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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein TOF-Pixel, bestehend aus mindestens
einem strahlungsempfindlichen Bereich und mindestens zwei Anschlusskontakten,
welche beabstandet voneinander Ladungen aus dem strahlungsempfindlichen
Bereich ableiten, auf einem integrierten Halbleiterchip, sowie mindestens
einem Speicherbereich für
Ladungen, der dem strahlungsempfindlichen Bereich zugeordnet ist,
wobei der strahlungsempfindliche Bereich aus einem Material besteht,
in welchem in Reaktion auf eine Bestrahlung freie Ladungsträger erzeugt
werden und wobei der strahlungsempfindliche Bereich sowohl durch
eine intensitätsmodulierte
Strahlung als auch durch ein elektrisches Modulationsfeld gleichzeitig
beaufschlagbar ist, wobei die elektrische Modulationsfrequenz in
einer wohldefinierten Beziehung zu der Modulationsfrequenz der intensitätsmodulierten
Strahlung steht.
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Ebenso
betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren für den Betrieb
des vorgenannten TOF-Pixels, welches gleichzeitig mit einer intensitätsmodulierten
Strahlung und einem elektrischen Modulationsfeld beaufschlagt wird,
dessen Frequenz in einer wohldefinierten zu der Modulationsfrequenz
der intensitätsmodulierten
Strahlung steht.
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Die
Abkürzung „TOF" steht dabei für „Time of
Flight" und bringt
zum Ausdruck, daß ein
entsprechendes Pixel dafür
vorgesehen und geeignet ist, die Laufzeit einer (intensitätsmodulierten)
Strahlung zu messen, die von einer Quelle ausgeht und gegebenenfalls
von mit Hilfe der Strahlung zu erfassenden Objekten reflektiert
oder gestreut wird, wobei die Position der Quelle bekannt ist.
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Der
Begriff Anschlusskontakt, wie er für die elektrische Verbindung
des strahlungsempfindlichen Bereiches verwendet wird, über welche
die Ladungen von dem strahlungsempfindlichen Bereich in den Speicherbereich
abgeleitet werden, ist in diesem Zusammenhang allgemein im Sinne
eines elektrischen Anschlusses zu verstehen, der geeignet ist, Ladungen,
die aufgrund der elektrischen Modulation periodisch in verschiedene Sektoren
oder Teile des strahlungsempfindlichen Bereichs verschoben werden,
zu den Speicherbereichen abzuleiten, soweit die Speicherbereiche
nicht selbst unmittelbar an den strahlungsempfindlichen Bereich
angrenzen.
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Entsprechende
TOF-Pixel und Verfahren zu deren Betrieb sind u.a. unter der Bezeichnung
PMD-Pixel aus dem Stand der Technik bekannt (siehe z. B.
DE 197 04 496.4 ). Die
gleichzeitige Beaufschlagung eines strahlungsempfindlichen Bereiches
(welches beispielsweise aus einem geeigneten Halbleitermaterial
besteht) mit intensitätsmodulierter
Strahlung und mit einem internen elektrischen Modulationsfeld, dessen
Modulationsfrequenz in einer wohldefinierten Beziehung zu der Modulationsfrequenz
der intensitätsmodulierten
Strahlung steht, führt
zu einem Korrelationssignal in Form von den allgemeinen unterschiedlichen
Ladungsmengen, in die an verschiedenen Stellen des strahlungsempfindlichen
Bereiches durch entsprechende Anschlusskontakte bzw. Anschlusskontakts
abgeleitet werden. Im einfachsten Fall sind Frequenz- und Wellenform der
intensitätsmodulierten
Strahlung und des elektrischen Modulationsfeldes identisch und das
elektrische Modulationsfeld in dem strahlungsempfindlichen Bereich
wird derart angelegt, daß die
unmittelbar an die Anschlusskontakte angrenzenden Bereiche in etwaigem
Gegentakt moduliert werden. Dies führt dazu, daß wechselweise
die in dem strahlungsempfindlichen Bereich entstehenden freien Ladungsträger bevorzugt
zu dem einen oder dem anderen Anschlusskontakt geführt und
von dort abgeleitet werden. Diese Ladungsmengen von den Anschlusskontakten
werden in mindestens einem Speicherbereich aufintegriert, wobei
sich nur im Falle einer Beaufschlagung des strahlungsempfindlichen
Bereichs mit der entsprechenden, intensitätsmodulierten Strahlung im allgemeinen
ein Unterschied in den von den beiden Anschlusskontakten abgeleiteten
Ladungsmengen ergibt. Nicht mit der elektrischen Modulation korrelierte
Hintergrundstrahlung erzeugt zwar auch freie Ladungsträger in dem
strahlungsempfindlichen Bereich, die jedoch im statistischen Mittel
zu der jeweils gleichen, an den Anschlusskontakten abgeleiteten
Ladungsmenge führen.
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Allerdings
kann in vielen praktischen Fällen
die Hintergrundstrahlung gegenüber
der intensitätsmodulierten
Strahlung bei weitem dominieren, was zu einem erheblichen Untergrund
an erzeugten freien Ladungsträgern
führt,
von denen sich das Korrelationssignal nur schwer trennen lässt. Insbesondere
kann es je nach Intensität
der Hintergrundstrahlung, der Kapazität der Speicherbereiche und
der erforderlichen Integrationszeit zu einem Überlauf des Speicherbereiches
kommen.
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Unter
bestimmten Bedingungen kann es auch geschehen, daß die intensitätsmodulierte
Strahlung dominiert und auch dann kann ein Speicherbereich sehr
schnell in die Sättigung
kommen, so daß die
Differenz der durch die beiden Anschlusskontakte abgeleiteten Ladungen
nicht mehr erfassbar ist. Während
die vorzugsweise zu verwendende Modulationsfrequenz typischerweise
im MHz-Bereich liegen, wobei ja nach konkreter Auslegung Modulationsfrequenzen
im Bereich von 20 kHz bis 10 GHz möglich sind, liegt die Integrationszeit
typischerweise im Bereich von 1 bis 50 Millisekunden, wobei auch
kürzere
oder längere
Integrationszeiten grundsätzlich
denkbar sind. Wesentlich ist allerdings, daß der Kehrwert der Integrationszeit
(d.h. die Pixel-Auslesefrequenz)
um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise einen Faktor 100 kleiner
ist als die Modulationsfrequenz der intensitätsmodulierten Strahlung, damit
ein Korrelationssignal mit der gewünschten Genauigkeit erfasst
werden kann.
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Kurze
Integrationszeiten liefern nur ein schwaches und quantitativ entsprechend
schwer auszuwertendes Korrelationssignal, während allerdings lange Integrationszeiten
häufig
zu dem bereits angesprochenen Sättigungsproblem
führen.
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Der
Einfachheit halber und ohne Beschränkungsabsicht kann zur Erleichterung
des Verständnisses davon
ausgegangen werden, dass die verwendete Strahlung elektromagnetische
Strahlung im optischen oder in der Nähe des optischen Bereiches
ist und dass dementsprechend der strahlungsempfindliche Bereich
des Pixels typischerweise aus einem fotosensitiven Material besteht.
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Entsprechende
TOF-Pixel sind üblicherweise
in einem Array angeordnet und dienen beispielsweise zur dreidimensionalen
Erfassung von Objekten. Das Korrelationssignal liefert dabei eine
Information über
die relative Phasenlage zwischen modulierter Strahlung und elektrischer
Modulation, woraus sich die Laufzeit der intensitätsmodulierten
Strahlung ermitteln und in Abstandsinformation umsetzen lässt. Mit
entsprechenden Pixelarrays sind inzwischen gut aufgelöste 3D-Darstellungen
von Objekten im Nahbereich (bis etwa 100 Meter) verfügbar. Für größere Abstände lässt das
Auflösungsvermögen bezüglich der
Abstandsinformation merklich nach, da das von entfernt gelegenen,
dreidimensionalen Objekten reflektierte, intensitätsmodulierte
Strahlungssignal entsprechend dem großen Abstand zunehmend schwächer wird,
so daß auch
das Korrelationssignal, das sich in einer Differenz der von den
verschiedenen Anschlüssen
eines strahlungsempfindlichen Bereichs abgeleiteten Ladungen ergibt,
entsprechend schwer vom Hintergrundsignal abzutrennen ist.
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Gegenüber dem
vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein TOF-Pixel mit den eingangs genannten Merkmalen
und ein entsprechendes Verfahren zu schaffen, welche eine optimierte
Ausnutzung der Speicherkapazität
gewährleisten
und insbesondere eine Übersättigung
der Speicherbereiche vermeiden.
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Hinsichtlich
des TOF-Pixels selbst wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine integrierte Überwachungsschaltung
vorgesehen ist, welche die Ladungsmenge auf dem bzw. die entsprechende
Spannung an dem mindestens einen Speicherbereich oder den Anschlusskontakten
kontrolliert und welche einen Überlauf des
Speicherbereichs verhindert.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
weist das erfindungsgemäße TOF-Pixel
hierfür
- a) Einrichtungen zum Unterbrechen bzw. Abbrechen
der Ladungsintegration in Abhängigkeit
von der erfassten Menge an Ladung in dem mindestens einen Speicherbereich
und/oder
- b) Einrichtungen zum Aufprägen
eines Kompensationsstromes auf mindestens einen der Anschlusskontakte
und/oder den mindestens einen Speicherbereich auf.
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Unter
einer integrierten Überwachungsschaltung
versteht die vorliegende Erfindung eine einem Pixel individuell
zugeordnete Halbleiterschaltung, die auf demselben Chip wie das
Pixel und in dessen unmittelbarer Nachbarschaft implementiert sein
kann, die aber auch, und zwar vorzugsweise, auf einer der Pixeloberfläche parallelen
Ebene zwar in der Nähe
des Pixels und eventuell auch auf demselben Substrat oder Träger angeordnet
sein kann, die aber auch aus einem anderen Halbleitermaterial als
das Pixel hergestellt und auf einem benachbarten Träger oder
Substrat angeordnet sein kann.
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Erfindungsgemäß wird demnach
bereits während
der Integration der Ladungen auf einen Speicherbereich die auf den
Speicherbereich übertragene
bzw. dort bereits angesammelte Ladung kontrolliert und eine Überlauf
verhindert. Hierzu werden beispielsweise Einrichtungen zum Ab brechen
der Ladungsintegration aktiviert oder es wird ein Kompensationsstrom
aufgeprägt,
und zwar entweder unmittelbar auf den Speicherbereich oder aber
auf den entsprechenden Anschlusskontakt, der den strahlungsempfindlichen
Bereich mit dem Speicherbereich verbindet, wobei der Kompensationsstrom
die in den Speicherbereich abgeleitete bzw. abzuleitende Ladung
mindestens teilweise kompensiert.
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Insbesondere
dann, wenn Einrichtungen zum Abbrechen der Ladungsintegration vorgesehen
sind, ist eine Variante der Erfindung bevorzugt, bei welcher zusätzlich noch
eine Einrichtung zur Erfassung der von einem Reset des mindestens
einen Speicherbereiches (welcher nach jedem Auslesen des Speicherbereiches erfolgt)
bis zum Abbruch der Integration vorgehenden Zeit vorgesehen ist.
Aus dem Verhältnis
der normalen Integrationszeit zu der Zeit bei Abbruch der Integration
lässt sich
dann eine theoretische Ladungsmenge berechnen, die der Speicher
bei einer entsprechenden Aufnahmekapazität nach Erreichen der normalen
Integrationszeit gehabt hätte.
Dieses theoretische Signal kann dann bei der weiteren Verarbeitung
der erfassten Daten bzw. Ladungen und Umsetzung in eine konkrete
Bild- bzw. Tiefeninformation verwendet werden.
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Zweckmäßigerweise
werden sowohl Einrichtungen zur Aufprägung eines Kompensationsstroms
als auch Einrichtungen zum Abbrechen der Ladungsintegration vorgesehen.
Dabei wird zunächst
der Kompensationsstrom aufgeprägt
um eine Sättigung
eines Speicherbereiches zu verhindern, wobei aber dieser Kompensationsstrom
womöglich
nicht ausreicht bzw. aus grundsätzlichen
Erwägungen
heraus nicht so einstellbar ist, daß eine Sättigung innerhalb der einer
standardmäßig vorgesehenen
Integrationszeit sicher verhindert, wohl aber verzögert wird.
Der Abbruch der Ladunsgintegration erfolgt dann also wesentlich
später
als ohne Kompensation und die Abbruchzeit wird dann erfasst. Mit
anderen Worten durch Aufprägen
des Kompensationsstroms, der z. B. beliebige Hintergrundsignale
unterdrückt,
wird die bei dem gegebenen Nutzsignal mit den vorhandenen Speicherbereichen
maximal mögliche
Integrationszeit genutzt (sofern diese kürzer ist als die standardmäßig vorgesehene
Integrationszeit) und damit eine Messung des Differenzsignals mit
maximaler Genauigkeit durchgeführt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Einrichtung zum Erfassen der Abbruchzeit
mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung einer Spannungsrampe und
eine Einrichtung zur Erfassung des aktuellen Werts der Spannungsrampe
bei Abbruch der Integration auf. Auf diese Weise wird die Zeit einfach
umgesetzt in einen aktuellen Spannungswert. Dabei kann es zweckmäßig sein,
zwei verschiedene Einrichtungen zur Erzeugung von Spannungsrampen
unterschiedlicher Steigungen vorzusehen, die eine Messung auf unterschiedlichen Zeitskalen
ermöglichen,
indem die steilere Spannungsrampe nach relativ kurzer Zeit zurückgesetzt
wird, während
die flachere Spannungsrampe über
eine längere
Zeit ansteigt, so daß die Kombination
beider Spannungswerte eine sehr genaue Zeitmessung ergibt. Alternativ
kann die Spannungsrampe auch eine variable Steigung haben, mit einer
maximalen Steigung nach einem Reset und einer zunehmend geringeren
Steigung im Verlauf der Integrationszeit.
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Dabei
kann die Steigung der Spannungsrampe beispielsweise stufenweise
abnehmen und eine erste Steigung, beispielsweise während eines
ersten Bruchteils von 1/100 der
maximalen Integrationszeit, eine um beispielsweise einen Faktor
5 reduzierte Steigung in der vollen Zeit bis zu 1/10 der maximalen Integrationszeit und eine
nochmals um einen Faktor 5 oder 10 reduzierte Steigung während der
verbleibenden Integrationszeit haben.
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Auf
diese Weise werden sehr kurze Abbruchzeiten mit einer höheren absoluten
Genauigkeit erfasst als lange Abbruchzeiten, ohne daß die Spannungsrampe
insgesamt auf sehr hohe Spannungswerte gefahren werden muss, gleichzeitig
ist aber die relative Genauigkeit der Abbruchzeiten über den
gesamten in Frage kommenden Bereich hinweg mit ausreichender Genauigkeit
erfasst, da sich Messungenauigkeiten der Spannung aufgrund einer
geringeren Rampensteigung, bezogen auf die aktuelle Abbruchzeit
geringer auswirken, wenn bereits ein größerer Teil der Integrationszeit
verstrichen ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, daß für ein TOF-Pixel mindestens
eine Einrichtung zur Konstanthaltung der Spannung bzw. Ladungsmenge
an mindestens einem der Aufnahmeanschlüsse vorgesehen ist. Konstanthaltung
der Spannung an einem der Aufnahmeanschlüsse bedeutet, daß über diesen
Anschluss keine weiteren Ladungen in Richtung eines Speicherbereiches
abfließen.
Da für
die Funktion eines TOF-Pixels im wesentlichen nur die Spannungs-
bzw. Ladungsdifferenz von Interesse ist, die an den voneinander
beabstandeten Aufnahmeanschlüssen
entsteht, hat das Konstanthalten der Spannung an mindestens einem
der Aufnahmeanschlusskontakte keinen Einfluss auf die Differenzmessung,
wenn der zur Konstanthaltung dieser Spannung auf den Aufnahmeanschluss
aufzuprägende
Strom in gleicher Weise auch auf den zweiten Aufnahmeanschluss aufgeprägt wird,
was dazu führt,
daß jede
Spannungsdifferenz an dem zweiten Aufnahmeanschluss der Differenz
der beiden Signale von den verschiedenen Aufnahmeanschlüssen entspricht.
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Bevorzugt
sind für
jedes Pixel mindestens zwei Speicherbereiche vorgesehen, denen jeweils
eine Einrichtung zur Erfassung der gespeicherten Ladungsmenge zugeordnet
ist. Zweckmäßigerweise
sind die Einrichtungen zur Erfassung der gespeicherten Ladungsmenge
in der Weise miteinander gekoppelt, daß sobald die Ladungsmenge in
einem der Speicherbereiche einen kritischen Grenzwert zu überschreiten
droht, Maßnahmen
zur Reduzierung oder mindestens zum Konstanthalten dieser gespeicherten
Ladungsmenge getroffen werden, die gleichzeitig auch auf den zweiten
Speicherbereich angewendet werden, so daß das Differenzsignal zwischen
den Speicherbereichen erhalten bleibt bzw. sich aufgrund der verlängerten
Integration noch vergrößert. Erst
wenn auch die Einrichtungen zur Erfassung der gespeicherten Ladungsmenge
für den
zweiten Speicherbereich die Über-
oder Unterschreitung eines weiteren Grenzwertes feststellen, wird
in der bevorzugten Variante der Erfindung die Integration abgebrochen
und die bis dahin verstrichene Integrationszeit registriert.
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Demzufolge
ist es zweckmäßig, wenn
die Einrichtung zum Aufprägen
eines Kompensationsstromes für
das Aufprägen
jeweils gleichgroßer
Kompensationsströme
auf beide Speicherbereiche bzw. auch unmittelbar auf die Aufnahmeanschlüsse ausgelegt
ist. Dabei kann beispielsweise ein Kompensationsstrom verwendet werden,
der dem Inversen desjenigen Stroms entspricht, der von einem der
Aufnahmeanschlüsse
in Richtung eines zugehörigen
Speicherbereiches fließt.
Das Aufprägen
dieses inversen Kompensationsstromes hat dann den Effekt, daß der betreffende
Aufnahmeanschluss, von welchem der invertierte Strom abgeleitet
wird, auf einem konstanten Spannungsniveau bleibt, der auf den zweiten
Aufnahmeanschluss in gleicher Größe aufgeprägte, invertierte
Strom entweder zu einer Überkompensation
der Ladungen des Speicherbereiches bzw. des von dem zweiten Aufnahmeanschluss
fließenden
Stromes führt
oder aber zur Kompensation dieses Stromes nicht ausreicht, so daß der zugeordnete
Speicherbereich und/oder der Aufnahmeanschluss, der über- oder
unterkompensiert wird, nach einer gewissen Zeit einen vorgebbaren
Spannungsgrenzwert überschreitet,
der dann zum Abbruch der Integration für beide Anschlüsse führt.
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Auf
diese Weise ergibt sich das Signal von dem zweiten Aufnahmeanschluss
automatisch als Differenz der Signale beider Aufnahmeanschlüsse.
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Daneben
ist auch eine Variante der Erfindung zweckmäßig und für manche Anwendungen bevorzugt, bei
welcher nur der nicht korrelierte Anteil des Stromes an beiden Aufnahmeanschlüssen kompensiert
wird. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise die Summe der Ströme beider
Anschlüsse
erfassen, und die Hälfte dieser
Summe als Kompensationsstrom auf beide Anschlüsse leiten, so daß nur noch
das Differenzsignal in Form von Ladungen bzw. Spannungen an den
Speicherbereich auslesbar ist. Auch hier wird in der bevorzugten
Ausführungsform
die Integration abgebrochen, sobald allein dieser Differenzwert
zur Überschreitung
eines Grenzwertes führt.
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In
einer weiteren Variante, welche nur einen einzigen Speicherbereich
für beide
Aufnahmeanschlüsse verwendet,
wobei dem Speicherbereich nur das Differenzsignal beider Anschlüsse zugeführt wird,
arbeitet in der Weise, daß ein
Aufnahmeanschluss des stromempfindlichen Bereiches mit einer Einrichtung
zum Ermitteln des Ladungs- bzw. Spannungszustandes und zum Aufprägen eines
Kompensationsstromes verbunden ist, der genau dem von dem betreffenden
Aufnahmeanschluss abfließenden
Strom entspricht. Indem dieser Strom invertiert zurückgekoppelt
wird, bleibt die Ladung und die Spannung an diesem Aufnahmeanschluss
konstant. Gleichzeitig wird dieser Kompensationsstrom gespiegelt
und auch auf den zweiten Aufnahmeanschluss gegeben, von welchem
dann lediglich noch das Differenzsignal als Strom auf den Speicherbereich
gegeben wird. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit einer vorzeitigen
Sättigung
beträchtlich
und verlängert
die praktisch mögliche
Integrationszeit.
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Hinsichtlich
des eingangs genannten Verfahrens für den Betrieb eines TOF-Pixels,
bei welchem der strahlungsempfindliche Bereich eines Halbleiterchips
durch eine intensitätsmodulierte
Strahlung und gleichzeitig auch mit einem elektrischen Modulationsfeld
beaufschlagt wird, dessen Frequenz in einer wohldefinierten Beziehung
zu der Modulationsfrequenz der intensitätsmodulierten Strahlung steht,
wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ladungsmenge
auf dem bzw. die entsprechende Spannung an dem mindestens einem
Anschlusskontakt oder dem mindestens einen damit verbundenen Speicherbereich erfasst
und verarbeitet wird und ein Überlauf
des Speicherbereichs durch entsprechende Maßnahmen verhindert wird. Hierzu
gehört
beispielsweise, daß die
Ladungsintegration in Abhängigkeit
von der erfassten Menge an Ladung in dem mindestens einen Speicherbereich
abgebrochen wird, und/oder ein Kompensationsstrom dem mindestens
einen Anschlusskontakt oder damit verbundenen Speicherbereich aufgeprägt wird.
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Analog
zu dem entsprechenden TOF-Pixel ermöglicht diese vorgeschlagene
Vorgehensweise, daß eine Übersättigung
der Speicherbereiche wirksam verhindert wird, so daß die Phasen-
und damit die räumliche Tiefeninformation
mit verbesserter Genauigkeit gewonnen werden kann.
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Zweckmäßigerweise
wird beim Betrieb eines TOF-Pixels die Zeit zwischen einem Reset
des mindestens einen Speicherbereiches und dem Abbruch einer Integration
erfasst. Auf der Basis dieser Zeiterfassung kann dann eine Hochrechnung
hinsichtlich der in der vollen Integrationszeit erfassten bzw. erfassbaren
Ladungsmenge gewonnen werden. Die Zeiterfassung erfolgt zweckmäßigerweise über eine
Rampenspannung. Auch hier ist eine Zeiterfassung über mindestens
zwei Rampen unterschiedlicher Steigung besonders bevorzugt, wobei
alternativ auch eine Rampenspannung mit zeitlich variierender Steigung
erfolgt, die nach einem Reset maximal ist und anschließend, vorzugsweise
stufenweise, abnimmt.
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In
Analogie zu den bereits beschriebenen Merkmalen eines TOF-Pixels
kann die Spannung an mindestens einem Speicherbereich konstant gehalten
werden, beispielsweise indem dem betreffenden Speicherbereich bzw.
dem Aufnahmeanschluss ein entsprechender Kompensationsstrom zugeführt wird.
Bei einer Ausführungsform,
bei welcher zwei Speicherbereiche vorgesehen sind, wird zweckmäßigerweise
ein Kompensationsstrom jeweils gleicher Stärke beiden Anschlusskontakten
zugeführt,
was sich auf die Differenz der Signale zwischen den beiden Aufnahmeanschlüssen nicht
auswirkt, wohl aber auf die absoluten Signale, so daß im Ergebnis
die Differenz wesentlich genauer bestimmt werden kann und außerdem ein
Speicherbereich nicht so leicht übersättigt wird.
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Wie
bereits beschrieben, kann die Spannung an einem der Aufnahmeanschlüsse konstant
gehalten werden und der hierfür
erforderliche Kompensationsstrom wird auch auf den zweiten Aufnahmeanschluss
gespiegelt.
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Bei
einer anderen Verfahrensweise wird der nicht korrelierte Anteil
des Signals, d.h. der Strom, bzw. die Ladungen, die allein durch
Hintergrundstrahlung erzeugt werden, ermittelt und von beiden Aufnahmeanschlüssen subtrahiert,
was wiederum zu einer wesentlich genaueren Ermittlung und Erfassung
des Differenzsignals beiträgt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
arbeitet weiterhin in der Weise, daß die Spannung des einen gemeinsamen
bzw. zweier getrennter Speicherbereiche überwacht wird und die Integration
bei Überschreitung eines
vorgebbaren Grenzwertes abgebrochen wird.
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Auch
hier wird zweckmäßigerweise
eine Rampenspannung verwendet, um den Zeitpunkt des Abbruchs relativ
zum Zeitpunkt des letzten Resets genau zu erfassen, was vorzugsweise
wieder durch eine Spannungsrampe erfolgt, die oben bereits beschrieben
wurde. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren.
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines TOF-Pixels nach dem Stand
der Technik
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2 eine
Schnittdarstellung nach 1 mit der Veranschaulichung
von Überlaufzuständen
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3 ein
Schema einer Überwachungsschaltung,
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4 eine
konkrete technische Realisierung einer Überwachungs- und Speicherschaltung,
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5 den
Spannungsverlauf an den Anschlusskontakten des strahlungsempfindlichen
Bereichs unter dem Einfluss der Überwachungsschaltung,
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6 ein
Schema für
die Zeitmessung mittels Rampenspannung,
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7 das
Schema einer Zeitmessung mithilfe einer Rampe mit variabler Steigung,
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8 eine
Variante bei der technischen Realisierung zur Messung eines Differenzstromes,
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9 ein
entsprechendes Schema eines Spannungsverlaufes, und
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10 eine
mögliche
Realisierung einer Schaltung mit Hintergrundkompensation.
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1 zeigt
schematisch einen Schnitt durch ein herkömmliches TOF-Pixel, das insgesamt
mit 100 bezeichnet ist.
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In
einem lichtempfindlichen Halbleitermaterial 1 sind unter
Metallkontakten 2, 3 jeweils Speicherbereiche 4, 5 ausgebildet,
wobei die Ladungen aus den Speicherbereichen über die Metallkontakte 2, 3 ausgelesen bzw.
entsprechende Spannungen erfasst werden können. In regelmäßigen Zeitabständen kann
durch Anlegen einer Spannung Ur ein Reset
vorgenommen werden, so daß die
Speicherbereiche 4, 5 entleert werden. Der lichtempfindliche
Bereich 1 zwischen den Metallkontakten 2, 3 weist
an seiner Oberseite zwei strahlungsdurchlässige Modulationsgates 6, 7 auf,
die aber nicht zwingend als getrennte Elemente vorhanden sein müssen, da
entsprechende Modulationsspannungen bei geeigneter Ausgestaltung
und Auswahl der Metall-Halbleiterkontakte
und des Halbleitermaterials auch direkt auf die Metallkontakte 2, 3 aufgebracht
werden können.
Eine Treppenkurve 8 veranschaulicht schematisch den Potentialverlauf
im Inneren des Halbleiters. Durch die Modulationsgates 6, 7,
die vorzugsweise im Gegentakt mit der Modulationsspannung beaufschlagt
werden, wird das Potential unter den Modulationsgates wechselweise
angehoben und abgesenkt. Währenddessen
wird der photoempfindliche Bereich zwischen den metallischen Kontakten
mit einer intensitätsmodulierten
Strahlung beaufschlagt. Dies bedeutet, daß die Zahl der in dem lichtempfindlichen
Halbleitermaterial unterhalb der Modulationsgates 6, 7 erzeugten,
freien elektrischen Ladungsträger
in ihrer Zahl entsprechend der Intensitätsmodulation der Belichtung
bzw. Bestrahlung schwanken. Da im gleichen Takt auch das Potential 8 unter
den Modulationsgates schwankt, kommt es auf die relative Phasenlage
zwischen der Amplitudenmodulation der Strahlung und der elektrischen
Modulation an den Modulationsgates bzw. in dem lichtempfindlichen
Bereich unterhalb der Modulationsgates an, ob und welcher der beiden
Speicherbereiche 4, 5 mehr oder weniger der erzeugten
Ladungsträger
aufnimmt.
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Wenn
beispielsweise der in 1 dargestellte Potentialverlauf
gerade mit einem Maximum der Bestrahlung zusammenfällt, in
dem dargestellten Zustand also entsprechend mehr freie Ladungsträger erzeugt werden,
so dürften
diese Ladungsträger
aufgrund des dargestellten Potentialverlaufs überwiegend in den linken Speicherbereich 4 driften
und dort aufgenommen werden. Fällt
dann die Modulationsphase, bei welcher das Potential 8 auf
der linken Seite angehoben und auf der rechten Seite abgesenkt ist,
(wegen der Korrelation der entsprechenden Modulationsfrequenzen)
gerade mit einem Minimum der Amplitudenmodulation zusammen, so wird
die in diesem Moment relativ kleine Anzahl der erzeugten freien
Ladungsträger
vorwiegend oder nahezu ausschließlich in den rechten Speicherbereich 5 verschoben.
Da die Amplitudenmodulation und die elektrische Modulation miteinander
korrelieren, ergibt sich also im Regelfall eine Differenz in der
Zahl der in den linken bzw. rechten Speicherbereich verschobenen
Ladungsträger.
Nur bei einer ganz bestimmten relativen Phasenlage könnte diese
Differenz ausnahmsweise verschwinden, was man aber ggf. durch Messung
eines Quadratursignals oder eine kleine relative Verschiebung der
Phase der elektrischen Modulation eindeutig in eine exakte relative
Phasenlage umrechnen bzw. vervollständigen kann.
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Die
vorstehende Beschreibung der relativen Phasenmessung entspricht
dem Stand der Technik und braucht deshalb hier nicht weiter vertieft
zu werden. Ein Problem taucht jedoch auf, wenn, wie es in 2 dargestellt
wird, die Menge der erzeugten freien Ladungsträger so groß wird, daß die Speicherbereiche überlaufen,
d.h. die Ladungsmenge über
das gestrichelt eingezeichnete Sättigungsniveau 9 hinaus
ansteigt (genauer gesagt: aufgrund der angesammelten Ladungen das
Potential über
den Sättigungswert
ansteigt). In diesem Fall überlagert
das von den gespeicherten Ladungen selbst erzeugte Feld das Modulationspotential,
so daß die
Korrelation zwischen Bestrahlungsmodulation und elektrischer Modulation
verloren geht. 2a veranschaulicht
einen entsprechend Zustand aufgrund einer zu starken (intensitätsmodulierten)
Bestrahlung. 2b deutet eine sehr starke
(nicht modulierte) Hintergrundbestrahlung an und 2c veranschaulicht
den Überlaufzustand
aufgrund starker Bestrahlung und hoher Temperatur (thermische Erzeugung
von Ladungsträgern).
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Den Überlaufzustand
könnte
man zwar durch Anlegen der Resetspannung Ur in
kürzeren
Zeitabständen
vermeiden, jedoch bedeutet eine kürzere Integrationszeit gleichzeitig
auch eine wesentlich schlechtere Trennung bzw. schlechtere Auflösung der
Ladungsdifferenz, d.h. des Korrelationssignales, das man durch den Vergleich
der beiden Speicherbereiche gewinnen kann. Insbesondere wenn die
Erzeugung des Überschusses an
Ladungsträgern überwiegend
von Hintergrundstrahlung geliefert wird oder aufgrund hoher Temperatur
entsteht, ist bei einem häufigeren
Reset in kürzeren
Zeitabständen
das Differenzsignal aus den beiden Speicherbereichen sehr klein.
Darüber
hinaus kann auch die amplitudenmodulierte Bestrahlung sehr starken
Schwankungen unterworfen sein, beispielsweise wenn ein Objekt mit
der Strahlung abgetastet wird, welches teilweise kürzere Abstände und
teilweise deutlich größere Abstände zu dem
Pixel bzw. einem entsprechenden Array aus Pixeln oder Abschattungen
durch hinterschnittene Bereiche hat. Dies führt nur zeitweise oder nur
punktweise zur Überstrahlung,
was nicht durch generell kürzere
Integrationszeiten sinnvoll behoben werden kann.
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Herkömmlich wurden
für entsprechende
TOF-Pixel feste Integrationszeiten verwendet, die typischerweise
der üblichen
Bildwiederholfrequenz für
bewegte Bilder bzw. Filme entsprechen, d.h. Auslesen der Speicherbereiche
mit anschließendem
Reset und Wiederauffüllen
findet dabei in Zeitabständen
zwischen 1 und 50 Millisekunden statt, was allerdings kürzere oder
längere
Integrationszeiten nicht ausschließen soll.
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Betrachtet
man eine einfache Rechteck- oder auch Sinusmodulation, so erhält man für die in
1 mit U
ka und U
kb bezeichneten
Spannungswerte die folgenden Beziehungen:
wobei
i
p den Ladungsträgerstrom aufgrund der modulierten
Bestrahlung ist, T
int die Integrationszeit
wiedergibt und C
int der Kapazität des Speicherbereiches
entspricht.
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Wenn
neben der modulierten Strahlung auch eine Hintergrundstrahlung vorhanden
ist oder thermisch generierte Ladungsträger entstehen, so ist die Gesamtspannung
an den beiden Metallkontakten bzw. den entsprechenden Speicherbereichen
gegeben durch
wobei i
p0 den
Strom aufgrund der Hintergrundbestrahlung oder sonstiger nicht korreliert
erzeugter Ladungsträger
wiedergibt.
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Tatsächlich von
Interesse für
die Phasen und damit für
die Laufzeit der amplitudenmodulierten Strahlung von einer Quelle
bzw. einem Objekt bis zu dem Pixel ist lediglich der phasenabhängige Korrelationsanteil. Mit
anderen Worten, es wäre
zweckmäßig, den
jeweils zweiten Term auf der rechten Seiten der Gleichungen (2)
zu subtrahieren. Dies bedeutet, daß man beispielsweise den Strom
ip0 mit umgekehrten Vorzeichen beiden Speicherbereichen
zuführen
kann, so daß danach
nur noch eine dem korrelierten Signal entsprechende Ladung in dem
Speicherbereich verbleibt.
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Die
daraus resultierende Spannung bzw. Ladungsmenge ist naturgemäß kleiner
als die Spannung bzw. Ladungsmenge, die einem Speicher ansteht,
wenn korreliert und nicht korreliert erzeugte Ladungen aufintegriert
werden.
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Eine
andere Möglichkeit,
das korrelierte Signal von dem nicht korrelierten Anteil zu separieren,
besteht in der Differenzbildung Uka – Ukb. Das Ergebnis ist in diesem Fall die Differenz
der Ströme
ips(0°) – ips (180°)
und die Spannung Uka – Ukb ergibt
sich als der Differenzstrom multipliziert mit der Integrationszeit
und dividiert durch die Kapazität
des Speichers.
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese zwei Verfahren der
Korrektur unmittelbar und pixelweise zu implementieren. Ein entsprechendes
Schaltschema ergibt sich aus 3. In 3 ist
der lichtempfindliche Bereich schematisch als ein mit 1 bezeichneter
Block wiedergegeben, in welchem die Modulationsspannung Uma bzw. Umb anliegt
und welcher zusätzlich
mit intensitätsmodulierter
Strahlung beaufschlagt wird. Die Anschlusskontakte 11, 12 sind
zum einen über
Schalter 13, 14 mit Speicherbereichen 15, 16 verbunden, gleichzeitig
jedoch auch mit einer Überwachungsschaltung 20.
Sobald die Spannung an einem der Anschlusskontakte 11, 12 einen
vorgegebenen Grenzwert erreicht hat oder übersteigt, erzeugt die Überwachungsschaltung 20 einen
inversen Rückkopplungsstrom,
welcher im wesentlichen dem Strom entspricht, der über den
jeweiligen Anschlusskontakt 11 bzw. 12 in Richtung
des Speichers 15 bzw. 16 abfließt. Diese
Kompensationsstrom wird beiden Anschlusskontakten 11 und 12 aufgelegt,
was dazu führt,
daß der
eine Anschlusskontakt, von welchem der Kompensationsstrom abgeleitet
wurde, auf einem im wesentlichen konstanten Spannungsniveau verharrt,
während derselbe
aufgeprägte
Kompensationsstrom an dem anderen Anschlusskontakt entweder zu einer Überkompensation
oder einer Unterkompensation des dort tatsächlich fließenden Stromes führt. Das
Ergebnis entspricht einer Differenzbildung der beiden Ströme und liefert
somit allein die korrelierten Anteile gemäß den obigen Gleichungen.
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4 zeigt
eine konkrete praktische Implementierung einer entsprechenden integrierten
Schaltung. Der strahlungsempfindliche Bereich 1 entspricht
der Pixeloberfläche,
wobei das Pixel Teil eines großen
Pixelarrays sein kann. Integriert sind die Anschlusskontakte 11, 12 und
die Kontakte (sofern getrennt vorhanden) Uma,
Umb für
die Erzeugung der elektrischen Modulation. Auch die übrigen Abschnitte
der Schaltung sind Teil einer integrierten Halbleiterschaltung,
müssen
jedoch nicht notwendigerweise in derselben Ebene liegen, wie der
strahlungsempfindliche Bereich 1, sondern können beispielsweise
in einem von dem Material des lichtempfindlichen Bereiches 1 abweichenden
Halbleitermaterial ausgebildet sein, welches in einer zu dem Halbleitermaterial
benachbarten bzw. parallelen Ebene angeordnet ist. Dies gilt auch
für die
Speicherbereiche 15, 16, die durch je einen Kondensator
gebildet werden. Schalttransistoren M8 und M9 stellen die Verbindung
der Anschlusskontakte 11, 12 zu den Speichern 15, 16 her. 5 zeigt
einen möglichen
Spannungsverlauf an den Anschlusskontakten 11 bzw. 12,
die in 5 mit a bzw. b bezeichnet sind. Es sei angenommen,
daß die
Spannung des rechten Kontaktes (betragsmäßig) stärker ansteigt, d.h. im konkreten
Fall stärker
absinkt, so daß der rechte
Kontakt 12 zuerst eine Grenzspannung Uonset erreicht.
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Zu
Beginn eines Integrationszyklus wird durch Anlegen einer geeigneten
Spannung URP der Spannung UGH ein
Reset durchgeführt.
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Dadurch
werden die Integratoren C1 und C2 in den Speicherbereichen 15, 16 über die
PMOS-Schalter M5,
M6, M8, M9 auf eine gegebene Spannung Udrs gebracht.
Udrs ist eine niedrigere Spannung als die
DC-Betriebsspannung Udds für den Schaltkreis.
Us ist eine Vorspannung für den PMOS-Transistor
M7. Daher sind die Transistoren M1, M2, M3 und M4 abgeschaltet.
Dieser Zustand bleibt zunächst
zu Beginn des Integrationsvorgangs erhalten, der in 5 mit
I bezeichnet ist. Sobald die Spannung an dem Kontakt 12 den
Wert Uonset erreicht hat, wird der Transistor
bzw. Schalter M2 eingeschaltet, während M1 abgeschaltet bleibt,
so daß die
Anschlusskontaktspannungen von M3 und M4 herabgezogen werden. Dadurch
fließt
ein Rückkopplungsstrom ips(0°)
+ ip0 oder ips(180°) + ip0 über
M3 und M4 an beide Anschlüsse 11, 12 des
lichtempfindlichen Pixelbereiches. Dieser Rückkopplungsstrom gleicht den
Strom der Ladungsträger
am Kontakt 12 aus. Derselbe Strom wird aber auch dem Strom
am Kontakt 11 überlagert,
dessen Verlauf in 5 durch die Kurve a wiedergegeben
wird. Anschaulich entspricht der überlagerte Strom dem Verlauf
von b mit umgekehrtem Vorzeichen, was zu einer Überkompensation des Stromes
gemäß Kurve
a führt.
Diese Überkompensation
führt zu
einem Absinken (des Betrages) der Spannung bis auf einen Grenzwert
Ucom, der sowohl an dem Speicher 15 als
auch an dem Transistor M15 anliegt. Die Transistoren M11, M14, M15;
M18 und M19 bilden einen Komparator mit einer Vorspannung UB, was zu einem digitalen Ausgangswert LOW
am Anschlusskontakt des Transistors M20 führt, der sich im eingeschalteten
Zustand befindet. Ein weiterer digitaler Komparator, der aus den
Transistoren M13, M16, M17, M23 und M24 besteht und ebenfalls mit
UB vorgespannt ist, liefert einen digitalen
Ausgangswert HIGH am Anschlusskontakt des Transistors M22, der abgeschaltet
ist. Dadurch sind die Transistoren M12 und M20 aktiv, so daß sie die
Spannung an den Schaltern der Transistoren M8, M9 und M10 auf höhere Spannung
ziehen und damit den Integrationsprozess an den Kondensatoren C1,
C2 und C3 beenden. Die Blöcke 8, 9 und 10 mit
der Kapazität
C3 stellen einen Zeitmesser dar, der die Zeit über eine Rampenspannung erfasst.
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Diese
Zeit kann im Verhältnis
zu einer normalen Integrationszeit verwendet werden, um einen theoretischen
Wert des Differenzsignals berechnen, der sich bei Ausnutzung der
vollen Integrationszeit ergeben hätte. Dadurch werden die bei
verschiedenen Integrationszeiten erhaltenen Messwerte, die immer
der Differenz Uuka– Uukb (siehe 5)
entsprechen, miteinander vergleichbar und können in entsprechende Phasenlagen und
damit Entfernungsinformation umgerechnet werden.
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Die 6 und 7 zeigen
zwei verschiedene Varianten einer Zeitmessung, wie man sie mit einer etwas
aufwendigeren Rampenschaltung analog zu der Rampenschaltung 8, 9, 10 in 4 realisieren
kann. 6 zeigt zwei Spannungsrampen mit unterschiedlicher
Steigung und veranschaulicht, wie die Integrationszeit durch Kombination
der an beiden Spannungsrampen gemessenen Werte erfasst werden kann,
wobei das steilere Rampensignal eine größere Genauigkeit liefert und
die Eindeutigkeit der „richtigen" Periode des steileren
Rampensignals durch das flachere Rampensignal geliefert wird.
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In ähnlicher
Weise sieht 7 einen Rampenverlauf mit anfänglich größerer und
später
zunehmend flacherer bzw. kleinerer Steigung vor, was die relative
Genauigkeit vor allem bei kurzen Integrationszeiten verbessert und
auch bei längeren
Integrationszeiten eine auf jeden Fall ausreichende Genauigkeit
liefert.
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Eine
andere Variante der Differenzbildung, die es ermöglicht, die Schaltung weiter
zu vereinfachen und nur einen einzigen Speicher 16 zu verwenden,
ist in 8 dargestellt. 8 ist durch
Anschluss 11 mit einem Rückkopplungsnetzwerk verbunden,
welches die Spannung an dem Anschluss 11 durch einen entsprechenden
Rückkopplungs-
bzw. Kompensationsstrom automatisch konstant hält. Derselbe Strom wird über M5 auf den
zweiten Anschluss 12 gespiegelt, so daß so dann an dem Anschluss 12,
der mit dem Speicherbereich 16 verbunden ist, automatisch
das Differenzsignal der beiden Anschlusskontakte 11 und 12 anliegt.
Falls dieses Differenzsignal gemäß 9 einen
der Grenzwerte Ucom1 bzw. Ucom2 überschreitet,
wird, wie schon bei der vorherigen Ausführungsform beschrieben, der
Integrationsprozess gestoppt und die tatsächliche Integrationszeit über den
aktuellen Spannungswert an C3 erfasst.
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Eine
Alternative zur Bildung des Differenzstromes besteht in der Rückkopplung
des nicht korrelierten Stromanteils. Dies wird durch eine Schaltung
gemäß 10 realisiert.
In 10 werden die beiden Spannungen bzw. Ströme an den
Anschlüssen 11, 12 über Miller-Integratoren
D1C5 bzw. D2C6 und zwei Widerstände R1,
R2 einem Verstärker
F zugeführt,
der die Summe aus beiden Signalen über Widerstände R3, R4 zurückführt, so
daß jeweils
die Hälfte
des Gesamtstromes auf die Anschlüsse 11 und 12 zurückgekoppelt
wird. Gemäß den obigen
Gleichungen (2) entspricht die Summe Uak +
Ubk gerade dem zweifachen des nicht korrelierten Anteils,
da wegen ips (0°) = –ips (180°) der korrelierte
Anteil herausfällt.
Nach der Subtraktion des nicht korrelierten Anteils verbleiben nur
die korrelierten Anteile, die in den Speicherbereichen 15, 16 aufintegriert
werden. Auch hier werden die Spannungen an den Speichern 15, 16 in ähnlicher
Weise überwacht,
wie bereits zuvor beschrieben und die Integration wird gestoppt,
wenn ein Grenzwert Ucom über- bzw. unterschritten wird
und der Zeitpunkt des Abbruchs der Integration wird über die
Spannungsrampenschaltung 8, 9, 10 erfasst
und registriert.
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Es
versteht sich, daß die
konkreten elektrischen Schaltungen, mit welchen die Rückkopplungs- bzw. Kompensationsströme und die
Addition bzw. Differenzbildung der Ströme und/oder Spannungen an den
Ausgangsanschlüssen
des strahlungsempfindlichen Bereiches vielfältige verschieden Formen annehmen
können, von
denen hier nur einige Varianten beispielhaft wiedergegeben sind.
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Für Zwecke
der ursprünglichen
Offenbarung wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Merkmale, wie sie sich
aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen
Fachmann erschließen,
auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren
Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen
Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder
Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen
wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder
sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher
denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und
der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.