SISTEMA DE CONMUTACIÓN PARA LA INTEGRACIÓN DE VALORES DE SEÑAL DE PÍXEL.

Circuito para la evaluación de señales de luminancia que se encuentran en una fila de píxeles (22),

en particular en una columna de un sensor de imagen, donde cada una de las señales de luminancia que se encuentran en cada píxel (22) se pueden reiniciar por separado a un valor predeterminado, donde se provee un circuito selector (1) que comprende una cantidad de (n) entradas (11) y una cantidad de (m) salidas (12), mediante las cuales se puede regular, una de dichas entradas (11) se conecta con una de dichas salidas (12), que cada píxel (22) se conecta a una de las entradas (11) del circuito selector (1), que cada elemento acumulador (3) se conecta posteriormente a una de las salidas (12) del circuito selector (1) para la acumulación de un valor correspondiente a la señal de luminancia de un píxel (22), y que un circuito de control (8) se conecta a las entradas de control correspondientes del circuito selector (1) de los elementos acumuladores (3) y a los píxeles (22), y que se pueden controlar mediante el circuito de control (8), caracterizado porque - al menos, uno de los elementos acumuladores (3) se fabrica o se realiza como un circuito analógico (6), que comprende un amplificador operacional (61), dos capacitores (62, 63), así como cuatro conmutadores (64, 65, 66, 67), donde - la entrada (68) del circuito se conecta con la primera conexión del primer conmutador (64), - la segunda conexión del primer conmutador (64) se conecta con la primera conexión del primer capacitor (62), - la segunda conexión del primer capacitor (62) se conecta con la primera conexión del segundo capacitor (63), - la segunda conexión del segundo capacitor (63) se conecta con la primera conexión del segundo conmutador (65), así como con la primera conexión del tercer conmutador (66), - la segunda conexión del tercer conmutador (66) se encuentra con el potencial a masa, - la segunda conexión del segundo conmutador (65) se conecta con la salida (69) del circuito analógico (6), - la entrada no inversora del amplificador operacional (61) se encuentra con el potencial a masa, - la entrada inversora del amplificador operacional (61) se conecta con la segunda conexión del primer capacitor (62), - la salida del amplificador operacional (61) se conecta con la salida (69) del circuito analógico (6), y - el cuarto conmutador (67) se conecta en cada una de sus conexiones con la entrada inversora del amplificador operacional (61), así como con la salida del amplificador operacional (61)

La presente invención hace referencia a un circuito de acuerdo con el concepto general de la reivindicación 5 1.

En este contexto, como circuito se considera todo circuito digital o analógico de conexiones fijas o programado, que se pueda fabricar ya sea como una interconexión de diferentes componentes o como un circuito integrado.

Como sensores de imagen se consideran los sensores de superficie y sensores de línea, en los que se 10 disponen píxeles uno adyacente al otro o sobre una superficie.

Los circuitos conformes a la presente invención, se pueden utilizar particularmente para la captación de imágenes, preferentemente para una supervisión automatizada de objetos en movimiento.

En el caso de cámaras lineales de alta velocidad, los tiempos cortos de exposición a los que se somenten, que conducen a unos niveles de señal reducidos, presentan un importante desafío tecnológico, puesto que la escasa 15 intensidad de la iluminación limita las tolerancias permitidas durante la fabricación. Un objeto en el diseño de una cámara lineal de alta velocidad consiste en mantener el ruido de la imagen lo más reducido posible para que la calidad de la imagen también se mantenga en una media aceptable ante una disponibilidad de intensidad lumínica reducida. Una aplicación común de las cámaras lineales de alta velocidad consiste en la inspección óptica de calidad en procesos de producción industriales. Dichas aplicaciones exigen generalmente, por una parte, un alto rendimiento 20 y, por otra parte, una resolución de imagen lo más precisa posible. Ambas exigencias aspiran a una velocidad de muestreo lo más elevada posible de las líneas o de la frecuencia de líneas de la cámara. La posibilidad de incrementar la intensidad lumínica de la iluminación, en general, es limitada, de manera que la reducción del tiempo de exposición en las cámaras de alta velocidad, frecuentemente, no se puede compensar mediante una iluminación más intensa. 25

Para la captación de objetos que realizan un movimiento relativo considerablemente uniforme frente a la unidad de captación de imágenes, se utiliza preferentemente el método TDI. En dicho método, los valores de señal de píxel que representan el mismo campo del objeto, captados, sin embargo, en diferentes tiempos y con diferentes píxeles, se acumulan o bien, se integran temporalmente. De esta manera, se pueden captar objetos en movimiento con una cantidad relativamente reducida de líneas de imagen, y se pueden obtener unas respectivas imágenes 30 libres de distorsión.

Además, se provee para la captación de imágenes sin movimiento, de acuerdo al estado del arte, una compensación de ruidos (CDS). Mediante la medición de una respectiva señal de píxel antes y después de la iluminación, el error condicionado por el ruido se puede eliminar considerablemente o bien, sustraer.

Una aproximación de acuerdo con el estado del arte, consiste en lograr que la responsividad de los 35 elementos fotosensibles del sensor de imagen sea lo más elevada posible, para que una señal de entrada de luz pequeña se transforme en una señal eléctrica lo más grande posible. De esta manera, todos los efectos perturbadores en el procesamiento eléctrico secundario de la señal (ruidos, acoplamientos, faltas de linealidad, etc.) repercuten en menor intensidad porcentual sobre la señal de salida del sensor. O dicho de otra manera, las señales perturbadoras, inevitables hasta cierto punto, en el procesamiento de señales corresponden a una cantidad de luz 40 reducida, recalculada en la entrada del sensor. De esta manera, el sensor resulta más "sensible”, por lo que se pueden diferenciar pequeñas cantidades de luz de los ruidos. La desventaja de dicha aproximación consiste en que un aumento de la responsividad sólo se puede obtener mediante la selección de otra tecnología de fabricación de semiconductores, que generalmente resulta muy costosa (por ejemplo, la fabricación de un sistema retroiluminado).

Otras aproximaciones para reducir los ruidos relativos a la entrada, se concentran directamente en los 45 ruidos. Al menos, se intenta reducir el nivel de ruido dominante.

En el caso de tiempos de exposición prolongados, generalmente existen ruidos de corriente oscura, por lo que los sensores para las cámaras con tiempos de exposición prolongados se enfrían por lo general considerablemente por debajo de la temperatura ambiente (el ruido de corriente oscura aumenta notablemente con la temperatura). En el caso de cámaras de alta velocidad, los ruidos de corriente oscura generalmente sólo cumplen 50 un papel secundario, debido al corto tiempo de exposición.

En el caso de tiempos de exposición reducidos, en muchos casos, los ruidos térmicos del transistor de reinicio resultan como un nivel de ruidos dominante. Dicho nivel de ruidos se puede eliminar casi completamente con el método de muestreo doble correlacionado (CDS). Los ruidos térmicos del transistor de reinicio adulteran el valor de inicio de la tensión en el fotodiodo, en el comienzo de la exposición, mediante un error estadístico, que, por otra 55 parte, se congela para la duración del tiempo de exposición, por lo que también la tensión en el fotodiodo se adultera

al final de la exposición, en el mismo valor de error. Mediante el método de CDS se registra el valor de inicio de la tensión y, de esta manera, el error estadístico. Al final de la exposición, dicho valor se puede restar del valor final de tensión. De esta manera, se eliminan los ruidos térmicos durante el proceso de reinicio para las siguientes etapas del procesamiento de señal. Además, todas las fuentes de perturbación de baja frecuencia se suprimen antes de la conmutación CDS y los errores indirectos constantes se suprimen incluso hasta el 100%. Sin embargo, el método 5 CDS presenta la desventaja de que los valores de inicio de las tensiones de píxeles se deban leer y almacenar a través del tiempo completo de exposición, para lo cual se requiere un elemento de almacenamiento por separado para cada píxel. Además, esto ha conducido a que los sensores de superficie CDS sean costosos y, por ello, se utilicen con poca frecuencia.

Un método que se aplica en el caso de los sensores de línea y de superficie, es el retraso y la integración 10 (TDI), que aprovecha el movimiento translatorio del objeto, en tanto que cada punto del objeto se capta repetidas veces, que equivale a una prolongación del tiempo de exposición. De esta manera, se elevan tanto la intensidad de la señal como los ruidos. El beneficio consiste en que mediante la acumulación la señal aumenta más intensamente en relación con los ruidos. De esta manera, TDI es otro método conocido para la reducción de los ruidos relativos a la entrada que se utiliza preferentemente en el ámbito del procesamiento de imágenes industrial. El método resulta 15 particularmente adecuado para el registro de objetos que se mueven rápidamente, que se deben registrar con una alta resolución. TDI también se puede emplear, de manera sobresaliente, en el caso de proporciones de luz reducidas. En el modo TDI, los sensores de imagen captan imágenes claras de objetos que se mueven rápidamente, en tanto que se acumulan los valores de luminancia almacenados de varias líneas. Cuando una línea del objeto, en un ciclo de captación, se continúa moviendo hasta una línea de sensor concreta, de esta manera cada línea del 20 objeto se puede captar repetidas veces en ciclos de captación que se siguen entre sí. Si en cada ciclo de captación se captan, por ejemplo, 128 líneas, de esta manera cada línea del objeto se capta 128 veces en total, en 128 ciclos de captación consecutivos, y esto conduce a una intensidad de señal aproximadamente 128 veces más elevada, en el caso de los sensores convencionales.

Del estado del arte se conoce en particular la publicación "CMOS Long Linear Array for Space Application". 25 Allí se describe un método de captación de imagen de alta calidad cualitativa que funciona con sensores CMOS. Además, se aclara en particular que los transistores CMOS, a pesar de sus importantes ruidos en comparación con CCD, se pueden utilizar en imágenes. Se representa una matriz CMOS lineal con el que se efectúa un método TDI con corrección de superposición de ruido simultánea (CDS).

El objeto de la presente invención consiste en desarrollar un circuito, en particular para sensores de 30 superficie de dispositivos de captación de imagen, preferentemente cámaras, que combine las ventajas de la integración de tiempo de cada valor de señal de píxel... [Seguir leyendo]

1. Circuito para la evaluación de señales de luminancia que se encuentran en una fila de píxeles (22), en particular en una columna de un sensor de imagen, donde cada una de las señales de luminancia que se encuentran en cada píxel (22) se pueden reiniciar por separado a un valor predeterminado, donde se provee un circuito selector (1) que comprende una cantidad de (n) entradas (11) y una cantidad de (m) salidas (12), mediante las cuales se 5 puede regular, una de dichas entradas (11) se conecta con una de dichas salidas (12), que cada píxel (22) se conecta a una de las entradas (11) del circuito selector (1), que cada elemento acumulador (3) se conecta posteriormente a una de las salidas (12) del circuito selector (1) para la acumulación de un valor correspondiente a la señal de luminancia de un píxel (22), y que un circuito de control (8) se conecta a las entradas de control correspondientes del circuito selector (1) de los elementos acumuladores (3) y a los píxeles (22), y que se pueden 10 controlar mediante el circuito de control (8), caracterizado porque

- al menos, uno de los elementos acumuladores (3) se fabrica o se realiza como un circuito analógico (6), que comprende un amplificador operacional (61), dos capacitores (62, 63), así como cuatro conmutadores (64, 65, 66, 67), donde

- la entrada (68) del circuito se conecta con la primera conexión del primer conmutador (64), 15

- la segunda conexión del primer conmutador (64) se conecta con la primera conexión del primer capacitor (62),

- la segunda conexión del primer capacitor (62) se conecta con la primera conexión del segundo capacitor (63),

- la segunda conexión del segundo capacitor (63) se conecta con la primera conexión del segundo 20 conmutador (65), así como con la primera conexión del tercer conmutador (66),

- la segunda conexión del tercer conmutador (66) se encuentra con el potencial a masa,

- la segunda conexión del segundo conmutador (65) se conecta con la salida (69) del circuito analógico (6),

- la entrada no inversora del amplificador operacional (61) se encuentra con el potencial a masa,

- la entrada inversora del amplificador operacional (61) se conecta con la segunda conexión del primer 25 capacitor (62),

- la salida del amplificador operacional (61) se conecta con la salida (69) del circuito analógico (6), y

- el cuarto conmutador (67) se conecta en cada una de sus conexiones con la entrada inversora del amplificador operacional (61), así como con la salida del amplificador operacional (61).

2. Circuito de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque cada una de las salidas de los 30 respectivos elementos acumuladores (3) se encuentran conectadas a las entradas de un multiplexor (4),

- donde el circuito de control (8) se conecta a la entrada de control del multiplexor (4) y controla dicho multiplexor, y

- donde la salida del multiplexor (4) conforma la salida (5) del circuito y/o

- porque en el circuito selector (1), cuando existe una señal de control en una entrada de control (17) 35 provista para ello, se conecta una entrada concreta (11) con una salida concreta (12) en correspondencia con la información que contiene la señal de control, y todas las otras entradas (11) y salidas (12) se encuentran sin conectar o bien, aisladas entre sí.

3. Circuito de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque

- cada uno de los elementos acumuladores (3) presenta una entrada de control, eventualmente para 40 pluralidades de información de control presentes codificadas en binario, mediante las que, a través del circuito de control (8), se predetermina si la señal de entrada que se encuentra en la entrada del elemento acumulador (3)

- no se considera y se conserva el valor del acumulador o

- sobrescribe el valor del acumulador, donde el valor negativo de la señal de entrada se almacena en el 45 elemento acumulador (3) o

- se adiciona al valor del acumulador o

- se sustrae del valor del acumulador o

- sobrescribe el valor del acumulador, y/o

- cada uno de los elementos acumuladores (3) presenta una entrada de control, eventualmente para pluralidades de información de control presentes codificadas en binario, mediante las que, a través del circuito de control (8), se predetermina si la señal de entrada que se encuentra en la entrada del elemento acumulador (3) 5

- no se considera y se conserva el valor del acumulador o

- no se considera y el valor del acumulador se establece en un valor predefinido o

- se adiciona al valor del acumulador o

- se sustrae del valor del acumulador.

4. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque 10

a) el circuito selector (1) establece una asignación entre un píxel respectivo (22) y un elemento acumulador respectivo (3), donde un respectivo píxel en particular (22) se destina a un elemento acumulador (3) en particular,

b) la señal de luminancia presente en el píxel (22) se transmite y el píxel (22) se reinicia a su estado de inicio mediante un pulso de control en la línea de control del píxel (22), 15

c) después de la terminación del reinicio del píxel (22), la señal de luminancia existente, en particular la carga residual almacenada, se recibe en el elemento acumulador (3) mediante la aplicación de un pulso de control para la recepción del valor negativo de píxel, donde el valor negativo de la señal de luminancia presente en el píxel (22) se acumula con el valor en el elemento acumulador (3),

d) a continuación, después de un tiempo de exposición predeterminada, el valor de la señal de luminancia 20 presente en el píxel (22) se conduce al elemento acumulador (3) destinado al píxel (22), y se incluye o bien, se acumula con el valor ya almacenado en dicho elemento acumulador (3),

e) en el circuito de control se provee un circuito digital programable para la ejecución automatizada de las etapas b) a d) para todos los píxeles (22) o bien, los elementos acumuladores (3) destinados a dichos píxeles (22), y 25

f) se provee un circuito para la creación de asignaciones que, mediante la consulta de todos los valores de píxeles, modifica la asignación después de la terminación de las etapas b) a e) cíclicamente o bien, mediante reasignación frente a la asignación existente, aplicando una respectiva señal de control en el circuito selector (1), y activa nuevamente el circuito para una cantidad predeterminada de repeticiones con la nueva asignación. 30

5. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada píxel (22) presenta una entrada de reinicio (24) a través de la que la señal de luminancia presente en el píxel (22), en particular, el valor de carga almacenado en el píxel (22), se puede reiniciar en un valor predeterminado, eventualmente afectado por ruidos.

6. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el circuito 35 selector (1) se realiza mediante un multiplexor (18) y un demultiplexor conectado posteriormente (19), donde las entradas del multiplexor (18) actúan como entradas (11) del circuito selector (1), y las salidas del demultiplexor (19) actúan como salidas (12) del circuito selector (1), y ambas entradas de control del multiplexor (18) y del demultiplexor (19) actúan como entrada de control común (17) del circuito selector (1), y/o

- porque se provee una cantidad de conmutadores (13) del lado de entrada, que corresponde a la cantidad 40 de entradas (11), y la primera conexión correspondiente a uno de los conmutadores (13) del lado de entrada se conecta a una respectiva entrada (11) del circuito selector (1),

- la segunda conexión de cada uno de los conmutadores (13) del lado de entrada se encuentra conectada con un conductor de conexión (15),

- se provee una cantidad de conmutadores (14) del lado de salida, que corresponde a la cantidad de salidas 45 (12), y la segunda conexión correspondiente a uno de los conmutadores (14) del lado de salida se conecta con una respectiva salida (12) del circuito selector (1),

- las otras respectivas conexiones de cada conmutador (14) del lado de salida se conectan al conductor de conexión (15), y

- los conmutadores del lado de entrada (13) y los conmutadores del lado de salida (14) se pueden activar o 50 bien, conmutar mediante una entrada de control común (17) del circuito selector (1).

7. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque

- la cantidad de píxeles (22) corresponde a la cantidad de elementos acumuladores (3) y la cantidad de (n) entradas (11) del circuito selector (1) corresponde a la cantidad de (m) salidas (12) del circuito selector y/o

- porque todos los elementos acumuladores (3) están conformados de igual manera.

8. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque

- para la pluralidad (m) de circuitos analógicos (6) se provee un único amplificador operacional (61), así 5 como un único cuarto conmutador (67), donde

- la conexión inversora del amplificador operacional (61) se conecta con todas las segundas conexiones del primer capacitor (62),

- las primeras conexiones de todos los primeros conmutadores (64) se encuentran conectadas entre sí y el nodo que surgen de ello, forma la entrada (68) del circuito analógico (6), 10

- las salidas (69) de todos los circuitos analógicos (6) se conectan con la salida del amplificador operacional (61) y dicho nodo forma la salida del circuito analógico (6), donde la cantidad (m) de los segundos conmutador (65) actúa como multiplexor (4).

9. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque

- la relación de la capacidad del primer capacitor (62) con la capacidad del segundo capacitor (63) se 15 encuentra entre 1:1 y 3:1, donde el segundo capacitor (63) presenta siempre la misma capacidad, como reducida o máxima.

10. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para cada circuito analógico (6) se provee un quinto conmutador (60) y un sexto conmutador (6a), donde 20

a) la segunda conexión del primer conmutador (64) se conecta con la primera conexión del quinto conmutador (60), y la segunda conexión del quinto conmutador (60) se encuentra con el potencial a masa, y

b) la primera conexión del sexto conmutador (6a) se conecta con la segunda conexión del primer conmutador (64), y la segunda conexión del sexto conmutador (6a) se conecta con la salida (69) del circuito analógico (6). 25

11. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los conmutadores (13) del lado de entrada se encuentran integrados en el píxel (22) o bien, dispuestos inmediatamente en sus alrededores, en particular en el substrato portador del microchip que porta el circuito, y eventualmente se conectan posteriormente al píxel (21).

12. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque al circuito se 30 conecta posteriormente un convertidor analógico-digital (16).

13. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque una fuente de tensión (15a) se conecta al conductor de conexión (15).

14. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los conmutadores (64, 65, 66, 67, 60, 6a) de cada elemento acumulador (3), los conmutadores del multiplexor (4), así 35 como los conmutadores del lado de entrada y de salida (13, 14) del circuito selector (1), se pueden conmutar electrónica o eléctricamente, y, en particular, se realizan como transistores, preferentemente todos de igual manera, y eventualmente con tecnología CMOS.

15. Circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los elementos acumuladores (3), los píxeles (22), el circuito selector (1), así como el multiplexor (4), presentan una entrada de reloj, 40 a través de la cual éstos se activan eficazmente en intervalos de tiempo predeterminados.

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