der ^-Spannung eine geeignete Wellenform gibt. Eine solche Wellenform ist mit der gestrichelten Kurve 60 in Fig. 13 gezeigt. Die <2>2-Spannung ändert sich in nichtlinearer Weise, um eine entsprechende Änderung in der Tiefe der Potentialgruben unterhalb der <P₂-Elektroden zu bewirken. Die Folge ist eine relative Anhebung der schwächeren Signale und eine Dämpfung der stärkeren Signale. Gleichzeitig wird der Dynamik- oder Aussteuerungsbereich in der bereits beschriebenen Weise erweitert. Allerdings ist hierbei in Kauf zu nehmen, daß man im Vergleich zu der Betriebsart mit konstanter Integrationsspannung an den «!^-Elektroden mehr Licht benötigt. Wenn man also mit einer Integrationsspannung entsprechend der Wellenform 60 arbeitet, muß die Blendenöffnung der Kamera größer sein als beim Betrieb mit einer konstanten Spannung wie etwa mit V₂.

Es können verschiedene Kompromisse geschlossen werden, um einen Ausgleich unter den verschiedenen vorstehend angesprochenen Zielen zu erreichen. So muß beispielsweise die Kurve 58 nicht bei dem gezeigten hohen Wert beginnen, sondern kann statt dessen näher an der Kurve 60 liegen. Dies würde die Lichterfordernisse vermindern. Statt einer Gammakorrektur auf 0,5, mit der die in Fig. 15 gezeigte Nichtlincarität der Bildröhre exakt kompensiert wird, kann man auch eine teilweise Gammakorrektur in der integrieiten Struktur selbst durchführen, während man die restliche Korrektur mittels externer herkömmlicher Gammakorrekturschaltungen vornimmt. Außerdem kann man eine Kurve wie die Kurve 60 oder eine zwischen den Kurven 60 und 80 liegende Form simulieren, indem man eine Vielzahl diskreter Stufen (wie in Fig. II) oder eine Vielzahl von Rampen unterschiedlicher Steilheit (wie in F i g. 12) vorsieht.

Das Prinzip der vorstehend beschriebenen Gammakorrektur in der ladungsgekoppelten Struktur (d. h. »on chip«) ist besonders für Farbkameras von Bedeutung. Der Grund hierfür liegt in der Notwendigkeit, rote, blaue und grüne Farbkomponenten über alle Helligkeitspegel richtig zu addieren. Eine solche »on chip«-Gammakorrektur läßt sich in der bereits erläuterten Weise für jeden der drei den drei verschiedenen Farben zugeordneten Bildfühler durchführen.

Während die vorstehend beschriebenen Verfahren besonders für den Betrieb von CCD-Bildfühlern geeignet sind, können sie jedoch auch bei andersartigen Bildfühlern angewendet werden, z. B. bei Geräten mit

Fotodioden und Überstrahlungs-Sammelschienen, bei Geräten mit sogenannten »Ladungsinjektions«-Elementen und sogar bei Bildaufnahmegeräten vom Röhrentyp wie etwa Silizium-Vidikons. Die Verfahren sind sowohl bei selbstabtastenden Bildfühlern als auch bei Geräten mit X- Y-Adressierung anwendbar.

Vorstehend wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die sich zur Erweiterung des Aussteuerungsbereichs und zur Gammakorrektur eignen und bei denen die Tiefe der Potentialgru-

be während der Integrationszeit durch Änderung der Spannung geändert wird, die den Elektroden (den «!^-Elektroden bei den beschriebenen Beispielen) angelegt werden, unter welchen die Ladungsansammlung stattfindet. Dies ist jedoch nur ein Beispiel, denn die effektive Tiefe der Potentialgruben kann auch auf andere Weise geändert werden. Eine alternative Struktur ist in Fig. 16 dargestellt. Diese Figur zeigt einen quer zur Richtung des Kanals gehenden Schnitt, d. n., der Kanal verlauft senkrecht zur Zeichenebene.

Die Struktur nach Fi g. 16 enthält ein Substrat 80 vom P-Typ, einen Abfluß (Drain) für Ladungsträger im Substrat, der als Diffusion 82 vom N-Typ gezeigt ist, sowie Elektroden 84, 86 und 88, die über dem Substrat und diesem gegenüber isoliert angeordnet sind.

Es sei angenommen, daß der Betrieb gemäß der in Fig.9 gezeigten Weise erfolgen soll. In diesem Fall wird die Elektrode 86 während der gesamten Integrationszeit 71 + T₂ auf einem festen Pegel wie etwa V₂ gehalten. Während des Teils 71 der Integrationszeit wird die Elektrode 84 auf einem demgegenüber niedrigeren Pegel gehalten, um eine Überstrahlungsbarriere 89 zu bilden, deren Höhe bei (a) in F i g. 16 gezeigt ist. Diese Maßnahme hat die Wirkung, daß die effektive Tiefe der Potentialgrube auf das Maß D\ vermindert wird, wie es in Fig. 16 dargestellt ist. Alle von einer intensiven Bildhelligkeit herrührenden überschüssigen Ladungsträger fließen über diese Barriere hinüber und gelangen zur Drain-Diffusion 82.

Während des zweiten Teils T₂ der Integrationszeit wird die Spannung Vnn vermindert (d. h. weniger positiv gemacht), um die Überstrahlungsbarriere 89 wie bei (b) in Fig. 16 gezeigt zu erhöhen und auf diese Weise die effektive Tiefe der Potentialgrube von D\ auf Eh zu vergrößern. Der hiermit erhaltene Betrieb ist also im

bo wesentlichen genauso wie er oben in Verbindung mit F i g. 9 beschrieben wurde, obwohl Φ₂ im Falle der Fig. 16 während der gesamten Integrationszeit auf einem konstanten Pegel gehalten wird.

Es ist natürlich auch möglich, das an die für die

6.1 Übcrstrah'iingsbarriere verantwortliche Elektrode 84 gelegte Potential in irgendeiner anderen der weiter oben beschriebenen Weisen zu ändern, wie sie beispielsweise in den Fig. 11 bis 13 dargestellt sind.

If

Die in F i g. 16 gezeigte Elektrode 88 hat den Zweck, eine sogenannte »Kanalbegrenzung« zu bilden, d. h. eine Potentialbarriere 90, welche die Ladung auf den Kanal begrenzt. Zur Bildung einer geeigneten Kanalbegrenzung kann man statt dessen auch andere Strukturen heranziehen, etwa eine P-Diffusion, die stärker als das P-Substrat dotiert ist.

Die F i g. 17 veranschaulicht einen wiederum anderen Weg zur Erweiterung des Aussteuerungsbereichs (auch zur Gammakorrektur anwendbar). Hier liegt während des Abschnitts ίο—1\ der Integrationszeit die '^-Spannung auf einem Wert Vt, bei dem tiefe Verarmungszonen unter den «^-Elektroden entstehen. Zum Zeitpunkt t] wird die '/^-Spannung auf einen Wert Vi vermindert. Wenn in den dadurch kleiner gewordenen Verarmungs- !■> bereichen irgendwelche überschüssige Ladung vorhanden ist, fließt diese Ladung zu den in Akkumulation oder Anreicherung befindlichen Bereichen, vorausgesetzt, daß die in Fig.2 veranschaulichte Betriebs-Überstrahlungsregelung verwendet wird. (Alternativ können auch Sammelschienen zur strukturellen Überstrahlungsregelung verwendet werden.) Der Effekt ist daher derselbe, wie wenn die Spannung während der Zeitspanne f₀—1₂ auf konstantem Pegel Vi liegen würde. In der Zeitspanne t₂— h kehren die $₂-Spannungen auf ihren Anfangswert V_x zurück, und zum Zeitpunkt h geht die Spannung auf den Wert V₂, der höher als Vi ist. Wiederum kann jeder Ladungsüberschuß, der infolge der verminderten Größe des Verarmungsbereichs auftreten kann, in die in Akkumulation befindlichen Substratbereiche fließen. Der Effekt ist derselbe, wie wenn die Spannung während der Zeitspanne i₂—ti den Wert V₂ gehabt hätte.

Der übrige Teil des Betriebs erklärt sich von selbst. Während die Wellenform nach Fig. 17 wesentlich anders aussieht als diejenige nach Fig. 11, ist der resultierende Betrieb für die beiden verschiedenen Figuren im wesentlichen der gleiche, nur daß bei de Betriebsweise nach Fig. 17 die Dunkelströme nich vermindert werden, während die Betriebsart nacl Fig. 11 zu einer wesentlichen Verminderung dei Dunkelströme führt, wie es bereits erwähnt wurde.

Die in Fig. 17 veranschaulichte Technik ist vorste hend zur Erweiterung des Aussteuerungsbereich! beschrieben worden, sie kann jedoch auch zui Gammakorrektor herangezogen werden. Eine Gamma korrektur läßt sich erreichen, indem man die Werte füi Vu V₂ und Vj und die Zeiten zum Anlegen diesei Spannungswerte während der Inlegrationszeit passenc wählt. Das Ziel ist natürlich, eine glatte Kurve zi simulieren, wie sie bei 60 in F i g. 13 gezeigt ist. Währenc in F i g. 17 nur drei Einbrüche dargestellt sind, kann mar eine getreuere Simulation erreichen, wenn man noch mehr solcher Einbrüche schafft. Die Dauer dei einzelnen Zeitspannen wie z.B. t\ — r₂ kann in dei Größenordnung von einer Millisekunde liegen, jedoch ist diese Zeit nicht kritisch.

Während vorstehend spezielle Ausführungsbeispielf der Erfindung beschrieben wurden, sind das Prinzip dei Erfindung und Ausgestaltungen davon in den Patenten sprächen gekennzeichnet. Wenn dort vom »Entferner überschüssiger Ladungsträger« die Rede ist, danr bedeutet dies, daß die Ladungsträger woandershin al; zu den benachbarten Speicherstellen gebracht werden Beispielsweise können die überschüssigen Ladungsträ ger zu einem Abfluß wie etwa einer gceignei vorgespannten Überstrahlungs-Sammelschiene geleitei werden. Alternativ können die überschüssigen Ladungsträger (Minoritätsträger) aus mit Majoritätsträgerr vereinigt werden, so daß sie im wesentlichen neutralisiert werden. Dies kann mittels der sogenannter Betriebs-Überstrahlungsregelung geschehen, bei der die den Speicherstellen benachbarten Bereiche in Akkumu lation gehalten werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

,. Verfahren zum Betreiben eines BiIdIiun.er^. an jeder Fühlstelle eine Speichereinrichtung^entha K. um während einer lntegranonszeitd^Ladun

ger anzusammeln, die an d.eser Stelle be Erre „ durch Strahlung erzeugt werden, dadI r J^ k e η η ζ e i c h η e t, daß in einem Te. I der Integr ^ tionszeit die Ladungsträger an der Spercheremncn tung jeder Fühlstelle angesammelt werden una diefen gen dieser Ladungsträger entfernt werden, die über eine erste Anzahl hinausgehen, und daß in

einem folgenden Teil der Ιη^"¹¹⁰""⁶'¹/:^ ι Ladungsträger an der Speichereinrichtung jeder

FühlsJlle gesammelt werden und ig J Ladungsträger entfernt werden, d.e über eine^we.te Anzahl die größer ist als d.e erste Anzan.,