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Dokumentenidentifikation DE102006050099A1 24.05.2007
Titel CCD-Einrichtung
Anmelder E2V Technologies (UK) Ltd., Chelmsford, Essex, GB
Erfinder Robbins, Mark Stanford, Essex, GB, US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Anmeldedatum 24.10.2006
DE-Aktenzeichen 102006050099
Offenlegungstag 24.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.05.2007
IPC-Hauptklasse H01L 27/148(2006.01)A, F, I, 20070214, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H04N 5/335(2006.01)A, L, I, 20070214, B, H, DE   
Zusammenfassung Eine CCD-Einrichtung der Art zum Bereitstellen einer Ladungsverstärkung durch Stoßionisation weist ein Multiplikationsregister auf. Die Verstärkung, die durch eine Teilmenge der Elemente des Multiplikationsregisters bereitgestellt wird, ist unabhängig von anderen Elementen in dem Register steuerbar. Dies ermöglicht es, dass das Register in einer Einstellung, bei der die gleiche Verstärkung auf alle Elemente angewendet wird, und in einer anderen Einstellung verwendet wird, bei der eine Teilmenge von Elementen angeordnet ist, um eine verschiedene Verstärkung bereitzustellen. Durch Vergleichen der zwei Signale kann die durch jedes Element bereitgestellte Verstärkung und die des Registers als Ganzes abgeleitet werden.

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine CCD-Einrichtung und insbesondere ein CCD, das eine Verstärkung in der Ladungsdomäne bereitstellt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei einer typischen CCD-Abbildungsvorrichtung wird eine für einfallende Strahlung charakteristische Signalladung in einem Array von Pixeln in einer Bildfläche gesammelt. Im Anschluss an einen Integrationszeitraum wird die Signalladung an einen Speicherabschnitt und dann an ein Ausgaberegister übertragen, indem geeignete Takt- oder Ansteuerungsimpulse an Steuerungselektroden angelegt werden. Die Signalladung wird dann aus dem Ausgaberegister ausgelesen und einer Ladungsdetektionsschaltung zugeführt, um eine Spannung zu erzeugen, die charakteristisch für den Betrag der Signalladung ist. Die Empfindlichkeit einer derartigen Einrichtung ist durch das Rauschen des Umwandlungsprozesses von Ladung in Spannung und durch das durch die nachfolgende Videokettenelektronik eingeführte Rauschen beschränkt.

Ein Elektronen vervielfachendes CCD überwindet diese Beschränkung und ist in unserer früher veröffentlichten UK-Patentanmeldung GB-A-2,371,403 offenbart, wie in 1 gezeigt ist. Eine CCD-Abbildungsvorrichtung 1 umfasst eine Bildfläche 2, einen Speicherabschnitt 3 und ein Ausgabe- oder Ausleseregister 4, wobei jede dieser Komponenten in einer herkömmlichen CCD-Abbildungsvorrichtung zu finden ist. Das Ausgaberegister 4 ist seriell erweitert, um ein Multiplikationsregister 5 zu bieten, dessen Ausgabe mit einer Ladungsdetektionsschaltung 6 verbunden ist.

Während des Betriebs der Einrichtung wird einfallende Strahlung an der Bildfläche 2 in eine Signalladung umgewandelt, die für die Intensität der Strahlung charakteristisch ist, die auf das Array von Pixeln, welche das Bildarray bilden, auftrifft. Im Anschluss an den Bilderfassungszeitraum werden Ansteuerungsimpulse an Steuerungselektroden 7 angelegt, um die an den Pixeln der Bildfläche 2 gesammelte Ladung an den Speicherabschnitt 3 zu übertragen. Gleichzeitig damit werden auch Ansteuerungssignale an Steuerungselektroden 8 an dem Speicherabschnitt 3 angelegt, um zu bewirken, dass Ladung wie durch den Pfeil angegeben von Reihe zu Reihe übertragen wird, wobei die letzte Reihe von Ladung, die in den Elementen in Reihe 3 gehalten wird, parallel an das Ausgaberegister 4 übertragen wird.

Wenn eine Reihe von Signalladung in das Ausgaberegister 4 übertragen worden ist, werden geeignete Ansteuerungsimpulse an die Elektroden 9 angelegt, um sequentiell die Ladung von den Elementen des Ausgaberegisters an diejenigen des Multiplikationsregisters 5 zu übertragen. Bei dieser Ausführungsform weist das Multiplikationsregister, soweit das Dotieren betroffen ist, eine ähnliche Architektur auf wie das Ausgaberegister mit der Hinzufügung einer Elektrode zur Multiplikation.

Um eine Ladungsmultiplikation in jedem der Elemente des Multiplikationsregisters 5 zu erreichen, werden Ansteuerungsimpulse von genügend hoher Amplitude an Steuerungselektroden 10 angelegt, um sowohl Signalladung von einem Element zu dem nächsten benachbarten Element in der durch den Pfeil gezeigten Richtung zu übertragen als auch ebenfalls die Höhe der Signalladung aufgrund von Stoßionisation um einen Betrag zu erhöhen, der durch die Amplitude der Ansteuerungsimpulse bestimmt ist. Somit nimmt die Signalladung zu, während jedes Ladungspaket durch das Multiplikationsregister von einem Element zu dem nächsten übertragen wird. Die an der Schaltung 6 detektierte Ladung ist somit eine vervielfachte Version der in dem Ausgaberegister 4 gesammelten Signalladung. An jeder Stufe des Multiplikationsregisters wird die Signalladung erhöht. Jedes in dem Ausgaberegister 4 gespeicherte Signalladungspaket ist einem identischen Multiplikationsprozess ausgesetzt, da jedes durch alle Elemente des Multiplikationsregisters 5 hindurchwandert.

Die Ausgabe der Ladungsdetektionsschaltung 6 wird auch einer automatischen Verstärkungssteuerungsschaltung 11 zugeführt, welche die an das Multiplikationsregister 5 angelegten Spannungen einstellt, um die Verstärkung zu steuern. Bei anderen Ausführungsformen ist diese Rückkopplungsanordnung weggelassen. Die Verstärkung kann dann, falls gewünscht, von Hand gesteuert werden.

Während die Verstärkungssteuerungsschaltung die bereitgestellte Verstärkung ändern kann, indem sie die an das Multiplikationsregister angelegten Spannungen ändert, haben wir das Bedürfnis gesehen, die tatsächliche Höhe der Verstärkung, die durch eine derartige CCD-Ladungsmultiplikations-Anordnung bereitgestellt wird, zu ermitteln. Eine Art, die Verstärkung zu messen, besteht darin, einen bekannten Signalbetrag in das Multiplikationsregister einzuspeisen und die Ausgabe zu überwachen. Die Schwierigkeit bei diesem Ansatz besteht darin, zu wissen, was das Eingangssignal ist. Typischerweise wird dieses Signal unter dem Rauschpegel der Videokette liegen, wenn die Multiplikationsverstärkung nicht angewendet wird. Deshalb ist das Messen des Signals mit und ohne Verstärkung kein zweckmäßiger Vorschlag.

Der gewöhnlich durchgeführte Ansatz zum Messen der Verstärkung besteht darin, die Einrichtung zu beleuchten und die Ausgabe ohne Multiplikationsverstärkung zu messen. Der Helligkeitsgrad wird dann um einen bekannten Bruchteil verringert (zum Beispiel durch Verringern der Apertur der Optik oder durch Verwenden von Graufiltern). Die Verringerung des Helligkeitsgrads wird von der gleichen Größenordnung sein, wie die zu messende Verstärkung. Die Multiplikationsverstärkung wird dann angelegt und das Ausgangssignal wird gemessen. Die Multiplikationsverstärkung kann berechnet werden, wenn das Ausgangssignal und die Verringerung des Helligkeitsgrads bekannt sind. Dieses Verfahren kann genaue Ergebnisse ergeben, ist aber mühsam und für automatische Messungen in einem Kamerasystem nicht besonders geeignet.

Wir haben eingesehen, dass eine verbesserte Anordnung und ein verbessertes Verfahren zum Messen der Verstärkung erforderlich ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung ist in den Ansprüchen definiert, auf die nun Bezug genommen wird. Die Erfindung stellt eine CCD-Einrichtung zur Verfügung, bei der mehrere Multiplikationselemente für eine Ladungsmultiplikation sorgen. Die Verstärkung jedes Elements, oder von Gruppen von Elementen, kann separat gesteuert werden, so dass eine Messung der Verstärkung durchgeführt werden kann. Die Ausführungsformen der Erfindung betreffen diese separate Steuerung und das Verfahren zum Messen der Verstärkung.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine CCD-Abbildungsvorrichtung, die ein zusätzliches Register zur Ladungsmultiplikation aufweist. In dem zusätzlichen Register (dem Multiplikationsregister) weist jedes Element (Multiplikationselement) eine Folge von Elektroden auf, zwischen denen während des Gebrauchs Spannungen angelegt werden, um so die Ladung durch das Element hindurch zu takten und eine Verstärkung anzuwenden. Mindestens eine der Elektroden ist eine Hochspannungselektrode, die eine angelegte Spannung aufweist, die im Vergleich zu einer vorhergehenden DC-Elektrode hoch genug ist, dass die Felder, die durch die Signalelektronen erfahren werden, Stoßionisation bewirken. Die Größe der Ladungsmultiplikation ist von der Potentialdifferenz zwischen der Hochspannungselektrode und der vorhergehenden DC-Elektrode abhängig. In dem Multiplikationsregister wird die unabhängige Steuerung der Verstärkung in jedem Element bereitgestellt.

Die bevorzugte Anordnung zum Steuern der Verstärkung der Multiplikationselemente besteht darin, zwei Gruppen von Elementen bereitzustellen. Diese Gruppen können mit einer Gruppe von Elementen nach der anderen oder so angeordnet sein, dass Elemente in den Gruppen untereinander verschachtelt sind. Die Verstärkung der einen Gruppe kann für eine Zeitdauer im Wesentlichen auf Verstärkung mit dem Verstärkungsfaktor Eins (das heißt, dass durch diese Elemente keine Verstärkung bereitgestellt wird) gesetzt werden. Die durch jedes Element und durch das Multiplikationsregister als Ganzes bereitgestellte Verstärkung können dann auf der Grundlage des Verhältnisses der Signale mit und ohne Verstärkung, die auf eine dieser Gruppen von Elementen angewendet wird, ermittelt werden.

Ebenso wie zur Bereitstellung einer Verstärkungsmessung können die Anordnung und das Verfahren auch zur Verstärkungssteuerung verwendet werden.

BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben werden, in denen:

1 eine schematische Darstellung einer CCD-Abbildungsvorrichtung bekannter Art ist, welche die Erfindung verkörpern kann;

2 eine schematische Darstellung eines physikalischen Querschnitts eines Elements in einem Multiplikationsregister ist;

3 ein schematischer Querschnitt eines einzelnen Multiplikationselements ist, der die zu einem Zeitpunkt an Elektroden angelegten Spannungen zeigt;

4 eine Kurve ist, die die Beziehung zwischen der Spannungsdifferenz zwischen Elektroden eines Elements und dem hinzugefügten Signal zeigt;

5 eine schematische Darstellung einer Frametransfer-Einrichtung ist, welche die Erfindung verkörpert;

6 die Verstärkung als eine Funktion des Verhältnisses von zwei Signalen zeigt;

7 ein Flussdiagramm des Prozesses zum Ermitteln der Verstärkung unter Verwendung der Erfindung ist; und

8 ein Flussdiagramm des Prozesses zum Ermitteln der Verstärkung unter Verwendung von abwechselnden Zeilen unter Verwendung der Erfindung ist.

BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Die vorliegende Ausführungsform umfasst eine CCD-Einrichtung, wie zum Beispiel eine CCD-Abbildungsvorrichtung bekannter Art, die aber modifiziert ist, um eine unabhängige Steuerung der Verstärkung zu ermöglichen, die durch Multiplikationselemente in einem Multiplikationsregister bereitgestellt wird. Die unabhängige Steuerung könnte für jedes Element vorliegen, es ist aber bevorzugt, dass die Elemente in zwei oder mehr Gruppen angeordnet sind, wobei die Verstärkung jeder Gruppe von Elementen unabhängig steuerbar ist. Eine bekannte Einrichtung ist gezeigt und wurde in Bezug auf 1 beschrieben. Die Erfindung kann durch eine derartige Einrichtung und durch eine Abbildungsvorrichtung oder eine Kamera, die eine derartige Einrichtung aufweist, verkörpert sein. Die Anordnung eines Multiplikationsregisters und von Elementen in diesem Register, auf welche die Erfindung angewendet werden kann, wird zuerst unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben werden.

Eine Bildfläche 2 sammelt, wie in 1 gezeigt ist, Ladung in LCD-Elementen und überträgt Ladung unter Steuerung von getakteten Ansteuerungsimpulsen auf Elektroden 7, 8 an einen Speicherbereich 3 und von dem Speicherbereich an ein Ausgaberegister 4 und nachfolgend an ein Multiplikationsregister 5. In dem Multiplikationsregister ist die Erfindung verkörpert, obwohl einzusehen ist, dass andere Anordnungen von Multiplikationselementen verwendet werden könnten. Obwohl es als eine geradlinige Erweiterung des Ausgaberegisters 4 gezeigt ist, wird es in der Realität aus Gründen der Unterbringung wahrscheinlich um die Abbildungsvorrichtung herum gekrümmt sein.

Ein Multiplikationselement bekannter Art ist in 2 gezeigt. Das Element umfasst eine Basis 20 von p-Typ-Silizium, eine n-Typ-Schicht 22 und eine dielektrische Gateschicht 24, die zum Beispiel eine Schicht von Si3N4 über SiO2 oder nur von SiO2 umfassen kann. An der dielektrischen Gateschicht weist jedes Element vier Elektroden auf, die als normal getaktete Elektroden &phgr;1 26 und &phgr;3 28 gezeigt sind, eine DC-Elektrode &phgr;DC 30 und eine Hochspannungselektrode &phgr;2HV 32. Das Element stellt die Verstärkung bereit, indem es Spannungen an den Elektroden so taktet, dass eine relative Hochspannung an der Elektrode &phgr;HV 32 eine Stoßionisation der Ladung bewirkt. Die Namenskonvention der Elektroden in dem Format "R&phgr;1", wie sie in den Darstellungen gezeigt ist, ist gut bekannt und wird hierin zur Abkürzung mit "&phgr;1" bezeichnet. In gleicher Weise kann die Hochspannungselektrode "&phgr;2HV" zur Abkürzung mit "&phgr;2" bezeichnet werden.

Ein schematischer Querschnitt eines einzelnen Multiplikationselements ist in 3 angegeben. Das Multiplikationselement des Multiplikationsregisters ist durch vier Phasen gebildet, obwohl andere Konfigurationen möglich sind. &phgr;1 und &phgr;3 werden als normale Ausleseregisterphasen getaktet. &phgr;DC ist eine DC-Phase, die &phgr;1 von &phgr;2 trennt. Die Hochspannungselektrode &phgr;2, die Multiplikationsphase, ist eine getaktete Phase, die aber eine viel größere Amplitude verwendet als &phgr;1 und &phgr;3. Am Übergang von &phgr;1 von hoch zu niedrig (wobei das Potential in der Richtung des Pfeils in 3 zunimmt) wird das Signal, das sich ursprünglich unter &phgr;1 befand, zu &phgr;2 wandern. Das Potential an &phgr;2 ist hoch genug gesetzt, dass die Felder, die durch das Elektronensignal erfahren werden, bewirken werden, dass Stoßionisation stattfindet. Sobald die Signalelektronen und die durch die Stoßionisation erzeugten Elektronen unter &phgr;2 gesammelt sind, kann dann das gesamte verstärkte Signal durch Schalten von &phgr;2 auf niedrig und von &phgr; auf hoch an &phgr; übertragen werden. Der Prozess wird durch alle Verstärkungs-(Multiplikations-)Elemente in dem Multiplikationsregister wiederholt. Beispielsweise könnte die Einrichtung 591 Verstärkungselemente aufweisen. Wenn die Stoßionisation das Signal an jedem Element um 1 % erhöht, wird die kombinierte Verstärkung des Multiplikationsregisters des CCD 1,01591 = 358 betragen.

Wie gezeigt, wird die Ladung in jedem (Multiplikations-)Element durch Anlegen einer Spannung bei &phgr;2 (HV), welche bewirkt, dass sich durch den Stoßionisationsprozess Elektronen bilden, erhöht. Es wird zur Vermeidung von Zweifeln bemerkt, dass die gezeigten Spannungen getaktet sind und so in der Amplitude variieren. Die Spannungen sind zu einem gegebenen Zeitpunkt gezeigt.

Die Verstärkung jedes Multiplikationselements ist von dem Potential abhängig, das zwischen der Hochspannungselektrode (ϕ2) und der vorhergehenden DC-Phase (ϕDC) angelegt ist, wie in 4 gezeigt ist.

Eine beliebige Anzahl dieser Elemente kann in Folge verwendet werden, so dass, wenn eine Ladung ein Element verlässt, sie in das nächste eintritt. Gewöhnlich ist der Anteil des Signals, der für jedes Multiplikationselement hinzugefügt wird, der gleiche (unter Vernachlässigung statistischer Variationen). In diesem Fall beträgt die gesamte Multiplikationsverstärkung, die dann angewendet wird, somit G = (1 + &agr;)NGleichung (1) wobei &agr; der Anteil des Signals ist, der pro Stufe hinzugefügt wird und N die Anzahl der Stufen ist. Typischerweise wird N zwischen 400 und 600 liegen. Für ein N von 600 und ein &agr; von 1,2 % beträgt die Gesamtverstärkung 1283.

Idealerweise könnte die Verstärkung des Sensors durch Kennen der Kennlinien des Sensors (wie zum Beispiel in 4 gezeigt) ermittelt werden. Wenn man die Taktamplituden und die Gleichstromverzerrungen kennt, kann dann die Verstärkung berechnet werden. Die Verstärkungskennlinien variieren jedoch mit der Temperatur und sie können sich mit der Betriebszeit ändern. Sie variieren auch von Einrichtung zu Einrichtung. Deshalb können die Verstärkungskennlinien nicht vernünftig abgeschätzt werden, und wenn der Wert der Verstärkung benötigt wird, wird er gemessen werden müssen.

Das Verfahren der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht eine bequeme Messung der Verstärkung, die leicht in einem System ausgeführt werden kann. Gewöhnlich ist die Multiplikationsverstärkung pro Stufe für alle Multiplikationselemente konstant, und gemeinsame elektrische Anschlüsse sind zwischen den Stufen ausgeführt. Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Verstärkung jedes Elements oder von Gruppen von Elementen durch separate Anschlüsse separat gesteuert werden.

Eine schematische Darstellung einer Frametransfer-Einrichtung, welche zwei Gruppen von Multiplikationselementen zeigt, ist in 5 gezeigt. Die Nummerierung von ähnlichen Merkmalen ist die gleiche wie für 1. Bei dieser Ausführung umfasst die Einrichtung 1 einen Bildabschnitt 2, einen Speicherabschnitt 3, ein Ausleseregister 4 und ein Multiplikationsregister 5, das logisch in zwei sequentielle Multiplikationsregister 105, 205 unterteilt ist, und einen Ladungs-zu-Spannungs-Umwandlungsverstärker 6.

Bei diesem Beispiel werden zwei sequentielle Gruppen von Multiplikationselementen verwendet. Die Verstärkung jeder Gruppe kann separat gesteuert werden. Die Anzahl von Elementen in Gruppe 1 sei N1 und die Anzahl von Elementen in Gruppe 2 N2. Der Anteil des Signals, der in Gruppe 1 pro Stufe hinzugefügt wird, ist &agr;1 und der Anteil des Signals, der in Gruppe 2 pro Stufe hinzugefügt wird, ist &agr;2. Obwohl 5 zwei sequentielle Gruppen zeigt, kann bzw. können dieses Konzept und die folgenden Berechnungen auf Gruppen von Multiplikationselementen angewendet werden, die verschachtelt sind.

Bei normalem Betrieb sind die Taktamplituden, die Gleichstrompegel und die zeitliche Koordinierung des Takts so gesetzt, dass &agr;1 = &agr;2 = &agr; und die Gesamtzahl von Multiplikationselementen N = N1 + N2. Die Gesamtverstärkung ist durch Gleichung (1) gegeben. Um diese Verstärkung G zu messen, wird die Einrichtung beleuchtet, so dass das Eingangssignal in das Multiplikationsregister Sin ist, und das Ausgangssignal S1 wird dann gemessen. Das Signal, das pro Stufe einer der Gruppen, zum Beispiel Gruppe 1, hinzugefügt wird, wird dann verringert (d.h. &agr;1 wird verringert). Dies kann zum Beispiel erreicht werden, indem der ϕdc-Pegel erhöht wird, die ϕ2-Amplitude verringert wird oder die Phasenlage des ϕ2-Taktes verändert wird. Das Ausgangssignal wird dann verringert werden, und dieser neue Pegel S2 wird vermerkt.

Unter der Annahme, dass die Verstärkung pro Stufe von Gruppe 2 nicht geändert wird (d.h. &agr;2 = &agr;) und mit der Bemerkung, dass N2 = N – N1, haben wir der anteilige Signalabfall ist somit gegeben durch

Wenn das pro Stufe hinzugefügte Signal von der ersten Gruppe auf Null verringert wird, haben wir

Somit kann die Verstärkung leicht berechnet werden, wenn man den anteiligen Abfall des Signals kennt. Durch Wählen eines geeigneten Wertes für N1 beim Entwerfen der Einrichtung können gute Verstärkungsmessungen erreicht werden, ohne sehr kleine Signale messen zu müssen. Zum Beispiel könnte eine Einrichtung eine Gesamtzahl von 600 Multiplikationselementen aufweisen, die in zwei Gruppen geteilt sind, von denen eine 60 Elemente aufweist, die andere 540 Elemente. Wenn sich das Ausgangssignal beim Verringern der Verstärkung pro Stufe der 60-Elemente-Gruppe auf Eins (keine Verstärkung bereitgestellt) um einen Faktor Zwei verringert, wird die Gesamtverstärkung G zu 1024 berechnet. Die Verstärkung als eine Funktion von S2/S1 für eine derartige Einrichtung ist in 6 gezeigt.

Die beschriebene Einrichtungsarchitektur und das beschriebene Messverfahren ermöglichen die einfache Messung der Multiplikationsverstärkung. Die Technik ist für die automatische Ausführung einer Verstärkungsmessung in einem Kamerasystem ideal geeignet. Es sollte bemerkt werden, dass, obwohl dieses Beispiel eine Frametransfer-Architektur beschreibt, jede CCD-Architektur verwendet werden kann, z.B. kann eine Fullframe- oder eine Interline-Architektur oder alternativ eine Lineareinrichtung von dieser Erfindung Gebrauch machen. Tatsächlich kann jede beliebige Einrichtung, die das Multiplikationsregisterkonzept verwendet, aus dieser Erfindung Nutzen ziehen.

Die beschriebene Ausführungsform führt die unabhängige Steuerung von Gruppen von Elementen in einem Multiplikationsregister dadurch aus, dass sie ein Multiplikationsregister bereitstellt, das in zwei separate Register unterteilt ist, wobei eines sequentiell nach dem anderen angeordnet ist. Gruppen von Elementen könnten ebenso in einem einzelnen Multiplikationsregister angeordnet sein, indem Elemente der einen Gruppe mit Elementen einer anderen Gruppe verschachtelt sind. Zum Beispiel könnte jedes zehnte Element zu einer ersten Gruppe gehören und der Rest zu einer anderen. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass jede Abweichung der Verstärkung aufgrund irgendeines Temperaturgradienten an dem Register minimiert wird. Mehr als zwei Gruppen mit unabhängiger Steuerung der Verstärkung könnten vorgesehen sein. Im Extremfall könnte jedes einzelne Element unabhängig steuerbar sein, obwohl dies die Komplexität der Anschlüsse, die zum Versorgen der Elemente mit Spannungen erforderlich sind, vergrößern würde.

Um geeignete Anschlüsse zum Steuern der Gruppen von Elementen bereitzustellen, könnten die Anschlüsse an die ϕ2 (Hochspannung) für eine Gruppe miteinander verbunden sein und die Anschlüsse an die ϕ2 (Hochspannung) für eine andere Gruppe miteinander verbunden sein. Dies ermöglicht es, dass die durch jede Gruppe bereitgestellte Verstärkung variiert wird, indem unabhängig die ϕ2-Phase oder -Spannung, die an jede Gruppe angelegt ist, variiert wird. Gleichermaßen können die Anschlüsse an ϕDC miteinander gruppiert sein, so dass die Spannung an ϕDC für jede Gruppe unabhängig variiert werden kann. So oder so kann die Spannungsdifferenz zwischen ϕ2 und ϕDC für jede Gruppe selektiv verringert werden, wodurch die durch Elemente dieser Gruppe bereitgestellte Verstärkung auf Eins verringert wird.

Normalerweise sind für eine Einrichtung ohne Verstärkungsmessung alle ϕ1-Elektroden miteinander verbunden, alle DC-Elektroden werden miteinander verbunden sein, alle ϕHV-Elektroden sind miteinander verbunden und alle ϕ3-Elektroden sind miteinander verbunden. Dies dient der Vereinfachung. In der Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungen in zwei Gruppen aufgeteilt. Zur Vereinfachung würde man jedoch so viele Elektroden wie möglich verbinden wollen, entweder auf dem Chip (wo immer das möglich ist) oder in dem Gehäuse. Die ϕ1- und ϕ3-Elektroden können zwischen den Gruppen gemeinsam sein, da diese die Verstärkung nicht beeinflussen. Ein separater Anschluss könnte dann für die ϕHV und die ϕDC jeder Gruppe gebildet sein. Es kann jedoch sein, dass dies nicht erforderlich ist, da nur eine von diesen erforderlich ist, um die Verstärkung zu steuern. Vorzugsweise können deshalb entweder die ϕHV-Anschlüsse zwischen jeder Gruppe gemeinsam sein und die Verstärkung wird durch unabhängiges Einstellen des ϕDC-Pegels jeder Gruppe gesteuert, oder die ϕDC können alternativ zwischen jeder Gruppe gemeinsam sein und separate Anschlüsse zu ϕHV können gebildet sein.

Die Spannungsdifferenz ϕ2–ϕDC ist gewöhnlich gleich 40v und kann selektiv verringert werden, so dass die durch ausgewählte Elemente oder Gruppen von Elementen bereitgestellte Verstärkung auf Eins verringert wird.

Idealerweise sollte die Verstärkung der Teilmenge von Elementen für die durchzuführende Verstärkungsmessung auf Eins gesetzt werden. Die Erfindung würde jedoch funktionieren, wenn zum Beispiel die Verstärkung an der Teilmenge verändert wird, indem der angelegte Taktpegel an ϕHV oder der dc-Pegel an ϕDC um einen bekannten Betrag, z.B. um 1 Volt, geändert wird. Dies kann weniger genau sein als eine Berechnung unter Verwendung der Verstärkung mit dem Verstärkungsfaktor Eins auf der Grundlage der Form der Verstärkungskurven (d.h. 4) zum Durchführen bräuchte. Dies ist möglich, da die Form einigermaßen konstant mit der Temperatur und von Einrichtung zu Einrichtung bleibt, aber die Position der Kurven verschiebt sich entlang der Abszisse. Die Verschiebung der Kurve beeinflusst die Verstärkungsmessung nicht.

Wie durch die obigen Gleichungen gezeigt, ist es wichtig, dass das Eingangssignal Sin konstant gehalten wird, während die Messungen des ersten und zweiten Signals (mit und ohne auf selektierte Elemente angewendete Verstärkung) durchgeführt werden. Eine einfache Art, um dies zu erreichen, wenn die Erfindung in einer Kamera ausgeführt ist, besteht darin, dass die Kamera eine konstante Szene betrachtet. Das durchschnittliche Signal für einen ganzen Frame könnte genommen werden, und dann das für einen anderen Frame, wobei die Verstärkung eines Abschnitts des Registers verringert ist. Dies liefert zwei durchschnittliche Signale, aus denen die Verstärkung wie oben erklärt berechnet werden kann.

Eine alternative Art zum Beschaffen zweier Signale für eine Framearray-Abbildungsvorrichtung besteht darin, volle Verstärkung (alle Elemente verwendet) und eine teilweise Verstärkung (einige Elemente auf Verstärkung mit dem Verstärkungsfaktor Eins gesetzt) abwechselnd für jede von dem Frame gelesene Zeile anzuwenden. Im Durchschnitt werden die Signale von benachbarten Zeilen eines Bildes wahrscheinlich ähnlich sein. Bei Mittelung über einen ganzen Frame stellt dies tatsächlich ein konstantes durchschnittliches Sin-Eingangssignal bereit. Auf dieses wird volle oder teilweise Verstärkung angewendet. Die Verstärkung wird dann als ein Verhältnis der zwei Signale ermittelt, wie schon beschrieben wurde.

Das Verfahren zum Betreiben einer die Erfindung verkörpernden CCD-Einrichtung, um die bereitgestellte Verstärkung zu ermitteln, ist in 7 gezeigt. In einem ersten Schritt wird ein Ausgangssignal für eine Zeile oder einen Frame gemessen, wobei eine Verstärkung auf alle Elemente des Multiplikationsregisters angewendet wird. In einem zweiten Schritt wird ein Ausgangssignal für die Zeile oder den Frame gemessen, wobei auf einen Abschnitt der Elemente des Registers eine Verstärkung angewendet wird. Dann wird die Verstärkung des Registers durch das Verhältnis der zwei Signale ermittelt.

8 zeigt den Prozess, durch den abwechselnde Zeilen eines Bildes verwendet werden können, um die Verstärkung zu messen. In einem ersten Schritt wird ein Ausgangssignal für eine Zeile gemessen, wobei eine Verstärkung auf alle Elemente des Multiplikationsregisters angewendet wird. In einem zweiten Schritt wird ein Ausgangssignal für die nächste Zeile gemessen, wobei eine Verstärkung auf einen Abschnitt der Elemente des Registers angewendet wird. Dieser Prozess hält an, bis alle Zeilen eines Bildes gelesen worden sind. Dann werden die von den ungeraden Zeilen erzeugten Signale addiert, um ein erstes Signal zu erzeugen, und die von den geraden Zeilen erzeugten Signale werden addiert, um ein zweites Signal zu erzeugen. Die Verstärkung des Registers wird durch das Verhältnis der zwei Signale ermittelt.


Anspruch[de]
CCD-Einrichtung der Art zum Bereitstellen von Ladungsverstärkung durch Stoßionisation, die umfasst: ein Multiplikationsregister zum Erzeugen einer Ladungsverstärkung mit mehreren Elementen, wobei die bereitgestellte Verstärkung durch eine Teilmenge der mehreren Elemente unabhängig von dem Rest der Elemente des Multiplikationsregisters steuerbar ist; und einen Ausgang, der angeordnet ist, um ein erstes Signal, das aus dem Multiplikationsregister abgeleitet ist, wobei die gleiche Verstärkung auf alle Elemente angewendet wird, und ein zweites Signal zu erzeugen, das aus dem Multiplikationsregister abgeleitet ist, wobei eine Teilmenge der Elemente angesteuert wird, um eine verschiedene Verstärkung bereitzustellen, wodurch die Verstärkung des Multiplikationsregisters aus dem ersten und dem zweiten Signal ableitbar ist. CCD-Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elemente der Teilmenge der Elemente sequentiell mit dem Rest der Elemente angeordnet sind. CCD-Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elemente der Teilmenge der Elemente mit dem Rest der Elemente verschachtelt angeordnet sind. CCD-Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei jedes Element eine Sequenz von Elektroden inklusive einer Hochspannungselektrode umfasst, wobei die Hochspannungselektroden der Elemente in der Teilmenge miteinander verbunden sind, aber nicht mit dem Rest der Elemente verbunden sind. CCD-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Element eine Sequenz von Elektroden inklusive einer DC-Elektrode umfasst, wobei die DC-Elektroden der Elemente in der Teilmenge miteinander verbunden sind, aber nicht mit dem Rest der Elemente verbunden sind. CCD-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Signal aus dem Multiplikationsregister abgeleitet ist, wobei die Teilmenge der Elemente angesteuert ist, um eine Verstärkung mit einem Verstärkungsfaktor von im Wesentlichen Eins bereitzustellen. CCD-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein Array von lichtempfindlichen CCD-Elementen umfasst, das angeordnet ist, um Ladung an ein Multiplikationsregister zu liefern. CCD-Einrichtung nach Anspruch 7, wobei der Ausgang angeordnet ist, um die ersten und zweiten Signale aus einer Ladung zu erzeugen, die aus einem ersten bzw. einem zweiten erfassten Bild abgeleitet sind. CCD-Einrichtung nach Anspruch 7, wobei der Ausgang angeordnet ist, um das erste und das zweite Signal aus einer Ladung zu erzeugen, die aus jeweils abwechselnden Zeilen in einem erfassten Bild abgeleitet sind. Verfahren zum Ableiten der normalen Verstärkung, die durch ein Multiplikationsregister mit mehreren Elementen bereitgestellt wird, das umfasst:

– Ableiten eines ersten Signals aus dem Multiplikationsregister, wobei die normale Verstärkung auf alle Elemente angewandt wird,

– Ableiten eines zweiten Signals aus dem Multiplikationsregister, wobei eine Teilmenge von Elementen gesteuert wird, um eine von dem Rest der Elemente verschiedene Verstärkung bereitzustellen, und

– Ermitteln der normalen Verstärkung des Multiplikationsregisters aus dem ersten und zweiten Signal.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das zweite Signal aus dem Multiplikationsregister abgeleitet wird, wobei die Teilmenge von Elementen gesteuert wird, um eine Verstärkung mit einem Verstärkungsfaktor von im Wesentlichen Eins bereitzustellen. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das erste und zweite Signal aus einer Ladung abgeleitet wird, die aus einem ersten bzw. zweiten erfassten Bild abgeleitet wird. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das erste und zweite Signal aus einer Ladung abgeleitet wird, die aus jeweils abwechselnden Zeilen in einem erfassten Bild abgeleitet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Teilmenge von Elementen gesteuert wird, um eine von dem Rest der Elemente verschiedene Verstärkung bereitzustellen, indem das Potential des Takt-Hoch-Pegels, der in jedem Element an die Hochspannungselektrode angelegt wird, geändert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Teilmenge von Elementen gesteuert wird, um eine von dem Rest der Elemente verschiedene Verstärkung bereitzustellen, indem die Spannung, die in jedem Element an eine DC-Elektrode angelegt wird, geändert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Teilmenge von Elementen gesteuert wird, um eine von dem Rest der Elemente verschiedene Verstärkung bereitzustellen, indem die Phasenbeziehung zwischen der Taktwellenform, die in jedem Element an die Hochspannungselektrode angelegt wird, und den anderen Taktwellenformen geändert wird. CCD-Abbildungseinrichtung, die ein Flächenarray von lichtempfindlichen Elementen und eine CCD-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst. Kamera, die eine CCD-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.






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