WO2004027357A1 - Photodetector array and method for compensating stray light - Google Patents

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WO2004027357A1
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Helmut Riedel
Andreas Dahl Von
Christian Lang
Friedrich Zywitza
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Conti Temic Microelectronic Gmbh
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Definitions

  • Scenes are often actively illuminated in optical metrology.
  • the active lighting z.
  • infrared light modulated or non-modulated light
  • stray light z.
  • B. background light of the sun, other light sources such as floodlights, fluorescent tubes.
  • the intensity of the active illumination is below the intensity of the disturbance light with respect to its intensity. Therefore, the detector signal is dominated by the disturbing light, so that the desired useful signal from the active illumination forms only a small fraction of the total signal.
  • a separation of photosignals, which are caused by an interaction of active illumination and stray light, can be achieved with current methods and systems only by means of several temporally successive measurements.
  • the photosignal or the optical signal is determined by the cumulative effect of stray light and active illumination in a first measurement.
  • the photosignal of the disturbing light is determined when the active illumination is switched off.
  • the useful signal can then be determined by subtracting the Störlichtsignals from the total signal.
  • This procedure corresponds to the procedure for Correlated Double Sampling (CDS for short). Proceeding from this, the object of the invention is to specify a particularly simple photodetector arrangement for interfering light compensation and a particularly simple method for compensating for interfering light for a photodetector arrangement.
  • the first object is achieved by a photodetector arrangement for Störlichtkompensation with a photodetector unit for detecting and determining a photocurrent and with an integrated compensation unit for compensation of the photocurrent underlying Störsignalan matter such that the photocurrent, a Störsignalanmaschine representing compensation signal is countered.
  • the invention is based on the consideration that for a particularly simple, fast and safe Störlichtkompensation a photodetector arrangement should be specified, with the aid of a compensation of the Störlichtsignals directly on the photosensitive component, z. B. the photodetector or photoelement, and thus directly at the point of origin of the photoelectric or optical signal caused by the disturbance light is possible.
  • expensive time-sequential measurements should be reliably avoided.
  • a compensation unit in the manner of a circular structure or negative feedback is coupled directly to the photodetector unit.
  • the compensation unit of the size to be measured d. H. the measurement signal or the optical signal and the resulting photocurrent
  • the output signal, d. H. the compensation signal the counteracted in the feedback compensation unit.
  • the main advantages of the invention consist in the fact that by such a photodetector arrangement with a compensation unit arranged in a feedback branch and a resulting feedback signal processing method compared to a conventional so-called "Correlated Double Sampling method" for the Störlichtkompensation already after an initialization process, the detected measurement signal is processed on the basis of the feedback compensation signal and thus the Störlichtkompensation already during a first
  • the third step which is necessary for the so-called "correlated double sampling method” eliminates the difference between the two signals, which considerably shortens the signal processing time and enables higher refresh rates in imaging systems ,
  • the compensation unit expediently comprises at least one storage element, in particular a storage capacity, for determining the compensation signal.
  • a further memory element is provided for determining the usage signal on which the photocurrent is based.
  • the compensation unit preferably comprises a reset circuit for initializing the photodetector arrangement.
  • the reset circuit puts the arrangement in the initial or basic state. This ensures that subsequently the compensation signal representing the interference signal component can be determined and fed to a feedback branch.
  • the compensation unit comprises a switching element, which is provided state-dependent for determining the compensation signal.
  • the compensation signal is detected as a voltage signal. For conversion of the voltage signal in a proportional current signal is preferably a voltage-current converter is provided.
  • this comprises, for example as photomix detector, a plurality of photodetector units arranged parallel to one another, followed by a compensation unit having a number of memory elements corresponding to the number of photodetector units for determining the respectively associated useful signal and another common memory element for determining the compensation signal comprises.
  • a current mirror arrangement is connected downstream of the common memory element by means of which the compensating signal is switched counter to each photosignal.
  • the photodetector arrangement can comprise a compensation unit for a separate and thus signal-related compensation, which has a number of memory elements corresponding to the number of photodetector units for determining the respectively associated useful signal and a corresponding number of has further memory elements for determining the respectively associated compensation signal.
  • the photodetector arrangement is preferably constructed with the aid of integrated electronic components, whereby the compensation unit is assigned directly to the photodetector unit and is thus integrated.
  • the photodetector arrangement can be embodied as a so-called "active pixel sensor” (APS for short), which is constructed in a simple manner in CMOS technology, for example - formed detector units as an image sensor of a line or matrix camera.
  • APS active pixel sensor
  • the second object is achieved according to the invention in a method for interfering light compensation for a photodetector arrangement, wherein a photocurrent is detected by means of a photodetector unit whose Störsignalanmaschine be compensated such that the photocurrent representing the Störsignalanmaschine and counter-formed compensating signal formed by an integrated compensation unit ,
  • the method is not limited exclusively to photodetectors, but can in principle be applied to all signals which are composed of interfering and useful signal.
  • the method can be implemented in the form of integrated components in the semiconductor detector.
  • photodetectors are possible as so-called "Active Pixel Sensors" (APS) whose dynamic range can be used as far as possible for the detection of an active scene lighting.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that by the negative feedback of a compensation signal to be processed photodetector signal to Störsignal- shares, z. B. of interfering light sources, is largely reduced by the useful signal components, ie the useful light is separated from the stray light.
  • control control terminal
  • the photodetector arrangement is suitable for single detectors or for row or array arrangements, eg for an Active Pixel Sensor (called APS for short) and Photonic mixer detectors (PMD for short) in semiconductor technology
  • APS Active Pixel Sensor
  • PMD Photonic mixer detectors
  • FIG. 2 shows a timing diagram for the control of the photodetector arrangement according to FIG. 1;
  • FIG 3 shows a schematic representation of the photodetector arrangement according to the invention with simplified circuitry for a photonic mixer detector (PMD).
  • PMD photonic mixer detector
  • the photodetector arrangement 1 comprises a photodetector unit 2 with a photodetector circuit 3 and a photovoltaic cell 4 for the detection of a photocurrent Ip.
  • the measuring signal or the photocurrent Ip is determined by means of a photovoltaic cell 4, e.g. B. a photodiode detected optical signal 0, which is in an electrical signal, the photocurrent Ip h (also called photodetector) is converted.
  • the optical signal 0 is composed of a noise signal component SL, z. B. stray light, sunlight, and a Nutzsignalanteil NL, z. B. infrared light.
  • the photocurrent I P a the Störsignalanmaschine SL largely corresponding compensation signal I HL countered according to:
  • a compensation unit 6 is provided, which is connected downstream of the photodetector unit 2.
  • the compensation unit 6 includes a storage element C HL -
  • the memory element C HL is used to determine a signal proportional to the compensation signal I HL voltage value V C _ HL -
  • An additional storage element C S i g is used for determining a the photocurrent I P underlying wanted signal NL with reference to a the compensated photoelectric current Ip h _ ⁇ o mp representing voltage signal V_si g -
  • a voltage-current converter 8 and a comparison amplifier unit 10 of each storage element C HL and C S is assigned to initialize the photodetector array 1 is associated beyond the respective storage element C and C HL S ig, as well as the photodetector unit 2, a reset circuit 12th
  • All elements or components of the photodetector arrangement 1 are preferably arranged directly on the photodetector or photoelement 4 on a semiconductor.
  • the photodetector arrangement 1 with the photoelement 4 and the photodetector circuit 3 and the compensation unit 6 thus represents a possible embodiment of a so-called Active Pixel Sensor (abbreviated to APS).
  • the photodetector or the photoelement 4 for example a photodiode, a photogate detector, supplies the photocurrent I Ph , which is processed by means of the photodetector circuit 3 and the compensation unit 6 to the compensated photocurrent Ip h _ ⁇ om .
  • the photocurrent I Ph is the use of active scene lighting caused by stray light of the scene, the Störsignalan former SL, and by the additional active scene lighting, the Nutzsignalan fixing NL.
  • the compensated photocurrent Iph_ ⁇ omp in this case is generated largely exclusively by the stray light which is present at the memory unit C HL Z-B of a capacitance a voltage signal is determined on the basis of the voltage values V C _ HL , in particular integrated.
  • the switch Si is opened after a time T 2 , the result of the signal integration is kept as the voltage value V C _ HL at the memory element C HL .
  • a proportional current value is generated from the voltage value V C _ HL , which represents the compensation signal I L.
  • a conversion or compensation factor k representing the degree of compensation can be set with "Control" at the voltage / current converter 8.
  • the compensation signal I HL can be adjusted by means of the conversion factor k adjustable or fixed.
  • the active scene illumination and closes when the switch Si has a storage element C S ig associated second switch S so is the voltage-current converter 8 due to the noise light power by means of the compensation signal I HL directly to the photo detector circuit 3, so that the corresponding interference-relevant current component is compensated directly at its formation, namely immediately after the photoelement 4.
  • a predetermined degree of compensation is set, ie by means of the compensation factor k the compensation signal I H ⁇ , a complete compensation or a partial compensation of the interference signal components SL can take place.
  • the memory element C S i g is used to determine the voltage signal of the active illumination, ie the useful signal components NL.
  • the signal integration is aborted by opening the switch S 2 .
  • the voltage signal V c _sig of the memory element C S i g (also called integration capacity) is held and guided with the switch S 3 closed via the amplifier unit 10 to the output line 16 (also called “signal line”).
  • the timing diagram representing the photodetector arrangement 1 is shown in FIG. After expiry of the timing scheme or according to specification, the photodetector arrangement 1 can be restored to the initial state by means of a reset pulse (reset) by means of the reset circuit 12. That is, the resetting of the memory elements C HL and C S i g is in each case via the associated reset circuit 12, by which a Initial Deutschenspegel is defined at the capacitors.
  • the arranged on the photovoltaic element 4 photodetector circuit 3 comparable also evaluates the reset pulse for initialization of the photosensitive member 4. in addition, during the signal integration, ie during signal processing, keep the potential at the photoelement 4 constant.
  • the control of the photodetector arrangement 1 can be described in more detail with reference to FIG 2.
  • the active scene illumination ⁇ E Mo a is added to the disturbance light E DC , which in the simplest case is shown here as a direct signal, for example a signal obtained from the sunlight.
  • the modulation type and signal shape of the active scene lighting ⁇ E M ⁇ d can be arbitrary.
  • all signal forms for example rectangular signals, sine signals, triangular signals, pseudo noise signals, pulse group signals, etc., are suitable for the method according to the invention. It should only be noted that the time average values of the respective signal forms are formed by the integrating functionality of the described method. This applies both to the signal of the active scene illumination ⁇ E M ⁇ d and to the interference light signal ⁇ E D c (corresponds to the interference signal components SL).
  • the method and the photodetector arrangement 1 can be used both for a single photodetector unit 2 with a single photoelement 4 and for a row or array arrangement of photovoltaic cells 4.
  • An example of such an arrangement is shown in FIG.
  • the application in a photodetector arrangement 1 in a two-channel system is particularly advantageous as a so-called photonic mixer device (PMD) .
  • the photonic mixer device 18 is used as a mixer component for mixing electrical signals E and optical signals 0.
  • the photonic mixer 18 comprises at least two paired photodetector units 2, each with associated photoelement 4 and a signal source V Mo a for generating the electrical signal E.
  • the electric signal E generated by the signal source V mod is in the photonic mixer 18 with the optical signal 0.
  • the result of the mixture is determined by one of the number of photodetector inputs. 2 corresponding number of signal paths Signal_A and Signal_B simultaneously provided.
  • charge carriers which are generated by an active scene lighting ⁇ E Mod in the respective semiconductor or photoelement 4 are distributed in the mixture with the electrical signal E according to a specific scheme to the two photodetector units 2 of a detector pair.
  • a number of memory elements C S i g _A and C S i g _B corresponding to the number of photodetector units 2 is determined by means of a respective useful signal component NL relevant voltage signal V c _si g _A and V c _si_B provided.
  • a common further memory element C HL is provided in addition to the memory elements C S i g _ A and C S ⁇ g _ B for the voltage signals V c _si g _A and V c _ S ig_B of Nutzsignalanteils NL.
  • the compensation signal I HL signal-related, ie per voltage signal V c _si g _A and V c _si g _B be determined.
  • the compensation unit 6 a number of further memory elements C HL corresponding to the number of photodetector units 2 for determining a respectively associated compensation signal, z. B.
  • I HL _si g _ A to I H L_si g _z include.
  • an associated output line 16 with integrated amplifier unit 10 and associated switch S 3 is provided in each case.
  • the suppression or compensation of the disturbing light signal or the interfering signal components SL can be assigned to each detector unit 2 of a detector pair in the case of a photonic mixer detector 18. Since a detector pair is usually constructed symmetrically in a photonic mixer 18, it is sufficient to determine the interference signal components SL only at a detector unit 2 of the detector pair. For symmetry reasons, the same signal is then switched on as the compensation signal I HL of the second detector unit 2. This results in a simplified wiring, as shown in FIG. That to
  • feedback in the two detector units 2 of the detector pair required compensation signal I HL can be generated in a simple manner by forming a copy of this current, for example by means of a simple current mirror arrangement 20.
  • the current mirror arrangement 20 is connected in a feedback or feedback line 22 of the compensation unit 6.
  • the initialization of the photodetector arrangement 1 according to FIG. 3 is analogous to the initialization of the photodetector arrangement 1 according to FIG. 1.
  • the photodetector arrangement 1 with the photonic mixer 18 a significantly higher dynamic range is made possible, which considerably increases the performance of such components in technical applications.
  • the proposed photodetector arrangement 1 moreover comprises a plurality of parallel arranged photoelements 4 with associated photodetector unit 2.
  • sen which are used for example in a row arrangement as image sensor in line scan cameras application.
  • row arrangements are possible as multichannel optical systems for the separation of different modulation channels.
  • the control and signal readout of the individual pixels of such line arrangements is usually carried out with so-called multiplexer components.
  • multiplexer components are used for control and readout of the detector elements in each case for the rows and the columns of the matrix arrangement.

Abstract

Disclosed is a photodetector array for compensating stray light, comprising a photodetector unit (2) for detecting and determining a photocurrent (IPh), and an integrated unit (6) which compensates undesired signal portions (SL) underlying in the photocurrent (IPh). A compensation signal (IHL) which represents the undesired signal portions (SL) is connected counter to the photocurrent (IPh).

Description

Photodetektor-Anordnung und Verfahren zur Störlichtkompensation Photodetector arrangement and method for Störlichtkompensation
In der optischen Messtechnik werden Szenen häufig aktiv be- leuchtet. Die aktive Beleuchtung, z. B. Infrarotlicht, moduliertes oder nicht moduliertes Licht, addiert sich dabei zum vorhandenen Störlicht, z. B. Hintergrundlicht der Sonne, andere Lichtquellen wie Scheinwerfer, Leuchtröhren. Dies führt bei einer Photodetektor-Anordnung, mit der die Szene beobach- tet wird, zu einer Einschränkung des nutzbaren Dynamikbereichs. Die aktive Beleuchtung liegt hinsichtlich ihrer Intensität in vielen Fällen unter der Intensität des Störlichts. Daher wird das Detektorsignal vom Störlicht dominiert, so dass das gewünschte Nutzsignal aus der aktiven Be- leuchtung nur einen geringen Bruchteil des Gesamtsignals bildet.Scenes are often actively illuminated in optical metrology. The active lighting, z. As infrared light, modulated or non-modulated light, is added to the existing stray light, z. B. background light of the sun, other light sources such as floodlights, fluorescent tubes. This results in a limitation of the usable dynamic range in a photodetector arrangement with which the scene is observed. In many cases, the intensity of the active illumination is below the intensity of the disturbance light with respect to its intensity. Therefore, the detector signal is dominated by the disturbing light, so that the desired useful signal from the active illumination forms only a small fraction of the total signal.
Besonders Anwendungen, bei denen Photodetektoren für Entfernungsmessungen nach dem Pulslaufzeitverfahren oder dem Pha- senkorrelationsverfahren eingesetzt werden, sind durch Störlicht in ihrer Leistungsfähigkeit begrenzt. Beispiele hierfür aus der Fahrzeugtechnik sind Laserradar oder SD-Entfernungsbildkameras .In particular, applications in which photodetectors are used for distance measurements using the pulse transit time method or the phase correlation method are limited in their performance by stray light. Examples of this from vehicle technology are laser radar or SD range cameras.
Um die Leistungsfähigkeit solcher Systeme steigern zu können, müssen Möglichkeiten gefunden werden, mit denen Signale, die durch Störlicht entstehen, unterdrückt werden können. Ziel dabei ist es, den überwiegenden Teil des Dynamikbereichs des Detektors für die Erfassung des Nutzsignals zur Verfügung zu habe . Diese Problemstellung kann zwar durch Verwendung von Photodetektoren mit extrem großem Dynamikbereich etwas entschärft werden, jedoch verbleibt bei Verwendung solcher Detektoren das Erfordernis nach einem ausreichend guten Signal-Rausch- Verhältnis. Auch bei Sensoren mit großem Dynamikbereich bleiben die durch aktive Beleuchtung generierten Signale klein gegenüber den Signalen, die durch Störlicht hervorgerufen werden.In order to be able to increase the performance of such systems, ways have to be found with which signals resulting from stray light can be suppressed. The aim is to have the majority of the dynamic range of the detector for the detection of the useful signal available. Although this problem can be alleviated somewhat by using photodetectors with extremely large dynamic range, the need for a sufficiently good signal-to-noise ratio remains when using such detectors. Even with sensors with a large dynamic range, the signals generated by active illumination remain small compared to the signals caused by stray light.
Derzeit sind in der Literatur verschiedene Konzepte für hochdynamische Photodetektoren beschrieben. Die dort beschriebenen Konzepte verwenden Bauelemente mit logarithmischer Kennlinie für die Signalkompression (Höfflinger et al . : Cameras for Robust Vehicle Vision, International Conference „Active and Passive Automobile Safety", Capri, 1996) oder steuern die Integrationszeit angepasst an die am Photodetektor auftretende Beleuchtungsintensität (M. Böhm et al . : „High Dynamic Range Image Sensors in Thin Film on ASIC Technology for Automotive Applications", Advanced Microsystems for Automotive Applications, Springer-Verlag, Berlin, pp. 157-172, 1998).At present, various concepts for highly dynamic photodetectors are described in the literature. The concepts described therein use components with a logarithmic characteristic curve for signal compression (Höfflinger et al.: Cameras for Robust Vehicle Vision, International Conference on Active and Passive Automobile Safety, Capri, 1996) or control the integration time in accordance with the illumination intensity occurring at the photodetector. M. Böhm et al .: "High Dynamic Range Image Sensors in Thin Film on ASIC Technology for Automotive Applications", Advanced Microsystems for Automotive Applications, Springer-Verlag, Berlin, pp. 157-172, 1998).
Eine Trennung von Photosignalen, die durch ein Zusammenwirken von aktiver Beleuchtung und Störlicht entstanden sind, kann mit derzeitigen Verfahren und Systemen nur mittels mehrerer, zeitlich aufeinander folgender Messungen erreicht werden. Dabei wird in einer ersten Messung das Photosignal oder das optische Signal durch die Summenwirkung von Störlicht und aktiver Beleuchtung ermittelt. In einer nachfolgenden zweiten Messung wird das Photosignal des Störlichts bei abgeschalte- ter aktiver Beleuchtung ermittelt. Diese Reihenfolge der Messungen kann auch vertauscht werden. Das Nutzsignal kann anschließend durch Subtraktion des Störlichtsignals vom Gesamtsignal bestimmt werden. Dieses Verfahren entspricht der Vorgehensweise beim so genannten Correlated Double Sampling (kurz CDS genannt) . Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine besonders einfache Photodetektor-Anordnung zur Störlichtkompensation sowie ein besonders einfaches Verfahren zur Störlichtkompensation für eine Photodetektor-Anordnung anzu- geben .A separation of photosignals, which are caused by an interaction of active illumination and stray light, can be achieved with current methods and systems only by means of several temporally successive measurements. In this case, the photosignal or the optical signal is determined by the cumulative effect of stray light and active illumination in a first measurement. In a subsequent second measurement, the photosignal of the disturbing light is determined when the active illumination is switched off. This order of measurements can also be reversed. The useful signal can then be determined by subtracting the Störlichtsignals from the total signal. This procedure corresponds to the procedure for Correlated Double Sampling (CDS for short). Proceeding from this, the object of the invention is to specify a particularly simple photodetector arrangement for interfering light compensation and a particularly simple method for compensating for interfering light for a photodetector arrangement.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Photodetektor-Anordnung zur Störlichtkompensation mit einer Photodetektoreinheit zur Erfassung und Bestimmung eines Photostroms und mit einer integrierten Kompensationseinheit zur Kompensation von dem Photostrom zugrunde liegenden Störsignalanteilen derart, dass dem Photostrom ein die Störsignalanteile repräsentierendes Kompensationssignal entgegengeschaltet ist.The first object is achieved by a photodetector arrangement for Störlichtkompensation with a photodetector unit for detecting and determining a photocurrent and with an integrated compensation unit for compensation of the photocurrent underlying Störsignalanteilen such that the photocurrent, a Störsignalanteile representing compensation signal is countered.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Bestandteil der Unteransprüche .Advantageous developments of the invention are part of the dependent claims.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass für eine be- sonders einfache, schnelle sowie sichere Störlichtkompensation eine Photodetektor-Anordnung angegeben werden sollte, mit deren Hilfe eine Kompensation des Störlichtsignals unmittelbar am photosensitiven Bauelement, z. B. am Photodetektor oder Photoelement, und somit unmittelbar am Entstehungsort des vom Störlicht hervorgerufenen Photosignals oder optischen Signals möglich ist. Insbesondere sollen aufwendige zeitlich aufeinanderfolgende Messungen sicher vermieden werden. Hierzu ist eine Kompensationseinheit in der Art einer Kreisstruktur oder Gegenkopplung unmittelbar an die Photodetektoreinheit gekoppelt. Dabei wird mittels der Kompensationseinheit der zu messenden Größe, d. h. dem Messsignal oder dem optischen Signal und dem daraus resultierenden Photostrom, das Ausgangssignal, d. h. das Kompensationssignal, der in der Rückführung liegenden Kompensationseinheit entgegengeschaltet.The invention is based on the consideration that for a particularly simple, fast and safe Störlichtkompensation a photodetector arrangement should be specified, with the aid of a compensation of the Störlichtsignals directly on the photosensitive component, z. B. the photodetector or photoelement, and thus directly at the point of origin of the photoelectric or optical signal caused by the disturbance light is possible. In particular, expensive time-sequential measurements should be reliably avoided. For this purpose, a compensation unit in the manner of a circular structure or negative feedback is coupled directly to the photodetector unit. In this case, by means of the compensation unit of the size to be measured, d. H. the measurement signal or the optical signal and the resulting photocurrent, the output signal, d. H. the compensation signal, the counteracted in the feedback compensation unit.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen vor allem darin, dass durch eine derartige Photodetektor-Anordnung mit einer in einem Rückkopplungszweig angeordneten Kompensationseinheit und einem daraus resultierenden rückgekoppelten Signalverarbeitungsverfahren gegenüber einem herkömmlichen so genannten „Correlated-Double-Sampling-Verfahren" für die Störlichtkompensation bereits nach einem Initialisierungsvorgang das erfasste Messsignal anhand des rückgekoppelten Kompensationssignals verarbeitet wird und somit die Störlichtkompensation bereits während eines ersten Abtastvorgangs durch eine Rückkopplungsschleife unmittelbar im Photodetektor bewirkt ist. Somit entfällt der für das so genannte „Correla- ted-Double-Sampling-Verfahren" erforderliche dritte Schritt zur Differenzbildung der beiden Signale, wodurch die Signalverarbeitungszeit wesentlich verkürzt und in bildgebenden Systemen höhere Bildwiederholraten ermöglicht sind.The main advantages of the invention consist in the fact that by such a photodetector arrangement with a compensation unit arranged in a feedback branch and a resulting feedback signal processing method compared to a conventional so-called "Correlated Double Sampling method" for the Störlichtkompensation already after an initialization process, the detected measurement signal is processed on the basis of the feedback compensation signal and thus the Störlichtkompensation already during a first Thus, the third step, which is necessary for the so-called "correlated double sampling method", eliminates the difference between the two signals, which considerably shortens the signal processing time and enables higher refresh rates in imaging systems ,
Zweckmäßigerweise umfasst die Kompensationseinheit mindestens ein Speicherelement, insbesondere eine Speicherkapazität, zur Bestimmung des Kompensationssignals. Zur Bestimmung des dem Photostrom zugrunde liegenden Nutzungssignals ist ein weite- res Speicherelement vorgesehen. Hierdurch ist eine Trennung des Nutzsignals vom Störsignal ermöglicht, so dass der Dynamikbereich von Photodetektoren derart erweitert ist, dass auch bei Messsignalen mit hohem Stör- bzw. Hintergrundpegel und geringem Nutzsignalanteil der Nutzsignalanteil bestimmt werden kann.The compensation unit expediently comprises at least one storage element, in particular a storage capacity, for determining the compensation signal. For determining the usage signal on which the photocurrent is based, a further memory element is provided. As a result, a separation of the useful signal is made possible by the interference signal, so that the dynamic range of photodetectors is extended so that even with measurement signals with high noise or background level and low Nutzsignalanteil the useful signal component can be determined.
Die Kompensationseinheit umfasst vorzugsweise eine Reset- Schaltung zur Initialisierung der Photodetektor-Anordnung. Durch die Reset-Schaltung wird die Anordnung in den Ausgangs- bzw. Grundzustand versetzt. Hierdurch wird sichergestellt, dass nachfolgend das den Störsignalanteil repräsentierende Kompensationssignal bestimmt und einem Rückkopplungszweig zugeführt werden kann. Zweckmäßigerweise umfasst die Kompensationseinheit ein Schaltelement, welches zustandsabhängig zur Bestimmung des Kompensationssignals vorgesehen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Kompensationssignal als Spannungssignal erfasst. Zur Wandlung des Spannungssignals in ein proportionales Stromsignal ist vorzugsweise ein Spannungs-Strom-Wandler vorgesehen.The compensation unit preferably comprises a reset circuit for initializing the photodetector arrangement. The reset circuit puts the arrangement in the initial or basic state. This ensures that subsequently the compensation signal representing the interference signal component can be determined and fed to a feedback branch. Advantageously, the compensation unit comprises a switching element, which is provided state-dependent for determining the compensation signal. In a preferred embodiment, the compensation signal is detected as a voltage signal. For conversion of the voltage signal in a proportional current signal is preferably a voltage-current converter is provided.
Je nach Art und Aufbau der Photodetektor-Anordnung umfasst diese für eine Anwendung beispielsweise als Photomischdetektor mehrere parallel zueinander angeordnete Photodetektoreinheiten, denen eine Kompensationseinheit nachgeschaltet ist, die eine der Anzahl der Photodetektoreinheiten entsprechende Anzahl von Speicherelementen zur Bestimmung des jeweils zuge- hörigen Nutzsignals und ein weiteres gemeinsames Speicherelement zur Bestimmung des Kompensationssignals umfasst. Zur Aufteilung des allen Mess- und Photosignalen gemeinsamen Kompensationssignals ist dem gemeinsamen Speicherelement eine Stromspiegel-Anordnung nachgeschaltet mittels der das Kompen- sationssignal jedem Photosignal entgegengeschaltet wird. Alternativ zur Bestimmung eines allen Mess- oder Photosignalen gemeinsamen Kompensationssignals kann die Photodetektor- Anordnung für eine separate und somit signalbezogene Kompensation eine Kompensationseinheit umfassen, die eine der An- zahl der Photodetektoreinheiten entsprechende Anzahl von Speicherelementen zur Bestimmung des jeweils zugehörigen Nutzsignals und eine entsprechende Anzahl von weiteren Speicherelementen zur Bestimmung des jeweils zugehörigen Kompensationssignals aufweist.Depending on the type and construction of the photodetector arrangement, this comprises, for example as photomix detector, a plurality of photodetector units arranged parallel to one another, followed by a compensation unit having a number of memory elements corresponding to the number of photodetector units for determining the respectively associated useful signal and another common memory element for determining the compensation signal comprises. For splitting the compensation signal common to all measuring and photosignals, a current mirror arrangement is connected downstream of the common memory element by means of which the compensating signal is switched counter to each photosignal. As an alternative to determining a compensation signal common to all measuring or photosignals, the photodetector arrangement can comprise a compensation unit for a separate and thus signal-related compensation, which has a number of memory elements corresponding to the number of photodetector units for determining the respectively associated useful signal and a corresponding number of has further memory elements for determining the respectively associated compensation signal.
Die Photodetektor-Anordnung ist bevorzugt mit Hilfe von integrierten elektronischen Bauelementen aufgebaut, wodurch die Kompensationseinheit unmittelbar der Photodetektoreinheit zugeordnet ist und somit integriert ausgebildet ist. Hierdurch kann die Photodetektor-Anordnung als ein so genannter „Active Pixel Sensor" (kurz APS genannt) ausgeführt sein, welcher beispielsweise in einfacher Weise in CMOS-Technologie aufgebaut ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind dabei mehrere, eine Zeilen- oder Matrixanordnung bildende Photode- tektoreinheiten als Bildaufnehmer einer Zeilen- bzw. Matrixkamera ausgebildet. Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei einem Verfahren zur Störlichtkompensation für eine Photodetektor-Anordnung, wobei mittels einer Photodetektoreinheit ein Photostrom erfasst wird, dessen Störsignalanteile derart kom- pensiert werden, dass dem Photostrom ein die Störsignalanteile repräsentierendes und mittels einer integrierten Kompensationseinheit gebildetes Kompensationssignal entgegengeschaltet wird. Wesentlich ist, dass das Verfahren nicht ausschließlich auf Photodetektoren beschränkt ist, sondern prin- zipiell auf alle Signale angewandt werden kann, die aus Stör- und Nutzsignal zusammengesetzt sind. Das Verfahren lässt sich in Form von integrierten Bauelementen im Halbleiterdetektor umsetzen. Somit werden Photodetektoren als so genannte „Active Pixel Sensors" (APS) möglich, deren Dynamikbereich wei- testgehend für die Detektion einer aktiven Szenenbeleuchtung genutzt werden kann.The photodetector arrangement is preferably constructed with the aid of integrated electronic components, whereby the compensation unit is assigned directly to the photodetector unit and is thus integrated. As a result, the photodetector arrangement can be embodied as a so-called "active pixel sensor" (APS for short), which is constructed in a simple manner in CMOS technology, for example - formed detector units as an image sensor of a line or matrix camera. The second object is achieved according to the invention in a method for interfering light compensation for a photodetector arrangement, wherein a photocurrent is detected by means of a photodetector unit whose Störsignalanteile be compensated such that the photocurrent representing the Störsignalanteile and counter-formed compensating signal formed by an integrated compensation unit , It is essential that the method is not limited exclusively to photodetectors, but can in principle be applied to all signals which are composed of interfering and useful signal. The method can be implemented in the form of integrated components in the semiconductor detector. Thus, photodetectors are possible as so-called "Active Pixel Sensors" (APS) whose dynamic range can be used as far as possible for the detection of an active scene lighting.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, dass durch die Gegenkopplung eines Kompensationssignals das zu verarbeitende Photodetektorsignal um Störsignal- anteile, z. B. von störenden Lichtquellen, weitgehend reduziert wird, indem die Nutzsignalanteile, d. h. das Nutzlicht, vom Störlicht getrennt wird. Das gegen- oder rückgekoppelte Signal (= Kompensationssignal) und damit der Kompensationsgrad ist dabei bevorzugt über einen Steueranschluss („Con- trol") einstellbar. Durch eine derartige unmittelbare Kompensation von Störsignalanteilen der erfassten Photodetektorsignale ist eine nachfolgende Signalverarbeitung unbeeinflusst . Dies führt u. a. zu einer Erhöhung des nutzbaren Dynamikbereichs der Photodetektoren. Darüber hinaus eignet sich die Photodetektor-Anordnung für Einzeldetektoren oder für Zeilenoder Array-Anordnungen, z. B. für ein Active Pixel Sensor (kurz APS genannt) und Photomischdetektoren (kurz PMD genannt) in Halbleitertechnik. Ferner ermöglicht eine derartige Photodetektor-Anordnung, dass eine aufwendige Analog-Digital- Wandlung mit nachfolgender Werte-Speicherung und Subtraktion entfallen kann. Somit ist ein schnelles analoges Signalverar- beitungsverfahren mit Echtzeitfähigkeit gegeben, wodurch eine hohe so genannte Framerate und kurze Messzeiten in bildaufnehmenden Systemen ermöglicht sind.The advantages achieved by the invention are in particular that by the negative feedback of a compensation signal to be processed photodetector signal to Störsignal- shares, z. B. of interfering light sources, is largely reduced by the useful signal components, ie the useful light is separated from the stray light. The counter- or feedback signal (= compensation signal) and therefore the degree of compensation is preferably adjustable via a control terminal ("control") .Such immediate compensation of interference signal components of the detected photodetector signals is unaffected by subsequent signal processing In addition, the photodetector arrangement is suitable for single detectors or for row or array arrangements, eg for an Active Pixel Sensor (called APS for short) and Photonic mixer detectors (PMD for short) in semiconductor technology Such a photodetector arrangement eliminates the need for expensive analog-digital conversion with subsequent value storage and subtraction. real-time capability, allowing high frame rates and short measurement times in image-capturing systems.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.Advantageous embodiments and further developments of the inventive concept are the further description with reference to the drawings.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:
FIG 1 eine schematische Darstellung der Photodetektor-Anordnung;1 shows a schematic representation of the photodetector arrangement;
FIG 2 ein Zeitschema für die Ansteuerung der Photodetektor-Anordnung entsprechend FIG 1;2 shows a timing diagram for the control of the photodetector arrangement according to FIG. 1;
FIG 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Photodetektor-Anordnung mit vereinfachter Beschal- tung für einen Photomischdetektor (PMD) .3 shows a schematic representation of the photodetector arrangement according to the invention with simplified circuitry for a photonic mixer detector (PMD).
Gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren - sofern nichts anderes angegeben ist - mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.The same or functionally identical elements have been provided in all figures - unless otherwise indicated - with the same reference numerals.
FIG 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Photodetektor-Anordnung 1 zur Störlichtkompensation. Die Photodetektor- Anordnung 1 umfasst eine Photodetektoreinheit 2 mit einer Photodetektorschaltung 3 und ein Photoelement 4 zur Besti - mung eines Photostroms Ip - Das Messsignal oder der Photostrom Ip wird dabei anhand des mittels eines Photoelements 4, z. B. einer Photodiode, erfassten optischen Signals 0 bestimmt, welches in ein elektrisches Signal, den Photostrom Iph (auch Photodetektorström genannt) gewandelt wird. Das op- tische Signal 0 setzt sich zusammen aus einem Störsignalanteil SL, z. B. Störlicht, Sonnenlicht, und einem Nutzsignalanteil NL, z. B. Infrarotlicht . Zur Kompensation von dem Pho- tostrom Iph zugrunde liegenden Störsignalanteilen SL wird dem Photostrom IP ein die Störsignalanteile SL weitgehend entsprechendes Kompensationssignal IHL entgegengeschaltet gemäß:1 shows a schematic representation of a photodetector arrangement 1 for Störlichtkompensation. The photodetector arrangement 1 comprises a photodetector unit 2 with a photodetector circuit 3 and a photovoltaic cell 4 for the detection of a photocurrent Ip. The measuring signal or the photocurrent Ip is determined by means of a photovoltaic cell 4, e.g. B. a photodiode detected optical signal 0, which is in an electrical signal, the photocurrent Ip h (also called photodetector) is converted. The optical signal 0 is composed of a noise signal component SL, z. B. stray light, sunlight, and a Nutzsignalanteil NL, z. B. infrared light. In order to compensate for the To current Ip h underlying interference signal components SL is the photocurrent I P a the Störsignalanteile SL largely corresponding compensation signal I HL countered according to:
Figure imgf000010_0001
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mit Iph_κomp = kompensierter Photostrom.with Iph_κomp = compensated photocurrent.
Zur Bestimmung des Kompensationssignals IHL ist eine Kompen- sationseinheit 6 vorgesehen, welche der Photodetektoreinheit 2 nachgeschaltet ist. Die Kompensationseinheit 6 umfasst ein Speicherelement CHL- Dabei dient das Speicherelement CHL zur Bestimmung eines zum Kompensationssignal IHL proportionalen Spannungswerts VC_HL- Ein zusätzliches Speicherelement CSig dient zur Bestimmung eines dem Photostrom IP zugrunde liegenden Nutzsignalanteils NL anhand eines den kompensierten Photostrom Iphomp repräsentierenden Spannungssignals V_sig- Je nach Signalart und Funktion ist dem jeweiligen Speicherelement CHL und CSig ein Spannungs-Strom-Wandler 8 bzw. eine Ver- Stärkereinheit 10 zugeordnet. Zur Initialisierung der Photodetektor-Anordnung 1 ist darüber hinaus dem jeweiligen Speicherelement CHL und CSig sowie der Photodetektoreinheit 2 eine Reset-Schaltung 12 zugeordnet.To determine the compensation signal I HL , a compensation unit 6 is provided, which is connected downstream of the photodetector unit 2. The compensation unit 6 includes a storage element C HL - In this case the memory element C HL is used to determine a signal proportional to the compensation signal I HL voltage value V C _ HL - An additional storage element C S i g is used for determining a the photocurrent I P underlying wanted signal NL with reference to a the compensated photoelectric current Ip ho mp representing voltage signal V_si g - Depending on the type of signal and function is assigned ig a voltage-current converter 8 and a comparison amplifier unit 10 of each storage element C HL and C S. To initialize the photodetector array 1 is associated beyond the respective storage element C and C HL S ig, as well as the photodetector unit 2, a reset circuit 12th
Sämtliche Elemente oder Komponenten der Photodetektor-Anordnung 1 sind bevorzugt unmittelbar am Photodetektor oder Photoelement 4 auf einem Halbleiter angeordnet. Die Photodetektor-Anordnung 1 mit dem Photoelement 4 und der Photodetektorschaltung 3 und der Kompensationseinheit 6 stellt somit eine mögliche Ausführungsform eines so genannten Active Pixel Sensors (kurz APS genannt) dar.All elements or components of the photodetector arrangement 1 are preferably arranged directly on the photodetector or photoelement 4 on a semiconductor. The photodetector arrangement 1 with the photoelement 4 and the photodetector circuit 3 and the compensation unit 6 thus represents a possible embodiment of a so-called Active Pixel Sensor (abbreviated to APS).
Im Betrieb der Photodetektor-Anordnung 1 liefert der Photodetektor oder das Photoelement 4, beispielsweise eine Photodio- de, ein Photogate-Detektor, den Photostrom IPh, welcher mittels der Photodetektorschaltung 3 und die Kompensationseinheit 6 zum kompensierten Photostrom Iphom verarbeitet wird. Der Photostrom IPh wird beim Einsatz einer aktiven Szenenbeleuchtung durch Störlicht der Szene, den Störsignalanteilen SL, und durch die zusätzliche aktive Szenenbeleuchtung, den Nutzsignalanteilen NL, hervorgerufen. Schaltet man die aktive Szenenbeleuchtung ab und schließt einen der Speichereinheit CHL zugeordneten Schalter Si zu einem Zeitpunkt Ti, so wird der kompensierte Photostrom Iph_κomp in diesem Fall weitgehend ausschließlich vom Störlicht erzeugt, der an der Speichereinheit CHL Z- B. einer Kapazität, als ein Spannungssignal an- hand der Spannungswerte VC_HL bestimmt wird, insbesondere integriert wird.During operation of the photodetector arrangement 1, the photodetector or the photoelement 4, for example a photodiode, a photogate detector, supplies the photocurrent I Ph , which is processed by means of the photodetector circuit 3 and the compensation unit 6 to the compensated photocurrent Ip hom . The photocurrent I Ph is the use of active scene lighting caused by stray light of the scene, the Störsignalanteilen SL, and by the additional active scene lighting, the Nutzsignalanteilen NL. If the active scene illumination is switched off and a switch Si associated with the memory unit C HL is closed at a time Ti, the compensated photocurrent Iph_κomp in this case is generated largely exclusively by the stray light which is present at the memory unit C HL Z-B of a capacitance a voltage signal is determined on the basis of the voltage values V C _ HL , in particular integrated.
Öffnet man den Schalter Si nach einer Zeit T2, so wird das Ergebnis der Signalintegration als Spannungswert VC_HL am Speicherelement CHL gehalten.If the switch Si is opened after a time T 2 , the result of the signal integration is kept as the voltage value V C _ HL at the memory element C HL .
Mittels des nachgeschalteten Spannungs-Strom-Wandlers 8 wird aus dem Spannungswert VC_HL ein proportionaler Stromwert erzeugt, welcher das Kompensationssignal I L repräsentiert. Je nach Vorgabe kann am Spannungs-Strom-Wandler 8 ein den Kompensationsgrad repräsentierender Wandlungs- oder Kompensationsfaktor k am Eingang 14 mit „Control" eingestellt werden. Je nach Art und Aufbau der Photodetektor-Anordnung 1 kann dabei das Kompensationssignal IHL mittels des Wandlungsfaktors k einstellbar oder fest eingestellt werden.By means of the downstream voltage-current converter 8, a proportional current value is generated from the voltage value V C _ HL , which represents the compensation signal I L. Depending on the specification, a conversion or compensation factor k representing the degree of compensation can be set with "Control" at the voltage / current converter 8. Depending on the type and structure of the photodetector arrangement 1, the compensation signal I HL can be adjusted by means of the conversion factor k adjustable or fixed.
Schaltet man zum Zeitpunkt T2 die aktive Szenenbeleuchtung an und schließt bei geöffnetem Schalter Si einen dem Speicherelement CSig zugeordneten zweiten Schalter S , so wird vom Spannungs-Strom-Wandler 8 der auf das Störlicht zurückzuführende Strom mittels des Kompensationssignals IHL direkt der Photodetektorschaltung 3 zugeführt, so dass der entsprechende störungsrelevante Stromanteil unmittelbar bei dessen Entstehung, nämlich unmittelbar nach dem Photoelement 4 kompensiert wird. Über eine geeignete Einstellung des Wandlungsfaktors k des Spannungs-Strom-Wandlers 8 wird ein vorgegebener Kompensationsgrad eingestellt, d. h. mittels des Kompensationsfaktors k kann das Kompensationssignal IHχ, eine vollständige Kompensa- tion oder eine teilweise Kompensation der Störsignalanteile SL bewirken. Somit wird bei entsprechender Einstellung des Spannungs-Strom-Wandlers 8 an dem Speicherelement CSig nur noch der von der aktiven Szenenbeleuchtung erzeugte kompensierte Photostrom Iphomp bestimmt, insbesondere aufinte- griert. Das heißt, das Speicherelement CSig, insbesondere dessen Dynamikbereich, dient der Bestimmung des Spannungssignals der aktiven Beleuchtung, d. h. der Nutzsignalanteile NL.If one switches the time T 2, the active scene illumination and closes when the switch Si has a storage element C S ig associated second switch S, so is the voltage-current converter 8 due to the noise light power by means of the compensation signal I HL directly to the photo detector circuit 3, so that the corresponding interference-relevant current component is compensated directly at its formation, namely immediately after the photoelement 4. By means of a suitable adjustment of the conversion factor k of the voltage-current converter 8, a predetermined degree of compensation is set, ie by means of the compensation factor k the compensation signal I H χ, a complete compensation or a partial compensation of the interference signal components SL can take place. Thus, with appropriate adjustment of the voltage-current converter 8 to the memory element C S i g only the compensated photocurrent Ip hom p generated by the active scene lighting is determined, in particular integrated. That is, the memory element C S i g , in particular its dynamic range, is used to determine the voltage signal of the active illumination, ie the useful signal components NL.
Zu einem Zeitpunkt T3 wird durch Öffnen des Schalters S2 die Signalintegration abgebrochen. Das Spannungssignal Vc_sig des Speicherelements CSig (auch Integrationskapazität genannt) wird gehalten und bei geschlossenem Schalter S3 über die Verstärkereinheit 10 auf die Ausgangsleitung 16 (auch „Signalleitung" genannt) geführt.At a time T 3 , the signal integration is aborted by opening the switch S 2 . The voltage signal V c _sig of the memory element C S i g (also called integration capacity) is held and guided with the switch S 3 closed via the amplifier unit 10 to the output line 16 (also called "signal line").
Das die Photodetektor-Anordnung 1 repräsentierende Zeitschema ist in der FIG 2 dargestellt. Nach Ablauf des Zeitschemas oder je nach Vorgabe kann die Photodetektor-Anordnung 1 mit einem Reset-Impuls („Reset") mittels der Reset-Schaltung 12 wieder in den Ausgangszustand versetzt werden. Das heißt, das Rücksetzen der Speicherelemente CHL und CSig erfolgt jeweils über die zugehörige Reset-Schaltung 12, mit der ein Initialisierungspegel an den Kapazitäten definiert wird. Die am Photoelement 4 angeordnete Photodetektorschaltung 3 ver- wertet ebenfalls den Reset-Impuls für die Initialisierung des Photoelements 4. Zusätzlich kann sie während der Signalintegration, d. h. während der Signalverarbeitung, das Potential am Photoelement 4 konstant halten.The timing diagram representing the photodetector arrangement 1 is shown in FIG. After expiry of the timing scheme or according to specification, the photodetector arrangement 1 can be restored to the initial state by means of a reset pulse (reset) by means of the reset circuit 12. That is, the resetting of the memory elements C HL and C S i g is in each case via the associated reset circuit 12, by which a Initialisierungspegel is defined at the capacitors. the arranged on the photovoltaic element 4 photodetector circuit 3 comparable also evaluates the reset pulse for initialization of the photosensitive member 4. in addition, during the signal integration, ie during signal processing, keep the potential at the photoelement 4 constant.
Die Ansteuerung der Photodetektor-Anordnung 1 kann anhand der FIG 2 näher beschrieben werden. Dabei ist beispielsweise der zeitliche Verlauf einer aktiven Szenenbeleuchtung ΔEd dar- gestellt. Die aktive Szenenbeleuchtung ΔEMoa addiert sich zum Störlicht EDC, das hier im einfachsten Fall als Gleichsignal, zum Beispiel ein aus dem Sonnenlicht gewonnenes Signal, dargestellt ist.The control of the photodetector arrangement 1 can be described in more detail with reference to FIG 2. In this case, for example, the time profile of an active scene lighting ΔE d dar- posed. The active scene illumination ΔE Mo a is added to the disturbance light E DC , which in the simplest case is shown here as a direct signal, for example a signal obtained from the sunlight.
Die Modulationsart und Signalform der aktiven Szenenbeleuchtung ΔEMθd kann beliebig sein. Im Grenzfall kann die aktive Szenenbeleuchtung ΔEoa sogar ebenfalls ein Gleichsignal darstellen, das innerhalb des Zeitraums (ΔT = T3 - T2) aufge- schaltet ist. Grundsätzlich sind sämtliche Signalformen, beispielsweise Rechtecksignale, Sinussignale, Dreiecksignale, Pseudo Noise Signale, Pulsgruppensignale, etc., für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet. Zu beachten ist lediglich, dass durch die integrierende Funktionalität des beschriebenen Verfahrens die zeitlichen Mittelwerte der jeweiligen Signalformen gebildet werden. Dies gilt sowohl für das Signal der aktiven Szenenbeleuchtung ΔEMθd als auch für das Störlichtsignal ΔEDc (entspricht den Störsignalanteilen SL) .The modulation type and signal shape of the active scene lighting ΔE Mθd can be arbitrary. In the limiting case, the active scene lighting ΔE o a may even represent a DC signal which is connected within the time period (ΔT = T 3 -T 2 ). In principle, all signal forms, for example rectangular signals, sine signals, triangular signals, pseudo noise signals, pulse group signals, etc., are suitable for the method according to the invention. It should only be noted that the time average values of the respective signal forms are formed by the integrating functionality of the described method. This applies both to the signal of the active scene illumination ΔE Mθd and to the interference light signal ΔE D c (corresponds to the interference signal components SL).
Das Verfahren und die Photodetektor-Anordnung 1 kann sowohl für eine einzelne Photodetektoreinheit 2 mit einem einzelnen Photoelement 4 als auch für eine Zeilen- oder Arrayanordnung von Photoelementen 4 eingesetzt werden. Ein Beispiel für eine derartige Anordnung ist in der FIG 3 dargestellt. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung bei einer Photodetektor-Anordnung 1 in einem Zweikanal-System als so genannter Photomischdetektor 18 (kurz Photonic Mixer Device „PMD" genannt) . Der Photomischdetektor 18 wird als Mischerbauelement zur Mischung von elektrischen Signalen E und optischen Signalen 0 einge- setzt. Der Photomischdetektor 18 umfasst mindestens zwei paarweise angeordnete Photodetektoreinheiten 2 mit jeweils zugehörigem Photoelement 4 und eine Signalquelle VMoa zur Erzeugung des elektrischen Signals E. Das mittels der Signalquelle VMod erzeugte elektrische Signal E wird im Photomisch- detektor 18 mit dem optischen Signal 0 gemischt. Das Ergebnis der Mischung wird über eine der Anzahl von Photodetektorein- heiten 2 entsprechende Anzahl von Signalpfaden Signal_A und Signal_B zeitgleich bereitgestellt.The method and the photodetector arrangement 1 can be used both for a single photodetector unit 2 with a single photoelement 4 and for a row or array arrangement of photovoltaic cells 4. An example of such an arrangement is shown in FIG. The application in a photodetector arrangement 1 in a two-channel system is particularly advantageous as a so-called photonic mixer device (PMD) .The photonic mixer device 18 is used as a mixer component for mixing electrical signals E and optical signals 0. The photonic mixer 18 comprises at least two paired photodetector units 2, each with associated photoelement 4 and a signal source V Mo a for generating the electrical signal E. The electric signal E generated by the signal source V mod is in the photonic mixer 18 with the optical signal 0. The result of the mixture is determined by one of the number of photodetector inputs. 2 corresponding number of signal paths Signal_A and Signal_B simultaneously provided.
Im Detail werden beim Betrieb der Photodetektor-Anordnung 1 Ladungsträger, die von einer aktiven Szenenbeleuchtung ΔEMod im jeweiligen Halbleiter oder Photoelement 4 generiert werden, bei der Mischung mit dem elektrischen Signal E nach einem bestimmten Schema auf die beiden Photodetektoreinheiten 2 eines Detektorpaares verteilt. Die Anzahl der Ladungsträger, die von der aktiven Szenenbeleuchtung ΔEMoa (= Nutzsignalanteile NL) herrühren, kann dabei sehr gering im Verhältnis zu der Anzahl an Ladungsträgern, die durch Störlicht (= Störsignalanteile SL) erzeugt werden, sein. Analog zur Photodetektor-Anordnung 1 mit einer einzelnen Photodetektoreinheit 2 und einem einzelnen Photoelement 4 ist beim Photomischdetektor 18 eine der Anzahl der Photodetektoreinheiten 2 entsprechende Anzahl von Speicherelementen CSig_A und CSig_B zur Bestimmung des jeweils zugehörigen Nutzsignalanteils NL anhand eines betreffenden SpannungsSignals Vc_sig_A und Vc_si_B vorgese- hen.In detail, during operation of the photodetector arrangement 1 charge carriers, which are generated by an active scene lighting ΔE Mod in the respective semiconductor or photoelement 4, are distributed in the mixture with the electrical signal E according to a specific scheme to the two photodetector units 2 of a detector pair. The number of charge carriers resulting from the active scene illumination ΔE Mo a (= useful signal components NL) can be very small in relation to the number of charge carriers generated by stray light (= interference signal components SL). Analogous to the photodetector arrangement 1 with a single photodetector unit 2 and a single photovoltaic cell 4, in photomix detector 18 a number of memory elements C S i g _A and C S i g _B corresponding to the number of photodetector units 2 is determined by means of a respective useful signal component NL relevant voltage signal V c _si g _A and V c _si_B provided.
Zur Bestimmung des Kompensationssignals I L ist beispielsweise ein gemeinsames weiteres Speicherelement CHL vorgesehen zusätzlich zu den Speicherelementen CSig_A und CSιg_B für die Spannungssignale Vc_sig_A und Vc_Sig_B des Nutzsignalanteils NL. Alternativ kann in nicht näher dargestellter Weise das Kompensationssignal IHL signalbezogen, d. h. je Spannungssignal Vc_sig_A und Vc_sig_B/ bestimmt werden. Dazu kann die Kompensationseinheit 6 eine der Anzahl der Photodetektoreinheiten 2 entsprechende Anzahl von weiteren Speicherelementen CHL zur Bestimmung eines jeweils zugehörigen Kompensationssignals, z. B. IHL_sig_A bis IHL_sig_z umfassen. Zur Ausgabe der Spannungssignale Vc_sig_A und V_sig_B ist jeweils eine zugehörige Ausgangsleitung 16 mit integrierter Verstärkereinheit 10 und zu- gehörigem Schalter S3 vorgesehen. Mit anderen Worten: Die Unterdrückung oder Kompensation des Störlichtsignals oder der Störsignalanteile SL kann bei einem Photomischdetektor 18 jeder Detektoreinheit 2 eines Detektorpaares zugeordnet sein. Da in einem Photomischdetektor 18 ein Detektorpaar üblicherweise symmetrisch aufgebaut ist, genügt es, die Störsignalanteile SL nur an einer Detektoreinheit 2 des Detektorpaares zu ermitteln. Aus Symmetriegründen wird dann dasselbe Signal als Kompensationssignal IHL der zweiten Detektoreinheit 2 zugeschaltet. Hieraus ergibt sich eine ver- einfachte Beschaltung, wie in FIG 3 dargestellt. Das zurTo determine the compensation signal I L , for example, a common further memory element C HL is provided in addition to the memory elements C S i g _ A and C S ι g _ B for the voltage signals V c _si g _A and V c _ S ig_B of Nutzsignalanteils NL. Alternatively, in a manner not shown, the compensation signal I HL signal-related, ie per voltage signal V c _si g _A and V c _si g _B / be determined. For this purpose, the compensation unit 6 a number of further memory elements C HL corresponding to the number of photodetector units 2 for determining a respectively associated compensation signal, z. B. I HL _si g _ A to I H L_si g _z include. To output the voltage signals V c _sig_A and V_si g _B, an associated output line 16 with integrated amplifier unit 10 and associated switch S 3 is provided in each case. In other words, the suppression or compensation of the disturbing light signal or the interfering signal components SL can be assigned to each detector unit 2 of a detector pair in the case of a photonic mixer detector 18. Since a detector pair is usually constructed symmetrically in a photonic mixer 18, it is sufficient to determine the interference signal components SL only at a detector unit 2 of the detector pair. For symmetry reasons, the same signal is then switched on as the compensation signal I HL of the second detector unit 2. This results in a simplified wiring, as shown in FIG. That to
Rückführung in die beiden Detektoreinheiten 2 des Detektorpaares benötigte Kompensationssignal IHL kann infolge der Symmetrieeigenschaften in einfacher Weise durch die Bildung einer Kopie dieses Stroms, beispielsweise mittels einer ein- fachen Stromspiegel-Anordnung 20, erzeugt werden. Die Stromspiegel-Anordnung 20 ist dabei in einer Rückführungs- oder Rückkopplungsleitung 22 der Kompensationseinheit 6 geschaltet.As a result of the symmetry properties, feedback in the two detector units 2 of the detector pair required compensation signal I HL can be generated in a simple manner by forming a copy of this current, for example by means of a simple current mirror arrangement 20. The current mirror arrangement 20 is connected in a feedback or feedback line 22 of the compensation unit 6.
Die Initialisierung der Photodetektor-Anordnung 1 nach FIG 3 erfolgt analog zur Initialisierung der Photodetektor-Anordnung 1 gemäß FIG 1. Bei der Photodetektor-Anordnung 1 mit dem Photomischdetektor 18 ist ein bedeutend höherer Dynamikbereich ermöglicht, der eine erhebliche Steigerung der Leis- tungsfähigkeit solcher Bauelemente in technischen Anwendungen zur Folge hat .The initialization of the photodetector arrangement 1 according to FIG. 3 is analogous to the initialization of the photodetector arrangement 1 according to FIG. 1. In the photodetector arrangement 1 with the photonic mixer 18, a significantly higher dynamic range is made possible, which considerably increases the performance of such components in technical applications.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand der vorstehenden Beschreibung für zwei alternative Ausführungsformen darge- stellt, um das Prinzip der Erfindung und dessen praktische Anwendung bestmöglichst zu erklären, jedoch lässt sich die Erfindung bei geeigneter Abwandlung selbstverständlich in mannigfaltigen anderen Ausführungsformen realisieren.The present invention has been described with reference to the foregoing description for two alternative embodiments to best explain the principle of the invention and its practical application, but it will be understood that the invention, if suitably modified, can be embodied in various other embodiments.
Beispielsweise kann die vorgeschlagene Photodetektor-Anordnung 1 darüber hinaus mehrere parallel zueinander angeordnete Photoelemente 4 mit zugehöriger Photodetektoreinheit 2 umfas- sen, welche beispielsweise in einer Zeilenanordnung als Bildaufnehmer in Zeilenkameras Anwendung finden. Weiterhin sind Zeilenanordnungen als optische MehrkanalSysteme zur Trennung unterschiedlicher Modulationskanäle möglich. Die Ansteuerung und Signalauslese der einzelnen Pixel solcher Zeilenanordnungen erfolgt üblicherweise mit so genannten Multiplexerbau- steinen. Entsprechendes gilt für eine zweidimensionale Matrix-Anordnung, wie sie in Flächensensoren für Videokameras verwendet wird. Multiplexerbausteine werden dabei zur An- Steuerung und Auslese der Detektorelemente jeweils für die Zeilen und die Spalten der Matrix-Anordnung eingesetzt. For example, the proposed photodetector arrangement 1 moreover comprises a plurality of parallel arranged photoelements 4 with associated photodetector unit 2. sen, which are used for example in a row arrangement as image sensor in line scan cameras application. Furthermore, row arrangements are possible as multichannel optical systems for the separation of different modulation channels. The control and signal readout of the individual pixels of such line arrangements is usually carried out with so-called multiplexer components. The same applies to a two-dimensional matrix arrangement, as used in area sensors for video cameras. Multiplexer modules are used for control and readout of the detector elements in each case for the rows and the columns of the matrix arrangement.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Photodetektor-Anordnung1 photodetector arrangement
2 Photodetektoreinheit2 photodetector unit
3 Photodetektorschaltung 4 Photoelement3 photodetector circuit 4 photoelement
6 Kompensationseinheit6 compensation unit
8 Spannungs-Strom-Wandler8 voltage-current converter
10 Verstärkereinheit10 amplifier unit
12 Reset-Schaltung 14 Anschluss12 Reset circuit 14 Connection
16 Ausgangsleitung16 output line
18 Photomischdetektor18 photonic mixer
20 Stromspiegel-Anordnung20 current mirror arrangement
22 Rückführungs- oder Rückkopplungsleitung22 feedback or feedback line
A, B SignalpfadeA, B signal paths
Csig ; Csig A r Csi B / Csig 1 /Csi g ; Csig A r Csi B / Csi g 1 /
CSig 2/ CH Speicherelemente (= Integrationskapazität) E elektrische SignaleC S i g 2 / C H storage elements (= integration capacity) E electrical signals
Ec StörlichtEc stain light
IH sig_A - IHL sig_z KompensationssignaleIH sig_A - IHL sig_z compensation signals
Iph Photostrom IptKomp kompensierter Photostrom k Wandlungs- oder KompensationsfaktorIp h photocurrent IptKo m p compensated photocurrent k Conversion or compensation factor
NL NutzsignalanteileNL useful signal components
SL StörsignalanteileSL interference signal components
0 optische Signale Sig_A, Sig_B Nutzsignale0 optical signals Sig_A, Sig_B useful signals
Si, S2, S3 SchalterSi, S 2 , S 3 switches
Ti, T2, T3 ZeitpunkteTi, T 2 , T 3 times
Tsi, Ts2, Ts3 Zeitpunkte, insbesondere Schaltpunkte derTsi, T s2 , T s3 times, in particular switching points of
Schalter
Figure imgf000017_0001
c sig_B Spannungssignale der Nutzsignale Sig_A,
counter
Figure imgf000017_0001
c sig_ B voltage signals of the useful signals Sig_A,
Sig_B VC_HL Spannungswert, SpannungssignalSig_B V C _ HL Voltage value, voltage signal
Vd Signalquelle ΔEMOD Szenenbeleuchtung V d signal source ΔE MOD scene lighting

Claims

Patentansprüche claims
1. Photodetektor-Anordnung (1) zur Störlichtkompensation mit einer Photodetektoreinheit (2) zur Erfassung und Bestimmung eines Photostroms (Iph) und mit einer integrierten Kompensationseinheit (6) zur Kompensation von dem Photostrom (IPh) zugrunde liegenden Störsignalanteilen (SL) derart, dass dem Photostrom (IPh) ein die Störsignalanteile (SL) repräsentierendes Kompensationssignal (IHL) entgegengeschaltet ist.1. photodetector arrangement (1) for interfering light compensation with a photodetector unit (2) for detecting and determining a photocurrent (Ip h ) and with an integrated compensation unit (6) for compensation of the photocurrent (I P h) underlying interference signal components (SL) in such a way that the photocurrent (I Ph ) is counteracted by a compensation signal (I HL ) representing the interference signal components (SL).
2. Photodetektor-Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Kompensationseinheit (6) mindestens ein Speicherelement (CHL) , insbesondere eine Speicherkapazität, zur Bestimmung des Kompensationssignals (IHL) umfasst.2. Photodetector arrangement according to claim 1, wherein the compensation unit (6) comprises at least one storage element (C HL ), in particular a storage capacity, for determining the compensation signal (I HL ).
3. Photodetektor-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kompensationseinheit (6) eine Reset-Schaltung (12) umfasst.3. photodetector arrangement according to claim 1 or 2, wherein the compensation unit (6) comprises a reset circuit (12).
4. Photodetektor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens ein Schaltelement (Si) zur Bestimmung des Kompensationssignals (IHL) vorgesehen ist.4. photodetector arrangement according to one of claims 1 to 3, wherein at least one switching element (Si) for determining the compensation signal (I HL ) is provided.
5. Photodetektor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Spannungs-Strom-Wandler (8) zur Wandlung des als5. Photodetector arrangement according to one of claims 1 to 4, wherein a voltage-current converter (8) for converting the as
Spannungswert (VC_HL) erfassten Kompensationssignals (IHL) in einen proportionalen Stromwert vorgesehen ist.Voltage value (V C _ HL ) detected compensating signal (I H L) is provided in a proportional current value.
6. Photodetektor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mehrere parallel zueinander angeordnete Photodetektor- einheiten (2) vorgesehen sind, denen eine Kompensationseinheit (6) nachgeschaltet ist, die eine der Anzahl der Photodetektoreinheiten (2) entsprechende Anzahl von Speicherelementen (CSig_A/ CSig_B) zur Bestimmung des jeweils zugehörigen Nutzsignals (NL, Sig_A, Sig_B) und ein weiteres gemeinsames Speicherelement (CHL) zur Bestimmung des Kompensationssignals (IHL) umfasst. 6. photodetector arrangement according to one of claims 1 to 5, wherein a plurality of mutually parallel photodetector units (2) are provided, which is followed by a compensation unit (6) having a number of photodetector units (2) corresponding number of memory elements ( C S ig_ a / C S ig_ B) for determining the respective associated desired signal (NL, Sig_A, SIG_B) and another common memory element (C HL) for determining the compensation signal (IHL).
7. Photodetektor-Anordnung nach Anspruch 6, wobei dem gemeinsamen Speicherelement (CHL) eine Stromspiegel-Anordnung7. The photodetector arrangement according to claim 6, wherein the common memory element (C HL ) is a current mirror arrangement
(20) nachgeschaltet ist.(20) is connected downstream.
8. Photodetektor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mehrere parallel zueinander angeordnete Photodetektoreinheiten (2) vorgesehen sind, denen eine Kompensationseinheit (6) nachgeschaltet ist, die eine der Anzahl der Photodetektoreinheiten (2) entsprechende Anzahl von Speicherelementen (CSig_A/ Csig_B) zur Bestimmung des jeweils zugehörigen Nutzsignals (NL, Sig_A, Sig_B) und eine entsprechende Anzahl von weiteren Speicherelementen (CHL) zur Bestimmung des jeweils zugehörigen Kompensationssignals (IHL) umfasst.8. Photodetector arrangement according to one of claims 1 to 5, wherein a plurality of mutually parallel photodetector units (2) are provided, which is followed by a compensation unit (6), one of the number of photodetector units (2) corresponding number of memory elements (C s i g _ A / C si g_ B ) for determining the respectively associated useful signal (NL, Sig_A, Sig_B) and a corresponding number of further memory elements (C HL ) for determining the respective associated compensation signal (I HL ).
9. Photodetektor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mehrere parallel zueinander angeordneten Photodetektor- einheiten (2) als ein Photomischdetektor (18) ausgebildet sind.9. photodetector arrangement according to one of claims 1 to 8, wherein a plurality of mutually parallel arranged photodetector units (2) as a photonic mixer (18) are formed.
10. Photodetektor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Photodetektoreinheit (2) und/oder die Kompensationseinheit (6) als integrierte Schaltung ausgebildet sind.10. photodetector arrangement according to one of claims 1 to 9, wherein the photodetector unit (2) and / or the compensation unit (6) are formed as an integrated circuit.
11. Photodetektor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis11. Photodetector arrangement according to one of claims 1 to
10, wobei mehrere eine Zeilen- oder Matrixanordnung bildende Photodetektoreinheiten (2) als Bildaufnehmer einer Zeilenoder Matrixkamera ausgebildet sind.10, wherein a plurality of a row or matrix arrangement forming photodetector units (2) are designed as image sensor of a line or matrix camera.
12. Verfahren zur Störlichtkompensation für eine Photodetek- tor-Anordnung (1) , wobei mittels einer Photodetektoreinheit (2) ein Photostrom (IP ) erfasst wird, dessen Störsignalanteile (SL) derart kompensiert werden, dass dem Photostrom (Iph) ein die Störsignalanteile (SL) repräsentierendes und mittels einer integrierten Kompensationseinheit (6) gebilde- tes Kompensationssignal (IHL) entgegengeschaltet wird. 12. A method for Störlichtkompensation for a photodetector arrangement (1), wherein by means of a photodetector unit (2) a photocurrent (I P ) is detected whose Störsignalanteile (SL) are compensated such that the photocurrent (Ip h ) a the Störsignalanteile (SL) representing and by means of an integrated compensation unit (6) educated compensating signal (I H L) is countered.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Kompensationssignal (IHL) als Spannungssignal (VC_HL) erfasst wird.13. The method of claim 12, wherein the compensation signal (IH L ) is detected as a voltage signal (V C _HL).
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 , bei dem das Kompensationssignal (IHL) nach einem Initialisierungsvorgang bestimmt wird.14. The method of claim 12 or 13, wherein the compensation signal (I HL ) is determined after an initialization process.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das Kompensationssignal (IHL) ereignisgesteuert bestimmt wird.15. The method according to any one of claims 12 to 14, wherein the compensation signal (I HL ) is determined event-controlled.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem für das Kompensationssignal (IHL) ein Kompensationsgrad einge- stellt wird. 16. The method according to any one of claims 12 to 15, wherein for the compensation signal (I HL ) a degree of compensation is set is.
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