DE2623745A1

DE2623745A1 - Schaltungsanordnung mit einem ladungsgekoppelten element

Info

Publication number: DE2623745A1
Application number: DE19762623745
Authority: DE
Inventors: Stephen John Glenn
Original assignee: Elliott Brothers London Ltd
Current assignee: Allard Way Holdings Ltd
Priority date: 1976-03-31
Filing date: 1976-05-26
Publication date: 1977-10-06
Also published as: US4142213A; NL7703436A; GB1523232A

Description

PATENTANWÄLTE

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den

P/Vb - E 2077 "■

ELLIOTT HROTlIERS (LONDON) LIMITED Marconi House, New Street Chelmsford, Essex, England

Schaltungsanordnung mit einem ladungsgekoppelten Element

Die Erfindung betrifft elektronische Schaltungsanordnungen mit ladungsgekoppelten Elementen und insbesondere solche Schaltungsanordnun^en, bei denen ladungsgekoppelte Elemente als Speicherelemente verwendet werden. Eine der letztgenannten Art entsprechende Anordnung ist die sog.' CCD-Fernsehkamera, also eine Fernsehkamera mit einem ladungsgekoppelten Element.

Wohlbekannterweise leiden ladungsgekoppelte Elemente an den sog. Dunkelstromeffekten. Eine CCD-Fernsehkamera bietet die Möglichkeit des Betriebs bei sehr niedrigen Lichtpegeln, wenn sie mit niedrigen Bildfrequenzen bei langen Integrationszeiten betrieben wird. Die praktische Begrenzung der Integrationszeit wird jedoch durch die Dunkelstrom-Eigenschaften der ladungsgekoppelten Elemente bestimmt. Der Dunkelstrom ist allgemein unterschiedlich für verschiedene Elementabschnitte der ladungsgekoppelten Vorrichtung, und bei niedrigen Lichtpegeln (d.h. bei langen Integrationszeiten), wenn der Dunkelstrom einen bedeutsamen Anteil des Ramera-Ausgangssignales bildet, kann das Bild

7098AO/0585

DR. C. MANITZ ■ D1PL.-INC. M. FINSTERWALD DIPL.-INC. W. G R A M K O W ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

MÜNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE 1 7 STUTTGART SO IBAD CANNSTATT) MÜNCHEN. KONTO-NUMMER 727O

TEL. (039) 22 42 11. TELEX 5-29672 PATMF SEELBERGSTR. 23/2S. TEL. (0711156 72 61 POSTSCHECK j MÖNCHEN 77 O 62 - 80S

durch das Dunkelstrommuster ernstlich verschlechtert, wenn nicht gar verdeckt werden.

Der Dunkelstrom ist ähnlicherweise ein Problern, wenn ladungsgekoppelte Elemente einfach als Analog-Speicherelemente verwendet werden und insbesondere wenn lange Speicherzeiten erforderlich sind.

Bekanntermaßen kann der Dunkelstrom durch Kühlung reduziert werden; normalerweise ist bei jeder Anordnung, die ein ladungsgekoppeltes Element benutzt und bei der lange Speicherzeiten angezielt werden, eine Kühlung vorgesehen. Sogar in gekühlten Systemen jedoch neigt der Dunkelstrom dazu, die grundlegende Begrenzung der möglichen Speicherzeit darzustellen.

Durch die Erfindung soll eine verbesserte elektronische Anordnung mit einem ladungsgekoppelten Element geschaffen werden, bei der die mit dem Dunkelstrom verbundenen Probleme gemildert sind.

Gemäß der Erfindung wird eine elektronische Anordnung mit einem als Speicherelement für Daten verwendeten ladungsgekoppelten Element geschaffen, bei dem zur Kompensation der Dunkelstromeffekte ein zweites ladungsgekoppeltes Element vorgesehen ist, eine Einrichtung zur Zuführung von Daten zu dem ersten ladungsgekoppelten Element während eines Abschnitts einer Speicherperiode, eine Einrichtung zur Übertragung des gespeicherten Inhalts des einen ladungsgekoppelten Elements auf das zweite ladungsgekoppelte Element zur Speicherung während eines folgenden Abschnitts der Speicherperiode, und mit einer Einrichtung zur subtraktiven Kombinierung der gespeicherten Inhalte der beiden

709840/0585

ladungsgekoppelten Elemente am Ende der Speicherperiode.

Vorteilhafterweise sind der eine Abschnitt und der folgende Abschnitt der Speicherperiode jeweils halbe Teilabschnitte der Speicherperiode.

Vorzugsweise umfaßt die Einrichtung zur subtraktiven Kombinierung einen Differentialverstärker.

Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist die elektronische Anordnung eine CCD-Fernsehkamera (d.h. eine Fernsehkamera mit einem an sich bekannten ladungsgekoppelten Bildaufnahmeelement) vom Feld-Transfer-Typ, bei der das normalerweise vorgesehene einzige ladungsgekoppelte Element durch das erste und das zweite ladungsgekoppelte Element ersetzt ist, und bei der eine Einrichtung zur Lenkung eines optischen Bildes vom optischen Abschnitt der Kamera zu dem ersten ladungsgekoppelten Element während eines Abschnitts der Speicherperiode und zu dem zweiten ladungsgekoppelten Element während des folgenden Abschnitts der Speicherperiode vorgesehen ist, sowie eine Einrichtung zum Austausch der gespeicherten Inhalte der beiden Elemente am Ende des einen Abschnitts der Speicherperiode.

Vorteilhafterweise ist die Anordnung so getroffen, daß der Austausch des gespeicherten Inhalts der beiden ladungsgekoppelten Elemente dann stattfindet, wenn das optische Bild von dem einen zu dem zweiten ladungsgekoppelten Element zurückgelenkt wird.

Vorzugsweise umfaßt die Einrichtung zur Lenkung des Bildes einen Spiegel und Einrichtungen zur Bewegung des Spiegels in den optischen Pfad zu dem ersten ladungsgekoppelten Element, um das optische Bild auf das zweite ladungsgekoppelte Element

709840/0585

abzulenken, während der Durchgang des optischen Bildes zu dein ersten ladungsgekoppelten Element unterbrochen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung des allgemeinen Aufbaus einer elektronischen Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, und

Figur 2 eine schematische Darstellung einer CCD-Fernsehkamera-Anordnung vom Feld-Transfer-Typ, gemäß der Erfindung.

Wie in der Figur 1 dargestellt ist, sind die ladungsgekoppelten Elemente zur Funktion als Speicherelemente vorgesehen. Das erste ist mit dem Bezugszeichen 1 und das zweite ist mit dem ßezugszeichen 2 versehen. Datensignale aus einer Datensignalquelle 3 werden über einen Schalter dem Eingang des ladungsgekoppelten Speicherelements (CCD-Speicher) 1 zugeführt. Der Ausgang des CCD-Speichers 1 ist mit Eingangsanschluß h eines Zwei-Weg-Schalters 5 verbunden, der den Eingangsanschluß 4 mit dem einen oder dem anderen seiner zwei Ausgangs-Anschlüsse 6 und 7 verbinden kann.

Der Ausgangsanschluß 7 des Schalters 5 ist mit dem Eingangsanschluß des CCD-Speichers 2 verbunden, während der Ausgangsanschluß 6 mit einem Eingangsanschluß eines Differentialverstärkers 8 verbunden ist.

709840/0585

Der Ausgangsanschluß des CCD-Speichers 2 ist mit dem Eingangsanschluß 9 eines Zwei-Weg-Schalters ίθ verbunden, der den Eingangsanschluß 9 mit dem einen oder dem anderen von zwei Ausgangsanschlüssen 11 und 12 verbinden kann. Der Ausgangsanschluß 11 des Schalters 10 ist mit dem Eingang des CCD-Speichers 1 verbunden, während der Ausgangsanschluß 12 mit einem zweiten Eingangsanschluß eines Differentialverstärkers 8 verbunden ist. Der Ausgangsanschluß des Differentialverstärkers 8 ist mit einem Verbraucher-Ausgangsanschluß 13 verbunden.

Im Betrieb werden die zu speichernden Üatensignale aus der Quelle 3 über den Schalter k dem CCD-Speicher 1 zugeführt und dann für eine Hälfte einer Speicherperiode gespeichert. Während dieser Zeit ist kein Eingang an den CCD-Speicher 2 angelegt. Am Ende der halben Speicherperiode wird der Schalter 5 so betätigt, daß sein Eingangsanschluß k mit seinem Ausgangsanschluß 7 verbunden ist, während der Schalter 10 so betätigt wird, daß sein Eingangsanschluß 9 mit seinem Ausgangsanschluß 11 verbunden ist und der Schalter k geöffnet ist (d.h. in seinem nichtleitenden Zustand ist). Dadurch werden die Inhalte der CCD-Speicher und 2 ausgewechselt. Unmittelbar vor der Auswechslung umfaßt der Inhalt des CCD-Speichers 1 das Datensignal plus dem Dunkelstrom, während der Inhalt des CCD-Speichers 2 nur den Dunkelstrom umfaßt. Die Anordnung wird nun für die verbleibende Hälfte der Speicherperiode statisch bzw. unverändert belassen, so daß am Ende der Speicherperiode der CCD-Speicher 1 sowohl sein eigenes Dunkelstrommuster als ajuch das des CCD-Speichers 2 enthalten wird. Der CCD-Speicher 2 wird das Datensignal zusammen mit seinem eigenen und dem Dunkelstrommuster des CCD-Speichers 1 enthalten. Dann werden die Schalter 5 und 10 betätigt, so daß der Eingangsanschluß 4 des Schalters 5 mit seinem Ausgangsanschluß 6 verbunden

709840/0585

wird, während der Eingangsanschluß 9 des Schalters 10 mit seinem Ausgangsanschluß 12 verbunden wird. Dadurch werden die Inhalte der CCD-Speicher 1 und 2 an die Eingänge des Differentialverstärkers 8 angelegt. Die Dunkelstrommuster, die in beiden Speichern ähnlich sind, heben sich gegenseitig auf, so daß das Datensignal am Ausgang des Verstärkers Ö wenigstens im wesentlichen frei von Dunkelstrom erscheint.

i3ej dem in der fig. 2 dargestellten Beispiel besteht die elektronische Anordnung aus einer CCD-Fernsehkamera des Feld-Transfer-Typs. Der optische Teil der Kamera ist mit dem Hezugszeichen 14 bezeichnet. Ein erstes ladungsgekoppeltes Element 1 ist so angeordnet, daß es ein optisches Bild aus dem optischen Teil Ik über den Pfad 15 erhält, während ein zweites ladungsgekoppeltes Element 2 so angeordnet ist, daß es das optische Bild vom optischen Teil 14 über den Pfad 16 empfängt, wenn ein Spiegel 17 in den Pfad 15 von dem optischen Abschnitt Ik zum ladungsgekoppelten Element 1 bewegt wird. Der Spiegel 17 lenkt das optische Bild vollständig ab, so daß dann, wenn das ladungsgekoppelte Element 2 ein Eingangssignal empfängt, das ladungsgekoppelte Element 1 kein Eingangssignal erhält. Die Bewegung des Spiegels 17 ist als durch einen drehenden elektrischen Motor bzw. einen elektrischen Rotenoid-Motor 18 bewirkt dargestellt.

¥ie zuvor sind die Ausgänge der CCD-Speicher 1 und 2 als mit einem Differentialverstärker 8 verbunden gezeigt. Um den CCD-Speicher 2 von störenden EingangsSignalen aus dem optischen Abschnitt 14 zu isolieren, ist dieser mit einem optischen Schirm 19 versehen.

7 0 9 -¹U · ■ / Π Κ R 5

Im Betrieb, beim Beginn einer Integrationsperiode, wird der Spiegel 17 aus dem Pfad 15 entfernt und das optische Bild aus dem optischen Abschnitt lh wird als Eingangssignal an das ladungsgekoppelte Element 1 gelegt. Ein Ladungsmuster aufgrund des optischen Bildes wird sich daher am Element 1 aufbauen. Unterdessen bildet das ladungsgekoppelte Element 2 nur einen Dunkel strom aus.

In der Mitte der Integrationsperiode werden die Inhalte der beiden CCD-Speicher 1 und 2 ausgewechselt und der Spiegel 17 in den Pfad 15 eingeführt, um das Element 1 vom optischen Eingangssignal abzuschneiden und das optische Bild auf das Element 2 zu lenken. Der Rest des optischen Bildes baut sich daher während der verbleibenden Zeit der integrationsperiode im Element/auf, Wiederum ist der Dunkelstrom in den beiden Elementen 1 und 2 am Ende der Integrationsperiode ähnlich und hebt sich im I)ifferentialverstärker 8 auf, während am Ausgang des Differentialverstärkers b das gesamte Video-Signal im wesentlichen frei von Dunkelstrom erscheint.

Um eine unnötige Komplizierung der Figur 2 zu vermeiden, sind die den Schaltern 5 und 10 in der Figur 1 entsprechenden Schalter nicht dargestellt; ebenso sind in beiden Figuren, wiederum um eine unnötige Komplizierung zu vermeiden, Zeitsteuerungsschaltungen und ähnliches nicht dargestellt.

- Patentansprüche -

7 π ^c-i - '■«'- / Π Fi R 5

Leerseite

Claims

Paten tansprüche

ο)Elektronische Anordnung mit einem als Speicherelement für Daten verwendeten ladungsgekoppelten Element, dadurch gekennzeichnet , daß zur Kompensierung von Dunkel Stromeffekten ein zweites ladungsgekoppeltes Element (2) vorgesehen ist, eine Einrichtung (k) zur Zuführung von Daten zu dem ersten ladungsgekoppelten Element (1) während eines Abschnitts einer Speicherperiode, eine Einrichtung (5, 10) zur übertragung des gespeicherten Inhalts des einen ladungsgekoppelten Elementes (1) zu dem zweiten ladungsgekoppelten Element (2), zur Speicherung während eines folgenden Abschnitts der Speicherperiode, und eine Einrichtung (8) zur subtraktiven Kombination der gespeicherten Inhalte der beiden ladungsgekoppelten Elemente (1, 2) am Ende der Speicherperiode.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da f. der eine Abschnitt und der .folgende Abschnitt der Speicherperiode jeweils Hälften der Speicherperiode sind.
3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur subtraktiven Kombinierung (8) einen Dift'erentialverstärker umfaßt.
4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche in einer Ausführung als CCD-Fernsehkamera vom Feld-Transfer-Typ, dadurch gekennzeichnet , daß das normalerweise vorgesehene einzige ladungsgekoppelte Element durch

709840/0585

das erste und das zweite ladungsgekoppelte Element (1, 2) ersetzt ist, daß eine Einrichtung (17, 1ö) zur Lenkung eines optischen Bildes von dem optischen Abschnitt (k) der Kamera zu dem ersten ladungsgekoppelten Element (1) während des einen Abschnitts der Speicherperiode und zu dem zweiten ladungsgekoppelten Element (2) während fies folgenden Abschnitts der Speicharperiode vorgesehen ist, sowie eine Einrichtung zum Austauschen der gespeicherten Inhalte der beiden Elemente am Ende des einen Abschnitts der Speicherperiode.
5. Anordnung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet , daß der Austausch des gespeicherten Inhalts der beiden ladungsgekoppelten Elemente (1, 2) dann stattfindet, wenn das optische Bild von dem einen zu dem zweiten ladungsgekoppelten Element zurückgelenkt wird.

6, Anordnung nach einem der Ansprüche Jiooder 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Lenkung des optischen Bildes einen Spiegel (17) und eine Anordnung (18) zur Bewegung des Spiegels in den optischen Pfad zum ersten ladungsgekoppelten Element (1) umfaßt, um das optische Bild auf das zweite ladungsgekoppelte Element (2) hin abzulenken, während der Durchgang des optischen Bildes zu dem ersten ladungsgekoppelten Element (i) unterbrochen ist.

709840/0585