METHOD OF TRANSFERRING THE CHARGE QUANTITIES SUPPLIED BY AT LEAST TWO NEIGHBOURING IR DETECTORS TO A CCD SHIFT REGISTER

Abstract: 1. Method for the transfer of the charge quantities produced by at least two adjacent infra-red detectors to a charge-coupled device shift register, in which for an increase in the transfer speed n - 1 (n = whole number greater than 1) additional charge-coupled device shift register stages are provided each time between the charge-coupled device shift register stages associated with the infra-red detectors, characterised thereby, that the total charge quantity of an infra-red detector (Dm, wherein m = 1, 2, 3,...p) is divided up within the integration time over n (for example n = 3) partial charges and the partial charges are entered into the charge-coupled device shift register stage associated with the infrared detector as well as also into the (n - 1) additional charge-coupled device shift register stages and that the n partial charges of an infra-red detector are each time again added up to the total charge in the read-out circuit (3, 4, 5) at the end of the charge-coupled device shift register.

Description: Beschreibung Verfahren zur Übergabe der von mindestens zwei benachbarten IR-Detektoren erzeugten Ladungsmengen an ein CCD Schieberegister Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Neuzeitliche Wärmebild-Geräte besitzen zur Verbesserung der Empfindlichkeit eine Vielzahl von Einzeldetektoren in dor Fokusebene dor IR-Optik, Die Forderuls$ nach einer hohen geometrischen Bildauflösung bedingt eine dichte, im allgemeinen zweidimensionale Packung der Detektorelemente. Da die IR-Detektoren eine Betriebs temperatur 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-Ausleseverfahren bieten die ladungsgekoppelten Bauelemente, auch CCD-Schieberegister genannt. CCD-Schieberegister wandeln die Vielzahl der räumlich verteilten Detektorsignale um in ein Zeit-Multiplex-Signal. Häufig erfordern die in den Detektoren erzeugten Ladungsträger für eine vom Gesamtsystem vorgegebene Integrationszeit ein grosses Fassungsvermögen der die Ladungen transferierenden Stufen und damit grosse Elektrodenflächen der CCD-Schieberegister. Andererseits ist sowohl bei monolithischen als auch bei hybriden Detektorarrays die Halbleiterchipfläche für die Signalverarbeitung bereits durch die von der IR-Optik vorgegebene Anordnung der IR-Detektoren bestimmt. Übliche CCD-Schieberegisterstufen transferieren eine Ladung in vier Taktphasen mittels vier auf dem Halbleiterchip angeordneten Elektroden. Bei einem Detektorabstand von 100 pm und einer einzigen CCD-Stufe pro Detektor ergibt sich damit eine mittlere Elektrodenlänge L (in Richtung des Ladungstransfers gemessen) von etwa 25 pm. Die Dauer für den Ladungstransfer zwischen zwei Elektroden ist proportional dem Quadrat dor Elektrodenlango L. Bei L = 25 pm wird ein CCD-Schieberegister für die meisten Anforderungen zu langsam, das bedeutet, dass in einer vorgegebenen Taktperiode nicht mehr die gesamte Ladung transferiert wird, so dass es zu Ladungsverlusten und damit su einer Verzerrung des Nutzsignals kommt. Aus der Literatur (z.B. IEEE, Trans. Electr. Devices, ED-19, Juni 1972, Seiten 798-808) ist es bekannt, zur Erhöhung der Transfergeschwindigkeit zwischen den den IR-Detektoren zugeordneten CCD-Stufen jeweils n-1 zusätz- liche CCD-Schieberegisterstufen vorzusehen (n steht für eine ganze Zahl, die > 1, also z.B. 3 ist). Mit zwei zusätzlichen CCD-Schieberegisterstufen entfallen damit auf eine Länge von 100 pm 12 Elektroden, so dass sich damit eine mittlere Elektrodenlänge L' von 8 1/3 pm ergibt. Dadurch ist eine 9-mal so grosse Transfergeschwindigkeit mögi:ich. Nnchtc31.Jg all diesem Vcrfallrols ist, dass die beiden zusätzlichen Schieberegisterstufen im gewählten Beispiel nicht genutzt werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll der Signal/ Rausch-Abstand der Nutzsignale verbessert werden. Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst. Dadurch, dass die in einem Integrationsintervall in einem IR-Detektor anfallende Gesamtladung auf die üblicherweise für die Ladungsübergabe nicht benutzten CCD-Schieberegisterstufen eingelesen werden, ist die auf eine Elektrodenfläche entfallende Ladung wesentlich kleiner und die Elek trodesaflache wird besser zur Ladungsspeicherung genutzt. So kann insbesondere die Elektrodenweite (gemessen senkrecht zur Transferrichtung) kleiner als ohne die erfindungsgemässe Massnahme dimensioniert werden. Die Aufteilung der Gesamtladung eines IR-Detektors in mehrere Teilladungen hat ausserdem den Vorteil, dass sich die Gesamtladung zu Q = n q summiert. Die in den einzelnen CCD-Stufen entstehenden Rauschanteile r werden aber nur gemäss der Gleichung R = r-ç; summiert. Der Signal/Rausch-Abstand verbessert sich folglich durch das erfindungsgemässe ,Verfahren um den Faktor J. Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt eine Übergabeschaltung gemäss der Erfindung. In der Figur sind mit D1, D2,...Dm,... bis Dp insgesamt p IR-Detektoren bezeichnet, die über jeweils n = 3 Schalter ihre Ladungen an ein mit Vil bis Vp3 bezeichnete Stufen eines Schieberegisters abgeben können. Die den 3 Schaltern zugeordneten Schieberegisterstufen sind z.B. für den Detektor D1 mit V11, V12 und V13 bezeichnet und die die Verbindung zwischen dem Detektor Dl und den genannten Schieberegisterstufen vorgesehenen Schalter tragen die Bezeichnungen 11, 12 und 13. Jede Schieberegisterstufe weist 4, auf einem allen Stufen und Schaltern gemeinsamen Halbleiterchip angeordnete Elektroden auf, die im Fall der Schieberegisterstufe Vl1 in der Figur durch waagreclste Streifen angedeutet sind. Der Ladungstransfer durch eine einzelne Schieberegisterstufe erfordert, wie bereits eingangs erwähnt, 4 Taktphasen. Zwischen den den Infrarot-Detektoren zugeordneten Schieberegisterstufen Vt3, V23, V33,...Vm3 bis Vp3 sind im Aus führungsbeispiel jeweils n-1 = 2 zusätzliche Schieberegisterstufen zur Erhöhung der Transfergeschwindigkeit vorgesehen. Gemäss der Erfindung wird nun die Gesamtladung eines IR Detektors, z.B. die des Detektors D1, innerhalb der jeweiligen Integrationszeit auf n = 3 Teilladungen aufgeteilt und die Teilladungen sowohl in die dem jeweiligen Detektor zugeordnete Schieberegisterstufe, z.B. V13, als auch in die (n-1) = 2 zusätzlichen Schieberegisterstufen V12 und V11 eingelesen. Am Ende der Schieberegisterstufen, an der Elektrode 3, welche auf einer Referenzspannung UR gehalten wird, werden in der durch die aus der Sperrschicht einer Diode 3, 4 gebildete Ausleseschaltung mit Feldeffekttransistor 5 jeweils die n = 3 Teilladungen eines IR-Detektors wieder zur Gesamtladung addiert und weiterverarbeitet. Zur Steuerung der Schalter 11 bis p3 dient eine Steuerung 6, die auch die Schieberegisterstufen Vil bis Vp3 und die sonstigen in der Figur nicht dargestellten Bauteile des Halbleiterchips steuert. Während der Belichtung der IR Detektoren Dl bis Dp, die beispielsweise einer Bildzeile zugeordnet sein können, werden zunächst alle Schalter 11 bis p1 geschlossen, wodurch die Ladungen der jeweiligen IR-Detektoren auf die Schieberegisterstufen V11 bis Vp3 geleitet werden. Anschliessend werden die Schalter 11 bis pl geöffnet und die Schalter 12 bis p2 geschlossen und dadurch die Schieberegisterstufen V12 bis Vp2 mit Ladungen der gleichen Detektoren versehen. Im letzten Teil des beispielsweise aus n + 2 = 4 Takten bestehenden Zyklus werden danll die Schalter 12 bis p2 wieder geöffnet und die Schalter 13 bis p3 geschlossen und somit die restlichen Stufen V13 bis Vp3 geladen. Im 4. Takt werden alle Schalter 11 bis p3 geöffnet und die Ladungen in einem schnellen Takt über die Schieberegisterstufen zur Ausleseschaltung 3, 4, 5 transferiert und von dort beispialsweise über weitere Schieberegister zur Auswerteschaltung transferiert. Danach beginnt der Vorgang wieder von vorne mit der erneuten Schliessung der Schalter il bis Pl und sof. Als Schalter 11 bis p3 werden vorzugsweise Transistoren verwendet. Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden die Teilladungen dem CCD-Schieberegister gleichzeitig übergeben. Hierzu sind jedem IR-Detektor 3 über gleich grosse Verzögerungsleitungen erreichbare Kapazitäten zugeordnet, die jeweils über einen Schalter mit den n, dem Detektor zugeordneten Schieberegisterstufen verbunden sind und von der Steuerung jeweils am Ende der Integrationszeit gleichzeitig getätigt werden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden zunächst alle V11 bis Vp3 Schieberegisterstufen geladen und anschliessend ihre Ladung zur Ausleseschaltung transferiert, wobei jeweils die 3 Teilladungen eines Detektors in der Ausleseschaltung wieder zusammengefasst werden.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Übergabe der von mindestens zwei benachbarten IR-Detektoren erzeugten Ladungsmengen an ein CCD Schieberegister, bei dem zwischen den den IR-Detektoren zugeordneten CCD-Schieberegisterstufen jeweils n - 1 (n = ganze Zahl > 1) zusätzliche CCD-Schieberegisterstufen zur Erhöhung der Transfergeschwindigkeit vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtladungsmenge eines IR-Detektors (Dm, wobei m = a,2,3,,.,p) innerhalb der Integrationszeit auf n (z.B. n = 3) Teilladungen aufgetoilt wit'd Ulld die Toilladulagell sowohl iu die dem IR-De- tektor zugeordnete CCD-Schieberegisterstufe als auch in die (n - 1) zusätzlichen CCD-Schieberegisterstufen eingelesen werden und dass am Ende des CCD-Schieberegisters in der Ausleseschaltung (3,4,5) jeweils die n Teilladungen eines IR-Detektors wieder zur Gesamtladung addiert werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilladungen dem CCD-Schieberegister nacheinander übergeben werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilladungen dem CCD-Schieberegisteragleichzeitig übergeben werden.

Inventors: KOHLBACHER, GERHARD, DIPL.-ING., NOTHAFT, PETER, DR.
Applicants: LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH
Application year: 1984
Main classification: H04N5
IPC codes: H04N3