Technischer Gegenstand
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Stand der Technik
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Zweidimensionale Bildsensoren, die die Form von integrierten Schaltungen
annehmen, werden bei der Bildverarbeitung verwendet. Jeder zweidimensionaler
Bildsensor umfasst eine Anzahl von Sensorelementen, beispielsweise 256 · 256
Sensorelemente, die einen geringen Oberflächenbereich einnehmen müssen, um
die Ausgestaltung als eine integrierte Schaltung zu ermöglichen. Jedes
Sensorelement umfasst einen Detektorteil, der ein optisches Signal in ein zur weiteren
Verarbeitung geeignetes elektrisches Signal umwandelt. Um einen kompakten
Bildsensor zu erhalten, ist es bedeutsam, dass der Detektorteil so wenig Platz
wie möglich einnimmt, während er zur gleichen Zeit natürlich ein zuverlässiges
Ergebnis erzeugen muss.
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Die US-A-5 296 696 stellt den relevantesten Stand der Technik dar, die eine
Festkörper-Bildaufnahme-Vorrichtung und -Ansteuer-Verfahren offenbart. Die
Vorrichtung umfasst Pixel, wobei jedes dieser aus einem photoelektrischen
Wandlerelement aufgebaut ist, eine Verstärkungsfunktion aufweist, und ferner
Grundzellen von FPN-Unterdrückungsschaltungen umfasst, die für das Pixel
bereitgestellt werden, wobei die FPN-Unterdrückungsschaltung umfasst: einen
invertierenden Verstärker; einen zwischen dem Ausgang des Pixels und dem
Eingang des invertierenden Verstärkers verbundenen Eingangskondensator;
einen NMOS-Transistor zum Liefern einer Anfangsspannung an den Eingang des
invertierenden Verstärkers; einen Rückkopplungskondensator, wobei ein
Anschluss dessen mit dem Eingang des invertierenden Verstärkers verbunden ist;
einen NMOS-Transistor, der zwischen dem anderen Anschluss des Rückkopplungskondensators
und dem Ausgang des invertierenden Verstärkers verbunden
ist; und einen NMOS-Transistor, der zwischen dem Knoten verbunden ist, der
die obigen zwei Elemente und eine Bezugsspannungsquelle verbindet. Durch
diese Konfiguration ist es möglich, eine Festkörper-Bildaufnahme-Vorrichtung
zu erzielen, in dem der FPN, der durch eine Offsetdifferenz unter den Pixels
verursacht wird, die aus photoelektrischen Wandlerelementen mit einer
Verstärkungsfunktion aufgebaut sind, unterdrückt wird, ohne die Chipfläche zu
erhöhen, und in der es möglich ist, ein nichtzerstörendes Auslesen durchzuführen.
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Eine Vorrichtung zur Kompensation der Bildelemente in einer CCD-Kamera, in
der ein CCD-Sensor nicht verstärkte und nicht kompensierte Bildelementwerte
an einen gemeinsamen seriellen Ausgang liefert, wobei die Verstärkung und
Kompensation zentral durchgeführt werden, ist ebenfalls aus der US-A-4 875
098 bekannt. Bei bestimmten Anwendungen kann jedoch ein Bedarf zur
Kompensation und Parallelausgabe des Bilds in allen Bildpunkten bestehen, wobei
dieses Problem nicht von der Vorrichtung gelöst wird.
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Eine Vorrichtung, die eine photovoltaische Zelle mit Ausgabeelektronik in
jedem Sensorelement kombiniert, ist bereits aus dem Tagungsbeitrag "Standard
CMOS Active Pixel Image Sensors for Multimedia Applications" von A.
Dickinson, B. Ackland, El-Sayed Eid, D. Inglis und E Fossum bekannt, der bei der
"16th Conference in Advanced Research in VLSI" in Chapel Hill, North
Carolina, am 27. bis 29. März präsentiert wurde. Ein Nachteil dieser bekannten
Vorrichtung besteht darin, dass Abweichungen in den einzelnen elektrischen
Komponenten sogenannte Offsetfehler verursachen, die sich selber als ein festes
Muster in dem Ausgabebild manifestieren. Diesen Offsetfehlern wird in kolumnarer
Kompensationselektronik entgegengewirkt, was bedeutet, dass das Bild von dem
Sensorelement bewegt werden muss, bevor die Offsetkompensation durchgeführt
werden kann. Bei bestimmten Anwendungen bildet, wo es beispielsweise eine
Prozessorkapazität in dem Sensorelement gibt, dieser Transfer einen Nachteil.
Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung für die
Eingabe und Verarbeitung von Bildinformation bereitzustellen, die das Auftreten
von Störungen infolge eines Offset in einem Ausgabebild verringert.
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Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung gemäß der Erfindung erreicht, die
die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 aufweist.
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Mit der Ausgestaltung eines Sensorelements gemäß der Erfindung kann die
Offsetkompensation lokal in den Sensorelementen unter Verwendung einer
relativ kleinen Anzahl von Komponenten durchgeführt werden.
Beschreibung er Figuren
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Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Sensorelements gemäß der
Erfindung.
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Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Sensorelements gemäß der
Erfindung.
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Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Sensorelements gemäß der
Erfindung.
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Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Sensorelements gemäß der
Erfindung.
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Fig. 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform eines Sensorelements gemäß der
Erfindung.
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Fig. 6 zeigt eine sechste Ausführungsform eines Sensorelements gemäß der
Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsformen
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Offsetkompensation in einem
Sensorelement, das Teil eines Satzes von in Matrixform angeordneter Sensorelemente
bildet. Alle Sensorelemente sind einstückig auf einem Substrat ausgebildet und
umfassen jeweils eine photovoltaische Zelle und Ausgabeelektronik,
beispielsweise einen Komparator. Aufgrund des Offset in der Ausgabeelektronik in
jedem Sensorelement und Abweichungen zwischen dem Offsetfehler in
unterschiedlicher Ausgabeelektronik, ist jedes Sensorelement für eine lokale
Offsetkompensation in dem Sensorelement angepasst. Die Offsetkompensation in
einem Sensorelement kann unabhängig von der Offsetkompensation in anderen
Sensorelementen in der Anordnung durchgeführt werden, falls unterschiedliche
Steuersignale für jedes Sensorelement verwendet werden. Die Kompensation
basiert auf einer korrelierten Doppelabtastung. Die Abtastung eines bekannten
Kompensationswerts wird zuerst während einer ersten Kompensationsstufe
durchgeführt, und dann wird die Abtastung eines unbekannten Werts während
einer Bildinformations-Eingangsstufe durchgeführt. Bei den Beispielen der in
Fig. 1 bis 6 gezeigten Sensorelemente wird ein bekannter Wert mit dem
Rücksetzschalter und dem unbekannten Wert abgetastet, wenn der Wert der
Ausgabeelektronik ausgegeben wird. Beide diese Werte enthalten konstante
Fehler, die hier als Offset bekannt sind. Durch Subtrahieren des bekannten und
des unbekannten Werts, können die konstanten Fehler eliminiert werden.
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Die Erfindung wird nun ferner mit Bezug auf die Figuren erläutert, die eine
Anzahl bevorzugter Ausführungsformen eines Sensorelements gemäß der Erfindung
zeigen.
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Das in Fig. 1 gezeigte Sensorelement weist zwei Eingänge auf, wobei der erste
dieser eine Kompensationsspannung Uth mit einem Kondensator C mittels eines
ersten Wechselschalters 1 verbindet, und der zweiter dieser eine
Bezugsspannung Uref mit dem gleichen Kondensator C mittels eines zweiten
Wechselschalters 2 verbindet. Das Sensorelement umfasst ferner eine Photodiode PD, wobei
deren Kathode mit einem bekannten Bezugspegel, beispielsweise Masse,
verbunden ist. Die Anode der Photodiode ist mit der Ausgabeelektronik und dem
Kondensator C an einem Knoten N&sub1; verbunden. In dem in Fig. 1 gezeigten Fall
ist die Ausgabeelektronik aus einem Komparator 3 mit zwei kaskadierenden
Feldeffekttransistoren FET und einem Rücksetzschalter 4 in der Form eines
Feldeffekttransistors FET aufgebaut.
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Mit der möglichen Verbindung mit zwei unterschiedlichen, in der Figur
gezeigten Spannungspegeln, kann eine Kompensation eines Offsetfehlers in dem
Komparator in dem Sensorelement erreicht werden. Bei einer ersten
Kompensationsstufe wird der Rücksetzschalter 4 geschlossen und die Kompensationsspannung
14 zugeschaltet. Die Ladung in dem Knoten N&sub1; wird durch den Offset des
Komparators 3 bestimmt. Sobald der Kondensator C mit der
Kompensationsspannung geladen wurde, kann Bildinformation von dem Sensorelement
aufgenommen werden. Bevor die Eingabe der Bildinformation beginnt, wird die
Kompensationsspannung Uth abgeschaltet und die Bezugsspannung Uref
zugeschaltet. Die Ladung im Knoten N1 wird im Verhältnis zu der Differenz
zwischen der Bezugsspannung Uref und der Kompensationsspannung Uth verändert,
wobei die Differenz durch die Auswahl der Bezugsspannung und der
Kompensationsspannung genau bestimmt werden kann. Wenn die Photodiode beleuchtet
wird, wird diese im Verhältnis zu der Lichtintensität entladen. Die Entladezeit
des Kondensators hängt von dem Strom durch den Kondensator ab, und sobald
die Kompensation durchgeführt wurde, wird sie nur von der Genauigkeit des
Kondensators C und der Photodiode PD abhängen. Da der Kondensator C ein
passives Element bildet, können die Abweichungen zwischen Kondensatoren in
unterschiedlichen Sensorelementen minimiert werden.
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Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Sensorelements gemäß der
Erfindung. Dieses Sensorelement unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten
Sensorelement dadurch, dass eine Kompensationsspannung Uth und eine
Bezugsspannung Uref direkt mit der photovoltaischen Zelle PD mittels eines Schalters
S1 verbunden sind. Diese photovoltaische Zelle ist kapazitiv mittels eines
Kondensators
C mit der Ausgabeelektronik verbunden, die in diesem Fall aus einem
Komparator 3 mit einem Rücksetzschalter 4 aufgebaut ist.
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Bei einer ersten Kompensationsstufe wird die Kompensationsspannung Uth
zugeschaltet, wodurch eine Startbedingung zum Laden in einem Knoten N&sub2;
eingestellt wird. Die Kompensationsspannung Uth wird durch Schließen eines ersten
Wechselschalters 1 zugeschaltet. Nachdem der Knoten N&sub2; eine Startbedingung
abhängig von der Kompensationsspannung erhalten hat, kann Bildinformation
von dem Sensorelement aufgenommen werden. Bevor die Eingabe der
Bildinformation beginnt, wird der Wechselschalter 1 geöffnet, so dass die
Kompensationsspannung Uth abgeschaltet wird. Die Bezugsspannung Uref wird durch
Schließen des Wechselschalters 2 und Schließen des Schalters S&sub1; für einen
kurzen Intervall zugeschaltet. Die Spannung in N&sub1; wird von der
Kompensationsspannung Uth in die Bezugsspannung Uref geändert. Diese Spannungsänderung
wird von dem Kondensator C an N&sub2; übertragen. Wenn der Schalter S&sub1; geöffnet
wird, wird die Ladung in dem Knoten N&sub1; durch den Photostrom durch die
Photodiode entladen. Der Komparator 3 schaltet um, wenn die Spannung in N&sub1; zu
der Kompensationsspannung Uth, zurückgekehrt ist. Die Entladezeit wird nur von
der Photodiode PD beeinflusst.
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Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Sensorelementes gemäß der
Erfindung. Das gezeigte Sensorelement umfasst einen Komparator 3 mit einem
Rücksetzschalter 4 und einer Photodiode PD. Bei dieser Ausführungsform wird
von den kapazitiven Merkmalen der Photodiode Gebrauch gemacht, die es
möglich machen, den in Fig. 1 gezeigten Kondensator C zu eliminieren. Auf die
gleiche Art und Weise wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform
werden zwei unterschiedliche Spannungspegel verwendet, um die gewünschte
Eliminierung der Offsetfehler im Komparator 3 zustande zu bringen. Bei einer
ersten Kompensationsstufe wird der Rücksetzschalter 4 geschlossen und die
Kompensationsspannung Uth zugeschaltet. Die Ladung im Knoten N&sub1; wird durch den
Offset des Komparators bestimmt. Wenn die gewünschte Ladung in dem Knoten
N&sub1; erreicht ist, wird die Kompensationsspannung Uth abgeschaltet und die
Bezugsspannung Uref zugeschaltet. Der Rücksetzschalter 4 wird geöffnet, und es ist
möglich, die Bildinformation einzugeben. Die Ladung im Knoten N&sub1; wird um
ΔQ = (Uref-Uth)CPD korrigiert, wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform.
Die Entladung, die durch die Beleuchtung der Photodiode erzeugt wird, hängt in
diesem Fall nur von der Genauigkeit der Photodiode ab. Durch Verwenden der
kapazitiven Merkmale der Photodiode kann der Kondensator C (gemäß Fig. 1)
eliminiert werden, was vom Blickpunkt der Raumersparnis von Wert sein kann.
Das Verfahren der gezeigten Offsetkompensation gibt jedoch, aufgrund der
Tatsache, dass die Kapazität in der Photodiode nicht von der Spannung über der
Diode unabhängig ist, keine derartige vollständige Offsetkompensation wie bei
der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform.
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Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Sensorelements, das eine
Kompensation des Offset ermöglicht. Das gezeigte Sensorelement umfasst einen
Komparator 5 mit einem Rücksetzschalter 4a, 4b, einen Kondensator C und eine
Photodiode PD. Der Komparator unterscheidet sich etwas von dem vorher in
Verbindung mit Fig. 1 bis 3 beschriebenen Komparator 3, wobei jedoch das
Problem mit dem Offsetfehler sogar für diese Art Komparator existiert. Bei
einer ersten Kompensationsstufe in dem Sensorelement wird der Rücksetzschalter
4a, 4b geschlossen und die Kompensationsspannung Uth zugeschaltet. Die
Ladung in den Knoten N&sub1; und N&sub2; wird durch den Umschaltpunkt des Komparators
5 bestimmt. Die Kompensationsspannung Uth wird dann abgeschaltet und die
Bezugsspannung Uref zugeschaltet. Der Rücksetzschalter wird geöffnet, und es
ist möglich, die Bildinformation einzugeben. Die Ladung im Knoten N&sub2; wird um
(Uref-Uth)C korrigiert. Damit der Zustand des Komparators geändert werden
kann, muss eine gleich große Änderung an dem zweiten Eingang des
Komparators im Knoten N&sub1; stattfinden. Diese Änderung wird von dem Strom durch die
Photodiode PD gesteuert und wird infolge der gezeigten Kompensation nicht von
irgendeinem Offsetfehler in dem Komparator 5 beeinflusst.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sensorelements mit lokaler
Kompensation des Offset. Bei dem gezeigten Sensorelement wird eine Art des
Komparators 5 verwendet, der der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform
ähnlich ist. Zusätzlich zu dem Komparator 5 umfasst das Sensorelement einen
Rücksetzschalter 6, einen Kondensator C und eine Photodiode PD. Eine erste
Kompensationsstufe wird in dem Sensorelement, wie es für vorhergehende
Ausführungsformen beschrieben ist, durch die Zuschaltung einer
Kompensationsspannung Uth durchgeführt. Bei einer Eingangsstufe wird der Rücksetzschalter 6
geöffnet und die Bezugsspannung Uref für einen kurzen Intervall zugeschaltet.
Bei diesem Moment wird die Ladung im Knoten N&sub1; um (Uref-Uth)CNI korrigiert,
wobei CN1 die Gesamtkapazität im Knoten N&sub1; ist, die im wesentlichen von der
Kapazität der Photodiode PD abhängt. Die Entladungszeit hängt in diesem Fall
von der Genauigkeit der Photodiode ab.
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Schließlich wird bei dem in Fig. 6 gezeigten Sensorelement ein
Photowiderstand R&sub2; zum Umwandeln der optischen Information in ein elektrisches Signal
verwendet. Bei einer Kompensationsstufe wird ein Rücksetzschalter 2
geschlossen und eine Bezugsspannung Uref zugeschaltet. Die Ladung im Knoten N&sub1; wird
durch den Umschaltpunkt des Komparators, d. h. seinem Offset, bestimmt. Bei
einer Bildinformations-Eingangsstufe wird der Rücksetzschalter geöffnet und
Uref abgeschaltet. Die Ladung im Knoten N&sub1; wird als eine Funktion der
Spannungsteilung zwischen den Widerständen R&sub1; und R&sub2; korrigiert. Der Komparator
schaltet als eine Funktion der Polarität der Ladung um.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen stellen einige Beispiele von
Sensorelementen mit lokaler Offsetkompensation dar. Die Erfindung ist jedoch nicht
auf diese beschriebenen Ausführungsformen begrenzt; andere Sensorelemente
mit lokaler Offsetkompensation sind ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der
Idee der Erfindung möglich.