DD245047A1 - ARRANGEMENT AND METHOD FOR CORRECTING THE OUTPUT SIGNALS OF A SEMICONDUCTOR IMAGE SENSOR CAMERA - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die echtzeitfaehige Korrektur der Ausgangssignale von Halbleiterbildsensoren, wie z. B. die Dunkelstrom- und Shadingkorrektur bei der Anwendung von CCD-Matrix-Kameras. Die Korrektur wird so durchgefuehrt, dass die korrigierten Daten on-line zur Verfuegung stehen, so dass sie z. B. auf einem Monitor direkt darstellbar sind. Dies ist moeglich, wenn der Ausgang der Halbleiterbildsensor-Kamera mit einem ADU verbunden ist, der zwei Eingaenge fuer veraenderbare Referenzspannungen besitzt und diese ueber jeweils einen DAU mit den Korrekturwerten fuer den Dunkelstrom und Shading gesteuert werden.The invention relates to the real-time-capable correction of the output signals of semiconductor image sensors, such. For example, the dark current and shading correction in the application of CCD matrix cameras. The correction is carried out so that the corrected data are available on-line, so that they z. B. are directly displayed on a monitor. This is possible if the output of the solid-state image sensor camera is connected to an ADC which has two inputs for variable reference voltages and which are each controlled by a DAC with the correction values for the dark current and shading.
Description
Anwendungsgebiet der Erfindung 'Field of application of the invention
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur echtzeitfähigen Korrektur des Shading- und Dunkelstromeinflusses auf das Ausgangssignal von Halbleiterbildsensor-Kameras. Als Halbleiterbildsensoren werden in diesem Zusammenhang CCD-Zeilen-Sensoren, CCD-Matrix-Sensoren u.a. bezeichnet.The invention relates to a circuit arrangement and a method for real-time correction of the shading and dark current influence on the output signal of semiconductor image sensor cameras. As semiconductor image sensors, CCD line sensors, CCD array sensors and the like are used in this connection. designated.
Charakteristik bekannter technischer Lösungen Characteristic of known technical solutions
Es sind verschiedene Verfahren zur Korrektur von elektrischen Meßgrößen bekannt. Oft ist es hierbei erforderlich, eine mathematische Funktion zu realisieren. In DE-OS 2430252 wird eine Einrichtung beschrieben, die einen nach einer Analog-Digital-Wandlung digital vorliegenden Meßwert durch eine nacheinander durchgeführte Multiplikation und Addition mittels digitaler Rechenwerke und Speicher korrigiert. Nachteilig ist hier vor allem die zeitlich nacheinander erfolgende Addition und Multiplikation und die Verwendung digitaler Rechenwerke. Die Rechenzeit steigt bei solchen Rechenwerken mit der verwendeten Wortbreite. Schnelle digitale Rechenwerke sind außerdem sehr kostenintensiv.Various methods for correcting electrical quantities are known. Often it is necessary to realize a mathematical function. In DE-OS 2430252 a device is described which corrects a digitally present after an analog-to-digital conversion measured value by a successively performed multiplication and addition by means of digital arithmetic and memory. The disadvantage here is above all the temporally successive addition and multiplication and the use of digital arithmetic units. The computing time increases with such arithmetic units with the word width used. Fast digital arithmetic units are also very expensive.
Ein spezielles Anwendungsgebiet ist die Korrektur des Ausgangssignals einer Halbleiterbildsensor-Kamera bezüglich des Shading- und Dunkelstromeinflusses. Mit guter Näherung gilt für das Ausgangssignal A (n) des η-ten BildelementsA special field of application is the correction of the output signal of a solid state image sensor camera with respect to the shading and dark current influence. With good approximation, the output signal A (n) of the ηth pixel applies
A(n) = D(n) + E(n)S(n)A (n) = D (n) + E (n) S (n)
wobei D(n) der durch den Dunkelstrom verursachte Signalanteil, E(n) die Beleuchtung und S(n) die Empfindlichkeit des jeweils η-ten Bildelementes sind. D und S sind jeweils für jedes Bildelement bei konstanten Betriebsbedingungen der Halbleiterbildsensor-Kamera konstant. Die Korrektur erfolgt nach der einmaligen Ermittlung von D(n) und S(n) zu:where D (n) is the signal component caused by the dark current, E (n) is the illumination and S (n) is the sensitivity of the respective ηth pixel. D and S are constant for each picture element under constant operating conditions of the solid state image sensor camera. The correction takes place after the single determination of D (n) and S (n):
A(n)-D(n) " .A (n) -D (n) ".
S(n)S (n)
Möglich wäre prinzipiell eine Korrektur mittels des in DE-OS 2430252 beschriebenen Verfahrens. Problematisch ist jedoch der Zeitbedarf. Für die on-line-Korrektur stehen bei Matrix-Bildsensoren in der Regel nur 100-200 ns pro Bildelement zur Verfügung.In principle, a correction would be possible by means of the method described in DE-OS 2430252. The problem, however, is the time required. For on-line correction, matrix image sensors typically use only 100-200 ns per pixel.
Aus diesem Grund sind auch bekannte Verfahren, die eine Korrektur der Meßwerte mittels eines Rechners durchführen, nicht anwendbar (100—1 OOOmal zu langsam).-For this reason, even known methods which perform a correction of the measured values by means of a computer, not applicable (100-1 000 times too slow) .-
Es sind jedoch Verfahren bekannt, bei denen der analoge Meßwert vor der Analog-Digital-Wandlung mittels analoger Rechenschaltungen, wie Logarithmierschaltungen und Addierschaltungen, korrigiert wird. Jedoch ergeben sich hierbei die bekannten Linearitäts- und Stabilitätsprobleme bei höheren Auflösungen.However, methods are known in which the analog measured value is corrected before analog-to-digital conversion by means of analog computing circuits, such as logarithmic circuits and adder circuits. However, this results in the known linearity and stability problems at higher resolutions.
Ziel der Erfindung ' "Object of the invention
Ziel der Erfindung ist es, die Korrektur des Ausgangssignals einer Halbleiterbildsensor-Kamera echtzeitfähig und mit geringem Aufwand durchzuführen.The aim of the invention is to perform the correction of the output signal of a semiconductor image sensor camera real-time capable and with little effort.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Korrektur des Ausgangssignals einer Halbleiterbildsensor-Kamera so durchzuführen, daß die korrigierten Bilddaten on-line, d. h. mit dem gleichen Takt wie das Bildsignal zur Verfügung stehen, so daß sie z. B. auf einem Monitor darstellbar sind. Gleichzeitig wird angestrebt, den dafür erforderlichen Aufwand auf ein Minimum zu reduzieren.The invention is based on the object to carry out the correction of the output signal of a semiconductor image sensor camera so that the corrected image data on-line, d. H. are available with the same clock as the image signal, so that they z. B. can be displayed on a monitor. At the same time, the aim is to reduce the effort required to a minimum.
Das ist möglich durch die Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers, der es ermöglicht, seinen Meßbereich durch zwei Referenzspannungen Uren und Uref2 zu begrenzen. Fast alle zur Zeit verwendeten schnellen Analog-Digital-Wandler besitzen diese Möglichkeit/Durch die Spannung Uref1 wird der Meßbereich auf der negativen Seite und durch die Spannung Uref2auf der positiveren Seite begrenzt. Diese Spannungen sind in gewissen, vom Schaltkreishersteller vorgegebenen Bereichen variierbar.This is possible by the use of an analog-to-digital converter, which makes it possible to limit its measuring range by two reference voltages U re n and U re f 2 . Almost all high-speed analog-to-digital converters currently used have this capability / The voltage U ref1 limits the range on the negative side and the voltage U ref2 on the more positive side. These voltages can be varied in certain ranges specified by the circuit manufacturer.
Die Erfindung geht davon aus, daß durch die gezielte Veränderung von Urefi und Uref2 mathematische Berechnungen durchführbar sind. Bei bekanntem Bereich des Meßsignals ist es möglich, durch gleichzeitiges Erhöhen bzw. Erniedrigen der Spannungen Urefi und Uref2 um den gleichen Betrag vom Meßwert bezüglich des Ausgangssignals des Anaiog-Digital-Wandlers eine Spannung abzuziehen bzw. hinzuzuaddieren. Durch eine Veränderung von Uren oder Uref2 erreicht man eine Multiplikation bzw. Division des Meßsignals.The invention assumes that ref2 mathematical calculations can be carried out by the selective change of U and U re fi. With a known range of the measuring signal, it is possible to subtract or add a voltage by simultaneously increasing or decreasing the voltages U re fi and U ref2 by the same amount from the measured value with respect to the output signal of the analogue-digital converter. By changing U re n or U re f 2 one achieves a multiplication or division of the measuring signal.
Das soll am Beispiel des Ausgangssignals einer Halbleiterbildsensor-Kamera erläutert werden. Das Ausgangssignal einer Halbleiterbildsensor-Kamera soll zwischen Uo und Ui liegen können. Die unbeleuchtete Halbleiterbildsensor-Kamera liefert jedoch nicht U0, sondern eine höhere Spannung Ud, die dem Dunkelstrom entspricht. Der Signalanteil Ud ist unabhängig von der Beleuchtung E und schränkt den möglichen Dynamikbereich Ui - U0 auf Ui - (U0 + Ud) ein. Nach der einmaligen Ermittlung von Ud ist es jedoch möglich, Urefl des Analog-Digital-Wandlers von U0 auf Ud und Uref2 von U1 auf U1 + Ud zu erhöhen.This will be explained using the example of the output signal of a semiconductor image sensor camera. The output signal of a semiconductor image sensor camera should be able to lie between Uo and Ui. However, the unlit semiconductor image sensor camera does not deliver U 0 , but a higher voltage U d , which corresponds to the dark current. The signal component U d is independent of the illumination E and limits the possible dynamic range Ui - U 0 to Ui - (U 0 + U d ). After the single determination of U d , however, it is possible to increase U refl of the analog-to-digital converter from U 0 to U d and U ref2 from U 1 to U 1 + U d .
Damit würde das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers für den Eingangswert Ud den Wert 0 annehmen, d. h. vom Eingangssignal wurde Ud subtrahiert.Thus, the output signal of the analog-to-digital converter would assume the value 0 for the input value U d , ie U d was subtracted from the input signal.
Beleuchtet man nun die Halbleiterbildsensor-Kamera homogen mit einer Intensität, die etwas geringer als die Sättigungsbeleuchtungsstärke ist, liefert die Halbleiterbildsensor-Kamera das Ausgangssignal Us.If the semiconductor image sensor camera is now illuminated homogeneously with an intensity that is slightly lower than the saturation illuminance, the semiconductor image sensor camera supplies the output signal U s .
Stellt man nun Uref2auf Us, liefert der Analog-Digital-Wandler hierfür den Wert für 100%.If you now set U ref2 to U s , the analog-to-digital converter supplies the value for 100%.
Bei anderen, beliebigen geringeren Beleuchtungsintensitäten liefert der Analog-Digital-Wandler mit den angegebenen Einstellungen für Urefi und Uref2 einen auf Us und Ud normierten Wert. Das Ausgangssignal wäre entsprechend der angegebenen Beziehung korrigiert. Die Betrachtung läßt sich analog auf alle Bildelemente der Halbleiterbildsensor-Kamera übertragen.In other, any lower illumination intensities of the analog-to-digital converter providing a normalized to U s and U d value with the specified settings for re fi U and U ref2. The output signal would be corrected according to the specified relationship. The consideration can be analogously transferred to all pixels of the solid state image sensor camera.
Die ermittefien Korrekturwerte Ud(n) und Us(n) können z. B. in einem Halbleiterspeicher abgelegt sein und Urefi und Uref2 über zwei Digital-Analog-Wandler gesteuert werden. Die Verzögerungszeit für die Korrektur ergibt sich aus der Speicherzugriffszeit, der Setzzeit für einen Digital-Analog-Wandler und der Konvertierungszeit des Analog-Digital-Wandlers. Mit den z. Z. verfügbaren Bauelementen bereitet es keine Probleme, hiermit Gesamtzeiten zu erreichen, die kleiner als die Bildpunktfrequenz sind.The weighted correction values U d (n) and U s (n) can be z. B. be stored in a semiconductor memory and U re fi and U re f 2 are controlled via two digital-to-analog converter. The delay time for the correction results from the memory access time, the settling time for a digital-to-analog converter and the conversion time of the analog-to-digital converter. With the z. For available devices, there is no problem in achieving total times that are less than the pixel frequency.
Unabhängig von der verwendeten Wortbreite des Analog-Digital-Wandlers hängt der Kostenbedarf der Lösung vor allem vom Analog-Digital-Wandler ab, der jedoch bei jeder bekannten Lösung erforderlich ist.Regardless of the used word width of the analog-to-digital converter, the cost of the solution depends mainly on the analog-to-digital converter, which is required in any known solution.
Es versteht sich von selbst, daß das beschriebene Verfahren auch für andere, beliebige Meßwertmanipulationen verwendbar ist, bei denen die Werte für Uren und Uref2 einen anderen Ursprung haben, als in der beschriebenen Lösung.It goes without saying that the method described can also be used for other, any measured manipulations in which the values for U re n and U ref2 have a different origin than in the described solution.
Ausführungsbeispielembodiment
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend am Beispiel einer Schaltung zur Korrektur des Ausgangssignales einer Halbleiterbildsensor-Kamera nach Fig. beschrieben.The method according to the invention is described below using the example of a circuit for correcting the output signal of a semiconductor image sensor camera according to FIG.
Die Korrekturschaltung besteht aus einer Halbleiterbildsensor-Kamera 1, einem Analog-Digital-Wandler 2, einem Bildpunktzähler 3, zwei Digital-Analog-Wandlem 4 und 5, drei Halbleiterspeichern 6,7 und 8 und einem Datenmultiplexer 9. Zur Korrekturwertermittlung werden die Digital-Analog-Wandler so gesteuert, daß sich der maximal mögliche Ausgangssignalbereich der Halbleiterbildsensor-Kamera als Eingangsbereich am Analog-Digital-Wandler ergibt. Der Bildsensor wird nicht beleuchtet. Damit enthält das Ausgangssignal nur den Dunkelsignalanteil Ud(n) jedes Bildelementes n. Der Datenmultiplexer 9 wird so gesteuert, daß die durch den Analog-Digital-Wandler als digitale Worte vorliegenden Meßwerte in den Halbleiterspeicher 6 gelangen. Durch den Bildpunktzähjer 3 wird jeweils für jedes Bildelement eine andere Adresse an die Speicher 6,7 und 8 gelegt.The correction circuit consists of a semiconductor image sensor camera 1, an analog-to-digital converter 2, a pixel counter 3, two digital-analog converters 4 and 5, three semiconductor memories 6, 7 and 8 and a data multiplexer 9. Controlled analog converter so that the maximum possible output signal range of the semiconductor image sensor camera results as an input range at the analog-to-digital converter. The image sensor is not illuminated. Thus, the output signal contains only the dark signal component U d (n) of each picture element n. The data multiplexer 9 is controlled such that the measured values present as digital words by the analog-to-digital converter enter the semiconductor memory 6. By the pixel counter 3, a different address is applied to the memories 6, 7 and 8 for each picture element.
Nach Ermittlung der Korrekturwerte für das Dunkelsignal wird die Halbleiterbildsensor-Kamera homogen beleuchtet. Der Datenmultiplexer wird so gesteuert, daß die Daten in den Speicherblock 7 gelangen. Damit ist die Korrekturwertermittlung abgeschlossen.After determining the correction values for the dark signal, the solid-state image sensor camera is illuminated homogeneously. The data multiplexer is controlled so that the data enters the memory block 7. This completes the correction value determination.
Bei konstanten Betriebsbedingungen der Halbleiterbildsensor-Kamera ist es auch möglich, die Korrekturwerte nach einer einmaligen Ermittlung in einem Festwertspeicher abzulegen, so daß die Körrekturwerte nicht immer wieder neu zu ermitteln sind.Under constant operating conditions of the semiconductor image sensor camera, it is also possible to store the correction values after a single determination in a read-only memory, so that the correction values are not always to be redetermined.
Für den normalen Betrieb wird der Datenmultiplexer so gesteuert, daß die Meßwerte in den Halbleiterspeicher 8 gelangen können. Die Dunkelsignalwerte Ud(n) werden dabei an den Digital-Analog-Wandler 4 zur Erzeugung von Uref,, die Hellsignalwerte Us(n) an den Digital-Analog-Wandler 5 zur Erzeugung von Uref2 gelegt. Damit stehen die Bildsignale hinter dem Analog-Digital-Wandler 2 im Halbleiterspeicher 8 korrigiert als digitale Worte zur Verfugung.For normal operation, the data multiplexer is controlled so that the measured values can enter the semiconductor memory 8. The dark signal values U d (n) are thereby applied to the digital-to-analog converter 4 for generating U ref , the light signal values U s (n) to the digital-to-analog converter 5 for generating U re f 2 . Thus, the image signals behind the analog-to-digital converter 2 in the semiconductor memory 8 are corrected as digital words at your disposal.
Der Halbleiterspeicher 8 kann z.B. ein Dual-Port-RAM sein, dereinen Zugriff von einem Mikrorechner o.a. erlaubt oder kann durch einen weiteren Digital-Analog-Wandler ersetzt werden, der.das korrigierte Bildsignal auf einem Monitor sichtbar macht.The semiconductor memory 8 may be e.g. be a dual-ported RAM, accessing from a microcomputer or similar. allowed or can be replaced by another digital-to-analog converter that makes the corrected image signal visible on a monitor.
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DD28423285A DD245047A1 (en) | 1985-12-13 | 1985-12-13 | ARRANGEMENT AND METHOD FOR CORRECTING THE OUTPUT SIGNALS OF A SEMICONDUCTOR IMAGE SENSOR CAMERA |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1989010037A1 (en) * | 1988-04-06 | 1989-10-19 | Helioprint A/S | Method and apparatus to compensate for the dark current and offset voltage from a ccd-unit |
-
1985
- 1985-12-13 DD DD28423285A patent/DD245047A1/en not_active IP Right Cessation
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WO1989010037A1 (en) * | 1988-04-06 | 1989-10-19 | Helioprint A/S | Method and apparatus to compensate for the dark current and offset voltage from a ccd-unit |
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