DE3039264C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ladungsübertragung bei einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Ladungsübertragung bei einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung

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Description

Die Erfindung bcziehl sieh ;iuf ein Verfahren z.iii I..1-clungsühcrtragung bei einer FestkörperbilclabtaMvorrichlung. bei dem eine optisch erzeugte Signalladiing
zunächst auf ein von einem Ausleseleiler gebildetes erstes kapazitives Element und anschließend über ein drittes kapazitives Element, das eine kleinere Kapazität als das erste kapazitive Element aufweist, auf ein von einem Ladungsvcrschiebungsrcgistcr gebildetes, ebenfalls eine kleinere Kapazität als das erste kapazitive Klenieni aufweisendes zweites kapazitives Element übertragen wird, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Festkörper-BiHabtastvorrichtungen werden allgemein in auf MOS-Technik beruhende Festkörper-Bildabtastvorrichtungen und auf Ladungsverschiebeelement-Technik beruhende Festkörper-Bildabtastvorrichtungen eingeteilt. Fig. 1 stellt eine schematische Schaltungsanordnung einer <iuf MOS-Technik beruhenden Festkörper-Bildabtastvorrichtung dar. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein auf MOS-Technik beruhendes Schieberegister für eine Horizontalabtastung und das Bezugszeichen 2 ein auf MOS-Technik beruhendes Schieberegister für eine Vertikalablastung. Diese Schieberegister 1 und 2 werden durch herkömmliche zweipiiasige Taktimpu'sc betrieben. Diese Schieberegister dienen der Verschiebung von Siartimpusen zu festen Zeitgaben von Taktimpulsen, um Schicbeiropulsc zu bilden. Diese Schiebeimpulse werden auf Ablastim-
puls-Eingangsleitungen 3-1.3-2 3-/7 bzw. 4-1,4-2
4-/7? ausgegeben. Durch ihr Ansprechen auf diese Impulszüge werden die horizontalen MOS-Schalter 5 und die vertikalen MOS-Schalter 6 nacheinander durchgeschaltet, so daß von die Diffusionsschichten der Quellenbereiche der vertikalen MOS-Schalter 6 verwendenden Fotodioden 7 abgeleitete Signale über vertikale Übertragungsleitungen 8-1, 8-2, ... 8-n an eine Videoausgangsleitung 9 abgegeben werden. Das auf die Vidooausgangsleitung 9 ausgegebene Videosignal stellt den sich ergebenden Ladungsstrom dar, wenn die Diode, die während eines Rasters durch das einfallende Licht entladen worden ist, durch eine Vidcostromquelle 11 geladen und über einen Lastwiderstand 10 ausgelesen wird.
F i g. 2 zeigt einen Prinzipaufbau einer auf Rasterübertragung beruhenden Festkörper-Bildabtastvorrichlung, welche ein Beispiel für eine auf Ladungsvcrschiebungselementtechnik beruhende Festkörper -Bildabtastvorrichtung darstellt. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet einen optoelektronischen Konversionsbereich zur Speicherung einer optischen Signalladung und verwendet normalerweise ein auf Oberflächenkanultcchnik beruhendes Ladungsverschiebeelemeni. Die durch den optoclektrischen Konversionsbereich 20 umgewandelten optischen Signalladungen werden in einer schnellen Rasterübertragung während einer vertikalen Rücklaufperiode in einen daran angrenzend angeordneten optischen Signalladungsspeichcrbereich 21 übertragen. Der optische Signalladungsspeicherbereich 21 verwendet ebenfalls gewöhnlich auf Oberflächenkanaltechnik beruhende Ladungsverschiebcelemente. Die in den optischen Signalladungsspeicherbereich 21 übertragene Signalladung wird während der horizontalen Rücklaufperiode in ein horizontales Schieberegister 22 übertragen, das normalerweise ein auf der Technik des versenkten Kanals beruhendes Ladungsvcrschiebeciement benutzt und wird weiter unter Verwendung eines geeigneten Übertragungstaktsignals in einen .Signalausgabebereich 23 übertragen und dann ausgelesen.
Bei der auf MOS-Technik beruhenden Feslkörpcr-Bildabtastvorrichtung ist jedes Bildclemcnt einzeln durch einen pn-Übcrgang gebildet. Aus diesem Grund ist die Signaltrennung zwischen den jeweiligen Bildclcmenten außerordentlich gut. Der von dem auf MOS-Technik beruhenden horizontalen Schieberegister abgeleitete Horizontalabiastimpuls durchläuft die Gatterkapazität des horizontalen MOS-Transistors sowie eine r, zwischen dessen Gatter und Senke bestehende Streukapa/iiäl, was sich in auf der Videoausgangsleitung erscheinenden Slörspilzeri äußert. Eine Änderung der oben erwähnten Kapazität, welche den Hauptgrund für die Verursachung eines sogenannten Festmusterrauschens darstellt, verringert das Rauschverhältnis des Videosignals erheblich. Hierin liegt die der auf MOS-Technik beruhenden Festkörper-Bildabtastvorrichtung innewohnende ernsthafteste Schwierigkeit.
Im Falle der auf der Ladungsverschiebe-Rastübertragung beruhenden Festkörper-Bildabtasivorrichtung, bei der die Bildeiemente in /77 Zeilen und η Spalten angeordnet sind, wird das mit versenktem Kanal arbeitende Ladungsverschiebeelement als das Horizontaiabtast-Schieberegister verwendet. Aus diesem Grund ist das FesimusteTauschen außerordentlich gering und das Rauschverhältnis gut. Der prinzipielle '"«trieb der derartigen BHuabtastvorricntung besteht darin, daß die von dem optoclektrischen Konversionsbereich abgeleitete Signalladung auf einmal in den optischen Signaliadungs-Speicherbereich übertragen wird und dann in diesem Bereich gespeicherte Signalladung sequentiell auf das horizontale Schieberegister übertragen wird. Dieser prinzipielle Betrieb ist mit unvermeidbaren Übertragungsverlusten verbunden, die auftreten, wenn die Signalladung durch m oder mehr Stufen übertragen wird. Der Grad der Verschlechterung des zu übertragenden Signals ändert sich in Abhängigkeit von dem Abstand jedes Bildelements in bezug auf das Horizontalabtast-Schieberegister. Demzufolge ändert sieh der Grad der
J5 Verschlechterung der Bildqualität in Abhängigkeit von der Lage auf dem Bildschirm. Wie oben beschrieben, wird weder durch die auf MOS-Technik beruhende Festkörper-Bildabtastvorrichtung noch durch die auf Ladungsverschiebeelementtcchnik beruhende Festkörper-Bildabtastvorrichtung erfolgreich eine hohe Auflösung und ein gutes Rauschverhältnis erzielt.
Bei einer nach einem Verfahren der eingangs genannten Art arbeitenden, als bekannt geltenden Festkörper-Bildabtastvorrichtung (DE-OS 29 3b 704) wird die während einer bestimmten Integralionszeit in einer Fotodiode erzeugte optische .Signalladung nach ihrer durch Offnen eines Schalttransistors hervorgerufenen Übertragung auf einen das erste kapazitive Element bildenden Spaltenleiter mit Hilfe eines Transfergates zunächst in eine Stelle eines das dritte kapazitive Element bildenden Schieberegisters übertragen. Von dort aus erfolgt unter der Steuerung durch ein weiteres Transfergale eine Weiterleitung in ein aai zweite kapazitive Element bildete Schieberegister. Dieser Auslesevorgang wird sodann in einem weiteren Takt wiederholt, wobei jedoch durch eine sehr kurze Bemessung der i.itegrationszeit der Fotodiode keine optischen Signalladungen, sondern lediglich durch Störeinflüsse hervorgerufene Störladungen auf den Spaltenleiter und von dort unter
W) der Steuerung durch das betreffende Transfergate in das Schieberegister übertragen werden. Am Ende der beiden Schieberegister ist eine einer Differenzbildung dienende Einrichtung vorgesehen, durch welche die in die beiden Schieberegister übertragenen Ladungen
b5 voneinander abgezogei. werden, was bedeutet, daß die zunächst mit den Störladungen behaftete optische Signalladung von der Störludung befreit wird.
Zwar ist bei der als bekannt gellenden Festkörner-
Bildabtastvorrichtung durch diese Maßnahme insoweit eine Verminderung des Taktübersprechens erreicht. Dort wird dabei der weiteren Störursachc keine Rechnung getragen, daß eine wirkungsvolle Übertragung der auf den eine verhältnismäßig große Kapazität aufweisenden Spaltenleitcrn gespeicherten kleinen Signalladungen in das das zweite kapazitive Element bildende horizontale Ladungsverschiebungsregister äußerst schwierig ist. Wegen des abnehmenden Wirkungsgrades der Signalladungsübertragung ist dabei die vertikale Auflösung in Abhängigkeit von dem Abstand der Bildwandlerelemente in bezug auf das horizontale Schieberegister veränderlich.
Dagegen ist bei einer bekannten Festkörper-Bildabtastvorrichtung anderer Gattung (»Elektroniker« Nr. 3/1978, Seiten 7 bis 15) unmittelbar neben jeder der Erzeugung der optischen Signalladung dienenden Wandlerelementspalte ein vertikales Schieberegister vorgesehen, in das die erzeugten Signalladungcn unmittelbar übernommen und von dort in ein horizontales Alisleseregister übertragen werden. Ähnlich ist bei einer weiteren bekannten Festkörper-Bildabtastvorrichtung (DE-OS 29 02 532) auf beiden Seiten längs einer Zeile von Wandlerelementen je ein Schieberegister angeordnet, wobei jeweils zwischen der Wandlerelemcntzeile und dem Schieberegister eine Übertragungselektrode vorgesehen ist. Die in der Wandlerelcmentzeile erzeugten Signalladungen werden unter der Steuerung durch die Übertragungselektrode in diese Schieberegister übertragen und von deren Ende ausgelesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß die Geschwindigkeit und der Wirkungsgrad für die Übertragung der optischen Signalladung auf das dem Auslesen dienende Ladungsverschiebungsregister erhöht ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß von dem dritten kapazitiven Element vor der Übertragung der Signalladung vom ersten auf das dritte kapazitive Element eine zusätzliche Ladung in das erste kapazitive Element injiziert wird.
In der folgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre Vorteile unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer herkömmlichen auf MOS-Technik beruhenden zweidimcnsionalen Festkörper-Bildabtasivorrichtung,
Fig. 2 ein prinzipielles Blockdiagramm einer auf Ladungsverschiebungs-Rasterübertragung beruhenden zweidimensional Festkörper-Bildabtastvorrichtung.
Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer zweidimensionalen Festkörper-Bildabtastvorrichtung.
F i g. 4a beim Betrieb der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform auftretende Spannungsformen.
Fig.4b Potentialdiagramme von Betriebszuständen bei dem in F i g. 4a dargestellten Zeitablauf.
Fig.5 Spannungsformen bei einer einer Verbesserung des Übertragungswirkungsgrades dienenden doppelten Übertragung,
F i g. 6 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform mit Maßnahmen zur Löschung eines pseudooptischcn Signals.
Fig. 7 Impuls-Zeitdiagramine für den Betrieb iler in I: i g. 6 dargestellten zweidimcnsionalen Festkörper-Bildabtastvorrichtung, und
rig. 8 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform, bei der je ein horizontales Schieberegister entsprechend ungeraden und geraden Spalten von Auslcseleitcrn im auf der Zeichnung oberen und unteren Bereich angeordnci sind.
Gemäß einer in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform einer zweidimcnsionalen I'estkörper-Bildabtast- vorrichtung, sind jeweils ein fotoelektrisches Wandlcrelcmcnt in Form einer Fotodiode 31 und einen vertikalen MOS-Schalter 32 aufweisende Bildelemente in Matrixweise angeordnet. In Fig. 3 ist der Einfachheit halber eine Matrix mit vier Spalten und vier Zeilen dargc-
K) stellt, [line Anzahl der vertikalen MOS-Schalter 32 sind mit ihren Gattern gemeinsam verbunden, um eine Vertikalabtasiimpuls-Eingangsleiturig 33 zu bilden, die an ein auf MOS-Technik beruhendes vertikales Schieberegister 34 angeschlossen ist. Die Senken der vertikalen
r> MOS-Schalter 32 jeder Zeile sind zur Bildung einer vertikalen Übertragungsleitung 35 untereinander verbunden. Die vertikalen Übcrtragungsleitungcn 35 sind jeweils an einem Ende über deren Quellcnbereiche mit ( erste Übcriragungsgatier aufweisenden Übertragungs-MOS-1 ransistoren 36 verbunden. Die Gatter der MOS-Transistoren 36 sind untereinander verbunden, um hierdurch eine erste Gattereingangslciuing 37 zu bilden. Der Senkcnbercich jedes einzelnen der Übcrtragungs-MOS-Transistorcn 36 ist jeweils mit dem anderen Ende von Spcichcrkondcnsatorclemcnten 39 verbunden, die aus an ihrem einen Ende zusammcngeschalteten MOS- > Kondensatoren bestehen und hierdurch eine Speicher-Gattereingangsleitung 38 bilden, so daß Speicherbereiche N gebildet sind. Die zweiten Übertragungsgatter 310 sind jeweils angrenzend an die Speicherkondcnsatoren 39 angeordnet. Diese Übertragungsgattcr sind untereinander verbunden, um eine zweite Gattereingangsleitung 311 zu bilden. Ein auf Ladungsverschiebung mit versenktem Kanal beruhendes horizontales Schicberc- ;
j5 gistcr 312 (als ein horizontales Register bezeichnet), das < angrenzend an die Übertragungsgatter 310 angeordnet ist. ist an seinem einen Ende mit einem Signalausgabeberek'h 313 verbunden, in der folgenden Beschreibung ist angenommen, daß alle MOS-Schalter vom N-Kanalanrciehcriingstyp sind: dasselbe Arbeitsprinzip ist jedoch entsprechend für andere Arten von MOS-Schalter anwendbar. Auf der Grundlage der prinzipiellen Betriebsweise der unter Bezugnahme auf F i g. 1 und 2 angesprochenen Hildabtastvorrichtung wird nun die Be-Schreibung unter Hervorhebung der für die Ausführungsfornt von F i g. 3 wesentlichen Betriebsweise weitergeführt.
Zuerst wird ein vertikaler Abtastimpuls an den vertikalen MOS-Schalter 32 während einer einzelnen horizontalen Rücklaufperiode zum Zwecke des Einschaltens dieses Schalters 32 angelegt, wodurch die in den Fotodioden 31 gespeicherte Signalladung auf die entsprechende Übertragungsleitung 35 übertragen wird. Indem sodann an die Impulseingangsleitungen 37 und 38 geeignete Übertragungsimpulse angelegt werden, werden sodann die Signalladungcn auf den Übertragungsleitungen 35 effektiv an die Senkenbereiche N (Speicherbereiche) der MOS-Transistoren 36 übertragen und darin vorübergehend gespeichert. Indem in dem nächsten
bo Schritt ein Übertragungsimpuls an die Impulseingangsleitung 311 angelegt wird, wird die in dem Speicherbereich N gespeicherte Signalladung an das horizontale Schieheregister 312 übertragen. Die SigiialUuluiij: wird synchron zu geeignelcn Übcriraguiigsiaktimpulsen
hr> durch das horizontale Schieberegister 312 durchgeschoben und mittels des Signalausgabebereichs313 ausgelesen.
In Fig.4a ist in beispielhafter Weise ein Satz von
/eiiablaufdiagrammcn für die Ausführung des oben erwähnten Betriebs der Festkörper-Bildabtastvorrichtung dargestellt. In dieser Figur bezeichnet Vi,; die Wellenform einer auf der Impulseingangsleitung 37 auftretenden Impulsspannung, Vn die Wellenform einer auf der Impulseingangsleitung38 nuftretenden Inipulsspannung und Vm die Wellenform einer auf der Impulseingangsleitung 311 auftretenden Impulsspannung. In Fig. 4b sind die fVtriebszusländc durch die in den entsprechenden Bereichen zu den in Fig.4a dargestellten Zeiten auftretenden Potentiale ausgedrückt dargestellt. In dieser Figur bezeichnet /. die Übertragungsleitung 35. N die Speicherbereiche und BCCD das horizontale Schieberegister 312. Die in den entsprechenden Bereichen auftretenden Potentiale sind durch K/, Kv. KV bzw. Vn dargestellt. Die Elektroden der Eingangsleilungen sind durch Ta. T, bzw. 7» dargestellt. Die in den entsprechenden Bereichen bei t — 0 im Dunkclzusiand auftretenden Potentiale sind als V1, V.vbzw. K» bezeichnet.
Wenn tier Mi's dem vertikalen Schieberegister 34 /u einer Zeit (0 < / </i) abgeleitete Ablastimpuls an den vertikalen MOS-Schalter 32 angelegt wird, wird der größte Teil der in der Fotodiode 31 gespeicherten Signalladung Cs auf die vertikale Übertragungsleitung 35 übertragen, da die Kapazität Ci. der Übertragungsleitung 35 im Vergleich zu der Kapazität der Fotodiode 31 hinreichend groß ist. Um die auf die vertikale Übertragungsleitung 35 übertragene .Signalladung Q\ in die Speicherbereiche N zu übertragen, werden die Impulse Vn; und Vn an die F.lektrodcn Ta und T( angelegt. Die Kapazität Cv des Speicherbereichs Λ/ist durch G, + C-,,, ausdrücl.bar, wobei Gi die Kapazität des kapazitiven Spcicherelements 39 und C1,,, eine Streukapazität am Senkenbereich des MOS-Transistors 36 darstellt. Zuerst wird durch den zur Zeit i\ an das Gatter T1. angelegten Impuls Kk; eine Schwellcniadung Qh(<xVi — K\) effektiv aus dem das Potential Kv aufweisenden .Speicherbereich Λ/ in die vertikale Leitung 35 injiziert. Zur Zeit h wird der Impuls K/ran die Elektrode T( angelegt, um in ausreichender Weise das in dem Speicherbereich N auftretende Potential auf K/v' zu erhöhen. Zu dieser Zeit wird die auf der Übertragungsleitung 35 zusammengesetzte Ladung (Qs + Qb) in den Speicherbereich N in einem BBD- oder Kettenzustand übertragen. Dabei gilt
Kn1 = Vn + CJ(C1 + Cn,) ■ Vn.
Um die zusammengesetzte Ladung von der Übertragungsleitung L in den Speicherbereich Λ/zu übertragen, muß während der in den Speicherbereich /Verfolgenden Übertragung der zusammengesetzten Ladung (Qs + Qb) das in dem Bereich N herrschende Potential über dem Wert von K/, gehalten werden. Gleichzeitig wird das auf der vertikalen Übertragungsleitung 35 herrschende Potential wieder auf den Wert K/. gesetzt. Die eingestellte Spannung V1 drückt sich aus durch Vi = Vtg — Vi°, wobei K/; die Schwellenspannung des Gatters Tc darstellt. Sodann wird zur Zeit /i der Wert von Vtc Null.
Nachdem die Übertragungsleitung 35 von dem Speicherbereich N elektrisch getrennt wird, wenn der Impuls Knzu der Zeit U in einen Nullzustand zurückkehrt, wird das in dem Speicherbereich N herrschende Potentiah'klein. Wenn zur Zeit /5 der Übertragungsimpuls Vn an das Gatter Tn angelegt wird, wird aliein die Signalladung Qs des Speicherbereichs N an das horizontale Schieberegister312 übertragen. Gleichzeitig wird das in dem Speicherbereich N herrschende Potential wieder auf Kv gcsei/i. so daß die Bildabtastvorrichtung für den nächsten Überinigungs/yklus (u bis th) bereit ist. Dabei besteht der Zusammenhang Kv = Vm — Vr", wobei K(Z? die Schwellspannung des Gatters Tu darstellt. LIm r> die Ladung aus dem Speicherbereich Λ/an das horizontale Schieberegister 312 zu übertragen, muß das Kanalpotential des horizontalen Schieberegisters 312 auf einem höheren Wen als K,v gehalten werden. In der Tat gilt Vi" = ViB. Während der Dauer einer horizontalen Abiastpciiode wird die in das horizontale Schieberegister 312 übertragene Signalladung Qs in den Signalausgabebereich 313 übertragen, wo sie ausgelesen wird. Damit zur Zeit ti die Schwellenladung Qh in den L-Bereich injiziert wird, muß die Beziehung Kj. > Kv erfüllt r> sein. Der effektive Wirkungsgrad für die Übertragung der Signalladung Qs aus dein /.-Bereich in den /V-Bereich ist dadurch außerordentlich erhöht, daß die Schwellenladung Qh automatisch injiziert wird, wenn der Impuls K/<; früher als der Impuls Vk; angelegt wird. i\) uin dcraniges Übertragungsverfahren wird ais eine automatisch vorgespannte Ladungsübertragung bezeichnet.
Wenn die Phasen der Impulseingangsspannung Vtg und Vn gleichphasig sind, wird keine Schwellenladung injiziert und der Wirkungsgrad für die Ladungsübertragung vom /.-Bereich zum /V-Bereich ist dürftig. Infolgedessen wird kein gutes Bild erhalten. Wie aus den in F i g. 4b dargestellten Potentialdiagrammen hervorgeht, wird die injizierte Ladung nicht an das horizontale to Schieberegister übertragen. Es ist wohlbekannt, daß bei der herkömmlichen Rasterübertragung in einem Ladungsverschiebeelement die Schwellenladung extern injiziert wird, um den Übertragungswirkungsgrad zu verbessern. Bei diesem Verfahren wird jedoch das Festmu-J5 slerrauschen durch eine Veränderung der Schwellenladting verursacht. Andererseits entsteht ein derartiges Festmuster überhaupt nicht, wenn das automatisch vorgespannte Lisdungsüberiragungsvcrfahrcn verwendet wird.
Durch die Verwendung der oben beschriebenen Steuerimpulse kann die von der vertikalen Übertragungsleitung 35. deren Kapazität C/ groß ist, beispielsweise einige zehn pF, abgeleitete Signalladung mit hohem Wirkungsgrad in den eine hinreichend kleine Kapazität Cv aufweisenden Speicherbereich Nübertragen werden.
Wenn das Verfahren der automatisch vorgespannten Ladungsübertragung verwendet wird, wird das Bild nicht gestört, da selbst bei einem geringen Lichtwert der Übertragungswirkungsgrad nicht verschlechtert wird, so daß ein ziemlich scharfes Bild gebildet werden kann. Ein im Rahmen der Erfindung durchgeführtes Experiment, bei dem die Kapazität des Speicherbereiches N ein Mehrfaches der Kapazität der Fotodiode betrug und die Beziehung C0 = Cp„ erfüllt war, hat einen Wirkungsgrad für die Ladungsübertragung von bis zu 70% und mehr ergeben. Ein befriedigender Wert für |ii — /2I lag dabei im Bereich von einigen zehn ns und die einzelnen Impulsbreiten betrugen ungefähr I μ5.
Bei der vorstehend erwähnten Betriebsweise wird albo lein die lediglich in der ersten Spalte auf die vertikale Übertragungsleitung 35 übertragene Ladung in das horizontale Schieberegister 312 übertragen. Tatsächlich wird dieser Betriebsvorgang gleichzeitig bei allen Fotodioden 31 derselben Zeile bewirkt. Ferner sind in jeder b5 Spalte die betreffenden Fotodioden 31 durch Senken der vertikalen MOS-Schalter 32 über die Übertragungsieitungen 35 miteinander verbunden. Durch diese Verbindung ist rangmäßig der Abstand der von in anderen
Zeilen angeordneten Fotodioden herrührenden Signalladung bezüglich des horizontalen Schieberegisters 312 unabhängig von dem relativen Abstand zu dem horizontalen Schieberegister 312. Weiterhin wird, nachdem die von der die große Kapazität aufweisenden Übertragungsleitung 35 abgeleitete Signalladung mit hohem Wirkungsgrad an das die kleine Kapazität aufweisende Speicherelement 39 übertrugen worden ist, diese an das horizontale Schieberegister 312 übertragen. Auf diese Weise ist der Wirkungsgrad der Übertragung außerordentlich verbessert, wodurch eine gute vertikale Auflösung erreicht wird, wenngleich das Bild kaum geformt wird, wenn es unmittelbar von der vertikalen Übertragungsleitung 35 an das horizontale Schieberegister übertragen wird.
Ferner verwendet die Festkörper-Bildabtastvorrichtung ein Ladungsversehiebeelcment für das horizontale Schieberegister und drei getrennte Impulseingangsleitungen. Hierdurch kann der Wirkungsgrad für die Übertragung der Ladung von der vertikalen Übertragungsleitung in das horizontale Schieberegister weiter verbessert werden. F i g. 5 zeigt für die Erläuterung der in einem solchen Fall vorliegenden Betriebsweise nützliche Zeitablaufdiagramme. Die Impulse η bis rb für die automatisch vorgespannte Ladungsübertragung gleichen denen in F i g. 4a dargestellten. Um eine zweimalige Wiederholung dieser Impulse zu erhalten, werden während einer Zeitdauer von iV bis n/ dieselben Impulse verwendet, wie während η bis n,. Das durch diese Steuerimpulse bewirkte Ladungsübertragungsverfahren wird doppelte Übertragung genannt. Bei dem doppelten Übertragungsverfahren ist der Wirkungsgrad für die Übertragung der Ladung von der vertikalen Übertragungsleitung 35 in den Speicherbereich N durch Φ = V + C — 1I)V ausdrückbar, wobei // den Wirkungsgrad für die Übertragung von der vertikalen Übertragungsleitung 35 in den Speicherbereich N unter Verwendung der in Fig.4a dargestellten impulssteuerung bedeutet. Da die Kapazität des Speicherkondensators Nsehr klein ist, kann angenommen werden, daß der Wirkungsgrad für die Übertragung vom Speicherbereich N zum horizontalen Register 312 beinahe 100% beträgt. Folglich kann angenommen werden, daß der Wirkungsgrad für die Übertragung von der vertikalen Übertragungsleitung 35 zum Speicherbereich N durch denjenigen für die Übertragung von der vertikalen Übertragungsleitung 35 zum horizontalen Register 312 gegebenist.
Wenn das doppelte Übertragungsverfahren ausgehend von // = 70% angewendet wird, ergibt sich tfi = 91%. Wenn es bei // = 90% angewendet wird, folgt ifi = 99%. Durch die Verwendung der doppelten Übertragung wird die vertikale Auflösung weiter verbessert. Innerhalb der effektiven horizontalen Rücklaufperiode ist die Anwendung einer beliebigen Anzahl von Impulsen für eine automatisch vorgespannte Ladungsübertragung zulässig. Die Impulssteuerung gemäß V;« kann von τ% bis r* statt in der pulsierenden Weise gleichstromartig vorgenommen werden, wie aus deren Betriebsprinzip ersichtlich ist. Darüber hinaus kann sie während der gesamten Zeitspanne als eine Gleichspannungs-Vorspannung betrieben werden. In diesem Fail muß V,\ kleiner als das kleinste Kanalpoteniial des horizontalen Registers sein.
Die bisherige Beschreibung bezieht sich auf d:e Art und Weise, wie die auf der übertragungsleitung 35 auftretende Signalladung mit hohem Wirkungsgrad an das horizontale Schieberegister 312 übertragen wird. Da jedoch jede der Übertragungsleitungen 35 eine Anzahl von Senken der vertikalen MOS-Schalter 32 umfaßt, wird der während der Dauer einer horizontalen Abtastperiode erzeugte Dunkelstrom und das bei den Senken gesammelte optische Signal gespeichert, und diese pseudooptischen Signale werden der wahren optischen Signalladung beigemischt. Demzufolge wird das Rausch Verhältnis verschlechten.
Die vorerwähnte Schwierigkeit ist jedoch gemäß der ι» folgenden Beschreibung lösbar, die sich auf eine Festkörper-Hildabtastvorrichtung bezieht, bei der lediglich wahre .Signalladungen mit einem hohen Übertragungswirkungsgrad auf das horizontale Schieberegister 312 übertragen werden, indem das pseudooptische Signal Γι auf der Übertragungsleitung 35 während einer Impulszeilgabe im Betrieb der Bildabiastvorrichtung gelöscht wird, bevor die wahre Signalladung in den Speicherbereich N übertragen wird. In F i g. fa ist ein Schaltbild einer Festkörpcr-Bildabtastvorrichtung dargestellt, dcrcn Aufbau die Löschung des pseudooptischcn Signals ermöglicht. Bei der in Fig.6 dargestellten Schaltungsanordnung ist die Anzahl von Biteinheiten des horizontalen Schieberegisters pro vertikaler Übertragungsleitung gemäß einem Bitciuhcitcnaufbau u\. a,'. «i:, ai',... verdoppelt. Die übrigen Teile des Schaltungsaufbaus stimmen mit denen des in Fig. 3 dargestellten iiberein. Die übrigen Teile sind daher mit den gleichen Symbolen wie in F i g. 3 bezeichne!.
In F i g. 7 sind Impulszeitablaufdiagramme für die jo Steuerung der in Diskussion stehenden Festkörper-Bildabtasivorrichtung dargestellt. Hierin bedeutet V(. einen Ablastimpuls, der von dem vertikalen MOS-Schicbercgister 34 an den vertikalen MOS-Schalter 32 angelegt wird. Unter der Steuerung durch einen zwijri sehen einem Zeilpunkt P\ und einem Zeitpunkt Λ, wiederkehrend auftretenden Zug von Impulsen wird das auf der vertikalen Übertragungsleitung auftretende pseiidoopiische Signal unier der autüniaiisch vorgespannten Überiragungsweisc in die Biteinheit 3\ des ho-4Ii rizonialen Schieberegisters übertragen. Sodann wird das in der Einheit .ii gespeicherte pseudooptische Signal an die benachbarte Biteinheit .V des SchicOeregisters übertragen, indem für das horizontale Schieberegister ein geeigneter Überlragungstaki während einer Zcitdauer von /'„ bis r„ verwendet wird, wodurch die Biteinheit .»ι entleert wird. Danach wird nur die wahre Signalladung, die durch Verwendung des zum Zeitpunkt P% angelegten Impulses Vr, von der Fotodiode auf die Übertragungsleitung übertragen wird, mit einem hohen Wirkungsgrad während der Zeildauer von η bis rö' im doppelten Übertragungsbereich in die Biteinheit a\ des horizontalen Schieberegisters übertragen. Danach werden während einer horizontalen Abtastperiode die pseudooptische und die wahre Signaliadung unter Verwendung des geeigneten Übertragungstaktes durch das horizontale Schieberegister 312 hindurch an den Ausgabebereich 313 übertragen, wo sie ausgelesen werden. Durch eine Entfernung der pscudooptischen Signalladung durch ein geeignetes Verfahren und ein auswi schlicßlichcs Lesen der wahren Signalladung wird ein einen außerordentlichen hohen Wirkungsgrad aufweisendes Videosignal erhalten. Bei einem der Verfahren zur Entfernung des pseudooptischen Signals ist ein aus einem Abtastübertragungsgatter und einer Senke bc- - stehendes Papar angrenzend an eines oder mehrere eigentliche Bits des horizontalen Schieberegisters bei dem Ausgabebereich 313 angeordnet, um die pseudooptische Signalladung abzuzweigen und zu beseitigen. Bei
liner deranigen Anordnung wird das pscudoopiische Signal beseitigt, indem das psetidooptisehc Signal derart in die Senke eingetastet wird, daß bei der (iberiragung Je<i pseudooptkehen Signals auf die Biteinheit ein Im- \A-„i an das Abtastüberlragiingsgalter angelegt wird. r,
In einem weiteren Verfahren zur Entfernung «lies pseudooplischcn Signals sind die Übertragungsgatter angrenzend an eine geeignete Anzahl der effektiven Bi'einheiten des horizontalen Schieberegisters vorgesehen, so daß die auf das horizontale Schieberegister übertragene pseudooplische Signalladung aus dem horizontalen Schieberegister durch die Übcrtrngungsgailer während der horizontalen Rücklaufpcriodc ausgegeben wird. Bei Verwendung dieses Verfahrens ist das in dem Videosignal enthaltene Rauschen vermindert und i-> das Signal ist in einfacher Weise verarbeitet. Wie oben beschrieben wurde, ist hierdurch die durch eine Änderung des Dunkelslroms verursachte, in einer Gruppe von Senken auf der vertikalen Übertragungsleitung gespeicherie Fc-s;mus;e-r-l\nuschkorüpwnonic erheblich 2» herabgesetzt und es wird ein Videosignal mit einem außerordentlich .vohen Rauschveihälinis erhalten. Die überschüssige Sättigungsladung, die hervorgerufen wird, wenn die Bildabtastvorrichtung eine über das Sättigungslicht hinausgehende Lichtmenge empfängt, kann y, durch die Verwendung des Verfahrens zum Löschen des pseudooptischen Signals gelöscht werden, wodurch die Überstrahlungswiderstandskennlinie außerordentlich verbessert wird.
Für den Fall, daß eine große AnzaM von horizontalen Bilddementen verwendet wird, kann d>e Schaltung der Festkörperbildabtastvorrichtung derart angeordnet werden, daß die horizontalen Schieberegister an der oberen und unteren Seite in bezug auf die ungeraden und geraden Spalten der vertikalen Übertragungslci- r> tungen angeordnet werden, wodurch der bei einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit des horizontalen Schieberegisters hervorgerufene Übertragungsverlust vermindert und die Integrationsdichte verbessert ist. Ein Beispiel für eine derartige Gestaltung ist in F i g. 8 dargestellt. Zur Bezeichnung der mit der F i g. b gleichen Teile sind die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die in F i g. 7 dargestellten Stciierimpulszeitabläufe können in diesem Beispiel verwendet werden. Während die vorerwähnten Ausführungsformen auf Oberflächenkanälen beruhende Übertraglingsgatter TG und TR verwenden, können diese Gatter auch vom Typ versenkter Kanäle ausgebildet sein. In diesem Fall ist der Wirkungsgrad für die Übertragung weiter verbessert.
Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht die Erfindung die vollständige Ausschaltung des durch den horizontalen Abtastimpuls hervorgerufenen Fcstmustcrrauschens, was bei der herkömmlichen auf MOS-Technik beruhenden Festkörper-Bildabtastvorrichtung kaum möglich ist Außerdem sind das Rauschverhältnis und ^ die Überstrahlungswiderstandskennlinie erheblich verbessert, indem das pseudooptische Signal und die Überstrahlungsladung gelöscht werden. Bei der auf Ladungsverschiebeelementen beruhenden Festkörper-Bildablastvorrichtung ist der Grad der durch die Vielstufen- ω Übertragung der Signalladung hervorgerufenen Verschlechterung der vertikalen Auflösung in Abhängigkeit von dem Abstand der Bildelemente in bezug auf das horizontale Schieberegister veränderlich. Dieser Mangel tritt bei der Erfindung nicht auf. Außerdem besteht t>5 bei der Erfindung keine Notwendigkeit für eine externe Injektion der Schwellenladung. Deshalb ist die erfindungsgemäße Festkörper-Bildabtastvorrichtung nicht mit dem durch die Veränderung der extern injizierten Ladungen verursachten f-'estmusierrausehen behaftet. Folglich ist die erfindungsgemäße Festkörpcr-Bildab· tastvorrichtung gegenüber der herkömmlichen im Auflösungsvermögen, dem Rauschverhältnis, dem Übcrstrahlungswiderstand und dergleichen erheblich verbessert. In dieser Hinsicht ist die erfindungsgemäße zweidimensionale Festkörper-Bildabtast vorrichtung äußerst nützlich, wenn sie als eine Festkörper-Bildabtastvorrichtung für eine Einfach- oder Single-Chip-Farbkamera verwendet wird.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Ladungsübertragung bei einer Festkörper-Bildabtastvorrichtung, bei dem eine optisch erzeugte Signalladung zunächst auf ein von einem Ausleseleiter gebildetes erstes kapazitives Element (35) und anschließend über ein drittes kapazitives Element (39), das eine kleinere Kapazität als das erste kapazitive Element (35) aufweist, auf ein von einem Ladungsverschiebungsregister gebildetes, ebenfalls eine kleinere Kapazität als das erste kapazitive Element (35) aufweisendes zweites kapazitives Element (312) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß von dem dritten kapa/.iti- is ven Element (39) vor der Übertragung der Signalladung (Q,) vom ersten (35) auf das dritte (39) kapazitive Element eine zusätzliche Ladung (Qn) in das erste kapazitive Element (35) injiziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, aa3 in einem ersten Schritt von dem dritten kapazitiven Eiemeni (3S) als die iiusütz'iiche Ladung eine festgelegte Vorspannungs-Ladungsmenge in das erste kapazitive Element (35) injiziert wird, in einem zweiten Schritt die Ladung vom ersten kapa- 2·; zitiven Element (35) zum dritten kapazitiven Element (39) übertragen wird, und in einem dritten Schritt eine der Signalladung entsprechende Ladungsmenge unter Zurücklassung einer der Vorspannungs-Ladungsmenge entsprechenden La- in dungsmenge vom dritten kapazitiven Element (39) zum zweite1.: kapazitiven Element (312) übertragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während jeifer l'bertragungspcriode v> die Folge der drei Schritte wenigstens einmal wiederholt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit in m Zeilen und η Spalten angeordneten fotoelcktrischen Wandlerelementen (31) und mit einer Signalladungsübcrtragungsvorrichtung, die ein in MOS-Technik aufgebautes vertikales Schieberegister (34) und Schaltet · elemente (32) zur gleichzeitigen zeilenweiscn Übertragung der in den fotoclektrischen Wandlerelcmen- v, ten (31) gespeicherten optischen Signalludungen auf vertikale Übertragungsleitungen (35) aufweist sowie ein horizontales Schieberegister^^), das als ein auf die zweiten kapazitiven Elemente darstellenden Ladungsverschiebeelcmenten beruhendes Schieberc- v\ gister ausgebildet ist, einer der Übenragung der auf die die ersten kapazitiven Elemente darstellenden Übertragungsleitungen (35) übertragenen optischen Signalladung in das horizontale Schieberegister (312) dienenden, zwei Übertragungsgatter (36, 310) v> und die dritten kapazitiven Elemente (39) aufweisenden Übertragungsvorrichtung und einem Signalausgabebercich (313), durch den die durch das horizontale Schieberegister (312) hindurch übertragene optische Signalladiing ausgebbar ist, dadurch gc- w> kennzeichnet, daß jedes der eine kleinere Kapa/iüit als die vertikalen Übertnigungslciiungen (35) aufweisenden, als kapazitive Speicherelemente ausgebildeten drillen kapazitiven Elemente (39). deren eine Elektrode als Speicherbereich (N)d\enl. an seiner μ anderen Elektrode von einer ersten Impulsspanniing (Vk) beaufschlagt ist. und daß durch ein erstes der beiden Übcrtnigungsgaücr (3b) der Übertragungsvorrichtung in Abhängigkeit von einer zweiten Impulsspannung (Vn;) Ladung zwischen dem Speicherbereich (N) und der vertikalen Übertragungsleitung (35) übertragbar ist sowie durch das zweite der beiden Übertragungsgatter (310) Ladung vom Speicherbereich (N) zu dem horizontalen Schieberegister(312) übertragbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß in dem horizontalen Schieberegister (312) die je einer Biteinheit entsprechenden Ladungsverschicbcelemente (au a\, a> a>'...) in doppelter Anzahl der vertikalen Übertragungsleitungen (35) vorgesehen sind, wobei die optische Signalladung und jede von der optischen Signalladung verschiedene Ladung in jeweils benachbarten Ladungsverschicbeelementen speicherbar sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das horizontale Schieberegister (312) ein Übertragungsgatter aufweist, durch das die Ladung mindestens einer der cndseitigen Biteinheit vorangehenden effektiven Biteinheit sowohl abzweigbar ais auch übertragbar ist, und daß jede von der optischen Signalladung verschiedene Ladung durch das Übertragungsgüte in einen von dem Signallausgabebereich (313) verschiedenen Bereich ausgebbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6. dadurch gekennzeichnet daß die die Übertragungsgatlcr (36, 310) und das kapazitive Speicherelement (39) aufweisende Übertragungsvorrichtung und das horizontale Schieberegister (312) entsprechend ungeraden und geraden Spalten der vertikalen Übertnigungsleitungcn (35) getrennt vorgesehen sind (F ig. 8).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7. dadurch gekennzeichnet, daß die zum Abzweigen und Übertragen von Ladung dienenden Übertragungsgatier jeweils entsprechend ungeraden und geraden Spalten der vertikaien Übertragungsleilungen (35) vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach einein der Ansprüche 4 bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Phasensetzung, bei der die Phase der an das erste Übertragungsgatter (36) angelegten zweiten Impulsspannung (Via) zeitlich früher als die der an die andere Elektrode des kapazitiven Speicherelemcntes (39) angelegten ersten Impulsspannung (V,,) auftritt, die das Übertiugungsgatlcr und das kapazitive Speicherelement (39) aufweisende Übertragungseinrichtung während einer gegebenen Übertragungsperiode wenigstens einmal die F-olge von Operationen ausführt, in der die erste Operation in der Injektion der Vorspannungs-Ladung aus dem kapazitiven Speicherelement (39) in die vertikalen Übcriragungslcitungen (35) besteht sowie die zweite Operation in der Übertragung der Signalladungsmenge auf der vertikalen Übertragungsleitung (35) zu dem kapazitiven Speicherelement (39) und die dritte Operation in der ausschließlichen übertragung der Signalkidungsmcngc auf dns horizontale Schieberegister (312).
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