DE102007030985B4

DE102007030985B4 - Bildsensor, Verfahren zum Betreiben eines Bildsensors und Computerprogramm

Info

Publication number: DE102007030985B4
Application number: DE102007030985A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Schrey; Bedrich Prof. Dr. Hosticka; Werner Brockherde
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-07-04
Filing date: 2007-07-04
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2027-07-05
Also published as: DE102007030985A1; AT505513B1; AT505513A1; US8085327B2; US20090009645A1

Abstract

Bildsensor (100; 400; 700) mit folgenden Merkmalen:
einer Mehrzahl von Bildelementen (110, 120, 130; 410, 412, 414), die ausgelegt sind, um zugehörige Bildelement-Signale (112, 122, 132; U_pixel) zu liefern, die von auf die Bildelemente einfallenden Lichtintensitäten abhängig sind;
einer Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) mit einer Mehrzahl von Ladungsspeicherelementen (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f),
wobei die Akkumulationsschaltung ausgelegt ist, um während einer Phase Ladungen auf den Ladungsspeicherelementen in Abhängigkeit von den Bildelement-Signalen jeweils zugeordneter Bildelemente zu verändern, und
um eine Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und zugeordneten Bildelementen in aufeinanderfolgenden Phasen zu verändern,
so dass in einem Betrieb eine Ladung auf einem der Ladungsspeicherelemente von Bildelement-Signalen mehrerer Bildelemente in einer Mehrzahl von Phasen abhängt;
wobei die Bildelemente (110, 120, 130; 410, 412, 414) über Schalter (460) mit einer Spaltenleitung (430) gekoppelt sind;
wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) ausgelegt ist, um in einer...

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Bildsensor, auf ein Verfahren zum Betreiben eines Bildsensors und auf ein Computerprogramm. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zeitverzögerten Integration mit CMOS-Schaltungen mit geschalteten Kondensatoren (CMOS-Switched-Capacitor-Schaltungen).
Bei einigen Anwendungen ist es vorteilhaft bzw. erforderlich, Bilder in bewegungs-synchronisierter Weise aufzunehmen. Beispielsweise wird bei so genannten TDI-Verfahren, also Verfahren zur zeit-verzögerten Integration, ein Objekt gegenüber einem Bildsensor verschoben. Bewegt sich das Abbild eines Objekts gegenüber dem Bildsensor, so ist es häufig wünschenswert, das sich bewegende Objekt nahezu verzerrungsfrei aufzunehmen.
Zur Aufnahme von Bildern sind aus der Technik, der wissenschaftlichen Literatur und aus verschiedenen Patentschriften bereits CMOS-Bildsensoren bekannt.
Verfahren zur zeitverzögerten Integration (also TDI-Verfahren) hingegen werden bisher fast ausschließlich bei CCD-Sensoren (also Sensoren mit einer ladungsgekoppelten Einrichtung) realisiert. Diese besitzen einige inhärente Nachteile. Durch das Einerkettenverfahren gehen beispielsweise bei jedem Schiebetakt Ladungen verloren, was auch als Verschmieren bzw. „Smearing" bezeichnet wird. Bei hoher Objektgeschwindigkeit bzw. einem großen Abbildungsmaßstab überstreicht beispielsweise ein Objekt schnell mehrere Zeilen, unter Umständen alle Zeilen einer Sensormatrix. Bei Akkumulation über viele Zeilen hinweg sind entsprechend viele Schiebeoperationen auszuführen. Durch Verschmieren bzw. „Smearing" geht damit beispielsweise ein bedeutender Teil der Photoladungen verloren, wodurch ein Vorteil durch eine Akkumulation stark nivelliert wird. Aus diesem Grund gibt es nur sehr wenige Hersteller, die TDI-CCD-Sensoren anbieten, wie z. B. Fairchild und Hamamatsu. Diese Hersteller verfügen über Spezialprozesse, mit denen die Verschmierungsrate bzw. die „Smear-Rate" unter großem prozesstechnischem Aufwand verringert wird. Die Sensoren sind entsprechend hochpreisig. Multizeilen- bzw. Flächensensoren mit mehreren tausend Pixeln kosten beispielsweise gegenwärtig etwa zwischen 2.000 Dollar und 5.000 Dollar pro Stück.
Aus diesem Grund werden in machen Fällen alternativ Hochgeschwindigkeits-CMOS-/CCD-Sensoren mit Akkumulation in einem Kamerasystem eingesetzt. Dieses Konzept besitzt ebenfalls signifikante Nachteile. So steht aufgrund einer schnellen Auslese nur eine sehr kurze Belichtungszeit zur Verfügung. Ebenso sind die Einzelsignale aufgrund der hohen Auslesebandbreite verrauscht.
Die US 6,906,749 B1 beschreibt einen CMOS TDI-Bildgebungssensor. Ein Spaltenabschnitt des CMOS TDI-Sensors umfasst einen Spaltenbus, eine Spalte von Pixeln, eine Mehrzahl von ersten Schaltern, eine Spalte von Akkumulatoren, eine Mehrzahl von zweiten Schaltern, eine Mehrzahl von dritten Schaltern und einen Ausgangsbus. Jeder der Mehrzahl von ersten Schaltern ist zwischen den Spaltenbus und ein zugehöriges Pixel der Spalte von Pixeln geschaltet. Jeder der Mehrzahl von zweiten Schaltern ist zwischen den Spaltenbus und einen entsprechenden Akkumulator der Spalte von Akkumulatoren gekoppelt. Im Betrieb ist zu jeder Zeit nur ein Schalter der Mehrzahl von ersten Schalten eingeschaltet, um das Spannungssignal von einem entsprechenden Pixel mit dem Spaltenbus zu koppeln, während alle übrigen Schalter der Mehrzahl von ersten Schaltern ausgeschaltet sind, um den Spaltenbus von allen übrigen Pixeln zu isolieren. Nur einer der Mehrzahl von zweiten Schaltern ist eingeschaltet, um das Signal auf dem Spaltenbus mit einem Akkumulator zu verbinden, während alle übrigen Schalter der Mehrzahl von zweiten Schaltern ausgeschaltet sind, um den Bus von allen übrigen Akkumulatoren zu isolieren. Eine Hauptsteuerschaltung umfasst ein erstes und ein zweites Schieberegister, um die Mehrzahl von ersten Schaltern und die Mehrzahl von zweiten Schaltern zu steuern, um ein Signal von jedem Pixel der Spalte von Pixeln in einen entsprechenden Akkumulator der Spalte von Akkumulatoren zu koppeln.
Die US 6,678,048 B1 beschreibt einen Sensor zur spektralen Bildgebung mit einer Zeit-Verzögerungs-Integration. Ein Teleskop fokussiert ein Bild auf zumindest ein TDI-Feld, das mit einem multispektralen Filter bedeckt ist, das unterschiedliche Bandbreiten von Licht auf die Reihen in dem TDI-Feld passieren lässt. Eine variable Verstärkung des TDI-Feldes ermöglicht es, unterschiedliche Zeilen von Pixeln individuell zu dämpfen. Die Dämpfungen sind eine Funktion der Größen der positiven und negativen Komponenten eines spektralen Basisvektors. Der spektrale Basisvektor ist so aufgebaut, dass seine positiven Elemente die Anwesenheit eines Ziels betonen, und so dass seine negativen Elemente die Anwesenheit der Bestandteile eines Hintergrunds betonen.
In Anbetracht der obigen Ausführungen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zum Aufnehmen eines gegenüber einem Bildsensor bewegten Bildes zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Bildsensor gemäß Anspruch 1, Anspruch 22, Anspruch 23 oder Anspruch 24, ein Verfahren zum Betreiben eines Bildsensors gemäß Anspruch 19 und durch ein Computerprogramm gemäß Anspruch 21 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schafft einen Bildsensor mit einer Mehrzahl von Bildelementen, die ausgelegt sind, um zugehörige Bildelement-Signale zu liefern, die von jeweiligen auf die Bildelemente einfallenden Lichtintensitäten abhängig sind. Der Bildsensor umfasst ferner eine Akkumulationsschaltung mit einer Mehrzahl von Ladungsspeicherelementen. Die Akkumulationsschaltung ist ausgelegt, um während einer Phase Ladungen auf den Ladungsspeicherelementen in Abhängigkeit von Bildelement-Signalen jeweils zugeordneter Bildelemente zu verändern. Ferner ist die Akkumulationsschaltung ausgelegt, um eine Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und zugeordneten Bildelementen in aufeinander folgenden Phasen zu verändern, so dass in einem Betrieb eine Ladung auf einem der Ladungsspeicherelemente von Bildelementsignalen mehrere Bildelemente in einer Mehrzahl von Phasen abhängt.
Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass ein gegenüber dem Bildsensor bewegtes Bild mit besonders guter Qualität aufgenommen werden kann, wenn eine Ladung auf einem Ladungsspeicherelement in Abhängigkeit von Bildelementsignalen mehrerer Bildelemente in einer Mehrzahl von Phasen gebildet wird, und wenn ferner eine Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und Bildelementen im Laufe der Bewegung des Objekts verändert bzw. an die Bewegung des Objekts angepasst wird. Beispielsweise ermöglicht es die genannte Anordnung, dass ein Bildpunkt, der sich im Bezug auf den Bildsensor bewegt, in verschiedenen Bildaufnahme-Phasen jeweils zu einer Ladung der gleichen Ladungsspeichereinrichtung beiträgt. Durch die Veränderung von Ladungen eines Ladungsspeicherelements über mehrere Phasen hinweg ergibt sich somit beispielsweise eine effektive Belichtungszeit, die beispielsweise länger als eine einzelne Phase ist. Durch die Veränderung der Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und jeweils zugeordneten Bildelementen kann im Übrigen erreicht werden, dass ein Bildpunkt eines bewegten Objekts innerhalb einer gewissen Zeitdauer im Wesentlichen zu einer Ladung eines einzigen Ladungsspeicherelements beiträgt. Somit wird es bei einigen Ausführungsbeispielen ermöglicht, auch von gegenüber dem Bildsensor bewegten Bildern unter Verwendung des Bildsensors ein scharfes Abbild zu erhalten.
Ferner ermöglicht der oben beschriebene Bildsensor beispielsweise eine Realisierung in einer CMOS-Technologie, da beispielsweise die Ladungsspeicherung in dem Ladungsspeicherelement sowie die veränderbare Zuordnung zwischen La dungsspeicherelementen und Bildelementen effizient in einer CMOS-Technologie mit geschalteten Kondensatoren realisiert werden kann. Ferner kann unter Verwendung des oben beschriebenen Konzepts bei einigen Ausführungsbeispielen ein Qualitätsverlust durch ein Verschmieren von Ladung vermieden werden, da bei einigen Ausführungsbeispielen keine Notwendigkeit besteht, eine Ladung möglichst vollständig weiterzuleiten.
Ferner ermöglicht das oben beschriebene Konzept eine besonders kostengünstige Realisierung, da sowohl die Realisierung von Ladungsspeicherelementen als auch die Realisierung einer veränderbaren Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und Bildelementen in einer herkömmlichen Technologie mit geringen Kosten implementierbar ist.
Ferner kann durch die Realisierung einer veränderbaren Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und zugeordneten Bildelementen ein Eimerkettenprinzip ersetzt werden, wie es beispielsweise in CCD-TDI-Sensoren eingesetzt wird. Damit entfällt bei einigen Ausführungsbeispielen die Notwendigkeit, aufwändige Prozessschritte, die zur Herstellung eines CCD-Bildsensors erforderlich sind, anzuwenden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann im Übrigen eine Arbeitsgeschwindigkeit durch Vermeidung des Einkettenprinzips wesentlich erhöht werden.
Gemäß einigen weiteren Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Bildsensors mit einer Mehrzahl von Bildelementen, die ausgelegt sind, um zugehörige Bildelement-Signale zu liefern, die von auf die Bildelemente einfallenden Lichtintensitäten abhängig sind, und mit einer Mehrzahl von Ladungsspeicherelementen. Das Verfahren umfasst beispielsweise ein Verändern von Ladungen auf den Ladungsspeicherelementen in Abhängigkeit von Bildelement-Signalen jeweils zugeordneter Bildelemente. Eine Zuordnung zwischen Ladungsspeicherele menten und jeweils zugeordneten Bildelementen ist dabei durch eine erste Zuordnungsvorschrift festgelegt. Das Verfahren umfasst ferner ein Erhalten einer veränderten Zuordnungsvorschrift, die gegenüber der ersten Zuordnungsvorschrift verändert ist. Die veränderte Zuordnungsvorschrift beschreibt eine Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und jeweils zugeordneten Bildelementen für einen folgenden Schritt des Veränderns von Ladungen. Die oben genannten Schritte des Veränderns von Ladungen sowie des Erhaltens einer veränderten Zuordnungsvorschrift werden bei einem Ausführungsbeispiel einmal oder mehrmals wiederholt, wobei die erhaltene veränderte Zuordnungsvorschrift jeweils an die Stelle die vorher verwendeten (ersten) Zuordnungsvorschrift tritt.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Computerprogramm. Weitere Ausführungsbeispiele sind im Übrigen durch die abhängigen Patentansprüche definiert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Bildsensors, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine tabellarische Darstellung einer möglichen Zuordnung zwischen Bildelementen und Ladungsspeicherelementen für verschiedene Phasen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Bewegungsvorschubs bei einer Bildauslese mit zeitverzögerter Integration (TDI-Bildauslese);
4 ein Schaltbild eines Bildsensors, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5a eine graphische Darstellung von Signalverläufen, wie sie bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Schaltungsanordnung gemäß der 4 auftreten können;
5b eine graphische Darstellung von Steuerungsabläufen, wie sie bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Schaltungsanordnung gemäß der 4 auftreten können;
6 eine schematische Darstellung einer Objektinspektionseinrichtung unter Verwendung eines TDI-CMOS-Sensors, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 ein Blockschaltbild einer Architektur eines 128×2.048-TDI-Sensors, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8a eine graphische Darstellung von Signalverläufen für eine Intrazeilen-Belichtung;
8b eine graphische Darstellung von Signalverläufen für eine Mehrzeilen-Belichtung; und
9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Bildsensors, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Bildsensors, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Bildsensor gemäß 1 ist in seiner Gesamtheit mit 100 bezeichnet. Der Bildsensor 100 umfasst drei Bildelemente bzw. Bildgebungselemente 110, 120, 130. Das erste Bildelement 110 ist beispielsweise ausgelegt, um ein erstes Bild elementsignal 112 zu liefern, das von einer auf das erste Bildelement 110 einfallenden Lichtintensität abhängig ist. In ähnlicher Weise ist das zweite Bildelement 120 ausgelegt, um ein zugehöriges zweites Bildelementsignal 122 zu liefern, das von einer auf das zweite Bildelement 120 einfallenden Lichtintensität abhängig ist. Das dritte Bildelement 130 schließlich ist ausgelegt, um ein drittes Bildelementsignal 132 zu liefern, das von einer auf das dritte Bildelement 130 einfallenden Lichtintensität abhängig ist.
Der Bildsensor 100 umfasst ferner eine Akkumulationsschaltung 140. Die Akkumulationsschaltung 140 umfasst ein erstes Ladungsspeicherelement 150, z. B. einen ersten Akkumulationskondensator, ein zweites Ladungsspeicherelement 160, z. B. einen zweiten Akkumulationskondensator, und ein drittes Ladungsspeicherelement 170, z. B. einen dritten Akkumulationskondensator.
Die Akkumulationsschaltung 140 ist ausgelegt, um während einer Phase Ladungen auf den Ladungsspeicherelementen 150, 160, 170 in Abhängigkeit von den Bildelementsignalen 112, 122, 132 jeweils zugeordneter Bildelemente 110, 120, 130 zu verändern. In anderen Worten, in der genannten Phase besteht eine Zuordnung zwischen Bildelementen 110, 120, 130 und Ladungsspeicherelementen 150, 160, 170, so dass beispielsweise jedem der Ladungsspeicherelemente 150, 160, 170 wenigstens ein Bildelement 110, 120, 130 zugeordnet ist. Alternativ dazu kann beispielsweise jedem der Bildelemente 110, 120, 130 höchstens eines der Ladungsspeicherelemente 150, 160, 170 zugeordnet sein. Bei einem Ausführungsbeispiel existiert beispielsweise eine Mehrzahl von Ladungsspeicherelementen 150, 160, 170, so dass jedem der Mehrzahl von Ladungsspeicherelementen 150, 160, 170 genau eines der Bildelemente 110, 120, 130 zugeordnet ist. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel existiert beispielsweise eine Mehrzahl von Bildelementen 110, 120, 130, so dass jedem Bildelement aus der Mehrzahl von Bildelementen genau eines der Ladungsspeicherelemente 150, 160, 170 zugeordnet ist. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Eins-zu-Eins-Zuordnung von Bildelementen 110, 120, 130 zu Ladungsspeicherelementen 150, 160, 170, bestehen, so dass jedem Bildelement 110, 120, 130 genau ein Ladungsspeicherelement 150, 160, 170 zugeordnet ist, und dass ferner jedem der Ladungsspeicherelemente 150, 160, 170 genau ein Bildelement 110, 120, 130 zugeordnet ist. Andere Zuordnungen sind allerdings möglich, beispielsweise eine Zuordnung von mehreren Bildelementen zu einem Ladungsspeicherelement.
Bei dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise dem ersten Ladungsspeicherelement 150 in der ersten Phase das erste Bildelement 110 zugeordnet. Dem zweiten Ladungsspeicherelement 160 ist beispielsweise in der ersten Phase das zweite Bildelement 120 zugeordnet. Dem dritten Ladungsspeicherelement 170 ist beispielsweise in der ersten Phase das dritte Bildelement 130 zugeordnet. Die entsprechende Zuordnung ist beispielsweise anhand der gestrichelten Pfeile angedeutet.
Ferner ist die Akkumulationsschaltung 140 ausgelegt, um die Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und zugeordneten Bildelementen in aufeinander folgenden Phasen zu verändern, so dass in einem Betrieb eine Ladung auf einen der Ladungsspeicherelemente 150, 160, 170 von Bildelementsignalen mehrerer Bildelemente in einer Mehrzahl von Phasen abhängt.
Bei dem anhand der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise in einer zweiten Phase, die auf die erste Phase folgt, das zweite Bildelement 120 dem ersten Ladungsspeicherelement 150 zugeordnet. Ferner ist beispielsweise in der zweiten Phase das dritte Bildelement 130 dem zweiten Ladungsspeicherelement 160 zugeordnet. Die entsprechende Zuordnung ist beispielsweise durch Pfeile mit dem Muster -·-·„ dargestellt.
Ferner ist beispielsweise in einer dritten Phase die Zuordnung zwischen Bildelementen und Ladungsspeicherelementen noch einmal verändert. So ist beispielsweise in der dritten Phase das dritte Bildelement 130 dem ersten Ladungsspeicherelement 150 zugeordnet, wie beispielsweise durch einen Pfeil mit dem Muster „-··-··" dargestellt ist.
Basierend auf der oben beschriebenen Zuordnung zwischen Bildelementen 110, 120, 130 und Ladungsspeicherelementen 150, 160, 170 wird im Folgenden beschrieben, wie beispielsweise die Inhalte der Ladungsspeicherelemente 150, 160, 170 erzeugt werden.
In der ersten Phase ist beispielsweise das erste Bildelement 110 zu dem ersten Ladungsspeicherelement 150 zugeordnet, so dass eine in dem ersten Ladungsspeicherelement 150 enthaltene bzw. gespeicherte Ladung in der ersten Phase in Abhängigkeit von dem Bildelementsignal 112 des ersten Bildelements 110 verändert (bzw. aufgebaut) wird. In der zweiten Phase ist das erste Ladungsspeicherelement 150 ferner dem zweiten Bildelement 120 zugeordnet, so dass in der zweiten Phase die in dem ersten Ladungsspeicherelement 150 gespeicherte Ladung in Abhängigkeit von dem zweiten Bildelementsignal 122 des zweiten Bildelements 120 verändert wird. Ferner ist in der dritten Phase dem ersten Ladungsspeicherelement 150 das dritte Bildelement 130 zugeordnet, so dass eine in dem ersten Ladungsspeicherelement 150 gespeicherte Ladung in der dritten Phase in Abhängigkeit von dem dritten Bildelementsignal 132 des dritten Bildelements 140 verändert wird. Zusammenfassend ist somit festzuhalten, dass die in dem ersten Ladungsspeicherelement 150 gespeicherte Ladung in der ersten Phase in Abhängigkeit von dem ersten Bildelementsignal 112 verändert wird, in der zweiten Phase in Abhängigkeit von dem zweiten Bildelementsignal 122 verändert wird und in der dritten Phase in Abhängigkeit von dem dritten Bildelementsignal 132 verändert wird. Wird beispielsweise davon ausgegangen, dass das erste Ladungsspeicherelement 150 während des Verlaufs der ersten Phase, der zweiten Phase und der dritten Phase nicht zurückgesetzt wird, so trägt das erste Ladungsspeicherelement 150 nach Ablauf der genannten drei Phasen eine Ladung, die von einer in der ersten Phase an dem ersten Bildelement 110 anliegenden Lichtintensität, von einer in der zweiten Phase an dem zweiten Bildelement 120 anliegenden Lichtintensität und ferner von einer in der dritten Phase an dem Ort des dritten Bildelements anliegenden Lichtintensität abhängig ist. Bewegt sich das Abbild eines Objektpunkts beispielsweise so über den Sensor, dass das Abbild sich in der ersten Phase an dem Ort des ersten Bildelements 110 befindet, dass das Abbild sich in der zweite Phase an dem Ort des zweiten Bildelements 120 befindet, und dass das Abbild sich in der dritten Phase an dem Ort des dritten Bildelements 130 befindet, so beschreibt die Ladung auf dem Ladungsspeicherelement 150 im Wesentlichen den genannten Objektpunkt, dessen Abbild sich über der Zeit bewegt.
Im Hinblick auf das zweite Ladungsspeicherelement 160 ist anzumerken, dass diesem in der ersten Phase das zweite Bildelement 120 zugeordnet ist, und dass diesem ferner in der zweiten Phase das dritte Bildelement 130 zugeordnet ist. Dem zweiten Bildelement 160 kann ferner beispielsweise in der dritten Phase ein viertes Bildelement zugeordnet sein, das hier nicht gezeigt ist. Die Ladung des zweiten Ladungsspeicherelements 160 wird beispielsweise in der ersten. Phase im Wesentlichen in Abhängigkeit von dem zweiten Bildelementsignal 122 verändert. In der zweiten Phase wird die in dem zweiten Ladungsspeicherelement 160 gespeicherte Ladung im Wesentlichen in Abhängigkeit von dem dritten Bildelementsignal 132 verändert. Somit ist beispielsweise eine Ladung, die in dem zweiten Ladungsspeicherelement 160 nach Abschluss der zweiten Phase gespeichert ist, beispielsweise abhängig von dem zweiten Bildelementsignal 122 in der ersten Phase und von dem dritten Bildelementsignal 132 in der zweiten Phase. Somit ist beispielsweise die in dem zweiten Ladungsspeicherelement 160 nach Abschluss der zweiten Phase gespeicherte Ladung abhängig von einer Licht- Intensität an dem Ort des zweiten Bildelements 120 in der ersten Phase, und ferner abhängig von einer Lichtintensität an dem Ort des dritten Bildelements 130 in der zweiten Phase. Bewegt sich somit beispielsweise ein Abbild eines weiteren Objektpunkts so über den Bildsensor 100, dass das Abbild in der ersten Phase an dem Ort des zweiten Bildelements 120 ist, und dass das Abbild in der zweiten Phase an dem Ort des dritten Bildelements 130 ist, so ist beispielsweise die in dem zweiten Ladungsspeicherelement 160 nach Abschluss der zweiten Phase gespeicherte Ladung im Wesentlichen von dem genannten Abbild des weiteren Objektpunkts abhängig. Somit ist die in dem zweiten Ladungsspeicherelement 160 nach Abschluss der zweiten Phase gespeicherte Ladung eine gute Beschreibung für das genannte Abbild, das sich über den Bildsensor 100 bewegt.
Zusammenfassend ist somit festzuhalten, dass durch die oben beschriebene selektive und zeitlich veränderliche Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen 150, 160, 170 und Bildelementen 110, 120, 130 erreicht werden kann, dass beispielsweise in einer ersten Phase dem ersten Ladungsspeicherelement 150 genau ein Bildelement 110 zugeordnet ist, dass in einer zweiten Phase dem ersten Ladungsspeicherelement 150 genau ein anderes Bildelement 120 zugeordnet ist, und dass dem ersten Ladungsspeicherelement 150 in einer dritten Phase genau ein weiteres anderes Bildelement 130 zugeordnet ist. Damit ist bei einem Ausführungsbeispiel eine Veränderung der in dem ersten Ladungsspeicherelement 150 gespeicherten Ladung (abgesehen von einem möglichen Rücksetzvorgang und auch abgesehen von parasitären Effekten) im Wesentlichen bzw. ausschließlich abhängig von dem Bildelementsignal des in der jeweiligen Phase zugeordneten Bildelements. Entsprechendes gilt im Übrigen beispielsweise auch für das zweite Ladungsspeicherelement 160 und das dritte Ladungsspeicherelement 170.
Zusammenfassend ist im Übrigen festzuhalten, dass aufgrund der selektiven und zeitlich (zwischen verschiedenen Phasen) veränderlichen Zuordnung zwischen Bildelementen und Ladungsspeicherelementen ein Ladungsspeicherelement selektiv und zeitlich veränderlich durch Bildelementsignale von verschiedenen Bildelementen beeinflusst wird. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, eine scharfe Bildinformation im Hinblick auf ein Objekt, dessen Abbild sich im Bezug auf eine Bildgebungsoberfläche des Bildsensors 100 bewegt, zu erhalten.
Im Übrigen sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen der obigen Beschreibung beispielsweise (auf der die Bildelemente angeordnet sind), davon ausgegangen wird, dass ein Bildelement, das einem Ladungsspeicherelement in einer bestimmten Phase nicht zugeordnet ist, während dieser Phase keinen bzw. nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf eine Veränderung der in dem betreffenden Bildelement gespeicherten Ladung hat. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich, und es sind andere Ausführungsbeispiele denkbar.
Im Folgenden wird anhand der 2 eine mögliche Zuordnung zwischen Bildelementen und Ladungsspeicherelementen beschrieben. 2 zeigt eine graphische Darstellung einer möglichen Zuordnung zwischen Bildelementen und Ladungsspeicherelementen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das anhand der 2 gezeigte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Bildsensor (bzw. auf ein Bildsensor-Teil), der acht zusammengehörige bzw. zusammengruppierte Bildelemente umfasst. Die Bildelemente sind mit Z₁ bis Z₈ bezeichnet. Ferner wird davon ausgegangen, dass acht Ladungsspeicherelemente vorhanden sind, die mit C₁ bis C₈ bezeichnet sind. Im Übrigen wird davon ausgegangen, dass beispielsweise eine Eins-zu-Eins-Zuordnung zwischen Bildelementen und Ladungsspeicherelementen besteht. In verschiedenen Zeilen der tabellarischen Darstellung gemäß der 2 sind beispielsweise diejenigen Ladungsspeicherelemente angegeben, die in den verschiedenen Phasen (Phase 1 bis Phase 8) den entsprechenden Bildelementen zugeordnet sind. Beispielsweise beschreibt eine erste Zeile 810₁ , welche Ladungsspeicherelemente in dem ersten Bildelement Z₁ in den verschiedenen Phasen zugeordnet sind. Entsprechend bezieht sich eine Zn-te Zeile 810_n (n = 1, ..., 8) auf ein n-tes Bildelement. Eine erste Spalte 820₁ beschreibt, welche Ladungsspeicherelemente C₁–C₈ den verschiedenen Bildelementen Z₁–Z₈ in der ersten Phase (Phase 1) zugeordnet sind. Weitere Spalten 820₂ –820₈ beschreiben die Zuordnung für verschiedene weitere Phasen. In der ersten Phase, die durch die Spalte 820₁ beschrieben wird, sind beispielsweise den Bildelementen Z₁–Z₈ die Ladungsspeicherelemente C₁–C₈ zugeordnet. In der zweiten Phase 820₂ ist beispielsweise dem ersten Bildelement Z₁ das achte Ladungsspeicherelement C₈ zugeordnet. In der zweiten Phase sind ferner dem zweiten bis achten Bildelement C₂–Z₈ das erste bis siebte Ladungsspeicherelement C₁–C₇ zugeordnet. Für weitere Phasen ist die entsprechende Zuordnung aus der tabellarischen Darstellung 800 ersichtlich.
Aus der tabellarischen Darstellung 800 ist beispielsweise ersichtlich, dass bei einem Ausführungsbeispiel die Zuordnung zwischen Bildelementen und Ladungsspeicherelementen beim Übergang von einer vorausgehenden Phase zu einer nachfolgenden Phase zyklisch rotiert. Wird beispielsweise davon ausgegangen, dass die Bildelemente, beispielsweise aufgrund ihrer geometrischen Anordnung, eine geordnete Folge, beginnend bei einem ersten Bildelement (beispielsweise dem ersten Bildelement Z₁) und endend bei einem letzten Bildelement (beispielsweise dem achten Bildelement Z₈) bilden, so wird beispielsweise bei einem Ausführungsbeispiel einem auf ein vorhergehendes Bildelement (z. B. Z₂) folgenden Bildelement (z. B. Z₃) in einer folgenden Phase (z. B. Phase 2) das gleiche Ladungsspeicherelement zugeordnet, das dem vorhergehenden Bildelement in der vorhergehenden Phase zugeordnet war. Dem ersten Bildelement wird in der folgenden Phase im Übrigen ein Ladungsspeicherelement zugeordnet, das in der vorhergehenden Phase dem letzten Bildelement zugeordnet war.
Allerdings sein darauf hingewiesen, dass die entsprechende Zuordnung beispielsweise auch in der Reihenfolge vertauscht sein kann, so dass beispielsweise einem vorhergehenden Bildelement in einer nachfolgenden Phase (z. B. Phase 2) das gleiche Ladungsspeicherelement zugeordnet wird, das dem nachfolgenden Bildelement (z. B. Z₂) in der vorhergehenden Phase (z. B. Phase 1) zugeordnet war. In diesem Fall wird beispielsweise dem letzten Bildelement in der nachfolgenden Phase das gleiche Ladungsspeicherelement zugeordnet, das dem ersten Bildelement in der vorhergehenden Phase zugeordnet war.
Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass bei einigen Ausführungsbeispielen auch Abänderungen in der zyklischen Zuordnung vorhanden sein können. So können beispielsweise mehr Ladungsspeicherelemente als Bildelemente vorhanden sein, wobei dennoch eine zyklische Zuordnung vorliegen kann.
Im Folgenden wird anhand der 3 beschrieben, wie sich beispielsweise ein Abbild eines Objekts über einen Bildsensor hinwegbewegen kann. Zu diesem Zweck zeigt die 3 eine schematische Darstellung, die die Bewegung des Objekts beschreibt. Die schematische Darstellung gemäß der 3 ist in ihrer Gesamtheit mit 300 bezeichnet. Die schematische Darstellung 300 zeigt einen Bildsensor 310, der beispielsweise acht Zeilen 320₁ –320₈ aufweist. Der Bildsensor 310 weist ferner beispielsweise 2.048 Spalten 330₁ –330_2.048 auf. Acht Bildelemente der ersten Spalte 330₁ sind beispielsweise mit Z₁–Z₈ (in einer Draufsicht auf den Bildsensor) bezeichnet. Die Bildelemente sind im Übrigen beispielsweise in der gezeigten Weise angeordnet, so dass beispielsweise die Bildelemente Z₁–Z₈ entlang einer Linie bzw. entlang einer Spalte des Bildsensors angeordnet sind. Ein Objekt bzw. ein sich bewegendes Abbild eines Objekts ist im Übrigen mit 340 bezeichnet.
Eine erste schematische Darstellung 350 beschreibt einen Zustand zu einem Zeitpunkt t₀ + 5 μs, eine zweite graphische Darstellung 360 beschreibt einen Zustand zu einem Zeitpunkt t₀ + 10 μs, eine dritte graphische Darstellung 370 beschreibt einen Zustand zu einem Zeitpunkt t₀ + 40 μs und eine vierte graphische Darstellung 380 beschreibt einen Zustand zu einem Zeitpunkt t₀ + 75 μs.
Geht man beispielsweise von einem in einem modernen Fertigungsprozess entworfenen quadratischen CMOS-Pixel (z. B. den Bildelementen Z₁–Z₈) mit 10 μm Kantenlänge aus, und nimmt man weiter an, dass Hochgeschwindigkeitsapplikationen in der Inspektion beispielsweise bei Objektvorschubsgeschwindigkeiten von ein bis zwei m/s arbeiten, so ergibt sich bei einem vereinfachedn angenommenen Abbildungsmaßstab von 1 für eine Geschwindigkeit von 2 m/s eine zeilensynchronisierte Geschwindigkeit von 2 μm/μs, oder – bezogen auf eine Bildelement-Teilung bzw. Pixel-Teilung (Pixel-Pitch) von 10 μm–10 μm/5 μs. Bei einer beispielhaft angenommenen Akkumulation über acht Zeilen leitet sich daraus beispielsweise eine Anforderung ab, acht Zeilen in 5 μs auszulesen. Ferner folgt beispielsweise für eine komplette Akkumulationssequenz eine Dauer von acht Zeilen mal 5 μs = 40 μs. Bei einem Ausführungsbeispiel hat somit beispielsweise nach 40 μs eine erste Zeile des Objekts (bzw. des Abbilds des Objekts) einen TDI-Bildausschnitt komplett passiert, ist fertig akkumuliert und kann ausgelesen werden bzw. wird ausgelesen.
Ferner wird beispielsweise das Objektbild nun sukzessive Zeile für Zeile weiter akkumuliert. Anders ausgedrückt, nach acht Zyklen hat sich das Objekt (bzw. dessen Abbild) beispielsweise komplett in den TDI-Bereich hineinbewegt, wie dies beispielsweise in der dritten graphischen Darstellung 370 gezeigt ist (unter der Voraussetzung, dass die Geschwindigkeit des Objektabbilds bei quadratischem Pixel genau einen Zeilenabstand bzw. eine Bildelementteilung (Pixel-Pitch) in 5 μs beträgt). Zusammenfassend lässt sich so mit festhalten, dass die 3 einen beispielhaften Bewegungsvorschub bei einer TDI-Bildauslese zeigt. Die 3 illustriert dabei eine Bewegungssequenz mit synchron ablaufender Akkumulation in einer CDS-Stufe für den Fall einer monochromen Auslese.
Im Übrigen sein darauf hingewiesen, dass die graphische Darstellung der 3 auch eine Zuordnung zwischen Bildelementen Z₁–Z₈ und Ladungsspeicherelementen C₁–C₈ zeigt. Die gezeigte Zuordnung kann beispielsweise an die Stelle der anhand der 2 beschriebenen Zuordnung treten. Alternativ kann aber auch die anhand der 2 beschriebene Zuordnung verwendet werden.
4 zeigt ein Schaltbild eines Bildsensors, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt die 4 ein Bildelement bzw. ein Pixel mit einer korrelierten Doppelabtaststufe und einem Akkumulationsspeicher.
Die Schaltungsanordnung gemäß der 4 bzw. der Bildsensor gemäß der 4 ist in seiner Gesamtheit mit 400 bezeichnet. Der Bildsensor 400 umfasst beispielsweise ein erstes Bildelement 410, ein zweites Bildelement 412 und ein drittes Bildelement 414. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Bildelemente 410, 412, 414 im Wesentlichen identisch aufgebaut, so dass im Folgenden nur das erste Bildelement 410 beschrieben werden wird. Ein Bildsignalausgang 420 des ersten Bildelements 410, ein Bildsignalausgang 422 des zweiten Bildelements 412 und ein Bildsignalausgang 432 des dritten Bildelements 414 sind beispielsweise mit einer gemeinsamen Spaltenleitung 430 gekoppelt bzw. elektrisch wirksam verbunden. Die Spaltenleitung 430 ist ferner beispielsweise über eine Stromquelle 432, die einen Arbeitspunktstrom I_Bias liefert, mit einem Bezugspotential GND verbunden.
Der Bildsensor 400 umfasst ferner eine Akkumulationsschaltung 440. Ein Eingang 442 der Akkumulationsschaltung 440 ist beispielsweise über einen Koppelkondensator 444 und einen (optionalen) ersten Schalter 446 mit der gemeinsamen Spaltenleitung 430 gekoppelt. Dabei ist ein erster Anschluss des Speicherkondensators 444 mit dem Eingang 442 der Akkumulationsschaltung 440 gekoppelt, und ein zweiter Anschluss des Speicherkondensators 444 ist direkt oder über den optionalen ersten Schalter 446 mit der gemeinsamen Spaltenleitung 430 gekoppelt. Ferner ist der zweite Anschluss des Speicherkondensators 444 optional über einen zweiten Schalter 448 mit dem Bezugspotential GND gekoppelt. Es sei darauf hingewiesen, dass der erste Schalter 446 beispielsweise mit einem Steuersignal ϕ₁ angesteuert wird, während hingegen der zweite Schalter 448 beispielsweise mit einem Steuersignal ϕ₂ angesteuert wird.
Im Folgenden wird stellvertretend für die mehreren vorhandenen Bildelemente 410, 412, 414 die innere Struktur des ersten Bildelements 410 beispielhaft erläutert. Bei dem ersten Bildelement 410 kann es sich beispielsweise um eine Drei-Transistor-Zelle mit Rollender-Verschluss-Technik (rolling shutter-Technik) handeln. Das erste Bildelement 410 umfasst beispielsweise eine Photodiode 450, wobei ein Anodenanschluss der Photodiode mit dem Bezugspotential GND gekoppelt ist, und wobei ein Kathodenanschluss der Photodiode 450 mit einem Speicherknoten 452 gekoppelt ist. Parallel zu der Photodiode ist ferner ein Speicherkondensator 454 geschaltet, der ausgelegt ist, um basierend auf einem von der Photodiode gelieferten Photostrom I_ph eine entsprechende Photospannung U_ph zu speichern. Der Speicherknoten 454 ist ferner mit einem Source-Anschluss eines Rücksetztransistors 456 gekoppelt. Ein Drainanschluss des Rücksetztransistors 456 (Q₁) ist im Übrigen mit einem beispielsweise positiven Versorgungspotential V_DD verbunden. Ein Gateanschluss des Rücksetztransistors 456 ist beispielsweise mit einem „Rücksetzen"-Signal verbunden, das ein Rücksetzen des Bildelements 410 steuert. Das Bildelement 410 umfasst ferner einen Spannungsfolger-Transistor 458, bei dem es sich beispielsweise ebenso um einen NMOS-Feldeffekttransistor handelt. Ein Gate-Anschluss des Spannungsfolgertransistors 458 ist beispielsweise mit dem Speicherknoten 454 gekoppelt. Ein Drain-Anschluss des Spannungsfolgertransistors 458 ist beispielsweise mit dem Potential V_DD gekoppelt. Ein Source-Anschluss des Spannungstransistors ist ferner mit einem ersten Kanalanschluss eines Schalttransistors 460 gekoppelt. Ein zweiter Kanalanschluss des Schalttransistors 460 ist beispielsweise mit der gemeinsamen Spaltenleitung 430 gekoppelt. An einem Gateanschluss des Schalttransistors 460 liegt im Übrigen ein Signal „Auswahl" an, das den Schalttransistor 460 einschaltet oder ausschaltet und somit eine Kopplung zwischen dem erstem Bildelement 410 und der Spaltenleitung 430 aktiviert oder deaktiviert.
Im Hinblick auf die Funktionsweise des Bildelements 410 ist festzuhalten, dass bei einem Rücksetzen (also bei Aktivierung des Signals „Rücksetzen" an dem Gateanschluss des Rücksetztransistors 456) der Kondensator 454 aufgeladen wird. Wird anschließend an das Rücksetzen die Photodiode 450 beleuchtet, so entlädt die Photodiode 450 durch ihren Photostrom I_ph den Kondensator 454. Somit liegt an dem Speicherknoten 454 nach dem Rücksetzen ein Rücksetzpotential an. Im Anschluss an das Rücksetzen verändert sich das Potential in Abhängigkeit von dem von der Photodiode 450 gelieferten Photostrom in Abhängigkeit von einer Lichtintensität des auf die Photodiode 450 fallenden Lichts. Somit stellt sich nach einer bestimmten Belichtungszeit ein von der Lichtintensität abhängiger Spannungspegel an dem Speicherknoten 454 ein. Ist der Schalter 460 geschlossen, so wirkt der Spannungsfolgertransistor 458 in Verbindung mit der Stromquelle 432 als Source-Folger, so dass eine auf der Spaltenleitung 430 abliegende Spannung im Wesentlichen der Spannung an dem Speicherknoten 454 folgt. Somit kann die gemeinsame Spaltenleitung 430 auf einen Spannungspegel ge bracht werden, der von der Spannung an den Speicherknoten 454 abhängig ist.
Im Folgenden werden Details der Akkumulationsschaltung 440 beschrieben. Die Akkumulationsschaltung 440 umfasst einen Operationsverstärker 470, der beispielsweise einen invertierenden Eingang (–) und einen nicht-invertierenden Eingang (+) sowie einen Ausgang aufweist. Der invertierende Eingang (–) des Operationsverstärkers 470 ist beispielsweise mit dem Eingang 442 der Akkumulationsschaltung 440 gekoppelt. Der nicht-invertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers 470 ist beispielsweise mit dem Bezugspotential GND (oder einem anderen vorgegebenen Potential) gekoppelt. Die Akkumulationsschaltung 440 umfasst einen Rückkopplungspfad-Schalter 472, der zwischen den invertierenden Eingang (–) des Operationsverstärkers 470 und den Ausgang des Operationsverstärkers 470 gekoppelt ist, um den invertierenden Eingang (–) mit dem Ausgang zu verbinden. Der Rückkopplungspfad-Schalter wird beispielsweise durch ein Steuersignal 43 angesteuert.
Der Akkumulationsschaltung 440 umfasst ferner eine Mehrzahl von geschalteten Kondensatoranordnungen (auch kurz als geschaltete Kondensatoren bezeichnet). Beispielsweise sind in 4 drei geschaltete Kondensatoranordnungen 474, 476, 478 gezeigt, die jeweils in einen Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers 470, also zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 470 und den Ausgang des Operationsverstärkers 470 eingeschaltet werden können.
Die geschalteten Kondensatoranordnungen 474, 476, 478 sind von ihrer Struktur her gleich aufgebaut, so dass im Folgenden nur die Struktur der ersten geschalteten Kondensatoranordnung 474 beschrieben wird. Die erste geschaltete Kondensatoranordnung 474 umfasst einen zugehörigen Eingang 474a und einen zugehörigen Ausgang 474b. Ferner umfasst die erste geschaltete Kondensatoranordnung 474 einen zugehörigen inneren Knoten 474c. Die erste geschaltete Kondensatoran ordnung 474 umfasst ferner einen ersten Schalter 474d, einen (optionalen) zweiten Schalter 474e und einen Kondensator 474f. Der erste Schalter 474d ist dabei zwischen den Eingangsanschluss 474a und den inneren Knoten 474c geschaltet. Der Kondensator 474f ist ferner zwischen den inneren Knoten 474c und den Ausgangsanschluss 474b geschaltet. Der optionale zweite Schalter 474e ist beispielsweise zwischen den inneren Knoten 474c und ein vorgegebenes Potential, beispielsweise das Bezugspotential GND, geschaltet. Der erste Schalter 474d wird beispielsweise durch ein Steuersignal ϕ₄₁ angesteuert, und der zweite Schalter 474e wird beispielsweise durch ein weiteres Steuersignal ϕ₅₁ angesteuert.
Somit kann der Kondensator 474f der ersten geschalteten Kondensatoranordnung 474 durch Schließen des ersten Schalters 474d der ersten geschalteten Kondensatoranordnung in den Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers 470 eingeschaltet werden. Durch Schließen des zweiten Schalters 474e (beispielsweise bei geöffnetem ersten Schalter 474d) kann ferner der Kondensator 474f auf die Ausgangsspannung an dem Ausgang des Operationsverstärkers 470 vorgeladen werden. Somit kann beispielsweise der Kondensator 474f in einen Rücksetz-Zustand versetzt werden.
Zusammenfassend ist somit festzuhalten, dass der Kondensator 474f durch Aktivierung des Steuersignals ϕ₄₁ in den Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers 470 eingeschaltet werden kann, und dass ferner der Kondensator 474f durch Aktivieren des Steuersignals ϕ₅₁ in einen Rücksetz-Zustand versetzt werden kann.
In entsprechender Weise kann beispielsweise ein Kondensator 476f durch Aktivieren eines Steuersignals ϕ₄₂ in den Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers 470 eingeschaltet und durch Aktivieren eines Steuersignals ϕ₅₂ in einen Rücksetz-Zustand gebracht werden. Ein Kondensator 478f der dritten geschalteten Kondensatorschaltung 478 kann ferner durch Aktivierung eines Steuersignals ϕ₄₈ in den Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers 470 eingeschaltet werden und im Übrigen durch Aktivieren eines Steuersignals ϕ₅₈ in einen Rücksetzzustand gebracht werden.
Der Operationsverstärker 470 kann beispielsweise in Verbindung mit einem in den Rückkopplungszweig eingeschalteten Kondensator (beispielsweise dem Kondensator 474f, dem Kondensator 476f oder dem Kondensator 478f) bei geöffnetem Rückkopplungspfad-Schalter 472 im Wesentlichen als ein Strom-Integrierer mit niedriger Eingangsimpedanz wirken, so dass beispielsweise ein über den Eingang 442 gelieferter Strom zu einer Veränderung einer Ladung, die in dem in den Rückkopplungszweig eingeschalteten Kondensator gespeichert ist, führt. In anderen Worten, eine Ladung, die der Akkumulationsschaltung in diesem Zustand über den Eingang 442 zugeführt wird, wird in dem in den Rückkopplungszweig eingeschalteten Kondensator gespeichert bzw. akkumuliert.
Die Akkumulationsschaltung 440 umfasst im Übrigen optional eine Ausleseschaltung 480, die mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 470 gekoppelt ist, um die an dem Ausgang des Operationsverstärkers 470 anliegende Spannung abzutasten und zwischenzuspeichern. Beispielsweise umfasst die Ausleseschaltung 480 eine Mehrzahl von Ausleseanordnungen 482, 484, 486, von denen hier nur beispielhaft eine beschrieben wird. Die Ausleseanordnung 482 umfasst beispielsweise einen Abtastschalter 482a, einen inneren Knoten oder Speicherknoten 482b, einen Leseschalter 482c und eine Auslesekapazität 482d. Der Abtastschalter 482a ist beispielsweise zwischen den Ausgang eines Operationsverstärkers 470 und den inneren Konten oder Speicherknoten 482b geschaltet. Ferner ist die Auslesekapazität 482d zwischen den inneren Knoten oder Speicherknoten 482b und ein festes Potential (beispielsweise das Bezugspotential GND) geschaltet. Der Leseschalter 482c ist ferner zwischen den inneren Knoten oder Speicherknoten 482b und einen Ausgangsanschluss 490 der Akkumulationsschaltung 440 geschaltet. Der Abtastschalter 482 wird beispielsweise durch ein Signal „SH<1>" angesteuert, und der Leseschalter 482c wird beispielsweise durch ein Signal „Lese<1>" angesteuert. Die weiteren Ausleseschaltungsanordnungen 482, 486 sind im Übrigen parallel zu der oben beschriebenen ersten Ausleseschaltungsanordnung 482 geschaltet. Die entsprechenden Ausleseschalter der zweiten und dritten Ausleseschaltungsanordnung werden beispielsweise durch Signale „SH<2>" bzw. „SH<8>" angesteuert, wie dies aus der 4 ersichtlich ist. Leseschalter der Ausleseschaltungsanordnungen 482, 486 werden im Übrigen durch entsprechende Lesesignale „Lese<2>" bzw. „Lese<8>" angesteuert. Somit ist die Ausleseschaltung 480 insgesamt konfiguriert, um durch entsprechendes Schließen der Abtastschalter das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 470 zu verschiedenen Zeitpunkten abzutasten und um die zu den Abtastzeitpunkten an dem Ausgang des Operationsverstärkers 470 anliegende Spannung auf entsprechenden Auslesekondensatoren 482d zwischenzuspeichern. Die auf dem Auslesekondensator 482d zwischengespeicherte Spannung kann im Übrigen durch ein Schließen der Ausleseschalter bzw. Leseschalter 482c an den Ausgang 490 der Akkumulationsschaltung 440 ausgegeben werden.
Basierend auf der obigen Beschreibung wird im Folgenden anhand von verschiedenen Zeitablaufs-Diagrammen die Funktionsweise des Bildsensors 400 näher erläutert. So zeigt die 5a eine graphische Darstellung von Zeitverläufen von verschiedenen Signalen, die beispielsweise in den Bildsensor 400 gemäß der 4 auftreten können. Die graphische Darstellung gemäß der 5 ist in ihrer Gesamtheit mit 500 bezeichnet. In der 5 beschreibt eine gemeinsame Abszisse 510 die Zeit. Eine erste Signalverlaufsdarstellung 520 beschreibt die Auswahlsignale der Bildelemente 410, 412, 414. Diesbezüglich sei darauf hingewiesen, dass bei einem Ausführungsbeispiel zu einem Zeitpunkt beispielsweise höchstens ein Bildelement aus einer Mehrzahl von mit einer gemeinsamen Spaltenleitung 430 gekoppelten Bildelemente 410, 412, 414 ausgewählt ist. In anderen Worten, Bildele mente 410, 412, 414, die mit einer gemeinsamen Spaltenleitung 430 gekoppelt sind, erhalten separate Auswahlsignale, von denen höchstens eines aktiv ist, um ein Bildelement auszuwählen. Die Auswahlsignale dienen somit dazu, eines der Bildelemente auszuwählen. Ist beispielsweise in der Signalverlaufsdarstellung 520 für die Auswahlsignale ein Wert von „Z₁„ angegeben, so zeigt dies an, dass das erste Bildelement Z₁ ausgewählt ist, während hingegen die anderen mit der gleichen gemeinsamen Spaltenleitung verbundenen Bildelemente nicht ausgewählt sind. Entsprechend zeigt ein Wert von „Z₂„ an, dass ein zweites Bildelement (beispielsweise das Bildelement 412) ausgewählt und somit mit der gemeinsamen Spaltenleitung gekoppelt ist, während hingegen die anderen Bildelemente nicht ausgewählt sind.
Eine zweite Signalverlaufsdarstellung 530 beschreibt im Übrigen ein Ansteuersignal „Rücksetzen", das beispielsweise den Rücksetztransistor 456 ansteuert. Beispielsweise können die „Rücksetzen"-Signale für alle Bildelemente gleich sein, oder es können einzelne Bildelemente mit separaten „Rücksetzen"-Signalen versorgt werden.
Eine dritte Signalverlaufsdarstellung 540 beschreibt einen zeitlichen Verlauf eines Ansteuersignals ϕ₃, das beispielsweise den Rückkopplungspfad-Schalter 472 ansteuert. Eine vierte Signalverlaufsdarstellung 550 beschreibt im Übrigen die Ansteuersignale für die schaltbaren Kondensatoranordnungen 474, 476, 478. Die Signale ϕ_4n geben somit an, welcher der Kondensatoren 474f, 476f, 478f in den Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers 470 eingeschaltet ist. So ist im Regelfall davon auszugehen, dass zu einem Zeitpunkt höchstens eines der Ansteuersignale ϕ₄₁, ϕ₄₂, ..., ϕ₄₈ (insgesamt auch als ϕ_4n bezeichnet) aktiv ist. So weist beispielsweise eine Angabe „C₂" in der vierten Signalverlaufsdarstellung 450 darauf hin, dass beispielsweise der Kondensator 476f (auch mit C₂ bezeichnet) durch Aktivierung des zugehörigen Steuersignals φ₄₂ in den Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers 470 eingeschaltet ist, während hingegen die anderen Kondensatoren 470f, 478f nicht in den Rückkopplungspfad eingeschaltet sind. Eine Angabe „C₁" in der vierten Signalverlaufsdarstellung 450 zeigt hingegen an, dass die Kapazität 474f (auch als C₁ bezeichnet) in dem Rückkopplungspfad eingeschaltet ist, während hingegen die anderen Kapazitäten 476f, 478f nicht in den Rückkopplungspfad eingeschaltet sind.
Im Folgenden wird anhand der 5a eine Phase bei dem Betrieb der Schaltungsanordnung 400 beschrieben. Unter einer Phase wird hierbei beispielsweise ein „Zeilenzyklus" verstanden. Während einer Phase werden beispielsweise mehrere (oder gar alle) an der gemeinsamen Spaltenleitung 430 angeschlossenen Bildelemente ausgewertet, und es werden während einer Phase beispielsweise Ladungen auf den Kondensatoren 474f, 476f, 478f der geschalteten Kondensatoranordnung 472, 474, 476 in Abhängigkeit von Signalen der Bildelemente 410, 412, 414 verändert. Die erste Phase umfasst beispielsweise einen ersten Schritt, in dem beispielsweise Signale von einem ersten Bildelement 410 ausgewertet werden, und einen zweiten Schritt, in dem beispielsweise Signale von dem zweiten Bildelement 412 ausgewertet werden. Der erste Schritt ist in der graphischen Darstellung 500 der 5a mit 560 bezeichnet, und der zweite Schritt ist mit 562 bezeichnet.
Im Folgenden werden Details im Hinblick auf den ersten Schritt 560 erläutert. Während des ersten Schritts 560 ist beispielsweise das erste Bildelement 410 ausgewählt, wie aus dem in der ersten Zeitverlaufsdarstellung 520 dargestellten Zeitverlauf des „Auswahl"-Signals ersichtlich ist. In anderen Worten, es ist beispielsweise der Auswahlschalter 460 des ersten Bildelements 410 geschlossen, so dass das erste Bildelement 410 mit der gemeinsamen Spaltenleitung 430 gekoppelt ist. In einer ersten Teilphase 570 des ersten Schritts 560 ist beispielsweise das Ansteuersignal ϕ₃ aktiv, so dass der Rückkopplungspfad-Schalter 472 geschlossen ist. Folglich ist der Operationsverstärker 470 unmittelbar zurückgekoppelt, so dass an dem invertierenden Eingang (–) des Operationsverstärkers 470 eine Spannung anliegt, die sich von einer an dem nicht-invertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 470 anliegenden Spannung im Wesentlichen um die Offset-Spannung des Operationsverstärkers 470 unterscheidet. Im Übrigen ist während des ersten Schritts (wie auch, bevorzugt, während den folgenden Schritten) das Ansteuersignal ϕ₁ aktiv, so dass der Schalter 446 geschlossen ist. An dem Ausgang 420 des ersten Bildelements 410 liegt beispielsweise eine Spannung an, die im Wesentlichen auf der Spannung an dem Speicherknoten 454 des ersten Bildelements 410 basiert, und die somit beispielsweise von einer auf die Photodiode 450 (während eines Belichtungszeitraums) auftreffenden Lichtintensität abhängig ist. Somit wird die Speicherkapazität 444 auf eine Spannung aufgeladen, die im Wesentlichen gleich einer Potentialdifferenz eines auf der gemeinsamen Spaltenleitung 430 vorliegenden Potentials und eines an dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 470 anliegenden Potentials ist. An dem Ende der ersten Teilphase 570 wird sodann das Ansteuersignal ϕ₃ deaktiviert, so dass der Rückkopplungspfadschalter 472 geöffnet wird.
Während einer sich an die erste Teilphase 570 anschließenden zweiten Teilphase 572 wird im Übrigen das Signal „Rücksetzen" aktiviert, wodurch beispielsweise der Rücksetztransistor 456 aktiv wird. Damit verändert sich beispielsweise die Spannung auf der gemeinsamen Spaltenleitung 430 auf einen Rücksetzwert. Bei einem Ausführungsbeispiel bleibt die auf dem Speicherkondensator 444 gespeicherte Ladung zunächst noch näherungsweise konstant, da ja innerhalb der zweiten Teilphase 572 beispielsweise sowohl das Steuersignal ϕ₃ als auch die Steuersignale ϕ₄₁–ϕ₄₈ inaktiv sind.
In einer dritten Teilphase 575 wird beispielsweise das Steuersignal ϕ₄₂ aktiviert, und es wird somit der zweite Kondensator 476f (C₂) in den Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers 470 eingeschaltet. Daraufhin kommt es zu ei nem Ladungsausgleich zwischen dem Speicherkondensator 444 und dem Kondensator 476f (C₂). Eine Ladung, die dem Kondensator 476f (C₂) zugeführt wird, ist beispielsweise zumindest näherungsweise proportional zu einer Differenz zwischen einem Potential, das die gemeinsame Spaltenleitung 430 während der ersten Teilphase 570 annimmt, und einem Potential, das die gemeinsame Spaltenleitung 430 in der dritten Teilphase 574 (also bei aktiviertem „Rücksetzen"-Signal) annimmt. Somit wird insgesamt die Ladung auch dem Kondensator 476f (C₂) in Abhängigkeit von dem Signal an dem Ausgang 420 des ersten Bildelements 410 verändert. Die Ladungen auf den übrigen in den Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers 470 einschaltbaren Kondensatoren 474f, 478f bleiben im Übrigen im ersten Schritt 560 (abgesehen von parasitären Veränderungen) im Wesentlichen unverändert, da beispielsweise während des ersten Schritts die Steuersignale ϕ₄₁, ϕ₅₁, ϕ₄₈ und ϕ₅₈ inaktiv sind.
An einem Ende der dritten Teilphase 574 wird beispielsweise das Steuersignal ϕ₄₂ deaktiviert, so dass kein Kondensator mehr in den Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers 470 eingeschaltet ist. Im Anschluss an die dritte Teilphase 574 wird im Übrigen das „Rücksetzen"-Signal deaktiviert, wie dies beispielsweise aus der zweiten Signalverlaufsdarstellung 530 ersichtlich ist.
Im Übrigen wird im Hinblick auf die relativen Zeitgebungsverhältnisse auf die Signalverlaufsdarstellung 520, 530, 540, 550 verwiesen. Die Zeitverlaufsdarstellungen 520, 530, 540, 550 umfassen im Übrigen beispielhafte (aber nicht zwingende) Angaben, die Zeitintervalle zwischen bestimmten Flanken der gezeigten Signale beschreiben.
Zeitabläufe in dem zweiten Schritt 562 entsprechen im Übrigen im Grundsatz den Zeitabläufen in dem ersten Schritt 560. Allerdings ist beispielsweise in dem zweiten Schritt 562 das zweite Bildelement 412 (Z₂) ausgewählt (während die übrigen mit der gemeinsamen Spaltenleitung 430 koppelbaren Bildelemente beispielsweise durch Öffnen der entsprechenden Schalter von der gemeinsamen Spaltenleitung 430 getrennt sind). Ferner wird in dem zweiten Schritt 562 die Ladung des Kondensators 574f (C₁) verändert, nicht hingegen die Ladung des Kondensators 476f (C₂). Die entsprechenden Zeitverläufe der Ansteuersignale sind im Übrigen aus den Zeitverlaufsdarstellungen 520, 530, 540, 550 ersichtlich.
Ferner zeigt die graphische Darstellung 500 auch noch einen ersten Schritt 580 einer zweiten Phase. In dem ersten Schritt 580 der zweiten Phase ist wiederum, genau wie in dem ersten Schritt 560 der ersten Phase, das erste Bildelement 410 ausgewählt, wie in der ersten Signalverlaufsdarstellung 520 ersichtlich ist (Z₁). Allerdings wird in dem ersten Schritt 580 der zweiten Phase, anders als in dem ersten Schritt 560 der ersten Phase, der Kondensator 478f (C₈) in den Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers 470 eingeschaltet. Folglich wird in dem ersten Schritt 580 der zweiten Phase die Ladung des Kondensators 478f (C₈) in Abhängigkeit von Signalen, die von dem ersten Bildelement 410 geliefert werden, verändert. Somit ist ganz allgemein ersichtlich, dass in der zweiten Phase eine Zuordnung zwischen Bildelementen und zugeordneten Kondensatoren, die in den Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers 470 eingeschaltet werden, gegenüber der ersten Phase verändert.
Im Folgenden wird anhand der 5b eine beispielhafte Zuordnung zwischen Bildelementen und in den Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers 470 eingeschalteten Kondensatoren beschrieben. Dabei wird beispielhaft davon ausgegangen, dass acht Bildelemente Z₁–Z₈ mit der gemeinsamen Spaltenleitung 430 gekoppelt sind, und dass ferner acht verschiedene Kondensatoren C₁–C₈ in den Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers 470 eingeschaltet werden können, wobei beispielsweise Steuersignale ϕ₄₁–ϕ₄₈ (allgemein als ϕ_4n bezeichnet) verwendet werden, um beispielsweise genau einen der Kondensatoren C₁–C₈ in den Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers 470 einzuschalten.
Die graphische Darstellung der 5b ist in ihrer Gesamtheit mit 590 bezeichnet. Eine erste Zeile 592 beschreibt, welches der Bildelemente Z₁–Z₈ in einem bestimmten Schritt (z. B. in dem ersten Schritt S1 bis hin zu dem achten Schritt S8) einer bestimmten Phase (beispielsweise von Phase 1 bis Phase 8) ausgewählt wurde. Die Auswahl erfolgt mit Hilfe von geeigneten Steuersignalen, wie dies anhand der 4 und 5a bereits erläutert wurde. Beispielsweise kann in dem ersten Schritt der Phasen jeweils das erste Bildelement Z₁ ausgewählt sein, wie dies aus der 5b ersichtlich ist. Ganz allgemein kann beispielsweise in mehreren Phasen in dem n-ten Schritt das n-te Bildelement Z_n ausgewählt sein.
Eine zweite Zeile 594 beschreibt, welche der Kondensatoren C₁–C₈ in den jeweiligen Schritten der verschiedenen Phasen ausgewählt sind. Details im Hinblick auf die Zeitverläufe betreffend die Auswahl von Kondensatoren wurden schon oben anhand der 4 und 5a erläutert. Wie aus der 5b ersichtlich ist, werden beispielsweise während der ersten Phase in den einzelnen acht Schritten der ersten Phase nacheinander die Kondensatoren C₁–C₈ ausgewählt. In den zweiten Phasen wird in dem ersten Schritt S1 der Kondensator C₈ ausgewählt, und anschließend werden nacheinander die Kondensatoren C₁–C₇ ausgewählt. In einer achten Phase hingegen werden in den ersten sieben Schritten S1 bis S7 nacheinander die Kondensatoren C₂–C₈ ausgewählt, und anschließend wird der Kondensator C₁ ausgewählt. Aus der 5b ist ersichtlich, dass eine Zuordnung zwischen Bildelementen und in den Rückkopplungszweig eingeschalteten Kondensatoren zwischen den unterschiedlichen Pfaden zyklisch verändert wird, wie dies beispielsweise aus der 5b ersichtlich ist und auch schon anhand der der 2 erläutert wurde.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die 3, 4, 5a und 5b eine Bewegungssequenz mit synchron ablaufenden Akku mulationen in einer CDS-Stufe für einen Fall einer monochromen Auslese illustrieren. So wurde anhand der 3 als auch anhand der 5a ein Bewegungsvorschub bei einer TDI-Bildauslese ersichtlich.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit gilt das hier erläuterte Verfahren auch für eine Farbauslese. Eine TDI-Belichtungssequenz beginnt beispielsweise zu einem Zeitpunkt t₀. Nach t₀ + 5 μs (bzw. zum Zeitpunkt t₀ + 5 μs) hat das Objekt (beispielsweise das in 3 gezeigte Objekt) eine erste Zeile einer für die zeitverzögerte Integration interessierenden Region (TDI-ROI) überstrichen. 5a zeigt beispielsweise ein Zeitschema einer Akkumulation im Detail für einen Zeitraum ab t₀ + 5 μs. Am Schluss, also beispielsweise nach acht Zyklen, wurde beispielsweise jede der acht Zeilen der Objektebene mindestens zweimal bei Verwendung von RBB-Filtern akkumuliert. Eine erste Zeile der Objektebene wurde bei einem Erreichen der achten Zeile der ausgewählten Region von Interesse (ROI, region of interest) auf dem Chip letztmalig, also zum zweiten (achten) Mal oder nach 40 μs akkumuliert. Ab der nächsten Zeile kann damit mit einer Auslese der ersten Zeile begonnen werden. Somit stehen für eine Auslese beispielsweise 5 μs zur Verfügung, bis eine nächste fertig akkumulierte Zeile ausgelesen wird. Eine Analogpipeline ist beispielsweise aufgefüllt, und die mit den Akkumulationskapazitäten (beispielsweise C₁–C₈) korrespondierenden Abtast- und Haltekapazitäten (beispielsweise C_H1–C_H8) werden akkumuliert und ausgelesen. Dies entspricht beispielsweise einer Zeilenauslesezeit von 5 μs. Der oben beschriebene Vorgang läuft beispielsweise zyklisch weiter, bis er durch eine Aktion von Außen (beispielsweise durch Anhalten des Inspektionsobjekts) unterbrochen wird. Ebenso kann beispielsweise eine TDI-Auslese in eine äußere Regelschleife, die eine variable Objektgeschwindigkeit berücksichtigt, eingebunden sein.
Eine analoge Ausleseschaltung, welche beispielsweise ein verschachteltes TDI-Ausleseverfahren auf einem Chip reali siert, ist in 4 gezeigt. Die Schaltung gemäß der 4 nutzt die Möglichkeit, einen Signalpfad für Akkumulatorkapazitäten bzw. Akkumulationskapazitäten C₁–C₈ in der CMOS-Technik mit geschalteten Kondensatoren (auch als CMOS Switched-Capacitor-Technik bezeichnet) auszulegen. Ein Standard-CMOS-Bildelement bzw. Standard-CMOS-Pixel, welches in dem gezeigten Beispiel als Drei-Transistorzelle mit „Rollendem-Verschluss"-Technik (auch als „Rolling-Shutter-Technik bezeichnet) ausgeführt ist, wird über eine CDS-Stufe (korrelierte Doppelt-Abtast-Stufe bzw. Correlated-Double-Sampling-Stufe) ausgelesen. Das Bildelement bzw. das Pixel kann alternativ ebenso als Vier-Transistor-Zelle mit einem synchronen Verschluss (Shutter) oder als gepinnte Photodiode (pinned Photodiode), Photogate oder mit N-Wannen-Photodiode ausgelegt sein. In einer spaltenparallelen Anordnung wird beispielsweise das Bildelement bzw. das Pixel auf die zugehörige CDS-Stufe ausgelesen und ein Signalwert wird je nach Lage eines Objekts auf einer der Rückkoppelkapazitäten C₁–C₈ aufakkumuliert.
Im Folgenden wird eine Funktionsweise zunächst anhand eines linear integrierenden Bildelements (Pixels) mit rotierendem Verschluss (rolling shutter) beschrieben. Für eine akkumulierte Spannung gilt beispielsweise:
Pixel einer ersten Zeile (Zeile 1) werden beispielsweise auf die Speicherkapazität 444 (C_S) der jeweiligen Spalte übertragen, wobei beispielsweise das Signal „Auswahl" sowie ferner die Signale ϕ₁ und ϕ₃ aktiv bzw. in einem High-Zustand sind. Sind die jeweiligen Signale „Auswahl" sowie ϕ₁ und ϕ₃ aktiv bzw. in einem High-Zustand, so bleiben bei spielsweise die Speicherkapazitäten 474f, 476f, 478f bzw. C₁–C₈ noch entladen bzw. in einem Rücksetzzustand oder Reset-Zustand.
Nachfolgend wird bei aktiviertem „Auswahl"-Signal die Phase (bzw. das Signal) ϕ₁ deaktiviert. Ferner werden beispielsweise ϕ₄₁ und das Signal „Rücksetzen" („Reset") aktiviert. Damit erfolgt beispielsweise eine Auslese eines Rücksetzzustands bzw. Reset-Zustands des Bildelements bzw. Pixels, wodurch beispielsweise additive Fehler und niederfrequente Rauschanteile unterdrückt werden (so genannter CDS-Zyklus). In dem vorliegenden Schaltzustand wird beispielsweise eine Ladungsdifferenz aus Signalzustand und Rücksetzzustand bzw. Reset-Zustand des Pixels auf der Speicherkapazität 474f (C₁) der CDS-Stufe abgelegt. Eine äquivalente Spannung ist beispielsweise um einen Offset eines Bildelement-Source-Folgers bzw. Pixel-Source-Folgers 458 (Q₂) korrigiert. Hiermit kann beispielsweise ein von dem Bildelement bzw. Pixel herrührendes festes Muster-Rauschen (fixed pattern noise) kompensiert werden. Nach erfolgtem korrelierten Doppeltabtasten (CDS) für eine erste Zeile Z₁ wiederholt sich der Vorgang nach einem Zeilenzyklus, der durch eine Objektgeschwindigkeit vorgegeben ist. Bei dem beschriebenen Beispiel beträgt die Zeilenzykluszeit beispielsweise 625 ms. Nach beispielsweise 5 μs = 8·625 ns hat das Objekt die zweite Zeile Z₂ (beziehungsweise eine Zeile, die das zweite Bildelement Z₂ umfasst) beispielsweise komplett überstrichen und eine Auslese der Zeile Z₂ beginnt. Zunächst werden wieder Ausgangssignale der Bildelemente bzw. Pixel spaltenparallel auf jeweilige Abtastkapazitäten bzw. Sample-Kapazitäten C_s übertragen (wobei beispielsweise die Signale „Auswahl" sowie ϕ₁ und ϕ₃ aktiv bzw. in einem „High”-Zustand sind). Danach erfolgt eine Offsetkompensation und eine Akkumulation. Diesmal erfolgt jedoch, das sich das Objekt weiterbewegt hat, eine Akkumulation der Pixelzeile Z₂ auf den Kapazitäten 474f (C₁) der Spaltenparallelen CDS-Stufen, und die Akkumulation der Pixelzeile Z₁ auf den Kapazitäten 476f (C₂).
Gegenüber einer externen digitalen Akkumulation eines konventionellen Bildsensors stellt dies einen erheblichen Vorteil dar, da bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung die analoge Signalverarbeitung komplett auf dem Sensorchip realisiert ist. Ferner wird ein Signal des Photodetektors (beispielsweise die in dem Bildelement bzw. Pixel integrierte Ladung) bereits bei einer Auslese mittels des Sourcefolgers 458 (Q₂) in eine Spannung gewandelt. Diese wird erst in der CDS-Stufe wieder zurück in eine Ladung konvertiert und dort paketweise aufakkumuliert. Ein Eimerkettenprinzip, welches ladungsgekoppelte Einrichtungen (CCDs) benutzt, und welches einen erheblichen Nutzsignalverlust nach sich zieht, wird damit prinzipbedingt umgangen.
An die CDS-Stufe ist im Übrigen eine analoge Zwischenpufferstufe mit Kondensatoren C_H1–C_H8 angeschlossen, die in Verbindung mit Schaltern SH<1> bis SH<8> fertig akkumulierte Signale für eine Auslese zwischenspeichert.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass Verbesserungen gegenüber den herkömmlichen Lösungen durch Implementierung des TDI-Verfahrens in einer CMOS-Sensorik unter anderem in einer optimierten Signalgewinnung durch Umgehung eines Eimerkettenprinzips sowie in den verglichen mit CCD-TDI-Sensoren wesentlich höheren Arbeitsgeschwindigkeiten bestehen.
Im Folgenden wird anhand der 6 und 7 ein Ausführungsbeispiel eines TDI-CMOS-Sensors mit 128 × 2.048 Pixeln beschrieben. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines TDI-CMOS-Sensors für eine Objektinspektion. Die Sensoranordnung gemäß der 6 ist in ihrer Gesamtheit mit 600 bezeichnet. Die Anordnung 600 umfasst einen TDI-CMOS-Sensor 610, der beispielsweise 128 Zeilen und 2.048 Spalten aufweist. Die Anordnung 600 umfasst ferner eine Optik 620, die ausgelegt ist, um einen Ausschnitt eines Inspektionsobjekts 630 auf eine Sensoroberfläche des TDI-CMOS-Sensors 610 abzubilden. Beispielsweise kann die Optik 620 ausgelegt sein, um eine TDI-Region-von-Interesse (TDI-ROI bzw. TDI-Region of Interest) auf eine empfindliche Sensoroberfläche des TDI-CMOS-Sensors abzubilden.
Auf der Basis der vorgenannten Betrachtungen kann beispielsweise eine Architektur eines TDI-CMOS-Sensors am Beispiel einer Objektinspektion konzipiert werden. 6 zeigt dies schematisch für den Fall einer Oberflächenkontrolle auf einem schnell laufenden Förderband. Das Förderband, welches die zu inspizierenden Objekte (auch als Inspektionsobjekte 630 bezeichnet), wie z. B. Banknoten, Druckerzeugnisse, Baugruppen oder ähnliches trägt, hat beispielsweise eine Transportgeschwindigkeit V_Objekt. Mittels einer Synchronisations- und/oder Steuereinheit, die hier nicht gezeigt ist, wird beispielsweise ein Zeilenauslesetakt. des TDI-CMOS-Sensors der Transportgeschwindigkeit nachgeregelt. Für eine Bildaufnahmeoperation und eine Ausleseoperation kommt beispielsweise das oben erläuterte sukzessiv ablaufende TDI-Verfahren zur Anwendung.
7 zeigt ein Blockschaltbild eines Bildsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In anderen Worten, 7 zeigt eine Architektur eines für die oben genannte Anwendung verwendeten TDI-Bildsensors exemplarisch für eine Auslese nach einen Prinzip des „rollenden Verschlusses".
Der Bildsensor gemäß der 7 ist in seiner Gesamtheit mit 700 bezeichnet. Der Bildsensor 700 umfasst beispielsweise eine 128×2.048-Elektrodenmatrix 710. Die Elektrodematrix 710 umfasst beispielsweise eine Matrix von Bildelementen bzw. von Pixeln, wie sie beispielsweise anhand der 4 beschrieben wurden. Der Bildsensor 700 umfasst ferner einen Auswahl-Decoder 720, der beispielsweise ausgelegt ist, um sieben Auswahl-Adress-Signalen (z. B. Auswahl-Adress-Signale „Auswahl_adr<0:6>") zu empfangen und basie rend darauf, beispielsweise eines von 128 Auswahlsignalen (z. B. von Auswahlsignalen „Auswahl 1: 128") zu aktivieren. Der Auswahldecoder 720 kann beispielsweise konfiguriert sein, um Auswahlsignale für verschiedene Bildelemente zu erzeugen, die in der 4 mit „Auswahl" bezeichnet sind, und die den Schalttransistor 460 der jeweiligen verschiedenen Bildelemente ansteuern.
Der Bildsensor 700 umfasst ferner einen Rücksetz-Decoder 724, der beispielsweise ausgelegt ist, um sieben Rücksetz-Adress-Signale (z. B. Rücksetz-Adress-Signale „Rücksetz_adr<0:6>") zu empfangen und basierend darauf beispielsweise eines von 128 Rücksetzsignalen (z. B. von Rücksetz-Signalen „Rücksetz1:128") zu aktivieren. In die Bildung der Rücksetzsignale (Rücksetz1:128) kann im Übrigen beispielsweise eine UND-Verknüpfung mit einem Belichtungssignal 726 eingehen, wie im Folgenden noch beschrieben wird. Die Rücksetzsignale (Rücksetz1:128) können beispielsweise dem Signal „Rücksetzen" entsprechen, wie es im Hinblick auf das Bildelement 410 beschriebe ist.
Ferner kann die Elektrodenmatrix 710 optional konfiguriert sein, um ein Verschlusssignal 728 zu empfangen.
Der Bildsensor 700 umfasst ferner einen Block 740 mit 1×10.24-CDS-Stufen mit je 3×16-RGB-Akkumulatoren. Der Block 740 ist mit der Elektrodenmatrix 710 gekoppelt, um beispielsweise parallel 1.024 Bildelementspannungen bzw. Pixelspannungen U_pixel zu empfangen. Die Bildelementspannungen U_pixel entsprechen beispielsweise den in der 4 gezeigten Pixelspannungen U_pixel. In anderen Worten, der Block 740 umfasst beispielsweise 1.024 Akkumulationsschaltungen 440, wie sie in der 4 gezeigt sind. Der Block 740 ist beispielsweise konfiguriert, um ein Steuersignal ϕ₁, zusätzliche Steuersignale ϕ21–ϕ28 sowie ein Rücksetzsignal für eine Leseleitung („Rücksetz_Leseleitung") zu empfangen.
Der Bildsensor 700 umfasst ferner einen Block 750 von RGB-Analogspeichern. Der Block 750 umfasst beispielsweise eine 3×16×1.024-Kapazitätsbank. Der Block 750 kann somit beispielsweise der Ausleseschaltung 480 gemäß der 4 entsprechen. Der Block 750 ist beispielsweise mit dem Block 740 gekoppelt, um von dem Block 740 1.024 parallele Ausgangsspannungssignale U_CDS zu empfangen. Bei den Signalen U_CDS kann es sich beispielsweise um die in der 4 dargestellt Ausgangsspannungen des Operationsverstärkers 470 handeln. Der Block 750 ist im Übrigen konfiguriert, um ein Abtast-Steuersignal (bzw. eine Mehrzahl von Abtast-Steuersignalen) ϕ_SH zu empfangen, die beispielsweise den in der 4 gezeigten Abtast-Steuersignalen „SH<1>" bis SH<8>" entsprechen können. Ferner ist der Block 750 beispielsweise konfiguriert, um ein oder mehrere Lese-Steuersignale ϕ_LESE zu empfangen. Die Lesesteuersignale können beispielsweise von ihrer Funktion her den in der 4 gezeigten Signalen „Lese<1>" bis „Lese<8>" entsprechen.
Der Bildsensor 700 umfasst ferner einen Analog-zu-Digital-Wandler 760, der beispielsweise mit dem Block 750 gekoppelt ist, um von dem Block 750 1.024 parallele Analogspannungen U_analog zu empfangen. Die Analogspannungen U_analog können beispielsweise der in der 4 gezeigten Ausgangsspannung U_out entsprechen. Bei dem Analog-zu-Digital-Wandler 760 kann es sich beispielsweise um einen 1×N-Analog/Digitalwandler nach dem Prinzip der sukzessiven Annäherung (SAR-A/D-Wandler) oder um einen 1×1.024-Rampen-Analog/Digital-Wandler (ADC) handeln. Der Analog/Digital-Wandler 760 ist beispielsweise ausgelegt, um ein Analog/Digital-Wandler-Steuersignal bzw. Analog/Digital-Wandler-Taktsignal ϕ_ADC zu empfangen. Ferner kann der Analog-zu-Digital-Wandler 760 ausgelegt sein, um ein Konversions-Signal „konv" zu empfangen. Der Analog-zu-Digital-Wandler 760 ist im Übrigen ausgelegt, um digitale Ausgangsdaten 762 basierend auf den analogen Spannungssignalen U_analog bereitzustellen.
Der Bildsensor 700 umfasst ferner beispielsweise einen digitalen Spaltenscanner 770, der beispielsweise ausgelegt ist, um ein Spalten-Steuersignal ϕ_spalte sowie ein Spalteninformationssignal 772 von einem Spaltendecoder 774 zu empfangen. Der digitale Spaltenscanner 740 ist beispielsweise ausgelegt, um eine Spaltenadresse in Form von 1.024 parallelen Signalen an den Analog-zu-Digital-Wandler 760 zu liefern. Ferner ist der digitale Spaltenscanner 770 beispielsweise ausgelegt, um eine weitere Spaltenauswahlinformation in Form von beispielsweise 1.024 parallelen Signalen an den Block 750 zu liefern.
Der Spaltendecoder 774 ist beispielsweise konfiguriert, um eine Spaltenadresse („Spalten_adr<0:9>") zu empfangen und basierend auf der Spaltenadresse die Information 772 für den Spaltenscanner 770 bereitzustellen. Der Spaltendecoder 774 ist ferner konfiguriert, um ein Signalspeicher-Signal bzw. Latch-Signal zu empfangen.
Der Bildsensor 700 umfasst ferner einen Referenz- und Arbeitspunkt-Einstellungsblock 780, der beispielsweise konfiguriert ist, um ein externes Referenzsignal Ref_ext zu empfangen. Der Referenz- und Arbeitspunkt-Einstellungsblock 780 umfasst beispielsweise eine Bandabstands-Referenz sowie analoge Arbeitspunktschaltungen bzw. Bias-Schaltungen.
Der Bildsensor 700 umfasst ferner einen Steuerblock 790, der beispielsweise ein digitales Taktgeneratornetzwerk sowie Treiberstufen umfasst. Der digitale Steuerblock 790 ist beispielsweise ausgelegt, um ein Ausleserichtungs-Signal 792, ein Rücksetzsignal oder Reset-Signal 794, einen Pixeltakt 796 und ein Zeilentriggersignal 798 zu empfangen. Ferner ist der Steuerblock 790 beispielsweise konfiguriert, um die Steuersignale ϕ₁, ϕ₂₁–ϕ₂₈ sowie das Rücksetzsignal für die Leseleitung zu erzeugen und den jeweiligen Blöcken, wie in der 7 gezeigt, zuzuführen. Ferner ist der Steuerblock 790 konfiguriert, um das Abtast- und Halte-Steuersignal ϕ_SH und das Lese-Steuersignal ϕ_lese zu erzeugen und dem Block 750 bereitzustellen. Zudem ist der Steuerblock 790 konfiguriert, um ein Analog-Digital-Wandler-Steuersignal ϕ_ADC sowie ein Konversions-Steuersignal „konv" zu erzeugen und dem Analog-zu-Digital-Wandler 760 zuzuführen. Zudem ist der Steuerblock 790 konfiguriert, um das Spalten-Steuersignal ϕ_spalte für den digitalen Spaltenscanner 770 und das Signalspeicher-Steuersignal für den Spaltendecoder 774 zu erzeugen.
Im Übrigen sei darauf hingewiesen, dass ein tatsächlicher Bildsensor die Schaltungsanordnung 700 gemäß der 7 beispielsweise zweifach umfassen kann, wie dies durch eine Symmetrieachse 799 angedeutet ist. So kann beispielsweise ein erster Schaltungsteil für eine Verarbeitung von Signalen von 128 × 1.024 Bildelementen verantwortlich sein, und ein zweiter Schaltungsteil kann für eine Verarbeitung von Signalen von weiteren 128 × 1.024 Bildelementen verantwortlich sein.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die 7 eine Architektur eines 128×2.048-TDI-Sensors bzw. eine Hälfte der Architektur zeigt.
Eine Funktionalität eines synchronen Verschlusses (Shutters) lässt sich beispielsweise durch eine Modifikation eines Zeilenadressdecoders und durch Modifikation bzw. Ergänzung eines Pixels um einen Verschluss-Transistor (Shutter-Transistor) mit Speicherkapazität realisieren. Ebenso ist es alternativ möglich, die oben genannten Pixelprinzipien (z. B. Photogate, gepinnte Photodiode) zu verwenden. Eine übrige Ausleseschaltung bleibt in diesen Fällen gleich.
Ein wahlfreier Pixelzugriff kann beispielsweise in CMOS-Technik durch Decodernetzwerke erzielt werden. Der Sensor bzw. Bildsensor wird dabei mit einer Auswahladresse für Zeilen und Spalten geladen. Diese wird decodiert und an die Matrix angelegt. Alternativ dazu kann auch eine Schieberegister-basierte Konfiguration verwendet werden. Dann wird allerdings das komplette Bild ausgelesen, bevor man wieder auf das interessierende Pixel zugreifen kann.
Um für den TDI-Sensor eine größtmögliche Flexibilität zu erzielen, wird beispielsweise eine Decoder-Architektur eingesetzt, welche ebenfalls in einem einfachen Schiebemodis (ähnlich einer Schieberegisterarchitektur) arbeiten kann. Für eine pixeltaktgenaue Steuerung der Belichtungszeit kann ein zusätzliches Signal „Belichtung" verwendet werden, welches beispielsweise mit dem Pixeltakt einsynchronisiert wird. Ein Signal „Zeilentrigger" bestimmt beispielsweise einen Zeitpunkt, ab dem eine nächstfolgende TDI-Sequenz akkumuliert wird. Damit kann beispielsweise vermieden werden, dass Schwankungen einer Transportbandgeschwindigkeit das akkumulierte Signal verzerren. Dieses Signal wird beispielsweise permanent mittels einer Regelvorrichtung (die hier nicht gezeigt ist) nachgeführt. Es wird also beispielsweise das Zeilentriggersignal kontinuierlich an eine Geschwindigkeit angepasst, mit der sich Abbilder von den Objekten über die Oberfläche des Bildsensors bewegen.
Daneben ist beispielsweise für jede individuelle Akkumulationssequenz eine identische Belichtungszeit gewährleistet. Eine Anzahl an SAR-Spaltenwandlern (also an Analog-Digital-Wandlern, die nach dem Verfahren der sukzessiven Approximation arbeiten) oder (je nach Wahl) an Rampenwandlern oder ähnlichen Analog-Digital-Wandlern variiert beispielsweise je nach Kanalbreite (von einkanalig bis 1.024-fach spaltenparallel). Ein Einstellung der Belichtungszeit geschieht beispielsweise pixeltaktgenau.
8a zeigt einen graphische Darstellung von Signalverläufen, wie sie beispielsweise in dem Bildsensor 700 gemäß 7 auftreten können. Die graphische Darstellung gemäß 8a ist in ihrer Gesamtheit mit 800 bezeichnet. Die graphische Darstellung 800 beschreibt beispielsweise Signalverläufe für den Fall einer Intra-Zeilen-Belichtung. In anderen Worten, 8a zeigt eine pixeltakt-genaue Ein stellung einer Belichtungszeit für den Fall einer Intra-Zeilen-Belichtung, wobei eine Belichtungszeit kleiner als eine Zeilenzeit bzw. kleiner als 625 ns ist. Eine erste Signalverlaufdarstellung 810 beschreibt eine durch das Signal „Rücksetz_adr" beschriebene Rücksetz-Adresse, eine zweite Signalverlaufdarstellung 820 beschreibt einen Zeitverlauf, der durch das Signal „Auswahl_adr" dargestellten Auswahladresse, und eine dritte Signalverlaufsdarstellung 830 beschreibt einen Zeitverlauf des Belichtungs-Signals 726.
8b zeigt eine graphische Darstellung von Signalverläufen, wie Sie beispielsweise in dem Bildsensor 700 auftreten können.
Die graphische Darstellung der 8b ist in ihrer Gesamtheit mit 850 bezeichnet und beschreibt beispielsweise den Fall einer Belichtung für mehrere Zeilen-Zeiten. Eine erste Signalverlaufsdarstellung 860 beschreibt das Signal „Rücksetz_adr", eine zweite Signalverlauf-Darstellung 870 beschreibt das Signal „Auswahl_adr", und eine dritte Signalverlaufdarstellung 880 beschreibt das Signal „Belichtung". Für eine Auslese von acht Zeilen innerhalb von 5 μs können somit beispielsweise maximal 5 μs Belichtungszeit innerhalb einer TDI-Pipelinesequenz erreicht werden. Die Belichtungszeit kann allerdings beispielsweise beliebig erhöht werden. Je nach Wahl kann beispielsweise bei Belichtungszeiten größer als 5 μs ein Bewegungsvorschub des Objekts gestoppt oder verlangsamt werden.
Zusammenfassend ist somit festzuhalten, dass beispielsweise durch eine voneinander unabhängige bzw. zeitlich gegeneinander um mindestens einen Schritt verschobene Erzeugung der Signale „Auswahl" (bzw. „Auswahl adr") und „Rücksetzen" (bzw. „Rücksetz adr") eine besonders vorteilhafte Einstellung der Belichtungszeit erfolgen kann. Eine erste zeitliche Lage des „Rücksetzen"-Signals in Bezug auf das „Auswahl"-Signal ist in der 8a für eine Intrazeilen- Belichtung gezeigt, und eine zweite relative Lage des „Rücksetz"-Signals im Bezug auf das „Auswahl"-Signal ist in der 8b für eine Mehrzeilen-Belichtung gezeigt.
Im Folgenden wird kurz beschrieben, wie ein TDI-CMOS Sensor für verschiedene beziehungsweise für beliebige Pixel-Matrizen implementiert werden kann. Neben dem oben beschriebenen Beispiel eines CMOS-TDI-Sensors mit 128 × 2048 Pixeln lässt sich sowohl die Wahl des Pixelprinzips als auch die Anzahl der Pixel innerhalb fabrikationstechnischer Grenzen variieren. Mit modernen Herstellungsprozessen ist es beispielsweise möglich, Matrizen mit bis zu 4000 × 8000 Pixeln zu fertigen. Ebenso ist auch eine Speichertiefe eines TDI-Akkumulators nicht auf 8 Stufen limitiert. Vielmehr sind beispielsweise bei hoch integrierten Prozessen, welche über Metall-Metall-Kapazitäten oder Poly-Polysilizium-Kapazitäten verfügen, Speichertiefen bis zu 512 und mehr Stufen möglich. Als Pixelprinzipien kommen neben einem linear integrierenden Pixel mit oder ohne synchronem Verschluss (shutter) beispielsweise folgende Pixelprinzipien in Frage:

1. Gepinnte Photodiode (auch als „pinned photodiode" bezeichnet);
2. Photogate;
3. N-Wannendiode oder P-Wannendiode;
4. Rückseitenbeleuchtete Photodiode; oder
5. Ladungsschaukeldetektoren.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass eine CMOS-Bildsensorik im Vergleich zu CCD-Bildsensoren innovative Alternativen bietet, um zeitverzögert belichtete Objekte aufzunehmen. Damit wird eine Möglichkeit geschaffen, das gemessene optische Signal durch sowohl schaltungstechnische als auch algorithmische Methoden zu verbessern. Dies ist beispielsweise von großer Wichtigkeit bei einer Aufnahme Bewegungs-synchronisierter Grauwertbilder. Bei den oben beschriebenen sogenannten zeitverzögerten Integrationsverfahren beziehungsweise TDI-Verfahren wird ein Objekt mit oder gegen eine Ausleserichtung einer Bildsensormatrix mit der selben synchronisierten Geschwindigkeit verschoben. Auf diese Art ist es möglich, sich schnell bewegende Objekte nahezu verzerrungsfrei aufzunehmen. Dies ist unter anderem in der Inspektion und in der Qualitätskontrolle sehr wichtig, da hier viele Objekte in möglichst kurzer Zeit geprüft werden sollen. Auch eine Topographievermessung aus einem Flugzeug heraus oder aus dem Orbit bedarf in manchen Fällen einer Bewegungs-synchronen Belichtung, um eine Bewegung des Aufnehmers (zum Beispiel eines Flugzeugs oder eines Satelliten) mit einer aufgrund der geringen detektierten Lichtmenge sehr langen Belichtungszeit zu synchronisieren. Weitere Anwendungsgebiete, die unter anderem durch die CMOS-Technik möglich werden, sind beispielsweise:

– Inspektionssysteme und Positionierungssysteme;
– Automobilsysteme beziehungsweise automotive Systeme, wie beispielsweise Fahrspurerkennungssysteme, Vor-Unfall-Sensorik und Fußgängerschutz;
– Topographievermessung; und
– Alle Applikationen, die nach hoher Empfindlichkeit bei gleichzeitig schneller Bewegung verlangen.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine CMOS-Schaltungstechnik mit geschalteten Kondensatoren (auch als CMOS-SC-Schaltungstechnik bezeichnet) bei einem TDI-Verfahren angewendet. Somit ergeben sich bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung einige oder mehrere der folgenden Effekte:

1. Die CMOS-Schaltungstechnik mit geschalteten Kondensatoren unterliegt prinzipbedingt keiner oder nur einer vernachlässigbaren Verschmierungs-Problematik.
2. Die CMOS-Schaltungstechnik mit geschalteten Kondensatoren lässt eine theoretisch unbegrenzte Anzahl an Akkumulationssequenzen zu.
3. Die CMOS-Schaltungstechnik mit geschalteten Kondensatoren ist wesentlich kostengünstiger als eine herkömmliche TDI-CCD-Technik.
4. Die CMOS-Schaltungstechnik mit geschalteten Kondensatoren ist für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet.

Zusammenfassend ist ferner festzuhalten, dass der bei manchen Ausführungsbeispielen eingesetzte Ansatz, eine Akkumulation korrespondierender Pixel direkt auf einem Sensorchip durchzuführen, erhebliche Vorteile gegenüber einer Teilbildauslese und externen Akkumulation in einem System bietet. Beispielsweise sinken bei manchen Ausführungsbeispielen die Geschwindigkeitsanforderungen, da für eine analoge Akkumulation auf dem Sensor eine volle Parallelität der Signalvorverarbeitung zur Verfügung steht. Einem bei einer externen Akkumulation hohen Zeitmultiplex steht somit bei einer Akkumulation direkt auf dem Sensorchip (auch als „On-Chip Akkumulation" bezeichnet) ein hoher Ortsmultiplex durch eine spaltenweise Anordnung von Signalverarbeitungsstufen gegenüber.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Bildsensors, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Es wird davon ausgegangen, dass das Verfahren in Verbindung mit einem Bildsensor eingesetzt wird, der eine Mehrzahl von Bildelementen aufweist, die ausgelegt sind, um zugehörige Bildelement-Signale zu liefern, die von auf die Bildelemente einfallenden Lichtinten sitäten abhängig sind. Ferner wird davon ausgegangen, dass der Bildsensor eine Mehrzahl von Ladungsspeicherelementen aufweist. Das Verfahren gemäß der 9 ist in seiner Gesamtheit mit 900 bezeichnet. Das Verfahren 900 umfasst in einem ersten Schritt 910 ein Verändern von Ladungen auf Ladungsspeicherelementen in Abhängigkeit von Bildelement-Signalen jeweils zugeordneter Bildelemente. Eine Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und jeweils zugeordneten Bildelementen ist dabei durch eine erste Zuordnungsvorschrift festgelegt. Das Verfahren 900 umfasst in einem zweiten Schritt 920 ein Erhalten einer veränderten Zuordnungsvorschrift, die gegenüber der ersten Zuordnungsvorschrift verändert ist. Die veränderte Zuordnungsvorschrift beschreibt eine Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und jeweils zugeordneten Bildelementen für einen folgenden Schritt des Veränderns von Ladungen. Das Verfahren 900 umfasst ferner in einem dritten Schritt 930 ein Wiederholen des Veränderns von Ladungen auf Ladungsspeicherelementen (also beispielsweise des ersten Schritts 910) und des Erhaltens einer veränderten Zuordnungsvorschrift (also beispielsweise des Schritts 920).
Das Verfahren 900 gemäß 9 kann beispielsweise um all diejenigen Schritte und Merkmale ergänzt werden, die im Rahmen der vorliegenden Beschreibung auch im Hinblick auf die entsprechenden Vorrichtungen beschrieben wurden.
Ferner kann das Verfahren zum Betreiben eines Bildsensors auch durch ein Computerprogramm, das beispielsweise der Ansteuerung eines Bildsensors dient, realisiert werden.
In anderen Worten, die erfindungsgemäße Vorrichtung (z. B. die Vorrichtung zur Erzeugung von Steuersignalen für den Bildsensor) und das erfindungsgemäße Verfahren (Beispielsweise das Verfahren zum Betrieb des Bildsensors) kann in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium, beispielsweise einer Diskette, einer CD, einer DVD, einem ROM, einem PROM, einem EPROM, einem EEPROM, oder einem FLASH-Speicher, mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die vorliegende Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogramm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, die Erfindung kann als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.

Claims

Bildsensor (100; 400; 700) mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von Bildelementen (110, 120, 130; 410, 412, 414), die ausgelegt sind, um zugehörige Bildelement-Signale (112, 122, 132; U_pixel) zu liefern, die von auf die Bildelemente einfallenden Lichtintensitäten abhängig sind; einer Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) mit einer Mehrzahl von Ladungsspeicherelementen (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f), wobei die Akkumulationsschaltung ausgelegt ist, um während einer Phase Ladungen auf den Ladungsspeicherelementen in Abhängigkeit von den Bildelement-Signalen jeweils zugeordneter Bildelemente zu verändern, und um eine Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und zugeordneten Bildelementen in aufeinanderfolgenden Phasen zu verändern, so dass in einem Betrieb eine Ladung auf einem der Ladungsspeicherelemente von Bildelement-Signalen mehrerer Bildelemente in einer Mehrzahl von Phasen abhängt; wobei die Bildelemente (110, 120, 130; 410, 412, 414) über Schalter (460) mit einer Spaltenleitung (430) gekoppelt sind; wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) ausgelegt ist, um in einer Phase nacheinander Bildelement-Signale (112, 122, 132) von einer Mehrzahl von Bildelementen über die Spaltenleitung zu empfangen, und um nacheinander, abhängig von der aktuellen Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f) und zugeordneten Bildelementen, La dungen der Ladungsspeicherelemente in Abhängigkeit von den Bildelement-Signalen der jeweils zugeordneten Bildelemente zu verändern; wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) einen Operationsverstärker (470) aufweist; wobei ein Eingang des Operationsverstärkers mit der Spaltenleitung (430) gekoppelt ist; und wobei ein Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers eine Mehrzahl von geschalteten Akkumulationskapazitäten (474f, 476f, 478f) umfasst, die über Schalter (474d) in den Rückkopplungszweig einschaltbar sind, und die die Ladungsspeicherelemente bilden.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß Anspruch 1, wobei die Ladungsspeicherelemente (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f) Akkumulationskondensatoren sind.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Bildsensor ein erstes, zweites und drittes Bildelement (110, 120, 130; 410, 412, 414) aufweist, wobei das erste Bildelement ausgelegt ist, um ein erstes Bildelement-Signal (112) zu liefern, das von einer auf das erste Bildelement einfallenden Lichtintensität abhängig ist, wobei das zweite Bildelement ausgelegt ist, um ein zweites Bildelement-Signal zu liefern, das von einer auf das zweite Bildelement einfallenden Lichtintensität abhängig ist, wobei das dritte Bildelement ausgelegt ist, um ein drittes Bildelement-Signal zu liefern, das von einer auf das dritte Bildelement einfallenden Lichtintensität abhängig ist; wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) einen ersten Akkumulationskondensator (150; 474f) und einen zweiten Akkumulationskondensator (160; 476f) aufweist, wobei die Akkumulationsschaltung ausgelegt ist, um in einer ersten Phase in Abhängigkeit von dem ersten Bildelement-Signal (112) eine Ladung auf dem ersten Akkumulationskondensator zu verändern, und um in der ersten Phase in Abhängigkeit von dem zweiten Bildelement-Signal (122) eine Ladung auf dem zweiten Akkumulationskondensator zu verändern, und wobei die Akkumulationsschaltung ausgelegt ist, um in einer zweiten Phase in Abhängigkeit von dem zweiten Bildelement-Signal (122) die Ladung auf dem ersten Akkumulationskondensator zu verändern, und um in der zweiten Phase in Abhängigkeit von dem dritten Bildelement-Signal (132) die Ladung auf dem zweiten Akkumulationskondensator zu verändern, so dass eine an einem Ende der zweiten Phase auf dem ersten Akkumulationskondensator vorliegende Ladung von einer auf das erste Bildelement einfallenden Lichtintensität und von einer auf das zweite Bildelement einfallenden Lichtintensität abhängig ist, und so dass eine an einem Ende der zweiten Phase auf dem zweiten Akkumulationskondensator vorliegende Ladung von einer auf das zweite Bildelement einfallenden Lichtintensität und von einer auf das dritte Bildelement einfallenden Lichtintensität abhängig ist.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß Anspruch 3, wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 7400, 750) ausgelegt ist, um in einer dritten Phase in Abhängigkeit von dem dritten Bildelement-Signal die Ladung auf dem ersten Akkumulationskondensator zu verändern.
Bildsensor (100; 400; 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bildelemente (110, 120, 130; 410, 412, 414) entlang einer Spalte des Bildsensors angeordnet sind.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) ausgelegt ist, um eine Zuordnung zwischen einem betrachteten Ladungsspeicherelement (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f) und einem zugeordneten Bildelement (110, 120, 130; 410, 412, 414) durch Schließen eines Schalters (474b) um das zugeordnete Bildelement elektrisch wirksam mit der Spaltenleitung zu koppeln, und durch Einschalten des betrachteten Ladungsspeicherelements in den Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers (470) zu bewirken.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei ein Eingang des Operationsverstärkers (470) über einen Spannungs-Ladungs-Wandler (444) elektrisch wirksam mit der Spaltenleitung (430) gekoppelt ist, wobei der Spannungs-Ladungs-Wandler ausgelegt ist, um eine Veränderung eines an der Spaltenleitung (430) anliegenden Potentials in eine Ladungsmenge umzuwandeln.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß Anspruch 7, wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) ausgelegt ist, um die durch den Spannungs-Ladungs-Wandler erzeugte Ladungsmenge einem der Ladungsspeicherelemente (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f) zuzuführen.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) ausgelegt ist, um in einer Phase die Ladung eines betrachteten Ladungsspeicherelements (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f) in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz zwischen einem ersten Zustand eines Bildelement-Signals eines dem betrachteten Ladungsspeicherelement aktuell zugeordneten Bildelements und einem zweiten Zustand des Bildelement-Signals des dem betrachteten Ladungsspeicherelement aktuell zugeordneten Bildelements zu verändern, wobei der erste Zustand des Bildelement-Signals oder der zweite Zustand des Bildelement-Signals ein Rücksetz-Zustand ist.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Bildelemente (110, 120, 130; 410, 412, 414) entlang einer Bildspalte des Bildsensors angeordnet sind, und wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) so ausgelegt ist, dass verschiedene Bildelemente entlang der Bildspalte in aufeinanderfolgenden Phasen mit dem gleichen Ladungsspeicherelement (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f) gekoppelt werden.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) ausgelegt ist, um die Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f) und zugeordneten Bildelementen (110, 120, 130; 410, 412, 414) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Phasen zyklisch zu verschieben.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Bildelemente (110, 120, 130; 410, 412, 414) über jeweilige Schalter (460) mit einer Spaltenleitung (430) gekoppelt sind, wobei die Bildelemente einen Rücksetz-Schalter (456) zum Rücksetzen in einen Rücksetz-Zustand aufweisen, wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) einen Operationsverstärker (470) aufweist, wobei ein invertierender Eingang des Operationsverstärkers über einen Speicherkondensator (444) mit der Spaltenleitung (430) elektrisch wirksam gekoppelt ist, wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) einen Rückkopplungspfad-Schalter (472) aufweist, der ausgelegt ist, um abhängig von einem Rückkopplungspfad-Schalter-Steuersignal (ϕ₃) den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers mit dem Ausgang des Operationsverstärkers zu koppeln, wobei die Akkumulationsschaltung einen ersten schaltbaren Akkumulationskondensator (474) aufweist, der in Abhängigkeit von einem ersten Akkumulationskondensator-Steuersignal (ϕ₄₁) über einen ersten Akkumulationskondensator-Schalter (474d) zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und den Ausgang des Operationsverstärkers einschaltbar ist, wobei die Akkumulationsschaltung einen zweiten schaltbaren Akkumulationskondensator (476) aufweist, der in Abhängigkeit von einem zweiten Akkumulationskondensator-Steuersignal (ϕ₄₂) über einen zweiten Akkumulationskondensator-Schalter zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und den Ausgang des Operationsverstärkers einschaltbar ist, und wobei die Akkumulationsschaltung einen dritten schaltbaren Akkumulationskondensator (478) aufweist, der in Abhängigkeit von einem dritten Akkumulationskondensator-Steuersignal (ϕ₄₈) über einen dritten Akkumulationskondensator-Schalter zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und den Ausgang des Operationsverstärkers einschaltbar ist, und wobei ein nicht-invertierender Eingang des Operationsverstärkers mit einem vorgegebenen Potential gekoppelt ist.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß Anspruch 12, wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) ausgelegt ist, um zur Veränderung einer Ladung auf einem betreffenden Ladungsspeicherelement (150, 160 170; 474f, 476f, 478f) in Abhängigkeit von einem Bildelement-Signal (112, 122, 132) eines aktuell dem betreffenden Ladungsspeicherelement zugeordneten Bildelements in einem ersten Teilschritt (570) den Schalter (460) zwischen dem aktuell zugeordneten Bildelement und der Spaltenleitung (430) zu schließen und zusätzlich den Rückkopplungspfad-Schalter (472) zu schließen, so dass der Speicherkondensator (444) auf eine Anfangsspannung aufgeladen wird, um an einem Ende des ersten Teilschritts den Rückkopplungspfad-Schalter zu öffnen, um in einem zweiten Teilschritt (572) den Rücksetz-Schalter (456) zu schließen, und um in einem dritten Teilschritt (574) zusätzlich das betreffende Ladungsspeicherelement (474f, 476f, 478f) durch Schließen eines der Akkumulationskondensator-Schalter (474b) in den Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers einzuschalten, so dass eine bei dem Rücksetzen des aktuell zugeordneten Bildelements auftretende Veränderung eines Pegels auf der Spaltenleitung in eine Veränderung der Ladung auf dem betreffenden Ladungsspeicherelement umgesetzt wird.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740; 750) eine Ausleseschaltung (480; 750) aufweist, die ausgelegt ist, um eine Information, die einen Zustand der Ladungsspeicherelemente (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f) beschreibt, zu speichern und für ein Auslesen bereitzustellen.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß Anspruch 14, wobei die Ausleseschaltung eine Mehrzahl von Auslese-Kondensatoren (C_H1, C_H2, C_H8) aufweist, die jeweiligen Ladungsspeicherelementen (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f) zugeordnet sind, wobei die Ausleseschaltung ausgelegt ist, um durch Schließen eines Abtastschalters (482a) eine Informationen über den Zustand eines Ladungsspeicherelements auf einen dem jeweiligen Ladungsspeicherelement zugeordneten Auslese-Kondensator zu übertragen, und um durch Schließen eines Ausleseschalters (482c) einen Auslesekondensator mit einem Ausgang (490) der Akkumulationsschaltung zu koppeln.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) als CMOS-Schaltung mit geschalteten Kondensatoren ausgebildet ist.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Bildelemente (110, 120, 130; 410, 412, 414) und die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) monolithisch auf einem Chip integriert sind.
Bildsensor (100; 400; 700) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) ausgelegt ist, um die Ladungen auf den Ladungsspeicherelementen (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f) durch Integrieren eines Stromflusses zu verändern.
Verfahren (900) zum Betreiben eines Bildsensors mit einer Mehrzahl von Bildelementen, die ausgelegt sind, um zugehörige Bildelement-Signale zu liefern, die von auf die Bildelemente einfallenden Lichtintensitäten abhängig sind, und einer Mehrzahl von Ladungsspeicherelementen, mit folgenden Schritten: (a) Verändern von Ladungen auf den Ladungsspeicherelementen in Abhängigkeit von Bildelement-Signalen jeweils zugeordneter Bildelemente, wobei eine Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und jeweils zugeordneten Bildelementen durch eine erste Zuordnungsvorschrift festgelegt ist; (b) Erhalten einer veränderten Zuordnungsvorschrift, die gegenüber der ersten Zuordnungsvorschrift verändert ist, und die eine Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und jeweils zugeordneten Bildelementen für einen folgenden Schritt des Veränderns von Ladung beschreibt; und (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b); wobei das Verändern der Ladungen auf den Ladungsspeicherelementen ein Koppeln der Bildelemente mit einer Spaltenleitung, die mit einem Eingang eines Operationsverstärkers gekoppelt ist, ein Koppeln eines Eingangs eines Operationsverstärkers mit der Spaltenleitung, und ein aufeinanderfolgendes Einschalten einer Mehrzahl von Akkumulationskapazitäten, die Ladungsspeicherele mente bilden, in einen Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers, um in einer Phase nacheinander, abhängig von der aktuellen Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f) und zugeordneten Bildelementen, Ladungen der Ladungsspeicherelemente in Abhängigkeit von den Bildelement-Signalen der jeweils zugeordneten Bildelemente zu verändern, umfasst.
Verfahren (900) gemäß Anspruch 19, wobei das Erhalten (920) einer veränderten Zuordnungsvorschrift ein zyklisches Durchrotieren der Zuordnung umfasst.
Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 19 oder 20, wenn das Computerprogramm auf einen Computer abläuft.
Bildsensor (100; 400; 700) mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von Bildelementen (110, 120, 130; 410, 412, 414), die ausgelegt sind, um zugehörige Bildelement-Signale (112, 122, 132; U_pixel) zu liefern, die von auf die Bildelemente einfallenden Lichtintensitäten abhängig sind; einer Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) mit einer Mehrzahl von Ladungsspeicherelementen (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f), wobei die Akkumulationsschaltung ausgelegt ist, um während einer Phase Ladungen auf den Ladungsspeicherelementen in Abhängigkeit von den Bildelement-Signalen jeweils zugeordneter Bildelemente zu verändern, und um eine Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und zugeordneten Bildelementen in aufeinanderfolgenden Phasen zu verändern, so dass in einem Betrieb eine Ladung auf einem der Ladungsspeicherelemente von Bildelement-Signalen mehrerer Bildelemente in einer Mehrzahl von Phasen abhängt, wobei die Bildelemente (110, 120, 130; 410, 412, 414) über jeweilige Schalter (460) mit einer Spaltenleitung (430) gekoppelt sind, wobei die Bildelemente einen Rücksetz-Schalter (456) zum Rücksetzen in einen Rücksetz-Zustand aufweisen, wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) einen Operationsverstärker (470) aufweist, wobei ein invertierender Eingang des Operationsverstärkers über einen Speicherkondensator (444) mit der Spaltenleitung (430) elektrisch wirksam gekoppelt ist, wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) einen Rückkopplungspfad-Schalter (472) aufweist, der ausgelegt ist, um abhängig von einem Rückkopplungspfad-Schalter-Steuersignal (ϕ₃) den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers mit dem Ausgang des Operationsverstärkers zu koppeln, wobei die Akkumulationsschaltung einen ersten schaltbaren Akkumulationskondensator (474) aufweist, der in Abhängigkeit von einem ersten Akkumulationskondensator-Steuersignal (ϕ₄₁) über einen ersten Akkumulationskondensator-Schalter (474d) zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und den Ausgang des Operationsverstärkers einschaltbar ist, wobei die Akkumulationsschaltung einen zweiten schaltbaren Akkumulationskondensator (476) aufweist, der in Abhängigkeit von einem zweiten Akkumulationskondensator-Steuersignal (ϕ₄₂) über einen zweiten Akkumulationskondensator-Schalter zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und den Ausgang des Operationsverstärkers einschaltbar ist, und wobei die Akkumulationsschaltung einen dritten schaltbaren Akkumulationskondensator (478) aufweist, der in Abhängigkeit von einem dritten Akkumulationskondensator-Steuersignal (ϕ₄₈) über einen dritten Akkumulationskondensator-Schalter zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und den Ausgang des Operationsverstärkers einschaltbar ist, und wobei ein nicht-invertierender Eingang des Operationsverstärkers mit einem vorgegebenen Potential gekoppelt ist.
Bildsensor (100; 400; 700) mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von Bildelementen (110, 120, 130; 410, 412, 414), die ausgelegt sind, um zugehörige Bildelement-Signale (112, 122, 132; U_pixel) zu liefern, die von auf die Bildelemente einfallenden Lichtintensitäten abhängig sind; einer Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) mit einer Mehrzahl von Ladungsspeicherelementen (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f), wobei die Akkumulationsschaltung ausgelegt ist, um während einer Phase Ladungen auf den Ladungsspeicherelementen in Abhängigkeit von den Bildelement-Signalen jeweils zugeordneter Bildelemente zu verändern, und um eine Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und zugeordneten Bildelementen in aufeinanderfolgenden Phasen zu verändern, so dass in einem Betrieb eine Ladung auf einem der Ladungsspeicherelemente von Bildelement-Signalen mehrerer Bildelemente in einer Mehrzahl von Phasen abhängt; wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740; 750) eine Ausleseschaltung (480; 750) aufweist, die ausgelegt ist, um eine Information, die einen Zustand der Ladungsspeicherelemente (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f) beschreibt, zu speichern und für ein Auslesen bereitzustellen; und wobei die Ausleseschaltung eine Mehrzahl von Auslese-Kondensatoren (C_H1, C_H2, CHF) aufweist, die jeweiligen Ladungsspeicherelementen (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f) zugeordnet sind, wobei die Ausleseschaltung ausgelegt ist, um durch Schließen eines Abtastschalters (482a) eine Informationen über den Zustand eines Ladungsspeicherelements auf einen dem jeweiligen Ladungsspeicherelement zugeordneten Auslese-Kondensator zu übertragen, und um durch Schließen eines Ausleseschalters (482c) einen Auslesekondensator mit einem Ausgang (490) der Akkumulationsschaltung zu koppeln.
Bildsensor (100; 400; 700) mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von Bildelementen (110, 120, 130; 410, 412, 414), die ausgelegt sind, um zugehörige Bildelement-Signale (112, 122, 132; U_pixel) zu liefern, die von auf die Bildelemente einfallenden Lichtintensitäten abhängig sind; einer Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) mit einer Mehrzahl von Ladungsspeicherelementen (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f), wobei die Akkumulationsschaltung ausgelegt ist, um während einer Phase Ladungen auf den Ladungsspeicherelementen in Abhängigkeit von den Bildelement-Signalen jeweils zugeordneter Bildelemente zu verändern, und um eine Zuordnung zwischen Ladungsspeicherelementen und zugeordneten Bildelementen in aufeinanderfolgenden Phasen zu verändern, so dass in einem Betrieb eine Ladung auf einem der Ladungsspeicherelemente von Bildelement-Signalen mehrerer Bildelemente in einer Mehrzahl von Phasen abhängt; wobei die Bildelemente (110, 120, 130; 410, 412, 414) über Schalter (460) mit einer Spaltenleitung (430) gekoppelt sind, wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) einen Operationsverstärker (470) aufweist; wobei ein Eingang des Operationsverstärkers (470) über einen Spannungs-Ladungs-Wandler (444) elektrisch wirksam mit der Spaltenleitung (430) gekoppelt ist; wobei der Spannungs-Ladungs-Wandler ausgelegt ist, um eine Veränderung eines an der Spaltenleitung (430) anliegenden Potentials in eine Ladungsmenge umzuwandeln; wobei die Akkumulationsschaltung (140; 440; 740, 750) ausgelegt ist, um in einer Phase die Ladung eines betrachteten Ladungsspeicherelements (150, 160, 170; 474f, 476f, 478f), das in einen Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers geschaltet ist, in Abhängigkeit von einer Spannungsdifferenz zwischen einem ersten Zu stand eines Bildelement-Signals eines dem betrachteten Ladungsspeicherelement aktuell zugeordneten Bildelements und einem zweiten Zustand des Bildelement-Signals des dem betrachteten Ladungsspeicherelement aktuell zugeordneten Bildelements zu verändern, wobei der erste Zustand des Bildelement-Signals oder der zweite Zustand des Bildelement-Signals ein Rücksetz-Zustand ist.