Paralleles Auslesen linearer Bildsensoren

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1 Paralleles Auslesen linearer Bildsensoren Lineare Anordnung von Pixeln, Photodioden oder lichtempfindliche MOS-Kapazitäten Eng benachbart und parallel ein oder mehrere (bis zu 4) CCD-Schieberegister zum Auslesen, getrennt von der Sensorzeile durch Tranfer-Gates Nach der Bestrahlung - zeitlichen Integration der Photoladungen - werden die Tranfer-Gates kurz getaktet (V G high low) und gleichzeitig (parallel) die Photoladungen in die CCD übertragen. Eine neue Integration von Photoladungen beginnt. b) bzw. c) höhere Auflösung bis zu 8000 Pixel/inch Währenddessen werden die in der CCD gespeicherten, in der Regel verschiedenen Photoladungen der Bildaufnahme nacheinander durch die CCD zum Ausgang transportiert.

2 Serielles Auslesen linearer Bildsensoren Beim sog. Rücksetzen werden Photodioden in Sperrrichtung vorgespannt und dann von der Spannungsquelle getrennt. Bestrahlung: Photoladungen werden auf den Sperrschichtkapazitäten gespeichert. Durch sequentielles Einschalten adressierender MOS-FET werden die Photodioden nacheinander auf den Video-Ausgang geschaltet. Das MOS-Schieberegister erzeugt die Ansteuer-Impulse

3 Timing-Diagramm seriellen Auslesens Exposition verschiedener Photodioden nicht wirklich gleichzeitig! Wiederaufladestrom Mit der Adressierung wird die betreffende Photodiode, deren Sperrschichtkapazität durch die generierten Photoladungen teilweise entladen wurde, wieder aufgeladen. Folglich Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgender Adressierungen derselben Photodiode bestimmt die Expositionszeit = Integrationszeit Bei geringerer Bestrahlungsstärke ergibt größerer zeitlicher Abstand der Startimpulse wieder größere Bestrahlungen (Bestr.stärke x Zeit) und so größere Videosignale.

4 Matrix-Bildsensor mit Frame-transfer (FT) 2-dimensionale Frame-transfer Bildsensoren werden mit MOS-Kapazitäten aufgebaut, mit lichtempfindlichen CCD-Zeilen zur Bildaufnahme und gleich langen, gleich vielen vor Einstrahlung geschützten CCD- Zeilen als Zwischenspeicher sowie einem horizontalen CCD-Schieberegister zum seriellen Auslesen.

5 Frame-transfer CCD - Timing a) Bildaufnahme (zeitliche Integration von Bestrahlungsstärken): Alle MOS-Kapazitäten des Bildbereichs werden für eine gewisse Bildaufnahmezeit vorgespannt zur Ladungsintegration CCD-Phasen auf hohem Pegel wechseln sich mit solchen niedrigen (positiven) Potentials ab. b) Zwischenspeicherung: Photoladungen bestrahlter CCD-Zeilen werden mit einem schnellen Takt in die CCD-Zeilen des Speicherbereichs nacheinander übertragen. Zahl der vertikalen Schiebetakte = Zahl der CCD-Zeilen im Aufnahmebereich. Nach dem Bildtransfer beginnt schon wieder die neue Bildaufnahme. c) Vertikales Schieben jeweils einer Speicherzeile ins serielle Schieberegister bzw. in die nächste Speicherzeile d) Horizonales, sequentielles Schieben der Inhalte des seriellen Ausgangsschieberegisters auf den Videoausgang Verschmieren des Bildes durch gleichzeitiges Auslesen und Aufnehmen des Bildes. Große Bildaufnahmefläche; aber zusätzlicher Speicher auf dem Chip erforderlich! Zur Vermeidung von (starkem) Smearing benötigt der Full frame-tranfer, bei dem der Bildzwischenspeicher fehlt, einen Shutter, der beim Auslesen geschlossen ist.

6 Matrix-Bildsensor mit Interline-transfer (IL) Folge vertikaler Pixel-Spalten und speichernder CCD-Schieberegister kombiniert mit einem horizontalen Ausgangsausleseregister Timing: a) Bildaufnahme; b) Zwischenspeicherung der Photoladungen einer Pixelspalte in der benachbarten CCD-Spalte, danach Beginn einer neuen Bildaufnahme; c) zeilenweises Übertragen der Inhalte der vertikalen CCD-Schieberegister in das horizonale Ausgangsregister; d) serielles Auslesen des Ausgangsregisters. Wieder: Parallel Bildaufnahme und Auslesen! Smearing durch Diffusion gestreuter Photoelektronen und Streulicht ins benachbarte CCD.

7 Matrix-Bildsensor mit Frame-interline-tranfer (FIL) Kombination aus Frame-transfer mit Interline-tranfer: Bildsensor hat die bildempfindliche Fläche der Interline-transfer Anordnung und die Speicherfläche des Frame-transfer Sensors. Timing: a) Bildaufnahme, b) Zwischenspeicherung der Photoladungen einer Pixelspalte in der benachbarten CCD-Spalte, danach Beginn einer neuen Bildaufnahme, c) schnelles Verschieben der Inhalte der vertikalen Schieberegister in den Speicherbereich, d) f) zeilenweises Verschieben ins Ausgangsregister und serielle Ausgabe auf den Videoausgang

8 MOS-XY Bildsensor Einzelnes Pixel Photodiode - über MOS-FET, die von digitalen Schieberegistern angesteuert werden, gezielt (und programmierbar) addressierbar und sequentiell schaltbar auf die Video-Line (Ausgangsleitung). Es entsteht ein pulsierender Strom von Ladungen der ausgelesenen Bildelemente. Alle Pixel haben verschiedenen Beginn und Ende der Integrationszeit. Vorteil: Wahrer Random Access unnütze Information wird nicht ausgelesen. Nachteil: Fixed pattern noise und Rücksetzrauschen sind relativ groß.

9 Bildaufnahmezelle eines MOS-Bildsensors Zelle eines PMOS-Bildsensors bestehend aus Photodiode und integriertem p-kanal MOS-FET als Addressschalter

10 MOS-XY Bildsensor mit horizontalem CCD-Ausleseregister Zeilenanwahl durch vertikalen Scanner Gleichzeitige Übertragung der Photoladungen einer ganzen Zeile in ein analoges BCCD-Schieberegister Sequentielles Austakten der übertragenen Zeile auf den Ausgang Vorteil: Photodiodenkapazität nicht verbunden mit der großen Kapazität einer Videoleitung sondern mit einer relativ kleinen MOS-Kapazität der BCCD geringeres Rücksetzrauschen

11 CID Charge-Injection Device, nicht destruktives Auslesen Bias für Integration Zeilenelektrode liest aus Spaltenelektrode sammelt Photoladungen Bias fürs Auslesen Bias für Restauration Bias zum Rücksetzen Fortsetzung der Integr. Organisiert wie ein MOS-XY Sensor, aber mit MOS-Kapazitäten, die jeweils mit zwei überlappenden Gates abgedeckt sind, als Pixel. a) Integration von Photoladungen unter der positiveren Elektrode, b) Legen der Zeilenelektrode auf positiveres Potential und Erfassen des resultierenden Verschiebungsstroms Maß für die generierte Photoladung, d) Rücksetzen Ladung fließt ins Substrat

12 Vergleich verschiedener Bildsensoren Bildsensortyp Vorteile Nachteile FT Hohe horizontale Auflösung lichtempfindlicher Anteil groß Shutter einsetzbar Große Chipfläche erforderlich. Verschmieren des Bildes ohne Shutter IL CCD Kleine Chipfläche lichtempfindlicher Anteil klein Verschmieren des Bildes Produktionstechnologie FIT CCD MOS-XY Wenig Verschmieren des Bildes Produktionstechnologie Teilbilderfassung Große Chipfläche lichtempfindlicher Anteil klein Produktionstechnologie Signal-Rauschverhältnis CID Zellentwurf Teilbilderfassung nicht destruktives Auslesen Signal-Rauschverhältnis