DE3408344C2 - Verfahren zur Vorspannung der Gateelektroden eines Ladungsübertragungselementes und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Korn als festes Rauschmuster, welches nicht nur auf Dunkelstromschwankungen im Bildwandler zurückzuführen ist, sondern sogar bei relativ hellen Bildern auftritt, läßt sich in einem CCD-Bildwandler mit einem dreiphasig getakteten Bildwandlerregister verringern durch Einführung eines Potentialunterschiedes zwischen den Gateelektroden der beiden Taktphasen, die üblicherweise während der Bildintegrationsintervalle auf demselben Potential gehalten werden. Bei Halbbildübertragungs-CCD-Bildwandlern mit Halbbildverschachtelung und dreiphasiger Taktung des Bildregisters und des Halbbildspeicherregisters kann diese Potentialverschiebung genügend groß gemacht werden, um nicht nur das Korn zu verringern, sondern auch um die Halbbildverschachtelung gegenüber der Zwei-Drittel-Halbbildverschachtelung zur perfekten Halbbildverschachtelung hin zu verbessern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist, und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Insbesondere handelt es sich um das Problem körniger Bilder, die aus den Ausgangssignalen eines ladungsgekoppelten Bildwandlers erzeugt werden, vornehmlich eines solchen Bildwandlers, der (durch Pholoumwandlung erzeugte) Ladungsträger in einem CCD-Bildwandlerregister während Pausen der für die Bildübertragung vom Register benutzten Mehrphasentaktung integriert

Im Stande der Technik, beispielsweise gemäß der britischen Patentanmeldung 20 69 759 A, sind CCD-Bildwandler mit Halbbildübertragung bekannt, weiche einen Dreiphasentakt für das Bildregister (A-Register) und das Halbbildregister (B-Register) verwenden. Ein Bildwandler dieses Typs hat in seinem Α-Register Gateelektroden praktisch gleicher Längen für alle drei Taktphasen. Er läßt sich ohne Halbbildverschachtelung beteiben, obwohl er oft unter Benutzung einer Form von Verschachtelung betrieben wird, die als Zwei-Drittel-Verschachtelung bekannt ist Hierbei erfolgt während jedes »zweiten« Halbbildes eine Bildintegration unter den zur zweiten Phase gehörigen Gateelektroden. Während jedes zweiten Halbbildes werden a) die zur zweiten Phase gehörigen Elektroden auf einem relativ positiven oder »hohen« Potential gehalten, um Potentialmulden zu induzieren, in welchen 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. 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 und b) die zur ersten und zweiten Phase gehörigen Elektroden auf relativ negativem oder »niedrigem« Potential gehalten. (Die den Gateelektroden des Bildwandlers zugeführten Spannungen sind bezogen auf eine dem Substrat des Bildwandlers zugeführte Spannung, für die üblicherweise Massepotential angenommen wird.)

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

32 23 809 (entsprechend der britischen Anmeldung 21 09 630 A) eine vierphasige Bildregistertaktung und eine Halhbildverschachtelung in abwechselnden Zellen durch Kombinierung benachbarter Reihen von Ladungspaketen bekannt Diese Ladungspaketreihen werden jedoch nicht in einem Bildregister kombiniert wie es bei der obengenannten GB-PS 14 74 514 der Fall ist sondern stattdessen werden sie unmittelbar nach dem Bildregister kombiniert Schließlich behandelt die GB-PS 15 24 380 die Horizontalauflösung, insbesondere das Problem, daß die Ausgangszeilenregisterstufen oder C-Registerstufen bei der Herstellung zu kurz werden, wenn die Spaltenbreite geringer wird. Hierbei handelt es sich jedoch nur um den Betrieb des C-Registers, ohne daß auf den Betrieb des Bild- oder Α-Registers eingegangen würde. Schließlich ist aus der US-PS 40 85 456 ein Feldeffekt-CCD-Bildwandler bekannt, dessen A-Register (Bildwandlerregister) und B-Register (Speicherregister) während der Halbbildübertragung durch Dreiphasensignale getaktet werden. Die zur zweiten Phase gehörigen Elektroden des Α-Registers werden auf Festpotentialen gehalten, während die zur zweiten und dritten Phase gehörigen Elektroden während der Integrationsintervalle auf Massepotential gehalten werden. Ein ähnlicher Bildwandler ist in der bereits erwähnten US-PS 39 32 775 beschrieben.

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 Silberhalogenemulsion auftreten. Dieses Korn erscheint besonders stark bei CCD-Bildwandlern, bei denen die Photoumwandlung in bestimmten CCD-Bildwandler-Registern selbst oder in ihrem darunterliegenden Substrat vor sich geht Jedoch kann dieser Korneffekt Dunkelstromschwankungen 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 nun herausgefunden, daß Korn bei CCD-Bildwandlern, deren Bildregister in mehr als zwei Phasen getaktet werden, das Ergebnis einer Art von Verteilung&rauschen 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 gehal-

telung mit abwechselnden Zeilen erläutert, wie sie auch aus der US-PS 39 32 775 bekannt ist. Diese Verschachtelung hängt von der Kombination von Paaren benachbarter Reihen von Ladungspaketen im Bildregister ab. Dadurch verringert sich die Vertikalauflösung. Die Reihenkombination wird ermöglicht durch Verwendung einer geraden Anzahl von Taktphasen für die Ladungsübertragung vom Bildregister. Ferner ist aus der DE-OS

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Potentialmuiden 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 zwischen einem Elektron und einer Potentialmulde reziprok zum Quadrat des Abstandes zwischen Elektron und Potentialmulde ist. Insbesondere hat sich gezeigt, daß das Korn rapide anwuchs, wenn die Gesamtlänge aufeinanderfolgender Gateelektroden auf niedrigem Potential langer als etwa 5 Mikron gemacht wurde.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Kornreduzierung bei CCD-Bildwandlern der vorstehend erläuterten Art Ausgehend von einem Stande der Technik gemäß der US-PS 40 85 456, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 dargestellt ist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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 Störfeidem 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 Α-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 worden. 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 zeigt

F i g. 1 a und 1 b Potentialprofiie der Vorspannungspotentiale, welche den Bildregister-Gateelektroden zugeführt werden, zusammen mit einem Teil eines Kanals eines dreiphasig getakteten Bildregisters (A-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;

F i g. 2a und 2b Potentialprofile der Vorspannungspotentiale, welche den Bildregister-Gateelektroden während der Integrationszeiträume zugeführt werden, als erster und zweiter Satz abwechselnder Halbbilder gemäß der Erfindung zur Verringerung des Korns und Verbesserung der Halbbildverschachtelung; und

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

In den Fig. la und Ib sowie den Fig. 2a und 2b wird die Konvention verwendet, daß positivere Potentiale unterhalb negativeren Potentialen gezeichnet sind. Die relativ hohe Spannung Vw/, welche den Gateelektroden zugeführt wird, unter denen durch elektrostatische Induktion (Influenz) Verarmungszonen gebildet werden. ist positiv gegenüber der relativ niedrigen Spannung Vu), welche den Gateelektroden zugeführt wird, unter denen Barrierenpotentiale vorhanden sein dürfen. Die sich ergebenden Potentialmulden (potential wells) stellen bei dieser Diagrammform graphisch die elektrische Feidkonfiguration 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.

F i g. 1 zeigt die Gateelektroden 11 bis 18, denen während der Bildübertragung eine Vorwärtstaktspannung Φα ι der ersten Phase, eine Vorwärtstaktspannung Φα : der zweiten Phase und eine Vorwärtstaktspannung Φα 3 der dritten Phase zyklisch zugeführt werden. Die Elektroden bilden einen positiven Bezug längs des Ladungsübertragungskanals im Bildregister. Die Fig. la und Ib 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-Bildwandler ein solcher Typ ist, der alle Halbbilder vom Bildregister in derselben Richtung überträgt

Im ersten Satz abwechselnder Halbbilder sind gemäß Fi g. la die Gateelektroden 11 und 12, denen während der Halbbildübertragungszeiten die Taktsignale Φμ und Φλ\ zugeführt werden, während der Bildintegrationszciträumc auf einem relativ niedrigen Vorspannungspolcnlial Vu_h damit unter diesen Elektroden eine

l'olentialbarriere 20 induziert wird. Die Gateelektrodc 13, welcher während der llalbbildübertragungs/.eilen das Taktsignal Φα 2 zugeführt wird, wird während der ßildintegralionszeiträume auf einem relativ hohen Vorspannungspotential Via gehallen, um unter ihr eine Potentialmulde 21 zu induzieren. Die Gateelektroden 14 und 15, welchen während der Halbbildübertragungszeiten Taktsignale Φα 3 und Φα ι zugeführt werden, werden während der Bildintegrationszeiträume auf Vlo gehalten, damit unter ihnen eine Potentialbarriere 22 induziert wird. Die Gateelektrode 16, der während der Halbbildübertragungszeiten Taktsignale Φ* 2 zugeführt werden, wird während der Bildintegrationszeiträume auf Vh/ gehalten, so daß unter ihr eine Potentialmulde 23 entsteht. Die Gateelektroden 17 und IS, die während der Bildübertragungszeiten Taktsignale Φαζ und Φα\ erhalten, werden während der Bildintegrationsintervalle auf Vlo 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 Vm, V_La Vlo, V_Hi, V_La Vlo, Vm bzw. Vlo gehalten. Demgemäß werden unter den Elektroden 11, 14 und 17, die während der Halbbildübertragungszeiten Taktsignale Φα 3 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 Φα ι und Φα 2 zugeführt werden, während der Bildintegrationszeiten im zweiten Satz abwechselnder Halbbilder Potentialbarrieren entstehen.

Es sei nun anhand von Fi g. la 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 Ladungsübertragungskanals. welche von den Potentialmulden entfernt sind, die als Ladungsträgersammelstellen dienen. Schwache lokale Feldanomalien können verursacht werden durch Oxiddickenschwankungen, Oberfiächenverunreinigungen. 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 werden, 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 Ladungsträger, die unter einer Galeclektrode erzeugt werden, die auf hohem Potential gehalten wird, wird von den elektrischen Fcldanomalicn 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 Ver-Schiebung 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 Potentialmulde 23 angesammelten Ladungen die Menge der in der Potentialmulde 21 angesammelten Ladungen um einen Ladungsunterschied AQ. Solche Änderungen der angesammelten Ladungen sind insgesamt verantwortlich für einen ersten von zwei Anteilen der Körnigkeit Der andere Kornanteii 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 verantwortlich 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 Φ_Α ι erhalten, und in der Mitte zwischen den Gateelektroden (14, 17), welche im zweiten Satz abwechselnde Halbbilder die Taktsignale Φα 3 erhalten. Dieses Muster von Bildpunktzentrumsstellen, welches charakteristisch für eine Zwei-Drittel-Feldverschachtelung ist ist in F i g. 1 unten gezeigt

Das Potentialprofil gemäß Fig. la zeigt nicht die Störfeldeffekte, wie sie zwischen den Gateelektroden

mit dem höheren Potential Φ_Λ 2 und ihren seitlichen Gateelektroden mit den niedrigeren Potentialen Φα ι und Φ A3 auftreten. Diese Störfeldeffekte sind im wesentlichen symmetrisch um die Mitte jeder Gateelektrode mit dem Potential Φα 2, weil die benachbarten Gateelektroden mit den Potentialen Φα ι und Φα 3 das gleiche niedrige Potential haben, und damit beeinflussen sie die Lage der Bildelementzentren nicht. Das Potentialprofil gemäß Fig. Ib zeigt nicht die Störfeldeffekte zwischen den Gateelektroden mit dem höheren Potential Φα 3 und ihren benachbarten Gateelektroden mit den niedrigeren Potentialen Φ αϊ und Φ_Α\. Die Störfeldeffekte sind im wesentlichen symmetrisch um das Zentrum je-

4v der Gateelektrode mit dem Potential Φα 3, weil die benachbarten Gateelektroden mit den Potentialen Φ_Α2 und Φα ι das gleiche niedrige Potential haben, und daher werden die Stellen der Bildelementzentren nicht beeinflußt.

Die F i g. 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 Φα ι zugeführt werden, nicht auf Vlo sondern stattdessen auf ein Potential Vint zwischen Vco und Vw vorgespannt werden. Genauer gesagt ist VVr von Vlo her etwas in Richtung auf Vm verschoben, so daß man gestufte Potentialbarrieren zwischen den Potentialmulden erhält. Durch die Zuführung von VVr zu den zu Φ_Α ι gehörigen Gateelektroden 12, 15 und 18 im ersten Satz abwechselnder Halbbilder (F i g. 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 VVrzu 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 F i g. 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 vorausgehende Potentialmulde zu). Demzufolge werden die Bildzentren im ersten Satz abwechselnder Halbbilder vorwärts und im zweiten Satz abwechselnder Halbbilder rückwärts verschoben.

F i g. 2a zeigt nicht die Störfeldeffekte, wie sie zwischen den Gateelektroden niedrigeren Potentials Φα 3 und ihren benachbarten Gateelektroden höheren Potentials Φα 2 und Φα ι hinsichtlich des Potentialprofils auftreten. Wenn diese Störfeldeffekte symmetrisch zu den zu Φα 3 gehörigen Gateelektrodenzentren wären, dann müßte man erwarten, daß die Bildkanten an den Ladungstrennflächen (3Γ, 32', 33') unter den Zentren der zu Φ_Α 3 gehörigen Gateelektroden wären. Dadurch würden die Bildelementzentren unter die angrenzenden Kanten der zu Φα ι und Φα ι gehörigen Gateelektroden verschoben. Der Störfeldeffekt, wie er zwischen der Gateelektrode mit dem niedrigen Potential Φα 3 und ihren benachbarten Gateelektroden mit dem höheren Potential Φα 2 auftritt, ist ausgeprägter als der Störfeldeffekt zwischen der Gateelektrode niedrigen Potentials Φα ι und ihren benachbarten Gateelektroden mittleren Potentials Φα ι, wodurch die die Bildelementränder bestimmende Ladungstrennfläche zur Vorderkante der zu Φ.\ j gehörigen Elektrode verschoben wird. Ein größerer Teil der Ladungsträger, die im Bereich unter der zu Φλι gehörigen Gateelektrode entstehen, wird in den Mulden unterhalb der vorangehenden, zu Φαί gehörigen Gaseelektrode gesammelt, als es ohne Störfeldeffekte der Fall wäre, und die Bildzentren werden in Richtung auf die Mitte der zu Φα 2 gehörigen Gateelektroden nach vorn verschoben, wie F i g. 2a zeigt.

Fig.2b zeigt nicht die Störfeldeffekte, die zwischen den Gateelektroden niedrigen Potentials Φα ι und ihren benachbarten Gateelektroden höheren Potentials Φ_Α \ und Φ A3 auftreten, hinsichtlich des Potentialprofils. Wie bei der Bildintegration gemäß F i g. 2a sind auch bei der Bildintegration gemäß F i g. 2b die Auswirkungen dieser Störfelder unsymmetrisch um die Zentren der Gateelektroden niedrigen Potentials Φα 2- Die Störfeldeffekte zwischen den Gateelektroden niedrigen Potentials Φα 2 und den Gateelektroden hohen Potentials Φα ι sind ausgeprägter als die Störfeldeffekte zwischen den zu Φα 2 gehörigen Elektroden und den zu Φ_Λ \ gehörigen Elektroden mittleren Potentials. Die Ladungsgrenzfläehe unter jeder zu Φα ι gehörigen Gateelektrode verschiebt sich zu deren rückwärtiger Kante, so daß ein größerer Teil der im Bereich unter den zu Φα 2 gehörigen Gateelektroden entstehenden Ladungsträger in den Mulden unter den vorangehenden zu Φα 3 gehörigen Gateelektroden angesammelt wird, als es ohne Störfeldeffekte der Fall wäre. Die Bildelementzentren werden nach rückwärts zur Mitte der zu Φα3 gehörigen Gateelektrode verschoben, wie dies in F i g. 2b gezeigt ist.
Durch Einstellung des Pegels Vint hinsichtlich Vlo und Vhi 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-Volt-tief en Potentialmulden ist bei einer Verrsetzung von VVr gegenüber Vlo um 3 Volt bis 4 Volt eine perfekte Verschachtelung bei »6-7-7«-CCD-Bildwandlern beobachtet worden, deren dreiphasig getaktete Bildregister Gateelektroden von 6 μ Länge für die erste Phase und Gateelektroden von 7 μ Länge für die zweite und dritte Phase verwenden.

Es sei nun anhand von F i g. 2a betrachtet, wie durch die Zuführung von Vint zu den zu Φα ι gehörigen Gateelektroden während der Bildintegrationsintervalle das Korn verringert wird. Die Potentialstufen in den Barrieren 20', 22' und 24' verhindern eine Ladungsträgerwanderung unter den zu Φα ι 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 Φα 3 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 La-

dungsträgern, 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 Φα 3 gehörigen Gateelektroden 11,14 bzw. 17 gelegen. Ihre Verschiebung von diesen Ideallagen infolge von Effekten schwacher lokaler Driftfelder verringert sich im Vergleich zum Fail, wo den zu Φα ι gehörigen Gateeiektroden zusammen mit den zu Φαί oder Φα3 gehörigen Gateelektroden bei Vlo gehalten werden, weil 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 Vlo halbiert, die Drifteffekte der lokalen Feldanomalien werden im Vergleich zu Störungen der Potentialmulden oder Stufen geviertelt, und damit sind Verschiebungen der Ladungstrennflächen 3Γ, 32', 33' zu erwarten, die im Mittel bei einem Achtel der Verschiebungen der Potentialtrennflächen 31, 32 und 33 gemäß Fig. la 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 Φα ι gehörigen Gateelektroden um 1 bis 3 Volt gegenüber Vlo·

F i g. 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 während der Halbbildabtastzeit im Bildwandlerausgangssignal stattfinden, werden im Halbleitersubstrat des A-Registers 41 erzeugte Ladungsträger unter den zu Φαί gehörigen Gaieelektroden in einem ersten Satz abwechselnder Halbbilder und unter den zu Φα 3 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_Α\, Φ_Α ι und Φα 3 zuführen, die synchron mit Taktsignalen Φβ\, Φβι bzw. Φβι sind, welche als Taktsignale dem B-Register 42 zugeführt werden. Die Bildabtastwerte des Halbbildes im A-Register 41 werden mit einer Rate in das B-Register 42 übertragen, die ausreicht, um die Halbbildübertragung innerhalb der Halbbildrücklaufzeit durchzuführen. Das als Dreiphasen-Register gezeigte C-Register 43 erhält Taktsignale Φα, Φα und Φγ\ 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 Φβ\, Φβϊ und Φη 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 Biidintegrationsintervalis 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_Hi und Vlo oder alternativ Vlo und Vm jeweils den Wählschaltern 52 und 53 zuzuführen ist, um den zu Φα ι gehörigen bzw. zu Φ A3 gehörigen Gateelektroden zugeführt zu werden. Die Auswahl dieser Spannungen durch die Wählschalter 52 und 53 anstatt von Φα ι und Φα 3 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 Φα ι bestimmten Gateelektroden des A-Registers 41 nicht zu, sondern der Schalter 51 wählt VW (und nicht wie beim Stande der Technik Vlo) für die Zuführung zu diesen Gateelektroden.

Es versteht sich für den Fachmann, daß gewisse Ab-Wandlungen des hier beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung möglich sind, was bei der Betrachtung der beiliegenden Ansprüche zu berücksichtigen ist. Beispielsweise kann der Potentialunterschied zwischen den zu Φα ι gehörigen Gateelektroden und den zu Φα 2 und Φα 3 gehörigen Gateelektroden während der Bildintegration auch bewirkt werden durch unterschiedliche Dotierung des Halbleitermaterials (oder möglicherweise der Isolierschicht) unter den zu Φα ι gehörigen Gateelektroden und unter den zu Φ_Α ι und Φα 3 gehörigen Gateelektroden. Diese Ausführung der Erfindung bedingt jedoch gewisse Schwierigkeiten bei der Erzeugung der Taktspannungen Φα ι, Φα τ und Φα 3, weil die Taktspannung Φα ι dann während der Halbbildübertragungsintervalle sich von den Taktspannungen Φα ι und Φ A3 unterscheiden muß. Wenn die Erfindung vorstehend anhand eines Halbbildübertragungs-Bildwandlers beschrieben ist, so ist sie auch ebenso für einen Zeilenübertragungs-Bildwandler geeignet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

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 und die Gateelektroden der ersten, zweiten und dritten Phase während Ladungsübertragungszeiten dreiphasig getaktet werden, wobei während der jeweiligen gesamten Integrationszeit

1. ein erstes konstantes Vorspannungspotential den Elektroden der zweiten Phase und

2. ein zweites konstantes Vorspannungspotential den Elektroden der dritten Phase zugeführt werden

und entweder das erste oder das zweite Vorspannungspotential einen Wert hat, um Ladungsträgersammelstellen dicht bei den Gateelektroden zu induzieren, denen das Potential zur Sammlung der im Ladungsübertragungselement erzeugten Ladungsträger zugeführt wird, während das jeweils andere Vorspannungspotential einen Wert hat, bei dem keine Ladungsträgersammelstellen induziert werden, dadurch gekennzeichnet, daß während der gesamten Integrationszeit

3. ein drittes konstantes Vorspannungspotential den Elektroden der ersten Phase mit solchem Wert zugeführt wird, daß es unter diesen Elektroden einen Potentialpegel erzeugt, der zwischen den durch das erste und zweite Vorspannungspotential unter den Elektroden der zweiten und dritten Phase induzierten Potentialpegeln liegt und somit von dem vom vorgenannten anderen Vorspannungspotential erzeugten Potentialpegel versetzt ist, um das Korn im Ausgangssignal des Ladungsubertragungselementes 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 Vorspannungspotentiais zu den Üateeiektroden 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 Halbbildverschachtelung mit Bezug auf das niedrige Vorspannungspotential gewählt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Gateelektroden der ersten Phase während sämtlicher Halbbildintegrationsintervalle zugeführte mittlere Vorspannungspotential im Sinne einer perfekten Halbbildverschachtelung gewählt ist

5. Vorrichtung zur Druchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer zusätzlich zu dem Ladungsübertragungselement (41) vorgesehenen ersten Einrichtung (52) zur Zuführung des ersten Vorspannungspotentials (VhI) zu den zur zweiten Phase gehörigen Elektroden (13,16, etc.) des Ladungsübertragungselementes während der ausgewählten Integrationszeiträume, und mit einer zweiten Einrichtung (52) zur Zuführung des zweiten Vorspannungspotentiais (Vi.o) zu den zur dritten Phase gehörigen Elektroden (14, 17, etc.) des Ladungsübertragungselementes während der ausgewählten Integrationszeiträi.'me, gekennzeichnet durch eine dritte Einrichtung (51) zur Zuführung des dritten Vorspannungspotentials ( Vint) zu den zur ersten 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 vierten Einrichtung (54), welche

a) die erste Einrichtung (52) das relativ hohe Vorspannungspotential ( Vhi) den zur zweiten Phase gehörigen Gateelektroden (13,16, etc.) des Bildwandlerregisters (41) während der Bildintegrationszeiträume in einem ersten Satz alternierender Halbbilder zuführen läßt und

(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 Halbbilder, 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/.o) den zur zweiten Phase gehörigen 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 (VW) den zur ersten Phase gehörigen Gateelektroden (12, 15, etc.) während Bildintegrationszeiten sowohl im ersten als auch zweiten Satz alternierender Halbbilder

zufuhrt

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Potentialpegel unter den Gateelektroden der ersten Phase durch Versetzen des dritten Vorspannungspotentials gegenüber dem vorgenannten anderen Vorspannungspotential versetzt wird.