Prototyp des Sensors

Der Bildaufnehmer mit 3,5µm Pixel-Raster arbeitet wie im Beispiel a in Bild 2 mit zwei Photodioden und zwei Ausleseschaltungen. Jedes Pixel braucht ein Transfer-Gatter, aber da die drei Transistoren des Zwischenspeichers gemeinsam genutzt werden, fällt nur die halbe Anzahl pro Pixel an, also 1,5 Transistoren. Dazu kommen vier Transistoren und zwei Kapazitäten in der Ausleseschaltung, die wieder separat anzulegen sind. Insgesamt entspricht dies also 6,5 Transistoren pro Pixel. Im Betrieb wird, wie in Bild 1 beschrieben, zuerst die Ladung von Pixel 1 gelesen und zur Ausleseschaltung 1 geführt. Anschließend wird Pixel 2 auf die gleiche Weise behandelt. Bezogen auf die Geometrie eines Bildsensors teilen sich zwei nebeneinander liegende Photodioden einen Sensorknoten. Aus diesem Grunde kann nicht einfach zeilenweise ausgelesen werden, sondern versetzt. Dies geschieht, indem die Select-Leitungen einen Pixel links vom gemeinsam genutzten Sensorknoten und einen diagonal gegenüberliegenden Pixel rechts vom Sensorknoten gleichzeitig adressieren zeigen. Leseleitungen führen die Signale der links vom gemeinsam genutzten FD liegenden Pixel auf die unteren Spaltenverstärker und die der rechts davon liegenden auf die oberen Spaltenverstärker. Diese diagonal organisierte Mehrfachnutzung der Leseleitungen ermöglicht die Verdopplung der Bildrate, indem der gemeinsam genutzte Sensorknoten über beide Photodioden geladen wird. Dieses Zusammenführen der Ladungen mehrerer Photodioden wird auch Binning, in diesem Fall horizontales Binning, genannt. Die sequenzielle Nutzung des Sensorknotens erzeugt einen geringen Unterschied der Abtastzeitpunkte für die beiden am gleichen Knoten angeschlossenen Pixel: Bei kleinen Bildsensoren unterscheiden sie sich nur um einige Mikrosekunden. Bei sehr hoch auflösenden Detektoren kann dieser Unterschied bereits 20µs ausmachen. Für Anwendungen in der Medizintechnik dürfte dies kein Problem sein. Allerdings gibt es Unterschiede zwischen monochromen und Farbsensoren. Im Monochrom-Betrieb unterscheiden sich die Abtastzeitpunkte der geraden und ungeraden Spalten. Die Farbversionen sind so optimiert, dass die Verschiebung zwischen benachbarten Spaltenpaaren auftritt. Das ermöglicht die simultane Erfassung einer kompletten Bayer-Matrix, was Farbsäume an bewegten Objekten verhindert. Zur bestmöglichen Nutzung der verfügbaren Fläche für Sensorelemente, Auswerte-Elektronik und Verdrahtung sind die Photodioden in horizontaler Richtung leicht ungleichmäßig verteilt.

Fazit

Durch gemeinsame Nutzung bestimmter Transistoren in der Pixel-Elektronik lässt sich ein CMOS-Bildaufnehmer mit Globalverschluss im Pipeline-Betrieb mit korrelierter Doppelabtastung realisieren, dessen Pixel-Raster lediglich 3,5µm beträgt. Sein Dynamikbereich erreicht dennoch 58,5dB bei einer Verschluss-Effizienz von über 99,98%. Das schafft gute Voraussetzungen zur weiteren Verbreitung miniaturisierter Bildaufnehmer für anspruchsvolle Aufgaben in der endoskopischen Medizintechnik und anderen Bereichen, in denen große Bilddatenmengen unter sehr beengten räumlichen Verhältnissen erfasst und verarbeitet werden müssen.