DE2533404A1

DE2533404A1 - Mit ladungsuebertragung arbeitende bildaufnahmeeinrichtung

Info

Publication number: DE2533404A1
Application number: DE19752533404
Authority: DE
Inventors: James Edward Carnes; Peter Alan Levine
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-07-25
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1976-02-05
Also published as: JPS5441363B2; GB1474514A; US3911467A; CA1025098A; AU8303775A; FR2280169B1; DE2533404B2; DE2533404C3; JPS5136819A; FR2280169A1; AU497073B2; NL7508835A

Description

RCA 68,476 _{24# JuU 1975}

U.S.Ser.No. 491,836 7829-75 Dr.v.B/E

Filed: 25 Juli, 1974

RCA Corporation New York, N.Y. (V.St.A.)

Mit Ladungsübertragung arbeitende Bildaufnahmeeinrichtung

Aus der Veröffentlichung von CH. Sequin

"Interlacing in Charge-Coupled Imaging Devices" IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-2O, No.6, Juni 1973,S. 535 ist eine vertikale Verschachtelung der aus einer ladungsgekoppelten Bildaufnahmeeinrichtung herausgelesenen Information bekannt. Der Vorteil einer solchen vertikalen Verschachtelung besteht in einer wesentlichen Verbesserung der Bildauflösung in Vertikalrichtung und einer drastischen Verringerung von Moiremustereffekten .

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. Verfahren und Einrichtungen zur horizontalen Verschachtelung von Ladungsmustern anzugeben, bei denen es sich um vertikal verschachtelte Muster handeln kann. Hierdurch läßt sich die Auflösung in Horizontalrichtung verbessern und das Entstehen von Moiremustern weiter reduzieren.

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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, dabei werden auch noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten ladungsgekoppelten Bildaufnahmeeinrichtung;

Fig. 2a und 2b schematische Darstellungen eines bekannten Verfahrens zur vertikalen Verschachtelung der von einer Photosensormatrix in der Einrichtung gemäß Fig. 1 erzeugten Ladungssignale;

Fig. 3 eine realistischere Vertikalschnittansicht von Elektroden, die in der Einrichtung gemäß Fig. 1 verwendet werden können, sowie eine graphische Darstellung von Oberflächenpotentialprofilen, wie sie während verschiedener RasterIntegrationen auftreten;

Fig. 4a und 4b eine schematische Teildarstellung einer Asführungsform einer Bildaufnahmeeinrichtung gemäß der Erfindung, die ein vertikales und horizontales Verschachteln von Ladungsmustern gestattet;

Fig. 5a und 5b eine schematische Teildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles einer Einrichtung gemäß der Erfindung, die ein horizontales und vertikales Verschachteln gestattet;

Fig. 6 und 7 stark vergrößerte Draufsichten auf einen Teil des Ausgangsregisters gemäß der Einrichtung gemäß Fig. 1 mit schematischer Darstellung einer erfindungsgemäßen Betriebsart;

Fig. 8 eine graphische Darstellung des Verlaufes

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von Signalen, auf die bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig. 6 und 7 Bezug genommen wird;

Fig. 9 eine Draufsicht auf einen Teil einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die für einen Dreiphasenbetrieb ausgelegt ist;

Fig. 10 eine graphische Darstellung des Verlau fes von Signalen, auf die bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig. 9 Bezug genommen wird;

Fig. 11 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Dreiphasen-Einrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 12 eine graphische Darstellung des Verlaufes von Signalen, auf die bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig. 11 Bezug genommen werden wird, und

Fig. 13abis 13h schematische Darstellungen verschiedener verschachtelter Muster, die bei den Einrichtungen gemäß der Erfindung möglich sind.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte bekannte Einrichtung enthält eine Photosensormatrix 10, eine Zwischenspeichermatrix 12, die zur temporären Speicherung dient und die gleiche Anzahl von Plätzen hat wie die Matrix 10, und ein Ausgangsregister 14, das ebensoviela Stufen hat, wie die Matritzen IO und 12 Spalten haben. Die Baugruppen 10, 12 und 14 werden manchmal auch als A-, B- bzw. C-Register bezeichnet. Jeder Platz oder jede Stufe enthält zwei Elektrodenanordnungen K und L. Fig. 3 zeigt die Elektroden einer Matrixstufe im Querschnitt, gesehen von der linken Seite der Fig. 1 aus. Wie aus Fig. 3 ersichtlidi ist, kann eine Elektrodenanordnung,

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wie die Elektrodenanordnung K, bei einem Zweiphasensystern ein Paar von Elektroden k., und k_ enthalten. Die Elektrode k₂ ist vorzugsweise aus Polysilizium hergestellt, während die Elektrode k₁ aus Aluminium bestehen kann, und beide Elektroden werden durch dieselbe Phasen spannung 0 .. gesteuert. Die Elektrodenanordnung L ist ähnlich ausgebildet und wird durch die andere Phasenspannung 0 ₂ gesteuert.

Bei Betrieb ohne Verschachtelung (weder vertikal noch horizontal) kann die Elektrodenanordnung K während der sogenannten "Integrationszeit" (die der Belichtungszeit bei der Photographie entspricht) auf einer Spannung solchen Wertes gehalten werden, daß im Substrat Verarmungszonen entstehen. Die Elektrodenanordnung L kann auf einer Spannung solchen Wertes gehalten werden, daß sich Potentialwälle zwischen den Verarmungszonen bilden. Es sind ferner sogenannte Kanalsperren oder Kanaltrenner vorhanden (siehe z.B. Fig. 2a und 2b), die verhindern, daß Ladungen von einem Kanal in einen Nachbarkanal gelangen. Unter diesen Voraussetzungen bewirkt Strahlungsenergie, z.B. ein durch sichtbares oder infrarotes Licht dargestelltes Bild, die auf die Einrichtung fällt, das an den jeweiligen Photosensorplätzen ein Ladungssignal erzeugt und angesammelt wird. Die Anzahl der Ladungsträger, die sich während der Integrationszeit an den verschiedenen Plätzen ansammeln, ist proportional dem Betrag der auf den betreffenden Platz fallenden Strahlungsenergie und dieser ist wiederum proportional der Strahlungsintensität sowie der Dauer der Integrationszeit. Die Matrix 12 und das Register 14 sind abgeschirmt, so daß die Strahlung diese Strukturen nicht erreichen kann.

Am Ende der Integrationszeit werden die Ladungsträger von der Photosensormatrix 10 in die Zwischenspeichermatrix 12 übertragen oder verschoben. Die Verschiebung erfolgt bei dem dargestellten Beispiel durch zwei Gruppen von zweiphasigen Spannungen 0_A1 , 0_A2 und 0_ß1, 0_ß2· <^Ein Dreiphasen- oder

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Vierphasenbetrieb wäre ebenfalls möglich.) Während dieses Verschiebungsvorganges sind 0_A1 = 0_B1 und 0_A2 = 0_ß2. Nachdem die durch die Photosensormatrix 10 ermittelte Information als ganzes (parallel) in die Zwischenspeichermatrix 12 verschoben worden ist₇ wird sie aus der Zwischenspeichermatrix 12 Zeile für Zeile in das Ausgangsregister 14 verschoben. Während der Verschiebung der Signale aus der Zwischenspeichermatrix 12 in das Register 14 kann die Photosensormatrix 10 wieder in den Zustand gebracht werden, in dem sie ein Lihtbild zu empfangen vermag.

Die Verschiebung des Inhalts der Zwischenspeichermatrix 12 in das Ausgangsregister 14 erfolgt durch die zweiphasigen Spannungen 0 .. 0_B2· Jedesmal nachdem eine Zeile Information von der Zwischenspeichermatrix 12 parallel in das Ausgangsregister 14 geschoben worden ist, wird sie durch die zweiphasigen Spannungen 0_-, 0_₂ seriell aus dem Ausgangsregister 14 auf eine Ausgangsleitung 20 übertragen. Die letzterwähnten Spannungen haben selbstverständlich eine wesentlich höhere Frequenz als die zweiphasigen Spannungen 0 .. und 0_B2/ damit eine Entleerung des Ausgangsregisters 14 vor dem Eintreffen der nächsten Informationszeile gewährleistet ist.

In der Praxis kann die Verschiebung des Inhalts der Photosensormatrix 10 in die Zwischenspeichermatrix 12 während einer Zeitspanne erfolgen, die der Vertikalaustastzeit im kommerziellen Fernsehen entspricht, d.h. während einer Zeitspanne von z.B. 900 μβ. Die Speicherung im Ausgangsregister 14 kann beispielsweise in 10 με entsprechend der Zeilenrücklaufzeit erfolgen und das bitweise Verschieben des Inhalts dieses Registers zu einer Ausgangsklemme kann während einer Zeilendauer, also etwa 50 p.s durchgeführt werden.

Eine vertikale Verschachtelung der von der Einrichtung gemäß Fig. 1 herausgelesenen Information kann in

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der in den Figuren 2a und 2b dargestellten Weise erfolgen. In diesen Figuren sind schematisch die Elektrodenanordnungen sowie Kanaltrenner 30a, 30b und 30c dargestellt. Während abwechselnder Teilbild- oder Rasterzeiten ( z.B. entsprechend dem Teilbild oder "Raster 1", wie es in Fig. 2a angegeben ist) findet eine Ansammlung von Ladungen unter den Elektroden K statt, was schematisch durch Kreuzschraffur dieser Elektroden angedeutet ist. Dies ist auch in Fig. 3 dargestellt, deren Diagramm a) zeigt, daß die Elektrodenanordnung K auf einer solchen Spannung gehalten wird, daß unter dieser Elektrodenanordnung relativ tiefe Potentialmulden erzeugt werden, während die Elektrodenanordnungen L auf einer Spannung solchen Wertes gehalten werden, daß Sperren oder Potentialwälle zwischen den Elektrodenanordnungen K entstehen. Nach der Ansammlung der Ladungen während der Integrationszeit werden diese Ladungen in Gänze (also parallel) von der Photosensormatrix 10 in die Zwischenspeichermatrix 12 übertragen und dann von letzterer zeilenweise in das Ausgangsregister 14, wie bereits erwähnt worden ist.

Während die Information aus der Zwischenspeichermatrix 12 herausgelesen wird, läßt man in der Photosensormatrix 10 ein zweites Teilbild oder Raster von Information sich ansammeln, wie in Fig. 2b durch die Angabe "Raster 2" angedeutet ist. Man beachte jedoch, daß sich die Ladungen nun unter den Elektrodenanordnungen L ansammeln, wie in Fig. 3 bei b) dargestellt ist, und nicht mehr unter den Elektrodenanordnungen K.

Bei der eben beschriebenen Einrichtung hat das Ausgangsregister 14 ebensoviele Stufen wie die Anordnung oder Matritzen Spalten enthält. Bei dem Beispiel gemäß Fig. 1 haben die Matritzen also eine Anzahl Q Spalten und das Ausgangsregister 14 enthält Q Stufen. Die i-te Spalte der Matritzen

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wird in die i-te Registerstufe verschoben, wobei i eine ganze Zahl mit den Werten 1, 2, ... Q ist.

Im folgenden soll als Anwendungsbeispiel der

Erfindung die horizontale Verschachtelung eines Ladungsmusters, das (beispielsweise in der oben beschriebenen Weise) vertikal verschachtelt ist, erläutert werden. Dies stellt die bevorzugte Betriebsart dar, da die Auflösung in zwei Richtungen verbessert wird und sowohl durch vertikale als auch durch horizontale Effekte verursachte Moire-Muster verringert werden. Die vorliegende Erfindung läßt sich selbstverständlich aber auch auf die horizontale Verschachtelung von Mustern anwenden, die nicht vertikal verschachtelt sind.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Horizontalverschachtelung eines vertikal verschachtelten Musters ist in den Figuren 4a und 4b dargestellt. Jeder Kanal (Spalte) der Matrix ist hier in zwei Kanäle unterteilt, in dem ein zusätzlicher Kanaltrenner vorgesehen wird, der in der Mitte jedes Kanals nach unten führt. Zwischen den Kanaltrennern 30a und 30b befindet sich also ein weiterer Kanaltrenner 31a und zwischen den Kanaltrennern 30b und 30c ein weiterer Kanaltrenner 31b usw. Diese Kanaltrenner erstrecken sich über die ganze Länge der Photosensormatrix 10 und Zwischenspeichermatrix 12 nach unten. Das Ausgangsregister 14 bleibt jedoch unverändert. Für jeweils zwei Kanäle ist also nun jeweils nur eine Registerstufe vorhanden.

Die beschriebene Einrichtung arbeitet, wie in

den Figuren 4a und 4b angedeutet ist, wie folgt: Während jeder zweiten Rasterperiode findet eine Ladungsansammlung unter den Elektrodenanordnungen K jeder Spalte statt. Diese abwechselnden Rasterperioden sollen im folgenden willkürlich als "ungeradzahlige¹¹ Rasterperioden bezeichnet werden. Nachdem die La-

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dungen von der Photosensormatrix durch die Zwischenspeichermatrix 12 geschoben worden sind, werden jedoch die Ladungen aus zwei benachbarten Spalten, wie J und J, , in einer einzi-

el JD

gen Stufe J des Ausgangsregisters 14 vereinigt. Es werden also beispielsweise die Ladungen unter den Elektrodenanordnungen 32a und 32b vereinigt und in der Stufe J des Ausgangsregisters 14 gespeichert. Zu einem späteren Zeitpunkt werden die Ladungen unter den Elektrodenanordnungen 34a und 34b vereinigt und in die Stufe J gebracht usw. Die Vereinigung erfolgt mittels des Ausgangsregisters 14 und der Art und Weise, in der die Spannungen an die Elektroden des Ausgangsregisters 14 gelegt werden, um die Übertragung der letzten Informationszeile von der Zwischenspeichermatrix 12 in das Ausgangsregister 14 zu bewirken. Hierauf wird im folgenden noch näher eingegangen.

Während der übrigen Raster, die hier willkürlich als "geradzahlige" Raster bezeichnet werden sollen, findet die Integration oder Ansammlung von Ladungen nicht unter der Elektrodenanordnung K sondern unter der Elektrodenanordnung L statt; hier werden jedoch nun während des Herausschiebens der Information aus der Matrix andere Spalten vereinigt. Während bei den ungeradzahligen Rasterperioden die in den Spalten J und JV vorhandenen Ladungssignale kombiniert und in die Stufe J gebracht werden, werden während der geradzahligen Rasterperioden die in den Spalten J, und (J+1) vor-

Jd a

handenen Ladungssignale vereinigt und in der Stufe J gespeichert, wie in Fig. 4b dargestellt ist. Beispielsweise werden während einer vorgegebenen Periode die Ladungen unter den L-Elektroden 33b und 33c vereinigt, später dann die Ladungen unter den Elektroden 35b und 35c_# usw.

Das Ergebnis dieser in den Fig. 4a und 4b dargestellten Arbeitsweise besteht in einer sowohl vertikalen

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als auch horizontalen Verschachtelung mit den Vorteilen einer erhöhten Vertikal- und Horizontalauflösung und einer sehr beträchtlichen Verringerung von Moire-Mustern. Die erforderlichen Abänderungen sind verhältnismäßig klein. Man braucht einen zusätzlichen Kanaltrenner zwischen jedem Paar bereits vorhandeiEr Kanaltrenner; diese zusätzlichen Kanaltrenner können jedoch gleichzeitig mit den üblichen Kanaltrennern aufgebracht werden. Alternativ kann man auch für die Herstellung der Kanaltrenner 31 dieselbe Maske verwenden wie für die Kanaltrenner 30, indem man die Maske für einen zusätzlichen Photolackbeschichtungsschritt verschiebt. Für die Elektroden werden keine neuen Masken benötigt.(Man beachte, daß diese Elektroden in den Figuren 4a und 4b zwar als Einzelblöcke dargestellt sind, dies stellt jedoch eine starke Vereinfachung dar. In der Praxis enthalten die Elektroden k^ einer Zeile einen einzigen Leiter, wie eine Metallschicht. Dasselbe gilt für die Elektroden k₂, I₁ und I₂ einer Zeile. Wie gleich ersichtlich werden wird, besteht die einzige andere Änderung, die erforderlich ist, in der Art und Weise, in der die Spannungen an die Elektroden des Ausgangsregisters 14 angelegt werden.)

Die Figuren 5a und 5b zeigen eine Möglichkeit der Horxzontalverschachtelung von Information, die durch eine Dreiphasenanordnung wahrgenommen wurde. Während der ungeradzahligen Rasterperioden findet die Integration unter den Elektrodenanordnungen K statt und der Inhalt der verschiedenen Spaltenpaare, wie J und J, wird in entsprechende Register-

a Jj

stufen, wie die J-te Stufe geschoben. Z.B. können die Ladungssignale in den Stufen J_a und JV in die Potentialmulde unter der 02~Elektrode der J-ten Stufe geschoben werden.

Während der geradzahligen Rasterperioden kann

die Integration unter den Elektrodenanordnungen L und M stattfinden, wie in Fig. 5b dargestellt ist. Die in den Spalten J_fa

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-10-
und (J+1) vorhandenen Ladungssignale können nun in die Po-

3.

tentialmulde unter der 0^-Elektrode der J-ten Stufe und die 0₁-Elektrode der (J+1)-ten Stufe geschoben werden. Während des folgenden Schrittes, der in Fig. 5b dargestellt ist, kann die den 0₁-Elektroden zugeführte Spannung so geändert werden, daß die Potentialmulde unterhalb dieser Elektroden zusammenbricht oder verschwindet, so daß das unter den 0₁-Elektroden gespeicherte Ladungssignal in die verbliebenen Potentialmulden unter den 0₃~Elektroden entleert wird. Dieser zusätzliche Schritt soll gewährleisten, daß das Ladungssignal, das wäh^ rend der geradzahligen Rasterperioden aus den Spalten J, und (J+1) herausgeschoben wird, in derselben Registerstufe an-

kommt wie das Ladungssignal, das während der ungeradzahligen Rasterperioden aus den Spalten J und J, herausgeshoben wird.

Sowohl in den beiden Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 4 und 5 als auch in den später erläuterten Ausführungsbeispielen müssen die während der geradzahligen Rasterperioden aus dem Ausgangsregister 14 verschobenen Signale zeitlich im Effekt bezüglich der aus dem Ausgangsregister während der ungeradzahligen Rasterperioden herausgeschobenen Signale verschoben werden, um eine Verschachtelung in dem später wiedergegebenen Bild zu erreichen, d.h. um zu gewährleisten, daß die ungeradzahligen Raster in der Wiedergabeeinrichtung (wie einer Fernsehbildröhre) in derselben Relativlage erscheinen, wie sie von der Phtosensormatrix empfangen worden waren, und daß die geradzahligen Raster in einer Lage wiedergegeben werden, die der entspricht, mit der sie in der Photosensormatrix empfangen worden waren(oben wurde der Begriff "effektiv" verwendet, da man das gewünschte Ergebnis auch durch entsprechende Einstellung des Zeitpunktes erreichen kann, in dem die Zeilensynchronxsierimpulse auftreten.) Für die Steuerung dieser Verzögerung können konventionelle Schaltungen verwendet werden.

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Fig. 6 zeigt beispielsweise den praktischen

Aufbau einer Anordnung zur Addition der Ladungssignale in den Spalten eines Zweiphasensystems. In Fig. 6 sind nur die PoIysiliziumelektroden dargestellt, um die Zeichnung einfach zu halten. Auch der Kanaltrenner, der den unteren Rand des Ausgangsregisters 14 begrenzt, ist nicht dargestellt. Fig. 7, auf die weiter unten Bezug genommen wird, zeigt zusätzlich die Aluminiumelektroden des Ausgangsregisters 14 und den unteren Kanaltrenner. Bei der folgenden Erläuterung wird sowohl auf die Fig. 6 als auch auf die Fig. 8 Bezug genommen.

In Fig. 8 sind die zweiphasigen Spannungen dargestellt, die den Elektroden der Zwischenspeichermatrix 12 zugeführt werden. Fig. 6 zeigt jedoch nur die letzte, mit der Spannung 0_B2 gespeiste Elektrode 40 dieser Matrix. Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, nimmt die Spannung 0_C1 nach der Integrationszeit für das Raster 2 jedesmal dann einen hohen Wert an, wenn die Spannung 0_₂ der letzten Zeile von Polysiliziumelektroden 40 der Zwischenspeichermatrix 12 zugeführt wird. Es wird angenommen, daß das Substrat 42 aus p-leitendem Material besteht und die Minoritätsträger in ihm daher Elektronen sind. Wenn 0 „ einen hohen Wert annimmt, wandert das aus Elektronen bestehende Ladungssignal zur Elektrode 40. Die Spannung 0„* nimmt gleichzeitig mit 0„₂ einen hohen Wert an, so daß die Ladungssignale in den Kanälen J, und (J+1) zu der Potentialmulde unter der Polysiliziumelektrode 42 der J-ten Stufe wandern. In entsprechender Weise wandern die Ladungssignale im Kanal (J-D₁. und J in die Potentialmulde unter der Polysilizi-

J3 el

umelektrode 44 der (j-1)-ten Stufe des Ausgangsregisters 14 usw.

Nachdem die Information im Ausgangsregister gespeichert worden ist, wird 0 ₂ niedrig, um zu verhindern, daß das Ladungssignal im Register 40 zurück in die Zwischenspeichermatrix 12 wandert, wenn 0 * niedrig wird. Als näch-

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erfolgt das mit hoher Frequenz ablaufende Lesen des Registers 14. Dieses Lesen erfolgt dadurch, daß an die Elektroden des Ausgangsregisters 14 die hochfrequente Mehrphasenspannung 0_c1, 0 2 angelegt wird, wie Fig. 8 schematisch zeigt.

Während der Zeitspanne, in der das zweite Raster aus der Zwischenspeichermatrix 12 herausgelesen wird, erfolgt die Integration des ersten Rasters in der Photosensormatrix Es wird dann in die Zwischenspeichermatrix 12 übertragen und von dieser in das Ausgangsregister, wie es in Fig. 6 und in Fig. 8 bei "Raster 1^M dargestellt ist. Man sieht, daß 0_C1 niedrig ist und 0_₂ ansteigt, wenn 0 ₂ ansteigt. Infolge dieser Spannungsverläufe wandern die in den Kanälen J und J, vorhandenen Ladungssignale zu der Potentialmulde unter der Polysiliziumelektrode 46 der Stufe J. In entsprechender Weise wandern die Ladungssignale in den Kanälen (J+l) und (J+l), zu der Potentialmulde unter der Polysiliziumelektrode 48 der Stufe (J+l) des Ausgangsregisters 14 usw. Im übrigen dürfte die Arbeitsweise aus den obigen Erläuterungen ersichtlich sein.

In Fig. 7 sind Aluminiumelektroden (ALU) dargestellt, die die Polysiliziumelektroden (POLY-Se) überlappen. Die 0_r1-Aluminiumelektrode kann, wie dargestellt, permanent mit der 0_C1-Polysiliziumelektrode verbunden sein. Die 0ρο~ Aluminiumelektrode 71 wird während der Ladungsübertragung in das Ausgangsregister 14 auf einer Spannung +V gehalten und mit 0 j verbunden, während die Ladungen das Ausgangsregister 14 entlang laufen. Die Spannung +V hat einen solchen Wert, daß unter einer Elektrode 71 eine Potentialmulde entsteht, die tiefer ist als die unter der Elektrode 40 und flacher als unter den gewählten oder angesteuerten Polysiliziumelektroden des Ausgangsregisters 14 während der Ladungsübertragung in das Ausgangsregister 14. Zum Anschalten der Spannungen +V oder 0_₂ dient in der Praxis ein elektronischer Schalter, der in der

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Zeichnung schematisch als mechanischer Schalter dargestellt ist.

Fig. 9 zeigt den Aufbau des Ausgangsteiles

einer für Dreiphasenbetrieb ausgelegten Ausfuhrungsform der Erfindung. Jeder zweite Kanaltrenner, wie 9O₇ 92 usw., ist am Ende verjüngt, so daß die Kanäle an den Enden verbreitert sind und die Ladungsübertragung erleichtert wird, wie gleich erläutert werden soll. Die übrigen Kanaltrenner 94, 96 usw. sind an ihren Enden verbreitert, um den Ladungsfluß zu lenken.

Bei der folgenden Erläut^ang der Arbeitsweise dieser Einrichtung wird sowohl auf die Fig. 9 als auch die Fig. 10 Bezug genommen. Fig. 10 zeigt die dreiphasigen Spannungen für die Zwischenspeichermatrix entsprechend der Zwischenspeichermatrix 12 in Fig. 1, in Fig. 9 ist jedoch lediglich die letzte Elektrode 98 der Dreiphasenelektroden dieser Matrix dargestellt. Auch hier soll das Substrat p-leitend sein, so daß die Minoritätsträger Elektronen sind. Im Betrieb beginnt im Zeitpunkt t_ der Rasterperiode 1 die Übertragung von Ladung in die unter der Elektrode 98 erzeugte Potentialmulde. Diese und die anderen Elektroden können aus Aluminium gebildet sein. Die betreffende Ladung wird anschließend zur Potentialmulde unter den 0_c2-Elektroden, wie der Elektrode 100, übertragen. Man beachte, daß sich diese Elektrode 100 während der Zeitspanne von t_Q bis t.. auf einer verhältnismäßig positiven Spannung befindet, während die sie umgebenden Elektroden 102, 104 auf einem weniger positiven Potential liegen. Nachdem die Ladungen übertragen worden sind, werden sie anschließend durch Anlegen der dreiphasigen Spannungen 0 *_r0_c2 und 0 ₃ aus dem Register herausgeschoben. In Fog.10 ist der zeitliche Ablauf nicht maßstabsgerecht dargestellt, er entspricht in der Praxis einer Fernsehnorm.

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Die Übertragung des zweiten Rasters ist in Fig. 10 rechts dargestellt. Während der Zeitspanne t₂~t_ werden die Ladungen unter die letzte Elektrode 98 an den Enden der Kanäle der Zwischenspeichermatrix 12 und dann in die Potentialmulde unter den 0_C1~ und 0_p3~ Elektroden übertragen. Bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Ladungen von den Kanälen J und (J+1) unter die Elektrode 104 der Stufe J und die Elektrode 106 der Stufe (J+1) übertragen. Es sei daran erinnert, daß während der Rasterperiode 1 Ladungen von einem anderen Kanalpaar (J und J, ) in die Re-

a ο

gisterstufe J übertragen wurden. Anschließend an die Ladungsübertragung während der Zeitspanne t₂~t₃ wird die Ladung unter der Elektrode 106 unter die Elektrode 104 gebracht, wie durch den Pfeil 107 angedeutet ist. Diese Übertragung findet während der Zeitspanne t.-t_g (Fig.10) statt. Während dieser Zeitspanne wird 0_C1 niedrig, während 0p« hoch bleibt, so daß die Potentialmulden unter den 0 ..-Elektroden, wie der Elektrode 106 in die Potentialmulden unter den 0_₃-Elektroden, wie der Elektrode 104, entleert werden. Nachdem die Übertragung fertig ist, beginnen die Mehrphasenspannungen 0_C*, 0 _,„ und 0_r~ und die Ladungssignale werden aus dem Register herausgeschoben.

Fig. 11 zeigt eine etwas andere Konfiguration der Kanaltrenner und eine etwas andere Anordnung der Aluminiumelektroden des Ausgangsregisters 14 bezüglich der Kanaltrenner. Die Arbeitsweise ist in Fig. 12 dargestellt. Während der Zeitspanne t_ bis t.. des Rasters 1 werden die Ladungssignale in den Kanälen, z.B. J und J, zu den 0_Γ,_Λ- und

a D ei

0_C2-Elektroden, wie den Elektroden 110 und 112 bei der Stufe J übertragen. Eine kurze Zeit später werden während der Zeitspanne t₂ bis t₃ die unter den Elektroden, wie der Elektrode 110, befindlichen Ladungen unter die benachbarte Elektrode, wie die Elektrode 112, geschoben, wie schematisch durch den

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Pfeil 114 (Fig. 11) angedeutet ist. Der Inhalt des Ausgangsregisters 14 wird dann aus diesem herausgeschoben.

Während des Intervalles t, bis t₅ der Rasterperiode 2 werden die in den Kanälen, wie J, und (J+l) vorhandenen Ladungssignale in die Potentialmulden unter den 0 ₂- und 0-,.,-Elektroden, wie 112 und 116, der Stufe J verschoben. Später während der Periode, d.h. während der Zeitspanne tg bis t- wird 0_₃ niedrig, so daß sich die Potentialmulden unter den 0_₃-Elektroden, wie der Elektrode 116, in die Potentialmulden unter den 0 ₂-Elektroden, wie der Elektrode 112, entleeren. Dies ist schematisch durch den Pfeil 118 dargestellt. Der Inhalt des Ausgangsregisters 14 wird dann durch Anlegen der Spannungen 0_c1, 0_c2 und 0_C3 aus dem Register herausgeschoben.

Bei den obigen Erklärungen wurde die Übertragung lediglich einer Informationszeile besprochen, selbstverständlich werden alle Zeilen eines Rasters aus der Zwischenspeichermatrix 12 in das Ausgangsregister 14 verschoben, bevor die Zeilen des nächsten Rasters aus der Zwischenspeicharmatrix 12 herausgeschoben werden. Es sei ferner bemekrt, daß die drei dargestellten Ausgangsanordnungen, die eine für zwei Phasen und die anderen für drei Phasen, nur Beispiele darstellen und daß auch noch andere Alternativen existieren. Das mit vertikaler Verschachtelung arbeitende Dreiphasensystem ist ebenfalls nur beispielsweise angeführt. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Integration beispielsweise während der ungeradzahligen Raster unter den Elektrodenanordnungen K und L, und während der geradzahligen Raster unter den Elektrodenanordnungen M erfolgen.

Fig. 13 zeigt verschiedene verschachtelte Muster bei der Wiedergabe. Das Muster gemäß Fig. 13a ist Ie-

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diglich in Vertikalrichtung verschachtelt, wie es in Verbindung mit den Fig. 2a und 2b erläutert wurde. Das Raster 1 ist durch Kreise und das Raster 2 durch Kreuze dargestellt.

Die Figuren 13b und 13c zeigen Muster, die sowohl vertikal als auch horizontal verschachtelt sind und beispielsweise in der in Verbindung mit Fig. 4a und 4b erläuterten Weise erhalten werden können. Bei dem Muster gemäß Fig. 13b ist das Vertikalraster 2 bezüglich des Vertikalrasters um eine Spalte nach rechts verschoben. Die Zeilen in einem vorgegebenen Vertikalraster haben jeweils die gleiche horizontale Relativlage. In Fig. 13c ist das Vertikalraster 2 bezüglich des Vertikalrasters 1 horizontal um eine Spalte nach links verschoben. Auch hier haben alle Zeilen innerhalb eines vorgegebenen Vertikalrasters die gleiche horizontale Relativlage.

Bei der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, die horizontale Verschachtelung während eines einzigen Rasters von Zeile zu Zeile zu ändern. Solche Arten der Verschachtelung sind in den übrigen Figuren dargestellt. In Fig. 13d sind beispielsweise die geradzahligen Zeilen 2, 4, 6 usw. (es sind nur drei Zeilen jedes Rasters dargestellt) des Rasters 1 bezüglich der ungeradzahligen Zeilen 1, 3, 5 usw. desselben Rasters um eine Spalte nach rechts verschoben. In entsprechender Weise sind im Vertikalraster 2 die Zeilen 2, 4, 6 usw. bezüglich der Zeilen I₇ 3, 5 usw. um eine Spalte nach rechts verschoben.

Fig.l3e entspricht Fig. 13d mit der Ausnahme, daß in jedem Raster die zweite, vierte, sechste Zeile usw. um eine Spalte bezüglich der ersten, dritten, fünften Zeile usw. nach links verschoben sind (auch hier sind jeweils für jedes Raster nur drei Zeilen dargestellt).

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Fig. 13f zeigt wieder ein anderes Muster. Hier sind die erste Zeile des Rasters 2 und die zweite Zeile des Rasters 1 bezüglich der ersten Zeile des Rasters J. um eine Spalte nach rechts verschoben. Die zweite Zeile des Rasters 2 und die dritte Zeile des Rasters 1 fluchten horizontal mit der ersten Zeile des Rasters 1. Bei einer nicht dargestellten anderen Möglichkeit, die der gemäß Fig. 13f ähnelt, wird ein zum Muster gemäß Fig.l3f komplementäres Muster im folgenden Sinne erzeugt: Die erste Zeile des Vertikalrasters 2 und die zweite Zeile des Rasters 1 sind bezüglich der ersten Zeile des Vertikalrasters 1 um eine Spalte nach links verschoben. Die zweite Zeile des Vertikalrasters 2 und die dritte Zeile des Rasters 1 haben dieselbe horizontale Relativlage wie die erste Zeile des Vertikalrasters 1.

Die Figuren 13g und 13h zeigen Muster mit

noch komplizierterer Vertikal- und Horizontal-Verschachtelung. In den oben beschriebenen Mustern wird jeder Punkt oder Platz im Raster während jeder Rasterperiode, die aus zwei aufeinanderfolgenden Rastern besteht, abgetastet. Bei den Mustern gemäß Fig. 13g und 13h wird ein vorgegebener Punkt oder Platz nur während jedes vierten Rasters abgetastet. Es stellen also dar die kleinen Kreise das Raster 1, die Diagonalkreuze das Raster 2, die großen Kreise das Raster 3 und die Kreuze aus vertikalen und horizontalen Strichen das Raster 4.

Da die Punkte oder Plätze bei den Verschachtelungen gemäß Fig. 13g und 13h nur jeweils jedes vierte Raster abgetastet werden, ist die Abtastfrequenz bei vorgegebener Rasterfrequenz hier kleiner als bei den vorangegangenen Systemen. Beim kommerziellen Fernsehen wäre z.B. die Abtastfrequenz 15 statt 30 Hz und bei dieser Frequenz könnte ein Flimmern auftreten. Dies ist jedoch nicht unbedingt nach-

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teilig, wenn irgend ein anderes Integrationsmittel als das menschliche Auge verwendet wird, z.B. eine Kamera.

Die in den Fig. 13b bis 13h dargestellten Muster lassen sich offensichtlich alle durch die Erfindung realisieren. Die gewünschte horizontale Verschachtelung wird durch Anlegen geeigneter Spannungen an die Elektroden des Ausgangsregisters 14 bewirkt. Bei den im einzelnen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung werden für jede Zeile eines Vertikalrasters die gleichen Spannungen verwendet, so daß man dann das Muster gemäß Fig. 13b oder 13c erhält. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 13d bis 13h werden die den Elektroden des Ausgangsregisters 14 zugeführten Spannungen in jedem Vertikalraster von Zeile zu Zeile geändert, so daß sich die komplizierteren Verschachtelungsmuster ergeben. Welches spezielle Muster man für eine gegebene Anwendung wählt, hängt von Konstruktionsbedingungen, wie Abtastzeit, Spalten- und Zeilenzahl, zulässige Flimmerfrequenz, Art der Verwendung des wiedergegebenen Bildes, wie für optische Betrachtung oder photographische Aufnahme, gewünschte Bildintensität usw. ab.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß sie die Realisierung eines ladungsgekoppelten Bilderzeugers gestattet, der sich für kommerzielle 525-Zeilen-Fernsehsyteme eignet. Bei den derzeit in der Entwicklung befindlichen ladungsgekoppelten Bilderzeugern oder Bildaufnahmeeinrichtungen kann man vertikaler Verschachtelung arbeiten und 512 Zeilen für die Wiedergabe durch einen üblichen Fernsehmonitor erzeugen. Mit diesen im Entwicklungszustand befindlichen Einrichtungen lassen sich jedoch nicht die Forderungen erfüllen, die beim kommerziellen Fernsehen für die Bildelementauflösung inHorizontalrichtung gefordert wird. Dies hat seinen Hauptgrund darin, daß es beim derzeitigen

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Stand der Technik nicht möglich ist, die für eine genügende Anzahl von Stufen im Ausgangsregister 14 erforderliche Packungsdichte zu erreichen.

Nach diesseitiger Kenntnis enthalten die größten derzeitigen Entwicklungsmuster von Einrichtungen der hier interessierenden Art 320 Spalten oder Kanäle, die jeweils etwa 30 bis 40 μπι breit sind. Diese Abmessung begrenzt die Breite einer Elektrode. Beim Stand der Technik muß das Ausgangsregister 14 für jede Spalte eine Stufe enthalten. In einem Zweiphasensystem enthält eine solche Stufe zwei Elektrodenpaare und die Gesamtlänge dieser zwei Elektrodenpaare darf nicht größer sein als etwa eine Kanalbreite, d.h. 30 bis 40jim. Mit den modernen photolithographischen Verfahren ist es möglich, die Elektroden so schmal zu machen, daß sie bei den oben angegebenen Dimensionen in den verfügbaren Platz passen.

Wenn man zur Erhöhung der Auflösung die doppelte Anzahl von Spalten verwendet, wie es hier vorgeschlagen wird, ständen bei einer Konstruktion gemäß dem Stand der Technik für jede Stufe des Ausgangsregisters 14 nur 15 bis 20 μπι (in Längenrichtung) zur Verfügung. In diesem Raum müßten dann zwei Elektrodenpaare untergebracht werden, was jedoch bei Verwendung der üblichen photolithographischen Verfahren nicht möglich ist. Außerdem müßte das Register mit einer entsprechend hohen Frequenz getaktet werden, damit die Information aus dieser großen Anzahl von Stufen in 50 μβ (gemäß der US-Fernsehnorm) herausgeschoben werden kann. Eine solche Betriebsfrequenz wäre zwar möglich, sie würde jedoch hohe Anforderungen an das ladungsgekoppelte Ausgangsregister 14 stellen und höhere Steuerleistungen erfordern.

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Bei der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl der Spalten in der Matrix verdoppelt werden, da man für jeweils zwei Spalten nur eine Stufe im Ausgangsregister benötigt. Dies bedeutet, daß das Ausgangsregister, wie bisher, nur 320 Stufen zu haben braucht. Für jede Stufe stehen also immer noch 30 bis 40 μΐη Raum zur Verfügung, so daß die Realisierung unter Verwendung üblicher photolithographischer Verfahren möglich ist. Für das Taktsignal wird eine Frequenz von nur 6,4 MHz benötigt, was einen vernünftigen Wert darstellt. Mit den oben erläuterten geringfügigen Abwandlungen ist es nun also möglich, die vom kommerziellen Fernsehen an das Auflösungsvermögen gestellten Anforderungen mit den verfügbaren ladungsgekoppelten Matrizen und Einrichtungen zu erfüllen.

Anstatt mit den ein p-leitendes Substrat enthaltenden ladungsgekoppelten Bildaufnahmeeinrichtungen läßt sich die Erfindung selbstverständlich auch mit Einrichtungen realisieren, die ein η-leitendes Substrat enthalten. Die Erfindung läßt sich bei ladungsgekoppelten Einrichtungen sowohl mit Oberflächenkanal als auch mit vergrabenem Kanal anwenden. Anstelle der beschriebenen Zweiphasen- und Dreiphasensysteme können auch Systeme mit noch mehr Phasen verwendet werden.

, Bei den verschiedenen Ausführungsbexspielen der Erfindung, die oben beschrieben wurden, erfolgte die horizontale Verschachtevlung dadurch, daß die in zwei Spalten der Matrix nach unten geschobenen Signale in einer Stufe der Anordnung vereinigt wurden, auch in dieser Hinsicht gibt es jedoch Alternativen. Bei einem Dreiphasensystem_r bei dem jede Stufe der Matrix beispielsweise drei Elektrodenanordnungen K, L und M enthält, kann z.B. eine Vertikalverschachtelung auf folgende Weise bewirkt werden: Während eines ge-

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gebenen Rasters speichern die Bereiche entsprechend der K-Elektroden Ladungen, die abgetastet werden; während eines zweiten Rasters speichern die Bereiche entsprechend den L-Elektroden Ladungen, die abgetastet werden und während des dritten Rasters speichern die Bereiche entsprechend den M-Elektroden Ladungen, die abgetastet werden. Die horizontale Verschachtelung wird in folgender Weise bewirkt: Während des ersten Rasters werden die Ladungssignale aus den Spalten J .

J, und (J+1) in der Stufe J vereinigt; während des zweiten

JD el

Rasters werden die Ladungssignale aus den Spalten J_b, (J+1) und (J+1), in der Stufe J vereinigt und während des dritten Rasters werden die Ladungssignale aus den Spalten (J^-Dt₃/ J und J, in der Stufe J vereinigt. Generell können in einem N-Phasensystem N Spalten in einer einzigen Ausgangsregisterstufe zusammengefaßt werden, was bedeutet, daß die Anzahl der Stufen im Ausgangsregister auf Q/N verringert werden kann, wobei Q die Anzahl der Spalten bedeutet.

Die in Fig. 3 zur Erläuterung der Erfindung

dargestellte spezielle Elektrodenstruktur stellt nur ein Beispiel für eine solche Elektrodenstruktur dar. Es sind viele andere geeignete Elektrodenstrukturen möglich und bekannt.

Bei den oben erläuterten Einrichtungen wurden die gleichen Phasenspannungen für die Matrizen 10 und 12 sowie das Ausgangsregister 14 oder anders ausgedrückt für das A-, B- und C-Register verwendet. Auch hier gibt es Alternativen. Z.B. können die Matrizen 10 und 12 mit zweiphasigen Spannungen und das Register 14 mit einer dreiphasigen Spannung betrieben werden. Dies würde eine doppelte vertikalverschachte^lung und eine dreifache Horxzontalverschachtelung ermöglichen. Bei einem zweiten Beispiel können die Matrizen 10 und 12 mit dreiphasigen Spannungen und das Register 14 mit zweiphasigen Spannungen betrieben werden. Dies gestattet eine

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dreifache Vertikalverschachtelung und eine zweifache Horizontalverschachtelung.

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Claims

Patentansprüche

ΓΐΛ Mit Ladungsübertragung arbeitende Bildaufnahmeeinrichtung, die eine Anordnung von Ladungsspeicherelementen, welche eine vorgegebene Anzahl Q von Spalten bilden, ferner ein mit dieser Anordnung gekoppeltes und von ihr Ladungssignale empfangendes Ausgangsregister, eine Vorrichtung zum zeilenweisen Herausschieben von Ladungssignalen aus der Anordnung, und eine Vorrichtung zum Herausschieben der Ladungssignale aus dem Ausgangsregister jeweils nach dem in dieses eine Zeile Ladungssignale übertragen worden ist, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Stufen (J, J+1, J+2...) im Ausgangsregister (14) ein Untervielfaches (Q/N) mit ganzzahligem Nenner (N) größer als 1 der Anzahl (Q) der Spalten in der Ladungsspeicherelementanordnung (12)ist; und daß Vorrichtungen vorgesehen sind, um während eines Zeitintervalles die von jeder i-ten ersten Gruppe (J , J,; (J+1) . (J+1)»;..) einer Anzahl N benachbarter Spalten und einer Zeile herausgelesenen Ladungssignale in einer entsprechenden Stufe (J; J+1; J+2;...) des Ausgangsregisters (14) vereinigt werden, wobei i = 1, 2, 3,...Q/N ist und um während eines anderen Zeitintervalles die aus jeder i-ten zweiten Gruppe (J, , (J+1) ; (J+1)_K, (J+2) ;...) von

JD el JD ei

N benachbarten Spalten und einer Zeile herausgelesenen Ladungssignale in einer entsprechenden Registerstufe zu vereinigen, wobei jede i-te erste Gruppe mindestens eine Spalte aus der i-ten zweiten Gruppe und mindestens eine andere Spalte, die nicht zur i-ten zweiten Gruppe gehört, enthält.

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2. Verfahren zum horizontalen Verschachteln zweier aufeinanderfolgender Raster oder Teilbilder eines Ladungsmusters, das in Spaltenrichtung aus einer mit Ladungs übertragung arbeitenden Bildsensoranordnung herausgelesen wurde, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Auflösungs- oder Bildelement in einer Zeile eines ersten Rasters die aus einer ersten Gruppe (J , J, ;

a, JJ

(J+l) ,(J+l) (J+1K; usw.) von N benachbarten Spalten (J ₇

öl el 3D el

J, , usw.) herausgelesenen Ladungssignale vereinigt werden und daß für jedes entsprechende Auflösungs- oder Bildelement in der erwähnten Zeile eines zweiten Rasters die aus einer zweiten Gruppe von N benachbarten Spalten (J, , (J+1) ;(J+1)^ (J+2) ;...) herausgelesenen Ladungssignale vereinigt werden,

CL

wobei N eine ganze Zahl größer als 1 ist und wobei jede erste Gruppe von N Spalten mindestens eine jedoch nicht alle Spalten der zweiten Gruppe enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gruppe N-1 Spalten aus der ersten Gruppe enthält.

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