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Diese Erfindung bezieht sich auf Bildsensoren der
ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD's) benutzenden Art, und im besonderen
auf ein Verfahren zum Betrieb eines CCD-Bildsensors, der eine Bild-
Sektion, mit einem photosensitiven Teil aus einem Feld von CCD-
Kanälen, eine Speicher-Sektion mit einem nicht photosensitiven Teil aus
einem Feld von CCD-Kanälen; einer Zeilenauslese-Sektion, welche an
die Speicher-Sektion angrenzt; einer Steuerelektroden-Struktur, welche
den genannten Bild-, Speicher- und Auslese-Sektionen zugeordnet ist
und eine Ladungssenke-Struktur umfaßt; wobei die Steuerelektroden-
Struktur angepaßt ist, um Potentiale zu empfangen, die in der
Bild-Sektion generierte Ladung in die Speicher-Sektion transferieren und um
während einer vorbestimmten Blockperiode die in der genannten
Speicher-Sektion gespeicherte Ladung durch genannte Auslese-Sektion
auszulesen, und somit ein Ausgangs-Videosignal zu schaffen, wobei
dieses Verfahren die Schritte der Ladungsgenerierung in dem
genannten photosensitiven Teil während einer Integrations-Periode, der
Transferierung der, während der Integrations-Periode generierten Ladung in
die genannte Speicher-Sektion am Ende der genannten Integrations-
Periode; und des Lesens der Ladung aus der Speicher-Sektion über die
genannte Auslese-Sektion für die Dauer der genannten Blockperiode
umfaßt, so daß dabei ein Ausgangs-Videosignal erstellt wird. Ein
Verfahren zum Betrieb eines CCD-Bildsensors dieser
Art ist in EP-A-0127363 offenbart.
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In CCD-Blocktransfer-Bildsensoren der oben genannten Art
wird das ein Bild repräsentierende Licht auf einen ersten
photosensitiven Teil eines Feldes von CCD-Kanälen fokussiert, der eine Bild-Sektion
des Feldes beinhaltet. Ein zweiter Teil des Feldes von CCD-Kanälen,
der nicht photosensitiv ist, (z. B. als Folge der Abschirmung von Licht,
beinhaltet eine Speicher-Sektion. Angrenzend an die Speicher-Sektion
steht eine Auslese-Sektion zur Verfügung. Ein in der Bild-Sektion
photogenerierter Ladungsblock wird durch Anlegen von Taktpulsen an die
Steuerelektroden beider Sektionen zur Speicher-Sektion transferiert,
dann in sequentieller Zeile- für Zeilen Art durch Anlegen von Taktpulsen
an die Steuerelektroden sowohl der Speicher- als auch der
Zeilenauslese-Sektionen ausgelesen. Normalerweise wird ein Ladungsblock aus
der Speicher-Sektion ausgelesen, während ein weiterer Block in der
Bild-Sektion gesammelt wird, und so fort. Daher ist die
"Integrations-Periode", während der ein Block aus photogenerierter Ladung in der Bild-
Sektion des Sensors gesammelt wird üblicherweise ungefähr die
gleiche wie die Zeit, die zum Auslesen des vorhergehenden Ladungsblocks
aus der Speicher-Sektion genommen wird. Die Auslesezeit ist oft so
festgelegt, daß sie zu einem gegebenen Ausgabe-Standard konform ist,
z. B. wie beim konventionellen 525/625 Zeilen-Fernsehen und sie ist in
jedem Fall begrenzt durch die physikalischen Beschränkungen der
Gerätestruktur, z. B.
durch die Geschwindigkeit des Ladungstransfers.
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Diese relativ lange Integrationsperiode kann eine
Bildverschmierung zur Folge haben, wenn der Bildsensor zur Abbildung eines
sich schnell bewegenden Objekts verwendet wird. Mit einer
konventionellen Televisions-Kamera oder einem CCD-Bildsensor kann ein heller
Beleuchtungsblitz verwendet werden, um die Bewegung des Bildes
nach der Art eines Stroboskobs einzufrieren, aber eine derartige
Anordnung ist unbequem und schwer zu handhaben. In EP-A-0127363
wurde vorgeschlagen, den Beginn der Integrations-Periode des CCD-
Sensors bis unmittelbar vor den Anfang der Auslese-Periode zu
verzögern, aber dies resultiert in der kurzen, an einem fest vorbestimmten
Moment einsetzenden Integrations-Periode, in Relation zur
Block-Periode. Wenn dies auch für manche Anwendungen keine Beeinträchtigung
ist, kann es ein ernstzunehmendes Problem verursachen, wenn ein kurz
eintretendes Ereignis vom Bildsensor festgehalten werden soll, da, wenn
das Ereignis nicht während einer sehr kurzen Integrationsperiode eintritt,
das Ereignis gänzlich verloren wird und unaufgenommen vom
Bildsensor vergeht. Die vorliegende Erfindung sucht diese Schwierigkeit zu
vermindern.
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In einem Artikel in Toute L'Electronique, No. 495, Juni/Juli
1984, Seite 35-40; betitelt "Camera lineaire, un transfert de charges" ist
die Verwendung eines externen Triggers zur Steuerung der
Belichtungszeit einer CCD-Kamera offenbart,
aber nicht in Anwendung auf einen CCD-Blocktransfer-Bildsensor wie in
der vorliegenden Anmeldung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren,
geschaffen zum Betrieb eines CCD-Bildsensors wie oben erwähnt,
gekennzeichnet durch die Schritte der Schaffung eines extern angelegten
Pulssignals, welches kürzer ist als vorgenannte Block-Periode und
welches in Bezug auf diese zu einer unvorherbestimmten Zeit eintritt, wo
genannte Integrations-Periode innerhalb der Dauer des genannten
Pulssignals eintritt und, wo angemessen, des Haltens der in genannter
Speicher-Sektion gespeicherten Ladung bis zum Anfang einer regulär
eintretenden Block-Periode, woraufhin die Ladung aus der Speicher-
Sektion über genannte Auslese-Sektion für die Dauer von genannter
Block-Periode ausgelesen wird, so daß dadurch ein
Ausgangs-Videosignal gebildet wird.
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Der CCD-Sensor kann von der Art sein, in der die Speicher-
Sektion die Form einer rechteckigen Fläche zwischen der Bild-Sektion
und der Auslese-Sektion einnimmt, oder er kann, z. B. von der
"Zwischen-Zeilen" Art sein, in der die Speicher-Sektion aus zwischen die
Streifen geschalteten Streifen besteht.
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Die Dauer der Integrations-Periode kann daher sehr kurz sein,
so daß sogar von sich schnell bewegenden Objekten ein kurzes Bild
geformt wird,
oder von Ereignissen mit einer sehr kurzen Lebensdauer. Die
Integrations-Periode ist nicht an das Eintreten der Block-Perioden irgendeines
Televisions-Systems, von dem der CCD-Sensor einen Teil bildet,
gebunden, statt dessen ist die Integrations-Periode so gemacht, daß sie mit
jedem Ereignis von Interesse koinzidiert. Das resultierende
Ladungsmuster, welches dem Bild dieses Ereignisses entspricht wird dann in der
Speicher-Sektion des Sensors gehalten, bis es in die regulär
auftretende Sequenz von Block-Perioden eingesetzt werden kann, um als
Videosignal ausgelesen zu werden. Es wird angenommen, daß ein Beitrag
zu dem Videosignal nicht in jeder oder in allen Block-Perioden verfügbar
sein wird, da das neue Ladungsmuster in die Speicher-Sektion gelesen
wird, währenddessen das in einem konventionell betriebenen CCD-
Sensor ein Teil der Auslese-Sequenz der vorhergehenden
Block-Periode wäre.
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Die Erfindung wird im Folgenden mittels eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, in welcher:
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Fig. 1 einen CCD-Bildsensor zeigt,
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Fig. 2 ein Detail davon zeigt,
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Fig. 3 eine alternative Form eines CCD-Bildsensors zeigt,
und die
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Fig. 4 und 5 sich auf den Betriebsmodus beziehende
Wellenformen veranschaulichen.
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Bezug nehmend auf die Zeichnung 1 umfaßt der Sensor ein
Feld mit einer großen Zahl von Seite an Seite angeordneten
Ladungstransfer-CCD-Kanälen 1, von denen nur fünf veranschaulicht sind.
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Das Feld ist nach bekannten Verfahren auf einem Silizium-Substrat
hergestellt, wobei angrenzende Kanäle voneinander durch
Kanalunterbrechungsregionen in dem Substrat, repräsentiert durch gestrichelte Linien
in Fig. 1, isoliert sind. Die Ladungsspeicher-Elemente in jedem Kanal 2
sind bestimmt durch eine Dreiphasen-Elektrodenstruktur 5,7. Die
Speicherelemente sind innerhalb der Kanäle so ausgerichtet, daß sie ein
rechteckiges Feld von Ladungsspeicherelementen bilden. Eine Hälfte
des Feldes, die obere Hälfte in Fig. 1, ist für einfallendes Licht offen und
bildet die Bild-Sektion 9 des Sensors, während die andere Hälfte des
Feldes, die untere Hälfte in Fig. 1, vom Licht abgeschirmt ist und die
Speicher-Sektion 11 des Sensors bildet. An einem Ende der Speicher-
Sektion 11, dem unteren Ende in Fig. 1 befindet sich eine
Zeilen-Auslese-Sektion 13. Taktpulse erzeugende Mittel 18 sind wirksam durch das
Anlegen von Taktpulsen an die Elektrodenstruktur der Bildspeicher- und
Auslese-Sektionen des Sensors.
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Bezugnehmend auf Fig. 2 umfaßt der Sensor außerdem
eine Ladungssenke-Struktur, mit einer angemessen dotierten Schicht,
die einen p-n-Übergang am Ende der Bild-Sektion des Feldes, weiter
von der Speicher-Sektion, angrenzend an die Speicherelemente am
Ende der Kanäle 1 bildet. Auf der Oberfläche des Substrats, zwischen
einer Elektrode 17, die vorgesehen ist für den Übergang 15, und der
ersten Elektrode der Elektrodenstruktur 5 ist eine weitere Elektrode 19
zwischengeschaltet. Des weiteren sind die Taktpulse erzeugenden Mittel
18 so angeordnet, daß sie es ermöglichen, die Elektrodenstruktur 5
der Bild-Sektion in umgekehrter Sequenz zu takten, wenn dies so wie in
der normalen Vorwärtssequenz gefordert wird.
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Während des Gebrauchs wird ein optisches Bild auf die Bild-
Sektion 9 des Sensors fokussiert und ein dem Bild entsprechendes
Ladungsmuster wird durch den photoelektrischen Effekt in den unter dem
Bild liegenden Speicherelementen erzeugt. Ein auf diese Weise über
eine Zeit-Periode, die Integrations-Periode, erzeugter Ladungsblock wird
in die Ladungsspeicherelemente der Bild-Sektion 9 durch Anlegen der
Taktpulse IΦ&sub1;, IΦ&sub2;, IΦ&sub3; an die Elektrodenstruktur 5 und der Taktpulse
SΦ&sub1;, SΦ&sub2; und SΦ&sub3; an die Elektrodenstruktur 7 schnell zur
Speicher-Sektion 11 transferiert. Zu einem späteren Zeitpunkt wird er dann
sequentiell Zeile für Zeile über die Zeilen-Auslese-Sektion 13 durch Anlegen
von weiteren Taktpulsen SΦ&sub1;, SΦ&sub2;, SΦ&sub3; an die Elektrodenstruktur 7, und
RΦ&sub1;, RΦ&sub2;, RΦ&sub3; an die Auslese-Sektions-Elektrodenstruktur ausgelesen.
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Wenn die Elektrodenstruktur umgekehrt getaktet ist, wird, falls
der p-n-Übergang 15 unter ausreichend umgekehrter Vorspannung (VD)
gehalten wird, in der Bildsektion 9 photogenerierte Ladung hoch zur
Bildsektion transferiert, um in der durch den Übergang 15 gebildeten
Senke deponiert zu werden. Wenn das umgekehrte Takten endet, ist die
effektive Integrations-Periode dann der Rest der Periode, bevor
Blocktransfer zum Speicher 11 stattfindet. Somit wird die Steuerung der
effektiven Integrationszeit erreicht, durch die Wahl der Zeit, bei der
das umgekehrte Takten endet und die Zeit, bei der der Blocktransfer
einsetzt. Die Elektrode 19 wird bei einer festgelegten Vorspannung VG
gehalten, um die Senke von dem CCD zu isolieren, wenn
Ladungsdeponierung nicht gefordert wird.
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Die Ladungssenke-Region kann eine lokalisierte Region am
Ende der Bild-Sektion sein, welche von der Auslese-Sektion entfernt ist,
oder die Ladungssenke-Region kann Anti-Reflex-Kanäle mit einer
variablen Gatter-Schwelle beinhalten. Bekanntermaßen werden Anti-Reflex-
Kanäle von Bildkanälen durch eine Potentialbarriere getrennt, über die
Überschußladung, (die aus intensiver optischer Beleuchtung resultiert)
übertreten kann. Durch Absenken der Potentialbarierre während der
Zeit, die umgekehrte Taktperiode genannt wird, laufen alle
photogenerierten Ladungen in die Anti-Reflex-Kanäle weg, wobei die Bild-Sektion
zu Beginn der Integrations-Periode ladungsfrei verlassen wird.
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In Fig. 3 ist eine alternative Form eines CCD-Sensors der
"Zwischen-Zeilen" genannten Art dargestellt. Die Bild-Sektion besteht
aus Streifen 30, welche unabgeschirmt sind, und diese Streifen sind
durchsetzt mit weiteren Streifen 31, welche gegen Licht abgeschirmt
sind und die die Speicher-Sektion bilden. Die Auslese-Sektion 32 ist
über die Enden der Streifen 31 angeschlossen. Der Betrieb ist analog zu
dem der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Struktur. In Fig. 3 wird
Ladung in dem Streifen 30 während einer Integrations-Periode angehäuft
und am Ende der Integrations-Periode seitlich in die angrenzenden
Speicherstreifen 31 transferiert.
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Während der Auslese-Periode werden die Ladungen entlang der
Speicherstreifen 31 durch ein Zeileninkrement bei jedem Taktzyklus in die
Auslese-Sektion 32 getaktet, von wo aus die Ladung in Form von je
einer kompletten Zeile zu einer Zeit ausgetaktet wird, um das Ausgangs-
Videosignal zu bilden. Ladungslöschung vor der Integrations-Periode
kann z. B. erreicht werden durch den Einsatz von geschalteten
Anti-Reflex-Kanälen.
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Ein konventionelles Ausgangs-Videosignal der in Fig. 4(a)
gezeigten Form umfaßt Perioden mit Nullausgabe, bekannt als
Leerzeilen-Perioden 40, während denen zwischen jedem der Signale für
sukzessive Zeilen eine Ladungszeile von der Speicher-Sektion zur
Auslese-Sektion transferiert wird, um das aktive Videosignal zu bilden, und
Perioden mit Nullausgabe, bekannt als Leerfeld-Perioden 41, während
denen, zwischen den Signalen für sukzessive Felder, eine Periode
vorkommt, in der ein Ladungsblock von der Bild-Sektion zur
Speicher-Sektion transferiert wird, d. h. eine Blocktransfer-Periode. Im Anschluß an
eine typische, gezeigte Feldtransfer-Periode wird der CCD-Sensor
umgekehrt getaktet, um die bildempfindliche Fläche von irgendwelchen
angehäuften Ladungen zu löschen. Gemäß dieser Erfindung dauert das
umgekehrte Takten während jeder Leerzeilen-Periode an, bis es
gewünscht ist, ein besonders kurzlebiges Ereignis einzufangen, wenn das
umgekehrte Takten abgeschlossen wird, um der Integrations-Periode 42
zu gestatten anzufangen, während welcher die die abgebildete Szene
repräsentierenden Ladungen erzeugt werden. Fig. 4(b) bezieht sich auf
den Betrieb
der Bild-Sektion. Diese Integrations-Periode 42 ist typischerweise sehr
kurz in der Größenordnung von 1 ms, und nach dem Abschluß dieser
Periode wird das Vorwärtstakten begonnen, um die Ladungen zur
Speicher-Sektion zu transferieren, - daher wird diese Periode 43 die
Blocktransfer-Periode genannt. Den Ladungen wird ermöglicht, wenn das
Auslesen untersagt ist, während einer Halte-Periode 44 in der Speicher-
Sektion zu bleiben, bis zur nächsten Feldauslese-Periode 45, wenn das
Auslesen eines Videosignals mit einer konventionellen Rate beginnt und
für die Dauer der Feldauslese-Periode 45 anhält. Die Dauer der Halte-
Periode 44 ist nicht vorbestimmt, aber sie hängt von dem Moment, an
dem ein Triggerpuls 46 in Relation zu einem Leerfeldpuls eintritt ab.
Dieser Triggerpuls wirkt wie eine Blitz und bestimmt den Moment, an dem
ein Bild der betrachteten Szene durch den CCD-Sensor eingefangen
wird. Im Anschluß an den Blocktransfer der Ladungen von der
Bild-Sektion zu Speicher-Sektion wird umgekehrtes Takten der Bild-Sektion
wieder begonnen. Die den Betrieb der Speicher-Sektion repräsentierenden
Schritte sind in Fig. 4c gezeigt, die Leer-Perioden sind als
unterbrochene Linien dargestellt, um ihre nominelle Position zu zeigen. Der
Moment, an dem die Integrations-Periode 42 beginnt, ist bestimmt durch die
in Fig. 4d gezeigte führende Kante des Triggerpulses und wird in der
Praxis allgemein durch ein externes Ereignis getriggert. Die Dauer des
Triggerpulses selbst ist gewöhnlich vorbestimmt und wird unter
Bezugnahme auf die Geschwindigkeit der Bewegung von Objekten im
Erfassungsfeld des Sensors
oder auf die erwartete Lebensdauer eines kurzlebigen Ereignisses
gewählt. Im Anschluß an die Vollendung der Feldauslese-Periode werden
die Standard-Televisions-Leerfeldsignale in das Video-Ausgangssignal
eingesetzt und, um einer Person, die einen Televisions-Monitor
anschaut, auf dem das Videosignal reproduziert wird, ein kontinuierliches
Bild vorzuführen, kann das Feldauslese-Signal gespeichert und
wiederholt ausgelesen werden, bis eine neues Videofeld generiert ist. In der
Praxis jedoch wird das Ausgangs-Videosignal als Teil eines
automatisierten Prozesses an ein Maschinen-Visionssystem übergeben.
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Fig. 5 zeigt einen abweichenden Aspekt der Erfindung, in
dem ein Burst umgekehrten Taktens direkt vor der Integrations-Periode
geschaffen wird, um zu gewährleisten, daß die Bild-Sektion vollständig
von unerwünschten Ladungen gelöscht ist. Wie vorher setzen die
Leerfeld-Perioden 50 regulär mit der üblichen Zahl von Leerzeilen-Perioden
dazwischen eingefügt ein (Fig. 5a) und kurze Bursts 52 umgekehrten
Taktens fallen mit den Leerzeilen-Perioden zusammen (Fig. 5b). Wenn
ein Triggerpuls 53 ansteigt (Fig. 5c), setzt erst ein schnelles
Überstreichen 54 umgekehrten Taktens ein, um alle übriggebliebenen Signale
(wie in UK Patent GB-A-2140651) zu löschen, nachdem die
Integrations-Periode 55 beginnt. Im Anschluß an die Integrations-Periode setzt
der Blocktransfer der optisch generierten Ladungen zur
Speicher-Sektion ein, wo sie während der Halte-Periode aufbewahrt werden. Die
Sequenz wiederholt sich dann wie in Fig. 4. Bei der in Fig. 5 gezeigten
Variante wird ein Teil der
Trigger-Periode zum Löschen der Bild-Sektion von vorher generierter,
unerwünschter Ladung gebraucht, so daß die Integrations-Periode
etwas kürzer ist als sie sein sollte, aber diese Verkürzung ist gering und
insgesamt ist es vorteilhaft im Hinblick auf den verbesserten Bildkontrast,
da die gesamte Bild-Sektion direkt vor der Integrations-Periode von
unerwünschter Ladung freigetastet ist.