DE2348242B2

DE2348242B2 - Bildaufnahmeeinrichtung

Info

Publication number: DE2348242B2
Application number: DE2348242A
Authority: DE
Inventors: Paul Kessler Princeton N.J. Weimer (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1972-09-25
Filing date: 1973-09-25
Publication date: 1975-08-14
Also published as: FR2200631A1; US3856989A; FR2200631B1; GB1437328A; DE2348242A1; CA984056A; JPS4988417A; NL7313120A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bildaufnahmeeinchtung mit einem Feld von in Zeilen und Spalten ngeordneten Sensorelementen, von denen jedes ein ignal in Antwort auf eine empfangene Strahlung rzeugt, einer Mehrzahl von Knotenpunkten, von denen ;der das Signal von jeweils einem der Sensorelemente mpfängt. und nut einer Verstärkungseinrichtung für die ignalc.

60 Beispielsweise dem Feststellen von Bildern im sichtbaren oder infraroten Bereich dienende Sensoren enthalten Sensorelemente mit einem gewissen Leckstrom. Der Leckstrom, auch Dunkelstrom im Bildsensor genannt, wird von den Sensorelementen erzeugt, auch wenn kein Eingangssignal an diese Elemente angelegt wird Der Leckstrom für jedes Element wirkt als Quelle für Untergrund- oder festes Rauschen, das vom Element erzeugte Signale niedrigen Pegels überdecken kann. Die Sensorelemente von Photosensorfeldern werden normalerweise für eine als die Integrationsperiode definierte Zeitspanne mit Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, bevor sie ausgelesen werden. Der Leck- oder Dunkelsirom dieser Elemente wird in derselben liUegrationsperiode wie das Lichtoder Signalmuster angehäuft oder integriert. Bei niedrigen Beleuchtungsstärken und/oder für lange integrationszeiten wird der vom Leckstrom herrührende Spannungspegel im Vergleich zum tatsächlichen Photosignalpegel erheblich. Das Photosignal kann so verlorengehen, da es nur mehr einen kleinen Anteil des eesamten, aus Signal + Rauschen bestehenden Spannungspegels, der von einem Element erzeugt wird, darstellt. Das Problem, das Photosignal vom Untergrundrauschen zu extrahieren, wird noch komplizierter durch die Tatsache, daß der Leck- oder Dunkclstrom von Element zu Element nicht gleich ist. Dies erfordert, daß das Rauschen und das Signa! von jedem Element einzeln behandelt werden.

Der Leckstrom bildet zwar die Hauptquelle des Untergrundrauschens, weiterhin werden aber auch noch Störimpulse durch die Abtastschaltungen, die die Signale von den Sensorelementen abnehmen und sie an eine Video-Ausgangsklemme oder einen anderen Verwendungspunkt weitergeben, in das Signal eingefügt. Diese und andere Rauschquellen begrenzen den unteren Eingangssignalpegel, bei dem der Sensor verwendet werden kann. Es ist deshalb erwünscht, das Untergrundrauschen und die Störimpulse ganz oder teilweise auszuschalten, um den Bereich, in dem der Sensor Nutzsignale entdecken kann, wirksam zu erweitern.

Unter Zugrundelegung der Erfindung aufgebaute Schaltungen umfassen ein Feld von Sensorelementen und Einrichtungen zum Übertragen der an jedem der Sensorelemente erzeugten Signale zu einem mit diesem Element verbundenen Knotenpunkt. Mit den Knotenpunkten verbundene Ladungsübertragungseinrichtungen geben die Signale von jedem der Knotenpunkte weiter und führen das Signal von einem gegebenen Knotenpunkt zurück zu diesem gegebenen Knotenpunkt. Die Rückführungseinrichtung kann dazu verwendet werden, zumindest einen Teil des im Sensor und seiner zugehörigen Abtastschaltung entstehenden Untergrundrauschens durch die Hinzufügung oder Subtraktion der Signale an diesen Knotenpunkten zu beseitigen.

Kurz dargestellt ist die Erfindung verwirklicht bei einer eingangs vorausgesetzten Bildaufnahmeeinrichtung dadurch, daß von den Sensorelementen die darin erzeugten Signale zu den Knotenpunkten parallel übertragbar sind und das Signal an jedem Knotenpunkt zur Eingangsklemme der Verstärkungseinrichtung und von der Ausgangsklemme der Verstärkungseinrichtung zurück zum ursprünglichen Knotenpunkt übertragbar ist, um eine Addition oder Subtraktion mit einem folgenden Informationsbit zu ermöglichen. Die Einrichtung zum Auslesen t.nd Zurückführen kann zum

Entfernen störender Untergrundsignale aus dem Ausfangssignal verwendet werden, zum Erfassen eines beweglichen Ziels oder für die zerstörungsfreie Auslesung von gespeicherten Bildern.

Im folgenden wird die Erfindung unt»r Bezugnahme _|Uf die Zeichnung zum Teil an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

pjg.l einen Blockschaltplan eines die Krfindiug beinhaltenden Bildsensorsystems,

F i g. 2 eine" schematischen Schaltplan eines Sensor- »o felds mit internen vertikalen ladungsweitergebenden Reihen als Ladungsübertragungsregister, gemäß der Erfindung,

Fig.3 Verlaufsdiagramme von an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig.2 angelegten «5 Spannungen,

Fig.4 eine Tabelle zur genaueren Erläuterung von vier Arbeitsweisen der Schaltung nach F i g. 2,

Fig. 5 einen Anordnungsplan eines Photoleiter-Sensorelements zur Verwendung in der Schaltung nach :«j Fig.2.

Figb emen Anordnungsplan eines mit ladungsgekoppelt^ Registern verbundenen Sensorclements zur Verwendung in erfindungsgemäßen Schaltungen,

Fig. 7 einen Anordnungsplan eines mit einem Register nach Art einer ladungsweitergebenden Reihe gekoppelten Photodioden-Sensorelements.

Fig I zeigt einen Blockschaltplan eines Bildsensors, der eine Einrichtung zum Rückführen des Videoausgangssignals zurück in den Sensor enthält.

Die Schaltung nach Fig. 1 enthält ein Matrixfeld 2, das aus lichtempfindlichen oder Ladungsspeicherelementen besteht, die in Spalten und Zeilen angeordnet sind und allgemein mit Sybezeichnet werden, wobei /die Zeile und j die Spalte bezeichnet. Mit jeder Spalte von Elementen ist ein Vertikal- oder Spalten-Ladungsübertragungsregister CRi, CR2, CRj bzw. CR4 verbunden, mit jeweiligen Eingangs-Knotenpunkten Λ/y. Die Information jedes Elements Sy wird selektiv auf den entsprechend numerierten Knotenpunkt /Vy seines zugehörigen Spaltenregisters übertragen. In der Praxis wird die in den Elementen Sy gespeicherte Information zu 'en Spaltenregistern parallel übertragen. Jedes Spa enregister enthält weiterhin eine Einga> ^sklemme /1, /2, ft bzw. U, die jeweils mit einer anderen der Stufen eines Eingangsreg sters 18 verbunden sind, und eine Eingangsklemme Οι, O2, Oj bzw. O4, die jeweils mit einer anderen der Stufen eines Ausgangsregisters 12 verbunden sind.

Leiter 26, 28, 30, 32, 34 und 36, an die verschiedene Taktsignale angelegt werden, sind gestrichelt i;. F i ς. 1 eingezeichnet. Die Leiter 26 und 28, an die Horizontal-Taktsignale B2 bzw. A2 angelegt werden, sind mit den Stufen des Ausgangsregisters 12 verbunden. Die Leiter 30 und 32, an die Vertikal-Taktsignale A' bzw. B angelegt werden, sind mit den Stufen der Spaltenregister verbunden. Der Leiter 34 und 36, an die Taktsignale Ai bzw. Bi angelegt werden, sind mit den Stufen des Eingangsregisters 18 verbunden.

Die Vertikal-Taktsignale A' und B, die an die Spaltenregister angelegt werden, bewirken, daß die Information in jedem der Spaltenregister entlang dem Register in Richtung der eingezeichneten Pfeile weiterbefördert wird. Die in der letzten Stufe enthaltene Zeile von Videoinformationen der Spaltenregister wird fts gleichzeitig auf die Klemmen Oi bis Oi des Ausgangsregisters 12 gegeben, dem hierdurch die Information parallel eingespeichert wird.

Die an das Register 12 angelegten Honzontai-Taktimpulse A2 und B2 bewirken, daß die Information im Register sequentiell weitergeschoben und an einer Ausgangsklemme 14 hervorgebracht wird. Wenn eine Informationszeile aus dem Register 12 hinaus übertragen worden ist, wird eine neue Zeile von Informationen von den Spaltenregistern in das Register 12 eingespeist.

Die an der Ausgangsklemme 14 auftretenden Signale werden an eine Torschaltung 13 angelegt, die den Laufweg der Signale zu einem Ausgangsverstärker 15 oder zur Eingangsklemme eines Verstärkers 16 steuert. Die zum Ausgangsverstärker 15 geleiteten Signale bewirken das Auftreten von verstärkten Signalen an einer Ausgangsklemme 17, die als Video-Ausgangsk'emme bezeichnet wird, und zwar invertiert oder nicht invertiert. Zum Verstärker 16 geleitete Signale führen zum Auftreten von verstärkten Signalen an einer Ausgangsklemme 25 mit derselben Sequenz und Häufigkeit wie die Eingangssignale und im Vergleich zu den Eingangssignalen invertiert oder nichtinvertiert. Der Verstärker 16 kann mit Hilfe einer mit ihm verbundenen Phasen- und Verstärkungssteuerschaltung 27 als invertierender Verstärker oder als nichtinvertierender Verstärker geschaltet werden. Die Signale an der Ausgangsklemme 25 sind also in Abhängigkeit von der Verstärkerschaltung Ae* oder — Ae$; wobei A = Verstärkung des Verstärkers und es = in den Verstärker 16 eingespeistes Signal. In der nun folgenden Diskussion sei angenommen, daß A = 1.

Die Ausgangskiemme 25 des Verstärkers 16 ist über einen Schalter S3 mit der Eingangsklemme /1 des ladungsübertragenden Eingangsregisters 18 verbunden. Die Eingangsklemme des Registers 18 und die Ausgangsklemmen jeder Stufe des Registers 18 sind jeweils mit der Eingangsklemme eines anderen Spaitenregisters verbunden. Die an das Eingangsregister 18 angelegten Impulse der Taktsignale A\ und Bi haben dieselbe Wiederholungsfrequenz wie die Impulse der Taktsignale A2 und Bi, die an das Ausgangsregister 12 angelegt werden, und bewirken die aufeinanderfolgende Übertragung der Signale entlang dem Register 18. Dem Register 18 wird eine Signalzeile eingespeichert, die aus dem Register 12 kommt. Wenn die Übertragung dieser Zeile aus dem Ausgangsregister 12 in das Eingangsregister 18 vollendet ist, ist das Eingangsregister 18 voll aufgeladen und das Ausgangsregister 12 leer. Bei voll aufgeladenem Register 18 ist das an jeder der Klemmen // bis U anliegende Signal eines, das ursprünglich aus dem entsprechend numerierten Spaltenregister stammt. Nachdem eine Zeile von Informationen in das Eingangsregister 18 übertragen worden ist, bewirken die nächsten Impulse der Taktsignale A' und B folgendes: (1) die Information an den Klemmen // bis /·» wird in die erste Stufe der Spaltenregister übertragen: (2) die Information in den Spaltenregistern bewegt sich um eine Stufe nach unten und (3) eine neue Zeile von Informationen wird von den Spaltenregistern in das Ausgangsregister 12 übertragen. Dieser Vorgang kann wiederholt werden, bis die Informationszeile bis in ihre ursprüngliche Zeile zurückgebracht worden ist und jedes Infoniuitionsbit wieder an seinem ursprünglichen Knotenpunkt liegt.

Der Schalter S3 kann, wie noch genauer beschrieben wird, in eine Stellung 2 gelegt werden, um die Eingangsklemme des Eingangsregisters 18 mit einer wahlweisen Videoeingangsklemme zu verbinden. F.in nach Wunsch verwendbarer Ausgangsverstärker 29 kann die an der Ausgangsklemme 25 anliegenden

Signale verstärken und sie einem (nicht dargestellten) Verwendungsgerät zuführen.

Die Ladungsübertragungsregister können entweder nach dem Prinzip einer »Eimerkette« arbeitende Register wie ladungsweitergebende Schieberegister (»bucket-brigade registers«) oder ladungsgekoppelte Register sein und die Sensorelemente können von beliebiger Art sein, also auf Infrarot oder sichtbares Licht ansprechende Photoleiter, pyroelektrische Bauelemente, Photodioden, Phototransistoren oder andere zum Feststellen von Signalen geeignete Elemente, wie sie an sich bekannt sind. Die Torschaltung 13, der Schalter 53 und die Phasen- und Verstärkungssteuerschaltung 27 ermöglichen es, daß das Bildsensorsystem in vielerlei Weise betrieben wird. Bei einer Betriebsweise wird die Information vom Sensorfeld in das Sensorfeld zurückgeführt. Diese Betriebsweise ermöglicht die Addition oder Subtraktion eines ersten Signals, das zu einem Knotenpunkt zurückgeführt worden ist, mit bzw. von einem zweiten Signal, das auf diesen Knotenpunkt übertragen worden ist. Die Addition oder Subtraktion von Signalen an und in dem Feld stellt einen wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung dar. Einige der Vorteile des Zurückführens werden nachfolgend besprochen.

Beim Betrieb des Systems nach F i g. 1 kann das an jedem Element Sy anliegende Signal selektiv ausgelesen und zu seinem entsprechenden Knotenpunkt Ny übertragen werden. Das Signal von jedem Knotenpunkt kann dann zu seinem ursprünglichen Knotenpunkt zurückgeführt werden. Das zu einem Knotenpunkt Ny übertragene Signal wird also von diesem Knotenpunkt Nij entlang seinem entsprechenden Spaltenregister CR/ zum Ausgangsregister 12 übertragen, dann von dessen Ausgangsklemme zum Verstärker 16 geleitet und von dessen Ausgangsklemme zum Eingangsregister 18, von dem es entlang dem Spaltenregister CRj zurück zu seinem Ursprungs-Knotenpunkt gebracht wird. Diese rückgekoppelte Information kann von der ursprünglichen Information in zwei Hinsichten abweichen:

Erstens kann die Amplitude und Polarität des zu einem Knotenpunkt zurückgeführten Signals mit Hilfe des Verstärkers 16 geändert werden. Beispielsweise kann ein durch eines der Elemente So erzeugtes Signal esi, das ursprünglich zum Knotenpunkt Λ/y übertragen worden ist, als ± Aes\ zum Knotenpunkt /Vy zurückgebracht werden, wobei A den Verstärkungsgrad des Verstärkers 16 bedeutet. Die zum Knotenpunkt /Vy zurückgeführte Information kann zu einem zweiten vom Element S> erzeugten und zum Knotenpunkt Ny verbrachten Signal ea addiert werden. Der Netto-Signalpegel am Knotenpunkt /V« ist dann gleich e*2 ± Aen. 1st A=I und das Vorzeichen negativ, so ist das Nettosignal am Knotenpunkt Ny = en — en. Stellt e*i den Untergrund-Rauschpegel und en den Untergrund-Rauschpegel plus das Photosignal dar, so ist das Nettosignal am Knotenpunkt My das tatsächliche Photosignal. Das Untergrundrauschen, das erheblich höher sein kann als das tatsächliche Photosignal, wird am Feld beseitigt. Das Netto-Photosignal kann durch die Spaltenregister und das Ausgangsregister 12 übertragen werden und entweder durch den Ausgangsverstärker 15 zur Ausgangsklemme 17 oder durch den Verstärker 16 zum alternativen Ausgangsverstärker 29 geleitet werden.

Zweitens kann das zurückgeführte Signal insofern vom ursprünglichen Signal abweichen, als es bei seiner Rückkehr Rauschsignale enthalten kann, die in das Signal während seiner Übertragung durch die verschiedenen Register eingeführt worden sind. Es sei angenommen, daß der Verstärker als Inverter mit einer Verstärkung = 1 geschaltet ist. Auf Grund der Inversion durch den Verstärker enthält das zum Knotenpunkt zurückgeführte Signal eine Komponente, die als — er, bezeichnet werden kann, wobei en durch die Ausleseschaltung eingeführte Störimpuls-Rauschsignale darstellt. Das Netto-Signal am Knotenpunkt enthält damit

ίο eine Rauschkomponente mit dem Wert — en. Es ist jedoch zu bedenken, daß das an jedem Knotenpunkt Mj vorhandene Nettosignal durch eines der Spaltenregister CRj zum Ausgangsregister 12 und mit Hilfe der Torschaltung 13 zum Ausgangsverstärker 15 übertragen wird. Bei dieser Übertragung wird der Anteil —en auf Grund des Rauschens im Spaltenregister und im Ausgangsregister aufgehoben. Es ist also ersichtlich, daß durch das Zurückführen der Signale das von den Sensorelementen des Felds erzeugte feste Untergrundrauschen sowie große Teile des festen Störimpuls-Rauschens, das durch die Ausleseschaltung eingeführt wird, weitgehend entfernt werden.

Das System nach Fig. 1 kann in Form von nach Art einer Eimerkette arbeitenden, ladungsweitergebenden Schieberegistern verwirklicht werden, wie in Fig. 2 dargestellt ist, die ein 3 ■ 4-Element-Sensorfeld darstellt, das Schieberegister und Rückkopplungsschaltungen enthält.

In der Schaltung nach Fig. 2 umfaßt jedes Sensorelement Sy ein Photoleiterelement Pi₁ und ein ladungsübertragcndes durchlaßgesteuertes Bauelement, im dargestellten Beispiel einen Transistor Cy. Jedes Photoleiterelement Py ist zwischen eine Klemme 220, an die eine Quelle eines festen Potentials mit einer Spannung von — V Volt angeschlossen ist, und einem Ende des Leitungspfads des entsprechenden durchlaßgesteuerten Transistors Gy geschaltet. Das andere Ende des Leitungspfads des Transistors Gi₁ ist mit dem entsprechend numerierten Knotenpunkt Mj verbunden.

Ein Leiter 22 ist mit den Gate-Elektroden aller durchlaßgesteuerten Transistoren verbunden. Ein Element-Übertragungsimpuls, der an den Leiter 22 angelegt wird, macht alle durchlaßgesteuerten Transistoren Gij gleichzeitig leitend und es wird dann jedes Photoinformationsbit vom Element Pij zum entsprechenden Knotenpunkt My übertragen.

Jedes der Spaltenregister CRi, CR2. CRj und CR< enthält Transistoren Rija und Rijb, deren Emitter-Kollektor-Strecken in Reihe zwischen eine der Eingangsklemmen /1, h. h bzw. /4 und der entsprechend numerierten Ausgangsklemme Οι. O2, Ojbzw. Oageschaltet sind. Die Gate-Elektroden der im Index mit »a« bezeichneter Transistoren sind gemeinsam an den Leiter 30 angeschlossen, an den die Taktsignale A' angelegt werden. Die Gate-Elektroden der im Index mit »Zx< bezeichneten Transistoren sind gemeinsam mit dem Leiter 32 verbunden, an den die Taktsignale B angelegi werden.

Das Ausgangsregister 12 enthält ein ladungsweiterge bendes Schieberegister aus sieben Transistoren Tu, Ti: T21. T22. Tu, Ti.'und Ti/.deren Emitter-Kollektor-Strekken in Reihe zwischen die Klemmen Oi und 14 geschaltet sind Die Gate-Elektroden der ungeradzahlij! numerierten Transistoren sind mit dem Leiter 26 verbunden, an den das Taktsignal Bl angelegt wird, und die Gate-Elektroden der geradzahlig numerierten Transistoren sind mit dem Leiter 28 verbunden, an den das Taktsignal A2 angelegt wird Die Ausgunpsklemmc

14 ist mit der Torschaltung 13 verbunden.

Die Torschaltung 13 enthält eine durch Schalter 51 und 52 dargestellte Schalteinrichtung zum Leiten der Signale von der Klemme 14 zu den Verstärkern 15 und/oder 16. Wenn der einen Teil der Torschaltung 13 darstellende Schalter 52 geschlossen wird, so wird das Taktsignal A2 an die Gate-Elektrode eines Transistors Tai angelegt, und die Übertragung der Signale von der Klemme 14 zu einer Klemme 141 ist ermöglicht. Der Ausgangsverstärker 15, der von üblicher Bauart sein kann, ist mit seiner Eingangsklemme an die Klemme 141 und mit seiner Ausgangsklemme an die Video-Ausgangsklemme 17 gelegt.

Wird der Schalter 51 geschlossen, so werden die an der Klemme 14 auftretenden Signale zum Verstärker 16 geleitet. Das Schließen des Schalters 51 legt das Taktsignal A2 an die Gate-Elektrode eines Transistors Ta, wodurch die Übertragung der Signale von der Klemme 14 zu einer Klemme 21 ermöglicht wird. Der Verstärker 16 ist eingangsseitig mit der Klemme 21 verbunden und sein Ausgangssignal tritt an der Klemme 25 auf. Mit dem Verstärker 16 ist ein Schalter 54 verbunden, der in seiner Stellung 1 den Verstärkungsgrad und die Phase des Verstärkers 16 auf — A festlegt und in seiner Stellung 2 den Verstärkungsgrad und die Phase des Verstärkers 16 auf A festlegt, wobei A eine beliebige Zahl größer als Null sein kann. Für die folgende Diskussion sei angenommen, daß der Verstärkungsgrad »Λ« = 1, so daß der Verstärker 16 mit Hilfe des Schalters 54 auf eine Spannungsverstärkung von + 1 oder -1 eingestellt werden kann. Der Verstärker 16 kann von beliebiger Bauart sein, er ist jedoch vorzugsweise ein Ladungsverstärker. Die Funktion des Verstärkers 16 und des Schalters 54 können jedoch auf vielfache Weise erfüllt werden.

Die Ausgangsklemme 25 des Verstärkers 16 ist mit der Eingangsklemme /1 des Eingangsregisters 18 verbunden, wenn der Schalter 53 in seiner Stellung 1 steht. Das Eingangsregister 18 enthält sechs Transistoren Tu, 7ϊί>, 72a, Γ28, 73a und Tib, deren Emitter-Kollektor-Strecken in Reihe zwischen den Klemmen /1 und /4 liegen. Die Gate-Elektroden der mit dem Index »a« bezeichneten Transistoren sind mit dem Leiter 30 verbunden, an den das Taktsignal A\ angelegt wird, und die Gate-Elektroden der mit dem Index »ίκ< bezeichneten Transistoren sind mit dem Leiter 32 verbunden, an den das Taktsignal Bi angelegt wird.

Verschiedene Betriebsweisen der Schaltung nach Fig.2 sind am besten unter Bezugnahme auf die Spannungsverläufe nach F i g. 3 und auf die Tabelle 1 _$0 von Fig.4, die vier Betriebsweisen dieser Art von Sensor zusammenfaßt, zu verstehen. Es sei hierbei als Beispiel angenommen, daß die Transistoren in der Schaltung nach Fig.2 p-leitende Bauelemente sind. Die in Fig.3 dargestellten Verläufe gelten also für p-leitende Transistoren.

Bei einer ersten, als Modus 1 bezeichneten Betriebsweise wird die Video-Information zum Ausgangsverstärker 15 geleitet und wird kein Sngnal zurückgeführt, es ist also der Schalter 52 geschlossen und der Schalter ^ 51 offen. Bei diesem Modus 1 kann die Lichtintegration im Sensorelement so lang oder so kurz wie gewünscht sein. Zur leichteren Erklärung sei jedoch angenommen, daß die Sensorelemente in festen Zeitspannen abgetastet werden. Zwischen den Abtastungen wird das Signal an jedem Element für eine feste Integrations-Zeitspanne integriert oder aufaddiert, die auch als Bildperiode bezeichnet werden kann. Die während einer Bildperiode integrierten Signale werden als ein Bild der Information oder auch als ein »Bild« bezeichnet. Die Sensorelemente werden also für eine Zeitspanne, während derer an jedem Sensorelement ein Signal proportional zum einfallenden Licht erzeugt wird, einer Szene oder einem Lichtmuster ausgesetzt. In ausgewählten Intervallen, beispielsweise am Ende einer Bildperiode, werden die Einzelsignale durch das Anlegen eines Element-Übertragungsimpulses an den Leiter 22 ausgelesen. Der in Fig.4 mit dem Verlauf Fdargestellte Element-Übertragungsimpuls besteht aus einer für eine Zeit fi bis ti negativ werdenden Spannung. Der Impuls macht alle durchlaßgesteuerten Transistoren Gy leitend und bewirkt, daß die an jedem der Sensorelemente in Form der Photoleiterelemente Py enthaltende Information zum entsprechenden Knotenpunkt /Vy eines der Spaltenregister übertragen wird. Die in einer als »Bild 0« bezeichneten Bildperiode angesammelte Information wird von den Sensorelementen zu ihren entsprechenden Knotenpunkten von der Zeit fi bis zur Zeit ti übertragen. Zur Zeit ti beginnen die Knotenpunkte und beginnt die Integration der auf das Licht ansprechenden Signale wieder an jedem Element bis zum Anlegen des nächsten Element-Übertragungsimpulses.

Während der folgenden, als »Bild 1« bezeichneten Bildperiode wird die zu den Knotenpunkten der SpaUenregister übertragene Information nacheinander ausgelesen. Der ins Negative gehende Impuls des Taktsignals A', der von einer Zeit ti bis zu einer Zeit f« anliegt, bewirkt die Übertragung der Signale an jedem der Knotenpunkte /Vy der Spaltenregister nach unten zum nächstfolgenden Knotenpunkt /Vy«. Außerdem wird in Antwort auf den negativen Impuls des Taktsignals A' und auf den negativen Impuls des Taktsignals Ai, die von η bis it anliegen, die Information in der letzten Stufe der Spaltenregister, also an den Knotenpunkten Λ/31 bis Ns*. parallel zu den Knotenpunkten Oi bis Οί des Ausgangsregisters 12 übertragen. Die parallel in das Ausgangsregister 12 übertragene Information wird dann sequentiell mit Hilfe der Impulse der Taktsignale Ai und Bi, die von der Zeit f2 bis zu einer Zeit f 12 anliegen, sequentiell weitergeschoben. Die elementare Information wird nacheinander an der Ausgangsklemme 14 erzeugt. Das letzte Bit der Zeile von Informationen, nämlich das vom Knotenpunkt Οι, wird zur Zeit π2 bei der ins Negative gehenden Flanke des Impulses des Taktsignals B2 aus dem Register ausgeschoben.

Es ist zu beachten, daß zur Zeit U der Impuls des Taktsignals A 'auf + VVoIt zurückkehrt und der Impuls des Taktsignals B' ins Negative läuft, wodurch jedes Informationsbit von einem der Knotenpunkte N,j> zum nächsten Knotenpunkt No+thweiterbefördert wird. Zu einer Zeit tis füllt somit ein Impuls des Taktsignals A das Ausgangsregister 12 mit einer neuen Zeile vor Videoinformation und befördert die in den Spaltenregi stern vorhandene Information um einen Knotenpunk nach unten. Der Vorgang des Auslesens des Registers i: und seiner Wiederbespeicherung setzt sich fort, bis aiii elementaren Signale, die am Ende des »Bilds 0« auf dii Knotenpunkte ΛΑ, übertragen worden sind, sequentiel an der Klemme 14 ausgelesen sind.

Das während des »Bilds 1« angespeicherte Signalbil kann dann von den Photoleiterelementen Po zu de Knotenpunkten /vT, mit Hilfe eines Element- Überm gungsimpulses zur Zeit Oi (Verlauf F) übertrage werden. Ersichtlich muß die Wiederholungsfrequenz d« Impulse der Taktsignale Λ2 und Bi höher sein als ni

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wobei η die Zahl der Stufen im Ausgangsregister 12 und /i die Wiederholungsfrequenz der Impulse der Taktsignale A und B ' ist. Dies ist erforderlich, um das Ausgangsregister 12 zu leeren, bevor es mit einer neuen Zeile von Informationen wieder gefüllt wird.

Beim Modus 1 wird die nacheinander an der Ausgangsklemme 14 des Registers 12 erzeugte Information zum Verstärker 15 geleitet, der in Antwort hierauf ein verstärktes Signal an der Klemme 17 erzeugt.

In einer als Modus 2 bezeichneten Betriebsweise wird der Untergrundrauschanteil des Sensorelement-Ausgangssignals, der durch den Leckstrom oder Dunkelstrom bewirkt wird, entfernt oder wegsubtrahiert. Hierbei werden wie bei Modus 1 die Signale an den Sensorelementen Sy für eine Bildperiode integriert und dann zu den Knotenpunkten Ni₁ übertragen. Die Information an den Knotenpunkten N,j wird parallel entlang den Spaltenregistern CRj und dann sequentiell entlang dem Register 12 weitergegeben, wie es im Zusammenhang mit Modus 1 beschrieben wurde. Bei der Betriebsweise des Modus 2 ist jedoch der Schalter 51 mindestens für jedes zweite Bild geschlossen, und die aufeinanderfolgend an der Klemme 14 auftretende Information wird über die Klemme 21 zum Verstärker 16 geleitet. Wenn 51 geschlossen ist, wird ein Impuls des Taktsignals Ai an die Gate-Elektrode des Transistors Ta angelegt, der die Signale von der Klemme 14 zur Klemme 21 überträgt. Beim Modus 2 ist der Schalter 54 in seine Stellung 1 geschaltet und der Verstärker ist als Inverter mit einem Verstärkungsgrad = 1 geschaltet. Die an der Ausgangsklemme 25 erzeugten Signale - es haben dieselbe Folge und Wiederholungsfrequenz wie die Signale es, die an der Klemme 21 auftreten. In dieser Betriebsweise liegt der Schalter 53 in der Stellung I, und die Alisgangsklemme 25 ist hierdurch mit der Eingangsklemme // des Registers 18 verbunden. Die Impulse der Taktsignale Aι und ßi.die, wie in den Verläufen Λ und C in Fig. 3 dargestellt ist, mit den Impulsen der Taktsignale Ai und Bi synchron sind, bewirken die Übertragung der Signale entlang dem Eingangsregister 18.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, laufen die Impulse des Taktsignals A\ zur Zeit ß los, also um eine Periode später als die Impulse der Taktsignale B\ und A2, da es zwei Perioden dauert, nämlich einen Impuls von A2 und einen Impuls von B2, das Signal von der Klemme O4 über den Verstärker 16 zur Klemme /1 zu bringen. Die an den Leiter 34 angelegten Impulse des Taktsignals B\ sind den an den Leiter 26 angelegten Impulsen des Taktsignals E: gleich und können aus der gleichen Quelle stammen. Nachdem das Signal an den Knotenpunkt oder die Klemme /1 angelegt ist, verschiebt der nächste Impuls des Taktsignals /ti das Signal zum Kollektor des Transistors Ti*. Der nächste Impuls des Taktsignals B\ überträgt das Signal vom Kollektor des Transistors Tia zum Knotenpunkt /2. Sind zwei weitere Impulse der Taktsignale Ai und A? angelegt worden, so ist das Eingangsregister 18 voll geladen und die Knotenpunkte // bis U tragen jeweils ein Signal, das ursprünglich von der entsprechend numerierten Spalte stammt.

Der nächste etwa zur Zeit /15 an die Spaltenregister angelegte Impuls des Taktsignals A' bewirkt die parallele Übertragung der Signale von den Knotenpunkten oder Klemmen // bis /-»zu den Knotenpunkten Ni₁B der Spaltenregister. Die Signale an den Knotenpunkten der Spaltenregister werden in gleicher Weise entlang den Registern übertragen, wie es für den Modus

1 beschrieben wurde. Ein Signal, das zur Zeit t\ zum Knotenpunkt No übertragen worden war, kehrt zum selben Knotenpunkt zu einer Zeit tjo zurück. Die von jedem Knotenpunkt abgenommene Information kann also mit umgekehrtem Vorzeichen zu seinem Betriebsmodus zurückgeführt werden.

Bei der Betriebsweise des Modus 2 kann das Licht vom Sensorfeld abgeschnitten werden, und zwar mit Hilfe einer Verschlußblende, die eine mechanische rotierende Scheibe sein kann, oder einer Art von elektronischem Lichtventil wie etwa eines Flüssigkristall, der so wirkt, daß das Licht auf das Sensorfeld 2 durchgelassen oder gesperrt wird. Wie in Fig.4 und Tabelle 1 angedeutet ist, wird das Licht vom Sensorfeld bei jedem zweiten Bild ferngehalten, beispielsweise beim Bild 0,2,4 usw.

Während des »Bilds o« wird nur der Leckstrom am Sensorelement S₁, integriert, da das Sensorfeld abgeblendet ist. Am Ende des »Bilds 0«, also bei ii in F i g. 3,

werden die aus Rauschsignalen auf Grund des an den Elementen S,j angehäuften Leckstroms bestehenden Signale ausgelesen und zu den Knotenpunkten N,, der vertikalen Spaltenregister mit Hilfe des Element-Übertragungsimpulses übertragen, der von t\ bis η anliegt.

Die Information in den Spalienregistern wird jeweils gleichzeitig um eine Zeile zum Ausgangsregister 12 befördert und dann aufeinanderfolgend an den Verstärker 16 angelegt, der das Signal invertiert. Das Ausgangssignal des Verstärkers 16 wird über das Eingangsregister 18 zu den Spaltenregistern zurück und in diesen abwärts geleitet, bis jedes Informationsbit auf seinen ursprünglichen Knotenpunkt zurückgekehrt ist.

Während des »Bilds 1« werden die Signale des »Bilds 0« invertiert und auf ihre ursprünglichen Knotenpunkte

rückgekoppelt. Zu Beginn von »Bild 1« wird die Verschlußblende geöffnet und das Feld einem Bild ausgesetzt. Während der Periode von »Bild 1« wird also an jedem der Sensorelemente ein Bildsignal plus ein Leckstromsignal erzeugt. Vor dem Ende der Periode

von »Bild 1« sind alle invertierten Leckstromsignale mit umgekehrtem Vorzeichen an den gleichen Knotenpunkt in jedem Register, an dem sie ursprünglich in das Register eingetreten waren, zurückgekehrt. Beim nächsten Element-Übertragungsimpuls, beispielsweise

zur Zeit hi, wird das Bildsignal plus seinem Leckstromsignal zu den Knotenpunkten übertragen und mit den negativen Leckstromsignalen, die zu den Knotenpunkten zurückgeführt worden sind, kombiniert. Zur Zeit tu addieren sich also an jedem Knotenpunkt N_u die

Lecksignale von den »Bildern 0« und »1« und ergeben eine Aufhebung des Lecksignals. Diese Aufhebung ist an allen Knotenpunkten gleich, unabhängig von Änderungen des Leckstroms von Element zu Element. Die an jedem Knotenpunkt des Felds 2 vorhandenen Netto-

signale können dann die Spaltenregister hinunter und durch das Register 12 zur Klemme 14 übertragen und von dort durch Schließen des Schalters 52 und öffnen des Schalters 51 zum Verstärker 15 geleitet werden, um ein Video-Ausgangssignal an der Klemme 17 zu

erhalten. Die Nettosignale werden sequentiell während des »Bilds 2« ausgelesen Während des »Bilds 2« ist das Feld wieder abgeblendet und das dabei erhaltene Informationsmuster wird während des »Bilds 3« zum Feld zurückgeleitet, so daß aus dem Photosignal plus

Rauschsignal, die während des »Bilds 3« erzeugt werden, das Rauschsignal beseitigt wird.

Der Sensor kann auch zur Anzeige eines beweglichen Ziels dienen. Bei dieser als Modus 3 bezeichneten

Betriebsart wird das Sensorfeld 2 kontinuierlich beleuchtet. Die während einer Bildzeit, z. B. während des »Bilds 2«, erzeugten Signale werden an den Verstärker 16 angelegt, invertier' und zu ihren ursprünglichen Knotenpunkten zurückgeleitet. Diese Signale werden dann mit den während einer folgenden Bildperiode, beispielsweise im »Bild 3«, erzeugten Signalen addiert. Die Nettosignale werden dann mit .Hilfe der Torschaltung an den Verstärker 15 angelegt. Sind aufeinanderfolgende Bilder identisch, so hat das an jedem der Knotenpunkte erzeugte Differenzsignal einen konstanten Wert, nämlich Null. Dieser konstante Wert kann mit Hilfe einer Verbrauchervorrichtung sichtbar gemacht werden, die mit der Ausgangsklemme 17 verbunden ist und schwarz bleibt. Weicht irgendein Teil des zweiten Eiilds vom ersten Bild ab, so zeigt ein an den Knotenpunkten auftretendes Differenzsignal an, wo die Bewegung erfolgt ist. Diese Betriebsweise ähnelt derjenigen nach Modus 2, mit der Ausnahme, daß der Sensor stetig beleuchtet ist.

Bei einer weheren Betriebsweise, dem Modus 4, wird der Sensor so betrieben, das er eine mehrfache Abtastung des gleichen Bilds ergibt. Der Sensor wird hierbei für eine gegebene Bildperiode beleuchtet und dann abgeblendet. Die während der gegebenen Bildperiode erzeugten Signale werden ausgelesen und über den Verstärker 16 zurückgeleitet. Hierbei steht der Schalter 54 in seiner Stellung 2, so daß der Verstärker nichtinvertierend mit einem Verstärkungsgrad = 1 arbeitet. Das von jedem Knotenpunkt kommende Signal wird unverändert zu den Knotenpunkten des Felds rückgekoppelt, und zwar zur gleichen Zeit, zu der auch das Video-Ausgangssignal an der Video-Ausgangsklemme 17 oder an der Ausgangsklemme des Verstärkers 29 erzeugt wird. Durch Rückkoppeln des Signals es zum Knotenpunkt, an dem dieses Signal erzeugt worden ist, kann ein gegebenes Ladungsmuster mehr als einmal ohne Zerstörung der gespeicherten Information ausgelesen werden.

Wie oft das gleiche Bild ausgelesen werden kann, hängt von seiner Verschlechterungsgeschwindigkeit durch Leckströme in den Registern ab. Die Speicherzeit, während derer die gleiche Information immer wieder gelesen werden kann, ist der Speicherzeit eines Silizium-Vidicons vergleichbar, wenn das Licht und der ^ Strahl abgeschaltet sind. Die Speicherzeit kann verlängert werden, indem der Sensor gekühlt wird oder ein Material von breiterem Bandzwischenraum, als es Silizium ist, für die Register verwendet wird. Derzeit wird wegen der leichten Herstellung von Ladungsübertragungsregistern aus Silizium dieses Material für die Register bevorzugt.

Eine alternative Betriebsweise zum Betreiben des vorgeschlagenen Felds ergibt sich durch Legen des Schalters S3 in die Stellung 2, in der ein gewünschtes Video-Eingangssignal angelegt wird, wie es in F i g. 1 gezeigt ist Das Untergrundsignal vom Sensor oder andere Signale können auf einem separaten, nicht dargestellten Analogspeicher aufgezeichnet werden. Das aufgezeichnete Untergrundsignal kann in das Feld ^ gleichzeitig mit dem Abtasten des Felds an Stelle des Rückkoppeins eines neuen Untergrundsignals in jedem zweiten Bild eingespeist werden. Diese Betriebsweise ermöglicht es, bei jeder Bildabtastung ein korrigiertes Signal mit subtrahiertem Untergrundrauschen zu _6j erhalten.

Wenn die Sensorelemente beispielsweise Photodioden gemäß Fig. 7 sind, ist eine weitere unterschiedliche Betriebsweise des Sensors möglich. Die Signale können dann von den vertikalen Spaltenregistern zu den Sensor-Photodioden übertragen werden, die dann als zeitweise Speicherelemente dienen. Die Kapazitäten können nämlich Ladung speichern. Es können also an der wahlweisen Videoeingangsklemme eingespeiste Videosignale gespeichert und mit folgenden Videosignalen oder optischen Signalen kombiniert werden.

Eine wichtige Eigenschaft der Schaltung ist es, daß das vertikale übertragende Register integral zum Feld ist. Wie bereits erwähnt, ermöglicht dies die Beseitigung von Rauschen oder die Signaladdition unmittelbar am und im Feld. Eine weitere Eigenschaft der Schaltung ist, daß die vertikalen Spaltenregister wie auch die horizontalen Register nicht beleuchtet werden. Infolgedessen ergeben sich bei der Übertragung der Signale von den Sensorelementen zu den Registern keine Verwischungen oder Verschlechterungen der Signale. Diese Eigenschaften ergeben sich aus der Anordnung der Schaltungsteile des erfindungsgemäßen Sensors, wie sie in den F i g. 5,6 und 7 gezeigt ist.

F i g. 5a zeigt einen Schaltplan mit einem Sensorelement in Form des Photoleiterelements Py, mit dem durchlaßgesteuerten Transistor Gy und mit einem Teil des entsprechenden Spaltenregisters CRj nach F i g. 2. Die F i g. 5b und 5c veranschaulichen die Ausführungskonstruktion der Schaltung. Nach Fig.5b ist das Photoleiterelement Pi₁ über dem oberen Ende von einem und anschließend an ein eimerkettenartiges, die Ladung von Stufe zu Stufe weitergebendes Schieberegister mit Transistoren Rijbund R/i+ujjangeordnet. Das eine Ende (Klemme 220) des Photoleiterelements, an das ein festes Potential angelegt ist, ist mit dem Substrat über einen diffundierten n+/ohmschen Kontakt verbunden. Das andere Ende des Photoleiterelements ist mit einem diffundierten ρ+-Kontakt verbunden, der auch als Emitter für den Transistor Cy dient. Es sind p-Kanal-Transistoren dargestellt, jedoch können auch n-Kanal-Bauelemente verwendet werden. Die mit Silicium-MÜS-Feideffekitransistoren bestückten eimerkcttcnar tigen Register sind verhältnismäßig einfach mit einer einzigen Metallisierschicht herzustellen. Die Leiterstruktur 22 mit den Übertragungs-Gate-Elektroden der Transistoren Gy können polykristalline Siliziumstreifen sein, die mit Siliziumdioxid bedeckt sind, um die metallenen Leiter 30 und 32 darüber kreuzen zu lassen. Der abschließende Herstellungsschritt besteht im Anbringen der Sensorelemente zwischen den mit n + und p+ diffundierten Inseln. Zur Herstellung der Sensorelemente können infrarotempfindliche Photoleiter, pyroelektrische oder andere photosensitive Elemente verwendet werden.

F i g. ti zeigt einen weiteren Sensoraufbau, der in den beschriebenen Betriebsweisen funktionieren kann. Nach Fig.6 ist das Ladungsübertragungssystem ein Zweiphasen-Silikongatter-ladungsgekoppeltes Register. Die Sensorelemente Py sind in diesem Fall in der Verarmungszone an der Oberfläche des Siliziums unter einer transparenten Metallelektrode, die so etikettiert ist, gebildet. Im Silicium sind in der Bildfläche des Sensors keine Diffundierungen erforderlich. Ein Muster von polykristallinen Siliciumstreifen stellt den Leiter 22 dar. der für die Gatter der durchlaßgesteuerten Bauelemente Gy gemeinsam ist.

F i g. 7 stellt das Element eines eimerkettenartigen Felds dar. das an jedem Element getrennte Photodioden verwendet. Dies ist ein einfacher Aufbau, der einen Satz polykristalliner Siüciumstreifen für die Gate-Elektroden

der übertragenden Transistoren G« verwendet. Eine einzige Diffundierung von ρ+-Inseln im Silicium ergibt die getrennten Photodioden und die Emitter und Kollektoren für die Transistoren des Schieberegisters.

Die Fig.5. 6 und 7 zeigen, daß die die Erfindung beinhaltenden Schaltungen unter Verwendung von eimerkettenartigen Schieberegistern oder ladungsgekoppelten Registern hergestellt werden können. Er-

sichtlich können die die Erfindung beinhaltenden Schaltungen und Systeme mit irgendwelchen geeigneten Bauelementen bestückt sein. Ladungsübertragungsbauelemente sind jedoch besonders geeignet, da sie so verwendet werden können, daß sie Ubertragungsregister mit hoher funktioneller Dichte ergeben, die auch die Signale von Stufe zu Stufe mit sehr gutem Wirkungsgrad übertragen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bildaufnahmeeinrichtung mit einem Feld von in Zeilen und Spalten angeordneten Sensorelementen. von denen jedes ein Signal in Antwort auf eine empfangene Strahlung erzeugt, einer Mehrzahl von Knotenpunkten, von denen jeder das Signal von jeweils einem der Sensorelemente empfängt, und mit einer Verstärkungseinrichtung für die Signale, dadurch gekennzeichnet, daß von den Sensorelementen (Si ι bis Sia, F i g. 1) die darin erzeugten Signale zu den Knotenpunkten (Nu bis Ma) parallel übertragbar sind und das Signal an jedem Knotenpunkt (Nu bis hx)z\iT Eingar.gsklemme der Verstärkungseinrichtung (16) und von der Ausgangsklemme (25) der Verstärkungseinrichtung zurück zum ursprünglichen Knotenpunkt übertragbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Übertragen der Signale ein Spalten-Ladungsübertragun^sregister (CR\ bis CRa) für jede Spalte der Sensorelementc (Sw bis 534) vorhanden ist und daß jedes dieser Register eine Serieneingangsklemme (h bis AJi eine Ausgangsklemme (Oi bis Oa) und eine Vielzahl von parallelen Signaleingangsklemmen, von denen jede mit einem der Knotenpunkte (Nw bis Nw^der entsprechenden Spalte verbunden ist, aufweist

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Übertragen der Signale ein

Ausgangs- Ladungsübertragungs-Schieberegister
(12) mil einer Mehrzahl von Eingangsklemmen (Ot bis Oa) vorhanden ist, von denen jede mit der Ausgangsklemme eines entsprechenden Spalten-Ladun_osübcrtragungsregisters (CRi bis CRa) verbunden ist. und eine Ausgangsklemme (14) zum Abgeben der Signale an die Verstärkereinrichtung (16) aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Übertragen weiterhin ein

Eingangs- Ladungsübertragungs-Schieberegister
(18) mit einer Eingangsklemme (li), die an die Ausgangsklemme (25) der Verstärkereinrichlung (16) anschließbar ist, und mit einer Vielzahl von Knotenpunkten (Ii bis Ia), von denen jeder mit der Serien-Eingangsklemme eines entsprechenden Spallen-Ladungsübertragungsregisters (CRi bis CRa) verbunden ist, vorhanden ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung (16) ein Inverter ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennieichnet durch einen Ausgangsverstärker (15), dessen Eingangsklemme (141) an die Ausgangsklemme (14) des Ausgangs-Schieberegisters (12) anichließbar ist.