DE69931629T2

DE69931629T2 - Aktivpixel-cmos-sensor mit mehreren speicherkondensator

Info

Publication number: DE69931629T2
Application number: DE69931629T
Authority: DE
Inventors: Jr. Lawrence Phoenix BOOTH
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 1998-04-16
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: KR20010042768A; EP1078390A1; ZA992744B; WO1999054912A1; AU2978799A; EP1078390A4; EP1078390B1; TW421957B; KR100379017B1; DE69931629D1; US6078037A; JP2002512461A

Description

STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Bilderfassung. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung die Zuordnung einer Mehrzahl von Speicherelemente zu einem fotoempfindlichen Element.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Der Einsatz von Bildsensoren hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen, und die digitale Bilderfassung hat gewaltige Fortschritte gemacht. Für gewöhnlich werden digitale Bilder von Bilderfassungsanordnungen abgeleitet, die aus Zeilen und Spalten von Pixeln bestehen. Jedes Pixel speichert eine Ladung, die den Leuchtwerten an einem Punkt auf der Oberfläche der Bilderfassungsanordnung zu einem Zeitpunkt oder möglicherweise auch einem Durchschnitt über einen bestimmten Zeitraum entsprechen. Die Abbildung aus 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Beispiels für ein Pixel. Das lichtempfindliche Element 10 ist so angeordnet, dass es einfallendes Licht sammelt. Das lichtempfindliche Element 10 kann zum Beispiel eine Fotodiode sein. Ein Rücksetztransistor 12 ist in Reihe mit dem fotoempfindlichen Element 10 zwischen das fotoempfindliche Element und die Stromversorgung Vcc geschaltet. Der Gate-Anschluss des Rücksetztransistors 12 wird durch ein Rücksetzsignal gesteuert, das im aktivierten Zustand bewirkt, dass es sich bei der Spannung an einem Abtastknoten 20 zwischen dem Rücksetztransistor 12 und dem lichtempfindlichen Element 10 um eine bekannte Spannung handelt, in der Abbildung um Vcc. Ein Abtasttransistor 14 ist zwischen den Abtastknoten 20 und einen Knoten 22 gekoppelt. Das Speicherelement 16 ist zwischen den Erfassungsknoten 22 und die Erde gekoppelt. Die Spannung an dem Sammelknoten 22 steuert den Gate-Anschluss des Auslesetransistors 18.
Ein Abtastsignal steuert den Gate-Anschluss des Abtasttransistors 14. Wenn das Abtastsignal behauptet bzw. aktiviert wird, erscheint der Strom, der dem Lichtwert an dem lichtempfindlichen Element 10 zu diesem Zeitpunkt entspricht, an dem Erfassungsknoten 22 und wird von dem Speicherelement 16 erfasst, bei dem es sich um einen Kondensator handeln kann. Wenn das Abtastsignal deaktiviert wird, wird der Transistor 14 abgeschaltet, und es fließt kein Strom zwischen dem Abtastknoten 20 und dem Erfassungsknoten 22. Somit bleibt die Ladung an dem Speicherelement 16 theoretisch konstant, bis die Abtastung wieder aktiviert wird, was bewirkt, dass die Spannung an dem Erfassungsknoten 22 mit der Spannung an dem Abtastknoten 20 übereinstimmt. Wenn das Freigabesignal, das den Source-Anschluss des Auslesetransistors 18 steuert, bewirkt, dass der Auslesetransistor 18 eingeschaltet wird, indem das Wissen um den Betrieb des Transistors in dem linearen Bereich genutzt wird, wird eine Darstellung des Leuchtwertes des Bilds, das vorher durch das lichtempfindliche Element 10 gespeichert worden ist, auf der Bitleitung ausgelesen.
Obgleich die Bilderfassungsanordnungen, welche unter Verwendung dieser Pixelkonfiguration realisiert werden, verhältnismäßig erfolgreich sind, sind sie nicht besonders effektiv bei Videoanwendungen oder in Fällen, die sich bewegende Objekte beinhalten. Grund dafür ist teilweise die Tatsache, dass die Auslesezeit ziemlich lang sein kann und somit eine Zeitverzögerung zwischen den Belichtungen erfordert. Als Folge dieser Unzulänglichkeit zählen zu den Optionen die Beschränkung der Bewegung des Objekts einer digitalen Aufnahme oder der Einsatz einer Nachbearbeitung, um das Objekt dorthin zurückzubewegen, wo es sich befinden hätte sollen, wenn eine zeitlich frühere Belichtung möglich gewesen wäre.
Ferner kann der Dynamikbereich dieser Pixel verhältnismäßig gering sein. Der Dynamikbereich ist definiert durch die Rauschhöhe und die Übertragungsfunktion der durch das Licht erzeugten Fotoelektronen. Bestimmt wird ein Grundrauschwert, der für die Vorrichtung bzw. den Baustein fundamental ist und dem hinzugefügt wird das Signal, das den erzeugten Fotoelektroden entspricht. Mit zunehmendem Rauschen existiert weniger Raum für das Hinzufügen des Signals, und der Signal-Rausch-Abstand geht zurück. Der Signal-Rausch-Abstand wird auch ins Verhältnis zur Zeit gesetzt, da längere Abtastzeiten zu mehr Rauschen und mehr Signal führen, während kürzere Abtastzeiten zu weniger Rauschen und auch weniger Signal führen. Somit ist die Rauschunterdrückung bzw. Rauschreduzierung aufgrund ihrer Auswirkungen auf den Dynamikbereich besonders wichtig.
„Computational Image Sensors for On-Sensor-Compression" von Hamamoto et al., Proceedings of Micro Neuro, 1966 IEEE, Seiten 297–303, offenbart eine Schaltung mit einem fotoempfindlichen Element, das einem Speicherelement zugeordnet ist. Ein Eingangs-Pixelwert wird abgetastet und in dem Speicherelement gespeichert, und danach wird die Größe der Differenz zwischen dem aktuellen und vorherigen Abtastwerten bestimmt. Die Differenz wird mit einem vorbestimmten Wert verglichen, und wenn die Differenz größer ist als der vorbestimmte Wert, so wird der Pixelwert in einem weiteren Speicherelement gespeichert. Eine derartige Anordnung eignet sich nicht zur Ausführung mehrerer Belichtungen, und es kann kein Mittelwert der Belichtungswerte gebildet werden, um die Rauschreduzierung zu ermöglichen. Die Offenbarung dieses Referenzdokuments leidet somit unter den gleichen Nachteilen, wie die Schaltung aus der Abbildung aus 1.
Wünschenswert wäre eine Vergrößerung des Dynamikbereichs und eine Reduzierung von Rauscheffekten sowie der Probleme, die mit der digitalen Erfassung von sich bewegenden Objekten verbunden sind.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vorgesehen ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein System gemäß dem gegenständlichen Anspruch 1.
Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen.
1 eine Prinzipskizze einer dem Stand der Technik. entsprechenden Pixelkonfiguration;
2 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
3 ein Blockdiagramm eines Systems, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung einsetzt; und
4 ein Flussdiagramm alternativer Abläufe der drei Ausführungsbeispiele der Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Abbildung aus 2 zeigt eine allgemeine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Ein lichtempfindliches Element 10 ist zwischen einen Sammelknoten 30 und die Erde gekoppelt. Ein Rücksetztransistor 12 ist zwischen eine positive Stromversorgung und den Abtastknoten 30 gekoppelt. Der Gate-Anschluss des Rücksetztransistors 12 wird durch ein Rücksetzsignal gesteuert, was im aktivierten Zustand bewirkt, dass der Sammelknoten 30 zu der bekannten Spannung der Stromversorgung Vcc wechselt. In einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem lichtempfindlichen Element um die in dem Sättigungsbereich vorbelastete Fotodiode. Die Source-Anschlüsse einer Mehrzahl von Abtasttransistoren sind mit dem Abtastknoten 30 gekoppelt, und wobei ihre Drain-Anschlüsse entsprechend mit den Erfassungsknoten 32, 42, 52 gekoppelt sind. Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennt, dass Transistoren symmetrische Vorrichtungen sind, und somit ist die Bezeichnung von Source und Drain ohne einen bekannten Spannungszustand willkürlicher Art. An gewissen Punkten des Betriebs ist der Source-Anschluss somit mit dem Abtastknoten 30 verbunden, und der Drain-Anschluss ist mit dem Erfassungsknoten 32 verbunden, etc., während an anderen Punkten bzw. Stellen des Betriebs der Erfassungsknoten 32 mit dem Source-Anschluss verbunden ist und der Abtastknoten 30 mit dem Drain-Anschluss. Der Gate-Anschluss der Abtasttransistoren 34, 44, 54 wird durch eine Mehrzahl von Abtastsignalen SAMPLE₁, SAMPLE₂ und SAMPLE_N gesteuert, und ein Speicherelement, wie etwa der Kondensator 36, ist zwischen den Sammelknoten 32 und die Erde gekoppelt. Der Gate-Anschluss eines Ausgangstransistors 38 ist mit dem Sammelknoten 32 gekoppelt. Die Source- und Drain-Anschlüsse des Ausgangstransistors sind entsprechend mit einem Freigabesignal und einer Bitleitung gekoppelt. In ähnlicher weise ist das Speicherelement 46 mit dem Sammelknoten 42 gekoppelt, und das Speicherelement 56 ist mit dem Knoten 52 gekoppelt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jeder Sammelknoten mit einem Ausgangstransistor 38, 48, 58 versehen.
Zwar können bis zu N (wobei N eine willkürlich große Zahl darstellt) derartige Abtasttransistoren, Speicherelemente und Ausgangstransistoren mit dem Abtastknoten 30 gekoppelt werden, wobei die praktische Anzahl jedoch wohl begrenzt ist durch einen Kompromiss zwischen verbesserten Bilddarstellungsfähigkeiten als Ergebnis zusätzlicher Abtaststrukturen und einem reduzierten Füllfaktor als Folge eines geringeren Bereichs der Anordnung bzw. Array, der dem lichtempfindlichen Element 10 vorbehalten ist.
Die Abbildung aus 3 zeigt ein System, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einsetzt. Eine Bilderfassungsanordnung 62 ist mit fotoempfindlichen Bereichen 64 versehen, die sich aus Zeilen und Spalten von Pixeln zusammensetzen. Ein Pixel 60 kann dem Ausführungsbeispiel aus 2 entsprechen. Eine Steuerschaltung 66 stellt Abtast- und Rücksetzsignale an jedes Pixel in dem fotoempfindlichen Bereich 64 bereit. In einem Ausführungsbeispiel weist die Steuerschaltung 66 Timer bzw. Zeitsteuerungseinrichtungen und eine Zustandsmaschine auf. Eine Ausleseschaltung 68 ist mit der Bilderfassungsanordnung 62 gekoppelt und empfängt die Ausgabe jedes Pixels 60. Die Bilderfassungsanordnung 62 und die Ausleseschaltung 68 können auf einem einzigen integrierten Schaltungschip 70 realisiert werden. Ein Speicher 72 ist mit der Ausleseschaltung 68 gekoppelt, um Werte zu speichern, die einem Bild entsprechen, das durch die Bilderfassungsanordnung erfasst und durch die Ausleseschaltung 68 ausgelesen wird.
Die Mehrzahl von Speicherelementen, die jedem lichtempfindlichen Element zugeordnet sind, ermöglicht es dem Benutzer, mehrere Vollbilder nacheinander aufzunehmen. Durch die entsprechende Anpassung der Abtastsignale kann die Exposition bzw. die Belichtung, während der jedes Bild aufgenommen wird, überlappend bzw. sich überschneidend, gestaltet werden. Diese Merkmale ermöglichen eine verbesserte Bewegungsdarstellung und eine signifikante Rauschreduzierung.
In Bezug auf die Bewegungsdarstellung führt die schnelle Folge dazu, dass ein Bild das besser darstellt, was wahrgenommen wird. Das System kann ebenso eine Mittelwertbildung der Bewegung vornehmen wie das menschliche Auge. Zum Beispiel kann das Aliasing-Problem (Treppeneffekt), das bei einer diskreten Abtastung auftritt, bewirken, dass sich ein Wagenrad anscheinend rückwärts dreht. Das Aliasing-Problem kann beseitigt werden, indem sich die Abtastungen zeitlich überschneiden sowie durch Tiefpassfiltern. Wenn die Abtastungen mit einer ausreichend hohen Rate erfolgen, bewirkt das Tiefpassfiltern, dass das Wagenrad verschwommen erscheint anstatt sich rückwärts drehend.
Wie dies bereits vorstehend im Text beschrieben worden ist, ist der Dynamikbereich durch die Rauschhöhe und die Übertragungsfunktion der durch das Licht erzeugten Fotoelektronen definiert.
Wie dies bereits vorstehend im Text beschrieben worden ist, steht dies ferner in Bezug zu der Zeit, da eine längere Belichtung zu mehr Rauschen und mehr Signal führt, während eine kürzere Belichtung zu weniger Rauschen und weniger Signal führt. Wenn somit zwei Belichtungen vorgenommen werden, eine für eine kurze Zeit und eine für eine längere Zeit, so weist eine weniger Rauschen auf und eine mehr Signal. Durch die Kombination dieses geringeren Rauschens mit dem mehr an Signal wird ein größerer Dynamikbereich erreicht. Die Mittelwertbildung von zwei Belichtungen ermöglicht eine Rauschreduzierung im Verhältnis zu Übergangsrauschen und/oder Komponenten spezifischem Rauschen. Dies gilt unabhängig von der Überschneidung oder einer fehlenden Überschneidung der Belichtungen.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine in einem ersten Speicherelement gespeicherte Belichtung unabhängig von einer Belichtung ausgelesen, die gleichzeitig in einem anderen Speicherelement auftreten kann. Wenn in Bezug auf die Abbildung aus 2 somit SAMPLE₁ erneut aktiviert wird und die Zeit t = 0 entspricht, wird SAMPLE₂ bei t = 1 aktiviert, wobei der in dem Kondensator C1 gespeicherte Wert während t = 1 ausgelesen wird, und wobei SAMPLE₁ bei t = 2 erneut aktiviert wird. Dies ermöglicht die Erfassung von Bildern im Videostil.
Die Abbildung aus 4 zeigt ein Flussdiagramm des Ablaufs in drei alternativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. In dem Funktionsblock 110 wird die Bilderfassungsanordnung (ISA) zurückgesetzt. In dem Funktionsblock 112 wird die ISA belichtet, was zu einem Fotostrom durch das lichtempfindliche Element führt, der wiederum zu einer Spannung führt, die dem Lichtwert an der Oberfläche entspricht. In dem Funktionsblock 114 wird SAMPLE₁ aktiviert, was die Erfassung der Spannung von dem lichtempfindlichen Element bewirkt. In dem Funktionsblock 116 wird SAMPLE₁ deaktiviert und ISA zurückgesetzt, wodurch die Erfassungsperiode für das erste Speicherelement jedes Pixels beendet wird. In dem Funktionsblock 118 wird SAMPLE₂ aktiviert. In dem Funktionsblock 128 wird SAMPLE₂ deaktiviert, wodurch die Erfassungsperiode für das zweite Speicherelement des Pixels beendet wird. Die ISA wird in dem Funktionsblock 120 ebenfalls zurückgesetzt. In dem Funktionsblock 122 werden die Freigabesignale danach aktiviert, um das Auslesen sowohl der ersten und zweiten gespeicherten Spannungen zu ermöglichen. Das Auslesen kann gleichzeitig oder in Reihe erfolgen.
Alternativ kann nach der Aktivierung von SAMPLE₁ in. dem Funktionsblock 114 SAMPLE₂ in dem Funktionsblock 218 eine gewisse Zeit nach der Aktivierung von SAMPLE₁ aktiviert werden. In dem Funktionsblock 216 wird SAMPLE₁ deaktiviert. In dem Funktionsblock 220 wird SAMPLE₂ deaktiviert. Es ist möglich, dass der gesamte Zeitraum, während dem SAMPLE₂ aktiviert wird, kürzer ist als der gesamte Zeitraum, während dem SAMPLE₁ aktiviert wird. Nach der Deaktivierung von SAMPLE₂ können beide Spannungen in dem Funktionsblock 122 ausgelesen werden.
Als weitere Alternative wird nach der Aktivierung von SAMPLE₁ in dem Funktionsblock 114 SAMPLE₁ deaktiviert, und die ISA wird in dem Funktionsblock 316 zurückgesetzt. SAMPLE₂ wird in dem Funktionsblock 318 aktiviert. Während SAMPLE₂ aktiviert bzw. behauptet wird, wird die erste Spannung in dem Funktionsblock 330 ausgelesen. SAMPLE₂ wird in dem Funktionsblock 320 ausgelesen und die ISA wird zurückgesetzt. Danach kann SAMPLE₁ in dem Funktionsblock 314 erneut aktiviert werden. Die zweite Spannung wird in dem Funktionsblock 332 ausgelesen, und in der Folge wird SAMPLE₁ in dem Funktionsblock 316 wieder aktiviert.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Erfassung im Videostil möglich. Die Abbildung aus 4 zeigt drei mögliche Abtastanordnungen, wobei jedoch zahlreiche andere Abtastanordnungen existieren, die gemäß dem Umfang und dem Gedanken der Erfindung möglich sind.
In der vorstehenden Beschreibung wurde die Erfindung in Bezug auf besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass diesbezüglich verschiedene Modifikationen und Abänderungen möglich sind, ohne dabei vom weiteren Umfang der Erfindung oder den Ausführungen in den anhängigen Ansprüchen abzuweichen. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen somit Zwecken der Veranschaulichung und schränken die Erfindung nicht ein. Der Umfang der Erfindung ist somit ausschließlich durch die anhängigen Ansprüche beschränkt.

Claims

System, das folgendes umfasst: eine Bilderfassungsanordnung (62) mit einer Mehrzahl von fotoempfindlichen Elementen (10), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein fotoempfindliches Element eine zugeordnete Mehrzahl von Speicherelementen (36, 46, 56) aufweist, die jeweils parallel verbunden und jeweils so angeordnet sind, dass sie über einen entsprechenden Abtasttransistor (34, 44, 54) mit dem genannten mindestens einen fotoempfindlichen Element gekoppelt werden können; eine Ausleseschaltung (68) zum Abrufen eines in jedem Speicherelement der Mehrzahl von Speicherelementen gespeicherten Wertes; und einen Speicher (72), der mit der Ausleseschaltung gekoppelt ist, um eine Darstellung eines Bilds zu erhalten, das den ausgelesenen Werten entspricht.
System nach Anspruch 1, wobei die Bilderfassungsanordnung ferner folgendes umfasst: eine Steuerlogikschaltung (66), welche die Behauptung des Abtastsignals an jeden der Abtasttransistoren steuert.
System nach Anspruch 2, wobei die Steuerlogikschaltung so angeordnet ist, dass sie ein erstes Abtastsignal behauptet, das einem ersten Abtasttransistor (34) entspricht, der zwischen ein erstes fotoempfindliches Element (10) und ein erstes Speicherelement (36) gekoppelt ist, und so dass sie ein zweites Abtastsignal behauptet, das einem zweiten Abtasttransistor (44) entspricht, der zwischen das erste Fotoelement (10) und ein zweites Speicherelement (46) gekoppelt ist, wobei eine erste Behauptungsperiode des ersten Abtastsignals eine zweite Behauptungsperiode eines zweiten Abtastsignals überschneidet.
System nach Anspruch 2, wobei die Steuerlogikschaltung so angeordnet ist, dass sie ein erstes Abtastsignal behauptet, das einem ersten Abtasttransistor (34) entspricht, der zwischen ein erstes fotoempfindliches Element (10) und ein erstes Speicherelement (36) gekoppelt ist, und so dass sie ein zweites Abtastsignal behauptet, das einem zweiten Abtasttransistor (44) entspricht, der zwischen das erste Fotoelement (10) und ein zweites Speicherelement (46) gekoppelt ist, wobei auf eine erste Behauptungsperiode des ersten Abtastsignals, die kürzer ist als eine Auslesezeit, eine zweite Behauptungsperiode eines zweiten Abtastsignals folgt.
System nach Anspruch 4, wobei die erste Behauptungsperiode so angeordnet ist, dass sie kürzer ist als die zweite Behauptungsperiode.
System nach Anspruch 4, wobei die Ausleseschaltung so angeordnet ist, dass sie das erste Speicherelement während der zweiten Behauptungsperiode ausliest.