DE3909394C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen zweidimensionalen CCD-Bildsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Bildaufnahmeverfahren für eine relativ zur verwendeten Bildaufnahmevorrichtung bewegten Szene gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9, eine Ansteuerungsvorrichtung für den Bildsensor zur Durchführung des Bildaufnahmeverfahrens sowie ein Ansteu­ erungsverfahren unter Verwendung dieser Ansteuerungsvorrichtung.

Zweidimensionale CCD-Bildsensoren der eingangs erwähnten Art sind bei­ spielsweise aus "Charge-coupled devices and their applications" von J.D.E. Beynon und D.R. Lamb, 1980, bekannt. Derartige Bildsensoren kön­ nen prinzipiell auch zur Aufnahme von relativ zu ihnen bewegten Szenen oder Objekten verwendet werden. Bei im Verhältnis zur Integrationszeit des Bildsensors zu schnellen Relativbewegungen tritt jedoch das Problem der Bewegungsunschärfe auf. Es ist daher versucht worden, die den Bild­ sensor enthaltende Kamera dem bewegten Objekt nachzuführen, beispiels­ weise mit Hilfe einer kardanischen Aufhängung der Kamera. Dies erfordert jedoch einen erheblichen mechanischen Aufwand. Es besteht auch die Mög­ lichkeit, die Bewegungsunschärfe dadurch zu vermindern, daß die Belich­ tungszeit so weit wie möglich verkürzt wird. Hierzu sind jedoch sehr große bzw. lichtstarke Objektive erforderlich. Weiterhin ist versucht worden, der Kamera bzw. dem Bildsensor eine lichtverstärkende Elektronik vorzuschalten. Dies hat jedoch eine Vergrößerung des Rauschanteils zur Folge. Aus all dem wird deutlich, daß das Problem der Vermeidung der Be­ wegungsunschärfe bei der Aufnahme relativ zur Kamera bewegter Objekte noch nicht in allseits zufriedenstellender Weise gelöst ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Bildsensor der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dessen Hilfe das Auftreten von Bewegungsunschärfen bei der Aufnahme von relativ zum Bildsensor be­ wegten Objekten auf flexible Weise und mit möglichst geringem zusätzli­ chem Aufwand vermieden wird. Insbesondere sollen keine mechanischen Zu­ satzteile, keine besonders lichtstarken Objektive sowie keine außerge­ wöhnlich kurzen Belichtungszeiten erforderlich sein. Weiterhin sollen ein Bildaufnahmeverfahren unter Verwendung eines derartigen Bildsensors sowie eine Ansteuerungsvorrichtung und ein Ansteuerungsverfahren dafür bereitgestellt werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem zweidimensionalen CCD-Bildsensor mit einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten photoempfindlichen Sensorelementen sowie den einzelnen Sensorelementen jeweils zugeordneten, der Übernahme der photoinduzierten Ladungen vom Sensorelement und der Ladungsverschiebung dienenden Speicherzellen, de­ ren Elektroden jeweils mit Ansteuerleitungen verbunden sind, dadurch ge­ löst, daß

• - jedes Sensorelement von mindestens acht aneinandergereihten Speicher­ zellen ringförmig umgeben ist, von denen jeweils mindestens zwei an­ einandergrenzende als Zeilen-Speicherzellen sowie mindestens zwei an­ schließende, ebenfalls aneinandergrenzende als Spalten-Speicherzellen diesem Sensorelement zugeordnet und die übrigen mindestens vier durch Potentialsperrzonen von dem Sensorelement getrennt und zum einen Teil dem ihnen in Zeilenrichtung jeweils benachbarten Sensorelement als Spalten-Speicherzellen und zum anderen Teil dem ihnen in Spaltenrich­ tung jeweils benachbarten Sensorelement als Zeilen-Speicherzellen zu­ geordnet sind,
• - die Elektroden der einander entsprechenden Zeilen-Speicherzellen ei­ ner Sensorelement-Zeile mit je einer gemeinsamen Zeilen-Ansteuerlei­ tung sowie die Elektroden der einander entsprechenden Spalten-Spei­ cherzellen einer Sensorelement-Spalte mit je einer gemeinsamen Spal­ ten-Ansteuerleitung verbunden sind,
• - die jeweils einander gegenüberliegenden Zeilen-Speicherzellen ebenso wie die jeweils einander gegenüberliegenden Spalten-Speicherzellen benachbarter Sensorelemente durch eine Potentialsperrzone voneinander getrennt sind,
• - so daß die Ladungen zwischen den Zeilen-Speicherzellen von in Zeilen­ richtung einander benachbarten Sensorelementen nicht unmittelbar, sondern nur über eine der angrenzenden Spalten-Speicherzellen ver­ schiebbar sind.

Jedes der in Form eines zweidimensionalen Arrays in Zeilen und Spalten angeordneten photoempfindlichen Sensorelemente ist somit von mindestens acht aneinandergereihten Speicherzellen ringförmig umgeben. Jedes Sen­ sorelement besitzt mindestens zwei einer Sensorelement-Zeile zugeordnete Zeilen-Speicherzellen sowie mindestens zwei einer Sensorelement-Spalte zugeordnete Spalten-Speicherzellen, wobei sich die letzteren direkt an die ersteren anschließen. Die Speicherzellen, deren Elektroden auf übliche Weise mit Hilfe von Ansteuerleitungen auf unterschiedliche Potentialni­ veaus gelegt werden können, sind für die Übernahme der photoinduzierten Ladungen aus dem zugeordneten Sensorelement sowie für die anschließende Ladungsverschiebung bestimmt. Charakteristisch ist, daß Zeilen- und Spalten-Speicherzellen sich aneinander anschließen, d.h. direkt benach­ bart sind, so daß Ladungen sozusagen um die Ecke sowohl in Zeilen- als auch in Spaltenrichtung verschoben werden können. Die jeweils einander gegenüberliegenden Zeilen- bzw. Spalten-Speicherzellen benachbarter Sen­ sorelemente sind durch jeweils eine Potentialsperrzone voneinander ge­ trennt, wodurch bewirkt wird, daß die Ladungen auf einer Sensorele­ ment-Zeile nur über die jeweils angrenzenden Spalten-Speicherzellen ver­ schoben werden können, und umgekehrt. Dies bewirkt gleichzeitig, daß die Ladungen, die beispielsweise zunächst in einer Zeilen-Speicherzelle vor­ handen sind, in die Speicherzellen der angrenzenden Sensorelement-Spalte verschoben werden können. Hierdurch kommt quasi eine diagonale Ladungs­ verschiebung zustande.

Ein solcher zweidimensionaler CCD-Bildsensor mit einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Sensorelementen mit ihnen jeweils zuge­ ordneten Speicherzellen zur Übernahme und Verschiebung der photoindu­ zierten Ladungen kann in der Bildebene einer Optik gelegen sein, welche Teil einer Bildaufnahmevorrichtung ist, mit deren Hilfe relativ zu ihr bewegte Szenen aufgenommen werden sollen. Ein hierbei verwendbares Bild­ aufnahmeverfahren ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen, aufeinanderfolgenden Aufnahmeperioden (Integrationsinter­ valle) des Bildsensors jeweils in eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Zyklen unterteilt werden und die während dieser Zyklen in den einzelnen Sensorelementen durch die Belichtung jeweils generierten Ladungsanteile nach Übernahme in die zugeordneten Speicherzellen so zu den Speicherzel­ len benachbarter Sensorelemente verschoben werden, daß die Ladungsantei­ le der Bewegung der jeweiligen Bildpunkte auf der Oberfläche des Bild­ sensors während der einzelnen Zyklen nachgeführt werden.

Dieses Bildaufnahmeverfahren geht von der Tatsache aus, daß sich die einzelnen Bildpunkte auf dem in der Bildebene der Kameraoptik gelegenen, zweidimensionalen Bildsensor während eines Integrationsintervalles über um so mehr Sensorelemente hinweg verschieben, je schneller die Relativ­ bewegung der aufgenommenen Szene bzw. des Objektes ist. Ein Bildpunkt verbleibt also nur während eines Bruchteils einer Integrationsperiode im Bereich eines Sensorelementes und wandert dann kontinuierlich zum nächsten. Die Erfindung besteht nun darin, den während dieser Verweil­ zeit aufintegrierten Ladungsanteil dem Bildpunkt sozusagen nachzuschie­ ben, so daß sich die gesamte durch den Bildpunkt während eines Integra­ tionsintervalles induzierte Ladungsmenge am Schluß dieses Integrations­ intervalles in etwa bei demjenigen Sensorelement befindet, an dem auch der Bildpunkt dann angelangt ist. Zweckmäßig werden die Zykluslängen so gewählt, daß die Ladungsanteile während eines Zyklus in Zeilen- oder Spaltenrichtung oder diagonal jeweils um nicht mehr als ein Sensorele­ ment verschoben werden müssen. Die Zykluslänge kann so kurz gewählt wer­ den, daß damit die schnellste zu erwartende Relativbewegung kompensiert werden kann.

Um alle möglichen Bildpunktbewegungen in zwei Dimensionen erfassen zu können, wird ein Zyklus in vier aufeinanderfolgende Phasen unterteilt, die jeweils einer Ladungsverschiebung in positiver Zeilenrichtung (Rechtsverschiebung), negativer Spaltenrichtung (Verschiebung nach un­ ten), negativer Zeilenrichtung (Linksverschiebung) oder positiver Spal­ tenrichtung (Verschiebung nach oben) zugeordnet sind. Dadurch wird er­ möglicht, den während eines Zyklus in einem Sensorelement angefallenen Ladungsanteil nach rechts oder links, oben oder unten sowie auch diago­ nal dazu zu verschieben.

Spezielle Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bildsensors sowie des zugehörigen Bildaufnahmeverfahrens sind Unteransprüchen zu entnehmen.

Eine spezielle Ansteuerungsvorrichtung für den Bildsensor zur Durchfüh­ rung des zugehörigen Bildaufnahmeverfahrens ist Anspruch 13, ein zugehö­ riges Ansteuerungsverfahren Anspruch 19 zu entnehmen. Weitere Unteran­ sprüche geben zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Ansteuerungsvorrichtung bzw. des zugehörigen Ansteuerungsverfahrens wieder.

Anschließend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Weise:

Fig. 1 die Struktur eines Sensorelementes mit zugeordneten Speicherzel­ len und Ansteuerleitungen,

Fig. 2 einen zweidimensionalen CCD-Bildsensor mit schematisch eingetra­ genen Ladungsverschiebeoperationen,

Fig. 3 bis 7 fünf verschiedene Querschnitte wie in Fig. 1 angegeben,

Fig. 8a, b einen zweidimensionalen CCD-Bildsensor mit zugehöriger Ansteu­ erungsvorrichtung,

Fig. 9 einen weiteren Teil der Ansteuerungsvorrichtung,

Fig. 10a, 10b zwei Phasendiagramme mit angedeuteten Ladungsverschiebebewegun­ gen.

In Fig. 1 ist in Draufsicht ein photoempfindliches Sensorelement 1 dar­ gestellt, welches von insgesamt acht Speicherzellen 2 bis 9 umgeben ist. Das Sensorelement 1 ist mindestens von seiner einen Oberfläche her dem Lichteinfall zugänglich. Die Speicherzellen 2 und 3 sind dem Sensorele­ ment 1 als Zeilen-Speicherzellen, die anschließenden beiden Speicherzel­ len 4 und 5 als Spalten-Speicherzellen zugeordnet. Die beiden Zei­ len-Speicherzellen 2 und 3 sind über Kontaktierungen 12 bzw. 13 mit ei­ ner ihnen jeweils zugeordneten Zeilen-Ansteuerleitung A bzw. B verbunden, ebenso wie die beiden Spalten-Speicherzellen 4 und 5 über Kontaktierungen 14 bzw. 15 mit zugeordneten Spalten-Ansteuerleitun­ gen C bzw. D.

Die Speicherzellen 8 und 9 sind dem (nicht dargestellten) links benach­ barten Speicherelement als Spalten-Speicherzellen zugeordnet, die beiden Speicherzellen 6 und 7 dem (nicht dargestellten) nach oben hin benachbarten Sensorelement als Zeilen-Speicherzellen.

Rechts und links von den beiden Zeilen-Speicherzellen 3 und 2 sind je eine Potentialsperrzone 16 bzw. 17 angeordnet, welche die jeweiligen Zeilen- bzw. Spalten-Speicherzellen 3 und 2 bzw. 4 und 9 von den ihnen jeweils gegenüberliegenden Zeilen- bzw. Spalten-Speicherzellen 55 und 57 bzw. 54 und 56 benach­ barter Sensorelemente trennen. Die Potentialsperrzonen 16 und 17 sind über Kontaktierungen 18 und 19 jeweils mit Sperrzonen-Ansteuerleitungen S verbunden. Das Sensorelement 1 ist über Kontaktierungen 22 und 20 so­ wie eine dazwischenliegende Kontaktierungsleitung 21 mit einer Rücksetz­ leitung R verbunden. Ebenso sind das Sensorelement 1 von den Spal­ ten- bzw. Zeilen-Speicherzellen 8 und 9 bzw. 6 und 7 benachbarter Sen­ sorelemente trennende Potentialsperrzonen 10 und 11 über Kontaktierungen 23 und 24 sowie eine dazwischenliegende Kontaktierungsleitung 25 mit der Sperrzonen-Ansteuerleitung S verbunden.

Ein erfindungsgemäßer, zweidimensionaler CCD-Bildsensor besteht aus ei­ ner Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten photoempfindlichen Sensorelementen, wie sie in Fig. 1 mit den jeweils zugehörigen Speicher­ zellen und Ansteuerleitungen gezeigt sind. Die dort dargestellte Struk­ tur setzt sich nach rechts und links sowie nach oben und unten in regel­ mäßiger Weise fort.

Die Speicherzellen 2 bis 9 können, wie bei CCD-Elementen üblich, eine MOS-Struktur aufweisen. Dies ist in den Fig. 3 bis 7 noch deutlicher dargestellt. Ein wesentliches Element einer derartigen Speicherzelle ist eine flächenhafte Elektrode 26, welche beispielsweise bei der Zei­ len-Speicherzelle 3 der Fig. 1 in ihrer äußeren Berandung gestrichelt dargestellt ist. Diese Elektrode 26 kann über die zugeordnete Zei­ len-Ansteuerleitung B auf ein gewünschtes Potential gelegt werden. Das­ selbe gilt für die Elektroden der benachbarten Speicherzellen 2, 4 sowie 5 mit Hilfe der ihnen zugeordneten Ansteuerleitungen A, C bzw. D. Auf diese Weise wird es, wie bei CCD-Elementen üblich, ermöglicht, durch entsprechend abgestufte Potentialgebung einmal die in dem Sensorelement 1 durch Lichteinfall induzierten Ladungen abzuziehen und sie zum anderen in die jeweils gewünschte, benachbarte Speicherzelle zu verschieben. Charakteristisch ist nun, daß durch die gewählte Anordnung der Speicher­ zellen bzw. Ansteuerleitungen eine Ladungsverschiebung zwischen Zei­ len- und Spalten-Speicherzellen möglich wird. Es können somit jederzeit Ladungsanteile, welche während eines beliebigen Teils des Integrations­ intervalles des Sensorelementes 1 angefallen sind, ausgehend beispiels­ weise von einer diesen Ladungsanteil übernehmenden Zeilen-Speicherzelle 3, in beliebiger Weise nach rechts, links, oben oder unten sowie in Kom­ bination davon auch diagonal verschoben werden.

Dies wird deutlicher anhand der Fig. 2, die einen CCD-Bildsensor, welcher aus je vier Sensorelement-Zeilen und -Spalten besteht, darstellt. Die Fig. 2 zeigt noch in schematischer Weise die ein jedes Sensorelement 1 umgebenden acht Speicherzellen, d.h. die zwei ihm direkt zugeordneten Zeilen-Speicherzellen, welche hier ebenso wie die ihnen jeweils zugeord­ neten Zeilen-Ansteuerleitungen mit A und B bezeichnet sind, sowie die beiden Spalten-Speicherzellen, die in analoger Weise mit C und D be­ zeichnet sind. Außerdem sind in der Fig. 2 die das einzelne Sensorele­ ment 1 an zwei Seiten begrenzenden Potentialsperrzonen 10 und 11 als dunkle Balken sowie die im Kreuzungsbereich der Zeilen- bzw. Spalten-An­ steuerleitungen A, B bzw. C, D gelegenen Potentialsperrzonen 16 als dunkle Quadrate dargestellt. In Fig. 2 ist als Vorgriff auf spätere nä­ here Erläuterungen angedeutet, wie die vier möglichen Elementarverschie­ bungen, nämlich nach rechts (a), nach links (c), nach oben (d) sowie nach unten (b) ablaufen. Weiterhin ist eine Diagonalverschiebung (a+b) dargestellt, welche sich aus einer Rechtsverschiebung sowie einer Ver­ schiebung nach unten zusammensetzt. Vorausgesetzt ist hier immer, daß der zu verschiebende Ladungsanteil zu Beginn der Operation jeweils von der der Zeilen-Ansteuerleitung B zugeordneten Zeilen-Speicherzelle aus dem jeweiligen Sensorelement 1 übernommen worden ist.

Die in Fig. 2 dargestellten unterschiedlichen Ladungsverschiebeoperatio­ nen sind bei der hier näher beschriebenen speziellen Struktur des Bild­ sensors nicht für jedes Sensorelement 1 separat durchführbar, vielmehr geschieht dies zeilenweise, weil sämtliche einander entsprechenden Zei­ len-Speicherzellen einer Sensorelement-Zeile jeweils mit derselben Zei­ len-Ansteuerleitung A bzw. B verbunden sind. Dasselbe gilt für die ein­ zelnen Spalten-Speicherzellen sowie die ihnen zugeordneten Spalten-An­ steuerleitungen C bzw. D. Diese Art der Ansteuerung genügt, um die La­ dungen einem Bild nachzuführen, das in der Bildebene eine kombinierte Rotations- und Verschiebebewegung ausführt. Es ist allerdings denkbar und liegt im Rahmen der Erfindung, daß bei einem CCD-Bildsensor die Speicherzellen jedes einzelnen Sensorelementes jeweils separat ansteuer­ bar sind. Dann wären innerhalb einer Sensorelement-Zeile jeweils unter­ schiedliche Ladungsverschiebeoperationen möglich.

Die Fig. 3 bis 7 zeigen Teilquerschnitte, wie sie in Fig. 1 mit III bis VII gekennzeichnet sind. Der in Fig. 3 dargestellte Teilquerschnitt geht durch die Rücksetzleitung R. Der gesamte, zweidimensionale CCD-Bildsen­ sor befindet sich auf einem scheibenförmigen, beispielsweise n-dotierten Halbleitersubstrat 53, welches beispielsweise aus monokristallinem Sili­ zium bestehen kann. Dieses ist auf seiner einen Oberfläche mit einer entgegengesetzt dotierten, beispielsweise schwach p-leitenden (p^-) Epitaxialschicht 28 bedeckt. Darüber ist eine mit nur wenigen, gleich­ mäßig verteilten Öffnungen versehene, ansonsten durchgehende dielektri­ sche Schicht 30, beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehend, aufge­ bracht. Unterhalb dieser dielektrischen Schicht 30 sind in der Epitaxial­ schicht 28 Bereiche unterschiedlicher Dotierung vorhanden, und zwar im Bereich der Potentialsperrzonen 16 und 17 eine dem Vorzeichen nach der Dotierung der Epitaxialschicht 28 entsprechende, jedoch im Vergleich zu dieser stark erhöhte Dotierung, welche in diesem Falle einer starken p-Leitfähigkeit (p⁺) entspricht, und im Bereich der Speicherzellen und Sensorelemente eine der Dotierung der Epitaxialschicht 28 entgegengesetz­ te Dotierung, in diesem Falle vom schwach n-leitenden Typ (n⁻). Die in Fig. 3 dargestellten n⁻-leitenden Dotierungszonen 29 befinden sich dort unterhalb zweier Elektroden 26 und 27, welche den Zeilen-Speicher­ zellen 3 bzw. 2 der Fig. 1 angehören. Diese Elektroden 26 und 27, welche elektrisch leitend sein müssen und beispielsweise aus polykristallinem Silizium bestehen können, bilden zusammen mit der darunterliegenden di­ elektrischen Schicht 30 sowie der im Halbleiter anschließenden n^--lei­ tenden Dotierungszone 29 jeweils eine MOS-Struktur.

Der Teilquerschnitt der Fig. 3 zeigt weiterhin eine erste sowie eine zweite Isolationsschicht 31 bzw. 32 sowie darüberliegend die Rücksetz­ leitung R. Die Isolationsschichten 31 und 32 können beispielsweise aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Polyimid, die Rücksetzleitung R bei­ spielsweise aus Aluminium bestehen. In der Fig. 3 ist noch erkennbar, daß die Spalten-Ansteuerleitungen D und C jeweils zwischen den beiden Isolationsschichten 31 und 32 verlaufen. Die Sperrzonen-Ansteuerleitun­ gen S sind über Kontaktierungen 18 und 19 durch entsprechende Öffnungen in der dielektrischen Schicht 30 sowie der ersten Isolationsschicht 31 hindurch mit den Potentialsperrzonen 16 bzw. 17 verbunden. Die Rücksetz­ leitung R liegt über der zweiten Isolationsschicht 32 und ist über die durch diese hindurchgeführte Kontaktierung 20 mit der Kontaktierungslei­ tung 21 verbunden, welche zum Sensorelement 1 hinführt.

Fig. 4 zeigt einen Teilquerschnitt durch die Zeilen-Ansteuerleitung A. Zunächst ist auch hier zu erkennen, daß die Spalten-Ansteuerleitungen D und C sowie die Sperrzonen-Ansteuerleitung S parallel zwischen den bei­ den Isolationsschichten 31 und 32 geführt sind. Dasselbe gilt für die Kontaktierungsleitung 21, welche die Verbindung zwischen der Rücksetz­ leitung R sowie dem Sensorelement 1 herstellt (siehe Fig. 1). Die Zei­ len-Ansteuerleitung A liegt auf der zweiten Isolationsschicht 32 und ist über die Kontaktierung 12 durch eine entsprechende Öffnung in den beiden Isolationsschichten 31 und 32 hindurch mit der Elektrode 27 der Zei­ len-Speicherzelle 2 verbunden.

In dem Teilquerschnitt gemäß Fig. 5 sind außer den beiden Elektroden 26 und 27 der Zeilen-Speicherzellen 3 bzw. 2 noch zwei weitere Elektroden 33 und 34 zu erkennen, welche zu den beiden Spalten-Speicherzellen 9 und 4 gehören (siehe Fig. 1).

In Fig. 6 ist ein Teilquerschnitt durch das Sensorelement 1 dargestellt. Die Kontaktierungsleitung 21 ist über die Kontaktierung 22 durch eine entsprechende Öffnung in der dielektrischen Schicht 30 sowie der ersten Isolationsschicht 31 hindurch an die Oberfläche der Epitaxialschicht 28 geführt, welche dort in einem flächenhaft ausgedehnten Oberflächenbe­ reich eine n⁺-Dotierung und darunter eine n⁻-Dotierung aufweist. Nach links, d.h. zu den dem benachbarten Sensorelement zugeordneten Spalten-Speicherzellen 9 und 8 hin, ist das Sensorelement 1 durch die Potentialsperrzone 10, welche eine p⁺-Dotierung aufweist, abgegrenzt. Der Schnitt ist so geführt (VI-VI in Fig. 1), daß rechts noch die der Spalten-Speicherzelle 5 zugehörige Elektrode 35 erscheint.

In Fig. 7 schließlich ist ein Teilquerschnitt durch die das Sensorele­ ment 1 nach oben hin begrenzende Potentialsperrzone 11 dargestellt. Der Schnitt führt weiterhin durch die Kontaktierungsleitung 25, welche die beiden Potentialsperrzonen 10 und 11 über die durch entsprechende Öff­ nungen in der dielektrischen Schicht 30 sowie den beiden Isolations­ schichten 31 und 32 hindurchgeführte Kontaktierung 23 mit der Sperrzo­ nen-Ansteuerleitung S verbindet, und zwar über die durch eine entspre­ chende Öffnung in der zweiten Isolationsschicht 32 hindurchgeführte Kon­ taktierung 24. In dem Teilquerschnitt erscheint noch die der Spal­ ten-Speicherzelle 8 des links angrenzenden Sensorelementes angehörende Elektrode 36.

Über der zweiten Isolationsschicht 32 sowie den auf dieser aufgebrachten Zeilen-Ansteuerleitungen A und B, Rücksetzleitungen R und Kontaktie­ rungsleitungen 25 kann noch eine Schutzschicht, beispielsweise aus Poly­ imid bestehend, aufgebracht sein. Über dieser Schicht kann sich noch ei­ ne weitere intransparente Schicht zur Abschirmung des Lichteinfalls im Bereich der Speicherzellen befinden. Die Sensorelemente 1 müssen dem Lichteinfall zugänglich sein, etwa der schraffierten Fläche in Fig. 1 oder der Flächenausdehnung der n⁺-dotierten Schicht in Fig. 6 entspre­ chend. Das Sensorelement 1 hat eine Diodencharakteristik, und die Rück­ setzleitung R ist normalerweise mit einem den Arbeitspunkt der Diode be­ stimmenden Potential beaufschlagt. Lediglich während des Entladens des CCD-Bildsensors nach Abschluß jeder Integrationsperiode wird das Poten­ tial der Rücksetzleitung R so gewählt, daß die Diode kurzgeschlossen ist. Das Potential der Sperrzonen-Ansteuerleitungen S ist so zu wählen, daß die beiden Potential-Sperrzonen 10 und 11 eines jeden Sensorelemen­ tes 1 für die während des Lichteinfalls generierten und durch die Spei­ cherzellen zu verschiebenden Ladungen, d.h. im allgemeinen Elektronen, eine unüberwindliche Potentialbarriere bilden. Dazu ist demnach ein ne­ gatives Potential ausreichender Höhe erforderlich.

Fig. 8a zeigt einen mit je 8 Sensorelement-Zeilen sowie -Spalten ausge­ statteten CCD-Bildsensor 37 mit zugehöriger Ansteuerungsvorrichtung. An­ gedeutet sind die einzelnen Sensorelemente 1 mit den zugeordneten Spei­ cherzellen, wie bereits in Fig. 2 gezeigt. Die zugehörigen Zeilen- und Spalten-Ansteuerleitungen A, B sowie D, C sind nur außerhalb des Bild­ sensors 37 dargestellt. Die Zeilen-Ansteuerleitungen A und B der einzel­ nen Sensorelement-Zeilen führen jeweils zu eigenen Zeilenschaltern 38/1, 38/2 usw., welche insgesamt eine Zeilen-Schalterreihe 38 bilden. In Fig. 8b ist anhand des Zeilenschalters 38/2 stellvertretend für alle anderen Zeilenschalter dargestellt, daß jeweils zwei Schaltzustände existieren, in denen die zugeordneten Zeilen-Ansteuerleitungen A und B entweder auf eine erste Gruppe von Zeilen-Steuerleitungen A1, B1 oder auf eine zweite Gruppe von Zeilen-Steuerleitungen A2, B2 geschaltet sind. Die erforder­ lichen Schaltimpulse zur Auswahl des jeweiligen Schaltzustandes werden über Schaltleitungen 46/1, 46/2 usw. herangeführt, welche jeweils mit einer eigenen Zeilen-Registerzelle 40/1 bis 40/8 eines ersten Zeilenre­ gisters 40 verbunden sind. Die Auswahl des Schaltzustandes erfolgt je nach dem Inhalt der zugeordneten Zeilen-Registerzelle 40/1 usw.

Zum Laden des Zeilenregisters 40 stehen wiederum zwei weitere Zeilenre­ gister 42 und 44 zur Verfügung, welche, wie später noch näher erläutert wird, einmal die positive und zum anderen die negative Verschieberich­ tung für die Ladungsverschiebung innerhalb der Speicherzellen der ein­ zelnen Sensorelement-Zeilen vorgeben. Diese Zeilenregister 42 und 44 be­ stehen jeweils aus acht Zeilen-Registerzellen 42/1 bis 42/8 sowie 44/1 bis 44/8. Sobald der zwischen dem Zeilenregister 40 und dem Zeilenre­ gister 42 angedeutete kollektive Schalter eines der beiden Zeilenre­ gister 42 oder 44 mit dem Zeilenregister 40 verbunden hat, werden dessen Zeilen-Registerzellen mit dem Inhalt der ihnen jeweils zugeordneten Zei­ len-Registerzellen des entsprechenden Zeilenregisters 42 oder 44 gela­ den. Dies geschieht jeweils über Datenleitungen 44/11 usw. bzw. 42/11 usw.

Eine entsprechende Spalten-Schalterreihe 39 mit Spaltenschaltern 39/1 usw. und zugeordnetem erstem Spaltenregister 41 (Spalten-Registerzellen 41/1 usw.) sowie weiteren Spaltenregistern 43 und 45 (Spaltenregister­ zellen 43/1 usw. sowie 45/1 usw.) sind ebenfalls vorhanden, des weite­ ren eine erste und eine zweite Gruppe von Spalten-Steuerleitungen C1, D1 sowie C2, D2.

Fig. 9 zeigt einen abschließenden Teil der Ansteuerungsvorrichtung für die Sensorelement-Zeilen. Ein entsprechender Teil ist ebenfalls für die Sensorelement-Spalten vorhanden, jedoch nicht dargestellt. Eine Zei­ len-Teilerschaltung 47 hat zwei Eingänge 48 und 49 sowie jeweils einen Ausgang 47/1 bis 47/8 für jede Sensorelement-Zeile, wobei an den Ausgän­ gen 47/1 und 47/8 für die jeweils äußersten beiden Sensorelement-Zeilen die jeweiligen Eingangswerte und an den übrigen Ausgängen 47/2 bis 47/7 der Reihe nach im Sinne einer linearen Interpolation zwischen den beiden Eingangswerten abgestufte Ausgangswerte erscheinen. Jeder der Ausgänge 47/1 bis 47/8 der Zeilen-Teilerschaltung 47 ist an einen eigenen Inte­ grator 50/1 usw. mit nachgeschaltetem Schwellwertglied 51/1 usw. ge­ führt. Der erste, bei Erreichen eines positiven Schwellwertes ein Aus­ gangssignal abgebende Ausgang beispielsweise des Schwellwertgliedes 51/4 ist mit der Zeilen-Registerzelle 44/4 des beispielsweise die positive Verschieberichtung vorgebenden Zeilenregisters 44 verbunden, welche der­ selben Sensorelement-Zeile zugeordnet ist. Der zweite Ausgang beispiels­ weise des Schwellwertgliedes 51/4 ist mit der Zeilen-Registerzelle 42/4 des beispielsweise die negative Verschieberichtung vorgebenden Zeilenre­ gisters 42 verbunden, welche wiederum derselben Sensorelement-Zeile zu­ geordnet ist. Die beiden Ausgänge beispielsweise des Schwellwertgliedes 51/4 sind jeweils mit einem der beiden Eingänge eines ODER-Gatters 52/4 verbunden, dessen Ausgang über eine Rücksetzleitung zu dem dem Schwell­ wertglied 51/4 vorgeschalteten Integrator 50/4 zurückgeführt ist.

Zum Verständnis der Funktionsweise der Ansteuerungsvorrichtung soll noch einmal auf die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung eingegan­ gen werden, nämlich Relativbewegungen zwischen der den Bildsensor tra­ genden Kamera sowie der aufzunehmenden Szene bzw. dem aufzunehmenden Ob­ jekt zu kompensieren, um damit Bewegungsunschärfen so weitgehend wie möglich zu vermeiden. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß innerhalb jedes einzelnen Integrationsintervalles des Bildsensors die während vieler aufeinanderfolgender Zyklen in den einzelnen Sensor­ elementen jeweils aufintegrierten Ladungsanteile zwischen den Sensorele­ menten bzw. deren Speicherzellen so verschoben werden, daß diese La­ dungsanteile der Bewegung des zugehörigen Bildpunktes auf der Oberfläche des Bildsensors annähernd nachgeführt werden. Zunächst einmal muß also Information darüber vorliegen, welcher Art diese Relativbewegung ist, woraus dann folgt, wie die einzelnen Ladungsanteile zu verschieben sind.

Maßgebend ist der optische Fluß, d.h. die Bewegung der einzelnen Bild­ punkte auf der Oberfläche des Bildsensors. Dieser optische Fluß stellt ein Vektorfeld dar, dessen Einzelvektoren die jeweilige Geschwindigkeit des Bildpunktes angeben. Ist die Kamera auf einem Land- oder Luftfahr­ zeug oder auch in einem Flugkörper befestigt, so können Drehungen um die Roll-, Nick- sowie Gierachse und Kombinationen davon auftreten. Bei ei­ ner Nickbewegung weisen die Einzelvektoren des optischen Flusses bei­ spielsweise in die Richtung der Sensorelement-Spalten. Dann ist bei ei­ ner Gierbewegung das Vektorfeld des optischen Flusses in Richtung der Sensorelement-Zeilen orientiert. Bei einer Rollbewegung liegen die Vek­ toren des optischen Flusses tangential auf konzentrischen Kreisen, deren gemeinsamer Mittelpunkt mit dem Durchstoßpunkt der Rollachse der Kamera in der Bildebene zusammenfällt. Bei einer reinen Nickbewegung kann die Bewegungsunschärfe durch eine gleichmäßige Verschiebung der Ladungsan­ teile in Spaltenrichtung kompensiert werden, etwa mit einer Frequenz von 250 Hz, falls die Bewegung der Bildpunkte während einer Integrationspe­ riode von 40 msec beispielsweise über zehn einzelne Sensorelemente führt. Die Analyse einer überlagerten Roll- und Nickbewegung kann bei­ spielsweise ergeben, daß die Ladungsanteile der obersten Sensorele­ ment-Zeile z.B. mit 200 Hz nach links, diejenigen der untersten Sensor­ element-Zeile mit 200 Hz nach rechts, diejenigen der ganz links gelege­ nen, ersten Sensorelement-Spalte mit 50 Hz nach unten und diejenigen der ganz rechts gelegenen, letzten Sensorelement-Spalte mit 350 Hz nach oben zu verschieben sind. Die auf die dazwischenliegenden Sensorelement-Zei­ len bzw. -Spalten anzuwendenden Verschiebefrequenzen ergeben sich dann durch lineare Interpolation zwischen den angegebenen Werten. Eine zuneh­ mende Nick- und abnehmende Gierbewegung der Kamera kann durch zeitlich variierende Verschiebungen in Zeilen- und Spaltenrichtung kompensiert werden, beispielsweise eine Verschiebung in Zeilenrichtung mit über die Integrationsperiode bzw. Belichtungszeit hin von 250 Hz auf 100 Hz ab­ nehmender Frequenz sowie eine Verschiebung in Spaltenrichtung mit ent­ sprechend von 100 Hz auf 200 Hz zunehmender Frequenz.

Die Bewegung jedes einzelnen Bildpunktes kann in zwei Komponenten zer­ legt werden, die einmal parallel zur Zeilen- und zum anderen parallel zur Spaltenrichtung orientiert sind. Die Analyse der oben erwähnten ein­ fachen oder überlagerten Bewegungen ergibt, daß das gesamte Vektorfeld des optischen Flusses so zerlegt werden kann, daß die jeweiligen Ge­ schwindigkeitskomponenten in Richtung einer Zeile bzw. einer Spalte über alle Sensorelemente dieser Zeile bzw. Spalte hin nahezu gleich sind, zwischen den Sensorelement-Zeilen bzw. -Spalten jedoch variieren können. Diese Variationen ergeben sich aus den den jeweils äußersten Sensorele­ ment-Zeilen bzw. -Spalten zuzuordnenden Geschwindigkeitskomponenten durch lineare Interpolation.

Demnach ist vorgesehen, der Zeilen-Teilerschaltung 47 an ihrem oberen Eingang 48 ein Signal zuzuführen, welches stets der der obersten bzw. ersten Sensorelement-Zeile zuzuordnenden Geschwindigkeitskomponente nach Größe und Richtung entspricht. Dem unteren Eingang 49 der Zeilen-Teiler­ schaltung 47 ist dann ein Signal zuzuführen, welches nach Größe und Richtung der der unteren bzw. letzten Sensorelement-Zeile zuzuordnenden Geschwindigkeitskomponente entspricht. Diese Eingangssignale werden an den beiden äußersten Ausgängen 47/1 und 47/8 der Zeilen-Teilerschaltung 47 unverändert ausgegeben, während an den weiteren, den dazwischenlie­ genden Sensorelement-Zeilen zugeordneten Ausgängen 47/2 bis 47/7 Aus­ gangssignale erscheinen, welche sich aus den beiden Eingangssignalen durch lineare Interpolation ergeben. Das beispielsweise am Ausgang 47/4 anstehende Ausgangssignal gelangt zu einem Integrator 50/4, welcher die­ ses Signal über der Zeit aufintegriert und den ständig im positiven oder negativen Bereich absolut zunehmenden Integrationswert an das Schwell­ wertglied 51/4 weitergibt. Dieses gibt bei Erreichen eines positiven oder negativen, vorgebbaren Schwellwertes ein Ausgangssignal an jeweils einem seiner beiden Ausgänge ab. Das Eingangssignal des Integrators 50/4 entspricht einer Geschwindigkeit, das Zeitintegral davon einer Weg­ strecke, und die Schwellwerte des Schwellwertgliedes 51/4 entsprechen gerade dem Abstand der Mittelpunkte zweier benachbarter Sensorelemente. Es soll nur dann eine Ladungsverschiebung in Zeilenrichtung stattfinden, wenn die aufintegrierte Geschwindigkeitskomponente bezüglich dieser Zei­ le gerade dem Sensorelement-Abstand entspricht. Dies kann bei den unter­ schiedlichen Sensorelement-Zeilen zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Fall sein. Wird dementsprechend der eine Schwellwert eines der Schwell­ wertglieder 51/1 usw. erreicht, so wird in die zugeordnete Zeilen-Re­ gisterzelle des der entsprechenden Ladungsverschieberichtung zugeordne­ ten Zeilenregisters 44 oder 42 ein Ladungsverschiebebefehl eingespei­ chert, beispielsweise in Form einer logischen 1. Gleichzeitig wird über das zugeordnete ODER-Gatter 52/1 usw. und die an dessen Ausgang liegende Rücksetzleitung der entsprechende Integrator 50/1 usw. zurückgesetzt. Die Zeilen-Registerzelle der Zeilenregister 44 und 42 enthalten also dann, wenn in den zugeordneten Speicherelement-Zeilen eine Ladungsver­ schiebung um jeweils ein Sensorelement in positiver bzw. negativer Rich­ tung erfolgen soll, einen entsprechenden Ladungsverschiebebefehl. Bei­ spielsweise kann das Zeilenregister 42 der negativen Zeilen-Verschiebe­ richtung (Linksverschiebung) zugeordnet sein, das Zeilenregister 44 der positiven Zeilen-Verschieberichtung (Rechtsverschiebung).

Wie oben bereits erwähnt, ist eine Aufnahmeperiode (Integrationsinter­ vall, Belichtungszeit) in eine Anzahl von Zyklen unterteilt, welche wie­ derum in jeweils vier aufeinanderfolgende Phasen zerfallen. Davon ist die erste Phase a einer Verschiebung in Zeilenrichtung nach rechts, die zweite Phase b einer Verschiebung in Spaltenrichtung nach unten, die dritte Phase c einer Verschiebung in Zeilenrichtung nach links sowie die vierte Phase d einer Verschiebung in Spaltenrichtung nach oben zugeord­ net. Jeweils zu Beginn der Phase a wird daher das Zeilenregister 44 über den in Fig. 8a dargestellten kollektiven Schalter 58 und entsprechende Datenleitungen 44/11 usw. mit dem Zeilenregister 40 verbunden, wodurch der Zelleninhalt des Zeilenregisters 44 in die Zeilen-Registerzellen (40/1 usw.) des Zeilenregisters 40 geladen wird. Enthält nun eine dieser Zeilen-Registerzellen einen Ladungsverschiebebefehl, so führt dies dazu, daß über die entsprechende Schaltleitung der zugeordnete Zeilenschalter (38/1 usw.) der Zeilen-Schalterreihe 38 in denjenigen der beiden Schalt­ zustände gebracht wird, in dem die zugeordneten Zeilen-Ansteuerleitungen A und B mit der ersten Gruppe von Zeilen-Steuerleitungen, d.h. also den Zeilen-Steuerleitungen A1 und B1, verbunden sind. Enthält eine Zei­ len-Registerzelle des Zeilenregisters 40 keinen Ladungsverschiebebefehl, so verharrt der zugeordnete Zeilenschalter der Zeilen-Schalterreihe 38 in dem zweiten Schaltzustand, in dem die zugeordneten Zeilen-Ansteuer­ leitungen A und B mit der zweiten Gruppe, d.h. den Zeilen-Steuerleitun­ gen A2 und B2, verbunden sind.

Zu Beginn der Phase c wird nun durch den kollektiven Schalter 58 das der negativen Zeilen-Verschieberichtung zugeordnete Zeilenregister 42 mit dem Zeilenregister 40 verbunden, so daß dessen Zelleninhalt in die Zei­ len-Registerzellen (38/1 usw.) des Zeilenregisters 40 geladen wird. Die Einstellung der Schaltzustände in den Zeilenschaltern der Zeilen-Schal­ terreihe 38 erfolgt dann auf eine zur oben beschriebenen analogen Weise.

Damit ist gesichert, daß immer dann, wenn während einer Phase die ent­ sprechende Zeilenverschiebung in einer bestimmten Sensorelement-Zeile stattfinden soll, die zugeordneten Zeilen-Ansteuerleitungen A und B mit der ersten Gruppe A1, B1 von Zeilen-Steuerleitungen, anderenfalls mit der zweiten Gruppe A2, B2 verbunden sind.

Entsprechendes gilt für die Sensorelement-Spalten und die diesen zuge­ ordnete Ansteuerungsvorrichtung, welche neben den in Fig. 8a bereits dargestellten Elementen noch die zu den in Fig. 9 gezeigten analogen Elemente enthält.

In Fig. 10a ist dargestellt, welche Spannungsimpulsfolgen während eines Zyklus, der in vier aufeinanderfolgende Phasen a bis d zerfällt, über die Zeilen-Steuerleitungen A1, B1, A2, B2 sowie die Spalten-Steuerlei­ tungen C1, D1 und C2, D2 laufen. Die Abszisse weist in Richtung der Zeit t, die Ordinate jeweils in Spannungsrichtung. Es sind lediglich zwei Spannungsniveaus vorhanden, nämlich 0 und U < 0. Innerhalb einer jeden Phase existiert ein aus sieben aufeinanderfolgenden, gleichlangen Zeit­ takten bestehender Zeitbereich. Dieser ist in Fig. 10a jeweils durch senkrechte Linien abgegrenzt. Im jeweils ersten und letzten der sieben Zeittakte befinden sich lediglich die beiden Zeilen-Steuerleitungen B1 und B2 auf dem Potentialniveau 0, alle übrigen hingegen auf dem Poten­ tialniveau U. Da die Zeilen-Ansteuerleitungen B jeweils, unabhängig vom Schaltzustand der zugeordneten Zeilenschalter, mit einer dieser beiden Zeilen-Steuerleitungen verbunden sein müssen, so bedeutet dies, daß zu Beginn und am Ende dieser sieben Zeittakte jeweils die in Fig. 2 mit B bezeichneten Zeilen-Speicherzellen der einzelnen Sensorelemente auf dem niedrigen Potentialniveau 0 liegen, alle anderen jeweils drei Speicher­ zellen A, C sowie D auf dem höheren Potentialniveau U. Bei dieser ge­ wählten Ansteuerung hinsichtlich der Potentialniveaus ist also die Zei­ len-Speicherzelle B immer diejenige, welche zunächst den zu verschieben­ den Ladungsanteil aus dem zugeordneten Sensorelement übernehmen kann.

Die sieben Zeittakte der einzelnen Phasen in Fig. 10a folgen nicht un­ mittelbar aufeinander, weil hier möglicherweise Raum bleiben muß für je­ weils eine Lade- und eine Schaltphase, während der die Zeilen- bzw. Spaltenregister 40 bzw. 41 geladen werden und die Zeilen- bzw. Spal­ ten-Schalterreihen 38 und 39 gegebenenfalls zwischen ihren beiden Schaltzuständen umgeschaltet werden. Es ist aber auch möglich, daß die sieben Zeittakte aufeinanderfolgender Phasen jeweils unmittelbar anein­ anderschließen, nämlich dann, wenn beispielsweise die Lade- und Schalt­ operationen, welche die Phase b vorbereiten, bereits während der Phase a vorgenommen werden, usw.

Soll während der Phase a die zugehörige Ladungsverschiebeoperation, näm­ lich eine Rechtsverschiebung in Zeilenrichtung, in einer der Sensorele­ ment-Zeilen stattfinden, so werden die dieser Sensorelement-Zeile zuge­ ordneten Zeilen-Ansteuerleitungen A und B vor Beginn der entsprechenden sieben Takte mit den Zeilen-Steuerleitungen A1 und B1 verbunden. Das Po­ tential der zugehörigen Zeilen-Speicherzellen A und B folgt dann den Spannungsimpulsfolgen der Zeilen-Steuerleitungen A1 und B1. Das Poten­ tial der Spalten-Speicherzellen C und D dieser Sensorelement-Zeile folgt dann den Spannungsimpulsfolgen, welche auf den Spalten-Steuerleitungen C1 und D1 oder C2 und D2 laufen, welche sich paarweise gleichen. In dem Diagramm der Phase a in Fig. 10a ist durch eine mit Pfeilen versehene Linie angedeutet, wie der zunächst in der Zeilen-Speicherzelle B enthal­ tene Ladungsanteil verschoben wird. Dies ist ebenfalls in Fig. 2 darge­ stellt, worauf der Pfeil bei a hinweist. Der Ladungsanteil fließt dem­ nach während des zweiten Zeittaktes der Phase a von der Zeilen-Speicher­ zelle B in die benachbarte Spalten-Speicherzelle C und von da aus zu­ nächst in die Zeilen-Speicherzelle A des rechts benachbarten Sensorele­ mentes. Dies wird dadurch erzwungen, daß die Zeilen-Speicherzelle B des Ausgangs-Sensorelementes nunmehr das höhere Potentialniveau angenommen hat, die Ladungsmenge also nicht dahin zurückfließen kann, die beiden Spalten-Speicherzellen D jeweils auf dem höheren Potentialniveau verhar­ ren und gleichzeitig die angrenzende Zeilen-Speicherzelle A des nach rechts hin benachbarten Sensorelementes auf das niedrige Potentialniveau gelegt wird. Während des sechsten Zeittaktes wird auch die rechts an­ schließende Zeilen-Speicherzelle B auf niedriges Potential gelegt, so daß der Ladungsanteil dorthin fließen kann, während die links benachbar­ te Zeilen-Speicherzelle A wieder auf das höhere Potentialniveau gelangt. Damit ist die Verschiebung des Ladungsanteils nach rechts um ein Sensor­ element vollendet. Soll während desselben Zyklus keine weitere Ladungs­ verschiebung innerhalb dieser Sensorelement-Zeile stattfinden, so wird der Ladungsanteil während der folgenden drei Phasen b bis d nur mehr zwischen der Zeilen-Speicherzelle B und den angrenzenden beiden Spal­ ten-Speicherzellen D und C hin- und hergeschoben, wie es in Fig. 2 links oben dargestellt ist. Dies ist mittels der mit Pfeilen versehenen Linien in den Phasen b bis d der Fig. 10b schematisch dargestellt, wo vorausge­ setzt ist, daß in keiner der vier Phasen die zugeordnete Phasenverschie­ bung stattfinden soll, während in Fig. 10a vorausgesetzt ist, daß in je­ der der dort dargestellten Phasen a bis d die zugeordnete Ladungsver­ schiebung stattfindet. Der Darstellung in Fig. 10b liegt also die Bedin­ gung zugrunde, daß dort die entsprechenden Zeilen-Ansteuerleitungen A und B immer mit den Zeilen-Steuerleitungen A2 und B2 verbunden sind, und die Spalten-Ansteuerleitungen C und D mit den Spalten-Steuerleitungen C2 und D2. Bezüglich der in Fig. 2 links oben bei a dargestellten Ladungs­ verschiebung kann der Fig. 10b also entnommen werden, daß während der Phase b die Ladung lediglich von der Zeilen-Speicherzelle B vorüberge­ hend in die Spalten-Speicherzelle D verschoben wird, um dann wieder in die Zeilen-Speicherzelle B zurückzugelangen, in der Phase c die Ladung aus der Zeilen-Speicherzelle teilweise und vorübergehend in die angren­ zende Spalten-Speicherzelle C gelangt und in der Phase d dieser Ladungs­ anteil vorübergehend ganz in dieselbe angrenzende Spalten-Speicherzelle C verlagert wird.

Bei Phase b in Fig. 10a ist eine Ladungsverschiebung in negativer Spal­ tenrichtung, d.h. nach unten, dargestellt (siehe auch Fig. 2 links bei b), in Phase c der Fig. 10a eine Ladungsverschiebung in negativer Zei­ lenrichtung, d.h. nach links (siehe auch Fig. 2 bei c) und schließlich in Phase d der Fig. 10a eine Ladungsverschiebung in positiver Spalten­ richtung, d.h. nach oben (siehe auch Fig. 2 bei d). In Fig. 2 ist bei (a+b) noch eine diagonale Ladungsverschiebung dargestellt, welche sich aus den Phasen a und b der Fig. 10a sowie den Phasen c und d der Fig. 10b ergibt.

Claims (27)

1. Zweidimensionaler CCD-Bildsensor, mit einer Vielzahl von in Zei­ len und Spalten angeordneten photoempfindlichen Sensorelementen sowie den einzelnen Sensorelementen jeweils zugeordneten, der Übernahme der photoinduzierten Ladungen vom Sensorelement und der Ladungsverschiebung dienenden Speicherzellen, deren Elektroden jeweils mit Ansteuerleitungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - jedes Sensorelement (1) von mindestens acht aneinandergereihten Spei­ cherzellen (2 bis 9) ringförmig umgeben ist, von denen jeweils min­ destens zwei aneinandergrenzende als Zeilen-Speicherzellen (2, 3) so­ wie mindestens zwei anschließende, ebenfalls aneinandergrenzende als Spalten-Speicherzellen (4, 5) diesem Sensorelement (1) zugeordnet und die übrigen mindestens vier durch Potentialsperrzonen (10, 11) von dem Sensorelement (1) getrennt und zum einen Teil dem ihnen in Zei­ lenrichtung jeweils benachbarten Sensorelement als Spalten-Speicher­ zellen (8, 9) und zum anderen Teil dem ihnen in Spaltenrichtung je­ weils benachbarten Sensorelement als Zeilen-Speicherzellen (6, 7) zu­ geordnet sind,
• - die Elektroden (26, 27) der einander entsprechenden Zeilen-Speicher­ zellen (2, 3) einer Sensorelement-Zeile mit je einer gemeinsamen Zei­ len-Ansteuerleitung (A, B) sowie die Elektroden (34, 35) der einander entsprechenden Spalten-Speicherzellen (4, 5) einer Sensorele­ ment-Spalte mit je einer gemeinsamen Spalten-Ansteuerleitung (C, D) verbunden sind,
• - die jeweils einander gegenüberliegenden Zeilen-Speicherzellen (3, 55) ebenso wie die jeweils einander gegenüberliegenden Spalten-Speicher­ zellen (4, 54) benachbarter Sensorelemente durch eine Potential­ sperrzone (16) voneinander getrennt sind,

so daß die Ladungen zwischen den Zeilen-Speicherzellen (3, 55) von in Zeilenrichtung einander benachbarten Sensorelementen nicht unmittelbar, sondern nur über eine der angrenzenden Spalten-Speicherzellen (4, 54) verschiebbar sind.

2. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen­ sorelemente einer Sensorelement-Zeile jeweils mit einer gemeinsamen Rücksetzleitung (R) verbunden sind.

3. Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialsperrzonen (10, 11) der Sensorelemente einer Sensorele­ ment-Spalte jeweils mit einer gemeinsamen Sperrzonen-Ansteuerleitung (S) verbunden sind.

4. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein einziges, eine erste Dotierung (n) aufweisendes, scheibenförmiges Halbleitersubstrat (53) vorhanden ist, welches an sei­ ner einen Oberfläche mit einer eine zweite, der ersten entgegengesetzte Dotierung (p^-) versehenen Schicht (28) und darüber mit einer dielek­ trischen Schicht (30) bedeckt ist, unter dieser dielektrischen Schicht (30) im Bereich der Speicherzellen sowie der Sensorelemente eine der zweiten Dotierung entgegengesetzte Dotierung (n⁻) und im Bereich der Potentialsperrzonen (16, 17) eine dem Vorzeichen nach der zweiten Dotie­ rung (p⁻) entsprechende, jedoch im Vergleich zu dieser stark erhöhte Dotierung (p⁺) aufweist, und auf der dielektrischen Schicht (30) im Bereich jeder Speicherzelle zur Bildung einer MOS-Struktur jeweils eine als Elektrode (26, 27) dienende, elektrisch leitende Schicht trägt.

5. Bildsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß über der dielektrischen Schicht (30) und den diese bereichsweise bedeckenden Elek­ troden (26, 27) der Speicherzellen eine erste sowie eine zweite Isolati­ onsschicht (31, 32) aufgebracht sind, erste Ansteuerleitungen (D, C, S) (beispielsweise die Spalten- und die Sperrzonen-Ansteuerleitungen) zwi­ schen den beiden Isolationsschichten (31, 32) und zweite Ansteuerleitun­ gen (A, R) (beispielsweise die Zeilenansteuer- und die Rücksetzleitun­ gen) auf der zweiten Isolationsschicht (32) verlaufen.

6. Bildsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zei­ len- und Spalten-Ansteuerleitungen (A, B; C, D) mit den Elektroden der zugeordneten Zeilen- bzw. Spalten-Speicherzellen durch Öffnungen in den jeweils dazwischenliegenden Isolationsschichten (31, 32) hindurch lei­ tend verbunden sind.

7. Bildsensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den Potentialsperrzonen (16, 17) entsprechenden Dotierungsbereiche durch Öffnungen in der dielektrischen Schicht (30) sowie mindestens der ersten Isolationsschicht (31) hindurch mit den Sperrzonen-Ansteuerlei­ tungen (S) entweder direkt oder über Kontaktierungsleitungen (25) lei­ tend verbunden sind.

8. Bildsensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rücksetzleitungen (R) auf der zweiten Isolationsschicht (32) aufgebracht sind und die den Sensorelementen entsprechenden Dotie­ rungsbereiche mit der jeweils zugeordneten Rücksetzleitung über je eine zwischen den beiden Isolationsschichten (31, 32) verlaufende Kontaktie­ rungsleitung (21) sowie durch entsprechende Öffnungen einmal in der di­ elektrischen Schicht (30) und der ersten Isolationsschicht (31) und zum anderen in der zweiten Isolationsschicht (32) hindurch leitend verbunden sind.

9. Bildaufnahmeverfahren für eine relativ zur verwendeten Bildaufnah­ mevorrichtung bewegten Szene, wobei die Bildaufnahmevorrichtung einen in der Bildebene einer Optik gelegenen, zweidimensionalen CCD-Bildsensor mit einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Sensorelemen­ ten mit ihnen jeweils zugeordneten Speicherzellen zur Übernahme und Ver­ schiebung der photoinduzierten Ladungen aufweist, dadurch gekennzeich­ net, daß die einzelnen, aufeinanderfolgenden Aufnahmeperioden (Integra­ tionsintervalle) des Bildsensors jeweils in eine Vielzahl von aufeinan­ derfolgenden Zyklen unterteilt werden und die während dieser Zyklen in den einzelnen Sensorelementen durch die Belichtung jeweils generierten Ladungsanteile nach Übernahme in die zugeordneten Speicherzellen so zu den Speicherzellen benachbarter Sensorelemente verschoben werden, daß die Ladungsanteile der Bewegung der jeweiligen Bildpunkte auf der Ober­ fläche des Bildsensors während der einzelnen Zyklen nachgeführt werden.

10. Bildaufnahmeverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß während eines Zyklus die Ladungsanteile in Zeilen- oder Spaltenrich­ tung oder diagonal jeweils um nicht mehr als ein Sensorelement verscho­ ben werden.

11. Bildaufnahmeverfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Zyklus in vier aufeinanderfolgende Phasen zerfällt, die jeweils einer Ladungsverschiebung in positiver Zeilenrichtung (Rechtsverschiebung, Phase a), negativer Spaltenrichtung (Verschiebung nach unten, Phase b), negativer Zeilenrichtung (Linksverschiebung, Phase c) oder positiver Spaltenrichtung (Verschiebung nach oben, Phase d) zu­ geordnet sind.

12. Bildaufnahmeverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn jeder Phase zeilen- und spaltenweise bestimmt wird, ob die zugeordnete Ladungsverschiebung stattfinden soll.

13. Ansteuerungsvorrichtung für den Bildsensor gemäß Anspruch 1 zur Durchführung des Bildaufnahmeverfahrens gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch
je zwei Gruppen von Spannungsimpulsfolgen führenden Zeilen- sowie Spal­ ten-Steuerleitungen (A1, B1, A2, B2; C1, D1, C2, D2), deren Anzahl pro Gruppe jeweils der Anzahl der Zeilen- bzw. Spalten-Speicherzellen pro Sensorelement entspricht,
eine Zeilen- und eine Spalten-Schalterreihe (38, 39) mit einer jeweils der Anzahl der Sensorelement-Zeilen bzw. -Spalten entsprechenden Anzahl von Zeilen- bzw. Spaltenschaltern (38/1 usw., 39/1 usw.), von denen ein jeder einer eigenen Sensorelement-Zeile bzw. -Spalte zugeordnet ist und die entsprechenden Zeilen- bzw. Spalten-Ansteuerleitungen in einem ersten Schaltzustand mit der ersten Gruppe von Zeilen- bzw. Spal­ ten-Steuerleitungen und in einem zweiten Schaltzustand mit der zweiten Gruppe von Zeilen- bzw. Spalten-Steuerleitungen verbindet.

14. Ansteuerungsvorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch je ein erstes Zeilen- sowie Spaltenregister (40, 41) mit jeweils einer der Anzahl der Zeilen- bzw. Spaltenschalter (38/1 usw., 39/1 usw.) ent­ sprechenden Anzahl von Zeilen- bzw. Spalten-Registerzellen (40/1 usw., 41/1 usw.), deren jede mit einem ihr zugeordneten Zeilen- bzw. Spalten­ schalter durch eine Schaltimpulse übertragende Schaltleitung (46/1 usw.) verbunden ist, um den jeweiligen Schalter je nach dem Inhalt der zuge­ ordneten Registerzelle in einen der beiden Schaltzustände zu bringen.

15. Ansteuerungsvorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch je zwei dem ersten Zeilen- sowie dem ersten Spaltenregister (40, 41) zu­ geordnete, jeweils die positive oder die negative Verschieberichtung vorgebende, weitere Zeilen- bzw. Spaltenregister (42, 44; 43, 45) mit jeweils einer der Anzahl der Sensorelement-Zeilen bzw. -Spalten entspre­ chenden Anzahl von Zellen, welche über Datenleitungen mit den entspre­ chenden Zeilen- bzw. Spalten-Registerzellen der zugeordneten ersten Zei­ len- bzw. Spaltenregister (40, 41) verbindbar sind.

16. Ansteuerungsvorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Zeilen- (47) sowie eine Spalten-Teilerschaltung mit je zwei Eingän­ gen (48, 49) sowie jeweils einem Ausgang (47/1 usw.) für jede Sensorele­ ment-Zeile bzw. -Spalte, wobei an den Ausgängen (47/1, 47/8) für die je­ weils äußersten beiden Sensorelement-Zeilen bzw. -Spalten je einer der beiden Eingangswerte und an den übrigen Ausgängen (47/2 bis 47/7) der Reihe nach im Sinne einer linearen Interpolation zwischen den jeweiligen beiden Eingangswerten abgestufte Ausgangswerte erscheinen.

17. Ansteuerungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder der Ausgänge der Zeilen (47) - sowie der Spalten-Teiler­ schaltungen an einen eigenen Integrator (50/4) mit nachgeschaltetem Schwellwertglied (51/4) geführt ist, dessen erster, bei Erreichen eines positiven Schwellwertes ein Ausgangssignal abgebender Ausgang mit der derselben Sensorelement-Zeile bzw. -Spalte zugeordneten Zelle des die positive Verschieberichtung vorgebenden, weiteren Zeilen- bzw. Spalten­ registers (44, 45) und dessen zweiter, bei Erreichen eines negativen Schwellwertes ein Ausgangssignal abgebender Ausgang mit der derselben Sensorelement-Zeile bzw. -Spalte zugeordneten Zelle des die negative Verschieberichtung vorgebenden, weiteren Zeilen- bzw. Spaltenregisters (42, 43) verbunden ist.

18. Ansteuerungsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden Ausgänge jedes Schwellwertgliedes (51/4) mit den beiden Eingängen eines ODER-Gatters (52/4) verbunden sind, dessen Aus­ gang über eine Rücksetzleitung zu dem dem Schwellwertglied (51/4) vorge­ schalteten Integrator (50/4) zurückgeführt sind.

19. Ansteuerungsverfahren unter Verwendung der Ansteuerungsvorrich­ tung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß während der einzelnen Phasen folgende Schritte durchgeführt werden:
in Abhängigkeit von der der jeweiligen Phase zugeordneten Verschiebe­ richtung Laden des Zelleninhalts des entsprechenden weiteren Zei­ len- bzw. Spaltenregisters (42, 44; 43, 45) in das zugeordnete erste Zeilen- bzw. Spaltenregister (40; 41),
Schalten der einzelnen Zeilen- bzw. Spaltenschalter der dem so geladenen ersten Zeilen- bzw. Spaltenregister (40; 41) zugeordneten Zeilen- bzw. Spalten-Schalterreihe (38; 39) in den ersten oder zweiten Schaltzustand in Abhängigkeit davon, ob die dem jeweiligen Zeilen- bzw. Spaltenschal­ ter zugeordnete Zeilen- bzw. Spalten-Registerzelle einen Verschiebebe­ fehl enthält oder nicht,
Ableiten der auf den Zeilen- bzw. Spalten-Steuerleitungen (A1, B1, A2, B2; C1, D1, C2, D2) der jeweils auf die Zeilen- bzw. Spalten-Ansteuer­ leitungen (A, B; C, D) durchgeschalteten Gruppe laufenden Spannungsim­ pulsfolgen auf die mit den jeweiligen Zeilen- bzw. Spalten-Ansteuerlei­ tungen verbundenen Elektroden, womit die in der entsprechenden Phase ge­ gebenenfalls gewünschte Ladungsverschiebung bewirkt wird.

20. Ansteuerungsverfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Phase (a, b, c, d) zugeordnete Ladungsverschiebung in ei­ ner Sensorelement-Zeile bzw. -Spalte während dieser Phase nur dann durchgeführt wird, wenn die zugeordneten Zeilen- bzw. Spalten-Ansteuer­ leitungen (A, B; C, D) auf die erste Gruppe der Zeilen- bzw. Spal­ ten-Steuerleitungen (A1, B1; C1, D1) geschaltet sind.

21. Ansteuerungsverfahren nach Anspruch 20 in Anwendung auf Sensor­ elemente mit je zwei ihnen zugeordneten Zeilen- sowie Spalten-Speicher­ zellen, dadurch gekennzeichnet, daß in den Spannungsimpulsfolgen nur die zwei konstanten Spannungsniveaus 0 und U < 0 vorkommen.

22. Ansteuerungsverfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Phase nach dem Abschluß des auf den jeweiligen Ladevorgang folgenden Schaltvorganges sieben Zeittakte ablaufen und während des je­ weils ersten und letzten dieser Zeittakte lediglich die zwei (B1, B2) der insgesamt acht Zeilen- oder Spalten-Steuerleitungen das Spannungsni­ veau 0 führen, deren zugeordnete Zeilen- bzw. Spalten-Ansteuerleitungen (B) jeweils mit derjenigen Zeilen- bzw. Spalten-Speicherzelle eines je­ den Sensorelementes verbunden sind, welche für die Übernahme des La­ dungsanteiles während des jeweiligen Zyklus bestimmt ist, wobei die übrigen sechs Zeilen- und Spalten-Steuerleitungen (A1, A2; C1, D1, C2, D2) während dieser beiden Zeittakte das Spannungsniveau U führen.

23. Ansteuerungsverfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß während der jeweils sieben Zeittakte der Phasen a und c die einander entsprechenden Spalten-Steuerleitungen (C1, C2; D1, D2) und während der jeweils sieben Zeittakte der Phasen b und d die einander entsprechenden Zeilen-Steuerleitungen (A1, A2; B1, B2) der jeweils beiden Gruppen die­ selben Spannungsimpulsfolgen führen.

24. Ansteuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, da­ durch gekennzeichnet, daß immer dann, wenn während einer beliebigen Phase in einer oder mehreren der Sensorelement-Zeilen und/oder -Spalten keine Ladungsverschiebung stattfinden soll, bei allen betreffenden Sen­ sorelementen jeweils zwei der insgesamt drei Zeilen- und Spalten-Spei­ cherzellen, welche unmittelbar an die Speicherzelle angrenzen, die zu Phasenbeginn den von dem zugeordneten Sensorelement übernommenen La­ dungsanteil enthält und auf dem Potentialniveau 0 liegt, während dieser gesamten Phase auf dem Potentialniveau U gehalten werden und die dritte dieser drei Speicherzellen während dieser Phase nur vorübergehend auf das Potentialniveau 0 gelegt wird.

25. Ansteuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, da­ durch gekennzeichnet, daß immer dann, wenn während einer beliebigen Phase in einer oder mehreren der Sensorelement-Zeilen und/oder -Spalten die der Phase zugeordnete Ladungsverschiebung stattfinden soll, bei al­ len betreffenden Sensorelementen lediglich jeweils eine der insgesamt drei Zeilen- und Spalten-Speicherzellen, welche unmittelbar an die Spei­ cherzelle angrenzen, die zu Phasenbeginn den von dem zugeordneten Sen­ sorelement übernommenen Ladungsanteil enthält und auf dem Potentialni­ veau 0 liegt, während dieser gesamten Phase auf dem Potentialniveau U gehalten wird, und die anderen beiden dieser drei Speicherzellen nach­ einander und mit zeitlicher Überlappung vorübergehend auf das Potential­ niveau 0 gelegt werden.

26. Ansteuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zeilen- sowie Spalten-Steuerleitungen die im Diagramm der Fig. 10a wiedergegebenen Spannungsimpulsfolgen führen.