DE10226458B3 - Method and device for linearizing photosensitive sensors - Google Patents

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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 ein 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.The invention relates to a method and a device for linearizing photosensitive sensors, comprising a sensor (1) to which a control circuit (2) is assigned, by means of which the sensor (1) can be operated in two operating modes, the first operating mode being a normal sensor mode and the second operating mode represents a calibration mode, wherein in the calibration mode electrons can be electrically fed into the substrate of the sensor (1) via a D / A converter and the electron transport to the output amplifier can be switched off, the resolution of the D / A converter being at least one bit is greater than the quantization in sensor mode, two A / D converters (6, 7) are assigned to the sensor (1) on the output side for quantizing the sensor data, the first A / D converter (6) for quantizing the sensor data in sensor mode and the second A / D converter (7) is used to quantize the sensor data in calibration mode, the resolution of the second A / D converter (7) being at least ei n bits larger than that of the first A / D converter (6), the data of the second A / D converter (7) for the associated fed-in D / A converter values being stored in 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 a device for linearizing the characteristic of photosensitive Sensors.

Heutige bildaufnehmende Systeme basieren meist auf Sensoren, die mit Hilfe des photoelektrischen Effektes Photonen bzw. Elektronen, bezogen auf eine Zeitbasis, akkumulieren. Die Anzahl der akkumulierten Elektronen wird im Anschluss quantisiert.Today's imaging systems are mostly based on sensors that use the photoelectric effect photons or electrons, based on a time base. The number the accumulated electrons are then quantized.

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. Alle diese Sensoren können mit Hilfe von unterschiedlichsten Ausleseschaltungen und Korrekturen reproduzierbare und bei gleichen Strahlleistungsdichten auch gleiche Quantisierungsergebnisse liefern.One can rightly say that these types of sensors, such as CCD's, CMOS or photodiode arrays, which known tube sensors ousted from the market to have. All of these sensors can with the help of various readout circuits and corrections reproducible and at the same beam power densities the same quantization results deliver.

Typischerweise werden bei diesen Sensoren die additiven und multiplikativen, örtlich einem Pixel zugeordneten, Fehler korrigiert. 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. Die sogenannte Pixel-PRNU (Photo Response NonUniformity) kann mit Hilfe einer Kalibrierung auch den Randabfall des Objektives mit korrigieren. Pixelbezogene dunkelstromabhängige Fehler werden typischerweise mit Hilfe der sogenannten DSNU (Dank Signal NonUniformity) korrigiert.Typically these are Sensors the additive and multiplicative, locally assigned to a pixel, Mistake corrected. Sensors have also been in use since the late 1980s known that the pixels with the help of APS (Active Pixel Sensing) directly with the help of multiplicative transistor circuits Can individually amplify or attenuate pixels (after calibration). The so-called pixel PRNU (photo Response NonUniformity) can also calibrate the Correct the lens edge drop. Pixel related dark current dependent errors are typically using the so-called DSNU (thanks to signal NonUniformity) corrected.

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%). Grund hierfür ist das quadratische Kennlinienfeld von MOS-Transistoren. So besitzen auch Verstärker kleiner Verstärkungen, z.B. Sourcefolger, diesen Effekt. 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.Take all of these sensor-specific corrections into account not the disadvantage that the output stage of these sensors at Conversion of charge (electrons) to voltage works nonlinearly (about 1-2%). reason for that is the square characteristic field of MOS transistors. So own too amplifier small reinforcements, e.g. Source follower, this effect. Another reason is the potential voltage conversion itself, which certainly contributes to the non-linearity, since the Potential, based on the potential bias is not fixed and only pulled to the reset level with the help of reset circuits becomes.

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. 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.For Sensors that are not exclusively were developed for processing image content, but evaluable and referenced linear beam powers via the integration of the pixel area and want to measure time, this state is not acceptable. 2% linearity error limit the radiometric resolution 5.56 bits, which is a resolution far among the available analog-digital converters and today's demands the image quality represents.

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 therefore has the technical problem to create a method and a device by means of which corrected the linearity error and the achievable resolution elevated becomes.

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 to the technical problem arises from the objects with the features of claims 1 and 6. Further advantageous Embodiments of the invention result 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 zweiten A/D-Wandlers zu den zugehörigen eingespeisten D/A-Wandler-Werten zu einer Korrekturtabelle abgespeichert werden. Hierdurch sind alle linearen Fehler der Ladungsspannungswandlung und des anschließenden Verstärkers, die nur von der Größe des zu quantisierenden Wertes abhängig sind, korrigierbar. Diese Korrektur ist bezogen auf den Sensor ortsunabhängig.For this purpose, the device for Linearization of photosensitive sensors one sensor, one Control circuit is assigned, by means of which the sensor in two Operating modes can be operated, the first operating mode being one normal sensor mode and the second mode a calibration mode represents, in the calibration mode via a D / A converter electrons electrically feedable into the substrate of the sensor and the electron transport to the output amplifier can be switched off, the resolution of the D / A converter is at least one bit larger than the quantization in Sensor mode is, the sensor has two A / D converters on the output side Quantization of the sensor data are associated with the first A / D converter to quantize the sensor data in sensor mode and the second A / D converter serves to quantize the sensor data in calibration mode, where the resolution of the second A / D converter at least one bit larger than that of the first A / D converter, the data of the second A / D converter to the associated D / A converter values fed in are saved in a correction table become. As a result, all linear errors of the charge voltage conversion and the subsequent one amplifier, which only depends on the size of the depending on the quantizing value are correctable. This correction is independent of the location in relation to the sensor.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Recheneinheit, mittels derer die Korrekturtabelle erstellbar und abspeicherbar ist. Vorzugsweise übernimmt die Recheneinheit auch die Umschaltung zwischen Sensor- und Kalibriermodus.In a preferred embodiment The device comprises a computing unit, by means of which the correction table can be created and saved. The computing unit preferably takes over also 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. Hierdurch ist sehr einfach eine Echtzeitkorrektur der Sensordaten möglich.In a further preferred embodiment is the correction table at the data output of the first A / D converter containing hardware arranged, which is preferably designed as a RAM IC. This makes real-time correction of the sensor data very easy possible.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem Sensor eine Temperaturstabilisierung mindestens für den Kalibriermodus zugeordnet.In a further preferred embodiment is the sensor a temperature stabilization at least for the calibration mode assigned.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Linearisierung von photosensitiven Sensoren.The invention is described below of a preferred embodiment explained in more detail. 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 1, eine Ansteuerschaltung 2, die eine erste Steuerschaltung 3 und eine zweite Steuerschaltung 4 aufweist, eine Recheneinheit 5, einen ersten A/D-Wandler 6, einen zweiten A/D-Wandler 7, einen Multiplexer 8 und eine Korrekturtabelle 9. Mittels der Ansteuerschaltung 2 lässt sich der Sensor 1 in zwei Betriebsarten versetzen, wobei mittels der ersten Steuerschaltung 3 der Sensor im normalen Sensormodus und mittels der zweiten Steuerschaltung 4 in einem Kalibriermodus betrieben wird. Die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten erfolgt dabei über die Recheneinheit 5. In dem Kalibriermodus werden Elektronen elektrisch in das Substrat bei gleichzeitigem Abschalten des Elektronentransports zum Ausgangsverstärker eingespeist. Wird der Transport der Elektronen somit unterbrochen und je nach Design des Sensors 1 beispielsweise ein Resettransistor geöffnet, so kann man über die Vorspannung Elektronen in das Substrat direkt an die Ausgangsstufe einleiten. 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 1.The device for linearizing photosensitive sensors comprises a sensor 1 , a control circuit 2 that a first control circuit 3 and a second control circuit 4 has a computing unit 5 , a first A / D converter 6 , a second A / D converter 7 , a multiplexer 8th and a correction table 9 , By means of the control circuit 2 the sensor 1 put in two modes, using the first control circuit 3 the sensor in normal sensor mode and by means of the second control circuit 4 is operated in a calibration mode. Switching between the two operating modes takes place via the computing unit 5 , In the calibration mode, electrons are fed electrically into the substrate with simultaneous switching off of the electron transport to the output amplifier. The transport of the electrons is thus interrupted and depending on the design of the sensor 1 For example, when a reset transistor is opened, electrons can be introduced into the substrate directly to the output stage via the bias voltage. This introduction is controlled by the control circuit in such a way that the DA converter required for this is always at least one bit larger than the quantization of the sensor to be evaluated 1 ,

Über den Multiplexer 8, der durch die Recheneinheit 5 gesteuert wird, können die Daten des Sensors 1 auf die A/D-Wandler 6 bzw. 7 zur Quantisierung geschaltet werden. Dabei werden die Daten im Sensormodus auf den ersten A/D-Wandler 6 und im Kalibriermodus auf den zweiten A/D-Wandler 7 geschaltet. Dabei ist die Auflösung des zweiten A/D-Wandlers 7 ebenfalls um mindestens ein Bit höher als die des ersten A/D-Wandlers 6. Diese Werte des zweiten A/D-Wandlers 7 werden der Recheneinheit 5 zugeführt und mit den zugehörigen Eingangsdaten des D/A-Wandlers der Steuerschaltung 4 korreliert und bilden die Linearitätsreferenz zur Berechnung der Korrekturtabelle 9, die mit dem Ausgang des ersten A/D-Wandlers 6 verbunden ist. Eine mögliche Ausführungsform sieht dabei vor, dass die quantisierten Ergebnisse des A/D-Wandlers 6 an den Adressbus der Korrekturtabelle 9 gelegt werden und die abgelegten Korrekturwerte über den Datenbus der Hardware ausgegeben werden, die dann den linearisierten Datenstrom 10 darstellen. Hierzu ist die Korrekturtabelle beispielsweise in einem RAM-IC implementiert. 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. Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, wo eine Echtzeitkor rektur nicht notwendig ist, sodass die Korrekturtabelle 9 in der Recheneinheit 5 oder in einem Speicherelement für die nachträgliche Korrektur abgelegt werden kann.Via the multiplexer 8th by the arithmetic unit 5 is controlled, the data of the sensor 1 to the A / D converter 6 respectively. 7 be switched for quantization. The data in sensor mode are transferred to the first A / D converter 6 and in calibration mode on the second A / D converter 7 connected. Here is the resolution of the second A / D converter 7 also at least one bit higher than that of the first A / D converter 6 , These values of the second A / D converter 7 become the arithmetic unit 5 fed and with the associated input data of the D / A converter of the control circuit 4 correlates and form the linearity reference for the calculation of the correction table 9 that with the output of the first A / D converter 6 connected is. A possible embodiment provides for the quantized results of the A / D converter 6 to the address bus of the correction table 9 be placed and the stored correction values are output via the data bus of the hardware, which then the linearized data stream 10 represent. For this purpose, the correction table is implemented, for example, in a RAM IC. The described correction in real time has the great advantage that subsequent normalizations, compression algorithms or other transformations are not critical, since these amplify any linearity errors that may exist, so that subsequent correction of the linearity errors is only very difficult to carry out. However, applications are also conceivable where real-time correction is not necessary, so that the correction table 9 in the computing unit 5 or can be stored in a memory element for subsequent correction.

Claims (7)

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 ein 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.Device for linearizing photosensitive sensors, comprising a sensor ( 1 ), to which a control circuit ( 2 ) is assigned, by means of which the sensor ( 1 ) can be operated in two operating modes, the first operating mode representing a normal sensor mode and the second operating mode representing a calibration mode, wherein in the calibration mode electrons are electrically introduced into the substrate of the sensor via a D / A converter ( 1 ) can be fed in and the electron transport to the output amplifier can be switched off, the resolution of the D / A converter being at least one bit larger than the quantization in sensor mode, the sensor ( 1 ) two A / D converters on the output side ( 6 . 7 ) for the quantization of the sensor data, the first A / D converter ( 6 ) to quantize the sensor data in sensor mode and the second A / D converter ( 7 ) is used to quantize the sensor data in calibration mode, the resolution of the second A / D converter ( 7 ) at least one bit larger than that of the first A / D converter ( 6 ), the data of the second A / D converter ( 7 ) to the associated D / A converter values fed into a correction table ( 9 ) can be saved. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Recheneinheit (5) umfasst, mittels derer die Korrekturtabelle (9) erstellbar und abspeicherbar ist.Device according to claim 1, characterized in that the device comprises a computing unit ( 5 ), by means of which the correction table ( 9 ) can be created and saved. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Datenausgang des ersten A/D-Wandlers (6) eine die Korrekturtabelle (9) beinhaltende Hardware angeordnet ist.Device according to claim 1 or 2, characterized in that at the data output of the first A / D converter ( 6 ) the correction table ( 9 ) containing hardware is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hardware als RAM-IC ausgebildet ist. Apparatus according to claim 3, characterized in that the Hardware is designed as a RAM IC. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sensor (1) eine Temperaturstabilisierung zugeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 1 ) a temperature stabilization is assigned. Verfahren zur Linearisierung von photosensitiven Sensoren, mittels eines Sensors (1 ), dem eine Ansteuerschaltung (2) zugeordnet ist, mittels derer der Sensor (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 (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 (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 ein 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 zugeordnet und zu einer Korrekturtabelle (9) verarbeitet werden, mit deren Werten die Sensordaten im Sensormodus korrigiert werden.Method for linearizing photosensitive sensors using a sensor ( 1 ), to which a control circuit ( 2 ) is assigned, by means of which the sensor ( 1 ) can be operated in two operating modes, the first operating mode representing a normal sensor mode and the second operating mode representing a calibration mode, wherein in the calibration mode electrons are electrically introduced into the substrate of the sensor via a D / A converter ( 1 ) are fed in and the electron transport to the output amplifier is switched off, the resolution of the D / A converter being at least one bit larger than the quantization in transmit mode, the sensor ( 1 ) two A / D converters on the output side ( 6 . 7 ) for the quantization of the sensor data, the first A / D converter ( 6 ) to quantize the sensor data in sensor mode and the second A / D converter ( 7 ) is used to quantize the sensor data in calibration mode, the resolution of the second A / D converter ( 7 ) at least one bit larger than that of the first A / D converter ( 6 ), the data of the second A / D converter ( 7 ) assigned to the associated D / A converter values and to a cor rectification table ( 9 ) are processed, the values of which are used to correct the sensor data in sensor mode. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibriermodus im thermisch eingeschwungenen oder thermisch stabilisierten Zustand des Sensors (1) durchgeführt wird.A method according to claim 6, characterized in that the calibration mode in the thermally steady or thermally stabilized state of the sensor ( 1 ) is carried out.
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