DE3501407C2

DE3501407C2 - Anordnung zur Regelung des Dunkelstroms in Festkörperbauelementen

Info

Publication number: DE3501407C2
Application number: DE3501407A
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: 1986-08-28
Also published as: GB2153183A; GB8501054D0; KR900000360B1; JPS60162387A; GB2153183B; JPH0426274B2; FR2560439A1; DE3501407A1; KR850005735A; FR2560439B1; US4551762A

Abstract

Ein Servomechanismus (30, 26, 28, 7) zur Verwendung bei einer Schaltung, die eine CCD-Anordnung (11, 12, 13) eines Festkörperbildwandlers (10) enthält, hält den Dunkelstrom in der CCD-Anordnung auf einen vorherbestimmbaren, annehmbar niedrigen Wert. Innerhalb des Servomechanismus werden Ausgangssignalabtastwerte (bei 15), die von einem abgeschirmten Teil (12, 13) des Registers (11, 12, 13) innerhalb der CCD-Anordnung abgenommen werden, in der Schaltung (30) gemessen zur Ableitung eines Signals (bei 25), welches den Pegel des in den Registern des CCD-Bildwandlers akkumulierten Dunkelstroms darstellt. Dieses Signal wird mit einem Bezugspegel verglichen (bei 26) zur Erzeugung eines Fehlersignals (bei 27). Die Amplitude des Fehlersignals bestimmt (bei 28) die Leistungszuführung zu einem thermoelektrischen Kühler, der mit einem Halbleiterblättchen gekoppelt ist, auf dem die Schaltung des Festkörperbildwandlers integriert ist.

Description

a) ein Halbbildspeicherregister (12), in das Bildabtastwerte während eines Halbbildrücklaufintervalls und aus dem anschließend Bildabtastwerte während Zeilenhinlaufintervallen übertragen werden und

b) ein Ausgangszeilenregister (13), in welches (i) in Reihen im Halbbildspeicherregister gespeicherte Abtastwerte reihenweise parallel übertragen werden, und zwar jeweils eine Reihe in jedem einer Serie von Zeilenrücklaufintervallen mit Ausnahme derjenigen Zeilenrücklaufintervalle, die während eines Teils jedes Halbbildrücklaufintervalls auftreten, und aus welchem (H) während der diesen Zeilenrücklaufintervallen folgenden Zeilenhinlaufintervalle serielle Ausgangssignale geliefert werden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dunkelstrommeßeinrichtung (F i g. 4) enthält:

— ein Tor (37) zur Auswahl des vom Ausgangszeilenregister während eines ersten Zeilenrücklaufintervalls gelieferten seriellen Ausgangssignals, welches innerhalb des obengenannten Teils jedes Halbbildrücklaufintervalls auftritt, und

— eine Integrationsschaltung (36) zur Integration des seriellen Ausgangssignals, welches während der ersten Zeile innerhalb des genannten Teils jedes Halbbildrücklaufintervalls geliefert wird, und zur Aufrechterhaltung des integrierten seriellen Ausgangssignals als das thermometrische Signal über mindestens einen wesentlichen Teil des folgenden Halbbildhinlaufintervalls.

8. Fernsehkamera nach Anspruch 4, bei welcher die Register des Festkörperbildwandlers aufweisen

a) ein Bildregister, in dem (i) zu bestimmten Zeiten die Bildabtastwerte gespeichert werden, und welches (U) weiterhin der. gegen das Aufnahmebild maskierten Teil enthält, in dem zu den anderen Zeiten die nur den akkumulierten Dunkelstrom darstellenden Ladungsabtastwerte gespeichert sind,

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

c) ein Ausgangszeilenregister, in welches (i) in Reihen innerhalb des Halbbildspeicherregisters gespeicherte Abtastwerte reihenweise parallel übertragen werden, und zwar eine Reihe in jedem einer Serie von Zeilenrücklaufintervallen, und aus dem (U) ein serielles Ausgangssignal während der diesen Zeilenrücklaufintervallen folgenden Zeilenrücklaufintervalle geliefert werden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dunkelstrommeßeinrichtung (F i g. 5) enthält:

— ein Tor (38), welches selektiv zur Weiterleitung nur desjenigen Teils des seriellen Ausgangssignals aktiviert wird, welcher 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.

Die Erfindung betrifft eine Regelanordnung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

In der deutschen Patentanmeldung P 34 33 848.9 ist es bekannt, Festkörperbildwandler auf vorgeschriebene Temperaturen zu kühlen. Diese Temperaturen sind niedrig genug, um die Dunkelströme aller Festkörperbildwandler innerhalb der Spezifikation genügend weit zu reduzieren, so daß auf Dunkelstromänderungen zurückgehendes Rauschen in Fernsehbildern, die aus den von diesen 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 Kühlung des Festkörperbildwandlers von der normalen Betriebstemperatur herab auf 10^cC zu einer vierfachen Verringerung von Dunkeistromänderungsrauschen 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 Lieh", 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 verbun-

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den sind. Einzelheiten der Verbindung thermoelektrischen 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. Aus der DE-OS 29 19 936 ist es auch bekannt, bei einem Bildsensor durch Abblenden ein Signal zu gewinnen, welches den Dunkelstrom repräsentiert, und dieses Signal zur Verbesserung des Störabstandes des Bildsignals zu verwenden.

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 ofer -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 Temperatur abfühlen möchte. Auch wird nach dieser Methode die Temperatur an einem Punkt des Halbleiterplättchens 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 Sensorenausgangssignal zugänglich wird.

In den US-PS 44 96 982 und 44 98 105 sind verschiedene Möglichkeiten zum Abfühlen des akkumulierten Dunkelstroms auf einem Halbleiterplättchen mit integriertem CCD-Bildwandler 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 10° C Temperaturzunahme in einem Siliziumbauelement. Statt der Verwendung eines in Durchlaßrichtung vorgespannten Halbleiterübergangs kann der akkumulierte Dunkelstrom zur Messung von Temperaturänderungep. benutzt werden, und auf diese Weise läßt sich der thermische »Servomechanismus« verbessern, der aus der bereits genannten deutschen Patentanmeldung P 34 33 848.9 bekannt ist. Ein in dieser Weise verbesserter thermischer »Servomechanismus« behält die benötigte Kühlleistung bei und verringert die Kühlung, wenn der Bildwandler in einer von Haus aus 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 Dunkelstrompege! messen durch Abfühlen des akkumulierten Dunkelstroms gemäß der bereits erwähnten US-PS 44 96 982 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 Dunkelstromänderungen möglich, anstatt daß auf eine konstante Bildwandlertemperatur geregelt wird.

Die Regelung auf einen konstanten mittleren Dunkelstromwert ist tatsächlich eine zu bevorzugende Möglichkeit der Temperatursteuerung des Festkörperbildwandlers. Toleranzbedingt findet man bei Festkörperbildwandlern Schwankungen der Dunkelstromwerte um einen Faktor von zwei bis drei, die etwa auf Variationen der kristallinen Struktur des Halbleitersubstrats oder auf Variationen bei der Verarbeitung zur Ausbildung eines Bildwandlers auf dem Substrat zurückzuführen sind. Eine Regelung auf einen vorgeschriebenen Dunkelstromwert anstatt auf eine vorgeschriebene Bildwandlertemperatur bedeutet, daß Bildwandler mit von Haus aus geringem Dunkelstrom und entsprechend 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 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, 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 ähnlich der Stelle in einem CCD-Bildwandler-Halbbildspeicher-iBJ-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 η-Stellen vereinigt, dann addierten sich diese Beiträge arithmetisch zu 2000n Elektronen. 100 Dunkelstrom-Ladungsakkumulationsstellen können eine volle Potentialmuldenladung von 200 000 Elektronen ergeben. Das 40 Elektronen-Effektivrauschen von jeder Stelle addiert sich vektoriell zu einem Rauscheffektivwert von 40(n)<^1/2> Elektronen oder über 100 Stellen von 400 Elektronen. 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 dem 40-Elektronen-Effektivwertrauschen akkumuliert, und damit beträgt die Temperaturauflösung 8°C/(100 000/400) oder 32 Milligrad Celsius, was für die kurze Tastperiode gut ist und sich mit steigender Temperatur verbessert Somit kann eine CCD-Anordnung mäßiger Größe von etwa 100 Stellen auf irgendeinem Halbleiterplättchen untergebracht werden, dessen Temperatur geregelt werden soll, und zum Abkühlen der Plättchentemperatur für die thermische Regelschleife benutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zweckmäßige Schaltung anzugeben, mit der sich unter

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Ausnutzung des Dunkelstroms eines CCD-Elementes ein Regelsignal für dessen Kühlung erzeugen läßt. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird realisiert in einer Regelanordnung für eine Schaltung mit einem in einem Halbleiterplättchen integrierten CCD-Anordnung. Die Anordnung enthält eine Meßeinrichtung zur Erzeugung eines thermometrischen Signals, dessen Wert direkt von der Temperatur des Plättchens 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 mit dem Plättchen thermisch gekoppelte Kühleinrichtung, welche unter Steuerung durch das Regelsignal Wärme vom Plättchen 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 Halbleiterplättchens. Bei dieser Anordnung wird der Dunkelstromwert in der CCD-Anordnung unterhalb eines vorgeschriebenen Pegels gehalten. In den Zeichnungen zeigt

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;

F i g. 2, 3 und 4 Blockschaltbilder der jeweiligen Schaltungen zum Messen des restlichen Dunkelstroms im B-Register eines CCD-Bildwandlers mit Halbbildübertragung gemäß Gesichtspunkten der Erfindung,

F i g. 5 ein Blockschaltbild einer Meßeinrichtung für den in maskierten Reihen des Α-Registers akkumulierten Dunkelstrom gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung;

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

Bei der CCD-Kamera nach F i g. 1 gelangt von einem außerhalb der Kamera befindlichen Objekt 3 ausgesandtes oder reflektiertes Licht längs eines Lichtübertragungsweges 4 durch die Objekt- und Blendenanordnung 5 der Kamera, ein nicht dargestelltes Fenster 6 im Gehäuse, welches einen CCD-Bildwandler umgibt, und einen zugehörigen thermoelektrischen 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 Zeilenrücklaufintervalle reihenweise zugeführt werden, in Ausgangssignalwerte um, welche während der Zeilenhinlaufintervalle seriell zur Verfügung gestellt werden. Das C-Register 13 soil nach üblicher Annahme eine Ausgangsschaltung zur Ladungsumwandlung in Ausgangssignalstrom- oder -spannungswerte haben. Eine übliche Ausgangsschaltungsart verwendet eine schwimmende (floating) Diffusion im Ladungsübertragungskanal des C-Registers 13, wobei die Ladung unter der schwimmenden Diffusion die Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors so vorspannt, 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 F i g. 1 nicht sichtbare Maske verhindert, daß Licht auf denjenigen Teil des Halbleitersubstrats fällt, welcher vom B-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 F i g. 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-Register 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 12 synchron getaktet, um die akkumulierten Bildabtastwerte von Stellen der Bildelementenanordnung im Bildregister 11 (A-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-Ausgangsspannungswerte um, welche von einem Ausgangsan-Schluß 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 Halbbildhinlaufintervalls wird die Abtastung im A-Register 11 angehalten, um eine Akkumulierung einer neuen Anordnung von Bildelementen 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 Zeilen-

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ίο

hinlaufintervalle 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 Einsparung von Anschlüssen des CCD-Bildwandlers kann jedoch ein einziger Ausgangsanschluß extern torgesteuert werden, um dieselben Signale für die weitere Verarbeitung zu liefern).

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 20 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 Vergleichsschaltung 26 zugeführt wird.

F i g. 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, das im Kreis 33 dargestellt ist und einer Gieichspannungswiederhersteiiungsschaltung 34 zugeführt wird. Dieses in jedem Halbbildrücklauf wiederkehrende Rampensignal hat eine steile abwärtsgerichtete Flanke, der ein flacherer Aufwärtsrampenteil folgt. Das Rampensignal kann einem 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 fi, der kurz nach den steilen Abfall des Rampensignals auftritt, reagiert die Gleichspannungswiederherstellungsschaltung 34 auf einen vom Taktgenerator 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 f₂, wenn der abnehmende restliche integrierte Dunkelstrom aus dem B-Register 12 über das C-Register 13 und das Tiefpaßfilter 32 sowie die Gleichspannungüwiederherstellungsschaltung 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 zugefüihrten Impuls reagiert. Die Schaltung 35 tastet die Rampe zum Zeitpunkt f₂ ab und hält die abgetastete Spannung als Meßergebnis des

ίο Dunkelstroms auf der Leitung 25 für das folgende Halbbildhinlaufintervall. Die Abtastung zum Zeitpunkt f₂ ergibt das größte verfügbare Dunkelstromergebnis ohne Ermittlung des Offsetsockels, dem die Dunkelstromrampe überlagert ist. Die Haltespannung wird dann gemäß Fig. 1 in der Vergleichschaltung 26 mit einer Bezugsspannung verglichen, und aus diesem Spannungsvergleich wird das der Kühüdstungsregelschaltung 28 zugeführte Fehlersignal erzeugt.
Die soeben beschriebene Technik der Gleichspannungswiederherstellung, welcher die Momentwertspeicherung 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 Halbbildrücklaufs verursacht werden.

F i g. 3 zeigt eine Meßschaltung für den Restdunkelstrom, welche anstelle der Schaltung nach F i g. 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 24rf 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 12 getaktet worden ist. Änderungen dieser Spannung während der Halbbildrücklaufintervalle werden durch die thermische Zeitkonstante des thermoelektrischen Kühlers 7 unterdrückt.

F i g. 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 Ladungsübertragungsspitzen 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 abgekühlt wird, so daß Fehler beim Ladungsabfühlen vermieden werden. Die Ladungsabfühlung kann erfolgen und die Taktung des C-

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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 während des Halbbildrücklaufs unabgeblen-Qot betrieben wird, dann vermeidet eine Ladungsabfühlung vor Beendigung der Halbbildübertragung ein Ansprechen auf Ladungsverschmierungsspitzen am Ende der Halbbildübertragung). 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 Ausgangsanschluß 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 Dunkelstromrauschens 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.

F i g. 5 zeigt eine Anordnung, die sich bei einer CCD-Kamera verwenden läßt, welche während der Halbbildübertragung abgeblendet is*. 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 12. Diese letzten wenigen Reihen von während des Halbbiidrücklaufs in das B-Register 12 übertragenen Ladungen sind die ersten, die aus dem B-Register 12 in das C-Register 13 getaktet werden. Ein Tor 38 wählt aufgrund eines vom Taktgenerator 20 über die Steuerleitung 24/ 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 Eingangssiganl 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 Zeilenhinlauf, 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 A-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,

ίο 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 nachfolgenden Verarbeitungsverstärker zur Einfügung von Synchronimpulsen (und Ausgleichsimpulsen, falls diese verwendet werden) zuführt. Das Ausgangssignal kann vom letzten Drainanschiuß im C-Register 13 abgenommen werden, und der während des Halbbildrücklaufs gemessene akkumulierte Dunkelstrom bezieht sich dann auf eine volle Potentialmuldenladung, ohne daß die Umwandlungsverstärkung einer Elektrometerstufe oder daß auf den Feldeffekttransistor einer solchen Stufe zurückgebende Flackerrauschen eingehen würde.

Andererseits kann das Ausgangssignal, wie bei der vorangehenden Beschreibung der F i g. 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 Feldeffekttransisitors zu unterdrücken.

F i g. 6 zeigt einen Ausgangsanschluß eines CCD-Bildwandlers 10, wo dieser Synchrondeteklionsvorgang 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 F i g. 2 und 3, dem Tor 37 in F i g. 4 oder dem Tor 38 in F i g. 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, wenn das Dunkelstromrauschen von Zeile zu Zeile anwächst, führt dann zu einer Halbbildabschattung. Diese kann kompensiert werden, wie es in der bereits erwähnten US-Patentanmeldung 3 82 422 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

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13

thermoelektrische Kühler gekühlt werden. Eine solche Anordnung würde beispielsweise benutzt bsi CCD-Bildwandlern mit Zwischenzeilenübertragung (interline transfer type). Normalerweise wird ein Zwischenzeilenübtrtragungs-CCD-Biidwöndler 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 ;tur Einführung einer von oben nach unten verlaufenden HaIbbildabschattierung im nachfolgenden Halbbild bei der Wiedergabe führen. Diese Tendenz ist jedoch tollerierbar, weil die Kühlung des Bildwandlers den die HaIbbildabschattung hervorrufenden Dunkelstrom genügend reduziert, so daß die Halbbildabschatuing vernachlässigbar klein ist

Alternativ kann der Zwischenzeilenübertragungs-CCD-Bildwandler zusätzliche Spalten aufweisen, die gegen Licht abgeschirmt sind und keine Ladung von Photosensorelementen erhalten; und der akkumulierte Dunkelstrom kann während der Zeilenrücklaufinterval-Ie entfernt und integriert werden, zu einem Signal, welches das Dunkelstromrauschen indirekt mißt. Diese Technik kann auch bei Halbbildübertragungs-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 Bildwandlerplättchens ist es ferner unerwünscht, wesentliche Teile der Fläche nur für die Dunkelstrommessung zu benutzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

35 Ol Patentansprüche:

1. Regelanordnung für den Betrieb einer Schaltung (10, 20), welche eine CCD-Anordnung (11, 12, 13) enthält und in einem Halbleiterplättchen integriert ist, enthaltend

a) eine Meßeinrichtung (30,26) zur Erzeugung eines thermometrischen Signals (bei 27), dessen Pegel die Temperatur des Plättchens und der Schaltung repräsentiert,

b) eine Kühlerregelschaltung (28) zur Erzeugung eines Regelsignals (bei 29), dessen Pegel das Ausmaß repräsentiert, um welches das thermometrische Signal einen Bezugspegel übersteigt, und

c) eine Kühleinrichtung (7), die mit dem Plättchen thermisch gekoppelt ist und in Abhängigkeit von dem Regelsignal Wärme von dem Plättchen mit einer Rate abführt, die durch den Wert des Regelsignals bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (30) das thermometrische Signal aufgrund des in einem Teil des Halbleiterplättchens akkumulierten Dunkelstroms erzeugt, so daß die Regelanordnung den Wert des Dunkelstroms in der CCD-Anordnung dadurch unterhalb eines vorbestimmten Pegels hält.

30

2. Fernsehkamera mit einer Anordnung nach Anspruch 1 zum Halten des in den von der Kamera gelieferten Videosignalwerten enthaltenen Dunkel- —

Strompegels unterhalb eines vorgeschriebenen Pegels, dadurch gekennzeichnet, daß der Dunkelstrom, ti der in einer oder mehrere Potentialmulden akkumu-

ii liert ist, welche in dem Haibleiterplättchen durch

$ Zuführung einer Spannung zu einer darüber befind-

H liehen Gate-Elektrode induziert werden, periodisch

in einen entsprechenden Dunkelstromabtastwert 40 —

L umgewandelt wird, und daß die Dunkelstromabtast-

r* werte von dem Plättchen der Meßeinrichtung (30,

''' 26) als Grundlage zur Erzeugung des thermometri-

I; sehen Signals zugeführt werden.

f -

3. Fernsehkamera mit einer Anordnung nach An-

• spruch 1, bei welcher ein die auf dem Plättchen integrierte Schaltung umfassender Festkörperbildwandler (10) in der CCD-Anordnung ausgebildete Regi-M. ster (11, 12, 13) aufweist, die zu bestimmten Zeiten —

(Integrationsintervalle) Ladungsabtastwerte spei-

f ehern, welche ein von der Kamera aufgenommenes

' Bild darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil (12,13) der Register gegen Aufnahme- —

bestrahlung 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 den das Bild wiedergebenden Ladungsabtastwerten trennt und eine Vergleichs- ·. schaltung zum Vergleich des Pegels der Dunkel-

stromabtastwerte mit einem Bezugspegel zur Erzeugung des thermometrischen Signals enthält, wodurch der Pegel des Dunkelstromrauschens, welches in einem andererseits vom Bildwandler erzeugten Videoausgangssignal auftritt, auf einen vorbestimmten Grenzwert beschränkt wird.

4. Fernsehkamera nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine Dunkelstromeinrichtung (30) enthält, die in Abhängigkeit von den den Dunkelstrom darstellenden Ladungsabtastwerten ein Signal erzeugt (bei 25), dessen Wert das Dunkelstromrauschen im Videosignal wiedergibt, und daß die Vergleichsschaltung (26) das thermometrische Signal (bei 27) entsprechend der Differenz zwischen dem Bezugswertpegel und dem den Dunkelstrompegel darstellenden Signal erzeugt.

5. Fernsehkamera nach Anspruch 4, bei welcher der Festkörperbildwandler (10, in Fig. 1) ein Halbbildübertragungswandler ist, dessen Register dementsprechend aufweisen:

ein Halbildspeicherregister (12), in das Bildabtastwerte während eines Halbbildrücklaufintervalls und aus dem anschließend Bildabtastwerte während Zeilenhinlaufintervallen übertragen werden, und

ein Ausgangszeilenregister (13) in welches (i) in Reihen im HalbbLldspeicherregister gespeicherte Abtastwerte reihenweise parallel übertragen werden, und zwar jeweils eine Reihe in jedem einer Serie von Zeilenrücklaufintervallen, und aus dem (H) eine serielle Ausgabe während der den jeweiligen Zeilenrücklaufintervalien folgenden Zeilenhinlaufintervalle erfolgt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dunkelstrommeßeinrichtung (F i g. 2) enthält:

ein Tor (31), welches zur Auswahl von Teilen des seriellen Ausgangssignals des Ausgangszeilenregisters während desjenigen Teils des Halbbildrücklaufs aktiviert ist, wo Bildabtastwerte in das Halbbildspeicherregister und Restdunkelstromabtasiwerte aus dem Halbbildspeicherregister übertragen 'werden,
ein Tiefpaßfilter (:!2), welches in Abhängigkeit von den durch das Tor ausgewählten Teilen des seriellen Ausgangssignals aus dem Ausgangsregister ein entsprechendes Rampensignal (33) während jedes Halbbildrücklaufs liefert, das eine steile Anfangs steigerung in einer ersten Richtung hat, der eine flache Endsteigung in einer zweiten entgegengesetzten Richtung folgt,

eine Klemmschaltung (34) zum Klemmen der flachen Endsteigurig des Rampensignals nahe ihres Beginns auf einen vorbestimmten Pegel zur Gleichspannungsrückgewinnung, und
einen Momentanwertspeicher (35), der einige Zeit nach dem Klemmvorgang die flache 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 ein Halbbildübertragungswandler ist, dessen Register dementsprechend aufweisen:

ein Halbbildspeicherregister (12), in das Bildabtastwerte während eines Halbbildrücklaufintervalls und aus dem !anschließend Bildabtastwerte während Zeilenhinlaufintervallen übertragen

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werden, und

b) ein Ausgangszeilenregister (13), in welches (i) in Reihen im Halbbildspeicherregister gespeicherte Abtastwerte reihenweise parallel übertragen werden, und zwar jeweils eine Raine in jedem einer Serie von Zeilenrücklaufintervallen, und aus dem (U) eine serielle Ausgabe während der den jeweiligen Zeilenrücklaufintervallen folgenden Zeilenhinlaufintervalle erfolgt,

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dadurch gekennzeichnet, daß die Dunkelstrommeßeinrichtung (F i g. 3) enthält:

— ein Tor (31) zum Auswählen von Teilen des seriellen Ausgangssignals des Ausgangszeilenregisters während desjenigen Teils des Halbbildrücklaufs, wo die Bildabtastwerte in das Halbbildspeicherregister und Restdunkelstromabtastwerte aus dem Halbbildspeicherregister übertragen werden, und

— einen Integrator (36). der vor Beginn dieses Teils des Halbbildrücklaufs zurückgesetzt wird zur Integration der vom Ausgangszeilenregister gelieferten Teile des seriellen Ausgangssignals zu einem der Vergleichsschaltung zuzuführenden Signal.

7. Fernsehkamera nach Anspruch 4, bei welcher der Festkörperbildwandler ein Halbbildübertragungswandler ist, dessen Register dementsprechend aufweisen: