DE102008058289B4

DE102008058289B4 - Rauschreduktion bei Aktiv-Pixel-Sensor-Arrays

Info

Publication number: DE102008058289B4
Application number: DE102008058289A
Authority: DE
Inventors: Joshua Oakland Posamentier
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2028-11-21
Also published as: US7884865B2; US20110102644A1; GB0822490D0; GB2455441A; DE102008058289A1; US20090146195A1; US8373778B2; GB2455441B

Abstract

System zum Detektieren eines schnellen Rauschens bei Aktiv-Pixel-Sensoren, mit:
einer Flächenfotodiode (110);
einem Rücksetztransistor (120), der einen ersten Source-Anschluss, einen ersten Gate-Anschluss und einen ersten Drain-Anschluss hat, wobei der erste Source-Anschluss mit der Flächenfotodiode verbunden ist, der erste Gate-Anschluss ein Rücksetzsignal empfangt und der erste Drain-Anschluss eine Rücksetzspannung erhält;
einem Verstärkertransistor (130), der einen zweiten Source-Anschluss, einen zweiten Gate-Anschluss und einen zweiten Drain-Anschluss hat, wobei der zweite Gate-Anschluss mit der Flächenfotodiode und dem ersten Source-Anschluss des Rücksetztransistors verbunden ist und der zweite Drain-Anschluss des Verstärkertransistors eine Speisespannung erhält;
einem Zeilenwähltransistor (140), der einen dritten Source-Anschluss, einen dritten Gate-Anschluss und einen dritten Drain-Anschluss hat, wobei der dritte Gate-Anschluss ein Zeilenwählsignal empfängt und der dritte Drain mit dem zweiten Source-Anschluss des Verstärkertransistors verbunden ist;
einem schnellen Analog-Digital-Wandler (150), der einen ersten analogen Eingangskanal und einen ersten digitalen Ausgangskanal hat, wobei der erste analoge Eingangskanal mit dem dritten...

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein bildgebende Sensoren und insbesondere die Rauschreduktion und Datenregenerierung bei bildgebenden Aktiv-Pixel-Sensoren.
Hintergrund der Erfindung
Ein Bildsensor ist eine Vorrichtung, die ein visuelles Bild in ein elektrisches Signal umwandelt. Der Bildsensor wird hauptsächlich in Digitalkameras verwendet, ist aber auch in anderen bildgebenden Vorrichtungen zu finden. Der Sensor ist normalerweise ein integrierter Schaltkreis, der ein Array aus ladungsträgergekoppelten Bauelementen (CCDs) oder CMOS-Pixel-Sensoren enthält, wobei letztere als Aktiv-Pixel-Sensoren (APSs) bezeichnet werden.
Die Qualität eines Bilds, das unter Verwendung eines Bildsensors erzeugt wird, kann durch verschiedene Rauschpegel beeinträchtigt werden, die beim Aufnehmen und Erzeugen des Bilds hineingelangen. Da zum Beispiel die Fläche je Aktiv-Pixel-Element für bildgebende Sensoren schrumpft, erfassen die Pixel-Elemente weniger Licht und können stärker für Stromschwankungen (d. h. Dunkelrauschen) empfänglich werden, die durch Hintergrundstrahlung in einem Pixel-Element entstehen. Je länger das Pixel-Element bei geringem Licht belichtet wird und je höher der Verstärkungsfaktor je Pixel-Element ist, umso größer wird das Dunkelrauschen, und es kommt zu einer Bildverzerrung.
Das Rauschen von zufälligen Anregungen von CCD- oder APS-Pixelelementen kann nichtlinear über die Zeit auftreten, wie etwa in einzelnen nichtkorrelierten Spitzen oder Bursts von kurzer Dauer. Das Rauschen von zufälligen Anregungen kann von der erhöhten Empfindlichkeit der Pixel und energiereichen zufälligen Photonen kommen, die in Bereichen [z. B. im nahen Infrarotbereich (NIR) oder im extremen Ultraviolettbereich (EUV)] detektiert werden, die nicht detektiert werden sollen. Zum Beispiel können Alphateilchen oder Gammastrahlenphotonen zu einer Anregung bei einzelnen Teilchen führen. Solche Rauschquellen sind schnelle zufällige Einzelereignisse, die normalerweise in einem einzelnen Pixel auftreten können, und sind der Grund dafür, dass ein großer Teil der gesamten Energie von dem Pixel in dem gewählten Zeitintervall (d. h., dem Frame) absorbiert wird, und sie sind kein allmähliches, kumulatives Ereignis.
Zurzeit ist es bei Aktiv-Pixel-Sensoren, die zeilen- und spaltengesteuert werden, nicht möglich, eine zufällige Anregung zu erkennen, die eine zu große Energiemenge in das Pixel einbringt. Um dieses Problem zu beheben, wird normalerweise eine Korrekturfunktion verwendet, die eine Interpolation oder eine Farbkanalfilterung erfordert. Leider können jedoch die Daten aus Zellen, die einer Anregung ausgesetzt waren, als Folge der Verwendung der Korrekturfunktion dauerhaft verloren gehen, alles zum Schaden der Bildqualität.
EP 1 081 941 A2 lehrt eine APS-Zelle mit einer Flächenfotodiode, einem Rücksetzstansistor, einem Verstärkertransistor, einem Zeilenwähltransistor und einem Analog-Digital-Wandler.
US 6,927,796 B2 offenbart eine Architektur von selbstrücksetzenden digitalen Pixeln, wobei jedes Pixel eine Fotodiode, einen Komparator, eine Feedback-Schleife und einen 8-Bit-Speicher umfasst.
US 6,348,681 B1 offenbart ein APS-Zellenarray mit einem Analog-Digital-Wandler und einem Digital-Analog-Wandler, die direkt miteinander verbunden sind.
US 7,009,636 B2 offenbart einen mathematischen Algorithmus auf höherer Ebene zum Schätzen eines Fotostroms.
WO 00/38409 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb von Aktiv-Pixel-Sensoren.
Daher werden Verfahren und ein System zum Speichern der Daten benötigt, die durch die vorgenannte Korrekturfunktion verloren gehen können, um eine hohe Bildqualität insbesondere bei einem hochempfindlichen Sensor aufrechtzuerhalten, der Anregungen mit hohen Dosen in sehr kurzen Intervallen ausgesetzt sein kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Figuren in den beigefügten Zeichnungen verständlich, die nachstehend beschrieben werden.
1 zeigt eine beispielhafte Aktiv-Pixel-Sensor-Schaltung nach einer Ausführungsform.
2 ist eine Aktiv-Pixel-Sensor-Schaltung zum Prüfen einer Detektorreaktion nach einer Ausführungsform.
3 ist eine grafische Darstellung, die eine beispielhafte Zeit eines Amplitudengangs der Schaltung von 1 bei nichtlinearen Anregungsereignissen zeigt.
4 ist eine Aktiv-Pixel-Sensor-Schaltung zum Detektieren einer schnellen nichtlinearen Anregung und zum Korrigieren des Zellen-Ausgangssignals nach einer Ausführungsform.
5 ist eine Aktiv-Pixel-Sensor-Schaltung zum Detektieren einer schnellen nichtlinearen Anregung und zum Korrigieren des Zellen-Ausgangssignals nach einer weiteren Ausführungsform.
6 ist eine Aktiv-Pixel-Sensor-Schaltung zum Detektieren einer schnellen nichtlinearen Anregung und zum Korrigieren des Zellen-Ausgangssignals nach einer weiteren Ausführungsform.
Merkmale, Elemente und Aspekte der Erfindung, die in unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugssymbolen bezeichnet sind, stellen die gleichen, entsprechende oder ähnliche Merkmale, Elemente oder Aspekte bei einer oder mehreren Ausführungsformen dar.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bestimmte Aspekte, Vorzüge und neue Merkmale der Erfindung werden hier zusammenfassend beschrieben. Es ist klar, dass bei keiner speziellen Ausführungsform der Erfindung alle diese Vorzüge erzielt werden können. Daher kann die Erfindung so verkörpert oder ausgeführt werden, dass ein Vorzug oder eine Gruppe von Vorzügen erzielt oder optimiert wird, ohne alle Vorzüge zu erzielen, die hier dargelegt werden oder auf die hier hingewiesen wird. Ein System zum Detektieren des schnellen Rauschens bei Aktiv-Pixel-Sensoren weist eine Flächenfotodiode oder Junction-Fotodiode und einen Rücksetztransistor auf. Der Rücksetztransistor hat einen ersten Source-Anschluss, einen ersten Gate-Anschluss und einen ersten Drain-Anschluss, wobei der erste Source-Anschluss mit der Flächenfotodiode verbunden ist.
Der erste Gate-Anschluss empfangt ein Rücksetzsignal, und der erste Drain-Anschluss erhält eine Rücksetzspannung.
Das System weist weiterhin einen Verstärkertransistor auf, der einen zweiten Source-Anschluss, einen zweiten Gate-Anschluss und einen zweiten Drain-Anschluss hat. Der zweite Gate-Anschluss ist mit der Flächenfotodiode und dem ersten Source-Anschluss des Rücksetztransistors verbunden. Der zweite Drain-Anschluss des Verstärkertransistors erhält eine Speisespannung. Das System weist weiterhin einen Zeilenwähltransistor auf, der einen dritten Source-Anschluss, einen dritten Gate-Anschluss und einen dritten Drain-Anschluss hat.
Der dritte Gate-Anschluss empfängt ein Zeilenwählsignal, und der dritte Drain ist mit dem zweiten Source-Anschluss des Verstärkertransistors verbunden. Ein schneller Analog-Digital-Wandler hat einen ersten analogen Eingangskanal und einen ersten digitalen Ausgangskanal. Der erste analoge Eingangskanal ist mit dem dritten Source-Anschluss des Zeilenwähltransistors verbunden.
Ein Verfahren zum Detektieren des schnellen Rauschens bei Aktiv-Pixel-Sensoren weist das Empfangen eines Lichtsignals an einer Flächenfotodiode beim Auftreten eines schnellen Anregungsereignisses auf. Das empfangene Lichtsignal wird in eine verstärkte Spannung umgewandelt, und die verstärkte Spannung wird in ein digitales Signal umgewandelt, wobei das Umwandeln in ein digitales Signal unter Verwendung einer Analog-Digital-Wandler-Schaltung erfolgt, die Ereignissignale bis zu einem ersten Frequenz-Schwellenwert auflösen kann.
Eine oder mehrere der vorgenannten Ausführungsformen sowie bestimmte Alternativen werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine bestimmte beschriebene Ausführungsform beschränkt.
Ein Aktiv-Pixel-Sensor-Array kann einzelne Aktiv-Pixel-Sensor-Zellen aufweisen, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Bei einem CMOS-Bildsensorchip weist der Aktiv-Pixel-Sensor eine zusätzliche Schaltung auf, die mit jedem Fotosensor assoziiert ist, der die Lichtenergie in eine Spannung umwandelt. Jeder Pixel-Sensor enthält einen Fotodetektor, der mit einer Aktiver-Transistor-Rücksetz- und -Leseschaltung verbunden ist. Eine zusätzliche Schaltung auf dem Chip wandelt die Spannung in digitale Daten um.
Wie in 1 gezeigt ist, weist ein CMOS-APS 100 drei Transistoren sowie einen Fotodetektor auf. Der Fotodetektor kann normalerweise eine Flächenfotodiode sein. Licht bewirkt einen Strom oder einen Einbau von Ladungen in der „parasitären” Kapazität der Flächenfotodiode 110, wodurch es zu einer Spannungsänderung kommt, die mit dem einfallenden Licht in Beziehung steht. Ein Rücksetztransistor 120 fungiert als Schalter zum Rücksetzen der Anordnung. Wenn der Rücksetztransistor 120 eingeschaltet wird, wird die Fotodiode effektiv mit der Spannungsquelle V_RESET verbunden, wodurch der Übergang auf diese Spannung geladen wird.
Ein Verstärkertransistor 130 arbeitet als Pufferverstärker, wodurch die Pixelspannung beobachtet werden kann, ohne die gespeicherte Ladung aufzuheben. Die Spannungsquelle V_DD des Verstärkertransistors 130 ist normalerweise mit der Spannungsquelle des Rücksetztransistors 120 verbunden, kann aber auch mit einem gesonderten Spannungspegel assoziiert sein.
Wie in 1 gezeigt ist, weist der CMOS-APS 100 drei Transistoren sowie einen Fotodetektor auf. Der Fotodetektor kann normalerweise eine Flächenfotodiode sein. Licht bewirkt einen Strom oder einen Einbau von Ladungen in der „parasitären” Kapazität der Flächenfotodiode 110, wodurch eine Spannungsänderung entsteht, die mit dem einfallenden Licht in Beziehung steht. Ein Rücksetztransistor 120 arbeitet als Schalter zum Rücksetzen der Anordnung. Wenn der Rücksetztransistor 120 eingeschaltet wird, wird die Fotodiode effektiv mit der Spannungsquelle V_RESET verbunden, wodurch der Übergang auf diese Spannung geladen wird.
Ein Verstärkertransistor 130 arbeitet bei einer Ausführungsform als Pufferverstärker, wodurch die Pixelspannung beobachtet werden kann, ohne die gespeicherte Ladung aufzuheben. Die Spannungsquelle V_DD des Verstärkertransistors 130 ist normalerweise mit der Spannungsquelle des Rücksetztransistors 120 verbunden, kann aber auch mit einem gesonderten Spannungspegel assoziiert sein.
2 zeigt bei einer Ausführungsform eine einzelne Aktiv-Pixel-Sensor(APS)-Zelle 200 mit drei Transistoren, die eine pn-Flächenfotodiode 110 mit einer an Erde gelegten Anode aufweist. Der pn-Übergang ist eine effektive Kapazität, die mit der Source des Rücksetztransistors 120 und einem Gate des Verstärkertransistors 130 verbunden ist, der als Sourcefolgerverstärker dient. Der Verstärkertransistor 130 erfasst die Ladung von der Flächenfotodiode 110, ohne die Ladung der Flächenfotodiode 110 abzuleiten, und stellt ein Spannungs-Ausgangssignal als Maß für die Ladung bereit. Die Drains des Rücksetztransistors 120 und des Verstärkertransistors 130 können an eine Speisespannung V_DD gelegt werden. Bei der beispielhaften Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, kann der Drain des Rücksetztransistors 120 an eine andere Spannung V_RESET gelegt werden.
Der Verstärkertransistor 130 wird zum Beispiel über einen Zeilenwählzugangstransistor 140 mit einem schnellen Analog-Digital-Wandler (ADC) 150 verbunden. Die Geschwindigkeit des ADC 150 und ähnlicher digitaler Komponenten, die nachstehend näher beschrieben werden, kann so gewählt werden, dass sie so hoch ist, dass sie plötzliche Anregungsänderungen in den Spannungspegeln bis zu einem festgelegten Frequenzgang erkennen können. Wenn der Rücksetztransistor 120 aktiviert wird, bringt er eine Ladung in den Übergang der Fotodiode 110 ein, die mit der Spannungsquelle V_RESET verbunden ist. Diese Ladung wird über die Flächenfotodiode 110 mit einer Geschwindigkeit abgeleitet, die der Intensität des auf die Flächenfotodiode 110 auftreffenden Lichts proportional ist. Ein Signal, das dieser Intensität proportional ist, kann von dem APS über den ADC 150 in eine Datenleitung eingelesen werden, zum Beispiel durch Aktivieren des Zeilenwählzugangstransistors 140, wenn ein Zeilenwählsignal angelegt wird.
Bei einem ersten Betriebszustand (z. B. einem normalen Betriebsablauf) kann V_RESET für eine oder mehrere (z. B. alle) APS-Zellen gleichgroß sein. Daher können zu Beginn eines Bildgebungszyklus eine oder mehrere Flächenfotodioden 110 auf V_RESET geladen werden, wenn das Rücksetzsignal gesendet wird. Da Photonen, die an der Flächenfotodiode 110 ankommen, bewirken, dass Ladungen zur Erde abgeleitet werden, kann sich die Spannung, die an dem Gate des Verstärkertransistors 130 anliegt, von V_RESET bis zur Erde ändern, was zum Beispiel zu einer Änderung der Spannung führt, die an dem ADC 150 festzustellen ist. Die Spannung an dem ADC 150 kann zum Beispiel bei etwa null beginnen und kann sich in Abhängigkeit von der Lichtintensität auf einen Wert bis zu einem Sättigungsmaximum ändern, das ungefähr gleich V_DD ist.
In dem ersten Betriebszustand kann die Verschlussgeschwindigkeit (d. h., die Länge des Zeitrahmens zwischen dem erneuten Senden von Rücksetzsignalen) für die erwarteten Lichtbedingungen so eingestellt werden, dass die Lichtintensität nicht ausreicht, um die Spannung an dem Gate des Verstärkertransistors 130 zur Erde zu steuern. Wenn das geschieht, kann der ADC 150 den vollen Wert der Speisespannung (d. h. V_DD) erhalten, der der Sättigung entspricht. Somit liefert bei einer Ausführungsform der ADC 150 ein Ausgangssignal, das innerhalb des von der V_DD festgelegten dynamischen Bereichs liegt.
Eine plötzliche nichtlineare und diskontinuierliche (d. h., Quanten-)Anregung kann ein plötzliches Absinken der übriggebliebenen Ladung bewirken, sodass sie über den Übergang der Fotodiode 110 abgeleitet wird, was zur Folge hat, dass der ADC 150 eine Sättigungsspannung vor dem Ende des Zeitrahmens registrieren kann oder zumindest ein Ausgangssignal registrieren kann, das größer als das ist, das bei fehlender Anregung zu erwarten ist. Bei einer Ausführungsform kann der ADC 150 eine Abtastgeschwindigkeit haben, die den Spannungsanstieg so schnell erfassen kann, dass das Auftreten und die Größe einer unerwarteten diskontinuierlichen oder Quantenverschiebung behoben werden.
3 ist eine grafische Darstellung einer beispielhaften Zeit für die Reaktion auf ein nichtlineares Anregungsereignis für die APS-Zellen-Schaltung 100, die in 2 gezeigt ist. Wie gezeigt ist, registriert der ADC 150 in einem Zeitrahmen von 1/60 Sekunde (d. h., 0,0167 s) eine langsame Zunahme von gespeicherten Photonen zum Beispiel in einem Zustand geringer Lichtintensität, der den durch die V_DD definierten Bereich möglicherweise nicht sättigt. Es ist eine beispielhafte nicht-bildbezogene Anregung gezeigt, die bei ungefähr 0,008 Sekunden auftritt, was zu einem diskontinuierlichen Sprung in dem abgetasteten Signal an dem ADC 150 führt, das einen Frequenzgang hat, der so hoch ist, dass er das Anregungsereignis mit einer zufriedenstellenden Geschwindigkeit behebt. Als Folge des Anregungsereignisses kann das gespeicherte Signal eine Sättigung in dem ADC 150 vor dem Ende des Zeitrahmens erreichen.
Die Ausgleichsverschiebung, die für den Eingang des ADC 150 bereitgestellt wird, kann zum Korrigieren eines Plötzliche-Verschiebungs-Signals auf verschiedene Weise verwendet werden. Zum Beispiel kann bei einer APS-Zellen-Schaltung 400, die in 4 gezeigt ist, die Größe der Verschiebung als kurzer transienter Impuls durch einen Kondensator 160 zwischen dem Source-Anschluss des Verstärkertransistors 130 und einer Treiberschaltung 170 detektiert werden. Die Treiberschaltung 170 kann ein Teilrücksetz-Signal für das Gate des Rücksetztransistors 120 bereitstellen, das ausreicht, um bei Bedarf die Ladung an der Flächenfotodiode 110 zurückzusetzen, die an dem Gate des Verstärkertransistors 130 festzustellen ist.
Der Ladungsrücksetzwert kann zweckmäßigerweise gleich einer Ladung sein, die bei fehlender Anregung vorhanden wäre, sodass eine Spannung an dem Gate des Verstärkertransistors 130 bereitgestellt wird, die ungefähr gleich dem Wert der Spannung wäre, die bei fehlender Anregung vorhanden gewesen wäre, und ein kontinuierliches Bildgebungsverhalten ermöglicht wird. Eine fortgesetzte Photonen-Absorption führt dazu, dass die Ladung über die Fotodiode 110 abgeleitet wird und sich dann die Spannung an dem Gate des Rücksetztransistors 120 entsprechend dem Rücksetzwert ändert, als ob die Anregung nicht aufgetreten wäre.
Bei einer alternativen Ausführungsform (die nicht gezeigt ist) kann der Kondensator 160 stattdessen zwischen den Zeilenwähltransistor 140 und den ADC 150 für die Treiberschaltung 170 geschaltet werden, wobei die Treiberschaltung 170 die gleiche erforderliche Korrektur wie bei der in 4 gezeigten Ausführungsform ermöglicht. Die hier benutzte Begriff „geschaltet” bezeichnet ein physisches oder logisches Verbinden zwischen elektrischen Komponenten des Systems.
Alternativ kann bei einer weiteren Ausführungsform (die nicht gezeigt ist) beim Detektieren eines Ereignisses die maximale Voranregungsspannung, die an dem ADC 150 erhalten wird, bis zum Ende des Zeitrahmens (zum Beispiel 1/60 Sekunde) extrapoliert werden, um die Pixelposition auf ein nichtgesättigtes Niveau zu füllen, das bei fehlender Anregung vorgelegen hätte. Das heißt, der von dem ADC ausgegebene Sättigungswert kann durch den extrapolierten Wert ersetzt werden. In 3 ist zu erkennen, dass der Anstieg der Signaländerungen vor und nach dem Ereignis im Wesentlichen gleichgroß sein kann. Die Größe des diskontinuierlichen Anstiegs der gemessenen Spannung des ADC 150 kann unter Verwendung von Software oder Hardware subtrahiert werden, und das Signal kann auf die extrapolierte Spannung zurückgesetzt werden.
5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer APS-Zelle 500, bei der die plötzliche Änderung der Spannung, die an dem ADC 150 festzustellen ist, zum Erzeugen eines Rücksetzsignals an dem Gate des Rücksetztransistors 120 und zweckmäßigerweise zum gleichzeitigen Einstellen der V_RESET zum Laden der Flächenfotodiode 110 auf zum Beispiel die gleiche oder eine extrapolierte Spannung verwendet werden kann, die an dem Gate des Verstärkertransistors 130 bei fehlender Anregung festzustellen wäre. Bei Bildgebungsprozessen, bei denen anzunehmen ist, dass die normale Geschwindigkeit der Änderung der Ladungsableitung an der Fotodiode 110 über das Intervall des Zeitrahmens konstant ist, kann eine schnelle Prädiktorschaltung 510, die wirksam mit dem ADC 150 verbunden ist, die Spannung prädizieren, die in der nächsten Abtastperiode des ADC 150 zu erwarten ist.
Eine gemessene plötzliche Änderung, die von dem prädizierten Wert abweicht, kann in einen schnellen Digital-Analog-Wandler (DAC) 520 eingegeben werden, um eine variable analoge Rücksetzung auf den Wert der V_RESET an dem Drain des Rücksetztransistors 120 zu ermöglichen. Die Prädiktorschaltung 510 kann ein Rücksetzsignal an das Gate des Rücksetztransistors 120 senden, um das Laden des Übergangs der Fotodiode 110 auf ein Niveau zu gestatten, das der an dem Eingang des ADC 150 prädizierten Spannung entspricht. Bei einer speziellen Ausführungsform können die Prädiktorschaltung 510 und der DAC 520 Frequenzgänge haben, die im Wesentlichen die Gleichen wie bei dem ADC 150 sind, um gegebenenfalls auf Anregungsereignisse zu reagieren.
6 zeigt eine APS-Zelle 600 nach einer weiteren Ausführungsform, bei der ein Prädiktor 610 so geeicht ist, dass er den DAC 620 anweist, die Speisespannung V_DD für den Drain des Verstärkertransistors 130 so einzustellen, dass er die Spannung entsprechend so verringert, dass sie mit der Spannung unmittelbar vor dem Auftreten des nichtlinearen Anregungsereignisses übereinstimmt. Der Prädiktor 610 kann so eingerichtet sein, dass er den DAC 620 anweist, die Speisespannung V_DD für die Dauer des Zeitrahmens der Lichtspeicherung (z. B. 1/60 einer Sekunde) kontinuierlich einzustellen. Dadurch kann der Prädiktor 610 eine Sättigung des Pixel-Ausgangssignals vermeiden.
Es ist wohlverstanden, dass die Stromableitung durch die Flächenfotodiode 110 über die Länge des Zeitrahmens zum Beispiel im Wesentlichen linear sein kann (z. B. bei normalem Betrieb), während die Geschwindigkeit der Änderung der von dem DAC 620 bereitgestellten V_DD einer nichtlinearen Zeit-Abhängigkeit folgen kann, um zu gewährleisten, dass der ADC 150 ein Signal empfängt, das eine normale Geschwindigkeit des Eintreffens von Photonen an der Flächenfotodiode 110 simuliert. Der Prädiktor 610 kann diese Beziehung über den DAC 620 steuern und kann zwischen der normalen linearen Änderung, die an dem Eingang des ADC 150 entsteht, und plötzlichen nichtlinearen Änderungen unterscheiden, die von fremden Anregungen herrühren.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erläutern die Erfindung, aber beschränken sie nicht. Es ist daher klar, dass die Erfindung mit Modifikationen und Abwandlungen genutzt werden kann, die innerhalb des Grundgedankens und Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche liegen. Die Beschreibung soll weder erschöpfend sein, noch soll sie die Erfindung auf genau die Form beschränken, die beschrieben wird. Diese und verschiedene weitere Anpassungen und Kombinationen der beschriebenen Ausführungsformen liegen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung und werden von den Ansprüchen und ihrem vollen Schutzumfang von Äquivalenten näher definiert.

Claims

System zum Detektieren eines schnellen Rauschens bei Aktiv-Pixel-Sensoren, mit: einer Flächenfotodiode (110); einem Rücksetztransistor (120), der einen ersten Source-Anschluss, einen ersten Gate-Anschluss und einen ersten Drain-Anschluss hat, wobei der erste Source-Anschluss mit der Flächenfotodiode verbunden ist, der erste Gate-Anschluss ein Rücksetzsignal empfangt und der erste Drain-Anschluss eine Rücksetzspannung erhält; einem Verstärkertransistor (130), der einen zweiten Source-Anschluss, einen zweiten Gate-Anschluss und einen zweiten Drain-Anschluss hat, wobei der zweite Gate-Anschluss mit der Flächenfotodiode und dem ersten Source-Anschluss des Rücksetztransistors verbunden ist und der zweite Drain-Anschluss des Verstärkertransistors eine Speisespannung erhält; einem Zeilenwähltransistor (140), der einen dritten Source-Anschluss, einen dritten Gate-Anschluss und einen dritten Drain-Anschluss hat, wobei der dritte Gate-Anschluss ein Zeilenwählsignal empfängt und der dritte Drain mit dem zweiten Source-Anschluss des Verstärkertransistors verbunden ist; einem schnellen Analog-Digital-Wandler (150), der einen ersten analogen Eingangskanal und einen ersten digitalen Ausgangskanal hat, wobei der erste analoge Eingangskanal mit dem dritten Source-Anschluss des Zeilenwähltransistors verbunden ist; einer Prädiktorschaltung (510), die einen zweiten digitalen Eingangskanal, einen zweiten digitalen Ausgangskanal und einen zweiten Rücksetzsignal-Ausgangskanal hat, wobei der zweite digitale Eingangskanal der Prädiktorschaltung mit dem ersten digitalen Ausgangskanal des Analog-Digital-Wandlers verbunden ist und der zweite Rücksetzsignal-Ausgangskanal der Prädikatorschaltung mit dem ersten Gate-Anschluss des Rücksetzungstransistors verbunden ist; und einem Digital-Analog-Wandler (520), der einen dritten digitalen Eingangskanal und einen dritten analogen Ausgangskanal hat, wobei der dritte digitale Eingangskanal des Digital-Analog-Wandlers mit dem zweiten digitalen Ausgangskanal der Prädiktorschaltung verbunden ist und der dritte analoge Ausgangskanal des Digital-Analog-Wandlers mit dem zweiten Drain des Verstärkertransistors verbunden ist.
System nach Anspruch 1, das weiterhin einen Kondensator aufweist, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss hat, wobei der erste Anschluss mit dem zweiten Source-Anschluss des Verstärkertransistors und dem dritten Drain-Anschluss des Zeilenwähltransistors verbunden ist.
System nach Anspruch 2, das weiterhin eine Treiberschaltung aufweist, die einen ersten Treiber-Eingangsanschluss und einen zweiten Treiber-Ausgangsanschluss hat, wobei der erste Treiber-Eingangsanschluss mit dem zweiten Anschluss des Kondensators verbunden ist und der zweite Treiber-Ausgangsanschluss mit dem ersten Gate-Anschluss des Rücksetztransistors verbunden ist, um ein Rücksetzsignal für das Rücksetztransistor-Gate bereitzustellen.
System nach Anspruch 1, das weiterhin einen Kondensator mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss mit dem dritten Drain-Anschluss des Zeilenwähltransistors und dem ersten analogen Eingangsanschluss des Analog-Digital-Wandlers verbunden ist.
System nach Anspruch 4, das weiterhin eine Treiberschaltung aufweist, die einen ersten Treiberanschluss und einen zweiten Treiberanschluss hat, wobei der erste Treiberanschluss mit dem zweiten Treiberanschluss des Kondensators verbunden ist und der zweite Treiberanschluss mit dem ersten Gate-Anschluss des Rücksetztransistors verbunden ist, um ein Rücksetzsignal für das Rücksetztransistor-Gate bereitzustellen.
Verfahren zum Detektieren des schnellen Rauschens bei Aktiv-Pixel-Sensoren, mit den folgenden Schritten: Empfangen eines Lichtsignals an einer Flächenfotodiode (110) beim Auftreten eines schnellen Anregungsereignisses; Umwandeln des empfangenen Lichtsignals in eine verstärkte Spannung; Umwandeln der verstärkten Spannung in ein digitales Signal, wobei das Umwandeln in ein digitales Signal unter Verwendung einer Analog-Digital-Wandler-Schaltung (150) erfolgt, die Ereignissignale bis zu einem ersten Frequenz-Schwellenwert auflösen kann; und Prädizieren einer Spannung für eine nächste Abtastperiode der Analog-Digital-Wandler-Schaltung (150) basierend auf dem digitalen Signal.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Flächenfotodiode (110) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss hat, wobei der erste Anschluss der Flächenfotodiode mit einem Rücksetztransistor (120) verbunden ist und der zweite Anschluss mit einer elektrischen Bezugserde verbunden ist, wobei der Rücksetztransistor einen ersten Source-Anschluss, einen ersten Gate-Anschluss und einen ersten Drain-Anschluss hat, wobei der erste Source-Anschluss mit der Flächenfotodiode verbunden ist, der erste Gate-Anschluss ein Rücksetzsignal empfangt und der erste Drain-Anschluss eine Rücksetzspannung erhält, und wobei das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst: Verstärken des empfangenen Lichtsignals und der schnellen Anregung zu einer Spannung unter Verwendung eines Verstärkertransistors (130), wobei der Verstärkertransistor einen zweiten Source-Anschluss, einen zweiten Gate-Anschluss und einen zweiten Drain-Anschluss aufweist, wobei der zweite Gate-Anschluss mit dem ersten Anschluss der Flächenfotodiode und dem ersten Source-Anschluss des Rücksetztransistors so verbunden ist, dass der zweite Drain-Anschluss eine Speisespannung erhält; Ausgeben der verstärkten Spannung an einen Zeilenwähltransistor (140), der einen dritten Source-Anschluss, einen dritten Gate-Anschluss und einen dritten Drain-Anschluss hat, wobei der dritte Gate-Anschluss des Zeilenwähltransistors ein Zeilenwählsignal empfängt und der dritte Drain des Zeilenwähltransistors mit dem zweiten Source-Anschluss des Verstärkertransistors verbunden ist; Bereitstellen der verstärkten Spannung von dem Zeilenwähltransistor für die Analog-Digital-Wandlerschaltung (150), die einen ersten analogen Eingangsanschluss und einen ersten digitalen Ausgangsanschluss hat, wobei der dritte Source-Anschluss des Zeilenwähltransistors mit dem ersten analogen Eingangsanschluss der Analog-Digital-Wandlungsschaltung verbunden ist; und Korrigieren des Ausgangssignals des Analog-Digital-Wandlers aufgrund der verstärkten Spannung.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrigieren das Senden des Schnelles-Ereignis-Teils der verstärkten Spannung an eine Treiberschaltung (170) aufweist, die einen zweiten analogen Eingang und einen zweiten analogen Ausgang hat, wobei ein erster Anschluss eines Kondensators (160) mit dem zweiten Drain des Verstärkertransistors und dem dritten Drain des Zeilenwähltransistors verbunden ist, ein zweiter Anschluss des Kondensators mit einem zweiten analogen Eingang der Treiberschaltung verbunden ist und der zweite analoge Ausgang der Treiberschaltung mit dem ersten Drain-Anschluss des Rücksetztransistors verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 8, das weiterhin das Bereitstellen einer Spannung von dem zweiten analogen Ausgang der Treiberschaltung für den ersten Gate-Anschluss des Rücksetztransistors aufweist, die ausreicht, um den ersten Anschluss der Flächenfotodiode und den zweiten Gate-Anschluss des Verstärkers auf ein erstes Niveau zu laden, um eine Änderung der an den Drain-Anschluss der Flächenfotodiode angelegten Ladung, die aus dem schnellen Anregungsereignis resultiert, im Wesentlichen zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 7, das weiterhin Folgendes aufweist: Bereitstellen des Ausgangssignals des ersten digitalen Ausgangsanschlusses der Analog-Digital-Wandlungsschaltung für eine Prädiktorschaltung (510), die einen dritten digitalen Eingangsanschluss, einen dritten digitalen Ausgangsanschluss und einen dritten analogen Ausgangsanschluss hat, wobei der erste digitale Ausgangsanschluss der Analog-Digital-Wandlungsschaltung mit dem dritten digitalen Eingangsanschluss der Prädiktorschaltung verbunden ist; Erzeugen eines digitalen Signals von dem dritten digitalen Ausgangsanschluss der Prädiktorschaltung und eines analogen Signals von dem dritten analogen Ausgangsanschluss der Prädiktorschaltung und Empfangen des digitalen Signals von dem dritten digitalen Ausgangsanschluss der Prädiktorschaltung an einer Digital-Analog-Wandlerschaltung (520), die einen vierten digitalen Eingangsanschluss und einen vierten analogen Ausgangsanschluss hat, wobei der dritte digitale Ausgangsanschluss der Prädiktorschaltung mit dem vierten digitalen Eingangsanschluss der Digital-Analog-Wandlerschaltung verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, das weiterhin Folgendes aufweist: Verbinden des vierten analogen Ausgangsanschlusses der Digital-Analog-Wandlerschaltung mit dem ersten Gate-Anschluss des Rücksetztransistors; Bereitstellen des analogen Signals von dem dritten analogen Ausgangsanschluss der Prädiktorschaltung für den ersten Gate-Anschluss des Rücksetztransistors und Bereitstellen des analogen Signals, das von dem vierten analogen Ausgangsanschluss des Digital-Analog-Wandlers ausgegeben wird, für den ersten Drain-Anschluss des Rücksetztransistors.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin Folgendes aufweist: Ausgeben einer analogen Rücksetzspannung in einer entsprechenden Höhe von dem vierten analogen Ausgangsanschluss des Digital-Analog-Wandlers an den ersten Drain-Anschluss des Rücksetztransistors und gleichzeitig Ausgeben eines Rücksetzsignals von dem dritten analogen Ausgangsanschluss der Prädiktorschaltung an den ersten Gate-Anschluss des Rücksetztransistors, das ausreicht, um den ersten Anschluss der Flächenfotodiode und den zweiten Gate-Anschluss des Verstärkers auf ein entsprechendes Niveau zu laden, um die Änderung der an den Drain der Flächenfotodiode angelegten Ladung, die aus dem Anregungsereignis resultiert, im Wesentlichen zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 7, das weiterhin das Bereitstellen des Ausgangssignals des ersten digitalen Ausgangsanschlusses der Analog-Digital-Wandlungsschaltung für eine Prädiktorschaltung (610) aufweist, die einen dritten digitalen Eingangsanschluss, einen dritten digitalen Ausgangsanschluss und einen dritten analogen Ausgangsanschluss hat, wobei der erste digitale Ausgangsanschluss der Analog-Digital-Wandlungsschaltung mit dem dritten digitalen Eingangsanschluss der Prädiktorschaltung verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 13, das weiterhin Folgendes aufweist: Erzeugen eines digitalen Signals von dem dritten digitalen Ausgangsanschluss der Prädiktorschaltung und eines analogen Signals von dem dritten analogen Ausgangsanschluss der Prädiktorschaltung; Empfangen des digitalen Signals von dem dritten digitalen Ausgangsanschluss der Prädiktorschaltung an einer Digital-Analog-Wandlerschaltung (620), die einen vierten digitalen Eingangsanschluss und einen vierten analogen Ausgangsanschluss hat, wobei der dritte digitale Ausgangsanschluss der Prädiktorschaltung mit dem vierten digitalen Eingangsanschluss der Digital-Analog-Wandlerschaltung verbunden ist; und Verbinden des vierten analogen Ausgangsanschlusses der Digital-Analog-Wandlerschaltung mit dem zweiten Drain-Anschluss des Verstärkertransistors.
Verfahren nach Anspruch 14, das weiterhin Folgendes aufweist: Bereitstellen des analogen Signals von dem dritten analogen Ausgangsanschluss der Prädiktorschaltung für den ersten Gate-Anschluss des Rücksetztransistors und Bereitstellen des analogen Signals, das von dem vierten analogen Ausgangsanschluss des Digital-Analog-Wandlers ausgegeben wird, für den ersten Drain-Anschluss des Rücksetztransistors.
Verfahren nach Anspruch 15, das weiterhin Folgendes aufweist: Ausgeben einer analogen Rücksetzspannung in einer entsprechenden Höhe von dem vierten analogen Ausgangsanschluss des Digital-Analog-Wandlers an den zweiten Drain-Anschluss des Verstärkertransistors und gleichzeitig Ausgeben eines Rücksetzsignals von dem dritten analogen Ausgangsanschluss der Prädiktorschaltung an den ersten Gate-Anschluss des Rücksetztransistors, das ausreicht, um den ersten Anschluss der Flächenfotodiode und den zweiten Gate-Anschluss des Verstärkers auf ein entsprechendes Niveau zu laden, um die Änderung der an den Drain der Flächenfotodiode angelegten Ladung, die aus dem Anregungsereignis resultiert, im Wesentlichen zu kompensieren.