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Die Erfindung bezieht sich auf matrixartige
Festkörper-Fotodetektoren und insbesondere auf eine Verbesserung an
matrixartigen Festkörper-Fotodetektoren vom Rahmentransfertyp,
was den Schmiereffekt (Smearing in der englischen
Fachliteratur) angeht.
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Dieser Schmiereffekt zeigt sich auf dem Videosignal,
das aus dem Detektor kommt, in Form einer Verschmutzung
oberhalb und unterhalb der beleuchteten Zone. Dieser Effekt bildet
eine der Haupteinschränkungen der Rahmentransferstruktur.
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Üblicherweise setzt man zur Lösung dieses Problems ein
Verschlußorgan vor der lichtempfindlichen Zone ein, um jede
Störstrahlung während des Transfers der Bildzone in die
Speicherzone zu vermeiden, oder man versucht, die
Vertikaltransferfrequenz zu erhöhen, um diesen Effekt zu begrenzen, der
proportional zur Durchgangszeit unter einer beleuchteten Zeile
während des vertikalen Transfers ist.
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Die erste Lösung ist schwerfällig und die zweite
schwierig zu realisieren, insbesondere für Fotodetektoren
großer Abmessungen, bei denen die Vertikaltransferfrequenz
nicht ausreichend stark erhöht werden kann, ohne die
Leistungen der Sonde zu beeinträchtigen.
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Die Erfindung hat zum Gegenstand einen
Rahmentransfer-Fotodetektor mit modifizierter Struktur, der den
Schmiereffekt oberhalb einer beleuchteten Zone vor einem dunklen
Hintergrund unterdrückt.
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Gemäß der Erfindung ist ein Fotodetektor mit
Rahmentransferstruktur, mit einer Bildzone, die aus einer Matrix von
lichtempfindlichen Elementarzonen besteht und mit vertikalen
Ladungstransferregistern sowie horizontalen
Transfersteuerelektroden gebildet wird, mit einer Speicherzone und einem
Ausgangsregister dadurch gekennzeichnet, daß jede
lichtempfindliche Elementarzone der Matrix, die durch vertikale
Isoliergates begrenzt ist und unter einer horizontalen
Steuerelektrode
liegt mit einem MOS-Transistor zur schnellen Abfuhr
der Störladungen versehen ist, die am Ende des Rahmentransfers
noch vorhanden sind, und zwar durch Steuerung der
Steuerelektroden dieser Transistoren.
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Die Erfindung hat weiter ein Bildaufzeichnungsgerät
mit verringertem Schmiereffekt in einem Teil des Bildes zum
Gegenstand, das einen solchen Fotodetektor enthält.
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Die Erfindung ist insbesondere auf
Bildaufzeichnungsgeräte anwendbar, die für die Verfolgung von Zielen verwendet
werden (tracking in der englischen Fachliteratur), wo das Bild
hauptsächlich aus einem überhellen Punkt vor einem
gleichmäßigen Hintergrund besteht.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden
Beschreibung mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
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Figur 1 zeigt schematisch die übliche Organisation
eines Rahmentransfer-Fotodetektors.
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Die Figuren 2a, 2b, 2c und 2d zeigen die Bildung des
Schmiereffekts und die Figur 2e das daraus resultierende Bild
für einen vor einem dunklen Hintergrund liegenden hellen
Punkt, sowie die entsprechenden Signale für zwei Zeilen und
eine Spalte.
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Die Figuren 3a und 3b sind schematische Darstellungen
eines Teils der Bildzone eines erfindungsgemäßen Fotodetektors
von vorne gesehen, bzw. im Schnitt entlang einer Zeile.
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Die Figuren 4a und 4b zeigen die Konfiguration der
Potentialsenken vor und nach der Anwendung eines Impulses, der
den Restschmiereffekt für ein Pixel wie in den Figuren 3a und
3b dargestellt unterdrückt.
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Figur 5 ist ein Zeitdiagramm der entsprechenden
Steuersignale.
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Figur 6 zeigt das Bild eines vor einem dunklen
Hintergrund stehenden hellen Punkts, das mit einem Fotodetektor
gemäß der Erfindung erzielt wird.
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Figur 1 zeigt die übliche Organisation eines
Rahmentransfer-Fotodetektors.
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Die Vorrichtung besteht insbesondere aus drei
Untereinheiten, nämlich der Bildzone 10 und ihren Steuerelektroden
ΦP, der Speicherzone 20 und ihren Steuerelektroden ΦM und dem
Leseregister 30 und seinen Lesesteuerelektroden ΦL in
Verbindung mit dem Ausgangsverstärker 40, der das Videosignal
liefert. Das Betriebsprinzip des Fotodetektors ist folgendes:
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- Während der Integrationszeit Ti werden die von den
einfallenden Fotonen erzeugten elektrischen Ladungen in der
Bildzone integriert. Die Bildzone besteht aus vertikalen
Ladungstransferregistern, die nebeneinander angeordnet sind und
gleichzeitig von den Elektroden ΦP gesteuert werden.
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- Am Ende der Integrationszeit wird die in der
Bildzone enthaltene Information in die Speicherzone transferiert.
Die Speicherzone besteht ebenfalls aus senkrechten
Ladungstransferregistern, die von gemeinsamen Elektroden ΦL gesteuert
werden. Der Transfer der in der Bildzone enthaltenen
Information in die Speicherzone ergibt sich durch gleichzeitige
Steuerung der Elektroden ΦP und ΦM. Dieser vertikale Transfer
erfolgt mit der Frequenz Fv = 1/Tv, wobei die Zeit Tv der für
die Verschiebung um eine Zeile notwendigen Zeit entspricht.
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- Wenn der Transfer in die Speicherzone beendet ist,
dann beginnt erneut die Integration in der Bildzone, während
die in der Speicherzone enthaltene Information Zeile für Zeile
vom Leseregister mit Hilfe der Steuerung der Elektroden ΦM und
ΦL entfernt wird.
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Am Ende der Integration, während des vertikalen
Transfers der Bildzone zur Speicherzone, werden die Informationen
der verschiedenen Zeilen verschoben, während die einfallende
Beleuchtung weiter Informationen in der Bildzone erzeugt. Dies
führt zu einer Mischung der während der Integrationszeit Ti
integrierten Informationen mit den während der Zeit des
vertikalen Transfers gesammelten Informationen. Die damit
erhaltene Verschlechterung des Videosignals wird Schmiereffekt oder
Smearing genannt. Sie ist proportional zur senkrechten
Transferperiode und zur Anzahl der beleuchteten Zeilen.
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Die Figuren 2a, 2b, 2c und 2d dienen der Erklärung der
Bildung dieser Verschlechterung des Bilds aufgrund des
Schmiereffekts an einem einfachen Beispiel im Fall üblicher
Bildaufnahmegeräte, wenn die Information aus einem einfachen
hellen Punkt besteht, der sich über N Zeilen erstreckt.
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- Figur 2a: Zum Zeitpunkt to wird ein Lichtpunkt auf
die Bildzone 10 des Bildaufnahmegeräts gerichtet, der während
der Zeit Ti integriert wird. Die Speicherzone 20 ist leer und
der Detektor befand sich vor dem Zeitpunkt to im Dunkeln.
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- Figur 2b: Das in der Bildzone 10 vorhandene Signal
wird in die Speicherzone 20 übertragen und die Integration
eines neuen Rahmens beginnt.
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Die Zonen A und B entsprechen den
Ladungstransferregisterstufen, die während des Transfers von der Bildzone 10 zur
Speicherzone 20 durch die Beleuchtung, die während des
Transfers erfolgt, verschmutzt wurden.
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- Figur 2c: Situation am Ende der Integration. Die
Informationen des vorhergehenden Rahmens, die in der
Speicherzone 20 enthalten waren, sind abgeleitet worden und diese Zone
ist leer.
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- Figur 2d: Situation nach dem Transfer von der
Bildzone zur Speicherzone. Das Signal in der Speicherzone enthält
die Verschmutzungen bei A und B. Dies gilt auch für alle
nachfolgenden Rahmen.
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- Figur 2e zeigt den Schmiereffekt auf dem
wiedergegebenen Bild in demselben Fall. Es ergibt sich ein Schmierbild
oberhalb und unterhalb der beleuchteten Zone. Dieses
Schmierbild entspricht dem Pegel der Restspannung VR, der in allen
Zeilen konstant ist. Er ist proportional zur Durchgangszeit
der leeren Stufen unter der beleuchteten Zone während der
vertikalen Transfers. Der Restpegel VR aufgrund des
Schmiereffekts kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
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- für eine Beleuchtung E unterhalb eines
Sättigungswerts Esat des Fotodetektors:
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VR = N (Tv/Ti)Vs (1)
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- für eine Beleuchtung E, die größer als die
Sättigungsbeleuchtung ist:
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VR = N(TV/Ti)Vsat(E/Esat) (2)
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Hierbei gilt
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- Vs: Signalpegel der beleuchteten Pixel während der
Zeit Ti mit der Beleuchtung E
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- Vsat: Sättigungspegel der Pixel für die
Sättigungsbeleuchtung Esat
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- Tv: Zeit des Durchgangs unter einer beleuchteten
Zeile
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- Ti: Integrationszeit
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- N: Anzahl der beleuchteten Zeilen
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- NTv: Zeit des Durchgangs der leeren Stufen unter dem
hellen Punkt während der vertikalen Transfers.
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Die Videosignale VL&sub1; und VL&sub2;, die den beiden Zeilen L&sub1;
und L&sub2; zugeordnet sind, von denen die eine in Höhe des hellen
Punkts und die andere in Höhe einer Schmierzone gewählt ist,
sowie das Signal VC entsprechend einer Spalte C sind in Figur
2e dargestellt.
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Aufgrund der Formeln (1) und (2) kann durch Erhöhung
der Frequenz des Vertikaltransfers der Rest-Schmierpegel VR
verringert werden.
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Wie jedoch oben ausgeführt wurde, ist diese Frequenz
wegen der verteilten Zeilenzeitkonstanten begrenzt, die für
die Verschlechterung der senkrechten Auflösung verantwortlich
sind, wenn die Transferfrequenz zu groß wird. Für ein
Bildaufzeichnungsgerät des Formats 2/3 Inch kann die senkrechte
Transferfrequenz kaum 1 bis 2 MHz übersteigen.
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Die dem Fernsehmodus entsprechende Restspannung gemäß
den CCIR-Normen mit einer Integrationszeit Ti = 20 ms beträgt
für 100 beleuchtete Zeilen VR = 5. 10&supmin;³Vs. Wenn dieselben
Zeilen bezüglich des Sättigungspegels hundertfach überbeleuchtet
werden, dann ergibt sich eine Restspannung bei Vorliegen einer
Blendschutzvorrichtung von VR = Vsat/2.
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Für Anwendungen außerhalb der CCIR-Normen mit
wesentlich
kürzeren Integrationszeiten wird der Schmiereffekt
schnell störend.
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Beispielsweise beträgt die Rest spannung VR für eine
Integrationszeit Ti = 1 ms und N = 100 Zeilen, die unterhalb
der Sättigungsbeleuchtung Esat beleuchtet werden, für eine
Vertikaltransferfrequenz Fv = 1 MHz : VR = 0,1 Vsat.
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Wenn dieselben Zeilen bezüglich des Sättigungspegels
hundertfach überbeleuchtet werden (E = 100 Esat) und wenn eine
Blendschutzvorrichtung verwendet wird, dann beträgt VR = Vsat.
Daraus ergibt sich, daß die ganze Zone oberhalb und unterhalb
des Lichtpunkts gesättigt ist und die Blendschutzvorrichtung
ohne Wirkung bleibt.
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine Lösung vor, mit
der die oberhalb der beleuchteten Zonen liegenden Zonen intakt
erhalten werden, und zwar ohne Verschlechterung der
elektrooptischen Kennwerte.
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Die Erfindung besteht darin, einen MOS-Transistor
neben jedem Elementarpunkt zu realisieren, wie in Figur 3a und
3b gezeigt ist, die ein lichtempfindliches Elementarfeld der
Bildzone 10 von vorne und im Querschnitt entlang der Achse A
in Figur 3a zeigen. Zwischen zwei senkrechten Isoliergates G1
und G2, die eine lichtempfindliche Elementarzone begrenzen und
auf das Potential des Substrats VSUB gebracht sind, wird ein
MOS-Transistor realisiert, wobei die verbleibende Zone die
Nutzbreite des vertikalen Ladungstransferregisters definiert.
Hierzu wird eine Diffusionszone D mit N-Dotierung im Substrat
S erzeugt, um den auf die Drainspannung VDA gebrachten Drain
des Transistors zu bilden, und ein Gate GA, das sich parallel
zu den Isoliergates erstreckt und das Gate des MOS-Transistors
bildet, wird auf das Substrat aufgebracht. Dieses Gate wird
auf die Spannung VGA vorgespannt. Das Ganze wird von den
horizontalen Steuerelektroden bedeckt, die die
Transfersteuersignale ΦP der vertikalen Ladungstransferregister zugeführt
erhalten. Die verschiedenen Niveaus, das Substrat, die
vertikalen Gates und die horizontalen Gates werden durch ein 0xid
voneinander getrennt.
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In den meisten Fällen sind die MOS-Transistoren
abgereichert (versenkter Kanal) und die Elektroden GA und D werden
getrennt gesteuert (VGA ≠ VDA)
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Im Fall von Transistoren vom Anreicherungstyp ist die
Schwellenspannung positiv und VDA und VGA können miteinander
verbunden werden.
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Durch Anlegen eines positiven Impulses an die
Steuerelektroden dieser Transistoren zu Beginn des Rahmens kann man
das Schmieren oberhalb der beleuchteten Zonen beseitigen, ohne
das Nutzsignal zu beeinträchtigen.
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Hierzu ist es notwendig, daß die Amplitude des
Impulses so gewählt ist, daß sie die vollständige Entfernung der
Störladungen in den lichtempfindlichen Zonen am Ende des
Vertikaltransfers erlaubt, während die Nutzinformationen
vollständig aus der Bildzone 10 entfernt sind.
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Die Figuren 4a und 4b zeigen die Konfiguration der
Potentialsenken eines durch die Störbeleuchtung verschmutzten
Pixels vor und nach der Anwendung dieses Impulses.
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Die Tatsache, daß am Ende des Vertikaltransfers die in
der Bildzone auf den Drainelektroden der oben erwähnten MOS-
Transistoren enthaltenen Ladungen entfernt werden, erlaubt die
vollständige Beseitigung der Beeinträchtigung der Zone B in
Figur 2b. .Da die Nutzinformationen aus der Bildzone entfernt
wurden, werden diese durch den Impuls nicht beeinträchtigt.
Die Integration während des zweiten Rahmens erfolgt also unter
denselben Bedingungen wie die Integration des ersten Rahmens,
d.h. ohne verbliebene Restladungen in der Bildzone. So
verbleibt in dem wiedergegebenen Videosignal nur der
Schmiereffekt in der Zone A unterhalb des hellen Bildpunkts.
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Das Zeitdiagramm der Signale, die für diese
Verbesserung erforderlich sind, ist in Figur 3 gezeigt, in der das
Rahmenunterdrückungssignal, die Transfersteuerimpulse in den
vertikalen Ladungstransferregistern und die Impulse
dargestellt sind, die für die Entfernung der Restladungen in der
Bildzone 10 verwendet werden und an die Gates der
MOS-Transistoren angelegt werden.
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Gemäß der Erfindung ist die Impulsdauer fest. Sie kann
sehr kurz und in der Rahmenrücklaufzeit enthalten sein.
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Der untere Pegel dieses Impulses kann so festgelegt
werden, daß ein Blendschutz gegen große Beleuchtungspegel
erzielt wird. Die Erfindung erlaubt es, die Informationen
niedrigen Niveaus zu konservieren, und zugleich den
Schmiereffekt im oberen Bildbereich zu beseitigen.
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In der Anwendung der Erfindung auf die Zielverfolgung
(Tracking) besteht das Bild hauptsächlich aus ejnem hellen
Punkt auf gleichmäßigem untergrund. Der Schmiereffekt kann so
bedeutend sein, daß das Zielolobjekt im Schmierbereich
verlorengeht, wie dies in Figur 2e gezeigt ist.
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Figur 6 zeigt das durch einen Fotodetektor gemäß der
Erfindung erhaltene resultierende Bild unter denselben
Beleuchtungsbedingungen wie oben definiert.
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Wie diese Figur zeigt, kann durch die Erfindung das
Zielobjekt selbst unter Bedingungen lokalisiert werden, bei
denen ein starken Schmiereffekt auftritt (mit dem Zielpunkt
vergleichbarem Pegel). Das Zielobjekt befindet sich nämlich am
obersten Ende des Schmierstreifens.
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Im Fall eines klassischen Bilds stört der
Schmiereffekt hauptsächlich in den Zonen sehr großer Helligkeit. Die
Erfindung begrenzt diese Störung auf den unteren Teil des
Bilds und läßt die Informationen im oberen Teil intakt.
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Die Erfindung betrifft jede Struktur vom
Rahmentransfertyp. Sie erfordert eine Vorrichtung zur schnellen
Entfernung der in den Pixeln enthaltenen Ladungen.
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Sie ist unabhängig vom Betriebsmodus der vertikalen
Ladungstransferregister und dem des horizontalen Registers.