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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Bilderzeugungstechnik und insbesondere auf eine Technik, die die Auswirkungen von zeilenweisem und spaltenweisem, kohärentem Rauschen in Aktivpixelsensor-(APS = Active-Pixel Sensor)Bilderzeugungssystemen verbessert.
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Seit den 70iger Jahren wurden ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD = Charge-Coupled Device) bei der Mehrzahl von herkömmlichen Bilderzeugungsschaltungen verwendet, die als ein Mechanismus zum Umwandeln eines Pixels von Lichtenergie in ein elektrisches Signal dienen, das die Identität der Lichtenergie darstellt. Im allgemeinen verwenden CCDs ein Photogatter zum Umwandeln von Lichtenergie in elektrische Ladung. Eine Zeile von Elektroden übermitteln die Ladung, die an dem Photogatter gesammelt wird, an einen Ausgabeerfassungsknoten.
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Obwohl CCDs viele Stärken aufweisen, einschließlich einer hohen Sensibilität und eines hohen Füllfaktors, leiden CCDs ferner unter einer Anzahl von Nachteilen. Erwähnenswert unter diesen Nachteilen, die ferner begrenzte Ausleseraten und Einschränkungen des dynamischen Bereichs umfassen, ist die Schwierigkeit, CCDs in CMOS-basierte Mikroprozessoren zu integrieren.
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Um die Einschränkungen CCD-basierter Bilderzeugungsschaltungen zu überwinden, verwenden kürzlich entwickelte Bildererzeugungsschaltungen Aktivpixelsensor-(APS-)Zellen zum Umwandeln eines Pixels aus Lichtenergie in ein elektrisches Signal. Bei APS-Zellen ist eine herkömmliche Photodiode üblicherweise mit einer Anzahl von aktiven Transistoren kombiniert, die zusätzlich zum Bilden eines elektrischen Signals begleitende Funktionen ausführen, wie z. B. Verstärkung, Auslesesteuerung und Rücksetzsteuerung.
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Eine mehr oder weniger kanonische Implementierung einer APS-Zelle ist in 1 dargestellt. Die APS-Zelle kann dargestellt sein, um eine Photodiode 10, einen Zeilenauswahltransistor (RST = Row Select Transistor) 11 und einen Ladungs- oder Strom-Erfassungsverstärker 12 zu umfassen. Der RST 11 weist eine Gateelektrode 111 auf, die mit einem RST-Einganssignal gekoppelt ist, eine (Drain/Source)-Elektrode 112, die mit einer Versorgungsspannung VDD gekoppelt ist, und eine (Source/Drain)-Elektrode 113, die mit der Kathode 101 der Photodiode 10 gekoppelt ist. Die Anode 102 der Photodiode ist geerdet. Die Kathode der Photodiode 12 ist mit dem Eingang 121 des Verstärkers 12 gekoppelt. Das Ausgangssignal der Pixelzelle erscheint an der Ausgabe 122 des Verstärkers 12. Die Operation einer APS-Zelle, wie z. B. in 1 dargestellt ist, ist für Fachleute auf dem Gebiet gut verständlich und wird daher der Klarheit halber hier nicht erörtert.
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APS-Zellen werden oft unter Verwendung einer CMOS-Verarbeitungstechnologie hergestellt, die die Integration eines Verstärkers an jeder Pixelstelle Ermöglicht und auf diese Weise die Buskapazitäts- und Buswiderstands-Probleme beseitigt, die den Techniken des Vorgängers zugeordnet sind. Obwohl die Transistoren, die zur Herstellung von CMOS-APS-Zellen verwendet werden, früher einen wesentlichen Abschnitt des Pixels einnahmen, sind die Transistorgrößen jetzt klein genug, um zu ermöglichen, daß Licht in einen wesentlichen Abschnitt der Pixel eindringt. Das Aufkommen der Submikronen-Photolithographie spielte eine bedeutende Rolle beim Stimulieren der Entwicklung von APS-Bildaufnehmern. Da jedoch die Ausleseschaltungsanordnung des APS weiterhin einen unangemessenen Bereich der Pixelzelle verbraucht, werden weitere Verbesserungen erwartet, um die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu erhöhen und dadurch die APS-Technik bei Hochleistungsanwendungen wettbewerbsfähig zu machen.
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CMOS-Bildaufnehmer erfassen Licht weitgehend auf die selbe Weise wie CCDs. Beide Techniken wandeln einfallendes Licht (Photonen) durch den gleichen Photoumwandlungsprozeß in elektrische Ladung (Elektronen) um. Farbsensoren können bei beiden Techniken im wesentlichen auf die gleiche Weise aufgebaut sein; üblicherweise durch Beschichten jedes einzelnen Pixels mit einem gefärbten Filter. Andere Operationsaspekte sind jedoch deutlich unterschiedlich. Bei APS-Systemen werden Ladungspakete nicht übertragen, sie werden statt dessen so früh wie möglich durch Ladungserfassungsverstärker erfaßt, die aus CMOS-Transistoren hergestellt sind.
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CMOS-Bilderzeugungstechniken basieren auf einem von zwei Ausführungsbeispielen des Photoelements: dem Photogate und der Photodiode. Im allgemeinen sind Photodiodensensoren empfindlicher, insbesondere gegenüber Blaulicht, was oben an jeder Pixelspalte wichtig sein kann. Die passiven Pixel enthalten nur einen Transistor, der als ein Ladungsgate verwendet wird, das den Inhalt der Pixel auf den Ladungsverstärker schaltet. Diese „Passives-Pixel”-CMOS-Sensoren arbeiten sehr ähnlich zu analogen DRAMs. Bei aktiven CMOS-Sensoren sind Verstärker in jedem Pixel implementiert. Aktives-Pixel-CMOS-Sensoren enthalten üblicherweise mindestens drei Transistoren pro Pixel. Wie erwartet werden kann sind APS-Zellen durch ein geringeres Rauschen aber eine schlechtere Packungsdichte gekennzeichnet als Passives-Pixel-CMOS.
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Da CMOS-APS-Zellen an herkömmlichen CMOS-Fertigungsstraßen hergestellt werden können, bieten sie das Potential für bedeutend geringere Kosten und unterbreiten ferner die Fähigkeit, mit anderen Funktionen integriert zu werden, wie z. B. Zeitgebungslogik und Analog-zu-Digital-Umwandlung (ADC). Die versprochenen Vorteile der Technik umfassen geringere Leistung, zufälliges Auslesen und die Realisierung einer chipintegrierten ADC- und Zeitgebungs-Funktionen. Der CMOS-Prozeß ermöglicht die Integration eines Verstärkers an jedem Ort. Noch wichtiger ist, daß APS-Zellen in der Theorie in der Lage sind, die hohe Entwicklung einer CMOS-Integration zu verwenden, die die Herstellung eines Bilderzeugungssystems oder einer Kamera auf einem Chip anstelle eines einfachen Bildaufnehmers ermöglicht.
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Nichts desto trotz wurde die Entwicklung der APS-Technik durch das inhärent höhere Rauschen des APS-Sensors (aufgrund der Auslesestruktur), der geringere Quantenwirkungsgrad (aufgrund des geringeren Füllfaktors) und die Kompromisse bei der Halbleiterherstellung behindert, die eingegangen werden müssen, um mehrere Merkmale auf einem einzelnen Halbleiterchip einzulagern.
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Zusätzlich dazu wird eines der vorteilhaften Merkmale von APS-Bilderzeugungsarrays, der Vorteil der Adressierbarkeit, durch einen Betriebsnebeneffekt belastet. Genauer gesagt besteht ein herkömmliches APS-System im wesentlichen aus einem zweidimensionalen Array der Pixelzellen, angeordnet in Zeilen und Spalten. Die Zeilen in dem Array werden sequentiell adressiert. Aber das zeilenweise Adressierungsschema kann ein zeilenweises kohärentes Rauschen in Ausgangsbildern einführen. Bei anderen Architekturen ist das spaltenweise kohärente Rauschen vorherrschend. Die Kohärenz des Rauschens verschlimmert dessen Wahrnehmbarkeit für ein menschliches Auge und macht das kohärente Rauschen daher besonders nachteilig.
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Dementsprechend ist ein APS-System erwünscht, das die Auswirkungen von zeilenweisem oder spaltenweisem, kohärentem Rauschen verringert, das dem Adressieren eines APS-Arrays zugeordnet ist. Da die Berücksichtigung der Pixelarchitektur eine Präferenz verursacht, den größeren Abschnitt des Pixelbereiches für den Photodetektor (Photodiode oder Photogatter bzw. Phototor) zu reservieren, sollten bevorzugte Lösungsansätze einfach sein und keinen unangemessenen Grad der Pixelnutzfläche verbrauchen. Zusätzlich dazu sollte der Lösungsansatz nicht anfällig für die im Allgemeinen negativen Auswirkungen der Fehlübereinstimmung zwischen den aktiven Vorrichtungen sein, die erforderlich sind, um das APS-Array zu bilden.
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Aus der
EP 0 957 630 A2 ist eine Spaltenverstärkerarchitektur in einem Aktivpixelsensor bekannt, die eine erste Doppelabtastschaltung und eine zweite Doppelabtastschaltung mit gleicher Konfiguration aufweist. Ein Bildsignal, das eine Kombination von Rauschkomponenten enthält, wird an die erste Doppelabtastschaltung angelegt. Ein Referenzbildsignal stellt die Rauschkomponente des Bildsignals dar und wird an die zweite Doppelabtastschaltung angelegt. Eine Referenzspannungsquelle ist mit einem Referenzeingang beider Doppelabtastschaltungen gekoppelt, und die erste Doppelabtastschaltung liefert die erste Seite eines differenziellen Bildsignals, während die zweite Doppelabtastschaltung. die zweite Seite eines differenziellen Bildsignals liefert.
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Aus der
EP 1 117 250 A2 ist ein Aktivpixelsensor mit einem verbesserten Referenzsignal bekannt, bei dem ein von Masse verschiedenes Referenzsignal bei der Signalverarbeitung verwendet wird. Eine oder mehrere Referenzpixelzellen werden verwendet, um ein Referenzsignal zu erzeugen. Ein Referenzsignal, das von mehreren Pixelzellen erzeugt wird, nähert das Rauschen und parasitäre Einflüsse, denen die belichteten Pixelzellen unterworfen sind, an. Indem mehr als ein Pixel für das Referenzsignal verwendet wird, kann eine mittlere Photodiodenspannung erhalten werden.
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Die
DE 689 06 100 T2 offenbart einen Apparat zur Korrektur des Dunkelsignals eines Bildsensors. Ein erster Analog/Digital-Wandler wandelt Ausgangssignale aus dem Bildsensor in Digitalwerte um, wobei ein Addierer die Digitalwerte im Dunkeln für jedes Pixel addiert. Ein Speicher speichert die Daten aus dem Addierer und eine Zufallszahlerzeugungseinrichtung erzeugt eine Zufallszahl derart, dass sie ein Mittel der gespeicherten Daten in dem Speicher ist. Eine Subtraktionseinrichtung ist vorgesehen, die die Zufallszahl von den Digitalwerten zu einer Zeit während des Lesens des Bildes subtrahiert und Bilddaten ausgibt.
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Die
EP 0 673 149 A1 offenbart ebenfalls einen Lösungsansatz zum Korrigieren einer Dunkelsignal-Ungleichmäßigkeit im Ausgangssignal eines Photosensors, wobei ein Korrekturwert verwendet wird. Der Korrekturwert wird mit einem Pseudozufalls-Rauschsignal, das zu einem digitalisierten Strahlungssensorausgangssignal addiert wird, kombiniert. Das Ergebnis wird abgeschnitten, um einen korrigierten Wert zu erzeugen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Referenzpixelschaltung, ein Aktivpixelsensor-System, einen Referenzsignalerzeuger, ein Verfahren zum Verbessern der Auswirkungen des kohärenten Rauschens in einem Aktivpixelsensor-System und ein Verfahren zum Entwerfen eines Aktivpixelsensor-Bilderzeugungssystems mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Referenzpixelschaltung gemäß Anspruch 1, ein Aktiv-Pixelsensor-System gemäß Anspruch 7, einen Referenzsignalerzeuger gemäß Anspruch 11 und Verfahren gemäß Anspruch 16 und 22 gelöst.
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Die oben genannten und andere Ziele, Vorteile und Fähigkeiten werden bei einem Aktivpixelsensor-(APS)Bilderzeugungssystem bei einem Aspekt der Erfindung erreicht. Bei einem Ausführungsbeispiel sind Pixel in einem zweidimensionalen Array aus Zeilen und Spalten angeordnet, wobei jedes Pixel eine Photodiode umfaßt, die mit einer Pixelausgabe gekoppelt ist. Genauer gesagt umfaßt das APS-System eine Schaltung zum Erzeugen eines Differenzsignals, das aus der Kombination eines Referenzsignals. und einer Bilderzeugungspixelausgabe resultiert. Die Schaltung weist eine Mehrzahl von Bilderzeugungspixel und eine Mehrzahl von Referenzsignalen und Referenzspaltenverstärkern auf, wobei jeder Spaltenverstärker eine Eingabe aufweist, die mit einer jeweiligen Ausgabe eines Bilderzeugungspixels gekoppelt ist. Ein Bilderzeugungsmultiplexer weist eine Mehrzahl von Eingaben auf, wobei jede Eingabe mit einer jeweiligen Ausgabe eines Bilderzeugungsspaltenverstärkers gekoppelt ist. Das Spaltenausgangssignal erscheint an der Ausgabe des Bilderzeugungsmultiplexers. Die Schaltung umfaßt ferner eine Mehrzahl von Referenzpixeln und eine Mehrzahl von Referenzspaltenverstärkern, wobei jeder Referenzspaltenverstärker eine Eingabe aufweist, die mit einer jeweiligen Ausgabe eines Referenzpixels oder eines Referenzsignals gekoppelt ist. Ein Referenzsignalmultiplexer weist eine Mehrzahl von Eingaben auf, die mit jeweiligen Ausgaben eines Referenzspaltenverstärkers gekoppelt sind. Das Referenzsignal erscheint an der Ausgabe des Referenzsignalmultiplexers und stellt eine Auswahl der Ausgaben der Referenzspaltenverstärker dar.
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Bei einem anderen Aspekt weist eine Referenzpixelschaltung bei einem APS-System eine Mehrzahl von Referenzpixelzellen auf, wobei jede derselben eine jeweilige Photodiode aufweist. Jeder aus einer Mehrzahl von Referenzspaltenverstärkern weist eine jeweilige Eingabe auf, die mit einer Photodiode gekoppelt ist und eine jeweilige Ausgabe aufweist. Jede der Eingaben eines Referenzmultiplexers ist mit einer Ausgabe eines Referenzspaltenverstärkers gekoppelt. Ein Referenzmultiplexer-Adreßtreiber ist mit dem Referenzmultiplexer gekoppelt, um ein Referenzsignal zu verursachen, das an der Multiplexerausgabe erscheint, so daß das Referenzsignal eine Pseudozufallsauswahl der Ausgabe der Spaltenverstärker ist.
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Bei einem weiteren Aspekt weist das APS-System eine Mehrzahl von Bilderzeugungspixelzellen und eine Referenzpixelschaltung auf. Die Referenzpixelschaltung weist eine Mehrzahl von Referenzpixelzellen auf, wobei jede derselben folgende Merkmale aufweist: eine jeweilige Photodiode; eine Mehrzahl von Referenzspaltenverstärkern, wobei jeder derselben eine jeweilige Eingabe aufweist, die mit einer Photodiode gekoppelt ist, und eine jeweilige Ausgabe aufweist; einen Referenzmultiplexer, der eine Mehrzahl von Eingaben aufweist, wobei jede der Eingaben mit einer Ausgabe eines Referenzspaltenverstärkers gekoppelt ist; und einen Referenzmultiplexertreiber, der mit dem Referenzmultiplexer gekoppelt ist um zu Verursachen, daß ein Referenzsignals an der Referenzmultiplexerausgabe auftritt, so daß das Referenzsignal eine Pseudozufallsauswahl der Ausgabe des Spaltenverstärkers ist.
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Die Erfindung schließt ferner einen Referenzpixelerzeuger ein, der folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von Referenzpixelzellen, wobei jede der Referenzpixelzellen eine Photodiode aufweist; eine Mehrzahl von Referenzspaltenverstärkern, wobei jeder dieser Referenzspaltenverstärker eine Eingabe aufweist, die mit einer jeweiligen Photodiode gekoppelt ist und eine Ausgabe aufweist; und eine Referenzerzeugungseinrichtung, die mit den Ausgaben der Referenzspaltenverstärker zum Erzeugen eines Referenzsignals gekoppelt ist, das eine im wesentlichen zufällige Auswahl aus der Ausgabe der Referenzspaltenverstärker aufweist. Bei einem alternativen Lösungsansatz kann ein Referenzsignal durch ein Referenzpixel ersetzt werden.
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Zusätzlich dazu kann das erfinderische Konzept als ein Verfahren zum Erleichtern der Auswirkungen des zeilenweisen und spaltenweisen, kohärenten Rauschens in einem Aktivpixelsensor-(APS)System genutzt werden. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: (i) Erzeugen einer Mehrzahl von Referenzpixelzellen-Ausgangssignalen oder Erzeugen eines Referenzsignals, (ii) Koppeln von jedem der Mehrzahl von Referenzpixelzellen-Ausgangssignalen mit einer Eingabe von einem aus einer Mehrzahl von Referenzspaltenverstärkern oder Koppeln eines Referenzsignals mit jedem einer Mehrzahl von Referenzspaltenverstärkern, (iii) Koppeln von jedem der jeweiligen Ausgaben der Referenzspaltenverstärker mit einer Eingabe eines Multiplexers, (iv) Bilden eines Referenzsignals, das eine im wesentlichen zufällige Auswahl der Ausgaben der Referenzspaltenverstärker ist, (v) und Bilden einer Differenzausgabe, die die Kombination des Referenzsignals und der Spaltenausgaben der Bilderzeugungspixel aufweist.
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Aus einer allgemeinen Perspektive ist die Erfindung in einem APS-Bilderzeugungssystem offenbart, daß ein Array von Pixeln umfaßt, wobei jedes der Pixel unter anderem eine Photodiode umfaßt, die mit der jeweiligen Pixelausgabe gekoppelt ist. Herausragende zugehörige Elemente des APS-Bilderzeugungssystems liegen in einem Mechanismus zum Erzeugen eines Spaltenausgangssignals und insbesondere in einem Mechanismus zum Erzeugen eines Referenzsignals, das ein im wesentlichen zufälliges Muster der Ausgaben der Referenzpixel oder Muster eines Referenzsignals darstellt. Die Erzeugung der Referenz über das Bildsignal auf diese Weise verteilt das Rauschen inkohärent, wodurch das Rauschen in dem Bild als weniger störend wahrnehmbar ist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Schaltungsdiagram einer mehr oder weniger kanonischen Form einer APS-Zelle.
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2 eine Wiedergabe eines statischen Bildes, bei der die Effekte eines zeilenweisen, kohärenten Rauschens leicht wahrnehmbar sind.
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3A und 3B, Diagramme auf hoher Ebene eines Pixelarrays, beidem Referenzpixel als ein Bestandteil eines Differenzspaltensignals sind, das einige Typen von Rauschen und verwandte Phänomene verringert.
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4 ein Diagramm auf hoher Ebene eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem die Ausgaben einer Anzahl von Referenzpixel nacheinander ausgewählt werden, um die Auswirkungen eines zeilenweisen, kohärenten Rauschens zu verringern.
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Die Verwendung gleicher Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren zeigt identische oder ähnliche Artikel an, außer dies ist anderweitig angegeben.
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Wie oben angedeutet wurde, stellt die Erfindung eine Technik dar, die eine Vorrichtung (Schaltungsentwurf) und ein Verfahren zum Reduzieren der Auswirkungen eines zeilenweisen oder spaltenweisen, kohärenten Rauschens bei APS-Bilderzeugungssystemen umfaßt. In dieser Hinsicht liefert 2 ein statisches Musterbild, bei dem ein kohärentes, zeilenweises Rauschen vorhanden und in dem reproduzierten Bild wahrnehmbar ist. Genauer gesagt offenbart 2 eine Anzahl von horizontalen, im wesentlichen gleich beabstandeten Leitungen 21, die die Breite des wiedergegebenen Bildes überqueren. 2 demonstriert den Grad, zu dem ein derartiges zeilenweises, kohärentes Rauschen für das menschliche Auge wahrnehmbar und daher unerwünscht ist. Auf eine Weise, die nachfolgend detailliert beschrieben ist, basiert die Erfindung prinzipiell auf der Verteilung von anderweitig kohärentem Rauschen durch ein Bild. Als ein Ergebnis wird die Rauschkohärenz beeinträchtigt und das Rauschen, obwohl anhaltend, für den Betrachter weniger wahrnehmbar gemacht. Die Operation basiert weitgehend auf – und das ist daher anwendbar für – bestehende APS-Systemarchitekturen, wie z. B. die Architektur, die bei dem APS-System von 3 verwendet wird.
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3A stellt ein APS-System dar, das ein unterschiedliches Signal bildet, das von einem Spaltenausgangssignal und einem Referenzsignal hergeleitet wird. (Das Spaltenausgangssignal kann alternativ als ein Bilderzeugungspixelsignal bezeichnet werden.) 3A ist eine Darstellung einer Zeile eines Pixelarrays, die aus einer großen Anzahl von Zeilen und Spalten aufgebaut ist. Jede Zeile des Arrays umfaßt eine Anzahl von Bilderzeugungspixel 31a, 31b, ..., 31n, die der Anzahl von Spalten in dem Array entspricht. Die Bilderzeugungspixel sind gekennzeichnet durch eine einheitliche Schaltungsanordnung. Das heißt, jedes Bilderzeugungspixel umfaßt einen RST 311, eine Photodiode 312 und einen Stromerfassungsverstärker 313, im wesentlichen in der gleichen Art, wie oben beschrieben und in 1 dargestellt ist. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß leichte Unterschiede bei bestimmten Betriebscharakteristika (Vorrichtungs-Fehlübereinstimmung) existieren können, die unvermeidbar aus einer Abweichung bei Vorrichtungsherstellungsprozessen resultiert, obwohl jede der Pixelzellen in dem Array einen Schaltungsentwurf aufweist, der mit jeder anderen Pixelzelle identisch ist. Die Ausgabe jedes Bilderzeugungspixels, d. h. das Signal an der Ausgabe jedes jeweiligen Stromerfassungsverstärkers 313a, 313b, ..., 313n ist mit einem jeweiligen, zugeordneten Spaltenverstärker 32a, 32b, ..., 32n gekoppelt. Die Ausgaben der Spaltenverstärker sind individuell mit den jeweiligen Signalseingaben eines Multiplexers 33 gekoppelt. Auf eine Weise, die Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt ist, wird eine Spaltenausgabe durch die Operation des Multiplexers 33 ausgewählt, wenn ein Bild gescannt wird. Der Multiplexer arbeitet ansprechend auf sequentielle Adreßsignale, die an der Adreßeingabe 331 des Multiplexers 33 angelegt werden. Dementsprechend entspricht das Spaltenausgangssignal zu jedem Zeitpunkt der Ausgabe eines adressierten Bilderzeugungspixels. Das heißt, das (momentane) Bilderzeugungspixelsignal ist die Ausgabe des ausgewählten (durch den Multiplexer 33) Spaltenverstärkers.
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Wie oben vorgeschlagen wurde, entwickeln bestehende APS-Systeme im allgemeinen ein Differenzsignal, wobei eine zugehörige Komponenten das Spaltenausgangssignal ist. Die andere Komponente, die zu Zwecken dieser Beschreibung ferner als Referenzsignal bezeichnet werden kann, wird üblicherweise von einem Referenzpixel 35 hergeleitet, wie aus 3A ersichtlich ist. Referenzpixel können in derselben Zeile des Arrays positioniert sein wie Bilderzeugungspixel 31a, 31b, ..., 31n oder können anderswo vorliegen. Liegen sie auf der selben Zeile vor, können Referenzpixel 35 auf eine zeilenadressierbare Weise adressiert werden, wie die Bilderzeugungspixel. Zu Zwecken dieser Beschreibung wird daraufhingewiesen, daß das Referenzpixel 35 den gleichen Schaltungsentwurf verkörpert wie die Bilderzeugungspixel 31a, 31b, ..., 31n. Das heißt, das Referenzpixel 35 umfaßt einen RST 351, eine Photodiode 352 und einen Stromerfassungsverstärker 353, der analog mit der Zwischenverbindung der entsprechenden Elemente der Bilderzeugungspixel verbunden ist. Die Ausgabe des Verstärkers 353 ist mit der Eingabe eines Referenzspaltenverstärkers 36 gekoppelt. Zu jedem Zeitpunkt bildet die Ausgabe des Referenzspaltenverstärkers das Referenzsignal und bildet die andere Komponente des Differenzsignals, das sich in Flußrichtung abwärts zu dem verbleibenden Analogsignal-Verarbeitungspfad verteilt. Das Referenzsignal, wenn es mit dem Spaltenausgangssignal (Bilderzeugungspixelsignal) differenzkombiniert ist, dient zum Subtrahieren des thermischen Rauschens des allgemeinen Modus, das von der Leistungsversorgung oder anderen Quellen resultiert.
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Ein gewissermaßen fortschrittlicherer Lösungsansatz für das fundamentale Schema, das direkt vorangehend beschrieben wurde (und in 3A gezeigt ist) ist in 3B gezeigt. Die Anordnung von 3B offenbart eine Anzahl von Referenzpixeln 35a, 35b, ..., 35n. Jedes dieser Referenzpixel ist mit jedem der anderen Referenzpixel an den Kathoden ihrer jeweiligen Photodioden verbunden. Die Ausgaben der Stromerfassungsverstärker 353a, 353b, ..., 353n sind mit der Eingabe des Spaltenreferenzverstärkers 36 gekoppelt. Die Referenzpixelanordnung von 3B stellt eine verbesserte Version von 3A dar, da die Zwischenverbindung der Photodioden effektiv über eine Anzahl von ähnlichen Photodioden „gemittelt” wird, wobei der Dunkelstrom jeder Photodiode zugeordnet ist. Folglich wird die Differenz zwischen dem durchschnittlichen Dunkelstrom, der durch die Referenzpixel integriert wird, und dem durchschnittlichen Dunkelstrom der Bilderzeugungspixel in der gleichen Zeile reduziert.
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Die Lösungsansätze von 3A und 3B leiden jedoch unter dem gleichen unerwünschten Phänomen. Das heißt, das Abtastrauschen leitet einen Versatz für die gesamte Zeile im Vergleich zu anderen Zeilen ein. Der Versatz erscheint als ein kohärentes, zeilenweises Rauschen, das leicht wahrnehmbar ist, aufgrund der Art und Weise, auf die es in dem Bild erscheint. Die zugrundeliegende Erfindung, die bei einem Ausführungsbeispiel von 4 dargestellt ist, umgeht die störenden Auswirkungen im wesentlichen durch APS-Sensorsystem-Signalverarbeitung, die den herkömmlichen Lösungsansätzen zugeordnet sind, die oben beschrieben sind.
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Auf eine im wesentlichen identische Weise zu dem, was hierzu beschrieben wurde, umfaßt jede Zeile, die das betreffende APS-System umfasst, eine Mehrzahl von Bilderzeugungspixeln. Die Ausgabe von jedem der Bilderzeugungspixel ist an der Ausgabe des jeweiligen Stromerfassungsverstärkers 313a, 313b, ..., 313n mit einem zugeordneten Spaltenverstärker 32a, 32b, ..., 32n gekoppelt. Die jeweiligen Ausgaben der Spaltenverstärker werden an zugeordnete Eingaben eines analogen Bilderzeugungsmultiplexers 33 angelegt, so daß die Ausgabe des Multiplexers 33 zu einem gegebenen Zeitpunkt die APS-System-Spaltenausgabe bildet.
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Wie oben jedoch vorgeschlagen wurde, kann eine Verhaltensverbesserung auf die Weise einer Reduzierung des kohärenten, zeilenweisen und spaltenweisen Rauschen in einer Referenzpixelanordnung realisiert sein, die ein besonders vorteilhaftes Referenzsignal erzeugt. Wie aus 4 ersichtlich ist, umfaßt die Schaltungsanordnung zum Synthetisieren des Referenzsignals eine Sammlung aus Referenzpixel, die bei einem Ausführungsbeispiel auf einer Zeile-Führ-Zeile-Basis aktiviert werden. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Referenzpixel an den Kathoden der jeweiligen Photodioden miteinander verbunden. Das heißt, die Kathode des Referenzpixels RPr,1 ist mit der Kathode des Referenzpixels RPr,2 verbunden, und von dort mit den Kathoden jedes der verbleibenden Referenzpixel RPR,N. (Obwohl drei Referenzpixel in 4 ausdrücklich gezeigt sind, wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf eine spezifische Anzahl von Referenzpixeln beschränkt ist.) Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel (in den Zeichnungen nicht gezeigt) müssen die Photodiodenkathoden nicht elektrisch verbunden sein.
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Die Ausgabe von jedem der Referenzpixel ist an einer Ausgabe des jeweiligen zugeordneten Ladungserfassungsverstärkers 353a, 353b, ..., 353n mit der Eingabe eines Referenzspaltenverstärkers gekoppelt. Das heißt, die Ausgabe des RPr,1 ist mit der Eingabe des Referenzspaltenverstärkers 36a gekoppelt, die Ausgabe des Referenzpixels RPr,2 ist mit der Eingabe des Referenzspaltenverstärkers 36b gekoppelt und d Ausgabe des Referenzpixels RPR,N ist mit der Eingabe des Referenzspaltenverstärkers 36n gekoppelt.
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Für jedes Referenzpixel ist ein einzelner Referenzspaltenverstärker bereit gestellt und steht mit demselben in Wechselbeziehung. Die Ausgaben der Spaltenverstärker sind mit den jeweiligen Eingaben eines analogen Multiplexers 37 gekoppelt. Auf eine Weise, die nun beschrieben werden soll, ist ein Adreßerzeuger 38 mit dem analogen Referenzmultiplexer gekoppelt und ansprechend auf die Sequenz von Adressen, die durch den Adreßerzeuger angelegt werden, wählt der analoge Referenzmultiplexer sequentiell eines der Signale an dessen Eingaben aus, um dasselbe an die Referenzmultiplexerausgaben weiterzuleiten. Auf diese Weise resultiert das Referenzsignal, d. h. das Signal an der Multiplexerausgabe, aus der sequentiellen Auswahl aus den Ausgaben der Referenzpixel, unter der Steuerung eines Adreßerzeugers 38. Der Adreßerzeuger 38 kann zahlreiche Formen annehmen und kann in der Hardware, der Software, der Firmware oder einer Kombination aus den zuvor genannten realisiert sein, doch ein herausragender Aspekt der Erfindung liegt in dem Konzept, daß der Adreßerzeuger 38 eine Sequenz von Adressen erzeugt, so daß das Referenzsignal eine Pseudozufallsauswahl von Signalen an den Eingaben zu dem Referenzmultiplexer 37 bildet. Diese Eingangssignale entsprechen natürlich den jeweiligen Ausgaben der Referenzpixel.
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Die Erfindung zieht alle Lösungsansätze in Erwägung, einschließlich Hardware, Software, Firmware oder andere Implementierungen, gemäß welchen der Adreßerzeuger 38 arbeitet, um eine Pseudozufallssequenz von Adressen an den Adreßeingang des Multiplexers 37 zu liefern. Die Vielzahl von spezifischen, konkreten Darstellungen derartiger Lösungsansätze ist nur durch das Fachwissen von Fachleuten begrenzt. Die nachfolgenden Lösungsansätze für die Pseudozufalls-Adreßerzeugung und daher die Referenzpixelauswahl werden zu pädagogischen Zwecken bereitgestellt und sollen nicht als erschöpfend oder definitiv angesehen werden.
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Der Adreßerzeuger 38 kann in der Form eines Pseudozufalls-Bitstromgenerators implementiert sein. Wie bekannt ist, kann ein derartiger Erzeuger durch Fachleute unter Verwendung von herkömmlichen, handelsüblich erhältlichen, digitalen Logikkomponenten aufgebaut werden. Pseudozufallsgeneratoren erfordern üblicherweise einen Startparameterwert, wobei bei einer Variation der Startparameterwert das niederstwertige Bit (LSB = Least Significant Bit) der Adresse des zuletzt zugegriffenen Pixels sein kann oder von demselben hergeleitet werden kann.
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In dieser Hinsicht kann die Adresse des Pixels, auf das zuletzt zugegriffen wurde, selbst als ein „Zufallszuordner” für den Referenzsignalerzeuger wirken. Das heißt, daß die LSBs dieser Adresse an die Multiplexer-Adreßeingabe angelegt werden würden. Als eine Verbesserung kann das LSB permutiert sein oder durch die Zwischenschaltung von Kombinatorische-Logik-Blöcke, einer Nachschlagetabelle oder einem ROM logischen Transformationen unterliegen. Es wird vorgeschlagen, daß die Technik das Referenzsignal angemessen „zufällig zuordnet”, wenn dasselbe an aktive Bilder angelegt wird, jedoch weniger als optimal ist, wenn dasselbe an undeutliche Bilder oder Bilder ohne viel Inhalt angelegt wird, aufgrund der reduzierten, zufälligen Zuordnung.
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Als ein alternativer Lösungsansatz kann das Referenzsignal jedoch einfach durch sequentielles Anordnen durch die Ausgaben der Spaltenreferenzverstärker zusammengefügt werden. In diesem Fall wird die Adressierungskomponente zum Beispiel in einen einfachen Zähler degeneriert. Obwohl die Zufälligkeit bei der Referenzpixelauswahl geopfert wird, kann dieser Effekt durch Einschließen einer größeren Anzahl von Referenzpixel umgangen werden. Das heißt, die inhärente Periodizität bei der Referenzpixelauswahl wird weniger offensichtlich, wenn die Anzahl von Referenzpixeln steigt. Zusätzlich dazu, da ein Teil des Abtastrauschens, das der Auswahl der Referenzspaltenverstärker zugewiesen ist, nicht durch eine Zeile-für-Zeile-Korrelation gekennzeichnet ist, kann sich die Technik als effektiver herausstellen, als vorhergesagt wurde. Zu dem Ausmaß, daß Fehlübereinstimmungen unter den Referenzspaltenverstärkern existieren, kann jedoch ein Grad an Festmusterrauschen resultieren.
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Um die Effektivität des oben beschriebenen, verbesserten APS-Systems zu konkretisieren, kann eine Softwaresimulation durchgeführt werden. Eine derartige Simulation oder Modellerzeugung ist ferner insofern lehrreich, daß sie wahrscheinlich empirische Informationen ergibt, die sowohl über quantitative als auch qualitative Bewertungen der Erwünschtheit einer Anzahl von Entwurfsentscheidungen informiert, die bei der Implementierung der Erfindung angetroffen werden. Im allgemeinen kann die Simulation durch Einfügen eines vorbestimmten Pegels von Abtastrauschen fortfahren, das zeilenweise korreliert wird.
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Herausragende Entwurfsentscheidungen implizieren die Anzahl von Referenzspaltenverstärkern, die in den Referenzsignalerzeuger eingebracht werden sollen, und die Betriebscharakteristika des Adreßerzeugers. Die Simulation schlägt vor, daß mehr als vier (4) Referenzspaltenverstärker erforderlich sind, um eine bedeutende Verbesserung zu liefern. Die Simulation schlägt ferner vor, daß der Einfluß von sechzehn (16) Referenzspaltenverstärkern das kohärente, zeilenweise Rauschen effektiv unterdrückt. Im Hinblick auf die Multiplexeradreßerzeugung zeigen die Simulationsergebnisse an, daß die Referenzspaltenauswahl zufriedenstellend ist, wenn sie entweder auf (i) einem vorangehend adressierten Pixeladreßmodulus, der Anzahl der Referenzpixel oder (ii) der Erzeugung einer Pseudozufallsanzahl unter Verwendung von entweder einem Softwarealgorithmus oder einer Hardwareimplementierung basiert.
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Die Auswahl des Referenzspaltenverstärkers basierend auf einem Schema unter Verwendung der LSBs des vorangehend adressierten Pixels oder auf einer einfachen, sequentiellen Auswahl sind beide angemessen und stellen eine Materialverbesserung gegenüber bekannten Techniken dar. Es kann jedoch erwartet werden, daß diese zwei Lösungsansätze eine wesentliche Anzahl von Referenzspalten benötigen, um das Rauschen zufällig zu verteilen, und ihre Effektivität kann von den Charakteristika des angetroffenen Bildes abhängen.
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Dementsprechend, während bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, wird es für Fachleute auf dem Gebiet basierend auf den Techniken hierin offensichtlich, daß weitere Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von dieser Erfindung und deren breiteren Aspekten abzuweichen, und somit sollen die angefügten Patentansprüche innerhalb ihres Schutzbereichs alle derartigen Änderungen und Modifikationen einschließen, die innerhalb der Wesensart und des Schutzbereichs dieser Erfindung liegen.
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Insbesondere sollte aus dem oben genannten hervorgehen, daß obwohl eine spezifische Schaltungsanordnung sowohl für die Bilderzeugungspixel als auch für die Referenzpixel beschrieben wurde, die Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt ist, und daß zahlreiche Variationen bei dem Pixelzellenentwurf innerhalb der Grenzen der Erfindung verwendet werden können. Das Hauptmerkmal der Erfindung ist eine Mehrzahl von Referenzpixelzellenausgaben oder – Signalen, die sequentiell mit einem Grad von Zufälligkeit ausgewählt werden, um das zu verteilen, was anderweitig ein kohärentes Rauschen durch ein Bild darstellen würde. Und in dieser Hinsicht sollte offensichtlich sein, daß die Auswahl der Referenzpixel nicht genau mathematisch zufällig sein muß. Alles was erforderlich ist, ist ein Grad an Zufälligkeit bei der Referenzpixelauswahl, der, wenn er zusammen mit der Anzahl von Referenzpixelausgaben berücksichtigt wird, die Verteilung des Rauschens auf eine Weise „zufällig anordnet”, die verursacht, daß das Rauschen für das menschliche Auge weniger leicht wahrnehmbar ist.
