DE3408344A1

DE3408344A1 - Verfahren und vorrichtung zur verringerung des korns in mehrphasig getakteten ccd-bildwandlern

Info

Publication number: DE3408344A1
Application number: DE19843408344
Authority: DE
Inventors: Donald Franklin Landisville Pa. Battson
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1983-03-07
Filing date: 1984-03-07
Publication date: 1984-09-13
Also published as: DE3408344C2; JPS59168670A; GB2136657B; FR2542491B1; US4507684A; GB2136657A; FR2542491A1; JPH0458701B2; GB8405683D0

Description

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RCA 79,451 Sch/Vu
USSN 472,566
vom 7. März 1983

RCA Corporation, New York,N.Y. (V.St.A.)

Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung des Korns in mehrphasig getakteten CCD-Bildwandlern

Die Erfindung bezieht sich auf das Problem körniger Bilder, die aus den AusgangsSignalen eines ladungsgekoppelten Bildwandlers erzeugt werden, insbesondere eines solchen Bildwandlers, der (durch Photoumwandlung erzeugte) Ladungsträger in einem CCD-Bildwandlerregister während Pausen der für die Bildübertragung vom Register benutzten Mehrphasentaktung integriert.

Im Stande der Technik sind CCD-Bildwandler mit Halbbildübertragung bekannt, welche einen Dreiphasentakt für das Bildregister (Α-Register) und das Halbbildregister (B-Register) verwenden. Ein Bildwandler dieses Typs hat in seinem Α-Register Gateelektroden praktisch gleicher Längen für alle drei Taktphasen. Ein solcher Bildwandler läßt sich ohne Halbbildverschachtelung betreiben, obwohl er oft unter Benutzung einer Form von Verschachtelung betrieben wird, die als Zwei-Drittel-Verschachtelung bekannt ist.

Bei der Zwei-Drittel-Verschachtelung erfolgt während jedes "zweiten" Halbbildes eine Bildintegration unter den zur zweiten Phase gehörigen Gateelektroden. Während jedes zwei-2Z, ten Halbbildes werden a) die zur zweiten Phase gehörigen Elektroden auf einem relativ positiven oder "hohen" Potential gehalten (um Potentialmulden zu induzieren, in welchen

Ι sich durch Photoumwandlung erzeugte Elektronen sammeln) und b) die zur ersten und zur dritten Phase gehörigen Gateelektroden auf relativ negativem oder "niedrigen" Potential gehalten werden. (Die den Gateelektroden des Bildwandlers zugeführten Spannungen sind bezogen auf eine dem Substrat des Bildwandlers zugeführte Spannung, für die üblicherweise Massepotential angenommen wird.) In jedem dazwischenliegenden Halbbild tritt eine Bildintegration unter den zur dritten Phase gehörigen Gateelektroden auf. Während jedes solchen dazwischenliegenden Halbbildes werden a) die zur dritten Phase gehörigen Elektroden auf einem "hohen" Potential gehalten (um Potentialmulden zu induzieren, in denen durch Photoumwandlung erzeugte Elektronen sich sammeln) und b) die zur ersten und zweiten Phase gehörigen Elektroden auf relativ negativem' oder "niedrigem" Potential gehalten.

Ein Kennzeichen der Betriebsweise mit Zwei-Drittel-Verschachtelung ist eine nicht perfekte Verschachtelung des rekonstruierten Fernsehbildes, die bei oberflächlicher Beobachtung unbemerkt bleiben kann, sich jedoch in diagonal verlaufenden Kanten im Bild durch eine Treppenform zeigt.

5 Ein bei CCD-Bildwandlern, die mehrphasige Taktspannungen in ihren Bildregistern verwenden, ständig auftretendes Problem resultiert aus einer Art Festmusterrauschen, das a) nicht nur auf Dunkelstromschwankungen des Bildwandlers zurückführbar ist und b) auch bei relativ hellen Bildern vorhanden ist. Dieses Rauschen wird üblicherweise als Korn bezeichnet, weil es im Wiedergabebild ähnlich wie Korn auf Photographien aussieht, die von hochempfindlichen Negativen bei Silberhalogenemulsionen auftreten. Dieses Korn erscheint besonders stark bei CCD-Bildwandlern, bei 5 denen die Photoumwandlung in bestimmten CCD-Bildwandler-Registern selbst oder in ihrem darunterliegenden Substrat vor sich geht. Jedoch kann dieser Korneffekt Dunkelstrom-

Schwankungen bei jeglicher Art von CCD-Bildwandlern beeinflussen, selbst bei solchen, die andere Photodetektorelemente als CCD-Register selbst oder ihre darunter befindlichen Substrate verwenden. Bis jetzt haben die Fachleute noch nicht herausgefunden, warum in Bildern, die aus den Ausgangssignalen von CCD-Bildwandlern erzeugt werden, Korn vorhanden ist.

Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat herausgefunden, daß Korn bei CCD-Bildwandlern, deren Bildregister in mehr als zwei Phasen getaktet werden, das Ergebnis einer Art von Verteilungsrauschen ist. Das Rauschen beeinflußt die Elektronen, die durch Photokonversion in Bereichen unter denjenigen der Bildregister-Torelektroden erzeugt werden, welche während der Ladungsintegration auf niedrigem Potential gehalten werden. Mit zunehmender Gesamtlänge derjenigen aufeinanderfolgenden Gateelektroden, die bei einem Mehrphasen-Bildregister auf niedrigem Potential gehalten werden, besteht für die in den Bereichen zwischen Potentialmulden erzeugten Elektronen weniger Wahrscheinlichkeit durch Störfelder von den Potentialmulden beeinflußt zu werden, die unter den anderen Gateelektroden induziert werden, welche auf hohem Potential gehalten werden. Demzufolge werden solche Elektronen wahrscheinlicher durch lokale elektrische Feldstörungen beeinflußt (und es ist daher wahrscheinlicher, daß sie im Mittel nicht in diejenigen Potentialmulden hineingezogen werden, die am nächsten am Ort ihrer Entstehung liegen). Dieses abwandern zeigt sich im Bildausgang als Kornstruktur.

Das Korn nimmt schnell zu, wenn die Gesamtlängen aufeinanderfolgender Gateelektroden, die auf niedrigem Potential gehalten werden, ansteigt. Dieser Umstand steht in Einklang mit der Beobachtung, daß die elektrostatische Kraft zwisehen einem Elektron und einer Potentialmulde reziprok zum Quiulrat des Abstandös zwischen Elektron und Potentialmulde ist. (Bei Bildwandlern, mit denen der Erfinder experimen-

tiert hat, wuchs das Korn rapide an, wenn die Gesamt liingo aufeinanderfolgender Gateelektroden auf niedrigem Potential länger als etwa 5 Mikron gemacht wurde.)

Der Erfinder hat festgestellt, daß das Korn sich in einem Dreiphasen-Ladungsübertragungs-Element, wie die oben erwähnten CCD-Bildwandler-Bildregister, verringern läßt, wenn man eine der beiden Gateelektrodenphasen mit dem niedrigem Potential auf einem niedrigeren als die andere hält. Diese Kornreduzierung resultiert teilweise darauf, daß Elektronen, die unter den Gateelektroden weniger niedrigen Potentials erzeugt werden, im allgemeinen die Potentialbarriere nicht übersteigen, die zwischen benachbarten Gateelektroden niedrigen Potentials liegt (und durch dieses Unvermögen wird das Einsammeln jedes solchen Elektrons durch eine bestimmte der naheliegenden Potentialmulden sicherer). Zur Kornreduzierung trägt auch die Verkürzung der effektiven Längen derjenigen Gateelektroden bei, die auf dem niedrigsten Potential gehalten werden, a) mit der sich daraus ergebenden Verringerung der Vermehrung der Ladungsträger welche entweder durch eine vorausgehende oder eine nachfolgende Potentialmulde eingesammelt werden und b) mit der resultierenden größeren Wirkung von Störfeldern für die Gewissheit, welche den naheliegenden Potentialmulden die Ladungsträger einfängt. Der Erfinder hat ferner erkannt, daß bei einem CCD-Bildwandler mit Halbbildübertragung und Anwendung einer zeilenweisen Verschachtelung Maßnahmen zur Kornreduzierung auch den Mittenabstand der Bildelemente in einem Vollbild gleichförmiger werden läßt, so daß man eine vollkommenere Zeilenverschachtelung erhält.

Gemäß einem ihrer Gesichtspunkte verkörpert sich die Erfindung in einem Verfahren zum Betreiben von CCD-Bildwandlern mit einem dreiphasig getakteten Bildregister oder A-Register. Während jedes Bildintegrationszeitintervalls werden die zur ersten Phase gehörigen Gateelektroden auf niedrigem Potential gehalten, während eine der übrigen

Gateelektroden für die zweite und dritte Phase auf einem hohen Potential und die andere auf einem niedrigen Potential gehalten wird. Die Neuheit dieses Verfahrens besteht darin, daß die Gateelektroden der ersten Phase auf einem nicht so niedrigen Potential wie die anderen Elektroden niedrigen Potentials der zweiten bzw. dritten Phase gehalten werden. Bis zu einem Punkt, wo die zur ersten Phase gehörigen Gateelektroden auf ein weniger niedriges Potential gebracht werden, wird das Korn verringert. Danach kann das Verfahren gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung unter der Annahme, daß das Dreiphasen-Bildregister verschachtelt betrieben wird, wobei die Gateelektroden der zweiten und dritten Phase während aufeinanderfolgender Halbbilder der Bildintegration zwischen hohem und niedrigem Potential umgeschaltet werden, so abgewandelt werden, daß die zur ersten Phase gehörigen Elektroden auf noch niedrigerem Potential gehalten werden, um die Verschachtelung von der Zwei-Drittel-Verschachtelung zur perfekten Verschachtelung zu verbessern. Weitere Gesichtspunkte der Erfindung betreffen eine Vorrichtung zur Durchführung der soeben erläuterten Verfahren.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1a und 1b Potentialprofile der Vorspannungspotentiale, welche den Bildregister-Gateelektroden zugeführt werden, zusammen mit einem Teil eines Kanals eines dreiphasig getakteten Bildregisters (Α-Register) eines Halbbildübertragungs-CCD-Bildwandlers während der Bildintegrationszeiträume in einem ersten bzw. zweiten Satz aufeinanderfolgender Halbbilder gemäß dem Stande der Technik, der eine Zwei-Drittel-Verschachtelung benutzt;

Fig. 2a und 2b Potentialprofile der Vorspannungspotentiale, Sb welche den Bildrcgister-Gatcclektroden während der Integrations ze it räume zugeführt werden, als erster und zweiter Satz abwechselnder Halbbilder gemäß der Erfindung zur Ver-

-ΙΟΙ ringerung des Korns und Verbesserung der Halbbildverschachtelung; und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer die Erfindung veranschaulichenden Vorrichtung zum Betreiben des CCD-Bildwandlers gemäß Fig. 2.

In den Figuren 1a und Ib sowie den Figuren 2a und 2b wird die Konvention verwendet, daß positivere Potentiale unterhalb negativeren Potentialen gezeichnet sind. Die relativ hohe Spannung V„x, welche den Gateelektroden zugeführt wird, unter denen durch elektrostatische Induktion (Influenz) Verarmungszonen gebildet werden, ist positiv gegenüber der relativ niedrigen Spannung V__o, welche den Gateelektroden zugeführt wird, unter denen Barrierenpotentiale vorhanden sein dürfen. Die sich ergebenden Potentialmulden (potential wells) stellen bei dieser Diagrammform graphisch die elektrische Feldkonfiguration dar, bei welcher die Elektronen zusammengesammelt werden. Wenn hier von "Ladung" die Rede ist, dann handelt es sich um die Elektronenladung oder die konventionelle negative Ladung.

Fig. 1 zeigt die Gateelektroden 11 bis 18, denen während der Bildübertragung eine Vorwärtstaktspannung φ - der ersten Phase, eine Vorwärtstaktspannung Φ_Α2 ^der zweiten Phase und eine Vorwärtstaktspannung φ ₃ der dritten Phase zyklisch zugeführt werden. Die Elektroden bilden einen positiven Bezug längs des Ladungsübertragungskanals im Bildregister. Die Figuren 1a und 1b veranschaulichen die Lage der Basispotentiale unter den Gateelektroden während der Bildintegrationszeiträume in zwei Sätzen abwechselnder Halbbilder. Die Vorwärtstaktung während der Bildübertragung erfolgt in allen Halbbildern von links nach rechts, weil in dem dargestellten Halbbild-Verschachtelungsschema der CCD-BiIdwandler ein solcher Typ ist, der alle Halbbilder vom Bildregister in derselben Richtung überträgt.

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Im ersten Satz abwechselnder Halbbilder sind gemäß Fig. 1a die Gateelektroden 11 und 12, denen während der Halbbildübertragungszexten die Taktsignale φ ₃ und φ .. zugeführt werden, während der Bildintegrationszeiträume auf einem relativ niedrigen Vorspannungspotential V_TO, damit unter diesen Elektroden eine Potentialbarriere 20 induziert wird. Die Gateelektrode 13, welcher während der Halbbildübertragungszexten das Taktsignal φ,- zugeführt wird, wird während der Bildintegrationszeiträume auf einem relativ hohen Vorspannungspotential V„_T gehalten, um unter ihr

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eine Potentialmulde 21 zu induzieren. Die Gateelektroden 14 und 15, welchen während der Halbbildübertragungszexten Taktsignale φ _ und φ .. zugeführt werden, werden während der Bildintegrationszeiträume auf V_LQ gehalten, damit unter ihnen eine Potentialbarriere 22 induziert wird. Die Gateelektrode 16, der während der Halbbildübertragungszexten Taktsignale Φ_Ά~ zugeführt werden, wird während der Bildintegrationszeiträume auf V^₁ gehalten, so daß unter ihr eine Potentialmulde 23 entsteht. Die Gateelektroden 17 und 18, die während der Bildübertragungszeiten Taktsignale φ ₃ und φ .. erhalten, werden während der Bildintegrationsintervalle auf V_L0 gehalten, so daß unter ihnen eine Potentialbarriere induziert wird.

Beim zweiten Satz abwechselnder Halbbilder, die zeitlich mit dem ersten Satz verschachtelt sind, werden die Gateelektroden 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 und 18 auf den Potentialen v_HI, V_LQ, V_LQ, V_RI, V_LQ, V_LQ, V_RI bzw. V_LQ gehalten. Demgemäß werden unter den Elektroden 11, 14 und 17, die während der Halbbildübertragungszexten Taktsignale Φ_Α3 erhalten, Potentialmulden 25, 27 bzw. 29 erzeugt, während unter den anderen Gateelektroden (12 und 13; 15 und 16; und 18) denen während der Bildübertragungszeiten Taktsignale Φ_Α1 und Φ_Α2 zugeführt werden, während der BiId-5 integrationszeiten im zweiten Satz abwechselnder Halbbilder Potontialbarrieren entstehen.

Es sei nun anhand von Fig. 1a der Mechanismus der Kornentstehung näher erläutert. Das Bildregister sei gleichförmig mit konstanter Helligkeit beleuchtet; Dunkelstromeffekte seien zur Erleichterung der Erklärung als Vernachlässigbar angesehen. Es wurde bereits gesagt, daß der Erfinder glaubt, daß Korn während der Bildintegration entsteht aufgrund lokaler elektrischer Feldanomalien in Teilen des Ladungsubertragungskanals, welche von den Potentialmulden entfernt sind, die als Ladungsträgersammelstellen dienen. Schwache lokale Feldanomalien können verursacht werden durch Oxiddickenschwankungen, Oberflächenverunreinigungen, ungleichförmige Dotierung des Bildwandlersubstrats oder -kanals oder durch andere Einflüsse. Zum Zwecke der Erläuterung sei angenommen, daß es sich um solche lokale elektrische Feldanomalien handelt, daß ein schwaches seitliches Driftfeld entgegengesetzt zur Vorwärtsladungsübertragungsrichtung in der Mitte der Potentialbarriere unter den Gateelektroden 11 und 12 vorhanden ist. Dieses seitliche Driftfeld verschiebt im Ladungsübertragungskanal die Ladungsgrenzfläche 31 vorwärts. Unter Ladungsgrenzfläche sei eine gedachte Fläche 31 verstanden, die dort durch den Ladungsübertragungskanal geht, wo ein Ladungsträger an irgendeinem Punkt innerhalb dieser Grenzfläche 31 mit gleicher Wahrscheinlichkeit von der Potentialmulde 21 wie von der unmittelbar vor der Potentialbarriere 20 liegenden Potentialmulde eingefangen wird. Die Verschiebung der Fläche 31 erfolgt von der Mitte der Barriere 20 auf die Potentialmulde 21 zu. Die Verschiebung verringert, von der Hälfte her gesehen, den Anteil der Ladungsträger, die unter beiden Gateelektroden 11 und 12 erzeugt wurden, sich aber in der Potentialmulde 21 angesammelt haben. Die unter der Gateelektrode 13 erzeugten Ladungsträger können nicht aus der Potentialmulde 21 entweichen und sammeln sich natürlich vollständig in dieser an, und die Ansammlung der La-5 dungsträger, die unter einer Gateelektrode erzeugt werden, die auf hohem Potential gehalten wird, wird von den elektrischen Feldanomalien im wesentlichen nicht beeinflußt.

Es sei nun angenommen, daß weitere lokale Feldanomalien vorliegen, infolge deren ein schwaches seitliches Driftfeld parallel zur Vorwärtsladungsübertragungsrichtung in der Mitte der Barriere 22 auftritt. Dieses seitliche Driftfeld verschiebt im Ladungsübertragungskanal die Ladungsgrenzfläche 32 rückwärts (also die Ebene durch den Ladungsübertragungskanal, welche die Stelle markiert, wo ein Ladungsträger mit gleicher Wahrscheinlichkeit von der Potentialmulde 21 wie von der Potentialmulde 23 eingefangen wird). Diese Verschiebung verringert, von der Hälfte gerechnet, den Teil der Ladungsträger, die unter beiden Elektroden 14 und 15 erzeugt werden, sich aber in der Potentialmulde 21 ansammeln. Zur gleichen Zeit erhöht die Verschiebung, von der Hälfte aus gerechnet, denjenigen Teil der Ladungsträger, die unter den Gateelektroden 14 und 15 erzeugt wurden, sich aber in der Potentialmulde 23 angesammelt haben.

Weiterhin sei angenommen, daß lokale Feldanomalien vorhanden sind, die ein schwaches seitliches Driftfeld entgegen der Vorwärtsladungsübertragungsrichtung in der Mitte der Potentialbarriere unter den Gateelektroden 17 und 18 verursachen. Dadurch verschiebt sich die Ladungsgrenzfläche 33 im Kanal vorwärts und erhöht, von der Hälfte aus gerechnet, den Anteil der Ladungsträger, die unter den Gateelektroden 17 und 18 erzeugt wurden und sich in der Potentialmulde 23 angesammelt haben.

Schwache lokale Driftfelder haben dann während des Integrationszeitraums die in der Potentialmulde 21 angesammelten Ladungsträger in doppeltem Maß verringert und die in der Potentialmulde 23 angesammelten Ladungsträger in doppeltem Maß vergrößert. Trotz der gleichmäßigen Beleuchtung des Bildregisters übersteigt die Menge der in der Potential-5 mulde 23 angesammelten Ladungen die Menge der in der Potentialmulde 21 angesammelten Ladungen um einen Ladungsunterschied AQ. Solche Änderungen der angesammelten Ladun-

gen sind insgesamt verantwortlich für einen ersten von zwei Anteilen der Körnigkeit. Der andere Kornanteil geht auf Dunkelstrom zurück, der in gleicher Weise wie die eben beschriebene Beeinflussung der Ladungsträger, welche durch Photoumwandlung im Bildregister entstehen, beeinflußt wird.

Außer geringfügigen Verschiebungen infolge von Verteilungsrauscheffekten, die für die Kornerzeugung verantwortlieh sind, sei darauf hingewiesen, daß jede Potentialmulde sämtliche Ladungsträger einsammelt, die unter der sie induzierenden Gateelektrode entstehen, und ebenso die statistischen Äquivalente der Anzahlen von Ladungsträgern, welche unter der vorangehenden und der nachfolgenden Gateelektrode erzeugt werden. Dadurch entstehen die Bildpunktzentren bei oder genügend nahe bei den Zentren der Potentialmulden: Also in der Mitte zwischen den Gateelektroden (13,16), welche im ersten Satz abwechselnde Halbbilder Taktsignale φΑ₂ erhalten, und in der Mitte zwischen den Gateelektroden (14,17), welche im zweiten Satz abwechselnde Halbbilder die Taktsi.gnale φΑ₃ erhalten. Dieses Muster von Bildpunktzentrumsstellen, welches charakteristisch für eine Zwei-Drittel-Feldverschachtelung ist, ist in Fig. unten gezeigt.

Das Potentialprofil gemäß Fig. 1a zeigt nicht die Störfeldeffekte, wie sie zwischen den Gateelektroden mit dem höheren Potential Φ_Α2 und ihren seitlichen Gateelektroden mit den niedrigeren Potentialen Φ_Α1 und φ _ auftreten.

Diese Störfeldeffekte sind im wesentlichen symmetrisch um die Mitte jeder Gateelektrode mit dem Potential Φ_Α2' weil die benachbarten Gateelektroden mit den Potentialen Φ_Α1 und Φ_Α3 das gleiche niedrige Potential haben, und damit beeinflussen sie die Lage der Bildelementzentren nicht.

Das Potentialprofil gemäß Fig. 1b zeigt nicht die Störfeldeffekte zwischen den Gateelektroden mit dem höheren Potential φΑ., und ihren benachbarten Gateelektroden mit

den niedrigeren Potentialen φ ₂ ^un<ä Φ_Α1 · Die Störfeldeffekte sind im wesentlichen symmetrisch um das Zentrum jeder Gateelektrode mit dem Potential φ ₃, weil die benachbarten Gateelektroden mit den Potentialen φ „ und φ ..

das gleiche niedrige Potential haben, und daher werden die Stellen der Bildelementzentren nicht beeinflußt.

Die Figuren 2a und 2b zeigen die Potentialprofile während des Bildintegrationszeitraums im ersten und zweiten Satz abwechselnder Halbbilder, wie sie auftreten, wenn gemäß der Erfindung die Gateelektroden, denen während der Halbbildübertragung die Taktsignale ψ . zugeführt werden, nicht auf V_TO sondern stattdessen auf ein Potential V_TNT zwischen V₁-_o und V_H_ vorgespannt werden. Genauer gesagt ist V_INT von V _Q her etwas in Richtung auf V_HI verschoben, so daß man gestufte Potentialbarrieren zwischen den Potentialmulden erhält. Durch die Zuführung von V"_INT zu den zu φ_Ά1 gehörigen Gateelektroden 12, 15 und 18 im ersten Satz abwechselnder Halbbilder (Fig. 2a) tritt bei den modifizierten Potentialbarrieren 20', 22', 24' eine Stufenverringerung in Richtung der Vorwärtsladungsübertragung auf. Dies begünstigt die Wanderung derjenigen Ladungsträger, die außerhalb der Potentialmulden erzeugt wurden, in Richtung der Vorwärtsladungsübertragung, also in Richtung der vorangehenden Potentialmulde anstatt in Richtung der nachfolgenden Potentialmulde. Im zweiten Satz abwechselnder Halbbilder (Fig. 2b) bewirkt die Zuführung von V_INT zu den Elektroden 12, 15 und 18, daß bei den modifizierten Potentialbarrieren 26' und 28" eine Stufenverringerung entgegengesetzt zur Vorwärtsladungsübertragung erfolgt, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 2a beschrieben wurde. Dies begünstigt eine Wanderung der Ladungsträger, die außerhalb der Potentialmulden erzeugt wurden, in einer Richtung entgegen der Vorwärtsladungsübertragungsrichtung und zwar auf die nachfolgende Potentialmulde zu (anstatt auf die vorausyolu-Mulo Pul (.MiL ialmul tie v.u) . Ddir/ul ulqt; wurden dlu Bildzentren im ersten Satz abwechselnder Halbbilder vorwärts

und im zweiten Satz abwechselnder Halbbilder x'üukwartij verschoben.

Fig. 2a zeigt nicht die Störfeldeffekte, wie sie zwischen den Gateelektroden niedrigeren Potentials φ ₃ und ihren benachbarten Gateelektroden höheren Potentials φ-₂ und φ . hinsichtlich des Potentialprofils auftreten. Wenn diese Störfeldeffekte symmetrisch zu den zu φ_Α-. gehörigen Gateelektrodenzentren wären, dann müßte man erwarten, daß die Bildkanten an den Ladungstrennflächen (31', 32', 33') unter den Zentren der zu φ , gehörigen Gateelektroden wären. Dadurch würden die BildelementZentren unter die angrenzenden Kanten der zu Φ_Ά1 und φ ~ gehörigen Gateelektroden verschoben. Der Störfeldeffekt, wie er zwischen der Gateelektrode mit dem niedrigen Potential φ ₃ und ihren benachbarten Gateelektroden mit dem höheren Potential φ, ^ auftritt, ist ausgeprägter als der Störfeldeffekt zwischen der Gateelektrode niedrigen Potentials φ _ und ihren benachbarten Gateelektroden mittleren Potentials ^₁, wodurch die die Bildelementränder bestimmende Ladungstrennfläche zur Vorderkante der zu φ ₃ gehörigen Elektrode verschoben wird. Ein größerer Teil der Ladungsträger, die im Bereich unter der zu φ ₃ gehörigen Gateelektrode entstehen, wird in den Mulden unterhalb der vorangehenden, 5 zu Φ_Α2 gehörigen Gateelektrode gesammelt, als es ohne Störfeldeffekte der Fall wäre, und die Bildzentren werden in Richtung auf die Mitte der zu φ „ gehörigen Gateelektroden nach vorn verschoben, wie Fig. 2a zeigt.

Fig. 2b zeigt nicht die Störfeldeffekte, die zwischen den Gateelektroden niedrigen Potentials φ „ und ihren benachbarten Gateelektroden höheren Potentials φ .. und φ _ auftreten, hinsichtlich des Potentialprofils. Wie bei der Bildintegration gemäß Fig. 2a sind auch bei der Bildintegration gemäß Fig. 2b die Auswirkungen dieser Störfelder unsymmetrisch um die Zentren der Gateelektroden niedrigen Potentials Φ_Αο· Die Störfeldeffekte zwischen den Gate-

elektroden niedrigen Potentials φ ~ ^und den Gateelektroden hohen Potentials φ , sind ausgeprägter als die Störfeldeffekte zwischen den zu φ ₂ gehörigen Elektroden und den zu φ * gehörigen Elektroden mittleren Potentials. Die Ladungsgrenzfläche unter jeder zu φ _ gehörigen Gateelektrode verschiebt sich zu deren rückwärtiger Kante, so daß ein größerer Teil der im Bereich unter den zu φ „ gehörigen Gateelektroden entstehenden Ladungsträger in den Mulden unter den vorangehenden zu Φ_Ά3 gehörigen Gateelektroden angesammelt wird, als es ohne Störfeldeffekte der Fall wäre. Die Bildelementzentren werden nach rückwärts zur Mitte der zu φ ₃ gehörigen Gateelektrode verschoben, wie dies in Fig. 2b gezeigt ist.

Durch Einstellung des Pegels V"_INT hinsichtlich V_LQ und V„._ können diese Störfelderscheinungen zur Verbesserung der Halbbildverschachtelung gegenüber der Zwei-Drittel-Halbbildverschachtelung bis zu einer perfekten Verschachtelung (beispielsweise) für irgendeinen speziellen Ladungspegel in der Potentialmulde unter den Gateelektroden höheren Potentials herangezogen werden. Diese Steuerung läßt sich sogar zur Veränderung der Verschachtelung über den exakten Fall hinaus in Richtung auf den entgegengesetzten Zwei-Drittel-Halbbild-Verschachtelungszustand hin benutzen.

Beim Betrieb mit 10-VoIt-tiefen Potentialmulden ist bei einer Versetzung von V__NT gegenüber V_TO um 3 Volt bis 4 Volt eine perfekte Verschachtelung bei"6-7-7"-CCD-Bildwandlern beobachtet worden, deren dreiphasig getaktete Bildregister Gateelektroden von 6μ Länge für die erste Phase und Gateelektroden von 7μ Länge für die zweite und dritte Phase verwenden.

Es sei nun anhand von Fig. 2a betrachtet, wie durch die Zuführung von V_INT zu den zu φ^ gehörigen Gateelektroden während der BildintegrationsIntervalle das Korn verringert wird. Die Potentialstufen in den Barrieren 20', 22' und 24' verhindern eine Ladungsträgerwanderung unter den zu

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φ ₁ gehörigen Gateelektroden 12, 15 und 18 hinaus entgegen der Richtung der üblichen Ladungsübertragung. Statistisch kann daher angenommen werden, daß diese Ladungsträger durch ihre vorausgehenden Potentialmulden 21" und 23' zur Rechten außerhalb der Zeichnung vollständig eingesammelt werden. Man braucht sich daher hauptsächlich nur mit der Statistik zu befassen, wie die unter den zu φ,- gehörigen Elektroden 11, 14 und 17 erzeugten Ladungsträger bei ihrer Wanderung zwischen den jeweiligen vorausgehenden und nachfolgenden Potentialmulden aufgeteilt werden. Diese Verringerung der Anzahl von Ladungsträgern, die tatsächlich dem Verteilungsrauschen unterworfen sind, halbiert zumindestens AQ, oder das Korn, am Ausgangspunkt der hier angestellten Überlegungen, wenn man annimmt, daß die Gateelektroden gleiche Längen haben.

Die bis hierher angestellten Überlegungen hinsichtlich der Ladungsträgeraufteilung im Bildregister gelten für die Verwendung relativ großer Gatelängen, um die Effekte schwacher lokaler Felder auf die Kornbildung hervorzuheben. Die Ladungsgrenzflächen 31', 32' und 33' sind nun idealerweise in der Mitte der zu φ,.., gehörigen Gateelektroden 11, 14 bzw. 17 gelegen. Ihre Verschiebung von diesen Ideallagen infolge von Effekten schwacher lokaler Driftfelder verringert sich im Vergleich zum Fall, wo den zu φ .. gehörigen Gateelektroden zusammen mit den zu φ „ oder φ _ gehörigen Gateelektroden bei V_x_ gehalten werden, weil

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ihre Abstände von einer Potentialstufe halbiert werden. Dadurch wird die Kraft vervierfacht, die durch eine Potentialmulde oder eine Stufe im Bereich einer Ladungstrennfläche ausgeübt wird, gegenüber der schwachen Kraft, welche von lokalen elektrischen Feldanomalien ausgeht. Damit wird die Gesamtdistanz beim Potential V_T_ halbiert, die

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Drifteffekte der lokalen Feldanomalien werden im Vergleich 5 zu Störungen der Potentialmulden oder Stufen geviertelt, und damit sind Verschiebungen der Ladungstrennflächen 31', 32', 33* zu erwarten, die im Mittel bei einem Achtel der

Verschiebungen der Potentialtrennflächen 31, 32 und 33 gemäß Fig. 1a liegen. Diese Reduzierung des Verteilungsrauschens ergibt zusammen mit der Kornreduzierung um die Hälfte, welche direkt auf die Abstufung der Potentialbarrieren zurückzuführen ist, wie es vorstehend erörtert wurde, eine Kornreduzierung um einen Faktor von etwa 16.

Wenn in der Praxis 10-Volt-tiefe Potentialmulden für die Ladungsintegration bei einem 6-7-7-Bildwandler benutzt werden, erscheint sichtbares Korn bei einer Potentialverschiebung der zu φ,., gehörigen Gateelektroden um 1 bis 3 Volt gegenüber V-_o.

Fig. 3 zeigt ein Schaltungsbeispiel zum erfindungsgemäßen Betreiben eines CCD-Bildwandlers 40. Dieser enthält ein dreiphasig getaktetes Bildregister (A-Register) 41, ein Halbbildspeicherregister (B-Register) 42 und ein Parallel/ Serien-Konverter-Register (C-Register) 43 mit einer Ausgangsstufe. Es wird ein üblicher Zeitsteuer- und Taktsignalgenerator 45 benutzt. Während der Bildintegrationsintervalle, die wahrend der Halbbildabtastzeit im Bildwandlerausgangssignal stattfinden, werden im Halbleitersubstrat des A-Registers 41 erzeugte Ladungsträger unter den zu φ,- gehörigen Gateelektroden in einem ersten Satz abwechselnder Halbbilder und unter den zu Φ_Α2 gehörigen Gateelektroden im dazwischengeschachtelten zweiten Satz abwechselnder Halbbilder integriert. Nach jedem Bildintegrationszeitraum tritt während der Halbbildrücklaufzeit im Ausgangssignal des Bildwandlers ein Halbbildübertragungsintervall auf, in welchem die Wählschalter 51, 52 und 53 durch ein Wählsignal vom Generator 45 so geschaltet werden, daß sie dem Bildregister 41 Taktsignale φ ., φ „ und φ _ zuführen, die synchron mit Taktsignalen φ_β1, φ ₂ bzw. φ_πΟ sind, welche als Taktsignale dem B-Register 42 zugeführt werden. Die Bildabtastworte des Halbbildes im A-Rogister 41 werden mit einer Rate in das B-Register 4 2 übertragen, die ausreicht, um die Halbbildübertragung

innerhalb der Halbbildrücklaufzeit durchzuführen. Das als Dreiphasen-Register gezeigte C-Register 43 erhält Taktsignale Φρ-ΐ / Φρ₂ ^und Φρ3 mit noch höherer Rate, welche ausreicht, um Restladung aus dem B-Register 42 zu entfernen.

Nach der Halbbildübertragung tritt ein neues Bildintegrationsintervall auf, welches die Zeit für eine Halbbildabtastung einnimmt. Die Taktsignale φ * , φ ~ und φ _ verlangsamt, um die Bildelement-Ladungsabtastwerte im B-Register 42 in jeder Zeilenrücklaufzeit um eine Reihe oder Linie vorzurücken, während die aus dem B-Register 42 ausgetaktete Reihe parallel in das C-Register 43 eingetaktet wird, dessen Taktung gehalten wird. Bei jedem Zeilenhinlaufintervall wird die Taktung des C-Registers 43 wieder aufgenommen, so daß von der Ausgangsstufe des Registers 43 das Ausgangssignal seriell mit der Bildelement-Abtastrate geliefert wird.

Während dieses neuen Bildintergrationsintervalls wird vom Generator 45 an den Multiplexer 54 eine Anzeige, ob das Halbbild ungerade oder gerade ist, als Steuersignal geliefert. Dieses Steuersignal bestimmt, ob V_UT und V_T~ oder alternativ ν_₀ und V"_HI jeweils den Wählschaltern 52 und 53 zuzuführen ist, um den zu φ_Ά2 gehörigen bzw. zu φ _ gehörigen Gateelektroden zugeführt zu werden. Die Auswahl dieser Spannungen durch die Wählschalter 52 und 53 anstatt von Φ_Α2 ^un^ Φ_Α3 für die Zuführung zu bestimmten Gateelektroden des A-Registers 41 erfolgt in Abhängigkeit von dem Wählsignal vom Generator 45, um anzuzeigen, daß das A-Register in einem Bildintegrationszyklus anstatt in einem Halbbildübertragungszyklus arbeiten soll. Aufgrund dieses selben Wählsignals führt der Wählschalter 51 das Signal φ bestimmten Gateelektroden des A-Registers 41 nicht zu, sondern der Schalter 51 wählt V_INT (und nicht wie beim Stande der Technik V_LQ) für die Zuführung zu diesen Gateelektroden.

Es versteht sich für den Fachmann, daß gewisse Abwandlungen des hier beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung möglich sind, was bei der Betrachtung der beiliegenden Ansprüche zu berücksichtigen ist. Beispielweise kann der Potentialunterschied zwischen den zu Φ_Λ1 gehörigen Gateelektroden und den zu φ - ^und φ ₃ gehörigen Gateelektroden während der Bildintegration auch bewirkt werden durch unterschiedliche Dotierung des Halbleitermaterials (oder möglicherweise der Isolierschicht) unter den zu φ., gehörigen Gateelektroden und unter den zu φ,₂ ^und Φ_Αο gehörigen Gateelektroden. Diese Ausführung der Erfindung bedingt jedoch gewisse Schwierigkeiten bei der Erzeugung der Taktspannungen φ,., , φ, 2 ^un<^ Φλ3 ' weil die Taktspannung Φ .. dann während der Halbbildübertragungsintervalle sich von den Taktspannungen φ ~ und φ_₃ unterscheiden muß. Wenn die Erfindung vorstehend anhand eines Halbbildübertragungs-Bildwandlers beschrieben ist, so ist sie auch ebenso für einen Zeilenübertragungs-Bildwandler geeignet.

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Claims

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Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung des Korns in mehrphasig getakteten CCD-Bildwandlern

Patentansprüche

/ 1), Verfahren zur Vorspannung der Gateelektroden zumindest zu ausgewählten Integrationszeiten, in einem Ladungsübertragungselement des Typs, bei dem Gateelektroden in aufeinanderfolgenden Zyklen einer Gateelektrode für eine erste Phase, gefolgt von einer Gateelektrode einer zweiten Phase und diese wiederum gefolgt von einer Gateelektrode einer dritten Phase angeordnet sind, wobei die Gateelektroden der ersten, zweiten und dritten Phase während Ladungsübertragungszeiten dreiphasig getaktet werden, wobei in dem Verfahren in einem ersten Schritt während ausgewählter Integrationszeiten ein erstes Vorspannungspotential (^v _HI''^v _Lo* ^den Elektroden (13,16 etc.) der zweiten Phase und ein zweites Vorspannungspotential (V₁₀;V_HI) den Elektroden (11,14,etc.) der dritten Phase zugeführt werden, wobei das erste oder zweite Vor-

Spannungspotential einen Wert (V..-J hat, um Ladungsträgersammelstellen dicht bei den Gateelektroden zu induzieren, denen das Potential zur Sammlung der im Ladungsübertragungselement erzeugten Ladungsträger zugeführt wird und das jeweils andere Vorspannungspotential (V_T„) einen Wert hat, bei dem keine Ladungsträgersammelstellen induziert werden, gekennzeichnet durch einen Schritt der Zuführung eines dritten Vorspannungspotentials (V_TNT) zwischen dem ersten und zweiten Vorspannungspotential zu den Elektroden (12,15, etc.) der dritten Phase, wobei dieses dritte Vorspannungspotential gegenüber dem jeweils anderen vorgenannten Vorspannungspotential versetzt ist, um das Korn im Ausgangssignal des Ladungsübertragungselementes zu verringern.
2) Verfahren nach Anspruch 1 zur Vorspannung der Gateelektroden in einem Ladungsübertragungselement, welches ein Bildregister in einem CCD-Bildwandler vom Halbbildübertragungstyp ist, während Halbbildintegrationszeiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Vorspannungszuführung während der ausgewählten Integrationszeiträume die Zuführung des ersten, relativ hohen Potentials zu den Gateelektroden der zweiten Phase und die Zuführung des zweiten relativ niedrigen Potentials zu den Gateelektroden der dritten Phase während der Halbbildintegrationszeiträume in alternierenden Halbbildern und die Zuführung des relativ hohen Vorspannungspotentials zu den Gateelektroden der dritten Phase und des relativ niedrigen Vorspannungspotentials zu den Gateelektroden der zweiten Phase während der Halbbildintegrationszeiträume in den dazwischenliegenden Halbbildern umfaßt;

und daß der Schritt der Zuführung des Zwischenpotentials zu den Gateelektroden der ersten Phase während sämtlicher Halbbildintegrationszeiträume stattfindet.
3) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Gateelektroden der ersten Phase während sämtlicher Halbbildintegrationszeiten zugeführte Vorspannungspotential zur Bestimmung der Halbbildversehachtelung mit Bezug auf das niedrige Vorspannungspotential gewählt ist.
4) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Gateelektroden der ersten Phase während samt" licher Halbbildintegrationsintervalle zugeführt© mittlere Vorspannungspotential im Sinne einer perfekten Halbbildversehachtelung gewählt ist.
5) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer zusätzlich zu dem Ladungsübertragungselement (41) vorgesehenen ersten Einrichtung (52) zur Zuführung des ersten Vorspannungspotentials (^vjjj) ²^ ä©n zur zweiten Phase gehörigen Elektroden (13,16, etc.) des Ladungsübertragungselementes während der ausgewählten Integrationszeiträume, und mit einer zweiten Einrichtung (52) zur Zuführung des zweiten Vorspannungspotentials (V_LQ) zu den zur dritten Phase gehörigen Elektroden (14,17, ate.) des Ladungsübertragungselementes während d©r ausgewählten Integrationszeiträume, gekennzeichnet durch eine dritte Einrichtung (51) zur Zuführung des dritten Vorspannungspotentials (^vtnt^ ^zu ^®^{n gur} ©£§t@n Phase gehörigen Elektroden (12,15, etc.) des Ladungsübertragungselementes während der ausgewählten Integrationszeiträume.
6) Vorrichtung nach Anspruch 5 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 3 mit ferner einer vigrten Einrichtung (54) , welche

(a) die erste Einrichtung (52) das relativ hohe Vorspannungspotential (V₁₁₁) tion zur zweitem Phasa gühörigsn Gateelektroden (13,16, etc.) des Bildwandlerregigtere (41) während der Bildintegrationszeiträume in einem ersten Satz alternierender Halbbilder zuführen läßt und

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(b) die zweite Einrichtung (53) das relativ hohe Potential den zur dritten Phase gehörigen Gateelektroden (14, 17, etc.) des Bildwandlerregisters während Bildintegrationszeiten in einem zweiten Satz der alternierenden HaIbbilder, welche zeitlich zwischen den ersten Satz alternierender Halbbilder geschachtelt sind, zuführen läßt, wobei die vierte Einrichtung

(c) die erste Einrichtung (52) das relativ niedrige Vorspannungspotential (V_LQ) den zur zweiten Phase gehöri-

gen Gateelektroden (13,16, etc.) des Bildwandlerregisters während Bildintegrationszeiträumen im zweiten Satz alternierender Halbbilder zuführen läßt und

(d) die zweite Einrichtung (53) das relativ niedrige Vorspannungspotential den zur dritten Phase gehörigen Gateelektroden (11,14, etc.) des Bildwandlerregisters während Bildintegrationszeiträumen im ersten Satz alternierender Halbbilder zuführen läßt, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (51) das mittlere Vorspannungspotential (V _NT) den zur ersten Phase gehörigen Gateelektroden (12, 15, etc.) während Bildintegrationszeiten sowohl im ersten als auch zweiten Satz alternierender Halbbilder zuführt.