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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen
eines lichtabhängigen
elektrischen Signals, mit einem Photodetektor, der in Abhängigkeit
von einfallendem Licht ein erstes elektrisches Signal erzeugt, mit
einem Speicherelement zum Speichern einer Messgröße, die für einen Momentanwert des ersten
elektrischen Signals repräsentativ
ist, mit einem Schaltelement, das dazu ausgebildet ist, das erste
elektrische Signal und das Speicherelement wahlweise zu verbinden,
mit einem Ausgang, an dem ein für
die Messgröße repräsentatives
zweites Signal aus dem Speicherelement auslesbar ist, und mit einem
am Ausgang angeordneten Kompressor mit einer Ausgangskompressionscharakteristik
zum Komprimieren des zweiten Signals.
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Eine
solche Schaltungsanordnung ist aus
WO 03/032394 A1 bekannt.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere eine Schaltungsanordnung, mit deren
Hilfe sich optoelektronische Bildsensoren (”Kamerachips”) realisieren lassen.
Der Photodetektor erzeugt ein erstes elektrisches Signal, das für die Intensität des auf
den Photodetektor auftreffenden Lichts repräsentativ ist. Mit Hilfe einer
Vielzahl solcher Photodetektoren lässt sich ein zeilenförmig oder
matrixförmig
aufgelöstes Bild
aufnehmen. Typischerweise handelt es sich bei dem ersten elektrischen
Signal um eine analoge Spannung oder, was in Ausführungsbeispielen
der Erfindung bevorzugt ist, einen analogen Strom. Das erste elektrische
Signal wird nach einer Signalaufbereitung und eventuell einer Zwischenspeicherung
einem Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) zugeführt. Der A/D-Wandler erzeugt
ein digitales Signal, das von dem ersten elektrischen Signal (und
damit von dem auf den Photodetektor einfallenden Licht) abhängt. Dieses
digitale Signal kann in einer nachfolgenden digitalen Bilddatenverarbeitungsstufe
weiterverarbeitet werden, um beispielsweise ein digitales Abbild
eines aufgenommenen Objektes oder Raumbereichs zu erzeugen.
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Typischerweise
ist der Arbeitsbereich des A/D-Wandlers begrenzt, d. h. er kann
nur analoge Signale in einem bestimmten Größenbereich verarbeiten. Lichtsignale
können
jedoch extreme Intensitätsunterschiede
(Hell-Dunkel-Unterschiede) aufweisen.
EP 0 632 930 B1 schlägt daher eine Bildzelle für einen
Bildsensor vor, bei der das erste elektrische Signal in einer logarithmischen
Abhängigkeit
zu der Intensität
des einfallenden Lichts steht. Hierdurch wird der große Variationsbereich,
den reale Lichtsignale aufweisen können, auf einen geringeren
Variationsbereich des ersten elektrischen Signals komprimiert. Die
aus
EP 0 632 930 B1 bekannte
Bildzelle verwendete allerdings noch kein Speicherelement im Sinne der
vorliegenden Erfindung. Dieses Speicherelement dient bei neueren
Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art dazu, eine für einen
Momentanwert des ersten elektrischen Signals repräsentative Messgröße zwischenzuspeichern,
um sie zu einem späteren
Zeitpunkt auslesen zu können.
Mit Hilfe eines solchen Speicherelements ist es möglich, Bildinformationen
(Lichtsignale) mit einer Vielzahl von Bildzellen weitgehend zeitgleich
aufzunehmen, jedoch sequentiell und zeitlich nacheinander auszulesen. Das
Schaltelement, typischerweise ein Transistor als Schalter oder ein
so genanntes Transmission Gate, dient dazu, das Speicherelement
nur für
den Zeitpunkt der Messwertaufnahme („Belichtung”) mit dem ersten
elektrischen Signal zu verbinden. (Ein Transmission Gate beinhaltet
zwei zueinander parallele Transistoren als Schalter, deren Schaltpunkte
versetzt zueinander liegen, um einen größeren Arbeitsbereich zu erhalten.)
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Als
Speicherelement wird typischerweise eine Kapazität verwendet, die durch das
erste elektrische Signal auf einen Wert aufgeladen wird, der für den Momentanwert
des ersten elektrischen Signals beim Aufladen repräsentativ
ist. Rein theoretisch könnte
jedoch auch ein anderes Speicherelement verwendet werden, das in
der Lage ist, die (noch analoge) Bildinformation aus dem Photodetektor
zwischenzuspeichern.
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Allerdings
ist in der Realität
kein Speicherelement perfekt. Insbesondere hat sich gezeigt, dass die
Ladung in den zum Zwischenspeichern verwendeten Kapazitäten über der
Zeit abnimmt.
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Der
Ladungsverlust ist eine Folge von Leckströmen, und er kann dazu führen, dass
der Arbeitsbereich der nachfolgenden Stufe, beispielsweise eines
nachfolgenden A/D-Wandlers oder Verstärkers, verlassen wird. Wenn
dies geschieht, ist die Bildinformation für den entsprechenden Aufnahmezeitpunkt und
die entsprechende Bildzelle verloren. Es hat sich auch gezeigt,
dass der Ladungsverlust in Abhängigkeit
von dem einfallenden Licht steht, was auf Substratströme und/oder
eine unvollkommene Abdeckung der nach dem Photodetektor liegenden
Schaltungselemente zurückzuführen sein
dürfte.
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Die
eingangs genannte
WO
03/032394 A1 beschäftigt
sich mit diesem Problem, und sie schlägt vor, die Speicherkapazität mit einem
nicht-linearen Element, insbesondere einem Transistor oder einer Diode,
zu verbinden, um einem zu starken Ladungsverlust entgegenzuwirken.
Sobald die Speicherkapazität
auf einen bestimmten Schwellenwert entladen ist, beginnt das nichtlineare
Element zu leiten, und es wird ein Stromfluss ermöglicht,
der von der vorhandenen Lichtintensität abhängt und eine vollständige Entladung
der Kapazität
verhindert. Nach diesem Vorschlag wird das Speicherelement also
mit Hilfe des nichtlinearen Zusatzelements nachgeladen. Wird ein
Feldeffekttransistor als nicht-lineares Element eingesetzt, dann
bewirkt das Nachladen des Speicherelements zudem eine Kompression
der an dem Speicherelement anliegenden Spannung.
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Diese
Vorgehensweise erfordert ein zusätzliches
nicht-lineares Element an jeder Speicherkapazität, d. h. in jeder einzelnen
Bildzelle. Bei einem großflächigen Bildsensor
werden daher zahlreiche zusätzliche
Schaltungselemente benötigt.
Dies reduziert den im Bereich der Bildzellen zur Verfügung stehenden Platz,
was von Nachteil sein kann, wenn man kleine Bildsensoren und/oder
Bildsensoren mit hoher Auflösung
realisieren möchte.
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Hinzu
kommt, dass das nicht-lineare Element direkt mit dem Speicherelement
verbunden ist, weshalb eine direkte Rückwirkung des nicht-linearen Elements
auf die Speicherkapazität
möglich
ist. Somit kann es hinsichtlich der informationstragenden Messgröße zu signalverfälschenden
Einflüssen
kommen, was für
die Erzeugung realitätsgetreuer
Bilder von Nachteil ist.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
bekannte Schaltungsanordnungen, die es ermöglichen, Lichtsignale, deren Intensitätswerte
stark unterschiedlich sein können, aufzunehmen,
wobei der Zeitpunkt, zu dem das elektrische Messsignal ausgelesen
wird, variabel sein soll, hinsichtlich der Erzeugung realitätsgetreuer
Bilder weiter zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung durch eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art gelöst,
bei der die Schaltungsanordnung zumindest ein Trennelement beinhaltet, das
zwischen dem Speicherelement und dem Kompressor angeordnet ist.
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Wie
schon erwähnt
wurde, ist der Ladungsverlust in der Speicherkapazität vor allem
dann problematisch, wenn der Arbeitsbereich (Wandlerbereich) eines
nachfolgenden A/D-Wandlers und/oder Verstärkers verlassen wird, weil
dann nach dem A/D-Wandler
oder Verstärker
keine verarbeitbare Bildinformation mehr vorliegt. Diesem ”worst case” wird bei
der neuen Schaltungsanordnung auf ähnliche Art und Weise entgegengewirkt,
wie ein Verlassen des Wandlerbereichs aufgrund zu hoher Lichtinten sitäten verhindert
wird, nämlich
durch eine Kompression mit einer bekannten Kompressionscharakteristik.
Der Effekt dieser Vorgehensweise wird besonders deutlich, wenn man
sich vorstellt, dass am Ausgang des Speicherelements ein invertierender Verstärker angeordnet
ist, wie dies in bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
der Fall ist, um das zweite Signal hinsichtlich seiner Pegelwerte
an die nachfolgenden Verarbeitungsstufen anzupassen. Ein invertierender
Verstärker
hat zur Folge, dass eine zunehmende Entladung des Speicherelements
zunehmend größere Pegelwerte
erzeugt, was schließlich
dazu führen
kann, dass der Wandlerbereich des A/D-Wandlers nach oben hin verlassen
wird. Durch eine geeignete Kompression am analogen Ausgang der Bildzelle,
insbesondere eine logarithmische Kompression, lässt sich verhindern, dass die
Pegelwerte in den Sättigungsbereich
des A/D-Wandlers oder Verstärkers
laufen. Damit lässt
sich der ”worst
case” verhindern,
und die an sich unerwünschten
Signalveränderungen
können
in einer nachfolgenden digitalen Bilddatenverarbeitungsstufe rechnerisch
wieder kompensiert werden. Damit ist nicht nur ein Totalverlust
der Bildinformation verhindert, sondern es kann bei einer bekannten
Ausgangskompressionscharakteristik auch auf die tatsächlichen
Pegelwerte zurückgerechnet
werden, so dass man ein sehr genaues bzw. realitätsnahes digitales Bildsignal
erhält. Die
neue Schaltungsanordnung kann allerdings auch ohne einen Inverter
mit einer entsprechend angepassten Ausgangskompressionscharakteristik
realisiert werden. Wenn notwendig, kann die Ausgangskompressionscharakteristik
auch so gewählt
sein, dass das zweite Signal tatsächlich dekomprimiert wird,
gewissermaßen
also bei kleinen Pegelwerten auseinandergezogen bzw. „gezoomt” wird.
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Die
neue Schaltungsanordnung ermöglicht es
somit, den Ladungsverlust in der Speicherkapazität zuzulassen, solange das zweite Signal überhaupt noch
voneinander unterscheidbare Signalwerte annehmen kann. Dies ist
bei den realistisch anzunehmenden Zeitverhältnissen in der Regel der Fall.
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Zur
Verbesserung der Erzeugung realitätsgetreuer Bilder ist erfindungsgemäß zumindest
ein Trennelement zwischen dem Speicherelement und dem Kompressor
angeordnet.
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Ein
Trennelement im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jedes Schaltungselement,
das eine direkte Rückwirkung
des Kompressors auf die gespeicherte Messgröße verhindert. Das Trennelement
ist insbesondere ein Impedanzwandler (zum Beispiel ein Sourcefolger)
oder ein Verstärker.
Des weiteren kann das Trennelement eine vollständige Ausleselogik zum sequentiellen
Auslesen einer Vielzahl von Bildzellen beinhalten. Die Ausgestaltung
besitzt den Vorteil, dass die informationstragende Messgröße in dem
Speicherelement „geschützt” wird,
d. h. signalverfälschende
Einflüsse
werden auf ein Minimum reduziert. Dies trägt in vorteilhafter Weise zu
realitätsgetreuen
Bildern bei.
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Hinzu
kommt, dass bei der neuen Schaltungsanordnung der Kompressor mit
der Ausgangskompressionscharakteristik an einer beliebigen Stelle
im Signalpfad der Schaltungsanordnung platziert werden kann, sofern
er sich nur vor derjenigen Stufe befindet, deren Arbeitsbereich
die Begrenzung darstellt. Insbesondere ist es möglich, einen gemeinsamen Kompressor
für eine
Vielzahl von Bildzellen zu verwenden. Aufgrund der häufig vorhandenen
räumlichen
Trennung der Bildzellen von dem nachfolgenden A/D-Wandler kann der
Kompressor auch außerhalb
der lichtempfindlichen Fläche
eines Bildsensors angeordnet werden, so dass Flächenbedarf und Auflösung des
eigentlichen Bildsensors optimiert werden können.
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Zudem
haben praktische Untersuchungen der Anmelderin gezeigt, dass sich
mit Hilfe des Kompressors am Ausgang des Speicherelements (bzw. am
Ausgang einer Vielzahl von Speicherelementen bei einer Vielzahl
von gleichartigen Bildzellen) ein Totalverlust der Bildinformation
wirksam verhindern lässt.
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Die
oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
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In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das Trennelement eine Ausleseschaltung,
die dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von Speicherelementen auszulesen.
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In
dieser Ausgestaltung sitzt der Kompressor hinter der Ausleseschaltung,
d. h. ein einziger Kompressor kann die zweiten Signale von einer
Vielzahl von Speicherelementen komprimieren. Die Ausgestaltung ermöglicht eine
besonders einfache und kostengünstige
Realisierung, die zum Teil sogar bei vorhandenen Bildsensoren mit
einer Vielzahl von Bildzellen nachgerüstet werden kann. Außerdem kann
die lichtsensitive Fläche
eines solchen Bildsensors unabhängig
von dem Kompressor optimal für
die Bild- bzw. Lichtaufnahme genutzt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Schaltungsanordnung
eine Vielzahl von Kompressoren zum Komprimieren der Vielzahl von
zweiten Signalen, wobei vorzugsweise für jedes Speicherelement ein
eigener Kompressor vorgesehen ist.
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Mit
dieser Ausgestaltung lassen sich die Kompressoren in die Bildzellen
integrieren, was von Vorteil sein kann, wenn die Signalpegel der
zweiten Signale sehr niedrig sind und durch die Ladungsverluste
oder aufgrund anderer physikalischer Effekte in den Speicherelementen
sehr schnell verschwimmen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist der Kompressor zusammen mit dem
Photodetektor und dem Speicherelement in einem gemeinsamen Halbleiterchip
integriert.
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Diese
Ausgestaltung kann sowohl bei einer Vielzahl verteilter Kompressoren
(in den Bildzellen oder anderswo) als auch mit einem oder wenigen zentralen
Kompressoren für
eine Vielzahl von Bildzellen verwendet werden. Sie vereinfacht die
Handhabung und Anwendung der neuen Schaltungsanordnung, und sie
ermöglicht
eine Reduzierung der Herstellungskosten.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Ausgangskompressionscharakteristik
weitgehend logarithmisch.
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Generell
eignet sich jede Kompressionscharakteristik, die ein streng monotones
Verhalten aufweist. Mit einer logarithmischen Kompressionscharakteristik
hat die Anmelderin der vorliegenden Erfindung jedoch besonders gute
Ergebnisse erreicht. Unter anderem lässt sich eine solche Kompressionscharakteristik
relativ einfach realisieren, und sie ermöglicht eine gute Kompensation
der Ausgangskompression in einer späteren digitalen Bilddatenverarbeitungsstufe.
Bei bekannter Entladekurve der Speicherkapazität können außerdem auch die Leckströme rechnerisch
kompensiert werden, was in bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung
ebenfalls geschieht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist der Photodetektor eine Detektorkompressionscharakteristik
auf, die in etwa gleich der Ausgangskompressionscharakteristik ist.
Vorteilhafterweise handelt es sich in beiden Fällen um logarithmische Kompressionscharakteristiken.
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In
dieser Ausgestaltung beinhaltet die neue Schaltungsanordnung eine
Bildzelle mit einer weiteren, vorzugsweise logarithmischen Kompressionscharakteristik.
Solche Bildzellen sind für
sich genommen aus dem eingangs erwähnten Stand der Technik bekannt.
Da solche Bildzellen vor allem bei hohen Lichtintensitäten verwendet
werden, sind sie besonders anfällig
für die
oben beschriebenen Probleme. Dementsprechend ist die vorliegende
Erfindung besonders bei solchen Bildzellen von Vorteil. Darüber hinaus
ermöglicht
die bevorzugte Ausgestaltung eine besonders kostengünstige Realisierung,
und sie vereinfacht die nachfolgende Bilddatenverarbeitung, insbesondere
eine rechnerische Kompensation der Kompressionen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet der Kompressor einen Feldeffekttransistor,
der bei schwacher Inversion (weck inversion) betrieben wird.
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Eine
solche Ausgestaltung hat sich als eine sehr einfache und kostengünstige Möglichkeit
erwiesen, um eine sehr exakte logarithmische Kompressionscharakteristik
zu realisieren.
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In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet der Kompressor einen ohmschen
Widerstand, der vorzugsweise seriell zum zweiten Signal angeordnet ist.
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Untersuchungen
der Anmelderin haben gezeigt, dass sich mit Hilfe eines solchen
Widerstandes die Linearität
der Kompression und die Stabilität
der Schaltungsanordnung verbessern lassen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist der Kompressor einen Steuereingang
auf, um das zweite Signal wahlweise zu komprimieren. Vorzugsweise
ist der Steuereingang der Gate-Anschluss eines Feldeffekttransistors.
Des weiteren ist es bevorzugt, wenn die Kompression bei niedrigen
Lichtintensitäten (Lichtintensitäten unterhalb
eines definierten Schwellenwertes) abgeschaltet ist.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht
es, den Kompressor wahlweise in Betrieb zu nehmen, wenn dies zur
Vermeidung von Bildinformationsverlusten vorteilhaft ist. Wenn die
Pegelwerte der zweiten Signale auch ohne Kompressor im Wandlerbereich
des nachfolgenden A/D-Wandlers liegen, kann durch Abschalten der
Kompression eine einfachere und schnellere Signalverarbeitung erreicht
werden. Die Verwendung des Gate-Anschlusses eines Feldeffekttransistors
als Steuereingang besitzt den Vorteil, dass sich der Kompressor
weitgehend leistungslos schalten lässt, was dazu beiträgt, den
Energieverbrauch und die thermische Belastung der neuen Schaltungsanordnung
zu reduzieren.
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In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet der Kompressor einen Spannungs-Strom-Wandler, der
zwischen dem Speicherelement und dem Feldeffekttransistor angeordnet
ist.
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Diese
Ausgestaltung ist bevorzugt, weil sich der Kompressor hier auf genau
dieselbe Weise realisieren lässt,
wie die logarithmische Kompression der Bildsignale bei der Bildzelle
aus
EP 0 632 930 B1 erreicht
wird. Die praktische Realisierung der neuen Schaltungsanordnung
wird hierdurch vereinfacht. Außerdem
lässt sich
mit einer solchen Realisierung eine sehr exakte logarithmische Kompression
erreichen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung besitzt der Kompressor einen Verstärker mit
einem Verstärkereingang
und zumindest zwei parallelen Verstärkerausgängen, wobei ein erster Verstärkerausgang
auf den Verstärkereingang
rückgekoppelt
ist, während ein
zweiter Verstärkerausgang
ohne Rückkopplung auf
den Verstärkereingang
ausgebildet ist.
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Bevorzugt
kommt in dieser Ausgestaltung ein Operationsverstärker mit
zwei Ausgangsstufen zum Einsatz, wobei die beiden Ausgangstufen
so aneinander angepasst sind, dass sie weitgehend identische Ausgangssignale
liefern. Die Ausgestaltung besitzt alle Vorteile einer Verstärkerschaltung
mit rückgekoppeltem
Ausgang, insbesondere eine automatische Nachführung des Verstärkers an
veränderte
Eingangssignale. Anderseits kann das Signal am Ausgang trotz dem
Rückkoppelung
komprimiert werden, ohne das Verhalten des Verstärkers zu beeinflussen. Das
weiteren kann diese Ausgestaltung mit bekannten und bewährten Schaltungsprinzipien
und auf relative einfache und kostengünstige Weise realisiert werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Schaltungsanordnung
einen am Ausgang des Kompressors angeordneten Analog-Digital-Wandler, der
dazu ausgebildet ist, ein erstes digitales Signal zu erzeugen, das
für das
komprimierte zweite Signal repräsentativ
ist.
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Diese
Ausgestaltung nutzt die durch die Erfindung geschaffenen Vorteile,
da sich Informationsverluste am Analog-Digital-Wandler mit Hilfe des neuen Kompressors
sehr wirkungsvoll verhindern lassen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Schaltungsanordnung
eine Bilddatenverarbeitungsstufe, die dazu ausgebildet ist, ein
zweites digitales Signal zu erzeugen, das weitgehend invers zu der
Ausgangskompressionscharakteristik dekomprimiert ist.
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Eine
solche Bilddatenverarbeitungsstufe ermöglicht es, die durch die zweite
Kompressionscharakteristik hervorgerufene ”Signalverfälschung” zu eliminieren, wodurch die
Bildqualität
bzw. die Realitätsnähe der mit
der Schaltungsanordnung aufgenommenen Bildinformationen verbessert
werden kann. Vorzugsweise ist die Bilddatenverarbeitungsstufe auch
dazu ausgebildet, den Ladungsverlust in dem Speicherelement zu kompensieren,
was zu noch realitätsgenaueren
Aufnahmen führt.
Diese weitere Kompensation ist ohne weiteres möglich, weil sich das Entladeverhalten
des Speicherelements zumindest bei den Bildzellen, die hier beschrieben
sind, relativ einfach anhand der Entladezeit modellieren lässt.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
vereinfachte Darstellung für
den Aufbau einer Bildzelle in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
vorteilhafte logarithmische Kompressionscharakteristik zwischen
einem Eingangssignal S1 und einem Ausgangssignal S2 in einer schematischen
Darstellung,
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3 eine
Schaltung zur Realisierung des neuen Kompressors in einem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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4 eine
vereinfachte, schematische Darstellung eines Bildsensors gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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5–9 vereinfachte
Darstellungen von weiteren Ausführungsbeispielen
der Erfindung.
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In 1 ist
eine Bildzelle für
einen Bildsensor, bei dem die neue Schaltungsanordnung vorteilhaft
eingesetzt werden kann, in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Die
Bildzelle 10 besitzt eine Photodiode 12, die mit
einem MOS-Transistor 14 gekoppelt
ist. Die Anode der Photodiode 12 liegt an einem Referenzpotential
Vss. Die Kathode der Photodiode 12 ist
mit dem Drain-Anschluss des Transistors 14 verbunden. Gate-Anschluss und Source-Anschluss
des Transistors 14 sind miteinander verbunden und liegen
an einem Potential Vdd. Die Photodiode 12 und
der MOS-Transistor 14 bilden zusammen einen Photodetektor 16,
der in Abhängigkeit
von Licht 18, das auf die Photodiode 12 auftrifft,
ein erstes elektrisches Signal am Knotenpunkt 20 zwischen
der Photodiode 12 und dem Transistor 14 bereitstellt.
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Vorteilhafterweise
wird der MOS-Transistor
14 hier im so genannten Subthreshold-Bereich
betrieben, so dass am Knotenpunkt
20 eine elektrische Spannung
anliegt, die in einer logarithmischen Abhängigkeit zu der Intensität des einfallenden
Lichts
18 steht. Der Aufbau und die Verwendung eines solchen
Photodetek tors
16 ist für
sich genommen aus
EP
0 631 930 B1 bekannt, auf die hier im Hinblick auf weitere
Details des Photodetektors
16 und der Bildzelle
10 ausdrücklich Bezug
genommen ist.
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2 zeigt
eine solche logarithmische Abhängigkeit
in einer schematischen Darstellung, wobei S1 in diesem Fall die
Intensität
des einfallenden Lichts 18 und S2 die elektrische Spannung
am Knotenpunkt 20 bezeichnet. Wie man anhand dieser Kennlinie
erkennen kann, nimmt die elektrische Spannung am Knotenpunkt 20 bei
hohen Beleuchtungsstärken
nur noch in sehr kleinen Schritten zu, so dass die Spannung am Knotenpunkt 20 unter
realistischen Arbeitsbedingungen stets innerhalb des Wandlerbereichs
(gestrichelte Linie) eines nachfolgenden A/D-Wandlers bleibt.
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Das
elektrische Signal am Knotenpunkt 20 ist über einen
Verstärker 22,
der als Impedanzwandler arbeitet, einem Transistor 24 zugeführt. Der
Transistor 24 arbeitet als Schalter, der dazu dient, das elektrische
Signal am Knotenpunkt 20 wahlweise mit der nachfolgenden
Signalverarbeitungsstufe zu verbinden. Dementsprechend besitzt der
Transistor 24 einen Steuereingang (Gate-Anschluss) 26. Über ein geeignetes
Potential am Steuereingang 26 kann der Transistor 24 leitend
oder sperrend geschaltet werden.
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Mit
der Bezugsziffer 28 ist eine Kapazität bezeichnet, die am Ausgang
des Transistors 24 gegen das Referenzpotential Vss angeschlossen ist. Die Kapazität 28 dient
als Speicherelement, um eine für
die Intensität
des einfallenden Lichts 18 repräsentative Messgröße zwischenzuspeichern.
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Parallel
zu der Speicherkapazität 28 ist
hier eine Photodiode 30 dargestellt. Die Photodiode 30 symbolisiert
die lichtabhängige
Entladung der Speicherkapazität 28,
die durch Leckströme
und andere parasitäre
Effekte verursacht wird.
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Am
Knotenpunkt 31 zwischen dem Transistor 24 und
der Kapazität 28 ist
ferner ein Verstärker 32 angeschlossen,
der ausgangsseitig zu einer Ausleseleitung 34 führt. In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Ausgangsverstärker 32 ein
invertierender Verstärker,
was zur Folge hat, dass das Signal am Ausgang des Verstärkers 32 mit
zunehmender Entladung der Speicherkapazität 28 ansteigt. In
anderen Ausführungsbeispielen
könnte
hier auch ein nicht-invertierender Verstärker angeordnet sein.
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Kompressors 40, dem das (zweite) elektrische Signal, das über die
Ausleseleitung 34 übertragen wird,
zugeführt
ist. Der Kompressor 40 beinhaltet hier einen Spannungs-Strom-Wandler 42 (im
einfachsten Fall ein ohmscher Widerstand), um die Ausgangsspannung
am Ausgang des invertierenden Verstärkers 32 in einen
entsprechenden Strom umzuwandeln. Am Ausgang des U/I-Wandlers 42 ist
der Drain-Anschluss eines MOS-Transistors 44 angeschlossen
(Knotenpunkt 46). Der Gate- und Source-Anschluss des Transistors 44 sind
hier kurzgeschlossen und liegen gemeinsam auf dem Potential Vdd. Alternativ hierzu könnte der Gate-Anschluss auch
an einem variabel einstellbaren Potential liegen, um den Einschaltpunkt
des Kompressors 40 zu variieren.
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Am
Knotenpunkt 46 liegt hier eine logarithmisch komprimierte
Ausgangsspannung an, die über einen
Impedanzwandler 48 ausgelesen werden kann. Der Schaltungsaufbau
des Kompressors 40 ent spricht dem Schaltungsaufbau des
Photodetektors 16, abgesehen davon, dass anstelle der Photodiode 12 als ”Stromlieferant” der U/I-Wandler
vorgesehen ist. Aufgrund der logarithmischen Charakteristik des
Kompressors 40 bleibt die Ausgangsspannung am Ausgang des
Impedanzwandlers 48 auch bei zunehmender Entladung der
Speicherkapazität 28 innerhalb
des Arbeitsbereichs eines nachfolgenden A/D-Wandlers 50.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel für die neue
Schaltungsanordnung, die hier in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 60 bezeichnet
ist. Die Schaltungsanordnung 60 beinhaltet eine Vielzahl von
Bildzellen 10, die in einer Matrix mit Zeilen und Spalten
angeordnet sind und die lichtempfindliche Fläche eines Bildsensors bilden.
Mit der Bezugsziffer 62 ist ein Zeilendecoder bezeichnet.
Bezugsziffer 64 bezeichnet einen Spaltendecoder und Multiplexer. Der
Zeilendecoder 62 und der Multiplexer 64 bilden zusammen
eine Ausleselogik, mit deren Hilfe die (zweiten) elektrischen Signale
der Bildzellen 10 individuell auslesbar sind. Der Multiplexer 64 multiplext die
ausgelesenen analogen Signale auf seiner Ausgangsleitung 65.
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Die
Schaltungsanordnung 60 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel
zwei Kompressoren, die alternativ zueinander verwendet werden können. Des weiteren
ist ein dritter Signalpfad ohne Kompressor vorgesehen. Eine solche
Realisierung wurde von der Anmelderin zu Testzwecken vorgenommen.
Sie kann jedoch auch für
praktische Anwendungen von Vorteil sein, um beispielsweise unterschiedliche
Kompressionskennlinien zur Verfügung
zu stellen, die abhängig
von den Umgebungsbedingungen und/oder den Anforderungen an die Eigenschaften
der aufgenommenen Bilder ausgewählt
werden. Die Auswahl erfolgt hier durch ein geeignetes Signal an
einem Steuereingang 68.
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Das
komprimierte Ausgangssignal der Kompressoren 40 bzw. 66 ist über einen
Verstärker 70 nach
außen
geführt.
Am Ausgang des Verstärkers 70 ist
typischerweise ein A/D-Wandler (hier nicht dargestellt) angeschlossen,
mit dessen Hilfe die komprimierten analogen Ausgangssignale in digitale
Bildinformationen umgewandelt werden.
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Die 5 bis 9 zeigen
weitere Ausführungsbeispiele
der neuen Schaltungsanordnung in einer vereinfachten bzw. schematischen
Darstellung. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente
wie zuvor.
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In 5 ist
mit der Bezugsziffer 80 ein Bildsensor bezeichnet, der über eine
Vielzahl von Bildzellen der in 1 dargestellten
Art verfügt. HDRC® ist
der Markenname, den die Anmelderin für Bildsensoren dieser Art verwendet.
Am Ausgang 82 des Bildsensors 80 liegt ein analoges
Signal an, mit dem die analogen Bildinformationen aus den einzelnen
Bildzellen sequentiell zu einem A/D-Wandler 50 übertragen
werden. Am Ausgang des A/D-Wandlers 50 ist
ein Mikrocontroller 84 angeordnet, der die digitalisierten
Bildinformationen erhält.
Der Mikrocontroller 84 ist dazu ausgebildet, die digitalen
Bildinformationen zur Anzeige und weiteren Verarbeitung aufzubereiten.
Alternativ könnte
anstelle eines Mikrocontrollers auch ein FPGA oder ein ASIC verwendet
werden.
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In
bevorzugten Ausführungsbeispielen
dient der Mikrocontroller 84 insbesondere dazu, die mit
Hilfe des neuen Kompressors er zeugte Kompression aus den digitalen
Bilddaten zu entfernen. Des weiteren kompensiert er die Entladung
der Speicherkapazität 28 jeder
Bildzelle rechnerisch anhand der bis zum Auslesen der Speicherkapazität vergangenen Entladezeit.
Mit anderen Worten stellt der Mikrocontroller 84 an seinem
Ausgang ein (zweites) digitales Signal bereit, das in den bevorzugten
Ausführungsbeispielen
invers zu der Ausgangskompressionscharakteristik des neuen Kompressors
dekomprimiert ist und auch eine Kompensation der Entladung der Speicherkapazität beinhaltet.
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Mit
der Bezugsziffer 88 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
für den
neuen Kompressor dargestellt. Der Kompressor 88 beinhaltet
einen Widerstand 90, der parallel zu der Ausgangsleitung 82 angeordnet
ist und der zu dem Drain-Anschluss eines MOS-Transistors 92 führt. Der
Source- und Gate-Anschluss des MOS-Transistors 92 sind
kurzgeschlossen und einem Steuereingang 94 zugeführt. Die Kompression
des Kompressors 88 kann mit Hilfe eines geeigneten Potentials
am Steuereingang 94 ein- bzw. ausgeschaltet werden, indem
der Transistor 92 wahlweise durch das Potential in eine
Betriebsart mit schwacher Inversion gebracht wird. Damit lässt sich der
Einsatzpunkt der Kompression variieren.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Kompressors 98. Der Kompressor 98 unterscheidet
sich von dem Kompressor 88 dadurch, dass der Source-Anschluss
des MOS-Transistors mit einem festen Referenzpotential (zum Beispiel
Vss) belegt ist, während der Gate-Anschluss als
Steuereingang 94 dient.
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7 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Kompressors 100. Der Kompressor 100 unterscheidet
sich von dem Kompressor 98 dadurch, dass der Widerstand 90' seriell in
der Ausgangsleitung 82 zwischen dem Bildsensor 80 und
dem A/D-Wandler 50 angeordnet ist.
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Schließlich zeigt 8 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Kompressors 102. Der Kompressor 102 entspricht
dem Kompressor 88 aus 5, allerdings
mit einem seriellen Widerstand 90' in der Ausgangsleitung 82 anstelle
des Parallelwiderstandes 90.
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Untersuchungen
der Anmelderin mit verschiedenen Widerständen 90, 90' und Potentialen am
Steuereingang 94 der in den 5 bis 8 gezeigten
Schaltungsanordnungen haben gezeigt, dass sich in allen Fällen eine
Kompression erreichen lässt,
die dafür
sorgt, dass die am Ausgang 82 des Bildsensors 80 anliegenden
Signale innerhalb des Arbeitsbereichs des A/D-Wandlers 50 liegen,
auch wenn die Ladung der Speicherkapazität 28 (1) aufgrund
von parasitären
Effekten abnimmt. Durch den in Reihe angeordneten Widerstand 90 in
den Ausführungsbeispielen
gemäß 7 und 8 lässt sich
die Linearität
und Stabilität
der Kompression verbessern. Zusätzlich
besitzen die Kompressoren 98, 100 aus den 6 und 7 den
Vorteil, dass der Transistor 92 leistungslos gesteuert
werden kann, d. h. die Kompression kann leistungslos ein- und ausgeschaltet
werden. Daher ist aus derzeitiger Sicht das Ausführungsbeispiel in 7 bevorzugt.
Alternativ ist der Kompressor 40 aus 3 bevorzugt.
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9 zeigt
ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Kompressors 104, der beispielsweise anstelle der
Kompressoren 88 bis 102 zwischen dem Bildsensor 80 und
dem A/D-Wandler 50 aus den 5–8 verwendet
werden kann. Der Kompressor 104 besitzt einen Eingang 106 zum Anschluss
an den Bildsensor 80 und einen Ausgang 108 zum
Anschluss an den A/D-Wandler 50. Der Eingang 106 ist
der nicht-invertierende Eingang eines (ersten) Operationsverstärkers 110 mit
zwei identischen Ausgangsstufen 112, 114. Der
Operationsverstärker 110 liefert
an den zwei identischen Ausgangsstufen 112, 114 weitgehend
identische Ausgangssignale. Wie in 9 dargestellt
ist, kann der Operationsverstärker 110 aus
mehreren einzelnen Operationsverstärkern bzw. -verstärkungsstufen
zusammengesetzt sein.
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An
den Ausgängen
der beiden Ausgangsstufen 112, 114 befindet sich
jeweils ein Kompressionstransistor 116, 118, der
mit seiner Source-Drain-Strecke gegen ein Bezugspotential geschaltet
ist. Die Kompressionstransistoren 116, 118 sind
gleich ausgebildet, um die beiden Ausgangsstufen jeweils gleich
zu belasten. Der Gate-Anschluss des Kompressionstransistors 116 ist
ein Steueranschluss, der mit einer variablen Steuerspannung VC angesteuert wird,
um die Kompression ein- oder auszuschalten und die Ausgangskompressionscharakteristik
zu variieren. Der Gate-Anschluss des zweiten Kompressionstransistors 118 liegt
demgegenüber
auf einem festen Potential (hier Vdd), da
dieser Transistor nicht für
die Kompression genutzt wird, sondern lediglich die Ausgangsstufe 114 als
eine „dummy
load” belasten
soll.
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Die
Bezugsziffern 120, 122 bezeichnen zwei Impedanzwandler.
Der Impedanzwandler 120 überträgt das komprimierte Potential
der Ausgangsstufe 112 zum Ausgang 108. Der Impedanzwandler 122 führt zu einem
Ausgang 124, der allerdings derzeit nicht genutzt wird.
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Die
Ausgangsstufe 114 ist hier über ein Rückkoppelnetzwerk 126 auf
den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 110 zurückgekoppelt.
Demgegenüber
ist das Signal am Ausgang der Ausgangsstufe 112 nicht auf
den Eingang des Operationsverstärkers 110 zurückgekoppelt.
Mit dieser Realisierung lässt
sich ein komprimiertes Ausgangssignal am Ausgang 108 erzeugen,
ohne dass der Operationsverstärkers 110 die
Kompression ausregelt. Mit anderen Worten ist der Ausgang 108 ein
gesteuerter Ausgang, während
der Ausgang 124 ein geregelter Ausgang ist, der allerdings
in erster Linie zur Rückkoppelung
des Operationsverstärkers 110 dient.
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In
allen bislang dargestellten Ausführungsbeispielen
wird ein gemeinsamer Kompressor verwendet, mit dessen Hilfe die
Ausgangssignale einer Vielzahl von Bildzellen komprimiert werden
(bzw. eine Vielzahl von zweiten elektrischen Signalen, die aus den
Speicherkapazitäten
der Vielzahl der Bildzellen ausgelesen werden). Dementsprechend
ist der Kompressor in diesen Ausführungsbeispielen jeweils nach
der gemeinsamen Ausleseschaltung angeordnet.
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In
anderen Ausführungsbeispielen
kann eine Vielzahl von Kompressoren für eine Vielzahl von Bildzellen
vorgesehen sein. Es ist beispielsweise möglich, einen Kompressor 40 innerhalb
jeder Bildzelle 10 vor dem ausgangsseitigen Verstärker 32 anzuordnen.
In diesen Fällen
ist es von Vorteil, die Kompressoren in die einzelnen Bildzellen
zu integrieren.
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Generell
ist es bei allen Ausführungsbeispielen
bevorzugt, wenn der Kompressor nicht unmittelbar an dem Speicherelement
angeschlossen ist, sondern über
ein dazwischen liegendes Trennele ment, beispielsweise einen Impedanzwandler
oder Ausgangsverstärker,
von dem Speicherelement getrennt ist.