DE69131076T2 - Bildsensor - Google Patents

Bildsensor

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DE69131076T2 DE69131076T DE69131076T DE69131076T2 DE 69131076 T2 DE69131076 T2 DE 69131076T2 DE 69131076 T DE69131076 T DE 69131076T DE 69131076 T DE69131076 T DE 69131076T DE 69131076 T2 DE69131076 T2 DE 69131076T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Bildsensor und insbesondere einen Farbbildsensor.
  • Es ist wünschenswert, die Belichtung in einem Bildsensor, etwa einem CCD (charge coupled device/ladungsgekoppeltes Bauelement), zu steuern. Wenn ein Bildsensor zu stark belichtet wird, zerstört die resultierende Sättigung und/oder das "Überstrahlen" die Rauminformationen und die Linearität des Videosignals. Wenn die Belichtung zu schwach ist, leiden der Rauschabstand und der Dynamikumfang. Die maximale Belichtung wird idealerweise derart gesteuert, daß sie dicht unterhalb der Sättigung des Bauelements liegt. Die Belichtung ist entweder durch Einstellen der Quellenbeleuchtung (Strahlung), der Bündeloptik (gegenüberliegender Raumwinkel) oder der Zeitdauer der Lichtsammlung (Integrationszeit) steuerbar.
  • Die Integrationszeit von CCDs ist elektronisch steuerbar. Typischerweise sind die Leitungszeit, d. h. die Zeit zwischen den aufeinanderfolgenden Ladungsübertragungen von den Fotodetektoren in die Schieberegister, und die Integrationszeit gleich. Es gibt jedoch Sensoren, die zu Anfang der Leitungszeit die Fotodetektorladung elektronisch auf den Träger ableiten (so daß keine Ladung gesammelt wird), und dann für den Rest der Leitungszeit den Fotodetektor isolieren (so daß Ladung gesammelt wird). Dies wird als elektronische Belichtungssteuerung oder als elektronische Verschlußsteuerung bezeichnet.
  • Die elektronische Belichtungssteuerung wird bislang in monochromen, linearen CCD-Sensoren eingesetzt. Der Einsatz der elektronischen Belichtungssteuerung für Farbbildsensoren wirft jedoch ein Problem auf. Es gibt zwei Arten von integrierten, linearen Farb-CCD-Sensoren. Bei einer Art sind auf einem einzelnen, linearen CCD bemusterte Farbfilter angeordnet (z. B. ein sich wiederholendes Rot-Grün-Blau- Muster). Bei einer anderen Art sind auf drei linearen CCDs, die aus einem einzigen Träger bestehen, drei einzelne Filter angeordnet. Das Problem bei der Belichtungs steuerung besteht in beiden Arten von Sensoren darin, daß für unterschiedliche Farben eigentlich unterschiedliche Integrationszeiten notwendig sind. Verschiedene Integrationszeiten sind unter anderem deswegen notwendig, weil die Rot-Grün-Blau- Filter nicht denselben Photonenstrom im Durchlässigkeitsbereich für rot, grün bzw. blau übertragen. Ein anderer Grund besteht darin, daß die Lichtquellen für Scanner nicht spektral ausgeglichen sind. Beispielsweise ist eine Wolframhalogenlichtquelle stark rotlastig.
  • Ein Versuch, das Problem der geeigneten Belichtung für die Farben in einem Farbbildsensor zu lösen, wird in US-A-4,709,259 beschrieben. Dieses Patent beschreibt einen Farbbildsensor, der eine Matrix von Fotodioden umfaßt, von denen jede zur Abtastung von rotem, grünem oder blauem Licht ausgelegt ist. Die in den Fotodioden gespeicherten Ladungssignale werden über MOS-Schalter an drei horizontale Schieberegister übertragen, wobei jeweils eines für jede Grundfarbe dient. Es sind drei vertikale Schieberegister vorhanden, um die MOS-Schalter für jede Farbe einzuschalten; die Ladungsspeicherzeit für jede Farbe ist durch Veränderung der Betriebszeiten der drei vertikalen Schieberegister veränderbar. Eines der Hauptprobleme mit der in US A-4,709,259 beschriebenen Anordnung besteht darin, daß die drei Farben nicht parallel ausgetaktet werden können, weshalb zur Verarbeitung der Signale eine komplizierte Zeitsteuerungsanordnung erforderlich ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das zuvor erläuterte Problem nach dem Stand der Technik zu lösen und einen verbesserten Farbbildsensor bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Bildsensor bereitgestellt, der folgendes umfaßt: eine Anordnung von Bildsensorelementen, von denen jedes eine Farbdarstellung eines Teils eines Farbbildes erzeugt, wobei einige der Elemente eine Farbdifferenz zu anderen Elementen abtasten, sowie Mittel zum Steuern der Integrationszeit jedes der Abtastelemente gemäß der Farbe, die das Element in der Lage ist abzutasten, wobei die Reihenauslesezeit für jedes der Elemente gleich ist.
  • In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt der Bildsensor drei Kanäle, und zwar einen Kanal für jede der Grundfarben. Die Kanäle sind identisch, mit Ausnahme der Farbe des Filters, das auf den Bildsensorelementen angeordnet ist. Jeder Kanal umfaßt eine Reihe von Fotodioden und ein benachbartes CCD- Schieberegister. Die in den Fotodioden gesammelten Ladungsträger werden durch ein Übertragungs-Gate, das zwischen den Fotodioden und dem Schieberegister angeordnet ist, in das CCD-Schieberegister übertragen. Eine Reihe von Ladungspaketen in dem Schieberegister wird dann nacheinander in eine Ausgabeschaltung ausgelesen. Ein Belichtungs-Drain-Element ist neben jeder Fotodiode angeordnet. Zwischen der Fotodiode und dem Drain-Element ist ein Belichtungssteuerungs-Gate angeordnet, das den Strom der Ladungsträger von der Fotodiode zu dem Drain- Element steuert. Das Potential auf dem Belichtungssteuerungs-Gate ist zur Steuerung der effektiven Integrationszeit der Fotodiode steuerbar. Die Integrationszeit für jeden Kanal kann verschieden sein und ist je nach der durch den Kanal abgetasteten Farbe steuerbar.
  • Einer der Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß für jede der Farben in einem CCD-Farbbildsensor eine optimale Belichtung erzielt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß in einem derartigen Sensor für alle drei Kanäle eine gemeinsame Leitungszeit beibehalten wird. Zudem weist die vorliegende Erfindung den Vorteil auf, daß das Überstrahlen in einem derartigen Sensor vermeidbar ist.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigen
  • Fig. 1 eine schematische Draufsicht des erfindungsgemäßen Bildsensors;
  • Fig. 2 eine Draufsicht eines Kanals in dem Bildsensor;
  • Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht eines Teils eines Kanals;
  • Fig. 4 eine Teilansicht entlang Linie 4-4 in Fig. 3;
  • Fig. 5 u. 6 Zeitablaufdiagramme zur Darstellung des Betriebs der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 7 ein Zeitablaufdiagramm zur Darstellung der Integrationszeiten für jede Farbe in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • Fig. 8 eine schematische Darstellung der Schaltung zur Erzeugung der Zeitsteuerungssignale für den Bildsensor.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf einen Bildsensor beschrieben, der eine Vielzahl von Bildelementen umfaßt, wobei jedes Element einen Fotodetektor, einen CCD, ein Drain-Element und die zugehörigen Übertragungs-Gates umfaßt. Die vorliegende Erfindung ist zudem mit anderen Arten von Bildsensoren verwendbar, beispielsweise Bildsensoren, in denen die Elemente einen Sammlungsbereich beinhalten, und in denen die Ladungsträger von dem Fotodetektor zu dem Sammlungsbereich und dann zu dem CCD übertragen werden. Der Bildsensor wird als ein trilinearer Sensor beschrieben, in dem einzelne Farbfilter über drei linearen Anordnungen angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch gleichermaßen auf ein einzelnes lineares Array mit einem bemusterten Farbfilter anwendbar, in dem ein separates Übertragungs-Gate für jede Zelle verfügbar ist.
  • Mit Bezug auf Fig. 1 wird eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Bildsensors 10 gezeigt. Der Bildsensor 10 umfaßt einen Rotkanal 11, einen Grünkanal 15 und einen Blaukanal 17. Wie nachfolgend näher erläutert wird, sind zur Belichtungssteuerung unabhängige Signale 11', 15' und 17' anlegbar sowie unabhängige Taktsignale 11", 15" und 17" zum Auslesen des Sensors. Der Sensor wird, wie durch Pfeil 21 bezeichnet, mit gemeinsamen Detektor-/Schieberegister- Taktsignalen beaufschlagt. Der Bildsensor 10 ist in einer Vorrichtung, wie beispielsweise einem Filmscanner, verwendbar, um ein Farbbild darstellende elektrische Signale aufzuzeichnen.
  • Jeder der Kanäle 11, 15 und 17 ist derart aufgebaut, wie allgemein in Fig. 2 und detaillierter in Fig. 3 und 4 gezeigt, aufgebaut. Jeder der Kanäle 11, 15, 17 ist identisch, mit Ausnahme des (nicht gezeigten) in dem Kanal verwendeten Farbfilters. Daher wird detailliert nur Kanal 11 beschrieben. Kanal 11 umfaßt einen Träger 12 mit einer Hauptfläche 14. Der Träger kann aus einem Halbleitermaterial bestehen, beispielsweise Einkristallsilizium des Typs p. Neben der Hauptfläche 14 ist auf dem Substrat 12 eine Reihe von Fotodetektoren 16 angeordnet. Neben jeder Reihe Fotodetektoren 16 erstreckt sich ein CCD-Schieberegister 18. Zwischen jedem Fotodetektor 16 und dem Schieberegister 18 ist ein Übertragungs-Gate 26 angeordnet. Auf der den Fotodetektoren 16 gegenüberliegenden Seite erstreckt sich das Belichtungs-Drain-Element 22 im wesentlichen parallel zu der Reihe von Fotodetektoren 16. Ein Belichtungssteuerungs-Gate 30 erstreckt sich entlang dem Raum zwischen der Reihe der Fotodetektoren 16 und dem benachbarten Belichtungs-Drain-Element 22.
  • Wie in Fig. 4 gezeigt, ist jeder Fotodetektor 16 als eine Fotodiode ausgebildet, die in dem Träger 12 auf der Hauptfläche 14 einen n-dotierten Leitbereich 34 (als n dargestellt) umfaßt. Die Leitfähigkeit des Bereichs 34 liegt typischerweise bei ca. 10¹&sup7; Dotierungen/cm³. Der Träger 12 ist vorzugsweise p-dotiert (als p- dargestellt) mit 10¹&sup5; Dotierungen/cm³, oder er kann eine p-dotierte Wanne in der Fläche 14 mit einem n-dotierten Träger aufweisen, in der die Fotodiode ausgebildet ist. Ein zweiter, hochleitfähiger, p-dotierter Bereich 36 (als p+ dargestellt), der eine Leitfähigkeit von 10¹&sup8; Dotierungen/cm³ aufweist, ist innerhalb eines Teils des ersten Bereichs 34 auf der Trägerfläche 14 vorhanden. Die Bereiche 12, 34 und 36 bilden eine "pinned" oder eine "versenkte" Diode. Anstelle der gezeigten Fotodiode 16 ist jedoch auch jede andere bekannte Art von Fotodetektoren verwendbar, beispielsweise eine Schottky-Sperrschichtfotodiode oder eine einfache pn-Übergangsdiode.
  • Das CCD-Schieberegister 18 kann ein beliebiges Schieberegister bekannter Konstruktion sein. In Fig. 4 wird eine Konfiguration mit versenktem Kanal gezeigt. Das Schieberegister 18 umfaßt einen n-dotierten Kanalbereich 38 (als n- dargestellt) mit 10¹&sup7; Dotierungen/cm³ in dem Substrat 12 auf der Fläche 14. Der Kanalbereich 38 erstreckt sich entlang der Fläche 14 beabstandet und parallel zu der Reihe der Fotodetektoren 16. Über dem Kanalbereich 38 ist eine Vielzahl leitfähiger Gates 40 und 41 (Fig. 2) beabstandet angeordnet. Die Gates 40 und 41 können aus einem Metall oder aus leitfähigem Polykristallsilizium sein, und die Gates sind zur Trägerfläche 14 durch eine Schicht 43 aus einem dielektrischen Siliziumoxid isoliert. Die Gates 40 und 41 sind über die Busleitungen ø1 und ø2 (Fig. 2) mit einer Potentialquelle verbunden, um selektiv ein Potential an die Gates zum Betreiben des Schieberegisters 18 anlegen zu können.
  • Das Belichtungs-Drain-Element 22 wird aus einem n+ dotierten Bereich 46 (als n+ dargestellt) mit ca. 10¹&sup9; Dotierungen/cm³ im Träger 12 gebildet und erstreckt sich zur Fläche 14. Der Bereich 46 erstreckt sich über die gesamte Länge der Reihe von Fotodetektoren 16 und ist zu den Fotodetektoren beabstandet. Der Drain-Elementbereich 46 ist durch einen Leitkontakt 48 mit einer (nicht gezeigten) Potentialquelle verbunden.
  • Jedes der Gates 26 und 30 ist ein Streifen aus einem leitfähigen Material, etwa aus Metall oder einem Polykristallsilizium, auf der Siliziumoxidschicht 43. Das Übertragungs-Gate 26 erstreckt sich über den Abstand zwischen dem Schieberegister 18 und der Reihe von Fotodetektoren 16 und überlagert die Schieberegister-Gates 40. Das Übertragungs-Gate 26 ist zum Schieberegister-Gate 40 durch eine Schicht 54 aus Siliziumoxid getrennt, die die Schieberegister-Gates 40 bedeckt. Das Belichtungssteuerungs-Gate 30 erstreckt sich über den Raum zwischen dem Belichtungs- Drain-Bereich 46 und der Reihe von Fotodetektoren 16 über deren volle Länge. Das Belichtungssteuerungs-Gate 30 überlagert den Belichtungs-Drain-Bereich 46.
  • In dem herkömmlichen Betrieb des hier beschriebenen Bildsensors können sich die Ladungsträger in den Fotodetektoren 16 sammeln. Durch Anheben und anschließendes Absenken des Potentials des Übertragungs-Gates 26 ist die in den Fotodetektoren gesammelte Ladung 16 in das Schieberegister 18 auf bekannte Weise übertragbar. Die Reihe der Ladungspakete im Schieberegister 18 wird dann nacheinander ausgelesen. Am Ende des Auslesevorgangs jeder Reihe wird die nächste Reihe von Ladungen aus den Fotodioden 16 in das Schieberegister 18 übertragen. Die Integrationszeit (d. h. die Zeit, während der sich die Ladung sammeln kann) ist daher gleich der Reihenauslesezeit (der Zeit zwischen den aufeinanderfolgenden Ladungsübertragungen).
  • In der vorliegenden Erfindung ist das Potential am Belichtungssteuerungs-Gate 30 zur Einstellung der effektiven Integrationszeit derart steuerbar, daß diese kleiner oder gleich der Reihenauslesezeit ist. Durch Anheben des Potentials am Belichtungssteuerungs-Gate 30 ist die normalerweise in den Fotodioden gesammelte, fotoinduzierte Ladung zum Belichtungs-Drain-Element 22 übertragbar, wo diese durch eine außen angelegte Vorspannung beseitigt wird. Durch Absenken des Potentials am Belichtungssteuerungs-Gate 30 sind die Fotodioden 16 isolierbar, so daß die fotoinduzierte Ladung sich auf normale Weise sammelt. Durch Koordination der Zeitsteuerung des Belichtungssteuerungs-Gates 30 und des Übertragungs- Gates 26 ist die Integrationszeit auf einen Bruchteil der Reihenauslesezeit einstellbar. Dieser Vorgang wird als elektronische Verschlußsteuerung bezeichnet.
  • Die Zeitsteuerung, die erforderlich ist, um den Bildsensor 10 zur Steuerung der Integrationszeit für einen Kanal zu betreiben, wird in Fig. 5 und 6 gezeigt. Wie in Fig. 5 gezeigt, wird das Potential am Belichtungssteuerungs-Gate 30 mit der fallenden Potentialflanke am Übertragungs-Gate 26 angehoben und am gewünschten Punkt (durch 60 bezeichnet) in der Mitte einer Reihenperiode τline abgesenkt. Die Integrationszeit τexp ist daher die Periode der abfallenden Potentialflanke am Belichtungssteuerungs-Gate 30 bis zur nächsten abfallenden Flanke des Potentials am Übertragungs-Gate 26. Jedem der Kanäle werden unabhängige Belichtungssteuerungs-Gate-Leitungen bereitgestellt, so daß die Integrationszeit τexp unabhängig für jede Farbe veränderbar ist, während eine konstante Reihenzeit τline beibehalten wird.
  • Die Zeitsteuerung zwischen Fotodiode und CCD-Schieberegister wird in Fig. 6 gezeigt. Die Ladungsträger werden während der Zeit τpd von den Fotodioden 16 zum Schieberegister 18 übertragen. Die Periode τtg ist erforderlich, damit Ladungsträger unter dem Übertragungs-Gate 26 in den Schieberegistern 18 gelöscht werden können. Die fallende Potentialflanke am Belichtungssteuerungs-Gate 30 fällt ebenfalls mit der ansteigenden Flanke des Schieberegister-Taktsignals ø2 zusammen. Diese Zeitsteuerung wird zur Minimierung von Schaltartefakten in der Sensorausgabe bevorzugt, welche das Bildsignal stören könnten.
  • Die zum erfindungsgemäßen Betrieb des Bildsensors 10 erforderlichen Signale können durch entsprechende, kommerziell verfügbare Schalteinrichtungen bereitgestellt werden. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung könnte die relative Integrationszeit für den Rot-, Grün- und Blaukanal 1/4, 1/2 bzw. 1 betragen. Fig. 7 zeigt die Zeitsteuerungsimpulse 11', 15', 17' für die roten, grünen und blauen Belichtungssteuerungs-Gates. Die effektive Integrationszeit τexp wird ebenfalls gezeigt. Fig. 8 zeigt ein Beispiel der Steuerschaltung zum Erzeugen der Signale 11', 15' und 17' sowie den Übertragungs-Gate-Zeitsteuerungsimpuls TG 26'. Ein Mastertakt 71 ist auf die gewünschte CCD-Auslesezeit abgestimmt. Ein 11-Bit- Zähler 73 speist in den Blöcken 74 gezeigte 11-Bit-Decoder. Die Decoder stellen die R/S-Flip-Flops 75 bei den entsprechenden Zählständen ein oder zurück. Die in Fig. 8 gezeigte Anordnung ist in herkömmlichen Schalteinrichtungen implementierbar oder kann in programmierbare Einrichtungen eingebettet werden.

Claims (13)

1. Bildsensor mit
- mindestens einem Kanal, wobei jeder der Kanäle (11, 15, 17) eine Vielzahl von Bildabtastelementen (16) aufweist, die eine Farbdarstellung eines Teils eines Farbbildes erzeugen, einem Übertragungs-Gate (26) und einem CCD (18);
- Mitteln (30, 22) zum Steuern der Integrationszeit jedes der Abtastelemente gemäß der Farbe, die das Element in der Lage ist abzutasten; und
- Mittel (Φ1, Φ2) zum parallelen Auslesen von Signalladungen aus jedem der Kanäle;
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Steuern der Integrationszeit durch Mittel (71, 73, 74, 75) gesteuert werden, um den Startzeitpunkt der Ladungsintegrationsperiode (τexp) in jedem der Abtastelemente wahlweise zu verzögern, so daß die Ladungsintegrationsperiode in den Abtastelementen in allen Kanälen gleichzeitig beendet wird.
2. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildabtastung über drei Kanäle (11, 15, 17) erfolgt und jeder der Kanäle eine lineare Anordnung von Bildabtastelementen (16) aufweist.
3. Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der linearen Anordnungen eine Reihe Fotodetektoren (16) und einen den jeweiligen Fotodetektoren zugeordnetes Drain-Element (22) aufweist.
4. Bildsensor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Steuern der Integrationszeit ein den Abtastelementen zugeordnetes Drain-Element und ein Übertragungs-Gate (30) aufweisen, das zwischen den Abtastelementen und dem diesen zugeordneten Drain-Element positioniert ist.
5. Bildsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum wahlweisen Verzögern der Startzeit der Ladungsintegrationsperiode (τexp) in jedem der Abtastelemente ein Mittel zum Steuern der Spannung an jedem der Übertragungs-Gates (30) aufweist.
6. Bildsensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastelemente Fotodioden sind.
7. Bildsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodioden entweder "pinned" (an das Oberflächenpotential gebundene) Dioden oder "versenkte" (nicht an das Oberflächenpotential gebundene) Dioden sind.
8. Bildsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodioden aus einem einfachen pn-Übergang bestehen.
9. Bildsensor nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastelemente in einer oder mehreren Reihen angeordnet sind und so jeweils eine lineare Anordnung bilden.
10. Bildsensor nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastelemente in Form von Reihen und Spalten angeordnet sind und so eine zweidimensionale Anordnung bilden.
11. Verfahren zum Abtasten eines Farbbildes mit folgenden Schritten:
- Belichten des Bildes mit einer Lichtquelle;
- Lenken des Lichts von dem Bild auf einen Bildsensor, der mindestens einen Kanal aufweist, wobei jeder der Kanäle (11, 15, 17) eine Vielzahl von Bildabtastelementen aufweist, wobei jedes der Bildabtastelemente in der Lage ist, eine der Gundfarben abzutasten, so daß sie unterschiedliche Kanäle bilden; und
- Steuern der tatsächlichen Integrationszeit jedes der Bildabtastelemente gemäß der von diesem Element abgetasteten Farbe;
gekennzeichnet durch
- Verzögern der Startzeit der Ladungsintegrationsperiode (τexp) in jedem der Abtastelemente in Abhängigkeit von der abgetasteten Farbe, wobei die Ladungsintegrationsperiode der Abtastelemente gleichzeitig beendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Kanäle ein Drain-Element (22) und ein Belichtungssteuerungs-Gate (30) zwischen dem Drain-Element und den Abtastelementen aufweist, und daß bei dem Steuerungsschritt für einen Teil der Integrationszeit der Abtastelemente das Belichtungssteuerungs-Gate mit einem Potential vorgegebener Größe beaufschlagt wird.
13. Verfahren zum Einlesen eines Farbbildes, wobei jeder der Kanäle des Bildsensors ein CCD (18) und ein den Abtastelementen zugeordnetes Übertragungs- Gate (26) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Abtasten des Bildes nach Anspruch 11 oder 12;
- gleichzeitiges Übertragen der von den Abtastelementen aufgenommenen Ladung in ihre jeweiligen CCD-Zellen;
- paralleles Austakten der CCDs in den Kanälen.
DE69131076T 1990-09-28 1991-09-25 Bildsensor Expired - Lifetime DE69131076T2 (de)

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