DE2902532A1

DE2902532A1 - Ladungskopplungsanordnung

Info

Publication number: DE2902532A1
Application number: DE19792902532
Authority: DE
Inventors: Will C Steffe; David D Wen
Original assignee: Fairchild Camera and Instrument Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 1978-02-06
Filing date: 1979-01-24
Publication date: 1979-08-09
Also published as: FR2416602A1; DE2902532C2; JPH0414510B2; JPS5846068B2; FR2416602B1; JPS60202963A; JPS54107684A

Description

Ladungskopplungsanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Schaltungen und Anordnungen, und sie bezieht sich insbesondere auf Ladungskopplungsanordnungen (nachfolgend auch als CCD - charge coupled devices - bezeichnet) für Linien- oder Flächenabbildung.

Ladungskopplungs-Halbleiteranordnungen wurden zuerst von W.S. Boyle und G₀E₀ Smith erfunden. Die entsprechenden Veröffentlichungen sind "Charged-Coupled Semiconductor Devices", Bell System Technical Journal, Bd. 49, Seite 587» von Boyle und Smith und US-PS 3 858 232 (Boyle und Smith)„ Seitdem ist die Entwicklung von Ladungskopplungsanordnungen in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben worden, z.B. in dem Aufsatz von Gilbert F. Amelio "Charge-Coupled Devices" in Scientific American, Februar 1974, Bd. 230 Nr. 2, S₀ 23. Es ist jetzt allgemein bekannt, daß Linien- und Flächenabbildungsanordnungen aus Feldern. von Ladungsspeicherelementen hergestellt werden können, und Einrichtungen dieser Art stehen im Handel zur Verfügung, beispielsweise die Ladungskopplungsanordnungen CCD 101, CCD 110, CCD 121 und CCD 201 der Fairchild Camera and Instrument Corporation, nachfolgend auch als "Fairchild" bezeichnet. Mit Hilfe geeigneter bekannter Anordnungen kann die in den Fotoplätzen gespeicherte Ladung in Schieberegister überführt werden, und sie kann durch Anlegen geeigneter Signale aus den abzutastenden Schieberegistern

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hinausgeführt und verstärkt oder in anderer V/eise durch geeignete elektronische Schaltungen weiterverarbeitet werden.

Die bekannten Ladungskopplungs-Abbildungseinrichtungen haben den Nachteil, daß sie kein intern erzeugtes Bezugssignal liefern können, welches die Intensität oder den Halbton des auf die Fotoplätze der Ladungskopplungsanordnung auftreffenden Lichts angibt, sondern sie liefern nur eine Information über die relative Intensität des auf einen gegebenen Fotoplatz auftreffenden Lichts im Vergleich zu anderen Fotoplätzen. Es wird nur eine relative Information erzeugt, da das Video-Ausgangssignal von Ladungskopplungs-Abbildungseinrichtungen im Regelfall einem Gleichstrompegel von mehreren Volt überlagert wird, beispielsweise + 7 bis + 10 Volt. Für den Aufbau dieses Gleichstrompegels sorgen im allgemeinen eine Rückstellschaltung, ein Gleitgatterpotential oder Verstärker-Vorspannungspunkte und Speisespannungen. Die exakten Spannungspegel für Schwarz- und Weiß-Signale konnten bei Ladungskopplungsanordnungen bekannter Art nur dadurch erhalten v/erden, daß die Ladungskopplungsanordnung im Dunkelzustand betrieben wurde und unter Bedingungen, welche eine Sättigung oder einen der Sättigung nahekommenden Zustand durch entsprechende optische Verhältnisse verursachen.Selbst wenn man aber in dieser Weise vorging, unterlagen die bei Tests dieser Art angewandten Eichvorkehrungen Drifterscheinungen aufgrund von Änderungen der Betriebsbedingungen -der Einrichtung,beispielsweise der Umgebungstemperatur, der Speisespannung oder Drifterscheinungen der Schaltung„

Hinzukommt, daß Ladungskopplungsanordnungen bekannter Art eine verhältnismäßig große Menge externer Schaltungen erfordern, welche zum Rückstellen der Ladungskopplungsanordnung dienen oder in sonstiger Weise bewirken, daß die Ladungskopplungsanordnung einen neuen Satz von Signalen in die Schieberegister eingibt, nachdem alle vorhergehenden Datenfolgen aus den Schieberegistern herausgeführt worden sind. Beispielsweise werden in bekannten

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Linienabbildungseinrichtungeii Reihen von Zählern verwendet, um die Zahl der Perioden von Übertragungssignalen festzustellen, welche an die Elemente der Schieberegister anzulegen sind, bevor ein Übertragungsgatter aktiviert wird, um zu erlauben, daß eine neue Folge von Signalen, welche durch elektrische Ladungspakete repräsentiert sind, von den Fotoplätzen in die Schieberegister übertragen werden,, Diese peripheren Schaltungen erhöhen die Komplexität und die Kosten eines jeden Systems, bei dem Ladungskopp lungs anordnungen verwendet werden,»

Durch die Erfindung wird eine neuartige Ladungskopplungsanordnung geschaffen, die ermöglicht, Schwarz- und Weiß-Bezugssignale darzustellen, welche für das schwächste bzw. das stärkste Licht repräsentativ sind, das die Ladungskopplungsanordnung feststellen kann. Das Schwarz-Bezugssignal wird von einem oder mehreren optisch abgedunkelten und elektrisch isolierten lichtempfindlichen Gebieten der Ladungskopplungsanordnung erzeugt. Indem man verhindert, daß Licht zu diesen Fotoplätzen gelangt, ist das bei diesen Fotoplätzen auftretende Signal repräsentativ für die Abwesenheit von Licht, und es ist daher ein Schwarz-Bezugssignal _a Nachdem dieses Schwarz-Signal von einem oder mehreren Fotoplätzen in ein Schieberegister weitergegeben wurde und dann aus der Ladungskopplungsanordnung hinausgeführt worden ist, kann es als Bezugssignal für den Vergleich mit anderen Signalen aus der Ladungskopplungsanordnung verwendet werden, so daß man eine Indikation des optisch dunkelsten Zustands hat, den die Ladungskopplungsanordnung abfühlen kann.

Auch kann ein Weiß-Signal von der Ladungskopplungsanordnung erzeugt werden, und zwar auf einem gewählten Pegel, welcher für einen helleren, also nicht-schwarzen Betriebszustand repräsentativ ist, den die Ladungskopplungsanordnung abfühlen kann_o Dies wird dadurch erreicht, daß ein vorgegebener Maximalbetrag an Ladung in eines oder mehrere Elemente der Schieberegister der

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Ladungskopplungsanordnung injiziert wird« Wenn diese Signale aus der Ladungskopplungsanordnung hinausgeführt werden, liefern sie ein Bezugssignal, welches für den gewählten helleren optischen Zustand repräsentativ ist, den die Ladungskopplungsanordnung abfühlen kann₀ Zusätzlich kann durch Injizieren kleinerer oder größerer vorgegebener Ladungsmengen ein Bezugssignal erzeugt werden, welches für gewünschte Zwischenschattierungen von Grau oder Weiß repräsentativ ist„

Die Erzeugung von Schwarz- und Weiß-Bezugssignalen erzeugt einen festen Punkt an jedem Ende einer Grauskala, und es wird dadurch der optische Bereich definiert, über dem die Ladungskopplungsanordnung anspricht. Wenn die Bezugssignale gegeben sind und die Linearität der Ansprechcharakteristik der Ladungskopplungsanordnung über dem-optischen Bereich bekannt ist, kann ein Benutzer der Ladungskopplungsanordnung eine genaue Bewertung der Grauschattierung oder sonstiger von der Ladungskopplungsanordnung abgefühlter optischer Bedingungen vornehmen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ladungsbetrag, welcher zur Erzeugung des Weiß-Signals eingeführt wird, nicht repräsentativ für den hellsten optischen Zustand, den die Ladungskopplungsanordnung abfühlen kann (entsprechend der Sättigung der Fotoplätze), sondern vielmehr für das hellste linear reproduzierbare Signal. Bei Verwendung dieses Weiß-Signals und eines Schwarz-Signals können alle von der Ladungskopplungsanordnung erzeugten Zwischensignale linear zwischen Schwarz und Weiß bewertet werden, so daß ihre entsprechenden Halbtöne genau abgetastet werden können und ihre korrekte Speicherung, Weitergabe oder Wiedergabe, beispielsweise durch Bildübertragungsmaschinen, ermöglicht bzw_o erleiclisrt wird=

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der- Erfindung kann auch ein das Abtastende repräsentierendes Signal (Abtastende-Signal) dadurch erzeugt werden, daß ein Ladungspaket, beispielsweise das gleiche Signal wie das Weiß-Signal, in ein zusätzliches

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isoliertes Schieberegister eingeführt wird, dem keine Fotoplätze zugeordnet sind und welches ebenso viele Elemente wie die anderen Ladungskopplungs-Schieberegister hat, welche zum Empfang und zur V/eitergabe von Signalen von den Fotoplätzen verwendet werden. Das Signal wird eingeführt in das "entfernte" Ende eines Schieberegisters, und es ist das einzige Signal in diesem Schieberegister. Durch Fortschalten dieses Signals aus dem im übrigen leeren Register mit der gleichen Geschwindigkeit, in der die von den Fotoplätzen erzeugten Signale aus den entsprechenden Schieberegistern hinausgeschaltet werden, kann das Signal zur Darstellung einer unmittelbaren positiven elektrischen Indikation benutzt werden, um die Ladungskopplungsanordnung zurückzustellen und eine neue Abtastung des Schieberegisters oder der Schieberegister einzuleiten.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Weiß-Signal durch eine Diode erzeugt, welche ein Signal von einem Paar von KOS-Transistoren erhält„ Die Quelle (source) des ernten KOS-Transistors ist verbunden mit der Senke (drain) des zweiten i'X-fj-Transistors, wobei Vorspannungen an der Senke ■,.r: ->:." Oqttor (gate) des ersten anliegen und die Quelle und 'Jä?: ';--i^v.^v/;r 'Jos zv/eiten miteinander verbunden sind. Durch geeigne-V: .*>:.::.sir.nioniorung des ersten und des zweiten Transistors kann ί.'ϊίί',Λί, woröen, daß eine im wesentlichen konstante Spannung zu ^rJor ^ingangsdiode geliefert wird. Die Ladung der Eingangsdiode Ksr.n dann zu einem Element eines Schieberegisters weitergegeben v/erden, und zwar in Abhängigkeit von dem gleichen Taktsignal, welches die gespeicherte Ladung von den Fotoplätzen in die Schieberegister überführt» Durch geeignete Bemessung der MOS-Transistoren und durch Anlegen der entsprechenden Spannungen an diese Transistoren kann erreicht werden, daß die eingeführte Ladung den gewünschten Wert hat.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben,

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Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Draufsicht auf eine Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 a zeigt in vereinfachter Darstellung eine Schnittansicht eines Teils der in Fig_o 1 dargestellten Anordnung«,

Fig. 2b zeigen Darstellungen des Potentialenergie-Verlaufs bei der in Fig. 2a dargestellten Anordnung, und es ist erkennbar,, wie ein Ladungspaket von einem Fotoplatz zu einem Schieberegister v/eitergegeben wird.

Fig. 3 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Querschnitt einer Gruppe von Schwarz-Bezugszellen.

Fig. 4a zeigt in vereinfachter Darstellung und schematisch ein Verfahren, welches die Erzeugung eines Weiß-Bezugssignals ermöglicht.

Fig. 4b zeigen Potentialenergieprofile für die in Fig. 4adargestellte Anordnung, und sie zeigen die Weitergabe eines Ladungspakets (des Weiß-Bezugssignals) von einem Element eines Schieberegisters zu dem nächsten»und zwar entweder in dem Schieberegister, welches das Abtastende-Signal weitergibt, oder in einem Ladungskopplungsschieberegister konventioneller Bauart.

Fig«, 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Draufsicht auf die Anordnung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung_s und zwar bei einem linearen Abbildungsfeld mit 1728 Elementen _o Die Fairchild-Ladungskopplungsanordnung CCD 121 ist ein Beispiel für eine Anordnung dieser Art nach dem Stande der Technik vor Anwendung der gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Maßnahmen« In Fig. 1 sind schematisch die 1728 Fotoplätze dargestellt, welche eine elektrische Ladung erzeugen, wenn auf sie elekt.ro-

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magnetische Strahlung auftrifft. In bekannter Weise können die sich in jedem Fotoplatz speichernden Ladungen gleichzeitig zu einem von zwei Schieberegistern 10 bzw. 11 weitergegeben werden« Wie beispielsweise in Fig_e 1 dargestellt ist, werden die sich in den ungerade bezifferten Fotoplätzen sammelnden Ladungen nach Schieberegister 11 weitergegeben, während die sich in den gerade bezifferten Fotoplätzen sammelnden Ladungen zum Schieberegister weitergegeben werden_e Die Schieberegister 10 und 11 können jeweils durch ein Isolationsgebiet 12 in zwei getrennte Schieberegister aufgeteilt sein«.

Die Weitergäbe von Ladung von den Fotoplätzen 1 ₀·_β 1728 zu den Schieberegistern 10 und 11 erfolgt im Regelfall dadurch, daß ein Signal 0_χ an eine Elektrode 14 angelegt wird,, Diese Art des Vorgehens ist in der Technik der Ladungskopplungsanordnungen bekannt; sie wird jedoch im Zusammenhang mit den Fig„ 2a bis 2d noch näher beschrieben werden» Die gegenseitige Beeinflussung von Signalen in benachbarten Elementen der Ladungskopplungs-Schieberegister wird dadurch verhindert, daß die Ladung in ungerade bezifferten Fotoplätzen in einer Richtung, also zum Register 11, weitergegeben wird, während die Ladung in gerade bezifferten Fotoplätzen in der anderen Richtung, also zum Register 10, weitergegeben wird. Auf diese Weise werden Ladungspakete in jeweils das zweite Element der Schieberegister 10 und 11 weitergegeben. Beispielsweise wird die in Fotoplatz 1 gespeicherte Ladung zu dem Gebiet unter Elektrode 21 weitergegeben, während die Ladung, welche in Fotoplatz 3 gespeichert ist, zu dem Gebiet unter Elektrode 23 weitergegeben wird. Da keine Ladung in das Gebiet unterhalb der Elektrode 22 eingeführt wird, kann diese auf einem von den Elektroden 21 und 23 verschiedenen Potential gehalten werden. Die in die Gebiete unterhalb der Elektroden 21 und 23 weitergegebenen Signale können sich daher nicht gegenseitig beeinflussen, und es findet auch dementsprechend kein Verlust an Information statt. Wie in Fig. 1 erkennbar ist, wird das Signal aus Fotoplatz 2 in das Gebiet unter Elektrode 32 weitergegeben.

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Nachdem die Ladungen in den 1728 Fotoplätzen in die Schieberegister 10 und 11 überführt worden sind, kann das Potential des Signals 0y geändert werden, um zu ermöglichen, daß eine neue Folge von Signalen mit der Speicherung innerhalb der 1728 Fotoplätze beginnt. Dann können durch Anlegen geeigneter Signale, beispielsweise 0^ und V^, an die Schxeberegisterelemente die Signale unter den Elektroden aus dem Schieberegister 10 herausgeschaltet werden, und der untere Teil des Schieberegisters 11 wird vorzugsweise zu einem Ausgangsgatter weitergegeben. Die Weitergabe dieser Signale zu einem Ausgangsgatter ist dargestellt durch Pfeile 30 und 31 in Fig. 1. Ausgangsgatteranordnungen sind an sich bekannt, beispielsweise aus US-PS 3 999 082 "Charge Coupled Amplifier" (James Early)_o

Bei einer Ausführungsform der in Fig« 1 dargestellten Erfindung werden die Signale aus den 1728 Fotoplätzen nicht in den unteren Teil des Schieberegisters 10 oder den oberen Teil des Schieberegisters 11 weitergegeben» Eine Überführung von Ladungen in diese Teile der Schieberegister wird verhindert durch das Gebiet 12, vorzugsweise ein Oxidisolationsgebiet, welches jedes der Schieberegister 10 und 11 wirksam in zwei getrennte Schieberegister unterteilt. Die Weitergabe von Ladung von einer Elektrode zur nächsten innerhalb jedes der Schieberegister wird ermöglicht durch das Kanalgebiet 15» welches sich unterhalb der Elektroden und zwischen Sperrimplantaten 58 erstreckte Der obere Teil des Schieberegisters 11 und der untere Teil des Schieberegisters 10 verhindern, daß Streuladungen innerhalb des Substrats in die Schieberegisterelemente wandern und zu Verzerrungen der in ihnen gespeicherten Informationen führen. Es werden also die Streuladungen von diesen isolierten Schieberegistern gesammelt und unschädlich gemacht. Pfeile 33 und 40 zeigen die Weitergabe dieser Streuladungen zu einem Senkengebiet bzw. einer Speisespannung. Wie jedoch noch näher erläutert werden wird, können bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen die durch Pfeil 40 angedeuteten Signale einer äußeren Schaltung zugeführt werden«

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Durch die in Fig. 1 dargestellte Ladungskopplungsanordnung v/erden in nachfolgend noch zu beschreibender Weise Schwarz- und Weiß-Bezugssignale erzeugt« Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Schwarz-Bezugssignale erzeugt durch zusätzliches Einfügen mehrerer optisch und elektrisch isolierter Potoplätze B1, B2 und B3» Naturgemäß kann jede gewünschte Zahl von Fotoplätzen dieser Art vorhanden sein_o Fotoplatz B1 (und B2 und B3) sind von den aktiven Fotoplätzen 1, 2 „_oo 1728 getrennt durch ein Isoliergebiet I. In diesem Zusammenhang ist von Bedeutung _P daß diese Fotoplätze sich in jeder gewünschten Stelle innerhalb oder entlang der Fotoplätze 1, 2 „.« 1728 befinden können« Insbesondere können Fotoplätze dieser Art in geeigneter Weise in die Folge der planmäßigen aktiven Fotoplätze 1 ..₀ 1728 eingefügt sein_? sie können an einem Ende oder dem anderen Ende der Fotoplätze oder aber auch an beiden Enden vorhanden sein, oder es können Kombinationen der genannten Möglichkeiten gewählt werden. In Fig. 1 ist gezeigt _s daß sie sich am rechten Ende des linearen Feldes befinden»

Die Schwarz-Fotoplätze B1, B2 und B3 sind vorzugsweise durch eine Isolierzelle I von den aktiven Fotoplätzen getrennt. Dies verhindert, daß elektrische Ladungen in irgendwelchen aktiven Zellen durch Leckerscheinungen in eine der Schwarz-Bezugszellen B1, B2 oder B3 gelangen,, Auch erhält man dadurch eine Herstellungstoleranz für die Abgrenzung von Fenster 35» Das Fenster 35 ermöglicht, daß elektromagnetische Strahlung, insbesondere sichtbares Licht, auf die Fotoplätze auf trifft«, Um das Fenster 35 herum angeordnet, jedoch in Fig. 1 nicht dargestellt, ist ein Lichtschild, welches verhindert, daß Licht auf die Schwarz-Bezugszellen B1, B2 und B3 und die übrige Oberfläche der in Fig» 1 dargestellten Anordnung auftrifft.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann das Ebenster 35 aus einem Material bestehen, welches gegenüber vorgegebenen Wellenlängen sichtbarer elektromagnetischer Strahlung undurchlässig ist, beispielsweise wenn ein blaues Signal oder andere

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farbige Signale abzufühlen sind. Da die Anordnung des Fensters 35 verhindert, daß Licht auf die Schv/arz-Bezugsfotoplätze B1, B2 oder B3 auftrifft, werden diese Fotoplätze keinerlei Ladung ansammeln, oder aber sie werden eine Ladung sammeln, v/elche repräsentativ ist für alle Bedingungen in dem Substrat außer der Wirkung von sichtbarem Licht. Auf diese Weise bewirken die Schwarz-Bezugsfotostellen B1, B2 und B3 eine automatische Korrektur für Dunkelstrom oder andere Störeinflüsse, v/elche durch Temperatur, chemische Zusammensetzung oder andere Umgebungseinflüsse bedingt sein können.

Eine Möglichkeit zur Erzeugung dec Weiß-Bezugssignals ist am linken Ende des Schieberegisters 10 dargestellt. Durch Anlegen von Signal Vr, an Diode 38 wird eine Signalladung zur Diode geliefert, welche, wenn das Potential von 0^ in geeigneter Weise erhöht wird, in Schieberegisterelomente 39 und 42 weitergegeben wird. Wie im Zusammenhang mit den Fig. 4a bis 4e noch erläutert werden wird, kann diese Ladung in geeigneter Weise derart dimensioniert werden, daß sie den Pegel der Helligkeit angibt, v/elcher die Sättigung bewirkt, oder aber einen anderen gewünschten Besugsladungspegel, beispielsweise einen Zustand weniger starker Helligkeit oder eine Grauschattierung. Diese Ladung wird als Weiß-Bezugssignal bezeichnet* Der Teil der Ladung, v/elcher in Schieberegisterelement 42 eingeführt wird, wird bei Anlegen von Signalen V_T und 0_T im Anschluß an die Weitergabe der von den 1728 Fotoplätze: erzeugten Signalladungen aus dem Schieberegister 10 hinausgeführt. Das Weiß-Bezugssignal kann bei geeigneter Änderung der in Fig* 1 dargestellten Anordnung auch bei einer anderen gewünschten Stelle entlang Schieberegister 10 eingeführt werden,.

Derjenige Teil des Weiß-Bezugssignals, welcher unter Elektrode 39 eingeführt wird, kann als Abtastende-Indikator verwendet werden. Das bedeutet, daß durch Anordnung des Weiß-Bezugssignal-Generators an dem "entfernten" Ende des Schieberegisters 10 entsprechend der Darstellung in Figo 1 das unter Elektrode 39 geführte Signal

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aus dem Schieberegister 10 nach demjenigen Signal hinausgelangt, welches in dem Fotoplatz 1728 erzeugt wurde. Das Weiß-Bezugssignal stellt daher ein elektrisches Signal dar, welches den Abschluß der Weitergabe der Signale aus dem Schieberegister 10 anzeigt» Im Gegensatz hierzu erforderten nach dem Stande der Technik bekannte Anordnungen unabhängige Zähleinrichtungen zur Darstellung der richtigen Zeit für das Anlegen des Signals 0y. Das ¥eiß-Bezugssignal aus Gebiet 38 kann nach Herausführen aus dem unteren Teil des Schieberegisters 10 an irgendwelche bekannten äußeren logischen Schaltungen weitergegeben werden, welche dann das Signal 0_χ aktivieren.,

Fig. 2a ist eine Schnittdarstellung eines Teils der in Fig. 1 gezeigten Anordnung, und zwar mit einem bei der Herstellung ausgebildeten vergrabenen Kanäle In Substrat 50, welches vorzugsweise ρ Leitfähigkeit hat, befinden sich mehrere Isoliergebiete 51a und 51b, welche vorzugsweise Siliziumdioxid enthalten, p+leitende Gebiete 53a und 53b können unterhalb der Isoliergebiete 51 ausgebildet seinρ um zu verhindern; daß Streuionen einen leitfähigen Pfad unterhalb der Isoliergebiete 51 bilden. Ein in Substrat 50 ausgebildetes η leitendes Gebiet 55 akkumuliert elektrische Ladung bei Auftreten von elektromagnetischer Strahlung in der Umgebung. Vergrabene Kanalgebiete 56a und 56b, welche vorzugsweise mit Phosphor, Arsen oder anderem η Material dotiert sind, und Gebiete 58a, 58b und 58c, welche vorzugsweise mit Bor oder anderem ρ Material dotiert sind, bilden Sperrgebiete, welche das Potentialprofil der Anordnung in noch zu beschreibender V/eise ändern. Auch sind in Fig. 2a schematisch Elektroden dargestellt, welche über dem Substrat 50 liegen,, Elektrode 59a ist so geschaltet, daß sie das Signal 0_m empfängt, während Elektrode 61a das Signal 0_X empfängt. Elektrode 62 empfängt Signal Vp_G°

Unterhalb der in Figo 2a dargestellten Anordnung zeigen Fig. 2b, 2c und 2d Diagramme von Potentialprofilen, und man erkennt, wie bei Anlegen des Signals 0_χ eine in Gebiet 55 akkumulierte elek-

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trische Ladung 73 zu dem Gebiet unterhalb Elektrode 59a v/eitergegeben werden kann. Wenn die Ladung so weitergegeben ist, kann sie aus der Ladungskopplungsanordnung durch Anlegen von Signalen 0_m und V_m herausgeführt v/erden, wie noch im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben werden wird.

Das in Fig. 2b dargestellte Potentialprofil zeigt den Zustand der in Fig. 2a dargestellten Anordnung, wenn Signale 0_V und 0_m sich auf Nullpotential befinden. In diesem Zustand wird elektrische Ladung in dem Potentialtopf akkumuliert, welcher durch Gebiet gebildet ist«, Die gesammelte Ladung ist in Fig. 2b durch das schraffierte Gebiet 73 wiedergegeben»

Wie in Fig. 2c erkennbar ist, wird dann durch Erhöhung des Potentials des Signals 0y und dementsprechend durch Absenken des Potentialtopfes unterhalb dex° Elektrode 61 a ein Teil 76 der Ladung aus Gebiet 55 weiterbefördert und vorübergehend unterhalb Elektrode 61a gespeichert.

Anschließend wird entsprechend der Darstellung in Fig. 2d das Potential des Signals 0m erhöht, so daß nunmehr die Ladung 76, welche unter der Elektrode 61a gespeichert ist, unter Elektrode 59a weitergegeben und in Gebiet 56a gespeichert werden kann. Wenn Ladung 78 nun unterhalb Elektrode 59a in Gebiet 56a gespeichert ist, kann das Potential des Signals 0_χ herabgesetzt werden, um zu verhindern, daß irgendwelche weitere Ladung aus Gebiet 55 zum Gebiet 56a weitergegeben wird, bis Signale 0_T und Vm in entsprechender Höhe angelegt werden, um die Ladung 78 unter Elektrode 59a in Gebiet 56a aus der Ladungskopplungsanordnung hinauszubefördern und in weitere geeignete elektronische Schaltungen einzubringen«

Fig. 3 zeigt schematisch und vereinfacht einen Querschnitt durch eine Folge von vier Dunkel-Bezugszellen, und zwar unter der Annahme, daß sie sich auf der den aktiven Elementen der in Fig_o dargestellten Dunkelzellen gegenüberliegenden Seite befinden, also am linken Ende der Folge der fotoempfindlichen Elemente

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1725, 1726, 1727 und 1728 einer Ladungskopplungsanordnung. Die Dunkel-Bezugszellen 334, B5, B6 und B7 sind von benachbarten aktiven Zellen oder anderen Schaltungsteilen durch Isolierzellen 11 und 12 getrennt. Durch eine Deckschicht 36? welche aus beliebigem geeigneten Material, beispielsweise Aluminium, bestehen kann, wird verhindert, daß sichtbares Licht auf die Dunkelzellen B4 bis B7 auftrifft. Die Deckschicht 36 ist vorzugsweise auf einer Isolierschicht 37 angeordnet, um zu verhindern, daß sie mit der Oberfläche des Substrats 50 oder darin ausgebildeten Gebieten Kontakt bildete Die Dunkelzellen B4 bis B7 erzeugen ein Signal, welches nur für irgendwelche Zustände innerhalb des Substrats 50 repräsentativ ist, beispielsweise die Temperature

Die Isolierzellen 11 und 12 sind umgekehrt vorgespannte n-1-diffundierte Dioden, und sie bewirken, daß irgendwelche Streu-Ladungsträger in diesem Gebiet entfernt werden,, Die Isolierzellen können verhältnismäßig leicht dadurch eine umgekehrte Vorspannung erhalten, daß man sie mit dem Aluminium-Lichtschild entsprechend der Darstellung in Fig. 3 verbindet und dann das gewünschte Potential an Schild 36 anlegt.

Fig. 4a ist eine Schnittdarstellung durch einen Teil der in Fig. dargestellten Anordnung, und sie zeigt die Arbeitsweise des Weiß-Bezugssignal-Generators und auch die Arbeitsweise des Abtastende-Indikators. In der in Fig. 4a dargestellten Anordnung sind die gleichen Bezugszeichen verwendet wie bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung. Um das Weiß-Bezugssignal zu erzeugen, dienen zwei MOS-Transistoren 71 und 72, welche ein Signal V_R erzeugen, das an Gebiet 38 angelegt wird„ Wie aus Fig* 4a hervorgeht, ist die Gatterelektrode des Transistors 71 so geschaltet, daß sie das Signal ν_φ empfängt, während die Senkenelektrode Signal V_DD empfängt„ Die Gatterelektrode des MOS-Transistors 72 ist mit der Quellenelektrode verbunden, welche geerdet ist.

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Transistor 72 stellt eine Konstantstromquelle für Transistor dar, so daß ein Signal Vr, erzeugt wird, welches im wesentlichen gleich Vm minus einer Schwellwertspannung ist_o Durch geeignete Diraensionierung der Transistoren 71 und 72 kann das Signal V_R so gewählt v/erden, daß jeder gewünschte Ladungsbetrag eingeführt wird» Die maximale Größe des eingeführten Ladungspakets, welches ein Schieberegister von dem Fotoplatz aufnehmen kann, also die Größe einer Sättigungsladung, ist abhängig von der Sperrhöhe Vg, welche von den Sperren 58 abhängig ist, und auch von den räumlichen Abmessungen des Gebiets, in welches die Weitergabe erfolgt, beispielsweise Gebiet 80„ Gebiet 77 in Fig. 4d zeigt diesen Ladungsbetrag in graphischer Darstellung. Der tatsächlich aus dem Gebiet 38 weitergegebene Ladungsbetrag kann jedoch geringer sein, und zv/ar abhängig von der Potentialsperre V_ß, welche durch die Sperren 58 gebildet ist, und von den räumlichen Abmessungen des Gebietes 68„ Dieser Ladungsbetrag ist in Fig. 4e graphisch als Gebiet 75 eingetragen. Da die Höhe der Sperren in beiden Fällen d.ie gleichen sind, können die räumlichen Abemssungen bei 68 in geeigneter Weise so gewählt werden, daß die Weiß-Signalladung auf einen gewählten Teil der Sättigungsladung beschränkt bleibt, beispielsweise entsprechend der oberen Grenze des linearen Bereichs der Ansprechempfindlichkeit der Fotoplätze der Ladungskopplungsanordnungo Ein Vorteil der Art der Erzeugung des Weiß-Signals in der oben beschriebenen Weise ist, daß die Größe des Signals durch Änderung der Dimensionen der Anordnung geändert v/erden kann, nicht jedoch der Prozeßparameter. Da die Dimensionen im Regelfall genauer gesteuert und überwacht werden können, als die Prozeßparameter, ermöglicht dieses Merkmal eine genauere Steuerung und Überwachung des Weiß-Signals. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Ladung des Weiß-Signals 80 % der Sättigungsladung. Auf diese Weise erhält man eine lineare Abhängigkeit, und man kann erreichen, daß das von einem bestimmten Fotoplatz 1 ... 1728 erzeugte Signal in einer genauen Abhängigkeit steht von einem linearen Bereich von Grautönen zwischen Schwarz und Weiß,

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Die im Gebiet 38 aufgrund des Signals V_R aus den Transistoren 71 und 72 aufgenommene und gespeicherte Ladung kann entlang dem oberen Teil des Schieberegisters 10 (Figo 1) weitergegeben und anderen Schaltungen zugeführt werden, um das in den Figo 4b bis 4e abgebildete Weiß-Signal darzustellen.

Wenn entsprechend der Darstellung in Fig. 4b das Signal 0y niedrig ist, erzeugt es eine Potentialsperre, welche die gesamte Ladung 74, die in Gebiet 38 aufgrund des Signals V„ gespeichert ist, einfängt. Anschließend wird entsprechend der Darstellung in Fig. 4c durch Halten des (an Elektrode 39 angelegten) Signals 0_T auf einem niedrigen Potential und Erhöhen des Potentials des (an Elektrode 14 angelegten) Signals 0_χ die Ladung 74 in Gebiet

38 auch unter Elektrode 14 gespeicherte Signal 0_T, welches auf einem niedrigen Potential gehalten wird, verhindert jedoch die Weitergabe von Ladung 74 von Elektrode 14 zu Elektrode 39«

Dann wird entsprechend der Darstellung in Fig. 4d das Potential des an Elektrode 39 angelegten Signals 0_T erhöht, während das an Elektrode 65 anliegende Signal V™ auf dem bisherigen Pegel gehalten wird. Dies ermöglicht, daß Ladung 74 aus dem Bereich unterhalb der Elektrode 14 in den Bereich unterhalb der Elektrode

39 weitergegeben werden kann. Wie Fig. 4e zeigt_s wird dann das Potential des an Elektrode 39 angelegten Signals 0™ herabgesetzt« Dies bewirkt, daß ein Teil 75 der Ladung von dem größeren, unterhalb Elektrode 14 und im Gebiet 38 verbleibende Betrag abgetrennt wird. Dieser Teil der Ladung 75, welcher aufgrund des Potentials 0_T eine geringere Höhe erhält, wird in den Bereich unterhalb der Elektrode V_r„ weitergegeben. Anschließend kann durch kontinuierliches Pulsen des Signals 0_T das Ladungspaket 75 schrittweise von einer Elektrode zur nächsten weitergegeben werden, und es kommt schließlich am rechten Ende des oberen Teils des in Fig. 1 dargestellten Schieberegisters an; es kann nun entsprechend der Darstellung des Pfeils 30 in gewünschter Weise in andere Schaltungen eingebracht werden,.

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In gleicher V/eise, wie es oben im Zusammenhang mit dem oberen Teil des Schieberegisters 10 beschrieben worden ist, \\'ird das unter· Elektrode 39 eingeführte Signal auch unter Elektrode 42 gebracht. Dieses Signal wird den 1728 Signalen folgen, welche von den 1728 Fotoplätzen erzeugt sind; es stellt ein Abtastende-Signal dar* Die dabei eingeführte Ladung kann in bekannter Weise benutzt v/erden, um geeignete andere elektronische Schaltungen zu veranlassen, die Ladungskopplungsanordnung zurückzuschalten, um die Weitergabe einer neuen Folge von Ladungen von den Fotoplätzen 1 ... 1728 zu den Schieberegistern zu erinöglichen_c

Die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung bietet gegenüber Anordnungen bekannter Art viele wesentliche Vorteile, Insbesondere ist erreicht, daß die Schwarz-Bezugszellen ein Schwarz-Bezugssignal zur Verfügung stellen, welches kompensiert ist im Hinblick auf Dunkelstromsignale, Temperatureffekte, Taktsignal™ änderungen, Ausgangsverstärkeränderungen und, ganz allgemein,, irgendwelche Fehler, welche in allen fotoempfindlichen Gebieten auftreten können. Die Weiß-Bezugszelle bietet ebenfalls erhebliche Vorteile durch die Erzeugung eines Signals, welches für weißes Licht oder irgendwelche gewünschten Grauschattierungen repräsentativ ist. Außerdem kann dasselbe Weiß-Bezugssignal, wenn es in ein getrenntes Schieberegister eingeführt wird, verwendet werden, um als Abtastende-Indikator den Betrieb der Ladungskopplur-£! anordnung zurückzustellen; dadurch entfällt die Notwendigkeit des Einsatzes von Zähl-Netzwerken, wie sie in bekannter Weise mit großen Ladungskopplungsanordnungen zusammenwirken.

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Claims

Patentansprüche

Ladungskopplungsanordnung zum Erzeugen von Signalen, welche für den Zustand von Umgebungslichtstrahlung repräsentativ sind, gekennzeichnet durch

mehrere Speicher, welche jeweils t>^ei. Auftreten von Licht ein elektrisches Ladungspaket speichern können, wenigstens eine erste Übertragungseinrichtung, welche die Weitergabe der gespeicherten Ladungen von jedem der Speicher zu einer zweiten Übertragungseinrichtung gestattet, eine zweite Übertragungseinrichtung zur Weitergabe der gespeicherten Ladungen zu Signalverarbeitungseinrichtungen, wenigstens einen Dunkelspeicher zur Speicherung eines elektrischen Ladungspakets, welches für die Abwesenheit von Licht repräsentativ ist,

wenigstens einen Hellspeicher zur Speicherung von elektrischer Ladung, welche für eine gewählte Intensität von Licht repräsentativ ist,

eine dritte Übertragungseinrichtung zur Lieferung der von den Dunkel- und den Hellspeichern gespeicherten Ladungen zu Signalverarbeitungseinrichtungen, und

Signalverarbeitungseinrichtungen zur Aufnahme der durch die elektrischen Ladungspakete repräsentierten Information.

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2. Ladungskopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und die dritte Übertragungseinrichtung identisch sind.

3ο Ladungskopplungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

logische Elemente zum Erzeugen eines ersten Signals für die Auslösung der ersten Übertragungseinrichtung, und eine vierte Übertragungseinrichtung, welche so geschaltet ist, daß sie einen Teil der in dem Hellspeicher gespeicherten Ladung den logischen Elementen zuführt und diese veranlaßt, ein erstes Signal zu erzeugen,.

4. Ladungskopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Dunkelspeicher ein Fotoplatz einer Ladungskopplungsanordnung ist und durch eine optisch undurchlässige Abdeckung dafür gesorgt ist, daß kein Licht auf jeden der Fotoplätze auftreffen kann, daß der Hellspeicher eine Diode ist, welche mit einer Quelle elektrischer Signale verbunden ist, und daß die zweite Übertragungseinrichtung ein erstes Schieberegister

5. Ladungskopplungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Speicher ein Fotoplatz einer Ladungskopplungsanordnung ist, und daß die zweite Übertragungseinrichtung sowohl ein zweites Schieberegister als auch das erste Schieberegister umfaßte

6. Ladungskopplungsanordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Übertragungseinrichtung ein drittes Schieberegister ist.

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7o Ladungskopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Hellspeicher eine Diode ist, welche schaltbar mit der dritten Übertragungseinrichtung verbunden ist, und ein erster und ein zweiter Transistor derart mit der Diode verbunden sind, daß sie Signale dorthin liefern.

8. Ladungskopplungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

der erste und der zweite Transistor Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gatter sind,

die Quelle des ersten Transistors mit der Senke des zweiten Transistors verbunden ist,

die Quelle und das Gatter des zweiten Transistors mit Erdpotential verbunden sind,

gewählte elektrische Signale an die Quelle und das Gatter des ersten Transistors angelegt sind, und

die Quelle und der erste Transistor mit der Diode verbunden sind.

9ο Linear abbildende Ladungskopplungsanordnung mit mehreren lichtempfindlichen Fotoplätzen, einem ersten Signalausgang, und

einem ersten und einem zweiten Schieberegister zur Weitergabe von Signalen von den Fotoplätzen zu den Signalausgängen, gekennzeichnet durch

eine gewählte Anzahl von zusätzlichen Fotoplätzen, welche eine lichtundurchlässige Abdeckung aufweisen, um zu verhindern, daß Licht auf sie auftrifft,

eine mit dem zweiten Schieberegister verbundene Eingangsdiode, eine Schaltung zur Lieferung von Signalen an die Eingangsdiode, einen zweiten Signalausgang, und

ein drittes Schieberegister, welches mit der Eingangsdiode derart verbunden ist, daß von dort Signale zu dem zweiten Signalausgang geliefert x^erden.

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ο / ο ·

10. Ladungskopplungsanordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen ersten und einen zweiten Transistor enthält, welche miteinander und mit einer Potentialquelle verbunden sind.

11. Ladungskopplungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

der erste und der zweite Transistor Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gatter sind,

die Quelle des ersten Transistors mit der Senke des zweiten Transistors verbunden ist,

die Quelle und das Gatter des zweiten Transistors mit Erdpotential verbunden sind,

die Potentialquelle mit der Quelle und dem Gatter des ersten Transistors verbunden ist, und
die Quelle des ersten Transistors mit der Diode verbunden ist.

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