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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Auslesen von Pixeln, insbesondere Lichtlaufzeitpixeln, eines Bildsensors mit einer Pixelanordnung, bei der die Pixel in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei jedes der Pixel einzeln oder je zwei in der Pixelanordnung aneinander angrenzende Pixel zusammen einen ersten Auslesekanal und einen zweiten Auslesekanal zum Auslesen komplementärer Signale aufweist/aufweisen und wobei die Schaltungsanordnung ein Auslese-Raster vorgibt, über dessen Auslese-Zeilen und Auslese-Spalten die Pixel ausgelesen werden, wobei die Schaltungsanordnung für ein Pixel-Binning von je zwei benachbarten Pixeln einen der Auslesekanäle des ersten der beiden benachbarten Pixel mit einem der Auslesekanäle des zweiten der beiden benachbarten Pixel signaltechnisch verschaltet.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden Bildsensors und ein entsprechendes Verfahren zur Realisierung eines Pixel-Binnings von je zwei benachbarten Pixeln, insbesondere Lichtlaufzeitpixeln, eines Bildsensors, der eine Pixelanordnung umfasst, bei der die Pixel in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei jedes der Pixel einzeln oder je zwei in der Pixelanordnung aneinander angrenzende Pixel zusammen einen ersten Auslesekanal und einen zweiten Auslesekanal zum Auslesen komplementärer Signale aufweist/aufweisen, wobei über eine Schaltungsanordnung ein Auslese-Raster vorgegeben wird, über dessen Auslese-Zeilen und Auslese-Spalten die Pixel ausgelesen werden.
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Das entsprechende Binning der Pixel, also das Zusammenfassen dieser Pixel zu einem Pixelblock, erfolgt durch Verschalten von Auslesekanälen dieser Pixel hardwarenah noch in der analogen Domäne. Dieses Verschalten erfolgt in der Regel außerhalb der Pixel.
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Pixel, die je einen ersten Auslesekanal und einen zweiten komplementären Auslesekanal aufweisen, werden auch „2-Tap Pixel“ genannt. Neben diesen 2-Tap Pixeln gibt es auch Pixel mit nur einem Auslesekanal, sogenannte „1-Tap Pixel“. Diese 1-Tap Pixel können nun so ausgestaltet und angeordnet sein, dass Pixelpaare aus je zwei in der Pixelanordnung aneinander angrenzenden 1-Tap Pixeln entstehen, die zusammen einen ersten Auslesekanal und einen zweiten komplementären Auslesekanal aufweisen.
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Komplementäre Auslesekanäle bedeutet in diesem Zusammenhang, dass über diese Auslesekanäle komplementäre Signale ausgelesen werden können, die in Kombination eine zusätzliche Information ergeben. Bei Lichtlaufzeitpixeln haben die komplementären Signale bezüglich ihrer Phasen einen wohldefinierten Bezug zueinander. Die Kombination der komplementären Signale kann man daher zum Ermitteln einer Phasen- bzw. Entfernungsinformation nutzen.
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Beim Binning werden zwei oder mehr Pixelausgangssignale der Pixel aufaddiert um das Signal-zu-Rauschverhältnis (SNR: Signal Noise Relation) auf Kosten der Auflösung des Bildsensors zu steigern. Die Pixelausgangssignale können entweder in der Ladungsdomäne oder in der Spannungsdomäne aufaddiert werden.
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Die Addition in der Ladungsdomäne erfolgt nur bei mehreren Pixeln mit gemeinsam genutzten Speicherknoten z.B. Floating Diffusion bei einer gepinnten Photodiode. Bei Binning durch Addition in der Ladungsdomäne wird das Signal n-fach größer bei weiterhin einmaligem Ausleserauschen, sodass das Signal-zu-Rauschverhältnis n-fach größer ist.
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Bei Binning durch Addition in der Spannungsdomäne und Digitaldomäne wird das Signal n-fach größer bei Vn-fach größerem Ausleserauschen, sodass das Signal-zu-Rauschverhältnis √n-fach größer ist.
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Bei Lichtlaufzeitpixeln sind grundsätzlich die gleichen Methoden wie im 2D Bereich anwendbar. Je nach Ausführung, wie viele Auslesekanäle und entsprechende Phasenabgriffe das jeweilige Pixel hat, werden die Einzelkanäle zusammengeschaltet und die Signale aufaddiert. In der Regel weist dabei jedes der Pixel zwei Phasenabgriffe auf, die um 180° versetzt zueinander angeordnet sind. Die akkumulierten Einzelkanäle werden dann für die Berechnung der Phase verwendet. Die komplementären Signale des ersten Auslesekanals und des zweiten Auslesekanals werden zur Ermittlung einer Entfernungsinformation genutzt. Als Lichtlaufzeitpixel bzw. 3D- oder TOF-Pixel sind insbesondere PMD-Pixel mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie unter anderem in der Druckschrift
DE 197 04 496 A1 beschrieben sind. Die Pixel kommen insbesondere in 3D-Kameras zum Einsatz, wie sie beispielsweise von der Firma „ifm electronic GmbH‟ oder „pmdtechnologies ag‟ als O3D-Kamera bzw. als CamBoard zu beziehen sind.
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Die
DE 10 2018 100 571 A1 zeigt einen Lichtlaufzeit-Bildsensor mit einer Pixelanordnung, bei der die Lichtlaufzeit-Pixel in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei jedes der Pixel einzeln einen ersten Auslesekanal und einen zweiten komplementären Auslesekanal aufweist/aufweisen, und mit einer Schaltungsanordnung, die ein Auslese-Raster vorgibt, über dessen Auslese-Zeilen und Auslese-Spalten die Pixel ausgelesen werden, und für ein Pixel-Binning von je zwei benachbarten Pixeln einen der Auslesekanäle des ersten der beiden benachbarten Pixel mit einem der Auslesekanäle des zweiten der beiden benachbarten Pixel noch innerhalb der Pixelanordnung signaltechnisch verschaltet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben, die es ermöglichen, in Zusammenhang mit einem Pixel-Binning die Performance bezüglich Auslesezeit und/oder Auflösung und bei Lichtlaufzeitpixeln zusätzlich in Bezug auf ein Entfernungsrauschen zu verbessern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Auslesen von Pixeln, insbesondere Lichtlaufzeitpixeln, eines Bildsensors mit einer Pixelanordnung, bei der die Pixel in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei jedes der Pixel einzeln oder je zwei in der Pixelanordnung aneinander angrenzende Pixel zusammen einen ersten Auslesekanal und einen zweiten Auslesekanal zum Auslesen komplementärer Signale aufweist/aufweisen und wobei die Schaltungsanordnung ein Auslese-Raster vorgibt, über dessen Auslese-Zeilen und Auslese-Spalten die Pixel ausgelesen werden, wobei die Schaltungsanordnung für ein Pixel-Binning von je zwei benachbarten Pixeln einen der Auslesekanäle des ersten der beiden benachbarten Pixel mit einem der Auslesekanäle des zweiten der beiden benachbarten Pixel signaltechnisch verschaltet, ist vorgesehen, dass der Auslesekanal des ersten der beiden benachbarten Pixel ein erster Auslesekanal und der Auslesekanal des zweiten der beiden benachbarten Pixel ein zweiter Auslesekanal ist.
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In der Regel ermöglicht die Schaltungsanordnung zum Auslesen von Pixeln neben dem Binning natürlich auch das Auslesen der einzelnen Pixel ohne Binning.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Auslese-Zeilen und Auslese-Spalten des Ausleserasters bezüglich der Zeilen und Spalten der Pixel-Anordnung parallel ausgerichtet sind. Es ist also eine direkte Zuordnung Auslese-Zeile - Zeile der Pixelanordnung und Auslese-Spalte - Spalte der Pixelanordnung möglich.
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Alternativ ist insbesondere vorgesehen, dass die Auslese-Zeilen und Auslese-Spalten des Ausleserasters bezüglich der Zeilen und Spalten der Pixel-Anordnung um 45° verdreht ausgerichtet sind. Bezüglich der Zentren der einzelnen Pixel ergeben sich dabei keine geraden Auslese-Zeilen und Auslese-Spalten, sondern leicht stufenförmige Auslese-Zeilen und Auslese-Spalten. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus dem Dokument
DE 10 2019 101 752 A1 als „schachbrettartige Anordnung“ bekannt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die signaltechnische Verschaltung des ersten Auslesekanals des ersten der beiden benachbarten Pixel mit dem zweiten Auslesekanal des zweiten der jeweiligen beiden benachbarten Pixel über einen zugeordneten Analog-Digital-Wandler (ADC: Analog Digital Converter). Bevorzugt ist der Analog-Digital-Wandler ein differentieller Analog-Digital-Wandler, wodurch die Schaltung besonders einfach gestaltet sein kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Schaltungsanordnung einen Zeilen-Decoder zum Selektieren von Pixeln entsprechend der Auslesezeilen und/oder einen Spalten-Decoder zum Selektieren von Pixeln entsprechend der Auslesespalten auf.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Schaltungsanordnung Schaltelemente zum optionalen signaltechnischen Verschalten der benachbarten Pixel für das Pixel-Binning auf.
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Der erfindungsgemäße Bildsensor umfasst eine Pixelanordnung, bei der die Pixel in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei jedes der Pixel einzeln oder je zwei in der Pixelanordnung aneinander angrenzende Pixel zusammen einen ersten Auslesekanal und einen zweiten Auslesekanal zum Auslesen komplementärer Signale aufweist/aufweisen, und eine vorstehend genannte Schaltungsanordnung, die ein Auslese-Raster vorgibt, über dessen Auslese-Zeilen und Auslese-Spalten die Pixel ausgelesen werden, und für ein Pixel-Binning von je zwei benachbarten Pixeln einen der Auslesekanäle des ersten der beiden benachbarten Pixel mit einem der Auslesekanäle des zweiten der beiden benachbarten Pixel signaltechnisch verschaltet. Dabei weist auch hier jedes der Pixel zwei Phasenabgriffe auf, die um 180° versetzt zueinander angeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bildsensors sind die Pixel in der Pixelanordnung derart angeordnet, dass sich für die Pixel je eine quadratische Pixel-Grundfläche ergibt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Realisierung eines Pixel-Binnings von je zwei benachbarten Pixeln, insbesondere Lichtlaufzeitpixeln, einer Pixelanordnung, bei der die Pixel in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei jedes der Pixel einzeln oder je zwei in der Pixelanordnung aneinander angrenzende Pixel zusammen einen ersten Auslesekanal und einen zweiten Auslesekanal zum Auslesen komplementärer Signale aufweist/aufweisen, wobei über eine Schaltungsanordnung ein Auslese-Raster vorgegeben wird, über dessen Auslese-Zeilen und Auslese-Spalten die Pixel ausgelesen werden, ist vorgesehen, dass für das jeweilige Pixel-Binning der benachbarten Pixel über die Schaltungsanordnung ein erster Auslesekanal des ersten der beiden benachbarten Pixel mit einem zweiten Auslesekanal des zweiten der beiden benachbarten Pixel kombiniert wird. Die Schaltungsanordnung ist insbesondere die vorstehend genannte Schaltungsanordnung und die Pixelanordnung ist insbesondere eine Pixelanordnung des vorstehend genannten Bildsensors.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung von Teilen einer ersten Variante eines Bildsensors mit einer Pixelanordnung aus sogenannten 2-Tap Pixeln und einer Schaltungsanordnung zum Auslesen dieser Pixel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem Binning-Betrieb,
- 2 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Teile der ersten Variante des Bildsensors in einem Betrieb ohne Binning,
- 3 eine schematische Darstellung des gesamten Bildsensors aus den 1 und 2 in einer Übersicht,
- 4 eine schematische Darstellung von Teilen einer zweiten Variante des Bildsensors mit einer Pixelanordnung aus sogenannten 1-Tap Pixeln und einer Schaltungsanordnung zum Auslesen dieser Pixel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
- 5 eine schematische Darstellung der in 4 gezeigten Teile der zweiten Variante des Bildsensors in einem Betrieb mit Binning,
- 6 eine schematische Darstellung von Teilen einer dritten Variante des Bildsensors mit einer Pixelanordnung aus sogenannten 1-Tap Pixeln und einer gegenüber der Pixelanordnung um 45° gedrehten Schaltungsanordnung zum Auslesen dieser Pixel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem Binning-Betrieb und
- 7 eine schematische Darstellung der in 6 gezeigten Teile der dritten Variante des Bildsensors in einem Betrieb ohne Binning.
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Die
1 zeigt auf der rechten Seite Teile eines Bildsensors
10 (auch als bildgebender Sensor bezeichnet) einer Kamera, der eine Pixelanordnung
12 mit einer Vielzahl von Pixeln
14,
16 und eine Schaltungsanordnung
18 zum Auslesen der Pixel
14,
16 aufweist. Bei den hier in den Figuren gezeigten Beispielen handelt es sich um Lichtlaufzeitkameras. Auf der linken Seite der
1 ist eines der Pixel
14,
16 separat dargestellt. Innerhalb der Pixelanordnung
12 sind die Pixel
14,
16 in Zeilen
N1,
N2 ... und Spalten
M1,
M2, ... angeordnet, wobei jedes der Pixel
14,
16 einen ersten Auslesekanal
A und einen zweiten Auslesekanal
B zum Auslesen komplementärer Signale aufweist. Derartige Pixel
14,
16 werden auch als 2-Tap-Pixel bezeichnet. Jedes der Pixel
14,
16 weist zwei Phasenabgriffe auf, die um 180° versetzt zueinander angeordnet sind und mit je einem der beiden Auslesekanäle
A,
B verknüpft sind. Details dazu sind der eingangs erwähnten Druckschrift
DE 197 04 496 A1 zu entnehmen.
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Die Pixel 14, 16 hier im Beispiel sind Lichtlaufzeitpixel 20. Über die komplementären (Phasen-)Signale eines solchen Lichtlaufzeitpixels 20 können Entfernungsinformationen über Objekte im Bildbereich des (Lichtlaufzeit-)Bildsensors 10 gewonnen werden. Die Schaltungsanordnung 18 gibt nun ein Auslese-Raster mit Auslese-Zeilen n1, n2, ... und Auslese-Spalten m1, m2, ... vor, über die die einzelnen Pixel 14, 16 ausgelesen werden, wobei die Schaltungsanordnung für ein Pixel-Binning von je zwei benachbarten Pixeln 14, 16 zu einem Pixel-Block 22 einen ersten Auslesekanal A der Auslesekanäle A, B des ersten der beiden benachbarten Pixel 14 mit einem zweiten Auslesekanal B der Auslesekanäle A, B des zweiten der beiden benachbarten Pixel 16 signaltechnisch verschaltet, indem diese beiden Auslesekanäle A , B an Eingänge eines jeweiligen Analog-Digital-Wandlers 24, der im Vorliegenden Fall als differentieller Analog-Digital-Wandler 26 ausgebildet ist, angeschlossen sind. Dabei sind die Auslese-Zeilen n1, n2 ... und Auslese-Spalten m1, m2 ... des sich ergebenden Ausleserasters bezüglich der Zeilen N1, N2, ... und Spalten M1, M2, ... der Pixel-Anordnung 12 parallel ausgerichtet.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Teile des Bildsensors 10 in einem Betrieb ohne Binning. Hier sind die Auslesekanäle A , B eines jeweiligen Pixels 14, 16 an die Eingänge eines zugeordneten Analog-Digital-Wandlers 24, der im vorliegenden Fall als differentieller Analog-Digital-Wandler 26 ausgebildet ist, angeschlossen. Die entsprechenden Schaltelemente zum Umschalten zwischen dem in 1 gezeigten signaltechnischen Verschalten der benachbarten Pixel 14, 16 für einen Betrieb mit Pixel-Binning und dem in 2 gezeigten signaltechnischen Verschalten der Pixel 14, 16 für einen Betrieb ohne Pixel-Binning, also eine Art Normal- oder Einzel-Betrieb im Sinne eines Auslesens der einzelnen Pixel 14, 16, sind nicht dargestellt.
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In beiden Betriebsarten, also dem Pixelbinning-Betrieb der 1 und dem Einzelbetrieb der 2 kann die zusätzliche Information der komplementären Signale der beiden Auslesekanäle A, B genutzt werden (3D-Betriebsmodus) oder nicht genutzt werden (2D-Betriebsmodus).
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung des gesamten Bildsensors 10 in der Ausführungsform gemäß der 1 und 2 in einer Übersicht. Dieser Sensor 10 ist ein Lichtlaufzeitkamerasensor mit einer Mehrzahl von als Lichtlaufzeitpixel 20 ausgebildeten Pixeln 14, 16 die in einer Matrixanordnung angeordnet sind. Die Pixel 14, 16 sind quadratisch und haben je zwei um 180 Grad versetzte Phasenabgriffe und zwei getrennte Auslesekanäle A, B. Es können einzelne Zeilen N1, N2, ... der Pixelmatrix bzw. Auslesezeilen n1, n2, ... mittels Zeilendecoder selektiert werden. Eine außerhalb der Pixelmatrix befindliche Auslesekette verstärkt gegebenenfalls die Spaltensignale der Einzelkanäle. Mittels eines Spaltendecoders können entsprechende Spalten M1, M2, ... der Pixelmatrix bzw. Auslesespalten m1, m2, ... selektiert werden. Die Anzahl an selektierten Spalten M1, M2, ... richtet sich nach der Anzahl i vorhandener Analog-Digital-Wandler (ADCs) 24. Wenn es so viele ADCs gibt, wie es Spalten gibt, ist eine Spaltenselektion nicht notwendig, da direkt zeilenweise ausgelesen werden kann. Differentielle ADCs konvertieren die Spannungsdifferenzen der beiden einzelnen Auslesekanäle A, B der selektierten Pixel 14, 16 in digitale Datenwörter.
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Um nun ausgehend von einem herkömmlichen Sensor 10 ein Binning mit einem Minimum an Zusatzschaltung zu realisieren, werden zwei gegenphasige Auslesekanäle A, B von zwei benachbarten Pixeln 14, 16 verwendet und mit dem differentiellen ADC 24 gewandelt. Um dies zu realisieren sind lediglich zusätzliche Schaltelemente 28 in der Auslesekette der Schaltungsanordnung 18 notwendig. Hier in 3 sind zwar nicht die einzelnen Schaltelemente 28 dargestellt, aber immerhin eine Schaltelemente Anordnung mit der Gesamtheit dieser Schaltelemente 28. Bei dem entsprechenden Binning gemäß 1 bleibt der Signal-Rausch-Abstand gegenüber dem Einzelbetrieb der 2 gleich. Die Auslesezeit wird hingegen halbiert. Die Auflösung halbiert sich in eine Richtung. Damit wird die Dichte an Datenpunkten in x und y Richtung ungleich.
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Auch die 4 zeigt -analog zur 1 - auf der rechten Seite Teile eines Bildsensors 10 einer Kamera, der eine Pixelanordnung 12 mit einer Vielzahl von Pixeln 14, 16 und eine Schaltungsanordnung 18 zum Auslesen der Pixel 14, 16 aufweist. Auf der linken Seite der 4 ist eines dieser Pixel 14, 16 separat dargestellt. Innerhalb der Pixelanordnung 12 sind auch hier die Pixel 14, 16 in Zeilen N1, N2 ... und Spalten M1, M2, ... angeordnet, wobei nun jedoch immer zwei in der Pixelanordnung 12 aneinander angrenzende Pixel 14, 16 zusammen einen ersten Auslesekanal A und einen zweiten Auslesekanal B zum Auslesen komplementärer Signale aufweisen. Die hier verwendeten Pixel 14, 16 werden auch als 1-Tap-Pixel bezeichnet. Jedes der Pixel 14, 16 weist einen Phasenabgriff auf, der um 180° versetzt zu dem des benachbarten Pixels angeordnet ist, wobei bei dem einen Pixel 14 der erste Phasenabgriff mit dem ersten Auslesekanal A und bei dem anderen Pixel 16 der zweite Phasenabgriff mit dem zweiten Auslesekanal B verknüpft ist. Es handelt sich also auch hier um komplementäre Auslesekanäle A, B.
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Die Pixelpaare mit den jeweiligen beiden Pixeln 14, 16 sind auch hier eine Art Lichtlaufzeitpixel 20. Über die komplementären (Phasen-)Signale eines solchen Lichtlaufzeitpixels 20 können Entfernungsinformationen über Objekte im Bildbereich des (Lichtlaufzeit-)Bildsensors 10 gewonnen werden. Die Schaltungsanordnung 18 gibt nun ein Auslese-Raster mit Auslese-Zeilen n1, n2, ... und Auslese-Spalten m1, m2, ... vor, über die die einzelnen Pixel 14, 16 ausgelesen werden, wobei die Schaltungsanordnung für ein Pixel-Binning der beiden benachbarten Pixeln 14, 16 zu einem Pixel-Block 22 den ersten Auslesekanal A des ersten der beiden benachbarten Pixel 14 mit dem zweiten Auslesekanal B des zweiten der beiden benachbarten Pixel 16 signaltechnisch verschaltet, indem diese beiden Auslesekanäle A, B an Eingänge eines jeweiligen Analog-Digital-Wandlers 24, der im Vorliegenden Fall als differentieller Analog-Digital-Wandler 26 ausgebildet ist, angeschlossen sind. Dabei sind die Auslese-Zeilen n1, n2 ... und Auslese-Spalten m1, m2 ... des sich ergebenden Ausleserasters bezüglich der Zeilen N1, N2, ... und Spalten M1, M2, ... der Pixel-Anordnung 12 parallel ausgerichtet.
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Die 5 zeigt eine schematische Darstellung der in 4 gezeigten Teile des Bildsensors 10 in einem Betrieb ohne Binning. Hier sind die komplementären Auslesekanäle A, B der beiden benachbarten Pixel 14, 16 an die Eingänge eines jeweiligen Analog-Digital-Wandlers 24, der im Vorliegenden Fall als differentieller Analog-Digital-Wandler 26 ausgebildet ist, angeschlossen. Die entsprechenden Schaltelemente zum Umschalten zwischen dem in 4 gezeigten signaltechnischen Verschalten der benachbarten Pixel 14, 16 für einen Betrieb mit Pixel-Binning und dem in 5 gezeigten signaltechnischen Verschalten der Pixel 14, 16 für einen Betrieb ohne Pixel-Binning sind wieder nicht dargestellt.
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In dieser Ausführung werden -wie bereits erwähnt- Pixel 14, 16 mit nur einem Auslesekanal (1-Tap Pixel) verwendet. Die entsprechenden Pixelsignale werden wieder mittels einer Auslesekette der Schaltungsanordnung 18 zugeordnet und mittels eines differentiellen ADC 24 in ein digitales Datenwort konvertiert. Dabei liegt im nicht-gebinnten Modus ein Eingang des ADCs 24 an einer Referenzspannung Vref und der andere an dem zu wandelnden (Auslese-)Signal an. Wenn das Binning aktiv ist, werden zwei Auslesekanäle A, B von zwei horizontal benachbarten Pixeln 14, 16 differentiell ausgelesen. Wichtig ist, dass hierbei die Auslesekanäle 14, 16 der benachbarten Pixel 14, 16 eine um 180 Grad versetzte Phasenlage besitzen. Durch dieses Binning verbessert sich der Signal-Rausch-Abstand um den Faktor √2. Die Auslesezeit reduziert sich um die Hälfte. Die Auflösung halbiert sich in eine Richtung. Damit wird auch hier die Dichte an Datenpunkten in x und y Richtung ungleich.
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Auch die
6 zeigt -analog zu den
1 und
4- auf der rechten Seite Teile eines Bildsensors
10 einer Kamera, der eine Pixelanordnung
12 mit einer Vielzahl von Pixeln
14,
16 und eine Schaltungsanordnung
18 zum Auslesen der Pixel
14,
16 aufweist. Auf der linken Seite der
1 ist eines der Pixel
14,
16 separat dargestellt. Auch hier sind die Pixel
14,
16 als 1-Tap Pixel ausgebildet. In einigen Details entsprechen die Pixelanordnung
12 und die Schaltungsanordnung
18 dieser Ausgestaltung des Bildsensors
10 der Bildsensor-Variante aus den
4 und
5. Es gibt jedoch einen Hauptunterschied: Die Auslese-Zeilen
n1,
n2, ... und Auslese-Spalten
m1,
m2, ... des Ausleserasters sind bezüglich der Zeilen
N1,
N2, ... und Spalten
M1,
M2, ... der Pixel-Anordnung
12 nicht parallel ausgerichtet, sondern um 45° verdreht angeordnet. Bezüglich der Zentren der einzelnen Pixel
14,
16 ergeben sich dabei keine geraden Auslese-Zeilen und Auslese-Spalten, sondern leicht stufigenartige Auslese-Zeilen
n1,
n2, ... und Auslese-Spalten
m1,
m2, .... Bei der Pixelanordnung
12 kann es sich um eine beispielsweise aus dem Dokument
DE 10 2019 101 752 A1 bekannte „schachbrettartige Anordnung“ handeln.
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Die 7 zeigt eine schematische Darstellung der in 6 gezeigten Teile des Bildsensors 10 in einem Betrieb ohne Binning. Auch hier sind (wie bei den 4 und 5) die Auslesekanäle A, B der beiden benachbarten Pixel 14, 16 an die Eingänge eines jeweiligen Analog-Digital-Wandlers 24, der im Vorliegenden Fall als differentieller Analog-Digital-Wandler 26 ausgebildet ist, angeschlossen. Die entsprechenden Schaltelemente zum Umschalten zwischen dem in 6 gezeigten signaltechnischen Verschalten der benachbarten Pixel 14, 16 für einen Betrieb mit Pixel-Binning und dem in 7 gezeigten signaltechnischen Verschalten der Pixel 14, 16 für einen Betrieb ohne Pixel-Binning sind nicht dargestellt.
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Die optischen Mittelpunkte der Pixel 14, 16 sind bezüglich des Ausleserasters diagonal angeordnet. Die Pixel 14, 16 können weiterhin separat ausgelesen werden oder mittels ADC Binnig. Dafür werden wieder die einzelnen Auslesekanäle A, B von zwei diagonal benachbarten Pixeln 14, 16 differentiell mit dem ADC 24, 26 gewandelt. Es findet eine Transformation von der diagonalen Anordnung zu einer kartesischen Anordnung statt. Ansonsten bleiben die Eigenschaften wie bei der vorhergehenden Ausführung erhalten.
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Im Folgenden sollen die sich ergebenden Änderungen der Eigenschaften bezüglich Auslesezeit t
Auslese, Auflösung und Entfernungsrauschen beim Binning für die drei Varianten noch einmal in Tabellenform angegeben werden.
Tabelle 1: Eigenschaften der drei Ausführungsformen
| Ausführung | tAuslese | Auflösung | Entfernungsrauschen |
| 2-Tap Matrix Einzelauslese | Referenz | Referenz | Referenz |
| 2-Tap Matrix Binning | Halbiert | Halbiert in horizontaler Richtung | gleich der Einzelauslese |
| 1-Tap parallele Matrix Einzelauslese | Referenz | Referenz | Referenz |
| 1 -Tap Matrix Binning | Halbiert | Halbiert in horizontaler Richtung | √2 besser |
| 1-Tap 45° Matrix Einzelauslese | Referenz | Referenz | Referenz |
| 1-Tap 45° Matrix Binning | Halbiert | Halbiert Transformation in Matrix | √2 besser |
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bildsensor
- 12
- Pixelanordnung
- 14
- Pixel
- 16
- Pixel
- 18
- Schaltungsanordnung
- 20
- Lichtlaufzeitpixel
- 22
- Pixel-Block (durch Binning erzeugt)
- 24
- Analog-Digital-Wandler
- 26
- differentieller Analog-Digital-Wandler
- 28
- Gesamtheit dieser Schaltelemente
- A
- erster Auslesekanal
- B
- zweiter Auslesekanal
- i
- Anzahl der Analog-Digital-Wandler
- n1, n2
- Auslese-Zeile
- N1, N2
- Zeile der Pixelanordnung
- m1, m2
- Auslese-Spalte
- M1, M2
- Spalte der Pixelanordnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19704496 A1 [0009, 0025]
- DE 102018100571 A1 [0010]
- DE 102019101752 A1 [0016, 0035]
