DE2533404B2 - Verfahren und Einrichtung zum Verschachteln zweier aufeinanderfolgender Teilbilder eines Ladungsmusters - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zum Verschachteln zweier aufeinanderfolgender Teilbilder eines Ladungsmusters

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    • H04N25/72Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors using frame transfer [FT]

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum horizontalen Verschachteln zweier aufeinanderfolgender Felder oder Teilbilder eines Ladungsmusters, das in Spaltenrichtung aus einer mit Ladungsübertragung arbeitenden Bildsensoranordnung herausgelesen wurde. Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der Veröffentlichung von CH. Sequin »Interlacing in Charge-Coupled Imaging Devices« IEEE Trans. Electron Devices, VoL ED-20, No. 6, Juni 1973, S. 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, ein Verfahren und eine Einrichung zur horizontalen Verschachtelung von Ladungsmustern anzugeben, bei denen es sich um vertikal verschachtelte Muster handeln kann. Die erfindungsgemäßen Verfahrensmerkmale zur Lösung dieser Aufgabe sind im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 genannt, während eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens im Patentanspruch 4 gekennzeichnet ist
Mit der erfindungsgemäßen Horizontalverschachtelung läßt sich die Auflösung in Horizontalrichtung verbessern und das Entstehen von Moir6mustern weiter reduzieren. Bei der bisherigen Technik benötigte man zum Auslesen des Ladungsmusters ein Ausgangsregister, das für jede einzelne Spalte des Musters jeweils eine vollständige Stufe mit mehreren Einzelelektroden enthält Der horizontale Abstand zwischen den einzelnen Spalten mußte daher zwangsläufig so groß gehalten werden, wie es der vollen Breite einer Ausgangsregisterstufe entspricht Durch die erfindungsgemäße Verschachtelung ist es möglich, einzelnen Ausgangsregisterstufen jeweils mehr als eine Spalte des Ladungsmusters zuzuordnen, so daß die Spalten enger beieinanderliegen können, womit sich die Horizontalauflösung des Musters noch weiter erhöhen läßt als es allein schon dank der Honzontalverschachtelung
55 geschieht 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 zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten ladungsgekoppelten Bildaufnahmeeinrichtung;
F i g. 2a und 2b schematische Darstellungen eines bekannten Verfahrens a:ur vertikalen Verschachtelung der von einer Photosensormatrix in der Einrichtung gemäß F i g. 1 erzeugten Ladungssignale;
F i g. 3 eine realistischere Vertikalschnittansicht von Elektroden, die in der Einrichtung gemäß F i g. 1
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verwendet werden können, sowie eine graphische Darstellung von Oberflächenpotentialprofilen, wie sie während verschiedener Rasterintegrationen auftreten;
Fig.4a und 4b eine schematische Teildarstellung einer Ausführungsform einer Bildaufnahmecinrichtung gemäß der Erfindung, die ein vertikales ur.d 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 Verschachtelt gestattet;
F i g. 6 und 7 stark vergrößerte Draufsichten auf einen Teil des Ausgangsregisters gemäß der Einrichtung gemäß F i g. 1 mit schematischer Darstellung einer erfindungsgemäßen Betriebsart;
F i g. 8 eine graphische Darstellung des Verlaufes von Signalen, auf die bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung gemäß F i g. 6 und 7 Bezug genommen wird;
F i g. 9 eine Draufsicht auf einen Teil einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die für einen Dreiphasenbetrieb ausgelegt ist;
Fig. 10 eine graphische Darstellung des Verlaufes von Signalen, auf die bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig.9 Bezug genommen wird;
F i g. 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 F i g. 11 Bezug genommen werden wird, und
Fig. 13a bis 13h schematische Darstellungen verschiedener verschachtelter Muster, die bei den Einrichtungen gemäß der Erfindung möglich sind.
Die in F i g. 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 ebenso viele Stufen hat, wie die Matritzen 10 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 F i g. 3 zeigt die Elektroden einer Matrixstufe im Querschnitt, gesehen von der linken Seite der F i g. 1 aus. Wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, kann eine Elektrodenanordnung, wie die Elektrodenanordnung K, bei einem Zweiphasensystem ein Paar von Elektroden k\ und fe enthalten. Die Elektrode kt ist vorzugsweise aus Polysilizium hergestellt, während die Elektrode Art aus Aluminium bestehen kann, und beide Elektroden werden durch dieselbe Phasenspannung Φα ι gesteuert Die Elektrodenanordnung L ist ähnlich ausgebildet und wird durch die andere Phasenspannung Φα 2 gesteuert
Bei Betrieb ohne Verschachtelung (weder vertikal noch horizontal) kann die Elektrodenanordnung K während der sogenannten »Integrationszeit« (die der Belichtungszeit bei der Photographic 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. Fi g. 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 Phciosensorplätzen 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
ίο 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 Φ au Φα2 und Φβ\, Φβ\, Φβ2- (Ein Dreiphasen- oder Vierphasenbetrieb wäre ebenfalls möglich.) Während dieses Verschiebevorganges sind Φα\=Φβ\ und Φα2=Φβ2· Nachdem die durch die Photosensormatrix 10 ermittelte Information als ganzes (parallel) in die Zwischenspeichermatrix 12 verschoben worden ist, 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 Lichtbild zu empfangen vermag.
Die Verschiebung des Inhalts der Zwischenspeichermatrix 12 in das Ausgangsregister 14 erfolgt durch die zweiphasigen Spannungen Φβ\ Φβι- Jedesmal nachdem eine Zeile Information von der Zwischenspeichermatrix 12 parallel in das Ausgangsregister 14 geschoben worden ist wird sie durch die zweiphasigen Spannungen Φε ι, Φθ2 seriell aus dem Ausgangsregister 14 auf eine Ausgangsleitung 20 übertragen. Die letzterwähnten Spannungen haben selbstverständlich eine wesentlich höhere Frequenz als die zweiphasigen Spannungen Φ β ι und Φβ2, 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 us. Die Speicherung im Ausgangsregister 14 kann beispielsweise in 10 μβ entsprechend der Zeilenrücklaufzeit erfolgen und das bitweise Verschieben des Inhalts dieses Registers zu einer Ausgangsklemme kann während einer Zeilendauer, also etwa 50 |is durchgeführt werden.
Eine vertikale Verschachtelung der von der Einrichtung gemäß F i g. 1 herausgelesenen Information kann in der in den F i g. 2a und 2b dargestellten Weise erfolgen. In diesen Figuren sind schemalisch die Elektrodenanordnungen sowie Kanaltrenner 30a, 30b und 30c dargestellt Während abwechselnder Teilbildoder 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 Informationen 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 F i g. 3 bei b) dargestellt ist, und nicht mehr unter den Elektrodenanordnungen K.
Bei der eben beschriebenen Einrichtung hat das Ausgangsregister 14 ebenso viele Stufen wie die Anordnung oder Matrizen Spalten enthält Bei dem Beispiel gemäß F i g. 1 haben die Matrizen also eine Anzahl Q Spalten und das Ausgangsregister 14 enthält Q Stufen. Die /-te Spalte der Matrizen wird in die /-te Registerstufe verschoben, wobei / eine ganze Zahl mit denWertenl,2...(?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 Moir6-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 F i g. 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 30ύ befindet sich also ein weiterer Kanaltrenner 31a und zwischen den Kanaltrennern 30fo und 30c ein weiterer Kanaltrenner 316 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 F i g. 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 »ungeradzahlige« Rasterperioden bezeichnet werden. Nachdem die Ladungen von der Photosensormatrix durch die Zwischenspeichermatrix 12 geschoben worden sind, werden jedoch die Ladungen aus zwei benachbarten Spalten wie J. und Jb, in einer einzigen Stufe / des Ausgangsregisters 14 vereinigt Es werden also beispielsweise die Ladungen unter den Elektrodenanordnungen 32a und 32b vereinigt und in der Stufe / des Ausgansregisters 14 gespeichert Zu einem späteren Zeitpunkt werden die Ladungen unter den Elektrodenanordnungen 34a und 34b vereinigt und in die Stufe / 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 Ausgangsregisters 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
is während des Herausschiebens der Information aus der Matrix andere Spalten vereinigt Während bei den ungeradzhaligen Rasterperioden die in den Spalten /, und Jb vorhandenen Ladungssignale kombiniert und in die Stufe / gebracht werden, werden während der geradzahligen Rasterperioden die in den Spalten Jt und (7+I)1 vorhandenen Ladungssignale vereinigt und in der Stufe / gespeichert, wie in Fig.4b dargestellt ist Beispielsweise werden während einer vorgegebenen Periode die Ladungen unter den !.-Elektroden 33b und 33c vereinigt, später dann die Ladungen unter den Elektroden 35b und 35cusw.
Das Ergebnis dieser in den Fig.4a und 4b dargestellten Arbeitsweise besteht in einer sowohl vertikalen 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 vorhandener 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 F i g. 4a und 4b zwar ah 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 fo, h und h einer Zeile. Wie gleich ersichtlich werden wird, bestehi die einzige andere Änderung, die erforderlich ist, in dei
so Art und Weise, in der die Spannungen an die Elektroder des Ausgangsregisters 14 angelegt werden.)
Die Fig.5a und 5b zeigen eine Möglichkeit dei Horizontalverschachtelung von Information, die durcr eine Dreiphasenanordnung wahrgenommen wurde Während der ungeradzahligen Rasterperioden finde die Integration unter den Elektrodenanordnungen A statt und der Inhalt der verschiedenen Spaltenpaare, wi< J, und Jb wird in entsprechende Registerstufen, wie di< /-te Stufe geschoben. Zum Beispiel können di< Ladungssignale in den Stufen J, und Jb in di< Potentialmulde unter der «Pj-Elektrode der /-ten Stuft geschoben werden.
Während der geradzahligen Rasterperioden kann dii Integration unter den Elektrodenanordnungen L und Λ stattfinden, wie in Fig.5b dargestellt ist Die in dei Spalten Jb und (7+1)« vorhandenen Ladungssignali können nun in die Potentialmulde unter der Φ3-ΕΙε^Γο de der /-ten Stufe und die Φι-Elektrode der (J+ l)-tei
Stufe geschoben werden. Während des folgenden Schrittes, der in Fig.5b dargestellt ist, kann die den Φι-Elektroden zugeführte Spannung so geändert werden, daß die Potentialmulde unterhalb dieser Elektroden zusammenbricht oder verschwindet, so daß das unter den Φι-Elektroden gespeicherte Ladungssignal in die verbliebenen Potentialmulden unter den Φ3- Elektroden entleert wird. Dieser zusätzliche Schritt soll gewährleisten, daß das Ladungssignal, das während der geradzahligen Rasterperioden aus den Spalten /*, und (J+\), herausgeschoben wird, in derselben Registerstufe ankommt wie das Ladungssignal, das während der ungeradzahligen Rasterperioden aus den Spalten ], und Jb herausgeschoben 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 Photosensormatrix 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 Zeilensynchronisierimpulse auftreten.) Für die Steuerung dieser Verzögerung können konventionelle Schaltungen verwendet werden.
Fig.6 zeigt beispielsweise den praktischen Aufbau einer Anordnung zur Addition der Ladungssignale in den Spalten eines Zweiphasensystems. In Fig.6 sind nur die Polysiliziumelektroden dargestellt, um die Zeichnung einfach zu halten. Auch der Kanaltrenner, der den unteren Rand des Ausgangsregisters 14 begrenzt, ist nicht dagestellL F i g. 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 F i g. 6 als auch auf die F i g. 8 Bezug genommen.
In F i g. 8 sind die zweiphasigen Spannungen dargestellt, die den Elektroden der Zwischenspeichermatrix 12 zugeführt werden. F i g. 6 zeigt jedoch nur die letzte, mit der Spannung Φβι gespeiste Elektrode 40 dieser Matrix. Wie aus Fig.8 ersichtlich ist, nimmt die Spannung Φο\ nach der Integrationszeit für das Raster 2 jedesmal dann einen hohen Wert an, wenn die Spannung Φ β 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 Φβ2 einen hohen Wert annimmt, wandert das aus Elektronen bestehende Ladungssignal zur Elektrode 40. Die Spannung Φα nimmt gleichzeitig mit Φβϊ einen hohen Wert an, so daß die Ladungssignale in den Kanälen Jb und (J+ \), zu der Potentialmulde unter der Polysiliziumelektrode 42 der /-ten Stufe wandern. In entsprechender Weise wandern die Ladungssignale im Kanal (J-1)* und J. in die Potentialmulde unter der Polysiliziumelektrode 44 der (J-1 )-ten Stufe des Ausgangsregisters 14 und so weiter.
Nachdem die Information im Ausgangsregister 14
gespeichert worden ist, wird Φβ2 niedrig, um zu verhindern, daß das Ladungssignal im Register 40 zurück in die Zwischenspeichermatrix 12 wandert, wenn Φοι niedrig wird. Als nächstes erfolgt das mit hoher
Frequenz ablaufende Lesen des Registers 14. Dieses Lesen erfolgt dadurch, daß an die Elektroden des Ausgangsregisters 14 die hochfrequente Mehrphasen-
Spannung Φ{, Φα 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
!5 Photosensormatrix 10. 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« dargestellt ist Man sieht daß Φβ\ niedrig ist und Φc2 ansteigt, wenn Φβι ansteigt Infolge dieser Spannungsverläufe wandern die in den Kanälen J, und Jt vorhandenen Ladungssignale zu der Potentialmulde unter der Polysiliziumelektrode 46 der Stufe / In entsprechender Weise wandern die Ladungssignale in den Kanälen (7+1), und (J+\)b zu der Potentialmulde unter der Polysiliziumelektrode 48 der Stufe (J+1) des
Ausgangsregisters 14 usw. Im übrigen dürfte die Arbeitsweise aus den obigen Erläuterungen ersichtlich
sein.
In Fig.7 sind Aluminiumelektroden (ALU) darge-
stellt, die die Polysiliziumelektroden (POLY-Se) überlappen. Die Φα-Aluminiumelektrode kann, wie dargestellt, permanent mit der Φα-Polysiliziumelektrode verbunden sein. Die $C2-Aluminiumelektrode 71 wird während der Ladungsübertragung in das Ausgangsregister 14 auf einer Spannung + V gehalten und mit Φα 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 odei angesteuerten Polysiliziumelektroden des Ausgangsregisters 14 während der Ladungsübertragung in das Ausgangsregister 14. Zum Anschalten der Spannungen + V oder Φc2 dient in der Praxis ein elektronischer Schalter, der in der Zeichnung schematisch als mechanischer Schalter dargestellt ist
F i g. 9 zeigt den Aufbau des Ausgangsteiles einer für Dreiphasenbetrieb ausgelegten Ausführungsform der Erfindung. Jeder zweite Kanaltrenner, wie 90, 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 Erläuterung der Arbeitsweise dieser Einrichtung wird sowohl auf die F i g. 9 als auch die Fig. 10 Bezug genommen. Fig. 10 zeigt die dreiphasigen Spannungen für die Zwischenspeichermatrix entsprechend der Zwischenspeichermatrix 12 in F i g. 1, in F i g. 9 ist jedoch lediglich die letzte Elektrode 98 der Drephasenelektoden dieser Matrix dargestellt Auch hier soll das Substrat p-leitend sein, so daß die Minoritätsträger Elektronen sind. Im Betrieb beginnt im Zeitpunkt Ib 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
<J>C2-Elektroden, wie der Elektrode 100, übertragen. Man beachte, daß sich diese Elektrode 100 während der Zeitspanne von k- 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 Φο, Φα und Φα aus dem Register herausgeschoben. In Fig. 10 ist der zeitliche Ablauf nicht maßstabsgerecht dargestellt, er entspricht in der Praxis einer Fernsehnorm.
Die Übertragung des zweiten Rasters ist in Fig. 10 rechts dargestellt Während der Zeitspanne h—h werden die Ladungen unter die letzte Elektrode 98 an den Enden der Kanäle der Zwischenspeichermatrix 12 und dann in die Potentialmulde unter den Φα- und $C3-Elektroden übertragen. Bei dem in F i g. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Ladungen von den Kanälen / und (J+I)1 unter die Elektrode 104 der Stufe / und die Elektrode 106 der Stufe (J+X) übertragen. Es sei daran erinnert, daß während der Rasterperiode 1 Ladungen von einem anderen Kanalpaar (J. und Jb)in die Registerstufe /übertragen wurden. Anschließend an die Ladungsübertragung während der Zeitspanne fe— fe 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 U- fs (F i g. 10) statt Während dieser Zeitspanne wird Φα niedrig, während Φα hoch bleibt, so daß die Potentialmulden unter den Φη-Elektroden, wie der Elektrode 106 in die Potentialmulden unter den «i^-Elektroden, wie der Elektrode 104, entleert werden. Nachdem die Übertragung fertig ist, beginnen die Mehrphasenspannungen Φα, Φα und Φα und die Ladungssignale werden aus dem Register herausgeschoben.
F i g. 11 zeigt eine etwas andere Konfiguration der Kanaltrenner und eine etwas andere Anordnung der Aluminiumelektrode des Ausgangsregisters 14 bezüglich der Kanaltrenner Die Arbeitsweise ist in Fig. 12 dargestellt Während der Zeitspanne fo bis ii des Rasters 1 werden die Ladungssignale in den Kanälen z. B. /, und Jb zu den Φα- und $C2-Elektroden, wie den Elektroden UO und 112 bei der Stufe /übertragen. Eine kurze Zeit später werden während der Zeitspanne fe bis b die unter den Elektroden, wie der Elektrode 110, befindlichen Ladungen unter die benachbarte Elektrode, wie die Elektrode 112, geschoben, wie schematisch durch den Pfeil 114 (Fig. 11) angedeutet ist. Der Inhalt des Ausgangsregisters 14 wird dann aus diesem herausgeschoben.
Während des Intervalls U bis k der Rasterperiode 2 werden die in den Kanälen wie Jb und (7+1), vorhandenen Ladungssignale in die Potentialmulden unter den Φα- und $C3-Elektroden, wie 112 und 116, der Stufe / verschoben. Später während der Periode, d. h. während der Zeitspanne ISs bis fr wird Φα niedrig, so daß sich die Potentialmulden unter den i>c3-Elektoden, wie der Elektrode 116, in die Potentialmulden unter den 4>C2-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 Φο\, Φα und Φα 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 Zwischenspeichermatrix 12 herausgeschoben werden. Es sei ferner bemerkt daß die drei dargestellten Ausgangsanordnungen, die eine für zwei Phasen und die s 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 Eiektrodenanoidnungen M erfolgen.
Fig. 13 zeigt verschiedene verschachtelte Muster bei
is der Wiedergabe. Das Muster gemäß Fig. 13a ist lediglich in Vertikalrichtung verschachtelt, wie er in Verbindung mit den F i g. 2a und 2b erläutert wurde. Das Raster 1 ist durch Kreise und das Raster 2 durch Kreuze dargestellt
Die Fig. 13b und 13c zeigen Muster, die sowohl vertikal als auch horizontal verschachtelt sind und beispielsweise in der in Verbindung mit F i g. 4a und 4b erläuterten Weise erhalten werden können. Bei dem Muster gemäß Fig. 13b ist das Vertikalraster 2 bezüglich des Vertikalrasters 1 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 dargdestellt) 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 1, 3, 5 usw. um eine Spalte nach rechts verschoben.
F i g. 13d entspricht F i g. 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).
so 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 1 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. 13f 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 Fig. 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 Rasterperi-
ode, die aus zwei aufeianderfolgenden 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 F i g. 13g und 13h nur jeweils jedes vierte Raster abgetastet werden, ist die Abtastfrequnez bei vorgegebener Rasterfrequenz hier kleiner als bei den vorangegangenen Systemen. Beim kommerziellen Fernsehen wäre z. B. die Abtastfrequnez 15 statt 30 Hz und bei dieser Frequenz könnte ein Flimmern auftreten. Dies ist jedoch nicht unbedingt nachteilig, 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 Flimmerfrequnez, 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-Fernsehsysteme 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 in Horizontalrichtung gefordert wird. Dies hat seinen Hauptgrund darin, daß es beim derzeitigen 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 Abmessungen begrenzt die Breite einer Elektode. 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 40 μπι. 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
ίο entsprechend hohen Frequenz getaktet werden, damit die Information aus dieser großen Anzahl von Stufen in 50 \is (gemäß der US-Fernsehnorm) herausgeschoben werden kann. Eine solche Betriebsfrequenz wäre zwar möglich, sie würde jedoch hohe Anforderungen an das
is ladungsgekoppelte Ausgangsregister 14 stellen und höhere Steuerleistungen erfordern.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl der Spalten in der Matrix verdoppelt werden, da man für jeweils zwei Spalten nur eine Stufe im Aujgangsregister 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 geringfüggen 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 iadungsgekoppelten Bildaufnahmeeinrichtungen läßt sich die Erfindung selbstverständlich auch mit Einrichtungen realisieren, die ein η-leitendes Substrat enthalten. Die Erfindung läßt sich bei Iadungsgekoppelten 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 Ausführungsbeispielen der Erfindung, die oben beschrieben wurden, erfolgte die horizontale Verschachtelung 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, bei dem jede Stufe der Matrix beispiesweise drei Elektrodenanordnungen K, L und M
so enthält kann z. B. eine Vertikalverschachtelung auf folgende Weise bewirkt werden: Während eines gegebenen Rasters speichern die Bereiche entsprechend der /^-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 Ladimgssignale aus den Spalten /* //> und (J+1)1 in der Stufe / vereinigt; während des zweiten Rasters werden die Ladungssignale aus den Spalten Jb, (J+\)t und (J+ \)b in der Stufe J vereinigt und während des dritten Rasters werden die Ladungssignale aus den Spalten (J- \)t» J, und Jb in der Stufe J vereinigt. Generell können in einem N-Phasensystem /VSpalten 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 Fj-läuterung 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 Ai es Alternativen. Zum Beispiel können die 1 und 12 mit zweiphasigen Spannungen und c 14 mit einer dreiphasigen Spannung betriel Dies würde eine doppelte Vertikalverschac eine dreifache Horizontalverschachtelung e Bei einem zweiten Beispiel können die Mati 12 mit dreiphasigen Spannungen und das mit zweiphasigen Spannungen betrieben w gestattet eine dreifache Vertikalverschacl eine zweifache Horizontalverschachtelung.
Hierzu 14 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum horizontalen Verschachteln zweier aufeinanderfolgender Felder oder Teilbilder eines Ladungsmusters, das in Spaltenrichtung aus einer mit Ladungsübertragung arbeitenden Bildsensoranordnung herausgelesen wurde, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Auflösungsoder Bildelement in einer Zeile eines ersten Feldes die aus einer ersten Gruppe (J„ Jv, (K+ J)4, (J+1)*,; ...) von N benachbarten Spalten (Jt, Jb,..) herausgelesenen Ladungssignale vereinigt werden und daß für jedes entsprechende Auflösungs- oder Bildelement in der erwähnten Zeile eines zweiten Feldes die aus einer zweiten Gruppe von N benachbarten Spalten (Jb, (J+I),; (J+1)*. (J+ 2),;...) herausgelesenen Ladungssignale vereinigt werden, wobei N eine Zahl größer als 1 ist und jede erste Gruppe von N Spalten mindestens eine, jedoch nicht alle Spalten der zweiten Gruppe enthält
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gruppe N— 1 Spalten der ersten Gruppe enthält
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß während eines ersten Zeitintervalls Signale aus einem Feld herausgelesen werden, das mit einem Feld vertikal verschachtelt ist, welches die während eines zweiten Zeitintervalls herausgelesenen Signale enthält
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Anordnung von Ladungsspeicherelementen, welche eine vorgegebene Anzahl Q von Spalten bilden, ferner mit einem mit dieser Anordnung gekoppelten und von ihr Ladungssignale empfangenen Ausgangsregister, weiterhin mit einer Vorrichtung zum zeilenweisen Herausschieben von Ladungssignalen aus der Anordnung, und mit einer Vorrichtung zum Herausschieben der Ladungssignale aus dem Ausgangsregister jeweils nachdem in dieses eine Zeile Ladungssignale aus der Anordnung übertragen worden ist dadurch gekennzeichnet daß die Anzahl der Stufen (J. i/+1). /7+2)...) im Ausgangsregister (14) ein Untervielfaches (Q/N) mit ganzzahligem Nenner (N) größer als 1 der Anzahl (Q) der Spalten (J* J0, (J+ 2)„ (7+1)*.· ··) der Ladungsspeicherelement-Anordnung (12) ist und daß Vorrichtungen vorgesehen sind, um während eines Zeitintervalls die von jeder /■ten ersten Gruppe (J* Jb; (J+1)* (J+ l)t>;...) einer Anzahl N benachbarter Spalten in einer Zeile herausgelesenen Ladungssignale in einer entsprechenden Stufe (J; (J+1); (7+2);...) des Ausgangsregisters (14) vereinigt werden, wobei /=1, 2, 3,... Q/N ist um während eines anderen Zeitintervalls die als jeder /-ten zweiten Gruppe (Jb, (7+1)»; (7+1)*» (1+2),;...) von Nbenachbarten Spalten in einer Zeile herausgelesenen Ladungssignale in einer entsprechenden Registerstufe zu vereinigen, wobei jedes /-ten erste Gruppe mindestens eine Spalte aus der Men zweiten Gruppe und mindestens eine andere Spalte , die nicht zur /-ten zweiten Gruppe gehört enthält
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Signale während des einen Zeitintervalls aus einem Feld herausgelesen werden, das vertikal mit dem Feld verschachtelt ist aus dem die Signale während des anderen Zeitintervalls herausgelesen werden.
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Legal Events

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