bearbeitet von G. Euler nach Berichten von M. Herrmann und L. Gabler und Beiträgen von H. Becker, U. Feddern und S. zur Verth aus dem Jahr 1984
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Inhalt
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• 1. Halbleiterbildaufnehmer - Anwendungen, Besonderheiten
• 2. Arbeitsweise der neuen Bildaufnehmer
• 2.1. CCD-Prinzip
• 2.2. Frame-Transfer-Struktur
• 2.3. Einige Einzelheiten der FT-Bildaufnehmer NXA 1010 und NXA 1020
• 3. Impulsablauf zur Steuerung des FT-Bildaufnehmers
• 4. Integrierte Schaltungen zur Ansteuerung der FT-Bildaufnehmer NXA 1010 und NXA 1020

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In dieser Technischen Information werden der neue SW-Bildaufnehmer NXA 1010 (Bild 1) sowie seine Ansteuerung beschrieben. (Der Farbsensor NXA 1020 wird ebenso angesteuert, benötigt aber eine abweichende Signalverarbeitung.)

Die Bildaufnehmer arbeiten mit zwei ineinander verschachtelten Halbbildern zu je 294 Zeilen. Nach der CCIR-Norm werden im sichtbaren Bereich nur 576 Zeilen (d. h. zwei Halbbilder zu je 288 Zeilen) benötigt. Die restlichen Zeilen dienen u. a. zur Schwarzwertreferenz und zu Prüfzwecken. Der Sensor NXA 1010 hat eine nutzbare Bildpunktanzahl von 604 (horizontal) mal 576 (vertikal). Das Seitenverhältnis beträgt 4:3 mit einer Bilddiagonalen von 7,5mm, die dem 1/2"-Kameraröhrenformat entspricht.

Der Bildaufnehmer arbeitet nach dem Frame-Transfer-Prinzip (FT), das später besprochen wird.

Außer den oben aufgezählten Eigenschaften haben die Valvo Bildsensoren eine gute Blauempfindlichkeit, da die Bildpunkte nicht mit Leiterbahnen überdeckt sind. Zusammen mit der Überstrahlfestigkeit von fünf Blendenwerten ergeben diese Vorteile eine besondere Eignung des Sensors für Fernsehsysteme, in denen farbwertrichtige Grauwertwiedergabe *1) und gute Verarbeitung von Spitzlichtern gefordert werden, z. B. in Schwarzweiß-Überwachungskameras, speziell in Rohrkameras und anderen miniaturisierten Ausführungen, aber auch in Reportagefarbkameras mit Prismenfarbteiler und drei Sensoren.

*1) Durch geeignete Fabrikationsverfahren sind die IR-Anteile in der Spektralkurve unterdrückt.

Für das angewandte Fernsehen sowie für Videokameras sind Einchip-Lösungen geeigneter und preisgünstiger. Durch ein zusätzlich aufgebrachtes Streifenfilter erhält man den Farbsensor NXA 1020. Von den drei Ausgangsregistern können dann drei geeignete Farbauszüge abgenommen werden.

Das CCD-Prinzip spielt eine zentrale Rolle bei der Wirkungsweise der neuen Bildaufnehmer: Es wird zur Ladungstrennung im Fotobereich, zum Ladungstransport aus dem Foto- in den Speicherbereich sowie zur Ausgabe der Information verwendet.

Bild 2 zeigt den Transportvorgang. Im oberen Bildteil wird eine MOS-Struktur eines 4-Phasen-CCD-Schieberegisters mit Taktphasen-Elektroden ?1 ... ?4 gezeigt. Im Kristall vorhandene Elektronen (die z. B. durch Lichteinwirkung entstanden sind) konzentrieren sich stets unterhalb der auf höherem Potential (Zustand H) liegenden Elektroden. Das LOW-Potential verdrängt sie und bildet so eine Abgrenzung zwischen den Ladungspaketen. Im Zeitpunkt t1 befinden sich die Taktphasen ?l, ?3, ?4, ?1... im Zustand H, ?2 im L-Zustand.
Im unteren Bildteil wird der Potentialverlauf an den Taktphasen ?1 ... ?4 gezeigt, der zum Verschieben der Ladungen im CCD-Register nötig ist. Im Zeitpunkt t2 geht ?3 in den Zustand L über, und die linke Kante des Ladungspaketes rutscht nach rechts unter die Elektrode ?4. Die Ladungen befinden sich nunmehr unter ?4 und ?1.

Im nächsten Schritt zur Zeit t3 nimmt ?2 den Zustand H an, und das Ladungspaket dehnt sich bis unter ?2 aus. Die Ladungspakete sind um die Breite einer Taktelektrode nach rechts gewandert. Im Zeitpunkt t4 wird die linke Kante der Ladungsbereiche nach ?1 verlegt, da ?4 in den Zustand L übergegangen ist. Ein entsprechender Vorgang ist bereits zum Zeitpunkt t2 erfolgt. Der Verschiebungsprozeß geht dabei so vor sich, daß die Ladungen teilweise auf den früheren Plätzen verbleiben können. Die Impulse „überlappen" einander. Durch Taktphasen im Zustand L sind die Ladungspakete voneinander getrennt.
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Beim Frame-Transfer-Bildaufnehmer (FT) sind der Fotobereich und der Speicherbereich voneinander getrennt (Bild 4). Es handelt sich um eine sehr ausgedehnte VLSI-Schaltung, bei der dem optisch wirksamen Bildbereich ein etwa gleich großer Speicherbereich zugeordnet ist, der gegen Lichteinfall geschützt wird. FT-Bildaufnehmer sind spaltenförmig so organisiert, daß die Bild- und Speicherpunkte in horizontaler Richtung durch schmale, senkrecht verlaufende Stoppdiffusionszonen voneinander getrennt sind.

Zur Auslesung wird während eines Halbbildes die optische Information integriert, die zu den jeweiligen Bildpunkten gehört, und in der Austastlücke in den Speicherbereich übertragen. Die elektrische Auslesung der Bildinformation erfolgt während des nächsten Halbbildes mit Hilfe des Ausleseregisters, während erneut optische Informationen im Bildbereich des Sensors integriert werden.

Als wesentliche Vorteile bietet das FT-Prinzip:

a) kleines Bildformat mit großer Bildpunktdichte und -anzahl,
b) einfache Farbfilterstrukturen mit definierten Ausgangsregistern für Farbauszüge.

Trotz Vervielfachung der Bildpunktanzahl gegenüber dem RGS-Sensor kann das Super-8-(1/2"-Röhren-) Bildformat beibehalten werden, da infolge der Technologiefortschritte kleinere Bildpunkte und neue Strukturen möglich geworden sind. So betragen beim Sensor NXA1010 die Abmessungen für einen Bildpunkt nur noch 10 um in Horizontalrichtung und 15,6 um in Vertikalrichtung.

Eine gegenüber Bild 4 detaillierter ausgeführte Aufbauskizze zeigt Bild 5. Der Bild-(Aufnahme-) und der Speicherbereich sind praktisch gleich aufgebaut. Beide sind mit je einem 4-Phasen-CCD-Schieberegister unterlegt.

Ein Bildpunkt eines jeden Halbbildes umfaßt etwa drei Taktphasen-Elektrodenbreiten in vertikaler Richtung.

Das erste Halbbild entsteht, indem die Taktphasen ?2, ?3, ?4 hohes Potential (HIGH-Zustand) und die Taktphasen ?1 niedriges Potential (LOW-Zustand) erhalten (vgl. Bild 6a). Die durch Lichteinfall erzeugten Ladungen sammeln sich unter den Elektroden ?2 bis ?4 und sind in vertikaler Richtung von den nächsten Ladungspaketen durch das negative Potential bei ?1 getrennt. Damit entsteht eine Integration der Ladungen für einen Halbbildpunkt mit dem Ladungsschwerpunkt bei ?3.

Die Potentialverteilung und damit die Lage des zweiten Halbbildes geht aus der Skizze Bild 6b hervor: Das zweite Halbbild ist stets so gegen das erste verschoben, daß der Ladungsschwerpunkt unter ?1 liegt. Die Trennung vom nächsten Halbbildpunkt (der gleichen Spalte) erfolgt beim zweiten Halbbild über die Elektroden ?3 (Zustand LOW). Beide Halbbilder sind um zwei Taktphasen-Elektrodenbreiten gegeneinander lageverschoben. Die 4-Phasen-CCD-Struktur ergibt also eine vollkommen symmetrische Halbbildintegration.

Der Transport der integrierten Ladungspakete aus dem Bildbereich in den Speicherbereich ist bereits anhand von Bild 3 erläutert worden. Schließlich befindet sich ein vollständiges Halbbild im Speicherbereich des Bildaufnehmers.

Zum Auslesen des Halbbildes gelangen über drei Transfergates die Ladungen zeilenweise in die drei Ausleseregister. Das zeilenweise Auslesen des Speicherbereiches geschieht während der Integration im Bildbereich. Dabei befindet sich der erste Bildpunkt jeweils im ersten, der zweite im zweiten, der dritte im dritten Ausleseregister. Der Grund für diese Organisation des Auslesevorgangs liegt in der Möglichkeit des Farbbetriebes mit Streifenfiltern. In diesem Fall gelangt in das erste Ausgangsregister die „Cyan"-lnformation, in das zweite „Grün" und in das dritte „Gelb". Aus Gründen der Einheitlichkeit wurde dieses Prinzip auch für S/W-Sensoren beibehalten. Die Ausleseregister sind dreiphasig aufgebaut und mit einer Ausgangsstufe (Source-Folger) versehen.

Zunächst wird eine geraffte Darstellung als allgemeiner Überblick über den Impulsablauf und die Zeilennumerierung in Bild 7 gegeben. Zusätzlich sind einige für die PAL-FS-Norm charakteristische Impulsverläufe (die auch in der Kamera auftreten) eingezeichnet:

H: Horizontal-Impuls,
CB: Austastsignal (composite blanking).

Mit diesen Impulsverläufen wird die Einbindung des Bildaufnehmers in die PAL-Fernsehnorm verdeutlicht. Zu den beiden Halbbildern sind die betreffenden FS-Zeilennummern, die CCD-Zeilennummern für den Bildaufnehmer und die gerafften Potentialverläufe an den Taktphasen ?1A, ?3A im Bildbereich angegeben. Durch „V" und Schraffur sind die zur Bildaufnahme verwendeten Zeilen hervorgehoben.

Der Bildbereich für das erste Halbbild erstreckt sich von Zeile 23 bis 310, der Bildbereich für das zweite Halbbild von Zeile 335 bis 623. Die Zeilen 314 und 2 dienen zur Schwarzwertreferenz, die Zeilen 312 sowie 624, 625 jeweils sind Testzeilen zur Prüfung des Sensors. Die Zeilen 623 bis 23 werden ausgetastet und nicht für die Bildübertragung verwendet.
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Die Bilder 8 bis 11 zeigen den geschilderten Impulsablauf nach Bild 7 im Detail. Der Transport der beiden Halbbilder (II) und (III) ist in den Bildern 8 und 9 dargestellt. Die Impulsabläufe bei II und III unterscheiden sich bei den Taktphasen ?a im Bildbereich.


Um die beiden Halbbilder, die um einen halben Zeilenabstand gegeneinander verschoben sind, an die richtige Stelle zu bringen, muß bei III (Bild 9) ein halber Taktzyklus zu Beginn und am Ende der ?A-Impulse zugefügt werden. Alle Restladung, die im Speicherteil zurückgeblieben ist, soll entfernt werden. Deshalb ist das Transfergate 1 (TG1) geöffnet, und die horizontalen Ausgangsregister werden weitergetaktet (Phasen ?c).


In der vertikalen Austastlücke, die durch die Impulsfolge CB (CB = HIGH) gegeben ist, laufen einige Impulse an den Transfergates TG2 und TG3 *) und den Taktphasen in den Ausleseregistern ?c weiterhin wie beim Auslesen ab. (Sie sind an dieser Stelle nicht erforderlich.)
*) TG2 und TG3 sind intern elektrisch miteinander verbunden.

Unmittelbar nach dem Halbbildtransport erfolgt eine Pause, die Wartephase IV, während der kein Signal weitertransportiert oder ausgelesen wird (Bild 10). Das Bildsignal wird durch das gesperrte Transfergate 1 zurückgehalten. Die Phasen ?c und TG2 werden weitergetaktet.