DE102005017158B4

DE102005017158B4 - Verfahren zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals eines lichtempfindlichen Sensors und dessen Aufbau

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Publication number: DE102005017158B4
Application number: DE102005017158A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Kunze
Original assignee: Basler AG
Current assignee: Basler AG
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2025-04-15
Also published as: US20060232774A1; DE102005017158A1

Abstract

Verfahren zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals eines lichtempfindlichen Sensors mit wenigstens einem lichtempfindlichen Pixel, in dem durch einfallendes Licht ein elektrisches Intensitätssignal erzeugt wird, das nach oder während einer einstellbaren Belichtungszeit zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungszeit in Zeitschritte unterteilt und ein von der Anzahl der im Zuge der Belichtungszeit verstrichenen Zeitschritte abhängiges Zeitsignal erzeugt wird, dass das Intensitätssignal mit wenigstens einem einstellbaren Referenzwert (U_ref) verglichen und das Zeitsignal erfasst wird, sobald das Intensitätssignal den Referenzwert erreicht oder über- oder unterschreitet, und dass das erfasste Zeitsignal als das digitale Ausgangssignal des Pixels ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals eines lichtempfindlichen Sensors mit wenigstens einem lichtempfindlichen Pixel, in dem durch einfallendes Licht ein elektrisches Intensitätssignal erzeugt wird, das nach oder während einer einstellbaren Belichtungszeit zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals ausgewertet wird. Auch betrifft die Erfindung einen Aufbau für einen solchen lichtempfindlichen Sensor zum Durchführen des Verfahrens.
Bei bekannten lichtempfindlichen Sensoren ändert sich die Ladung eines Pixels aufgrund des einfallenden Lichts. Häufig sind die Pixel so ausgebildet, dass Ladung durch das einfallende Licht aufgebaut wird und beispielsweise im Wesentlichen linear mit der einfallenden Lichtmenge steigt. Bei großer Intensität steigt die Ladung schneller, so dass eine Überbelichtung des Pixels bei zu langer Belichtungszeit zu befürchten ist. Bei niedriger Intensität kann kaum Ladung aufgebaut werden. Die aufgebaute Ladung wird in einem Konverter in eine Spannung oder einen Strom umgewandelt, die beziehungsweise der demnach mit zunehmender Intensität steigt.
Es ist auch möglich, dass Ladung durch das einfallende Licht abgebaut wird. Dann sinkt die Spannung beziehungsweise der Strom während der Belichtungszeit. Die Spannung und/oder der Strom können, je nach Polarität, positiv oder negativ sein. Wesentlich ist, dass sich die Ladung und somit die Spannung oder der Strom aufgrund des einfallenden Lichts ändert. Aus der Spannung beziehungsweise dem Strom kann ein digitales Ausgangssignal für die sich anschließende Bilderstellung oder -auswertung erzeugt werden.
Aus "Der Brockhaus – Naturwissenschaft und Technik, Band A – GD, Heidelberg 2003" sind CCD-Sensoren bekannt, die ein Schieberegister aufweisen, das die Ladung mehrerer Pixel nacheinander einem gemeinsamen Konverter zuführt, in dem die einzelnen Ladungen in Spannungswerte umgewandelt werden. Die Spannungswerte werden in einem sich anschließenden Analog/Digital-Wandler in ein digitales Signal, beispielsweise in einen Grauwert, umgewandelt. Weiterhin sind CMOS-Sensoren bekannt, bei welchen jedem Pixel ein separater Konverter zugeordnet ist, durch den die Ladung in Spannungswerte umgewandelt wird. Es kann eine parallel arbeitende Ausleseeinheit vorhanden sein, an die sich der Analog/Digital-Wandler anschließt.
Beide Sensoren weisen eine vergleichbare Charakteristik der Spannung über der Zeit beziehungsweise des digitalen Ausgangswertes über der Intensität auf. Es ist ein linearer Bereich zu erkennen, an den sich ein Sättigungsbereich bei zu großer Intensität anschließt. Dies hat zur Folge, dass bei gegebener Belichtungszeit und schwacher Lichtintensität die Pixel nur ein sehr schwaches kaum auswertbares Signal liefern. Das Bild ist unterbelichtet. Bei zu hoher Intensität sind die Pixel hingegen gesättigt und liefern ebenfalls kein brauchbares Signal. Das Bild ist dann überbelichtet.
Es besteht daher ein Bedürfnis, die Charakteristik eines Pixels und somit eines lichtempfindlichen Sensors mit mehreren Pixeln beeinflussen zu können. Die Charakteristik entspricht dem Verlauf des Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Intensität. Je nach Anforderung sind verschiedene Verläufe, beispielsweise lineare oder dynamikkomprimierte Abhängigkeiten, erwünscht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art so auszubilden, dass ein flexibler Einsatz und insbesondere eine flexible Veränderung oder Anpassung der Charakteristik eines derartigen lichtempfindlichen Sensors möglich wird. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kompakten lichtempfindlichen Sensor für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Belichtungszeit in Zeitschritte unterteilt und ein von der Anzahl der im Zuge der Belichtung verstrichenen Zeitschritte abhängiges Zeitsignal erzeugt wird, dass das Intensitätssignal mit wenigstens einem einstellbaren Referenzwert verglichen und das Zeitsignal erfasst wird, sobald das Intensitätssignal den Referenzwert erreicht oder über- oder unterschreitet, und dass das erfasste Zeitsignal als das digitale Ausgangssignal des Pixels ausgewertet wird. Bereits die Zeitschritte in Form von aufsteigend oder absteigend gezählten Zeittakten oder Schrittzahlen oder von entsprechend diskreten Werten eines entsprechend ausgebildeten Zählers stellt ein digitales Signal dar, das unmittelbar als Maß für die Intensität genommen werden kann. Als einfache Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das Zeitsignal die Anzahl der verstrichenen Zeitschritte oder die Differenz zwischen der der Belichtungszeit entsprechenden Anzahl der Zeitschritte und der verstrichenen Anzahl der Zeitschritte ist.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass lediglich digitale Daten verarbeitet werden. Damit ist eine hohe Datenrate möglich.
Grundsätzlich ist dabei festzustellen, dass, je früher in einem Pixel der Referenzwert erreicht wird, desto höher die Lichtintensität gewesen sein muss, mit der es belichtet worden ist. Je nach Wahl des Referenzwertes können unterschiedliche Kennlinien des Pixels erzeugt werden. Häufig entspricht das Intensitätssignal einer Spannung oder einem Strom, die beziehungsweise der durch die im Pixel aufgebaute Ladung erzeugt wird. Als Referenzwert wird dementsprechend entweder ein Spannungs- oder eine Stromreferenzwert genommen werden. In den folgenden Ausführungen ist häufig von Spannungen die Rede, ohne dass damit eine Beschränkung verbunden sein soll.
Es kann beispielsweise vorgesehen werden, dass der Referenzwert während der Belichtungszeit konstant ist. Erreicht nun das Intensitätssignal innerhalb der Belichtungszeit den Referenzwert, kann die Intensität und somit ein Grauwert für die Abbildung bestimmt werden. Schwierigkeiten bestehen für den Fall, wenn innerhalb der Belichtungszeit der Referenzwert nicht erreicht wird.
Dann kann es zweckmäßig sein, den Referenzwert in Abhängigkeit von der Zeit oder der Anzahl der verstrichenen Zeitschritte zu verändern. Je nach Wahl des zeitlichen Verlaufs des Referenzwertes können unterschiedliche Charakteristiken des Pixels erzeugt werden. Damit ist es beispielsweise möglich, den Referenzwert so zu verändern, dass auch schwache Intensitäten erfasst werden. Sofern das Intensitätssignal mit zunehmender Zeit steigt, wird es günstig sein, wenn der Referenzwert zumindest zum Ende der Belichtungszeit hin sinkt. Dann werden auch schwache Intensitäten sicher erfasst.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Belichtungszeit in gleichgroße Zeitschritte unterteilt wird. Alternativ kann die Belichtungszeit auch in veränderliche Zeitschritte unterteilt werden. Dies kann durch einen entsprechend ausgebildeten digitalen Zähler erfolgen. Dabei ist es möglich, dass ein Vergleich des Intensitätssignals mit dem Referenzwert zu auswählbaren Zeitschritten erfolgt. Auch kann vorgesehen werden, dass ein Vergleich der des Intensitätssignals mit dem Referenzwert zu jedem Zeitschritt erfolgt. Durch diese Auswahlmöglichkeiten kann die Flexibilität des Verfahrens insbesondere mit Blick auf einen zeitabhängigen Referenzwert erhöht werden.
Durch das Vorsehen eines sich zeitlich veränderbaren Referenzwerts, beispielsweise einer Referenzspannung, können bereits verschiedene und gut handhabbare oder auswertbare Charakteristiken des Pixels erzeugt werden. Aber auch durch die Wahl eines geeigneten Zeitsignals oder eines geeigneten zeitlichen Verlaufs des Zeitsignals kann die erzeugte Charakteristik des Pixels maßgeblich beeinflusst werden.
Es kann vorgesehen werden, dass das Zeitsignal ein digitaler Zeitwert ist, der der Anzahl der verstrichenen Zeitschritte zugeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass das erfasste Zeitsignal unmittelbar ein digitales Signal ist, das sich in der sich anschließenden Bildspeicherung und/oder -auswertung schnell und ohne weiteres verarbeiten lässt.
Es kann zweckmäßig sein, wenn sich der Zeitwert zumindest während eines Abschnitts der Belichtungszeit ändert. Auch oder zusätzlich kann vorgesehen werden, dass der Zeitwert für einen Abschnitt der Belichtungszeit unabhängig von der Anzahl der Zeitschritte konstant ist. So kann in einem einfachen Fall vorgesehen werden, dass der Zeitwert zumindest während eines Abschnitts der Belichtungszeit linear von der Anzahl der verstrichenen Zeitschritte abhängt. Der digitale Zeitwert kann hierbei der Anzahl der verstrichenen Zeitschritte oder der Differenz zwischen der der gesamten Belichtungszeit entsprechenden Anzahl der Zeitschritte und der verstrichenen Anzahl der Zeitschritte entsprechen.
Wie im Einzelnen die zeitlichen Verläufe des Referenzwerts oder des Zeitwerts in Abhängigkeit von der Anzahl der verstrichenen Zeitschritte abgerufen werden, ist grundsätzlich beliebig. Es kann vorgesehen werden, dass in einer Speichereinheit jedem Zeitsignal, jeder Anzahl der verstrichenen Zeitschritte oder jedem Zeitschritt oder einem Satz von Zeitschritten ein Referenzwert zugeordnet ist. Entsprechendes gilt für die Zuordnung des Zeitwertes zu der Anzahl der verstrichenen Zeitschritte. Es ist hierbei selbstverständlich, dass die Anzahl der Zeitschritte in Abhängigkeit von der Zeit entweder aufwärts oder abwärts gezählt werden kann. Im Folgenden ist ohne Beschränkung lediglich von der Anzahl der verstrichenen Zeitschritte die Rede.
Es kann beispielsweise zunächst ein gewünschter Verlauf des Referenzwerts oder des Zeitwerts errechnet und diskrete Referenzwerte und/oder Zeitwerte in einen Speicher oder eine Zuordnungstabelle eingeschrieben werden, die dann zu der entsprechenden Anzahl der verstrichenen Zeitschritte abgerufen werden. So kann beispielsweise in der Speichereinheit für jeden Zeitschritt derselbe Referenzwert eingeschrieben sein. Dann wäre der Referenzwert während der gesamten Belichtungszeit konstant.
Auch ist es möglich, mehrere Speichereinheiten vorzusehen, die umschaltbar mit den Vergleicheinheiten oder der Vergleicheinheit verbunden sind und in denen jeweils unterschiedliche Verläufe der Referenzwerte gespeichert sind, die jeweils an besondere Bedingungen, insbesondere Lichtverhältnisse angepasst sind. Entsprechendes gilt für die Zuordnung der Anzahl der verstrichenen Zeitschritte zu den Zeitwerten. Somit kann beispielsweise für Aufnahmen mit hoher Lichtintensität bei heller Umgebung ein erster Referenzwert oder Referenzwertverlauf gewählt werden. Für Aufnahmen mit nur geringer Intensität bei dunkler Umgebung kann durch einfaches Umschalten der Speichereinheiten ein anderer Referenzwert oder Referenzwertverlauf gewählt werden, der von den Vergleichseinheiten abgerufen wird. Damit lässt sich die Flexibilität bei der Erzeugung von Charakteristiken eines lichtempfindlichen Sensors wesentlich erhöhen.
Wie oben beschrieben, kann der Referenzwert in digitaler Form als Speicherinhalt vorliegen. Es ist aber auch möglich, dass der Referenzwert ein analoges Signal, beispielsweise ein konstanter, linearer oder exponentieller Spannungswert ist, der der Vergleichseinheit zugeführt wird. Zeitabhängige Referenzwertverläufe lassen sich durch entsprechende Schaltungen gut analog darstellen.
Der Aufbau eines lichtempfindlichen Sensors mit wenigstens einem lichtempfindlichen Pixel, in dem durch einfallendes Licht ein elektrisches Intensitätssignal erzeugt wird, das nach oder während einer einstellbaren Belichtungszeit zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals ausgewertet wird, umfasst wenigstens ein Pixel, das mit einem Zähler in Verbindung steht, der die Belichtungszeit in Zeitschritte unterteilt und ein von der Anzahl der im Zuge der Belichtungszeit verstrichenen Zeitschritten abhängiges Zeitsignal erzeugt, und eine Vergleicheinheit, die das Intensitätssignal mit wenigstens einem einstellbaren Referenzwert vergleicht, sowie eine Erfassungseinheit aufweist, die das Zeitsignal erfasst, sobald das Intensitätssignal den Referenzwert erreicht, unter- oder überschreitet, wobei das Zeitsignal als das digitale Ausgangssignal des Pixels auswertbar ist. Dieser Aufbau ermöglicht das Erzeugen eines digitalen Signals ohne einen herkömmlichen Analog/Digital-Wandler. So kann das durch den Zähler erzeugte Zeitsignal die Anzahl der Zeitschritte oder der Differenz zwischen der der Belichtungszeit entsprechenden Anzahl der Zeitschritte und der verstrichenen Anzahl der Zeitschritte sein. Dieses Signal ist ohne weiteres digital auswertbar.
Es kann auch vorgesehen werden dass das Zeitsignal ein digitaler Zeitwert ist und der Zähler die Anzahl der verstrichenen Zeitschritte einem digitalen Zeitwert zuordnet. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn der Zähler eine Zuordnungseinheit aufweist oder mit einer Zuordnungseinheit zusammenwirkt, in welcher der Anzahl der verstrichenen Zeitschritte ein digitaler Zeitwert zugeordnet ist. Damit kann ein zeitlicher Verlauf des Zeitsignals erzeugt werden, der von der im Zuge der Belichtungszeit häufig linear steigenden oder fallenden Anzahl der Zeitschritte abweicht. Die Charakteristik des Sensors kann damit weitgehend beeinflusst und verändert werden.
Das Pixel umfasst demnach lediglich einen Konverter und eine Erfassungseinheit für das aktuelle Zeitsignal bei Erreichen des Referenzwerts. Diese Elemente sind klein bauend. Es ist daher ohne weiteres möglich, dass der lichtempfindliche Sensor zeilenförmig mit einer Vielzahl von Pixeln in einer Reihe ausgebildet ist. Damit wird in üblicher Weise eine Zeilenkamera ausgerüstet.
Auch kann der lichtempfindliche Sensor flächig mit einer Vielzahl von Pixeln ausgebildet sein, die matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Damit kann dann in üblicher Weise eine Matrixkamera ausgerüstet werden.
Der einem Zeitschritt zuzuordnende Referenzwert wird vorzugsweise von der Vergleicheinheit aus einer externen Speichereinheit abgerufen. Hier kann vorgesehen werden, dass eine zum Pixel externe Speichereinheit vorhanden ist, in der zu jedem Zeitsignal, Zeitwert oder Zeitschritt oder zu einem Satz von Zeitwerten oder Zeitschritten ein vorgebbarer Referenzwert speicherbar ist und die mit der Vergleicheinheit in Verbindung steht. Damit kann der Raumbedarf für die Integration eines erfindungsgemäßen Pixels auf einem Sensor reduziert werden. Es ist z. B. möglich, jedem Zeitschritt denselben Referenzwert zuzuordnen, um einen Referenzwert bereit zu stellen, der über die gesamte Belichtungszeit konstant ist.
Der Zähler zum Erzeugen des Zeitsignals ist ebenfalls extern von dem Pixel oder den Pixeln im lichtempfindlichen Sensor on-chip oder außerhalb des Sensors off-chip angeordnet und steht in Verbindung mit der Erfassungseinheit oder den Erfassungseinheiten. Auch damit lässt sich der Raumbedarf weiter reduzieren.
Bei mehreren Pixeln, insbesondere bei der Anordnung in einem zeilenförmigen lichtempfindlichen Sensor, ist es zweckmäßig, wenn ein gemeinsamer Zähler und/oder ein gemeinsamer Referenzwertspeicher jedem Pixel zugeordnet und mit der Erfassungseinheit beziehungsweise der Vergleicheinheit eines jeden Pixels verbunden ist. Bei der der Anordnung in einem matrixförmigen lichtempfindlichen Sensor können ein gemeinsamer Zähler und/oder ein gemeinsamer Referenzwertspeicher jedem Pixel einer Spalte und/oder Zeile zugeordnet und mit der Erfassungseinheit beziehungsweise der Vergleicheinheit eines jeden Pixels einer Spalte und/oder Zeile verbunden sein.
Grundsätzlich wäre es zwar möglich, jedem Pixel eine Referenzwertspeichereinheit oder einen Speicherplatz oder einen Zähler zuzuordnen. Hierdurch würde sich der Aufbau des lichtempfindlichen Sensors jedoch aufwendiger gestalten. Gleichwohl kann dieser Aufbau für manche Anwendungen zweckmäßig sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Anordnung gemäß der Erfindung,
2 ein Blockschaltbild eines zeilenförmigen lichtempfindlichen Sensors,
3 ein Blockschaltbild eines flächigen lichtempfindlichen Sensors,
4 die qualitative Sensorcharakteristik bei einem konstanten Spannungsreferenzwert,
5–7 jeweils die qualitative Sensorcharakteristik bei einem sich über die Belichtungszeit ändernden Spannungsreferenzwert und/oder Zeitwert,
8a, b jeweils ein Blockschaltbild eines CCD- und CMOS-Sensors gemäß dem Stand der Technik und
9 die qualitative Sensorcharakteristik bei den Sensoren gemäß 8a, b.
In der 8 der Zeichnung sind ein CCD-Sensor 11 und ein CMOS-Sensor 12 untereinander dargestellt. Beide Sensoren weisen ein Pixel mit einer lichtempfindlichen Zelle 13 auf, in der einfallendes Licht in Ladung umgewandelt wird.
Bei dem CCD-Sensor wird die Ladung Q eines jeden Pixels 11 nach der Belichtungszeit T durch ein Schieberegister 14 einem gemeinsamen Konverter 15 zugeführt, in dem die Ladung in eine Spannung U umgewandelt wird. Der Spannungswert wird in einem sich anschließenden Analog/Digital-Wandler 16 in ein digitales Signal umgewandelt. Im Unterschied zum CCD-Sensor weist bei einem CMOS-Sensor jedes Pixel 12 einen eigenen Konverter 17 auf. Die darin erzeugten Spannungswerte können durch einen Multiplexer 18 ausgelesen und dem Analog/Digital-Wandler 16 zugeführt werden.
Beide Sensoren weisen in etwa die gleiche Charakteristik auf, die in 9 gezeigt ist. Der Spannungsverlauf U über der Zeit bis zur Erreichen der Sättigungsspannung U_max eines solchen Sensors kann durch eine etwa tanhartige Funktion angenähert werden. Die Spannung steigt bis zur Erreichen der Sättigungspannung an. Wird die Sättigungsspannung innerhalb der Belichtungszeit erreicht, ist das Pixel und somit das Bild dort überbelichtet. Es ergibt sich der in 9 rechts dargestellte Verlauf des digitalen Ausgangssignals DN über der Intensität mit einem anfänglich linearen Bereich 19. In den Diagrammen ist der Übersichtlichkeit halber das Verhältnis von DN/DN_max und U/U_max über dem Zeitverhältnis t/T dargestellt. Damit ergeben sich Werte zwischen 0 und 1.
Bei dem in 1 gezeigten Aufbau eines Pixels 21 ist ähnlich zum herkömmlichen CMOS-Sensor jeder lichtempfindlichen Zelle 22 ein Konverter 23 zugeordnet, der die Ladung laufend in eine Spannung umwandelt. Der Ausgang des Konverters 23 steht in Verbindung mit einer Vergleicheinheit 24, die den im Zuge der laufenden Belichtung steigenden Spannungswert mit einem Spannungsreferenzwert U_ref vergleicht. Dazu steht die Vergleichseinheit 24 in Verbindung mit einem nicht gezeigten Sollwertgeber 28 für den Spannungsreferenzwert.
Es ist weiterhin ein nicht näher dargestellter Zähler 29 vorhanden, der mit einer Erfassungseinheit 25 des Pixels 21 in Verbindung steht. Der Zähler unterteilt die vorgebbare und einstellbare Belichtungszeit T in Zeitschritte und erzeugt ein Zeitsignal. Das Zeitsignal umfasst unmittelbar die Anzahl der im Zuge der Belichtung verstrichenen Zeitschritte oder einen auch von der Zeit abhängenden zugeordneten digitalen Zeitwert DN, das der Erfassungseinheit zugeführt wird. Überschreitet der Spannungswert aus dem Konverter 23 den Spannungsreferenzwert, wird durch ein entsprechendes Signal der Vergleicheinheit 24 die Erfassungseinheit 25 veranlasst, das aktuelle Zeitsignal, also beispielsweise die Anzahl der verstrichenen Zeitschritte oder den Zeitwert DN, des Zählers zu erfassen.
Nach der Belichtungszeit oder unmittelbar nach der Speicherung wird dieser erfasste Zeitwert von einer Ausleseeinheit 26 ausgelesen. Da der Zeitwert DN bereits ein digitales Signal ist, kann dieser bereits als das digitale Ausgangssignal des Sensors verwendet werden. Ein herkömmlicher Analog/Digital-Wandler wie beim CCD-Sensor oder CMOS-Sensor ist nicht erforderlich.
In 2 ist eine zeilenförmige Anordnung mehrere Pixel 21 dargestellt, die somit einen zeilenförmigen lichtempfindlichen Sensor für eine Zeilenkamera bilden. Der Spannungsreferenzwert wird durch einen zum Sensor externen Spannungsreferenzwertgeber 28 jeder Vergleichseinheit 24 eines jeden Pixels zugeführt. Der Zähler 29 ist ebenfalls extern zu den Pixeln on-chip oder off-chip angeordnet und liefert jeder Erfassungseinheit das Zeitsignal. Damit lässt sich ein kompakter Aufbau des zeilenförmigen lichtempfindlichen Sensors erreichen.
3 zeigt eine mögliche Anordnung von mehreren Pixeln 21 in Zeilen und Spalten zur Bildung eines matrixförmigen lichtempfindlichen Sensors für eine Matrixkamera. Auch hier ist ein gemeinsamer externer Sollwertgeber 28 für jede Vergleicheinheit 24 und ein gemeinsamer externer Zähler 29 für jede Erfassungseinheit 25 eines jeden Pixels vorhanden.
Im Zuge der Belichtung wird in jedem Konverter eine steigende Spannung entsprechend dem Verlauf in 8 erzeugt. Erreicht oder überschreitet der der Vergleichseinheit zugeführte Spannungswert den Spannungsreferenzwert, wird das Zeitsignal erfasst und gespeichert oder unmittelbar ausgegeben. Die Ladung wird solange gesammelt, bis der Spannungsreferenzwert erreicht wird. Durch entsprechende Wahl des Spannungsreferenzwerts können daher auch Belichtungen mit schwacher Intensität erfolgen. Auch kann eine Überbelichtung in der Regel vermieden werden.
Die Charakteristik des Sensors und der Verlauf von dessen digitalen Ausgangssignal über der Intensität hängen sowohl von der Wahl des Spannungsreferenzwerts und von dessen zeitlichen Verlauf als auch von der Wahl des zeitlichen Verlaufs des Zeitwerts ab. Bei den folgenden Beispielen entspricht das digitale Ausgangsignal dem digitalen Zeitwert DN, der vom Zähler erzeugt wird. In den folgenden 4 bis 7 sind verschiedene Charakteristiken gezeigt, die durch unterschiedliche zeitliche Verläufe des Spannungsreferenzwerts U_ref und/oder des Zeitwerts DN erzeugt werden. Es sind in den Diagrammen stets die Verhältnisse zu maximal Werten dargestellt, so dass sich, bis auf die Werte der Intensität, stets ein Wertebereich von 0 bis 1 ergibt.
In allen folgenden Diagrammen und nachfolgenden Formeln wird ein tanh-artiges Sättigungsverhalten der erzeugten Spannung über der Belichtungszeit angenommen und gezeigt. Es sind selbstverständlich auch andere Näherungsfunktionen für den Spannungsverlauf anwendbar, wobei dann die zeitlichen Abhängigkeiten entsprechend dieser Näherungsfunktionen angeglichen und geändert werden müssen. Ferner wird durch die mathematischen Formeln und in den Diagrammen der Übersichtlichkeit halber nur die qualitative Charakteristik ohne die Berücksichtigung von technischen Einheiten und dergleichen berechnet beziehungsweise dargestellt. Bei der Berechnung und Ermittlung der quantitativen Charakteristik müssen weitere Konstanten und Parameter, beispielsweise die tatsächliche Belichtungszeit, berücksichtigt werden, die unter anderem vom verwendeten Sensor abhängen. Dies sind aber dem Fachmann bekannte Maßnahmen und bedürfen an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung.
4 zeigt die Charakteristik eines Pixels bei einem konstanten Spannungsreferenzwert U_ref/U_max über der Belichtungszeit t/T. In 4 links ist zudem der zeitliche Verlauf der erzeugten Spannung U/U_max und der aus den Zeitschritten erzeugte digitale Zeitwert DN/DN_max über der Zeit t/T dargestellt. Hier entspricht der Zeitwert DN der Anzahl der Zeitschritte, abgezählt vom maximalen Zeitwert DN_max zum Zeitwert 0. In 4 rechts ist der Verlauf der digitalen Zeitwert DN/DN_max über der Intensität I dargestellt. Es gelten näherungsweise folgende Beziehungen: Uref(t) = const. DN(t) = DNmax(1 - t/T) DN/DNmax(I) = 1 – 1/I
Es ist ein anfänglicher Kurvenbereich 41 niedrigster Intensität zu erkennen, in dem der zu vergleichende Spannungswert innerhalb der Belichtungszeit den Spannungsreferenzwert nicht erreicht. Das Pixel ist dann unterbelichtet. In dem sich anschließenden Kurvenbereich konvergiert der digitale Ausgangswert DN in etwa entsprechend der Funktion 1 – 1/I zum Wert DN_max.
Allerdings können der Spannungsreferenzwert und der zeitliche Verlauf des Zeitwerts DN verändert werden. In 5 ist eine mögliche Charakteristik bei sich änderndem Spannungsreferenzwert U_ref/U_max und sich ändernden Zeitwert DN/DN_max über die Belichtungszeit t/T dargestellt. Die Zusammenhänge DN(t) und U_ref(t) sind in der folgender Gleichung dargestellt:
Für t/T < 1/2: Uref(t) = Umax·tanh(c/4) DN(t) = DNmax Für t/T ≥ 1/2: Uref(t) = Umax·tanh(c· t/T·(1 – t/T)) DN(t) = DNmax·2·(1 – t/T) (mit c als wählbare Konstante)
Es ergibt sich ein linearer Verlauf von DN/DN_max über der Intensität bis zum Ende der Belichtungszeit, wie in dem Graph in 5 rechts gezeigt ist.
6 zeigt die Verläufe von DN/DN_max(t) und U_ref/U_max(t) in Abhängigkeit von der Zeit t/T, die zu einem exponentiellen Verlauf in etwa der Form 1 – e^–I des Ausgangssignals DN/DN_max über der Intensität führen. Bei dem angenommenen tanh-förmigen Spannungsverlauf kann dies durch folgende Zuordnungen erreicht werden: Uref(t) = Umax·(1 – t/T) DN(t) = DNmax(1 – e(–T/t atanh(1 – t/T))
7 zeigt die Zusammenhänge für DN/DN_max(t) und U_ref/U_max(t) über der Zeit t/T, die erforderlich sind, um eine γ-Korrektur zu berücksichtigen. Dies kann durch folgende Beziehungen dargestellt werden:
Für t/T < x₀: Uref(t) = Umax·tanh(c·x0·(1 – x0)1/γ) DN(t) = DNmax Für t/T ≥ x₀: Uref(t) = Umax·tanh(c·t/T·(1 – t/T)1/γ) DN(t) = DNmax·(1 – x0)·(1 – t/T) (mit γ, x₀ und c als wählbare Parameter oder Konstanten)
Es ergibt sich näherungsweise die Charakteristik DN/DN_max = I^γ.
Die verschiedenen Verläufe des Spannungsreferenzwerts einerseits und/oder der des Zeitwertes andererseits in Abhängigkeit von der Zeit können durch entsprechende Ausbildung des Sollwertgebers beziehungsweise Zählers ohne weiteres generiert werden. Der Sollwertgeber kann beispielsweise einen Speicher umfassen, in dem jedem Zeitschritt ein Spannungsreferenzwert zugeordnet wird. Der Zähler kann eine Zuordnungseinheit umfassen, in der jedem Zeitschritt oder in Abhängigkeit von der Zeit ein Zeitwert zugeordnet wird. Damit lassen sich die gewünschten und/oder ermittelten Verläufe diskret durch abrufbare Werte darstellen.
Der Zähler erzeugt in den vorstehenden Ausführungsbeispielen bereits den digitalen Zeitwert in Abhängigkeit von der Zeit beziehungsweise von der Anzahl der verstrichenen Zeitschritte. Es ist aber auch möglich, dass nur die Anzahl der verstrichenen Zeitschritte erfasst und als Ausgangssignal verwendet wird. In einer nachgeschalteten Zuordnungseinheit kann dann die erfasste Anzahl der Zeitschritte einem Zeitwert zugeordnet und die Charakteristik des Sensors erzeugt werden.

21: Pixel
23: Konverter (Q/U Konversion)
24: Vergleichseinheit (Komparator)
25: Erfassungseinheit (Latch)
28: Spannungsreferenzwertgeber (U_refDAC)
29: Zähler
31: Reset
32: Digitaler Multiplexer oder Schieberegister
33: Digitaler Datenausgang
34: 2. Latch
35: TransferPuls
36: SpaltenSchreibzugriff
37: Zeilenadressierungsdecoder
38: Datenausgang
39: Digitales Schieberegister
40: Komparator
41: Reset-Transistor
42: Digitaler Bus
43: mehrere BusReceiver
44: mehrere BusTreiber
45: mehrere Transistoren
46: mehrere DRAM Zellen
47: Zeilenadresse

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals eines lichtempfindlichen Sensors mit wenigstens einem lichtempfindlichen Pixel, in dem durch einfallendes Licht ein elektrisches Intensitätssignal erzeugt wird, das nach oder während einer einstellbaren Belichtungszeit zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungszeit in Zeitschritte unterteilt und ein von der Anzahl der im Zuge der Belichtungszeit verstrichenen Zeitschritte abhängiges Zeitsignal erzeugt wird, dass das Intensitätssignal mit wenigstens einem einstellbaren Referenzwert (U_ref) verglichen und das Zeitsignal erfasst wird, sobald das Intensitätssignal den Referenzwert erreicht oder über- oder unterschreitet, und dass das erfasste Zeitsignal als das digitale Ausgangssignal des Pixels ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitsignal die Anzahl der Zeitschritte oder die Differenz zwischen der der Belichtungszeit (T) entsprechenden Anzahl der Zeitschritte und der verstrichenen Anzahl der Zeitschritte ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (U_ref) während der Belichtungszeit (T) konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (U_ref) in Abhängigkeit von der Zeit (t) beziehungsweise der Anzahl der verstrichenen Zeitschritte verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungszeit (T) in gleich große Zeitschritte unterteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungszeit (T) in veränderliche Zeitschritte unterteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitsignal ein digitaler Zeitwert (DN) ist, der der Anzahl der verstrichenen Zeitschritte zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Zeitwert (DN) zumindest während eines Abschnitts der Belichtungszeit (T) ändert.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitwert (DN) zumindest während eines Abschnitts der Belichtungszeit (T) linear von der Anzahl der verstrichenen Zeitschritte abhängt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitwert (DN) für einen Abschnitt der Belichtungszeit unabhängig von der Anzahl der Zeitschritte konstant ist.
Verfahren nach 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Zeitwert (DN) der Anzahl der Zeitschritte oder der Differenz zwischen der der Belichtungszeit entsprechenden Anzahl der Zeitschritte und der verstrichenen Anzahl der Zeitschritte entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleich des Intensitätssignals mit dem Referenzwert zu auswählbaren Zeitschritten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleich des Intensitätssignals mit dem Referenzwert zu jedem Zeitschritt erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Speichereinheit jedem Zeitschritt ein Referenzwert zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Intensitätssignal die im Pixel erzeugte Spannung und der Referenzwert ein Spannungsreferenzwert ist.
Aufbau eines lichtempfindlichen Sensors mit wenigstens einem lichtempfindlichen Pixel (21), in dem durch einfallendes Licht ein elektrisches Intensitätssignal erzeugt wird, das nach oder während einer einstellbaren Belichtungszeit zum Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Pixel (21) mit einem Zähler (29) in Verbindung steht, der die Belichtungszeit in Zeitschritte unterteilt und ein von der Anzahl der im Zuge der Belichtungszeit verstrichenen Zeitschritten abhängiges Zeitsignal erzeugt, und eine Vergleicheinheit (24), die das Intensitätssignal mit wenigstens einem einstellbaren Referenzwert vergleicht, sowie eine Erfassungseinheit (25) aufweist, die das Zeitsignal erfasst, sobald das Intensitätssignal den Referenzwert erreicht, unter- oder überschreitet, und dass das Zeitsignal als das digitale Ausgangssignal des Pixels auswertbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitsignal die Anzahl der Zeitschritte oder die Differenz zwischen der der Belichtungszeit (T) entsprechenden Anzahl der Zeitschritte und der verstrichenen Anzahl der Zeitschritte ist.
Aufbau nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitsignal ein digitaler Zeitwert ist und der Zähler die Anzahl der verstrichenen Zeitschritte einem digitalen Zeitwert zuordnet.
Aufbau nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Zähler eine Zuordnungseinheit aufweist oder mit einer Zuordnungseinheit zusammenwirkt, in der der Anzahl der verstrichenen Zeitschritte ein digitaler Zeitwert zugeordnet ist.
Aufbau nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine zum Pixel externe Speichereinheit (28) vorhanden ist, in der zu jeder Anzahl der verstrichenen Zeitschritte oder zu jedem Zeitwert ein vorgebbarer Referenzwert speicherbar ist und die mit der Vergleicheinheit (24) in Verbindung steht.
Aufbau nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtempfindliche Sensor zeilenförmig mit einer Vielzahl von Pixeln (21) in einer Reihe ausgebildet ist.
Aufbau nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Zähler (29) und/oder ein gemeinsamer Referenzwertspeicher (28) jedem Pixel zugeordnet und mit der Erfassungseinheit (25) beziehungsweise der Vergleicheinheit (24) eines jeden Pixels verbunden ist.
Aufbau nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtempfindliche Sensor flächig mit einer Vielzahl von Pixeln (21) ausgebildet ist, die matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordnet sind.
Aufbau nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Zähler (29) und/oder ein gemeinsamer Referenzwertspeicher (28) jedem Pixel einer Spalte und/oder Zeile zugeordnet und mit der Erfassungseinheit beziehungsweise der Vergleicheinheit eines jeden Pixels einer Spalte und/oder Zeile verbunden ist.