DE112021003421T5

DE112021003421T5 - Pixel und Verfahren zum Betreiben eines Pixels

Info

Publication number: DE112021003421T5
Application number: DE112021003421.9T
Authority: DE
Inventors: Xiaoliang Ge; Adi Xhakoni
Original assignee: Ams Sensors Belgium BVBA
Current assignee: Ams Sensors Belgium BVBA
Priority date: 2020-06-26
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2023-04-27
Also published as: CN115804102A; WO2021259744A1; US20230232132A1; EP3930309A1

Abstract

Ein Pixel (1) umfasst ein Transfergatter (11) und eine Abtaststruktur (20) mit einer ersten Abtaststufe (21) und einer zweiten Abtaststufe (22). Das Transfergatter (11) und die erste und die zweite Abtaststufe (21, 22) sind so ausgestaltet, dass sie in Verbindung mit einer Lichtquelle in Antwort auf ein Steuersignal betrieben werden. Die erste Abtaststufe (21) ist so ausgestaltet, dass sie einen ersten Abtastwert abtastet, der von Strahlung abhängt, die auf das photosensitive Element (10) von einem Objekt oder einer Szene einfällt, das/die von der Lichtquelle beleuchtet wird, die Licht mit einer ersten Ausgangsleistung aussendet, während die zweite Abtaststufe (22) so ausgestaltet ist, dass sie einen zweiten Abtastwert abtastet, der von Strahlung abhängt, die auf das photosensitive Element (10) von dem Objekt oder der Szene einfällt, das/die von der Lichtquelle beleuchtet wird, die Licht mit einer zweiten Ausgangsleistung aussendet. Die erste Ausgangsleistung unterscheidet sich, insbesondere erheblich, von der zweiten Ausgangsleistung.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Pixel, insbesondere ein Pixel mit zwei Speicherknoten, und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Pixels.
CMOS-Bildsensoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. in Kameramodulen und Smartphones, Tablet-Computern, Laptops usw. In vielen dieser Anwendungen wird zumindest in einigen Aufnahmemodi ein Verfahren zur Hintergrundsubtraktion angewandt, um die Bildqualität zu verbessern. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen Lichtquellen zur Beleuchtung eines zu erfassenden Objekts oder einer zu erfassenden Szene eingesetzt werden, z. B. bei Anwendungen zur Gesichts- oder Fingerabdruckerkennung, kann eine zu starke Hintergrundbeleuchtung aufgrund des begrenzten Dynamikbereichs der Pixel von Bildsensoren zu einem geringen Signal des Objekts oder der Szene in den erfassten Bildern führen.
Herkömmliche Pixel und Bildsensoren überwinden in der Regel eine zu starke Hintergrundbeleuchtung und erreichen ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis in den Pixeln, indem sie die Leistung der Lichtquelle für einen höheren Beleuchtungsgrad erhöhen. Solche Lösungen eignen sich jedoch nur bedingt für Systeme, die häufig durch ein begrenztes Energiebudget gekennzeichnet sind. Alternative Lösungen verwenden die Hintergrundsubtraktion der Pixelsignale in der Nachbearbeitung, was zu zusätzlich benötigtem Schaltungs- und Rechenaufwand und möglicherweise zu Mehrfachbelichtungen und damit zu einem hohen Stromverbrauch führt.
Eine zu erreichende Aufgabe ist das Bereitstellen eines verbesserten Konzepts eines Pixels, das die Einschränkungen herkömmlicher Pixel überwindet.
Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche erreicht. Ausführungsformen und Entwicklungen des verbesserten Konzepts sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das verbesserte Konzept basiert auf der Idee, ein Pixel bereitzustellen, bei dem eine Hintergrundlichtunterdrückungsoperation innerhalb des Pixels während der Bilderfassungsphase ausgeführt werden kann, wodurch die Notwendigkeit eines Datenpuffers oder -speichers außerhalb des Chips verringert und gleichzeitig der Kontrast und die Erfassungswahrscheinlichkeit im Bild verbessert wird. Zu diesem Zweck umfasst ein Pixel gemäß dem verbesserten Konzept zwei Abtaststufen zum Abtasten von Fotosignalen bei unterschiedlichen Lichtpegeln.
Ein Pixel gemäß dem verbesserten Konzept umfasst ein photosensitives Element zum Erzeugen von Ladungen in Antwort auf einfallende Strahlung, einen Erfassungsknoten und ein Transfergatter, das zwischen dem photosensitiven Element und dem Erfassungsknoten verbunden ist, um die Übertragung von Ladungen zum Erfassungsknoten zu steuern. Das Pixel umfasst ferner einen ersten Pufferverstärker, dessen Eingang mit dem Erfassungsknoten verbunden ist, und eine Abtaststruktur, die mit einem Ausgang des ersten Pufferverstärkers verbunden ist, wobei die Abtaststruktur eine erste Abtaststufe und eine zweite Abtaststufe umfasst. Die erste und die zweite Abtaststufe sind selektiv betreibbar, um einen Abtastwert des Erfassungsknotens abzutasten.
Das Transfergatter und die erste und die zweite Abtaststufe sind so ausgestaltet, dass sie in Verbindung mit einer Lichtquelle in Antwort auf ein Steuersignal betrieben werden. Die erste Abtaststufe ist so ausgestaltet, dass sie einen ersten Abtastwert abtastet, der von der Strahlung abhängt, die auf das photosensitive Element von einem Objekt oder einer Szene einfällt, das/die von der Lichtquelle, die Licht mit einer ersten Ausgangsleistung aussendet, beleuchtet wird. Analog dazu ist die zweite Abtaststufe so ausgestaltet, dass sie einen zweiten Abtastwert abtastet, der von der Strahlung abhängt, die von dem Objekt oder der Szene, die von der Lichtquelle mit einer zweiten Ausgangsleistung beleuchtet wird, auf das photosensitive Element einfällt. Dabei unterscheidet sich die erste Ausgangsleistung, insbesondere signifikant, von der zweiten Ausgangsleistung.
Das Pixel ist so ausgestaltet, dass er optische Informationen erfasst, die auf den jeweiligen Pixel einfallen, und elektrische Informationen erzeugt, die für diese optischen Informationen repräsentativ sind. Insbesondere bei Pixeln und Bildsensoren, die nach Standard-CMOS-Technologien hergestellt werden, besteht das Arbeitsprinzip der Pixel in der Umwandlung der optischen Intensität in einen Fotostrom unter Verwendung einer Fotodiode, z. B. einer Pinned Fotodiode. In diesem Zusammenhang werden häufig Fotodioden auf Siliziumbasis eingesetzt, da diese Dioden über einen breiten Wellenlängenbereich zwischen 190 nm und 1100 nm empfindlich sind und somit den relevanten Teil des elektromagnetischen Spektrums sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Bereich abdecken.
Das photosensitive Element, das mit dem photosensitiven Element verbundene Transfergatter, der mit dem Transfergatter verbundene Erfassungsknoten, der oft auch als schwebende Diffusion bezeichnet wird, und der erste Pufferverstärker, der zwischen den Erfassungsknoten und die Abtaststruktur verbunden ist, sind Standardelemente typischer CMOS-Pixel und werden in dieser Offenbarung nicht weiter erläutert.
Die Abtaststruktur ist in der Lage, mehrere, z. B. zwei, Abtastwerte des Erfassungsknotens zu speichern. Zu diesem Zweck umfasst die Abtaststruktur eine erste Abtaststufe mit einem ersten Speicherelement und eine zweite Abtaststufe mit einem zweiten Speicherelement. Das erste und das zweite Speicherelement sind zum Beispiel als Kondensatoren ausgeführt. Weiterhin ist die Abtaststruktur so ausgestaltet, dass die erste und die zweite Abtaststufe selektiv betrieben werden können. Dies bedeutet, dass die Abtaststruktur so ausgestaltet ist, dass sie Pfade, die den ersten Pufferverstärker und die Speicherelemente der Abtaststufen verbinden, aktiviert und unterbricht. Beispielsweise umfasst die Abtaststruktur eine Vielzahl von Abtastschaltern, z. B. jeweils realisiert als Transistor, der ein Schaltsignal am jeweiligen Gatter empfängt, um die erste und die zweite Abtaststufe selektiv zu betreiben.
Die Ausgestaltung des Transfergatters und der ersten und zweiten Abtaststufen zum Betreiben in Verbindung mit der Lichtquelle in Antwort auf ein Steuersignal bedeutet, dass das Auslesen des Fotostroms aus dem photosensitiven Element sowie die Speicherung dieses Signals in den jeweiligen Abtaststufen mit einer Lichtquelle, z. B. einer LED oder einer Laserdiode, synchronisiert werden kann. Die Lichtquelle ist beispielsweise so ausgestaltet, dass sie breitbandiges Licht im sichtbaren Bereich oder monochromatisches oder schmalbandiges Licht im Infrarotbereich, z. B. bei oder um 940 nm, aussendet.
Auf diese Weise kann auf dem Speicherelement der ersten Abtaststufe ein erster Abtastwert gespeichert werden, der von einem Fotostrom abhängt, der während einer ersten Belichtungszeit und bei einer ersten Ausgangsleistung der Lichtquelle erzeugt wird. Analog dazu kann auf dem Speicherelement der zweiten Abtaststufe ein zweiter Abtastwert gespeichert werden, der von einem Fotostrom abhängt, der während einer zweiten Belichtungszeit und für eine zweite Ausgangsleistung der Lichtquelle erzeugt wird. Dabei unterscheidet sich die erste Ausgangsleistung von der zweiten Ausgangsleistung. Mit anderen Worten unterscheidet sich die erste Belichtungszeit von der zweiten Belichtungszeit in Bezug auf die von der Lichtquelle erzeugte Beleuchtungsstärke. Zum Beispiel unterscheidet sich die erste Ausgangsleistung von der zweiten Ausgangsleistung um eine Größenordnung. Alternativ dazu kann die erste oder die zweite Ausgangsleistung gleich Null sein. Zudem kann in einigen Fällen die erste Ausgangsleistung der zweiten Ausgangsleistung entsprechen.
Mit einem solchen Pixel gemäß dem verbesserten Konzept kann ein Verfahren zur Hintergrundbildsubtraktion realisiert werden, wobei die erste und die zweite Abtaststufe jeweils Fotosignale abtasten und speichern, die mit dem photosensitiven Element bei gleicher Belichtungszeit, aber unterschiedlichen Beleuchtungsbedingungen aufgenommen worden sind. Beispielsweise basiert ein erstes Fotosignal auf einer Belichtung, bei der die Lichtquelle zur Beleuchtung eines Objekts oder einer zu erfassenden Szene hinsichtlich der Lichtemission aktiviert ist, während ein zweites Fotosignal auf einer Belichtung basiert, bei der die Lichtquelle hinsichtlich der Lichtemission deaktiviert ist. Das Differenzsignal, das sich aus dem Verfahren zur Hintergrundbildsubtraktion ergibt, kann entweder auf dem Chip oder außerhalb des Chips berechnet werden. Die frühere Ausführung der Subtraktionsoperation innerhalb des Pixels während der Bilderfassungsphase kann jedoch die Notwendigkeit eines Datenpuffers oder -speichers außerhalb des Chips überflüssig machen.
Insbesondere ermöglicht die vorgeschlagene Pixelstruktur gemäß dem verbesserten Konzept eine pixelinterne Hintergrundlichtunterdrückungsfunktion für Pixel, die z. B. mit einem globalen Verschluss (engl. global shutter) betrieben werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Pixel oder eine Vielzahl von Pixeln ferner eine Steuerung, die das Transfergatter und die erste und die zweite Abtaststufe in Antwort auf das Steuersignal steuert.
In solchen Ausführungsformen ist die Steuerung so ausgestaltet, dass sie das Auslesen und Speichern des Fotosignals aus dem photosensitiven Element steuert. Das Steuersignal steuert daher das Transfergatter, um Ladungen vom photosensitiven Element zur schwebenden Diffusion zu übertragen, und Abtastschalter der ersten und der zweiten Abtaststufe, um beispielsweise Ladungen vom Erfassungsknoten über den ersten Pufferverstärker an die jeweilige erste und zweite Abtaststufe zu übertragen.
In einigen Ausführungsformen ist das Steuersignal so ausgestaltet, dass es die Ausgangsleistung der Lichtquelle einstellt.
Um ein Bild mit Hintergrundlichtunterdrückung aufzunehmen, wird eine Lichtquelle, z.B. ein Laser oder eine LED, in Synchronisation mit dem Pixel oder einem Bildsensor, der eine Vielzahl von Pixeln umfasst, gemäß dem verbesserten Konzept während der Belichtungsphase gesteuert.
In einigen Ausführungsformen ist das Steuersignal so ausgestaltet, dass es das Transfergatter und die erste Abtaststufe, insbesondere einen ersten Schalter der ersten Abtaststufe, betreibt, um den ersten Abtastwert abzutasten, wenn die Lichtquelle Licht mit der ersten Ausgangsleistung aussendet.
In einigen Ausführungsformen ist das Steuersignal so ausgestaltet, dass es das Transfergatter und die zweite Abtaststufe, insbesondere einen zweiten Schalter der zweiten Abtaststufe, betreibt, um den zweiten Abtastwert abzutasten, wenn die Lichtquelle Licht mit der zweiten Ausgangsleistung aussendet.
Zu Synchronisationszwecken wird das Steuersignal in diesen Ausführungsformen so eingestellt, dass es das Betreiben des Pixels koordiniert, beispielsweise um die Speicherung von zwei Fotosignalen zu realisieren, die auf der Grundlage separater Belichtungen des photosensitiven Elements mit derselben Belichtungszeit, aber unterschiedlichen Lichtemissionen der Lichtquelle erzeugt wurden.
In einigen Ausführungsformen ist die erste Ausgangsleistung signifikant größer oder kleiner als die zweite Ausgangsleistung.
Zur Durchführung einer Hintergrundsubtraktion basieren die auf der ersten und zweiten Abtaststufe gespeicherten Fotosignale auf den oben erwähnten Belichtungen bei unterschiedlichen Beleuchtungsstärken. Zu diesem Zweck wird eine erste Belichtung bei einer bestimmten ersten Ausgangsleistung, d.h. Lichtemissionspegel, der Lichtquelle durchgeführt, die mittels des Steuersignals in Synchronisation mit dem Pixel gesteuert wird. Analog dazu wird eine zweite Belichtung mit einer bestimmten zweiten Ausgangsleistung durchgeführt, die sich von der ersten Ausgangsleistung unterscheidet. Zum Beispiel ist die erste Ausgangsleistung oder die zweite Ausgangsleistung Null. Dabei kann die Reihenfolge, ob die erste oder die zweite Ausgangsleistung größer ist, beliebig gewählt werden.
In einigen Ausgestaltungen ist das Transfergatter so ausgestaltet, dass es im Wesentlichen die gesamte Ladung vom photosensitiven Element zum Erfassungsknoten übertragt, wenn das Transfergatter geöffnet ist.
Eine Ladungskapazität des Erfassungsknotens kann in diesen Ausführungsformen so gewählt werden, dass sie größer ist als die des photosensitiven Elements, z. B. einer Pinned Fotodiode, so dass alle während einer Belichtung erzeugten Fotoladungen auf den Erfassungsknoten übertragen werden, wenn das Transfergatter geöffnet wird.
In einigen Ausführungsformen ist eine Well-Kapazität (engl. well capacity) des Erfassungsknotens größer als eine Well-Kapazität des photosensitiven Elements.
In diesen Ausführungsformen kann das Steuersignal mehrere Impulse auf das Transfergatter geben, was es dem Pixel ermöglicht, mehr Ladungen zu akkumulieren, insbesondere in Situationen, in denen das Hintergrundlicht stark ist und eine Sättigung berücksichtigt werden muss, zum Beispiel.
In einigen Ausführungsformen sind die erste und die zweite Abtaststufe der Abtaststruktur in Reihe angeordnet.
In alternativen Ausführungsformen sind die erste und die zweite Abtaststufe der Abtaststruktur parallel angeordnet.
Das verbesserte Konzept ist auf Pixelstrukturen anwendbar, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie mindestens zwei Abtaststufen umfassen, die selektiv betreibbar sind. Insbesondere können Pixeldesigns mit typischer serieller oder paralleler Ausgestaltung der Abtaststufen verwendet werden, um einen Pixel nach dem verbesserten Konzept zu realisieren.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Pixel ferner eine Ausleseschaltung, die einen Eingang aufweist, der mit der Abtaststruktur verbunden ist und die so ausgestaltet ist, dass sie ein erstes Ausgangssignal erzeugt, indem sie den ersten Abtastwert aus der ersten Abtaststufe ausliest, und dass sie ein zweites Ausgangssignal erzeugt, indem sie den zweiten Abtastwert aus der zweiten Abtaststufe ausliest.
Ebenso wie die erste und die zweite Abtaststufe selektiv betrieben werden können, um Fotosignale vom Erfassungsknoten abzutasten und zu speichern, können sie auch selektiv betrieben werden, um mittels einer Ausleseschaltung ausgelesen zu werden. Letztere kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass sie zunächst das in der ersten Abtaststufe gespeicherte Signal und anschließend das in der zweiten Abtaststufe gespeicherte Signal ausliest oder umgekehrt.
In einigen weiteren Ausführungsformen ist die Ausleseschaltung ferner so ausgestaltet, dass sie ein Differenzsignal aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal erzeugt.
Die Ausleseschaltung kann ferner so ausgestaltet sein, dass sie das Differenzsignal erzeugt, d. h. die Hintergrundsubtraktion durchführt. Zu diesem Zweck kann die Ausleseschaltung eine Schaltung zum Auslesen der auf der ersten und der zweiten Abtaststufe gespeicherten Fotosignale und zum Berechnen eines Differenzsignals, z. B. durch Berechnen einer Differenz, aus den beiden Fotosignalen umfassen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Pixel ferner einen Rücksetzschalter, der so ausgestaltet ist, dass er in Verbindung mit der Lichtquelle in Antwort auf das Steuersignal betrieben wird, wobei der Rücksetzschalter mit dem Erfassungsknoten verbunden ist, um den Erfassungsknoten und/oder das photosensitive Element auf eine vorgegebene Spannung zurückzusetzen.
Vor jeder Belichtungsperiode kann ein Rücksetzschalter mit Hilfe des Steuersignals gesteuert werden, um das photosensitive Element in einen bekannten, vorgegebenen Zustand zurückzusetzen, so dass die Ausgangssituation für jede Belichtung dieselbe ist.
Die vorgenannte Aufgabe wird ferner durch ein elektronisches Bauelement gelöst, das eine Anordnung von Pixeln gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen, eine Lichtquelle und eine Steuerschaltung mit einer Steuerung umfasst, die so ausgestaltet ist, dass sie das Steuersignal zum Betreiben der Anordnung von Pixeln in Verbindung mit der Lichtquelle erzeugt.
Das elektronische Bauelement umfasst beispielsweise einen Bildsensor, z.B. einen CMOS-Bildsensor, der eine Anordnung von Pixeln gemäß dem verbesserten Konzept umfasst. Dabei umfasst entweder jedes Pixel oder der Bildsensor eine Steuerung zur Durchführung der vorgenannten Operationen zur Steuerung der Abtastung und Speicherung von zwei verschiedenen Fotosignalen auf jeweils der ersten und der zweiten Abtaststufe jedes Pixels. Bei dem elektronischen Bauelement handelt es sich beispielsweise um ein mobiles Gerät wie ein Smartphone, einen tragbaren Computer, ein Wearable oder ähnliches, das einen Bildsensor für Abbildungs- und/oder Identifikationszwecke umfasst. Darüber hinaus kann ein Pixel nach dem verbesserten Konzept beispielsweise in Flugzeitsensoren (engl. time-of-flight (ToF) sensors) für Abstandsmessungen eingesetzt werden.
Die vorgenannte Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Betreiben eines Pixels gelöst. Das Verfahren umfasst das Erzeugen von Ladungen mittels eines photosensitiven Elements in Antwort auf einfallende Strahlung und die Übertragung der Ladungen zu einem Erfassungsknoten über ein Transfergatter. Das Verfahren umfasst ferner das selektive Betreiben einer ersten Abtaststufe und einer zweiten Abtaststufe einer Abtaststruktur, um einen Abtastwert des Erfassungsknotens abzutasten. Das Verfahren umfasst ferner das Betreiben des Transfergatters und der ersten und der zweiten Abtaststufe in Verbindung mit einer Lichtquelle, insbesondere mit einer Ausgangsleistung einer Lichtquelle, in Antwort auf ein Steuersignal.
Das Verfahren umfasst ferner das Abtasten eines ersten Abtastwerts mittels der ersten Abtaststufe, der von Strahlung abhängt, die von einem Objekt oder einer Szene, das/die von der Lichtquelle, die Licht mit einer ersten Ausgangsleistung aussendet, beleuchtet wird, auf das photosensitive Element einfällt. Das Verfahren umfasst ferner das Abtasten eines zweiten Abtastwertes mittels der zweiten Abtaststufe, der von Strahlung abhängt, die auf das photosensitive Element von dem Objekt oder der Szene einfällt, das/die von der Lichtquelle, die Licht mit einer zweiten Ausgangsleistung aussendet, beleuchtet wird. Dabei unterscheidet sich die erste Ausgangsleistung, insbesondere signifikant, von der zweiten Ausgangsleistung.
Weitere Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich für den erfahrenen Leser aus den oben beschriebenen Ausführungsformen des Pixels.
Die folgende Beschreibung von Figuren beispielhafter Ausführungsformen kann Aspekte des verbesserten Konzepts weiter veranschaulichen und erklären. Bauelemente und Teile des Pixels mit jeweils der gleichen Struktur und dem gleichen Effekt, erscheinen mit äquivalenten Bezugszeichen. Soweit Bauelemente und Teile der Pixelzelle in den verschiedenen Figuren in ihrer Funktion übereinstimmen, wird ihre Beschreibung nicht für jede der folgenden Figuren wiederholt.
In den Figuren:

Die 1 bis 4 zeigen Ausführungsbeispiele eines Pixels gemäß dem verbesserten Konzept; und
Die 5 und 6 zeigen Abstimmungsdiagramme zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips eines Pixels gemäß dem verbesserten Konzept.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Pixels 1 gemäß dem verbesserten Konzept. Die Pixel umfasst ein photosensitives Element 10 zum Erzeugen eines elektrischen Signals, das von elektromagnetischer Strahlung abhängt, die auf das photosensitive Element 10 auftrifft und in diesem auf der Grundlage des photoelektrischen Effekts Ladungen erzeugt. Das photosensitive Element 10 ist beispielsweise eine Fotodiode, insbesondere eine Pinned Fotodiode.
Das Pixel 1 umfasst ferner ein Transfergatter 11 und einen Erfassungsknoten 12, wobei das Transfergatter 11 zwischen dem photosensitiven Element 10 und dem Erfassungsknoten 12 verbunden ist. Das Transfergatter 11 ist so ausgestaltet, dass es eine elektrische Verbindung zwischen dem photosensitiven Element 10 und dem Erfassungsknoten 12 herstellt, sobald es ein bestimmtes Steuersignal empfängt, das das Transfergatter 11 öffnet. Der Erfassungsknoten 12, der oft auch als schwebende Diffusion bezeichnet wird, ist ein Knoten, der von anderen Knoten des Pixels elektrisch isoliert ist. In der Regel wird eine schwebende Diffusion durch einen quasi-neutralen Bereich realisiert, der durch p-n-Übergänge isoliert ist. Sein Potenzial wird also ausschließlich durch die darin gespeicherte Ladungsmenge und seine Kapazität bestimmt. Letztere kann mit Hilfe einer schwebenden Diffusionskapazität 15 ermittelt werden.
Das Pixel 1 umfasst ferner einen Rücksetzschalter 14 zum Zurücksetzen des Erfassungsknotens 12 und/oder des photosensitiven Elements 10 auf eine vorgegebene Spannung oder ein vorgegebenes Potenzial. Zum Beispiel wird das photosensitive Element 10 vor einer Belichtung auf eine bestimmte Spannung zurückgesetzt. Analog dazu wird der Erfassungsknoten 12 auf eine bestimmte Spannung zurückgesetzt, bevor Ladungen vom photosensitiven Element 10 durch das Transfergatter 11 übertragen werden und nachdem Ladungen vom Erfassungsknoten 12 an die Abtaststruktur 20 übertragen werden.
Zudem umfasst das Pixel 1 einen ersten Pufferverstärker 13, der typischerweise auch als Quellenfolger bezeichnet wird und mit dem Erfassungsknoten 12 verbunden ist. Der erste Pufferverstärker 13 ist so ausgestaltet, dass er das oft kleine Signal des Erfassungsknotens 12 verstärkt, bevor er das Signal an die Abtaststruktur 20 weiterleitet.
Die Abtaststruktur 20 umfasst eine erste Abtaststufe 21 und eine zweite Abtaststufe 22, die in einer Reihenkonfiguration verbunden sind. Die Abtaststufen 21, 22 umfassen in dieser Ausführungsform jeweils einen Speicherkondensator zum Speichern elektrischer Signale als Kapazität. Die Abtaststruktur 20 umfasst ferner einen ersten Abtastschalter S1 und einen zweiten Abtastschalter S2 zum selektiven Betreiben der ersten und der zweiten Abtaststufe 21, 22. In dieser Ausführungsform befindet sich der erste Abtastschalter S1 in einem geschlossenen Zustand, während der zweite Abtastschalter S2 in einem offenen Zustand ist, wenn ein Signal vom Erfassungsknoten 12 an die erste Abtaststufe 21 übertragen werden soll. Analog dazu befinden sich sowohl der erste als auch der zweite Abtastschalter S1, S2 in einem geschlossenen Zustand, wenn ein Signal vom Erfassungsknoten 12 an die zweite Abtaststufe 22 übertragen werden soll. Da in einigen Fällen beide Abtaststufen 21, 22 eine elektrische Verbindung zum ersten Pufferverstärker 13 und damit zum Erfassungsknoten 12 haben, muss insbesondere beim Auslesen und Weiterverarbeiten der Signale aus der ersten und der zweiten Abtaststufe eine von einer Kapazität der zweiten Abtaststufe 22 abweichende effektive Gesamtkapazität berücksichtigt werden.
Die Abtaststruktur umfasst ferner einen zweiten Pufferverstärker 23 zur weiteren Verstärkung der aus der ersten und zweiten Abtaststufe 21, 22 ausgelesenen Signale, bevor sie über einen Ausleseschalter 16 und eine Spaltenleitung 30 des Pixels 1 einer Auswerteschaltung zugeführt werden.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird das Pixel 1 in Synchronisation mit einer Lichtquelle gesteuert, um ein Bild zu erfassen und die Unterdrückung von Hintergrundlicht zu ermöglichen. Das Pixel 1 kann wie folgt betrieben werden:

1. Eine erste Belichtung des photosensitiven Elements 10 wird unter Hintergrundlichtbedingungen durchgeführt. Zu Beginn dieser Belichtungszeit mit abgeschalteter Emission der Lichtquelle werden Fototräger in der Fotodiode des Pixels integriert.
2. Am Ende dieser Belichtungszeit wird der Erfassungsknoten 12 durch Betätigung des Rücksetzschalters 14 auf einen vorgegebenen Wert zurückgesetzt.
3. Anschließend werden Ladungen durch das Transfergatter 11 an den Erfassungsknoten 12 übertragen, indem dieser gepulst wird, um das Transfergatter 11 zu öffnen. Das Signal wird durch den ersten Pufferverstärker 13 gepuffert und auf dem Speicherkondensator der zweiten Abtaststufe 22 als Hintergrundsignal V_BG gespeichert, indem die ersten und zweiten Abtastschalter S1 und S2 gepulst werden.
4. Nach diesem Ladungstransfer ist die Fotodiode erschöpft, d.h. alle Ladungen sind von der Fotodiode über den Erfassungsknoten 12 und den ersten Pufferverstärker 13 zum Speicherkondensator übertragen. Um sicherzustellen, dass tatsächlich alle Ladungen aus den photosensitiven Elementen 10 abgeleitet wurden, kann eine zusätzliche Rücksetzphase erzeugt werden. Diese Rücksetzung wird durch Pulsen sowohl des Rücksetztransistors 14 als auch des Transfergatters 11 realisiert.
5. Eine zweite Belichtung der photosensitiven Elemente 10 erfolgt unter Beleuchtungsbedingungen, d.h. bei eingeschalteter Emission der Lichtquelle. Auch hier werden Fototräger auf der Fotodiode integriert.
6. Nach dem erneuten Rücksetzen des Erfassungsknotens 12 und durch Pulsen des Rücksetzschalters 14 werden Ladungen durch das Transfergatter 11 zum Erfassungsknoten 12 übertragen, indem dieser gepulst wird, um das Transfergatter 11 zu öffnen. Das Signal wird erneut durch den ersten Verstärker 13 gepuffert und in diesem Schritt auf dem Speicherkondensator der ersten Abtaststufe 21 als Signal V_SIG gespeichert, indem der erste Abtastschalter S1 gepulst wird.

Beim Globalen-Verschluss-Betrieb eines Bildsensors mit einer Vielzahl von Pixeln 1 gemäß dem verbesserten Konzept laufen alle oben genannten Vorgänge synchron für alle Pixel 1 ab.
Das Pixel 1 kann ferner eine Schaltung einer Ausleseschaltung zur Durchführung der folgenden Operationen umfassen. Die Ausleseschaltung kann vor oder nach der Spaltenleitung 30 angeordnet sein und ist zur Veranschaulichung nicht in der Figur dargestellt. Darüber hinaus kann das Pixel 1 eine Steuerung zur Erzeugung des Steuersignals für das Betreiben des Transfergatters 11, des Rücksetzschalters 14 und des ersten und zweiten Abtastschalters S1, S2 umfassen.

7. Nach der Bildaufnahmesequenz kann das Auslesen des Bildes beginnen. Um das erfasste Bild auszulesen, wird das von der zweiten Abtaststufe 22 abgetastete Hintergrundsignal V_BG über den zweiten Pufferverstärker 23 und den Rücksetzschalter 16 ausgelesen, und das resultierende Ausgangssignal V_out,1 an der Spaltenleitung 30 kann wie folgt geschrieben werden: $V_{o u t,1} = V_{B G} .$
8. Anschließend wird der zweite Abtastschalter S2 gepulst, um ihn in einen geschlossenen Zustand zu versetzen, um einen Ladungsaustausch zwischen den Speicherkondensatoren der ersten und der zweiten Abtaststufe 21, 22 zu ermöglichen. Nach dem Pulsen des zweiten Abtastschalters S2, um diesen in einen geöffneten Zustand zu versetzen, kann das resultierende Ausgangssignal V_out,2, das an die Spaltenleitung 30 übertragen wird, wie folgt geschrieben werden: $V_{o u t,2} = (V_{S I G} + V_{B G}) \cdot (C_{1} / (C_{1} + C_{2})),$
wobei C₁ und C₂ die Kapazitäten der Speicherkondensatoren jeweils der ersten und zweiten Abtaststufe 21, 22 bezeichnen.
9. Zur Durchführung der Hintergrundlöschung kann die Differenz V_out zwischen den beiden Signalen V_out,1 und V_out,2 entweder durch analoge oder digitale Schaltungen berechnet und vom Pixel wie folgt ausgegeben werden: $V_{o u t} = (V_{S I G} - V_{B G}) \cdot (C_{1} / (C_{1} + C_{2})) .$

In einem Bildsensor umfassend eine Vielzahl von Pixeln 1 gemäß dem verbesserten Konzept wird dieser Auslesevorgang zeilenweise nacheinander durch Abtasten der Anordnung von Pixeln 1 durchgeführt, wobei dies ohne Störung des auf dem photosensitiven Element 10 jedes Pixels 1 gespeicherten Signals erreicht werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass die beschriebene Reihenfolge insbesondere in Bezug auf die Belichtungen abgewechselt werden kann. Beispielsweise kann die erste Belichtung mit aktivierter Lichtemission der Lichtquelle durchgeführt werden, während die zweite Belichtung die beschriebene Hintergrundbelichtung ist. Ebenso können die beiden Belichtungen mit aktivierter Lichtemission der Lichtquelle durchgeführt werden, z.B. bei unterschiedlichen Ausgangsleistungen.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Pixels 1, das ähnlich zu dem der der 1 ist. In dieser Figur sind der erste und der zweite Pufferverstärker 13, 23 sowie der Rücksetzschalter 16 als Transistoren realisiert dargestellt, eine übliche Wahl für in Pixeln verwendete Schalter. Darüber hinaus umfasst das Pixel 1 in dieser Ausführungsform auch einen Vorladetransistor 17, der als Lasttransistor ausgestaltet ist und als Stromquelle für den ersten Pufferverstärker 13 dient.
Alternativ oder zusätzlich kann der Vorladetransistor 17 verwendet werden, um einen oder beide Speicherkondensatoren der ersten und zweiten Abtaststufen 21, 22 der Abtaststruktur 20 vor der Abtastung des Spannungssignals von der schwebenden Diffusion 12 zu entladen.
Die 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele eines Pixels 1 gemäß dem verbesserten Konzept, wobei die Abtaststruktur 20 eine erste und eine zweite Abtaststufe 21, 22 umfasst, die im Gegensatz zur Reihenkonfiguration der 1 und 2 in einer Parallelkonfiguration angeordnet sind. Folglich umfasst die Abtaststruktur zusätzliche erste und zweite Ausleseschalter R1, R2 zur Übertragung der jeweiligen Ladungen aus den Speicherkondensatoren der ersten und zweiten Abtaststufe 21, 22 über den zweiten Pufferverstärker 23 und den Ausleseschalter 16 an den Spaltenausgang 30.
Bei einer Parallelkonfiguration können die beiden Abtaststufen 21, 22 selektiv und unabhängig voneinander betrieben werden, ohne dass der Ladungstransfer der oben beschriebenen Reihenkonfiguration stattfindet. Diese Konfiguration vereinfacht somit einen Hintergrundlöschungsprozess auf Kosten zusätzlicher Bauelemente, d.h. Transistoren. Das Arbeitsprinzip des Betreibens eines Pixels 1 mit parallel angeordneten ersten und zweiten Abtaststufen 21, 22 bleibt jedoch analog zu dem oben beschriebenen Betrieb in Bezug auf die Reihenkonfiguration.
Es wird darauf hingewiesen, dass das oben genannte Funktionsprinzip auch auf alternative Pixelarchitekturen angewandt werden kann, die durch zusätzliche Bauelemente, wie beispielsweise zusätzliche photosensitive Elemente 10 oder Transistoren, gekennzeichnet sind, jedoch mindestens zwei Abtaststufen umfassen, die selektiv betreibbar sind. Insbesondere kann das oben beschriebene Funktionsprinzip auf verschiedene Architekturen angewendet werden, die auf 3T-(drei Transistoren) und 4T- (vier Transistoren) Pixelarchitekturen basieren oder davon abgeleitet sind.
Die 5 und 6 zeigen Abstimmungsdiagramme zur Veranschaulichung des Arbeitsprinzips eines Pixels gemäß dem verbesserten Konzept, das zwei Belichtungen durchführt, um einen Hintergrundlöschungsprozess zu ermöglichen, indem die Belichtungen mit einer beleuchtenden Lichtquelle synchronisiert werden.
Das Abstimmungsdiagramm in 5 zeigt die Steuersignale, die an die verschiedenen Elemente eines Pixels, wie in den 1 und 2 dargestellt, sowie an eine Lichtquelle, z.B. einen Kamerablitz oder eine Laserdiode, angelegt werden. Dabei stellt die x-Achse die Zeit dar, während auf der y-Achse die an die einzelnen Elemente angelegten Steuersignale übereinander dargestellt sind. Jedes Steuersignal kann als ein Signal mit zwei diskreten Pegeln, ein und aus, auf oder ab, 1 oder 0, verstanden werden. Zudem beschreiben die gestrichelten Linien drei Phasen der Pixeloperation.
In diesem Beispiel wird während der ersten „Laser aus“-Phase eine erste Belichtung durchgeführt, während der die Emission der Lichtquelle deaktiviert, d.h. ausgeschaltet ist. In der zweiten „Laser ein“-Phase wird eine zweite Belichtung durchgeführt, während der die Lichtquelle aktiviert wird, d.h. sie ist eingeschaltet und gibt Licht mit einer bestimmten Ausgangsleistung ab. In einer dritten „Auslese“-Phase werden schließlich die in der ersten und zweiten Abtaststufe gespeicherten Signale der beiden Belichtungen ausgelesen.
Im Einzelnen wird durch ein anfängliches Pulsen des Transfergatters 11 und des Rücksetzschalters 14 vor der ersten Belichtung mittels eines RST- und TX-Pulses des Steuersignals ein vordefinierter Startzustand des photosensitiven Elements 10 und des Erfassungsknotens 12 eingeleitet. Das Schließen des Transfergatters 11 und des Rücksetzschalters 14 markiert den Beginn der ersten Belichtungsphase. Während dieser gesamten Phase ist die Emission der Lichtquelle, hier eines Lasers, z.B. eines im Infrarotbereich bei ca. 940 nm emittierenden Lasers für Gesichtserkennungszwecke, ausgeschaltet. Ein weiteres Pulsen des Rücksetzschalters 14 mittels eines RST-Pulses sorgt dafür, dass der Erfassungsknoten 12 tatsächlich in seinen Ausgangszustand versetzt wird. Das TX-Pulsen des Transfergatters 11 während der „Laser aus“-Phase markiert das Ende des Zeitraums, in dem Ladungen in das photosensitive Bauelement 10 integriert werden und Ladungen vom photosensitiven Element 10 zum Erfassungsknoten 12 übertragen werden.
Anschließend werden die beiden Abtastschalter S1 und S2 gepulst, um die Ladungen vom Erfassungsknoten 12 über den ersten Pufferverstärker 13 auf den Speicherkondensator der zweiten Abtaststufe 22 zu übertragen. Gegen Ende der „Laser aus“-Phase wird der zweite Abtastschalter S2 geöffnet und das photosensitive Element 10 und der Erfassungsknoten 12 werden wieder in den Ausgangszustand zurückgesetzt.
Mit dem Schließen des Transfergatters 11 und des Rücksetzschalters 14 beginnt nun die zweite Belichtungsphase. Während dieser gesamten Phase ist die Emission der Lichtquelle aktiviert. Ein weiteres Hochpulsen des Rücksetzschalters 14 durch einen RST-Puls sorgt erneut dafür, dass der Erfassungsknoten 12 tatsächlich in seinen Ausgangszustand versetzt wird. Das TX-Pulsen des Transfergatters 11 während der „Laser ein“-Phase markiert das Ende des zweiten Zeitraums, in dem Ladungen in das photosensitive Bauelement 10 integriert werden und Ladungen von den photosensitiven Elementen 10 zum Erfassungsknoten 12 übertragen werden.
Da der Abtastschalter S1 noch geschlossen ist, werden die Ladungen vom Erfassungsknoten 12 durch den ersten Pufferverstärker 13 direkt auf den Speicherkondensator der ersten Abtaststufe 21 übertragen. Gegen Ende der „Laser ein“-Phase wird der erste Abtastschalter S1 geöffnet. Damit sind beide Belichtungsphasen abgeschlossen und die jeweiligen Signale werden auf den Speicherkondensatoren der ersten und der zweiten Abtaststufe 21 bzw. 22 gespeichert.
Die Schritte der beiden Belichtungsphasen werden als globales Signal definiert, da die beschriebenen Schritte gleichzeitig auf einer Vielzahl von Pixeln 1 z.B. eines Bildsensors durchgeführt werden. Beide Belichtungsperioden stellen somit eine globale Verschluss-Belichtung der Pixelanordnung dar.
Während der in der Figur mit „ROT“ bezeichneten Auslesephase werden alle in den Abtaststufen 21, 22 der Pixel 1 der Pixelanordnung gespeicherten Fotosignale zeilenweise ausgelesen, was typischerweise als rollierendes Verschluss (engl. rolling shutter) -Ausleseverfahren bezeichnet wird. Während dieser Phase wird der Ausleseschalter 16 mittels eines RS-Pulses des Steuersignals gepulst, um die auf dem Speicherkondensator der zweiten Abtaststufe 22 gespeicherten Fotosignale über den zweiten Pufferverstärker 23 und die Spaltenleitung 30 auszulesen. Anschließend wird ein Puls an den zweiten Abtastschalter S2 angelegt, um die auf dem Speicherkondensator gespeicherten Fotosignale die erste Abtaststufe 21 zu übertragen. Das Schließen des Ausleseschalters 16 einer jeweiligen Pixelreihe 1 leitet dann in entsprechender Weise das Auslesen der nächsten Pixelreihe 1 ein. Dies ist in 5 durch die in Klammern gesetzte Zahl angedeutet, die die Zeilennummer von Null bis n für eine Pixelanordnung mit n Zeilen angibt.
Wie beschrieben, kann die Ausleseschaltung, die entweder vor oder nach der Spaltenleitung 30 angeordnet ist, die beiden von jedem Pixel ausgelesenen Signale weiterverarbeiten, indem sie z.B. eine Hintergrundlichtlöschung wie oben beschrieben durchführt.
Das Abstimmungsdiagramm in 6 zeigt die Steuersignale, die an die verschiedenen Elemente eines Pixels, wie in den 3 und 4 dargestellt, angelegt werden, wobei die erste und die zweite Abtaststufe 21, 22 in einer Parallelkonfiguration angeordnet sind, sowie an eine Lichtquelle.
Grundsätzlich kann die vorgeschlagene Speicherung von zwei Fotosignalen aus Belichtungen bei unterschiedlichen Beleuchtungsbedingungen in Kombination mit dem beschriebenen Auslesemechanismus auf herkömmliche Pixelarchitekturen mit zwei Speicherknoten angewandt werden, ohne dass sich auf Geräteebene etwas ändert, außer der Synchronisation mit einer Lichtquelle.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der europäischen Patentanmeldung 20182563.5 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Verfahren für die beiden Belichtungsphasen das gleiche ist. Aufgrund der Möglichkeit, die Fotosignale der Abtaststufen 21, 22 unabhängig voneinander über spezielle erste und zweite Ausleseschalter R1, R2 auszulesen, weicht die RT-Phase jedoch leicht von der in 5 gezeigten ab. Hier wird der Ausleseschalter 16 geöffnet, und der erste und die zweiten Ausleseschalter R1, R2 werden nacheinander für die oben erwähnte separate Auslesung geöffnet.
Es wird ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen und auf das, was hierin besonders gezeigt und beschrieben wurde, beschränkt ist. Vielmehr können Merkmale, die in separaten abhängigen Ansprüchen oder in der Beschreibung aufgeführt sind, vorteilhaft kombiniert werden. Zudem schließt der Umfang der Erfindung diejenigen Variationen und Modifikationen ein, die für den Fachmann offensichtlich sind und unter das Wesen der beigefügten Ansprüche fallen. Der Begriff „umfassend“, soweit er in den Ansprüchen oder in der Beschreibung verwendet wurde, schließt andere Elemente oder Schritte eines entsprechenden Merkmals oder Verfahrens nicht aus. Falls die Begriffe „ein“ oder „eine“ in Verbindung mit Merkmalen verwendet wurden, schließen sie eine Vielzahl solcher Merkmale nicht aus. Darüber hinaus sind alle Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als Einschränkung des Anwendungsbereichs zu verstehen.
Bezugszeichenliste

1: Pixel
10: photosensitives Element
11: Transfergatter
12: Erfassungsknoten
13: Erster Pufferverstärker
14: Rücksetzschalter
15: schwebende Diffusionskapazität
16: Ausgangsschalter
17: Vorladetransistor
20: Abtaststruktur
21: erste Abtaststufe
22: zweite Abtaststufe
23: zweiter Pufferverstärker
30: Spaltenleitung
R1, R2: erster und zweiter Ausleseschalter
S1, S2: erster und zweiter Abtastschalter
RST: Rücksetzimpuls
TX: Übertragungsimpuls

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 20182563 [0072]

Claims

Pixel (1), das Folgendes umfasst: - ein photosensitives Element (10) zum Erzeugen von Ladungen in Antwort auf einfallende Strahlung; - einen Erfassungsknoten (12); - ein Transfergatter (11), das zwischen dem photosensitiven Element (10) und dem Erfassungsknoten (12) verbunden ist, um die Übertragung von Ladungen zum Erfassungsknoten (12) zu steuern; - einen ersten Pufferverstärker (13), dessen Eingang mit dem Erfassungsknoten (12) verbunden ist; und - eine Abtaststruktur (20), die mit einem Ausgang des ersten Pufferverstärkers (13) verbunden ist, wobei die Abtaststruktur (20) eine erste Abtaststufe (21) und eine zweite Abtaststufe (22) umfasst, wobei die erste und die zweite Abtaststufe (21, 22) selektiv betreibbar sind, um einen Abtastwert des Erfassungsknotens (12) abzutasten; wobei - das Transfergatter (11) und die erste und zweite Abtaststufe (21, 22) so ausgestaltet sind, dass sie in Verbindung mit einer Lichtquelle in Antwort auf ein Steuersignal betrieben werden; - die erste Abtaststufe (21) so ausgestaltet ist, dass sie einen ersten Abtastwert abtastet, der von Strahlung abhängt, die auf das photosensitive Element (10) von einem Objekt oder einer Szene einfällt, das/die von der Lichtquelle beleuchtet wird, die Licht mit einer ersten Ausgangsleistung aussendet; - die zweite Abtaststufe (22) so ausgestaltet ist, dass sie einen zweiten Abtastwert abtastet, der von Strahlung abhängt, die auf das photosensitive Element (10) von dem Objekt oder der Szene einfällt, das/die von der Lichtquelle beleuchtet wird, die Licht mit einer zweiten Ausgangsleistung aussendet; und - die erste Ausgangsleistung sich, insbesondere signifikant, von der zweiten Ausgangsleistung unterscheidet.
Pixel (1) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Steuerung, die das Transfergatter (11) sowie die erste und die zweite Abtaststufe (21, 22) in Antwort auf das Steuersignal steuert.
Pixel (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Steuersignal so ausgestaltet ist, dass es die Ausgangsleistung der Lichtquelle einstellt.
Pixel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Steuersignal so ausgestaltet ist, dass es das Transfergatter (11) und die erste Abtaststufe (21), insbesondere einen ersten Schalter (S1) der ersten Abtaststufe (21), betreibt, um den ersten Abtastwert abzutasten, wenn die Lichtquelle Licht mit der ersten Ausgangsleistung aussendet.
Pixel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Steuersignal so ausgestaltet ist, dass es das Transfergatter (11) und die zweite Abtaststufe (22), insbesondere einen zweiten Schalter (S2) der zweiten Abtaststufe (22), betreibt, um den zweiten Abtastwert abzutasten, wenn die Lichtquelle Licht mit der zweiten Ausgangsleistung aussendet.
Pixel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Ausgangsleistung signifikant größer oder kleiner als die zweite Ausgangsleistung ist.
Pixel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Ausgangsleistung oder die zweite Ausgangsleistung Null ist.
Pixel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Transfergatter (11) so ausgestaltet ist, dass es im Wesentlichen die gesamte Ladung von dem photosensitiven Element (10) zu dem Erfassungsknoten (12) überträgt, wenn das Transfergatter (11) geöffnet ist.
Pixel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste und die zweite Abtaststufe (21, 22) der Abtaststruktur (20) in Reihe angeordnet sind.
Pixel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste und die zweite Abtaststufe (21, 22) der Abtaststruktur (20) parallel angeordnet sind.
Pixel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner umfassend eine Ausleseschaltung, die einen mit der Abtaststruktur (20) verbundenen Eingang aufweist und so ausgestaltet ist, dass sie - ein erstes Ausgangssignal durch Auslesen des ersten Abtastwertes aus der ersten Abtaststufe (21) erzeugt; und - ein zweites Ausgangssignal durch Auslesen des zweiten Abtastwertes aus der zweiten Abtaststufe (22) erzeugt.
Pixel (1) nach Anspruch 10, wobei die Ausleseschaltung ferner so ausgestaltet ist, dass sie ein Differenzsignal aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal erzeugt.
Pixel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner umfassend einen Rücksetzschalter (RST), der so ausgestaltet ist, dass er in Verbindung mit der Lichtquelle in Antwort auf das Steuersignal betrieben wird, wobei der Rücksetzschalter (RST) mit dem Erfassungsknoten (12) verbunden ist, um den Erfassungsknoten (12) und/oder das photosensitive Element (10) auf eine vorgegebene Spannung zurückzusetzen.
Elektronisches Bauelement umfassend eine Anordnung von Pixeln (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einer Lichtquelle und einer Steuerschaltung mit einer Steuerung, die so ausgestaltet ist, dass sie das Steuersignal für das Betreiben der Anordnung von Pixeln (1) in Verbindung mit der Lichtquelle erzeugt.
Verfahren zum Betreiben eines Pixels (1), wobei das Verfahren umfasst: - Erzeugen von Ladungen mittels eines photosensitiven Elements (10) in Antwort auf einfallende Strahlung; - Übertragen der Ladungen zu einem Erfassungsknoten (12) über ein Transfergatter (11); - selektives Betreiben einer ersten Abtaststufe (21) und einer zweiten Abtaststufe (22) einer Abtaststruktur (20) zum Abtasten eines Abtastwertes des Erfassungsknotens (12); und - Betreiben des Transfergatters (11) und der ersten und der zweiten Abtaststufe (21, 22) in Verbindung mit einer Lichtquelle, insbesondere mit einer Ausgangsleistung einer Lichtquelle, in Antwort auf ein Steuersignal; - Abtasten eines ersten Abtastwertes mittels der ersten Abtaststufe (21), der von Strahlung abhängt, die auf das photosensitive Element (10) von einem Objekt oder einer Szene einfällt, das/die von der Lichtquelle beleuchtet wird, die Licht mit einer ersten Ausgangsleistung aussendet; und - Abtasten eines zweiten Abtastwertes mittels der zweiten Abtaststufe (22), der von Strahlung abhängt, die auf das photosensitive Element (10) von dem Objekt oder der Szene einfällt, das/die von der Lichtquelle beleuchtet wird, die Licht mit einer zweiten Ausgangsleistung aussendet; wobei - die erste Ausgangsleistung sich, insbesondere signifikant, von der zweiten Ausgangsleistung unterscheidet.