Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 9.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a circuit according to the preamble of claim. 9
Als Schaltung wird in diesem Zusammenhang jede festverdrahtete oder programmierte Analog- oder Digitalschaltung verstanden, welche entweder als Verschaltung mehrerer analoger Bauteile oder als integrierte Schaltung gefertigt sein kann.As a circuit in this context, any hardwired or programmed analog or digital circuit is understood, which can be made either as interconnection of several analog components or as an integrated circuit.
Als Bildsensoren werden gleichermaßen Flächensensoren und Zeilensensoren verstanden, auf welchen einzelne Pixel nebeneinander oder aber auf einer Fläche angeordnet sind.As image sensors are equally surface sensors and line sensors understood on which individual pixels are arranged side by side or on a surface.
Erfindungsgemäße Schaltungen und Verfahren können insbesondere für die Bildaufnahme, vorzugsweise für eine automatisierte Überwachung bewegter Gegenstände, verwendet werden.Circuitry and methods according to the invention can be used in particular for image acquisition, preferably for automated monitoring of moving objects.
Eine große Herausforderung bei Hochgeschwindigkeitszeilenkameras stellt die kurze zur Verfügung stehende Belichtungszeit dar, die zu geringen Signalpegeln führt, da die Stärke der Beleuchtung fertigungsbedingt begrenzt ist. Ein wichtiges Design-Ziel einer Hochgeschwindigkeitszeilenkamera ist daher, das Bildrauschen möglichst klein zu halten, damit die Bildqualität auch bei den kleinen zur Verfügung stehenden Lichtmengen einigermaßen erhalten bleibt. Eine typische Anwendung von Hochgeschwindigkeitszeilenkameras stellt die optische Qualitätsinspektion bei industriellen Produktionsprozessen z. B. Banknoten dar. Solche Anwendungen fordern im Allgemeinen einerseits einen möglichst hohen Durchsatz und andererseits eine möglichst feine Auflösung. Beide Forderungen zielen auf eine möglichst hohe Abtastrate der Zeilen oder Zeilenrate der Kamera ab. Der Möglichkeit, die Lichtintensität der Beleuchtung zu steigern, sind im Allgemeinen Grenzen gesetzt, sodass die Verkürzung der Belichtungszeit bei Hochgeschwindigkeitskameras oft nicht durch eine stärkere Beleuchtung kompensiert werden kann.A major challenge with high-speed line cameras is the short exposure time available, which results in low signal levels, as the intensity of illumination is limited due to manufacturing limitations. An important design goal of a high-speed line camera is therefore to keep the image noise as small as possible so that the image quality is reasonably maintained even with the small amounts of light available. A typical application of high speed line cameras is the optical quality inspection in industrial production processes e.g. B. Banknotes. Such applications generally require on the one hand the highest possible throughput and on the other hand the finest possible resolution. Both requirements are aimed at the highest possible scanning rate of the lines or line rate of the camera. The ability to increase the light intensity of the lighting is generally limited so that shortening the exposure time on high-speed cameras can often not be compensated by increased illumination.
Zur Aufnahme von Gegenständen, welche gegenüber der Bildaufnahmeeinheit eine weitestgehend gleichmäßige Relativbewegung vollführen, wird vorzugsweise das TDI-Verfahren angewendet. Bei diesem Verfahren werden Pixelsignalwerte, welche denselben Gegenstandsbereich darstellen, jedoch zu unterschiedlichen Zeiten und mit unterschiedlichen Pixeln aufgenommen worden sind, akkumuliert bzw. zeitlich integriert.For receiving objects which perform a largely uniform relative movement with respect to the image recording unit, the TDI method is preferably used. In this method, pixel signal values representing the same subject area but recorded at different times and with different pixels are accumulated.
Ferner ist für die Aufnahme unbewegter Bilder nach dem Stand der Technik eine Rauschkompensation, auch ”correlated double sampling (CDS) genannt, bekannt. Durch Messung eines entsprechenden Pixel-Signals vor und nach der Belichtung kann der rauschbedingte Fehler weitestgehend eliminiert bzw. herausgerechnet werden.Furthermore, noise cancellation, also known as correlated double sampling (CDS), is known for recording still images according to the prior art. By measuring a corresponding pixel signal before and after the exposure, the noise-induced error can be largely eliminated or eliminated.
Ein Ansatz nach dem Stand der Technik besteht darin, die Responsivität der lichtempfindlichen Elemente des Zeilen- oder Flächensensors so groß wie möglich zu machen, damit bereits ein kleines Lichteingangssignal umgesetzt wird in ein möglichst großes elektrisches Signal. Damit wirken sich alle Störeffekte in der nachgeschalteten elektrischen Signalverarbeitung (Rauschen, Einkopplungen, Nichtlinearitäten, ...) prozentuell weniger stark auf das Sensorausgangssignal aus. Oder anders ausgedrückt, die bis zu einem gewissen Grade unvermeidlichen Störsignale in der Signalverarbeitung entsprechen – auf den Sensor-Eingang rückgerechnet – einer kleineren Lichtmenge. Dadurch wird der Sensor „empfindlicher„, wodurch kleinere Lichtmengen vom Rauschen unterschieden werden können. Der Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass eine Steigerung der Responsivität meist nur durch Wahl einer anderen Halbleiterfertigungstechnologie möglich ist, was oft zu teuer ist (z. B. ein rückseitenbeleuchteter Prozess).A prior art approach is to make the responsiveness of the photosensitive elements of the line or area sensor as large as possible, so that even a small light input signal is converted into the largest possible electrical signal. As a result, all disturbing effects in the downstream electrical signal processing (noise, couplings, nonlinearities, etc.) have a less pronounced effect on the sensor output signal. In other words, to some extent unavoidable interference signals in the signal processing correspond to a smaller amount of light - calculated back to the sensor input. This makes the sensor "more sensitive", allowing smaller amounts of light to be distinguished from the noise. The disadvantage of this approach is that an increase in responsiveness is usually only possible by choosing a different semiconductor manufacturing technology, which is often too expensive (eg, a back lit process).
Weitere Ansätze, das eingangsbezogene Rauschen zu reduzieren, zielen direkt auf das Rauschen ab. Zumeist wird versucht, den dominanten Rauschterm zu reduzieren. Bei langen Belichtungszeiten ist das oft das Dunkelstromrauschen, weshalb Sensoren für Kameras mit langen Belichtungszeiten oft stark unter die Umgebungstemperatur gekühlt werden (das Dunkelstromrauschen steigt mit der Temperatur sehr stark an). Bei Hochgeschwindigkeitskameras spielt das Dunkelstromrauschen wegen der kurzen Belichtungszeit meist nur eine untergeordnete Rolle.Other approaches to reducing the input-related noise are aimed directly at the noise. In most cases, attempts are made to reduce the dominant noise term. For long exposure times, this is often the dark current noise, which is why sensors for cameras with long exposure times are often cooled much lower than the ambient temperature (the dark current noise increases very much with the temperature). In high-speed cameras, the dark current noise usually plays only a minor role because of the short exposure time.
Bei kurzen Belichtungszeiten stellt sich in vielen Fällen das thermische Rauschen des Reset-Transistors als dominanter Rauschterm heraus. Dieser Rauschterm lässt sich fast vollständig mit dem Correlated Double Sampling (CDS) Verfahren eliminieren. Das thermische Rauschen des Reset-Transistors verfälscht den Startwert der Spannung an der Photodiode am Beginn der Belichtung durch einen statistischen Fehler, der aber für die Zeitdauer der Belichtung eingefroren wird, wodurch auch die Spannung an der Photodiode am Ende der Belichtung um denselben Fehlerbetrag verfälscht ist. Durch das CDS-Verfahren wird bereits der Startwert der Spannung und damit der statistische Fehler erfasst. Dieser kann am Ende der Belichtung vom Spannungsendwert subtrahiert werden. Dadurch wird das thermische Rauschen während des Rücksetzvorgangs für die nachfolgenden Signalverarbeitungsstufen eliminiert. Weiters werden alle niederfrequenten Störquellen vor der CDS-Schaltung unterdrückt und konstante Offsetfehler sogar bis zu 100% unterdrückt. Das CDS Verfahren hat allerdings den Nachteil, dass die Startwerte der Pixelspannungen ausgelesen und über die gesamte Belichtungszeit gespeichert werden müssen, wofür für jedes Pixel ein separates Speicherelement notwendig ist. Das hat dazu geführt, dass CDS-Flächensensoren teuer sind und daher selten angewendet werden.At short exposure times, the thermal noise of the reset transistor often turns out to be the dominant noise term. This noise term can be eliminated almost completely with the Correlated Double Sampling (CDS) method. The thermal noise of the reset transistor falsifies the starting value of the voltage at the photodiode at the beginning of the exposure by a statistical error, but is frozen for the duration of the exposure, whereby the voltage at the photodiode at the end of the exposure is falsified by the same amount of error , The CDS method already detects the starting value of the voltage and thus the statistical error. This can be subtracted from the voltage end value at the end of the exposure. This eliminates thermal noise during the reset process for subsequent signal processing stages. Furthermore, all low-frequency interference sources before the CDS circuit are suppressed and constant offset errors are even suppressed up to 100%. However, the CDS method has the disadvantage that the Starting values of the pixel voltages must be read out and stored over the entire exposure time, for which a separate storage element is necessary for each pixel. As a result, CDS area sensors are expensive and therefore rarely used.
Eine Methode, welche bei Zeilen- und Flächensensoren Anwendung findet ist Time Delay Integration (TDI), welche die translatorische Bewegung des Objektes ausnützt, indem jeder Objektpunkt mehrfach aufgenommen wird, was einer Verlängerung der Belichtungszeit gleichkommt. Dadurch werden sowohl die Signalstärke, als auch das Rauschen erhöht. Der Gewinn besteht darin, dass durch die Akkumulation das Signal im Verhältnis zum Rauschen stärker ansteigt. TDI ist somit eine weitere bekannte Methode zur Verringerung des eingangsbezogenen Rauschens, die bevorzugt im Bereich der industriellen Bildverarbeitung verwendet wird. Besonders geeignet ist diese Methode für die Erfassung schnell bewegter Objekte, die mit hoher Auflösung aufgezeichnet werden müssen. Hervorragend einsetzbar ist TDI auch bei geringen Lichtverhältnissen. Im TDI-Modus erfassen Bildsensoren klare Bilder sich schnell bewegender Objekte, indem die gespeicherten Helligkeitswerte mehrerer Zeilen entsprechend der Bewegung des aufgenommenen Gegenstandes aufakkumuliert werden. Wenn sich in einem Aufnahmetakt eine Gegenstandszeile um genau eine Sensorzeile weiterbewegt, so kann jede Gegenstandszeile in aufeinander folgenden Aufnahmetakten mehrfach aufgenommen werden. Werden in jedem Aufnahmetakt beispielsweise 128 Zeilen aufgenommen, so wird jede Gegenstandszeile in 128 aufeinanderfolgenden Aufnahmetakten insgesamt 128 Mal aufgenommen, und das führt zu einer etwa 128 Mal höheren Signalstärke als dies bei herkömmlichen Sensoren der Fall ist.One method used in row and area sensors is Time Delay Integration (TDI), which exploits the translational motion of the object by multiplying each object point, which is equivalent to extending the exposure time. This increases both signal strength and noise. The gain is that accumulation increases the signal more in proportion to the noise. TDI is thus another known method for reducing the input-related noise, which is preferably used in the field of industrial image processing. This method is particularly suitable for detecting fast-moving objects that need to be recorded at high resolution. TDI is excellently applicable even in low light conditions. In TDI mode, image sensors capture clear images of fast-moving objects by accumulating the stored brightness values of several lines in accordance with the motion of the captured subject. If, in one recording cycle, an object line moves on by exactly one sensor line, then each subject line can be recorded several times in successive recording cycles. If, for example, 128 lines are recorded in each recording cycle, each article line is recorded a total of 128 times in 128 consecutive recording cycles, and this results in a signal strength that is about 128 times higher than that of conventional sensors.
Die GB 2315945 A offenbart ein Verfahren, bei dem eine Ladung, die von einem gegebenen Detektor in einem Infrarotdetektorarray während einer Belichtungszeit akkumuliert wird, am Ende der Belichtungszeit ausgelesen und zu einer durch einen benachbarten Detektor während der vorangegangenen Belichtungszeit akkumulierten Ladung addiert wird.The GB 2315945 A discloses a method in which a charge accumulated by a given detector in an infrared detector array during an exposure time is read at the end of the exposure time and added to a charge accumulated by an adjacent detector during the previous exposure time.
Die US 5,574,284 A offenbart eine Strahlungsdetektorvorrichtung mit einer Anordnung von Sammelbereichen, wobei jeder der Sammelbereiche zur Aufnahme von weicher Röntgenstrahlung von einer Quelle außerhalb der Detektorvorrichtung ausgebildet ist und eine zugeordnete Transportelektrode umfasst, wobei die Sammelbereiche zumindest ein Sammelschieberegister bilden, sowie mit einem Ausgangsverstärker zum sequentiellen Verstärken der vom Sammelschieberegister bereitgestellten Signalen und mit einer Taktschaltung zum sequentiellen Verschieben der Ladungen zwischen den Sammelbereichen des Sammelschieberegisters in den Ausgabeverstärker während einer kontinuierlichen Exposition des Arrays mit einfallender Strahlung, wobei jede der durch den Ausgangsverstärker sequentiell empfangenen Ladungen in jedem der Sammelbereiche des Sammelschieberegisters akkumuliert wird.The US 5,574,284 A discloses a radiation detector apparatus having an array of collection areas, wherein each of the collection areas is configured to receive soft X-radiation from a source external to the detector apparatus and includes an associated transport electrode, the collection areas forming at least one collective shift register, and an output amplifier for sequentially amplifying those from the collective shift register and a clock circuit for sequentially shifting the charges between the accumulation areas of the accumulation shift register into the output amplifier during continuous exposure of the array of incident radiation, each of the charges sequentially received by the output amplifier being accumulated in each of the accumulation areas of the accumulation shift register.
Die US 4,035,629 A offenbart ein Verarbeitungssystem für diskrete Analogsignale, das eine Vielzahl von Speicherelementen umfasst, in welchen Bewertungsfaktoren eines vorgegebenen Musters speicherbar sind, welche in Abhängigkeit von einem Teil eines vorgegebenen Eingangssignals das Produkt des gespeicherten Bewertungsfaktors mit dem Eingangssignal bewirken, und bei dem ein erster Umsetzerschaltkreis mit entsprechenden Speicherelementen verbunden ist.The US 4,035,629 A discloses a discrete analog signal processing system comprising a plurality of memory elements in which weighting factors of a given pattern are stored, which, in response to a portion of a given input signal, effect the product of the stored weighting factor with the input signal, and wherein a first converter circuit includes corresponding ones Memory elements is connected.
Die US 5,563,405 A offenbart ein Abbildungssystem mit einer Systemsteuerung (Systemcontroller) und einer Abbildungsvorrichtung, die eine Vielzahl von Einheitszellen einer elektromagnetischen Strahlungserfassungseinheit umfasst, wobei jede Zelle ein elektrisches Signal mit einer Signalgröße ausgibt, die eine Funktion des Betrags der elektromagnetischen Strahlung ist, die von der Einheitszelle erfasst wird, wobei das Abbildungssystem eine Vielzahl von Verstärkermitteln aufweist, deren jedes einen Eingang besitzt, der schaltbar mit einer einzelnen der Vielzahl der Einheitszellen zum Empfang der elektrischen Signale verbunden ist.The US 5,563,405 A discloses an imaging system having a system controller and an imaging device comprising a plurality of unit cells of an electromagnetic radiation detection unit, each cell outputting an electrical signal having a signal magnitude that is a function of the amount of electromagnetic radiation detected by the unit cell wherein the imaging system comprises a plurality of amplifier means each having an input which is switchably connected to a single one of the plurality of unit cells for receiving the electrical signals.
Aus der US 7,154,548 B2 ist ein elektronischer Bildaufnahmechip mit einer Anordnung von Fotodioden und einem gemultiplexten Säulenpuffer bekannt. Der gemultiplexte Säulenpuffer dient einer Vielzahl von Spalten in der Fotodiodenanordnung. Durch Multiplexen aktiver Verstärkerelemente wie der Differenzverstärker und der Bustreiberverstärker steht ein breiterer Bereich als eine Spaltenbreite auf dem Halbleiterchip für das Layout des Säulenpuffers zur Verfügung, beispielsweise bilden vier Spalten einen gemeinsamen Multiplex-Säulenpuffer.From the US 7,154,548 B2 For example, an electronic imaging chip having an array of photodiodes and a multiplexed column buffer is known. The multiplexed column buffer serves a plurality of columns in the photodiode array. By multiplexing active amplifier elements such as the differential amplifier and the bus driver amplifier, a wider range than one column width on the semiconductor chip is available for the layout of the column buffer, for example four columns form a common multiplex column buffer.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltung und ein Verfahren, insbesondere für Flächensensoren von Bildaufnahmeeinrichtungen, vorzugsweise Kameras, zu entwickeln, welche die Vorteile der Zeitintegration einzelner Pixelsignalwerte (TDI) sowie der Rauschkompensation (CDS) vereinigen. Weiters soll der Aufbau der Schaltung möglichst wenig Leistung und Chipfläche verbrauchen, um den, insbesondere auf dem Trägersubstrat des Chips befindlichen, verbleibenden Platz für die fotoempfindlichen Dioden der einzelnen Pixel frei zu halten. Der Schaltungsaufbau sollte ferner möglichst fehlertolerant mit geringer Ausschussrate produzierbar sein und vorzugsweise mit konventionellen mikroelektronischen Fertigungsmechanismen auskommen, z. B. mit einem CMOS-Prozess fertigbar sein. Derartige Schaltungen werden vorteilhafterweise in Bildsensoren eingesetzt, welche ihrerseits für Bildaufnahmeeinheiten eingesetzt werden.The object of the invention is to develop a circuit and a method, in particular for surface sensors of image recording devices, preferably cameras, which combine the advantages of time integration of individual pixel signal values (TDI) and of noise compensation (CDS). Furthermore, the structure of the circuit should consume as little power and chip area as possible in order to keep the remaining space for the photosensitive diodes of the individual pixels, in particular on the carrier substrate of the chip. The circuitry should also be possible fault tolerant with low rejection produced and preferably get along with conventional microelectronic production mechanisms, eg. B. be manufacturable with a CMOS process. Such circuits are advantageously used in image sensors, which in turn are used for image recording units.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie mit einer Schaltung gemäß Anspruch 9.The invention solves this problem with a method according to claim 1 and with a circuit according to claim 9.
Mit den Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Zeitintegration TDI einzelner Pixelsignalwerte sowie eine Rauschkompensation CDS gleichzeitig vorgenommen werden. Ein derartiges Verfahren ist einfach zu implementieren, wobei die vom Verfahren benötigte Zeit zur Durchführung etwa der Zeit zur Durchführung eines konventionellen TDI-Verfahrens entspricht. Der Vorteil besteht ferner darin, dass durch die Kombination von CDS und TDI eine besonders effiziente Reduktion des Rauschens möglich ist.With the features of the method according to the invention, the time integration TDI of individual pixel signal values and a noise compensation CDS can be performed simultaneously. Such a method is easy to implement, with the time taken by the method to perform approximately equal to the time required to perform a conventional TDI method. The advantage is also that a particularly efficient reduction of noise is possible by the combination of CDS and TDI.
Jedes einzelne Verfahren für sich kann das Rauschen nur in einem begrenzten Maße sinnvoll reduzieren. Da CDS gezielt das Reset-Rauschen eliminiert, ist der Gewinn von CDS abhängig vom Anteil des Reset-Rauschens am Gesamtrauschen und umso größer, je größer dieser Anteil ist. Die Möglichkeiten von CDS sind damit aber limitiert. Etwas anders verhält es sich bei TDI, das das eingangsbezogene Rauschen proportional zur Wurzel der Anzahl der TDI-Stufen verringert. Damit kann zwar theoretisch das Rauschen beliebig klein gemacht werden, allerdings nur mit hohem Aufwand.Each individual procedure can only meaningfully reduce the noise to a limited extent. Since CDS deliberately eliminates the reset noise, the gain of CDS depends on the amount of reset noise in the total noise, and the larger the fraction is. However, the possibilities of CDS are limited. Somewhat different is TDI, which reduces the input-related noise proportionally to the root of the number of TDI stages. Thus, theoretically, the noise can be made arbitrarily small, but only with great effort.
Ein Rechenbeispiel mit der Annahme, dass durch CDS das Rauschen halbiert werden kann: TDI mit N Akkumulationen und CDS reduziert das Rauschen auf des Wertes ohne TDI und ohne CDS. TDI mit 2 N Akkumulationen, dafür kein CDS, reduziert das Rauschen auf des Wertes ohne TDI und ohne CDS, was um den Faktor Wurzel aus 2 mehr (ungünstiger) ist. Folglich erreicht man mit der Kombination von CDS und TDI bei gleichem Aufwand ein besseres Rauschverhalten.A calculation example with the assumption that the noise can be halved by CDS: TDI with N accumulations and CDS reduces the noise to the value without TDI and without CDS. TDI with 2 N accumulations, but no CDS, reduces the noise on the value without TDI and without CDS, which is by the factor root of 2 more (less favorable). Consequently, the combination of CDS and TDI achieves better noise performance with the same effort.
Mit den Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Zeitintegration einzelner Pixelsignalwerte (TDI) sowie eine Rauschkompensation (CDS) gleichzeitig vorgenommen werden. Ferner kann durch die Auswahl des optimalen Verfahrens eine verbesserte Bildqualität durch niedrigeres Rauschen erzielt werden. Die Kalibrierung kann schnell und einfach mit einer zusätzlichen Einheit vorgenommen werden.With the features of the method according to the invention, the time integration of individual pixel signal values (TDI) and a noise compensation (CDS) can be carried out simultaneously. Further, by selecting the optimal method, improved image quality can be achieved through lower noise. Calibration can be done quickly and easily with an additional unit.
Ein Verfahren nach Anspruch 2 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines kombinierten CDS-TDI-Verfahrens.A method according to claim 2 shows a particularly advantageous embodiment of a combined CDS-TDI method.
Ein Verfahren nach Anspruch 3 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines TDI-Verfahrens.A method according to claim 3 shows a particularly advantageous embodiment of a TDI method.
Mit einem Verfahren nach Anspruch 4 wird eine einheitliche Helligkeit der einzelnen mit den Pixeln aufgenommenen Bildpunkten erreicht.With a method according to claim 4, a uniform brightness of the individual pixels recorded with the pixels is achieved.
Mit einem Verfahren nach Anspruch 5 werden längere Belichtungszeiten pro Pixel bzw. höhere Geschwindigkeit des Verfahrens sowie eine stufenweise Parallelisierung des Belichtungsvorgangs erzielt.With a method according to claim 5, longer exposure times per pixel or higher speed of the method and a stepwise parallelization of the exposure process are achieved.
Mit den Merkmalen der Ansprüche 6, 7 und 8 wird eine einfache Zuordnung zwischen Pixeln und Akkumulatorelementen bzw. eine Änderung der Zuordnung für das TDI-Verfahren gewährleistet.With the features of claims 6, 7 and 8, a simple assignment between pixels and accumulator elements or a change in the assignment for the TDI method is ensured.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 9 wird erreicht, dass die Zeitintegration einzelner Pixelsignalwerte (TDI) sowie eine Rauschkompensation (CDS) gleichzeitig mit einer einzigen Schaltung vorgenommen werden kann.It is achieved with the features of claim 9 that the time integration of individual pixel signal values (TDI) as well as a noise compensation (CDS) can be performed simultaneously with a single circuit.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 10 wird die Anzahl der für eine Spalte benötigten Leitungen reduziertWith the features of claim 10, the number of required for a column lines is reduced
Mit den Merkmalen der Ansprüche 11 und 12 werden besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Akkumulatorelemente beschrieben.With the features of claims 11 and 12 particularly advantageous embodiments of the accumulator elements are described.
Die Merkmale des Anspruchs 13 beschreiben einen besonders einfachen Aufbau einer Auswahlschaltung.The features of claim 13 describe a particularly simple construction of a selection circuit.
Die Merkmale des Anspruchs 14 ermöglichen die effiziente Durchführung eines TDI-Verfahrens.The features of claim 14 enable the efficient implementation of a TDI method.
Die Merkmale des Anspruchs 15 ermöglichen die effiziente Durchführung eines CDS-TDI-Verfahrens.The features of claim 15 enable the efficient implementation of a CDS TDI method.
Die Merkmale des Anspruchs 16 bieten eine einfache und vorteilhafte Integration der Einheit zur Bestimmung des Bildrauschens in die erfindungsgemäße Schaltung.The features of claim 16 provide a simple and advantageous integration of the unit for determining the image noise in the circuit according to the invention.
Die Merkmalen der Ansprüche 17 bis 18 vereinfachen den Aufbau der Auswahlschaltung bzw. geben besonders vorteilhafte Ausführungsformen dieser wieder.The features of claims 17 to 18 simplify the structure of the selection circuit or give particularly advantageous embodiments of this again.
Eine mit den Merkmalen des Anspruchs 19 versehene Schaltung ermöglicht eine besonders einfache Zuordnung von Pixeln und Akkumulatorelementen, sowie einen einfachen Aufbau der Auswahlschaltung.A provided with the features of claim 19 circuit allows a particularly simple assignment of pixels and Akkumulatorelementen, and a simple structure of the selection circuit.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 20 wird die Anordnung der Akkumulatorelemente sowie der Aufbau der Auswahlschaltung vereinfacht. With the features of claim 20, the arrangement of the accumulator elements and the structure of the selection circuit is simplified.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 21 wird der Aufbau der Auswahlschaltung, sowie die Ansteuerung der Pixel- und Akkumulatorelemente vereinfacht.With the features of claim 21, the structure of the selection circuit, as well as the control of the pixel and Akkumulatorelemente is simplified.
Die Merkmale des Anspruchs 22 vereinfachen den Aufbau und die Integration der Akkumulatorelemente.The features of claim 22 simplify the construction and integration of the accumulator elements.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 23 kann ein Akkumulatorelement als analoge Schaltung realisiert werden. Die Anordnung umfasst nur wenige Bauteile und ist einfach und platzsparend auf einem Mikrochip zu integrieren.With the features of claim 23, an accumulator element can be realized as an analog circuit. The arrangement comprises only a few components and is easy and space-saving to integrate on a microchip.
Die Merkmale des Anspruchs 24 vereinfachen die Anordnung der Kondensatoren auf einem Mikrochip und verringern die fertigungsbedingten Toleranzen der Verhältnisse der Kapazitäten der einzelnen Kondensatoren.The features of claim 24 simplify the arrangement of the capacitors on a microchip and reduce the manufacturing tolerances of the ratios of the capacitances of the individual capacitors.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 25 werden eine verbesserte Aufteilung und Nutzung der Chipfläche erreicht sowie lange Zuleitungen mit parasitären Kapazitäten vermieden.With the features of claim 25, an improved distribution and use of the chip area can be achieved and long leads with parasitic capacitances avoided.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 26 können für die Zeitintegration der gemessenen Pixelsignalwerte digitale Schaltungen verwendet werden. Das kann insbesondere bei niedrigen Zeilenfrequenzen ein Vorteil sein, wenn die analoge Speicherung von Signalwerten, z. B. wegen Leckströmen von Kondensatoren, nicht mehr möglich ist.With the features of claim 26, digital circuits can be used for the time integration of the measured pixel signal values. This can be an advantage, especially at low line frequencies, if the analog storage of signal values, eg. B. because of leakage currents of capacitors, is no longer possible.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 27 kann das Ausgangssignal der Schaltung von einer Digitalschaltung weiterverarbeitet werden.With the features of claim 27, the output signal of the circuit can be further processed by a digital circuit.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 28 vereinfacht sich der Aufbau der Schaltung für die einzelnen Pixel, wodurch ein Transistor pro Pixel eingespart wird.With the features of claim 28, the structure of the circuit for the individual pixels simplified, whereby a transistor per pixel is saved.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 29 wird eine besonders einfache Fertigung der erfindungsgemäßen Schaltung als Mikrochip ermöglicht.With the features of claim 29, a particularly simple production of the circuit according to the invention as a microchip is made possible.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 30 wird erreicht, dass die Steuerschaltung besonders einfach, insbesondere durch eine rekonfigurierbare Digitalschaltung, realisiert werden kann.With the features of claim 30 it is achieved that the control circuit can be realized particularly simply, in particular by means of a reconfigurable digital circuit.
Auf einem Datenträger gemäß Anspruch 31 ist ein Programm zur Durchführung eines Verfahrens mittels eines programmierbaren Rechners, insbesondere Prozessors abgespeichert.On a data carrier according to claim 31, a program for carrying out a method by means of a programmable computer, in particular processor is stored.
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltung. 1 schematically shows a circuit according to the invention.
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltung, wobei die Auswahlschaltung durch einen Multiplexer und einen Demultiplexer realisiert wird. 2 schematically shows a circuit according to the invention, wherein the selection circuit is realized by a multiplexer and a demultiplexer.
3 zeigt eine analoge Ausführungsform eines Akkumulatorelements. 3 shows an analogous embodiment of a Akkumulatorelements.
4 zeigt eine Ausführungsform der Auswahlschaltung mittels Transistorschalter. 4 shows an embodiment of the selection circuit by means of transistor switch.
5 zeigt den Aufbau einer Schaltung für ein Pixel. 5 shows the construction of a circuit for a pixel.
6 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher lediglich ein Operationsverstärker pro Pixelspalte verwendet wird. 6 shows a particularly advantageous embodiment of the invention, in which only one operational amplifier per pixel column is used.
7 zeigt eine Fortbildung der Schaltung von 7, bei der die Kompensation des Rauschfehlers zu Gunsten einer erhöhten Anzahl von TDI-Akkumulationen ausgeschaltet oder inaktiv gestellt werden kann. 7 shows a development of the circuit of 7 in which the compensation of the noise error can be switched off or deactivated in favor of an increased number of TDI accumulations.
Die 8a, 8b und 8c zeigen drei verschiedene Zuordnungen zwischen Pixeln und Akkumulatorelementen.The 8a . 8b and 8c show three different associations between pixels and accumulator elements.
9 zeigt schematisch einen Chip, auf dem eine erfindungsgemäße Schaltung realisiert ist. 9 schematically shows a chip on which a circuit according to the invention is realized.
Wie in 9 dargestellt, ist die erfindungsgemäße Schaltung auf dem Trägersubstrat eines Mikrochips M realisiert, wobei gegebenenfalls einzelne Elemente der erfindungsgemäßen Schaltung auf weiteren Mikrochips angeordnet sind, welche gegebenenfalls über Datenleitungen elektrisch wirksam verbunden sind. Die Oberfläche des Mikrochips M ist rasterartig in einzelne rechteckige Bereiche unterteilt, welche die lichtempfindliche Schaltung der Pixel 22, sowie gegebenenfalls Teile der Ansteuerungslogik bzw. der Auswahlschaltung 1 umfasst. Für jeweils eine Spalte P umfassend eine Vielzahl von Pixel 22 ist eine erfindungsgemäße Schaltung S vorgesehen. Um eine möglichst gute Ausbeute und ein möglichst geringes Rauschen zu erzielen, kann vorgesehen werden, dass die lichtempfindliche Diode 27 einen möglichst großen Anteil der für die einzelnen Pixel 22 zur Verfügung stehenden Fläche bedeckt. Jeder Spalte P kann eine erfindungsgemäße Schaltung zugeordnet werden, welche sich beispielsweise in einer weiteren, nicht von Pixeln 22 bedeckten Fläche des Mikrochips M befindet. Gegebenenfalls kann allen auf dem Mikrochip vorgesehenen Spalten eine gemeinsame Steuerlogik zugeordnet werden. Am Mikrochip M ist ein (nicht dargestellter) Ausgang vorgesehen, an welchem zu vorgegebenen Zeiten die einzelnen Helligkeitsinformationen, gegebenenfalls moduliert oder codiert, insbesondere digitalisiert, vorliegen. An diesen Ausgang können unterschiedliche Einheiten und Geräte wie z. B. Speichermedien oder Monitore angeschlossen werden.As in 9 1, the circuit according to the invention is realized on the carrier substrate of a microchip M, optionally individual elements of the circuit according to the invention being arranged on further microchips, which are optionally electrically connected via data lines. The surface of the microchip M is grid-like divided into individual rectangular areas, which the photosensitive circuit of the pixels 22 , as well as possibly parts of the control logic or the selection circuit 1 includes. For each column P comprising a plurality of pixels 22 a circuit S according to the invention is provided. In order to achieve the best possible yield and the lowest possible noise, it can be provided that the photosensitive diode 27 the largest possible proportion of the individual pixels 22 covered area available. Each column P can be assigned a circuit according to the invention, which, for example, in another, not pixels 22 covered area of the microchip M is located. Optionally, a common control logic can be assigned to all columns provided on the microchip. On the microchip M (not shown) output is provided, on which to given Times the individual brightness information, optionally modulated or coded, in particular digitized present. At this output different units and devices such. As storage media or monitors are connected.
1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltung. Diese umfasst eine Spalte von Pixeln 22, wobei jeweils ein Pixel 22 an jeweils einen Eingang einer Auswahlschaltung 1 angeschlossen ist. Jeder der Ausgänge der Auswahlschaltung 1 ist an den Eingang jeweils eines Akkumulatorelementes 3 angeschlossen. Jeder der Ausgänge der Akkumulatorelemente 3 ist an jeweils einen Eingang des Multiplexers 4 angeschlossen. Der Ausgang des Multiplexers 4 bildet den Ausgang 5 der gesamten Schaltung. Jedes der Pixel 22 liefert an seinem Ausgang ein Signal, welches der vom Pixel aufgenommenen Lichtintensität entspricht. In der Pixelschaltung wird die auf das Pixel 22 eintreffende Strahlungsleistung in ein Helligkeitssignal, insbesondere einen Ladungs- oder Spannungswert, umgewandelt und entsprechend kodiert am Ausgang des Pixels 22 zur Verfügung gestellt. Da die Pixel 22 an der Auswahlschaltung 1 angeschlossen sind, liegen die dem Helligkeitssignal der einzelnen Pixel 22 entsprechenden Signalwerte an den jeweiligen Eingängen der Auswahlschaltung 1 an. Die Auswahlschaltung 1 bietet die Möglichkeit durch Vorgabe eines entsprechenden Steuersignals einzelne Eingänge mit einzelnen Ausgängen elektrisch zu verbinden. Somit können die Signale einzelner Pixel 22 an vorgegebene Akkumulatorelemente 3 geleitet werden. Die an den einzelnen Ausgängen der Akkumulatorelemente 3 anliegenden Signalwerte werden dem Multiplexer 4 zugeführt, durch welchen einer dieser Signalwerte ausgewählt und an den Ausgang 5 der Schaltung weitergeleitet wird. 1 shows the structure of a circuit according to the invention. This includes a column of pixels 22 , each one pixel 22 to each one input of a selection circuit 1 connected. Each of the outputs of the selection circuit 1 is at the entrance of each Akkumulatorelementes 3 connected. Each of the outputs of the accumulator elements 3 is at each one input of the multiplexer 4 connected. The output of the multiplexer 4 makes the exit 5 the entire circuit. Each of the pixels 22 provides at its output a signal which corresponds to the light intensity received by the pixel. In the pixel circuit that becomes the pixel 22 incoming radiation power in a brightness signal, in particular a charge or voltage value, converted and correspondingly encoded at the output of the pixel 22 made available. Because the pixels 22 at the selection circuit 1 are connected, are the brightness signal of each pixel 22 corresponding signal values at the respective inputs of the selection circuit 1 at. The selection circuit 1 offers the possibility of electrically connecting individual inputs to individual outputs by presetting a corresponding control signal. Thus, the signals of individual pixels 22 to given accumulator elements 3 be directed. The at the individual outputs of the Akkumulatorelemente 3 applied signal values are the multiplexer 4 through which one of these signal values is selected and sent to the output 5 the circuit is forwarded.
Zur Steuerung der Pixel 22, der Auswahlschaltung 1, der Akkumulatorelemente 3, der Einheit 8a zur Bildung eines Rauschmaßes sowie des Multiplexers 4 ist eine Steuerschaltung 8 vorgesehen, welche über getrennte Steuerleitungen 81, 82, 83, 84, 85 sowie die Datenleitung 85' mit den einzelnen Schaltungselementen verbunden ist. Zu der Einheit 8a zur Bildung eines Rauschmaßes ist eine Steuerleitung 85 zur Steuerung der Einheit 8a sowie die Datenleitung 85' zur Übermittlung des Rauschmaßes von der Einheit 8a an die Steuerschaltung 8 vorgesehen.To control the pixels 22 , the selection circuit 1 , the accumulator elements 3 , the unit 8a to form a noise figure and the multiplexer 4 is a control circuit 8th provided, which via separate control lines 81 . 82 . 83 . 84 . 85 as well as the data line 85 ' is connected to the individual circuit elements. To the unit 8a to form a noise figure is a control line 85 to control the unit 8a as well as the data line 85 ' to transmit the noise figure from the unit 8a to the control circuit 8th intended.
Als Steuerleitungen 81, 82, 83, 84, 85, 85 sind sowohl einzelne Leitungen als auch eine Vielzahl von dieselbe Steuerinformation tragende Einzelverbindungen, insbesondere Steuerbusse, zu verstehen. Über eine Steuerleitung 82, welche an alle Pixel 22 geführt ist, wird das in den Pixeln 22 gespeicherte Helligkeitssignal bei entsprechend vorliegenden Steuersignalen zurückgesetzt.As control lines 81 . 82 . 83 . 84 . 85 . 85 are both individual lines and a variety of the same control information bearing individual connections, especially control buses to understand. Via a control line 82 which to all pixels 22 is guided, that is in the pixels 22 stored brightness signal reset according to existing control signals.
Die jeweilige Verschaltung bzw. Verbindung eines Ausgang eines Pixels 22 mit dem Eingang eines Akkumulatorelements 3 durch die Auswahlschaltung 1 wird über die Steuerleitung 81, welche am Steuereingang 17 der Auswahlschaltung 1 angeschlossen ist, vorgegeben. Ein entsprechendes Steuersignal wird in der Steuerschaltung 8 erzeugt und bewirkt in der Auswahlschaltung 1 eine entsprechende Verschaltung. Über die Steuerleitung 83, welche von der Steuerschaltung 8 zu den einzelnen Akkumulatorelementen 3 führt, wird der Betriebszustand der jeweiligen Akkumulatorelemente 3 festgelegt. Ein entsprechendes Steuersignal gelangt von der Steuerschaltung 8 zum entsprechenden Akkumulatorelement 3 und bewirkt in diesem das Setzen des entsprechenden Betriebsmodus. Eine Steuerleitung 84 verbindet den Steuereingang des Multiplexers 4 mit einem entsprechenden Steuerausgang der Steuerschaltung 8. Ein entsprechendes Steuersignal wird von der Steuerschaltung 8 zum Multiplexer 4 geleitet, wodurch erreicht wird, dass lediglich eines der an den Eingängen des Multiplexers 4 anliegenden Signale an den Ausgang 5 übernommen wird.The respective interconnection or connection of an output of a pixel 22 with the input of a Akkumulatorelements 3 through the selection circuit 1 is via the control line 81 , which at the control entrance 17 the selection circuit 1 is connected, given. A corresponding control signal is in the control circuit 8th generated and effected in the selection circuit 1 a corresponding interconnection. Via the control line 83 which is from the control circuit 8th to the individual accumulator elements 3 leads, the operating state of the respective Akkumulatorelemente 3 established. A corresponding control signal arrives from the control circuit 8th to the corresponding accumulator element 3 and causes in this the setting of the corresponding operating mode. A control line 84 connects the control input of the multiplexer 4 with a corresponding control output of the control circuit 8th , A corresponding control signal is from the control circuit 8th to the multiplexer 4 which achieves that only one of the at the inputs of the multiplexer 4 applied signals to the output 5 is taken over.
An der Steuerschaltung 8 sind ein Konfigurationseingang sowie ein Takteingang vorgegeben. Über den Konfigurationseingang können beispielsweise Parameter zur Durchführung des Verfahrens weitergegeben werden. Am Takteingang wird ein externer Takt vorgegeben, welcher insbesondere zur Taktung der einzelnen Akkumulatorelemente 3 an diese mittels der Steuerleitung 83 weitergegeben werden kann.At the control circuit 8th a configuration input and a clock input are specified. By way of example, parameters for carrying out the method can be forwarded via the configuration input. At the clock input, an external clock is given, which in particular for clocking the individual Akkumulatorelemente 3 to this by means of the control line 83 can be passed on.
Mit einer derartigen Schaltung kann ein CDS-TDI-Verfahren durchgeführt werden. Ein Programm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere in der Steuerschaltung 8 abgespeichert. Die Reihung der einzelnen Pixel 22 bzw. der Akkumulatorelemente 3 kann im Prinzip willkürlich vorgegeben werden. Aus Effizienzgründen ist jedoch eine Zuordnung vorteilhaft, welche unter Ausnutzung der gegenseitigen Lage der einzelnen Pixel 22 bzw. Akkumulatorelemente 3 zueinander am Mikrochip herangezogen wird.With such a circuit, a CDS-TDI method can be performed. A program for carrying out the method according to the invention is in particular in the control circuit 8th stored. The sequence of the individual pixels 22 or the accumulator elements 3 can in principle be given arbitrarily. For reasons of efficiency, however, an assignment is advantageous which, taking advantage of the mutual position of the individual pixels 22 or accumulator elements 3 is used to each other on the microchip.
Um die Veränderung der Zuordnung zwischen den einzelnen Pixeln 22 zu den jeweiligen Akkumulatorelementen 3 zu erleichtern, wird für jedes Pixel 22 ein nächstfolgendes Pixel 22 definiert. Als nächstfolgendes Pixel 22 bzw. Akkumulatorelement 3 des letzten Pixels 22 der Reihe bzw. letzte Akkumulatorelements 3 wird das erste Pixel 22 bzw. erste Akkumulatorelement 3 angesehen. Zunächst wird eine Zuordnung, wie in 8a dargestellt, zwischen jeweils einem Pixel 22 und jeweils einem Akkumulatorelement 3 getroffen, wobei jeweils genau ein Pixel 22 jeweils genau einem Akkumulatorelement 3 zugeordnet wird.To change the association between each pixel 22 to the respective accumulator elements 3 to facilitate, for every pixel 22 a next pixel 22 Are defined. As the next pixel 22 or accumulator element 3 of the last pixel 22 the row or last Akkumulatorelements 3 becomes the first pixel 22 or first accumulator element 3 considered. First, an assignment, as in 8a represented between each one pixel 22 and one accumulator element each 3 taken, each with exactly one pixel 22 each exactly one accumulator element 3 is assigned.
Dies kann einfach dadurch geschehen, dass eine Zuordnung zwischen dem ersten Pixel 22 aus der Spalte der Pixel 22 und dem ersten Akkumulatorelement 3 aus der Spalte der Akkumulatorelemente 3 vorgenommen wird. Das jeweils nächstfolgende Pixel 22 in der Spalte wird dem jeweils nächstfolgenden Akkumulatorelement 3 in der Spalte der Akkumulatorelemente 3 zugeordnet. This can be done simply by making an association between the first pixel 22 from the column of pixels 22 and the first accumulator element 3 from the column of accumulator elements 3 is made. The next following pixel 22 in the column, the next following Akkumulatorelement 3 in the column of accumulator elements 3 assigned.
Anschließend wird das im Pixel 22 gespeicherte Helligkeitssignal zurückgesetzt. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass ein entsprechendes Steuersignal über die Steuerleitung 82 an das jeweilige Pixel 22 geleitet wird. Über die Steuerleitung 81 wird eine Verbindung des entsprechenden Pixels 22 mit dem jeweiligen, diesem Pixel 22 zugeordneten Akkumulatorelement 3 in der Auswahlschaltung 1 erreicht. Das am zurückgesetzten Pixel 22 anliegende Helligkeitssignal wird an das entsprechende Akkumulatorelement 3 weitergeleitet und der negative Wert des Helligkeitssignals dem im Akkumulatorelement 3 gespeicherten Wert hinzugefügt. Im ersten im Akkumulatorelement 3 durchgeführten Akkumulations- bzw. Integrationsschritt wird der negative Wert des am Pixel 22 anliegenden Helligkeitssignals in das Akkumulatorelement 3 übernommen. Das während des Rücksetzvorgangs am Pixel 22 anliegende Helligkeitssignal kann rauschbedingt nicht exakt festgelegt werden. Somit wird zur Kompensation der negative Wert dieses Helligkeitssignals im entsprechenden Akkumulatorelement 3 abgespeichert. Nach dem Ablauf einer vorgegebenen Belichtungszeit wird der Wert des im Pixel 22 gespeicherten Helligkeitssignals dem, dem Pixel 22 zugeordneten Akkumulatorelement 3 zugeführt und zu dem im Akkumulatorelement 3 gespeicherten Wert hinzugezählt bzw. akkumuliert.Then that's in the pixel 22 saved brightness signal reset. This is accomplished by providing a corresponding control signal via the control line 82 to the respective pixel 22 is directed. Via the control line 81 becomes a connection of the corresponding pixel 22 with the respective, this pixel 22 associated accumulator element 3 in the selection circuit 1 reached. The at the reset pixel 22 The applied brightness signal is sent to the corresponding accumulator element 3 forwarded and the negative value of the brightness signal in the Akkumulatorelement 3 saved value added. In the first in the accumulator element 3 The accumulation or integration step performed is the negative value of the pixel 22 applied brightness signal in the Akkumulatorelement 3 accepted. This during the reset process at the pixel 22 adjacent brightness signal can not be determined exactly due to noise. Thus, to compensate, the negative value of this luminance signal in the corresponding accumulator element 3 stored. After the expiration of a given exposure time, the value of the pixel in the pixel 22 stored brightness signal, the, the pixel 22 associated accumulator element 3 supplied and to the in the Akkumulatorelement 3 stored value added or accumulated.
Diese Schritte werden für alle in der Zuordnung festgelegten Paare von Pixeln 22 und Akkumulatorelementen 3 durchgeführt. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass ein durch die Steuerschaltung 8 vorgegebener Takt herangezogen wird, wobei in jedem Takt ein Zeitfenster für den Rücksetzvorgang eines Pixels 22 und ein weiteres Zeitfenster für die Akkumulation eines in einem weiteren Pixel 22 gespeicherten Helligkeitssignals in einem diesem weiteren Pixel 22 zugeordneten Akkumulatorelement 3 vorgesehen ist. Die Zeitdauer der beiden Zeitfenster kann aus Gründender Einfachheit gleich lang gewählt werden.These steps will apply to all pairs of pixels specified in the map 22 and accumulator elements 3 carried out. This can in particular be done by a through the control circuit 8th predetermined clock is used, wherein in each clock a time window for the reset operation of a pixel 22 and another time window for the accumulation of one in another pixel 22 stored brightness signal in a further this pixel 22 associated accumulator element 3 is provided. The duration of the two time windows may be chosen to be equal for simplicity's sake.
Die Durchführung des folgenden TDI-Schrittes wird nach der Beendigung dieser genannten Verfahrensschritte ausgelöst, nachdem sich die Projektion des bewegten Gegenstand um eine definierte Strecke, die in der Regel der Höhe einer Pixelzeile entspricht, verschoben hat. Danach wird die Zuordnung zyklisch bzw. durch Verschiebung gegenüber der vorliegenden Zuordnung geändert und die oben genannten Verfahrensschritte erneut durchgeführt. Die zyklische Vertauschung der Zuordnung ist in den 8a, 8b, 8c dargestellt.The execution of the following TDI step is triggered after the completion of said method steps, after the projection of the moving object has shifted by a defined distance, which generally corresponds to the height of a row of pixels. Thereafter, the assignment is changed cyclically or by displacement relative to the present assignment and the above-mentioned method steps are carried out again. The cyclic permutation of the assignment is in the 8a . 8b . 8c shown.
Die zyklische Veränderung der Zuordnung wird vorzugsweise so vorgenommen, dass jedem Pixel 22 das bisher dem jeweils nachfolgenden Pixel 22 zugeordnete Akkumulatorelement zugeordnet wird und dem letzten Pixel 22 der Reihe das ursprünglich dem ersten Pixel 22 der Reihe zugeordnete Akkumulatorelement 3 zugeordnet wird.The cyclic variation of the allocation is preferably made such that each pixel 22 so far the respective subsequent pixel 22 associated accumulator element is assigned and the last pixel 22 the series originally the first pixel 22 the accumulator element assigned to the row 3 is assigned.
Durch die zyklische Struktur der Pixel 22 bzw. der Akkumulatorwerte 3 gilt als nächstfolgendes Pixel des letzten Pixels das erste Pixel und als nächstfolgendes Akkumulatorelement 3 des letzten Akkumulatorelements 3 das erste Akkumulatorelement 3. Somit ergibt sich, dass das in einem bestimmten Schritt dem letzten Pixel 22 zugeordnete Akkumulatorelement 3 im darauffolgenden Schritt dem ersten Akkumulatorelement zugeordnet wird.Due to the cyclical structure of the pixels 22 or the accumulator values 3 the next pixel of the last pixel is the first pixel and the next following accumulator element 3 of the last accumulator element 3 the first accumulator element 3 , Thus it turns out that in a certain step the last pixel 22 associated accumulator element 3 is assigned to the first accumulator element in the subsequent step.
Die 8a, 8b und 8c zeigen ein Beispiel des zyklischen Vertauschers für eine Spalte umfassend 3 Pixel. Die in 8b dargestellte Zuordnung ergibt sich durch zyklische Vertauschung der Zuordnung aus 8a. Die in 8c dargestellte Zuordnung ergibt sich durch zyklische Vertauschung der Zuordnung aus 8b. Die in 8a dargestellte Zuordnung ergibt sich durch zyklische Vertauschung der Zuordnung aus 8c.The 8a . 8b and 8c show an example of the cyclic interchange for a column comprising 3 pixels. In the 8b The assignment shown results from cyclic permutation of the assignment 8a , In the 8c The assignment shown results from cyclic permutation of the assignment 8b , In the 8a The assignment shown results from cyclic permutation of the assignment 8c ,
Nach der Durchführung bzw. mehrmaliger schleifenartiger Wiederholung dieser Verfahrensschritte liegen in den einzelnen Akkumulatorelementen 3 die entsprechenden Helligkeitssignale des an der Bildaufnahmeeinheit vorbeibewegten Gegenstands vor. Ferner ist zu erwähnen, dass die zeitlichen Abstände zwischen zwei zyklischen Vertauschungen der Zuordnung von Pixeln 22 zu Akkumulatorelementen 3 an die Relativgeschwindigkeit des beobachteten Gegenstandes gegenüber der Bildaufnahmeeinheit angepasst sind. Bei einer größeren Geschwindigkeit wird die zyklische Verschiebung der Zuordnung zu Akkumulatorelementen 3 in der Zeiteinheit entsprechend öfters vorgenommen, bei einer Relativbewegung in die entsprechend entgegengesetzte Richtung wird die zyklische Verschiebung der Zuordnung in entsprechend entgegengesetzter Richtung vorgenommen.After the execution or repeated loop-like repetition of these process steps are in the individual Akkumulatorelementen 3 the corresponding brightness signals of the object moved past the image pickup unit. It should also be mentioned that the time intervals between two cyclic permutations of the assignment of pixels 22 to accumulator elements 3 adapted to the relative speed of the observed object relative to the image pickup unit. At a higher speed, the cyclic shift becomes the allocation to accumulator elements 3 In the unit of time correspondingly more often made, in a relative movement in the corresponding opposite direction, the cyclic shift of the assignment is made in accordance with the opposite direction.
Analog zur Durchführung eines kombinierten CDS-TDI-Verfahrens kann auch ein reines TDI-Verfahren mit der erfindungsgemäßen Schaltung durchgeführt werden. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Verfahren besteht darin, dass beim reinen TDI nach dem Rücksetzen der einzelnen Pixel 22 der unmittelbar nach dem Rücksetzen am Ausgang des Pixels 22 gemessene Wert nicht an das Akkumulatorelement 3 weitergegeben bzw. nicht dessen negativer Wert im Akkumulatorelement 3 akkumuliert wird.Analogous to the implementation of a combined CDS-TDI method, a pure TDI method can also be carried out with the circuit according to the invention. The only difference between the two methods is that in pure TDI after resetting the individual pixels 22 immediately after the reset at the output of the pixel 22 measured value not to the accumulator element 3 passed or not its negative value in Akkumulatorelement 3 is accumulated.
Folglich kann das TDI-Verfahren durchgeführt werden, indem zunächst für alle Pixel der Bildaufnahmeeinheit eine Zuordnung, wie in 9 dargestellt getroffen wird, wobei jeweils genau ein Pixel jeweils genau einem Akkumulatorelement zugeordnet wird. Das im Pixel 22 gespeicherte Helligkeitssignal wird gelöscht bzw. auf einen Ausgangswert zurückgesetzt. Anschließend wird nach einer vorgegebenen Belichtungszeit der Wert des am Pixels anliegenden Helligkeitssignals an den Ausgang des Pixels weitergegeben und über die Auswahleinheit 1 dem dem Pixel 22 zugeordneten Akkumulatorelement 3 zugeführt und zu dem in diesem Akkumulatorelement 3 bereits gespeicherten Wert hinzugezählt bzw. akkumuliert. Analog zum CDS-TDI-Verfahren werden die Schritte des Rücksetzens und des Akkumulierens für alle Pixel 22 bzw. für die diesen Pixeln 22 zugeordneten Akkumulatorelemente 3 durchgeführt. Die Durchführung kann insbesondere zeitlich versetzt erfolgen, was die Zeiteffizient wesentlich verbessert. Consequently, the TDI method may be performed by first assigning all pixels of the image capture unit, as in FIG 9 is taken represented, in each case exactly one pixel is assigned in each case exactly one Akkumulatorelement. That in the pixel 22 stored brightness signal is deleted or reset to an initial value. Subsequently, after a predetermined exposure time, the value of the brightness signal applied to the pixel is forwarded to the output of the pixel and via the selection unit 1 the pixel 22 associated accumulator element 3 supplied and to the in this Akkumulatorelement 3 added or accumulated value already stored. Analogous to the CDS-TDI method, the steps of resetting and accumulating are for all pixels 22 or for these pixels 22 associated accumulator elements 3 carried out. The implementation can be carried out in particular offset in time, which significantly improves the time efficiency.
Mit einer derartigen Schaltung kann nun das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden. Die Kamera bzw. die lichtempfindlichen Bauteile werden abgedunkelt bzw. der Lichteinfall auf die Pixel 22 verhindert. Anschließend wird im abgedunkelten Zustand eine Serie von Aufnahmen, insbesondere unmittelbar hintereinander, aufgezeichnet, wobei das CDS-TDI-Verfahren zur Anwendung kommt. Eine derartige Serie umfasst etwa 10 bis 1000 Aufnahmen, insbesondere 50 bis 150 Aufnahmen.With such a circuit, the inventive method can now be carried out. The camera or the photosensitive components are darkened or the light incident on the pixels 22 prevented. Subsequently, in the darkened state, a series of recordings, in particular immediately after one another, is recorded using the CDS-TDI method. Such a series comprises about 10 to 1000 shots, in particular 50 to 150 shots.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die selbe Rauschmessung angewendet, wobei an Stelle des CDS-TDI-Verfahrens ein reines TDI-Verfahren zur Anwendung kommt. Es wird ebenfalls eine Serie umfassend eine vorgegebene Anzahl von Aufnahmen aufgezeichnet. Um das Rauschen ausreichend bestimmen zu können, ist es vorteilhaft etwa hundert Aufnahmen mit dem jeweiligen Verfahren durchzuführen.In a further method step, the same noise measurement is used, wherein a pure TDI method is used instead of the CDS-TDI method. A series comprising a predetermined number of recordings is also recorded. In order to determine the noise sufficiently, it is advantageous to perform about a hundred shots with the respective method.
Anschließend wird jeweils für beide Serien von Aufnahmen pixelweise die Standardabweichung der Helligkeitssignale bestimmt, d. h. für jedes Pixel wird die Standardabweichung über jeweils eine Serie von aufgenommenen Bildern bestimmt. Alle Werte, welche mit demselben Pixel 22 mittels eines Verfahrens aufgenommen worden sind, werden zur Bestimmung der Standardabweichung herangezogen. Besonders vorteilhaft erweist es sich in dem Zusammenhang, die Helligkeitssignale vor der Bestimmung der Standardabweichung zu gewichten, insbesondere durch die Anzahl der TDI-Akkumulationen der jeweiligen Serie zu dividieren. Ferner kann durch, insbesondere arithmetische, Mittelung des so erhaltenen Wertenserie ein Maß für das Rauschen bestimmt werden. Anschließend werden die so ermittelten Maße für das Rauschen für beide Serien verglichen, wobei anschließend zur Aufzeichnung weiterer Bilder jenes Verfahren verwendet wird, welchem das kleinere Maß für das Rauschen zugeordnet ist.Subsequently, the standard deviation of the brightness signals is determined pixel by pixel in each case for both series of images, ie the standard deviation is determined for each pixel over a series of recorded images in each case. All values with the same pixel 22 have been recorded by means of a method are used to determine the standard deviation. It proves particularly advantageous in the context to weight the brightness signals before the determination of the standard deviation, in particular by dividing the number of TDI accumulations of the respective series. Furthermore, a measure of the noise can be determined by, in particular arithmetic, averaging of the series of values thus obtained. Subsequently, the thus determined measures for the noise for both series are compared, which is then used to record additional images that method, which is assigned to the smaller measure of the noise.
Die Bestimmung des Rauschens erfolgt in der dafür vorgesehenen Einheit 8a zur Bestimmung des Bildrauschens. Der Eingang der Einheit 8a zur Bestimmung des Rauschens ist an den Ausgang 5 der erfindungsgemäßen Schaltung angeschlossen. Ferner kann vorgesehen werden, dass zur parallelisierten Bestimmung des Rauschens die Ausgänge der einzelnen Pixel an den Eingang bzw. die Eingänge der Einheit 8a zur Bestimmung des Bildrauschens angeschlossen sind. während der Aufnahme der Bilder im abgedunkelten Zustand gelangen die entsprechenden Bilddaten an den Eingang der Einheit 8a zur Bestimmung des Bildrauschens. In dieser Einheit 8a werden für jedes Pixel separat und für jede der beiden Serien separat die Standardabweichungen der gemessenen Helligkeitssignale aller zum Zweck der Referenzmessung aufgenommenen Bilder bestimmt und gewichtet, wobei die jeweiligen Standardabweichungen, insbesondere durch die Anzahl der TDI-Akkumulationen der jeweiligen Serie dividiert wird. Anschließend kann durch arithmetische Mittelung der so erhaltenen Werte über das gesamte Bild ein Maß für das Rauschen bestimmt werden, wobei für das TDI-Verfahren und das CDS-TDI-Verfahren getrennte Maße für das Rauschen bestimmt werden. Ferner weist die Einheit 8a zur Bestimmung des Bildrauschens einen Steuereingang auf, an welchen die Steuerleitung 85 angeschlossen ist. Über die Steuereinheit wird die Einheit 8a zur Bestimmung des Bildrauschens getriggert, wobei am Ausgang der Einheit 8a zur Bestimmung des Bildrauschens ein Signal anliegt, welches das, insbesondere digital codierte, Maß für das Bildrauschen umfasst. Über die Datenleitung 85' werden die so ermittelten Maße an die Steuereinheit 8 weiter geleitet. Anschließend führt diese den Vergleich durch, welche der beiden Serien aufgenommener Bilder das geringere Rauschen aufweist. Abhängig von diesem Vergleich werden von der Steuereinheit 8 ausgehend diejenigen Steuerimpulse über die Steuerleitungen 81, 82, 83 und 84 weitergeleitet, welcher die einzelnen Komponenten, nämlich die Pixel 22, die Auswahlschaltung 1, die Akkumulatoreinheiten 3, sowie den Multiplexer 4 zur Durchführung des CDS-TDI-Verfahrens oder des TDI-Verfahrens einstellen.The determination of the noise takes place in the unit provided for this purpose 8a to determine the image noise. The entrance of the unit 8a to determine the noise is at the output 5 connected to the circuit according to the invention. Furthermore, it can be provided that for the parallelized determination of the noise, the outputs of the individual pixels to the input or the inputs of the unit 8a connected to determine the image noise. while the pictures are being taken in the darkened state, the corresponding picture data are sent to the input of the unit 8a to determine the image noise. In this unit 8a For each pixel, separately and for each of the two series, the standard deviations of the measured brightness signals of all images recorded for the purpose of reference measurement are determined and weighted, the respective standard deviations being divided, in particular by the number of TDI accumulations of the respective series. Subsequently, a measure of the noise can be determined by arithmetic averaging of the values thus obtained over the entire image, whereby separate measures for the noise are determined for the TDI method and the CDS-TDI method. Further, the unit indicates 8a for determining the image noise on a control input, to which the control line 85 connected. About the control unit is the unit 8a triggered to determine the image noise, wherein at the output of the unit 8a for determining the image noise, a signal is present, which comprises the, in particular digitally coded, measure of the image noise. Via the data line 85 ' The measurements thus determined are sent to the control unit 8th passed on. Subsequently, this compares which of the two series of recorded images has the lower noise. Depending on this comparison will be from the control unit 8th starting those control pulses via the control lines 81 . 82 . 83 and 84 forwarded, which the individual components, namely the pixels 22 , the selection circuit 1 , the accumulator units 3 , as well as the multiplexer 4 to perform the CDS TDI method or the TDI method.
2 zeigt schematisch die Ausführung einer Auswahlschaltung 1 mit einem Multiplexer 18 mit nachgeschalteten Demultiplexer 19. Die Eingänge des Multiplexers 18 bilden die Eingänge 11 der Auswahlschaltung 1. Der Ausgang des Multiplexers 18 ist an den Eingang des Demultiplexers 19 mittels einer Verbindungsleitung 15 angeschlossen. Ferner bilden die Ausgänge des Demultiplexers 19 die Ausgänge der Auswahlschaltung 1. Bei dieser speziellen Ausführungsform umfasst die Steuerleitung 81 zwei getrennte Steuerleitungen, wobei die Steuerleitung 81 das Steuersignal zur Steuerung der Auswahlschaltung 1 anderen Eingang 17 führt, und die erste der Steuerleitungen, die Schalterstellung des Multiplexers 18 steuert und die zweite der Steuerleitungen die Schalterstellung des Demultiplexers 19 steuert. Durch den Aufbau der Auswahlschaltung ist klar, dass lediglich ein an einem der Eingänge 11 angeschlossenes Pixel 22 mit ein einziges an einem Ausgang 12 angeschlossenes Akkumulatorelement 3 verbunden werden kann. Durch die mittels der Steuerleitung 81 übertragenen Steuersignale kann jeweils einer der Eingänge 11 und einer der Ausgänge 12 ausgewählt werden und ein dem ausgewählten Eingang 11 anliegendes Signal an den ausgewählten Ausgang 12 weitergeleitet werden. 2 schematically shows the execution of a selection circuit 1 with a multiplexer 18 with downstream demultiplexer 19 , The inputs of the multiplexer 18 form the entrances 11 the selection circuit 1 , The output of the multiplexer 18 is at the entrance of the demultiplexer 19 by means of a connecting line 15 connected. Further, the outputs of the demultiplexer form 19 the outputs of the selection circuit 1 , In this particular embodiment, the control line comprises 81 two separate control lines, the control line 81 the control signal for controlling the selection circuit 1 other entrance 17 leads, and the first of the control lines, the switch position of the multiplexer 18 controls and the second of the control lines the switch position of the demultiplexer 19 controls. By setting up the selection circuit it is clear that only one at one of the inputs 11 connected pixel 22 with a single at an exit 12 connected accumulator element 3 can be connected. By means of the control line 81 transmitted control signals can each one of the inputs 11 and one of the outputs 12 be selected and a selected input 11 applied signal to the selected output 12 to get redirected.
Obwohl diese Schaltung eine Einschränkung gegenüber der allgemeinen Verschaltbarkeit einer im Prinzip beliebig groß gewählten Anzahl von Eingängen 11 mit einer ebenfalls beliebig groß gewählten Anzahl von Ausgängen darstellt, ist diese Schaltung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausreichend und bietet eine sehr einfache Implementierung der durch das Verfahren geforderten Funktionalität, da die sequentielle Verarbeitung der Pixelwerte sehr gut zum Zeitmultiplex der Pixelzeilen bei der üblichen Sensorauslese passt.Although this circuit has a limitation on the general interconnectability of an arbitrarily large number of inputs selected in principle 11 With a likewise arbitrarily large number of outputs selected, this circuit is sufficient for carrying out the method according to the invention and offers a very simple implementation of the functionality required by the method, since the sequential processing of the pixel values is very good for the time multiplexing of the pixel rows in the conventional sensor readout fits.
In 4 wird eine entsprechende Implementierung der Auswahlschaltung 1 mittels einer Anzahl von Schaltern angegeben. Eine Anzahl von eingangsseitigen Schaltern 13 ist vorgesehen, die der Anzahl der Eingänge 11 entspricht, wobei der erste Anschluss jeweils eines der eingangsseitigen Schalter 13 an jeweils einem der Eingänge 11 der Auswahlschaltung 1 angeschlossen ist. Weiters ist der zweite Anschluss jedes eingangsseitigen Schalters 13 mit einer Verbindungsleitung 15 verbunden. Eine Anzahl von ausgangsseitigen Schaltern 14 ist vorgesehen, welche der Anzahl der Ausgänge 12 entspricht, wobei der zweite Anschluss jeweils eines der ausgangsseitigen Schalter 14 mit jeweils einem der Ausgänge 12 der Auswahlschaltung 1 verbunden ist bzw. als Ausgang 12 der Auswahlschaltung 1 fungiert. Der jeweils andere Anschluss jedes ausgangsseitigen Schalters 14 ist an der Verbindungsleitung 15 angeschlossen. Die eingangsseitigen Schalter 13 und die ausgangsseitigen Schalter 14 sind durch einen gemeinsamen Steuereingang 17 der Auswahlschaltung 1 ansteuerbar bzw. schaltbar. Dieser Steuereingang 17 ist an die Steuerleitung 81 angeschlossen und mit der Steuerschaltung 8 verbunden.In 4 will be a corresponding implementation of the selection circuit 1 indicated by a number of switches. A number of input-side switches 13 is provided, which is the number of inputs 11 corresponds, wherein the first terminal in each case one of the input-side switch 13 at each one of the inputs 11 the selection circuit 1 connected. Furthermore, the second terminal of each input-side switch 13 with a connection line 15 connected. A number of output switches 14 is provided which of the number of outputs 12 corresponds, wherein the second terminal in each case one of the output-side switch 14 each with one of the outputs 12 the selection circuit 1 is connected or as an output 12 the selection circuit 1 acts. The other connection of each output-side switch 14 is on the connection line 15 connected. The input-side switches 13 and the output side switches 14 are through a common control input 17 the selection circuit 1 controllable or switchable. This control input 17 is to the control line 81 connected and with the control circuit 8th connected.
Der Aufbau eines Akkumulatorelements 3 mittels einer Analogschaltung 6 ist in 3 beschrieben. Diese Schaltung umfasst vier Schalter 64, 65, 66, 67 und zwei Kondensatoren 62, 63 sowie einen Operationsverstärker 61 Die gegenseitige Verschaltung der einzelnen Elemente ist folgendermaßen realisiert: Der Eingang 68 der Schaltung ist mit dem ersten Anschluss des ersten Schalters 64 verbunden. Der zweite Anschluss des ersten Schalters ist 64 mit dem ersten Anschluss des ersten Kondensators 62 verbunden. Der zweite Anschluss des ersten Kondensators 62 ist mit dem ersten Anschluss des zweiten Kondensators 63 verbunden. Der zweite Anschluss des zweiten Kondensators 63 ist mit dem ersten Anschluss des zweiten Schalters 65 sowie mit dem ersten Anschluss des dritten Schalters 66 verbunden. Der zweite Anschluss des dritten Schalters 66 liegt auf Massepotential. Der zweite Anschluss des zweiten Schalters 65 ist mit dem Ausgang 69 der Analogschaltung 6 verbunden. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 61 liegt auf Massepotential. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 61 ist mit dem zweiten Anschluss des ersten Kondensators 62 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 61 ist mit dem Ausgang 69 der Analogschaltung 6 verbunden. Der vierte Schalter 67 ist an je einem seiner Anschlüsse mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 61 sowie mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 61 verbunden.The structure of a Akkumulatorelements 3 by means of an analog circuit 6 is in 3 described. This circuit includes four switches 64 . 65 . 66 . 67 and two capacitors 62 . 63 as well as an operational amplifier 61 The interconnection of the individual elements is realized as follows: The entrance 68 the circuit is connected to the first terminal of the first switch 64 connected. The second port of the first switch is 64 with the first terminal of the first capacitor 62 connected. The second connection of the first capacitor 62 is connected to the first terminal of the second capacitor 63 connected. The second connection of the second capacitor 63 is the first port of the second switch 65 as well as with the first terminal of the third switch 66 connected. The second connection of the third switch 66 is at ground potential. The second connection of the second switch 65 is with the exit 69 the analog circuit 6 connected. The non-inverting input of the operational amplifier 61 is at ground potential. The inverting input of the operational amplifier 61 is connected to the second terminal of the first capacitor 62 connected. The output of the operational amplifier 61 is with the exit 69 the analog circuit 6 connected. The fourth switch 67 is at each one of its terminals to the inverting input of the operational amplifier 61 as well as with the output of the operational amplifier 61 connected.
Das in der Analogschaltung 6 anliegende Helligkeitssignal wird durch die Differenz der in den beiden Kondensatoren 62, 63 gespeicherten Ladungen bzw. Ladungswerte repräsentiert bzw. dargestellt. Aus dem Aufbau ergibt sich, dass für die korrekte Durchführung der einzelnen Schritte immer einem Akkumulieren des positiven Ladungswerts ein negatives Setzen bzw. Akkumulieren eines eingehenden Ladungswerts vorangeht.That in the analog circuit 6 applied brightness signal is due to the difference in the two capacitors 62 . 63 stored or charge values represented or represented. From the construction, it follows that for the correct execution of the individual steps, an accumulation of the positive charge value always precedes a negative setting or accumulation of an incoming charge value.
Das negative Setzen eines gegebenen Ladungswerts kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt erfolgen, das Akkumulieren eines negativen Ladungswerts kann nur nach dem Hinzufügen oder Akkumulieren eines (positiven) Ladungswerts erfolgen. Das korrekte Endergebnis der durchgeführten Rechenoperationen liegt jeweils am Ende des Akkumulierens eines (positiven) Ladungswerts am Ausgang 69 invertiert vor.The negative setting of a given charge value can be done at any time, the accumulation of a negative charge value can only be done after adding or accumulating a (positive) charge value. The correct final result of the arithmetic operations performed is at the end of accumulation of a (positive) charge value at the output 69 inverted before.
Zum Speichern bzw. Beibehalten eines Akkumulatorwerts in einem Akkumulatorelement 3 werden alle Schalter geöffnet. Die gespeicherte Ladung in den beiden Kondensatoren 62, 63 bleibt dabei unverändert und das anliegende bzw. gespeicherte Helligkeitssignal wird beibehalten.For storing an accumulator value in an accumulator element 3 All switches are opened. The stored charge in the two capacitors 62 . 63 remains unchanged and the applied or stored brightness signal is maintained.
Zum Akkumulieren des negativen Werts einer anliegenden Ladung bzw. des Helligkeitssignals werden der erste Schalter 64 und der vierte Schalter 67 geschlossen. Der zweite Schalter 65 und der dritte Schalter 66 werden geöffnet. Hierbei wird der erste Kondensator 62 geladen, d. h. die am Eingang 68 anliegende Ladung an den ersten Kondensator 62 geleitet. Das Schließen des vierten Schalters 67 bewirkt eine auftretende Rückkopplung des Operationsverstärkers 61 und in weiterer Folge, dass der zweite Anschluss des ersten Kondensators 62 näherungsweise auf Massepotential bzw. auf virtuellem Massepotential des Operationsverstärkers 61 liegt.For accumulating the negative value of an applied charge or the brightness signal, the first switch 64 and the fourth switch 67 closed. The second switch 65 and the third switch 66 will be opened. Here, the first capacitor 62 loaded, ie at the entrance 68 applied charge to the first capacitor 62 directed. Closing the fourth switch 67 causes an occurring feedback of the operational amplifier 61 and subsequently, that the second terminal of the first capacitor 62 approximately at ground potential or at virtual ground potential of the operational amplifier 61 lies.
Zum Setzen des negativen Werts des am Eingang 68 anliegenden Spannungs- bzw. Ladungswerts werden der erste Schalter 64, der dritte Schalter 66 und der vierte Schalter 67 geschlossen, der zweite Schalter 65 verbleibt offen. Das Laden des ersten Kondensators 62 erfolgt hierbei genau wie beim Vorgang des negativen Akkumulierens einer am Eingang 68 anliegenden Spannung. Ferner wird der zweite Kondensator 63 über den zweiten Schalter 65 entladen.To set the negative value of the input 68 applied voltage or charge value become the first switch 64 , the third switch 66 and the fourth switch 67 closed, the second switch 65 remains open. Charging the first capacitor 62 This takes place exactly as in the process of negative accumulation one at the entrance 68 applied voltage. Further, the second capacitor becomes 63 over the second switch 65 discharged.
Zum Addieren des Werts eines Pixels 22 zu einem Akkumulatorelement 3 wird der erste Schalter 64 geschlossen, der zweite Schalter 65 geschlossen, der dritte Schalter 66 geöffnet und der vierte Schalter 67 geöffnet. Mit der im Pixel 22 gespeicherten Ladung wird der erste Kondensator 62 geladen und es fließt ein entsprechender Ausgleichsstrom, welcher auch durch den zweiten Kondensator 63 fließt. Auf Grund der Gleichheit der beiden Kapazitäten der Kondensatoren 62, 63 ist der Betrag der Spannungsänderung am Ausgang 69 der das Akkumulatorelement 3 bildenden Analogschaltung 6 gleich dem Spannungswert am Eingang 68 an.Add the value of a pixel 22 to an accumulator element 3 becomes the first switch 64 closed, the second switch 65 closed, the third switch 66 opened and the fourth switch 67 open. With the in the pixel 22 stored charge becomes the first capacitor 62 charged and it flows a corresponding compensation current, which also through the second capacitor 63 flows. Due to the equality of the two capacitors of the capacitors 62 . 63 is the amount of voltage change at the output 69 the accumulator element 3 forming analog circuit 6 equal to the voltage value at the input 68 at.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen betreffen die Reduktion von Chipfläche durch die Reduktion der benötigten Operationsverstärker sowie eine Schaltungsvariante, bei welcher zwischen einer reinen TDI-Schaltung und einer kombinierten CDS-TDI-Schaltung ausgewählt werden kann.Further preferred embodiments relate to the reduction of chip area by the reduction of the required operational amplifier and a circuit variant in which can be selected between a pure TDI circuit and a combined CDS TDI circuit.
5 zeigt schematisch den Aufbau eines Pixels 22. Wesentlicher Bauteil dieser Schaltung ist eine fotoempfindliche Diode 27. Diese weist, bedingt durch ihren Aufbau, eine parasitäre Parallelkapazität 28 auf. Die Anode der lichtempfindlichen Diode 27 liegt auf Massepotential. An der Kathode der Diode 27 ist der Source-Anschluss eines MOS-Transistors 29 angeschlossen. Der Drain-Anschluss des MOS-Transistors 29 liegt auf dem Potential der Betriebsspannung. Am Gate des MOS-Transistors 29 ist eine der Steuerleitungen 82 angeschlossen, welche zur Steuerung des entsprechenden Pixels vorgesehen ist. Die Kathode der lichtempfindlichen Diode 27 ist ferner an das Gate eines weiteren MOS-Transistors 2a angeschlossen, dessen Drain-Anschluss auf Betriebsspannung liegt und dessen Source-Anschluss den Ausgang des Pixels bildet. In unmittelbarer örtlicher Nähe des Pixels, jedoch der Auswahlschaltung 1 zugehörig, befindet sich ein Auswahltransistor oder eingangsseitiger Schalter 13 der Ausfallschaltung, welcher über eine der Steuerleitungen 81 gesteuert wird, welche zur Steuerung bzw. Durchschaltung des entsprechenden Pixels vorgesehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der eingangsseitige Schalter 13 als MOS-Transistor ausgeführt, wobei dessen Drain-Anschluss an den Source-Anschluss des MOS-Transistors 2a angeschlossen ist. Der Source-Anschluss des den eingangsseitigen Schalter 13 bildenden Transistors bildet die Verbindungsleitung 15. Die entsprechende Steuerleitung 81 ist an den Gateanschluss des MOS-Transistors 13 angeschlossen. 5 schematically shows the structure of a pixel 22 , An essential component of this circuit is a photosensitive diode 27 , This has, due to their structure, a parasitic parallel capacity 28 on. The anode of the photosensitive diode 27 is at ground potential. At the cathode of the diode 27 is the source terminal of a MOS transistor 29 connected. The drain terminal of the MOS transistor 29 lies at the potential of the operating voltage. At the gate of the MOS transistor 29 is one of the control lines 82 connected, which is intended to control the corresponding pixel. The cathode of the photosensitive diode 27 is further connected to the gate of another MOS transistor 2a connected, whose drain terminal is at operating voltage and whose source terminal forms the output of the pixel. In the immediate vicinity of the pixel, but the selection circuit 1 belonging, there is a selection transistor or input-side switch 13 the failure circuit, which via one of the control lines 81 is controlled, which is provided for controlling or switching of the corresponding pixel. In this embodiment, the input side switch 13 designed as a MOS transistor, wherein its drain terminal to the source terminal of the MOS transistor 2a connected. The source terminal of the input side switch 13 forming transistor forms the connection line 15 , The corresponding control line 81 is at the gate of the MOS transistor 13 connected.
6 zeigt eine Schaltung, welche für eine Vielzahl von m Analogschaltungen 6 nur einen einzigen Operationsverstärker 61 sowie einen einzigen vierten Schalter 67 aufweist. Der invertierende Anschluss des Operationsverstärkers 61 ist mit allen zweiten Anschlüssen des ersten Kondensators 62 verbunden. Ferner sind die Ausgänge aller Analogschaltungen mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 61 verbunden, wobei der so entstehende Knoten den Ausgang der Analogschaltung 6 bildet. Die ersten Anschlüsse der ersten Schalter 64 sind miteinander verbunden und der durch diese Verbindung gebildete gemeinsame Knoten bildet den gemeinsamen Eingang 68 der Analogschaltung 6. Die Vielzahl der zweiten Schalter 65 fungiert hierbei als Multiplexer 4. 6 shows a circuit which, for a plurality of m analog circuits 6 only a single operational amplifier 61 and a single fourth switch 67 having. The inverting terminal of the operational amplifier 61 is with all second terminals of the first capacitor 62 connected. Furthermore, the outputs of all analog circuits are connected to the output of the operational amplifier 61 connected, wherein the resulting node the output of the analog circuit 6 forms. The first connections of the first switch 64 are interconnected and the common node formed by this connection forms the common entrance 68 the analog circuit 6 , The multitude of second switches 65 acts as a multiplexer 4 ,
Bei einem seriellen Auslesen der einzelnen Pixel 22 bietet der in 6 dargestellte Schaltungsaufbau dieselbe Funktionalität wie eine Reihe parallel agierender Analogschaltungen 6 gemäß 3. Da stets nur eines der Akkumulatorelemente 3 aktiv ist bzw. mittels des Multiplexers 4 oder der Auswahlschaltung 1 einstellbar ist, wird auch stets nur ein Operationsverstärker 61 benötigt, um die benötigte Funktionalität bereit zu stellen. Die übrigen Akkumulatorelemente 3 haben stets offene Schalter 64, 65, 66, 67, was bewirkt, dass beide Kondensatoren 62, 63 dieser Schaltungen an je einem Anschluss unverbunden bzw. isoliert sind, wodurch die gespeicherte Ladung in den jeweiligen Kondensatoren 62, 63 verbleibt. Die Stellung des gemeinsamen vierten Schalters 67 richtet sich nach der Stellung des entsprechenden aktiven Akkumulatorelements 3.For a serial readout of the individual pixels 22 offers the in 6 12 shows the same functionality as a series of parallel-acting analog circuits 6 according to 3 , As always only one of the accumulator elements 3 is active or by means of the multiplexer 4 or the selection circuit 1 is adjustable, is always only an operational amplifier 61 needed to provide the required functionality. The remaining accumulator elements 3 always have open switches 64 . 65 . 66 . 67 , which causes both capacitors 62 . 63 these circuits are unconnected to each terminal or isolated, whereby the stored charge in the respective capacitors 62 . 63 remains. The position of the common fourth switch 67 depends on the position of the corresponding active accumulator element 3 ,
Der spezielle Aufbau dieser Schaltung bewirkt, dass jeweils nur einer der an den zweiten Kondensatoren 63 anliegenden Ladungswerte bzw. Spannungswerte an den Ausgang 69 der Analogschaltung 6 weitergeleitet wird bzw. an diesem Ausgang 69 anliegt. Die übrigen zweiten Kondensatoren 63 sind gegenüber dem Ausgang durch die jeweiligen zweiten Schalter 65 getrennt bzw. isoliert.The special design of this circuit causes only one of each of the second capacitors 63 applied charge values or voltage values to the output 69 the analog circuit 6 is forwarded or at this exit 69 is applied. The remaining second capacitors 63 are opposite the output through the respective second switches 65 isolated or isolated.
Ferner fungieren die jeweiligen ersten Schalter 64 der Akkumulatorelemente 3 als ausgangsseitige Schalter 14 der Auswahlschaltung 1. Das am Eingang 68 anliegende Signal wird an dasjenige Akkumulatorelement 3 weitergeleitet, dessen erster Schalter 64 geschlossen ist.Furthermore, the respective first switches function 64 the accumulator elements 3 as the output side switch 14 the selection circuit 1 , That at the entrance 68 applied signal is to that accumulator element 3 forwarded, its first switch 64 closed is.
Eine weitere Ausgestaltung des in 6 dargestellten Schaltungsaufbaus, welche zusätzlich als reine TDI-Schaltung verwendet werden kann, ist in 7 dargestellt. Für jedes einzelne Akkumulatorelement 3 ist ein fünfter Schalter 60 und ein sechster Schalter 6a vorgesehen, wobei der zweite Anschluss des ersten Schalters 64 mit dem ersten Anschluss des fünften Schalters 60 verbunden ist und der zweite Anschluss des fünften Schalters 60 auf Massepotenzial liegt. Weiteres ist der erste Anschluss des sechsten Schalters 6a mit dem zweiten Anschluss des ersten Schalters 64 verbunden und der zweite Anschluss des sechsten Schalters 6a ist mit dem Ausgang 69 der Analogschaltung 6 verbunden. Sind die beiden Schalter 60 und 6a geöffnet, kann die in 7 dargestellte Analogschaltung analog zur in 6 dargestellten Analogschaltung betrieben werden. Another embodiment of in 6 shown circuit structure, which can be used in addition as pure TDI circuit is in 7 shown. For every single accumulator element 3 is a fifth switch 60 and a sixth switch 6a provided, wherein the second terminal of the first switch 64 with the first terminal of the fifth switch 60 is connected and the second terminal of the fifth switch 60 is at ground potential. Another is the first port of the sixth switch 6a with the second terminal of the first switch 64 connected and the second terminal of the sixth switch 6a is with the exit 69 the analog circuit 6 connected. Are the two switches 60 and 6a open, the in 7 illustrated analog circuit analogous to in 6 operated analog circuit operated.
Erforderlichenfalls kann vorgesehen werden, dass lediglich einer der ersten Kondensatoren 62 in der oben beschriebenen Weise verwendet wird, während die übrigen ersten Kondensatoren 62 analog den zweiten Kondensatoren 63 beschaltet werden. In diesem Fall entfällt jedoch die Möglichkeit der Rauschkompensation (CDS), die Anzahl der zur Verfügung stehenden Akkumulatorelemente 3 verdoppelt sich jedoch nahezu, wobei 2m – 1 Akkumulatorelemente 3 verfügbar sind, und m die Anzahl der Akkumulatorelemente 3 für das CDS-TDI-Verfahren bedeutet.If necessary, it can be provided that only one of the first capacitors 62 is used in the manner described above, while the remaining first capacitors 62 analogous to the second capacitors 63 be connected. In this case, however, eliminates the possibility of noise compensation (CDS), the number of available Akkumulatorelemente 3 however, it nearly doubles, with 2m - 1 accumulator elements 3 are available, and m is the number of accumulator elements 3 for the CDS-TDI method.
In diesem Zusammenhang sei eine Anzahl von zwei Schaltern und einem Kondensator, nämlich entweder des zweiten Schalters 65 und des dritten Schalters 66 sowie des zweiten Kondensators 63 oder aber des fünften und sechsten Schalters 60, 6a sowie des ersten Kondensators als erster Speicher 6z oder zweiter Speicher 6y bezeichnet.In this connection, let a number of two switches and one capacitor, namely either the second switch 65 and the third switch 66 and the second capacitor 63 or the fifth and sixth switches 60 . 6a and the first capacitor as the first memory 6z or second memory 6y designated.
Besonders geeignet sind derartige Schaltungen, wenn ausreichend Licht zur Verfügung steht und die Bildqualität durch verbesserte Dynamik, also eine höhere nutzbare Bitbreite der Pixeldaten, erhöht werden soll. Wie bereits erwähnt wird ein Akkumulatorelement 3 analog der in 6 beschriebenen Funktionsweisen betrieben. Die beiden Schalter 60 und 6a sind dabei stets geöffnet. Bei den übrigen Akkumulatorelementen 3 sind die ersten Schalter 64 stets geöffnet. Durch diese Beschaltung wird durch den fünften Schalter 60 und den sechsten Schalter 6a sowie den ersten Kondensator 62 ein Speicher 6y gebildet, welche eine zu der durch den zweiten Kondensator 63, den zweiten Schalter 65 und den dritten Schalter 66 gebildeten Speicher 6z äquivalente Schaltungstopologie aufweist. Der fünfte Schalter 60 hat dabei dieselbe Funktion wie der dritte Schalter 66. Die Funktionen der Schalter 65 und 6a sind dabei ebenfalls äquivalent.Such circuits are particularly suitable if sufficient light is available and the image quality is to be increased by improved dynamics, ie a higher usable bit width of the pixel data. As already mentioned, an accumulator element 3 analogous to the in 6 operated modes described operated. The two switches 60 and 6a are always open. For the remaining accumulator elements 3 are the first switches 64 always open. Through this wiring is through the fifth switch 60 and the sixth switch 6a as well as the first capacitor 62 a memory 6y formed one to the through the second capacitor 63 , the second switch 65 and the third switch 66 formed memory 6z has equivalent circuit topology. The fifth switch 60 has the same function as the third switch 66 , The functions of the switches 65 and 6a are also equivalent.
In einem Verfahren, welches mittels einer derartigen Schaltungskonfiguration durchgeführt wird, ist eine Rauschkompensation (CDS) der Ladungswerte der einzelnen Pixel 22 nicht möglich bzw. wird als nicht erforderlich angesehen. Jeder Speicher 6y, 6z umfasst einen der Kondensatoren 62, 63 sowie zwei Schalter, nämlich entweder den zweiten und den dritten Schalter 65, 66 oder den fünften und den sechsten Schalter 60, 6a. Durch Schließen des zweiten Schalters 65 oder des sechsten Schalters 6a wird der am Eingang 68 anliegende Spannungswert an den entsprechenden Kondensator 62, 63 eines Speichers 6y, 6z weitergeleitet, wodurch eine Akkumulation stattfindet. Der entsprechende andere Schalter, nämlich der dritte Schalter 66 oder der fünfte Schalter 60 bleibt hierbei offen.In a method performed by such a circuit configuration, noise compensation (CDS) of the charge values of the individual pixels is 22 not possible or is considered unnecessary. Every memory 6y . 6z includes one of the capacitors 62 . 63 and two switches, either the second and third switches 65 . 66 or the fifth and sixth switches 60 . 6a , By closing the second switch 65 or the sixth switch 6a will be at the entrance 68 applied voltage value to the corresponding capacitor 62 . 63 a memory 6y . 6z forwarded, whereby an accumulation takes place. The corresponding other switch, namely the third switch 66 or the fifth switch 60 stay open here.
Zum Rücksetzen der in einem der beiden Kondensatoren 62, 63 gespeicherten Ladung wird der dritte Schalter 66 oder der fünfte Schalter 60 und gegebenenfalls der vierte Schalter 67 geschlossen, wodurch der entsprechende Kondensator 62, 63 entladen wird.To reset the in one of the two capacitors 62 . 63 stored charge becomes the third switch 66 or the fifth switch 60 and optionally the fourth switch 67 closed, causing the corresponding capacitor 62 . 63 unloaded.
Soll der im Kondensator 62, 63 gespeicherte Wert beibehalten werden, sind alle Schalter 65, 66 oder 60, 6a geöffnet. Dadurch ist der zweite Anschluss des zweiten Kondensators 63 bzw. der erste Anschluss des ersten Kondensators 62 isoliert, wodurch die Ladung gespeichert wird.Should be in the condenser 62 . 63 stored value are all switches 65 . 66 or 60 . 6a open. This is the second terminal of the second capacitor 63 or the first connection of the first capacitor 62 isolated, whereby the charge is stored.
Im Laufe des Verfahrens können einzelne, den entsprechenden Speichern 6y, 6z zugeordnete Ladungswerte von Pixeln 22 an die entsprechenden Speicher 6y, 6z übertragen werden.In the course of the procedure, individual, the corresponding memories 6y . 6z assigned charge values of pixels 22 to the appropriate memory 6y . 6z be transmitted.
Bei der Durchführung eines reinen TDI-Verfahrens erweist es sich als vorteilhaft, anstelle von Akkumulatorelementen 3 lediglich einzelne Speicher 6y, 6z zu verwenden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da die Anzahl der Speicher bei entsprechender Beschaltung doppelt so groß ist wie die Anzahl der Akkumulatorelemente. Da für das reine TDI-Verfahren das Subtrahieren eines Eingangswerts vom Akkumulatorwert nicht erforderlich ist, kann beim TDI-Verfahren ein Speicher 6y, 6z zur Akkumulation verwendet werden.In carrying out a pure TDI method, it proves to be advantageous instead of Akkumulatorelementen 3 only single memory 6y . 6z to use. This is particularly advantageous because the number of memory is twice as large as the number of Akkumulatorelemente with appropriate wiring. Since it is not necessary to subtract an input value from the accumulator value for the pure TDI method, a memory can be used in the TDI method 6y . 6z used for accumulation.
Für das reine TDI-Verfahren muss zumindest einer der Schalter 64 geschlossen sein, wobei der entsprechende Speicher 6y nicht für die Speicherung herangezogen werden kann. Der Kondensator 62 bildet hierbei eine kapazitive Kopplung der Schaltung und wird nicht zur Abspeicherung von Helligkeitsinformation verwendet, sondern zur Kompensation eines konstanten Offsets verwendet. Alle eingehenden Pixelsignale gelangen über diesen Kondensator sowie den geschlossenen Schalter 64, bei offenem Schalter 60 an den Eingang des ausgewählten Speichers 6y, 6z sowie an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 61.For the pure TDI process must be at least one of the switches 64 be closed, with the appropriate memory 6y can not be used for storage. The capacitor 62 This forms a capacitive coupling of the circuit and is not used for storing brightness information, but used to compensate for a constant offset. All incoming pixel signals pass through this capacitor as well as the closed switch 64 , with open switch 60 to the input of the selected memory 6y . 6z as well as to the inverting input of the operational amplifier 61 ,
In 1 sind jeweils zwei Speicher 39 von einem Akkumulatorelement 3 umfasst. Demgemäß können zwei Speicher 6y, 6z der in 7 dargestellten Schaltung als jeweils zwei Speicher 39 aufgefasst werden, welche gemeinsam ein Akkumulatorelement 3 bilden.In 1 are each two memory 39 from an accumulator element 3 includes. Accordingly, two memories 6y . 6z the in 7 shown circuit as two memory 39 be understood, which together a Akkumulatorelement 3 form.
Die Darstellung ist bisher von nur einem Farbkanal ausgegangen (Monochrom-Sensor). Eine Verallgemeinerung des dargestellten Verfahrens auf mehrere Farbkanäle, beispielweise für Rot, Grün und Blau für einen Farb-Sensor ist leicht möglich.The representation has so far assumed only one color channel (monochrome sensor). A generalization of the illustrated method to multiple color channels, for example, red, green and blue for a color sensor is easily possible.
Für die Durchführung des TDI-Verfahrens bzw. des CDS-TDI-Verfahrens können zwei verschiedene Ausführungen Anwendung finden:
Einerseits kann zu Beginn des Verfahrens der im Akkumulatorelement 3 gespeicherte Wert auf Null gesetzt werden bzw. gelöscht werden und anschließend mittels Akkumulation eines, insbesondere invertierten oder negativen Werts, die einzelnen mit den Pixeln 22 ermittelten Werte hinzugezählt werden. Hierbei sind die Operationen ”Rücksetzen” und ”Akkumulieren” erforderlich.Two different versions can be used to carry out the TDI method or the CDS-TDI method:
On the one hand, at the beginning of the process in the accumulator 3 stored value are set to zero or deleted and then by means of accumulation of a, in particular inverted or negative value, the individual with the pixels 22 added values are added. This requires the operations "Reset" and "Accumulate".
Andererseits kann dasselbe Verhalten erzielt werden, indem der Wert des Akkumulatorelements 3 für den ersten Summanden der Akkumulation auf dessen Wert gesetzt wird und für alle weiteren Schritte der entsprechende Eingangswert, insbesondere invertiert, akkumuliert wird. Hierbei sind die Operationen ”Setzen” und ”Akkumulieren” erforderlich.On the other hand, the same behavior can be achieved by changing the value of the accumulator element 3 is set to its value for the first summand of the accumulation and for all further steps of the corresponding input value, in particular inverted, is accumulated. This requires the "Set" and "Accumulate" operations.
Beide Möglichkeiten können für die Implementierung bzw. den Aufbau eines Akkumulatorelements 3 bzw. eines Speichers 39 gemäß den 1 und 2 herangezogen werden.Both possibilities can be used for the implementation or the construction of an accumulator element 3 or a memory 39 according to the 1 and 2 be used.
Die erfindungsgemäße Schaltung kann gemeinsam mit den Pixeln 22 auf dem Trägersubstrat eines als Bildsensor ausgebildeten Mikrochips angeordnet sein. Die den Bildsensor aufweisende Bildaufnahmeeinheit, insbesondere eine Videokamera, umfasst alle erforderlichen elektronischen, optischen und mechanischen Bauteile zur Aufnahme der Gegenstände auf dem Sensor. Angeschlossen an die erfindungsgemäße Schaltung sind die weiteren Schaltungsbauteile bzw. -elemente zur Darstellung und Auswertung der Helligkeitssignale der einzelnen Pixel, z. B. Monitore oder Speichermedien.The circuit according to the invention can be used together with the pixels 22 be arranged on the carrier substrate of a microchip formed as an image sensor. The image recording unit having the image sensor, in particular a video camera, comprises all the necessary electronic, optical and mechanical components for receiving the objects on the sensor. Connected to the circuit according to the invention are the other circuit components or elements for displaying and evaluating the brightness signals of the individual pixels, for. As monitors or storage media.
