DE10125307A1 - Optical sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung eines Nutzlichtsignals in einer Störlichtumgebung, wobei der Sensor eine Anzahl von Bildpunkteinheiten (Pixel), die jeweils einen optoelektronischen Wandler (1) zum Umwandeln des einfallenden Lichtes in einen Photostrom (I¶ph¶) und ein Meßwerterfassungseinrichtung (2) zur Gewinnung und Speicherung eines dem erfaßten Photostrom entsprechenden Meßwertes umfassen, und eine Auslesesteuereinrichtung für das Auslesen der abgespeicherten Meßwerte aufweist, um aus einzelnen bildpunktbezogenen Meßwerten das Gesamtbild zusammenzusetzen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zur Erfassung des vom Störlichtanteil im wesentlichen befreiten Nutzlichtsignals für jeden einzelnen Bildpunkt dem gemessenen Photostrom (I¶ph¶) jeweils ein Kompensationsstrom (I¶comp¶) überlagert wird, dessen Größe so, insbesondere aufgrund eines der Messung vorausgehenden Kalibriervorganges, festgelegt ist, daß er demjenigen Photostromwert entspricht, welcher sich alleine aufgrund des auf den jeweiligen Bildpunkt einfallenden Störlichtes ergibt, so daß nur der dem auf den jeweiligen Bildpunkt einfallenden Nutzlichtsignal entsprechende Photostromanteil (I¶diff¶) als weiter zu verarbeitender Meßwert abgespeichert wird.The invention relates to an optical sensor for detecting a useful light signal in an ambient light environment, the sensor comprising a number of pixel units (pixels), each having an optoelectronic converter (1) for converting the incident light into a photocurrent (I¶ph¶) and a measured value detection device (2) for obtaining and storing a measured value corresponding to the detected photocurrent, and has a readout control device for reading out the stored measured values in order to assemble the overall image from individual pixel-related measured values. The invention is characterized in that a compensation current (I¶comp¶) is superimposed on the measured photocurrent (I¶ph¶) for each individual pixel in order to detect the useful light signal which is essentially freed from the stray light component, the size of which, in particular due to one of the Measurement of the previous calibration process, it is specified that it corresponds to the photocurrent value which results solely from the stray light incident on the respective pixel, so that only the photocurrent component (I¶diff¶) corresponding to the useful light signal incident on the respective pixel is processed as a measured value is saved.
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung eines Nutzlichtsignales in einer Störlichtumgebung sowie ein hierauf gerichtetes Verfahren für die Betriebsweise eines optischen Sensors, welcher so arbeitet, daß in jedem einzelnen Bildpunkt des Sensors die auf diesen einfallende Lichtintensität in einen elektrischen Photostrom gewandelt wird, dieser Photostrom (Iph) während einer vorbestimmten Zeitdauer zu einem Meßwert aufintegriert wird und als Meßwert abgespeichert wird, und wobei die bildpunktweise abgespeicherten Meßwerte ausgelesen und zum gesamten Bild zusammengefügt werden.The invention relates to an optical sensor for detecting a useful light signal in an ambient light environment and a method directed therefor for the operation of an optical sensor, which operates in such a way that the light intensity incident on it is converted into an electrical photocurrent in each individual pixel of the sensor, this photocurrent (I ph ) is integrated into a measured value for a predetermined period of time and is stored as a measured value, and the measured values stored in pixels are read out and combined to form the entire image.
Ein solcher optischer Sensor ist aus der WO 98/14002 bekannt. Es handelt sich um einen bildpunktweise (pixelweise) organisierten Sensor, welcher typischerweise als Flächensensor oder als Zeilensensor ausgebildet ist. Die kleinste Einheit eines solchen Sensors stellt der einzelne Bildpunkt dar, welcher über eine ihm jeweils zugeordnete Auswerteelektronik verfügt. Pixelweise werden bei dem bekannten Sensor die intensitäts- oder wellenabhängigen einfallenden Strahlungen über einen photoelektrischen Wandler in einen Photostrom umgewandelt, welcher während einer bestimmten Zeit, der sog. Integrationsdauer in einen Ladungsspeicher, insbesondere einen Kondensator, fließt. Nach Ablauf der Integrationsdauer ist die am Kondensator anliegende Spannung ein quantitatives Maß für den jeweiligen Meßwert. Sämtliche unterschiedlichen Bildpunkten zugeordneten Meßwerte werden durch eine zentrale Ausleseelektronik des optischen Sensors zur gewünschten Zeit in der gewünschten Reihenfolge ausgelesen und ergeben zusammengesetzt das vom Sensor erfaßte Bild.Such an optical sensor is from WO 98/14002 known. It is a pixel by pixel (pixel by pixel) organized sensor, which is typically is designed as an area sensor or as a line sensor. The smallest unit of such a sensor is the single pixel, which over each one assigned evaluation electronics. Pixel by pixel in the known sensor, the intensity or incident radiation over a wave photoelectric converter into a photocurrent converted, which during a certain time, the so-called integration period in a charge storage, especially a capacitor, flows. After the expiry of the The integration time is the one at the capacitor Voltage is a quantitative measure for each Measured value. All different pixels assigned measured values are indicated by a central Readout electronics of the optical sensor to the desired one Read out time in the desired order and put together the image captured by the sensor.
Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Notwendigkeit, ein Nutzlichtsignal, beispielsweise das Licht einer Leuchtdiode (LED) oder das Bild eines von einer externen Lichtquelle beleuchteten Objektes zu erfassen, vor allem dann, wenn es in einer Störlichtumgebung angeordnet ist, deren Lichtintensität diejenige des Nutzlichtsignales bei weitem übersteigt.The starting point of the present invention is Need a useful light signal, such as that Light of a light emitting diode (LED) or the image of one of an external light source to the illuminated object capture, especially if it's in a Interference light environment is arranged, the light intensity that of the useful light signal far exceeds.
Eine aus der Praxis bekannte Lösung zum Betrieb eines optischen Sensors besteht darin, zunächst ein Bild von dem Nutzlichtsignal in seiner Störlichtumgebung, danach ein weiteres Bild bei nichtaktiviertem Nutzlichtsignal zu erfassen und anschließend beide Bilder voneinander zu subtrahieren. Eine physikalische Grenze ist dabei jedoch gegeben, daß dann, wenn das sog. Photonenrauschen in seiner Amplitude größer wird als das Nutzlichtsignal, eine Auflösung nicht mehr möglich ist.A solution known from practice for operating a optical sensor is first an image of the useful light signal in its ambient light environment, afterwards another picture when the useful light signal is not activated capture and then both images of each other subtract. However, there is a physical limit given that when the so-called photon noise in its amplitude becomes larger than the useful light signal, a resolution is no longer possible.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb zu schaffen, welches die Auflösung von Nutzlichtsignalen auch dann ermöglicht, wenn die Störlichtintensität um ein Vielfaches höher als die Nutzlichtintensität liegt.Proceeding from this, the object of the invention is an optical sensor and a method for its To create operation which the dissolution of Useful light signals also possible when the Stray light intensity many times higher than that Useful light intensity is.
Diese Aufgabe wird bei einem optischen Sensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Erfassung des vom Störlichtanteil befreiten Nutzlichtsignales für jeden einzelnen Bildpunkt dem gemessenen Photostrom jeweils ein Kompensationsstrom überlagert wird, dessen Größe so - insbesondere aufgrund eines der Messung vorausgehenden Kalibriervorganges - festgelegt ist, daß er demjenigen Photostromwert entspricht, welcher sich alleine aufgrund des auf den jeweiligen Bildpunkt einfallenden Störlichtes ergibt, so daß nur der dem auf den jeweiligen Bildpunkt einfallenden Nutzlichtsignal entsprechende Photostromanteil als weiter zu verarbeitender Meßwert abgespeichert wird.This task is the case of an optical sensor type mentioned solved in that for detection of the useful light signal for which there is no interfering light every single pixel the measured photocurrent a compensation current is superimposed, the Size like this - especially due to one of the measurements previous calibration process - it is determined that it corresponds to the photocurrent value which is solely on the basis of the respective pixel incident stray light results, so that only the on the useful light signal incident on the respective pixel corresponding photocurrent as further processing measured value is stored.
Gemäß der Verfahrensvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß in jedem Bildpunkt der Photostrom durch einen Kompensationsstrom korrigiert wird, dessen Größe so bemessen ist, daß er dem ausschließlich durch das Störlicht verursachten Anteil des Photostromes entspricht, so daß nur der von dem vom Störlicht befreite Anteil des Bildes hervorgerufene Photostromanteil als Meßwert abgespeichert wird.According to the process variant of the invention provided that the photocurrent through in each pixel a compensation current is corrected, the size of which is so is measured that he can only by the Incident light caused part of the photocurrent corresponds, so that only the one freed from the stray light Proportion of the image-induced photocurrent as Measured value is stored.
Die Erfindung zeichnet sich aus, daß die Differenzbildung zwischen Störlichtsignalanteil und Nutzlichtsignalanteil bereits während der Integrationsphase, und zwar im einzelnen Pixel, erfolgt. Die Maßnahme, pixelbezogen vom gesamten erfaßten Photostrom unmittelbar denjenigen Photostromanteil abzuziehen, welcher allein durch das Störlicht bedingt ist, und nur das Differenzsignal der weiteren Verarbeitung zuzuführen, ermöglicht auch solche Nutzlichtsignale aufzulösen, deren Lichtintensität um einen Faktor von bis zu 1000 kleiner ist als die Intensität des Störlichtes der Umgebung. Durch die elektronische Kompensation im einzelnen Pixel wird eine Unabhängigkeit vom physikalischen Effekt des Photonenrauschens erreicht, der dem bisherigen Auflösungsvermögen bekannter Sensoren eine obere Grenze setzte.The invention is characterized in that the difference between the interfering light signal component and the useful light signal component already during the integration phase, namely in individual pixels. The measure, pixel-related from total detected photocurrent directly to those Subtract photocurrent share, which is due to the Stray light is caused, and only the difference signal of the Adding further processing also enables such processing Resolve useful light signals whose light intensity around is a factor of up to 1000 less than that Intensity of the ambient light. Through the electronic compensation in the individual pixel becomes one Independence from the physical effect of Photon noise achieved, the previous Resolving power of known sensors has an upper limit sat.
Die Größe des jeweiligen Kompensationsstromes im einzelnen Pixel wird dabei vorzugsweise jeweils durch einen der Messung vorausgehenden Kalibriervorgang bestimmt, bei dem der optische Sensor ausschließlich das Störlicht erfaßt. Während des Kalibriervorganges werden die störlichtbedingten Photoströme detektiert und gespeichert. Im nachfolgenden Schritt der Messung von Nutzlichtsignal und Störlichtsignal stehen diese Speicherwerte für die jeweilige Festlegung des Kompensationsstromes im einzelnen Pixel zur Verfügung.The size of the respective compensation current in individual pixels are preferably each by a calibration process preceding the measurement determined in which the optical sensor only that Stray light detected. During the calibration process the photocurrents caused by the interfering light are detected and saved. In the subsequent step of measuring Useful light signal and stray light signal are available Storage values for the respective definition of the Compensation current available in the individual pixel.
Weiter vorzugsweise erfolgt die Einspeisung des Kompensationsstromes an der Verbindungsstelle zwischen dem optoelektronischen Wandler und der Meßwerterfassungseinrichtung. Dabei erfolgt die Einstellung des Kompensationsstromes durch den vorhergehenden Kalibriervorgang so, daß er dem reinen Störsignal entspricht und somit nur die Differenz zwischen dem gemessenen gesamten Photostrom und dem Kompensationsstrom, die dem reinen Nutzsignal entspricht, in der Meßwerterfassungseinrichtung erfaßt, abgespeichert und weiter verarbeitet wird.The feed of the Compensation current at the junction between the optoelectronic converter and the Measured-value acquisition. The Setting the compensation current through the previous calibration process so that it the pure Interference signal corresponds and therefore only the difference between the total measured photocurrent and the Compensation current, which corresponds to the pure useful signal, detected in the measured value recording device, stored and processed further.
Zur Einspeisung des Kompensationsstromes wird weiter vorzugsweise eine externe Stromquelle verwendet, deren Stromwert variabel einstellbar ist, und zwar gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform dadurch, daß ihr ein weiteres Speichermittel zugeordnet ist, in der der jeweils im Kalibriervorgang ermittelte pixelbezogene Kompensationsstromwert abgespeichert ist. To feed the compensation current continues preferably uses an external power source whose Current value is variably adjustable, according to a further preferred embodiment in that her a further storage means is assigned, in which the pixel-related determined in each case in the calibration process Compensation current value is stored.
Die Erfassung dieses im weiteren Speichermittel abgelegten Wertes für den Kompensationsstrom ergibt sich nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß ein Regelkreis gebildet wird aus der Meßwerterfassungseinrichtung, dem optoelektronischen Wandler und der Kompensationsstromquelle, in dem sich während der Kalibrierphase der Kompensationsstrom einstellt.The detection of this in the further storage means stored value for the compensation current results according to a further preferred embodiment of the Invention in that a control loop is formed from the measured value acquisition device, the optoelectronic Converter and the compensation current source in which the compensation current during the calibration phase established.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen für den erfindungsgemäßen optischen Sensor gehen aus den weiteren Unteransprüchen 6 bis 13 und 21 bis 24 hervor.Further preferred embodiments for the Optical sensor according to the invention go from the further Subclaims 6 to 13 and 21 to 24.
Die verfahrensgemäße Variante der Erfindung sieht nach ihrem bevorzugten Ausführungsbeispiel zwei Betriebsphasen für den Sensor vor, nämlich zunächst eine Kalibrierphase und anschließend eine Meßphase. Während der Kalibrierphase, in der die aktive Beleuchtung, also das Nutzsignal, ausgeschaltet ist, wird der Kompensationsstromwert pixelweise selbsttätig generiert. Anschließend erfolgt das Umschalten auf die Meßphase, in der lokal am Ort des einzelnen Pixels der gemessene Photostrom um den zuvor festgelegten Kompensationsstrom reduziert wird, so daß zur weiteren Verarbeitung nur der durch das Nutzlichtsignal bedingte Photostromanteil verbleibt.The process variant of the invention looks their preferred embodiment two operating phases for the sensor, namely first a calibration phase and then a measurement phase. During the Calibration phase in which the active lighting, that is Useful signal, is switched off, the Compensation current value automatically generated pixel by pixel. Then switch to the measuring phase, in the measured locally at the location of the individual pixel Photocurrent around the previously defined compensation current is reduced so that only the photocurrent component caused by the useful light signal remains.
Der Umschaltvorgang zwischen Kalibrierphase und Meßphase erfolgt dabei moduliert durch das Nutzsignal, zum Beispiel durch getaktetes Ein- oder Ausschalten des Nutzsignals oder durch Modulation des Nutzsignals in seiner Intensität. The switching process between calibration phase and measuring phase is modulated by the useful signal to Example by switching the Useful signal or by modulating the useful signal in its intensity.
Je nach Intensitätsverhältnis aus Nutz- und Störlichtsignal kann eine unterschiedliche Zeitdauer bzw. ein unterschiedliches zeitliches Verhältnis zwischen Kalibrierphase und Meßphase eingestellt werden. Wenn das Intensitätsverhältnis sehr gering ist, ist eine häufigere Kalibrierung des Sensors erforderlich.Depending on the intensity ratio of useful and The stray light signal can have a different duration or a different temporal relationship between Calibration phase and measurement phase can be set. If that Intensity ratio is very low, is a more common one Calibration of the sensor required.
Auch die Zeitdauer der Integration des Photostromanteils Idiff während der Meßphase ist von dem jeweiligen Verhältnis aus Nutzlicht und Störlicht abhängig.The duration of the integration of the photocurrent component I diff during the measurement phase also depends on the respective ratio of useful light and stray light.
Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich für alle Arten von Sensoren, also Flächen-, Zeilen- oder solche Sensoren, die nur aus einem einzelnen Bildpunkt bestehen.The solution according to the invention is suitable for all types of sensors, i.e. surface, line or such Sensors that consist of only a single pixel.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is based on a Embodiment explained in more detail. Show:
Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips zur Kompensation des Störlichtanteils; Fig. 1 is a circuit diagram for explaining the principle of the invention for compensating the stray light component;
Fig. 2 einen schaltungstechnischen Aufbau eines optischen Sensors gemäß der Erfindung, bezogen auf einen einzelnen Bildpunkt; Fig. 2 shows a circuit design of an optical sensor according to the invention, based on a single pixel;
Fig. 3 drei Varianten zur Realisierung des Auslesevorganges von Meßwerten, wie sie gemäß der Schaltung nach Fig. 2 ermittelt wurden, wobei Fig. 3 shows three variants for realizing the reading process of measured values, as they were determined according to the circuit of FIG. 2, wherein
Fig. 4 ein Zeitschema zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Sensors Fig. 4 is a timing diagram to explain the operation of the sensor according to the invention
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsskizze zur Erläuterung des
dem erfindungsgemäßen optischen Sensor zugrunde liegenden
Funktionsprinzips:
Die für einen einzelnen Bildpunkt realisierte Schaltung
besteht aus einem Photodetektor 1, einem
Speicherkondensator 2 und einer Stromquelle 3. Alle drei
Elemente sind über einen gemeinsamen Knotenpunkt
miteinander verbunden. Fig. 1 shows a circuit diagram for explaining the optical sensor according to the invention underlying principle of operation:
The circuit implemented for a single pixel consists of a photodetector 1 , a storage capacitor 2 and a current source 3 . All three elements are connected to each other via a common node.
Die einfallende Strahlung, die auf den Photodetektor 1 trifft, wird von diesem in einen Photostrom Iph umgewandelt. Der Photostrom Iph setzt sich zusammen aus den durch das Nutzlicht und den durch das Störlicht bedingten Anteilen. In einer noch näher zu beschreibenden Weise wird in einem der Messung vorhergehenden Kalibriervorgang ein Stromwert Icomp für die Stromquelle 3 festgelegt, welcher ausschließlich dem Störlichtsignalanteil entspricht, der in den einzelnen Bildpunkt fällt. Am Knotenpunkt trifft der Differenzstrom Icomp auf den Photostrom Iph, derart, daß nur die Differenz beider Ströme in den Speicherkondensator 2 gelangt. Dieser Differenzstrom entspricht somit dem auf den jeweiligen Bildpunkt einfallenden Nutzlichtanteil. Die Einspeisung des Differenzstromes erfolgt während der Dauer der Integrationszeit, die durch einen (nicht dargestellten) Schalter bestimmt ist. Die am Speicherkondensator 2 anliegende Spannung UInt ist somit ein Maß für die im Speicherkondensator gespeicherte, durch den Differenzstrom Idiff bedingte Ladung.The incident radiation that strikes the photodetector 1 is converted by the latter into a photocurrent I ph . The photocurrent I ph is made up of the components caused by the useful light and the components caused by the stray light. In a manner to be described in more detail, a current value I comp for the current source 3 is determined in a calibration process preceding the measurement, which current value corresponds exclusively to the proportion of interfering light signal that falls in the individual pixel. At the node, the differential current I comp meets the photocurrent I ph in such a way that only the difference between the two currents reaches the storage capacitor 2 . This differential current thus corresponds to the proportion of useful light incident on the respective pixel. The differential current is fed in during the duration of the integration time, which is determined by a switch (not shown). The voltage U Int present at the storage capacitor 2 is thus a measure of the charge stored in the storage capacitor and caused by the differential current I diff .
Durch die Einspeisung des Kompensationsstroms Icomp in den Knotenpunkt zwischen Photodetektor 1 und Speicherkondensator 2 wird erfindungsgemäß der wesentliche Anteil des Störlichtsignals während der Integration abgezogen. Die Kompensation erfolgt lokal für jeden Bildpunkt. Darüber hinaus erfolgt die Festlegung des Kompensationsstromes in einer selbsttätigen Art und Weise, wie sie weiter unten beschrieben wird. Auf diese Weise ergibt sich ein sog. lokal autokompensierter Sensor (Locally Auto Compensating Sensor LACS).By feeding the compensation current I comp into the node between the photodetector 1 and the storage capacitor 2 , the essential portion of the stray light signal is subtracted during the integration. The compensation takes place locally for each pixel. In addition, the compensation current is determined in an automatic manner, as described below. This results in what is known as a locally auto-compensating sensor (LACS).
Mit der erfindungsgemäßen Schaltung lassen sich Nutzsignale aus einer Störlichtregelung erfassen, deren Intensität um nahezu den Faktor 1000 größer ist als die Nutzlichtintensität.With the circuit according to the invention Detect useful signals from a stray light control, the Intensity is almost a factor of 1000 greater than that Nutzlichtintensität.
Die Integrationszeit im einzelnen Pixel, d. h. die Zeit, während der die Integration des Photostromanteils Idiff im Speicherkondensator 2 erfolgt, muß zwecks Erreichen eines möglichst großen Auflösungsvermögens möglichst groß sein.The integration time in the individual pixel, ie the time during which the integration of the photocurrent component Idiff in the storage capacitor 2 takes place, must be as large as possible in order to achieve the greatest possible resolution.
Die untere Grenze für die Integrationszeit ist definiert durch die Zeit, die erforderlich ist, um genügend aktive Ladungsträger für das Nutzsignal einzusammeln, und zwar nicht nur, um oberhalb des Photonenrauschens ("shot noise") zu liegen, sondern auch oberhalb des "Lese- und Reset noise" der Schaltungsanordnung.The lower limit for the integration time is defined by the time it takes to be sufficiently active Collect charge carriers for the useful signal, namely not only to get above the photon noise ("shot noise "), but also above the" reading and Reset noise "of the circuit arrangement.
Ein praktisches Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen optischen Sensor ist in Fig. 2 dargestellt.A practical exemplary embodiment for the optical sensor according to the invention is shown in FIG. 2.
Zusätzlich zu den in Fig. 1 gezeigten Komponenten optoelektronischer Wandler 1, Speicherkondensator 2 und Stromquelle 3 ist diese Schaltungsanordnung dahingehend erweitert, daß der Speicherkondensator 2 mit einem Verstärker A1 zusammenarbeitet und ihm ein erster Schalter S1 zugeordnet ist. Darüber hinaus ist der Ausgang des ersten Verstärkers A1 mit einer zweiten Verstärkerstufe A2 gekoppelt, an die ein weiterer Schalter S2 angeschlossen ist, welchem ein weiterer Speicherkondensator 4 (CCTRL) nachgeordnet ist. Dieser Schaltungspunkt ist mit dem Eingang der Kompensationsstromquelle 3 verbunden.In addition to the components of optoelectronic converter 1 , storage capacitor 2 and current source 3 shown in FIG. 1, this circuit arrangement is expanded in that the storage capacitor 2 works together with an amplifier A 1 and a first switch S 1 is assigned to it. In addition, the output of the first amplifier A 1 is coupled to a second amplifier stage A 2 , to which a further switch S 2 is connected, to which a further storage capacitor 4 (C CTRL ) is arranged. This circuit point is connected to the input of the compensation current source 3 .
Diese Schaltung arbeitet wie folgt:
Zunächst wird in einer ersten Betriebsphase, der sog.
Kalibrierungsphase, der Kompensationsstrom Icomp
festgelegt. Hierzu wird der optische Sensor
ausschließlich mit Störlicht beaufschlagt. Zu Beginn
dieser Phase sind beide Schalter S1 ("Reset") und S2
("Store") geschlossen. Wenn der Schalter S1 "Reset"
geöffnet wird, fließt ein Photostrom aus dem
optoelektronischen Wandler 1 in den Speicherkondensator
CInt, so daß am Kondensator die integrierte Spannung UInt
abfällt. Dadurch, daß die beiden Verstärkerstufen A1, A2
bei geschlossenem Schalter S2 mit der
Kompensationsspannungsquelle 3 einen geschlossenen
Regelkreis bilden, stellt sich nach einer bestimmten Zeit
ein Zustand ein, bei dem der fließende Strom dem
Kompensationsstrom IComp entspricht. Die sich bei
Einstellen dieses Kompensationsstromes am weiteren
Speicherkondensator CCTRL einstellende Spannung UCTRL wird
am Ende dieser Kalibrierungsphase abgespeichert, indem
der Schalter S2 geöffnet wird.This circuit works as follows:
First, the compensation current I comp is determined in a first operating phase, the so-called calibration phase . For this purpose, the optical sensor is only exposed to stray light. At the beginning of this phase, both switches S 1 ("Reset") and S 2 ("Store") are closed. When the switch S 1 "Reset" is opened, a photocurrent flows from the optoelectronic converter 1 into the storage capacitor C Int , so that the integrated voltage U Int drops across the capacitor. Because the two amplifier stages A 1 , A 2 form a closed control loop with the compensation voltage source 3 when the switch S 2 is closed, a state arises after a certain time in which the flowing current corresponds to the compensation current I Comp . The voltage U CTRL which arises when this compensation current is set at the further storage capacitor C CTRL is stored at the end of this calibration phase by opening the switch S 2 .
Nach Öffnen des Schalters S2 beginnt die Meßphase, in der sowohl Nutzlicht als auch Störlicht vom optoelektronischen Wandler 1 erfaßt werden. Die Stromquelle 3 speist dann den aus der Spannung UCTRL am weiteren Speicherkondensator CCTRL entnommenen Kompensationsstromwert in den Knotenpunkt ein, so daß hierdurch der Differenzstrom Idiff während einer durch die Öffnung des Schalters S1 vorgegebene Integrationsdauer in den Speicherkondensator CInt fließt. Eine Verbesserung der Empfindlichkeit der vorgenannten Schaltung läßt sich dadurch erreichen, daß die beschriebene zweistufige Operationsweise in bestimmten Abständen wiederholt wird, wobei der Übergang zwischen Kalibrier- und Meßphase korreliert mit dem Nutzlicht, z. B. durch entsprechende Pulsierung, erfolgt ("synchronisierte Belichtung").After opening switch S 2 , the measurement phase begins, in which both useful light and stray light are detected by the optoelectronic converter 1 . The current source 3 then feeds the compensation current value taken from the voltage U CTRL at the further storage capacitor C CTRL into the node, so that as a result the differential current I diff flows into the storage capacitor C Int during a integration period predetermined by the opening of the switch S 1 . An improvement in the sensitivity of the aforementioned circuit can be achieved in that the described two-stage operation is repeated at certain intervals, the transition between the calibration and measurement phases correlating with the useful light, for. B. by appropriate pulsation, takes place ("synchronized exposure").
Eine weitere Verbesserung der Empfindlichkeit wird dadurch erreicht, daß zwei alternative Speicherkondensatoren Cint verwendet werden, in die der Photostromanteil Idiff in alternierender Reihenfolge fließt.A further improvement in sensitivity is achieved in that two alternative storage capacitors C int are used, into which the photocurrent component I diff flows in an alternating order.
Fig. 3 zeigt drei Skizzen für die Architektur der Auslesesteuerung des von der Speicherkapazität CInt abgespeicherten Wertes. Dabei bezieht sich die erste Variante Fig. 3 (1) auf das direkte Auslesen des Pixel- Speicherwertes ohne das Vorsehen eines weiteren Zwischenspeichers. Bei der Betätigung des READ-Schalters wird der in der Meßwerterfassungseinrichtung 2 abgespeicherte Wert über eine Ausleseschaltung 5 ausgelesen und an die Auslesesteuereinrichtung zur weiteren Verarbeitung weitergegeben. Fig. 3 shows three diagrams of the architecture of the read-out control of the stored by the storage capacitor C int value. The first variant, FIG. 3 ( 1 ), relates to the direct reading of the pixel memory value without the provision of a further buffer. When the READ switch is actuated, the value stored in the measured value detection device 2 is read out via a readout circuit 5 and passed on to the readout control device for further processing.
Diese Variante benötigt die geringste Fläche auf dem Sensor. Diese Variante ist gedacht für die kontinuierliche Betriebsweise, bei der die Integration jeweils läuft, solange bis das Auslesen eines Speicherwertes abgeschlossen ist. Zur Verbesserung des Rauschabstandes kann es von Vorteil sein, wenn die erste Verstärkerstufe A1 (Fig. 2) beim Auslesen zurückgesetzt wird und der Wert im Reset-Zustand (Reset Value) ebenfalls ausgelesen wird. Die Beaufschlagung des Sensors mit synchronisierter Beleuchtung ist dabei nur möglich, wenn die Integrationszeit der Auslesezeit plus einer zusätzlichen Zeit für das gemeinsame Belichten entspricht. Es können zwar kürzere Integrationszeiten erreicht werden, jedoch ohne synchronisierte Belichtung. Die Zeit, die benötigt wird, um die beiden Bilder zu erfassen, beträgt 2 × (TAuslese + TSync) + TKomp, die Integrationszeit für jedes Bild ist dabei auf den Wert festgelegt: TAuslese + TSync. Da die Dauer der aktiven Beleuchtung daher nur ein Bruchteil der gesamten Integrationszeit sein kann, ist bei dieser Variante die Unterdrückung des Störlichtbildes vergleichsweise schlecht.This variant requires the smallest area on the sensor. This variant is intended for continuous operation, in which the integration runs until the readout of a stored value has been completed. To improve the signal-to-noise ratio, it may be advantageous if the first amplifier stage A 1 ( FIG. 2) is reset when reading out and the value in the reset state (reset value) is also read out. It is only possible to apply synchronized lighting to the sensor if the integration time corresponds to the readout time plus an additional time for the common exposure. Shorter integration times can be achieved, but without synchronized exposure. The time required to acquire the two images is 2 × (T readout + T sync ) + T comp , the integration time for each image is fixed to the value: T readout + T sync . Since the duration of the active lighting can therefore only be a fraction of the total integration time, the suppression of the interfering light image is comparatively poor in this variant.
Die in Fig. 3(2) dargestellte Variante beinhaltet einen "Sample & Hold"-Schaltkreis 6, um das vorherige Integrationsergebnis für den Auslesevorgang festzuhalten, während der nächste Speicherwert bereits integriert wird. Hierbei ist eine synchronisierte Belichtung beliebiger Länge möglich.The variant shown in FIG. 3 ( 2 ) includes a “sample & hold” circuit 6 in order to record the previous integration result for the readout process while the next stored value is already being integrated. A synchronized exposure of any length is possible.
Gemäß Variante 3 (Fig. 4(3)) können auch zwei zueinander parallel geschaltete Sample & Hold-Schaltkreise 6 1, 6 2 vorgesehen sein, wodurch sich eine noch flexiblere Handhabung des Auslesevorganges ergibt.According to variant 3 ( FIG. 4 ( 3 )), two sample & hold circuits 6 1 , 6 2 connected in parallel to one another can also be provided, which results in an even more flexible handling of the readout process.
Die zeitlichen Gegebenheiten während der Auslesevorgänge nach den Varianten Fig. 3(2) bzw. Fig. 3(3) sind in den Fig. 4 und 5 näher erläutert. The temporal conditions during the readout processes according to the variants Fig. 3 ( 2 ) or Fig. 3 ( 3 ) are explained in more detail in Figs. 4 and 5.
Fig. 4 zeigt ein Zeitschema für die Variante nach Fig. 3(2), d. h. die Gestaltung mit einem einzigen Sample & Hold Schaltkreis. Dabei bezieht sich Fig. 4(A) auf den sog. "Standard Rolling Shutter Mode" ohne synchronisierte Beleuchtung. Fig. 4 shows a timing diagram for the variant according to Fig. 3 ( 2 ), ie the design with a single sample & hold circuit. Here, 4 (A) refers. To the so-called. "Standard rolling shutter mode" without synchronized lighting.
Die mittlere Darstellung, Fig. 4(B), zeigt einen Betrieb gemäß "Rolling Shutter Mode" mit einer zusätzlich vorgesehenen Zeit TSync, um eine synchronisierte Belichtung zu erreichen. Beide Bilder, mit und ohne aktive Beleuchtung, sind innerhalb des Pixels vorgesehen, eines auf der Sample-Kapazität und das andere in der ersten Verstärkergruppe. Die gesamte Rahmenzeit beträgt TFRAME = TAuslese + TKomp + TSync. Die Rahmenzeit verbessert sich durch die Zeit für die synchronisierte Belichtung. Pixel einiger Reihen integrieren zunächst die restliche Störlichtbeleuchtung, während diejenigen der anderen Reihen zunächst unter der aktiven Beleuchtung integrieren. Diese Vorgehensweise kann allerdings zu nachteiligen Sekundäreffekten führen. Der Vorteil dieser Variante liegt allerdings darin, daß sowohl die Kalibrierungs- als auch die Meßphasen innerhalb eines Zeitrahmens erfolgen, der noch hinreichend kurz gehalten sein kann.The middle representation, FIG. 4 (B), shows an operation according to "rolling shutter mode" with an additionally provided time T Sync in order to achieve a synchronized exposure. Both images, with and without active lighting, are provided within the pixel, one on the sample capacity and the other in the first amplifier group. The total frame time is T FRAME = T readout + T comp + T sync . The frame time improves due to the time for the synchronized exposure. Pixels of some rows initially integrate the rest of the stray light, while those of the other rows initially integrate under the active lighting. However, this procedure can lead to disadvantageous secondary effects. The advantage of this variant is, however, that both the calibration and the measurement phases take place within a time frame that can still be kept sufficiently short.
Gemäß Darstellung in Variante Fig. 4(C) sind Auslesevorgang und Integration (Messung) vollständig voneinander entkoppelt. Die Kalibrierung und die Integration sind zwischen allen Pixeln vollständig synchronisiert, wobei die Ergebnisse der vorherigen Integrationsphase zeilenweise ausgelesen werden. TSync und TInt können nun genauso lang gemacht wie die Auslesezeit. Hierdurch ergibt sich eine maximale Empfindlichkeit sowie eine optimale Störlichtunterdrückung. Der Nachteil bei dieser Variante ist allerdings, daß die Zeit zwischen der Kalibrierung und dem Ende der Integration, die mit der Kalibrierung korrelieren soll, 2 × TRead ist. Die verbesserte Empfindlichkeit wurde bereits oben erwähnt. Die beiden Bilder werden hierbei eines nach dem anderen ausgelesen, so daß das erste in einem zusätzlichen Speicher zwischengespeichert werden muß während des Auslesens des zweiten Bildes.As shown in variant Fig. 4 (C), the reading process and integration (measurement) are completely decoupled from one another. The calibration and integration are fully synchronized between all pixels, with the results of the previous integration phase being read out line by line. T Sync and T Int can now be made as long as the readout time. This results in maximum sensitivity and optimal suppression of stray light. The disadvantage of this variant, however, is that the time between the calibration and the end of the integration, which is to correlate with the calibration, is 2 × T read . The improved sensitivity has already been mentioned above. The two images are read out one after the other, so that the first must be buffered in an additional memory during the readout of the second image.
Die in Fig. 3(3) dargestellte Variante mit zwei Sample & Hold-Schaltkreisen erlaubt die flexibelste Zeitgestaltung der hier diskutierten Varianten. Fig. 5 zeigt das zugehörige Zeitrahmenschema. Integrations- und Auslesephase erscheinen vollkommen getrennt, so daß das Auslesen den Kalibrierungsprozeß nicht behindert. Die Zeitrahmen addieren sich allerdings zu TRead + TInt + TKomp. Für höhere Beleuchtungsniveaus kann die Integrationsphase kurz gewählt sein, wodurch die Korrelierung der Kompensation mit der Störlichtbeleuchtung verbessert wird und ebenso hierdurch die Unterdrückung des Störlichtes.The variant shown in Fig. 3 ( 3 ) with two sample & hold circuits allows the most flexible timing of the variants discussed here. Fig. 5 shows the associated time frame scheme. The integration and readout phases appear completely separate so that the readout does not hinder the calibration process. However, the time frames add up to T Read + T Int + T Komp . For higher lighting levels, the integration phase can be selected to be short, as a result of which the correlation of the compensation with the stray light illumination is improved and also the suppression of the stray light.
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