DE102015112398A1

DE102015112398A1 - Bilderzeugungsvorrichtung und Bilderzeugungsverfahren zum Erfassen von Bilderzeugungsdaten über ein Pixelarray

Info

Publication number: DE102015112398A1
Application number: DE102015112398.3A
Authority: DE
Inventors: Josef Prainsack; Stefan Gansinger; Markus Dielacher; Martin Flatscher; Michael Mark; Hartwig Unterassinger
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2017-02-02
Also published as: US10142572B2; US20170034464A1

Abstract

Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Bilderzeugungsvorrichtung (100). Die Bilderzeugungsvorrichtung (100) umfasst ein Pixelarray (110). Das Pixelarray (110) umfasst ein erstes Pixel (120-1) umfassend eine erste strahlungssensitive Region (130-1) und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion (140-1) zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der ersten strahlungssensitiven Region (130-1). Das Pixelarray (110) umfasst ferner ein zweites Pixel (120-2) umfassend eine zweite strahlungssensitive Region (130-2) und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion (140-2) zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der zweiten strahlungssensitiven Region (130-2). Ferner umfasst die Lichterfassungsvorrichtung (100) eine Steuerungsschaltungsanordnung (150), die ausgebildet ist, um ein gemeinsames Kompensationssignal (160) zu erzeugen, das dem ersten und dem zweiten Pixel (120-1; 120-2) gemeinsam ist. Das gemeinsame Kompensationssignal (160) mäßigt eine Sättigung der entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen (140-1; 140-2) des ersten und zweiten Pixels (120-1; 120-2).

Description

Gebiet
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Bilderzeugungsvorrichtung und ein Bilderzeugungsverfahren zum Erfassen von Bilderzeugungsdaten über ein Pixelarray.
Hintergrund
Auf dem Gebiet der 2D- oder 3D-Bilderzeugung oder 3D-Messung werden häufig Bildsensoren oder Kameras, wie zum Beispiel CCD-Sensoren (CCD = charge-couled device; ladungsgekoppeltes Bauelement), verwendet. Diese Sensoren oder Kameras können ein Array aus Bildelementen (Pixeln) in verschiedenen Anzahlen aufweisen, was von einer gewünschten Auflösung eines Bildes abhängen kann. Zum Beispiel kann für Laufzeitkameras (ToF-Kameras; ToF = Time-of-Flight) ein ToF-Pixel auch als ein differenzielles Pixel oder PMD-Pixel (PMD = Photonic Mixing Device; photonisches Mischbauelement) bezeichnet werden.
Ein Pixel umfasst üblicherweise ein photosensitives Element, das elektrische Ladungen ansprechend auf Licht emittiert, das auf das photosensitive Element scheint. Störungen oder Rauscheffekte jedoch können in jedem gegebenen Pixel auftreten, die die Qualität der gemessenen Signale reduzieren können und daher möglicherweise verringert werden müssen. Herkömmliche Pixel können individuelle (pro Pixel) elektronische Schaltungen umfassen, die in der Lage sind, einen elektrischen Ladungssättigungseffekt des Pixels zu messen und Kompensationssignale auf einer Pro-Pixel-Basis bereitzustellen, um die Effekte zu reduzieren. Dies wiederum kann große Abmessungen erfordern und zu großen Pixelgrößen führen, was eine weitere Herunterskalierung eines Pixelarrays verhindern könnte.
Es kann somit wünschenswert sein, ein verbessertes Konzept zum Reduzieren von Störungen bei Pixeln bereitzustellen.
Zusammenfassung
Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Bilderzeugungsvorrichtung. Die Bilderzeugungsvorrichtung umfasst ein Pixelarray. Das Pixelarray umfasst ein erstes Pixel umfassend eine erste strahlungssensitive Region und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der ersten strahlungssensitiven Region. Das Pixelarray umfasst ferner ein zweites Pixel umfassend eine zweite strahlungssensitive Region und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der zweiten strahlungssensitiven Region. Ferner umfasst die Bilderzeugungsvorrichtung eine Steuerungsschaltungsanordnung, die ausgebildet ist, um ein gemeinsames Kompensationssignal zu erzeugen, das dem ersten und zweiten Pixel gemeinsam ist. Das gemeinsame Kompensationssignal mäßigt oder reduziert eine Sättigung der jeweiligen Ladungsspeicherungsregionen von sowohl dem ersten als auch zweiten Pixel. Abgesehen von der (gemeinsamen) Steuerungsschaltungsanordnung, die das gemeinsame Kompensationssignal liefert, sind möglicherweise keine zusätzlichen Kompensationsschaltungen, dediziert für individuelle Pixel zum Verringern der elektrischen Ladungssättigung, erforderlich. Auf diese Weise kann ein Bereich, der für ein einzelnes Pixel verwendet wird, oder anders ausgedrückt eine Pixelgröße, reduziert werden. Dies kann das Herunterskalieren eines Pixelarrays wesentlich vereinfachen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Steuerungsschaltungsanordnung ausgebildet, um einen gemeinsamen elektrischen Strom zu/von den entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen des ersten und zweiten Pixels zu erzeugen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Steuerungsschaltungsanordnung eine geschlossene Rückkopplungsschleife zum Steuern des gemeinsamen Kompensationssignals.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Bilderzeugungsvorrichtung ferner ein Referenzpixel. Das Referenzpixel umfasst eine strahlungssensitive Region, zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion, und eine Kompensationsschaltungsanordnung. Die Kompensationsschaltungsanordnung ist ausgebildet, um ein Referenzkompensationssignal ansprechend auf eine elektrische Ladung in der zumindest einen zugeordneten Ladungsspeicherungsregion des Referenzpixels oder einen Betrag hergeleitet aus der elektrischen Ladung zu erzeugen. Das Referenzkompensationssignal mäßigt oder reduziert eine Sättigung der zumindest einen Ladungsspeicherungsregion des Referenzpixels. Die Steuerungsschaltungsanordnung darin umfasst eine Verteilungsschaltungsanordnung, die ausgebildet ist, um das Referenzkompensationssignals an das erste und zweite Pixel zu verteilen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Steuerungsschaltungsanordnung für eine Steuerung des gemeinsamen Kompensationssignals mit offenem Regelkreis basierend auf einer Sättigung des einen oder der mehreren Pixel des Pixelarrays ausgebildet.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst jedes des ersten und zweiten Pixels eine entsprechende strahlungssensitive Region zwischen der ersten und zweiten Ladungsspeicherungsregion, die der strahlungssensitiven Region zugeordnet sind. Somit können das erste und/oder zweite Pixel ToF-Pixel sein. Jedes des ersten und zweiten Pixels kann zumindest zwei oder mehr Modulationsgates zwischen der entsprechenden ersten und zweiten Ladungsspeicherungsregion zum Erzeugen eines variierenden oder variablen Verlaufs des elektrischen Potentials zwischen der ersten und zweiten Ladungsspeicherungsregion aufweisen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst jedes des ersten und zweiten Pixels zumindest einen Reset-Transistor, der zwischen die zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion des jeweiligen Pixels und ein Reset-Potential gekoppelt ist. Die Steuerungsschaltungsanordnung ist ausgebildet, um das gemeinsame Konzentrationssignal an die Ladungsspeicherungsregion des entsprechenden Pixels über den zumindest einen Reset-Transistor des jeweiligen Pixels bereitzustellen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das Reset-Potential in einem Bereich zwischen 0,3 V_DDA bis 0,7 V_DDA, wobei V_DDA eine Versorgungsspannung des ersten und zweiten Pixels bezeichnet.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Steuerungsschaltungsanordnung ausgebildet, um das gemeinsame Kompensationssignal und ein Reset-Signal für den zumindest einen Reset-Transistor über eine gemeinsame Signalleitung bereitzustellen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Steuerungsschaltungsanordnung ausgebildet, um das gemeinsame Kompensationssignal, das dem ersten und zweiten Pixel gemeinsam ist, an einen Steuerungsanschluss des zumindest einen Reset-Transistors anzulegen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Steuerungsschaltungsanordnung ausgebildet, um das gemeinsame Kompensationssignal an den Steuerungsanschluss zwischen aufeinanderfolgenden, vordefinierten Reset-Signalen anzulegen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Steuerungsschaltungsanordnung ausgebildet, um eine gemeinsame Kompensationsspannung, die dem ersten und dem zweiten Pixel gemeinsam ist, an einen Gateanschluss des zumindest Reset-Transistors anzulegen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen verursacht das gemeinsame Kompensationssignal, das an den zumindest einen Reset-Transistor angelegt ist, einen gleichen elektrischen Kompensationsstrom, der dem ersten und dem zweiten Pixel gemeinsam ist, zu/von den entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen des ersten und zweiten Pixels.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das erste und/oder zweite Pixel ein Laufzeitpixel, ToF-Pixel.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen von Bilderzeugungsdaten über ein Pixelarray. Das Pixelarray umfasst ein erstes Pixel umfassend eine erste strahlungssensitive Region und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der ersten strahlungssensitiven Region. Das Pixelarray umfasst ein zweites Pixel umfassend eine zweite strahlungssensitive Region und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der zweiten strahlungssensitiven Region Das Verfahren umfasst das Erzeugen eines gemeinsamen Kompensationssignals, das dem ersten und dem zweiten Pixel gemeinsam ist, wobei das gemeinsame Kompensationssignal eine Sättigung der entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen des ersten und zweiten Pixels mäßigt. Dies kann Anforderungen an Hardware reduzieren, zum Beispiel Herstellungsaufwand, Kosten oder Bauraum, während weiterhin die Qualität der Messergebnisse auf einem akzeptablen Niveau gehalten wird.
Ein anderes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine ToF-Bilderzeugungsvorrichtung umfassend ein ToF-Pixelarray. Das ToF-Pixelarray umfasst ein erstes ToF-Pixel umfassend eine erste lichtsensitive Halbleiterregion und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der ersten lichtsensitiven Halbleiterregion. Zumindest ein erster Reset-Transistor ist zwischen die zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion des ersten ToF-Pixels und ein Reset-Potential gekoppelt. Das ToF-Pixelarray umfasst ferner ein zweites ToF-Pixel umfassend eine zweite lichtsensitive Halbleiterregion und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der zweiten lichtsensitiven Halbleiterregion. Zumindest ein zweiter Reset-Transistor ist zwischen die zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion des zweiten ToF-Pixels und das Reset-Potential gekoppelt. Die ToF-Bilderzeugungsvorrichtung umfasst ferner eine Steuerungsschaltungsanordnung, die ausgebildet ist, um ein gemeinsames Kompensationssignal zu erzeugen, das dem ersten und zweiten ToF-Pixel gemeinsam ist. Das gemeinsame Kompensationssignal mäßigt eine Sättigung der entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen des ersten und zweiten ToF-Pixels. Die Steuerungsschaltungsanordnung ist ausgebildet, um das gemeinsame Kompensationssignal an die erste und zweite lichtsensitive Halbleiterregion des ersten und zweiten ToF-Pixels über den zumindest einen ersten und den zumindest einen zweiten Reset-Transistor bereitzustellen. Störsignale zum Beispiel aus Hintergrundbeleuchtung oder thermischen Fluktuationen können somit für eine Vielzahl von ToF-Pixeln unter Verwendung derselben Steuerungsschaltungsanordnung korrigiert werden. Ferner können Reset-Bedingungen global für mehrere ToF-Pixel angewendet werden. Dies kann neue Möglichkeiten zum Miniaturisieren von ToF-Pixelarrays eröffnen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren ausschließlich beispielhaft und bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen:
1 ein Blockdiagramm einer Bilderzeugungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt;
2a, b ein Schaltungsdiagramm eines ToF-Pixels gemäß einer herkömmlichen Lösung zeigen;
3a ein Blockdiagramm einer ToF-Bilderzeugungsvorrichtung mit geschlossener Schleife gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt;
3b eine Beispielimplementierung der ToF-Bilderzeugungsvorrichtung von 3a zeigt;
4a ein Schaltungsdiagramm eines ToF-Pixels mit einer globalen SBI-Steuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt;
4b ein Schaltungsdiagramm eines ToF-Pixels mit einer globalen SBI-Steuerung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt;
5a–d zeitliche Verläufe von Signalen an einer ersten und einer zweiten Ladungsspeicherungsregion eines Laufzeitpixels (ToF-Pixels) gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigen; und
6 ein Flussdiagramm hoher Ebene eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt.
Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
Während sich dementsprechend weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, werden einige Beispiele derselben in den Figuren beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, Beispiele auf die offenbarten bestimmten Formen zu begrenzen, sondern im Gegensatz Beispiele alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken sollen. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt” mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Ausdrücke sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen” gegenüber „direkt zwischen”, „benachbart” gegenüber „direkt benachbart” usw.).
Die hier verwendete Terminologie bezweckt nur das Beschreiben bestimmter Beispiele und soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Nach hiesigem Gebrauch sollen die Singularformen „ein, eine” und „das, der, die” auch die Pluralformen umfassen, es sei denn im Zusammenhang wird deutlich etwas anderes angegeben. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst”, „umfassend”, „aufweisen” und/oder „aufweisend” bei hiesigem Gebrauch das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bestandteile angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Zufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert besitzen alle hier benutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verstanden wird, zu dem Beispiele gehören. Weiterhin versteht es sich, dass Begriffe, z. B. die in gewöhnlich benutzten Wörterbüchern Definierten, als eine Bedeutung besitzend ausgelegt werden sollten, die ihrer Bedeutung im Zusammenhang der entsprechenden Technik entspricht, sofern sie hier nicht ausdrücklich anderweitig definiert sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung schlagen eine Möglichkeit zum Unterdrücken ungewollter Gleichstromkomponenten (DC-Komponenten; DC = Direct Current) in Pixeln oder ToF-Pixeln vor, die durch Temperatureffekte oder Hintergrundbeleuchtung verursacht werden. Solche DC-Komponenten können zu einer Sättigung von Pixeln im Hinblick auf elektrische Ladungen führen, die aus optischen Bereichen der Pixel emittiert werden.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Bilderzeugungsvorrichtung 100 zum Beispiel als Teil einer Kamera gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Bilderzeugungsvorrichtung 100 umfasst ein Pixelarray 110. Das Pixelarray 110 umfasst – unter einer Vielzahl von anderen Pixeln – ein erstes Pixel 120-1 umfassend eine erste strahlungssensitive Region 130-1 und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungs- oder Ladungsintegrations-Region 140-1 zum Sammeln elektrischer Ladungen, die aus der ersten strahlungssensitiven Region 130-1 emittiert werden. Das Pixelarray 110 umfasst ferner ein zweites Pixel 120-2 umfassend eine zweite strahlungssensitive Region 130-2 und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion 140-2 zum Sammeln elektrischer Ladungen, die aus der zweiten strahlungssensitiven Region 130-2 emittiert werden. Ferner umfasst die Bilderzeugungsvorrichtung 100 eine Steuerungsschaltungsanordnung 150, die ausgebildet ist, um ein gemeinsames Kompensationssignal 160 zu erzeugen, das dem ersten und dem zweiten Pixel 120-1; 120-2 gemeinsam ist. Das gemeinsame Kompensationssignal 160 mäßigt eine Ladungssättigung der entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen 140-1; 140-2 des ersten und zweiten Pixels 120-1; 120-2. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, wird erkennen, dass das Pixelarray 110 üblicherweise weit mehr als die zwei dargestellten Pixel 120-1, 120-2 umfasst. Das erste und das zweite Pixel 120-1, 120-2 stellen nur beliebige zwei Pixel des Pixelarrays 110 dar.
Wenn Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung eingesetzt werden, sind Pixel-individuelle Kompensationsschaltungen zum mäßigen der Ladungssättigung auf einer Pro-Pixel-Basis somit möglicherweise nicht mehr erforderlich, was wiederum weiter einen Implementierungsbereich eines einzelnen Pixels oder anders ausgedrückt die Pixelgröße reduzieren kann. Dies kann das Herunterskalieren von Pixelarrays wesentlich vereinfachen und/oder die Bildauflösung erhöhen. Gemäß der vorliegenden Offenbarung bezeichnet eine Pixel-individuelle Kompensationsschaltung eine Kompensationsschaltung, die exklusiv für ein zugeordnetes Pixel dediziert ist. Das heißt, eine Pixel-individuelle Kompensationsschaltung erzeugt ein Kompensationssignal nur für ihr zugeordnetes Pixel auf einer individuellen Basis. Im Gegensatz dazu erzeugt die Steuerungsschaltungsanordnung 150 gemäß Ausführungsbeispielen ein gemeinsames und nichtexklusives Kompensationssignal 160, das durch eine Mehrzahl von Pixeln verwendet werden kann. Somit ist das gemeinsame Kompensationssignal ein nichtindividuelles Signal, das gemeinsam von einer Mehrzahl von Pixeln verwendet wird, um eine Sättigung der entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen zu mäßigen. Der Ausdruck „gemeinsames Kompensationssignal” 160 kann implizieren, dass Kopien desselben Signals für eine Mehrzahl von Pixeln bereitgestellt werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann das gemeinsame Kompensationssignal 160 eine gemeinsame Kompensationsspannung oder Kopien eines gemeinsamen Kompensationsstromsignals sein, die einen gleichen elektrischen Strom zu oder von den entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen des ersten und zweiten Pixels verursachen, wobei der gleiche elektrische Strom Sättigungseffekte zumindest reduziert.
Das gemeinsame Kompensationssignal 160 kann auf verschiedene Weisen erzeugt werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuerungsschaltungsanordnung 150 eine geschlossene Rückkopplungsschleife umfassen, um das gemeinsame Kompensationssignal 160 bereitzustellen und zu steuern. Für eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis kann die Steuerungsschaltungsanordnung 150 eine Rückkopplung verwenden, um die elektrische Ladungssättigung in den Ladungsspeicherungsregionen 140-1, 140-2 zu steuern. Zum Beispiel kann die Bilderzeugungsvorrichtung 100 ferner ein oder mehrere optionale Referenzpixel 120-R umfassen. Ein Referenzpixel 120-R umfasst eine strahlungssensitive Region 130-R, zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion 140-R und kann eine Pixel-individuelle Kompensationssteuerungsschaltungsanordnung 128 mit geschlossenem Regelkreis umfassen. Die Kompensationssteuerungsschaltungsanordnung 128 mit geschlossenem Regelkreis kann ausgebildet sein, um ein Referenzkompensationssignal 160-R ansprechend auf eine elektrische Ladung in der zumindest einen zugeordneten Ladungsspeicherungsregion 140-R des Referenzpixels 120-R oder aus einer anderen elektrischen Größe zu erzeugen, die aus der elektrischen Ladung hergeleitet wird. Das Referenzkompensationssignal 160-R mäßigt oder reduziert eine Sättigung der zumindest einen Ladungsspeicherungsregion 140-R des Referenzpixels 120-R. Die Steuerungsschaltungsanordnung 150 kann eine Verteilungsschaltungsanordnung umfassen, die ausgebildet ist, um das Referenzkompensationssignal 160-R als gemeinsames Signal 160 an das erste und das zweite Pixel 120-1; 120-2 zu verteilen. Ein Beispiel der Pixel-individuellen Kompensationssteuerungsschaltungsanordnung 128 mit geschlossenem Regelkreis wird bezugnehmend auf 2a, b detaillierter erklärt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Steuerungsschaltungsanordnung 150 für eine Steuerung mit offenem Regelkreis des gemeinsamen Kompensationssignals 160 ausgebildet sein. Daher bezeichnet eine Steuerung mit offenem Regelkreis eine Nichtrückkopplungssteuerung. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann die Steuerungsschaltungsanordnung 150 ausgebildet sein, um das gemeinsame Kompensationssignal 160 ausschließlich unter Verwendung des Stromzustands und eines Modells von einem oder mehreren Pixeln des Pixelarrays 110 zu erzeugen. Eine Charakteristik einer Steuerung mit offenem Regelkreis ist, dass sie keine Rückkopplung verwendet, um zu bestimmen, ob die Sättigung der entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen das gewünschte Ziel des gemeinsamen Kompensationssignals 160 erreicht hat. Dies bedeutet, dass die Steuerungsschaltungsanordnung 150 die Ausgabe des Prozesses nicht beobachtet, den sie steuert. Somit kann die Steuerung mit offenem Regelkreis anders ausgedrückt implizieren, dass das gemeinsame Kompensationssignal 160 von dem ersten oder zweiten ToF-Pixel 120-1; 120-2 empfangen wird, jedoch wird kein Rückkopplungssignal von jeglichem des ersten oder zweiten ToF-Pixels 120-1; 120-2 an die Steuerungsschaltungsanordnung 150 gesendet. Ferner ist das Referenzpixel 120-R nicht erforderlich. Zum Beispiel kann das gemeinsame Kompensationssignal 160 basierend auf einer manuellen Eingabe durch einen Benutzer erzeugt werden. Ferner kann es bei anderen Ausführungsbeispielen möglich sein, eine Messung von Kontrast oder Helligkeit eines Bildes zum Beispiel mit einer dedizierten Sensoranordnung auszuführen und das gemeinsame Kompensationssignal 160 zu triggern, wenn Kontrast oder Helligkeit eine vorbestimmte Schwelle überschreiten. Ferner kann die Steuerungsschaltungsanordnung 150 eine Temperatursensoreinheit umfassen, die das gemeinsame Kompensationssignal 160 triggert, wenn eine Hintergrundtemperatur eine vordefinierte Schwelle überschreitet, oder eine Erhöhung bei der Signalstärke des gemeinsamen Kompensationssignals 160 in Relation zu der Hintergrundtemperatur triggert. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungsschaltungsanordnung 150 eine Lichtsensoreinheit aufweisen, die ein gemeinsames Kompensationssignal 160 triggert, wenn eine Hintergrundbeleuchtung eine vordefinierte Schwelle überschreitet, oder eine Erhöhung der Signalstärke des gemeinsamen Kompensationssignals 160 in Relation zu der Hintergrundbeleuchtung triggert.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Lichterfassungsvorrichtung 100 ein 3D-Bildsensor, eine Kamera oder eine andere Art einer 3D-Messvorrichtung sein, die das ToF-Prinzip verwendet. In dem Fall von ToF-Bildsensoren versteht sich ein Pixel als ein differenzielles Pixel oder ein ToF-Pixel. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, wird jedoch erkennen, dass Ausführungsbeispiele nicht auf 3D- oder ToF-Bildsensoren beschränkt sind. Das vorgeschlagene Konzept einer gemeinsamen Ladungssättigungskompensation kann auch auf Pixel von 2D-Bilderzeugungsbauelementen angewendet werden, für verbesserte Ergebnisse. Somit kann eine Lichtbilderzeugung 100 zum Beispiel ein 2D-Bildsensor oder eine -Kamera sein, die zum Beispiel ein Array aus CCD-Pixeln aufweist.
Ein Pixel oder Bildelement kann in dem Array aus Pixeln 110 in verschiedener Anzahl vorhanden sein, die von einer gewünschten Auflösung eines Bildes abhängen kann. Jedes Pixel 120 kann ein photosensitives Element mit einer strahlungssensitiven Region aufweisen. Nichtdifferenzielle Pixel können zum Messen eines absoluten Betrags in Bezug auf eingehende Lichtwellenpakete, zum Beispiel ihrer Wellenlänge oder Intensität (die mit Amplitude oder Energie korreliert sein kann), verwendet werden. Für differenzielle Pixel (ToF-Pixel) kann die strahlungssensitive Region zusammen mit einer adäquaten Schaltungsanordnung zum Messen einer Phasendifferenz zwischen einer ausgehenden Lichtwelle und einer eingehenden Lichtwelle verwendet werden, die an einem Objekt reflektiert wurde, das abgebildet werden soll. Das photosensitive Element kann zum Beispiel eine Halbleiterbasierte Photodiode aufweisen, die ein elektrisches Signal (Strom oder Spannung) aus Licht unter Verwendung des photoelektrischen Effekts erzeugen kann.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das gemeinsame Kompensationssignal 160 durch einen oder mehrere Transistoren empfangen oder bereitgestellt werden, wie zum Beispiel Reset-Transistoren, um die eine oder die mehreren Ladungsspeicherungsregionen der Pixel in einen vordefinierten Reset-Zustand oder eine – Bedingung zu bringen. Abhängig von einem Transistortyp kann das gemeinsame Kompensationssignal 160 zum Beispiel als ein gemeinsames Kompensationssteuerungssignal interpretiert werden und eine elektrische Spannung aufweisen, die an einem Steuerungsanschluss oder ein Gate eines Feldeffekttransistors (FET) bereitgestellt wird. Der Transistor kann dann als eine spannungsgesteuerte Stromquelle wirken. Darin kann ein einzelnes Signal an mehrere oder alle Pixel bereitgestellt werden oder eine einzelne Signalleitung kann mit mehreren oder allen Pixeln verbunden sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das gemeinsame Kompensationssignal 160 auch als ein elektrischer Strom direkt an einen entsprechenden Schaltungsknoten bereitgestellt werden, der mit den Ladungs-Speicherungs- oder Integrations-Regionen 140-1; 140-2 verbunden ist. Ein solcher Schaltungsknoten oder die Ladungsspeicherungsregionen 140-1; 140-2 selbst können auch als Ladungsintegrationsknoten beschrieben werden. Der Ladungsintegrationsknoten kann zwischen einem Drain eines Reset-Transistors und der Ladungsspeicherungsregion 140-1; 140-2 positioniert sein. Dabei können separate Signale zu jedem Pixel geführt werden, zum Beispiel unter Verwendung separater Signalleitungen, und somit eine gleiche Verteilung des elektrischen Stroms ermöglichen.
Nachfolgend werden die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung detaillierter bezugnehmend auf Ausführungsbeispiele bezogen auf eine ToF-Bilderzeugung beschrieben. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, wird erkennen, dass dasselbe Prinzip auch für eine Kompensationssättigung von Pixeln für 2D-Bilderzeugungsanwendungen verwendet werden könnte.
Um einen Unterschied zwischen dem vorgeschlagenen gemeinsamen Kompensationskonzept und Pro-Pixel-Implementierungen zu unterstreichen, zeigen 2a und 2b eine Pixel-individuelle Lösung für eine Sättigungskompensation für ein ToF-Pixel 200. 2a und 2b zeigen ein Beispiel eines herkömmlichen ToF- oder PMD-Pixels (PMD = Photonic Mixing Device; photonisches Mischbauelement), wobei 2b eine Blockzeichnung einer Pixelinternen SBI-Steuerung (SBI = Suppression of Background Illumination; Unterdrückung von Hintergrundbeleuchtung) darstellt und 2a eine detailliertere Beispielimplementierung von 2b darstellt. Die Einheit genannt „SBI” kann in jedem Pixel eines Pixelarrays verfügbar sein und kann wesentlich zu der Gesamtpixelgröße beitragen.
Ein Halbleiter-basierter Photosensor 202 des ToF-Pixels 200 umfasst eine Strahlungs- oder Licht-sensitive Region 201 zwischen einer ersten und zweiten Ladungsspeicherungs- oder Ladungsintegration-Region 203-1, 203-2, die der strahlungssensitiven Region 202 zugeordnet ist. Anschlüsse 204-1, 204-2 werden verwendet, um Ladungsspeicherungsregionen 203-1, 203-2 mit entsprechenden Ausleseschaltungen 208-1 und 208-2 des ToF-Pixels 200 zu verbinden. Ferner umfasst der Fotosensor 202 eine Mehrzahl von Modulationsgates 206 (Mod-A, Mod-B und Mod-C), durch die ein elektrischer Potentialgradient erzeugt werden kann, der Ladungsträger von der strahlungssensitiven Region 201 entweder zu der ersten Ladungsspeicherungsregion 203-1 oder der zweiten Ladungsspeicherungsregion 203-2 kanalisiert. Die erste Ladungsspeicherungsregion 203-1 und die zweite Ladungsspeicherungsregion 203-2 sind von den Modulationsgates Mod-A, Mod-B und optional Mod-C durch Separationsgates 207-1, 207-2 getrennt, die als eine elektrische Potentialbarriere wirken können.
Modulationsgates Mod-A und Mod-B können mit einer Rechteckfunktion in gegenläufigen Zyklen moduliert werden, oder anders ausgedrückt ist eine Funktion für Modulationsgate Mod-A auf ”hoch” eingestellt, wenn eine Funktion für Modulationsgate Mod-B auf „niedrig” eingestellt ist und umgekehrt, wodurch ein Gradient bei dem elektrischen Potential erzeugt wird, während das optionale Modulationsgate Mod-C auf einem konstanten Potentialwert zwischen den Werten für Mod-A und Mod-B gehalten werden kann. Unter Voraussetzung von kontinuierlich einfallendem Licht werden erzeugte Ladungen abwechselnd zu Ladungsspeicherungsregionen 203-1 und 203-2 transportiert. Wenn zum Beispiel die Modulation von Gate Mod-A gleichphasig mit dem optischen Signal ist und die Modulation von Gate Mode-B antizyklisch zu dem Vorangehenden ist, können Ladungen (z. B. Elektronen) idealerweise zu der Ladungsspeicherungsregion 203-1 transportiert werden, die mit dem Anschluss 204-1 gekoppelt ist, wenn die Phasendifferenz 0° ist. Wenn dementsprechend die Phasendifferenz 180° ist, können erzeugte Ladungen an die Ladungsspeicherungsregion 203-2 transportiert werden, die mit dem Anschluss 204-2 gekoppelt ist. Für jegliche andere Phasendifferenz werden Ladungen auf beide Ladungsspeicherungsregionen 203-1 und 203-2 in entsprechenden Beträgen aufgeteilt. Anders ausgedrückt kann der zeitlich variierende Verlauf des Potentials zu einer zeitabhängigen Verteilung von Ladungen auf die erste oder zweite Ladungsspeicherungsregion 203-1 oder 203-2 führen. Aus der Differenz bei der Verteilung von Ladungen auf Ladungsspeicherungsregionen 203-1 und 203-2 kann die Distanz von einem bestrahlten Objekt bestimmt werden. Es kann möglich sein, nur Modulationsgates Mod-A und Mod-B zu verwenden, das Verwenden von zumindest drei Modulationsgates jedoch kann zu einem gleichmäßigeren Potentialgradienten führen.
Nachfolgend wird darauf hingewiesen, dass wenn ein Transistor derart beschrieben ist, dass er „zwischen einen Punkt A und einen Punkt B gekoppelt ist”, der Source-Anschluss des Transistors mit Punkt A verbunden sein kann und dessen Drain-Anschluss mit Punkt B verbunden sein kann oder umgekehrt, wenn der Transistor ein Feldeffekttransistor (FET) ist. Dementsprechend kann der Kollektoranschluss des Transistors mit Punkt A verbunden sein und dessen Emitteranschluss kann mit Punkt B verbunden sein oder umgekehrt, wenn der Transistor ein Bipolartransistor ist.
Bei der dargestellten Beispielimplementierung umfasst jede Ausleseschaltungsanordnung 208-1 und 208-2 einen PMOS-Rest-Transistor 210-1; 210-2, der zwischen den ersten oder zweiten Anschluss 204-1, 204-2 und ein vordefiniertes Reset-Potential 212 (V_reset) gekoppelt ist. Der PMOS-Reset-Transistor 210-1; 210-2 kann als ein Schalter dienen, der die entsprechende Ladungsspeicherungsregion 203-1, 203-2 auf eine vordefinierte Reset-Bedingung durch Anlegen des vordefinierten Reset-Potentials 212 an die entsprechende Ladungsspeicherungsregion 203-1, 203-2, wenn sie aktiviert ist, zurücksetzen kann. Der Ausdruck „Aktivieren” kann zum Beispiel das Anlegen eines Signals an ein Gate eines Transistors implizieren, was verursacht, dass der spezifische Widerstand des Transistors abnimmt oder ein Strom durch den Transistor zunimmt. Ein PMOS-Haltetransistor 214-1, 214-2 ist zwischen den ersten oder zweiten Anschluss 204-1, 204-2 und einen Steuerungsanschluss eines NMOS-Lesetransistors 216-1, 216-2 gekoppelt. Ein NMOS-Lesetransistor 216-1, 216-2 ist zwischen ein Versorgungspotential V_DDA und einen Auswahltransistor 218-1, 218-2 gekoppelt. PMOS-Haltetransistoren 214-1, 214-2 können das Potential der Anschlüsse 204-1 oder 204-2 an den Gate- oder Steuerungs-Anschluss der NMOS-Lesetransistoren 216-1, 216-2 anlegen, falls geöffnet, oder die Ladung praktisch an den Gate „speichern”, wenn es geschlossen ist. Der Ladungsbetrag steuert die NMOS-Lesetransistoren 216-1, 216-2. Zwischen dem NMOS-Lesetransistor 216-1; 216-2 und einer Evaluationsschaltung kann der NMOS-Auswahltransistor 218-1, 218-2 zum Beispiel unter Verwendung eines vordefinierten Benutzermusters aktiviert werden, das zum Beispiel in einem Computerprogramm zum Auslesen einer Matrix aus Pixelwerten aus dem Pixelarray impliziert ist.
Bei einem differenziellen Pixel liefern Ausleseschaltungen 208-1 und 208-2 jeweils einen Signalwert, der mit einem Betrag von elektrischen Ladungen an den entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen 203-1; 203-2 korreliert ist. Diese Ladungsbeträge können von einer Phasendifferenz zwischen einer ausgehenden Lichtquelle und einer eingehenden (reflektierten) Lichtquelle abhängen. Ein differenzielles Signal kann unter Verwendung beider Signalwerte aus den Ausleseschaltungen 208-1 und 208-2 bereitgestellt werden, aus denen die Phasendifferenz abgeleitet werden kann. Die Phasendifferenz kann ferner mit einer Distanz zwischen der Kamera oder Erfassungsvorrichtung und einem abgebildeten Objekt korreliert sein. Die Signale, die durch Ausleseschaltungen 208-1 und 208-2 geliefert werden, können zum Beispiel Spannungswerte oder Ströme sein.
Gemäß der dargestellten Lösung besteht eine Pixel-individuelle Regelungsrückkopplungsschleife (SBI-Einheit) 250 in jedem Pixel 200, um einen Photostrom zu kompensieren, der in der strahlungssensitiven Region 201 erzeugt wird, zum Beispiel verursacht durch eine unmodulierte Hintergrundbeleuchtung. Ferner können ungewollte Ströme, die in der strahlungssensitiven Region 201 aufgrund hoher Temperaturen erzeugt werden, kompensiert werden. Die Kompensation solcher unerwünschten Ströme mäßigt oder reduziert die Sättigung von elektrischen Ladungsspeicherungsregionen 203-1, 203-2. In 2a ist das elektrische Potential an dem Gate eines NMOS-Lesetransistors 218-1, 218-2 auch an ein Gate eines PMOS-Transistors 222-1, 222-2 angelegt. Anders ausgedrückt verursacht ein Drain von Ladungen aus den Transistorgates oder ein Abfall des Potentials an den Gates, dass der PMOS-Transistor 222-1, 222-2 öffnet (Leerlauf) und das Potential an dem Regelungsknoten 225 herunterzieht, der mit einem Gate eines PMOS-Regelungstransistors 224-1; 224-2 gekoppelt ist, der als Kompensationsstromquelle 230-1, 230-2 wirkt, die mit den Ladungsspeicherungsregionen 203-1; 203-2 gekoppelt ist. Das elektrische Potential an dem Regelungsknoten 225 und/oder der Strom, der durch den Regelungstransistor 224-1; 224-2 erzeugt wird, kann als Kompensationssignale betrachtet werden, die eine Sättigung der entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen 203-1, 203-2 der ToF-Pixel 200-1, 200-2 mäßigen.
Zwischen dem Regelungsknoten 225 und dem Versorgungspotential V_DDA kann ein weiterer PMOS-Transistor 226 für die Einstellung der Versorgungsspannung angeordnet sein, so dass im Prinzip der weitere PMOS-Transistor 226 und der PMOS-Transistor 222-1, 222-1 als ein Spannungsteiler wirken können. Der PMOS-Regelungstransistor 224-1, 224-2 ist zwischen das Reset-Potential 212 und den Anschluss 204-1, 204-2 gekoppelt und wirkt als Stromquelle zum Kompensieren einer unerwünschten Ladungsakkumulation und somit Sättigungseffekten in den Ladungsspeicherungsregionen 203-1, 203-2.
Die Person, die einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, wird erkennen, dass die Schaltungsimplementierung von 2a nur ein Beispiel von vielen ist. Genauer gesagt kann die pro-Pixel Sättigungskompensationsrückkopplungsschleife auf verschiedene Weisen implementiert sein. Daher stellt 2b eine genauere Darstellung der pro-Pixel Sättigungskompensationsrückkopplungsschleife 250-2 dar.
Bei den dargestellten Beispielen von 2a und b ist der pixelinterne SBI-Steuerungsblock 228 auf einer Pro-Pixel-Basis implementiert. Als Reaktion auf eine Änderung bei dem Potential an dem Gate des NMOS-Lesetransistor 216-1, 216-2 kann ein Rückkopplungssignal an eine Stromquelle 230-1, 230-2 zwischen dem Rest-Potential und dem Anschluss 204-1, 204-2 bereitgestellt werden. Die Stromquelle 230-1, 230-2 kann unter Verwendung eines Regelungstransistors 224-1, 224-2 implementiert sein.
Nach dem herkömmlichen Ansatz der individuellen pro-Pixel Sättigungskompensation von 2a und b jedoch könnte der Schaltungsbereich, der bei jedem Pixel erforderlich ist, zu groß sein, um ein weiteres Pixelschrumpfen, zum Beispiel unter einen Wert von 17,5 μm × 17,5 μm, zu erlauben. Zu diesem Zweck schlagen Ausführungsbeispiel das Anwenden einer nichtindividuellen Ladungssättigungskompensation vor.
3a zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer ToF-Erfassungsvorrichtung 300, die eine geschlossene Rückkopplungsschleife implementiert, um ein gemeinsames Ladungskompensationssignal 360 bereitzustellen und zu steuern.
Die ToF-Erfassungsvorrichtung 300 umfasst ein Array 310 einer Mehrzahl von ToF-Pixeln 320. Jedes ToF-Pixel 320 umfasst einen Halbleiter-basierten, optischen Bereich 330 und eine Ausleseschaltungsanordnung 208-1, 208-2. Zumindest eines der ToF-Pixel 320 wirkt als Referenzpixel 320-R und unterscheidet sich von den anderen ToF-Pixeln 320-1, 320-2, 320-3 insofern, als es zusätzlich eine pixelinterne SBI-Steuerungsschaltung 350 umfasst. Ein Beispiel der pixelinternen SBI-Steuerungsschaltung 350 des Referenz-ToF-Pixels 320-R wurde soeben bezugnehmend auf 2a, b erklärt. Das eine oder die mehreren pixelinternen Sättigungskompensationssignale, die durch die SBI-Steuerungsschaltung 350 des Referenz-ToF-Pixels 320-R erzeugt werden, können als globale, gemeinsame Sättigungskompensationssignale 360 für die anderen Pixel 320-1, 320-2, 320-3 des Pixelarrays 310 verwendet werden. Hier kann ein erstes gemeinsames Sättigungskompensationssignal 360-1 zum Beispiel für eine Kompensation von ersten Ladungsspeicherungsregionen dediziert sein, während ein zweites gemeinsames Sättigungskompensationssignal 360-2 zum Beispiel für eine Kompensation von zweiten Ladungsspeicherungsregionen dediziert sein kann. Bei dem dargestellten Beispiel kann die SBI-Steuerungsschaltung 350 des Referenz-ToF-Pixels 320-R als gemeinsame Steuerungsschaltungsanordnung wirken, die ausgebildet ist, um das gemeinsame Kompensationssignal 360 zu erzeugen, das den anderen ToF-Pixeln 320-1, 320-2, 320-3 gemeinsam ist, die keine eigene SBI-Steuerungsschaltungsanordnung haben. Die Verteilungsschaltungsanordnung 370 kann ausgebildet sein, um das eine oder die mehreren Referenzkompensationssignale 360 auf die ToF-Pixel 320-1, 320-2, 320-3 zu verteilen.
3b zeigt ein detaillierteres Implementierungsbeispiel des Konzepts, das bezugnehmend auf 3a beschrieben ist.
Hier entspricht das Referenz-ToF-Pixel 320-R im Wesentlichen dem Pixel 200 aus 2a. Die ToF-Pixel 320-1 und 320-2 entsprechen teilweise dem Referenz-ToF-Pixel 320-R, außer dass sie nicht mit entsprechenden eigenen SBI-Steuerungsschaltungen 350 ausgestattet sind. Bei dem Beispiel von 3b ist der Regelungsknoten 225 der pixelinternen SBI-Steuerungsschaltung 350 des Referenz-ToF-Pixels 320-R mit den Gates der PMOS-Rest-Transistoren 210-1; 210-2 gekoppelt und wirkt daher als Kompensationsstromquelle – ähnlich zu den PMOS-Regelungstransistoren 224-1, 224-2 der pixelinternen SBI-Steuerungsschaltung 350. Der Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass Regelungstransistoren 224-1, 224-2 auch weggelassen werden könnten, wenn der Regelungsknoten 225 direkt mit den Gates der PMOS-Rest-Transistoren des Referenz-ToF-Pixels 320-R gekoppelt wäre. Auf diese Weise könnte weitere beträchtliche Schaltungsfläche gespart werden.
4a und b fassen einen Aspekt der vorliegenden Offenbarung zusammen, der ein einzelnes ToF-Pixel 420 darstellt, das mit einer globalen SBI-Steuerungseinheit 450 gekoppelt ist. Hier versteht sich „global” als eine SBI-Einheit, die allen oder zumindest einer Mehrzahl von ToF-Pixeln 420 eines ToF-Pixelarrays gemeinsam ist. Im Vergleich mit den Pixeln von 2a, b liegt kein „SBI”-Block in jedem der Pixel 420 vor. Somit wird die Regelung des Kompensationsstroms nicht für jedes Pixel individuell ausgeführt. Stattdessen wird der Kompensationsstrom durch die globale SBI-Steuerungseinheit 450 gesteuert, die außerhalb des Pixelarrays angeordnet sein kann und die denselben Kompensationsstrom für alle Pixel definiert.
Bei dem dargestellten Beispiel von 4a können Reset-Transistoren, die zwischen einem Reset-Potential V_reset und Anschlüssen Read-A oder Read-B verknüpft sind, gleichzeitig als Kompensationsstromquelle 410-1 und/oder 410-2 verwendet werden. Die globale SBI-Steuerungseinheit 450 stellt ein gemeinsames Kompensationssteuerungssignal oder anders ausgedrückt eine gemeinsame Kompensationsspannung 460-1 an die Steuerungsanschlüsse (z. B. Gates) der Reset-Transistoren bereit. Dadurch können die gemeinsame Kompensationsspannung 460-1 sowie eine gemeinsame vordefinierte Reset-Spannung für die Reset-Transistoren über eine gemeinsame Signalleitung angelegt werden. Die globale SBI-Steuerungseinheit 450 kann ausgebildet sein, um die gemeinsame Kompensationsspannung 460-1 an den Steuerungsanschluss zwischen aufeinanderfolgenden vordefinierten Reset-Signalen anzulegen. Somit wird bei einigen Ausführungsbeispielen vorgeschlagen, die Reset-Transistoren jedes Pixels 420 als Stromquellen zu verwenden, so dass jegliche Verwendung von dedizierten Transistoren ausschließlich als Schalter oder die individuelle Regelung bei jedem Pixel vermieden werden könnte.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, das in 4b dargestellt ist, kann die globale SBI-Steuerungseinheit 450 direkt ein gemeinsames Kompensationssignal oder anders ausgedrückt einen gemeinsamen Kompensationsstrom 460-2 an die Anschlüsse Read-A oder Read-B eines Pixels 420 bereitstellen. Hier würde die globale SBI-Steuerungseinheit 450 eine gemeinsame Stromquelle benötigen, die gemeinsam für eine Mehrzahl von Pixeln verwendet wird.
Ferner könnte das Einstellen der Reset-Spannung V_reset des Pixels zu naher an V_DDA problematisch sein, da das Potential dann nur in einer Richtung variieren kann, was nachfolgend noch näher erläutert wird. Einige Ausführungsbeispiele umfassen somit das Einstellen der Reset-Spannung in der oder um die Mitte des Ausgangsbereichs. Zum Beispiel ist bei einigen Ausführungsbeispielen das Reset-Potential in einem Bereich zwischen 0,3 V_DDA bis 0,7 V_DDA, wobei V_DDA eine Versorgungsspannung des ersten und zweiten ToF-Pixels 120-1; 120-2 bezeichnet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Wert auch zwischen 0,1 und 0,9 V_DDA sein. Anders ausgedrückt kann der Wert derart ausgewählt sein, dass das Potential der Ladungsspeicherungsregionen 140-1 und/oder 140-2 zunehmen oder abnehmen kann. Auf diese Weise kann die Spannung in dem Ladungsintegrationsknoten abnehmen, wenn der Photostrom höher ist als der Kompensationsstrom, oder zunehmen, wenn der Photostrom niedriger ist als der Kompensationsstrom.
Bezugnehmend nun auf 5a, b, c, und d sind einige Ausgangssignalszenarien gezeigt. Änderungen oder Differenzen bei den elektrischen Potentialen, die hier als differenzielle Pixelausgangsspannungen an den Anschlüssen Read-A 510 und Read-B 520 bezeichnet werden, sind gegen die Integrationszeit aufgezeichnet. Diese Ladungsspeicherungsregionen können wieder jenen in 1, 3 und 4 entsprechen, wie oben gezeigt ist. Ein Zeitpunkt t₁ markiert einen Anfang der Ladungsintegration oder Ladungsakkumulation als Folge von einfallenden Lichtsignalen. 5a zeigt ein Szenario, bei dem kein Kompensationsstrom verwendet wird. In diesem Fall können beide Signale 510 und 520 relativ schnell zu einem Zeitpunkt t₂ sättigen, wobei in diesem Fall ein differenzielles Signal, das zwischen den Anschlüssen Read-A und Read-B verfügbar ist, möglicherweise nicht signifikant genug für ein genaues Ergebnis ist.
5b zeigt, wie ein ausgewogener Kompensationsstrom den dynamischen Bereich des Pixels erhöhen könnte. Der gesteuerte Strom kann in guter Beziehung zu der Hintergrundbeleuchtung sein. Zum Beispiel können Ströme aus der Hintergrundbeleuchtung in einem Zeitintervall t₂ – t₁ zu zumindest 90 Prozent kompensiert werden. Dies kann verursachen, dass eine Sättigung zu einem späteren Zeitpunkt t₃ > t₂ stattfindet oder anders ausgedrückt ein Zeitintervall zwischen dem Anfang der Ladungsintegration und dem Auftritt des Sättigungseffekts zum Beispiel um einen Faktor von zumindest 3 oder 10, etc. ausdehnen.
5c zeigt, was passieren kann, wenn der Kompensationsstrom zu hoch ist. In diesem Fall kann das Signal 510 oder der Read-A-Anschluss des ToF-Pixels auf dessen Reset-Niveau bleiben und die Information kann verfälscht werden. Dies kann anders ausgedrückt einen gegensätzlichen Fall zu 5a repräsentieren, wo die Ladungsintegration zu schnell auftreten kann oder über ein zu kurzes Zeitintervall. In 5c kann eine Ladungsintegration eher zu langsam stattfinden, als das sie zu einem Potentialabfall des Signals 510 führt. In einem bestimmten Sinn können das Reset-Niveau und der Sättigungsfall als oberer und/oder unterer Extremfall für Werte der Signale 510; 520 betrachtet werden.
In 5d wurde die Reset-Spannung des Pixels derart eingestellt, dass auch ein höherer Kompensationsstrom zu einer gültigen Pixelausgabe führt. Anders ausgedrückt, sogar wenn die Ladungsakkumulation an dem Anschluss Read-A zu langsam für einen Abfall von dessen Potential auftritt, kann eine leichte Erhöhung des Potentials immer noch eine korrekte Evaluation des differenziellen Signals bis zu einem gegebenen Zeitpunkt t₄ > t₂ erlauben, wo entweder eine Sättigung von zum Beispiel Anschluss Read-B oder ein Übergang des Anschlusses Read-A in den Reset-Modus auftritt. Wie vorangehend erwähnt wurde, kann das Reset-Potential zum Beispiel in einem Bereich zwischen 0,3 V_DDA bis 0,7 V_DDA oder idealerweise bei 0,5 V_DDA liegen, wobei V_DDA eine Versorgungsspannung des ersten und zweiten ToF-Pixels bezeichnet.
Zusammenfassend stellen Ausführungsbeispiele auch ein Verfahren 600 zum Erfassen von Bilderzeugungsdaten über ein Pixelarray 110, 310 dar. Ein grobes Flussdiagramm von Verfahren 600 ist in 6 gezeigt. Das Pixelarray 110, 310 umfasst ein erstes Pixel 120-1, 320-1 umfassend eine erste strahlungssensitive Region und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der ersten strahlungssensitiven Region und umfasst ein zweites Pixel 120-2, 320-2 umfassend eine zweite strahlungssensitive Region und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der zweiten strahlungssensitiven Region.
Verfahren 600 umfasst das Erzeugen 610 eines gemeinsamen Kompensationssignals 160, 360, das den ersten und zweiten Pixeln gemeinsam ist, wobei das gemeinsame Kompensationssignal eine Sättigung der entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen des ersten und zweiten Pixels mäßigt.
Ausführungsbeispiele können Aufwendungen wesentlich reduzieren, zum Beispiel im Hinblick auf Hardware, Bauraum oder Herstellung. Pixelmodifikationen können vermieden werden und bei einigen Ausführungsbeispielen muss möglicherweise nur eine Steuerungsspannung für den Reset-Transistor gesteuert werden. Jegliche Auswirkung auf einen Füllfaktor kann möglicherweise ausgeschlossen werden und Risiken können durch Deaktivierung der Funktion reduziert werden. Ferner kann eine Anpassung von Transistoren hilfreich sein, kann in einigen Fällen aber auch weggelassen werden. Eine Pixel-zu-Pixel-Fehlanpassung ist möglicherweise nicht relevant. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Stromeinstellung eine ausreichend gute Schätzung bereitstellen. Pixelinterne Fehlanpassung, die möglicherweise zu einem Verstärkungsfehler führt, kann durch eine 4-Phasen-Messung bei einigen Ausführungsbeispielen kompensiert werden.
Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Es versteht sich daher, dass der Fachmann verschiedene Anordnungen ableiten kann, die, obwohl sie nicht ausdrücklich hier beschrieben oder dargestellt sind, die Grundsätze der Offenbarung verkörpern und in ihrem Sinn und Rahmen enthalten sind. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele ausdrücklich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen, und sollen als ohne Begrenzung solcher besonders aufgeführten Beispiele und Bedingungen dienend aufgefasst werden. Weiterhin sollen alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung wie auch besondere Beispiele derselben deren Entsprechungen umfassen.
Der Fachmann sollte verstehen, dass alle hiesigen Blockschaltbilder konzeptmäßige Ansichten beispielhafter Schaltungen darstellen, die die Grundsätze der Offenbarung verkörpern. Auf ähnliche Weise versteht es sich, dass alle Ablaufdiagramme, Flussdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse darstellen, die im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor ausdrücklich dargestellt ist.
Weiterhin sind die nachfolgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Wenn jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass – obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine besondere Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann – andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs einschließen können. Diese Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
Es ist weiterhin zu beachten, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung mit Mitteln zum Durchführen jeder der jeweiligen Schritte dieser Verfahren implementiert sein können.
Weiterhin versteht es sich, dass die Offenbarung vielfacher, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden sollte. Durch die Offenbarung von vielfachen Schritten oder Funktionen werden diese daher nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Weiterhin kann in einigen Beispielen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte einschließen oder in diese aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts bilden, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.

Claims

Eine Bilderzeugungsvorrichtung (100), umfassend: ein Pixelarray (110), umfassend ein erstes Pixel (120-1) umfassend eine erste strahlungssensitive Region (130-1) und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion (140-1) zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der ersten strahlungssensitiven Region (130-1); ein zweites Pixel (120-2) umfassend eine zweite strahlungssensitive Region (130-2) und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion (140-2) zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der zweiten strahlungssensitiven Region (130-2); und eine Steuerungsschaltungsanordnung (150), die ausgebildet ist, um ein gemeinsames Kompensationssignal (160) zu erzeugen, das dem ersten und zweiten Pixel (120-1; 120-2) gemeinsam ist, wobei das gemeinsame Kompensationssignal (160) eine Sättigung der jeweiligen Ladungsspeicherungsregionen (140-1; 140-2) des ersten und zweiten Pixels (120-1; 120-2) mäßigt.
Die Bilderzeugungsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerungsschaltungsanordnung (150) ausgebildet ist, um einen gemeinsamen elektrischen Strom zu/von den entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen (140-1; 140-2) des ersten und zweiten Pixels (120-1; 120-2) zu erzeugen.
Die Bilderzeugungsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerungsschaltungsanordnung (150) eine geschlossene Rückkopplungsschleife zum Steuern des gemeinsamen Kompensationssignals (160) aufweist.
Die Bilderzeugungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Referenzpixel (120_R) umfassend eine strahlungssensitive Region (130-R), zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion (140-R), und eine Kompensationsschaltungsanordnung (128), die ausgebildet ist, um ein Referenzkompensationssignal (160-R) ansprechend auf eine elektrische Ladung in der zumindest einen zugeordneten Ladungsspeicherungsregion (140-R) des Referenzpixels (120-R) oder einen Betrag hergeleitet aus der elektrischen Ladung zu erzeugen, wobei das Referenzkompensationssignal (160-R) eine Sättigung der zumindest einen Ladungsspeicherungsregion (140-R) des Referenzpixels (120-R) mäßigt, wobei die Steuerungsschaltungsanordnung (150) eine Verteilungsschaltungsanordnung umfasst, die ausgebildet ist, um das Referenzkompensationssignals (160-R) an das erste und zweite Pixel (120-1; 120-2) zu verteilen.
Die Bilderzeugungsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerungsschaltungsanordnung (150) für eine Steuerung mit offenem Regelkreis des gemeinsamen Kompensationssignals (160) basierend auf einer Sättigung des einen oder der mehreren Pixel des Pixelarrays (110) ausgebildet ist.
Die Bilderzeugungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes des ersten und zweiten Pixels (120-1; 120-2) eine entsprechende strahlungssensitive Region (130-1; 130-2) zwischen der ersten und zweiten Ladungsspeicherungsregion (140-1; 140-2) aufweist, die der strahlungssensitiven Region (130-1; 130-2) zugeordnet sind, und wobei jedes des ersten und zweiten Pixels (120-1; 120-2) zumindest zwei Modulationsgates (206) zwischen der entsprechenden ersten und zweiten Ladungsspeicherungsregion (140-1; 140-2) zum Erzeugen eines variierenden Verlaufs des elektrischen Potentials zwischen der ersten und zweiten Ladungsspeicherungsregion (140-1; 140-2) aufweist.
Die Bilderzeugungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes des ersten und zweiten Pixels (120-1; 120-2) zumindest einen Reset-Transistor (410-1; 410-2) umfasst, der zwischen die zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion (140-1; 140-2) des jeweiligen Pixels (120-1; 120-2) und ein Reset-Potential gekoppelt ist, wobei die Steuerungsschaltungsanordnung (150) ausgebildet ist, um das gemeinsame Konzentrationssignal (160) an die Ladungsspeicherungsregion (140-1; 140-2) des entsprechenden Pixels (120-1; 120-2) über den zumindest einen Reset-Transistor (210-1; 210-2) des jeweiligen Pixels (120-1; 120-2) bereitzustellen.
Die Bilderzeugungsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 7, wobei das Reset-Potential in einem Bereich zwischen 0,3 V_DDA bis 0,7 V_DDA ist, wobei V_DDA eine Versorgungsspannung des ersten und zweiten Pixels (120-1; 120-2) bezeichnet.
Die Bilderzeugungsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die Steuerungsschaltungsanordnung (150) ausgebildet ist, um das gemeinsame Kompensationssignal (160) und ein Reset-Signal für den zumindest einen Reset-Transistor (210-1; 210-2) über eine gemeinsame Signalleitung bereitzustellen.
Die Bilderzeugungsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Steuerungsschaltungsanordnung (150) ausgebildet ist, um das gemeinsame Kompensationssignal (160), das dem ersten und zweiten Pixel (120-1; 120-2) gemeinsam ist, an einen Steuerungsanschluss des zumindest einen Reset-Transistors (210-1; 210-2) anzulegen.
Die Bilderzeugungsvorrichtung (100; 300) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Steuerungsschaltungsanordnung (150) ausgebildet ist, um das gemeinsame Kompensationssignal (160) an den Steuerungsanschluss zwischen aufeinanderfolgenden, vordefinierten Reset-Signalen anzulegen.
Die Bilderzeugungsvorrichtung (100; 300) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Steuerungsschaltungsanordnung (150) ausgebildet ist, um eine gemeinsame Kompensationsspannung, die dem ersten und dem zweiten Pixel (120-1; 120-2) gemeinsam ist, an einen Gateanschluss des zumindest Reset-Transistors (210-1; 210-2) anzulegen.
Die Bilderzeugungsvorrichtung (100; 300) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei das gemeinsame Kompensationssignal (160), das an den zumindest einen Reset-Transistor (210-1; 210-2) angelegt ist, einen gleichen elektrischen Kompensationsstrom, der dem ersten und dem zweiten Pixel (120-1; 120-2) gemeinsam ist, zu/von den entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen (140-1; 140-2) des ersten und zweiten Pixels (120-1; 120-2) verursacht.
Die Bilderzeugungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste oder zweite Pixel (120-1; 120-2) ein Laufzeitpixel, ToF-Pixel, ist.
Eine Laufzeit-, ToF-Bilderzeugungsvorrichtung (100; 300), umfassend: ein ToF-Pixelarray (110; 310), umfassend ein erstes ToF-Pixel (120-1; 320-1) umfassend eine erste lichtsensitive Halbleiterregion und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der ersten lichtsensitiven Halbleiterregion und zumindest einen ersten Reset-Transistor (210-1; 210-2), der zwischen die zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion des ersten ToF-Pixels und ein Reset-Potential gekoppelt ist; ein zweites ToF-Pixel (120-2; 320-2) umfassend eine zweite lichtsensitive Halbleiterregion und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der zweiten lichtsensitiven Halbleiterregion und zumindest einen zweiten Reset-Transistor (210-1; 210-2), der zwischen die zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion des zweiten ToF-Pixels und das Reset-Potential gekoppelt ist; und eine Steuerungsschaltungsanordnung (150; 350), die ausgebildet ist, um ein gemeinsames Kompensationssignal (360) zu erzeugen, das dem ersten und zweiten ToF-Pixel gemeinsam ist, wobei das gemeinsame Kompensationssignal eine Sättigung der entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen des ersten und zweiten ToF-Pixels mäßigt, wobei die Steuerungsschaltungsanordnung (150; 350) ausgebildet ist, um das gemeinsame Kompensationssignal an die erste und zweite lichtsensitive Region des ersten und zweiten ToF-Pixels (120-1; 120-2; 320-1; 320-2) über den zumindest einen ersten und den zumindest einen zweiten Reset-Transistor bereitzustellen.
Ein Verfahren (600) zum Erfassen von Bilderzeugungsdaten über ein Pixelarray (110), umfassend ein erstes Pixel (120-1) umfassend eine erste strahlungssensitive Region (130-1) und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der ersten strahlungssensitiven Region, und ein zweites Pixel (120-2) umfassend eine zweite strahlungssensitive Region (130-2) und zumindest eine zugeordnete Ladungsspeicherungsregion zum Sammeln elektrischer Ladungen aus der zweiten strahlungssensitiven Region, das Verfahren umfassend: Erzeugen (610) eines gemeinsamen Kompensationssignals (160), das dem ersten und dem zweiten Pixel gemeinsam ist, wobei das gemeinsame Kompensationssignal eine Sättigung der entsprechenden Ladungsspeicherungsregionen des ersten und zweiten Pixels mäßigt.