DE69732099T2

DE69732099T2 - Ladungsgekoppelte bildaufnahmeanordnung und verfahren zur betätigung einer derartigen anordnung

Info

Publication number: DE69732099T2
Application number: DE69732099T
Authority: DE
Inventors: Edwin Roks; Theodoor Jan BOSIERS; Whilhelmus Alouisius KORTHOUT; Peter Opmeer
Original assignee: Dalsa Corp
Current assignee: Teledyne Dalsa Inc
Priority date: 1996-10-03
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2017-10-03
Also published as: JP2000503195A; DE69732099D1; WO1998017051A3; US6654059B1; EP0888685A2; WO1998017051A2; EP0888685B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine ladungsgekoppelte Bildaufnahmeanordnung mit einem Halbleiterkörper, der an einer Oberfläche mit einer Matrix zum Umwandeln eines Strahlungsbildes in Ladungspakete versehen ist, die zu einem Raster von Zeilen und Spalten gegliedert sind, sowie mit einem System von Ladungstransportkanälen, mit denen diese Ladungspakete unter Ansteuerung von Taktspannungen, die Taktelektroden zugeführt werden, einem Ausleseregister in einer Richtung parallel zu den Spalten zugeführt werden, wobei mit Hilfe dieses Registers die Ladungspakete zeilenweise in einer Richtung parallel zu den Zeilen des Rasters einem Ausleseelement zugeführt werden, wobei es eine Elektrode gibt, die sich quer über die ganze Breite der Matrix in der Zeilenrichtung erstreckt und der eine Spannung zugeführt werden kann zum Abführen einer oder mehrerer Zeilen über ein Abführungsgebiet, zwischen zwei Zeilen, die über das Ausleseregister ausgelesen werden.
Eine derartige Bildaufnahmeanordnung ist u. a. aus der Europäischen Patentanmeldung EP 0 720 388 bekannt. Darin ist eine Bildaufnahmeanordnung beschrieben, die in zwei verschiedenen Moden betrieben werden kann, und zwar in der "Standbild-Mode" und in der "Bewegungsvorschaumode". In der ersten Betriebsmode werden alle Zeilen des Rasters ausgelesen und danach einer weiteren Signalverarbeitung ausgesetzt zum Erhalten der gewünschten hohen Auflösung. In der zweiten Betriebsmode, die angewandt wird zum Wiedergeben des eingefangenen Bildes an einer LCD des Suchers der Kamera, ist nur eine begrenzte Anzahl Zeilen erforderlich und die redundanten Zeilen zwischen diesen Zeilen werden stattdessen, dass sie ausgelesen werden, in einem Abführungsgebiet abgeführt. Die Bildaufnahmeanordnung ist vom Zeilensprungtyp, wobei Photodioden in einem Muster von Reihen und Spalten vorgesehen sind und wobei zwischen den Spalten mit Photodioden Ladungstransportkanäle vorgesehen sind. Die während der Integrationsperiode in den Photodioden gebildeten Ladungspakete werden über diese Ladungstransportkanäle einem Horizontal-Ausleseregister zugeführt (wobei diese Transportkanäle gegen eintreffende Strahlung abgeschirmt werden). Zwischen den Vertikal-Ladungstransportkanälen und dem Horizontal-Ausleseregister ist ein "FDG" ("Fast Dump Gate") vorgesehen, mit dessen Hilfe FDG-Zeilen in der "Bewegungsvorschaumode" abgeführt werden können. Ein Nach teil dieser Anordnung ist, dass eine einzelne Elektrode und eine einzelne Spannungsquelle zur Steuerung des FDGs zum Abführen der überflüssigen Zeilen erforderlich sind.
Es ist daher u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine ladungsgekoppelte Bildaufnahmeanordnung zu schaffen, bei der redundante Zeilen abgeführt werden können, ohne dass dabei die oben genannten Nachteile auftreten.
Das Abführen redundanter Zeilen kann Vorteile bieten, auch bei Typen von Bildaufnahmeanordnungen anders als die oben beschriebene Bildaufnahmeanordnung. Auf diese Weise beschreibt beispielsweise der Artikel: "A 2/3-in 1187 (H) × 581(V) S-VHS-Compatible Frame-Transfer CCD for ESP and Movie Mode" von Bosiers u. a., veröffentlicht in "IEEE Transactions on Electron Devices" Heft 38 Nr. 5, Mai 1991, Seiten 1059/1068 eine Bildaufnahmeanordnung, die nebst dem photoempfindlichen Bildaufnahmeteil auch einen Speicherteil aufweist, grenzend an den Bildaufnahmeteil und gegen eintreffendes Licht maskiert. Die Anzahl Zeilen, die in dem Speicherteil gespeichert werden können, ist 295, d. h. die Hälfte der Anzahl Zeilen in dem Bildaufnahmeteil, d. h. 581 Zeilen. In der "Film-Mode" werden die Zeilen in dem Bildaufnahmeteil paarweise addiert um es zu ermöglichen, dass die gesamte in dem Bildaufnahmeteil erzeugte Ladung in dem Speicherteil gespeichert wird, so dass die gesamte Anzahl Zeilen in dem Bildaufnahmeteil um einen Faktor 2 reduziert wird, um sie an die Speicherkapazität des Speicherteils anzupassen. Das Zusammenfügen der Zeilen erzielt eine größere Empfindlichkeit. Oft aber ist eine Erhöhung der MTF (verbesserte Auflösung) wichtiger, wobei es in diesem Fall zu bevorzugen wäre, die Zeilen von dem Bildaufnahmeteil zu dem Speicherteil zu transportieren und abzuführen. Es ist daher weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bildaufnahmeanordnung von dem Frame-Übertragungstyp zu schaffen, die mit einem Bildaufnahmeteil und einem Speicherteil versehen ist, der kleiner ist als der Bildaufnahmeteil und der ebenfalls die Möglichkeit bietet redundante Zeilen abzuführen.
Diese und andere Aufgaben, ggf. in Kombination miteinander, werden erreicht in einer ladungsgekoppelten Bildaufnahmeanordnung nach der vorliegenden Erfindung, mit dem Kennzeichen, dass die Bildaufnahmeanordnung aus einem photoempfindlichen Bildaufnahmeteil und einem Speicherteil aufgebaut ist, der gegen auftreffende Strahlung abgeschirmt ist und eine Anzahl Ladungstransportkanäle aufweist, die sich nebeneinander befinden, die sich in der Spaltenrichtung erstrecken und die sich an die Ladungstransportkanäle des Bildaufnahmeteils anschließen, wobei die genannte Elektrode zum Ab führen der Zeilen, die nicht benutzt werden, an dem Übergang zwischen dem Bildaufnahmeteil und dem Speicherteil liegt. Redundante Zeilen werden an dem Übergang zwischen dem Bildaufnahmeteil und dem Speicherteil in einer Bildaufnahmeanordnung nach der vorliegenden Erfindung abgeführt. Das ganze Frame von Ladungspaketen kann auf die übliche Art und Weise mit 1-, 2-, 3- oder 4-Phasen Taktspannungen in dem Bildaufnahmeteil transportiert werden, während nur diejenigen Zeilen, die zur weiteren Verarbeitung erforderlich sind, in dem Speicherteil gespeichert werden.
Wichtige Vorteile werden erhalten, wenn die Elektrode, mit der Zeilen abgeführt werden, durch eine separate Elektrode gebildet wird, die unabhängig von den m-Phase Taktelektroden abgesteuert wird. Eine bevorzugte Ausführungsform, die den Vorteil hat, dass keine separate Elektrode erforderlich ist, weist das Kennzeichen auf, dass die genannte Elektrode, mit der Zeilen abgeführt werden können, wenigstens eine Taktelektrode des Bildaufnahmeteils aufweist, die über Taktleitungen mit anderen Taktelektroden des Bildaufnahmeteils verbunden ist. Eine weitere Ausführungsform weist das Kennzeichen auf, dass die Ladungstransportkanäle des Bildaufnahmeteils und des Speicherteils Elektroden aufweisen, die mit Taktspannungsmitteln verbunden sind, mit denen Spannungen zugeführt werden können, wodurch Transport von Ladungspaketen in dem Bildaufnahmeteil stattfindet, während gleichzeitig kein Transport von Ladungspaketen in dem Speicherteil stattfindet, und Ladungspakete, die über den Bildaufnahmeteil geliefert werden, durch eine Potentialsperre in dem Gebiet des Speicherteils gesperrt und über das Abführungsgebiet abgeführt werden.
Eine wichtige bevorzugte Ausführungsform, wobei auf einfache Art und Weise vermieden wird, dass während des Abführungsprozesses von Zeilen Ladung von abzuführenden Zeilen teilweise in Ladungspakete anderer Zeilen gelangt, weist das Kennzeichen auf, dass das Abführungsgebiet mit Mitteln versehen ist zum Zuführen einer Spannung zu dem Abführungsgebiet zum Abführen von Ladungspaketen, wobei wenigstens örtlich eine Reduktion der Potentialsperre zwischen dem Abführungsgebiet und dem Ladungstransportkanal erhalten wird, dies im Vergleich zu der Potentialsperre während einer vorhergehenden Integrationsperiode.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Betreiben einer ladungsgekoppelten Bildaufnahmeanordnung mit einem Halbleiterkörper, der an einer Oberfläche mit einer Matrix zum Umwandeln eines Strahlungsbildes in La dungspakete versehen ist, die in einem Raster von Zeilen und Spalten gegliedert ist, und mit einem System von Ladungstransportkanälen, mit denen die genannten Ladungspakete in einer Richtung parallel zu den Spalten zu einem Ausleseregister transportiert werden, und zwar unter Ansteuerung von Taktspannungen, die Taktelektroden zugeführt werden, wobei dieses Ausleseregister die Ladungspakete zeilenweise zu einem Ausleseelement transportiert, und zwar in einer Richtung parallel zu den Zeilen des Rasters, wobei es eine Elektrode gibt, die sich in der Zeilenrichtung quer über die Breite des Rasters erstreckt und der eine Spannung zugeführt werden kann zum Abführen einer Zeile oder mehrerer Zeilen über ein Abführungsgebiet zwischen zwei Zeilen, die über das Ausleseregister ausgelesen werden. Ein derartiges Verfahren nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass eine Bildaufnahmeanordnung verwendet wird, aufgebaut aus einem photoempfindlichen Bildaufnahmeteil und einem Speicherteil, abgeschirmt gegen eintreffende Strahlung und mit einer Anzahl Ladungstransportkanäle, die neben einander liegen, die sich in der Spaltenrichtung erstrecken, und die sich an die Ladungstransportkanäle des Bildaufnahmeteils anschließen, wobei eine Taktelektrode oder mehrere Taktelektroden der Ladungstransportkanäle zum Bilden der genannten Elektrode verwendet wird/werden zum Abführen von Zeilen, die nicht verwendet werden, wobei diese Elektrode bzw. Elektroden in dem Übergang zwischen dem Bildaufnahmeteil und dem Speicherteil liegt bzw. liegen.
Ein bevorzugtes Verfahren, wobei Rückfaltung wenigstens teilweise unterdrückt wird, weist das Kennzeichen auf, dass nur eine Zeile aus jeder Gruppe von k in einer Integrationsperiode gebildeten Zeilen in dem Speicherteil gespeichert wird, wobei die Zeilen während der Integrationsperiode derart verschoben werden, dass die genannte eine Zeile auch elektrische Ladung enthält, die in den Gebieten der anderen Zeilen der genannten Gruppe von k Zeilen erzeugt worden ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden Fall näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Schema einer ladungsgekoppelten Bildaufnahmeanordnung nach der vorliegenden Erfindung,
2 einen Schnitt durch diese Anordnung,
3 ein Schema, das Taktspannungen darstellt, die im Betrieb dieser Bildaufnahmeanordnung zugeführt werden,
4 ein Schema von Potentialprofilen, die in dem Halbleiterkörper bei diesen Taktspannungen in einer Richtung parallel zu der Oberfläche vorhanden sind, und
5 ein Schema von Potentialprofilen, die in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche bei diesen Taktspannungen auftreten,
6 ein Schema, das Verlagerungen der Zeilen während der Integrationsperiode in einer Schwarz-Weiß-Bildaufnahrneanordnung nach der vorliegenden Erfindung,
7 ein Schema, das Verlagerungen der Zeilen während der Integrationsperiode in einer Farb-Bildaufnahmeanordnung nach der vorliegenden Erfindung.
Eine Bildaufnahmeanordnung von dem FT ("Frame Transfer") Typ wird als Beispiel einer ladungsgekoppelten Bildaufnahmeanordnung nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht darauf begrenzt. Die Anordnung kann auf entsprechende Art und Weise von einem alternativen Typ, beispielsweise von dem Zeilensprung-Typ mit einem zusätzlichen Frame-Speicher sein. FT-Anordnungen sind an sich allgemein bekannt und oft in der Literatur beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung werden deswegen nur Elemente erläutert, wenn dies zum Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig ist. Die Anordnung umfasst, wie in 1 dargestellt, einen photoempfindlichen Bildaufnahmeteil A und eine angrenzende Matrix B, die einen Speicher bildet, der gegen eintreffende Strahlung abgeschirmt ist. Ein Bild wird in ein Raster von Ladungspaketen in dem Bildaufnahmeteil verwandelt, bestehend aus Zeilen (horizontal) und Spalten (vertikal). Zeilen von Ladungspaketen, die in der Integrationsperiode in dem Bildaufnahmeteil erzeugt sind, können in einer relativ kurzen Zeit in den Speicher B transportiert werden. Der Speicher grenzt an dem unteren Ende an ein Horizontal-Ausleseregister C, das in diesem Beispiel als ein einzelnes Register dargestellt ist, das aber bekanntlich auf alternative Weise zwei oder mehr parallele Register enthalten kann. Die Information in dem Speicher B wird beim Auslesen zeilenweise in das Register C transportiert. Die Ladungspakete einer einzigen Zeile werden dem Ausgang des Registers C zugeführt und paketweise von dem Ausleseelement 1 ausgelesen.
Die Anordnung ist an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 2 aus Silizium vorgesehen und umfasst eine Anzahl Ladungstransportkanäle 3, die nebeneinander vorgesehen und durch Kanalbegrenzungszonen voneinander getrennt sind, was durch gestrichelte Linien in 1 angegeben ist. Die Kanäle 3 erstrecken sich in vertikaler Richtung, d. h. parallel zu der Spaltenrichtung und parallel zu der Oberfläche. Die Ladungsspeicherung und der Ladungstransport werden mit Hilfe von Taktspannungen gesteuert, die Elektroden zugeführt werden, die sich in diesem Beispiel quer zu der Ladungstransportrichtung über den Bildaufnahmeteil A und den Speicherteil B erstrecken. Nur vier Elektroden des Bildaufnahmeteils und vier Elektroden des Speicherteils sind in 1 dargestellt, damit die Zeichnung nicht unnötig kompliziert wird, während die ladungsgekoppelte Bildaüfnahmeanordnung beispielsweise ein 4-Phasensystem ist. Im Wesentlichen ist selbstverständlich die Oberfläche über die ganze Länge der Ladungstransportkanäle mit Elektroden bedeckt. Die Elektroden in dem Bildaufnahmeteil sind mit Taktleitungen 4, 5, 6 und 7 verbunden, über welche die Taktspannungen zugeführt werden. Die Elektroden in dem mit Taktleitungen 4, 5, 6 und 7 verbundenen Bildaufnahmeteil sind durch die Bezugszeichen A1, A2, A3 bzw. A4 angegeben. Auf gleiche Weise sind die Taktelektroden B1, B2, B3 und B4 des Speicherteils mit Taktleitungen 8, 9, 10 bzw. 11 verbunden.
4 ist ein Schnitt durch die Anordnung längs eines Transportkanals, eines Teils des Bildaufnahmeteils A und eines Teils des Speicherteils B, die in der Figur dargestellt sind. In diesem Beispiel, wo die Anordnung von dem n-Kanaltyp ist, werden die Kanäle durch eine Oberflächenschicht vom n-Typ mit einer Dicke und einer Dotierungskonzentration gebildet, wie diese für ladungsgekoppelte Anordnungen von dem vergrabenen Kanaltyp üblich sind. Ein Gebiet 12, ebenfalls von dem n-Typ und hier durch das Substrat gebildet, liegt unterhalb der Kanäle 3 und bildet ein Abführungsgebiet für überflüssige elektrische Ladung. Zwischen dem Substrat 12 und den Kanälen 3 liegt ein p-leitendes Gebiet 13, das eine derartige Dicke und eine derartige Dotierungskonzentration hat, dass eine Potentialsperre eines geeigneten Pegels zwischen den Kanälen 3 und dem Substrat 12 gebildet werden kann. Eine derartige dreifache Schichtstruktur wird zur Zeit oft verwendet bei Bildaufnahmeanordnungen mit Vertikal-Anti-Blooming, wobei im Falle von Überbelichtung das Substrat zum Abführen überflüssiger Ladung benutzt wird. Die Elektroden Ai des Bildaufnahmeteils und die Elektroden Bi des Speicherteils sind gegenüber der Oberfläche des Halbleiterkörpers durch eine dielektrische Schicht 14 aus beispielsweise Siliziumoxid oder durch eine Doppelschicht aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid elektrisch isoliert. Die Elektroden werden aus einem transparenten Material, wie dotiertem polykristallinem Silizium hergestellt. Ein Lichtschirm 15 ist über den Elektroden in dem Speicherteil vorgesehen um zu vermeiden, dass auch in dem Speicher Strahlung erzeugt wird. Der Lichtschirm kann beispielsweise durch eine Aluminiumschicht gebildet werden, die gegenüber den Elektroden elektrisch isoliert ist.
Die Elektroden Ai und Bi werden von einer Takttreiberschaltung 16 gesteuert, die in 1 schematisch dargestellt ist. Das Potential des Abführungsgebietes 12 (Substrat) wird mit Hilfe einer Spannungsquelle 17 (2) eingestellt. 3 zeigt die den Elektroden A1–A4, B1–B4 zugeführten Taktspannungen und die dem Gebiet 12 zugeführte Spannung als eine Funktion der Zeit t. Die Taktspannungen sind der Bequemlichkeit halber durch die Angaben Ai und Bi der Phasenelektroden bezeichnet. Die Spannungen Ai und Bi variieren zwischen einem niedrigen Pegel, beispielsweise 0 V, und einem hohen Pegel, beispielsweise 10 V. Die Substratspannung S hat einen niedrigen Pegel, beispielsweise 20 V und einen hohen Pegel, beispielsweise 25 V. 4 zeigt die begleitenden Potentialprofile längs eines Teils eines Ladungstransportkanals auf beiden Seiten des Übergangs zwischen dem Bildaufnahmeteil A und dem Speicherteil B. Üblicherweise ist das positive Potential in Abwärtsrichtung der Zeichnung aufgetragen. Während der Integrationsperiode Ti werden die Elektroden A1, A2 und A3 auf einen hohen Spannungspegel (beispielsweise 10 V) gesetzt und die Elektroden A4 auf einen niedrigen Pegel. Ein Pixel wird gebildet durch die Elektroden A1, A2 und A3 und die Hälfte der angrenzenden Elektroden A4. Die Ladung (d. h. Elektronen, erzeugt durch Absorption örtlich auftreffender Strahlung) wird in der Potentialmulde unter den Elektroden A1, A2 und A3 integriert. Die Ladungspakete sind durch die Potentialsperren unterhalb der Elektroden A4 gegenüber einander getrennt, siehe 4, t₀. Die Spannungen werden derart gewählt, dass die Potentialsperre unterhalb der Elektroden A4 höher ist als die Potentialsperre in der p-leitenden Schicht 13 zwischen der Schicht 3 und dem Substrat 12, so dass im Falle von Überbelichtung überflüssige Elektronen in das Substrat 12 fließen werden und nicht in angrenzende Pixel. In 5a ist das Potentialϕ (in Abwärtsrichtung) gemessen in einer Richtung quer zu der Oberfläche aufgetragen. Die Kurve 18 zeigt das Potential unterhalb der integrierenden Elektroden A1 bis A3. Die Kurve 19 zeigt das Potential unterhalb der Sperrelektroden A4. Es sei bemerkt, dass auch die Kurve 19 ein Minimum in der n-leitenden Schicht 3 zeigt. Dies ist günstig für die Empfindlichkeit, weil Elektronen, die in der Schicht 3 unterhalb der Elektroden A3 erzeugt worden sind, nicht in das Substrat abgeführt werden, sondern zu einer der angrenzenden Potentialmulden unterhalb der Elektroden A1 bis A3. Die Elektroden B1 bis B4 können auf einem festen Potential sein, wenn die Speichermatrix leer ist. Wenn ein Frame in dem Speicher gespeichert wird, kann dieses Frame auf übliche Art und Weise zu dem horizontalen Register C transportiert werden, damit es zeilenweise durch dieses Register ausgelesen wird. In 3 sind auf entsprechende Weise die Potentiale der Elektroden B1 bis B4 während der Integrationsperiode T_i durch gestrichelte Linien angegeben.
Die Integrationsperiode endet zu dem Zeitpunkt t₁ und es startet die Transportperiode, in der das in dem Bildaufnahmeteil erzeugte Frame mit Ladungspaketen (teilweise) in den Speicherteil transportiert wird. Den Elektroden A1 bis A4 sowie den Elektroden B1 und B4 werden vier-Phasen Taktspannungen zugeführt. Die Taktimpulse der Elektroden B sind zu denen der Elektroden A in dem Sinne phasengleich, dass, wie in 3 sichtbar, die Taktspannung B1 zu der Taktspannung A1, B2 zu A2 usw. phasengleich ist. Eine zusätzliche positive Spannung S wird gleichzeitig dem Substrat 12 zugeführt. Die Signifikanz davon wird nachstehend noch näher erläutert. Zu dem Zeitpunkt t₁ schaltet A1 auf einen niedrigen Spannungspegel, so dass die Ladungspakete Q, die zunächst unterhalb von drei Elektroden gespeichert waren, nun unterhalb von zwei Elektroden, d. h. der Elektrode A2 und A3, wie in 4 dargestellt, gespeichert werden, wobei t₁ sich auf das Paket Q₁ bezieht, das repräsentativ ist für die untere Zeile in dem Bildaufnahmeteil. Bei t₃ ist B1 ebenfalls hoch, so dass Q₁ in den Speicherteil transportiert wird. Zu dem Zeitpunkt t₆ ist Q₁ völlig in den Speicher B transportiert. Der Transport wird fortgesetzt, bis Q₁ unterhalb der Elektroden B3 und B4 gespeichert ist, siehe 4 bei t₁₀. Die Taktimpulse in dem Speicherteil werden danach beendet, so dass die Ladung nach wie vor unterhalb B3 und B4 gespeichert ist, während eine Potentialsperre unterhalb B1 und B2 gebildet worden ist. Der Transport wird in dem Bildaufnahmeteil fortgesetzt, so dass die nächste Zeile, dargestellt durch das Ladungspaket Q₂ in 4 weiter nach rechts transportiert wird. Bei t₁₀ wird Q₂ unterhalb A3 und A4 gespeichert und wird auf der rechten Seite durch die Potentialsperre unterhalb von B1 begrenzt. Zu den Zeitpunkten t₁₁ und t₁₂ ist das Ladungspaket Q₂ in den Speicherraum unterhalb der Elektrode A4 komprimiert. Zu dem Zeitpunkt t₁₃ steht A4 auf dem niedrigen Spannungspegel, ebenso wie die angrenzenden Elektroden A3 und B1. Das Ladungspaket Q₂ kann nun nicht mehr unterhalb einer Elektrode gespeichert werden, sondern wird über das Substrat 12 (Ladungsrückstellung) abgeführt. Um dies zu illustrieren zeigt 5b Potentialprofile 20 und 21 unterhalb einer Elektrode bei der positiven Spannung bzw. bei der niedrigen Spannung. Die Kurve 20 zeigt ein Potentialminimum, in dem ein Ladungspaket gespeichert werden kann. Die Kurve 21 zeigt, im Gegensatz zu der Kurve 19 in 5a überhaupt kein Minimum mehr, und zwar wegen der höheren Substratspannung, so dass Ladung, die unterhalb dieser Elektrode gespeichert ist, zu dem Substrat 12 fließt, und zwar in der Richtung, die durch den Pfeil angegeben ist und über das Substrat abgeführt werden kann. Die Ladungsrückstellbedingung ist unterhalb der Elektroden A3, A4, B1 und B2 vorhanden, d. h. unterhalb vier Elektroden, so dass die Gefahr, dass Ladung, die abgeführt werden soll, zu benachbarten Paketen strömt, praktisch völlig ausgeschlossen ist. Gleichzeitig werden auch die anderen Ladungspakete, die mit Q₂ in derselben Zeile liegen, über das Substrat abgeführt. Der Ladungstransport in dem Aufnahmeteil wird nach dem Abführen dieser Zeile fortgesetzt, 3 und 4, t₁₄ und t₁₅. Zu dem Zeitpunkt t₁₆ ist die nächste Zeile in dem Aufnahmeteil, die Zeile Q₃, unterhalb der Elektroden A und A4 gespeichert. Die Situation in dem Aufnahmeteil A ist dann wieder symmetrisch zu der Situation in dem Speicherteil. Unter der Voraussetzung, dass die Zeile Q₃ in dem Speicher gespeichert werden soll, wird der Ladungstransport in dem Speicherteil dadurch fortgesetzt, dass die vier-Phasen Taktspannungen an den Elektroden B1–B4 variiert werden, und zwar synchron zu den Taktspannungen A1–A4 in dem Aufnahmeteil.
Auf diese Art und Weise ist es daher möglich, Zeilen abzuführen, bevor sie in dem Speicher gespeichert werden. In dem hier beschriebenen Beispiel wird dies ohne zusätzliche Elektroden erreicht, einfach dadurch, dass der Transport in dem Speicherteil beendet wird, während der Transport in dem Aufnahmeteil forggesetzt wird, was möglich ist durch die Tatsache, dass die Elektroden in dem Aufnahmeteil unabhängig von den Elektroden des Speichers angesteuert werden können. Selbstverständlich können auch wichtige Vorteile erhalten werden in Ausführungsformen einer Bildaufnahmeanordnung nach der vorliegenden Erfindung, in der am Übergang vom Aufnahmeteil zum Speicherteil eine einzelne Abführungselektrodenkonfiguration vorgesehen ist.
Um zu gewährleisten, dass beim Abführen keine elektrische Ladung in den Speicherteil gelangt, kann der niedrige Spannungspegel der Elektroden B1–B4 beim Abführen besonders niedrig (oder negativ), wenigstens niedriger als der niedrige Spannungspegel der Elektroden A1–A4 gemacht werden, wodurch die Potentialsperre zwischen dem Aufnahmeteil und dem Speicherteil zusätzlich erhöht wird.
In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird während des Frame-Transports zum Abführen einer Zeile dem Substrat eine zusätzliche positive Spannung zugeführt. Diese zusätzliche Spannung kann gewünschtenfalls auf alternative Weise während der Integrationsperiode zugeführt werden, was bedeutet, dass dem Substrat eine feste Spannung zugeführt werden kann. Da die unterhalb der Sperrelektroden erzeugten Elektronen während der Integrationsperiode zu dem Substrat abgeführt werden, ist die Empfindlichkeit in dieser Betriebsart niedriger als in der oben beschriebenen Betriebsart.
Die hier beschriebene Ausführungsform bezieht sich auf eine CCD-Bildaufnahmeanordnung nur Unterabtastung von 1 in k Zeilen, d. h. nur eine einzige Zeile aus jeweils k Zeilen wird als Videoinformation indem Speicher gespeichert, während die anderen k – 1 Zeilen abgeführt werden. Dieser Vorgang steigert die Gefahr von Rückfaltung, welches Phänomen aus der Literatur bekannt ist. Ein Verfahren, dies zu vermeiden ist, dass eine Tiefpassfilterung durchgeführt wird, bevor der Unterabtastvorgang stattfindet, so dass nach dem Unterabtastvorgang die Bandbreite auf die Hälfte der Abtastfrequenz begrenzt wird. In einer Bildaufnahmeanordnung der beschrieben Art, wobei das Bild in den Ladungstransportkanälen abgefangen und in elektrische Ladung umgewandelt wird, wobei der Filtervorgang während der Integrationsperiode elektronisch durchgeführt werden kann. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Zeilen während der Integrationsperiode hin und her entfernt werden, so dass diese Zeile innerhalb einer Gruppe von k Zeilen, die letztendlich die einzige Zeile ist, die verwendet werden soll, eine elektrische Ladung haben wird, die den Zeilen entspricht, die nicht verwendet werden. Die ist in 6 für eine Schwarz-Weiß-Bildaufnahmeanordnung mit schematisch dargestellt, wobei k gleich 10 ist. Die Zeilenzahl L in einer Gruppe von 10 Zeilen ist auf der horizontalen Achse aufgetragen. Die vertikale Achse zeigt die relative Verweilungszeit t der abzutastenden Zeile in Prozenten, in diesem Beispiel der Zeile Nr. 5. Die anderen Zeilen, also die Zeilen 1 bis 4 und 6 bis 10 werden nicht verwendet und werden auf die oben beschriebene Art und Weise abgeführt. Die Zeile Nr. 5 wird während der Integrationsperiode über die ganze Gruppe von 10 Zeilen verschoben. Offenbar werden die anderen Zeilen ebenfalls gleichzeitig verschoben, teilweise innerhalb der Gruppe, teilweise außerhalb der Gruppe. Wie die Zeichnung zeigt, nimmt die Verweilungszeit der selektierten Zeile 5 proportional zu der Entfernung von der Mitte der Gruppe ab. Die relative Verweilungszeit der zu selektierenden Zeile beträgt 20% für die Zeilen mit der Nummer 5 und 6, 15% für die Zeilen mit der Nummer 4 und 7, 10% für die Zeilen mit der Nummer 3 und 8, 4% für die Zeilen mit der Nummer 2 und 9 und 1% für die Zeilen mit der Nummer 1 und 10 in dem hier gezeigten Beispiel.
Dasselbe Verfahren kann angewandt werden für eine Farb-Bildaufnahmeanordnung mit einem Streifenfilter. In ein er Farb-Bildaufnahrneanordnung mit einem Mosaik-Farbfilter aber soll die Periode in der vertikalen Richtung berücksichtigt werden. Dies ist in 7 für denjenigen Fall schematisch dargestellt, wo eine Farb-Bildaufnahmeanordnung eine Periode von 2 Zeilen in der vertikalen Richtung hat (und eine Periode von 2 Pixeln in der horizontalen Richtung). Ein Beispiel davon ist ein Filter mit der nachfolgenden Zusammensetzung:
wobei R, G und B für Rot, Grün bzw. Blau stehen. Zum Erhalten der Farbinformation werden nun zwei Zeilen, beispielsweise die Zeilen 9 und 10, aus jeder Gruppe von 20 Zeilen selektiert. Die Information aus den anderen Zeilen wird nicht verwendet. Während der Integrationsperiode verbleibt die Zeile Nr. 9 (angegeben durch Kreuze in 7) einstweilig auf den Zeilen Nr. 9 und 11 (20%), 7 und 13 (15%), 5 und 15 (10%), 3 und 17 (4%), und 1 und 19 (1%). Auf gleiche Weise sammelt die Zeile 10 (angegeben durch offene Punkte in 7) Ladung aus den Zeilen in der Gruppe, die eine gerade Nummer haben.
Es dürfte einleuchten, dass die vorliegende Erfindung sich nicht auf die hier beschriebene Ausführungsform begrenzt, sondern dass für den Fachmann im Rahmen der vorliegenden Erfindung viele Abwandlungen möglich sind. Folglich können statt einer Einzigen Zeile Q₂, die zwischen zwei anderen Zeilen abgeführt wird, die in dem Speicher zur Weiterverarbeitung gespeichert werden, mehr Zeilen nacheinander in das Substrat abgeführt werden. Die vorliegende Erfindung kann auch auf vorteilhafte Weise auf andere Typen von Bildaufnahmeanordnungen angewandt werden, wie auf Bildaufnahmeanordnungen von Zeilensprungtyp, die mit einem zusätzlichen Frame-Speicher versehen sind. In der hier beschriebenen Ausführungsform können die Leitungstypen ausgetauscht sein, so dass eine Schaltungsanordnung mit einem p-leitenden Kanal erhalten wird. Das Abführungsgebiet kann auf alternative Weise neben statt unterhalb der photoempfindlichen Elemente liegen, wie dies bei Bildaufnahmeanordnungen mit lateraler Anti-Blooming.

Claims

Ladungsgekoppelte Bildaufnahmeanordnung mit einem Halbleiterkörper (2), der an einer Oberfläche mit einer Matrix zum Umwandeln eines Strahlungsbildes in Ladungspakete (Q_i) versehen ist, die zu einem Raster von Zeilen und Spalten gegliedert sind, sowie mit einem System von Ladungstransportkanälen (3), mit denen diese Ladungspakete (Q_i) unter Ansteuerung von Taktspannungen, die Taktelektroden (A) zugeführt werden, einem Ausleseregister (C) in einer Richtung parallel zu den Spalten zugeführt werden, wobei mit Hilfe dieses Registers die Ladungspakete (Q_i) zeilenweise in einer Richtung parallel zu den Zeilen des Rasters einem Ausleseelement (1) zugeführt werden, wobei es eine Elektrode (A₄) gibt, die sich quer über die ganze Breite der Matrix in der Zeilenrichtung erstreckt und der eine Spannung zugeführt werden kann zum Abführen einer oder mehrerer Zeilen über ein Abführungsgebiet (12), zwischen zwei Zeilen, die über das Ausleseregister (C) ausgelesen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmeanordnung aus einem photoempfindlichen Bildaufnahmeteil (A) und einem separaten Speicherteil (B) aufgebaut ist, der neben dem Bildaufnahmeteil (A) liegt und gegen auftreffende Strahlung abgeschirmt ist und eine Anzahl Ladungstransportkanäle (3) aufweist, die sich nebeneinander befinden, die sich in der Spaltenrichtung erstrecken und die sich an die Ladungstransportkanäle (3) des Bildaufnahmeteils (A) anschließen, und dass die Elektrode (A₄), der eine Spannung zugeführt werden kann zum Abführen der Zeilen, die nicht benutzt werden, an dem Übergang zwischen dem Bildaufnahmeteil (A) und dem Speicherteil (B) liegt.
Ladungsgekoppelte Bildaufnahmeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Elektrode (A₄), mit der Zeilen abgeführt werden können, wenigstens eine Taktelektrode (A_i) des Bildaufnahmeteils (A) aufweist, die mit anderen Taktelektroden des Bildaufnahmeteils (A) über Taktzeilen (4, 5, 6, 7) verbunden sind.
Ladungsgekoppelte Bildaufnahmeanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungstransportkanäle (3) des Bildaufnahmeteils und des Speicherteils (B) Elektroden (A_i, B_i) aufweisen, die mit Taktspannungsmitteln (16) verbunden sind, mit denen Spannungen zugeführt werden können, wodurch Transport von Ladungspaketen (Q_i) in dem Bildaufnahmeteil (A) stattfindet, während gleichzeitig kein Transport von Ladungspaketen (Q_i) in dem Speicherteil (B) stattfindet, und Ladungspakete (Q_i), die über den Bildaufnahmeteil (A) geliefert werden, durch eine Potentialsperre in dem Gebiet des separaten Speicherteils (B) gesperrt und über das Abführungsgebiet (12) abgeführt werden.
Ladungsgekoppelte Bildaufnahmeanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abführungsgebiet (12) mit Mitteln (17) versehen ist zum Zuführen einer Spannung zu dem Abführungsgebiet (12) zum Abführen von Ladungspaketen (Q_i), wobei wenigstens örtlich eine Reduktion der Potentialsperre zwischen dem Abführungsgebiet (12) und dem Ladungstransportkanal (3) erhalten wird, dies im Vergleich zu der Potentialsperre während einer vorhergehenden Integrationsperiode.
Ladungsgekoppelte Bildaufnahmeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl Zeilen in dem separaten Speicherteil (B) kleiner ist als die Anzahl Zeilen in dem Bildaufnahmeteil (A).
Verfahren zum Betreiben einer ladungsgekoppelten Bildaufnahmeanordnung mit einem Halbleiterkörper (2), der an einer Oberfläche mit einer Matrix zum Umwandeln eines Strahlungsbildes in Ladungspakete (Q_i) versehen ist, die in einem Raster von Zeilen und Spalten gegliedert sind, und mit einem System von Ladungstransportkanälen (3), mit denen die genannten Ladungspakete (Q_i) in einer Richtung parallel zu den Spalten zu einem Ausleseregister (C) transportiert werden, und zwar unter Ansteuerung von Taktspannungen, die Taktelektroden (A_i) zugeführt werden, wobei dieses Ausleseregister (C) die Ladungspakete (Q_i) zeilenweise zu einem Ausleseelement (1) transportiert, und zwar in einer Richtung parallel zu den Zeilen des Rasters, wobei es eine Elektrode (A₄) gibt, die sich in der Zeilenrichtung quer über die Breite des Rasters erstreckt und der eine Spannung zugeführt werden kann zum Abführen einer Zeile oder mehrerer Zeilen über ein Abführungsgebiet (12) zwischen zwei Zeilen, die über das Ausleseregister (C) ausgelesen werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bildaufnahmeanordnung verwendet wird, aufgebaut aus einem photoempfindlichen Bildaufnahmeteil (A) und einem Speicherteil (B), vorgesehen neben dem Bildaufnahmeteil (A) und abgeschirmt gegen eintreffende Strahlung und mit einer Anzahl Ladungstransportkanäle (3), die neben einander liegen, die sich in der Spaltenrichtung erstrecken, und die sich an die Ladungstransportkanäle (3) des Bildaufnahmeteils (A) anschließen, wobei eine Taktelektrode oder mehrere Taktelektroden (A₄) der Ladungstransportkanäle (3) zum Bilden der genannten Elektrode (A₄) verwendet wird/werden zum Abführen von Zeilen, die nicht verwendet werden, wobei diese Elektrode bzw. Elektroden (A₄) in dem Übergang zwischen dem Bildaufnahmeteil (A) und dem Speicherteil (B) liegt bzw. liegen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Zeile aus jeder Gruppe von k in einer Integrationsperiode gebildeten Zeilen in dem Speicherteil (B) gespeichert wird, wobei die Zeilen während der Integrationsperiode derart verschoben werden, dass die genannte eine Zeile auch elektrische Ladung enthält, die in den Gebieten der anderen Zeilen der genannten Gruppe von k Zeilen erzeugt worden ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilen während der Integrationsperiode derart verschoben werden, dass die genannte eine Zeile elektrische Ladung enthält, die in den Gebieten aller Zeilen der Gruppe von k Zeilen erzeugt worden ist.