SE504047C2 - Anordning för inläsning och behandling av bildinformation - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 504 Û47 2 Genom konferensbidraget "Standard CMOS Active Pixel Image Sensors for Multimedia Applications" av A.Dickinson, B.Ackland, El-Sayed Eid, D.Inglis, och E.Fossum, som presenterades i samband med "l6th conference in advanced research in VLSI" i Chapel Hill, North Carolina, 27-29 mars, är förut känd en anordning som i varje sensorelement kombinerar fotoelement med utläsningselektronik. En nackdel med denna kända anordning är att variationer i de ingående elektriska komponenterna ger upphov till så kallade offsetfel, vilka yttrar sig som ett fast mönster i den utlästa bilden. Dessa offsetfel motverkas i kolumnvis elektronik för kompensering, vilket innebär att bilden måste flyttas från sensorelementen innan offsetkompensering kan utföras. I vissa tillämpningar, exempelvis när det finns processorkapacitet i sensorelementet, utgör denna överflyttning en nackdel.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är tillhandahålla en anordning för inläsning och behandling av bildinformation, vilken minskar förekomsten av störningar i en utläst bild på grund av offset.

Detta ändamål uppnås med den uppfinningsenliga anordningen, vilken innefattar i natrisform anordnade sensorelement.

Varje sensorelement i den uppfinningsenliga anordningen är så inrättat att kompensering av ett offsetfel i. den i sensorelementet ingående utläsningselektroniken utförs i sensorelementet. Denna offsetkompensering utförs i varje sensorelement oberoende av övriga sensorelement i anord- ningen, om skilda styrsignaler utnyttjas till de olika sensorelementen. 10 15 20 25 30 504 047 3 Genom de uppfinningsenliga utförandena av sensorelementet kan offsetkompensering utföras lokalt i sensorelementen med ett relativt litet antal komponenter.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar en första utföringsform av ett upp- finningsenligt sensorelement.

Figur 2 visar en andra utföringsform av ett upp- finningsenligt sensorelement.

Figur 3 visar en tredje utföringsform av ett upp- finningsenligt sensorelement.

Figur 4 visar en fjärde utföringsform av ett upp- finningsenligt sensorelement.

Figur 5 visar en femte utföringsform av ett upp- finningsenligt sensorelement.

Figur 6 visar en sjätte utföringsform av ett upp- finningsenliga sensorelement.

FÖREDRAGNA UTFöRINGsFoRMER Uppfinningen avser offsetkompensering i ett sensorelement, vilket ingår i en uppsättning, i matrisform ordnade sensorelement. Alla sensorelementen är integrerat bildade pá ett substrat och innefattar vardera ett fotoelement och utläsningselektronik, exempelvis en förstärkare eller komparator. Pà grund av offset i utläsningselektroniken i varje sensorelement samt variationer mellan offsetfel i olika utläsningselektronik, är varje sensorelement inrättat för lokal offsetkompensation i sensorelementet. Offset- kompensering i ett sensorelement kan utföras oberoende av offsetkompensering i övriga sensorelement i anordningen, om skilda styrsignaler utnyttjas till respektive sensor- element. Kompenseringen grundar sig pà korrelerad dub- 10 15 20 25 30 504 D47 4 belsampling. Först utförs sampling av ett känt kom- penseringsvärde under ett första kompenseringssteg' och sedan sampling av ett okänt värde under ett steg för inläsning av bildinformation. I de på figur 1 till figur 6 visade exemplen på sensorelement samplas ett känt värde med återställningsswitchen och det okända värdet när utläsningselektronikens värde läses ut. Båda dessa värden innehåller konstanta fel, här kallade offset. Genom att subtrahera det kända och okända värdet kan de konstanta felen elimineras.

Uppfinningen kommer nu att förklaras ytterligare med hänvisning till figurerna som visar ett antal föredragna utföringsformer av ett uppfinningsenligt sensorelement.

Det i figur 1 visade sensorelement har två ingångar, varav den första ingången via en första omkopplare 1 ansluter en kompenseringsspânning UU,till en kondensator <2 och den andra ingången via en andra omkopplare 2 ansluter en referensspänning Umf till samma kondensator C. Sensor- elementet innefattar vidare en fotodiod PD, vars katod är inkopplad mot en känd referensnivå, exempelvis jord.

Fotodiodens anod ansluter till utläsningselektronik och till nämnda kondensator C i en nod Nl. Utläsnings- elektroniken utgörs i det på figur 1 visade fallet av en komparator 3 innefattande två kaskadkopplade FET-tran- sistorer samt en återställningsswitch 4 i form av en FET- transistor.

Genom den i figuren visade möjliga inkopplingen till tvâ olika spänningsnivåer, kan en kompensering av ett offsetfel i komparatorn åstadkommas i sensorelementet. Vid ett första 10 15 20 25 30 564 047 5 kompenseringssteg sluts nämnda áterställningsswitch 4 och kompenseringsspänningen Um inkopplas. Laddningen i nod IQ bestäms av komparatorns 3 offset. Efter att kondensatorn C har laddats med kompenseringsspänningen kan bild- information inhämtas av sensorelementet. Innan inläsning av bildinformationen påbörjas, bortkopplas kompenserings- spänningen Um och referensspänningen Umf inkopplas. Ladd- ningen i nod N1 ändras i proportion mot skillnaden mellan referensspänningen Umf och kompenseringsspänningen Um, vilken skillnad kan bestämmas exakt genom valet av nämnda referensspänning och kompenseringsspänning. Vid belysning av fotodioden urladdas denna i proportion mot ljusstyrkan.

Urladdningstiden för kondensatorn C är beroende av strömmen genom kondensatorn och kommer efter genomförd kompensering endast vara beroende av precisionen hos kondensatorn C och fotodioden PD. Eftersom kondensatorn C utgör ett passivt element kan variationerna mellan kondensatorer i. olika sensorelement göras liten.

I figur 2 visas en andra utföringsform av ett uppfinnings- enligt sensorelement. Detta sensorelement skiljer sig från det i figur 1 visade sensorelementet genom att en kompenseringsspänning Um och en referensspänning Umf är direkt anslutna till fotoelementet PD via en switch Sr Detta fotoelement är kapacitivt kopplat via en kondensator C till utläsningselektroniken, vilken i detta fall utgörs av en komparator 3 med en àterställningsswitch 4.

Vid ett första kompenseringssteg inkopplas kompenserings- spänningen Um, varigenom ett starttillstànd för laddning i nod N2 sätts. Inkoppling av kompenseringsspänningen Um sker genom att en första omkopplare 1 sluts. Efter att nod 10 15 20 25 30 504 047 6 N2 har erhållit ett starttillstånd i beroende av kompenseringsspänningen. kan loildinformation inhämtas av sensorelementet. Innan inläsning av bildinformationen påbörjas, öppnas omkopplare 1 så att kompenseringsspän- ningen Uw bortkopplas. Referensspänningen Umf inkopplas genom att omkopplare 2 sluts samt genom att switchen S1 sluts under ett kort intervall. Spänningen i N1 ändras från kompenseringsspänningen ikh till referensspänningen tLá.

Denna spänningsförändring kopplas med kondensatorn C till N2. Då switchen S1 öppnas, urladdas laddningen i nod N¿ av fotoströmmen genom fotodioden. Komparatorn 3 slàr om då spänningen i N1 har återgått till kompenseringsspänningen Um. Urladdningstiden påverkas endast av fotodioden PD.

I figur 3 visas en tredje utföringsform av ett sensor- element i enlighet med uppfinningen. Det visade sensor- elementet innefattar en komparator 3 med en àterställnings- switch 4 och en fotodiod PD. Vid denna utföringsform utnyttjas fotodiodens kapacitiva egenskaper, vilket gör det möjligt att eliminera den i figur 1 visade kondensatorn C.

På samma sätt som vid den i figur 1 visade utföringsformen utnyttjas två skilda spänningsnivåer för att åstadkomma den eftersträvade elimineringen av offsetfel i komparatorn 3.

Vid ett första kompenseringssteg sluts àterställnings- switchen 4 och kompenseringsspänningen Um inkopplas.

Laddningen j. nod N1 bestäms av komparatorns offset. Då önskad laddning uppnåtts i nod. N1 bortkopplas kompen- seringsspänningen Um och referensspänningen Ung inkopplas. Återställningsswitchen 4 öppnas och inläsning av bild- information möjliggörs. Laddningen i nod N1 ändras såsom vid den i figur 1 visade utföringsformen med AQ=(Umf4Lh)Cw.

Den urladdning som åstadkoms av fotodiodens belysning blir 10 15 20 25 30 7 alltså i detta fall endast beroende av fotodiodens pre- cision. Genom att utnyttja fotodiodens kapacitiva egenska- per kan kondensatorn C (enligt figur 1) elimineras, vilket kan vara värdefullt ur en ytbesparningsaspekt. Den visade metoden för offsetkompensation ger emellertid inte en lika fullständig offsetkompensation som vid den i figur 1 visade utföringsformen på grund av att kapacitansen i fotodioden inte är oberoende av spänningen över dioden.

I figur 4 visas en fjärde utföringsform av ett sensor- element som möjliggör kompensation av offset. Det visade sensorelement innefattar en komparator' 5 med en åter- ställningsswitch 4a,4b, en kondensator C och en fotodiod PD. Komparatorn skiljer sig något från den i anslutning till figur 1 till figur 3 tidigare beskrivna komparatorn 3, men problemet med offsetfel existerar även för denna typ av komparatorer. Vid ett första kompenseringssteg i sensor- elementet sluts àterställningsswitchen 4a,4b och kompenseringsspänningen Um inkopplas. Laddningen i noderna NI och N, bestäms av komparatorns 5 omslagspunkt.

Kompenseringsspänningen Ikh frànkopplas därefter och referensspänningen Uæf inkopplas. Återställningsswitchen öppnas och inläsning av bildinformation möjliggörs.

Laddningen i nod N2 ändras ned. üLá-Um)C. För att kom- paratorns tillstànd ska ändras måste en lika stor för- ändring ske på komparatorns andra ingång i nod NI. Denna förändring styrs av strömmen genom fotodioden PD och påverkas genom den visade kompenseringen ej av ett even- tuellt offsetfel i komparatorn 5.

I figur 5 visas ytterligare en utföringsform av ett sensorelement med lokal kompensation av offset. Vid det 10 15 20 25 30 504 047 8 visade sensorelement utnyttjas motsvarande typ av' kom- parator 5 som vid den i figur 4 visade utföringsformen.

Sensorelement innefattar utöver komparatorn ES en åter- ställningsswitch 6, en kondensator C och en fotodiod PD.

Ett första kompenseringssteg utförs i sensorelementet, såsom beskrivits för tidigare utföringsformer, genom inkoppling av en kompenseringsspänning Um. Vid ett inläsningssteg öppnas återställningsswitchen 6 och refe- rensspänningen Uæf inkopplas under ett kort tidsintervall.

Laddningen i nod Nländras då med ükfi-Uw)CmJ där Cm_är den totala kapacitansen i nod N1, vilken väsentligen beror av kapacitansen hos fotodioden PD. Urladdningstiden blir i detta fall beroende av fotodiodens precision.

Vid det i figur 6 visade sensorelementet utnyttjas slut- ligen en fotoresistor R, för omvandling av ljusinformation till en elektrisk signal. Under ett kompenseringssteg sluts en àterställningsswitch 2 och en referensspänning 'Uæf kopplas in. Laddningen i nod N1 bestäms av komparatorns omslagspunkt, dvs dess offset. Vid ett steg för inläsning av bildinformation öppnas àterställningsswitchen och Umf kopplas bort. Laddningen i nod N1 ändras i beroende av spänningsdelningen mellan resistanserna R1 och R2. Kom- paratorn slår om i beroende av laddningens polaritet.

De ovan beskrivna utföringsformerna utgör nâgra exempel pà sensorelement med lokal kompensering av offset. Upp- finningen är emellertid inte begränsad till dessa beskrivna utföringsformer utan andra sensorelement med lokal offset- kompensering är även möjliga inom ramen för upp- finningstanken.

Claims (1)

10 15 20 25 504 047 PATENTKRAV Anordning för inläsning och behandling av bild- information innefattande i matrisform anordnade sensorelement, vilka är integrerat bildade pà ett substrat och vilka vardera innefattar utläsnings- elektronik (3,5) och átminstone ett fotoelement (PD,R2), vilket är inrättat att omvandla en pá foto- elementet infallande ljussignal till en elektrisk signal, kännetecknad av, -att varje sensorelement är inrättat att utföra kompensering av ett offsetfel i den i sensorelementet ingående utläsningselektroniken (3,5), -att varje sensorelement är inrättat att utföra nämnda offsetkompensering oberoende av övriga sensorelement i anordningen. Anordning enligt patentkrav 1, kännetecknad av, att nämnda sensorelement är inrättat för korrelerad dubbelsampling av ett känt och ett okänt värde. Anordning enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av, sensorelementet innefattar två omkopplare (1,2), vilka är inrättade att kontrollera inkoppling av två skilda referensspänningar (Um, Uæf) till sensorelementet.