DE3635687A1

DE3635687A1 - Bildaufnahmesensor

Info

Publication number: DE3635687A1
Application number: DE19863635687
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Dietrich
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1986-10-21
Filing date: 1986-10-21
Publication date: 1988-05-05
Also published as: FR2605475A1; GB2197718A; GB2197718B; DE3635687C2; US4797562A; GB8724774D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bildaufnahmesensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die hir in Rede stehenden Bildaufnahmesensoren bestehen aus einem vorzugsweise zeilenförmigen Muster aus Fotodetektoren zur Aufnahme eines Bildes, wobei die Fotodetektoren mit einer Bildverarbeitungsschaltung verbunden sind. Derartige ein- oder zweidimensionale Fotodetektorarrays sind z. B. integrierte Schaltungen aus ladungsgekoppelten Speichern.

Diese Bildaufnahmesensoren werden zur Bilderzeugung, zur Bildwiedergabe oder Bildweiterverarbeitung, zur Objekterkennung und/oder Objektverfolgung sowie zur Zielerkennung eingesetzt. Für eine Objekterkennung und/oder Objektverfolgung ist dem Bildaufnahmesensor eine Bildverarbeitungsschaltung nachgeschaltet, um ein selektives Objekt aufgrund seiner Form im Bild zu erkennen.

Bei der Zielerkennung ist in vielen Fällen das zu erkennende Ziel, z. B. ein lichtmarkierter Flugkörper, durch seine Intensität eindeutig gegen alle anderen Bildpunkte hervorgehoben.

Bei den bekannten Bildaufnahmesensoren werden die einzelnen Fotodetektoren entsprechend den Pixeln (Bildelementen) des Sensors sequentiell ausgelesen und dann digital weiterverarbeitet, um eine Objektortung oder Zielerkennung durchzuführen.

Bei dem angesprochenen Problem der Zielerkennung ist in der Regel nicht das vom Bildaufnahmesensor aufgenommene Gesamtbild interessant; wesentlich für die Zielerkennung wären nur die Koordinaten des dem Ziel zugeordneten Bildpunktes. Das bislang angewendete Verfahren, das Gesamtbild aus dem Bildaufnahmesensor auszulesen und durch eine Bildverarbeitungsschaltung verarbeiten zu lassen, um diese Koordinaten des Zielpunktes zu finden, ist daher umständlich und zeitaufwendig. Eine schnellere Zielerkennung und Zielverfolgung wäre in vielen Fällen wünschenswert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bildaufnahmesensor der in Rede stehenden Art anzugeben, mit dem wesentlichen schneller und ökonomischer als bisher interessierende Objekte bzw. Ziele in dem Bild erkannt und deren Bildpunktkoordinaten eindeutig angegeben werden können.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß ist der Bildaufnahmesensor gemäß der Erfindung in der angegebenen integrierten Form so aufgebaut, daß nach jedem Meßzyklus die Koordinaten nur der interessierenden Bildpunkte direkt abgeliefert werden, wonach der Bildaufnahmesensor zum nächsten Meßzyklus übergeht. Statt wie bei bekannten Bildaufnahmesensoren nach einer Bildintegrationsperiode die Daten sämtlicher Pixel auszulesen und dann mit digitalen Bildverarbeitungsmethoden die Objektortung durchzuführen, liefert der Sensor für einen solchen Fall ein einziges Datenwort, nämlich die Bildpunktkoordinaten des gesuchten Objektes und kann dann sofort mit der nächsten Fotoladung-Integrationsphase beginnen. Hiermit wird ein Höchstmaß an Datenreduktion erreicht.

Mit der Erfindung werden ein- und zweidimensionale assoziativ arbeitende Bildaufnahmesensoren geschaffen, die keine Intensitätswerte pro Bildpunkt abgeben, sondern nur die Adressen der interessierenden Bildpunkte, bei denen der Intensitätswert der Fotoladung ein vorgegebenes Niveau überschreitet. Mit derartigen Bildaufnahmesensoren mit integrierter Bildverarbeitung ist es möglich, direkt die Bildpunktkoordinaten, die Bildpunktgeschwindigkeit und die Richtung der Bildpunktgeschwindigkeit für einen oder die hellsten interessierenden Bildpunkte zu bestimmen.

Der Bildaufnahmesensor gemäß der Erfindung ist sehr reaktionsschnell. Die Reaktionsgeschwindigkeit entspricht im Extremfall derjenigen von Einzeldetektoren. Außerdem kann bei dem Bildaufnahmesensor gemäß der Erfindung die Reaktionsgeschwindigkeit an die jeweilige Objekthelligkeit angepaßt werden.

Der Bildaufnahmesensor gemäß der Erfindung wird in integrierter Technik hergestellt, wobei die Eingangssteuerschaltung und die Ausgabeschaltung mittels Feldeffekttransistoren und Gattern realisiert werden können, insbesondere durch Feldeffekttransistoren und Gatter mit einem Vielelektrodeneingang (Multi-Gate-Transistoren).

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltdiagramm eines Bildaufnahmesensors gemäß der Erfindung aus einer Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Zellen;

Fig. 2 ein Schaltbild einer Zelle für einen Bildaufnahmesensor gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ein Schaltbild für ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zelle für einen Bildaufnahmesensor gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Zusatzeinrichtung für einen Bildaufnahmesensor gemäß der Erfindung zur Berechnung der relativen Bildpunktgeschwindigkeiten von zu erkennenden Objekten.

Ein Bildaufnahmesensor 1 weist in einer Matrixanordnung aus n Spalten und m Zeilen eine Vielzahl von Zellen 2 auf, denen jeweils ein Fotodetektor 15 zugeordnet ist. Jede Zelle weist einen Steuereingang G auf. Sämtliche Steuereingänge der Zellen sind über eine mehradrige Steuerleitung 3 mit einer gemeinsamen externen Steuerschaltung 4 verbunden, die für alle Zellen 2 gleiche Steuer- und Kontrollsignale liefert. In dem dargestellten Falle sind dieses die weiter unten erläuterten Signale RESET, RESET LEVEL, CHARGE 1, CHARGE 2 (U _REF), CLEAR und SKIP. Der Bildsensor 1 enthält ferner in Spaltenrichtung (n + 1) Spaltenleitungen PX _i und in Zeilenrichtung (m + 1) Zeilenleitungen PY _j, denen jeweils die X-Adresse X _i bzw. die Y-Adresse Y _j zugeordnet ist. Jede Zelle 2_i,j ist mit den Spaltenleitungen PX _i-l und PX _i sowie mit den Zeilenleitungen PY _j-l und PY _j verbunden. Die Spaltenleitungen PX _l bis PY _n sowie die Zeilenleitungen PY _l bis PY _m sind mit einem x-Adressen-Enkoder/Dekoder 5 bzw. einem Y-Adressen-Enkoder/Dekoder 6 verbunden, an deren jeweiligem Ausgang 7 bzw. 8 die X-Adresse bzw. Y-Adresse der jeweiligen Zelle anliegt. Die Spaltenleitung PX₀ und die Zeilenleitung PY₀ sind zu einer Interrupt-Freigabeleitung 9 zusammengefaßt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind jeweils die Anschlußpunkte der Zellen und der Enkoder/Dekoder, d. h. der Adressenschaltungen 5 und 6 mit den zugehörigen Symbolen PX _i bzw. PY _j versehen.

Mit den Adressenschaltungen 5 und 6 wird jeweils ein Positionskodiervorgang einer Zelle 2_ÿ erkannt und daraus ein Interrupt-Signal erzeugt. Diese Interrupt-Signale werden in einem ODER-GATTER 10 kombiniert und einem Interrupt-Eingang 11 einer Programmsteuerschaltung 12 für die Bildauswertung zugeführt.

Ferner werden in den Adressenschaltungen 5 und 6 aus dem Bitmuster auf den Zeilen- und Spaltenleitungen PX und PY bei einem Positionier-Kodier-Zugriff der Zelle 2_ÿ die binären Koordinaten dieser Zelle erzuegt. Sind diese binären Koordinaten bzw. Positionsdaten vollständig, so erzeugen die Adressenschaltungen ein entsprechendes Ausgangssignal, das über ein UND-Gatter 13 zusammengefaßt und der Programmsteuerschaltung 12 zugeführt wird. Diese Programmsteuerschaltung 12 übernimmt dann die Adressendaten aus den Ausgangsleitungen 7 und 8 und gibt an einen Bestätigungsausgang 14 ein entsprechendes Signal ab. Dieses Signal wird über die Befehlsleitung SKIP dem Zellenverband mitgeteilt.

In Fig. 2 ist eine typische Struktur einer Zelle mit einem Fotodetektor 15 für einen Bildaufnahmesensor mit Zeilenpriorität und zum Vergleich der Fotoladung des Fotodetektors 15 mit einer Referenzspannung U _REF dargestellt.

Wesentliche Bestandteile der Zelle sind neben dem Fotodetektor 15 eine Ladeschaltung 16 aus drei Feldeffekttransistoren F 1, F 2 und F 3 für einen Kondensator C 1, ferner ein Komparator 17 zum Vergleich der Kondensatorspannung U 1 mit einer Referenzspannung U _REF sowie eine logische Verknüpfungsschaltung 18 aus sechs Gattern G 1 bis G 6. Der Kanal jedes Felddeffekttransistors F 1 bis F 3 wird leitend, wenn am jeweiligen Gate ein logisches EINS- bzw. HOCH-Signal anliegt. Die Feldeffekttransistoren sind gesperrt, wenn an dem Gate ein logisches NULL- bzw. NIEDRIG-Signal anliegt. An dem Gate des Feldeffekttransistors F 1 liegt das Steuersignal RESET an, an dem Gate des Feldeffekttransistors F 3 das Steuersignal CHARGE 1. An den Source-Elektroden der Feldeffektransistoren F 1 und F 2 liegt das Steuersignal RESET LEVEl an, an der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors F 3 das Ausgangssignal des Fotodetektors 15, der seinerseits an einer geregelten Spannung +V anliegt. Der Verbindungspunkt der DRAIN-Elektroden der Feldeffekttransistoren F 2 und F 3 ist mit einer Kondensatorplatte sowie dem MINUS-Eingang des Komparators 17 verbunden. Die zweite Kondensatorplatte ist mit dem Grundpotential GND mit Masse verbunden.

An dem PLUS-Eingang des Komparators 17 liegt die Referenzspannung U _REF.

Die logische Verknüpfungsschaltung 18 weist zunächst zwei NAND-Gatter G 1 und G 2 in FLIP-FLOP-Schaltung auf, wobei der eine Eingang des Gatters G 1 mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist. Das zweite NAND-Gatter hat drei Eingänge, wobei der dritte Eingang mit dem Steuer- und Kontrollsignal CLEAR der externen Steuerschaltung 4 beaufschlagt werden kann. Ein Eingang des dritten NAND-Gatters G 3 ist mit der externen Steuerschaltung 4 verbunden und kann mit dem Steuer- und Kontrollsignal SKIP beaufschlagt werden. Der zweite Eingang dieses Gatters G 3 ist mit der Spaltenleitung PX _i-l verbunden. Diese Spaltenleitung ist auch mit einem Eingang des NAND-Gatters G 4 verbunden, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Gatters G 3 verbunden ist. Die Ausgangsleitung des Gatters G 3 ist außerdem auf den zweiten Eingang des Gatters G 2 geschaltet. Die dritte Steuerleitung des Gatters G 4 ist mit dem Ausgang des NAND-Gatters G 2 verbunden. Die Eingangssignale für das NAND-Gatter G 5 werden vom Ausgang des Gatters G 4 und von dem Signal auf der Zeilenleitung PY _j-l geliefert. Diese Zeilenleitung ist auch mit dem einen Eingang des Gatters G 6 verbunden, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Gatters G 2 verbunden ist. Die Gatter G 5 und G 6 liefern Ausgangssignale auf die Spaltenleitung PX _i sowie die Zeilenleitung PY _j. Diese beiden Gatter haben einen offenen Kollektorausgang, um durch bloßes Verbinden mit anderen Ausgängen PX _i und PY _j eine ODER Verknüpfung zu ermöglichen.

Die Ladeschaltung 16 und die logische Verknüpfungsschaltung 18 sind noch durch eine Leitung zwischen dem Ausgang des ersten NAND-Gatters G 1 und der GATE-Elektrode des Feldeffekttransistors F 2 verbunden.

Mit der beschriebenen Zellenstruktur können mit dem Bildaufnahmesensor die Koordinaten aller Bildpunkte bestimmt werden, deren Intensität nach einer vorgegebenen Fotoladungsintegrationszeit einen durch U _REF vorgegebenen Intensitätswert überschritten hat. Ferner können hiermit auch die Koordinaten des hellsten Bildpunktes oder die Isohelie von Bildpunkten bestimmt werden, d. h. Bildpunkte mit einer Helligkeit innerhalb eines Intensitätsintervalls. Der Ablauf dieser Operationen wird weiter unten erläutert.

In Fig. 3 ist eine typische Struktur einer Zelle 2′ dargestellt, mit der neben den erwähnten Operationen auch noch Bildpunkt-Intensitätsvergleiche zwischen zwei Bildern durchgeführt werden können. Diese Zellenstruktur ist in den wesentlichen Teilen identisch mit derjenigen gemäß Fig. 2. Folgende Unterschiede bestehen:

Die Ladeschaltung 16′ weist noch einen zusätzlichen Feldeffekttransistor F 4 auf, dessen Gate-Elektrode mit dem Steuer-und Kontrollsignal CHARGE 2 beaufschlagt werden kann anstatt mit dem Referenzsignal U _REF. Die Source- bzw. Drain-Elektroden dieses Feldeffekttransistors F 4 sind mit dem Ausgang des Fotodetektors 15 bzw. mit einem zweiten Kondensator C 2 verbunden, dessen Kondensatorspannung U 2 mit derjenigen des ersten Kondensators C 1 mit Hilfe des Komparators 17 verglichen werden kann.

Die Funktion der Ladeschaltung 16 in Fig. 2 bzw. 16′ in Fig. 3 ist, die Fotoladung des Fotodetektors entweder dem Kondensator C 1 bzw. beiden Kondensatoren C 1 und C 2 zuzuführen oder diese Fotoladungen ungenutzt abzuleiten. Außerdem können hiermit die Kondensatoren C 1 bzw. C 2 und C 2 auf definierte extern zuführbare Potentiale aufgeladen oder entladen werden.

Die digitale logische Verknüpfungsschaltung 18 zwischen dem Ausgangssignal des Komparators und den Spaltenleitungen PX und den Zeilenleitungen PY ermöglicht es jeder Zelle, auf den Zeilen- und Spaltenleitungen einen Adreßkode für ihre Position i, j zu kodieren. Dies erfolgt dann, wenn in dieser Zelle der Komparator festgestellt hat, daß entweder
- die Spannung U 1 am Kondensator C 1 größer als die externe Referenzspannung U _REF ist (Fig. 2) oder
- die Spannung U 1 am Kondensator C 1 größer ist als die Spannung U 2 am Kondensator C 2 (Fig. 3).

Durch die logische Verknüpfungsschaltung 18 bei beiden Ausführungsbeispielen ist sichergestellt, daß immer nur eine Zelle ihre Position auf den Spalten- und Zeilenleitungen kodieren kann und die anderen Zellen so lange warten müssen, bis dieser Positionskode von den horizontalen und vertikalen Adreßschaltungen 5 bzw. 6 verarbeitet und die dann binär vorliegende Adresse dieser Zelle am Adreßausgang 7 bzw. 8 des Sensorelementes abgeliefert und zur Weiterverarbeitung übernommen wurde. Danach wird durch das externe RESET-Signal der Kondensator C 1 dieser Zelle auf einen neuen Grundzustand geladen oder entladen, so daß wiederum die Spannung U 1 an diesem Kondensator kleiner als die Referenzspannung U _REF (Fig. 2) bzw. kleiner als die Spannung U 2 am Kondensator C 2 (Fig. 3) ist.

Dies hat zur Folge, daß die jeweilige Zelle ihren Positionskodierzugriff auf die Zeilen- und Spaltenleitungen PX, PY beendet und eine andere Zelle auf diese Leitungen einen Kodierzugriff machen kann, wenn dort die Bedingung U₁<U _REF (Fig. 2) bzw. U₁<U₂ (Fig. 3) ist.

Die Interrupt-Bedingung U₁<U _REF bzw. U 1<U₂ löst für die jeweilige Zelle einen Interrupt aus, die Rückladung des Kondensators C 1 in den Grundzustand, bei dem U 1<U _REF bzw. U 1<U 2 ist, beendet den Interrupt der jeweiligen Zelle. Dadurch werden die Zeilen- und Spaltenleitungen freigegeben für den nächsten Interrupt einer anderen Zelle.

Ist in mehreren Zellen gleichzeitig die Interrupt-Bedingung erfüllt, dann lösen die einzelnen Zellen ihre Interrupts auf den Zeilen- und Spaltenleitungen in einer Reihenfolge aus entsprechend der durch die logische Verknüpfungsschaltung 18 zwischen Komparatorausgangssignal und Zeilen- und Spaltenleitungen innerhalb jeder Zelle vorgegebenen Prioritätsstruktur. Bei der Zellenstruktur gemäß den Fig. 2 und 3 erfolgen die Interrupts mit Zeilenpriorität, d. h. der Erstinterrupt erfolgt von der Zelle mit der niedrigsten Zeilennummer und der niedrigsten Spaltennummer in dieser Zeile. Nach diesem Interrupt erfolgt der nächste von einer Zelle innerhalb dieser Zeile mit der nächst höheren Spaltennummer, sofern in dieser Zeile noch eine weitere Zelle zum Interrupt bereit ist. Erst wenn alle möglichen Interrupts dieser Zeile abgearbeitet sind, beginnen die möglichen Interrupts von Zellen der nächsten Zeile.

Der Bildaufnahmesensor nach Fig. 1 erhält ferner die folgenden bereits erwähnten Steuersignale folgender Definitionen:

INTERRUPT ENABLE

Dieses Signal wird den Spalten- und Zeilenleitungen PX₀ und PY₀ zugeführt. Ist dieses Signal NULL, so kann bei den Zellenstrukturen gemäß den Fig. 2 und 3 keine Zelle einen Interrupt auf den Zeilen- oder Spaltenleitungen ausführen, auch wenn die Interrupt-Bedingung erfüllt ist. Mit einer solchen Eingabe lassen sich interruptfreie Fotoladungsintegrationsperioden erzeugen. Wird das Signal INTERRUPT ENABLE jedoch zu EINS, dann beginnen ab diesem Zeitpunkt alle interruptfähigen Zellen prioritätsgesteuert ihren Interrupt zu erzeugen, bzw. es entsteht der nächste Interrupt, sobald eine Zelle interruptfähig wird.

RESET LEVEL

Dieses Signal ist entweder ein analoges Eingangssignal, auf dessen Spannungswert die Kondensatoren C 1 (Fig. 2) bzw. C 1 und C 2 (Fig. 3) jeder Zelle auf- oder entladen werden können, oder es ist der Spannungswert, gegen den der Fotostrom des Fotodetektors 15 einer Zelle ungenutzt abgeleitet werden soll, und zwar in Zeitintervallen, in denen keine Fotoladungsintegration erwünscht ist.

CHARGE 1 und CHARGE 2

Dieses sind digitale Schaltsignale, um den Ladungsfluß von oder zu den Kondensatoren C 1 bzw. C 2 ein- oder auszuschalten, wobei es sich bei der durch die Feldeffekttransistoren F 3 bzw. F 4 fließenden Ladung um Fotoladung des Fotodetektors 15 oder um Ausgleichsladung von den Kondensatoren handeln kann, um das Potential zu erreichen, daß durch das Signal RESET LEVEL vorgegeben wird.

RESET

Mit diesem digitalen Steuer- und Kontrollsignal können in Verbindung mit den Signalen CHARGE 1 und CHARGE 2 folgende fünf Funktionen bei den Zellenstrukturen gemäß den Fig. 2 und 3 durchgeführt werden:

a) Auf- oder Entladen der Kondensatoren C 1 aller Zellen auf das Potential entsprechend dem Signal RESET LEVEL. Hierzu sind die Steuer- und Kontrollsignale CHARGE 1=1, CHARGE 2=0 und RESET =1.
b) Auf- oder Entladen der Kondensatoren C 2 aller Zellen auf das durch das Signal RESET LEVEL vorgegebene Potential mit den übrigen Steuersignalen CHARGE 2=1, CHARGE 1=0 und RESET =1.
c) Ableiten der Fotodetektorladungen in Zeiten, in denen keine Integration des Fotostromes in einem der Kondensatoren C 1 oder C 2 stattfinden soll. Hierbei sind die Steuersignale CHARGE 1=0, CHARGE 2=0 und RESET =1.
d) Integration der Fotodetektorladungen in den Kondensatoren C 1. Hierzu ist CHARGE 1=1, CHARGE 2=0 und RESET =0.
e) Integration der Fotodetektorladungen in den Kondensatoren C 2 bei CHARGE 1=0, CHARGE 2=1 und RESET =0.

SKIP

Bei einer Zellenstruktur gemäß den Fig. 1 bzw. 3 führt das digitale Schaltsignal SKIP =1 dazu, einzelne Interrupts zu überspringen durch Umladen der Kondensatoren C 1 auf das durch RESET LEVEL vorgegebene Potential beseitigt wird. Hierbei muß bei SKIP =1 gelten, daß das Signal Interrupt Level kleiner als das Signal U _REF (Fig. 2) bzw. kleiner als U 2 ist.

Dieses digitale Steuer- und Kontrollsignal ermöglicht bei der Eingabe EINS die Adressenkodierung mit Adressenausgabe der Zellen bzw. beendet oder sperrt diese bei der Eingabe Null. (Im folgenden wird die Überstreichung von CLEAR fortgelassen).

Um die Koordinaten x und y derjenige Zelle 2_{x, y} zu kodieren, die gerade einen Interrupt auf den Zeilen- und Spaltenleitungen durchführt, werden die logischen Zustände der Zeilen- und Spaltenleitungen folgendermaßen festgelegt:

In den Zeilen j ≧ y werden zusätzlich alle an die Spaltenleitungen PX _i angeschlossenen Adreßausgänge der Zellen, das sind die offenen Kollektorausgänge der Gatter G 5 in den logischen Verknüpfungsschaltungen 18 in den logischen Zustand EINS bzw. hochgeschaltet. Damit gilt:

Anstelle der offenen Kollektorausgänge können hier auch hochohmige Tristate-Ausgänge verwendet werden. Aus dieser Kodierung ist es mit Hilfe der Adreßschaltungen 5 bzw. 6 möglich, die Adresse der jeweiligen Interruptzelle mit den Koordinaten x und y zu bestimmen.

Im folgenden werden fünf Anwendungsbeispiele A, B, C und D mit den jeweiligen Verfahrensschritten angegeben, die mit dem beschriebenen Bildaufnahmesensor ausgeführt werden können.

A) Bestimmen der Koordinaten aller Bildpunkte, deren Intensität nach einer vorgegebenen Fotoladungsintegrationszeit t einen vorgegebenen Intensitätswert U _REF überschritten hat

Für diese Anwendungsmöglichkeit wird eine Zellenstruktur gemäß Fig. 2 verwendet. Hierbei sind folgende Verfahrensschritte auszuführen:

1. Entladen der Kondensatoren C 1 aller Zeiten auf einen Startwert, z. B. den Schwarzwert, der durch das Signal RESET LEVEL vorgegeben ist, wobei dieses analoge Signal kleiner ist als der vorgegebene Intensitätswert U _REF. Die übrigen Steuer- und Kontrollsignale sind dabei CHARGE 1=1, RESET =1, CLEAR =0 und INTERRUPT ENABLE =0.
2. Integration der Fotoladung des Fotodetektors während des Intervalls t in den Kondensatoren C 1 der Zellen mit CHARGE 1=1, RESET =0, INTERRUPT ENABLE =0 und CLEAR = 1. Durch die Integration der Fotoladung erhöht sich das Potential an den Kondensatoren C 1. Im übrigen braucht die Fotoladungsintegration nicht während des gesamten Intervalls t erfolgen; diese Integration kann beliebig oft durch Intervalle Δ t unterbrochen werden, indem CHARGE 1=0, RESET =1, INTERRUPT ENABLE =0 und CLEAR =1 gesetzt werden.
3. Mit Eingabe der Signale INTERRUPT ENABLE =1 und CLEAR =1 werden von allen Zellen Interrupts ausgelöst, bei denen die Interruptbedingung U₁<U _REF erfüllt ist. Durch die Prioritätssteuerung mit Hilfe der logischen Verknüpfungsschaltung 18 werden die Bildpunktkoordinaten dieser Zellen ausgegeben.
Ist während der Zelleninterrupts keine weitere Fotoladungsintegration erwünscht, so wird CHARGE 1=1 und RESET =1 gesetzt, ansonsten CHARGE 1=1 und RESET =0. Im ersten Fall wird die Fotoladung des Fotodetektors ungenützt abgeleitet, im zweiten Fall weiter über den Kanal des Feldeffekttransistors F 3 auf den Kondensator C 1 gespeist.
4. Falls keine weiteren Interrupts gewünscht werden, kann jederzeit mit CLEAR =0 die durch die Interrupts gesteuerte Adressenausgabe beendet werden.
5. Rücksprung zum Verfahrensschritt 1, wodurch ein neuer Meßzyklus eingeleitet wird, entweder nachdem alle Zellen ihre Bildkoordinaten abgegeben haben oder nachdem mit CLEAR =0 und SKIP =1 ein Teil des Meßzyklus übersprungen worden ist.

B) Bestimmen der Koordinaten des hellsten Bildpunktes.

Auch bei dieser Operation wird eine Zellenstruktur gemäß Fig. 2 verwendet. Der Funktionsablauf ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:

1. Entladen der Kondensatoren C 1 aller Zellen auf den Startwert entsprechend dem Schritt 1 beim obigen Anwendungsbeispiel A.
2. Integration der Fotoladung in den Kondensatoren C 1 mit dem Steuersignal INTERRUPT ENABLE =1, ansonsten jedoch den gleichen Steuer- und Kontrollsignalen wie oben im Schritt 2 des Beispieles A. Durch INTERRUPT ENABLE =1 entsteht ein Interrupt in dem Moment, zu dem die Interruptbedingung U₁<U _REF durch eine Zelle als erste erfüllt ist. Nach Abgabe der Koordinaten dieser Zelle wird deren Kondensator C 1 auf den Startwert zurückgesetzt, der durch RESET LEVEL bestimmt ist, außerdem wird der Interrupt aufgehoben. Auf diese Weise wird die Zelle mit dem hellsten Bildpunkt festgestellt. Die Integration kann jetzt entweder fortgesetzt werden zur Bestimmung der Koordinaten des zweit-, dritthellsten Bildpunktes usw. oder kann neu gestartet werden durch Rücksprung auf den Verfahrensschritt 1.
Auch bei diesem Anwendungsbeispiel kann selbstverständlich die Fotoladungsintegration beliebig oft durch Intervalle unterbrochen werden.

C) Bestimmen von Isohelie-Bildpunktkoordinaten

Auch bei diesem Beispiel wird eine Zellenstruktur gemäß Fig. 2 verwendet.

Bei einigen Anwendungen ist es erwünscht, nur die Koordinaten von etwa gleich hellen Bildpunkten zu bestimmen, deren Helligkeit in einem Intensitätsintervall I _min<I<I _max liegen. Die Verfahrensschritte sind folgende:

1. Zunächst werden die Kondensatoren C 1 aller Zellen auf den Startwert entladen. Dieser Schritt ist wiederum der gleiche wie bei dem Anwendungsbeispiel A.
2. Die Fotoladung der Fotodetektoren wird in den Kondensatoren C 1 integriert entsprechend dem Schritt 2 im Beispiel A, wobei wiederum die Fotoladungsintegration beliebig oft durch Intervalle unterbrochen sein kann.
3. Für die Erzeugung von Interrupts im gewünschten Intensitätsintervall werden zunächst alle Interrupts gelöscht, für die I < I _MAX gilt. Dies erfolgt mit CHARGE 1=0, RESET =1, INTERRUPT ENABLE =0, U _REF=I _MAX und CLEAR =0.

Anschließend werden alle Interrupts im gewünschten Intensitätsintervall ausgelöst durch CLEAR =1, CHARGE 1=0, RESET =1, INTERRUPT ENABLE =1 und U _REF=I _MIN.

Die Ausgabe von Zellenadressen, die ihre Interrupts durchführen, kann wiederum jederzeit durch Eingabe von CLEAR =0 beendet werden, und ein neuer Meßzyklus durch einen Rücksprung auf den Schritt 1 begonnen werden. Ebenso ist es möglich, durch mehrfaches Durchlaufen des Schrittes 3 die Bildpunkte in verschiedenen Intensitätsintervallen zu ermitteln.

D) Bildvergleich zum Bestimmen der Koordinaten von Bildpunkten, deren Intensitätswert sich zeitlich geändert hat.

Bei diesem Anwendungsbeispiel wird eine Zellenstruktur gemäß Fig. 3 verwendet, mit der es möglich ist, Intensitätsvergleiche zwischen Bildpunkten zweier Bilder durchzuführen, deren Bildpunktintensitätswerte in den Kondensatoren C 1 und C 2 gespeichert sind. Die Funktionschritte sind hierbei folgende:

1. Entladen der Kondensatoren C 1 und C 2 aller Zellen auf einen Startwert, z. B. den Schwarzwert, der wiederum durch das Signal RESET LEVEL bestimmt wird. Hierbei ist CLEAR =0, CHARGE 1=1, CHARGE 2=1, RESET=1 und INTERRUPT ENABLE =0.
2. Integration der Bildpunktintensitäten in dem ersten Bild, das in den Kondensatoren C 1 abgespeichert ist, und zwar während eines Zeitintervalles t 1. Hierbei ist in Anlehnung an den Verfahrensschritt 2 im Anwendungsbeispiel A CHARGE 1=1, CHARGE 2=0, RESET =0, INTERRUPT ENABLE =0 und CLEAR =1.
Das Zeitintervall t 1 kann beliebig oft durch Teilintervalle unterbrochen werden, indem CHARGE 1=0 gesetzt wird.
3. Integration der Bildpunktintensitäten des zweiten Bildes, das in den Kondensatoren C 2 abgespeichert ist, während des Zeitintervalles t 2. Hierbei ist entsprechend CHARGE 1=0, CHARGE 2=1, RESET =0, INTERRUPT ENABLE =0 und CLEAR =1.
Auch das Zeitintervall t 2 kann beliebig oft durch Teilintervalle unterbrochen werden, indem jetzt CHARGE 2=0 gesetzt wird.
Die Teilintervalle der Intervalle t 1 und t 2 dürfen sich selbstverständlich nicht überlappend verzahnen.
Selbstverständlich ist es auch möglich, das erste Bild in den Kondensatoren C 2 und das zweite Bild in den Kondensatoren C 1 zu speichern. Die Steuer- und Kontrollsignale CHARGE 1 und CHARGE 2 müssen dann entsprechend vertauscht werden.
4. Anschließend wird ein Bildpunktvergleich durchgeführt, für den CHARGE 1=0, CHARGE 2=0, RESET =1 und CLEAR =1 gesetzt werden. Hierdurch lösen alle Zellen, deren integrierte Bildpunktintensität im Intervall t 1 größer (oder gegebenenfalls kleiner) als im Intervall t 2 war, einen Interrupt aus und liefern ihre Bildpunktkoordinaten ab. Diese sind neue Koordinaten oder gegebenenfalls in einem vorhergehenden Meßzyklus ermittelte alte Koordinaten von auf dem Bildaufnahmesensor abgebildeten bewegten hellen oder dunklen Objekten. Die Ausgabe dieser Bildkoordinaten kann wiederum jederzeit durch Eingabe von CLEAR =0 beendet werden.
5. Durch Vergleich der Ergebnisse mehrerer oder aufeinanderfolgender Bildversuche kann die Geschwindigkeit und die Richtung eines auf dem Bildaufnahmesensor abgebildeten bewegten Objektes bestimmt werden. Dies erfolgt z. B. folgendermaßen:

In einer externen Speicher- und Rechenschaltung 21 werden vom Bildaufnahmesensor abgegebene, aufeinanderfolgende Bildpunktkoordinaten verglichen. Diese in Fig. 4 schematisch dargestellte Speicher- und Rechenschaltung 21 weist für die X-Koordinaten und Y-Koordinaten entsprechend den Zellenkoordinaten zunächst eine selbsthaltende Speicherschaltung 22 X bzw. 22 Y auf. Deren Ausgänge sind mit einer weiteren Speicherschaltung 23 X bzw. 23 Y verbunden. Die Ausgangssignale der ersten Speicherschaltungen 22 X bzw. 22 Y werden jeweils einen Eingang einer Rechenschaltung 24 X bzw. 24 Y zugeleitet. Dem jeweils zweiten Eingang wird jeweils das Ausgangssignal der Speicherschaltung 23 X bzw. 23 Y zugeführt. Die dargestellte Speicher- und Rechenschaltung ist somit im wesentlichen eine Subtrahierstufe mit Zwischenspeichern, in der bei bekannter oder fest vorgegebener Meßintervallzeit der Zwischenspeicher aufeinanderfolgende Koordinatenwerte miteinander verglichen werden. An den Ausgängen der Rechenschaltungen 24 X bzw. 24 Y liegen dann direkt der Geschwindigkeit und der Geschwindigkeitsrichtung des Flugkörpers entsprechende Signale an.

Aus der Beschreibung der einzelnen Beispiele ist ersichtlich, daß die Reaktionszeit des Bildaufnahmesensors gemäß der Erfindung wesentlich kürzer ist als bei bekannten Bildaufnahmesensoren, da durch entsprechende Ansteuerung nur die jeweils interessierenden Bildpunkte bzw. Bildbereiche ausgegeben werden. Beim zuletzt beschriebenen Anwendungsbeispiel entspricht die Reaktionszeit des Bildaufnahmesensors bei der Objektortung der überhaupt kürzestmöglichen Reaktionszeit und entspricht der eines einzelnen Fotodetektorelementes.

Claims

1. Bildaufnahmesensor aus einem vorzugsweise zeilenförmigen Muster aus Fotodetektoren zur Aufnahme eines Bildes, wobei die Fotodetektoren mit einer Bildverarbeitungsschaltung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Bildverarbeitungsschaltung (16, 17, 18, C 1, C 2) in den Bildaufnahmesensor (1) integriert ist, daß der Bildaufnahmesensor (1) hierzu aus einzelnen, jeweils einem Fotodetektor (15) zugeordneten Zellen (2) aufgebaut ist, daß jede Zelle mit Spalten- und Zeilenleitungen (PX _i, PY _j) zur Definition einer Zellenadresse verbunden ist und als integrierte Bestandteile folgende Elemente aufweist:
eine Eingangssteuerschaltung (16, G 2, G 3), der externe Steuersignale zum Aktivieren und Auslesen der Zelle (2) zuführbar sind,
einen Kondensator (C 1) zur Aufnahme der Fotoladung des Fotodetektors (15),
einen Spannungskomparator (17) zum Vergleich der Kondensatorspannung (U 1) mit einer Vergleichsspannung (U _REF, U 2) und eine Ausgabeschaltung (18) zur Abgabe eines Signales an die Spalten- und Zeilenleitungen bei einer Kondensatorspannung größer als der Vergleichsspannung (positives Vergleichsergebnis),
und daß schließlich für die Spalten- und Zeilenleitungen jeweils ein für alle Zeilen (2) gemeinsame Adressen-Enkoder/Dekoder (5, 6) vorgesehen ist zur Angabe der Adresse derjenigen Zelle, in der ein positives Vergleichsergebnis vorliegt.

2. Bildaufnahmesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssteuerschaltung (16, G 2, G 3) jeder Zelle eine Ladeschaltung (16) zum extern gesteuerten Auf- und Entladen des Kondensators (C 1) bzw. zum Laden des Kondensators (C 1) bzw. durch den Fotodetektor (15) aufweist.

3. Bildaufnahme nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsspannung (U _REF) eine extern zugeführte Referenzspannung ist.

4. Bildaufnahmesensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelle (2′) einen weiteren Kondensator (C 2) aufweist, der extern gesteuert über die Ladeschaltung (16′) be- und entladen werden kann und der, ebenfalls extern gesteuert, die einem Vergleichsbild zugeordnete Fotoladung des Fotodetektors zuführbar ist, wobei dann die Spannung an diesem Kondensator (C 2) die Vergleichsspannung ist.

5. Bildaufnahmesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabeschaltung (18) jeder Zelle (2) eine logische Verknüpfungsschaltung zwischen dem Ausgang des Komparators (17) und den Spalten- und Zeilenleitungen (PX, PY) ist und eine Prioritätsstruktur zur Abgabe der Signale an die Spalten- und Zeilenleitungen bei positivem Vergleichsergebnis festlegt.

6. Bildaufnahmesensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prioritätsstruktur eine Zeilenpriorität festlegt.

7. Bildaufnahmesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Adressen-Enkoder/Dekoder (5, 6) und eine externe Programmsteuerschaltung (12) eine Interruptsteuerung (9, 10, 13) zur Bewertung der positiven Vergleichsergebnisse erfolgt.