DE2902532C2

DE2902532C2 - Ladungskopplungsanordnung

Info

Publication number: DE2902532C2
Application number: DE2902532A
Authority: DE
Inventors: Will C. Sunnyvale Calif. Steffe; David D. Belmont Calif. 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: 1984-05-30
Also published as: JPH0414510B2; JPS54107684A; FR2416602B1; FR2416602A1; DE2902532A1; JPS5846068B2; JPS60202963A

Description

— und mit einer öffnungseinrichtung (35), welche eine erste vorgegebene Zahl von Fotoplätzen der Umgebungslichtstrahlung aussetzt,

gekennzeichnet durch

— eine Abschirmung (36) zum Abdecken einer zweiten vorgegebenen Zahl von Fotopläuen gegen&bir Umgebungslichtstrahlung, derart, daß diese Fotopiäize Ladungen speichern, deren Betrag einem Bezugs-Dunkelzustand entspricht;

— Isoliereinrichtungen (I, h, h) zur elektrischen Isolierung der ersten Zahl von Fotoplätzen gegenüber der zweiten Zahl von Fotoplätzen, um zu verhindern, daß in der ersten Zahl von Fotoplätzen gespeicherte Ladung zu den zweiten Fotoplätzen fließt;

— einen ersten Speicher (38, 39) zur Speicherung einer er^.en vorgegebenen Ladung, welche einem Bezugs-Hellzustand entspricht; und

— eine Übertragimgseinrichtung (F i g. 2a und 4a) zur Weilergabe der in den resten und den zweiten Fotoplätzen und in dem ersten Ladungsspeicher gespeicherten Ladung zu einer Signalverarbeitungseinrichtung, welche den Betrag der Intensität der auf die ersten Fotoplätze auftreffenden Umgebungslichtstrahlung feststellt, bezogen auf den Bezugs-Dunkel/ustand, welcher sich durch die in den zweiten Fotoplätzen gespeicherte Ladung einstellt, und bezogen auf den Bezugs-Hellzustand, der durch die in dem Ladungsspeicher (38) gespeicherte Ladung repräsentiert wird.

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25 richtung eine Schiebeeinrichtung zum Schieben des Inhalts des zweiten Speichers (38,42) enthält, um das Abtastende-Signal zur Signalverarbeitungseinrichtung in einer vorgegebenen Zeit zu liefern, nachdem der Inhalt des ersten Registers (10, IJ) zur Signalverarbeitungseinrichtung geschoben worden ist

5. Ladungskopplungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ladungsspeicher (38, 42)_r weicher das AbtastenHe-Signal liefert, mit einem Ende des ersten Registers (10, 11) gekoppelt ist.

6. Ladungskopplungsanordnung nach einem der Ansprüche 3—5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ladungsspeicher £38,39}Jsn zweiten Ladungsspeicher (38,42) einschließt

7. Ladungskopplungsanordnung nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ladungsspeicher (38,39) ein zweites Register (68) und eine mit dem zweiten Register (68) gekoppelte Diode (38) enthält.

8. Ladungskopplungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der von dem ersten Ladungsspeicher (38, 39) zu der Signalverarbeitungseinrichtung übertragenen Ladung proportional der räumlichen Abmessung des zweiten Registers (68) ist

9. Ladungskop(p«ungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ladungsspeicher eine MOS-Transistoranordnung (71, 72) enthält, welche mit der Diode (38) gekoppelt ist.

2. Ladungskopplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung ein erstes Register (10, 11) zur Aufnahme der in jedem der Fotoplätze gespeicherten Ladungen und eine Schiebeeinrichtung (Fig. 2a und 4a) zum Schieben des Inhaltes des ersten Registers (10, 11) und des ersten Speichers (38,39) in die Signalverarbeitungseinrichtung enthält.

3. Ladungskopplungsanordnung nach Anspruch gekennzeichnet durch einen zweiten Speicher (38, 42) zur Speicherung einer zweiten Ladung zur Erzeugung eines Abtasiende-Signals, wobei die Übertragungseinrichtung mit dem zweiten Speicher (38, 42) derart gekoppelt ist. daß die darin gespeicherte Ladung zu der Signalverarbeitungscinriehtung weitergegeben wird, und die Schiebeeinrichtung (F i g. 2a und 4a) den Inhalt des ersten Registers (10, 11) und des ersten (38, 39) und zweiten (38,42) Speichers zu der Signalverarbciiungseinrichlung weiterschieben kann.

4. Ladungskopplungs.anordnung nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragtingscin-Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladungskopplungsanordnung der im Oberbegriff des ersten Anspruchs angegebenen Art.

Ladungskopplungs-Halbleiteranordnungen wurden von W. S. Boyle und G. E. Smith erfynden. Die entsprechenden Veröffentlichungen sind »Charge-Coupled Semiconductor Devices«, Bell System» Technical Journal, Bd. 49 (1970), Seite 587—600. von Boyle und Smith und US-PS 38 58 232 (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, S. 23—31. Linien- und Flächenabbildungsanordnungen können jetzt aus Feldern von Ladungsspeicherelementen hergestellt werden, und Einrichtungen dieser Art stehen im Handel zur Verfügung, beispielsweise die Ladungskopplungsanordnungen CCDlOl, CCD 110. CCD 121 und CCD 201 der Fairchild Camera and Instrument Corporation. 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 hinausgeführt und verstärkt oder in anderer Weise durch geeignete elektronische bO Schaltungen weiterverarbeitet werden.

Die bekannten Ladungskopplungs-Abbildungsemrichtungen haben den Nachteil, daß sie kein intern erzeugtes Bezugssignal liefern können, welches die Intensität oder den Halbton des auf die Fotoplätze der Lab5 dungskopplungsanordnung auftreffenden Lichts angibt. sondern sie liefern nur eine Information über die relative Intensität des auf einen gegebenen Fotoplat/. auftreffcndcn Lichts im Vergleich zu anderen Fotopliitzen. Es

wird nur eine relative Information erzeugt, da das Video-Ausgangssignal von Ladungskopplungs-Abbildungseinrichtungen im Regelfall einem Gleichstrompegel von mehreren Voit überlagert wird, beispielsweise + 7 bis +10 Volt. Für den Aufbau dieses Gleichstrompege'ts sorgen im allgemeinen eine Rückstellschaltung, ein Gleitgatterpotential oder Verstärker-Vorspannungspunkte und Speisespannungen. Die exakten Spannungspegel für Schwarz- und Weiß-Signale konnten bei Ladungskopplungsanordnungen, wie sie beispielsweise aus GB-PS 15 26 801 bekannt sind, nur dadurch erhalten werden, daß die Ladungskopplungsanordnung im Dunkelzustand betrieben wurde und unter Bedingungen, welche eine Sättigung oder einen der Sättigung näherkommenden Zustand durch entsprechende optische Verhältnisse verursachen. Selbst wenn man aber in die-

■ ser Weise vorging, unterlagen die bei Tests dieser Art angewandten Eichvorkehrungen Drifterscheinungen aufgrund von Änderungen der Betriebsbedingungen,

- beispielsweise der Umgebungstemperatur, der Speise- ·.. spannung oder Drifterscheinungen der Schaltung.

f Hinzukommt daß Ladungskopplungsanordnuvigen bekannter Art eine verhältnismäßig große Menge externer Schaltungen erfordern, weiche 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 Linienabbildungseinrichtungen 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 un(^ die Kosten eines jeden Systems, bei dem Ladungskopplungsanordnungen verwendet werden.

Durch »Fernseh- und Kino-Technik« 31 (1977). Nr. 3, S. 82—86, sind fotoempfindliche P²CCD-Zeilensensoren zum Lesen optischer Vorlagen bekanntgeworden, bei denen die Möglichkeit vorgesehen ist, Brzugspegel für Schwarz und Weiß im Ausleseverstärker zu erzeugen. Es handelt sich um ein Video-System mit einem Video-Verstärker, der mit dem Ausgang einer P²CCD-Leitung zur Ausgabe, zur Filterung f.;nd zur Gammakorrektur verbunden ist. Zur Gammakorrektur dient ein Regelverstärker, welcher den Schwarz-Bezugspegel auf 0 Volt festlegt. Um den Bezugspegel für Weiß einzustellen, ist in einem Zwischenverstärker ein 500-Ohm-Potentiometer vorhanden. Das Potentiometer in dem Zwischenverstärker ist nicht ein Teil der Ladungskopplungsanordnung, sondern eine separate Analog-Einrichtung. Der Schwarzpegel-Verslärker und das Weißpegel-Potentiometer befinden sich außerhalb der Ladungskopplungsanordnung.

In DE-OS 23 01 963 ist eine Fotödetektoranofdnung mit einer Reihe lichtempfindlicher Bauelemente beschrieben, von denen jedes mit einem Schiebezähler und einer Videoleitung verbunden ist; bei Anlegen von Signalen an dem Schiebezähler können Signale gemessen werden, die dem auf die lichtempfindlichen Bauelemente auftreffenden Licht einsprechen. Durch DE-AS 25 53 686 ist ein eindimensionaler optoelektronischer Sensor mit einer Reihe von in Abständen angeordneten MIS-Kondensatoren und einem Überlaufkanal zum Schutz gegen Überbestrahlen bekanntgeworden.

Die beiden letztgenannten Schrifistellen beziehen sich nicht auf Maßnahmen zur Bereitstellung von Bezugs-Dunkelzuständen und/oder Bezugs-Hellzuständen.

Bei der bereits erwähnten GB-PS 15 26 801 sollen unerwünschte Störsignale am Ausgang eines Festkörper-Bildabtastfeldes kompensiert werden. Das Bildfeld

ίο wird zunächst einer Null-Beleuchtung ausgesetzt, und der Ausgang wird gespeichert Dann erfolgt eine maximale Beleuchtung, und der entsprechende Ausgang wird ebenfalls gespeichert Die beiden gespeicherten Ausgänge werden verwendet, um spätere Ausgänge des Bildabtastfeldes bei normaler Beleuchtung zu korrigieren.

Es ist also eine Störungskompensationssohaltung am Ausgang des Bildabtastfeldes mit den erforderlichen Schalt- und Speicheranordnungen außerhalb der BiIdabtasteinrichtung beschrieben.

Der Erfindung liegt die A.ufgabe zugnine-;, eine neuartige Ladungskopplungsanordnung zu schaffen, die ermöglicht, innerhalb der Anordnung Schwarz- und Weiß-Bezugssignale darzustellen, welche für das schwächste bzw. das stärkste Licht repräsentativ sind, das die Ladungskopplungsanordnung feststellen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und die Merkmale der Unteransprüche gelöst Das Schwarz-Bezugssignal wird von einem oder meh reren 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-Bezugssigna!. Nachdem dieses Schwarz-Signal von einem oder mehreren Fotoplätzen in ein Schieberegister weitergegeben wurde und dann aus der Ladungskopplungsan-Ordnung 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 nichtschwarzen Betriebzustand repräsentativ ist, den die La- dungskopplungsanordnung abfühlen kann. Dies wird dadurch erreicht, daß ein vorgegebener Maximalbetrag an Ladung in eines oder mehrere Elemente der Schieberegistjr d-^r Ladungskopplungsanordnung injiziert wird. Wenn diese Signale aus der Ladungskopplungsanord-

f>5 nung hinausgeführt we> den, liefern sie ein Bezugssignal, welches für den gewählten helleren optischen Zustand repräsentativ ist, den die Ladungskopplungsanordnung abfühlen kann. 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

b5 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 Ladungs-

kopplungsanordnung über dem optischen Bereich bekannt ist, kann ein Benutzer der l.adungskopplungsanordnung 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 Fotoplät/.c), 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 Wicdcigübe, beispielsweise durch Bildübertragungsmaschinen, ermöglicht bzw. erleichtert 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 isoliertes Schieberegister eingeführt wird, dem keine Fotoplätze zugeordnet sind und welches ebenso viele Elemente wie die anderen Ladungskopplungs-Schieberegister hat, welche /um Empfang und zur Weitergabe 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 Fortschaltcn dieses Signals aus dem im übrigen leeren Register mit der gleichen Geschwindigkeit, in der die von den Fotoplälzen 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 MOS-Transistoren erhält. Die Quelle (source) des ersten MOS-Transistors ist verbunden mit der Senke (drain) des zweiten MOS-Transistors, wobei Vorspannungen an der Senke und dem Gatter (gate) des ersten anliegen und die Quelle und das Gatter des zweiten miteinander verbunden sind. Durch geeignete Dimensionierung des ersten und des zweiten Transistors kann erreicht werden, daß eine im wesentlichen konstante Spannung zu der Eingangsdiode geliefert wird. Die Ladung der Eingangsdiode kann dann zu einem Element eines Schieberegisters weitergegeben werden, 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.

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

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

Fig. 2b bis 2d zeigen Darstellungen des Potcniialenergie-Verlaufs bei der in F i g. 2a dargestellten Anordnung, und es ist erkennbar, wie ein Ladungspaket von einem Fotoplatz zu einem Schieberegister weitergegeben wird.

F i g. S 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.

F i g. 4b bis 4e zeigen Potentialenergieprofile für die in Fig.4a dargestellte 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, udcr in einem LacUmpskonnlungsschieberegister konventioneller Bauart.

Fig. I zeigt in vereinfachter Darstellung eine Draufsicht auf die Anordnung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und zwar bei einem linearen Abbildungsfeld mit 1728 Elementen. 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 F i g. 1 sind schemalisch die 1728 Fotoplätzc dargestellt, welche eine elektrische Ladung erzeugen, wenn auf sie elektromagneti-

jo sehe 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 F i g. 1 dargestellt ist, werden die sich in den ungerade beziffer-

J5 ten Fotoplälzen sammelnden Ladungen nach Schieberegister 11 weitergegeben, während die sich in den gerade bezifferten Fotoplätzen sammelnden Ladungen zum Schieberegister 10 weitergegeben werden. Die Schieberegister 10 und 11 können jeweils durch ein lsolationsgebiet 12 in zwei getrennte Schieberegister aufgeteilt sein.

Die Weitergabe von Ladung von den Fotoplätzen I ... 1728 zu den Schieberegistern 10 und 11 erfolgt im Regelfall dadurch, daß ein Signal Φχ an eine Elektrode 14 angelegt wird. Diese Art des Vorgehens ist in der Technik der Ladungskopplungsanordnungen bekannt; sie wird jedoch im Zusammenhang mit den F i g. 2a bis 2d noch näher beschrieben werden. Die gegenseitige Beeinflussung von Signalen in benachbarten Elementen

so der Ladungskopplungs-Schieberegister wird "adurch 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

F i g. 1 erkennbar ist, wird das Signal aus Fotoplatz 2 in das Gebiet unter Elektrode 32 weitergegeben.

Nachdem die Ladungen in den 1728 Fotoplätzen in die Schieberegister 10 und 11 überführt wurden sind, kann das Potential des Signals Φχ 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 Φτ und Vr, an die Schieberegisterelemente die Signale unter den Elektroden aus dem Schieberegister 10 hera'isgeschaltet 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 F i g. 1. Ausgangsgatteranordnungen sind an sich bekannt, beispielsweise aus US-PS 39 99 082 »Charge Coupled Amplifier« (James Early).

Bei einer Ausfuhrungsform der in F i g. 5 dargestellten F^rfindung 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 erstreckt. 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.

Durch die in F i g. 1 dargestellte Ladungskopplungsanordnung werden 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 Fotoplätze Bi, B2 und S3. Naturgemäß kann jede gewünschte Zahl von Fotoplätzen dieser Art vorhanden sein. Fotoplatz B1 (und B 2 und B 3) sind von den aktiven Fotoplätzen 1,2... 1728 getrennt durch ein Isoliergebiet /. In diesem Zusammenhang ist von Bedeutung, 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... 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 F i g. 1 ist gezeigt, daß sie sich am rechten Ende des linearen Feldes befinden.

Die Schwarz-Fotopiäize Sl, S2 und S3 sind vorzugsweise durch eine Isolierzelle /von den aktiven Fotoplätzen getrennt. Dies verhindert, daß elektrische Ladungen in irgendwelchen aktiven Zellen durch Leckerscheinungen in eine der Schwarz-Bezugszellen Bi, B2 oder S3 gelangen. Auch erhall man dadurch eine Herstellungstolcranz für die Abgrenzung von Fenster 35. Das Fenster 35 ermöglicht, daß elektromagnetische Strahlung, insbesondere sichtbares Licht, auf die Fotoplatze auftrifft. Um das Fenster 35 herum angeordnet, jedoch in F i g. 1 nicht dargestellt, ist ein Lichtschild, welches verhindert, daß Licht auf die Schwarz-Bczugszcllen S I, B2 und S3 und die übrige Oberfläche der in Fig. 1 dargestellten Anordnung auftrifft.

ίο Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann das Fenster 35 aus einem Material bestehen, welches gegenüber vorgegebenen Wellenlängen sichtbarer elektromagnetischer Strahlung undurchlässig ist, beispielsweise wenn ein blaues Signal oder andere farbige Signale abzufühlen sind. Da die Anordnung des Fensters 35 verhindert, daß Licht auf die Schwarz-Bezugsfotoplätze S 1, S 2 oder S3 auf trifft, werden diese Fotoplätze keinerlei Ladung ansammeln., oder aber sie werden eine Ladung sammeln, welche repräsentativ ist für alle Bedingungen in dem Substrat außer der Wirkung von sichtbarem Licht. Auf diese Weise bewirken die Schwarz-Bezugsfotostellen S 1, S2 und S3 eine automatische Korrektur für Dunkelstrom oder andere Störeinflüsse, welche durch Temperatur, chemische Zusanv menselzung oder andere Umgebungseinflüsse bedingt sein können.

Eine Möglichkeit zur Erzeugung des 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 Φχ in geeigneter Weise erhöht wird, in Schieberegisterelemente 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, welcher die Sättigung bewirkt, oder aber einen anderen gewünschten Bezugsladungspegel, beispielsweise einen Zustand weniger starker Helligkeit oder eine Grauschattierung. Diese Ladung wird als Wciß-Bezugssignal bezeichnet. Der Teil der Ladung, welcher in Schieberegisterelement 42 eingeführt wird, wird bei Anlegen von Signalen Vr und Φτ'\χη Anschluß an die Weitergabe der von den 1728 Fotoplätzen erzeugten Signalladungen aus dem Schieberegister 10 hinausgeführt. Das Weiß-Bezugssignal kann bei geeigneter Änderung der in F i g. 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 Abtastendelndikator verwendet werden. Das bedeutet, daß durch Anordnung des Weiß-Bezugssignal-Generators an dem »entfernten« Ende des Schieberegisters 10 entsprechend der Darstellung in F i g. I das unter Elektrode 39 geführte Signal 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 Φχ. Das Weiß-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 Φχ aktivieren.

F i g. 2a ist eine Schnittdarstellung eines Teils der in

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F i g. 1 gezeigten Anordnung, und zwar mit einem bei der Herstellung ausgebildeten vergrabenen Kanal. In Substrat 50, welches vorzugsweise ρ Leitfähigkeit hat, befinden sich mehrere Isoliergebicte 51« und 51b, welche vorzugsweise Siliziumdioxid enthalten, p+ leitende Gebiete 53a und 536 können unterhalb der Isoliergebiete 51 ausgebildt. sein, um zu verhindern, daß Streuionen einen leitfähigen Pfad unterhalb der Isoliergebiete 51 bilden. Ein in Substrat 30 ausgebildetes η leitendes Gebiet 55 akkumuliert elektrische Ladung bei Auftreten von elektromagnetischer Strahlung in der Umgebung. Vergrabene Kanalgcbietc 56« und 56b, welche vorzugsweise mit Phosphor, Arsen oder anderem η Material dotiert sind, und Gebiete 58a. 586 und 58c. welche vorzugsweise mit Bor oder anderem ρ Material dotiert sind, bilden Sperrgebiete, welche das Potentialprofil der Anordnung in noch zu beschreibender Weise iindern. Auch sind in Fig ?n schematisch Elektroden dargestellt, welche über dem Substrat 50 liegen. Elektrode 59a ist so Schaltungsieilen dirch Isolierzellen /1 und /2 getrennt. Durch eine Deckschicht 36. welche aus beliebigem geeigneten Material, beispielsweise Aluminium, bestehen kann, wird verhindert, daß sichtbares Licht auf die Dunkelzellen ΰ4 bis Ö7 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 bildet. Die Dunkelzellen 5 4 bis Bl erzeugen ein Signal, welches nur für irgendwelche Zustände innerhalb des Substrats 50 repräsentativ ist, beispielsweise die Temperatur.

Die Isolierzellen /1 und /2 sind umgekehrt vorgespannte n+ 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 36 entsprechend der Darstellung in Γ i s. 3 verbinde! und dann

geschaltet, daß sie das Signal Φι empfängt, während 2» das gewünschte Potential an Schild 36 anlegt.

Elektrode 61a das Signal Φ\ empfängt. Elektrode 62 empfängt Signal V_n-..

Unterhalb der in Fig. 2a dargestellten Anordnung /eigen I' i g. 2b. 2c und 2cl Diagramme von Poteniialprofilcn, und man erkennt, wie bei Anlegen des Signals <Λ\ eine in Gebiet 55 akkumulierte elektrische Ladung 73 zu dem Gebiet unterhalb Elektrode 59a weitergegeben werden kann. Wenn die Ladung so weitergegeben ist, kann sie aus der Ladungskopplungsanordnung durch Fig.4a ist eine Schnittdarstelliing durch einen Teil der in F i g. I dargestellten Anordnung, und sie zeigt die Arbeitsweise des Weiß-Be/ugssignal-Gencrators und auch die Arbeitsweise des Abtasiende-Indikaiors. In der in I ig. 4a dargestellten Anordnung sind die gleichen Bezugs/eichen verwendet wie bei der in Fig. I dargestellten Anordnung. Um das WeiU-Bezugssignal zu erzeugen, dienen zwei MOS-Transistoren 71 und 72. welche ein Signal V« erzeugen, das an Gebiet 38 angelegt

Anlegen von Signalen (Pr und V/ herausgeführt werden, jo wird. Wie aus F i g. 4a hervorgeht, ist die Gatterelektro-

wie noch im Zusammenhang mit F i g. 4 beschrieben werden wird.

Das in Fig.2b dargestellte Potentialprofil zeigt den Zustand der in F i g. 2a dargestellten Anordnung, wenn Signale Φχ und Φτ sich auf Nullpotcntial befinden. In diesem Zustand wird elektrische Ladung in dem Potentialtopf akkumuliert, welcher durch Gebiet 55 gebildet ist. Die gesammelte Ladung ist in F i g. 2b durch das schraffierte Gebiet 73 wiedergegeben.

Wie in F i g. 2c erkennbar isi. wird dann durch Erhöhung des Potentials d"s Signals <P\ und dementsprechend durch Absenken des Poieniialtopfcs unterhalb der Elektrode 61a ein Teil 76 der Ladung aus Gebiet 55 wciterbefördert und vorübergehend unterhalb Elektrode 61 a gespeichert.

Anschließend wird entsprechend der Darstellung in F i g. 2d das Potential des Signals >I'i erhöht, so daß inunmehr die Ladung 76. welche unter der Elektrode 61a gespeichert ist, unter Elektrode 59a weitergegeben und de des Transistors 71 so geschaltet, daß sic das Signa! V_r empfängt, während die Senkenelektrode Signa! V/>/> empfängt. Die Gatterelektrode des MOS-Transistors 72 ist mit der Quellenelektrode verbunden, welche geerdet

j-'i ist.

Transistor 72 stellt eine Konstantstromquelle für TratiMSior 7 S dar, so daß ein Signa! V_H erzeugt wird, welches im wesentlichen gleich W minus einer Sehwellwcrtspannung ist. Durch geeignete Dimensionierung

■in der Transistoren 71 und 72 kann das Signal V_K so gewählt werden, daß jeder gewünschte ü. .lungsbeirag eingeführt wird. Die maximale Größe des eingeführten Ladungspaketes, welches ein Schieberegister von dem Foloplatz aufnehmen kann, also die Größe einer Sätti-

4i gungsladiing. ist abhängig von der Sperrhöhe Vn. 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

in Gebiet 56<i gespeichert werden kann. Wenn Ladung 30 Darstellung. Der tatsächlich aus dem Gebiet 38 weiter-

78 nun unterhalb Elektrode 59a in Gebiet 56a gespeichert ist, kann das Potential des Signals Φ\ herabgesetzt werden, um zu verhindern, daß irgendwelche weitere Ladung aus Gebiet 55 zum Gebiet 56a weitergegeben wird, bis Signale Φτ und V, 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.

gegebene Ladungsbetrag kann jedoch geringer sein, und zwar abhängig von der Potentialsperre Vg. 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 die gleichen sind, können die räumlichen Abmessungen bei 68 in geeigneter Weise so gewählt werden, daß die Weiß-Signalladung auf einen gewählten Teil der Sättigungsla-

F i g. 3 zeigt schematisch und vereinfacht einen Quer- eo dung beschränkt bleibt, beispielsweise entsprechend der schnitt durch eine Folge von vier Dunkel-Bezugszellen, oberen Grenze des linearen Bereichs der Ansprechemp- und zwar unter der Annahme, daß sie sich auf der den findlichkeit der Fotoplätze der Ladungskopplungsanaktiven Elementen der in Fi g. 1 dargestellten Dunkel- Ordnung. Ein Vorteil der Art der Erzeugung des Weißzellen gegenüberliegenden Seite befinden, alsu aim lin- Signals in der oben beschriebenen Weise ist, daß die ken Ende der Folge der foioempfindlichen Elemente b5 Größe des Signais durch Änderung der Dimensionen 1725, 1726, 1727 und 1728 einer Ladungskopplurigsan- der Anordnung geändert werden kann, nicht jedoch der Ordnung. Die Dunkel-Bezugszellen Ö4. J55, S 6 und S 7 Prozeßparameter. Da die Dimensionen im Regelfall gesind von benachbarten aktiven Zellen oder anderen nauer 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 La- <k.ig des Weiß-Signals 80% der Sättigungsladung. Auf diese Weise erhält man eine lineare Abhängigkeit, und man kann erreichen, daß das von einem bestimmten Fotoplatz I ... 1728 erzeugte Signal in einer genauen Abhängigkeit steht von einem linearen Bereich von Grautönen zwischen Schwarz und Weiß.

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

Wenn entsprechend der Darstellung in F i g. 4b das Signal Φχ niedrig ist, erzeugt es eine Potentialsperre, welche die gesamte Ladung 74, die in Gebiet 38 aufgrund des Signals */« gespeichert ist, einfängt. Anschließend wird entsprechend der Darstellung in Fig.4c durch Halten dca (an Elektrode 39 angelegten) Signals Φτ auf einem niedrigen Potential und Erhöhen des Potentials des (an Elektrode 14 angelegten) Signals Φχ die Ladung 74 in Gebiet 38 auch unter Elektrode 14 gespeichert. Signal Φτ, 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 F i g. 4d das Potential des an Elektrode 39 angelegten Signals Φτ erhöht, während das an Elektrode 65 anliegende Signal jo Vr 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, wird dann das Potential des an Elektrode 39 angelegten Signals Φτ 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 Φτ eine geringere Höhe erhält, wird in den Bereich unterhalb der Elektrode V> weitergegeben. Anschließend kann durch kontinuierliches Pulsen des Signals Φτ das Ladungspaket 75 schrittweise von einer Elektrode zu nächsten weitergegeben werden, und es kommt schließlich am rechten Ende des oberen Teils des in F i g. 1 dargestellten Schieberegisters an: es kann nun entsprechend der Darstellung des Pfeils 30 in gewünschter Weise in andere Schaltungen eingebracht werden.

In gleicher Weise, wie es oben im Zusammenhang mit dem oberen Teil des Schieberegisters 10 beschrieben worden ist, wird 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 werden, 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 ermöglichen. ω

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 gs auf Dunkelstromsignale, Temperatureffekte, Taktsignaländerungen, Ausgangsverstärkeränderungen und, ganz allgemein, irgendwelche Fehler, welche in allen f'jtoempfindlichcn 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 ais Abtastendeindikator den Betrieb der Ladu ^kopplungsanordnung zurückzustellen; dadurch entfällt die Notwendigkeit des Einsatzes von Zähl-Netzwerken, wie sie in bekannter Weise mit großen Ladungskopplungsanordnungen zusammenwirken.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ladungskopplungsanordnung zum Erzeugen von Signalen, weiche für den Zustand von Umgebungslichtstrahlung repräsentativ sind, mit mehreren Fotoplätzen, welche bei Auftreffen von Umgebungslichtstrahlung eine Ladung speichern, deren Betrag von der Intensität der auftreffenden Umgebungslichtstrahlung abhängt,