DE19737330C2 - Abbildungssystem und Verfahren zum Betreiben desselben - Google Patents
Abbildungssystem und Verfahren zum Betreiben desselbenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Abbildungssystem nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Ladungsgekoppelte Schaltungen (CCDs) waren die Hauptstütze herkömm
licher Abbildungsschaltungen zum Umwandeln eines Lichtsignals in ein
elektrisches Signal, welches die Intensität des Lichtsignals wiedergibt. Im
allgemeinen verwenden CCDs eine Photodiode zur Umwandlung von Licht in eine
elektrische Ladung und eine Reihe von Elektroden zur Übertragung der
gesammelten Ladung an einen Ausgangsleseknoten.
Obwohl CCDs viele Stärken haben, z. B. eine hohe Empfindlichkeit und
einen hohen Füllfaktor, haben sie auch eine Reihe von Schwächen. Am
bemerkenswertesten unter diesen Schwächen, welche begrenzte Leseraten und
Beschränkungen des Dynamikbereichs beinhalten, ist die Schwierigkeit, CCDs mit
auf CMOS beruhenden Mikroprozessoren zu integrieren.
Um die Nachteile von auf CCD beruhenden Abbildungsschaltungen zu
überwinden, verwenden neuere Abbildungsschaltungen aktive Pixelsensorzellen
zur Umwandlung von Licht in ein elektrisches Signal. Bei aktiven Pixelsensorzellen
ist eine herkömmliche Photodiode typischerweise mit einer Reihe von Transistoren
kombiniert, welche zusätzlich zur Bildung eines elektrischen Signals Verstärkung,
Lesekontrolle und Rücksetzkontrolle liefern.
Gemäß Fig. 10 enthält ein Beispiel einer bekannten CMOS-aktiven
Pixelsensorzelle 10 eine Photodiode 12, einen Rücksetztransistor 14, dessen
Source mit der Photodiode 12 verbunden ist, einen Puffertransistor 16, dessen
Gate mit der Photodiode 12 verbunden ist, und einen Wähltransistor 18, dessen
Drain in Serie mit der Source des Puffertransistors 16 verbunden ist, vgl. "IEEE
Transactions on Electron Devices", Band 40, Nr. 2, S. 334-341, 1993.
Der Betrieb der Pixelsensorzelle 10 verläuft in drei Schritten: einem
Rücksetzschritt, bei dem die Pixelsensorzelle 10 vom vorherigen
Integrationszyklus zurückgesetzt wird; einem Bildintegrationsschritt, bei dem Licht
gesammelt und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird; und einem
Signalleseschritt, bei dem das Signal gelesen wird.
Während des Rücksetzschrittes wird das Gate des Rücksetztransistors 14
kurz mit einer Rücksetzspannung (5 Volt) beaufschlagt, welche die Photodiode 12
auf eine Anfangsintegrationsspannung zurücksetzt, die ungefähr gleich der
Spannung an der Drain des Rücksetztransistors 14 abzüglich der
Schwellenspannung des Rücksetztransistors 14 ist.
Während der Integration trifft Licht in Form von Photonen unter Bildung
einer Anzahl von Elektron-Loch-Paaren die Photodiode 12. Die Photodiode 12 ist
so ausgelegt, daß sie eine Rekombination zwischen den neugebildeten Elektron-
Loch-Paaren begrenzt. Im Ergebnis werden photoerzeugte Löcher zum
Erdungsanschluß der Photodiode 12 gezogen, während photoerzeugte Elektronen
zum positiven Anschluß der Photodiode 12 gezogen werden, wobei jedes
zusätzliche Elektron die Spannung an der Photodiode 12 vermindert.
Folglich kann am Ende der Integrationsperiode die Anzahl der während der
Bildintegrationsperiode durch die Photodiode 12 absorbierten Photonen durch
Subtraktion der Spannung am Ende der Integrationsperiode von der Spannung am
Anfang der Integrationsperiode bestimmt werden.
Nach der Bildintegrationsperiode wird die Pixelsensorzelle 10 durch
Anschalten des Wähltransistors 18 gelesen. Zu diesem Zeitpunkt liegt die
reduzierte Spannung an der Photodiode 12 abzüglich der Schwellenspannung des
Puffertransistors 16 an der Source des Puffertransistors 16 an. Wenn der
Wähltransistor 18 angeschaltet wird, wird die Spannung an der Source des
Puffertransistors 16 an die Source des Wähltransistors 18 übertragen. Die
verminderte Spannung an der Source des Wähltransistors 18 wird mit
herkömmlichen Nachweisschaltungen bestimmt.
Ein Problem bei der Pixelsensorzelle 10 besteht jedoch darin, daß
Abbildungssysteme, welche eine Matrix von Pixelsensorzellen 10 verwenden,
einen beschränkten Dynamikbereich aufweisen. Üblicherweise wird der
Dynamikbereich durch die maximale Anzahl von Photonen, die eine Pi
xelsensorzelle 10 während einer Integrationsperiode ohne Sättigung
(Überschreitung der Kapazität) der Pixelsensorzelle 10 sammeln kann, und durch
die minimale, oberhalb des Rauschpegels nachweisbare Anzahl von Photonen,
die eine Pixelsensorzelle 10 während der Integrationsperiode sammeln kann,
begrenzt.
Der Effekt eines beschränkten Dynamikbereichs ist am ausgeprägtesten bei
Bildern, die sowohl lichtintensive als auch lichtschwache Strahlungsquellen
enthalten. In diesen Situationen wird, wenn die Integrationsperiode der Matrix auf
den Punkt begrenzt wird, bei dem keine lichtintensive Information verlorengeht,
d. h. bei dem die Anzahl der gesammelten Photonen die Kapazität der
Pixelsensorzelle während der Integrationsperiode nicht überschreitet, die
überwiegenden, wenn nicht die gesamte lichtschwache Information verloren (was
zu einem schwarzen Bild führt), da die gesammelten Photonen nicht vom
Rauschpegel unterscheidbar sind.
Andererseits wird, wenn die Integrationsperiode der Matrix bis zur
Aufnahme der lichtschwachen Information erhöht wird, d. h. wenn die Anzahl der
gesammelten Photonen über dem Rauschpegel nachweisbar ist, ein wesentlicher
Teil der lichtintensiven Information verloren (was zu einem weißen Bild führt), da
die Anzahl der Photonen die Kapazität der Pixelsensorzelle 10 weit überschreitet.
Eine Methode zur Lösung des Problems des Dynamikbereichs besteht
darin, eine nichtintegrierende aktive Pixelsensorzelle zu verwenden, die ein
nichtlineares Lastelement, wie eine MOSFET-Diode in schwacher Inversion,
enthält, um eine logarithmische Antwort zu erhalten. Diese Methode hat jedoch
einige Nachteile.
Erstens ist das Rauschen in einer nichtintegrierenden Pixelsensorzelle viel
höher als das Rauschen in einer herkömmlich integrierenden Pixelsensorzelle (wie
der Pixelsensorzelle 10 aus Fig. 10). In einer herkömmlichen integrierenden Pixel
sensorzelle wird der Effekt zufälliger Rauschereignisse über die
Integrationsperiode gemittelt, während der Effekt zufälliger Rauschereignisse in
einer nichtintegrierenden Pixelsensorzelle wesentliche Verzerrungen erzeugen
kann. Zweitens muß die genaue nichtlineare Übertragungsfunktion dieser Art von
Bauelementen sorgfältig kalibriert werden, um Variationen von Pixelsensorzelle zu
Pixelsensorzelle und aufgrund von Temperaturänderungen zu vermeiden.
Eine andere bei CCD-Systemen verwendete Methode zur Lösung des
Problems des Dynamikbereichs besteht darin, zweifach zu integrieren: einmal mit
einer kurzen Belichtung und einmal mit einer langen Belichtung. Bei der kurzen
Belichtung wird die lichtintensive Information gespeichert, während die
lichtschwache Information verworfen wird. In ähnlicher Weise wird für die lange
Belichtung die lichtschwache Information gespeichert, während die lichtintensive
Information verworfen wird.
Anschließend wird die Information der beiden Belichtungen kombiniert, um
ein zusammengesetztes Bild zu erzeugen. Der Nachteil dieser Methode besteht
jedoch darin, daß das resultierende Bild aus einer Kombination der Bilddaten aus
zwei unterschiedlichen Zeitperioden erzeugt wird.
Aus "IEEE Transactions on Nuclear Science", Band 40, Nr. 4, 1993, S. 323-
327, ist ein Abbildungssystem mit einer aus Zeilen und Spalten bestehenden
Matrix von Pixelsensorzellen bekannt, wobei jede Pixelsensorzellenspalte mit
einem eigenen Nachweisschaltkreis verbunden ist, der die zeilenweise
ausgewählte Pixelsensorzellen-Ausgangsspannung verstärkt. Die Nachweisschalt
kreise einer Spalte stehen jeweils über eine gemeinsame Nachweisausgangs
leitung mit einer Steuer- und Speichereinheit in Verbindung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abbildungssystem nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 zu schaffen, welches einen wesentlich erhöhten Dynamikbereich
aufweist.
Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden
Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten
Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Schemazeichnung mit einem Abbildungssystem.
Fig. 2 zeigt eine Schemazeichnung mit einer aktiven Pixelsensorzelle.
Fig. 3A bis 3E zeigen Zeitdiagramme mit dem Betrieb des
Abbildungssystems bezüglich der Pixelsensorzellen in der ersten Zeile der Matrix.
Fig. 4 zeigt eine bildhafte Darstellung mit dem Betrieb des
Abbildungssystems in einer Videoumgebung bezüglich der Pixelsensorzelle C1
aus Fig. 1, die intensivem Licht ausgesetzt wird, Pixelsensorzelle C2 aus Fig. 1,
die Licht mittlerer Intensität ausgesetzt wird, und Pixelsensorzelle C3 aus Fig. 1,
die schwachem Licht ausgesetzt wird.
Fig. 5A bis 5E zeigen Zeitdiagramme mit einem alternativen Betrieb des
Abbildungssystems bezüglich der Pixelsensorzellen in der ersten Zeile der Matrix.
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht mit einer ersten Ebene eines Layouts einer
aktiven Pixelsensorzelle 200, welche die schematische Darstellung der
Pixelsensorzelle aus Fig. 2 verwirklicht.
Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 7A-7A aus Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine Draufsicht mit einer zweiten Ebene eines Layouts der
Pixelsensorzelle 200.
Fig. 9 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 9A-9A aus Fig. 8.
Fig. 10 zeigt ein Schemadiagramm einer bekannten aktiven
Pixelsensorzelle 10.
Gemäß Fig. 1 enthält ein Abbildungssystem eine Matrix von
Pixelsensorzellen 110 in Zeilen und Spalten, eine Reihe von
Nachweisschaltkreisen DC1-DCm entsprechend der Anzahl von Spalten, und eine
Steuerungs- und Speichereinheit 112 der Matrix.
Ferner enthält das Abbildungssystem eine Reihe von Zeilenwählleitungen
RS1-RSn, eine Reihe von Zellenausgangsleitungen C01-C0m und eine Reihe von
Nachweisausgangsleitungen D01-D0m. Die Zeilenwählleitungen RS1-RSn, die der
Anzahl von Zeilen des Abbildungssystems entsprechen, sind Ausgang von der
Steuerungs- und Speichereinheit 112 an die Pixelsensorzellen 110, so daß jede
Zeilenwählleitung RS1-RSn mit jeder der Pixelsensorzellen 110 in einer Zeile
verbunden ist.
Die Reihe von Zellenausgangsleitungen C01-C0m, welche der Anzahl von
Spalten des Abbildungssystems entspricht, ist Ausgang von der Pixelsensorzelle
110 an die Nachweisschaltkreise DC1-DCm, so daß jede Zellenausgangsleitung
C01-C0m mit jeder der Pixelsensorzellen 110 in einer Spalte von Pixelsensorzellen 110
verbunden ist, und mit einem Nachweisschaltkreis DC1-DCm verbunden ist, der
der Spalte von Pixelsensorzellen 110 entspricht. Die Reihe von
Nachweisausgangsleitungen D01-D0m wiederum ist Ausgang der
Nachweisschaltkreise DC1-DCm an die Steuerungs- und Speichereinheit 112.
Das Abbildungssystem enthält ferner eine Reihe von
Zeilenrücksetzleitungen RR1-RRn, die Ausgang der Steuerungs- und Speicherein
heit 112 an die Pixelsensorzellen 110 ist, so daß jede Zeilenrücksetzleitung RR1-
RRn mit jeder der Pixelsensorzellen 110 in einer Zeile von Pixelsensorzellen 110
verbunden ist, und eine Reihe von Spaltenrücksetzleitungen CR1-CRm, die
Ausgang der Steuerungs- und Speichereinheit 112 an die Pixelsensorzellen 110
ist, so daß jede Spaltenrücksetzleitung CR1-CRm mit jeder der Pixelsensorzellen 110 in
einer Spalte von Pixelsensorzellen 110 verbunden ist.
Die Reihen von Zeilen- und Spaltenrücksetzleitungen RR1-RRn und CR1-
CRm ermöglichen es, daß jede Pixelsensorzelle 110 in der Matrix individuell
zurückgesetzt werden kann, so daß Pixelsensorzellen 110, die Strahlungsquellen
ausgesetzt werden, welche normalerweise zur Sättigung einer Pixelsensorzelle
110 führen, mehrmals während jeder Integrationsperiode gelesen und
zurückgesetzt werden können.
Gemäß Fig. 2 enthält die Pixelsensorzelle 110 eins mit einem erster
Zwischenknoten NIM1 verbundene Photodiode 122 und einen Splitgate-
Rücksetztransistor 124, dessen Drain mit einem Stromversorgungsknoten NPS,
dessen Source mit dem ersten Zwischenknoten NIM1, dessen erstes Gate SW1 mit
einer Spaltenrücksetzleitung CR und dessen zweites Gate SW2 mit einer
Zeilenrücksetzleitung RR verbunden sind. Der Vorteil der Verwendung eines
Splitgate-Rücksetztransistors besteht darin, daß jede Pixelsensorzelle 110 in der
Matrix individuell zurückgesetzt werden kann, ohne daß andere Pixelsensorzellen
110 in derselben Zeile oder Spalte zurückgesetzt werden. Die Pixelsensorzelle
110 enthält ferner einen Puffertransistor 126 und einen Zeilenwähltransistor 128.
Die Drain des Puffertransistors 126 ist mit dem Stromversorgungsknoten NPS,
seine Source mit einem zweiten Zwischenknoten NIM2 und sein Gate mit dem
ersten Zwischenknoten NIM1 verbunden, während die Drain des
Zeilenwähltransistors 128 mit dem zweiten Zwischenknoten NIM2, seine Source mit
einer Spaltenausgangsleitung C0 und sein Gate mit einer Zeilenwählleitung RS
verbunden sind.
Gemäß Fig. 1, 2 und 3A bis 3E beginnt der Betrieb eines Integrationszyklus
damit, daß die Steuerungs- und Speichereinheit 112 zunächst die
Pixelsensorzellen 110 in der ernten Zeile der Matrix durch Anlegen einer
Zeilenrücksetzspannung VRR1 an die Zeilenrücksetzleitung RR1 zur Zeit t1
zurücksetzt, gefolgt von dem im wesentlichen gleichzeitigen Anlegen einer Reihe
von Spaltenrücksetzspannungen VCR1-VCRm an die Spaltenrücksetzleitungen CR1-
CRm zur Zeit t2. (Zur Vermeidung von Ladungsverlusten wird vorzugsweise die
Zeilenrücksetzspannung VRR1 am Gate SW2 aufrechterhalten, bis die
Spaltenrücksetzspannung VCR1 am Gate SW1 zurückgenommen wurde).
Die an die Zeilenrücksetzleitung RR1, welche mit jedem der zweiten Gates
SW2 der Splitgate-Rücksetztransistoren 124 in der ersten Zeile verbunden ist,
angelegte Zeilenrücksetzspannung VRR1 bewirkt, daß erste Teile der Kanäle jedes
der Splitgate-Rücksetztransistoren 124 invertieren.
In ähnlicher Weise bewirkt die Reihe von Spaltenrücksetzspannungen VCR1-
VCRm, die an die Spaltenrücksetzleitungen CR1-CRm angelegt sind, welche mit
jedem der ersten Gates SW1 der Splitgate-Rücksetztransistoren 124 in der ersten
Zeile verbunden sind, daß der Rest der Kanäle jedes der Splitgate-
Rücksetztransistoren 124 invertiert, und macht so jeden der Splitgate-
Rücksetztransistoren 124 leitfähig. Sobald sie leitfähig sind, ziehen die Splitgate-
Rücksetztransistoren 124 die Spannungen an den Photodioden 122 auf eine
Anfangsintegrationsspannung und beenden so den Rücksetzschritt.
Nachdem die Spannungen an den Pixelsensorzellen 110 in der ersten Zeile
zurückgesetzt worden sind, wiederholt die Steuerungs- und Speichereinheit 112
die oben beschriebenen Schritte für jede der Zeilen in der Matrix, bis alle Pixel
sensorzellen 110 in der Matrix zurückgesetzt worden sind. Folglich beginnt das
Abbildungssystem einen Bildsammlungszyklus durch das Zurücksetzen jeder der
Pixelsensorzellen 110 in der Matrix auf eine Anfangsintegrationsspannung.
Sobald jede der Pixelsensorzellen 110 in der Matrix auf eine Anfangs
integrationsspannung zurückgesetzt worden ist, bestimmt das Abbildungssystem
als nächstes den Wert der Anfangsintegrationsspannung jeder der
Pixelsensorzellen 110 (aufgrund der Variationen in den Schwellenspannungen der
Puffertransistoren 126).
Gemäß Fig. 1, 2 und 3A bis 3E bestimmt die Steuerungs- und
Speichereinheit 112 die Anfangsintegrationsspannung an jeder der
Pixelsensorzellen 110 in der ersten Zeile durch Anlegen einer
Zeilenwählspannung VRS1 an die Zeilenwählleitung RS1 zu einem Zeitpunkt t3, der
unmittelbar nach der abfallenden Flanke der Spaltenrücksetzspannungen VCR1-
VCRm eintritt.
Die Zeilenwählspannung VRS1, die an die Zeilenwählleitung RS1 angelegt
ist, welche mit jedem der Gates der Zeilenwähltransistoren 128 in der ersten Zeile
verbunden ist, bewirkt, daß die Spannungen an dem zweiten Zwischenknoten NIM2
der Pixelsensorzellen 110, die die Anfangsintegrationsspannungen des Zyklus
darstellen, an den Zellenausgangsleitungen C01-C0m auftreten.
Die Nachweisschaltkreise DC1-DCm verstärken und digitalisieren daraufhin
die Anfangsintegrationsspannungen an den Zellenausgangsleitungen C01-C0m.
Die digitalisierten Anfangsintegrationsspannungen sind dann Ausgang an den
Nachweisausgangsleitungen D01-D0m zur Steuerungs- und Speichereinheit 112,
welche die digitalisierte Anfangsintegrationsspannung jeder Pixelsensorzelle 110
in der ersten Zeile speichert.
Sobald die Anfangsintegrationsspannung an jeder der Pixelsensorzellen
110 in der ersten Zeile bestimmt und gespeichert worden ist, wiederholt die
Steuerungs- und Speichereinheit 112 die oben beschriebenen Schritte für jede der
Zeilen in der Matrix, bis die Anfangsintegrationsspannungen von allen
Pixelsensorzellen 110 in der Matrix bestimmt und gespeichert worden sind.
Nachdem die Anfangsintegrationsspannungen aller Pixelsensorzellen 110
in der Matrix bestimmt und gespeichert worden sind, beginnt das
Abbildungssystem damit, Ladungen in jeder der Pixelsensorzellen 110 in der
Matrix zu sammeln.
Gemäß Fig. 1, 2 und 3A bis 3E trifft von der Zeit t3, dem effektiven Beginn
des Integrationszyklus, bis zur Zeit t4, dem effektiven Ende des Integrationszyklus,
Licht in Form von Photonen unter Bildung einer Anzahl von Elektron-Loch-Paaren
die Photodioden 122 in den Pixelsensorzellen 110. Die Photodioden 122 sind so
ausgelegt, daß sie eine Rekombination zwischen den neugebildeten Elektron-
Loch-Paaren beschränken.
Im Ergebnis werden die photoerzeugten Löcher in jeder Pixelsensorzelle
110 an den Erdungsanschluß der Photodiode 122 gezogen, während die
photoerzeugten Elektronen an den positiven Anschluß der Photodiode 122
gezogen werden, wo jedes zusätzliche Elektron die Spannung an der Photodiode
122 und dem zweiten Zwischenknoten NIM2 von jeder Pixelsensorzelle 110
vermindert.
Statt, wie im herkömmlichen Fall, die Spannungen an den Photodioden 122
der Pixelsensorzellen 110 (über die zweiten Zwischenknoten NIM2) am Ende des
Integrationszyklus zu bestimmen, werden die Spannungen an jeder Photodiode
122 mehrmals während jedes Integrationszyklus bestimmt.
Folglich wird jede Pixelsensorzelle 110 i-mal während jedes
Integrationszyklus gelesen, um zu bestimmen, wieviele Ladungen in der
Pixelsensorzelle sek dem letzten Zurücksetzen gesammelt worden sind. Im
Ergebnis werden i-Ladungswerte - im folgenden auch als Photonenwerte
bezeichnet - für jede Pixelsensorzelle 110 in der Matrix berechnet, wobei jeder
Ladungswert wiedergibt, wieviele Ladungen in einer Pixelsensorzelle 110 seit dem
letzten Zurücksetzen gesammelt worden sind.
Für digitale Standkameras ist die maximale Integrationsperiode (Bild
sammlungsperiode) durch den f-Stop der Kamera vorgegeben. Beispielsweise
bedeutet eine Blendengeschwindigkeit von 1/50 Sekunde, daß die maximale
Integrationsperiode zu etwa 20 ms geben ist. Andererseits ist die die maximale
Integrationsperiode für Videokameras durch die Scan-Raten der Kamera zu etwa
30 ms gegeben. Die maximale Integrationsperiode begrenzt wiederum den
schwächsten Lichtpegel, der durch die Kamera aufgenommen werden kann.
Die Zahl der Sammlungsperioden kann beliebig gewählt werden, wird
jedoch vorzugsweise auf die minimale Anzahl von Perioden gesetzt, die
verwendet werden kann, um zu verhindern, daß eine dem hellsten Licht
ausgesetzte Pixelsensorzelle gesättigt wird. Das Verhindern der Sättigung einer
Pixelsensorzelle 110 hat den Vorteil, daß keine Bildinformation verlorengeht. Die
Verwendung der minimalen Zahl von Integrationsperioden hat den Vorteil, daß
weniger Rauschen angesammelt wird.
Gemäß Fig. 3A bis 3E und Fig. 4 wird jeder Integrationszyklus, der üblicher
weise 30 ms lang ist, in drei Sammlungsperioden von 10 ms unterteilt. Folglich
legt die Steuerungs- und Speichereinheit 112 am Ende der ersten
Sammlungsperiode zu einem Zeitpunkt t5, der ungefähr 10 ms nach dem
Zurücksetzen der Pixelsensorzellen 110 liegt, erneut die Zeilenwählspannung VRS1
an die Zeilenwählleitung RS1, was wiederum bewirkt, daß die Spannungen an
jedem der zweiten Zwischenknoten NIM2 in der ersten Zeile, welche die ersten
Integrationsspannungen des Zyklus darstellen, an den Zellenausgangsleitungen
C01-C0m auftreten.
Die Nachweisschaltkreise DC1-DCm verstärken und digitalisieren daraufhin
die ersten Integrationsspannungen an den Zellenausgangsleitungen C01-C0m.
Die digitalisierten ersten Integrationsspannungen für jede der Pixelsensorzellen
110 in der ersten Zeile sind dann Ausgang an die Nachweisausgangsleitungen
D01-D0m zur Steuerungs- und Speichereinheit 112.
Als nächstes subtrahiert die Steuerungs- und Speichereinheit 112 die
digitalisierte erste Integrationsspannung jeder Pixelsensorzelle 110 in der ersten
Zeile von ihrer digitalisierten Anfangsintegrationsspannung, um einen ersten
gesammelten Photonenwert für jede Pixelsensorzelle 110 in der ersten Zeile zu
erhalten. Der erste gesammelte Photonenwert stellt die Anzahl von Photonen dar,
die durch eine Pixelsensorzelle 110 während der ersten Sammlungsperiode
gesammelt wurde.
Anschließend vergleicht die Steuerungs- und Speichereinheit 112 jeden
ersten gesammelten Photonenwert mit einem vorbestimmten Wert. Obwohl jeder
Wert als vorbestimmter Wert verwendet werden kann, beträgt der Wert
vorzugsweise etwa die Hälfte der maximalen Anzahl von Photonen (der
Pixelfüllungsgrenze), die durch eine Pixelsensorzelle 110 gesammelt werden
kann.
Wenn der erste gesammelte Photonenwert einer Pixelsensorzelle 110
gleich oder größer als der vorbestimmte Wert ist, wird er in der Steuerungs- und
Speichereinheit 112 gespeichert. Wenn andererseits der erste gesammelte
Photonenwert einer Pixelsensorzelle 110 kleiner als der vorbestimmte Wert ist,
wird er von der Steuerungs- und Speichereinheit 112 ignoriert.
Wenn folglich gemäß Fig. 4 die Pixelsensorzelle C1 hellem Licht ausgesetzt
wird, überschreitet der erste gesammelte Photonenwert der Pixelsensorzelle C1
den vorbestimmten Wert und wird daher in der Steuerungs- und Speichereinheit
112 gespeichert. Wenn andererseits die Pixelsensorzellen C2 und C3 mittlerem
bzw. schwachem Licht ausgesetzt werden, liegen die ersten gesammelten
Photonenwerte dieser Pixelsensorzellen 112 unter dem vorbestimmten Wert und
werden deshalb ignoriert.
Sobald die Pixelsensorzellen 110 erste gesammelte Photonenwerte haben,
die gleich oder größer als der vorbestimmte Wert sind, setzt die Steuerungs- und
Speichereinheit 112 diese Pixelsensorzellen 110 zurück. Da die Pixelsensorzelle
C1 die einzige Pixelsensorzelle 110 in der ersten Zeile ist, welche einen ersten
gesammelten Photonenwert hat, der gleich oder größer als der vorbestimmte Wert
ist, setzt folglich die Steuerungs- und Speichereinheit 112 nur die Pixelsensorzelle
C1 durch Anlegen der Zeilenrücksetzspannung VRR1 an die Zeilenrücksetzleitung
RR1 zum Zeitpunkt t6 und anschließendes Anlegen der Spaltenrücksetzspannung
VCR1 an die Spaltenrücksetzleitung CR1 zum Zeitpunkt t7 zurück.
Keine der übrigen Pixelsensorzellen 110 in der ersten Zeile wird zu dieser
Zeit zurückgesetzt, da sowohl die Zeilenrücksetzspannung VRR als auch die
Spaltenrücksetzspannung VCR zum Zurücksetzen einer Pixelsensorzelle 110
anliegen müssen. Da als einzige Spaltenspannung die Spaltenrücksetzspannung
VCR1 angelegt wird, wird folglich nur die Pixelsensorzelle 110 in der ersten Zeile
und der ersten Spalte zurückgesetzt.
Sobald die ersten gesammelten Photonenwerte für alle Pixelsensorzellen
110 in der ersten Zeile bestimmt und die entsprechenden Pixelsensorzellen 110
zurückgesetzt worden sind, wiederholt die Steuerungs- und Speichereinheit 112
die oben beschriebenen Schritte für jede der Zeilen in der Matrix, bis für alle Pixel
sensorzellen 110 in der Matrix die ersten gesammelten Photonenwerte bestimmt
und die entsprechenden Pixelsensorzellen 110 zurückgesetzt worden sind.
Anschließend geht die Photonenintegration bis zum Ende der zweiten
Sammlungsperiode zum Zeitpunkt t8 weiter. Zu diesem Zeitpunkt hat die
Pixelsensorzelle C1 für etwa 10 ms Photonen gesammelt (seit sie zuletzt
zurückgesetzt worden ist), während die Pixelsensorzellen C2 und C3 für etwa 20
ms Photonen gesammelt haben.
Folglich legt die Steuerungs- und Speichereinheit 112 zum Zeitpunkt t8
erneut die Zeilenwählspannung VRS1 an die Zeilenwählleitung RS1, was wiederum
bewirkt, daß die Spannungen an den zweiten Zwischenknoten NIM2, welche die
zweiten Integrationsspannungen des Zyklus darstellen, an den
Zellenausgangsleitungen C01-C0m auftreten.
Die Nachweisschaltkreise DC1-DCm verstärken und digitalisieren dann die
zweiten Integrationsspannungen an den Zellenausgangsleitungen C01-C0m. Die
digitalisierten zweiten Integrationsspannungen für jede der Pixelsensorzellen 110
in der ersten Zeile sind dann Ausgang an die Nachweisausgangsleitungen D01-
D0m zur Steuerungs- und Speichereinheit 112.
Als nächstes subtrahiert die Steuerungs- und Speichereinheit 112 erneut
die digitalisierte zweite Integrationsspannung jeder Pixelsensorzelle 110 in der
ersten Zeile von ihrer digitalisierten Anfangsintegrationsspannung, um einen
zweiten gesammelten Photonenwert für jede der Pixelsensorzellen 110 in der
ersten Zeile zu erhalten. Anschließend vergleicht die Steuerungs- und
Speichereinheit 112 jeden zweiten gesammelten Photonenwert mit dem
vorbestimmten Wert.
Wenn der zweite gesammelte Photonenwert einer Pixelsensorzelle 110
gleich oder größer als der vorbestimmte Wert ist, wird er in der Steuerungs- und
Speichereinheit 112 gespeichert. Wenn andererseits der zweite gesammelte
Photonenwert einer Pixelsensorzelle 110 kleiner als der vorbestimmte Wert ist,
wird er von der Steuerungs- und Speichereinheit 112 ignoriert.
Da die Pixelsensorzelle C1 hellem Licht ausgesetzt wird, überschreitet
folglich gemäß Fig. 4 der zweite gesammelte Photonenwert der Pixelsensorzelle
C1 erneut den vorbestimmten Wert und wird daher in der Steuerungs- und
Speichereinheit 112 gespeichert. Außerdem überschreitet der zweite gesammelte
Photonenwert der Pixelsensorzelle C2, die mittlerem Licht ausgesetzt wird, nun
auch den vorbestimmten Wert, obwohl der erste gesammelte Photonenwert der
Pixelsensorzelle C2 kleiner als der vorbestimmte Wert war, und wird deshalb in
der Steuerungs- und Speichereinheit 112 gespeichert. Andererseits liegt weiterhin
der zweite gesammelte Photonenwert der Pixelsensorzelle C3, die schwachem
Licht ausgesetzt wird, unterhalb des vorbestimmten Wertes und wird daher
ignoriert.
Die Steuerungs- und Speichereinheit 112 speichert bevorzugterweise den
ersten und zweiten gesammelten Photonenwert der Pixelsensorzelle C1 als einen
Gesamtwert, obwohl diese beiden Werte auch an verschiedenen Stellen
gespeichert werden können.
Sobald die Pixelsensorzellen 110 in der ersten Zeile zweite gesammelte
Photonenwerte haben, die gleich oder größer als der vorbestimmte Wert sind,
setzt die Steuerungs- und Speichereinheit 112 diese Pixelsensorzellen 110
zurück. Folglich setzt die Steuerungs- und Speichereinheit 112, da die
Pixelsensorzellen C1 und C2 die einzigen Pixelsensorzellen in der ersten Zeile mit
einem zweiten gesammelten Photonenwert sind, der gleich oder größer als der
vorbestimmte Wert ist, die Pixelsensorzellen C1 und C2 zurück, indem sie
zunächst die Zeilenrücksetzspannung VRR1 an die Zeilenrücksetzleitungen RR1
zum Zeitpunkt t9 anlegt und anschließend die Spaltenrücksetzspannungen VCR1
und VCR2 an die Spaltenrücksetzleitungen CR1 bzw. CR2 zum Zeitpunkt t10 anlegt.
Keine der übrigen Pixelsensorzellen 110 in der ersten Zeile wird zu diesem
Zeitpunkt zurückgesetzt, da zum Rücksetzen einer Pixelsensorzelle 110 sowohl
die Zeilenrücksetzspannung VRR als auch die Spaltenrücksetzspannung VCR zur
selben Zeit anliegen müssen.
Sobald die zweiten gesammelten Photonenwerte der Pixelsensorzellen 110
der ersten Zeile bestimmt worden sind und die entsprechenden Pixelsensorzellen
110 zurückgesetzt wurden, wiederholt die Steuerungs- und Speichereinheit 112
die oben beschriebenen Werte für jede der Zeilen in der Matrix, bis die zweiten
gesammelten Photonenwerte für alle Pixelsensorzellen 110 in der Matrix bestimmt
und die entsprechenden Pixelsensorzellen 110 zurückgesetzt worden sind.
Anschließend geht die Photonenintegration bis zum Ende der dritten
Integrationsperiode zur Zeit t4 weiter, die dem Ende des Integrationszyklus
entspricht. Zu diesem Zeitpunkt haben die Pixelsensorzellen C1 und C2 für etwa
10 ms Photonen gesammelt, während die Pixelsensorzelle C3 für etwa 30 ms
Photonen gesammelt hat.
Am Ende der dritten Sammlungsperiode (Zeitpunkt t4) legt die Steuerungs-
und Speichereinheit 112 erneut die Zeilenwählspannung VRS1 an die Zeilenwähl
leitung RS1 an, was wiederum bewirkt, daß die Spannungen an den zweiten
Zwischenknoten NIM2, welche die dritten Integrationsspannungen des Zyklus
darstellen, an den Zellenausgangsleitungen C01-C0m auftreten.
Die Nachweisschaltkreise DC1-DCm verstärken und digitalisieren dann die
dritten Integrationsspannungen an den jeweiligen Zellenausgangsleitungen C01-
C0m. Die digitalisierten dritten Integrationsspannungen für jede der
Pixelsensorzellen 110 in der ersten Zeile sind dann Ausgang an den
Nachweisausgangsleitungen D01-D0m zur Steuerungs- und Speichereinheit 112.
Als nächstes subtrahiert die Steuerungs- und Speichereinheit 112 die
digitalisierte dritte Integrationsspannung jeder Pixelsensorzelle 110 in der ersten
Zeile von ihrer digitalisierten Anfangsintegrationsspannung, um einen dritten
gesammelten Photonenwert für jede Pixelsensorzelle 110 in der ersten Zeile zu
erhalten.
Anschließend kombiniert die Steuerungs- und Speichereinheit 112 den
dritten gesammelten Photonenwert mit den entsprechenden ersten und zweiten
gespeicherten gesammelten Photonenwerten, wo vorhanden, von jeder der
Pixelsensorzellen 110 in der ersten Zeile, um einen gesamten gesammelten
Photonenwert für jede der Pixelsensorzellen 110 in der ersten Zeile zu erhalten.
Danach gibt die Steuerungs- und Speichereinheit 112 den gesamten
gesammelten Photonenwert für jede der Pixelsensorzellen 110 in der ersten Zeile
aus.
Folglich wird gemäß Fig. 4, da die Pixelsensorzelle C1 während jeder der
drei Sammlungsperioden hellem Licht ausgesetzt war, der dritte gesammelte
Photonenwert mit dem gespeicherten ersten und zweiten gesammelten
Photonenwert der Pixelsensorzelle C1 kombiniert, um den gesamten
gesammelten Photonenwert der Pixelsensorzelle C1 zu erhalten. Da die
Pixelsensorzelle C2 mittlerem Licht ausgesetzt wurde, wird der dritte gesammelte
Photonenwert mit dem gespeicherten zweiten gesammelten Photonenwert der
Pixelsensorzelle C2 kombiniert, um den totalen gesammelten Photonenwert der
Pixelsensorzelle C2 zu erhalten.
Andererseits wurden, da die Pixelsensorzelle C3 schwachem Licht
ausgesetzt wurde, keine ersten und zweiten gesammelten Photonenwerte für die
Pixelsensorzelle C3 gespeichert. Im Ergebnis wird der dritte gesammelte
Photonenwert der Pixelsensorzelle C3 der gesamte gesammelte Photonenwert
der Pixelsensorzelle C3.
Sobald die dritten gesammelten Photonenwerte für die Pixelsensorzellen
110 in der ersten Zeile bestimmt worden sind, wiederholt die Steuerungs- und
Speichereinheit 112 die oben beschriebenen Schritte für jede der Zeilen in der
Matrix, bis die dritten gesammelten Photonenwerte für alle Pixelsensorzellen 110
in der Matrix bestimmt worden sind.
Nachdem die dritten gesammelten Photonenwerte für die Pixelsensorzellen
110 in der Matrix bestimmt worden sind, beginnt die Steuerungs- und
Speichereinheit 112 den nächsten Bildsammlungszyklus, indem sie jede der
Pixelsensorzellen 110 in der Matrix wie oben beschrieben zurücksetzt.
Folglich beginnt die Steuerungs- und Speichereinheit 112 erneut durch
Anlegen der Zeilenrücksetzspannung VRR1 an die Zeilenrücksetzleitung RR1 zum
Zeitpunkt t11, gefolgt vom Anlegen der Reihen von Spaltenrücksetzspannungen
VCR1-VCRm an die Spaltenrücksetzleitungen CR1-CRm zum Zeitpunkt t12. Sobald
die Pixelsensorzellen 110 in der ersten Zeile zurückgesetzt wurden, wiederholt die
Steuerungs- und Speichereinheit 112 diese Schritte für jede Zeile in der Matrix.
Anschließend bestimmt die Steuerungs- und Speichereinheit 112 erneut die
Anfangsintegrationsspannung an jeder der Pixelsensorzellen 110 in der ersten
Zeile durch Anlegen der Zeilenwählspannung VRS1 an die Zeilenwählleitung RS1
zu einem Zeitpunkt t13, der unmittelbar nach der abfallenden Flanke der
Spaltenrücksetzspannungen VCR1-VCRm liegt. Sobald die Pixelsensorzellen 110 in
der ersten Zeile gemessen worden sind, wiederholt die Steuerungs- und
Speichereinheit 112 diese Schritte für jede Zeile in der Matrix.
Folglich tastet das Abbildungssystem die Pixelsensorzellen 110 der Matrix
mehrmals während jedes Integrationszyklus ab. Dies hat den Vorteil, daß der
Dynamikbereich wesentlich erhöht werden kann.
Gemäß Fig. 4 überschreitet der gesamte gesammelte Photonenwert der
Pixelsensorzelle C1 bei weitem den Pixelfüllungsgrenzwert (die maximale
Kapazität) der Pixelsensorzelle. Wenn diese Photoneninformation, wie dies bisher
der Fall ist, nicht im Speicher aufaddiert würde, würde die gesamte
Photoneninformation oberhalb des Pixelfüllungsgrenzwertes verlorengehen.
Sobald die digitalisierten dritten Integrationsspannungen für jede der Pixel
sensorzellen 110 in der ersten Zeile ausgegeben worden sind, subtrahiert die
Steuerungs- und Speichereinheit 112 die digitalisierten dritten Integrations
spannungen jeder Pixelsensorzelle 110 in der ersten Zeile von ihrer digitalisierten
Anfangsintegrationsspannung, um einen dritten gesammelten Photonenwert für
jede Pixelsensorzelle 110 in der ersten Zeile zu erhalten.
Alternativ ist es möglich, daß die Steuerungs- und Speichereinheit 112 die
digitalisierte dritte Integrationsspannung jeder Pixelsensorzelle 110 in der ersten
Zeile von ihrer digitalisierten Anfangsintegrationsspannung, genommen am Beginn
des zweiten Bildsammlungszyklus, subtrahiert.
Dazu subtrahiert gemäß Fig. 5A bis 5E die Steuerungs- und
Speichereinheit 112 die digitalisierten Werte der Pixelsensorzellen C1 bis C3, die
zum Zeitpunkt t4 erhalten wurden, von den Werten, die zum Zeitpunkt t13 erhalten
wurden, statt die digitalisierten Werte der Pixelsensorzellen C1 bis C3 zur Zeit t4
von den zur Zeit t3 erhaltenen Werten zu subtrahieren.
Das Lesen einer Pixelsensorzelle 110, wie der Pixelsensorzelle C3,
unmittelbar vor und nach dem Zurücksetzen hat den Vorteil, daß die Zeit zwischen
aufeinanderfolgenden Leseschritten von etwa 30 ms (vom Beginn bis zum Ende
des Integrationszyklus) auf etwa 10 µs (vom Ende eines Integrationszyklus bis
zum Beginn des nächsten Integrationszyklus) reduziert werden kann. Auch für die
Pixelsensorzellen C1 bis C2 können durch Reduzierung der Zeit zwischen
aufeinanderfolgenden Leseschritten von etwa 10 ms auf etwa 10 µs wesentliche
Fortschritte erzielt werden. Im Ergebnis können auch Variationen in der Spannung
am zweiten Zwischenknoten NIM2 aufgrund von Schwellenspannungsvariationen
des Puffertransistors 16, die von 1/f-Rauschen herrühren, wesentlich vermindert
werden.
Außerdem können gemäß Fig. 5A bis 5E weitere Verminderungen in den
Schwellenspannungsvariationen aufgrund von 1/f-Rauschen durch Lesen der
Spannung an der Pixelsensorzelle zu Zeitpunkten t14 und t15 erreicht werden.
Folglich können die gesamten Photonen an der Pixelsensorzelle C1 durch
Subtraktion des zur Zeit t5 digitalisierten Wertes vom zur Zeit t14 digitalisierten
Wert bestimmt werden. In ähnlicher Weise kann die Zahl gesammelter Photonen
an den Pixelsensorzellen C1 und C2 durch Subtraktion des zur Zeit t8 erhaltenen
digitalisierten Wertes von dem zur Zeit t15 erhaltenen Wert bestimmt werden.
Bei dem in Fig. 5A bis 5E gezeigten Verfahren muß noch eine
Anfangsmessung mit dem zur Zeit t3 erhaltenen digitalisierten Wert durchgeführt
werden, um zunächst zu bestimmen, ob die Pixelsensorzelle überhaupt zurück
gesetzt wird. Folglich werden die gesammelten Photonen an der Pixelsensorzelle
C1 nur durch Subtraktion des zur Zeit t5 erhaltenen digitalisierten Wertes vom zur
Zeit t14 erhaltenen Wert bestimmt, nachdem durch Subtraktion des zur Zeit t5
erhaltenen digitalisierten Wertes vom zur Zeit t3 erhaltenen Wert bestimmt worden
ist, daß die Pixelsensorzelle C1 zurückgesetzt wird.
Ferner werden die Zeilen- und Spaltenrücksetzspannungen VRR und VCR
vorzugsweise wesentlich größer als die Spannung am Stromversorgungsknoten
NPS der Pixelsensorzellen 110 gewählt, so daß die Spannungen an den ersten
Zwischenknoten NIM1 der Pixelsensorzellen 110 auf die Spannung am
Stromversorgungsknoten NPS gezogen werden.
Beispielsweise wird durch Anlegen von 3,3 Volt an den Strom
versorgungsknoten NPS der Pixelsensorzelle 110 und durch Verwendung von 5-
Volt-Zeilen- und -Spaltenrücksetzspannungen VRR und VCR der Splitgate-
Rücksetztransistor 124 einer Pixelsensorzelle 110 im linearen Bereich betrieben,
was wiederum die Spannung am ersten Zwischenknoten NIM1 der Pixelsensorzelle
110 auf 3,3 Volt zieht.
Die Tatsache, daß der Splitgate-Rücksetztransistor 124 in den linearen
Betriebsbereich während des Rücksetzschrittes gezwungen wird, bewirkt, daß die
Spannung am ersten Zwischenknoten NIM1 nicht länger einer Variation aufgrund
von Änderungen in der Schwellenspannung des Rücksetztransistors 124, die von
1/f-Rauschen herrühren, ausgesetzt ist. Alternativ können die Zeilen- und
Spaltenrücksetzspannungen VRR und VCR gleich der Spannung am
Stromversorgungsknoten NPS, d. h. +5 Volt, gewählt werden.
Die Zeilenwählspannungen VRS1-VRSn können auch wesentlich größer als
die maximalen Spannungen an den zweiten Zwischenknoten NIM2 der
Pixelsensorzellen 110 gewählt werden, wie z. B. 5 Volt, so daß die Spannungen
an den Zellenausgangsleitungen C0 den Spannungen an den zweiten
Zwischenknoten NIM2 folgen.
Im Ergebnis tragen die Zeilenwähltransistoren 128 der Pixelsensorzellen
110 kein wesentliches Rauschen bei, da die Transistoren 128 ebenfalls im
linearen Bereich betrieben werden. Außerdem fließt kein Strom (außer einem
kurzzeitigen) durch die Transistoren 126 und 128, wenn die
Zeilenwählspannungen VRS angelegt werden, da diese Lasten in den
Nachweisschaltkreisen DC1-DCm kapazitiv sind.
Gemäß Fig. 6 und Fig. 7 wird eine aktive Pixelsensorzelle 200 auf einem
Substrat 210 gebildet, welches eine Grabenisolationsregion 212 enthält, die durch
ein äußeres Wandstück 220, welches eine Vielzahl aktiver Regionen innerhalb
des Substrats 210 umschließt, und einem herausragenden Wandstück 222,
welches sich vom äußeren Wandstück 220 nach innen erstreckt, begrenzt wird.
Alternativ kann die Grabenisolationsregion 212 als Feldoxidregion durch lokale
Oxidation von Silicium (LOCOS) oder andere bekannte Verfahren gebildet
werden.
Ferner unterteilt das herausragende Wandstück 222 die Vielzahl aktiver
Regionen in eine L-förmige erste aktive Region 230 und rechteckige zweite, dritte
und vierte aktive Regionen 232, 234 und 236. Die Region 230 des Substrats 210
wird mit einem Material zur Bildung einer n+-Photodiode 240 dotiert, während die
zweite, dritte und vierte Region 232, 234 und 236 mit einem Material zur Bildung
von n+-Source- und -Drainregionen für die Transistoren der Pixelsensorzelle 200
dotiert werden.
Bezüglich Fig. 2 und Fig. 6 dient die Region 232 als Source des
Zeilenwähltransistors 128, die Region 234 als Source des Puffertransistors 126
und Drain des Wähltransistors 128 und die Region 236 als Drain für den
Rücksetztransistor 124 und den Puffertransistor 126.
Außerdem sind die zweite und dritte Region 232 und 234 durch eine
Wählkanalregion 242, die dritte und vierte Region 234 und 236 durch eine
Pufferkanalregion 244 und die erste und vierte Region 230 und 236 durch eine
Splitgate-Rücksetzkanalregion 246 getrennt.
Die Pixelsensorzelle 200 enthält ferner eine erste Polysilicium (Poly-1)-
Schicht 216 und eine darunterliegende Oxidschicht 214, die über einem ersten
Teil der Splitgate-Rücksetzkanalregion 246 und einem Teil der äußeren und
herausragenden Wandstücke 220 und 222 der Isolationsregion 212 gebildet sind.
Gemäß Fig. 8 und Fig. 9 enthält die Pixelsensorzelle 200 ferner eine zweite
Polysilicium (Poly-2)-Schicht 218 und eine darunterliegende Oxidschicht 217, die
über einem zweiten Teil der Splitgate-Rücksetzkanalregion 246 und einem Teil der
Wandstücke 220 und 222 der Isolationsregion 212 gebildet sind. Außerdem sind
die Poly-2-Schicht 218 und die darunterliegende Oxidschicht 217 auch über der
Pufferkanalregion 244 und einem Teil der Wandstücke 220 und 222 der
Isolationsregion 212, der Wählkanalregion 242 und einem Teil der Wandstücke
220 und 222 der Isolationsregion 212 gebildet.
Claims (11)
1. Abbildungssystem mit einer aus Zeilen und Spalten bestehenden Matrix
aktiver Pixelsensorzellen (110), wobei die Pixelsensorzellen (110) jeder Zeile
jeweils über eine Zeilenwählleitung (RS1 bis RSn) und eine Zeilenrücksetzleitung
(RR1 bis RRn) mit einer Steuer- und Speichereinheit (112) und die
Pixelsensorzellen (110) jeder Spalte jeweils mit einer Zellenausgangsleitung (C01
bis C0m) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede
Zellenausgangsleitung (C01 bis C0m) mit einem eigenen Nachweisschaltkreis
(DC1 bis DCm) in Verbindung steht, der über eine Nachweisausgangsleitung (D01
bis D0m) mit der Steuer- und Speichereinheit (112) verbunden ist, und daß die
Pixelsensorzellen (110) jeder Spalte so mit einer Spaltenrücksetzleitung (CR1 bis
CRm) verbunden sind, daß eine Rücksetzung einer bestimmten
Pixelsensorzelle (110) nur bei gleichzeitigem Anliegen eines Rücksetzsignals an
der zugehörigen Zeile und Spalte erfolgt.
2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede
Pixelsensorzelle (110) einen Splitgate-Rücksetztransistor (124), der mit einem
Stromversorgungs-Schaltungspunkt (NPS), einem ersten Schaltungspunkt (NIM1),
einer Zeilenrücksetzleitung (RR1-RRn) und einer Spaltenrücksetzleitung (CR1-
CRm) verbunden ist, einen Photodetektor (122), der mit dem ersten
Schaltungspunkt (NIM1) verbunden ist, einem Puffertransistor (126), der mit dem
Stromversorgungs-Schaltungspunkt (NPS), einem zweiten Schaltungspunkt (NIM2)
und dem ersten Schaltungspunkt (NIM1) verbunden ist, und einen
Zeilenwähltransistor (128), der mit dem zweiten Schaltungspunkt (NIM2), einer
Zeilenwählleitung (RS1-RSn) und einer Zellenausgangsleitung (C01-C0m)
verbunden ist, umfaßt.
3. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Nachweisschaltkreis (DC1-DCm) eine Verstärkungs- und
Digitalisierungseinrichtung zum Verstärken und Digitalisieren der an der
Zellenausgangsleitung (C01 bis C0m) anliegenden Pixelsensorzellenausgangs
spannung umfaßt.
4. Verfahren zum Betreiben eines Abbildungssystems mit einer Vielzahl
aktiver, einzeln rücksetzbarer Pixelsensorzellen nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß
alle Pixelsensorzellen zurückgesetzt werden,
in jeder der Pixelsensorzellen während einer Integrationsperiode, die nach dem Zurücksetzen der Pixelsensorzellen beginnt, photogenerierte Ladungen gesammelt werden,
zu mindestens einem Zeitpunkt vor Ablauf der Integrationsperiode zu jeder Pixelsensorzelle ein die darin seit dem letzten Zurücksetzen gesammelten Ladungen anzeigender Zwischenwert ermittelt wird,
der Zwischenwert mit einem vorbestimmten Maximalwert verglichen und, wenn der Zwischenwert gleich oder größer als der Maximalwert ist, die Pixelsensorzelle zurückgesetzt und der Zwischenwert gespeichert wird, und daß
am Ende der Integrationsperiode zu jeder Pixelsensorzelle ein die darin seit dem letzten Zurücksetzen photogenerierten Ladungen anzeigender Endwert ermittelt wird,
wobei die Endwerte und die Zwischenwerte zum Berechnen eines Gesamtwertes für jede Pixelsensorzelle, welcher die in der Pixelsensorzelle während der Integrationsperiode detektierten Photonen anzeigt, addiert werden.
alle Pixelsensorzellen zurückgesetzt werden,
in jeder der Pixelsensorzellen während einer Integrationsperiode, die nach dem Zurücksetzen der Pixelsensorzellen beginnt, photogenerierte Ladungen gesammelt werden,
zu mindestens einem Zeitpunkt vor Ablauf der Integrationsperiode zu jeder Pixelsensorzelle ein die darin seit dem letzten Zurücksetzen gesammelten Ladungen anzeigender Zwischenwert ermittelt wird,
der Zwischenwert mit einem vorbestimmten Maximalwert verglichen und, wenn der Zwischenwert gleich oder größer als der Maximalwert ist, die Pixelsensorzelle zurückgesetzt und der Zwischenwert gespeichert wird, und daß
am Ende der Integrationsperiode zu jeder Pixelsensorzelle ein die darin seit dem letzten Zurücksetzen photogenerierten Ladungen anzeigender Endwert ermittelt wird,
wobei die Endwerte und die Zwischenwerte zum Berechnen eines Gesamtwertes für jede Pixelsensorzelle, welcher die in der Pixelsensorzelle während der Integrationsperiode detektierten Photonen anzeigt, addiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als
Zwischenwert einer Pixelsensorzelle ein zu dem Zeitpunkt gemessener
Integrationswert der Pixelsensorzelle verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Zwischenwert einer Pixelsensorzelle durch Subtraktion eines nach dem ersten
Zurücksetzen aller Pixelsensorzellen gemessenen Rücksetzwerts der
Pixelsensorzelle von einem zu dem Zeitpunkt gemessenen Integrationswert der
Pixelsensorzelle ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenwerte für jeden Zeitpunkt einzeln gespeichert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenwerte zu einem der Pixelsensorzelle entsprechenden
Zwischenwert-Speicherplatz addiert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als
Endwert der am Ende der Integrationsperiode gemessene Integrationswert der
Pixelsensorzelle verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß vom
Endwert ein nach dem ersten Zurücksetzen aller Pixelsensorzellen gemessener
Rücksetzwert der entsprechenden Pixelsensorzelle subtrahiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verfahren nach Ablauf der ersten Integrationsperiode während einer zweiten
Integrationsperiode erneut durchlaufen wird, wobei vom Endwert für die erste
Integrationsperiode ein nach dem Zurücksetzen aller Pixelsensorzellen zu Beginn
der zweiten Integrationsperiode gemessener Rücksetzwert der entsprechenden
Pixelsensorzelle subtrahiert wird.
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