METHOD OF TRANSFERRING NOISE-FREE USEFUL SIGNALS FROM AN INFRA-RED DETECTOR TO A CCD CHANNEL

Abstract: 1. Method for the transfer of information signals of an infra-red detector, which have been freed of background signal, to a charge-coupled device channel, characterized thereby, that a component, which exceeds a predeterminable threshold, of a charge, which has been integrated in a first intermediate store (C2) at the end of the integration time in a first cycle and that the components added up in the second intermediate store (C2) are transferred to the input (7) of the charge-coupled device channel after n cycles (n = whole number > 1).

Description: Beschreibung Verfahren zur Übergabe von hintergrundsignalbefreiten Nutzsignalen eines IR-Detektors an einen CCD-Kanal Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Übergabe von hintergrundsignalbefreiten Nutzsignalen eines IR-Detektors (Infrarot-Detektors) an einen CCD-Kanal (Charge-Coupled-Devi .s-Kanal). Neuzeitliche Wärmebild-Geräte besitzen zur Verbesserung der Empfindlichkeit eine Vielzahl von Einzeldetektoren in dar Fokusenbane der IR-Optik. Die Forderung nach einer hohen geometrischen Bildauflösung bedingt eine dichte1 im allgemeinen zweidimensionale Packung der Detektorelemente. Da die IR-Detektoren eine Betriebstemperatur von typisch 40 K < T < 100 K erfordern, sind die ein- oder zweidimensionalen Detektorarrays in ein Dewargehäuse einzubauen. Bei zweidimensionalen Multielementarrays ist dabei eine individuelle Herausführung der Signalleitungen von jedem Detektorelement zum zugehörigen Vorverstärker äusserst schwierig. Ein relativ einfaches Detektorsignal-Auslese- verfahren bieten die ladungsgekoppelten Bauelemente, auch CCD-Schiaberegister genannt. CCD-Schieberegister wandeln die Vielzahl der räumlich verteilten Detektorsignale um in ein Zeit-Multiplex-Signal. Diess Parallel-Serien-Wandlung durch die CCD-Schieb8register ergibt eine bst:rÅachtliche Verringerung der elektrischen Durchführungen in das Dswar- gehäuse. Das vom Detektor-Array auszuwertende Objekt weist üblicherweise eine nur geringe Temperaturdifferenz zu seiner Umgebung bzw. zum Hintergrund auf. Daher ist das der Temperaturdifferenz entsprechende Nutzsignal nur ein Bruchteil des Hintergrundsignals, z.B. I/íOO bis 1/1000. Um den dynamischen Bereich der CCD-Schieberegister zu erhöhen, ist es notwendig, den vom Hintergrundsignai erzeugten Ladungsanteil vor dem Einlesen in das CCD Schieberegister zu subtrahieren. Vom CCD-Schieberegister wird dann nur noch ein dem Nutzsignal entsprechender Ladungsanteil weitergeleitet. Als Beispiel für eine Hintergrundsignalunterdrückung ist in FIG. 1 eine Detektorsignal-Übergabeschaltung schematisch dargestellt1 wie sie aus IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-29, No. 11 Jan. 1982, Seiten 3 bis 13 bekannt ist. Diese Schaltung erfordert entweder eine hohe zu jedem Detektorelement gehörige Speicher k.-apazität CO, um die während der Integrationszeit to angefallene, vom Hintergrund- und Nutzsignal gene vierte Gesamt ladung zu speichern. Erst am Ende der Integrationszeit kann ein dem Hintergrundsignal entsprechender konstanter Ladungsanteil QK abgezogen und die verbleibende Ladung kN über das CCD-Schisbe- register 71 ausgelesen werden oder eine kurze Tntegrationszeit t1, um die Speicherung der Gesamtladung auch in kleinerer Speicherkapazität C vornehmen zu können. Der erste Fall ist unerwünscht, weil grosse Speicherflächen (in FIG. 1die Fläche der Elektrode 3) den Füllfaktor (das Verhältnis der Fläche des Sensor-Elements zur Fläche der Übergabeschaltung) reduzieren. Für den Fall einer photo- naninduzierten Generationsrate der Ladungsträger von 2#106 cm-2s-1, einer Integrationszeit von t0 = 100 s und einer Gatespannung U3 von 10 V ist die Gatefläche der Speicherelektrode 3 bereits gleich der Sensorfläche Der zweite Fall ist unerwünscht, weil er hohe Verschisbe- frequenzen in der Übergabeschaltung und Taktfrequenzen für das CCD-Schieberegister erfordert. Ausserdem wird durch die geringen Ladungsmengen auch das Signal/Rausch-Verhältnis wesentlich verschlechtert. Für den Fall einer Integrationszeit von t1 = 10 s ergibt sich bei 100 Detektorelementen bereits eine CCD-Schieberegisterfrequenz von 10 MHz, weil Sensortotzeiten vermieden werden sollen. CCD-Schieberegister für llohe Frequenzen haben jedoch im allgemeinen einen geringeren dynami8cilen bereich und erheblich schlechtere Transfereigenschaften. Dar Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll ohne Verschlech terung des Signal/Rausch-Varhältnisses das Verhältnis Detektorfläche/(Fläche der Übergabeschaltung) verbessert werden. Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Ver- fahrensmerkmale gelöst. Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens gibt Anspruch 3. Es ist nunmehr möglich, jedem Infrarot-Detektor eine relativ Kleinflächige Elektrode für einen Zwischenspeicher zuzuordnen und die einzelnen Nutzsignale während n Zyklen in einem zweiten Zwischenspeicher zunächst aufzusummieren, um sie erst dann an den Eingang des CCD-Kanals des Schieberegisters weiterzuleiten. Das CCD-Schisberegistsr kann dadurch mit üblicher Taktgeschwindigkeit betrieben werden, so dass keine Verschlechterung seiner Transfereigenschaften auftreten. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Bei Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 treten keine Rückwirkungen der verbleibenden Ladung des Zwischenspei chers auf das nächstfolgende Detektorsignal ein. Durch die n-maligs Aufsummierung des Nutzsignals im Zwischenspeicher C2 ergibt sich eine wesentliche Verbesserung des Füllfaktor tai dieser Detektoranordrng. Da das dem Photonen- hintergrundsignal entsprechende Ladungspaket im Zwischen spaischa@ 2 nicht; mehr gespeichert wird, kann die Fläche dieser Speicherelektroden beträchtlich verringert werden. Gleichzeitig wird dadurch die für ein optimales Signal/ Rauschverhältnis erforderliche Integrationszeit to sr- reicht, die sich aus n Integrationszyklen mit den Integrationsintervallen t1 zusammensetzt zu: to = n.t1. Die Erfindung wird nun anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen im einzelnen: FIG. 2 Prinzipschaltbild der Übergabeschaltung FIG. 3 Oberflächenpotential-Verläufe zu sechs aufeinan derfolgenden Zeitpunkten in Iu @ ist mit 1 die Detektorfläche des IR-Detektors bezeichnet, die in der als Prinzipschaltbild dargestellten Übergabeanordnung beispielsweise von oben auf die Sensorfläche als Strahlung IR auftreffen möge. Der Detektorbe- reich des IR-Detektors 1 ist mittels einer sich auf konstantem Potential U@ befindenden ersten Transferelektrode 2 infolge des unter dieser sich. ausbildenden Obsr- flächenpotentials mit einem erstes Zwischenspeicher Cl kontaktiert, der sich unterhalb der diesem zugeordneten Elektrode 3 befindet. Zwischen dem ersten Zwischenspeicher Cl und einem zweiten Zwischenspeicher C2, der sich unter einer Elektrode 5 befindet, ist zur Erzeugung liner elsk- tischen Schwelle eine Transferelektrode 4 vorgesehen. Ferner ist zwischen dem Speicher C2 und dem Eingang 72 eines CCD-Schieberegisters mit der Eingangselektrode 7 eine weitere Transferelektrode 6 angeordnet, mittels der jeweil nach n Transferzyklen der ersten und zweiten Transferelektrode 2 und 4 die Ladung vom ZwischanspeiGher C2 zum Eingang des CCD-Schieberegisters übergebbar ist. In FIG. 3 ist anhand von sechs Teilzeichnungen mit den Bezeichnungen FIG. 3.1 bis FIG. 3.6 die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung anhand der Potential- und Ladungsverteilung am Ende jeweils einer Taktzeit dargestellt. Die Figuren zeigen dabei den Potentialverlauf unter den jawei- ligen Elektroden der Anordnung gemäss FIG. 2 im gleichen Massstab und in dem gleichen Querschnitt des Halbleiter chips. In einem ersten Zyklus am Ende einer ersten Taktzeit sei der Potentialverlauf S2 bis S7 unter den Elektroden 2 bis 7 durch die Wahl der Spannungen UD und U3 bis U7 zwischen den Elektroden und dem Substrat des Halbleiterchips snt- sprechend FIG. 3.1. Von der durch die IR-Strahlung unter der DeteLtorflächs 1 erzeugten Ladung Q ist über die konstante Potentialschwelle S2 innerhalb einer stets konstanten Integrationszeit t1 ene dem Nutz- und Hintergrundsignal entsprechende Ladungsmenge Q11 in den durch die Potentialschwellen S2 bis S4 gebildeten Potentialtopf, der den ersten Zwischenspeicher Cl bildet, geflossen. In einer zweiten Taktzeit wird nun über die Spannung u4 an der Elektrode 4 das Potential s4 um einen Betrag abgesenkt, der so gewählt ist, dass möglichst lediglich die Ladung Q1N1 des Nutzsignalanteils der Ladung Q11 in den zweiten Zwischenspeicher C2 unter die Elektrode 5 abfliesst (Skimming-Verfahren). Den Potential- und LadungsvGrlauf am Ende dieser Taktzeit zeigt FIG. 3.2. Jn einer dritten Taktzeit wird die Potentialschwelle S4 wieder auf den ursprünglichen Wert eriöht und über den Feldeffekttransistor T1 < FIG. 2) in an sich bekannter Weise die Ladung Q1R1 des Speichers Cl entfernt. Hierzu ist die Drain-Elektrode des Transistors T1 an einer auf Bezugspotential liegenden Sammelleitung L angesclllossen. Die Source-Elektrode des Transistors T1 ist technologisch mit dem Bereich unter der Elektrode 3 identisch. Durch einen Spannungsimpuls an der Gateelektrode G des Transistors Tt lässt: sich die Ladung des Speichers Cl ableiten. Die Potential- und Ladungsverteilung am Ende der dritten Taktzeit zeigt FIG. 3.3. Dieser aus drei Taktzeiten bestehende Zyklus wird nun gemäss der Erfindung n mal wiederholt. Dabei wird die ladung vorwiegend entsprechend dem Nutzsignal im Speicher C2 unter der Elektrode 5 zur Ladung Q21 summiert, so dass gilt Q21 = Q1N1 + Q1N2 + Q1N3 + ... + wobei n beispielsweise 10 sein kann. Die Potential- und Ladungsverteilung am Ende sull n Zyklen zeigt FIG. 3.4. In einer weiteren Taktzeit werden die Spannungen an den Elektroden 5 und 6 nun so angelegt, dass durch den sich dadurch ergebenden Potentialverlauf, wie ihn die Figurn 3.5 und 3.6 zeigen, die Ladung Q21 in den Eingang 72 des C'"-Kanals und damit unter die Eingangselektrode 7 des CCD-Schieberegisters transferiert wird. Gemäss FiG. 3.6 ist in einer weiteren Taktzeit wieder eine Ladungsmenge Q*11 vom IR-Detektor in den Speicher C1 eingeflossen. Der Vorgang läuft wieder wie beschrieben ab. Jeweils in der ersten Taktzeit eines Zyklus wird der IR-Detektor belichtet und der Speicher Cl entsprechend der Belichtungsintensität gefüllt. Sieht für diesen Prozess bei einer Infrarot-Anwendung die Integrationszeit t1 bzw. die entsprechende Integrationsfrequenz f1 = 1/t1 zur Verfügung, so ergibt sich für die Übergabefrequenz fT der im Zwischenspeicher C2 nach n Integrationszyklen aufsummierten Nutzsignalladungen in den CCD-Auslesekanal fm @ 1/n. Fä die Auslosung der aufsummierten Ladung Q21 im CCD Kanal steht die Zeit t0 = n#t1 aus n Zyklen zur Verfügung Sind p Detektoren einer Detektorszeile mit dieser vorge- schlagenen Übergabeschaltung an ein CCD zur Parallel Seriell-Wandlung der Detektorsignale angeschlossen, so folgt somit für die CCD-Auslsssfrequenz fCCD = p#fT = p#f1/n. Die bedeutet, dass das CCD-Schieberegister mit üblicher Taktfrequenz betrieben werden kann. Das ist besonders vorteilhaft bei zweidimensionalen IR-Dstsktor- anordnungen, bei denen je IR-Dstsktor eine Übergabaschul- tung vorgesehen ist. Mit n = 10 und einem Verhältnis Nutzsignal/hintergrundsignal = 1/100 lässt sich dadurch 70-80 % der Elektrodenflächen von Übergabeschaltung und CCD-Schieberegister einsparen ohne dass eine Vsrschlechts- rung des Verhältnisses Signalleistung/Rauschleistung in Kauf genommen werden muss.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Übergabe von hintergrundsignalbefreiten Nutzsignalen eines IR-Detektors an einen CCD-Kanal (Charge-Coupled-Device-Kanal), dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Zyklus ein eine vorgebbare Schwelle übsr- schreitender Anteil einer in einem ersten Zwischenspeicher (C1) integrierten Ladung des IR-Detektors (i) am Ende der Integrationszeit in einen zweiten Zwischenspeicher (C2) transferiert wird und dass nach n Zyklen (n = ganze Zahl > 1), die im zweiten Zwischenspeicher (C2) aufsummier- tan Anteile an den Eingang (7) des CCD-Kanals transferiert werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende eines jeden Zyklus der erste Zwischenspeicher (ci) entladen wird. 3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor- bereich des IR-Detektors (1) mittels einer sich auf kon stantem Potential (UD) befindenden ersten Transfer-Elektrode (2) infolge des unter der ersten Transfer-Elektrode (2) sich ausbildenden Oberflächenpotentials mit einem ersten Zwischenspeicher (Ct) kontaktiert ist, dass zwischen dem ersten Zwischenspeicher (ei) und einem zweiten Zwischenspeicher (C2) zur Erzeugung einer elektri- schen Schwelle eine zweite Transferelektrode (4) vorgesehen ist und dass zwischen dem zweiten Zwischenspeicher (C2) und dem Eingang (7) des CCD-Kanals eine dritte Transferelektrode (6) vorgesehen ist, mittels der jeweils nach n Transferzyklen der ersten und zweiten Transfer-Elektrode (2 und 4) die Ladung vc:n zweiten Zwischenspeicher (C2) zum Eingang (7) des CCD-Kanals übergebbar ist. 4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transfertakt für die erste und zweite Transferelektrode (2 und 4) n-mal so hoch ist wie der der dritten Transferelektrode (6). 5. Schaltungsanordnur.g zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch Z, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entladung des ersten Zwischenspeichers (ei) ein an seinem Gate -steuerbarer MOS-Transistor (Tl) vorgesehen ist. t. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf einem HalbleiterChip mehrfach vorgesehen ist.

Inventors: GEBHARDT, PAUL-JOACHIM, DIPL.-PHYS., MAIER, HORST, DR., NOTHAFT, PETER, DR., SCHULZ, MAX, PROF. DR. RER. NAT.
Applicants: LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH, TELEFUNKEN ELECTRONIC GMBH
Application year: 1984
Main classification: H04N5
IPC codes: H04N3, H01L27