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HINTERGRUND
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Viele Bildgebungsanwendungen werden durchgeführt durch Festkörper-Bildgebungsvorrichtungen, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind. Für viele solche Anwendungen ist es wünschenswert, elektronische Farbbildgebung mit Entfernungsmessung in einer einzelnen Anordnung von Pixeln zu kombinieren. Diese Kombination würde eine Anordnung von Pixeln mit sowohl Farbpixeln als auch Tiefenpixeln beinhalten.
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Bezugnehmend auf 1A ist ein Diagramm eines Kerns 100 einer Bildgebungsanordnung im Stand der Technik gezeigt. Natürlich ist zu verstehen, dass eine vollständige Bildgebungsanordnung aus vielen solchen Kernen von Pixeln gemacht ist. 1A zeigt nur den Kern 100, da dies genug zum Erklären des Problems in dem Stand der Technik ist.
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Kern 100 umfasst Farbpixel, die mit R, G oder B bezeichnet sind, sowie ein Tiefenpixel, das mit Z bezeichnet ist. Die Farbpixel erzeugen ein Bild in drei Farben, nämlich rot, grün und blau. Das Tiefenpixel wird verwendet zum Empfangen von Licht, aus dem die Vorrichtung ihre Entfernung oder Tiefe von dem Abgebildeten bestimmt.
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Alle diese Pixel arbeiten elektronisch. Zudem ist die elektronische Schaltungsanordnung für die Farbpixel unterschiedlich von derjenigen für das Tiefenpixel wie unten mit Bezug auf 1B und 1C erläutert wird.
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1B ist ein elektronisches Prinzipschaltbild 110 von zwei benachbarten Farbpixeln des Kerns aus 1A für die Farben C1, C2. Im Diagramm 110 sind die zwei Farben als C1, C2 abstrahiert dargestellt aufgrund der Tatsache, dass sie jeweils eine von den Farben R, G, B darstellen. Die zwei Pixel besitzen jeweilige Fotodioden PD1, PD2, die auch manchmal Farbfotodioden genannt werden. Eine Fotodiode sammelt Licht ein und erzeugt als Antwort elektrische Ladungen. Die zwei Pixel besitzen außerdem jeweilige Transfergatter TX1, TX2. Die zwei Transfergatter können z. B. als Feldeffekttransistoren (FETs) ausgebildet sein. Die zwei Transfergatter lassen einzeln die erzeugten elektrischen Ladungen zu einem Anschluss, der als Kondensator 141 dargestellt ist, passieren.
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Die Anordnung des Diagramms 110 wird auch eine zweifach genutzte Anordnung bezeichnet, bei der zwei Fotodioden PD1, PD2 und zwei Transfergatter TX1, TX2 den FET 142 als einen Sourcefolger für den Ausgang teilen.
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1C ist ein elektronisches Prinzipschaltbild 120 der Tiefenpixelschaltung des Kerns aus 1A. Die Schaltung aus 1C besitzt eine Fotodiode PDZ mit zwei Transfergattern, die moduliert werden durch komplementäre Taktsignale CLK und CLKB, sowie zwei Sourcefolger für den Ausgang. Die Bestimmung der Entfernung oder Tiefe kann gemacht werden durch Verwenden eines Laufzeit(„TOF”)-Prinzips, bei dem eine Kamera, die die Anordnung besitzt, außerdem eine separate Lichtquelle besitzt. Die Lichtquelle beleuchtet ein Objekt, das abgebildet werden soll, und der Tiefenpixel Z fängt eine Reflektion dieser Beleuchtung ein. Der Abstand wird bestimmt anhand der Gesamtlaufzeit dieser Beleuchtung von der separaten Lichtquelle zu dem Objekt und zurück zu dem Tiefenpixel.
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Zurück zu 1A kann in Betracht gezogen werden, dass innerhalb des Kerns 100 nicht nur die Schaltungen für die Farbpixel verschieden sind von denen der Tiefenpixel, sondern auch die Fotodiode PBZ typischerweise größer sein muss als die Fotodioden PD1, PD2 der Farbpixel aus 1B, um die Entfernungsbestimmung mit annehmbarer Genauigkeit bei verschiedenen Situationen zu machen.
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Ein Problem mit Kern 100 und jeder gemäß dieser gemachten Bildgebungsanordnung liegt bei der Fotoantwort der Farb-RGB-Pixel. Die Fotoantwort ist vorzugsweise für jedes Pixel gleichförmig, aber die Anordnung des Kerns 100 verhindert dies. Der Mangel an Gleichförmigkeit bei den Fotoantworten verschlechtert die Qualität des letztendlich erzeugten Bildes. Genauer unterscheiden sich die Fotoantworten der Farb-RGB-Pixel, die benachbart zu einem Tiefenpixel Z sind, von demjenigen der Farb-RGB-Pixel, die nur zu Farbpixeln benachbart sind. Schlimmer noch unterscheiden sich die Fotoantworten der Farb-RGB-Pixel, die benachbart zu einem Tiefenpixel Z sind, voneinander in Abhängigkeit davon, zu welchem Teil des Tiefenpixels Z sie benachbart sind. Diese Unterschiede bewirken pixelweise ein Fixed Pattern Noise (FPN).
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Eine andere Lösung in dem Stand der Technik ist in dem
US-Patent US 7 781 811 gegeben, das ein TOF-Pixel mit drei Transfergattern, zwei Ladungsspeicherorten und einen Ladungsabfluss lehrt. Die zwei Ladungsspeicherorte sind verknüpft mit zwei von den Transfergattern. Die zwei Ladungsspeicherorte werden verwendet zum Speichern von Laufzeitphaseninformation. Der Ladungsabfluss ist verknüpft mit dem dritten Transfergatter und wird verwendet für Umgebungslichtverringerung.
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Zusätzlich lehrt eine Veröffentlichung mit dem Titel „A CMOS Image Sensor Based on Unified Pixel Architecture with Time-Diffusion Multiplexing Scheme for Colour and Depth Image Acquisition", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Bd. 47, Nr. 11, November 2012, eine Bildgebungsanordnung, die verwendet wird sowohl für Farbbildgebung als auch für Entfernungsbestimmung, wobei ein Zeitmultiplexverfahren verwendet wird. Die Anordnung besteht aus gleichförmigen Pixeln, die das in 1A erwähnte Problem, nämlich den Mangel an Gleichförmigkeit bei der Fotoantwort der Pixel gänzlich vermeidet. Ein anderes Problem mit einer solchen Anordnung ist jedoch, dass es schwierig sein könnte, den Pixelabstand zu verringern und die örtliche Auflösung sowie den Pixelfüllfaktor zu erhöhen.
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KURZFASSUNG
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Die vorliegende Beschreibung gibt Beispiele von Pixelanordnungen, Bildgebungsvorrichtungen, Controller für Bildgebungsvorrichtungen sowie Verfahren an, deren Verwendung helfen kann, Probleme und Beschränkungen des Standes der Technik zu überwinden.
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Bei einer Ausführungsform enthält eine Pixelanordnung mit Farbpixeln, die einen Grundriss besitzen, sowie mit Tiefenpixeln mit einem Grundriss, der von dem Grundriss der Farbpixel ausgeht. Fotodioden von benachbarten Tiefenpixeln können verbunden sein zum Bilden von größeren Tiefenpixeln, während trotzdem der Grundriss der Farbpixel effizient ausgenützt wird.
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Ein Vorteil einer gemäß Ausführungsformen ausgebildeten Anordnung ist es, dass eine hohe räumliche Auflösung zusammen mit einem hohen Füllfaktor erhalten werden kann. Zusätzlich kann die Anordnung auf viele verschiedene Arten konfiguriert sein.
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Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist es, dass die Fotoantwort der Farbpixel gleichförmiger ist, wodurch ein pixelweiser FPN verringert wird und dadurch eine Bildverschlechterung verhindert wird. Ein weiterer Vorteil ist die Erleichterung beim Entwerfen des Layouts angesichts der größeren Gleichförmigkeit.
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Darüber hinaus sind einige Ausführungsformen derart konstruiert, dass sie Standbildverschlussblendenbetrieb der Pixelanordnung ermöglichen. Ein Vorteil ist die Verringerung der Bewegung und des Umgebungslichtrauschens bei Tiefenbildgebung unter Verwendung des Laufzeitprinzips.
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Diese und weitere Merkmale und Vorteile dieser Beschreibung werden leichter verständlich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung, die zusammen mit den Zeichnungen fortfährt:
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A ist ein Diagramm einer Kernanordnung in dem Stand der Technik, die Farbpixel und ein Tiefenpixel umfasst.
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1B ist ein elektronisches Prinzipschaltbild von zwei benachbarten Farbpixeln des Kerns aus 1A.
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1C ist ein elektronisches Prinzipschaltbild der Tiefenpixelschaltung des Kerns aus 1A.
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2 ist ein Diagramm eines Kerns, der gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist.
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3 ist ein elektronisches Prinzipschaltbild eines Tiefenpixels, wie z. B. des Tiefenpixels des Kerns aus 2.
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4 ist ein Diagramm eines Kerns, der gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist.
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5A ist ein Diagramm eines Kerns, der gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist.
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5B ist ein Diagramm eines Kerns, der gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist, welche eine Variante des Kerns aus 5A ist.
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6A ist eine Tabelle, die einen Satz von möglichen Werten von Taktsignalen zum Ansteuern des Transfers von Ladungen innerhalb von Tiefenpixeln gemäß Ausführungsformen darstellt.
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6B ist eine Tabelle, die einen weiteren Satz von möglichen Werten von Taktsignalen zum Ansteuern der Übertragung von Ladungen innerhalb von Tiefenpixeln gemäß Ausführungsformen darstellt.
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7 ist ein Diagramm eines Kerns, der gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist.
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8A ist ein Zeitablaufdiagramm für das Implementieren eines Rolling-Shutters gemäß Ausführungsformen.
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8B ist ein Zeitablaufdiagramm für das Implementieren eines globalen („Standbild-”)Shutters gemäß Ausführungsformen.
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9 ist ein Diagramm eines Kerns, der gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist, die einen Standbild-Shutter verwendet.
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10 ist ein Diagramm eines Kerns, der gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist, die einen Standbild-Shutter verwendet.
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11 ist ein Zeitablaufdiagramm von Signalen zum Steuern von Transfergattern, um Standbild-Shutter-Ausführungsformen zu implementieren.
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12 ist ein Flussdiagramm zum Darstellen von Verfahren gemäß Ausführungsformen.
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13 stellt ein Controller-basiertes System für eine Bildgebungsvorrichtung dar, die eine gemäß Ausführungsformen ausgebildete Bildgebungsanordnung verwendet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Wie erwähnt wurde handelt die vorliegende Beschreibung über Pixelanordnungen, Bildgebungsvorrichtungen, Controller für Bildgebungsvorrichtungen sowie Verfahren. Ausführungsformen werden nunmehr im Detail beschrieben werden. Es wird anhand der vielen beispielhaften Ausführungsformen verstanden werden, dass die Erfindung auf viele verschiedene Weisen implementiert werden kann.
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2 ist ein Diagramm eines Kerns 200, der gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist. Alles was über einen gemäß einer Ausführungsform ausgebildeten Kern geschrieben wird, kann auch über eine gesamte Pixelanordnung gesagt werden, da eine solche durch Wiederholen des Kerns gebildet werden kann.
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Der Kern 200 besitzt Farbpixel R, G, B, die Zeilen R0, R1, R2, ... und Spalten C0, C1, C2, ... definieren. Farbpixel R, G, B besitzen Komponenten, die gemäß einem Layout angeordnet sind. Die Grenzen der Farbpixel können Rechtecke definieren oder sogar Quadrate, und irgendwelche Orte innerhalb der Rechtecke können als Orte gemäß dem Layout definiert sein.
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In dem Kern 200 besitzen Farbpixel R, G, B Fotodioden und Transfergatter gemäß dem Layout. Zum Beispiel können Farbpixel R, G, B wie in 1B ausgebildet sein. Zusätzlich besitzen sie weitere FETs, wie z. B. für Rücksetzung (rst), Auswahl (sel oder Rsel) und so weiter.
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In dem Kern 200 sind Farbpixel R, G, B so angeordnet, dass sie einen Sourcefolger für die Ausgabe gemäß einer gemeinsam genutzten Struktur teilen. Bei dieser Ausführungsform sind die Farbpixel in einer zweifach genutzten Struktur, aber das ist nur beispielhaft. Die Farbpixel könnten alternativ in einer nicht mehrfach genutzten Struktur, einer vierfach genutzten Struktur, einer achtfach genutzten Struktur und so weiter sein.
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Der Kern 200 besitzt außerdem ein Tiefenpixel 220, während eine gesamte Anordnung mehrere Tiefenpixel besitzen würde. Es kann auf den ersten Blick so erscheinen, dass Pixel 220 tatsächlich zwei oder sogar vier Pixel sind. In der Tat besetzt Pixel 220 so viel Raum wie vier Farbpixel auf beiden Seiten davon. Es wird später erklärt werden, warum Pixel 220 ein einzelnes Pixel ist. Trotzdem kann zum Zwecke der Einfachheit der Betrachtung manchmal ein einzelnes tiefes Pixel als gemäß einigen der Grenzen der Zeilen oder der Spalten geteilt dargestellt sein. Das Tiefenpixel 220 wird nunmehr im Detail beschrieben werden.
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3 ist ein elektronisches Prinzipschaltbild eines Tiefenpixels 320, das für einen Tiefenpixel 220 stehen kann. Es wird sofort erkannt werden, dass das Tiefenpixel 320 hergestellt wurde, indem von dem Layout der vier Farbzellen ausgegangen wird.
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Zunächst einmal ist das Tiefenpixel 320 mit vier Fotodioden 321, 322, 323, 324 gezeigt, die auch manchmal Tiefen-Fotodioden genannt werden. Die Fotodioden 321, 322, 323, 324 sind zumindest an Orten ausgebildet, die ähnlich gemäß dem Layout zu Orten der Farbfotodioden sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Abwandlung von dem Layout sind zwei oder sogar mehr von diesen Tiefen-Fotodioden miteinander verbunden. Selbstverständlich können, wenn die Tiefenpixel in einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, die Fotodioden 321, 322, 323, 324 miteinander verbunden sein durch Erstrecken eines pn-Übergangs zwischen den Orten der Fotodioden 321, 322, 323, 324 und weiter durch Verwenden einer Diffusionsschicht 329 in dem Substrat. Wenn ein solches Verbinden tatsächlich implementiert wird, wird mehr von der oberen Oberfläche der Anordnung ein pn-Übergang, die es ansonsten nicht wäre, und die Effizienz ist erhöht. Von daher, wenn sie miteinander verbunden sind, sind Fotodioden 321, 322, 323, 324 nicht mehr getrennte Vorrichtungen, indem sie zusammengeführt werden, und werden effektiv eine einzelne Tiefen-Fotodiode.
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Das Tiefenpixel 320 enthält außerdem vier Transfergatter 331, 332, 333, 334. Diese Transfergatter befinden sich an Orten, die gemäß dem Layout ähnlich sind zu Orten der Transfergatter der Farbpixel, wie verifiziert werden kann mit einem schnellen Verweis auf 2. Transfergatter 331, 332, 333, 334 sind jeweilig gekoppelt an Fotodioden 321, 322, 323, 324. Wenn diese Fotodioden verbunden wurden, kann es immer noch vier verschiedene Transfergatter 331, 332, 333, 334 geben, die mit einer einzelnen Fotodiode gekoppelt sind. Bei einigen Beispielen sind einige dieser Transfergatter möglicherweise nicht verwendet.
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Zusätzlich teilen zwei Transfergatter 331, 332 einen Sourcefolger 342 für einen Ausgang gemäß der zweifach genutzten Struktur. Zudem teilen sich die beiden anderen Transfergatter 333, 334 genauso einen Sourcefolger 344.
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Darüber hinaus können das Tiefenpixel 320 und auch 220, FETs an jedem Ort ähnlich gemäß dem Layout zu Orten der FETs der Farbpixel besitzen. Zum Beispiel kann dies auf FETs für Rücksetzung (rst), Auswahl (sel) und so weiter zutreffen.
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Die obigen vorläufigen Beispiele beschrieben Details der elektrischen Verbindungen und dergleichen. Andere Beispiele werden nun präsentiert, dafür wie das Farbpixellayout verwendet werden kann zum Ausbilden verschiedener Tiefenpixel. Es wird gewürdigt werden, dass für verschiedene Tiefenpixel die durch eine von den Tiefen-Fotodioden erzeugte Ladung derart konfiguriert sein kann, dass sie von zwei oder mehr verschiedenen Spalten ausgegeben wird.
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4 ist ein Diagramm eines Kerns 400, der gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist. Der Kern 400 enthält ein Tiefenpixel 420 in dem Raum der vier Farbpixel. Das Tiefenpixel 420 kann genau genommen als ein einzelnes Pixel betrachtet werden, da all seine Fotodioden verbunden sind, wie oben beschrieben wurde. Die Fotodioden empfangen Licht, wie z. B. das von einer modulierten Lichtquelle und auch Umgebungslicht, und erzeugen Ladungen, wie z. B. Elektronen. Es ist bevorzugt, zumindest vier so kombinierte Fotodioden für das Tiefenpixel zu haben.
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Das Tiefenpixel 420 besitzt vier Transfergatter, wobei zwei durch ein Taktsignal CLK und die anderen beiden durch CLKB, das komplementär zu CLK sein kann, gesteuert sind. Wenn CLK auf einem High-Pegel ist, fließen von den Fotodioden erzeugte Elektronen zu einem der potentialfreien Diffusionsbereiche; wenn CLKB auf einem High-Pegel ist, fließen sie zu dem anderen. An dem Ende der Integration können die auf diesen potentialfreien Diffusionsbereichen angesammelten Ladungen ausgelesen werden als Signale, um schließlich die Tiefenberechnung zu unterstützen.
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5A ist ein Diagramm eines Kerns, der gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist. Der Kern 500 enthält ein Tiefenpixel 520 in dem Raum von acht Farbpixeln. Das Tiefenpixel 520 kann streng genommen betrachtet werden als ein einzelnes Pixel, da alle seine Fotodioden verbunden sind. Immer noch gibt es dort acht Transfergatter, von denen zwei durch ein Taktsignal CLK1, zwei durch CLK2, zwei durch CLK3 und zwei durch CLK4 gesteuert sind, und die später beschrieben werden.
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5B ist ein Diagramm eines Kerns 550, der gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist, die eine Variante des Kerns aus 5A ist. Der Kern 550 enthält zwei Tiefenpixel in dem Raum von acht Farbpixeln. Die zwei Tiefenpixel 570 sind genau genommen definiert durch die zwei Gruppen von vier je nachdem wie ihre Fotodioden verbunden sind. Weiterhin gibt es acht Transfergatter, von denen zwei durch Taktsignal CLK1, zwei durch CLK2, zwei durch CLK3 und zwei durch CLK4 gesteuert werden.
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Es wird beobachtet werden, dass Pixel 570 des Kerns 550 zwei Ausgänge für die Tiefe in zwei Spalten erzeugen. Bei solchen Ausfihrungsformen können die Ausgänge gruppiert werden, d. h. kombiniert werden zum Berechnen eines Wertes für die Tiefe. Die Ausgänge können als Ladungen oder als analoge Signale aufaddiert werden. Alternativ können sie durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) in digitale Signale umgewandelt werden und dann als digitale Signale aufaddiert werden.
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Die Transfergatter der Tiefenpixel können gesteuert werden durch Taktsignale. Optionen werden nun beschrieben werden.
6A ist eine Tabelle, die einen Satz von möglichen Werten von Taktsignalen CLK1, CLK2, CLK3, CLK4 zeigt. Die zwei Taktsignale CLK und CLKB öffnen die Transfergatter nicht gleichzeitig – vielmehr sind sie wie oben beschrieben komplementär.
6B ist eine Tabelle, die einen weiteren solchen Satz von möglichen Werten zeigt, wobei die vier Transfergatter nicht gleichzeitig geöffnet werden. In dem speziellen Fall aus
6B können die vier Taktsignale eine 90-Grad-Phasenverschiebung voneinander besitzen, was einen bestimmten Typ der Berechnung der Tiefe ermöglicht. Sie können eine Vielzahl von verschiedenen Muster implementieren, wie es in der
US 2011 0 129 123 beschrieben wurde, die hiermit durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird. Eines von den Muster kann ein Phasenmosaikmuster sein.
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7 ist ein Diagramm eines Kerns 700, der gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist. Der Kern 700 enthält ein Tiefenpixel 720 in dem Raum von acht Farbpixeln. Das Tiefenpixel 720 kann als ein einzelnes Pixel betrachtet werden, da alle seine Fotodioden verbunden sind. Das Tiefenpixel 720 kann in verbesserter Farbqualität resultieren. Es gibt acht Transfergatter, wobei zwei durch Taktsignal CLK1, zwei durch CLK2, zwei durch CLK3 und zwei durch CLK4 gesteuert sind wie oben beschrieben ist.
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8A ist ein Zeitablaufdiagramm für das Implementieren eines Rolling-Shutter-Verfahrens einer Pixelanordnung gemäß Ausführungsformen, das separat oder gleichzeitig angewendet werden kann auf Farb(R, G, B)- und Tiefen (Z)-Pixeln. Das Zeitablaufdiagramm findet Anwendung auf die gesamte Anordnung und nicht nur auf die beispielhaften Kerne. Probleme mit dem Rolling-Shutter-Verfahren schließen Bewegungsunschärfe sowie Umgebungslichtrauschen bei Tiefenbildgebung unter Verwendung des Laufzeitprinzips mit ein. Beide Probleme können verringert werden durch Implementieren des Standbild-Shutter-Verfahrens, das unten beschrieben wird.
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8B ist ein Zeitablaufdiagramm für das Implementieren eines globalen („Standbild-”)Shutter-Verfahrens einer Pixelanordnung gemäß Ausführungsformen, das daher das gleichzeitige Betreiben von R-, G-, B- und Z-Pixeln umfasst. Bewegungsunschärfe wird verringert durch Integrieren aller Pixel über die gleiche Zeitspanne. Die Umgebungslichtkomponente des Rauschens kann verringert werden durch Verwenden einer Lichtquelle mit höherer Intensität und entsprechendem Verkürzen der Integrationszeit. Darüber hinaus kann auf diesem Wege eine hohe Bildrate erzielt werden.
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Für das Implementieren eines Standbild-Shutter-Verfahrens können einige Abwandlungen angemessen sein. Die Abwandlungen können enthalten, welche Signale verwendet werden zum Steuern einiger der Transfergatter der Tiefenpixel, sowie die Zeitablaufzusammenhänge dieser Signale. Ausführungsformen werden nun beschrieben werden.
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9 ist ein Diagramm eines Kerns 900, der gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist, die einen Standbild-Shutter für Tiefen (Z)-Pixel verwendet. Der Kern 900 enthält ein Tiefenpixel 920 in dem Raum von acht Farbpixeln. Es gibt acht Transfergatter, wobei zwei durch Taktsignal CLKA, zwei durch CLKB und die verbleibenden vier durch CLKS gesteuert sind, wie unten beschrieben werden wird.
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10 ist ein Diagramm eines Kerns 1000, der gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ausgebildet ist, die einen Standbild-Shutter verwendet. Kern 1000 enthält ein Tiefenpixel 1020 in dem Raum von acht Farbpixeln. Es gibt acht Transfergatter, wobei zwei durch Taktsignal CLKA, zwei durch CLKB und die verbleibenden vier durch CLKS gesteuert sind, wie nun beschrieben wird.
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11 ist ein Zeitablaufdiagramm der Signale zum Steuern von Transfergattern zum Implementieren von Standbild-Shutter-Ausführungsformen, wie z. B. denjenigen aus 9 und 10. 11 kann mit Bezug außerdem auf 8B verstanden werden. 11 zeigt relative Zeitabläufe von Signalen CLKA, CLKB und CLKS. Dies ist ein Beispiel, bei dem drei Transfergatter von Tiefenpixeln nicht gleichzeitig geöffnet werden. Während CLKA und CLKB hin und her schalten, sind die Pixel in der Integrationsphase, und die durch das modulierte Licht und das Umgebungslicht erzeugten Elektronen fließen zu den zwei potentialfreien Diffusionsbereichen benachbart zu den Transfergattern, welche die CLKA-, CLKB-Signale empfangen. Während CLKA und CLKB inaktiv sind ist CLKS auf einem High-Pegel. Die durch die Umgebungslichtkomponente erzeugten Elektronen werden zu den anderen beiden potentialfreien Diffusionsbereichen fließen. Mit diesem Zeitablaufdiagramm können sowohl Standbild-Shutter-Verfahren und Umgebungslicht-Rauschverringerung realisiert werden.
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Bei einer alternativen Ausführungsform in 10 können die CLKS-Signale deaktiviert werden, und jedes dieser Transfergatter empfängt kein Signal, das seinen Leitfähigkeitszustand ändert. Dies kann außerdem für andere Gestaltungen gemäß Ausführungsformen gelten.
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12 zeigt ein Flussdiagramm 1200 zum Beschreiben eines Verfahrens. Das Verfahren des Flussdiagramms 1200 ist für eine Bildgebungsvorrichtung gedacht und kann außerdem praktiziert werden durch oben beschriebene Ausführungsformen. Es wird gewürdigt werden, dass das Verfahren des Flussdiagramms 1200 für sequentielles Auslesen gedacht ist, bei dem ein Farbbild nach einem Tiefenbild gelesen wird.
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Gemäß einem Verfahrensschritt 1210 wird eine Anordnung von einem Bild belichtet, um so zu bewirken, dass eine Tiefendiode in der Anordnung Ladungen emittiert. Die Ladungen können negativ sein, wie z. B. Elektronen, oder positiv, wie z. B. Löcher.
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Gemäß einem nächsten Verfahrensschritt 1220 werden die von der Tiefendiode emittierten Ladungen gleichzeitig durch die Transfergatter geleitet. Gleichzeitiges Durchlassen kann implementiert werden durch eine Anzahl von Arten, wie z. B. durch Treiben zweier Transfergatter mit dem gleichen CLK-Signal.
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Gemäß einem nächsten Verfahrensschritt 1230 wird Tiefeninformation über das Bild von den gesteuerten Ladungen erzeugt und ausgegeben.
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Gemäß einem optionalen nächsten Verfahrensschritt 1240 wird Farbinformation über das Bild erzeugt als Antwort auf die Belichtung, und die Farbinformation wird ausgegeben.
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Bei einigen Ausführungsformen erzeugt das Tiefenpixel Ausgänge in zwei verschiedenen Spalten, und die Ausgänge werden gruppiert.
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13 stellt ein Controller-basiertes System 1300 für eine Bildgebungsvorrichtung dar, die gemäß Ausführungsformen ausgebildet ist. Das System 1300 enthält einen Bildsensor 1310, der gemäß Ausführungsformen ausgebildet ist. Von daher könnte das System 1300 ohne Einschränkung ein Computersystem, eine Bildgebungsvorrichtung, ein Kamerasystem, ein Scanner, ein Maschinensichtsystem, ein Fahrzeugnavigationssystem, ein Smartphone, ein Videotelefon, ein persönlicher digitaler Assistent (PDA), ein mobiler Computer, ein Überwachungssystem, ein Autofokussystem, ein Sternensensorsystem, ein Bewegungserfassungssystem, ein Bildstabilisationssystem, ein Datenkompressionssystem für hochauflösendes Fernsehen und so weiter sein.
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System 1300 enthält weiter einen Controller 1320, der eine CPU sein könnte, einen digitalen Signalprozessor, einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine programmierbare logische Vorrichtung (PLD) und so weiter. Bei einigen Ausführungsformen kommuniziert Controller 1320 über den Bus 1330 mit dem Bildsensor 1310. Bei einigen Ausführungsformen kann der Controller 1320 mit Bildsensor 1310 in einer einzelnen integrierten Schaltung integriert sein. Der Controller 1320 steuert und betreibt den Bildsensor 1310 durch Übertragen von Steuersignalen von Ausgangsanschlüssen usw., wie von den Fachleuten verstanden werden wird.
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Der Bildsensor 1310 kann eine Anordnung wie oben beschrieben sein. Eine Anzahl von Hilfskomponenten können Teil von sowohl dem Bildsensor 1310 als auch von dem Controller 1320 sein. Hilfskomponenten können einschließen einen Zeilentreiber, einen Taktsignalgenerator und einen Analog-Digital-Wandler (ADC). Für den Entfernungsbestimmungsabschnitt können zusätzliche Hilfskomponenten eine Abstandsinformations-Entscheidungseinheit und, wenn nötig, eine Interpolationseinheit sein.
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Der Controller 1320 kann weiter mit anderen Vorrichtungen in dem System 1300 kommunizieren. Eine solche andere Vorrichtung könnte ein Speicher 1340 sein, der ein Direktzugriffsspeicher (RAM) oder ein Festwertspeicher (ROM) sein könnte. Der Speicher 1340 kann konfiguriert sein zum Speichern von Befehlen, die von dem Controller 1320 gelesen und ausgeführt werden sollen.
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Eine andere solche Vorrichtung könnte ein externer Treiber 1350 sein, der ein Compact-Disc(CD)-Laufwerk, ein Speicherstick usw. sein kann. Eine weitere solche Vorrichtung könnte eine Eingabe/Ausgabe(I/O)-Vorrichtung 1360 für einen Benutzer, z. B. eine Kleintastatur, eine Tastatur und eine Anzeige sein. Der Speicher 1340 kann konfiguriert sein zum Speichern von Benutzerdaten, auf die von einem Benutzer über die I/O-Vorrichtung 1360 zugegriffen werden kann.
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Eine solche zusätzliche Vorrichtung könnte eine Schnittstelle 1370 sein. Das System 1300 könnte die Schnittstelle 1370 verwenden zum Übertragen von Daten zu oder zum Empfangen von Daten von einem Kommunikationsnetzwerk. Die Übertragung könnte über Verdrahtung, z. B. über Kabel, oder eine USB-Schnittstelle sein. Alternativ könnte das Kommunikationsnetzwerk drahtlos sein und die Schnittstelle 1370 könnte drahtlos sein und z. B. eine Antenne, einen drahtlosen Sendeempfänger und so weiter enthalten. Das Kommunikationsschnittstellenprotokoll kann das eines Kommunikationssystems, wie z. B. CDMA, GSM, NADC, E-TDMA, WCDMA, CDMA2000, Wi-Fi, Muni Wi-Fi, Bluetooth, DECT, drahtloses USB, Flash-OFDM, IEEE 802.20, GPRS, iBurst, WiBro, WiMAX, WiMAX-Advanced, UMTS-TDD, HSPA, EVDO, LTE-Advanced, MMDS und so weiter sein.
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Wie oben erwähnt kann Controller 1320 weiter Operationen der Anordnung unterstützen. Zum Beispiel kann der Controller Ausgangsports besitzen zum Ausgeben von Steuersignalen für unter anderem das Steuern der Übertragung von Ladungen von den Tiefen-Fotodioden.
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Zum Beispiel für das Implementieren der Signale aus 11 kann Controller 1320 drei Signale CLKA, CLKB und CLKS ausgeben. Wie oben kann CLKA zwischen ein und aus hin und her schalten mit CLKB, während CLKS aus ist, und CLKA und CLKB können aus sein, während CLKS an ist.
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Ein Fachmann wird in der Lage sein, die vorliegende Erfindung im Hinblick auf die Beschreibung auszuführen, die als Ganzes zu nehmen ist. Details wurden mit aufgenommen zum Vermitteln eines vollständigen Verständnisses. Bei anderen Beispielen wurden gut bekannte Aspekte nicht beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verschleiern.
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Diese Beschreibung enthält ein oder mehrere Beispiele, aber beschränkt nicht, wie die Erfindung praktiziert werden kann. Tatsächlich können Beispiele oder Ausführungsformen der Erfindung praktiziert werden gemäß dem, was beschrieben wurde oder sogar unterschiedlich und auch in Zusammenhang mit anderen aktuellen oder zukünftigen Technologien. Während zum Beispiel das Ablaufdiagramm 1200 sequentielles Auslesen darstellte, ist gleichzeitiges Auslesen genauso möglich. Ein solches würde implementiert werden durch Verwenden von zwei Auslesepfaden, einen für Farbbilder und einen für Tiefenbilder.
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Ein oder mehrere hier beschriebene Ausführungsformen können implementiert werden ganz oder teilweise als Software und/oder Firmware. Diese Software und/oder Firmware kann die Form von Anweisungen annehmen, die in oder auf einem nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedium enthalten sind. Diese Anweisungen können dann gelesen und ausgeführt werden von einem oder mehreren Prozessoren, um die Ausführung der hier beschriebenen Operationen zu ermöglichen. Diese Anweisungen können irgendeine geeignete Form aufweisen, wie z. B., aber nicht beschränkt auf einen Quellcode, einen kompilierten Code, einen interpretierten Code, einen ausführbaren Code, einen statischen Code, einen dynamischen Code und dergleichen. Solch ein computerlesbares Medium kann irgendein materielles nichtflüchtiges Medium zum Speichern von Information in einer von einem oder mehreren Computer lesbaren Form sein, wie z. B., aber nicht beschränkt auf einen Festwertspeicher (ROM), einen Direktzugriffsspeicher (RAM), ein magnetisches Plattenspeichermedium, ein optisches Speichermedium, einen Flash-Speicher usw.
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Der Begriff „computerlesbare Medien” enthält Computer-Speichermedien. Zum Beispiel können Computer-Speichermedien magnetische Speichervorrichtungen (z. B. eine Festplatte, eine Diskette und Magnetstreifen), optische Platten (z. B. eine Kompaktdisc [CD] und eine Digital Versatile Disc [DVD]), Smartkarten, Flash-Speichervorrichtungen (z. B. einen Speicherstick, einen Stick, einen Keydrive und SD-Karten) sowie flüchtige und nichtflüchtige Speicher (z. B. einen RAM und einen ROM) einschließen, aber sind nicht darauf beschränkt.
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Die folgenden Ansprüche definieren bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen von Elementen, Merkmalen und Schritten oder Operationen, die als neu und nicht offensichtlich betrachtet werden. Zusätzliche Ansprüche für solche Kombinationen und Unterkombinationen können in diesem oder einem verwandten Dokument dargestellt werden.
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In den hier angehängten Ansprüchen beruft sich der Erfindung auf 35 U.S.C. §112, Abs. 6 nur dann, wenn die Worte „Mittel für” oder „Schritte für” in dem Anspruch verwendet werden. Wenn solche Worte nicht in einem Anspruch verwendet werden, beabsichtigt der Erfinder nicht, dass der Anspruch derart ausgelegt wird, dass er die entsprechende Struktur, Material oder Handlungen, die hier beschrieben werden (und Äquivalente davon) abdeckt gemäß 35 U.S.C. §112, Abs. 6.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7781811 [0010]
- US 20110129123 [0054]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „A CMOS Image Sensor Based on Unified Pixel Architecture with Time-Diffusion Multiplexing Scheme for Colour and Depth Image Acquisition”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Bd. 47, Nr. 11, November 2012 [0011]
- IEEE 802.20 [0074]
