DE19612660A1 - Optische Sensorvorrichtung mit Störsignalkompensation - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Sensorvorrichtung und insbesondere eine optische Sensorvor­ richtung mit einer Störsignalkompensation.

Bei monolithisch integrierten Sensorsystemen werden Sensor­ elemente zusammen mit der Elektronik zur Signalauslese und Verarbeitung auf einer integrierten Schaltung (IC) gefer­ tigt. Bei der integrierten optischen Sensorik werden als Sensorelemente lichtempfindliche Bauelemente, beispielsweise Photodioden, bipolare Phototransistoren, ladungsgekoppelte Bauelemente (CCDs; CCD = charge coupled device) und licht­ empfindliche MOS-Transistoren, verwendet. Die lichtabhängi­ gen Signale, die Ladung, die Spannung oder der Strom, der oben genannten Bauelemente können auf dem Chip weiterverar­ beitet werden. Bei eindimensionalen oder zweidimensionalen arrayförmigen Sensoranordnungen können auf diese Weise aus dem akquirierten Bild Merkmale extrahiert werden und an die weiterverarbeitende Elektronik übergeben werden. Bei spezi­ ellen Anwendungen kann dabei die Position eines reflektier­ ten Lichtsignals auf einem optischen Sensorarray bestimmt werden.

Es ist bekannt, MOS-Transistoren oder CMOS-kompatible Bau­ elemente als optische Sensoren in monolithisch integrierten Schaltungen zu verwenden, und den lichtabhängigen Transi­ stor-Drainstrom I_Drain umzuwandeln oder weiterzuverarbeiten. Sensorsysteme mit solchen Photosensoren werden beispielswei­ se zur Positionserkennung von Lichtsignalen, beispielsweise eines Leuchtflecks und dergleichen, verwendet.

Im allgemeinen ist auf dem durch das Sensorarray empfangenen Bild nicht nur das Lichtsignal, dessen Position zu detektie­ ren ist, welches dem Nutzsignal entspricht, vorhanden, son­ dern zusätzlich die Abbildung des Hintergrundes, also das Restlicht, das ein Störsignal ist. Je heller das Störsignal ist, desto schwieriger läßt sich das Nutzsignal mit dem Sen­ sorarray detektieren.

Ein bekanntes Verfahren, das im allgemeinen mit "Correla­ ted-Double-Sampling" bezeichnet wird, liefert eine Technik zum Kompensieren des Störsignals. Bei dem bekannten Verfah­ ren wird zuerst ein Störsignal durch das integrierte Sensor­ array aufgenommen. Danach wird das Störsignal in einem Spei­ cherarray abgespeichert. Nachfolgend erfolgt eine Aufnahme des Nutzsignals zusammen mit dem Störsignal, wobei das Stör­ signal durch das Restlicht bewirkt wird. Im Anschluß daran wird das Störsignal, das im ersten Schritt aufgenommen wur­ de, von dem Signal, das das Nutzsignal zusammen mit dem Störsignal darstellt, subtrahiert. Das Ergebnis ist der Er­ halt des Nutzsignals ohne Störsignal. Dabei ist die Aufnahme des Nutzsignals zusammen mit dem Störsignal sowie die Auf­ nahme des reinen Störsignals mit dem Senden des Nutzsignals sowie dem Unterlassen des Nutzsignals synchronisiert. Im Ge­ gensatz dazu werden bei bekannten On-Chip-Bewegungsmeldern ständig Bilder aufgenommen und voneinander subtrahiert, um eine Bewegung zu detektieren.

Da die lichtabhängigen Signale der meisten lichtempfindli­ chen Bauelemente linear vom Licht abhängen, ist es üblich, die lichtabhängigen Signale zu logarithmieren, um eine große Eingangsdynamik des meßbaren Lichtes zu erzielen. Ein licht­ empfindlicher MOS-Transistor kann durch das Einstellen des Gate-Potentials in einem logarithmischen Arbeitsbereich be­ trieben werden, weshalb bei der Verwendung eines MOS-Transi­ stors als Photosensorelement keine weitere Logarithmierung des Ausgangssignals des Sensors notwendig ist. Wird der lichtempfindliche MOS-Transistor im logarithmischen Arbeits­ bereich betrieben, und soll gleichzeitig eine relativ große Lichtempfindlichkeit erzielt werden, muß ein relativ großer Dunkelstrom über das Gate-Potential festgelegt werden, der die Signaldynamik einschränkt. Bei großen Dunkelströmen müs­ sen die weiterverarbeitenden Bauelemente in der Regel platz­ aufwendiger dimensioniert werden, beispielsweise größere W/L-Verhältnisse bei MOS-Transistoren, was beispielsweise bei Arrays nachteilige Auswirkungen aufweist. Ferner ist der festgelegte Dunkelstrom stark temperaturabhängig.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Sensorvor­ richtung zu schaffen, deren Ausgangssignal auf dem optischen Nutzsignal basiert und frei von Störsignalen ist.

Diese Aufgabe wird durch eine optische Sensorvorrichtung ge­ mäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Sensorvor­ richtung, die zumindest ein optisches Sensorelement auf­ weist, das abhängig von einem auf dasselbe einfallenden op­ tischen Nutzsignal ein erstes elektrisches Signal erzeugt, das aus einem elektrischen Nutzsignal und einem Störsignal besteht. Die Vorrichtung weist ferner ein Referenzsensorele­ ment auf, das ein zweites elektrisches Signal erzeugt, das dem Störsignal entspricht. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Einrichtung zum Kombinieren des ersten und des zweiten elektrischen Signals auf, derart, daß das resultierende elektrische Signal dem elektrischen Nutzsignal entspricht.

Das Störsignal kann dabei sowohl der Dunkelstrom des opti­ schen Sensorelements sein als auch durch ein Hintergrund- oder Rest-Licht erzeugt werden. Das Störsignal kann ebenso ein aus dem Dunkelstrom abgeleiteter Strom sein oder ein abgeleiteter Strom, der durch das Hintergrund- oder Rest­ licht erzeugt wird.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden das erste und das zweite elektrische Signal mittels eines Stromspiegels kombiniert, um dadurch eine Differenz der beiden Signale zu erzeugen, die das elektrische Nutzsignal ist.

Die optische Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfin­ dung ermöglicht eine Kompensation des Dunkelstroms eines Sensors oder eines Sensorarrays und eine damit verbundene Vergrößerung der Dynamik des vom Licht erzeugten Ausgangs­ stroms des Sensors. Die Transistoren der weiterverarbeiten­ den Schaltungen können kleiner gehalten werden als für den Fall ohne Kompensation des Dunkelstroms. Ferner kommt die Kompensation mit wenigen Transistoren pro Sensorelement aus. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird außerdem die starke Temperaturabhängigkeit des Dunkelstroms kompensiert. Beim Festlegen des Gate-Potentials zu größeren Dunkelströmen hin ist die differentielle Lichtempfindlichkeit der Sensorele­ mente größer, da die Steigung der Übertragungskennlinie zu größeren Strömen hin zunimmt. Auf diese Weise lassen sich stärkere Bildkontraste erzielen.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann eine optische Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Er­ findung verwendet werden, um die Abbildung des Hintergrun­ des, also des Restlichts, zu kompensieren. Je heller das Restlicht, das hier das Störsignal darstellt, ist, umso schwieriger läßt sich das Nutzsignal mit dem Sensorarray de­ tektieren, wenn keine Kompensation vorliegt. Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Ausführungsbeispiel durch eine Kompensation des Restlichts im Ausgangssignals einer Sensor­ einrichtung eine genaue Detektion eines optischen Nutzsi­ gnals selbst beim Vorliegen eines hellen Restlichts.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind alle Kompo­ nenten der optischen Sensorvorrichtung auf einem Chip inte­ griert, um das Störsignal bereits auf dem Chip zu eliminie­ ren, so daß das Nutzsignal auf dem Chip weiterverarbeitet werden kann.

Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Übertragungskennlinie des Drainstroms I_Drain über der Gate-Spannung U_GS eines lichtempfindlichen MOS-FET; und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Sensorvor­ richtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden als optische Sensorelemente MOS-Transisto­ ren verwendet. Eine optische Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann dabei aus einem optischen Sen­ sorelement oder einem Array von optischen Sensorelementen bestehen.

Das physikalische Prinzip der Lichtempfindlichkeit eines MOS-Transistors beruht auf der Änderung des Substratpoten­ tials des MOS-Transistors durch einen Lichteinfall. Diese Potentialverschiebung bewirkt eine Änderung der Schwellen­ spannung und somit eine Änderung von I_Drain bei einer kon­ stanten Gate-Source-Spannung U_GSO. In Fig. 1 ist der Drain- Strom I_Drain über der Gate-Source-Spannung mit und ohne ei­ nen Lichteinfluß aufgetragen. Die Kurve 10 stellt die Über­ tragungskennlinie des MOS-Transistors ohne einen Lichtein­ fall dar. Dabei ist U_T0 die Schwellenspannung des MOS-Tran­ sistors ohne einen Lichteinfall. Fällt Licht auf den MOS- Transistor ein, ändert sich die Schwellenspannung zu U_T und die Übertragungskennlinie des MOS-Transistors wird zu der bei 12 gezeigten. Der Dunkelstrom I_Dunkel ist der Drain- Strom, der ohne einen Lichteinfall durch den Kanal des MOS- Transistors fließt.

Mögliche lichtabhängige MOS-Transistoren sind solche, die in einer BULK CMOS-Technologie oder in einer BiCMOS-Technologie hergestellt sind, beispielsweise PMOS-Transistoren, die in einem N-Wannen-Prozeß oder in einem 2-Wannen-Prozeß herge­ stellt sind, oder NMOS-Transistoren, die in einem P-Wannen- Prozeß oder in einem 2-Wannen-Prozeß hergestellt sind. Fer­ ner können in SOI-Technologie (SOI = silicon on isolator) hergestellte PMOS-Transistoren oder NMOS-Transistoren als lichtempfindliche MOS-Transistoren verwendet werden.

Der Drain-Strom I_Drain des lichtempfindlichen MOS-Transi­ stors verhält sich in der schwachen Inversion nahezu linear und in der starken Inversion nahezu logarithmisch in Bezug auf die einfallende Lichtleistung. Der Arbeitsbereich, d. h. eine starke oder eine schwache Inversion, läßt sich über das Gate-Potential des lichtempfindlichen MOS-Transistors fest­ legen. Es ist erwünscht, den lichtempfindlichen MOS-Transi­ stor im logarithmischen Arbeitsbereich zu betreiben, damit die Nutzsignalströme logarithmisch von der eingestrahlten Lichtleistung abhängen.

Der Dunkelstrom I_Dunkel eines MOS-Transistors ist stark tem­ peraturabhängig, weshalb es ferner vorteilhaft ist, zur Re­ duzierung der Temperaturabhängigkeit den durch einen Dunkel­ strom erzeugten Signalanteil im Ausgangssignal einer opti­ schen Sensorvorrichtung zu kompensieren. Die vorliegende Er­ findung schafft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Dunkel­ strom-unabhängigen Signalstroms als Ausgangssignal eines Sensorelements oder eines jeden Sensorelements eines Arrays von Sensorelementen bei einer gleichzeitigen logarithmischen Abhängigkeit der Signalströme von der eingestrahlten Licht­ leistung.

In Fig. 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer op­ tischen Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Schaltung besteht aus einem MOS-Transistor 20, der als optisches Sensorelement dient. Die Schaltung weist ferner einen MOS-Transistor 22 auf, der als Referenz­ sensorelement dient. Die Transistoren 20 und 22 sind iden­ tische MOS-FETs. An den Drain-Elektroden der MOS-Transisto­ ren liegt eine Spannung U_DD. An den Gate-Elektroden der Transistoren 20 und 22 liegt ein festes Gate-Potential U_GS0 an. Die Gate-Spannung U_GS0 ist derart gewählt, daß die Tran­ sistoren 20 und 22 in einem Bereich betrieben sind, in dem die Signalströme eine logarithmische Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtleistung aufweisen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die MOS-Tran­ sistoren P-Kanal-MOS-FETs im Anreicherungsbetrieb.

Die Source des Referenztransistors 22 ist mit einem ersten Eingang eines Stromspiegels 24 verbunden. Die Source des Transistors 20 ist mit einem zweiten Eingang des Stromspie­ gels 24 verbunden. Der Verbindungspunkt der Source des Tran­ sistors 20 mit dem Stromspiegel 24 ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ferner mit einer Weiterverarbeitungs­ schaltung 26, die vorzugsweise auf dem gleichen Chip inte­ griert ist, verbunden.

Der Transistor 22, der das Sensor-Referenzelement darstellt, unterliegt bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel keinem Lichteinfluß, da derselbe entweder abgeblendet ist, bei­ spielsweise mittels einer Metallabdeckung, oder da das Sub­ stratpotential desselben mit einem festen Potential kontak­ tiert ist. Der Drainstrom des Referenztransistors 22 stellt somit nur den Dunkelstrom I_Dunkel dar. Der Transistor 20 un­ terliegt einem Lichteinfluß 28, so daß sein Drainstrom aus einem durch den Lichteinfluß generierten Strom und dem Dun­ kelstrom zusammengesetzten Signalstrom I_S besteht. Der Drainstrom des Referenztransistors 22 wird bei dem bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel mittels eines Stromspiegels 24 ge­ spiegelt. Der zweite Eingang des Stromspiegels 24 ist mit der Source des Transistors 20 verbunden. Dadurch ergibt sich an dem Knoten 30 folgende Stromgleichung: I_SK = I_S-I_Dunkel. Der Strom I_SK ist folglich der Strom, der durch den Licht­ einfall 28 generiert wird, wobei der Dunkelstrom I_Dunkel des Transistors 20 kompensiert ist. Der Strom I_SK kann dann ei­ ner Weiterverarbeitungsschaltung 26 zugeführt werden.

Obwohl in Fig. 2 nur ein optisches Sensorelement 20 und ein Referenzsensorelement 22 dargestellt ist, kann eine optische Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem Array solcher Sensorelemente gebildet sein, wobei jeweils das von einem optischen Sensorelement erzeugte elektrische Signal mit dem von einem Referenzsensorelement erzeugten elektrischen Signal kombiniert wird, um Störsignale zu kom­ pensieren.

Alternativ zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem das Sensorreferenzelement abgeblendet ist, kann das Refe­ renzsensorelement derart angeordnet sein, daß es einem Hin­ tergrundlicht ausgesetzt ist, jedoch nicht dem optischen Nutzsignal, dem das optische Sensorelement 20 ausgesetzt ist. Auf diese Weise ist es möglich, neben dem Dunkelstrom ferner ein Hintergrundlicht in dem Ausgangssignal des opti­ schen Sensorelements zu kompensieren.

Ferner kann eine beliebige Schaltung verwendet werden, um die Subtraktion des Ausgangssignals des optischen Sensorele­ ments und des Ausgangssignals des Referenzsensorelements zu bewirken.

Die vorliegende Erfindung schafft somit eine Schaltung zur Kompensation von Störsignalen bei einer optischen Sensorvor­ richtung, wobei sämtliche Komponenten der Vorrichtung vor­ zugsweise auf einem Chip angeordnet sind. Die Kompensation des Dunkelstroms bewirkt eine Vergrößerung der Dynamik des vom Licht erzeugten Ausgangsstroms des Sensors. Ferner kön­ nen die Transistoren der weiterverarbeitenden Schaltungen kleiner gehalten werden, als es ohne eine Kompensation des Dunkelstroms möglich ist. Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung die starke Temperaturabhängigkeit des Dunkelstroms kompensiert. Ferner ist die differentielle Lichtempfindlich­ keit der Sensorelemente ebenfalls größer, wenn das Gate-Po­ tential zu größeren Dunkelströmen hin festgelegt wird, da die Steigung der Übertragungskennlinie zu größeren Strömen hin zunimmt. Auf diese Weise können stärkere Bildkontraste erzielt werden.

Claims (8)

1. Optische Sensorvorrichtung mit folgenden Merkmalen:
zumindest einem optischen Sensorelement (20), das ab­ hängig von einem auf dasselbe einfallenden optischen Nutzsignal (28) ein erstes elektrisches Signal (I_S) er­ zeugt, das aus einem elektrischen Nutzsignal und einem Störsignal besteht;
zumindest einem Referenzsensorelement (22), das nicht dem optischen Nutzsignal ausgesetzt ist und ein zweites elektrisches Signal (I_Dunkel) erzeugt, das dem Störsi­ gnal entspricht oder von diesem abgeleitet ist; und
einer Einrichtung (24, 30) zum Kombinieren des ersten und des zweiten elektrischen Signals (I_S, I_Dunkel) der­ art, daß das resultierende elektrische Signal (I_SK) sich besser an das elektrische Nutzsignal annähert als das zweite elektrische Signal (I_S, I_Dunkel).

2. Optische Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das zumindest eine optische Sensorelement (20) und das zumindest eine Referenzsensorelement (22) und die Ein­ richtung (24, 30) zum Kombinieren auf einem Chip inte­ griert sind.

3. Optische Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das optische Sensorelement (20) und das Referenz­ sensorelement (22) MOS-Transistoren sind.

4. Optische Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Störsignal (I_Dunkel) der Dunkelstrom des optischen Sensorelements (20) ist.

5. Optische Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Störsignal durch ein Hintergrundlicht erzeugt wird.

6. Optische Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Störsignal der Dunkelstrom des opti­ schen Sensorelements (20) und ein Strom, der durch ein Hintergrundlicht erzeugt wird, ist.

7. Optische Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Einrichtung zum Kombinieren einen Stromspiegel (24) aufweist.

8. Optische Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der ferner eine Weiterverarbeitungsschaltung (26) für das elektrische Nutzsignal auf dem Chip inte­ griert ist.