DE3501407A1

DE3501407A1 - Servoeinrichtung zur regelung des dunkelstroms in festkoerperbauelementen

Info

Publication number: DE3501407A1
Application number: DE19853501407
Authority: DE
Inventors: Peter Alan Trenton N.J. Levine
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1984-01-18
Filing date: 1985-01-17
Publication date: 1985-07-25
Also published as: FR2560439A1; GB2153183B; KR900000360B1; JPH0426274B2; KR850005735A; FR2560439B1; GB2153183A; US4551762A; DE3501407C2; JPS60162387A; GB8501054D0

Description

Servoeinrichtung zur Regelung des Dunkelstroms in Festkörperbauelementen

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Die Erfindung bezieht sich auf Festkörperbauelemente (wie etwa einen Bildwandler), die zur Reduzierung des Dunkelstroms gekühlt werden. Speziell bezieht sich die Erfindung auf einen verbesserten Servomechanismus zur Regelung des Betriebs einer Schaltung, die eine ladungsgekoppelte Anordnung enthält und innerhalb einer Halbleiterform integriert ist.

In der deutschen Patentanmeldung P 34 33 848.9 ist die Kühlung von Festkörperbildwandlern auf vorgeschriebene Termperaturen beschrieben. Diese Temperaturen sind niedrig genug, um die Dunkelströme aller Festkörperbildwandler innerhalb der Spezifikation genügend weit zu reduzieren, so daß auf DunkeIstromänderungen zurückgehendes Rauschen in Fernsehbildern, die aus den von diesem Bildwandlern stammenden Signalen wiedergegeben werden, unterhalb akzeptabler Grenzen bleiben. In den gegenwärtig von der Anmelderin hergestellten, von rückwärts beleuchteten CCD-Bildwandlern mit verdünntem Substrat führt eine Küh-

lung des Festkörperbildwandlers von der normalen Betriebstemperatur herab auf 10⁰C zu einer vierfachen Verringerung von Dunkelstromänderungsrauschen auf Rauschpegel, die denjenigen von anderen Quellen vergleichbar sind. Dieses Kühlerfordernis ist erheblich geringer als die Notwendigkeit einer Kühlung auf Temperaturen flüssigen Stickstoffs, wie es bei CCD-Bildwandlern für sichtbares Licht, wie sie für astronomische Beobachtungen oder ähnliche Anwendungen verwendet werden, oder für Infrarot-CCD-Bildwandler erforderlich ist. Die Kühlung läßt sich zufriedenstellend mit thermoelektrischen Kühlern bewirken, die mit den CCD-Bildwandlern verbunden sind. Einzelheiten der Verbindung thermoelektrischer Kühler mit einem CCD-Bildwandler unter Vermeidung von Kondensationserscheinungen auf der der Belichtung ausgesetzten Bildwandleroberfläche sind in der deutschen Patentanmeldung P 34 33 857.8 der gleichen Anmelderin beschrieben.

Die Temperaturabfühlung des Festkörperbildwandlers wurde bei früheren Geräten unter Zuhilfenahme des Spannungsabfalls an einem in Durchlaßrichtung vorgespannten Halbleiterübergang vorgenommen, der auf derselben Halbleiterform wie der Bildwandler angeordnet war. Bei der Bearbeitung der Halbleiterform oder -platte ergaben sich Komplikationen dadurch, daß die Injektion von Ladungsträgern von dem durchlaßvorgespannten Halbleiterübergang in den Bildwandler vermieden werden muß und es daher unpraktisch ist, den durchlaßvorgespannten Halbleiterübergang im zentralen Teil des Bildwandlers anzuordnen, wo man vorzugsweise die Temperaratur abfühlen möchte. Auch wird nach dieser Methode die Temperatur an einem Punkt des Halbleiterblättchens abgefühlt, anstatt über dessen gesamter Fläche, wo die betreffenden Dunkelströme erzeugt werden. Auch ergibt sich ein Problem, einen zusätzlichen Anschlußstift am Bildwandlergehäuse zu sehen, über den das Sensorausgangssignal zugänglich wird.

-11- 350H07 Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat in seiner US-Patentanmeldung USSN 382 422 vom 27. Mai 1982 mit dem Titel "COMPENSATION AGAINST FIELD SHADING IN VIDEO FROM FIELD-TRANSFER CCD IMAGERS", und der Autor D.D. Crawshaw hat in seiner US-Patentanmeldung USSN 382 423 vom 27. Mai 1982 mit dem Titel "FIELD TRANSFER CCD IMAGERS WITH REFERENCE BLACK-LEVEL GENERATION CAPABILITY", beide auf die Anmelderin dieser Anmeldung übertragen, verschiedene Möglichkeiten zum Abfühlen des akkumulierten Dunkel-Stroms auf einem Halbleiterblättchen, in welchem ein CCD-Bildwandler integriert ist, beschrieben. Der akkumulierte Dunkelstrom kann vom Bildwandler auf verschiedenen Wegen über bereits am Bildwandlergehäuse für andere Zwecke vorgesehene Anschlußstifte entnommen werden. Der akkumulierte Dunkelstrom steigt in bekannter Weise mit der Temperatur und verdoppelt sich etwa alle 10⁰C Temperaturzunahme in einem Siliziumbauelement. Statt der Verwendung eines in Durchlaßrichtung vorgespannten Halbleiterübergangs kann der akkumulierte Dunkelstrom zur Messung von Temperaturanderugnen benutzt werden, und auf diese Weise läßt sich der thermische Servomechanismus verbessern, der in der bereits genannten deutschen Patentanmeldung P 34 33 848.9 beschrieben ist. Ein in dieser Weise verbesserter thermischer Servomechanismus behält die benötigte Kühlleistung bei und verringert die Kühlung, wenn der Bildwandler in einer von Haus kühleren Umgebung betrieben wird oder weniger Strahlungsenergie ausgesetzt ist.

Das Endziel der Kühlung eines Festkörperbildwandlers besteht in der Begrenzung des Pegels von Dunkelstromänderungen. Dieser Pegel hängt bei einem sorgfältig hergestellten modernen Festkörperbildwandler von Bildelement zu Bildelement im wesentlichen linear vom mittleren Dunkelstrompegel über einen größeren Zeitraum oder eine größere Anzahl von Bildelementen ab, da diese Änderungen

oder Schwankungen im wesentlichen das Johnson Rauschen bilden. Man kann den mittleren Dunkelstrompegel messen durch Abfühlen des akkumulierten Dunkelstroms, wie es in der bereits erwähnten US-Anmeldung 382 422 vorgeschlagen ist, und das Meßergebnis zur Bestimmung der dem

Festkörperbildwandler zugeführten Kühlung benutzen. Damit ist eine unmittelbare Regelung auf einen konstanten mittleren Dunkelstrompegel und damit indirekt auf konstantes Rauschen aufgrund von Dunkelstrompegeländerungen -^q möglich, anstatt daß auf eine konstante Bildwandlertemperatur geregelt wird.

Die Regelung auf einen konstanten mittleren Dunkelstromwert ist tatsächlich eine zu bevorzugende Möglichkeit

IQ der Temperatursteuerung des Festkörperbildwandlers. Von einem Festkörperbildwandler zum anderen findet man Schwankungen der Dunkelstromwerte um einen Faktor von zwei bis drei, die etwa auf Variationen der kristallinen Struktur des Halbleitersubstrats oderauf Variationen bei eier Verarbeitung zur Ausbildung eines Bildwandlers auf dem Substrat zurückzuführen sind. Eine Regelung auf einen vorgeschriebenen Dunkelstromwert anstatt auf eine vorgeschriebene Bildwandtemperatur bedeutet, daß Bildwandler mit von Haus aus geringem Dunkelstrom und entsprechend

op= geringen Schwankungen des Dunkelstrompegels automatisch weniger gekühlt werden. Eine Kühlungsreduzierung verringert den Leistungsverbrauch in der Kamera und verlängert die Batterielebensdauer einer batteriegespeisten Kamera. Ersetzt man den Bildwandler in einer Kamera, dann benötigt

OQ man keine Temperaturjustierung zur Verringerung des Dunkelstroms oder zur Verringerung des Leistungsverbrauchs im Sinne eines zufriedenstellend niedrigen Dunkelstromrauschens. Weiterhin erhält man beim Herstellungsprozeß eine größere Gleichförmigkeit unter den einzelnen Kameras,

op- wodurch die Wahrscheinlichkeit von Kundenrückgaben wegen unbefriedigenden Dunkelstromverhaltens im Vergleich zu

einer anderen Kamera desselben Typs weniger wahrscheinlich werden. Auf der Senderseite werden Umschaltungen von einer Kamera auf die andere weniger bemerkbar.

Die Messung des DunkelStroms bei einer Ladungskopplungsanordnung der Größe eines Halbbildspeicherregisters kann eine Temperaturmessung mit einer Auflösung bis zu Milligrad Celsius erbringen. Jede Dunkelstrom-Ladungsakkumulationsstelle in einer CCD-Anordnung von einer Größe ähnlieh der Stelle in einem CCD-Bildwandler-Halbbildspeicher (B) -Register über eine Periode von 1/60 S kann durchschnittlich 2000 Elektronen bei Raumtemperatur akkumulieren. Dieses Mittel von 2000 Elektronen zeigt von Stelle zu Stelle eine Effektivwertrauschvariation von etwa 40 Elektronen. Wenn man die jeweiligen Ladungsbeiträge der 2000 Elektronen von einer Anordnung von n-Stellen vereinigt, dann addierten sich diese Beiträge arithmetisch von 2000 η-Elektronen. Eine volle Potentialmuldenladung von 200.000 Elektronen kann sich ergeben durch 100 Dunkelstromladungs-Akkumulationsstellen. Das 40 Elektronen-Effektivrauschen von jeder Stelle addiert sich zu dem 40 (n) als Exponent (1/2)-Elektroneneffektivwert oder 400-Elektroneneffektivwert über 100 Stellen. Die Anzahl der akkumulierten Elektronen verdoppelt sich alle 8°C. In den 8°C bis zur Zimmertemperatur wird die Hälfte der vollen Potentialmuldenladung von 200.000 Elektronen mit den 40-Elektronen-Effektivwertrauschen akkumuliert, und damit beträgt die Temperaturauflösung 8⁰C/(100000/400) oder 32 Milligrad Celsius, was für die kurze Tastperiode 9^ut ist und sich mit steigender Temperatur verbessert. Somit kann eine CCD-Anordnung mäßiger Größe von etwa 100 Stellen auf irgendeinem Halbleiterblättchen untergebracht werden, dessen Temperatur geregelt werden soll, und zum Abfühlen der Blättchentemperatur für die thermisehe Regelschleife benutzt werden.

Die Erfindung wird realisiert in einem Servomechanismus zur Regelung des Betriebs einer Schaltung, welche eine CCD-Anordnung enthält und in einem Halbleiterblättchen integriert ist. Der Servomechanismus enthält eine Meßeinrichtung zur Erzeugung eines thermometrisehen Signals dessen Wert direkt von der Temperatur des Blättchens und der Schaltung abhängt, eine Kühlungsregelschaltung zur Erzeugung eines Regelsignals, dessen Größe von dem Ausmaß abhängt, um welches das thermometrische Signal einen Bezugspegel übersteigt, und eine Kühleinrichtung, welche mit dem Blättchen thermisch gekoppelt ist und unter Steuerung durch das Regelsignal Wärme vom Blättchen mit einer Rate abführt, die von der Größe des Regelsignals abhängt.

Gemäß der Erfindung erzeugt die Regeleinrichtung das thermometrische Signal in Abhängigkeit von der Akkumulation der Dunkelstromänderungen in einem Teil des Halbleiterblättchens. Bei dieser Anordnung wird der Dunkelstromwert in der CCD-Anordnung unterhalb eines vorgeschriebenen Pegels gehalten.

In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Teile einer CCD-Kamera mit thermoelektrischem Kühler in auseinandergezogener Darstellung und in Blockdarstellung die elektronische Schaltung zum Betreiben des thermoelektrischen Kühlers im Sinne einer Regelung des Dunkelstromrauschens gemäß der Erfindung;

Fig. 2, 3 und 4 Blockschaltbilder der jeweiligen Schaltungen zum Messen des restlichen Dunkelstroms im B-Register eines CCD-Bildwandlers mit HaIbbildübertragung gemäß Gesichtspunkten der Er

findung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Meßeinrichtung für den in maskierten Reihen des A-Registers akkumulierten Dunkelstrom gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Variante, die in Verbindung mit der Schaltung nach den Fig. 1 bis 5 verwendet werden kann.

Bei der CCD-Kamera nach Fig. 1 gelangt von einem außerhalb der Kamera befindlichen Objekt 3 ausgesandtes oder reflektiertes Licht längs eines Lichtübertragungsweges durch die Objekt- und Blendenanordnung 5 der Kamera, ein nicht dargestelltes Fenster 6 im Gehäuse, welches einen CCD-Bildwandler umgibt, und einen zugehörigen thermoelektrisehen Kühler 7 zum CCD-Bildwandler 10. Das übertragene Licht projiziert ein Bild 8 durch die rückseitige Oberfläche des Bildwandlers 10. Der Teil des CCD-Bildwandlers 10, auf welchen das Bild 8 projiziert wird, liegt hinter den Vorderflächen-Gate-Elektroden, welche ein Bildregister (A-Register) 11 definieren. Der CCD-Bildwandler ist als Halbbildübertragungswandler gezeigt, der außer seinem Bildregister 11 ein Halbbildspeicherregister (B-Register) 12 und ein Ausgangsleitungsregister (C-Register) 13 hat. Das C-Register wandelt Ladungspakete, welche ihn während der Zeilenrücklauf Intervalle reihenweise zugeführt werden, in Ausgangssignalwerte um, welche während der ZeilenhinlaufIntervalle seriell zur Verfügung gestellt werden. Das C-Register 13 soll nach üblicher Annahme eine Ausgangsschaltung zur Ladungsumwandlung in Ausgangssignalstrom- oder -spannungswerte haben. Eine übliche Ausgangsschaltungsart verwendet eine schwimmende (floating) Diffusion im Ladungsubertragungskanal des C-Registers 13, wobei die Ladung unter der schwimmenden Diffusion die Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors so vor-

spannt, daß ein Elektrometer gebildet wird. Die Register 11, 12 und 13 des CCD-Bildwandlers 10 nehmen Teile eines verdünnten HalbleiterSubstrats ein, welche mit einer transparenten Rückplatte 14 verbunden sind. Eine in Fig. nicht sichtbare Maske verhindert, daß Licht auf denjenigen Teil des Halbleitersubstrats fällt, welcher vom B-Register 12 und vom C-Register 13 (und typischerweise den letzten paar Reihen des A-Registers 11) eingenommen wird.

Die Vorderfläche des von hinten beleuchteten CCD-Bildwandlers 10, auf welcher die Gate-Elektroden für sein A-Register 11, sein B-Register 12 und sein C-Register 13 sich befinden, hat eine Schutzglasierung und ist thermisch mit dem thermoelektrischen Kühler 7 verbunden (beispielsweise durch Verkleben mit einem thermischleitenden Epoxidharz). Der Kühler 7 kann seinerseits eine thermische Verbindung zu einer Wärmesenke 9 haben, etwa einen Kupferstab gemäß der Darstellung oder einen Kupfergeflecht. Die thermische Verbindung kann über ein (in Fig. nicht dargestelltes) Zwischenfüllmaterial erfolgen, in jedem Falle befindet sich jedoch der thermoelektrische Kühler 7 (der vom Bildwandler 10 abgehoben dargestellt ist) normalerweise nahe am Bildwandler 10, um eine thermische Leitung zwischen Bildwandler 10 und Kühler 7 zu erlauben. In der bereits erwähnten deutschen Patentanmeldung P 34 33 857.8 sind Einzelheiten angegeben, wie der CCD-Bildwandler 10 zusammen mit einem thermoelektrischen Kühler 7 benutzt wird, um Probleme einer Kondensation auf dem Fenster 6 zu verhindern.

Ein Taktgenerator 20 liefert Taktimpulse über Leitungen 21, 22 und 23 zum A-Regiser 11, B-Register 12 bzw. C-Register 13. Die Taktsignale können einphasig, zweiphasig oder mehrphasig sein. Während der Halbbildübertragungszeiten, die innerhalb des HalbbildrücklaufIntervalls auftreten, werden das A-Register 11 und das B-Register synchron getaktet, um die akkumulierten Bildabtastwerte

von Stellen der Bildelementanordnung im Bildregister 11 (Α-Register) zu entsprechenden Stellen im Halbbildspeicherregister 12 (B-Register) zu übertragen. Während jedes solchen Halbbildübertragungsintervalls wird Restladung aufgrund akkumulierten Dunkelstroms aus dem B-Register 12 herausgetaktet und dann durch den CCD-Teil des C-Registers 13 mit hoher Geschwindigkeit zu dessen Elektrometerteil getaktet. Das Elektrometer wandelt die Ladungspakete in entsprechende CCD-Bildwandler-Ausgangsspannungsspannungswerte um, welche von einem Ausgangsanschluß 15 des CCD-Bildwandlers 10 abgenommen werden können.

Diese Abtastwerte nehmen zeilenweise in ihrer Amplitude ab, weil die Dunkelstromakkumulierung in jeder aufeinanderfolgenden Zeile über einen kleineren Teil des vorangehenden Halbbildes fortgeschritten ist. Während der Halbbildübertragungsintervalle ist daher die Hüllkurve der Ausgangsspannungswerte treppenförmig. Während des folgenden Halbbild hinlauf Intervalls wird die Abtastung im A-Register 11 angehalten, um eine Akkumulierung einer neuen Anordnung von Bildelementwerten zu erlauben. Die die Bildelementwerte darstellenden Ladungspakete, welche nun in das B-Register 12 übertragen sind, werden während jedes ZeilenrücklaufIntervalls alle um eine Reihe vorwärts getaktet. Die letzte Reihe im B-Register 12 wird vorwärts getaktet, um parallel in dem CCD-Teil des C-Registers 13 eingespeichert zu werden. Der CCD-Teil des C-Registers 13 wird mit der Bildelementabtastrate während der ZeilenhinlaufIntervalle seriell in seinen Elektrometerteil ausgelesen, der daraufhin Abtastwerte des Videoausgangssignals an den Ausgangsanschluß 16 des CCD-Bildwandlers liefert. Die soeben beschriebene Taktung des CCD-Bildwandlers 10 ist im wesentlichen üblicher Art (der Bildwandler 10 ist mit zwei Ausgangsanschlüssen 15 und 16 dargestellt, zur Ein-

sparung von Anschlüssen des CCD-Bildwandlers kann jedoch ein einziger Ausgangsanschluß extern torgesteuert werden, um dieselben Signale für die weitere Verarbeitung zu liefern).
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Bei der Erfindung wird die restliche Dunkelstromladung, die aus dem B-Register 12 über das C-Register 13 zum Ausgangsanschluß 15 des Bildwandlers während des Halbbildübertragungsintervalls ausgelesen worden ist, der Meßschaltung 30 zugeführt. Diese mißt den integrierten Wert der restlichen Dunkelstromladung unter Steuerung durch Impulse, die ihr vom Taktgenerator 30 über die Steuerleitung 24 zugeführt werden. Das Meßergebnis der Schaltung 30 wird über die Leitung 25 einer Vergleichsschaltung 26 zum Vergleich mit einem Bezugspegel zugeführt, woraus ein Fehlersignal abgeleitet wird. Dieses Fehlersignal wird über eine Leitung 27 der Kühlleistungsregelschaltung 28 zugeführt, welche über die Leitung 29 den Leistungsfluß zum thermoelektrischen Kühler 7 bestimmt, so daß auf diese Weise eine Gegenkopplungsschleife zur Regelung der Kühlung des CCD-Bildwandlers 10 gebildet wird. Vorzugsweise wird der Bildwandler 10 soweit gekühlt, daß der Dunkelstrom unter einen vorgeschriebenen Mittelwert sinkt, der durch den Bezugspegel bestimmt wird, welcher der Vergleichtsschaltung 26 zugeführt wird.

Fig. 2 zeigt in Einzelheiten, wie die Meßschaltung 30 für den restlichen Dunkelstrom gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufgebaut sein kann. Auf einen vom Taktgenerator 20 über die Steuerleitung 24a zugeführten Torimpuls wählt das Halbbildrücklauftor 31 die aufgrund des aus dem C-Register 13 der CCD-Schaltung ausgetakteten Dunkelstromsignals entstehende Stufenspannung, die während der Halbbildrücklaufintervalle am Anschluß 15 erscheint, und trennt sie von jeglichen Signalen, die

während der HalbbildhinlaufIntervalle am Anschluß 15 auftreten. Die ausgewählte Stufenspannung wird einem Tiefpaßfilter 32 als Eingangssignal zugeführt, welches die zeilenweisen Schritte zu einem Rampensignal integriert, daß im Kreis 33 dargestellt ist und einer Gleichspannungswiederherstellungsschaltung 34 zugeführt wird. Dieses in jedem Halbbildrücklauf wiederkehrende Rampensignal hat eine steile abwärtsgerichtete Flanke, dem ein flacherer Aufwärtsrampenteil folgt. Das Rampensignal kann einen Offset-Sockelwert überlagert sein (wie gezeigt), der durch eine leichte Leckage unter der Kante der Lichtmaske bedingt ist, welche das B-Register 12 und das C-Register 13 des CCD-Bildwandlers bedeckt. Wenn der CCD-Bildwandler 12 während des Halbbildrücklaufs nicht abgeblendet ist, erscheinen an den Vorder- und Rückflankenteilen des Rampensignals nach unten gerichtete Spitzen aufgrund von Übertragungsverschmierungen (was hier aber nicht dargestellt ist).

Zum Zeitpunkt t., der kurz nach den steilen Abfall des Rampensignals auftritt, reagiert die Gleichspannungswiederherstellungsschaltung 34 auf einen Kontaktgenerator 20 über die Leitung 24b zugeführten Impuls mit einem Klemmen des zu diesem Zeitpunkt auftretenden Rampenwertes auf ein Signalmassepotential. Das Rampensignal wird nach dem Zeitpunkt t.. linear positiver bis zu einem Zeitpunkt etwas nach t~, wenn der abnehmende restliche integrierte Dunkelstrom aus dem B-Register 12 über das C-Register 13 und das Tiefpaßfilter 32 sowie die Gleichspannungswiederherstellungsschaltung 34 ausgetaktet wird. Die Rampe mit wiederhergestelltem Gleichspannungswert von der Schaltung 34 wird als Eingangssignal einem Momentanwertspeicher 35 zugeführt, der auf einen ihm vom Taktgenerator 20 über die Steuerleitung 24c zugeführten Impuls reagiert. Die Schaltung 35 tastet die Rampe zum Zeitpunkt t„ ab und hält die abgetastete Spannung als

Meßergebnis des Dunkelstroms auf der Leitung 25 für das folgende Halbbildhinlaufintervall. Die Abtastung zum Zeitpunkt t₉ ergibt das größte verfügbare Dunkelstromergebnis ohne Ermittlung des Offsetsockels, dem die Dunkelstromrampe überlagert ist. Die Haltespannung wird dann gemäß Fig. 1 in der Vergleichspannung 26 mit einer Bezugsspannung verglichen, und aus diesem Spannungsvergleich wird das der Kühlleistungsregelschaltung 28 zugeführte Pehlersignal erzeugt.

Die soeben beschriebene Technik der Gleichspannungswiederherstellung, welcher die Momentanwertspeicherung folgt, zur Erzeugung des Fehlersignals verhindert jegliche Verschiebung der Grundlinie in dem am Ausgang 15 des CCD-Bildwandlers 10 gelieferten Signal infolge leichter Undichtheiten unter der Lichtmaske des CCD-Bildwandlers. Bei dieser Technik kann auch eine Reaktion auf Übertragungsverschmierungsspitzen eliminiert werden, die durch den Betrieb der Kameraöffnungsblende während des HaIbbildrücklaufs verursacht werden.

Fig. 3 zeigt eine Meßschaltung für den Rest Dunkelstrom, welcher anstelle der Schaltung nach Fig. 2 verwendet werden kann, wenn die das B-Register 12 und das C-Register 13 gegen Licht abschirmende Maske kein nennenswertes Lichtleck in das B-Register 12 ermöglicht. Das Halbbildrücklauftor 31 führt selektiv die Treppenspannung (welche über den Ausgangsanschluß 15 aufgrund des Restdunkelstroms während des Halbbildrücklaufs vom B-Register 12 getaktet worden ist) an einen Integrator 36, dem ein Rücksetzimpuls vom Taktgenerator 20 über die Steuerleitung 24d außer während jedes HalbbildhinlaufIntervalls zugeführt wird. Während des folgenden HalbbildhinlaufIntervalls liefert dann der Integrator 36 an den Anschluß 25 eine Spannung, die ein Maß für den Restdunkelstrom ist, der während eines HalbbildrücklaufIntervalls vom B-Register

getaktet worden ist. Änderungen dieser Spannung während der Halbbildrücklaufintervalle werden durch die thermische Zeitkonstante des thermoelektrischen Kühlers 7 unterdrückt.

Fig. 4 zeigt, wie ein Teil des vom B-Register 12 während der Halbbildübertragung zum C-Register 13 gelangten Dunkelstroms durch Akkumulierung im C-Register 13 integriert wird. Diese Akkumulierung erfolgt durch das Anhalten der Taktung des C-Registers 13, wenn diese Zeilen der Dunkelstromabtastwerte vom B-Register 12 übertragen werden. (Die Taktung des C-Registers 13 läßt sich anhalten, nachdem die ersten paar Zeilen der Restladung ausgelesen worden sind, wenn sie durch Ladungsubertragungsspitzen verunreinigt sind, die dadurch entstehen, daß der CCD-Bildwandler während des Halbbildrücklaufs nicht abgeblendet ist). Diese Praxis des Anhaltens der C-Registertaktung ist insofern vorteilhaft, weil der Pegel des integrierten Dunkelstroms im Ladungsübertragungskanal des C-Registers 13 sich aufbaut, ehe er in der Elektrometerstufe am Ausgang des C-Registers 13 abgefühlt wird, so daß Fehler beim Ladungsabfühlen vermieden werden. Die Ladungsabfühlung kann erfolgen und die Taktung des C-Registers 13 kann wieder aufgenommen werden, ehe die Halbbildübertragung beendet ist, wobei nur die früheren Reihen der aus dem B-Register 12 ausgetakteten Restladungen akkumuliert werden. Die Anzahl von Zeilen des Restdunkelstroms, der vom B-Register 12 in das C-Register 13 vor Wiederaufnahme der Taktung des C-Registers 13 getaktet worden ist, kann so ausgewählt werden, um eine Überlastung der Ladungsabfühl-Elektrometerstufe bei zunehmender Amplitude der abgefühlten Ladung zu vermeiden (wenn der CCD-Bildwandler 10 währenddes Halbbildrücklaufs unabgeblendet betrieben wird, dann vermeidet eine Ladungsabfühlung vor Beendigung der Halbbildübertragung ein Ansprechen auf Ladungsverschmierungsspitzen am Ende der Halbbildüber-

tragung). Wenn die Taktung des C-Registers 13 wieder aufgenommen wird und die Zeile der Abtastergebnisse aufgrund der im Register 13 akkumulierten Dunkelstromreihen aus dem CCD-Bildwandler 10 über den Ausgangsan-Schluß 15 herausübertragen wird, dann reagiert ein Zeilentor 37 auf einen ihm über die Steuerleitung 24e vom Taktgenerator 20 zugeführten Impuls mit der Übertragung dieser Zeile von Dunkelstromabtastwerten zum Integrator 36. Dieser erzeugt aufgrund dieser Dunkelstromabtastwertzeile das Signal als indirektes Maß des DunkeIstromrauschens im Ausgangssignal des CCD-Bildwandlers 10.

Liegen im Halbbildübertragungs-CCD-Bildwandler 10 die Ladungsreihen am Ende des B-Registers 12 entfernt vom A-Register 11, welches im Halbbildhinlauf früher getaktet wird (anstatt später wie bei anderen möglichen Ausführungsformen), dann enthält der während des Rücklaufs ausgetaktete akkumulierte Dunkelstrom einen größeren Dunkelstrombeitrag von den Teilen des B-Registers 12, welche näher am A-Register 11 liegen. Das bedeutet, daß die größte Dunkelstromempfindlichkeit zur Mitte des Bildwandlers nahe beim A-Register 11 liegt, und der gemessene Dunkelstrom ist ein besseres Maß für die mittlere Temperatur der Halbleiterscheibe des CCD-Bildwandlers 10 als das Ausgangssignal eines Temperaturmeßelementes, welches längsseits des A- oder B-Registers liegt.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, die sich bei einer CCD-Kamera verwenden läßt, welche während der Halbbildübertragung abgeblendet ist. Diese Anordnung erlaubt die Integration des Dunkelstroms, der sich in den maskierten Teilen des A-Registers 11 akkumuliert hat, normalerweise die letzten wenigen Reihen des A-Registers 11 neben dem B-Register Diese letzten wenigen Reihen von während des Halbbildrücklaufs in das B-Register 12 übertragenen Ladungen sind die ersten, die aus dem B-Register 12 in das C-Regi-

ster 13 getaktet werden. Ein Tor 38 wählt aufgrund eines vom Taktgenerator 20 über die Steuerleitung 24f während einer oder mehrerer der früheren Zeilen im Halbbildhinlauf gelieferten Impulses den akkumulierten Dunkelstrom, der aus diesen maskierten Reihen des A-Registers 11 hervorgeht, als Eingangssignal für den Integrator 36. Dies kann erfolgen durch Taktung des C-Registers etwa während des restlichen Zeilenhinlaufs oder durch Anhalten der Taktung des C-Registers bis zu einem späteren Zeilen-

¹^ hinlauf, so daß die Ladung im C-Register 13 akkumuliert werden kann und die Amplitude des vom Tor 38 als Eingangssignal für den Integrator 36 gewählten Signals anwachsen kann. In beiden Fällen darf hier die Lichtmaske für den CCD-Bildwandler nur sehr wenig Licht unter seine überliegende Kante des Α-Registers eindringen lassen. Benutzt man diese Lösung, dann verwendet man am besten eine Maske, die auf der rückwärtigen Oberfläche des verdünnten Halbleitersubstrats, auf welchem der CCD-Bildwandler 10 gebildet ist, abgelagert ist.

Es sei nun die Möglichkeiten betrachtet, Ausgangssignale vom C-Register 13 des Bildwandlers 10 abzunehmen. Wenn auch zwei Ausgänge des C-Registers 13 dargestellt sind, so kann man auch einen Bildwandler mit nur einem einzigen Videoausgangssignal verwenden. Ein Halbbildrücklauftor 31 oder ein Zeilentor 37, dem ein solches Signal zugeführt wird, trennt das Signal ab, daß für die indirekte Messung des Dunkelstromrauschens benötigt wird, und das Tor kann ein solches sein, welches die nicht ausgewählten Teile des Videoausgangssignals einem Folgeverarbeitungsverstärker zur Einfügung von Synchronimpulsen (und Ausgleichsimpulsen, falls diese verwendet werden) zuführt. Das Ausgangssignal kann vom letzten Drainanschluß im C-Register 13 abgenommen werden, und der während des Halbbildrücklaufs gemessene akkumulierte Dunkelstrom bezieht sich dann auf eine volle Potentialmulden-

ladung, ohne daß die Umwandlungsverstärkung einer Elektrometerstufe oder daß auf den Feldeffekttransistor einer solchen Stufe zurückgehende Flackerrauschen eingehen würde.

Andererseits kann das Ausgangssignal, wie bei der vorangehenden Beschreibung der Fig. 1 bis 5 angenommen wurde, vom C-Register 13 mit Hilfe eines "schwimmenden" Gates oder einer schwimmenden Diffusionsstufe, die wie ein Elektrometer einen Feldeffekttransistor zur Umwandlung der Ladungsamplitude in ein Spannungs- (oder Strom-) Signal enthält, abgenommen werden. Die Verstärkung des Elektrometers ist dann ein Faktor bei der Messung des Dunkelstromrauschens ebenso wie ein Faktor im Verhältnis der Ausgangsvideosignalamplitude zur vollen Potentialmuldenladung in den CCD-Registern. Bei solchen Anordnungen wird das Ausgangssignal des Elektrometers vorzugsweise mit einer Oberwelle der Taktfrequenz des C-Registers 13 synchrondetektiert, um Flackerrauschen des Feldeffekttransistors zu unterdrücken.

Fig. 6 zeigt einen Ausgangsanschluß eines CCD-Bildwandlers 10, wo dieser Synchrondetektionsvorgang mit Hilfe eines Momentanwertspeichers 40 durchgeführt wird. Der Momentanwertspeicher 40 folgt einem Hochpaßfilter 39, welches das Basisbandfrequenzspektrum im Ausgangssignal des CCD-Wandlers 10 unterdrückt. Das Ausgangssignal des Momentanwertspeichers 40 dient dann als Eingangssignal für ein Tor 41, welches dem Tor 31 in den Fig. 2 und 3, dem Tor 37 in Fig. 4 oder dem Tor 38 in Fig. 5 entspricht.

Durch die Kühlung des CCD-Bildwandlers zur Unterdrückung des Dunkelstromrauschens entfällt das Problem der auf den Dunkelstrom zurückzuführenden Halbbildabschattung. Es kann jedoch erwünscht sein, die thermoelektrische Kühlung zu unterbrechen, um bei bestimmten Bedingungen

Leistung zu sparen. Zeilenweise Unterschiede im Schwarzpegel über ein Halbbild gesehen, v^enn das Dunkelstromrauschen von Zeile zu Zeile anwächst, führt dann zu einer Halbbildabschattung. Diese kann kompensiert werden, wie es in der bereits erwähnten US-Patentanmeldung 382 422 beschrieben ist, durch Erzeugung eines Kompensationssignals, das auf dem gemessenen Dunkelstrom basiert. Tut man dies, dann kann man das hier für die Dunkelstrommessung beschriebene Gerät zur Erzeugung einer Halbbildabschattungskompensation benutzt.

Die Erfindung eignet sich auch für von vorne beleuchtete Bildwandler, deren rückseitige Oberflächen durch thermoelektrische Kühler gekühlt werden. Eine solche Anordnung

IQ würde beispielsweise benutzt bei CCD-Bildwandlern mit Zwischenzeilenübertragung (interline transfer type). Normalerweise wird ein Zwischenzeilenübertragungs-CCD-Bildwandler nicht während des Halbbildrücklaufs getaktet. Würde man ihn jedoch während des Halbbildrücklaufs takten, um die hier beschriebene Erfindung anzuwenden, dann würde man die während des vorangegangenen Halbbildes akkumulierte Dunkelstromladung entfernen, und dies würde zur Einführung einer von oben nach unten verlaufenden Halbbildabschattierung im nachfolgenden Halbbild bei der Wiederabe führen. Diese Tendenz ist jedoch tollerierbar, weil die Kühlung des Bildwandlers den die Halbbildabschattung hervorrufenden Dunkelstrom genügend reduziert, so daß die Halbbildabschattung vernachlässigbar klein ist.

Alternativ kann der Zwischenzeilenübertragungs-CCD-Bild-

wandler zusätzliche Spalten aufweisen, die gegen Licht abgeschirmt sind und keine Ladung von Photosensorelementen erhalten; _un(j <j_er akkumulierte Dunkel strom kann während ο,- der Zeilenrücklaufintervalle entfernt und integriert werden, zu einem Signal, welches das Dunkelstromrauschen indirekt mißt. Diese Technik kann auch bei Halbbildüber-

tragungs-CCD-Wandlern angewandt werden, sie stellt jedoch eine weniger bevorzugte Anwendung der Erfindung dar, weil die Dunkelstromabfühlung an der Seite (bzw. an den Seiten) des Bildwandlers lokalisiert ist anstatt über die Breite des Bildwandlers verteilt zu sein. Im Interesse einer Einsparung von Fläche des Bildwandlerblättchens ist es ferner unerwünscht, wesentliche Teile der Fläche nur für die Dunkelstrommessung zu benutzen.

Claims

DR. DIETER V. BEZÖLD

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ

DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER

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350H07

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Servoeinrichtung zur Regelung des Dunkelstroms

in Festkorperbauelementen

Patentansprüche

Servomechanismus zur Steuerung des Betriebs einer Schaltung (10, 20), welche eine CCD-Anordnung (11, 12, 13) enthält und in einem Halbleiterblattchen integriert ist, wobei der Servomechanismus enthält

(a) eine Meßeinrichtung (30, 26) zur Erzeugung ein^s thermometrisehen Signals (bei 27), dessen Pegel in direkter Beziehung zur Temperatur des Blättchens und der Schaltung steht,

(b) einer Kühlerregelschaltung (28) zur Erzeugung eines Regelsignals (bei 29), dessen Pegel in Beziehung zu der Größe steht, um welche das thermometrische Signal einen Bezugspegel übersteigt, und

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(c) einer Kühleinrichtung (7), die mit dem Blättchen thermisch gekoppelt ist und in Abhängigkeit von dem Regelsignal Wärme von dem Blättchen mit einer Rate abführt, die durch den Wert des Regelsignals bestimmt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (30) das thermometrische Signal in Abhängigkeit von der in einem Teil des Halbleiterblättchens akkumulierten Dunkelstromladung erzeugt und den Wert des Dunkelstroms iⁿ der CCD-Anordnung dadurch unterhalb eines vorbestimmten Pegels hält.
2. Fernsehkamera mit einem Servomechanismus nach Anspruch zur Erhaltung des Dunkelstrompegels, der in den von der Kamera gelieferten Videosignalwerten enthalten ist, unterhalb des vorgeschriebenen Pegels, dadurch gekennzeichnet, daß der Dunkelstrom, der in einer oder mehreren Potentialmulden akkumuliert ist, die in dem Halbleiterblättchen durch Zuführung einer Spannung zu einer darüber befindlichen Gate-Elektrode induziert werden, periodisch in einen entsprechenden Dunkelstromabtastwert umgewandelt wird, und daß die Dunkelstromabtastwerte von den Blättchen der Meßeinrichtung als Grundlage zur Erzeugung des thermometrischen Signals zugeführt werden.
3. Fernsehkamera mit einem Servomechanismus nach Anspruch 1, bei welcher ein Festkörperbildwandler (10), welcher die auf dem Blättchen integrierte Schaltung umfaßt, in der CCD-Anordnung ausgebildete Register (11, 12, 13) hat, die zu bestimmten Zeiten (Integrationsintervalle) Ladungsabtastwerte speichern, die ein von der Kamera aufgenommenes Bild darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil (12, 13) der Register gegen Aufnahmebildstrahlung abgeschirmt ist und zu anderen Zeiten (Halbbildübertragungsintervalle)

Ladungsabtastwerte speichert, welche nur den akkumulierten Dunkelstrom darstellen, und daß die Meßeinrichtung (30, 26) die zu den anderen Zeiten von dem abgeschirmten Registerteil abgenommenen Dunkelstromladungsabtastwerte von denen das Bild wiedergebenden Ladungsabtastwerten trennt und eine Vergleichsschaltung zum Vergleich des Pegels der Dunkelstromabtastwerte mit einem Bezugspegel zur Erzeugung des thermometrischen Signals enthält, wobei der Pegel des Dunkelstromrauschens, welches ein andererseits vom Bildwandler erzeugtes Videoausgangssignal begleitet, auf einen vorbestimmten Grenzwert beschränkt wird.
4. Fernsehkamera nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung enthält:

eine Dunkelstrommeßeinrichtung (30), die in Abhängigkeit von den Dunkelstromladungsabtastwerten ein Signal erzeugt (bei 25), dessen Wert das Dunkelstromrauschen t im Videosignal wiedergibt; und

eine Vergleichsschaltung (26) zur Erzeugung des thermometrischen Signals (bei 27) entsprechend der Differenz zwischen dem Bezugswertpegel und dem den Dunkelstrompegel darstellenden Signal.
5. Fernsehkamera nach Anspruch 4, bei welcher der Festkörperbildwandler ( 1 0 , in Fig. 1) vom Halbbildübertragungstyp ist und dementsprechend in den Registern

(a) ein Halbbildspeicherregister (12), in welches Bildabtastwerte während eines Halbbildrücklauf-Intervalls übertragen werden und von den Bildabtastwerte anschließend während ZeilenhinlaufIntervallen übertragen werden, und

(b) ein Ausgangszeilenregister (13) enthält,

(i) in welches in Reihen im Halbbildspeicherregister gespeicherte Abtastwerte parallel reihenweise übertragen werden, und zwar jeweils eine Reihe in jeder einer Serie von Zeilenrücklauf-Intervallen), und

(ii) von dem eine serielle Ausgabe während der Zei-

lenhinlaufIntervalle erzeugt wird, die den jeweiligen Zeilenrücklaufintervallen folgen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dunkelstrommeßeinrichtung (Fig. 2) enthält:

ein Tor (31), welches während eines Teils des Halbbildrücklaufs aktiviert ist, wenn Bildabtastwerte in das Halbbildspeicherregister übertragen werden und der Rest Dunkelstrom-Abtastwerte aus dem Halbbildspeicher zur Auswahl der seriellen Ausgabe aus dem Ausgangszeilenregister übertragen werden;

ein Tiefpaßfilter (32), welches in Abhängigkeit von den ausgewählten Teilen der seriellen Ausgabe aus dem Ausgangsregister über das Tor ein entsprechendes Rampensignal (33) während jedes Halbbildrücklaufs liefert, daß eine steile Anfangssteigung in einer ersten Richtung hat, der eine flache Endsteigung in einer zweiten, der ersten entgegengesetzten Richtung folgt;

eine Klemmschaltung (34) zum Klemmen der flachen Endsteigung des Rampensignals nahe ihres Beginns auf einen vorbestimmten Pegel zur Gleichspannungsrückgewinnung; und

einen Momentanwertspeicher (35), der einige Zeit nach dem Klemmen der flachen Endsteigung des Rampensignals abtastet und den Abtastwert zur Zuführung der Vergleichsschaltung hält, bis der nächste Abtastwert im nächsten Halbbildrücklauf abgenommen wird.
6. Fernsehkamera nach Anspruch 4, bei welcher der Festkörperbildwandler vom Halbbildübertragungstyp ist und dementsprechend in den Registern

(a) ein Halbbildspeicherregister (12), in welches

Bildabtastwerte während eines Halbbildrücklaufintervalls übertragen werden und von den Bildabtastwerte anschließend während Zeilenhinlaufintervallen übertragen werden, und
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(b) ein Ausgangszeilenregister (13) enthält,

(i) in welches in Reihen im Halbbildspeicherregister gespeicherte Abtastwerte parallel reihenweise übertragen werden, und zwar jeweils eine Reihe in jeder einer Serie von Zeilenrücklauf-Intervallen, und

(ii) von dem eine serielle Ausgabe während der Zei-

lenhinlaufIntervalle erzeugt, die den jeweiligen ZeilenrücklaufIntervallen folgen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dunkelstrommeßeinrichtung (Fig. 3) enthält:

ein Tor (31) zum Auswählen von Teilen des seriellen Ausgangssignals vom Ausgangszeilenregister während des Teils des Halbbildrücklaufs, wo die Bildabtastwerte in das Halbbildspeicherregister übertragen werden und Restdunkelstrom-Abtastwerte aus dem Halbbild-

Speicherregister herausubertragen werden; und

einen Integrator (36), der vor Beginn des Teils des Halbbildrücklaufs zurückgesetzt wird zur Integration der vom Ausgangszeilenregister gelieferten Teile des seriel-

len Ausgangssignals in ein der Vergleichsschaltung zuzuführendes Signal.
7. Fernsehempfänger nach Anspruch 4, bei welchem der Festkörperbildwandler vom Halbbildübertragungstyp ist und in den Registern enthält:

(a) ein Halbbildspeicherregister (12), in welches Bildabtastwerte während HorizontalrücklaufIntervallen übertragen werden und aus dem Bildabtastwerte anschließend während Zeilenhinlaufintervallen herausübertragen werden und

(b) ein Ausgangsregister (13) enthält,

(i) in welches in Reihen innerhalb des Halbbildspeicherregisters gespeicherte Abtastwerte ^g parallel reihenweise übertragen werden, und

zwar eine Reihe in jeder Serie von Zeilenrücklauf Intervallen mit Ausnahme derjenigen Zeilenrücklauf Intervalle, die während eines Teils jedes HalbbildrücklaufIntervalls auftreten; ^und

(ii) von dem während er ZeilenhinlaufIntervalle,

welche diesen ZeilenrücklaufIntervallen folgen, serielle Ausgangssignale geliefert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Dunkelstrommeßeinrichtung (Fig. 4) enthält:

ein Tor (37) zur Selektion des vom Ausgangszeilenregister gelieferten seriellen Ausgangssignals während OQ eines ersten ZeilenrücklaufIntervalls, daß innerhalb des Teils jedes HalbbildrücklaufIntervalls auftritt, und

eine Integrationsschaltung (36) zur Integration des seriellen Ausgangssignals, daß während der ersten Zeige Ie innerhalb des Teils jedes HalbbildrücklaufIntervalls geliefert wird,

und daß die Integrationsschaltung das integrierte serielle Ausgangssignal als das thermometrische Signal über minestens einen wesentlichen Teil des folgenden HalbbildhinlaufIntervalls aufrecht erhält.
8. Fernsehkamera nach Anspruch 4, bei welcher der Festköperbildwandler in den Registern enthält:

(a) ein Bildregister:
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(i) in dem zu bestimmten Zeiten die bilddarstellenden Abtastwerte gespeichert werden, und

(ii) welches weiterhin den Teil enthält, in dem zu den anderen Zeiten die nur den akkumulier

ten Dunkelstrom darstellenden Ladungsabtastwerte gespeichert sind, wobei dieser Teil gegen das Aufnahmebild maskiert ist, I

(b) ein Halbbildspeicherregister, in welches Bildabtastwerte vom Bildregister während einer Halbbildrücklaufperiode übertragen werden und von dem die Bildabtastwerte parallel zeilenweise während je einer Folge von Zeilenhinlaufintervallen innerhalb einer Halbbildhinlaufperiode übertragen werden, und

(c) ein Ausgangszeilenregister, |

(i) in welches in Reihen innerhalb des Halbbildspeicherregisters gespeicherte Abtastwerte parallel reihenweise übertragen werden, und zwar eine Reihe in je einer Serie von Zeilenrücklauf intervallen, und

(ii) aus dem ein serielles Ausgangssignal während der diesen ZeilenrücklaufIntervallen folgenden ZeilenrücklaufIntervalle geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dunkelstrommeßeinrichtung (Fig. 5) enthält:

ein Tor (38), welches selektiv zur Weiterleitung nur desjenigen Teils des seriellen Ausgangssignals aktiviert wird, daß auf die Abtastwerte von dem maskierten Teil des Bildregisters zurückgeht,

und einen Integrator (36), welcher vor Aktivierung des Tors zurückgesetzt wird, und den Teil des durch das Tor hindurchgelangten seriellen Ausgangssignals integriert.
9. Servomechanismus nach Anspruch 1 zur Verwendung in einer Fernsehkamera mit einem Festkörperbildwandler, der eine auf dem Blättchen integrierte Schaltung enthält, und bei dem in der CCD-Anordnung Flächenregister enthalten sind.