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