WO2011091785A1 - Hochdynamischer bildsensor zur detektion von moduliertem licht - Google Patents

Hochdynamischer bildsensor zur detektion von moduliertem licht Download PDF

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WO2011091785A1
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Christian Schaale
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    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N25/771—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising storage means other than floating diffusion

Definitions

  • the invention relates to an image sensor, preferably a CMOS sensor, and a method for operating the same.
  • An imager or image sensor consists of an array (matrix arrangement) of pixels.
  • the basic function of a pixel is to output a signal proportional to the incident light.
  • the pixel "consists” of a photodiode, a capacitor and “switches” (transistors), which enable the switching of the photodiode and the reading of the obtained signal. If the photodiode is operated with high sensitivity (equivalent to the exposure time of the camera), the charges collected on light (photons) are collected in the capacitor (as in a bucket). Depending on whether the bucket is full or empty, a high or low signal is read out of the pixel.
  • LEDs light emitting diodes
  • CMOS image sensors have additional functionality to deliver better signals, at least in dark situations.
  • a fifth transistor capable of connecting an additional capacitor is proposed, and both components together are referred to as a "dual conversion element”.
  • optical elements which allow attenuation of the light (e.g., motorized shutter, electro-optical light attenuation element).
  • the main disadvantage of these solutions is the price as well as the durability under difficult conditions such as e.g. in the automotive sector (temperature, vibration, ).
  • image sensors with a division of the active area of the pixel area or the interconnection of multiple pixel areas are offered to be able to handle highly dynamic situations.
  • this entails disadvantages in terms of pixel sensitivity and incalculable effects with small radiation sources.
  • An essential object of the invention is to avoid problems such as, in particular, overexposure with longer integration times and only partial detection of the shape of the light signal with short integration times when detecting modulated light sources.
  • the invention is based on the idea to transmit the basic method that is used in dark situations on the day. For this purpose, the capacity of a pixel is not reduced but increased. One way to do this would be to turn on an additional capacitor via a transistor to the capacitance of the pixel at the beginning of operation and turn it off to reduce the capacitance of the pixel.
  • the number of charge carriers which can be maximally collected in the case of the pixels can be both reduced and increased on the basis of an output number. This allows reacting to different light intensities of modulated radiating objects and the ambient brightness.
  • Another way to vary the receptivity to charge carriers of a pixel is to turn on or off electrical resistances to the pixel.
  • a connected resistor causes electrons to flow away, preventing the pixel from becoming saturated.
  • a charge carrier increase due to incident photons is thereby attenuated.
  • the integration time does not have to be shortened so much even with (high) brightness as with conventional image sensors and the detection of modulated radiating objects is ensured.
  • a minimum integration time, during which charge carriers are collected for taking an image through the pixels can be specified, which ensures that the modulated radiating objects are completely recognized (eg shape of a tail light or entire content of a variable traffic sign).
  • the method is designed such that modulated radiating objects with frequencies of 100 Hz to 500 Hz can be reliably detected.
  • the capacitances of capacitors and optionally the minimum integration time can be dimensioned accordingly. In the range of these frequencies is the frequency of modulated radiating vehicle lights, especially at 100 Hz or 500Hz.
  • a pixel has an intrinsic capacitance for collecting charge carriers generated by incident light on the photodiode associated with the pixel.
  • a first capacitor is connected with a first capacitance. Newly created charge carriers are distributed over the pixel and the first capacitor.
  • the first capacitor is e.g. switched off via a transistor. The newly created carriers can now only be stored in pixels, which fills faster than before, resulting in a better signal in dark conditions.
  • a second capacitor having a second capacitance can be connected.
  • the second capacitor can be chosen to be equal to the first capacitor of the first capacitor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Bildaufnehmers mit mehreren Pixeln zur Erkennung von moduliert strahlenden Objekten, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Pixeln die Anzahl an Ladungsträgern, die gesammelt werden kann, ausgehend von einer Ausgangsanzahl sowohl verkleinert als auch vergrößert werden kann.

Description

Hochdynamischer Bildsensor zur Detektion von moduliertem Licht
Die Erfindung bezieht sich auf einen Bildaufnehmer, vorzugsweise einen CMOS-Sensor, sowie ein Verfahren zum Betrieb desselben.
Ein Bildaufnehmer oder Bildsensor besteht aus einem Array (matrixförmige Anordnung) an Pixeln. Die grundsätzliche Funktionsweise eines Pixels besteht darin eine dem einfallenden Licht proportionales Signal auszugeben.
Nachfolgend wird die Funktion im Detail vereinfacht dargestellt.
Der Pixel„besteht" aus einer Photodiode, einem Kondensator sowie„Schaltern" (Transistoren), die die Schaltung der Photodiode sowie das Auslesen des gewonnenen Signals ermöglichen. Wird die Photodiode mit hoher Empfindlichkeit betrieben (äquivalent zur Belichtungszeit beim Fotoapparat), werden die beim Auftreffen von Licht (Photonen) gesammelten Ladungen im Kondensator (wie in einem Eimer) gesammelt. Je nachdem ob der Eimer voll oder leer ist, wird ein hohes oder niedriges Signal aus dem Pixel ausgelesen.
Es kann hierbei vorkommen, dass das einfallende Licht zu schwach ist, um ein nennenswertes Signal zu erzeugen, oder so stark, dass der Eimer„überläuft", d.h. der Pixel gerät in Sättigung. Dieses Verhalten kann man zusätzlich über die Belichtungszeit (oder auch Integrationszeit) beeinflussen. In sehr hellen Situationen wird kurz belichtet und in dunklen Situationen länger.
In dunklen Situationen, speziell im Fahrerassistenzbereich, sind der Verlängerung der Integrationszeiten„natürliche" Grenzen gesetzt. Einerseits muss eine bestimmte Bild-Frequenz eingehalten werden (minimale„Update-Rate"). Anderseits werden in dunklen Situationen bewegte Objekte bei der erforderlichen langen Belichtungszeit verschwommen aufgenommen („Motion-blur"). Aber auch in hellen Situationen kann das extreme Verkürzen der Integrationszeit zu Problemen führen. Seit einiger Zeit werden speziell Autobahnen zunehmend mit Wechselverkehrszeichen ausgerüstet, auf denen z.B. Geschwindigkeitsvorgaben eingeblendet werden, wodurch eine ferngesteuerte Regelung des Verkehrsflusses ermöglicht wird.
Ferner besitzen neue Fahrzeuge immer öfter Vorder-, Rück- und Bremslichter, die Leuchtdioden (LEDs) umfassen.
Beide Neuerungen haben es aus technischen Gründen gemeinsam, dass die verwendeten Lichtquellen moduliert bzw. gepulst werden. Ist die Integrationszeit eines Bildsensors so kurz, dass sie sich nicht mit der Modulationsfrequenz deutlich überlappt, stellt der Bildsensor ein Wechselverkehrszeichen bzw. LED- Rücklicht nicht korrekt dar.
Neueste CMOS-Bildsensoren besitzen eine zusätzliche Funktionalität, um zumindest in dunklen Situationen bessere Signale zu liefern. Hierbei wird der Ladungseimer schaltbar„vertikal verkleinert", d.h. die Kapazität des Pixels durch einen schaltbaren zweiten Kondensator verkleinert, z.B. halbiert. Dadurch wird bei gleicher Ladungsträger-Anzahl (= Lichtmenge) ein höheres Signal (= Füllstand im Eimer) erreicht. Einen entsprechenden Aufbau und Betrieb eines Bildsensors zeigt US 7075049 B2. Hier wird für einen CMOS-Bildpixel mit 4 Transistoren ein fünfter Transistor vorgeschlagen, der einen zusätzlichen Kondensator zuschalten kann. Beide Bauteile zusammen werden als„duales Umwandlungselement" (dual conversion element) bezeichnet.
Ferner gibt es bereits optische Elemente, die eine Abschwächung des Lichtes ermöglichen (z.B. motorisierte Blende, elektro-optisches Element zur Lichtab- schwächung). Hauptnachteil dieser Lösungen sind der Preis sowie die Haltbarkeit unter schwierigen Bedingungen wie z.B. im Automobilbereich (Temperatur, Vibration,...).
Darüber hinaus werden Bildsensoren mit einer Teilung der aktiven Fläche der Pixelfläche bzw. dem Zusammenschalten mehrerer Pixelflächen angeboten, um hochdynamische Situationen handhaben zu können. Dies zieht allerdings Nachteile bei der Pixel-Empfindlichkeit sowie unkalkulierbare Effekte bei kleinen Strahlungsquellen nach sich.
Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, Probleme wie insbesondere eine Überbelichtung bei längeren Integrationszeiten und das nur teilweise Erfassen der Form des Lichtsignals bei kurzen Integrationszeiten beim Detek- tieren von modulierten Lichtquellen zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das grundsätzliche Verfahren, das in dunklen Situationen eingesetzt wird, auf den Tag zu übertragen. Hierzu wird die Kapazität eines Pixels nicht verkleinert sondern vergrößert. Eine Möglichkeit hierzu wäre, zu Beginn des Betriebs einen zusätzlichen Kondensator über einen Transistor zur Kapazität des Pixels zuzuschalten, und diesen abzuschalten, um so die Kapazität des Pixels zu verringern.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Bildaufnehmers mit mehreren Pixeln zur Erkennung von moduliert strahlenden Objekten kann bei den Pixeln die Anzahl an Ladungsträgern, die maximal gesammelt werden kann, ausgehend von einer Ausgangsanzahl sowohl verkleinert als auch vergrößert werden. Das ermöglicht das Reagieren auf unterschiedliche Lichtintensitäten von moduliert strahlenden Objekten und der Umgebungshelligkeit.
Eine weitere Möglichkeit zur Variation der Aufnahmefähigkeit an Ladungsträgern eines Pixels besteht darin, elektrische Widerstände zum Pixel zu- oder abzuschalten. Durch einen zugeschalteten Widerstand fließen Elektronen ab und verhindern dadurch das Sättigen des Pixels. Ein Ladungsträgeranstieg aufgrund von eintreffenden Photonen wird dadurch abgeschwächt. Durch dieses Vorgehen muss die Integrationszeit auch bei (starker) Helligkeit nicht so stark verkürzt werden wie bei herkömmlichen Bildsensoren und die Erkennung von moduliert strahlenden Objekten ist gewährleistet. Bevorzugt kann eine Mindestintegrationszeit, während der zur Aufnahme eines Bildes durch die Pixel Ladungsträger gesammelt werden, vorgegeben werden, die sicherstellt, dass die moduliert strahlenden Objekte vollständig erkannt werden (z.B. Form eines Rücklichts oder gesamter Inhalt eines Wechselverkehrszeichens).
Mit anderen Worten wird durch eine Änderung der physikalischen Eigenschaften des Bildaufnehmers, indem die Anzahl an Ladungsträgern, die in einem Pixel gesammelt werden kann, variiert wird, speziellen Lichtverhältnissen begegnet, ohne dass die Belichtungszeit variiert werden muss. Nachts oder in einem Tunnel, also bei einer dunklen Situation, ergeben so bereits geringe Lichtintensitäten einen hinreichend hohen Ladungsträgerfüllstand und somit ein hinreichendes Signal. Bei LED-Scheinwerfern oder bei Wechselverkehrszeichen, d.h. bei diesen und anderen modulierten Strahlungsquellen, kann dagegen die Kapazität zur Aufnahme von Ladungsträgern derart erhöht werden, dass eine Sättigung des Signals vermieden wird, obwohl die Belichtungszeit so lange eingestellt ist, dass LED-Scheinwerfer oder Wechselverkehrszeichen als Ganzes de- tektiert und erkannt werden können.
Vorteilhaft wird das Verfahren derart ausgelegt, dass moduliert strahlende Objekte mit Frequenzen von 100 Hz bis 500 Hz zuverlässig erkannt werden können. Dazu können insbesondere die Kapazitäten von Kondensatoren und gegebenenfalls die Mindestintegrationszeit entsprechend dimensioniert werden. Im Bereich dieser Frequenzen befindet sich die Frequenz von moduliert strahlenden Fahrzeuglichtern, insbesondere bei 100 Hz oder bei 500Hz. Die Erfindung bietet folgende Vorteile:
- Ausgestaltung des Bildaufnehmers so, dass die hochdynamischen Beleuchtungsbedingungen nicht nur über die Belichtungszeit kompensiert werden, sondern auch über die Funktionsweise des Pixels.
- Bei der Funktionsweise kann dies besonders einfach über das Schalten einer Kapazität erreicht werden.
- Diese Lösung ist äußerst kostengünstig.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden beschrieben.
Ein Pixel verfügt über eine intrinsische Kapazität zum Sammeln von Ladungsträgern, die durch eintreffendes Licht auf der dem Pixel zugeordneten Photodiode erzeugt werden. Im Ausgangszustand ist ein erster Kondensator mit einer ersten Kapazität zugeschaltet. Neu erzeugte Ladungsträger verteilen sich auf den Pixel und den ersten Kondensator. Bei Eintreten einer dunklen Situation wird der erste Kondensator z.B. über einen Transistor abgeschaltet. Die neu erzeugten Ladungsträger können nun nur noch im Pixel gespeichert werden, wodurch dieser sich schneller füllt als bisher, was zu einem besseren Signal bei dunklen Verhältnissen führt.
Ausgehend vom Ausgangszustand kann jedoch insbesondere beim Erkennen von Licht von einem moduliert strahlenden Objekt zusätzlich zum ersten ein zweiter Kondensator mit einer zweiten Kapazität zugeschaltet werden. Die zweite Kapazität kann hierbei durchaus gleich der ersten Kapazität des ersten Kondensators gewählt werden. Durch das Zuschalten verteilen sich die Ladungsträger auf den Pixel und beide Kondensatoren, so dass der Anstieg an Ladungsträgern im Pixel verlangsamt ist. Dadurch tritt das Signal auch bei langen Sammel- bzw. Integrations- bzw. Belichtungszeiten nicht in Sättigung und es kann der gesamte Inhalt eines Wechselverkehrszeichens bzw. die gesamte Form eines LED-Fahrzeuglichts erkannt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Bildaufnehmers mit mehreren Pixeln zur Erkennung von moduliert strahlenden Objekten, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Pixeln die Anzahl an Ladungsträgern, die gesammelt werden kann, ausgehend von einer Ausgangsanzahl sowohl verkleinert als auch vergrößert werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine veränderte Anzahl an Ladungsträgern, die gesammelt werden können, durch das Schalten eines Kondensators erreicht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine veränderte Anzahl an Ladungsträgern, die gesammelt werden können, durch das Schalten eines Widerstands erreicht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mindestintegrationszeit, während der zur Aufnahme eines Bildes durch die Pixel Ladungsträger gesammelt werden, vorgegeben ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausganganzahl an Ladungsträgern durch die Kapazität des Pixels und die Kapazität eines ersten zugeschalteten Kondensators gegeben ist, und ein zweiter Kondensator zusätzlich zugeschaltet werden kann.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion von moduliert strahlenden Objekten die maximal verfügbare Anzahl an Ladungsträgern gesammelt werden kann.
7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Ladungsträgern, die gesammelt werden kann, durch die Kapazität des Pixels, die Kapazität des ersten und die Kapazität des zweiten zugeschalteten Kondensators gegeben ist.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Ladungsträgern, die durch einen Pixel gesammelt werden kann, sowie gegebenenfalls die Mindestintegrationszeit de- rart vorgegeben sind, dass moduliert strahlende Objekte mit Frequenzen von 100 Hz bis 500 Hz erkannt werden können.
9. Bildaufnehmer mit mehreren Pixeln umfassend eine Steuervorrichtung zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche.
10. Fahrzeug mit einem Bildaufnehmer nach Anspruch 9.
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