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Bildsensor-SoC mit 132 dB Dynamik

Sehen bei extremen Lichtverhältnissen

26. Mai 2010, 11:24 Uhr | Von Pierre-François Rüedi und Simon Gray

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Logarithmischer Datencode für 132 dB Dynamik

Bild 1 zeigt das Blockdiagramm eines icycam-Pixels. Der von einer Fotodiode gelieferte Fotostrom IF wird vom Kondensator C_P integriert. C_P liegt im Rückkopplungszweig eines Verstärkers, der über der Fotodiode ein konstantes Potential aufrechterhält und somit C_P von der großen, zur Fotodiode gehörenden parasitären Kapazität abschirmt.

Die aus der Integration des Fotostroms resultierende Spannung U_P wird mit einer Referenzspannung U_Ref verglichen. Erreicht U_P den Wert von U_Ref, wird ein Puls auf den Signaleingang WR gesendet, so dass der Stand von BL(9:0) – ein an allen Pixeln gleichzeitig geschickter 10 bit breiter digitaler Gray-Code – abgefragt und auf dem pixelinternen Datenspeicher gespeichert wird. Der digitale Gray-Code entwickelt sich mit der Zeit und codiert den Logarithmus der Zeit, die seit dem Beginn der Integration des Fotostroms vergangen ist.

Bild 2 zeigt, wie der logarithmische Datencode erzeugt wird. Ein erster, mit 50 MHz getakteter Zähler erzeugt in exponentiell wachsenden Intervallen Pulse, die einen zweiten Zähler takten. Das Ausgangssignal des zweiten Zählers N(9:0) ist somit proportional zum Logarithmus der Integrationszeit. Bild 2 verdeutlicht auch die Gleichung, die zur Erzeugung dieser Pulsfolge benutzt wird. Zu einem gegebenen Zeitpunkt t entspricht der Abstand zum nächsten Puls 1,56 Prozent (oder 1/64) von t. Da Zeit diskret ist, müssen die Zeitintervalle ein Mehrfaches des Taktintervalls sein.

Wie die rote Kurve in Bild 2 zeigt, sind die Taktintervalle zuerst konstant – mit der Dauer eines Taktintervalls – und wachsen dann, bis sie schließlich proportional zur Integrationszeit sind. Die daraus resultierende Abhängigkeit zwischen dem Ausgangscode des Zählers und der Integrationszeit zeigt die blaue Kurve: innerhalb weniger Mikrosekunden wird sie logarithmisch. Die Wahl eines logarithmischen 10-bit-Codes mit einer relativen Auflösung von 1,56 Prozent ermöglicht die Codierung von fast sieben Beleuchtungsdekaden mit 149 Schritten pro Dekade.

Das Zeitdiagramm einer Bildakquisition für zwei Pixel A und B ist in Bild 3 dargestellt. In einer ersten Phase (Reset-Phase) wird der Kondensator C_P auf die Spannung U_Refzurückgestellt, was dem schwarzen Bildniveau entspricht. Gleichzeitig werden die Speicherbits B(9:0) zurückgesetzt, indem BL(9:0) auf Null und WL auf Eins gesetzt werden. In einer zweiten Phase (Aufnahmephase), wird U_Ref auf das weiße Bildniveau gesetzt und der von der Fotodiode gelieferte Fotostrom über dem Kondensator C_P integriert, während BL(9:0) den Logarithmus der Zeit codiert, die seit dem Beginn der Aufnahme vergangen ist.

Pixel A erreicht U_Ref noch vor Ende der Aufnahme, welches durch die kleinstmögliche Bildfolge festgelegt ist, und fragt BL(9:0) ab. Bei einer konstanten Referenzspannung würde Pixel B BL(9:0) nicht abfragen, da es U_Ref nicht vor Ende der Aufnahme erreicht. Um die Spannung U_P von Pixel B umzurechnen und somit den Dynamikbereich einer gegebenen Bildfolge auszudehnen, folgt auf die Aufnahmephase mit einer konstanten Spannung U_Ref und einem sich logarithmisch entwickelnden Zeitstempel eine Abschlussphase mit einer exponentiell abnehmenden U_Ref und einem sich bei einer festen Frequenz entwickelnden Zeitstempel.

Damit wird während der beiden Phasen eine konstante logarithmische Codierung beibehalten. Dies unter der Voraussetzung, dass die Dauer der Abschlussphase verglichen mit der Dauer der Aufnahmenphase vernachlässigbar ist. Auf die Abschlussphase folgt schließlich eine Auslesephase.