DE19740910A1 - Verfahren und Anordnung zur Abbildung einer hohen Eingangssignaldynamik auf eine reduzierte Ausgangssignaldynamik für Bildsensoren mit einer Einrichtung zum Ableiten von Überlaufladung - Google Patents

Description

Unter einem Bildsensor soll hier ein Bildsensor im weiteren Sinne verstanden werden, das heißt, nicht nur die Elemente zur Ladungserzeugung und Verschiebung, sondern auch die ge­ samte Ablaufsteuerung, wobei letztere häufig gemeinsam mit den eigentlichen Aufnahmeelementen auf einem Chip integriert ist.

Um ein Bild elektronisch abzutasten, werden heute vielfach zweidimensionale CCD-Bildsensoren oder xy-adressierte Pixel­ sensoren verwendet. Hierbei wird in einer Photodiode oder ei­ nem MOS-Kondensator eine Ladungsanhäufung proportional der einfallenden Lichtstärke erzeugt, wobei die Ladungsmenge durch die nachgeschaltete Ausleseschaltung begrenzt ist. Beim CCD wird die Ladungsmenge beispielsweise durch die Taktspan­ nungen und die Fläche der Transferelektroden begrenzt. CCD-Bildsensoren sind häufig nach dem sogenannten Interline- Prinzip aufgebaut, wobei über vertikale CCD-Kanäle die Spal­ ten ausgelesen und in ein horizontales CCD-Schieberegister übernommen werden, wo dann die Information zeilenweise am Ausgang erscheint.

Neben CCD-Bildsensoren sind aus dem IEEE Paper zum Symposium on Low Power Electronics, 1995, Seiten 74 bis 77, auch flä­ chenhafte Pixelsensoren bekannt.

Moderne CCD-Bildsensoren weisen häufig eine sogenannte Anti- Blooming-Einrichtung auf um ein Verschmieren der Photoelek­ tronen auf benachbarten Pixel im Falle einer partiellen Über­ belichtung, das heißt beispielsweise der Überbelichtung von einigen Pixeln, zu verhindern. Eine solche Anti-Blooming- Einrichtung besteht typischerweise aus dem Overflow-Gate und einem Overflow-Drain, die spaltenweise nebeneinander neben den Photodioden angebracht sind. Im Falle einer partiellen Überbelichtung kann somit die überschüssig erzeugte Ladung über das Overflow-Drain abfließen und gelangt nicht zu den Nachbarbildpunkten.

Bei vielen Anwendungen, beispielsweise im medizinischen Be­ reich, wird zunehmend ein größerer Dynmikbereich der Bildsen­ soren gefordert. Durch Verändern der Belichtungszeit kann zwar eine höhere Leuchtstärke ohne Überlauf dargestellt wer­ den, insgesamt erhöht sich jedoch der Dynamikbereich nicht und in der Leuchtstärke schwächere Bildteile werden entspre­ chend geringer aufgelöst.

Aus dem Paper zur IEEE International Solid-State Circuits Conference, 1996, Seiten 184 bis 185, ist ein CCD-Sensor mit "Hyper-Dynamik Range" bekannt, wobei eine kurze und eine lan­ ge Belichtung des Bildes erfolgt. Da bei der kurzen Belich­ tungszeit die Sättigung bei höherer Lichtstärke auftritt, kann daraus für die längere Belichtungszeit das Signal extra poliert und auf diese Weise der Dynamikbereich vergrößert werden.

Aus der deutschen Patentschrift DE 42 09 536 C2 ist ferner eine Bildzelle für einen Bildaufnehmer-Chip bekannt, bei der zusätzlich zu jedem lichtempfindlichen Element zwei MOS-Transistoren vorgesehen sind und eine logarithmische Kompres­ sion durch Ausnutzung der logarithmischen Transistorkennlini­ en erfolgt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, einen Bildsensor anzugeben, bei dem ohne großen zusätzlichen Schaltungsaufwand ein möglichst großer Dynamikbereich er­ reicht werden kann und bei dem insbesondere nur eine einzelne Belichtung pro Bild erfolgen muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt unter anderem in der genau vorgebbaren Kompressions­ kennlinie.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Aus­ führungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild mit einem CCD-Bildsensor gemein­ sam mit der gesamten Ablaufsteuerung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Sättigung eines Bildsensors,

Fig. 3 ein Diagramm mit Oberflächenpotential eines CCD-Sensors mit Overflow-Gate zu drei verschiedenen Zeit­ punkten,

Fig. 4 ein Diagramm mit einer zeitlichen Darstellung des La­ dungsanstiegs bei einfacher und sechszehnfacher Be­ lichtung und der zeitliche Anstieg der Spannung am Overflow-Gate,

Fig. 5 eine erzeugte Kompressionskennlinie,

Fig. 6 eine zu Fig. 5 gehörige Dekompressionskennlinie,

Fig. 7 eine Darstellung eines entsprechenden Pixelsensorele­ ments mit Overflow-Gate und Overflow-Drain und

Fig. 8 eine Prinzipdarstellung eines entsprechenden Pixel­ sensor-Arrays.

Beim Verfahren und bei der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens wird die bei vielen Bildsensoren ohnehin vorhande­ ne Einrichtung zum Ableiten von Überlaufladung (Anti- Blooming-Einrichtung) ausgenützt bzw. entsprechend angesteu­ ert, um die Kompression der Eingangssignaldynamik anzupassen.

In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer An­ ordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer CCD-Matrix dargestellt, wobei die einzelnen Photogates P über Transfergates mit über einen vertikalen CCD-Kanal CCDV verbunden sind und diese vertikalen CCD-Kanäle über einen ho­ rizontalen CCD-Kanal CCDH ein komprimiertes analoges Aus­ gangssignal OUTCA auslesbar ist. Zwischen den einzelnen Spal­ ten der Photogates P liegen kammartig Bereiche eines Über­ laufgates OG und Bereiche eines Überlaufdrains OD. Ein Takt­ generator CLKS erzeugt Taktphasensignale PHI für die Ladungs­ verschiebeeinheiten (charge coupled devices) CCDV und CCDH und liefert ein Taktsignal 1 für eine nachgeschaltete digita­ le Steuerschaltung TCTRL. Die digitale Steuerschaltung TCTRL erzeugt abhängig von einem Überlaufsignal 2 digitale Über­ laufschwellensignale 3 mit veränderlicher Schwellenhöhe und/oder Schwellendauer. Diese Signale 3 werden über einen Digital/Analogwandler D/A in analoger Form als Steuerspannung für das Überlaufgate OG zugeführt, wodurch so die Überlauf­ schwelle verändert wird. Zusätzlich erzeugt die digitale Steuereinheit TCTRL ein zur jeweiligen Kompression passendes digitales Steuersignal 4 für einen Expandierer EXP, der bei­ spielsweise aus einem digitalen Multiplizierer besteht und der ein vorher durch einen Analog/Digital-Wandler aus dem Bildsignal OUTCA gebildete komprimierte Ausgangssignal OUTC in ein Ausgangssignal OUT expandiert.

In Fig. 2 ist der prinzipielle Zusammenhang zwischen der Be­ leuchtung L und der auf die maximale Ladung bezogene Ladung Q/Qmax dargestellt, wobei deutlich wird, daß die Ladung nur bis zu einer bestimmten Beleuchtung L₀ ansteigt und danach kein weiterer Anstieg mehr erfolgt, da keine weitere Ladung mehr gespeichert werden kann.

In Fig. 3 ist ein Schnitt durch ein Bildelement zusammen mit dem vertikalen CCD-Kanal, den Transfergates TG und der Ein­ richtung zum Ableiten von Überlaufladung in Form eines Multi- Source-MOS-Transistors mit einer Source S, einem Überlaufgate OG und einem Überlaufdrain OD sowie die Oberflächenpotentiale zu drei verschiedenen Zeitpunkten t = T, 3T und 4T darge­ stellt. Hieraus wird deutlich, daß im Bereich unterhalb des Überlaufgates abhängig von der Zeit die Potentialbarriere, die gleichzeitig die Überlaufschwelle darstellt, zeitabhängig nach oben verschoben wird, was durch Pfeile angedeutet ist. Zum Zeitpunkt t = T kann hier in diesem Beispiel nur eine La­ dung Qmax/4, zum Zeitpunkt t = 3T nur eine Ladung Qmax/2 und zum Zeitpunkt t = 4T die volle Ladung Qmax maximal gespei­ chert werden.

In Fig. 4 ist zum einen das Verhältnis Q/Qmax bei einer Be­ leuchtung L0 und einer Beleuchtung 16.L0 und die Gatespannung VOG am Überlaufgate OG über der Zeit t = 0 . . . 256 T darge­ stellt. Die Spannung VOG weist dabei eine Treppenform auf, wobei das Verhältnis Q/Qmax den Schwellenwert S12 = 1/4 zwi­ schen T₁ = 0 und T₂ = 192 T, S23 = 1/2 zwischen T₂ = 192 T und T₃ = 224 T, S34 = 3/4 zwischen T₃ = 224 T und T₄ = 240 T, S45 = 3/4 + 1/8 zwischen T₄ = 240 T und T₅ = 248 T, S56 = 3/4 + 1/8 + 1/16 zwischen T₅ = 248 T und T₆ = 255 T und S67 = 1 zwischen T₆ = 255 T und T₇ = 256 T aufweist. Die Veränderung der Kompression wird nun dadurch bewirkt, daß bei der Ein­ richtung zum Ableiten der Überlaufladung die Überlaufschwel­ len S12 . . . S67 in Abhängigkeit des Überlaufsignals 2 in ih­ rer zeitlichen Dauer und/oder in ihrem Wert geändert werden, wobei, zur Erhöhung der Kompression, hohe Überlaufschwellen . . .S56, S67 im Vergleich zu einer geringeren Kompression eine kürzere, niedrige Überlaufschwellen S12, S23 . . . dafür eine längere Zeitdauer erhalten und/oder hohe Überlaufschwellen . . .S56, S67 im Vergleich zu einer geringeren Kompression grö­ ßere Werte und dafür niedrige Überlaufschwellen S12, S23 . . . kleinere Werte erhalten. Bei einer starken Belichtung, zum Beispiel 16.L0, werden zur Erhöhung der Kompression die Zeit­ punkte T₂ . . . T₇ mehr nach rechts verschoben, wodurch sich eine steilere Schwellenkennlinie ergibt. Die jeweiligen Schwellenwerte gemessen an der jeweiligen Gesamtdauer dieser Schwelle werden dadurch früher erreicht und während der rest­ lichen Zeit einer Schwellendauer erfolgt keine weitere Aufla­ dung. Um aus dem Verlauf der Gatespannung VOG die eigentliche Kompressionskennlinie, also den Zusammenhang zwischen Q/Qmax und der Beleuchtung L zu erhalten werden die Teilladungen bei allen Schwellen für dieses Beispiel nach der Formel

errechnet und der errechnete Wert anstelle der jeweiligen Schwellendifferenz nur dann genommen, sofern dieser kleiner ist als die Schwellendifferenz, die ja für das jeweilige ΔQ das Maximum darstellt.

In folgender Tabelle ist auf diese Weise für das Beispiel von Fig. 4 das Verhältnis Q/Qmax für die Beleuchtung L = 16.Lo und die Beleuchtung L = Lo ermittelt.

In ähnlicher Weise kann beispielsweise auch aus einer ent­ sprechenden Schwellenkennlinie eine Kompressionskennlinie an­ gegeben werden, die beispielsweise bei 4.L0 den Maximalwert Q/Qmax = 1 und beim Wert L = L0 den Wert Q zu Qmax = 0,5 auf­ weist. Eine solche Kennlinie ist beispielsweise in Fig. 5 dargestellt und zeigt den für eine Kompressionskennlinie ty­ pischen, degressiven Verlauf.

Um diesen degressiven Zusammenhang zwischen Q/Qmax und der Beleuchtung L wieder zu kompensieren muß ein entsprechender Expandierer EXP mit einer dazu inversen Kennlinie vorgesehen werden.

In Fig. 6 ist eine zu der in Fig. 5 dargestellten Kennlinie passende Expandierkennlinie dargestellt, die den Zusammenhang zwischen Q/Qmax und dem digitalen Ausgangssignal OUT lie­ fert.

Die Erfindung ist nicht auf CCD-Bildsensoren beschränkt, son­ dern kann beispielsweise auch auf CMOS-Pixelsensoren ange­ wandt werden, sofern ebenfalls eine Einrichtung zum Ableiten von Überlaufladung vorgesehen ist.

In Fig. 7 ist eine auf dem eingangs genannten Stand der Technik aufbauende Anordnung mit Überlaufgate und Überlauf­ drain im Bereich eines Bildelementes gezeigt.

In Fig. 8 ist eine zugehörige Pixelmatrix M zusammen mit ei­ nem Reihendekoder RDEC, einem Spaltendekoder CDEC, einer Spaltenausleseschaltung CSENSE und einer zusätzlichen Über­ laufausleseschaltung OVSENSE gezeigt, wobei die Anschlußlei­ tungen für das Überlaufgate OG und das Überlaufdrain OD par­ allel zu einem Spaltenbus C verlaufen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Abbildung einer hohen Eingangssignaldynamik auf eine reduzierte Ausgangssignaldynamik für Bildsensoren (B) mit einer Einrichtung (S, OG, OD) zum Ableiten von Über­ laufladung,
bei dem nach der Abtastung eines Bildes festgestellt wird, ob bei mindestens einem Bildelement (P) ein Ladungsüberlauf ein­ getreten ist und ein entsprechendes Überlaufsignal (IOD, 2) erzeugt wird, und
bei dem eine Erhöhung der Kompression der Eingangssignaldyna­ mik erfolgt, sofern ein entsprechender Ladungsüberlauf ein­ trat, und eine Senkung der Kompression der Eingangssignaldy­ namik erfolgt, sofern kein entsprechender Ladungsüberlauf eintrat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kompression dadurch bewirkt wird, daß bei der Einrichtung zum Ableiten der Überlaufladung Überlaufschwellen (3, VOG, S12 . . . S67) in Abhängigkeit des Überlaufsignals in ihrer zeitlichen Dauer und/oder in ihrem Wert geändert wer­ den, wobei, zur Erhöhung der Kompression, hohe Überlauf­ schwellen (. . .S56, S67) im Vergleich zu einer geringeren Kom­ pression eine kürzere Zeitdauer, niedrige Überlaufschwellen (S12, S23, . . .) dafür eine längere Zeitdauer erhalten und/oder hohe Überlaufschwellen im Vergleich zu einer geringeren Kom­ pression größere Werte und dafür niedrige Überlaufschwellen kleinere Werte erhalten.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Einrichtung zum Ableiten der Überlaufladung einen Multi-Source-MOS-Transistor aufweist,
dessen jeweiliges Sour­ cegebiet (S) einem Gebiet unterhalb eines Photogates (P) ei­ nes Bildelementes entspricht,
dessen Gate (OG) mit einer Spannung (VOG) zur Steuerung der Überlaufschwelle beauf­ schlagt ist und
dessen Draingebiet einen Strom liefert, der dem Überlaufsignal (IOD, 2) entspricht.

4. Anordnung nach Anspruch 3, die eine digitale Steuerschaltung (TCTRL) aufweist, die in Abhängigkeit des Überlaufsignals digitale Überlaufschwellensi­ gnale (3) mit veränderlicher Schwellenhöhe und/oder Schwel­ lendauer erzeugt, und die einen Digitalanalogwandler (D/A) aufweist, der aus diesen Überlaufschwellensignalen die Span­ nung (VOG) zur Steuerung der Überlaufschwellen erzeugt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, die eine digitale Steuerschaltung (TCTRL) aufweist, die zu­ sätzlich ein zur Kompression passendes digitales Steuersignal (4) für einen Expandierer (EXP) liefert, der ein vorher über einen Anaogdigitalwandler (A/D) umgewandeltes komprimiertes Bildsignal (OUTC) zu einem digitalen Ausgangsignal (OUT) ex­ pandiert.