DE4228299A1 - CCD sensor array control and read-out system - pre-amplifies and filters sensor signals before A/D conversion. - Google Patents

CCD sensor array control and read-out system - pre-amplifies and filters sensor signals before A/D conversion.

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Abstract

The control and read-out system has a central controller determining a fixed time relationship between light reception and read-out of the sensor signals, supplied to a processor having a pre-amplifier (2) or filter (4) for limiting their frequency spectrum and a holding circuit coupled to an A/D converter (9). Pref. the characteristic zero level for the individual pixels is obtained for each sensor signal, for comparison with the pixel signal level via a difference amplifier (6) between the filter and the A/D converter. Pref. the output of the difference amplifier is coupled to the latter via a track-and-hold circuit (7) and a second filter (8). USE/ADVANTAGE - For video cameras with very high quality CCD surfaces with high dynamic range, greater than 8 bits, esp. for scientific use. Allows relatively simple control of dynamic range.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ansteuern und Auslesen von lichtempfindlichen Sensoren, insbesondere CCD-Flächen und CCD-Zeilensensoren, zur Gewinnung ortsabhängiger Helligkeitsinformationen, die einer nachgeschalteten Signalverarbeitungseinheit zugeführt werden und als analoge oder digitale Sensornutzsignale vorliegen.The invention relates to a method for Control and readout of photosensitive sensors, especially CCD areas and CCD line sensors for Obtaining location-dependent brightness information that a downstream signal processing unit be supplied and as analog or digital Sensor useful signals are present.

Das Ansteuern und Auslesen von lichtempfindlichen Sensoren wird in an sich bekannter Weise in Video-Kameras mit relativ hohen Auslesegeschwindigkeiten von bis zu ca. 15 MegaPixel pro sec. angewendet, jedoch meist nur innerhalb eines geringen Dynamikbereichs. Häufig werden CCD-Flächenareas mit ca. 700 × 500 Pixel verwendet, aus deren Ausgangssignal ein Videosignal gewonnen werden kann.The control and reading of photosensitive Sensors are used in a manner known per se in video cameras with relatively high readout speeds of up to approx. 15 megapixels applied per sec., But mostly only within a small dynamic range. Become frequent CCD area areas with approx. 700 × 500 pixels used whose output signal is a video signal can.

Darüber hinaus sind Kameras bekannt, insbesondere für wissenschaftliche Anwendungen, die auf der Basis von qualitativ sehr hochwertigen CCD-Flächen- und CCD- Zeilenareas mit hohem Dynamikbereich (dzt. < 8 bit) arbei­ ten, jedoch durch den Einsatz konventioneller Signalverarbeitungselektronik mit variabler Verstärkung nur Ausleseraten von ca. 5 Megapixel pro sec erzielen. In addition, cameras are known, especially for scientific applications based on very high quality CCD surface and CCD Line areas with a high dynamic range (currently <8 bit) work ten, but through the use of conventional Signal processing electronics with variable gain only achieve read rates of approx. 5 megapixels per sec.  

Ebenso sind Kameras mit niedrigen CCD-Ausleseraten bekannt, bei denen hohe Datenraten und hohe Bildauflösun­ gen durch Interpolation benachbarter Pixelwerte erreichbar sind. Hierdurch kann jedoch der Informationsgehalt in den Nutzsignalen nicht gesteigert werden.There are also cameras with low CCD read rates known for which high data rates and high image resolution interpolation of neighboring pixel values are. As a result, however, the information content in the Useful signals can not be increased.

Die heutigen Realisierungen bezüglich Ansteuer- und Ausle­ setechniken für lichtempfindliche Sensoren, wie sie in den kurz genannten Bildaufnahmesystemen verwendet werden, weisen zu geringe Sensorausleseraten auf, so daß es nicht möglich ist, in kurzer Zeit Bilder mit hoher Auflösung aufnehmen zu können. Eine als dtz. hohe Auslesrate gelten­ de Geschwindigkeit von 5 MegaPixel pro sec erlaubt es bspw. eine DIN A4 Seite mit etwa 400 dpi in einer Zeit von ca. 4 sec zu scannen.Today's realizations regarding control and readout set techniques for photosensitive sensors, as in the abovementioned imaging systems are used, have too low sensor read rates so that it does not is possible in a short time high resolution images to be able to record. One as dtz. high readout rates apply de Speed of 5 MegaPixels per sec allows it for example a DIN A4 page with about 400 dpi in a time of to scan approx. 4 sec.

Es ist bei den bekannten Bildaufnahmesystemen ferner zu bemängeln, daß die Aufnahme des gesamten Helligkeitsbe­ reichs bislang mit nicht ausreichender Dynamik erfolgt, so daß die Verstärkungen der nachgeschalteten Signalverarbeitung den Beleuchtungsverhältnissen ange­ paßt werden müssen. Dadurch ist es zwingend erforder­ lich, die Helligkeit vor dem Bildaufnahmevorgang fest­ zustellen und die Signalverarbeitungseinheit daraufhin abzustimmen.It is also too with the known image recording systems criticize that the inclusion of the entire brightness range So far, it has not been sufficiently dynamic, so that the gains of the downstream Signal processing according to the lighting conditions must be fit. This makes it imperative Lich, the brightness before the image acquisition process fixed deliver and then the signal processing unit vote.

Zudem ist die Abstimmung der Signal-verarbeitenden Ein­ heiten bildinhaltsabhängig, d. h. selbst unterschiedliche Bildkontraste sind individuell zu berücksichtigen. Durch Veränderung der Verstärkung ist die absolute Auflösung der Helligkeitswerte von der Helligkeit selbst abhängig. Die Auflösung von helligkeitsbezogenen Detailinformationen nehmen mit zunehmender Helligkeit ab, sofern nicht eine entsprechende Signalkonditionierung vor der Ana­ log/Digital-Wandlung vorgenommen wird. Es ist daher ein aufwendiger geregelter Verstärker für die Verstärkung des von dem CCD-Sensor gelieferten Signales erforderlich, was schließlich auch den Einfluß von Störgrößen wie bspw. Rauschen fördert.In addition, the coordination of the signal-processing one units depending on image content, d. H. even different Image contrasts must be taken into account individually. By Changing the gain is the absolute resolution of the Brightness values depend on the brightness itself. The Resolution of brightness-related detailed information decrease with increasing brightness, unless one  appropriate signal conditioning before the Ana log / digital conversion is made. It is therefore a elaborate controlled amplifier for the amplification of the signals supplied by the CCD sensor required what finally the influence of disturbance variables such as Noise promotes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Ansteuern und Auslesen von lichtempfindlichen Sensoren, insbesondere CCD-Flächen und CCD-Zeilensensoren, zur Gewinnung ortsabhängiger Helligkeitsinformationen, die einer nachgeschalteten Signalverarbeitungseinheit zugeführt werden und als analoge oder digitale Sensorsignale vorliegen, derart weiterzubilden, daß die Ausleserate des lichtempfindlichen Sensors auf bis zu 50 MegaPixel pro sec erhöht werden kann und der Dynamikbereich bei dieser Auslesegeschwindigkeit nahezu der des verwendeten Sensors entspricht. Hinzu kommt, daß eine Anpassung der Ansteuerung der Signalverarbeitung an variable Systempara­ meter, wie z. B. Verstärkung, auch bei sehr hohen Ausle­ seraten eine Nutzung des möglichen Sensordynamikbereichs gestattet, sofern der verwendete ADC nicht den Dynamik­ bereich des Sensors erreicht. Dabei bleibt die absolute Auflösung der Helligkeitswerte konstant.The invention has for its object a method and a device for controlling and reading out light-sensitive sensors, especially CCD surfaces and CCD line sensors, for the acquisition of location-dependent Brightness information that a downstream Signal processing unit are supplied and as analog or digital sensor signals are present, such to further develop that the read rate of the photosensitive sensor up to 50 megapixels per sec can be increased and the dynamic range at this Readout speed almost that of the one used Sensor corresponds. In addition, an adjustment of the Control of signal processing on variable system parameters meters, such as B. gain, even at very high Ausle recommend using the possible sensor dynamic range permitted, provided the ADC used does not match the dynamic range of the sensor reached. The absolute remains Resolution of the brightness values constant.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird im Patentanspruch 1 sowie 11 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen. The achievement of this task is in Claim 1 and 11 specified. Beneficial Embodiments are in the further subclaims refer to.  

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren sowie eine Schaltung zum Ansteuern und Auslesen von lichtempfindlichen Sen­ soren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 11 derart angegeben, das bzw. die sich durch folgende Eigenschaften auszeichnet:According to the invention, a method and a circuit for controlling and reading out photosensitive sen Sensors according to the preamble of claim 1 and 11 respectively so specified, which is characterized by the following Characteristics:

  • 1. Eine zentrale Ansteuereinheit steuert mit zeitlich festem Bezug die Lichtaufnahme und den Auslesevorgang des lichtempfindlichen Sensors und die Signalverarbeitungseinheit an.1. A central control unit controls with time fixed reference, the light absorption and the reading process of the photosensitive sensor and the Signal processing unit.
  • 2. Ein Vorstärker verstärkt die aus dem lichtempfindlichen Sensor auslesbaren Signale.2. A preamp amplifies that from the Photosensitive sensor readable signals.
  • 3. Ein nachgeschaltetes Filter begrenzt das Frequenzspektrum der verstärkten Sensorsignale.3. A downstream filter limits this Frequency spectrum of the amplified sensor signals.
  • 4. Schließlich erfolgt ein Festhalten und Konditionieren der gewonnenen Sensornutzsignale zur Analog/Digital-Wandlung.4. Finally, hold on and Conditioning the sensor useful signals obtained for Analog / digital conversion.

Eine zentrale Ansteuereinheit, bestehend aus einer schnellen Logik, steuert mit hoher Präzision den lichtempfindlichen Sensor und die nachgeschaltete Signalverarbeitungseinheit an. Dabei bedeutet hohe Präzision, daß ein exakter zeitlicher Zusammenhang zwischen der Ansteuerung des lichtempfindlichen Sensors und den Steuersignalen der Signalverarbeitungseinheit in Abhängigkeit von Schaltungs- und Umgebungsparametern herstellbar ist. A central control unit consisting of a fast logic, controls the with high precision photosensitive sensor and the downstream Signal processing unit. Here means high Precision that an exact temporal connection between the control of the light-sensitive sensor and the control signals of the signal processing unit depending on circuit and environmental parameters can be produced.  

Mittels derart sensorangepaßten Signalen wird das die Orts- und Helligkeitsinformation (Helligkeitsinfor­ mation für jedes einzelne Pixel) enthaltene Signal auf einen Vorverstärker mit hoher Vorverstärkung gegeben.With such sensor-adapted signals, this becomes the Location and brightness information (brightness information tion for each individual pixel) contained signal given a preamplifier with high preamplification.

Das verstärkte Signal wird zur Begrenzung des Frequenzspektrums derart gefiltert, daß kein Verlust des Helligkeits-/Ortszusammenhanges des Sensornutz­ signales auftritt.The amplified signal is used to limit the Frequency spectrum filtered so that no loss the brightness / location relationship of the sensor use signal occurs.

Jedes einzelne Pixel des lichtempfindlichen Sensors weist ein charakteristisches Nullniveau auf, dessen Signalpegel sich von Pixel zu Pixel unterscheiden kann. Die Abweichung dieser Niveaus unter den einzelnen Pixelsignalen stellt eine dem Nutzsignal überlagerte Störgröße dar. Durch geeignete Abtastung zwischen den einzelnen Pixeln kann dieses Nullniveau-Pixelsignal erfaßt und durch Differenzbildung mit dem Pixel- Nutzsignal eliminiert werden.Every single pixel of the light-sensitive sensor has a characteristic zero level, the Signal level may differ from pixel to pixel. The deviation of these levels among the individual Pixel signals are superimposed on the useful signal Disturbance variable. By suitable sampling between the individual pixels can this zero level pixel signal detected and by difference with the pixel Useful signal can be eliminated.

Mittels sog. ADCs (analog digital converter), Komperatoren, Spannungs-/Frequenzwandler erfolgt nach vorgeschaltetem Festhalten und Konditionieren des Nutzsignals eine Analog-/Digitalwandlung.Using so-called ADCs (analog digital converters), Comparators, voltage / frequency converters take place after upstream holding and conditioning of the Useful signal an analog / digital conversion.

Mit der erfindungsgemäßen Verarbeitungstechnik von Sensorsignalen lichtempfindlicher Sensoren können mit den Bauelementen nach dem dzt. Stand der Bauteile- Technik Ausleseraten von bis zu 50 MegaPixel pro sec. erreicht werden. Natürlich bedeutet eine Weiterentwicklung der Bauteile-Technik auch eine nach oben hin offene Ausleserate, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden kann. With the processing technology of Sensor signals from photosensitive sensors can be used with the components according to the current state of the components Technology Readout rates of up to 50 megapixels per sec. can be achieved. Of course one means Further development of component technology also one after Read rate open at the top, which with the The inventive method can be achieved.  

Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Verfahren sowie das System selbst einen hohen Dynamikbereich auf, der durch die Verwendung rauscharmer Signalverarbeitungseinheiten erreicht werden kann. So ist die Graustufenauflösung des Sensornutzsignals ausschließlich durch die Analog-/Digital-Wandler begrenzt, deren Auflösung nach heutigem Stand der Technik bei diesen Geschwindigkeiten unterhalb des Dynamikbereichs der übrigen Schaltung liegt.In addition, the method according to the invention as well as the system itself has a high dynamic range, which by using low noise Signal processing units can be achieved. So is the grayscale resolution of the useful sensor signal exclusively through the analog / digital converter limited, the resolution of the current state of the Technology at these speeds below the Dynamic range of the rest of the circuit is.

Ferner erfolgt die Anpassung des zeitlichen Taktverhaltens der einzelnen Signalverarbeitungseinheiten durch die zen­ trale Ansteuereinheit, die die Verarbeitungsgeschwindig­ keit der Signale an variable Systemparameter, wie bspw. Verstärkung, Auslesegeschwindigkeit, soweit es für eine Erweiterung des gesamten Dynamikbereichs - über den des ADCs hinaus - erforderlich ist, anpaßt. Hiermit kann auch relativ kostengünstig die geforderte Präzision der Steuer­ signale zur Erhaltung des geforderten Dynamikbereiches des Gesamtsystems bzgl. der Helligkeitsinformation der einzel­ nen Pixel realisiert werden.Furthermore, the timing behavior is adjusted of the individual signal processing units by the zen central control unit that speeds up processing speed of the signals to variable system parameters, such as Gain, readout speed, as far as it is for one Expansion of the entire dynamic range - over that of the ADCs beyond - is required to adjust. This can also be used the required precision of the tax is relatively inexpensive signals to maintain the required dynamic range of the Overall system with regard to the brightness information of the individual a pixel can be realized.

Gemäß Anspruch 2 kann der Einfluß niederfrequenter Störgrößen dadurch gemindert werden, daß durch Integration des Nullniveau-Pixelsignals und die Differenzbildung mit dem Ausgangssignal des Vorverstärkers eine Verbesserung des Systemverhaltens gegenüber nieder­ frequenten Störungen wie AC-Kopplungen, Offset- und Driftgrößen der Verstärkerelemente erreichbar ist.According to claim 2, the influence can be lower frequency Disturbances are reduced by the fact that Integration of the zero level pixel signal and the Difference formation with the output signal of the preamplifier an improvement in system behavior towards low frequency interference such as AC couplings, offset and Drift sizes of the amplifier elements can be achieved.

Eine Erhöhung des Dynamikbereiches und der Reproduzierbarkeit der Sensornutzsignale ist in vorteilhafter Weise dadurch zu erhalten, daß durch Festhalten von Null- und Signalniveau unmittelbar nach dem Filter und vor der Differenzbildung zu den durch die präzise Ansteuerung vorgegebenen Zeitpunkten zum frühest möglichen Zeitpunkt erfalt wird, d. h. einem Zeitpunkt, an dem die Signalwerte einen weitgehend eingeschwungenen Signallevel einnehmen. Alle nachfolgenden Glieder der Signalverarbeitungseinheit bewirken damit bzgl. ihres zeitlichen Verhaltens einen wesentlich geringeren Einfluß auf den Dynamikbereich und die Reproduzierbarkeit des Pixel-Nutzsignales.An increase in the dynamic range and Reproducibility of the sensor useful signals is in advantageously obtained by Record zero and signal levels immediately after  the filter and before the difference to the by the precise control of predetermined times at is recorded at the earliest possible time, d. H. one Time at which the signal values largely assume steady signal level. All subsequent links of the signal processing unit bring about a change in their temporal behavior significantly less influence on the dynamic range and the reproducibility of the pixel useful signal.

Für den Fall, daß ein geringerer Dynamikbereich, als der vom Sensor vorgegeben, benötigt wird, kann auf die Differenzbildung, wie vorstehend beschrieben, verzichtet werden, sofern die Signalverarbeitungseinheit vollkommen galvanisch gekoppelt ist. Die Verringerung des Dynamikbereichs wird dabei sehr stark von der Qualität des CCD-Sensors abhängen.In the event that a lower dynamic range than that is required by the sensor can be set to the Difference formation, as described above, be waived provided that Signal processing unit completely galvanic is coupled. Reducing the dynamic range becomes very strong on the quality of the CCD sensor depend.

Unter Verwendung eines Analog-/Digital-Wandlers, der den gewünschten Dynamikbereich der Anwendung bishin zu dem CCD-Sensors entspricht, kann die Verstärkung des Systems konstant gelassen werden. Hierdurch sind keine variablen Systemparameter bzgl. des Laufzeitverhaltens der Signale erforderlich, auf die eine variable Verstärkung maßgeblichen Einfluß hätte. Die zentrale Ablaufsteuerung muß nur einmal an die Eigenschaften der Signalverarbeitungseinheit angepaßt werden. Es entfällt außerdem die Anpassung der Verstärkung an die Beleuchtungsverhältnisse.Using an analog to digital converter, the to the desired dynamic range of the application corresponds to the CCD sensor, the gain of the System can be left constant. This does not result in any variable system parameters regarding the runtime behavior of the signals required on the variable Reinforcement would have significant influence. The central one Sequence control only needs to look at the properties of the Signal processing unit can be adapted. It does not apply also the adjustment of the gain to the Lighting conditions.

Verschiedene CCD-Zeilen- und CCD-Flächensensoren ermöglichen das Auslesen der ortsabhängigen Helligkeitsinformation über mehrere Pixelgruppen, die parallel ausgelesen werden können. Die Zusammenfassung in Gruppen erfolgt über je ein Analog-Schieberegister. Die Signale der einzelnen Gruppen können durch die Signalverarbeitungseinheit pro Register aus gelesen werden, wobei die Helligkeitsinformationen nach der Analog-/Digital-Wandlung zusammengefaßt werden, womit sich die Datenrate weiter erhöhen läßt. Alternativ dazu sind die Signale durch gestaffeltes Ansteuern der Register nach Pixeln und nach analogem Multiplexen der Aus­ gangssignale der einzelnen Register auf den Eingang einer einzelnen Signalverarbeitungseinheit auszulesen.Various CCD line and CCD area sensors enable the reading of the location-dependent Brightness information about several pixel groups that  can be read out in parallel. The abstract in groups there is an analog shift register. The signals of the individual groups can be through the Signal processing unit per register read out the brightness information after the Analog / digital conversion can be summarized with what the data rate can be increased further. Alternatively are the signals by staggered activation of the Register by pixels and by analog multiplexing the off signals from the individual registers to the input read out from a single signal processing unit.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von einem Aus­ führungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigt:The invention is hereinafter without limitation general inventive concept based on an off management example with reference to the drawing described by way of example, to the rest regarding the disclosure of all not explained in the text Details according to the invention expressly referenced becomes. It shows:

Fig. 1 Schaltbild einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Signalauslesesystems. Fig. 1 circuit diagram of an advantageous embodiment of the signal reading system according to the invention.

In Fig. 1 ist ein elektrisches Blockschaltbild darge­ stellt, aus dem eine bevorzugte Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Systems hervorgeht. Die Ausgangssignale des CCD-Sensors 1 werden im Vorverstärker 2 verstärkt, wobei ein hoher Verstärkungsfaktor maßgeblich das Rausch­ verhalten der gesamten Signalverarbeitungseinheit be­ stimmt. Gemäß Anspruch 4 liegt der konstante Ver­ stärkungsfaktor im Bereich von 10, bei hohen Band­ breiten von mindestens der oberen Grenzfrequenz des nach­ folgenden Filters. Der Vorverstärker 2 benötigt keinen variablen Verstärkungsfaktor, falls der ver­ wendete Analog-/Digital-Wandler 9 in der Lage ist, den gewünschten Dynamikbereich bzgl. der Helligkeitsstufen abzudecken. Das Filter 4 begrenzt das Frequenzspektrum des Eingangssignales und damit die Rauschleistung des mit dem Vorverstärker 2 verstärkten Signales und evtl. über­ lagerter eingestreuter Störsignale. Eine Differenzbildung zwischen dem Nullniveau und dem Signalniveau eines Pixels erfolgt im Differenzverstärker 6. Daraus wird das ei­ gentliche Nutzsignal erhalten.In Fig. 1, an electrical block diagram is Darge, which shows a preferred embodiment of the system according to the inven tion. The output signals of the CCD sensor 1 are amplified in the preamplifier 2 , with a high amplification factor determining the noise behavior of the entire signal processing unit. According to claim 4, the constant Ver amplification factor in the range of 10, at high bandwidths of at least the upper cut-off frequency of the following filter. The preamplifier 2 does not require a variable gain factor if the used analog / digital converter 9 is able to cover the desired dynamic range with respect to the brightness levels. The filter 4 limits the frequency spectrum of the input signal and thus the noise power of the signal amplified with the preamplifier 2 and possibly interfering interference signals. A difference is formed between the zero level and the signal level of a pixel in the differential amplifier 6 . The actual useful signal is obtained from this.

Die Eingangssignale des Differenzverstärkers 6 können zum einen durch zwei entsprechend angesteuerte Track- And-Hold-Einheiten 5 und 10 gewonnen werden. Zum anderen kann das Null-Niveau eines Pixels über eine Delay-Line zeitlich um ein halbes Pixel verzögert werden, so daß die Differenz unmittelbar gebildet werden kann. Die Realisierung mittels Track-And-Hold- Einheiten anstelle einer Delay-Linie ist jedoch dem Vorzug zu geben.The input signals of the differential amplifier 6 can be obtained on the one hand by two appropriately controlled track and hold units 5 and 10 . On the other hand, the zero level of a pixel can be delayed by half a pixel via a delay line, so that the difference can be formed immediately. However, implementation using track-and-hold units instead of a delay line is preferred.

Eine Signalkonditionierung bzgl. der Ansteuerung und Bandbreite der Analog-/Digital-Wandlung 9 erfolgt mit Hilfe der Glieder 7 und 8. Mittels der Glieder 3, 11 und 12 kann die beschriebene Null-Niveau- Korrektur realisiert werden.A signal conditioning with respect to the control and bandwidth of the analog / digital conversion 9 takes place with the help of the links 7 and 8 . The described zero level correction can be implemented by means of the elements 3 , 11 and 12 .

Die zentrale Ansteuereinheit 13 stellt die Ansteuersignale sowohl für den CCD-Sensor, als auch für die Signalverarbeitungseinheit bereit, wobei der zeitliche Zusammenhang zwischen CCD-Sensor und der Signalverarbeitungseinheit unmittelbaren Einfluß auf die Reproduzierbarkeit der Information des Nutzsignales hat. Die zeitliche Koordination der verschiedenen Ansteuersignale erfolgt durch sehr schnelle Logik in entsprechender Schaltungstechnik. Durch synchrones Schaltungs-Design der zentralen Ansteuereinheit 13 wird ein zeitlich wohl koordiniertes Zusammenspiel von CCD-Sensoransteuerung und der Signalverarbeitungs-Einheit erzielt. Die Zentralisierung der Steuerlogik ermöglicht eine kostengünstige Realisierung der schnellen und prä­ zisen Logik. In bevorzugter Ausführungsform kann die ge­ samte Schaltung in Form von ASIC realisiert werden, wobei mit dem T/H-Glied 11 (T/H = Track-And-Hold) eine Abtastung des Nullniveaus erfolgt, das über den Integrator 12 gemit­ telt wird und mit dem Differenzverstärker 3 als Mittelwert vom Nutzsignal als Regelkreis subtrahiert wird. Der Inte­ grator 12 als Mittelwertbilder bestimmt die Frequenz der unterdrückten niederfrequenten Störungen.The central control unit 13 provides the control signals both for the CCD sensor and for the signal processing unit, the temporal relationship between the CCD sensor and the signal processing unit having a direct influence on the reproducibility of the information of the useful signal. The various control signals are coordinated in time by very fast logic in appropriate circuit technology. A synchronized circuit design of the central control unit 13 achieves a well coordinated interaction of the CCD sensor control and the signal processing unit. The centralization of the control logic enables cost-effective implementation of the fast and precise logic. In a preferred embodiment, the entire circuit can be implemented in the form of ASIC, with the T / H element 11 (T / H = track-and-hold) being used to sample the zero level, which is averaged via the integrator 12 and is subtracted from the useful signal as a control loop with the differential amplifier 3 as the mean value. The integrator 12 as mean value images determines the frequency of the suppressed low-frequency interference.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie Vorrichtung zum Auslesen von Sensorsignalen von lichtempfindlichen Sensoren können folgende Vorteile erzielt werden:With the inventive method and device for reading sensor signals from photosensitive Sensors can achieve the following advantages:

  • - durch Begrenzung der Bandbreite und damit verbundener Reduzierung der Rauschleistung an entscheidenden Punkten der Signalverarbeitungseinheit wird vermieden, daß hochfrequentes Rauschen durch die Signalabtastung in das Spektrum des Nutzsignales abgebildet wird.- by limiting the bandwidth and related Reduction of noise power at crucial Points of the signal processing unit are avoided that high frequency noise from the signal sampling is mapped into the spectrum of the useful signal.
  • - durch wirtschaftlich günstig entwickel- und herstellbare zentrale Ansteuereinheiten werden die optimalen Abtastzeitpunkte festgehalten. Jitter und Drift, die Rauschen bewirken und die Reproduzierbarkeit beeinträchtigen, werden stark reduziert.- through economically favorable development and The central control units that can be produced are the optimal sampling times. Jitter and Drift that cause noise and reproducibility impair, are greatly reduced.
  • - die Signalverarbeitungseinheit als Ganzes ist so angeordnet, daß kostengünstige Realisierung bzw. Schaltungslayout und Bauteileauswahl ermöglicht wird. - The signal processing unit as a whole is like this arranged that inexpensive realization or Circuit layout and component selection is made possible.  
  • - jede Stufe der Signalverarbeitungseinheit kann in einem weiten Bereich je nach Anforderung optimiert werden. Diese Optimierung der einzelnen Stufen erfolgt innerhalb des Gesamtsystems praktisch unabhängig von den übrigen Stufen.- Each level of the signal processing unit can in a wide range optimized depending on requirements become. This optimization of the individual stages takes place practically independent of within the overall system the other stages.
  • - jede Stufe in der Signalverarbeitungseinheit kann einzeln für sich getestet werden. Ebenso kann unabhängig von den übrigen Stufen jede einzelne Stufe entsprechend dem Gesamtsystemvorgaben parametrisiert werden.- Each stage in the signal processing unit can individually tested. Likewise can regardless of the other levels, each level parameterized according to the overall system specifications become.

Claims (21)

1. Verfahren zum Ansteuern und Auslesen von lichtem­ pfindlichen Sensoren, insbesondere CCD-Flächen und CCD- Zeilensensoren, zur Gewinnung ortsabhängiger Hel­ ligkeitsinformationen, die einer nachgeschalteten Signalverarbeitungseinheit zugeführt werden und als analoge oder digitale Sensornutzsignale vorliegen, gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritte:
  • - eine zentrale Ansteuereinheit steuert mit zeit­ lich festem Bezug die Lichtaufnahme und den Auslesevorgang des lichtempfindlichen Sensor und die Signalverarbeitungs­ einheit an,
  • - ein Vorverstärker verstärkt die aus dem lichtempfind­ lichen Sensor auslesbaren Signale,
  • - ein nachgeschaltetes Filter begrenzt das Frequenz­ spektrum der verstärkten Sensorsignale,
  • - Festhalten und Konditionierung der gewonnenen Sensor­ nutzsignale zur Analog-/Digital-Wandlung.
1. A method for controlling and reading out light sensitive sensors, in particular CCD areas and CCD line sensors, for obtaining location-dependent brightness information which is fed to a downstream signal processing unit and is available as analog or digital sensor useful signals, characterized by the following process steps:
  • a central control unit controls the light absorption and the reading process of the light-sensitive sensor and the signal processing unit with a fixed time reference,
  • a preamplifier amplifies the signals readable from the light-sensitive sensor,
  • - a downstream filter limits the frequency spectrum of the amplified sensor signals,
  • - Retaining and conditioning the obtained sensor useful signals for analog / digital conversion.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für jedes Sensorsignal charakteristischen Nullniveaus der einzelnen Pixel erfaßt und durch Differenzbildung mit dem Sensorsignalniveau beseitigt werden. 2. The method according to claim 1, characterized in that for each sensor signal characteristic zero levels of the individual pixels recorded and by forming a difference with the Sensor signal level can be eliminated.   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorsignale als orts- und helligkeitsaufgelöste Pixelwerte eines CCD-Sensors verarbeitet werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor signals as local and brightness-resolved pixel values of a CCD sensor are processed. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorsignale im Vorver­ stärker einmalig mit einem konstantem Verstärkungsfaktor von etwa 10 verstärkt werden, bei hohen Bandbreiten, d. h. mit mindestens Bandbreite der oberen Grenzfrequenz des nachfolgenden Filters.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the sensor signals in the previous ver more unique with a constant gain factor of around 10 are amplified at high bandwidths, i. H. with at least bandwidth of the upper limit frequency of the following filter. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorsignale mit keinem Verlust des Helligkeits-/Ortszusammenhanges gefiltert werden.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the sensor signals with no loss of brightness / location correlation be filtered. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konditionierung des Sensornutzsignals vor der A/D-Wandlung mittels eines Komparators, eines Spannungs-/Frequenzwandlers oder eines ADC-Wandlers durchgeführt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a conditioning of the Sensor useful signal before the A / D conversion by means of a Comparator, a voltage / frequency converter or one ADC converter is performed. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zeitliche Taktverhalten der zentralen Ansteuereinheit an variable Systempara­ meter, wie beispielweise Verstärkung und Auslesegeschwin­ digkeit angepaßt wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the temporal clock behavior the central control unit to variable system parameters meters, such as amplification and readout speed is adjusted. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Differenzbildung anstehenden Signalwerte, Nullniveau und Sensorsignalniveau, mittels Track-And-Hold Einheiten zu einem frühestmöglichen Zeitpunkt, an dem die Signalwerte einen weitgehend eingeschwungenen Signallevel einnehmen, zeitlich gemäß dem durch die zentrale Ansteuereinheit vorgegebenen Zeittakt festge­ halten werden.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the difference upcoming signal values, zero level and Sensor signal level, using track-and-hold units an earliest possible time when the  Signal values a largely steady Take signal level, according to the time by the central control unit predetermined timing will hold. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zeitliche Festhalten der Signalwerte, d. h. Nullniveau und Sensorsignalniveau über Verzögerungs-Leitungen anstelle von Track-And-Hold Einheiten vorgenommen wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the temporal retention the signal values, d. H. Zero level and Sensor signal level over delay lines instead by track-and-hold units. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch Integration der Nullniveau-Pixelsignale und Differenzbildung mit dem Ausgangssignal des Vorverstärkers eine Verbesserung des Systemverhaltens gegenüber niederfrequenten Störungen, wie AC-Kopplungen, Offset- und Driftgrößen der Verstärkerelemente erreichbar wird.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that by integrating the Zero level pixel signals and difference formation with the Output signal of the preamplifier an improvement in System behavior towards low-frequency interference, such as AC couplings, offset and drift sizes of the Amplifier elements can be reached. 11. Schaltung zum Ansteuern und Auslesen von lichtem­ pfindlichen Sensoren, insbesondere CCD-Flächen und CCD- Zeilensensoren, zur Gewinnung ortsabhängiger Hellig­ keitsinformationen, die einer nachgeschalteten Signalverarbeitungseinheit zuführbar sind und als ana­ loge oder digitale Sensornutzsignale vorliegen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkma­ le:
  • - eine Ansteuerlogik steuert den lichtempfindlichen Sensor und die Signalverarbeitungseinheit zeitlich koordiniert an,
  • - ein Vorverstärker, der unmittelbar dem lichtempfind­ lichen Sensor nachgeschaltet ist, verstärkt die an dem Sensor anliegenden Signale,
  • - ein dem Vorverstärker nachgeschalteter Filter be­ grenzt das Frequenzspektrum der vorverstärkten Sensor­ signale ohne Verlust des Helligkeits/Ortszusammenhanges der Sensorsignale,
  • - die Signalverarbeitungseinheit weist, die Signale festhaltende und differenzbildende Schaltglieder auf, die Sensornutzsignale erzeugen, und die Wirkung von Störgrößen reduzieren,
  • - eine Filter- und Konditioniereinheit bereitet die analogen Sensornutzsignale für eine Analog­ /Digitalwandlung auf.
11. Circuit for controlling and reading out light sensitive sensors, in particular CCD areas and CCD line sensors, for obtaining location-dependent brightness information which can be fed to a downstream signal processing unit and which are available as analog or digital sensor useful signals, characterized by the combination of the following features:
  • a control logic controls the light-sensitive sensor and the signal processing unit in a time-coordinated manner,
  • a preamplifier, which is connected directly after the photosensitive sensor, amplifies the signals present at the sensor,
  • a filter connected downstream of the preamplifier limits the frequency spectrum of the preamplified sensor signals without loss of the brightness / spatial relationship of the sensor signals,
  • the signal processing unit has the signal-retaining and difference-forming switching elements which generate useful sensor signals and reduce the effect of disturbance variables,
  • - A filter and conditioning unit prepares the analog sensor useful signals for an analog / digital conversion.
12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die, durch die Schaltung erreichbare Ausleserate der CCD-Signale wenigstens 50 MegaPixel pro sec. beträgt.12. Circuit according to claim 11, characterized in that the, through the circuit achievable readout rate of the CCD signals at least 50 MegaPixel per sec. 13. Schaltung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß wesentliche Teile der Signalverarbeitungseinheit aus Track-And-Hold Einheiten besteht.13. Circuit according to claim 11 or 12, characterized in that essential parts of the Signal processing unit consisting of track-and-hold units consists. 14. Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils vor den Track-And-Hold Einheiten jeweils ein bandbegrenzendes Filter vorgesehen ist. 14. Circuit according to claim 13, characterized in that each before the track and hold Units each provided a band-limiting filter is.   15. Schaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung und/oder die Signalverarbeitungseinheit aus ASICs auf­ gebaut ist.15. Circuit according to one of claims 11 to 14, characterized in that the drive circuit and / or the signal processing unit from ASICs is built. 16. Schaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Graustufenauflösung des Sensornutzsignals ausschließlich durch die Dynamik der A/D-Wandlung begrenzt ist.16. Circuit according to one of claims 11 to 15, characterized in that the grayscale resolution of the Sensor useful signal only through the dynamics of A / D conversion is limited. 17. Schaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor der gesamten Schaltung unabhängig von den Lichtverhältnissen am Sensor konstant ist.17. Circuit according to one of claims 11 to 16, characterized in that the gain factor of entire circuit regardless of lighting conditions at the sensor is constant. 18. Schaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei parallel auslesbaren CCD-Sensoren die örtlich durch Analog-Schieberegister innerhalb des Sensors zusammengefaßte Pixelgruppen gleichzeitig durch mehrere Signalverarbeitungseinheiten ausgelesen werden können.18. Circuit according to one of claims 11 to 17, characterized in that when readable in parallel CCD sensors locally by analog shift registers Pixel groups combined within the sensor simultaneously by several signal processing units can be read out. 19. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Pixelgruppen durch eine Signalverarbeitungseinheit pro Register auslesbar sind und daß die Helligkeitsinformation nach dem A/D-Wandler zusammenfaßbar sind.19. Circuit according to claim 18, characterized in that the pixel groups by a Signal processing unit can be read out per register and that the brightness information after the A / D converter can be summarized. 20. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Pixelgruppen durch gestaffeltes Ansteuern der Analog-Schieberegister nach einzelnen Pixeln aus lesbar sind und daß ein Multiplexen der Ausgangssignale der einzelnen Register auf den Eingang einer einzelnen Signalver­ arbeitungseinheit nachgeschaltet ist. 20. Circuit according to claim 18, characterized in that the pixel groups by staggered control of the analog shift register individual pixels are readable and that multiplexing the output signals of each Register on the input of a single signal ver work unit is connected downstream.   21. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker mindestens die Bandbreite der oberen Filtergrenzfrequenz des nachfolgenden Filters aufweist.21. Circuit according to claim 11, characterized in that the preamplifier at least the bandwidth of the upper filter cutoff frequency of the following filter.
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