DE2533404C3 - Verfahren und Einrichtung zum Verschachteln zweier aufeinanderfolgender Teilbilder eines Ladungsmusters - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zum Verschachteln zweier aufeinanderfolgender Teilbilder eines LadungsmustersInfo
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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 Moiromustern 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 Horizontalverschachtelung 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
60 F i g. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten
ladungsgekoppelten Bildaufnahmeeinrichtung;
F i g. 2a und 2b schematische Darstellungen eines bekannten Verfahrens zur 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
verwendet werden können, sowie eine graphische Darstellung von Oberflächenpotentialprofilen, wie sie
während verschiedener Rasterintegrationen auftreten;
Fig.4a und 4b eine schematische T^ildarstellung
einer Ausführungsform 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;
F i g. 6 und 7 stark vergrößerte Draufsichten auf einen Teil des Ausgangsregisters gemäß der Einrichtung
gemäß Fig. 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
dw Einrichtung gemäß Fig.6 und 7 Bezug genommen
wird;
F j 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 Fig.! schematisch dargestellte bekannte
Einrichtung enthält eine Photosensormatrix 10, eine Zwischenspeich-rmatrix 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 Jt2 enthalten. Die Elektrode fe ist
vorzugsweise aus Polysilizium hergestellt, während die Elektrode k\ 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. 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
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 λ u Φαί und Φ β u ΦBu Φ Bi- (Ein Dreiphasen- oder
Vierphasenbetrieb wäre ebenfalls möglich.) Während dieses Verschiebevorganges sind Φα\=Φβ\ und
Φλ2=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 erfoigt 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 $ci. Φα 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 Φ β 2, damit eine Entleerung des Ausgangsregisters
14 vor dein 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 Fig.2a und 2b dargestellten Weise erfolgen. In diesen Figuren sind schematisch die
Elektrodenanordnungen sowie Kanaltrenner 30a, 30b und 30c dargestellt Während abwechselnder Teilbildoder
Rasterzeiten (z. B. entsprechend dem Teilbild oder »Raster 1«, wie es in F i g. 2a angegeben ist) Findet eine
Ansammlung von Ladungen unter den Elektroden K stz«t 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 PotentialwSHc
zwischen den Elektrodenanordnungen K entstehen. Nach der Ansammlung der Ladungen während der
Integrationszeit werden diese Indungen in Gänze (also
paralld) von der Phctcsensormatrix 10 in die Zwischenspeichermatrix
12 Obertragen 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 den Werten 1,2... Qist
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 30f>
befindet sich also ein weiterer Kanaltrenner 31a und zwischen den Kanaltrennern 306 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
jewei: 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 ω
Photosensormatrix durch die Zwischenspeichermatrix 12 geschoben worden sind, werden jedoch die Ladungen
aus zwei benachbarten Spalten wie /, und Jb, in einer einzigen Stufe / des Ausgangsregisters 14 vereinigt Es
werden also beispielsweise die Ladungen unter den Elektrodenanordnungen 32a und 326 vereinigt und in
der Stufe / des Ausgansregisters 14 gespeichert Zu einem späteren Zeitpunkt werden die Ladungen unter
den Elektrodenanordnungen 34a und 346 vereinigt unc in die Stufe / gebracht usw. Die Vereinigung erfolg'
mittels des Ausgangsregisters 14 und der Art und Weise in der die Spannungen an die Elektroden de;
Ausgangsregisters 14 gelegt werden, um die Übertra gung der letzten Informationszeile von der Zwischen
Speichermatrix 12 in das Ausgangsregisters 14 zt bewirken. Hierauf wird im folgenden noch nähei
eingegangen.
Während der übrigen Raster, die hier willkürlich ah »gerad?ahlige« Raster bezeichnet werden sollen, findet
die Integration oder Ansammlung von Ladungen nichi unter der Elektrodenanordnung K sondern unter dei
Elektrodenanordnung L statt; hier werden jedoch nur
während des Herausschiebens der Information aus dei Matrix andere Spalten vereinigt Während bei der
ungeradzhaligen Rasterperioden die in den Spalten / und Jb vorhandenen Ladungssignale kombiniert und ir
die Stufe / gebracht werden, werden während dei geradzahligen Rasterperioden die in den Spalten Jb und
(7+1)* vorhandenen Ladungssignale vereinigt und ir
der Stufe J gespeichert, wie in Fig.4b dargestellt ist
Beispielsweise werden während einer vorgegebener Periode die Ladungen unter den !,-Elektroden 336 und
33c vereinigt, später dann die Ladungen unter der Elektroden 356 und 35c usw.
Das Ergebnis dieser in den Fig.4a und 4b
dargestellten Arbeitsweise besteht in einer sowohl vertikalen als auch horizontalen Verschachtelung mil
den Vorteilen einer erhöhten Vertikal- und Horizontalauflösung und einer sehr beträchtlichen Verringerung
von Moira-Mustern. Die erforderlichen Abänderunger 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 kanr
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 Elektroder
werden keine neuen Masken benötigt (Man beachte daß diese Elektroden in den Fig.4a und 4b zwar als
Einzelblöcke dargestellt sind, dies stellt jedoch eine starke Vereinfachung dar. In der Praxis enthalten die
Elektroden Jti einer Zeile einen einzigen Leiter, wie eine
Metallschicht Dasselbe gilt für die Elektroden fc, h und
k einer Zeile. Wie gleich ersichtlich werden wird, besteht
die einzige andere Änderung, die erforderlich ist, in dei
Art und WeJSe1 in der die Spannungen an die Elektroden
des Ausgangsregisters 14 angelegt werden.)
Die Fig.5a und 5b zeigen eine Möglichkeit dei
Horizontalverschachtelung 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 Jb wird in entsprechende Registerstufen, wie die
/-te Stufe geschobea Zum Beispiel können die Ladungssignale in den Stufen /, und /4 in die
Potentialmulde unter der $rElektrode der /-ten Stufe
geschoben werden.
Während der geradzahligen Rasterperioden kann die Integration unter den Elektrodenanordnungen L und Ai
stattfinden, wie in Fig.5b dargestellt ist Die in der
Spalten Jb und (7+1), vorhandenen Ladungssignale
können nun in die Potentialmulde unter der <£3-Elektrode
der /-ten Stufe und die Φι-Elektrode der (J+1)-ten
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-Ε1ε^π^εη entleert wird. Dieser zusätzliche Schritt
soll gewährleisten, daß das Ladungssignal, das während der geradzahligen Rasterperioden aus den Spalten Jb
und (7+1)« herausgeschoben wird, in derselben Registerstufe ankommt wie das Ladungssignal, das während
der ungeradzahligen Rasterperioden aus den Spalten Ja
und Jt herausgeschoben wird
Sowohl in den beiden Ausfishrungsbeispielen 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 F i g. 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 Φ^2 gespeiste Elektrode 40 dieser
Matrix. Wie aus Fig.8 ersichtlich ist, nimmt die
Spannung Φ€\ nach der Integrationszeit für das Raster 2
jedesmal dann einen hohen Wert an, wenn die Spannung ΦΒ2 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 Φη
nimmt gleichzeitig mit ΦΒ2 einen hohen Wert an, so daß
die Ladungssignale in den Kanälen Jbvmd (J+1). zu der
Potentialmulde unter der Polysiliziumelektrode 42 der /-ten Stufe wandern. In entsprechender Weise wandern
die Ladungssignale im Kanal (J—\)b und /, in die Potentialmulde unter der Polysiliziumelektrode 44 der
(J- l)-ten Stufe des Ausgangsregisters 14 und so weiter.
gespeichert worden ist, wird Φβ? niedrig, um zu
verhindern, daß das Ladungssignal im Register 40
s zurück in die Zwischenspeichermatrix 12 wandert, wenn Φα niedrig wird. Als nächstes erfolgt das mit hoher
spannung Φα\, Φ ei 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 Photosensormaträx 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 Φο\ niedrig ist
und Φα ansteigt, wenn Φ«2 ansteigt. Infolge dieser
Spannungsverläufe wandern die in den Kanälen /, und /*,
vorhandenen Ladungssignale zu der Potentialmulde unter der Polysiiiziumelektrode 46 der Stufe / In
entsprechender Weise wandern die Ladungssignale in den Kanälen (J+ \), und (J+1)/, zu der Potentialmulde
unter der Polysiliziumelektrode 48 der Stufe (J+1) des
sein.
stellt, die die Polysiliziumelektroden (POLY-Se) überlappen.
Die Φ(τ!-Aluminiumelektrode kann, wie dargestellt,
permanent mit der ΦΓΐ-Ρο^ΗϊζΪΜηεΙε^Γοαε
verbunden sein. Die ΦΓ2-Α1ϋΐηϊηΜΐηε1ε^Γθαε 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 oder angesteuerten Polysiliziumelektroden des Ausgangsregisters
14 während der Ladungsübertragung in das Ausgangsregister 14. Zum Anschalten der Spannungen
+ V oder Φα 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.,
so 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.
ü 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-Ieitend sein, so daß die
Minoritätsträger Elektronen sind. Im Betrieb beginnt im Zeitpunkt u>
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
$C2-Elektroden, wie der Elektrode 100, übertragen.
Man beachte, daß sich diese Elektrode 100 während der Zeitspanne von to- 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 4>cu 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
i»C3-Elektroden übertragen. Bei dem in Fig.9 dargestellten
Ausführungsbeispiel werden die Ladungen von den Kanälen / und (J+1)1 unter die Elektrode 104 der
Stufe / 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 Jb) in die Registerstufe /übertragen wurden.
Anschließend an die Ladungsübertragung während der Zeitspanne f2—f3 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— h (F i g. 10) statt Während
dieser Zeitspanne wird «Pci niedrig, während Φα hoch
bleibt, so daß die Potentialmulden unter den «ici-Elektroden,
wie der Elektrode 106 in die Potentialmulden unter den <i>c3-EIektroden, wie der Elektrode 104,
entleert werden. Nachdem die Übertragung fertig ist, beginnen die Mehrphasenspannungen <J>ci, Φο2 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 fi des Rasters
1 werden die Ladungssignale in den Kanälen z. B. J, und
Jb zu den $cr und Φα-Elektroden, wie den Elektroden
110 und 112 bei der Stufe /übertragen. Eine kurze Zeit
später werden während der Zeitspanne b bis fs die unter
den Elektroden, wie der Elektrode UO, 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 fs der Rasterperiode 2
werden die in d-;n Kanälen wie /* und (7+1)«
vorhandenen Ladungssignale in die Potentialmulden unter den Φα- und «ics-Elektroden, wie 112 und 116,
der Stufe / verschoben. Später während der Periode, d. h. während der Zeitspanne fe bis ti wird Φα niedrig, so
daß sich die Potentialmulden unter den <PC3-Elektoden,
wie der Elektrode 116, in die Potentialmulden unter den
Φα- 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 $Ci, 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 beispiels weise während der ungeradzahligen Raster unter
den Elektrodenanordnungen K und L, und während der geradzahligen Raster unter den Elektrodenanordnungen
M erfolgen.
der Wiedergabe. Das Muster gemäß Fig. 13a ist
lediglich in Vertikalrichtung verschachtelt, wie es 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. i3c ist das Vertikalraster 2
bezüglich des VtrtiUalrasters 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
«ο 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).
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 and 13h nur jeweils jedes vierte Raster
abgetastet werden, ist die Abtastfrequnez bei vorgegebener Rasterfrequenz hier kleiner al? bei dtn vorangegangenen
Systemen. Beim kommerziellen Fernsehen wäre z. B. die Abtastfrequnez 15 statt 30 Hz und bei
dieser Frequenz könnte e>n Flimmern auftreten. Dies ist jedoch nicht jnbedingt nachteilig, wem irgend eir
anderes "ntegrationsmitici als das menschliche Auge verwendet wird, z. B. eine Kamera.
Die in den Fig. 13b bis Hh dargestellten Muster
lassen sich offensichtlich alle durch die Erfindung realisieren. Die fc-eviiwbi-hte horizontale Verschachtelung
wird durch Anlegen geeigneter Spannungen an die Elektroden des Ausgangsregisters 14 bewirkt Bei den
im einzelnen beschriebenen Ausführungiformen 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. i3d 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 yrbeiten 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 um 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 μΐη.
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 d«r 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 Längenrichiung) zur Verfügung.
In diesem Raum müßten dann zwei Elekti odenpaare
untergebracht werden, was jedoch bei Verwendung der üblichen photolithographischen Verfahren nicht möglich
ist. Außerdem müßte das Register mit einer to einsprechend hohen Frequenz getaktet werden, damit
die Information aus dieser großen Anzahl von Stufen in 50 μβ (gemäß der US-Fernsehnora) herausgeschoben
werden kann. Eine solche Betriebsfrequenz wäre zwar möglich, sie würde jedoch hoh<
Ar.iortlerungen an das
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 Ausgangsregister benötigt Dies bedeutet daß das Ausgangsregister, wie
bisher, nur 320 Stufen zu haben braucht Für jede Stufe stehen also immer noch 30 bis 40μ>η 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
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 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 A-/
enthält kann z. B. eine Vertikalverschachtelung auf folgende Weise bewirkt werden: Während eines
gegebenen Rasters speichern die Bereiche entsprechend der ίί-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 Af-Elektroden
Ladungen, die abgetastet werden. Die horizontale Verschachtelung wird in folgender Weise bewirkt:
Während des ersten Rasters werden die Ladungssignale aus den Spalten /* Jb und (J+1), in der Stufe /vereinigt;
während des zweiten Rasters werden die Ladungssignale aus den Spalten Jt, (J+1), und (J+1)/, in der Stufe /
vereinigt und während des dritten Rasters werden die es Ladungssignale aus den Spalten (J-1% JM und Jb in der
Stufe /vereinigt Generell können in einem N-Phasensystem NSpalten in einer einzigen Ausgangsregisterstufe
zusammengefaßt werden, was bedeutet daß die
Anzahl der Stufen :m Ausgengsregister auf Q/N
verringert werden kaio, wobei Q die Anzahl der
Spalten bedeutet
Die in Fig.3 zur Erläuterung der Erfindung
dargestellte spezielle Elektrodensiniktur stellt nur ein
Beispiel für eine solche Elektrodenstrüktur dar. Es sind vitle andere geeignete Elektrodenstruktuic» 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. Zum Beispiel können die Matrizen 10
und 12 mit zweiphasigen Spannungen und das Register 14 mit einer dreiphasigen Spannung betrieben werden.
Dies würde eine doppelte Vertikalverschachtelung und eine dreifache Horizontalverschachtelung 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 dreifache Vertikalverschachtelung und eine zweifache Horizontalverschachtelung.
Claims (5)
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* Jf, (K+1)1, (J+1)«
...) von N benachbarten Spalten (J* /&...)
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 'S
benachbarten Spalten (Jk (J+1),; (J+ l)fc (7+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 Laduugssignalen 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. (7+1), (7+2)...) im Ausgangsregister (14) ein
Untervielfaches (Q/N)mh ganzzahligem Nenner (N)
größer als 1 der Anzahl«?; der Spalten (7«, 7*. (7+2)*
(J+1)*, - -.) der Ladungsspeicherelement-Anordnung
(12) ist und daß Vorrichtungen vorgesehen sind, um während eines Zeitintervalls die von jeder
i-ten ersten Gruppe (Jx, Jb; (J+1)1, (J+ \)b\...) 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)*:
(J+ l)h (7+2),;...) von N benachbarten Spalten in
einer Zeile herausgelesenen Ladungssignale in einer enäprechenden Registerstufe zu vereinigen, wobei
jedes i-ten erste Gruppe mindestens eine Spalte aus
der /-ten 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
Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |