NL8602091A - Beeldopneeminrichting uitgevoerd met een vaste-stof beeldopnemer en een elektronische sluiter. - Google Patents

Description

* : PHN 11.842 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Beeldopneeminrichting uitgevoerd met een vaste-stof beeidopnemer en een elektronische sluiter.

De uitvinding heeft betrekking op een beeldopneeminrichting uitgevoerd met een vaste-stof beeidopnemer en een elektronische sluiter, welke beeidopnemer in een halfgeleidersubstraat beeldopneemelementen bevat voor het in een beeldinformatie-5 integratietijdsduur omzetten van opvallende straling in elektrische ladingsverliezen over voorgespannen halfgeleiderovergangen en een daarmee gekoppeld parallel-in, serie-uitschuifregister voor het daarna onder besturing van door een stuursignaalgenerator geleverde klokpulssignalen doorschuiven van de elektrische ladingsverliezen naar 10 een opnemeruitgangsklem voor de afgifte van een beeldsignaal, waarbij de elektronische sluiter tijdens een deel van de beeldinformatie-integratietijdsduur, onder besturing van een door de stuursignaalgenerator geleverd sluitersignaal werkzaam is met een laadverbinding bij de beeldopneemelementen, 15 Een dergelijke beeldopneeminrichting is beschreven in het

Amerikaanse octrooischrift 3 715 485. Hierbij zijn in het substraat de beeldopneemelementen elk uitgevoerd met een voor lichtstraling gevoelige, voorgespannen halfgeleiderovergang tussen halfgeleider-materialen van p- en n-type, met een eerste schakeltransistor voor het 20 koppelen van de fotogevoelige halfgeleiderovergang met het schuifregister en met een tweede schakeltransistor voor het onder besturing van het sluitersignaal koppelen van de fotogevoelige halfgeleiderovergang met het substraat van de beeidopnemer. Beschreven is dat tijdens een eerste, instelbaar deel van de beeldinformatie-25 integratietijdsduur de tweede schakeltransistoren naar het substraat geleidend zijn en de laadverbindingen vormen, waardoor de fotogevoelige halfgeleiderovergangen geen elektrisch ladingsverlies als beeldinformatie akkumuleren. In het resterende tweede deel van de beeldinformatie-integratietijdsduur zijn alle eerste en tweede 30 schakeltransistoren gesperd, waardoor wel van de sterkte van de opvallende straling afhankelijke elektrische ladingsverliezen als beeldinformatie worden geakkumuleerd, die vervolgens via de eerste 9602091 f * PHN 11.842 2 schakeltransistoren worden doorgeschoven naar het parallel-in, serie-uit schuifregister. Hierdoor is de elektronische sluiter werkzaam met een instelbare ongevoelige en gevoelige tijdsduur tijdens de konstant zijnde beeldinformatie-integratietijdsduren. Hierbij wordt vermeden dat bij het 5 optreden van een plaatselijk excessieve belichting van bepaalde beeldopneemelementen er een informatieverspreiding gebeurt naar naburige beeldopneemelementen, hetgeen bij weergave van het beeldsignaal zou leiden tot een stralend opblaaseffekt (blooming).

De uitvinding beoogt de toepassing van een dergelijke 10 elektronische sluiter met voordeel bij een bepaald, bekend type vaste-stof beeldopnemer. Een beeldopneeminrichting volgens de uitvinding vertoont daartoe het kenmerk, dat bij toepassing van een beeldopnemer uitgevoerd met een lagenstruktuur met ten minste drie lagen van een halfgeleidermateriaal van respektievelijk een eerste geleidingstype, het 15 tegengestelde tweede geleidingstype en het eerste geleidingstype, waarbij in het substraat van gedoteerd eerste type halfgeleidermateriaal stripvormige gebieden van afwisselend hoger gedoteerd tweede en nog hoger gedoteerd eerste type halfgeleidermateriaal aan een substraatzijde aanwezig zijn, in welk substraat de gebieden van het tweede 20 geleidingstype zich uitstrekken tot onder de gebieden van het eerste geleidingstype en in de omgeving van de middenas van deze gebieden een afnemende dikte hebben en waarbij een dwars op de stripvormige gebieden gericht elektrodenstelsel bij de beeldopneemelementen van de beeldopnemer aanwezig is, de elektronische sluiter werkzaam is met een 25 sluitersignaal dat tijdens de genoemde beeldinformatie- integratietijdsduren optreedt met een sluiterpuls waardoor de laadverbinding aanwezig is als een geleidende verbinding tussen de stripvormige gebieden van het eerste geleidingstype en het substraat van het eerste geleidingstype.

30 De uitvinding zal als voorbeeld nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekening, waarin figuur 1 in figuur 1a schematisch een deel van een beeldopneeminrichting volgens de uitvinding en in figuur 1b een dwarsdoorsnede van een daarin aanwezig beeldopnemer geeft, en 35 figuur 2 ter illustratie van de werking van de beeldopneeminrichting volgens figuur 1 enige stuursignaaldiagrammen als funktie van de tijd geeft.

860 2 09 1 t ί £ ΡΗΝ 11.842 3 Γη figuur 1 is in figuur 1a schematisch een aanzicht getekend op een beeldopnemer 1, waarvan in figuur 1b een dwarsdoorsnede is getekend, gaande via een streep-stippellijn. De dwarsdoorsnede van figuur 1b toont dat de beeldopnemer 1 is uitgevoerd met een 5 lagenstruktuur met ten minste drie lagen 2, 3 en 4 van een halfgeleidersmateriaal van respektievelijk n-geleidingstype, tegengesteld p-geleidingstype en weer n-geleidingstype. In plaats hiervan zou een p-n-p-lagenstruktuur mogelijk zijn waarbij polariteiten van nog te beschrijven spanningen moeten worden aangepast. De laag 2 is 10 aangeduid met n“ hetgeen inhoudt een doteringsconcentratie van het n-type met bijvoorbeeld circa 5.101^ per cc. De laag 2 is aanwezig als evenzo aangeduid substraat van aldus gedoteerd n-type halfgeleidermateriaal, waarin de lagen 3 en 4 als evenzo aangeduide stripvormige gebieden aan een zijde afwisselend aanwezig zijn. De 15 stripvormige p-gebieden 3 hebben een hogere doteringsconcentratie dan het substraat en als voorbeeld wordt genoemd een doteringsconcentratie van circa 3.10^ atomen per cc bij het gebiedsoppervlak. De stripvormige n-gebieden 4 hebben een nog hogere doteringsconcentratie en als voorbeeld wordt genoemd een doteringsconcentratie van circa 10^6 20 atomen per cc bij het gebiedsoppervlak. In figuur 1a zijn de stripvormige gebieden in het aanzicht met streeplijnen getekend en aangeduid met n, p, n, p en n. In het substraat 2 strekken de p-gebieden 3 zich uit tot onder de n-gebieden 4. De p-gebieden 3 zijn in figuur 1b gescheiden van elkaar getekend, maar zouden een aaneengesloten laag 25 kunnen vormen. Van belang is hierbij dat in de omgeving van de middenas van de n-gebieden 4 de laag 3 een afnemende dikte heeft. De beeldopnemer 1 heeft op de beschreven wijze een “vertikale" transistorstruktuur waarbij de n-gebieden 4 als bron, de p-gebieden 3 als poort en het substraat 2 als afvoer werkzaam kunnen zijn. In deze transistorstruktuur 30 zijn tussen de gebieden 3 en 4 p-n-halfgeleiderovergangen (3,4) aanwezig die fotogevoelig zijn. Bij voorgespannen halfgeleiderovergangen (3,4) geven door fotonen van opvallende lichtstraling veroorzaakte gat-elektronparen ladingsverliezen over deze overgangen.

De in figuur 1b getekende beeldopnemer 1 is over de 35 substraatzijde met de stripvormige n- en p-gebieden 4 respektievelijk 3 voorzien van een doorzichtige isolerende laag 5, waarop een elektrodestrip 6 aanwezig is, welke lagen gearceerd zijn getekend. De 8602091 PHN 11.842 4 4 elektrode 6 maakt deel uit van een doorzichtig elektrodenstelsel (61-64) dat in figuur 1a is getekend als een vierfazig elektrodenstelsel met een aantal van opéénvolgende elektrodestrips 61 tot en met 64.

Het vierfazige elektrodenstelsel (61-64) is als voorbeeld gegeven, in 5 aansluiting op de beeldopnemeruitvoering beschreven in een nog nader aan te geven litteratuurplaats.

De beeldopnemer 1 volgens figuur 1 omvat behalve het beschreven deel met de onderdelen 2 tot en met 6 van figuur 1b en het elektrodenstelsel (61-64) van figuur 1a, een doorschuifdeel 7 en een 10 parallel-in, serie-uitschuifregister 8 dat met een opnemeruitgangsklem 9 is gekoppeld. Het doorschuifdeel 7 kan zijn uitgevoerd met een geheugendeel voor opslag van beeldinformatie. Het doorschuif-(en-geheugen)deel 7 en het schuifregister 8 zijn afgeschermd tegen opvallende lichtstraling. Het opnemerdeel met het 15 elektrodenstelsel (61-64) is hierbij het beeldopneemdeel dat beeldopneemelementen bevat voor het omzetten van de opvallende straling in elektrische ladingsverliezen over voorgespannen halfgeleiderovergangen (3,4).

De in figuur 1b gegeven lagenstruktuur van de 20 beeldopnemer 1 is beschreven in een artikel in "IEEE Transactions on electron devices", Vol. ED-32, No. 8, Augustus 1985 op bladzijden 1430-1438, met de titel "A Frame-Transfer CCD Color Imager with Vertical Antiblooming". Voor voorbeelden wordt verwezen naar dit artikel voor juiste doteringsconcentratieprofielen bij de stripvormige gebieden 3 en 25 4. Voor de besturing van een dergelijke beeldopnemer wordt verwezen naar een folder van Philips Electronics Components and Materials Division, Technical publication 211, uitgegeven in April 1986, met de titel "The frame-transfer sensor". In figuur 1a is in aansluiting op de folder met 10 een stuursignaalgenerator aangeduid die geacht wordt 30 stuursignalen CP1, CP2, CP3 en CP4 af te geven aan de respektieve elektrodenstrippen 61, 62, 63 en 64 en verdere stuursignalen CP7 respektievelijk CP8 aan het doorschuif-(en geheugen-)deel 7 en het schuifregister 8. Met x en y is bij de verbindingsleiding met de signalen CP7 respektievelijk CP8 aangegeven dat deze meerfazig, met 35 verscheidene leidingen zijn uitgevoerd. Voor een gedetailleerde uitvoering van de stuursignaalgenerator 10 voor het leveren van doorschuifsignalen, klokpulssignalen, pulsen met langere duur en 8602091 * ! £ PHN 11.842 5 koBbinaties hiervan, wordt verwezen maar de genoemde folder. Uitgaande hiervan zijn in figuur 2 enige stuursignaaldiagrammen als funktie van de tijd t getekend voor de stuursignalen CP1, CP2 , CP3 en CP4. In figuur 1a is de kombinatie van deze stuursignalen voor het elektrodenstelsel 5 (61-64) aet CP1-4 aangeduid, als deel van een nader te beschrijven sluitersignaal (CP1-4, SP). In figuur 2 zijn enige tijdstippen t1 tot en met t7 aangeduid. Vóór het tijdstip t1 en na het tijdstip t7 zijn op bekende wijze doorschuifklokpulsen TP aanwezig in de stuursignalen CP1 tot en aet CP4. Uitgaande van een in de folder gegeven 10 klokpulsfrekwentie van 2,5 MHz en een frekwentiedeling met de faktor 4 worden de over 90° in fase verschoven doorschuifklokpulsen TP door de generator 10 opgewekt met een pulsperiode van 1,6 yus. In figuur 2 is vanaf het tijdstip t1 tot het tijdstip t7 met IT een beeldinformatie-integratietijdsduur aangeduid. De tijdsduur IT is in figuur 2 verdeeld 15 in een eerste, tweede en derde tijdsduur die respektievelijk net IT1, IT2 en IT3 zijn aangeduid. Als voorbeeld is in figuur 2 getekend dat de tijdsduur IT2 tussen de tijdstippen t3 en t5, gelijk is aan 4,8 ^us ofwel driemaal de periode van de pulsen TP. Deze tijdsduur blijkt in de praktijk voor het te verkrijgen, nader te beschrijven effekt optimaal te 20 zijn bij de in het artikel beschreven opnemeruitvoering, wanneer gestreefd wordt naar een minimalisering van de tijdsduur. In plaats hiervan kan de tijdsduur IT2 beginnen op het tijdstip t1 in plaats van op het tijdstip t3, hetgeen een afwezigheid van de tijdsduur IT1 inhoudt. Verder is in figuur 2 getekend dat de pulsen TP bijvoorbeeld 25 een amplitude hebben van OV tot +10V. Hierbij is in figuur 1b aangegeven dat het substraat 2 bijvoorbeeld is gelegd aan een aansluiting met een spanning van +20V. Bijzonder is dat, volgens een aspekt van de uitvinding, tijdens het deel IT2 van de tijdsduur 1T er een spanning van bijvoorbeeld -5V aanwezig is in de stuursignalen CP1 tot en met CP4 dat 30 wil zeggen in de kombinatie CP1-4 van deze stuursignalen. Door de aanwezigheid van de pulsen met -5V die in figuur 2 als sluiterpulsen SP zijn aangeduid, is bij de opnemer 1 van figuur 1 een sluitersignaal (CPI-4, SP) werkzaam voor een elektronische sluiter (2-6, SP). Hierbij is de beeldinformatie-integratietijdsduur IT een maximale integratietijdsduur, 35 met een verdeling in een instelbare ongevoelige tijdsduur (IT1 + IT2) en een gevoelige tijdsduur IT3. In figuur 2 zijn bij de stuursignalen CP2, CP3 en CP4 met IP integratiepulsen met een spanning van +10V aangeduid.

8602091 PHN 11.842 6 4

Voor de verklaring van de werking van de beeldopnemer 1 en de elektronische sluiter (2-6, SP) werkzaam met het sluitersignaal (CP1-4, SP) geldt het volgende. Er wordt uitgegaan van het tijdstip t1 dat in figuur 2 is gegeven. Hierbij is via het signaal CP1 de spanning 5 van OV aanwezig op de elektrodestrippen 61 en voeren de strippen 62, 63 en 64 onder toevoer van de signalen CP2, CP3 respektievelijk CP4 de spanning van +10V. De spanning van +10V trekt elektronen aan vanuit de n-gebieden 4, waardoor de halfgeleiderovergangen (3, 4) voorgespannen raken. Hierbij worden de elektronen aangetrokken uit het onderliggende 10 en aangrenzende deel van het gebied 4 en uit het verderliggende deel indien daar op de bovenliggende elektrodestrip de spanning van OV optreedt. Vanaf het tijdstip t1 zullen fotonen van de opvallende lichtstraling leiden tot elektron-gatparen, waardoor de spanning over de voorgespannen halfgeleiderovergangen (3,4) afneemt. Het ladingsverlies 15 bij de halfgeleiderovergang (3,4) korrespondeert met een vrije, negatieve lading onder de elektrodestrippen 62, 63 en 64 dat wil zeggen met daar aanwezige vrije ladingspakketten waarvan de grootte afhangt van de sterke van de plaatselijke belichting en de duur daarvan. Op deze wijze komen op het tijdstip t2 vrije ladingspakketten voor onder de 20 elektrodestrippen 62, 63 en 64.

Vervolgens wordt op het tijdstip t3 de spanning van -5V op alle elektrodestrippen 61 tot en met 64 gedrukt. Hierdoor komen alle “vertikaleH transistoren met bronnen 4 en afvoer 2 in geleiding, waardoor laadverbindingen (2, 3, 4) bij de halfgeleiderovergangen 25 (3,4) worden gevormd. Als voorbeeld wordt gegeven dat van het tijdstip t3 tot het tijdstip t4 de laadverbindingen (2, 3, 4) stroom voeren en van het tijdstip t4 af tot geleiding zijn voorgespannen, waarbij door fotonen veroorzaakte elektronen onmiddellijk worden afgevoerd. Op het tijdstip t5 is de bij het tijdstip t1 beschreven toestand weer aanwezig 30 en gaat opnieuw de lichtintegratie gebeuren, waarbij het tijdstip t6 korrespondeert met het tijdstip t2.

Vanaf het tijdstip tl worden op bekende wijze de bij de halfgeleiderovergangen (3,4) optredende ladingsverliezen als ladingspakketten doorgeschoven vanonder het elektrodenstelsel (61-64) 35 naar het doorschuif-(en -geheugen)deel 7.

De opbouw van de beeldopnemer 1 met de beschreven lagenstruktuur en doteringsconcentraties leidt ertoe dat een in de 8602091 'i ώ PHN 11.842 7 praktijk goed werkende elektronische sluiter (2-6, SP) bij de beeldopneeminrichting aanwezig is. Hierbij worden de ladingsverliezen over de voorgespannen, fotogevoelige halfgeleiderovergangen (3, 4) respektievelijk daarmee korresponderende vrije ladingspakketten onder 5 het elektrodenstelsel (61-64), bij de sluiterwerking aangezuiverd respektievelijk verwijderd.

In het geval het op de opnemeruitgangsklem 9 optredende beeldsignaal, na verdere bij televisie gebruikelijke signaalbewerkingen, voor televisieweergave wordt gebruikt, maakt de beeldopneeminrichting 10 deel uit van een televisiekamera. Een andere mogelijkheid is het op de klem 9 optredende beeldsignaal te bewerken tot een voor filmweergave geschikt signaal, zodat de beeldopneeminrichting als opneemdeel deel uitmaakt van een filmkamera. Een verdere mogelijkheid is de bewerking van het beeldsignaal tot een foto- of dia-opname, zodat de 15 beeldopneeminrichting als opneemgedeelte deel uitmaakt van een fotokamera. Hierbij zijn er tussen foto-opnames veelal pauzes. Uitgaande van de beschreven rasteroverdrachtsuitvoering van de beeldopnemer 1 met het opneemdeel, het geheugendeel en het schuifregisterdeel kan voor een foto-opname de elektronische sluiter (2-6, SP) worden benut voor het 20 verkrijgen van de laadverbinding (2, 3, 4) bij zowel het opneemdeel als het geheugendeel. Vóór de foto-opname worden hierbij beide delen schoongemaakt. Dit schoonmaken kan gebeuren door het sluitersignaal (CP1-4, SP) toe te voeren aan de elektrodenstelsels van zowel het opneemdeel als het geheugendeel. In het geval van de foto-opname is er 25 nog een andere oplossing voor de schoonmaak-sluiterwerking door het sluitersignaal met de sluiterpulsen met de tegengestelde polariteit toe te voeren aan het substraat dat gezamenlijk is voor het opneemdeel en het geheugendeel.

8602091

Claims (3)

1. Beeldopneeminrichting uitgevoerd met een vaste-stof beeldopnemer en een elektronische sluiter, welke beeldopnemer in een halfgeleidersubstraat beeldopneemelementen bevat voor het in een beeldinformatie-integratietijdsduur omzetten van opvallende straling in 5 elektrische ladingsverliezen over voorgespannen halfgeleiderovergangen en een daarmee gekoppeld parallel-in, serie-uitschuifregister voor het daarna onder besturing van door een stuursignaalgenerator geleverde klokpulssignalen doorschuiven van de elektrische ladingsverliezen naar een opnemeruitgangsklem voor de afgifte van een beeldsignaal, waarbij de 10 elektronische sluiter tijdens een deel van de beeldinformatie-integratieti jdsduur, onder besturing van een door de stuursignaalgenerator geleverd sluitersignaal werkzaam is met een laadverbinding bij de beeldopneemelementen, met het kenmerk, dat bij toepassing van een beeldopnemer uitgevoerd met een lagenstruktuur 15 met ten minste drie lagen van een halfgeleidermateriaal van respektievelijk een eerste geleidingstype, het tegengestelde tweede geleidingstype en het eerste geleidingstype, waarbij in het substraat van gedoteerd eerste type halfgeleidermateriaal stripvormige gebieden van afwisselend hoger gedoteerd tweede en nog hoger gedoteerd eerste 20 type halfgeleidermateriaal aan een substraatzijde aanwezig zijn, in welk substraat de gebieden van het tweede geleidingstype zich uitstrekken tot onder de gebieden van het eerste geleidingstype en in de omgeving van de middenas van deze gebieden een afnemende dikte hebben en waarbij een dwars op de stripvormige gebieden gericht elektrodenstelsel bij de 25 beeldopneemelementen van de beeldopnemer aanwezig is, de elektronische sluiter werkzaam is met een sluitersignaal dat tijdens de genoemde beeldinformatie-integratietijdsduren optreedt met een sluiterpuls waardoor de laadverbinding aanwezig is als een geleidende verbinding tussen de stripvormige gebieden van het eerste geleidingstype en het 30 substraat van het eerste geleidingstype.

2. Beeldopneeminrichting volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat het sluitersignaal met de sluiterpuls wordt toegevoerd aan alle elektroden van het genoemde elektrodenstelsel bij de beeldopneemelementen van de beeldopnemer. 35

3. Beeldopneeminrichting volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat het sluitersignaal met de sluiterpuls wordt toegevoerd aan het substraat van de beeldopnemer. 8602081