WO2002032114A1 - Optischer sensor - Google Patents

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WO2002032114A1
WO2002032114A1 PCT/EP2001/011279 EP0111279W WO0232114A1 WO 2002032114 A1 WO2002032114 A1 WO 2002032114A1 EP 0111279 W EP0111279 W EP 0111279W WO 0232114 A1 WO0232114 A1 WO 0232114A1
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WO
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optical sensor
pixel
photocurrent
sensor according
measured value
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Application number
PCT/EP2001/011279
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tarek LULÈ
Original Assignee
Silicon Vision Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10125307A external-priority patent/DE10125307A1/de
Application filed by Silicon Vision Ag filed Critical Silicon Vision Ag
Priority to AU2002223570A priority Critical patent/AU2002223570A1/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J1/46—Electric circuits using a capacitor
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/67—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response
    • H04N25/671—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response for non-uniformity detection or correction
    • H04N25/672—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response for non-uniformity detection or correction between adjacent sensors or output registers for reading a single image

Definitions

  • the invention relates to an optical sensor for detecting a useful light signal in an ambient light environment and a method directed therefor for the operation of an optical sensor, which operates in such a way that the light intensity incident on it is converted into an electrical photocurrent in each individual pixel of the sensor, this photocurrent (I ph ) is integrated into a measured value for a predetermined period of time and is stored as a measured value, and the measured values, which are stored pixel by pixel, are read out and combined to form the entire image.
  • Such an optical sensor is known from WO 98/14002. It is a pixel-by-pixel (pixel-by-pixel) organized sensor, which is typically designed as an area sensor or as a line sensor. The smallest unit of such a sensor is the individual pixel, which has evaluation electronics assigned to it.
  • the intensity-dependent or wave-dependent incident radiation is converted pixel by pixel via a photoelectric converter into a photocurrent which flows into a charge store, in particular a capacitor, for a certain time, the so-called integration period. After the integration period has elapsed, the current at the capacitor Voltage is a quantitative measure of the measured value. All the measured values assigned to different pixels are read out by central readout electronics of the optical sensor at the desired time in the desired order and, when put together, result in the image captured by the sensor.
  • the starting point of the present invention is the need to detect a useful light signal, for example the light of a light-emitting diode (LED) or the image of an object illuminated by an external light source, especially if it is arranged in an ambient light environment, the light intensity of which is that of the useful light signal far exceeds.
  • a useful light signal for example the light of a light-emitting diode (LED) or the image of an object illuminated by an external light source, especially if it is arranged in an ambient light environment, the light intensity of which is that of the useful light signal far exceeds.
  • a solution known from practice for the operation of an optical sensor consists in first capturing an image of the useful light signal in its ambient light environment, then a further image in the case of a non-activated useful light signal and then subtracting both images from one another.
  • the object of the invention is to create an optical sensor and a method for its operation which enable the resolution of useful light signals even if the stray light intensity is many times higher than the useful light intensity.
  • This object is achieved in the case of an optical sensor of the type mentioned at the outset in that a compensation current is superimposed on the measured photocurrent for each individual pixel in order to detect the useful light signal freed from the stray light component, the size of which is determined in this way, in particular on the basis of a calibration process preceding the measurement, that it corresponds to the photocurrent value which results solely from the stray light incident on the respective pixel, so that only the photocurrent component corresponding to the useful light signal incident on the respective pixel is stored as a measured value to be processed further.
  • each pixel _ the photocurrent is corrected by - a compensation current, the size of which is such that it corresponds to the proportion of the photocurrent caused exclusively by the stray light, so that only that of the stray light freed portion of the image caused photo current portion is stored as a measured value.
  • the invention is characterized in that the difference between the stray light signal component and the useful light signal component already takes place during the integration phase, specifically in the individual pixel.
  • the measure of subtracting pixel-based from the entire recorded photocurrent that part of the photocurrent which is solely due to the stray light and only feeding the difference signal to further processing also enables the resolution of useful light signals whose light intensity is less than that by a factor of up to 1000 Intensity of the ambient light.
  • Electronic compensation in the individual pixel effectively suppresses the physical effect of photon noise, which placed an upper limit on the previous resolution of known sensors.
  • the size of the respective compensation current in the individual pixel is preferably determined in each case by a calibration process preceding the measurement, in which the optical sensor only detects the stray light. During the calibration process, the stray light-related photo currents are detected and stored. In the subsequent step of measuring the useful light signal and the stray light signal, these stored values are available for the respective definition of the " . Kompensationsstro.ir.es in the individual pixel"
  • the compensation current is fed in at the connection point between the optoelectronic converter and the measured value detection device.
  • the compensation current is set by the previous calibration process in such a way that it corresponds to the pure interference signal and thus only the difference between the total measured photocurrent and the compensation current, which corresponds to the pure useful signal, is detected, stored and further processed in the measured value detection device.
  • a current source preferably integrated in the individual pixel, whose current value can be variably adjusted is used to feed the compensation current, in accordance with a further preferred embodiment in that it is associated with a further storage means in which a pixel-related manipulated variable for the compensation current that is determined in each case in the calibration process is stored, which is required to set the compensation current.
  • this value for the compensation current which is stored in the further storage means, results from the fact that a control loop is formed from the measured value detection device, the optoelectronic converter and the compensation current source, in which the compensation current is set during the calibration phase.
  • Embodiments for the optical sensor according to the invention emerge from the further subclaims 6 to 13 and 21 to 24.
  • the variant of the invention according to the method provides two operating phases for the sensor, namely first a calibration phase and then a measuring phase.
  • the calibration phase in which the active lighting, that is to say the useful signal, is switched off, the compensation current value is generated automatically pixel by pixel and stored in the further storage means.
  • the measurement phase in which the active lighting is switched on and in which the measured photocurrent is reduced locally at the location of the individual pixel by the previously specified compensation current, so that only the remains due to the useful light signal.
  • the switching process between the calibration phase and the measurement phase is modulated by the useful signal, for example by clocked switching on or off of the useful signal or by modulating the intensity of the useful signal.
  • a different time period or a different temporal relationship between the calibration phase and the measurement phase can be set. If the intensity ratio is very low, more frequent calibration of the sensor is required.
  • the duration of the integration of the photocurrent component I diff during the measurement phase also depends on the respective ratio of useful light and stray light.
  • the solution according to the invention is suitable for all types of sensors, that is to say area, line or sensors which consist of only a single pixel.
  • Fig. 1 is a circuit diagram for explaining the principle of the invention for compensating the stray light component
  • 2 shows a circuit design of an optical sensor according to the invention, based on a single pixel
  • Fig. 4 is a timing diagram for explaining the
  • Fig. 5 shows another timing diagram to explain the operation of the sensor according to the invention
  • FIG. 1 shows a circuit diagram to explain it, the functional principle on which the optical sensor according to the invention is based:
  • the circuit implemented for a single pixel consists of a photodetector 1, a storage capacitor 2 and a current source 3. All three elements are connected to one another via a common node.
  • the incident radiation that strikes the photodetector 1 is converted by the latter into a photocurrent I ph .
  • the photocurrent I h is composed of the proportions caused by the useful light and the disturbance light.
  • a current value I corap for the current source 3 is determined in a calibration process preceding the measurement, which is exclusively the Corresponding stray light signal component that falls in the individual pixel.
  • the compensation current I comp meets the photocurrent I ph in such a way that only the difference between the two currents reaches the storage capacitor 2.
  • This differential current thus corresponds to the proportion of useful light incident on the respective pixel.
  • the differential current is fed in during the duration of the integration time, which is determined by a switch (not shown).
  • the voltage U Int present at the storage capacitor 2 is thus a measure of the charge stored in the storage capacitor and caused by the differential current I diff .
  • the compensation current I comp By feeding the compensation current I comp into the node between the photodetector l_and the storage capacitor 2, the essential portion of the interfering light signal is subtracted during the integration. The compensation takes place locally for each pixel. In addition, the compensation current is determined in an automatic manner, as described below. This results in what is known as a locally auto-compensating sensor (LACS).
  • LACS locally auto-compensating sensor
  • the integration time in the individual pixel ie the time during which the integration of the photocurrent component I dlff in Storage capacitor 2 takes place, must be as large as possible in order to achieve the greatest possible resolution.
  • the lower limit for the integration time is defined by the time required to collect enough active charge carriers for the useful signal, not only to be above the photon noise ("shot noise"), but also above the "read noise” and reset noise "of the circuit arrangement.
  • FIG. 2 A practical exemplary embodiment for the optical sensor according to the invention is shown in FIG. 2.
  • this circuit arrangement is expanded in that the storage capacitor 2 works together with an amplifier A x and a first switch S- L is assigned to it.
  • the output of the first amplifier A t is coupled to a second amplifier stage A 2 , to which a further switch S 2 is connected, to which a further storage capacitor 4 (C CTRL ) is arranged.
  • This circuit point is connected to the input of the compensation current source 3.
  • the compensation flow I corap is determined in a first operating phase , the so-called calibration phase .
  • the optical sensor is only exposed to stray light.
  • both switches S 1 (“Reset”) and S 2 ("Store”) are closed.
  • a photocurrent flows from the optoelectronic converter 1 into the storage capacitor C Int , so that the integrated voltage U Int drops across the capacitor.
  • the measurement phase begins, in which both useful light and stray light are detected by the optoelectronic converter 1.
  • the current source 3 then feeds the compensation current value taken from the voltage U CTRL at the further storage capacitor C CTRL into the node, so that as a result the differential current I diff flows into the storage capacitor C Int during an integration period predetermined by the opening of the switch S x .
  • An improvement in the sensitivity of the aforementioned circuit can be achieved by repeating the two-stage operation described at certain intervals, the transition between the calibration and measurement phases correlated with the useful light, for example by appropriate pulsation, takes place (“synchronized exposure”).
  • a further improvement in sensitivity is achieved in that two alternative storage capacitors C int are used, into which the photocurrent component I diff flows in an alternating order.
  • FIG. 3 shows three sketches for the architecture of the readout control of the value stored by the storage capacity C Int .
  • the first variant, FIG. 3 (1) relates to the direct reading of the pixel memory value without the provision of a further buffer.
  • the READ switch is pressed, the. in. the measured value detection device 2 is read out via a read-out circuit 5 and passed on to the read-out control device for further processing.
  • This variant requires the smallest area on the sensor.
  • This variant is intended for continuous operation, in which the integration is running until the integration value has been read out.
  • the first amplifier stage A-. (Fig. 2) is reset when reading and the value in the reset state (reset value) is also read out. It is only possible to apply synchronized lighting to the sensor if the integration time of the readout time plus an additional time for the common exposure equivalent. Shorter integration times can be achieved, but without synchronized exposure. Preferably, one image should be taken with synchronized exposure and one without being able to subtract residual interference.
  • the time required to acquire the two images is 2 x (T readout + T sync ) + T comp , the integration time for each image is fixed to the value: T readout + T sync . Since the duration of the active lighting can therefore only be a fraction of the total integration time, the suppression of the interference light image is comparatively poor in this variant.
  • the variant shown in FIG. 3 (2) includes a “sample & hold” circuit 6 in order to record the previous integration result for the readout process while the next storage value is already being integrated. A synchronized exposure of any length is possible.
  • Fig. 4 shows a timing diagram for the variant according to Fig. 3 (2), ie the design with a single sample & hold circuit.
  • Fig. 4 (A) refers to the so-called "standard rolling shutter mode" without synchronized lighting.
  • FIG. 4 (B) shows an operation according to "Rolling Shutter Mode" with an additionally provided time T Sync in order to achieve a synchronized exposure.
  • Both images, with and without active illumination, are present within the pixel, one on the sample capacity and the other in the first amplifier group.
  • the image period is extended by the time for the synchronized exposure. Pixels of some rows initially integrate the remaining Störlichtbeleuchtung, while those of the other rows integrate first under the active illumination ⁇ . however, this procedure can lead to adverse secondary effects however, the advantage of this method is that both the measuring phases carried out the calibration as within one frame period, still sufficiently. can be kept short.
  • the readout process and integration are completely decoupled from one another.
  • the calibration and integration are fully synchronized between all pixels, with the results of the previous integration phase being read out line by line.
  • T Sync and T Int can now be made as long as the readout time. This results in maximum sensitivity and optimal suppression of stray light.
  • the disadvantage of this variant is, however, that the time between the calibration and the end of the integration, that with the Calibration should correlate, 2 x T Read is.
  • the circuit complexity per pixel is greater.
  • the improved sensitivity has already been mentioned above. The two images are read out one after the other, so that the first must be buffered in an additional memory during the readout of the second image.
  • Fig. 5 shows the associated time frame scheme.
  • the integration and readout phases appear completely separate so that the readout does not hinder the calibration process. However, the time frames add up to T Read + T I ⁇ t + T Komp .
  • the integration phase can be selected to be short, as a result of which the correlation of the compensation with the stray light lighting is improved, and likewise the suppression of the stray light. The effort per pixel is greatest here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung eines Nutzlichtsignales in einer Störlichtumgebung, wobei der Sensor eine Anzahl von Bidlpunktteinheiten (Pixel), die jeweils einen optoelektonischen Wandler (1) zum Umwandeln des einfallenden Lichtes in einen Phtostrom (Iph) und eine Messwerterfassungseinrichtung (2) zur Gewinning und Speicherung eines dem erfassten Photostrom entsprenchenden Messwertes umfassen, und eine Ausleselteuereinritchung für das Auslesen der abgespeicherten Messwerte aufweist, um aus einzelnen bildpunktbezogenen Messwerten das Gesamtbild zusammenzusetzen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Erfassung des vom Störlichtanteil im wesentlichen befreiten Nutzlichtsignales für jeden einzelnen Bildpunkt dem gemessenen Photostrom (Iph) jeweils ein Kompensationsstrom (Icomp) überlagert wird, dessen Grösse so, insbesondere aufgrund eines der Messung vorausgehenden Kalibriervorganges, festgelegt ist, dass er demjenigen Photostromwert entspricht, welcher sich alleine aufgrund des auf den jeweiligen Bildpunkt einfallenden Störlichtes ergibt, so dass nur der dem auf den jeweiligen Bildpunkt einfallenden Nutzlichtsignal entrsprechende Photostromanteil (Idiff) als weiter zu verarbeitenden Messswert abgespeichert wird.

Description

Optischer Sensor
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung eines Nutzlichtsignales in einer Störlichtumgebung sowie ein hierauf gerichtetes Verfahren für die Betriebsweise eines optischen Sensors, welcher so arbeitet, daß in jedem einzelnen Bildpunkt des Sensors die auf diesen einfallende Lichtintensität in einen elektrischen Photostrom gewandelt wird, dieser Photostrom (Iph) während einer vorbestimmten Zeitdauer zu einem Meßwert aufintegriert wird und als Meßwert abgespeichert wird, und wobei die bildpunktweise abgespeicherten,- Meßwerte ausgelesen und zum gesamten Bild zusammengefügt werden .
Ein solcher optischer Sensor ist aus der WO 98/14002 bekannt. Es handelt sich um einen bildpunktweise (pixelweise) organisierten Sensor, welcher typischerweise als Flächensensor oder als Zeilensensor ausgebildet ist. Die kleinste Einheit eines solchen Sensors stellt der einzelne Bildpunkt dar, welcher über eine ihm jeweils zugeordnete Auswerteelektronik verfügt. Pixelweise werden bei dem bekannten Sensor die intensitäts- oder wellenabhängigen einfallenden Strahlungen über einen photoelektrischen Wandler in einen Photostrom umgewandelt, welcher während einer bestimmten Zeit, der sog. Integrationsdauer in einen Ladungsspeicher, insbesondere einen Kondensator, fließt. Nach Ablauf der Integrationsdauer ist die am Kondensator anliegende Spannung ein quantitatives Maß für den jeweiligen Meßwert. Sämtliche unterschiedlichen Bildpunkten zugeordneten Meßwerte werden durch eine zentrale Ausleseelektronik des optischen Sensors zur gewünschten Zeit in der gewünschten Reihenfolge ausgelesen und ergeben zusammengesetzt das vom Sensor erfaßte Bild.
Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Notwendigkeit, ein Nutzlichtsignal, beispielsweise das Licht einer Leuchtdiode (LED) oder das Bild eines von einer externen Lichtquelle beleuchteten Objektes zu erfassen, vor allem dann, wenn es in einer StörlichtUmgebung angeordnet ist, deren Lichtintensität diejenige des Nutzlichtsignales bei weitem übersteigt.
Eine aus .der Praxis bekannte -Lösung zum..Betrieb eines, optischen Sensors besteht darin, zunächst ein Bild von dem Nutzlichtsignal in seiner Störlichtumgebung, danach ein weiteres Bild bei nichtaktiviertem Nutzlichtsignal zu erfassen und anschließend beide Bilder voneinander zu subtrahieren. Eine physikalische Grenze ist dabei jedoch gegeben, daß dann, wenn das sog. Photonenrauschen des Störlichtsignals in seiner Amplitude größer wird als das Nutzlichtsignal, eine Auflösung nicht mehr möglich ist.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb zu schaffen, welches die Auflösung von Nutzlichtsignalen auch dann ermöglicht, wenn die Störlichtintensität um ein Vielfaches höher als die Nutzlichtintensität liegt. Diese Aufgabe wird bei einem optischen Sensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Erfassung des vom Störlichtanteil befreiten Nutzlichtsignales für jeden einzelnen Bildpunkt dem gemessenen Photostrom jeweils ein Kompensationsstrom überlagert wird, dessen Größe so - insbesondere aufgrund eines der Messung vorausgehenden Kalibriervorganges - festgelegt ist, daß er demjenigen Photostromwert entspricht, welcher sich alleine aufgrund des auf den jeweiligen Bildpunkt einfallenden Störlichtes ergibt, so daß nur der dem auf den jeweiligen Bildpunkt einfallenden Nutzlichtsignal entsprechende Photostromanteil als weiter zu verarbeitender Meßwert abgespeichert wird.
Gemäß der Verfahrensvariante der Erfindung ist vorgesehen,,, daß in jedem Bildpunkt _der Photostrom durch - einen Kompensationsstrom korrigiert wird, dessen Größe so bemessen ist, daß er dem ausschließlich durch das Störlicht verursachten Anteil des Photostromes entspricht, so daß nur der von dem vom Störlicht befreite Anteil des Bildes hervorgerufene Photostromanteil als Meßwert abgespeichert wird.
Die Erfindung zeichnet sich aus, daß die Differenzbildung zwischen Störlichtsignalanteil und Nutzlichtsignalanteil bereits während der Integrationsphase, und zwar im einzelnen Pixel, erfolgt. Die Maßnahme, pixelbezogen vom gesamten erfaßten Photostrom unmittelbar denjenigen Photostromanteil abzuziehen, welcher allein durch das Störlicht bedingt ist, und nur das Differenzsignal der weiteren Verarbeitung zuzuführen, ermöglicht auch solche Nutzlichtsignale aufzulösen, deren Lichtintensität um einen Faktor von bis zu 1000 kleiner ist als die Intensität des Störlichtes der Umgebung. Durch die elektronische Kompensation im einzelnen Pixel wird der physikalische Effekt des Photonenrauschens, der dem bisherigen Auflösungsvermögen bekannter Sensoren eine obere Grenze setzte, wirkungsvoll unterdrückt.
Die Größe des jeweiligen Kompensationsstromes im einzelnen Pixel wird dabei vorzugsweise jeweils durch einen der Messung vorausgehenden Kalibriervorgang bestimmt, bei dem der optische Sensor ausschließlich das Störlicht erfaßt. Während des Kalibriervorganges werden die störlichtbedingten Photoströme detektiert und gespeichert . Im nachfolgenden Schritt der Messung von Nutzlichtsignal und Störlichtsignal stehen diese Speicherwerte für die jeweilige Festlegung des ".Kompensationsstro.ir.es im einzelnen Pixel zur Verfügung,,
Weiter vorzugsweise erfolgt die Einspeisung des Kompensationsstromes an der Verbindungsstelle zwischen dem optoelektronischen Wandler und der Meßwerterfassungseinrichtung. Dabei erfolgt die Einstellung des Kompensationsstromes durch den vorhergehenden Kalibriervorgang so, daß er dem reinen Störsignal entspricht und somit nur die Differenz zwischen dem gemessenen gesamten Photostrom und dem Kompensationsström, die dem reinen Nutzsignal entspricht, in der Meßwerterfassungseinrichtung erfaßt, abgespeichert und weiter verarbeitet wird.
Zur Einspeisung des Kompensationsstromes wird eine weiter vorzugsweise im einzelnen Pixel integrierte Stromquelle verwendet, deren Stromwert variabel einstellbar ist, und zwar gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform dadurch, daß ihr ein weiteres Speichermittel zugeordnet ist, in dem eine jeweils im Kalibriervorgang ermittelte pixelbezogene Stellgröße für den Kompensationsstrom abgespeichert ist, die benötigt wird, um den Kompensationsstrom einzustellen.
Die Erfassung dieses im weiteren Speichermittel abgelegten Wertes für den Kompensationsstrom ergibt sich nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß ein Regelkreis gebildet wird aus der Meßwerterfassungseinrichtung, dem optoelektronischen Wandler und der Kompensationsstromquelle, in dem sich während der Kalibrierphase der Kompensationsstrom einstellt .
Weitere bevorzugte .Ausführungsformen für den erfindungsgemäßen optischen Sensor gehen aus den weiteren Unteransprüchen 6 bis 13 und 21 bis 24 hervor.
Die verfahrensgemäße Variante der Erfindung sieht nach ihrem bevorzugten Ausführungsbeispiel zwei Betriebsphasen für den Sensor vor, nämlich zunächst eine Kalibrierphase und anschließend eine Meßphase. Während der Kalibrierphase, in der die aktive Beleuchtung, also das Nutzsignal, ausgeschaltet ist, wird der Kompensationsstromwert pixelweise selbsttätig generiert und in dem weiteren Speichermittel abgespeichert. Anschließend erfolgt das Umschalten auf die Meßphase, in der die aktive Beleuchtung eingeschaltet ist, und in der lokal am Ort des einzelnen Pixels der gemessene Photostrom um den zuvor festgelegten Kompensationsstrom reduziert wird, so daß zur weiteren Verarbeitung nur der durch das Nutzlichtsignal bedingte Photostromanteil verbleibt .
Der UmsehaltVorgang zwischen Kalibrierphase und Meßphase erfolgt dabei moduliert durch das Nutzsignal, zum Beispiel durch getaktetes Ein- oder Ausschalten des Nutzsignals oder durch Modulation des Nutzsignals in seiner Intensität.
Je nach Intensitätsverhältnis aus Nutz- und Störlichtsignal kann eine unterschiedliche Zeitdauer bzw. ein unterschiedliches zeitliches Verhältnis zwischen Kalibrierphase und Meßphase eingestellt werden. Wenn das Intensitätsverhältnis sehr gering ist, ist eine häufigere Kalibrierung des Sensors erforderlich.
Auch die Zeitdauer der Integration des Photostromanteils Idiff während der Meßphase ist von dem jeweiligen Verhältnis aus Nutzlicht und Störlicht abhängig.
Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich für alle Arten von Sensoren, also Flächen-, Zeilen- oder solche Sensoren, die nur aus einem einzelnen Bildpunkt bestehen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips zur Kompensation des Störlichtanteils ; Fig. 2 einen schaltungstechnischen Aufbau eines optischen Sensors gemäß der Erfindung, bezogen auf einen einzelnen Bildpunkt;
Fig. 3 drei Varianten zur Realisierung des
Auslesevorganges von Meßwerten, wie sie gemäß der Schaltung nach Fig. 2 ermittelt wurden, wobei
Fig. 4 ein Zeitschema zur Erläuterung der
Funktionsweise des erfindungsgemäßen Sensors
Fig. 5 ein weiteres Zeitschema zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Sensors
Fig. 1 zeigt eine .Schaltungsskizze .zur Erläuterung es," dem erfindungsgemäßen optischen Sensor zugrunde liegenden Funktionsprinzips :
Die für einen einzelnen Bildpunkt realisierte Schaltung besteht aus einem Photodetektor 1, einem Speicherkondensator 2 und einer Stromquelle 3. Alle drei Elemente sind über einen gemeinsamen Knotenpunkt miteinander verbunden.
Die einfallende Strahlung, die auf den Photodetektor 1 trifft, wird von diesem in einen Photostrom Iph umgewandelt. Der Photostrom I h setzt sich zusammen aus den durch das Nutzlicht und den durch das Stδrlicht bedingten Anteilen. In einer noch näher zu beschreibenden Weise wird in einem der Messung vorhergehenden Kalibriervorgang ein Stromwert Icorap für die Stromquelle 3 festgelegt, welcher ausschließlich dem Störlichtsignalanteil entspricht, der in den einzelnen Bildpunkt fällt. Am Knotenpunkt trifft der Kompensationsstrom Icomp auf den Photostrom Iph, derart, daß nur die Differenz beider Ströme in den Speicherkondensator 2 gelangt. Dieser Differenzstrom entspricht somit dem auf den jeweiligen Bildpunkt einfallenden Nutzlichtanteil. Die Einspeisung des Differenzstromes erfolgt während der Dauer der Integrationszeit, die durch einen (nicht dargestellten) Schalter bestimmt ist. Die am Speicherkondensator 2 anliegende Spannung UInt ist somit ein Maß für die im Speicherkondensator gespeicherte, durch den Differenzstrom Idiff bedingte Ladung.
Durch die Einspeisung des Kompensationsstroms Icomp in den Knotenpunkt zwischen Photodetektor l_und, Speicherkondensator 2 wird erfindungsgemäß der wesentliche Anteil des Störlichtsignals während der Integration abgezogen. Die Kompensation erfolgt lokal für jeden Bildpunkt. Darüber hinaus erfolgt die Festlegung des Kompensationsstromes in einer selbsttätigen Art und Weise, wie sie weiter unten beschrieben wird. Auf diese Weise ergibt sich ein sog. lokal autokompensierter Sensor (Locally Auto Compensating Sensor LACS) .
Mit der erfindungsgemäßen Schaltung lassen sich Nutzsignale aus einer Störlichtregelung erfassen, deren Intensität um nahezu den Faktor 1000 größer ist als die Nutκlichtintensität .
Die Integrationszeit im einzelnen Pixel, d.h. die Zeit, während der die Integration des Photostromanteils Idlff im Speicherkondensator 2 erfolgt, muß zwecks Erreichen eines möglichst großen Auflösungsvermögens möglichst groß sein.
Die untere Grenze für die Integrationszeit ist definiert durch die Zeit, die erforderlich ist, um genügend aktive Ladungsträger für das Nutzsignal einzusammeln, und zwar nicht nur, um oberhalb des Photonenrauschens („shot noise") zu liegen, sondern auch oberhalb des „Lese- und Reset noise" der Schaltungsanordnung. Durch das Abziehen des großen Wertes Icomp von Iph ist der auf dem Kondesato fließende Strom Idiff reduziert, so daß längere Integrationszeiten gewählt werden können, ohne daß das Signal Uint den Sättigungszustand erreicht.
Ein praktisches Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen optischen Sensor ist in Fig. 2 dargestellt .
Zusätzlich zu den in Fig. 1 gezeigten Komponenten optoelektronischer Wandler 1, Speicherkondensator 2 und Stromquelle 3 ist diese Schaltungsanordnung dahingehend erweitert, daß der Speicherkondensator 2 mit einem Verstärker Ax zusammenarbeitet und ihm ein erster Schalter S-L zugeordnet ist. Darüber hinaus ist der Ausgang des ersten Verstärkers At mit einer zweiten Verstärkerstufe A2 gekoppelt, an die ein weiterer Schalter S2 angeschlossen ist, welchem ein weiterer Speicherkondensator 4 (CCTRL) nachgeordnet ist. Dieser Schaltungspunkt ist mit dem Eingang der Kompensationsstromquelle 3 verbunden.
Diese Schaltung arbeitet wie folgt: Zunächst wird in einer ersten Betriebsphase, der sog. Kalibrierungsphase, der Kompensationsström Icorap festgelegt. Hierzu wird der optische Sensor ausschließlich mit Störlicht beaufschlagt. Zu Beginn dieser Phase sind beide Schalter S1 („Reset") und S2 („Store") geschlossen. Wenn der Schalter Sτ „Reset" geöffnet wird, fließt ein Photostrom aus dem optoelektronischen Wandler 1 in den Speicherkondensator CInt, so daß am Kondensator die integrierte Spannung UInt abfällt. Dadurch, daß die beiden Verstärkerstufen A1# A2 bei geschlossenem Schalter S2 mit der Kompensationsspannungsquelle 3 einen geschlossenen Regelkreis bilden, stellt sich nach einer bestimmten Zeit ein Zustand ein, bei dem der fließende Strom dem Kompensationsstrom ICorap entspricht. Die sich bei Einstellen dieses Kompensationsstromes am weiteren Speicherkondensator CCTRL einstellende Spannung UCTRL wird am Ende dieser Kalibrierungsphase abgespeichert, indem der Schalter S2 geöffnet wird.
Nach Öffnen des Schalters S2 beginnt die Meßphase, in der sowohl Nutzlicht als auch Störlicht vom optoelektronischen Wandler 1 erfaßt werden. Die Stromquelle 3 speist dann den aus der Spannung UCTRL am weiteren Speicherkondensator CCTRL entnommenen Kompensationsstromwert in den Knotenpunkt ein, so daß hierdurch der Differenzstrom Idiff während einer durch die Öffnung des Schalters Sx vorgegebene Integrationsdauer in den Speicherkondensator CInt fließt. Eine Verbesserung der Empfindlichkeit der vorgenannten Schaltung läßt sich dadurch erreichen, daß die beschriebene zweistufige Operationsweise in bestimmten Abständen wiederholt wird, wobei der Übergang zwischen Kalibrier- und Meßphase korreliert mit dem Nutzlicht, z.B. durch entsprechende Pulsierung, erfolgt („synchronisierte Belichtung") .
Eine weitere Verbesserung der Empfindlichkeit wird dadurch erreicht, daß zwei alternative Speicherkondensatoren Cint verwendet werden, in die der Photostromanteil Idiff in alternierender Reihenfolge fließt.
Fig. 3 zeigt drei Skizzen für die Architektur der Auslesesteuerung des von der Speicherkapazität CInt abgespeicherten Wertes. Dabei bezieht sich die erste Variante Fig. 3 (1) auf das direkte Auslesen des Pixel- Speicherwertes ohne das Vorsehen eines weiteren Zwischenspeichers. Bei der Betätigung des READ-Schalters ;wird der. in. der Meßwerterfassungseinrichtung 2. abgespeicherte Wert über eine Ausleseschaltung 5 ausgelesen und an die Auslesesteuereinrichtung zur weiteren Verarbeitung weitergegeben.
Diese Variante benötigt die geringste Fläche auf dem Sensor. Diese Variante ist gedacht für die kontinuierliche Betriebsweise, bei der die Integration jeweils läuft, solange bis das Auslesen des Integrationswertes erfolgt ist. Zur Verbesserung des Rauschabstandes kann es von Vorteil sein, wenn die erste Verstärkerstufe A-. (Fig. 2) beim Auslesen zurückgesetzt wird und der Wert im Reset-Zustand (Reset Value) ebenfalls ausgelesen wird. Die Beaufschlagung des Sensors mit synchronisierter Beleuchtung ist dabei nur möglich, wenn die Integrationszeit der Auslesezeit plus einer zusätzlichen Zeit für das gemeinsame Belichten entspricht. Es körinen zwar kürzere Integrationszeiten erreicht werden, jedoch ohne synchronisierte Belichtung. Bevorzugterweise sollte jeweils ein Bild mit synchronisierter Belichtung aufgenommen werden und eines ohne um Reststörungen heraussubtrahieren zu können. Die Zeit, die benötigt wird, um die beiden Bilder zu erfassen, beträgt 2 x (TAuslese + TSync) + TKomp, die Integrationszeit für jedes Bild ist dabei auf den Wert festgelegt: TAuslese + TSync. Da die Dauer der aktiven Beleuchtung daher nur ein Bruchteil der gesamten Integrationszeit sein kann, ist bei dieser Variante die Unterdrückung des Störlichtbildes vergleichsweise schlecht .
Die in Fig. 3(2) dargestellte Variante beinhaltet einen „Sample & Hold"-Schaltkreis 6, um. das .vorherige; Integrationsergebnis für den Auslesevorgang festzuhalten, während der nächste Speicherwert bereits integriert wird. Hierbei ist eine synchronisierte Belichtung beliebiger Länge möglich.
Gemäß Variante 3 (Fig. 3(3)) können auch zwei zueinander parallel geschaltete Sample & Hold-Schaltkreise βl l 62 vorgesehen sein, wodurch sich eine noch flexiblere Handhabung des Auslesevorganges ergibt.
Die zeitlichen Gegebenheiten während der Auslesevorgänge nach den Varianten Fig. 3(2) bzw. Fig. 3(3) sind in den Fig. 4 und 5 näher erläutert.
Fig. 4 zeigt ein ZeitSchema für die Variante nach Fig. 3(2), d.h. die Gestaltung mit einem einzigen Sample & Hold Schaltkreis. Dabei bezieht sich Fig. 4 (A) auf den sog. „Standard Rolling Shutter Mode" ohne synchronisierte Beleuchtung.
Die mittlere Darstellung, Fig. 4 (B) , zeigt einen Betrieb gemäß „Rolling Shutter Mode" mit einer zusätzlich vorgesehenen Zeit TSync, um eine synchronisierte Belichtung zu erreichen. Beide Bilder, mit und ohne aktive Beleuchtung, sind innerhalb des Pixels vorhanden, eines auf der Sample-Kapazität und das andere in der ersten Verstärkergruppe. Die gesamte Bildperiode beträgt TFRAME = TAusiese + TKomp + TSync . Die Bildperiode verlängert sich durch die Zeit für die synchronisierte Belichtung. Pixel einiger Reihen integrieren zunächst die restliche Störlichtbeleuchtung, während diejenigen der anderen Reihen zunächst unter der aktiven Beleuchtung {integrieren. Diese Vorgehensweise kann allerdings zu nachteiligen Sekundäreffekten führen. Der Vorteil dieser Variante liegt allerdings darin, daß sowohl die Kalibrierungs- als auch die Meßphasen innerhalb einer Bildperiode erfolgen, die noch hinreichend kurz gehalten sein kann.
Gemäß Darstellung in Variante Fig. (C) sind Auslesevorgang und Integration (Messung) vollständig voneinander entkoppelt. Die Kalibrierung und die Integration sind zwischen allen Pixeln vollständig synchronisiert, wobei die Ergebnisse der vorherigen Integrationsphase zeilenweise ausgelesen werden. TSync und TInt können nun genauso lang gemacht wie die Auslesezeit. Hierdurch ergibt sich eine maximale Empfindlichkeit sowie eine optimale Störlichtunterdrückung. Der Nachteil bei dieser Variante ist allerdings, daß die Zeit zwischen der Kalibrierung und dem Ende der Integration, die mit der Kalibrierung korrelieren soll, 2 x TRead ist. Desweiteren ist der Schaltungsaufwand pro Pixel größer. Die verbesserte Empfindlichkeit wurde bereits oben erwähnt. Die beiden Bilder werden hierbei eines nach dem anderen ausgelesen, so daß das erste in einem zusätzlichen Speicher zwischengespeichert werden muß während des Auslesens des zweiten Bildes.
Die in Fig. 3(3) dargestellte Variante mit zwei Sample & Hold-Schaltkreisen erlaubt die flexibelste Zeitgestaltung der hier diskutierten Varianten. Fig. 5 zeigt das zugehörige Zeitrahmenschema. Integrations- und Auslesephase erscheinen vollkommen getrennt, so daß das Auslesen den Kalibrierungsprozeß nicht behindert. Die Zeitrahmen addieren sich allerdings zu TRead + TIπt + TKomp. Für höhere Beleuchtungsniveaus kann die Integrationsphase kurz gewählt sein, wodurch die Korrelierung der Kompensation mit der Störlichtbeleuchtung verbessert wird und ebenso hierdurch die Unterdrückung des Stδrlichtes. Der Aufwand pro Pixel ist hier am größten.

Claims

Patentansprüche
1. Optischer Sensor zur Erfassung eines Nutzlichtsignales in einer Störlichtumgebung, wobei der Sensor eine Anzahl von Bildpunkteinheiten (Pixel) , die jeweils einen optoelektronischen Wandler (1) zum Umwandeln des einfallenden Lichtes in einen Photostrom (Iph) und eine Meßwerterfassungseinrichtung (2) zur Gewinnung und Speicherung eines dem erfaßten Photostrom entsprechenden Meßwertes umfassen, und eine Auslesesteuereinrichtung für das Auslesen der abgespeicherten Meßwerte aufweist, um aus einzelnen bildpuriktbezogerieri"Meßwerten das Gesamtbild"'; zusammenzusetzen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Erfassung des vom Störlichtanteil im wesentlichen befreiten Nutzlichtsignales für jeden einzelnen Bildpunkt dem gemessenen Photostrom (Iph) jeweils ein Kompensationsstrom (Icomp) überlagert wird, dessen Größe so, insbesondere aufgrund eines der Messung vorausgehenden Kalibriervorganges, festgelegt ist, daß er demjenigen Photostromwert entspricht, welcher sich alleine aufgrund des auf den jeweiligen Bildpunkt einfallenden Störlichtes ergibt, so daß nur der dem auf den jeweiligen Bildpunkt einfallenden Nutzlichtsignal entsprechende Photostromanteil (Idiff) als weiter zu verarbeitender Meßwert abgespeichert wird.
2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Einspeisung des Kompensationsstromes an der Verbindungsstelle zwischen dem optoelektronischen Wandler
(1) und der Meßwerterfassungseinrichtung (2) erfolgt.
3. Optischer Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Kompensationsstrom (Icomp) aus einer dem einzelnen Pixel zugeordneten Stromquelle (3) einspeisbar ist.
4. Optischer Sensor nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Stromquelle ein weiteres Speichermittel (4) , insbesondere ein Kondensator (Cotrl) , zugeordnet, ist, in dern^ der Wert des Kompensationsstromes (Icorap) abspeicherbar ist.
5. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 3 oder 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Stromquelle (3) und die Meßwerterfassungseinrichtung (2) Teil eines geschlossenen Regelkreises sind.
6. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für jeden Bildpunkt eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Meßwerterfassungseinrichtungen (2) vorgesehen ist .
7. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Meßwerterfassungseinrichtung (2) aus einer, insbesondere kapazitiv, rückgekoppelten Verstärkerschaltung (A besteht, mit welcher der dem einfallenden Nutzlicht entsprechende Photostromanteil (Idlff) während einer vorgebbaren Zeitdauer in einem Integrationskondensator CInt aufintegrierbar ist, dessen Klemmenspannung UInt den abspeicherbaren weiter zu verarbeitenden Meßwert darstellt .
8. Optischer Sensor nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß dem Integrationskondensator (Cαnt) ein erster Schalter ( (S^ (Reset) zugeordnet ist.
9. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im Regelkreis aus Stromquelle (3) und
Meßwerterfassungseinrichtung (2) ein, insbesondere über eine zweite Verstärkerschaltung (A2) angesteuerter, zweiter Schalter (S2) (Store) vorgesehen ist, in dessen geschlossener Schalterstellung ein erster Betriebszustand des Sensors, („Kalibrieren") und in dessen offener Schalterstellung ein zweiter Betriebszustand („Messen") einstellbar ist.
10. Optischer Sensor nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Meßwerterfassungseinrichtung (2) , der zweite Schalter (S2) und das weitere Speichermittel (4) für den Kompensationsstrom in Reihenschaltung zueinander angeordnet sind.
11. Optischer Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Auslesesteuervorrichtung jedem Bildpunkt zugeordnet steuerbare Auslesemittel (5) aufweist.
12. Optischer Sensor nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß dem steuerbaren Auslesemittel (5) eine Sample & Hold-Einheit {βιr 62) zugeordnet ist zur temporären Abspeicherung des zuletzt gewonnenen Meßwertes.
13. Optischer Sensor nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jeder Bildpunkteinheit mehrere zueinander parallel angeordnete Sample & Hold-Einheiten (61# 62) zugeordnet sind.
14. Verfahren zur Erfassung eines Nutzlichtsignales in einer Störlichtumgebung mittels eines eine Vielzahl von Bildpunkten (Pixel) aufweisenden optischen Sensors, wobei in jedem einzelnen Bildpunkt des Sensors die auf diesen einfallende Lichtintensität in einen elektrischen Photostrom (Iph) gewandelt wird, dieser Photostrom (Iph) während einer vorbestimmten Zeitdauer zu einem Meßwert aufintegriert wird und als Meßwert abgespeichert wird, und wobei die bildpunktweise abgespeicherten Meßwerte ausgelesen und zum gesamten Bild zusammengefügt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in jedem Bildpunkt der Photostrom (lph) durch einen Kompensationsstrom (Icorap) korrigiert wird, dessen Größe so bemessen ist, daß er dem ausschließlich durch das Störlicht verursachten Anteil des Photostromes entspricht, so daß nur der von dem vom Störlicht befreiten Anteil des Bildes hervorgerufene Photostromanteil (Idiff) als Meßwert abgespeichert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Größe des Photostromes bildpunktbezogen durch einen der Messung vorausgehenden Kalibriervorgang bestimmt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Integration des Photostromanteils (Idi£f) je Bildpunkt in mindestens zwei separate Speichermittel erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zunächst während einer Kalibrierungsphase bei ausgeschaltetem Nutzlichtsignal jeweils bildpunktbezogen die Bemessung der Größe des Kompensationsstromes mittels eines geschlossenen Regelkreises erfolgt und der dabei gewonnene Wert abgespeichert wird, und daß während der anschließenden Meßphase die Erfassung des Meßwertes für den dem Nutzlichtanteil entsprechenden Photostromanteil (Idiff) unter Berücksichtigung des zuvor festgelegten Wertes für den Kompensationsstrom (Icomp) erfolgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Beaufschlagung des Sensors mit dem Nutzlichtsignal pulsweise erfolgt.
19. Verfahren nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Umschalten zwischen Kalibrierungsphase und Meßphase korreliert mit dem Nutzlicht erfolgt.
20. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Umschalten von der Kalibrierungsphase auf die Meßphase nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer erfolgt.
21. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der optische Sensor ein Zeilensensor ist.
,
22. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der optische Sensor ein Flächensensor ist.
23. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der optische Sensor ein aus nur einem einzelnen Bildpunktelement bestehender Sensor ist.
24. Verwendung eines Sensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Detektor für die Ansteuerung eines Airbag in einem Kraftfahrzeug.
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