DE10226458B3 - Method and device for the linearization of photosensitive sensors - Google Patents

Method and device for the linearization of photosensitive sensors

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DE10226458B3 DE2002126458 DE10226458A DE10226458B3 DE 10226458 B3 DE10226458 B3 DE 10226458B3 DE 2002126458 DE2002126458 DE 2002126458 DE 10226458 A DE10226458 A DE 10226458A DE 10226458 B3 DE10226458 B3 DE 10226458B3
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Andreas Eckard
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Linearisierung von photosensitiven Sensoren, umfassend einen Sensor (1), dem eine Ansteuerschaltung (2) zugeordnet ist, mittels derer der Sensor (1) in zwei Betriebsarten betreibbar ist, wobei die erste Betriebsart einen normalen Sensormodus und die zweite Betriebsart einen Kalibriermodus darstellt, wobei in dem Kalibriermodus über einen D/A-Wandler Elektronen elektrisch in das Substrat des Sensors (1) einspeisbar und der Elektronentransport zum Ausgangsverstärker abschaltbar ist, wobei die Auflösung des D/A-Wandlers mindestens ein Bit größer als die Quantisierung im Sensormodus ist, dem Sensor (1) ausgangsseitig zwei A/D-Wandler (6, 7) zur Quantisierung der Sensordaten zugeordnet sind, wobei der erste A/D-Wandler (6) zur Quantisierung der Sensordaten im Sensormodus und der zweite A/D-Wandler (7) zur Quantisierung der Sensordaten im Kalibriermodus dient, wobei die Auflösung des zweiten A/D-Wandlers (7) um mindestens ei The invention relates to a method and device for the linearization of photosensitive sensors comprising a sensor (1), which is assigned a drive circuit (2) by means of which the sensor (1) is operable in two modes, the first mode a normal sensor mode and the second mode is a calibration mode, wherein in the calibration mode through a D / a converter electron electrically in the substrate of the sensor (1) fed in and the electron transport to the output amplifier can be switched off, wherein the resolution of the D / a converter at least one bit is greater than the quantization in the sensor mode, the sensor (1) on the output side two A / D converters (6, 7) are allocated to quantize the sensor data, wherein the first A / D converter (6) for quantizing the sensor data in the sensor mode and the second A / D converter (7) for quantization of the sensor data in the calibration mode is used, the resolution of the second A / D converter (7) by at least ei n Bit größer als die des ersten A/D-Wandlers (6) ist, wobei die Daten des zweiten A/D-Wandlers (7) zu den zugehörigen eingespeisten D/A-Wandler-Werten zu einer Korrekturtabelle (9) abgespeichert werden. n bits is greater than that of the first A / D converter (6), wherein the data of the second A / D converter (7) are stored to the associated inputted D / A converter values ​​to a correction table (9).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Linearisierung der Kennlinie von photosensitiven Sensoren. The invention relates to a method and apparatus for linearizing the characteristic curve of photosensitive sensors.
  • Heutige bildaufnehmende Systeme basieren meist auf Sensoren, die mit Hilfe des photoelektrischen Effektes Photonen bzw. Elektronen, bezogen auf eine Zeitbasis, akkumulieren. Today's image-receiving systems are usually based on sensors that accumulate with the help of the photoelectric effect photons or electrons, based on a time basis. Die Anzahl der akkumulierten Elektronen wird im Anschluss quantisiert. The number of accumulated electrons is quantized in the connector.
  • Mit gutem Recht kann man sagen, dass diese Art von Sensoren, wie zum Beispiel CCD's, CMOS oder Photodiodenarrays, die bekannten Röhrensensoren vom Markt verdrängt haben. With good reason, one can say that this kind of sensors, such as CCDs, CMOS, or photodiode arrays, have replaced the familiar tube sensors from the market. Alle diese Sensoren können mit Hilfe von unterschiedlichsten Ausleseschaltungen und Korrekturen reproduzierbare und bei gleichen Strahlleistungsdichten auch gleiche Quantisierungsergebnisse liefern. All these sensors can provide with the help of a wide variety of read-out circuits and corrections reproducible and at the same beam power densities and same quantization.
  • Typischerweise werden bei diesen Sensoren die additiven und multiplikativen, örtlich einem Pixel zugeordneten, Fehler korrigiert. Typically, the additive and multiplicative, locally associated with a pixel errors are corrected with these sensors. Seit Ende der achtziger Jahre sind auch Sensoren bekannt, die mit Hilfe von APS (Active Pixel Sensing) die Pixel direkt mit Hilfe von multiplikativen Transistorschaltungen direkt am Pixel individuell (nach Kalibrierung) verstärken oder dämpfen können. Since the late eighties, sensors are known, which can amplify using APS (Active Pixel Sensing) the pixel directly using multiplicative transistor circuits directly on the pixels individually (after calibration) or damp. Die sogenannte Pixel-PRNU (Photo Response NonUniformity) kann mit Hilfe einer Kalibrierung auch den Randabfall des Objektives mit korrigieren. The so-called pixel PRNU (Photo Response nonuniformity) can correct with the help of a calibration and the edge drop of the lens with. Pixelbezogene dunkelstromabhängige Fehler werden typischerweise mit Hilfe der sogenannten DSNU (Dank Signal NonUniformity) korrigiert. Pixels related dark current-dependent errors are typically corrected with the aid of so-called DSNU (thanks signal Nonuniformity).
  • Alle diese sensorspezifischen Korrekturen berücksichtigen nicht den Nachteil, dass die Ausgangsstufe dieser Sensoren bei der Wandlung der Ladung (Elektronen) zur Spannung nichtlinear arbeitet (etwa 1–2%). All of these sensor-specific corrections do not consider the disadvantage that the output stage of these sensors in the conversion of the charge (electrons) to the voltage non-linear functions (about 1-2%). Grund hierfür ist das quadratische Kennlinienfeld von MOS-Transistoren. This is due to the square of characteristics of MOS transistors. So besitzen auch Verstärker kleiner Verstärkungen, zB Sourcefolger, diesen Effekt. So also have small amplifier gains, eg source follower, this effect. Ein weiterer Grund ist die Potentialspannungswandlung selbst, welche sicherlich einen Anteil zur Nichtlinearität beiträgt, da das Potenzial, bezogen auf die Potenzialvorspannung nicht fest ist und lediglich mit Hilfe von Resetschaltungen auf das Resetniveau gezogen wird. Another is the potential voltage conversion itself, which surely contributes a share of non-linearity, since the potential, based on the Potenzialvorspannung is not fixed and is only drawn to the reset level with the help of reset circuits.
  • Für Sensoren, die nicht ausschließlich zur Verarbeitung von Bildinhalten entwickelt wurden, sondern auswertbare und referenzierbare lineare Strahlleistungen über die Integration der Pixelfläche und der Zeit messen wollen, ist dieser Zustand nicht akzeptabel. For sensors that are not designed exclusively for processing image content, but want to measure evaluated and referenceable linear beam powers on the integration of the pixel area and the time that this condition is not acceptable. 2% Linearitätsfehler bewirken eine Begrenzung der radiometrischen Auflösung auf 5,56 Bit, welches eine Auflösung weit unter den verfügbaren Analog-Digitalwandlern und heutigen Ansprüchen an die Bildqualität darstellt. 2% linearity errors cause a limitation of the radiometric resolution of 5.56 bit, which is a resolution well below the available analog-to-digital converters and current requirements on the image quality.
  • Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer der Linearitätsfehler korrigiert und die erreichbare Auflösung erhöht wird. The invention is therefore based on the technical problem of providing a method and a device by means of which corrects the linearity error and the achievable resolution is increased.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. The solution of the technical problem is solved by the subject matters having the features of claims 1 and 6. Further advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims.
  • Hierzu umfasst die Vorrichtung zur Linearisierung von photosensitiven Sensoren einen Sensor, dem eine Ansteuerschaltung zugeordnet ist, mittels derer der Sensor in zwei Betriebsarten betreibbar ist, wobei die erste Betriebsart einen normalen Sensormodus und die zweite Betriebsart einen Kalibriermodus darstellt, wobei in dem Kalibriermodus über einen D/A-Wandler Elektronen elektrisch in das Substrat des Sensors einspeisbar und der Elektronentransport zum Ausgangsverstärker abschaltbar ist, wobei die Auflösung des D/A-Wandlers mindestens ein Bit größer als die Quantisierung im Sensormodus ist, dem Sensor ausgangsseitig zwei A/D-Wandler zur Quantisierung der Sensordaten zugeordnet sind, wobei der erste A/D-Wandler zur Quantisierung der Sensordaten im Sensormodus und der zweite A/D-Wandler zur Quantisierung der Sensordaten im Kalibriermodus dient, wobei die Auflösung des zweiten A/D-Wandlers um mindestens ein Bit größer als die des ersten A/D-Wandlers ist, wobei die Daten des zweit For this purpose, the device for linearisation of photosensitive sensors comprises a sensor, which is assigned a drive circuit by means of which the sensor is operable in two modes, the first mode is a normal sensor mode and the second mode is a calibration mode, wherein in the calibration mode through a D / a converter electron electrically into the substrate of the sensor can be fed, and the electron transport to the output amplifier can be switched off, wherein the resolution of the D / a converter at least one bit is larger than the quantization in the sensor mode, the output side of the sensor, two a / D converters for quantization of the sensor data associated with the first a / D converter for quantizing the sensor data in the sensor mode and the second a / D converter for quantizing the sensor data in the calibration mode is used, the resolution of the second a / D converter at least one bit is greater than that of the first A / D converter, wherein the data of the second en A/D-Wandlers zu den zugehörigen eingespeisten D/A-Wandler-Werten zu einer Korrekturtabelle abgespeichert werden. en A / D converter are stored to the associated inputted D / A converter values ​​to a correction table. Hierdurch sind alle linearen Fehler der Ladungsspannungswandlung und des anschließenden Verstärkers, die nur von der Größe des zu quantisierenden Wertes abhängig sind, korrigierbar. This means that all linear error of the charge voltage conversion and the subsequent amplifier, which are dependent only on the size of the quantized value, correctable. Diese Korrektur ist bezogen auf den Sensor ortsunabhängig. This correction is related to the sensor anywhere.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Recheneinheit, mittels derer die Korrekturtabelle erstellbar und abspeicherbar ist. In a preferred embodiment, the device comprises a computation unit with which the correction table is buildable and stored. Vorzugsweise übernimmt die Recheneinheit auch die Umschaltung zwischen Sensor- und Kalibriermodus. Preferably, the computer unit is also responsible for switching between sensor and calibration mode.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist am Datenausgang des ersten A/D-Wandlers eine die Korrekturtabelle beinhaltende Hardware angeordnet, die vorzugsweise als RAM-IC ausgebildet ist. In a further preferred embodiment, the correction table-containing hardware at the data output of the first A / D converter is arranged which is preferably configured as a RAM IC. Hierdurch ist sehr einfach eine Echtzeitkorrektur der Sensordaten möglich. This makes is very simple real-time correction of the sensor data possible.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem Sensor eine Temperaturstabilisierung mindestens für den Kalibriermodus zugeordnet. In another preferred embodiment, the sensor temperature stabilization is assigned at least for the calibration mode.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. The invention is explained in more detail below with reference to a preferred embodiment. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Linearisierung von photosensitiven Sensoren. The single figure shows a schematic block diagram of a device for the linearization of photosensitive sensors.
  • Die Vorrichtung zur Linearisierung von photosensitiven Sensoren umfasst einen Sensor The device for the linearization of photosensitive sensors includes a sensor 1 1 , eine Ansteuerschaltung , A drive circuit 2 2 , die eine erste Steuerschaltung That a first control circuit 3 3 und eine zweite Steuerschaltung and a second control circuit 4 4 aufweist, eine Recheneinheit having a computing unit 5 5 , einen ersten A/D-Wandler A first A / D converter 6 6 , einen zweiten A/D-Wandler A second A / D converter 7 7 , einen Multiplexer , A multiplexer 8 8th und eine Korrekturtabelle and a correction table 9 9 . , Mittels der Ansteuerschaltung By means of the driving circuit 2 2 lässt sich der Sensor can the sensor 1 1 in zwei Betriebsarten versetzen, wobei mittels der ersten Steuerschaltung enable two modes of operation, wherein by means of the first control circuit 3 3 der Sensor im normalen Sensormodus und mittels der zweiten Steuerschaltung the sensor is in normal mode, and sensor means of the second control circuit 4 4 in einem Kalibriermodus betrieben wird. is operated in a calibration mode. Die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten erfolgt dabei über die Recheneinheit Switching between the two modes is done via the computer unit 5 5 . , In dem Kalibriermodus werden Elektronen elektrisch in das Substrat bei gleichzeitigem Abschalten des Elektronentransports zum Ausgangsverstärker eingespeist. In the calibration mode, electrons are fed electrically in the substrate at the same time switching off the electron transport to the output amplifier. Wird der Transport der Elektronen somit unterbrochen und je nach Design des Sensors If transport of the electrons thus interrupted and, depending on the design of the sensor 1 1 beispielsweise ein Resettransistor geöffnet, so kann man über die Vorspannung Elektronen in das Substrat direkt an die Ausgangsstufe einleiten. for example, open a reset transistor, one can initiate via the bias electrons in the substrate directly to the output stage. Diese Einleitung wird dabei durch die Steuerschaltung derart gesteuert, dass der dazu benötigte DA-Wandler immer mindestens ein Bit größer ist als die auszuwertende Quantisierung des Sensors This introduction is controlled by the control circuit such that the required for this DA-converter is always at least one bit greater than the quantization of the sensor to be evaluated 1 1 . ,
  • Über den Multiplexer Via the multiplexer 8 8th , der durch die Recheneinheit Obtained by the arithmetic unit 5 5 gesteuert wird, können die Daten des Sensors is controlled, the data of the sensor can 1 1 auf die A/D-Wandler to the A / D converter 6 6 bzw. or. 7 7 zur Quantisierung geschaltet werden. be routed to the quantization. Dabei werden die Daten im Sensormodus auf den ersten A/D-Wandler In this case, the data in the sensor mode to the first A / D converter 6 6 und im Kalibriermodus auf den zweiten A/D-Wandler and the calibration mode to the second A / D converter 7 7 geschaltet. connected. Dabei ist die Auflösung des zweiten A/D-Wandlers Here, the resolution of the second A / D converter 7 7 ebenfalls um mindestens ein Bit höher als die des ersten A/D-Wandlers also at least one bit higher than that of the first A / D converter 6 6 . , Diese Werte des zweiten A/D-Wandlers These values ​​of the second A / D converter 7 7 werden der Recheneinheit be the arithmetic unit 5 5 zugeführt und mit den zugehörigen Eingangsdaten des D/A-Wandlers der Steuerschaltung supplied, and with the associated input data of the D / A converter of the control circuit 4 4 korreliert und bilden die Linearitätsreferenz zur Berechnung der Korrekturtabelle correlated and the linearity reference form for the calculation of the correction table 9 9 , die mit dem Ausgang des ersten A/D-Wandlers That to the output of the first A / D converter 6 6 verbunden ist. connected is. Eine mögliche Ausführungsform sieht dabei vor, dass die quantisierten Ergebnisse des A/D-Wandlers One possible embodiment provides in this case that the quantized results of the A / D converter 6 6 an den Adressbus der Korrekturtabelle to the address of the correction table 9 9 gelegt werden und die abgelegten Korrekturwerte über den Datenbus der Hardware ausgegeben werden, die dann den linearisierten Datenstrom be placed and stored correction values ​​are output via the data bus of the hardware, then the linearized data stream 10 10 darstellen. represent. Hierzu ist die Korrekturtabelle beispielsweise in einem RAM-IC implementiert. To this end, the correction table is implemented for example in a RAM IC. Die beschriebene Korrektur in Echtzeit hat den großen Vorteil, dass nachfolgende Normierungen, Kompressionsalgorithmen oder andere Transformationen unkritisch sind, da diese gegebenenfalls vorhandene Linearitätsfehler verstärken, sodass eine nachträgliche Korrektur der Linearitätsfehler nur noch sehr schwierig durchzuführen ist. The correction in real time described has the great advantage that subsequent normalization, compression algorithms or other transformations are not critical because this linearity error, if any, increase, so that a subsequent correction of the linearity error is only very difficult to perform. Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, wo eine Echtzeitkor rektur nicht notwendig ist, sodass die Korrekturtabelle However, applications are also conceivable where a Echtzeitkor rection is not necessary, so that the correction table 9 9 in der Recheneinheit in the computing unit 5 5 oder in einem Speicherelement für die nachträgliche Korrektur abgelegt werden kann. or may be stored in a memory element for the subsequent correction.

Claims (7)

  1. Vorrichtung zur Linearisierung von photosensitiven Sensoren, umfassend einen Sensor ( Apparatus for linearization of photosensitive sensors comprising a sensor ( 1 1 ), dem eine Ansteuerschaltung ( ), The (a drive circuit 2 2 ) zugeordnet ist, mittels derer der Sensor ( is) assigned (by means of which the sensor 1 1 ) in zwei Betriebsarten betreibbar ist, wobei die erste Betriebsart einen normalen Sensormodus und die zweite Betriebsart einen Kalibriermodus darstellt, wobei in dem Kalibriermodus über einen D/A-Wandler Elektronen elektrisch in das Substrat des Sensors ( ) Is operable in two modes, the first mode is a normal sensor mode and the second mode is a calibration mode, wherein electrical (in the calibration mode through a D / A converter electrons in the substrate of the sensor 1 1 ) einspeisbar und der Elektronentransport zum Ausgangsverstärker abschaltbar ist, wobei die Auflösung des D/A-Wandlers mindestens ein Bit größer als die Quantisierung im Sensormodus ist, dem Sensor ( ) Fed and the electron transport to the output amplifier can be switched off, wherein the resolution of the D / A converter at least one bit is larger than the quantization in the sensor mode (the sensor 1 1 ) ausgangsseitig zwei A/D-Wandler ( ) On the output side two A / D converter ( 6 6 , . 7 7 ) zur Quantisierung der Sensordaten zugeordnet sind, wobei der erste A/D-Wandler ( ) Are allocated to quantize the sensor data, wherein the first A / D converter ( 6 6 ) zur Quantisierung der Sensordaten im Sensormodus und der zweite A/D-Wandler ( ) (To quantize the sensor data in the sensor mode and the second A / D converter 7 7 ) zur Quantisierung der Sensordaten im Kalibriermodus dient, wobei die Auflösung des zweiten A/D-Wandlers ( ) Is used to quantize the sensor data in the calibration mode, the resolution of the second A / D converter ( 7 7 ) um mindestens ein Bit größer als die des ersten A/D-Wandlers ( ) By at least one bit greater than that of the first A / D converter ( 6 6 ) ist, wobei die Daten des zweiten A/D-Wandlers ( ), Wherein the data of the second A / D converter ( 7 7 ) zu den zugehörigen eingespeisten D/A-Wandler-Werten zu einer Korrekturtabelle ( ) To the associated inputted D / A converter values ​​(to a correction table 9 9 ) abgespeichert werden. ) Are stored.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Recheneinheit ( Device according to claim 1, characterized in that the means (a computing unit 5 5 ) umfasst, mittels derer die Korrekturtabelle ( ), By means of which (the correction table 9 9 ) erstellbar und abspeicherbar ist. ) Is buildable and stored.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Datenausgang des ersten A/D-Wandlers ( Device according to claim 1 or 2, characterized in that (at the data output of the first A / D converter 6 6 ) eine die Korrekturtabelle ( ) A correction table ( 9 9 ) beinhaltende Hardware angeordnet ist. )-Containing hardware is arranged.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hardware als RAM-IC ausgebildet ist. Device according to claim 3, characterized in that the hardware is designed as a RAM IC.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sensor ( Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 1 1 ) eine Temperaturstabilisierung zugeordnet ist. ) Is associated with a temperature stabilization.
  6. Verfahren zur Linearisierung von photosensitiven Sensoren, mittels eines Sensors ( A method for the linearization of photosensitive sensors (by a sensor 1 1 ), dem eine Ansteuerschaltung ( ), The (a drive circuit 2 2 ) zugeordnet ist, mittels derer der Sensor ( is) assigned (by means of which the sensor 1 1 ) in zwei Betriebsarten betrieben werden kann, wobei die erste Betriebsart einen normalen Sensormodus und die zweite Betriebsart einen Kalibriermodus darstellt, wobei in dem Kalibriermodus über einen D/A-Wandler Elektronen elektrisch in das Substrat des Sensors ( ) Can be operated in two modes, the first mode is a normal sensor mode and the second mode is a calibration mode, wherein electrical (in the calibration mode through a D / A converter electrons in the substrate of the sensor 1 1 ) eingespeist werden und der Elektronentransport zum Ausgangsverstärker abgeschaltet wird, wobei die Auflösung des D/A-Wandlers mindestens ein Bit größer als die Quantisierung im Sendemodus ist, dem Sensor ( ) Are fed and the electron transport is switched off the output amplifier, wherein the resolution of the D / A converter at least one bit is larger than the quantization in the transmission mode (the sensor 1 1 ) ausgangsseitig zwei A/D-Wandler ( ) On the output side two A / D converter ( 6 6 , . 7 7 ) zur Quantisierung der Sensordaten zugeordnet sind, wobei der erste A/D-Wandler ( ) Are allocated to quantize the sensor data, wherein the first A / D converter ( 6 6 ) zur Quantisierung der Sensordaten im Sensormodus und der zweite A/D-Wandler ( ) (To quantize the sensor data in the sensor mode and the second A / D converter 7 7 ) zur Quantisierung der Sensordaten im Kalibriermodus dient, wobei die Auflösung des zweiten A/D-Wandlers ( ) Is used to quantize the sensor data in the calibration mode, the resolution of the second A / D converter ( 7 7 ) um mindestens ein Bit größer als die des ersten A/D-Wandlers ( ) By at least one bit greater than that of the first A / D converter ( 6 6 ) ist, wobei die Daten des zweiten A/D-Wandlers ( ), Wherein the data of the second A / D converter ( 7 7 ) zu den zugehörigen eingespeisten D/A-Wandler-Werten zugeordnet und zu einer Korrekturtabelle ( assigned) to the associated inputted D / A converter values, and (to a correction table 9 9 ) verarbeitet werden, mit deren Werten die Sensordaten im Sensormodus korrigiert werden. be processed), the sensor data is corrected in the sensor mode with their values.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibriermodus im thermisch eingeschwungenen oder thermisch stabilisierten Zustand des Sensors ( A method according to claim 6, characterized in that the calibration (in the thermally stable or thermally stabilized state of the sensor 1 1 ) durchgeführt wird. ) is carried out.
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