DE3741963C2

DE3741963C2 - CCD-Bildaufnahmevorrichtung und Verfahren zu deren Steuerung

Info

Publication number: DE3741963C2
Application number: DE3741963A
Authority: DE
Inventors: Yoshio Chiba; Kenichi Aihara; Fumihiko Sudo
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1986-12-11
Filing date: 1987-12-10
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2007-12-11
Also published as: GB2200509A; GB2200509B; DE3741963A1; FR2608341A1; FR2608341B1; JPS63148778A; US4809073A; KR880008643A; KR960002643B1; GB8728554D0

Description

Die Erfindung betrifft eine CCD-(Charge-Coupled-Device)- Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu deren Steuerung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Eine CCD-Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus DE 34 39 019 A1 bekannt.

Die Steuerung der Empfindlichkeit einer CCD-Bildaufnahme vorrichtung nach dem Stand der Technik erfolgte bisher durch Veränderung der Speicherzeit. Wie z. B. die Fig. 1B zeigt, ist das Ende der Speicherzeit konstant, während zur Empfindlich keitssteuerung der Beginn der Speicherzeit verändert wird. Fig. 1A zeigt einen Vertikalsynchronisierpuls VD.

Beim Stand der Technik wird für die Beobachtung schnell bewegter Objekte eine Speicherzeit von etwa 1/500 bis 1/2000 s verwendet.

Wird jedoch bei einem Halbleiter-Bildaufnahmeelement nach dem Stand der Technik zur Steuerung der Empfindlichkeit die Ladungsspeicherzeit, wie oben beschrieben, verkürzt, so erscheinen die bewegten Bilder sprunghaft. Dabei kommt es vor, daß die kurze Ladungsspeicherzeit während einer Vertikalperiode nur einmal auftritt, so daß das gewünschte Objekt nicht erfaßt wird und keine Bildaufnahme entsteht. Eine Möglichkeit zur Aufnahme von bewegten Objekten mit hoher Geschwindigkeit besteht darin, die Belichtungszeit durch die Lichtquelle zu steuern, wozu jedoch eine entsprechend geeignete Lichtquelle erforderlich ist.

Bei der dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechenden DE 34 39 019 A1 wird durch eine geeignete Taktung der Gate- Elektroden von Vertikalladungstransfereinrichtungen eine wirkungsvolle Einschränkung der Verbreitung zu transferierender Ladungen und dadurch eine Vergrößerung der selbstinduzierten Drift erreicht, so daß die Transferleistungsfähigkeit der Signalladung erhöht wird.

Bei einem weiteren, aus DE 35 14 994 A1 bekannten Festkörperbild sensor wurden durch die Abfuhr von Ladungen über selektiv ausgewählte Steuertransistoren der matrixförmig angeordneten Bildelemente überschüssige Mengen an gespeicherten Photo ladungsträger abgeführt, so daß das Phänomen der sogenannten "Halbauswahl" einzelner Bildelemente nicht auftreten kann.

Bei der aus der DE 35 30 222 C2 bekannten Festkörperbildaufnahme vorrichtung schließlich wird durch eine metallische Abschirmung einer von drei Elektroden und deren Versorgungsleitung der Vertikal-Ladungsübertragungseinrichtungen letztere gegen Licht einfall geschützt, wodurch Nachzieheffekte und Unschärfen im erzeugten Bild vermieden werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine CCD-Bild aufnahmevorrichtung sowie ein Verfahren zu deren Steuerung zu schaffen, mit denen sich ohne Verwendung spezieller Zusatz geräte schnell bewegte Objekte bei verschiedenen Empfindlich keiten aufnehmen lassen, ohne daß die Bilder sprunghaft erscheinen.

Die erfindungsgemäße CCD-Bildaufnahmevorrichtung ist im Patent anspruch 1, das Verfahren zu deren Steuerung im Patentanspruch 6 angegeben. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens zum Inhalt.

Erfindungsgemäß wird eine CCD-Bildaufnahmevorrichtung geschaffen, die durch Addition dreimalig intermittierend ge speicherter Ladungen in den Photodetektoren eine kontinuierliche und gleichförmige Bildwiedergabe selbst dann ermöglicht, wenn die Ladungsspeicherzeit zur Erhöhung der Empfindlichkeit verkürzt wird. Außerdem können schnell bewegte Objekte ohne Spezialgerät aufgenommen werden, da die Ladungs- Speicherzeitintervalle mehrmals innerhalb einer Vertikalperiode auftreten, so daß die Gefahr, daß ein gewünschtes Objekt während der Speicherzeit nicht erfaßt wird, weitestgehend beseitigt wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1A und 1B Impulsdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Halbleiter-Bildaufnahmeelements nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 die Darstellung einer Ausführungsform einer CCD- Bildaufnahmevorrichtung entsprechend der Erfindung;

Fig. 3A bis 3D Impulsdiagramme zur Beschreibung der Ar beitsweise der in Fig. 2 gezeigten Bildaufnahmevor richtung; und

Fig. 4A bis 4C Darstellungen zur Beschreibung der Erfin dung.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der Erfindung wird in Verbindung mit CCD-Bildaufnahmevorrichtungen des Bild- Zwischenzeilen-Übertragungssystems verwendet.

Die in Fig. 2 gezeigte Bildaufnahmevorrichtung enthält eine Mehrzahl von Photodetektoren 1, die in Verbindung mit den entsprechenden Bildelementen angeordnet sind, und eine Mehrzahl erster, in Spalten angeordneter Vertikalschiebere gister 2. Zwischen den in Spalten angeordneten Photodetek toren 1 und den ersten Vertikalschieberegistern 2 sind Zwi schentore 3 angeordnet, die die in den Photodetektoren 1 gespeicherten Ladungen zu den Vertikalschieberegistern 2 verschieben. Überlauf-Drainbereiche 4 dienen zur Ladungsab sorption, haben eine sogenannte laterale Überlaufstruktur und sind so angeordnet, daß sie den Photodetektoren 1 über ein Überlauf-Steuertor 5 gegenüberliegen. Die Photodetekto ren 1, die ersten Vertikalschieberegister 2, die Zwischen tore 3, die Überlauf-Drainbereiche 4 und die Überlauf- Steuertore 5 bilden einen Bildteil 6.

An den einen Enden der Vertikalschieberegister 2 des Bild teils 6 sind zweite Vertikalschieberegister 7 angeordnet, die jeweils elektrisch mit ihnen verbunden sind. Die Anzahl der Ladungsverschiebungsstufen der zweiten Vertikalschiebe register 7 ist gleich oder größer als die der ersten Verti kalschieberegister 2. Die zweiten Vertikalschieberegister 7 bilden einen Speicherbereich 8.

An den anderen Enden der zweiten Vertikalschieberegister 7 des Speicherbereichs 8 ist ein Horizontalschieberegister 9 vorgesehen, das elektrisch mit diesen verbunden ist. An ei nem Ende dieses Horizontalschieberegisters 9 befindet sich ein Ladungs-Detektionsteil 10, das ein Signal abgibt.

Die bisher beschriebene Struktur ist im wesentlichen be kannt, die erfindungsgemäße Ausführungsform soll im folgen den beschrieben werden.

Dabei liegt an den Überlauf-Steuertoren 5 ein Torpuls P_OG an, der, wie in Fig. 3B gezeigt, dreimal während einer Ver tikalperiode den Pegel "0" annimmt. Fig. 3A zeigt den Ver tikalsynchronisierpuls VD. An den Zwischentoren 3 liegt ein Torpuls P_RG an, der jedesmal dann den Pegel "1" annimmt, wenn, wie in Fig. 3C gezeigt, die "0"-Pegelperiode des Tor pulses P_OG endet. In diesem Fall wird, wie in Fig. 4A ge zeigt, eine Potentialbeziehung an den entsprechenden Stel len aufgebaut, wenn der Torpuls P_OG und der Torpuls P_RG sich auf "0"-Pegel befinden, so daß entsprechend Ladungen in den Photodetektoren 1 gespeichert werden. Weiterhin wird, wie in Fig. 4B gezeigt, eine Potentialbeziehung auf gebaut, wenn der Torpuls P_OG sich auf "0"-Pegel und der Totpuls P_RG sich auf "1"-Pegel befindet, so daß sich die Potentialtöpfe der Vertikalschieberegister 2 vertiefen, wo durch die in den Photodetektoren 1 gespeicherten Ladungen zu den Vertikalschieberegistern 2 übertragen werden können. Schließlich wird, wie in Fig. 4C gezeigt, eine Potentialbe ziehung auf gebaut, wenn der Torpuls P_OG sich auf "1"-Pegel und der Torpuls P_RG sich auf "0"-Pegel befindet, so daß sich die Potentialtöpfe an den Überlauf-Drains 4 vertiefen und die in den Photodetektoren 1 gespeicherten Ladungen zu den Überlauf-Drains 4 verschoben und im Substrat absorbiert werden können.

Bei dieser Ausführungsform werden, nachdem die Ladungen während einer Vertikalperiode dreimal in den Photodetekto ren 1 gespeichert worden sind, diese entsprechend in Abhän gigkeit von drei Torpulsen P_RG zu den ersten Vertikalschie beregistern 2 verschoben und gelangen mit hoher Geschwin digkeit weiterhin zu den Vertikalschieberegistern 7. Wie z. B. in Fig. 3D gezeigt, wird diese Ladungsverschiebung wäh rend einer Periode TO unmittelbar im Anschluß an die dritte Ladungsverschiebung von den Photodetektoren 1 zu den ersten Vertikalschieberegistern 2 durchgeführt. In diesem Fall wird die Ladungsverschiebung z. B. durch ein Zweiphasen-, Dreiphasen- oder Vierphasen-Treibersystem durchgeführt.

Die zu dem zweiten Vertikalschieberegister 7 des Speicher bereichs 8 verschobenen Ladungen werden während der nach folgenden Vertikalperiode zeilenweise zu dem Horizontal schieberegister 9 übertragen. Auf diese Weise wird dann von dem Ladungs-Detektionsteil 10 ein Signal erzeugt.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau dieser Ausführungsform wird der in Fig. 3B gezeigte Torpuls P_OG an die Überlauf- Steuertore 5 angelegt, und die Ladungen werden nur während einer Periode, während der sich der Torpuls P_OG auf "0"-Pe gel befindet, in den Photodetektoren 1 gespeichert, so daß die Ladungen intermittierend dreimal während einer Verti kalperiode in den Photodetektoren 1 gespeichert werden. Zu sätzlich wird der in Fig. 3C gezeigte Torpuls P_RG an die Zwischentore 3 angelegt, und die in den Photodetektoren 1 gespeicherten Ladungen werden zu den ersten Vertikalschie beregistern 2 verschoben, wenn dieser Pegel "1" ist. Da au ßerdem der Torpuls P_RG am Ende jeder "0"-Pegelperiode des Torpulses P_OG den Pegel "1" einnimmt, werden die in den Photodetektoren 1 intermittierend gespeicherten Ladungen entsprechend sequentiell zu den ersten Vertikalschieberegi stern 2 verschoben und dort zueinander addiert.

Die in den ersten Vertikalschieberegistern 2 addierten La dungen werden während der Periode T0 (siehe Fig. 3D) mit hoher Geschwindigkeit sofort nach Ausführung der dritten Ladungsverschiebung zu den zweiten Vertikalschieberegi stern 7 übertragen. Diese Ladungen gelangen dann zeilenwei se während der nachfolgenden Vertikalperiode zu dem Hori zontalschieberegister 9. Von dem Ladungs-Detektionsteil 10 wird dann ein Signal erzeugt.

Da während der einen Vertikalperiode, in der die zu dem zweiten Schieberegister 7 verschobenen Ladungen sequentiell erzeugt werden, die während der nächsten Vertikalperiode zu erzeugenden Ladungen von den Photodetektoren 1 zu den er sten Schieberegistern 2 gelangen und dort zueinander ad diert werden, erzeugt der Ladungs-Detektionsteil 10 ein kontinuierliches Signal.

Durch Veränderung der Periode τ, während der sich der Tor puls P_OG auf niedrigem Pegel befindet, ist es möglich, die Ladungsspeicherzeit und damit die Empfindlichkeit zu beein flussen.

Durch Addition der dreimalig intermittierend gespeicherten Ladungen in den Photodetektoren 1 während einer Vertikalpe riode mittels der ersten Vertikalschieberegister 2 und nachfolgender Verschiebung erscheint ein bewegtes Bild bei dieser Ausführungsform selbst dann nicht unterbrochen, wenn die Ladungsspeicherzeit verkürzt wird. Folglich ist es möglich, die Empfindlichkeit durch Beeinflussung der La dungsspeicherzeit zu steuern, ohne daß bewegte Bilder ruck artig wiedergegeben werden. Da außerdem bei der erfindungs gemäßen Vorrichtung das Ladungs-Speicherzeitintervall mehr mals innerhalb einer Vertikalperiode auftritt, dürfte es nur sehr selten passieren, daß das gewünschte Objekt wäh rend der Speicherzeit nicht erfaßt wird. Ein mit hoher Ge schwindigkeit bewegtes Objekt kann deshalb ohne Spezial geräte aufgenommen werden. Die erfindungsgemäße Bildaufnah mevorrichtung ist folglich zur Darstellung und Untersuchung von schnell bewegten Objekten geeignet.

Da die in den Photodetektoren 1 während einer Vertikalperi ode dreimalig intermittierend gespeicherten Ladungen in den ersten Vertikalschieberegistern 2 addiert und dann, wie oben beschrieben, verschoben werden, ist die Anzahl der Ladungsspeicherungen nicht auf drei begrenzt, sondern kann beliebig festgelegt werden.

Auch wenn die Erfindung in Anwendung auf eine Halbleiter bildaufnahmevorrichtung des sogenannten Bild-Zwischenzei len-Übertragungstyps mit dem Speicherbereich 8 beschrieben wurde, ist auch eine entsprechende Verwendung in einer Bildaufnahmevorrichtung des Zwischenzeilen-Übertragungstyps ohne Speicherbereich 8 möglich. In diesem Fall können je doch, da der Speicherbereich 8 fehlt, die Signale nicht kontinuierlich erzeugt werden, so daß die Signale einer Vertikalperiode intermittierend entstehen können.

Weiterhin kann statt der beschriebenen Ausführungsform mit lateraler Überlaufstruktur auch entsprechend eine solche mit vertikaler Überlaufstruktur realisiert werden. Im we sentlichen kommt es darauf an, daß die von den Photodetek toren 1 erzeugten Ladungen z. B. von dem Substrat und nicht durch die Zwischentore 3 absorbiert werden.

Claims

1. CCD-Bildaufnahmevorrichtung mit

- einer Mehrzahl von matrixförmig angeordneten Photodetektoren (1),
- einer Mehrzahl von Vertikalschieberegistern (2),
- Auslese-Steuertoren (3), die zwischen den Photodetektoren (1) und den Vertikalschieberegistern (2) angeordnet sind,
- Drainbereichen (4) zur Absorption der in den Photodetektoren (1) erzeugten Ladungen, die nicht über die Auslese-Steuertore (3) abfließen,
- Steuervorrichtungen (5) zur Steuerung der Ladungsüber tragung von den Photodetektoren (1) zu den Drainbereichen (4) und
- einem Horizontalschieberegister (9), zu dem die Ladungen der Vertikalschieberegister (2) gelangen und das daraus ein Ausgangssignal erzeugt, gekennzeichnet durch
- erste Steuerpulsgeneratoren, welche die Steuervor richtungen (5) mit ersten Steuerpulsen beaufschlagen, wodurch die Photodetektoren (1) während mehrerer Zeitintervalle einer Vertikalperiode auf Speichermode gesetzt werden, und während des Rests der Zeitintervalle die in den Photodetektoren (1) erzeugten Ladungen zu den Drainbereichen (4) verschoben werden,
- zweite Steuerpulsgeneratoren, welche die Auslese-Steuer tore (3) mit zweiten Steuerpulsen derart beaufschlagen, daß die Auslese-Steuervorrichtung am Ende jedes Zeitinter valls in den Photodetektoren (1) erzeugten Ladungen zu den Vertikalschieberegistern (2) verschoben werden, und
- Mischer zum Mischen der während einer Vertikalperiode zu den Vertikalschieberegistern (2) übertragenen Ladungen in den Vertikalschieberegistern, so daß die gemischten Ladungen durch die Vertikalschieberegister (2) zu dem Horizontalschieberegister (9) übertragen werden.

2. CCD-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Steuerpulsgeneratoren Vor richtungen zur Veränderung der Anzahl von Pulsen während einer Vertikalperiode aufweisen, die der Anzahl von Zeit intervallen während einer Vertikalperiode und der Länge dieser Zeitintervalle entspricht.

3. CCD-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drainbereiche (4) Überlaufsenken sind.

4. CCD-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (5) ein zwischen den Photodetektoren (1) und den Drainbereichen (4) angeord netes Überlauf-Steuertor ist.

5. CCD-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von zweiten Vertikal schieberegistern (7) vorhanden ist, die zwischen den Verti kalschieberegistern (2) und dem Horizontalschieberegister (9) liegen, und daß die Anzahl der zweiten Vertikalschie beregister (7) gleich der der Vertikalschieberegister (2) ist und die gemischten Ladungen in den Vertikalschieberegi stern (2) zu den zweiten Vertikalschieberegistern (7) wäh rend eines vertikalen Austastintervalls verschoben werden.

6. Verfahren zur Steuerung einer CCD-Bildaufnahmevor richtung mit einer Mehrzahl von matrixformig angeordne ten Photodetektoren, einer Mehrzahl von Vertikalschiebere gistern, Auslese-Steuertoren, die zwischen den Photodetek toren und den Vertikalschieberegistern angeordnet sind, Drainbereichen zur Absorption der in den Photodetektoren erzeugten Ladungen, Steuervorrichtungen zur Steuerung der Ladungsverschiebungen von den Photodetektoren zu den Drain bereichen und einem Horizontalschieberegister, zu dem die Ladungen der ersten Vertikalschieberegister gelangen und das daraus ein Ausgangssignal erzeugt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Speicherung von Ladungen in den Photodetektoren während einer Mehrzahl von intermittierenden Zeitintervallen in nerhalb einer Vertikalperiode,
- Einschalten der Auslese-Steuertore am Ende jedes Zeitin tervalls und Verschiebung der in den Photodetektoren er zeugten Ladungen zu den Vertikalschieberegistern,
- Mischen der während einer Vertikalperiode in die Verti kalschieberegister verschobenen Ladungen in diesen Verti kalschieberegistern, und
- Übertragung der gemischten Ladungen durch die Vertikal schieberegister zu dem Horizontalschieberegister.