DE10301598A1

DE10301598A1 - Photodetektor-Anordnung und Verfahren zur Störlichtkompensation

Info

Publication number: DE10301598A1
Application number: DE10301598A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. Riedel; Christian Dipl.-Ing.(FH) Lang; Andreas Von Dahl; Friedrich Dipl.-Phys. Zywitza
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2004-03-25

Abstract

Bei einer Photodetektor-Anordnung zur Störlichtkompensation ist erfindungsgemäß eine Photodetektoreinheit (2) zur Erfassung und Bestimmung eines Photostroms (I¶Ph¶) mit einer integrierten Kompensationseinheit (6) zur Kompensation von dem Photostrom (I¶Ph¶) zugrunde liegenden Störsignalanteilen (SL) vorgesehen, wobei dem Photostrom (I¶Ph¶) ein die Störsignalanteile (SL) repräsentierendes Kompensationssignal (I¶HL¶) entgegengeschaltet ist.

Description

In der optischen Messtechnik werden Szenen häufig aktiv beleuchtet. 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 beobachtet 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 Beleuchtung nur einen geringen Bruchteil des Gesamtsignals bildet.
Besonders Anwendungen, bei denen Photodetektoren für Entfernungsmessungen nach dem Pulslaufzeitverfahren oder dem Phasenkorrelationsverfahren eingesetzt werden, sind durch Störlicht in ihrer Leistungsfähigkeit begrenzt. Beispiele hierfür aus der Fahrzeugtechnik sind Laserradar oder 3D-Entfernungsbildkameras.
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 haben.
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.
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).
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 abgeschalteter 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 anzugeben.
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.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Bestandteil der Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass für eine besonders 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.
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 „Correlated-Double-Sampling-Verfahren" erforderliche dritte Schritt zur Differenzbildung der beiden Signale, wodurch die Signalverarbeitungszeit wesentlich verkürzt und in bildgebenden Systemen höhere Bildwiederholraten ermöglicht sind.
Zweckmäßigerweise umfasst die Kompensationseinheit mindestens ein Speicherelement, insbesondere eine Speicherkapazität, zur Bestimmung des Kompensationssignals. Zur Bestimmung des dem Photostrom zugrunde liegenden Nutzungssignals ist ein weiteres 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.
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.
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 zugehörigen 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 Kompensationssignal 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 Anzahl 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.
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 Photodetektoreinheiten 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 kompensiert 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 prinzipiell 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 weitestgehend für die Detektion einer aktiven Szenenbeleuchtung genutzt werden kann.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, dass durch die Gegenkopplung eines Kompensationssignals das zu verarbeitende Photodetektorsignal um Störsignalanteile, 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 („Control") 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 Zeilen- oder Array-Anordnungen, z. B. für ein Active Pixel Sensor (kurz APS genannt) und Photomischdetektoren (kurz PND 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.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Photodetektor-Anordnung;
2 ein Zeitschema für die Ansteuerung der Photodetektor-Anordnung entsprechend 1;
3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Photodetektor-Anordnung mit vereinfachter Beschaltung für einen Photomischdetektor (PMD).
Gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren – sofern nichts anderes angegeben ist – mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.
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 Bestimmung eines Photostroms I_P _h. Das Messsignal oder der Photostrom I_Ph wird dabei anhand des mittels eines Photoelements 4, z. B. einer Photodiode, erfassten optischen Signals O bestimmt, welches in ein elektrisches Signal, den Photostrom I_Ph (auch Photodetektorstrom genannt) gewandelt wird. Das optische Signal O setzt sich zusammen aus einem Störsignalanteil SL, z. B. Störlicht, Sonnenlicht, und einem Nutzsignalanteil NL, z. B. Infrarotlicht. Zur Kompensation von dem Pho tostrom I_Ph zugrunde liegenden Störsignalanteilen SL wird dem Photostrom I_Ph ein die Störsignalanteile SL weitgehend entsprechendes Kompensationssignal I_H _L entgegengeschaltet gemäß: IP h _ Komp = IP h – IH L (1) mit I_Ph _{_} _komp = kompensierter Photostrom.
Zur Bestimmung des Kompensationssignals I_HL ist eine Kompensationseinheit 6 vorgesehen, welche der Photodetektoreinheit 2 nachgeschaltet ist. Die Kompensationseinheit 6 umfasst ein Speicherelement C_HL. Dabei dient das Speicherelement C_HL zur Bestimmung eines zum Kompensationssignal I_HL proportionalen Spannungswerts V_{C_HL}. Ein zusätzliches Speicherelement C_Sig dient zur Bestimmung eines dem Photostrom I_Ph zugrunde liegenden Nutzsignalanteils NL anhand eines den kompensierten Photostrom I_{Ph_komp} repräsentierenden Spannungssignals V_{C_sig}. Je nach Signalart und Funktion ist dem jeweiligen Speicherelement C_HL und C_Sig ein Spannungs-Strom-Wandler 8 bzw. eine Verstärkereinheit 10 zugeordnet. Zur Initialisierung der Photodetektor-Anordnung 1 ist darüber hinaus dem jeweiligen Speicherelement C_HL und C_Sig sowie der Photodetektoreinheit 2 eine Reset-Schaltung 12 zugeordnet.
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.
Im Betrieb der Photodetektor-Anordnung 1 liefert der Photodetektor oder das Photoelement 4, beispielsweise eine Photodiode, ein Photogate-Detektor, den Photostrom I_Ph, welcher mittels der Photodetektorschaltung 3 und die Kompensationseinheit 6 zum kompensierten Photostrom I_{Ph_komp} verarbeitet wird.
Der Photostrom I_Ph 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 C_HL zugeordneten Schalter S₁ zu einem Zeitpunkt T₁, so wird der kompensierte Photostrom I_{Ph_komp}, in diesem Fall weitgehend ausschließlich vom Störlicht erzeugt, der an der Speichereinheit C_HL, z. B. einer Kapazität, als ein Spannungssignal anhand der Spannungswerte V_{C_HL} bestimmt wird, insbesondere integriert wird.
Öffnet man den Schalter S₁ nach einer Zeit T₂, so wird das Ergebnis der Signalintegration als Spannungswert V_{C_HL} am Speicherelement C_HL gehalten.
Mittels des nachgeschalteten Spannungs-Strom-Wandlers 8 wird aus dem Spannungswert V_{C_HL} ein proportionaler Stromwert erzeugt, welcher das Kompensationssignal I_H _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 I_H _L mittels des Wandlungsfaktors k einstellbar oder fest eingestellt werden.
Schaltet man zum Zeitpunkt T₂ die aktive Szenenbeleuchtung an und schließt bei geöffnetem Schalter S₁ einen dem Speicherelement C_Sig zugeordneten zweiten Schalter S₂, so wird vom Spannungs-Strom-Wandler 8 der auf das Störlicht zurückzuführende Strom mittels des Kompensationssignals I_H _L 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 I_HL eine vollständige Kompensation oder eine teilweise Kompensation der Störsignalanteile SL bewirken. Somit wird bei entsprechender Einstellung des Spannungs-Strom-Wandlers 8 an dem Speicherelement C_Sig nur noch der von der aktiven Szenenbeleuchtung erzeugte kompensierte Photostrom I_{Ph_komp} bestimmt, insbesondere aufintegriert. Das heißt, das Speicherelement C_Sig, insbesondere dessen Dynamikbereich, dient der Bestimmung des Spannungssignals der aktiven Beleuchtung, d. h. der Nutzsignalanteile NL.
Zu einem Zeitpunkt T₃ wird durch Öffnen des Schalters S₂ die Signalintegration abgebrochen. Das Spannungssignal V_{C_Sig} des Speicherelements C_Sig (auch Integrationskapazität genannt) wird gehalten und bei geschlossenem Schalter S₃ über die Verstärkereinheit 10 auf die Ausgangsleitung 16 (auch „Signalleitung" genannt) geführt.
Das die Photodetektor-Anordnung 1 repräsentierende Zeitschema ist in der 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 C_HL und C_Sig erfolgt jeweils über die zugehörige Reset-Schaltung 12, mit der ein Initialisierungspegel an den Kapazitäten definiert wird. Die am Photoelement 4 angeordnete Photodetektorschaltung 3 verwertet 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.
Die Ansteuerung der Photodetektor-Anordnung 1 kann anhand der 2 näher beschrieben werden. Dabei ist beispielsweise der zeitliche Verlauf einer aktiven Szenenbeleuchtung ΔE_Mod dar gestellt. Die aktive Szenenbeleuchtung ΔE_Mod addiert sich zum Störlicht E_D _C, das hier im einfachsten Fall als Gleichsignal, zum Beispiel ein aus dem Sonnenlicht gewonnenes Signal, dargestellt ist.
Die Modulationsart und Signalform der aktiven Szenenbeleuchtung ΔE_Mod kann beliebig sein. Im Grenzfall kann die aktive Szenenbeleuchtung ΔE_Mod sogar ebenfalls ein Gleichsignal darstellen, das innerhalb des Zeitraums (ΔT = T₃ – T₂) aufgeschaltet 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 ΔE_Mod als auch für das Störlichtsignal ΔE_D _C (entspricht den Störsignalanteilen 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 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 O eingesetzt. Der Photomischdetektor 18 umfasst mindestens zwei paarweise angeordnete Photodetektoreinheiten 2 mit jeweils zugehörigem Photoelement 4 und eine Signalquelle V_Mo _d zur Erzeugung des elektrischen Signals E. Das mittels der Signalquelle V_M _od erzeugte elektrische Signal E wird im Photomischdetektor 18 mit dem optischen Signal O 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.
Im Detail werden beim Betrieb der Photodetektor-Anordnung 1 Ladungsträger, die von einer aktiven Szenenbeleuchtung ΔE_Mod 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 ΔE_Mod (= 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 C_Sig _{_A} und C_{Sig_B} zur Bestimmung des jeweils zugehörigen Nutzsignalanteils NL anhand eines betreffenden Spannungssignals V_{C_} _Sig _{_A} und V_{C_} _Sig _{_B} vorgesehen.
Zur Bestimmung des Kompensationssignals I_HL ist beispielsweise ein gemeinsames weiteres Speicherelement C_HL vorgesehen zusätzlich zu den Speicherelementen C_Sig _{_A} und C_Sig _{_B} für die Spannungssignale V_{C_} _Sig _{_A} und V_{C_} _Sig _{_B} des Nutzsignalanteils NL. Alternativ kann in nicht näher dargestellter Weise das Kompensationssignal I_HL signalbezogen, d. h. je Spannungssignal V_{C_} _Sig _{_A} und V_{C_} _Sig _{_B}, bestimmt werden. Dazu kann die Kompensationseinheit 6 eine der Anzahl der Photodetektoreinheiten 2 entsprechende Anzahl von weiteren Speicherelementen C_HL zur Bestimmung eines jeweils zugehörigen Kompensationssignals, z. B. I_{HL_Sig_A} bis I_H _{L_Sig_Z} umfassen. Zur Ausgabe der Spannungssignale V_{C_} _Sig _{_A} und V_{C_} _Sig _{_A} ist jeweils eine zugehörige Ausgangsleitung 16 mit integrierter Verstärkereinheit 10 und zugehörigem 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 I_HL der zweiten Detektoreinheit 2 zugeschaltet. Hieraus ergibt sich eine vereinfachte Beschaltung, wie in 3 dargestellt. Das zur Rückführung in die beiden Detektoreinheiten 2 des Detektorpaares benötigte Kompensationssignal I_H _L kann infolge der Symmetrieeigenschaften in einfacher Weise durch die Bildung einer Kopie dieses Stroms, beispielsweise mittels einer einfachen Stromspiegel-Anordnung 20, erzeugt werden. Die Stromspiegel-Anordnung 20 ist dabei in einer Rückführungs- oder Rückkopplungsleitung 22 der Kompensationseinheit 6 geschaltet.
Die Initialisierung der Photodetektor-Anordnung 1 nach 3 erfolgt analog zur Initialisierung der Photodetektor-Anordnung 1 gemäß 1. Bei der Photodetektor-Anordnung 1 mit dem Photomischdetektor 18 ist ein bedeutend höherer Dynamikbereich ermöglicht, der eine erhebliche Steigerung der Leistungsfähigkeit solcher Bauelemente in technischen Anwendungen zur Folge hat.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand der vorstehenden Beschreibung für zwei alternative Ausführungsformen dargestellt, 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.
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 Multiplexerbausteinen. Entsprechendes gilt für eine zweidimensionale Matrix-Anordnung, wie sie in Flächensensoren für Videokameras verwendet wird. Multiplexerbausteine werden dabei zur Ansteuerung und Auslese der Detektorelemente jeweils für die Zeilen und die Spalten der Matrix-Anordnung eingesetzt.

1: Photodetektor-Anordnung
2: Photodetektoreinheit
3: Photodetektorschaltung
4: Photoelement
6: Kompensationseinheit
8: Spannungs-Strom-Wandler
10: Verstärkereinheit
12: Reset-Schaltung
14: Anschluss
16: Ausgangsleitung
18: Photomischdetektor
20: Stromspiegel-Anordnung
22: Rückführungs- oder Rückkopplungsleitung
A, B: Signalpfade
C_Sig, C_Sig _A, C_Sig _B, C_Sig ₁, C_sig ₂, C_H _L: Speicherelemente (= Integrationskapazität)
E: elektrische Signale
E_DC: Störlicht
I_HL, I_HL _{Sig_A} – I_HL _{Sig_Z}: Kompensationssignale
I_P _h: Photostrom
I_Ph _{_komp}: kompensierter Photostrom
k: Wandlungs- oder Kompensationsfaktor
NL: Nutzsignalanteile
SL: Störsignalanteile
O: optische Signale
Sig_A, Sig_B: Nutzsignale
S₁, S₂, S₃: Schalter
T₁, T₂, T₃: Zeitpunkte
T_S1, T_S2, T_S3: Zeitpunkte, insbesondere Schaltpunkte der Schalter
V_C _Sig, V_C _{Sig_A}, V_C _{Sig_B}: Spannungssignale der Nutzsignale Sig_A, Sig_B
V_{C_HL}: Spannungswert, Spannungssignal
V_Mod: Signalquelle
ΔE_M _OD: Szenenbeleuchtung

Claims

Photodetektor-Anordnung (1) zur Störlichtkompensation mit einer Photodetektoreinheit (2) zur Erfassung und Bestimmung eines Photostroms (I_P _h) und mit einer integrierten Kompensationseinheit (6) zur Kompensation von dem Photostrom (I_Ph) zugrunde liegenden Störsignalanteilen (SL) derart, dass dem Photostrom (I_Ph) ein die Störsignalanteile (SL) repräsentierendes Kompensationssignal (I_H _L) entgegengeschaltet ist.
Photodetektor-Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Kompensationseinheit (6) mindestens ein Speicherelement (C_HL), insbesondere eine Speicherkapazität, zur Bestimmung des Kompensationssignals (I_H _L) umfasst.
Photodetektor-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kompensationseinheit (6) eine Reset-Schaltung (12) umfasst.
Photodetektor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens ein Schaltelement (S₁) zur Bestimmung des Kompensationssignals (I_H _L) vorgesehen ist.
Photodetektor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Spannungs-Strom-Wandler (8) zur Wandlung des als Spannungswert (V_{C_} _H _L) erfassten Kompensationssignals (I_H _L) in einen proportionalen Stromwert vorgesehen ist.
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 (C_Sig _{_} _A, C_Sig _{_} _B) zur Bestimmung des jeweils zugehörigen Nutzsignals (NL, Sig_A, Sig_B) und ein weiteres gemeinsames Speicherelement (C_H _L) zur Bestimmung des Kompensationssignals (I_H _L) umfasst.
Photodetektor-Anordnung nach Anspruch 6, wobei dem gemeinsamen Speicherelement (C_HL) eine Stromspiegel-Anordnung (20) nachgeschaltet ist.
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 (C_{Sig_A}, C_{Sig_B}) zur Bestimmung des jeweils zugehörigen Nutzsignals (NL, Sig_A, Sig_B) und eine entsprechende Anzahl von weiteren Speicherelementen (C_HL) zur Bestimmung des jeweils zugehörigen Kompensationssignals (I_H _L) umfasst.
Photodetektor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mehrere parallel zueinander angeordneten Photodetektoreinheiten (2) als ein Photomischdetektor (18) ausgebildet sind.
Photodetektor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Photodetektoreinheit (2) und/oder die Kompensationseinheit (6) als integrierte Schaltung ausgebildet sind.
Photodetektor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mehrere eine Zeilen- oder Matrixanordnung bildende Photodetektoreinheiten (2) als Bildaufnehmer einer Zeilen- oder Matrixkamera ausgebildet sind.
Verfahren zur Störlichtkompensation für eine Photodetektor-Anordnung (1), wobei mittels einer Photodetektoreinheit (2) ein Photostrom (I_P _h) erfasst wird, dessen Störsignalanteile (SL) derart kompensiert werden, dass dem Photostrom (I_Ph) ein die Störsignalanteile (SL) repräsentierendes und mittels einer integrierten Kompensationseinheit (6) gebildetes Kompensationssignal (I_H _L) entgegengeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Kompensationssignal (I_HL) als Spannungssignal (V_{C_} _HL) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das Kompensationssignal (I_HL) nach einem Initialisierungsvorgang bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das Kompensationssignal (I_H _L) ereignisgesteuert bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem für das Kompensationssignal (I_HL) ein Kompensationsgrad eingestellt wird.