DD294361A5 - Automatische kennlinienaufnahmeeinrichtung zur bestimmung der fotoempfindlichkeit und linearitaetsabweichung von integrierenden bildsensoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine automatische Kennlinienaufnahmeeinrichtung zur Bestimmung der Fotoempfindlichkeit und Linearitaetsabweichung von integrierenden Bildsensoren. Sie findet Anwendung in der Sensortechnik, insbesondere bei der Applikation von Bildsensoren fuer anspruchsvolle Bildverarbeitungsaufgaben fuer Qualitaetskontrolle und Anpassung von Korrekturverfahren. Erfindungsgemaesz wird der uebliche Signalweg nach der A/D-Umsetzung verzweigt, wobei der erste Signalweg ueber eine Offsetkorrektursteuereinheit mit dem zweiten in einer Meszwertberechnungseinheit verknuepft wird und ein dritter Signalweg, der ueber einen Signalwegumschalter aktiviert wird, einen Saettigungszustandsanalysator und eine Integrationszeitsteuerschaltung enthaelt. Dabei wird das Ausgangssignal des Saettigungszustandsanalysators ueber einen Integrationszeitzaehler, eine Integrationszeitberechnungseinheit und einen Integrationssteuerzaehler in einen Bildsensoruebertragungstakt umgesetzt, der eine kennlinienangepaszte Festlegung der Abszissenmeszpunkte ausschlieszlich mittels Integrationszeitsteuerung bei konstanter Bestrahlungsstaerke darstellt und mit einer geeignet gestalteten Offsetkorrektursteuerung eine automatische Meszwertaufnahme gestattet. Figur{Bildsensoren; Kennlinienaufnahme, automatisch; Fotoempfindlichkeit; Linearitaetsabweichung; Bildverarbeitungsaufgaben, anspruchsvoll; Qualitaetskontrolle; Korrekturverfahren; Anpassung; Signalwegverzweigung; Saettigungszustandsanalysator}

Description

Hierzu 1· Seite Zeichnungen

Anwoiulungsgoblot dor Erfindung

Die Erfindung betrifft eine automatische Kennlinlonaufnahmeeinrichtung zur Bestimmung der Fotoempfindlichkeit und Linearitätsabweichung von integrierenden Bildsensoron. Sie ist in der Bildsensortechnik anwendbar, wenn sich hinsichtlich der Gleichförmigkeit der Fotoompfindlichkeit der einzelnen Bildsensorelemente und der Linearität hohe Anforderungen aus den zu lösenden Bilderverarbeitungsaufgaben ableiten. Aufgrund dor Komplexität derartiger Messungen und der anfallenden Informationsmonge ist ein wirkungsvoller Einsatz besonders in der Einsatzvorbereitung und Applikation von Bildsensoren für anspruchsvolle Bildverarbeitungsaufgabon in ihrer Eingangskontrolle und Qualitätsüberwachung gegeben. Die mit der Erfindung ermittelten Ergebnisse können als Ausgangsbasis für die unterschiedlichsten bekannten Signalkorrekturverfahren zur Anwendung kommen

Die Erfindung ist auch auf Messungen an andoron integrierenden Mehrelementsensoren übertragbar.

Charakteristik des bekannten Standes dor Tochnlk

Der Stand der Technik auf dem Gebiet der Rechentechnik und der zur Bildsensorsignalverarbeitung verfügbaren sensornahen Elektronik erlaubt eine Ausdehnung der Einsatzgebiete von CCD-Bildsensoren auf solche anspruchsvollen Bildverarbeitungsaufgaben, wie sie die optische Inspektion und Vermessung von Bildvorlagen mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich darstellen.

Mit derartigen Grauwertbildverarbeitungsaufgaben erhöhon sich besonders hinsichtlich der Gleichförmigkeit der Fotoempfindlichkeit und der zulässigen Linearitätsfehler die Anforderungen an die einzelnen Sensorelemente. Die Kenntnis dieser als Signalfehler bezeichneten und in die Meßergebnisse als orts- bzw. amplitudenabhängig eingehenden Fehler ist sowohl aus Sicht des Bauelementeherstellers (weitere Technologieverbesserung) als auch aus der Sicht der Bauelementeanwender (Auswahl geeigneter Korrekturverfahren) von großem Interesse.

Der Stand der Technik bestimmt üblicherweise für einen Meßpunkt einer CCD-Bildsensorkennlinie die PRNU (Photo Response-Non Uniformity) und bezieht diese auf eine feste Signalamplitude (in der Regel 50% des CCD-Sättigungsausgangssignales). Hierbei wird unter dem Begriff Sensorkennlinie die funktioneile Abhängigkeit des CCD-Ausgangssignales von der Bestrahlungsstärke und der Integrationszeit verstanden. Ein derartiges Herangehen ist beispielsweise in der TGL55108 (Ladungsgekoppelte Sensorzeile L133C) festgelegt und prinzipiell gerechtfertigt, wenn lineare Sensorkennlinien vorliegen, somit die Fotoempfindlichkeit jedos Bildsensorelementes als Anstieg der Kennlinie über den interessierenden Dynamikbereich als konstant angenommen wird und auf dieser Grundlage nur die Ungleichförmigkeit der Fotoempfindlichkeit der Sensorelemente ermittelt werden soll.

Interessiert neben der Ungleichförmigkeit die absolute Fotoempfindlichkeit der Bildsensorelemente, wird diese im Stand der Technik ermittelt, indem ebenfalls für einen gegebenen Meßpunkt der Sensorkennlinie, also für eine bekannte Bestrahlungsstärke und Integrationszeit, das resultierende Sensorsignal gemessen und das Ergebnis als integrale bzw. spektrale Fotoempfindlichkeit definiert wird. Diese Verfahrensweise ist in der TGL 37363 (optoelektronische Bauelemente/Begriffe) festgelegt.

Treten amplitudenabhängige Linearitätsfehler auf, versagen die bisher vorgeschlagenen Meßvorschriften, und es ist die Aufnahme der gesamten Kennlinie (Sensorsignal als Funktion von Bestrahlungsstärke und Integrationszeit) über den interessiernden Signaldynamikbereich erforderlich. Eine entsprechende Meßvorschrift zur Aufnahme einer derartigen Sensorkennlinie wird in der Fachliteratur (Wasiltschenko, N. W.: Izmerenije Parametrow Projomnikow optischeskowi Izlutschenija, Moskau 1983) vorgeschlagen, der den zweifachen Dunkelsignalwert verursacht, und einem maximalen Bestrahlungsstä¹ rkerwert, der auf der Grundlage des verfügbaren Signaldynamikbereiches fest vorgegeben ist, eine bestimmte, feste Anzahl von Meßpunkten (nicht weniger als 10) linear in den durch den minimalen und maximalen Bestrahlungsstärkewert definierten Abzissenbereich gelegt wird und eine Messung der Sensorsignale bei diesen Bestrahlungsstärkewerten erfolgt. Diese Art Kennlinienaufnahme erfordert einen großen technischen Aufwand (Einstellen der unterschiedlichen Bestrahlungsstärken und deren genaue Messung), enthält entsprechend viele Fehlerquellen und ist nicht flexibel auf die jeweils zu vermessende Kennlinie anzupassen. Sie bildet demzufolge keine Grundlage für einen automatischen Meßplatz. Den Stand der Technik ergänzen Verfahren und Anordnungen, die eine Variation der Integrationszeit mit unterschiedlichen Zielstellungen versehen. So werden in der DE-AS 2810806 eine Integrationszeitsteuerung zur automatischen Einstellung der Bildhelligkeit vorgeschlagen und in der DE-OS 3144219 mittels einer Integrationszeitumschaltung unerwünschte Bildsignalteile eliminiert. In diesen Lösungen werden zum einen durch eine zeitliche Regelung des Anlegens einer Spannung zur Ladungsträgerakkumulation vor dem Anlegen einer Integrationsspannung die angostrebte mittlere Bildhelligkeit erreicht und zum anderen durch eine zeitlich geregelte Öffnung eines Übertragungsgatters zur Trennung der Zwangsfolge von Integrationsund Schiebefakten eine Ausblendung verfälschter Bildteile ermmöglicht. Eine gesteuerte Integrationszeit zur Aufnahme einer Sensorkennlinie ist damit jedoch nicht gegeben.

Weiterhin ist in der DD-PS271Ί41 eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Nutzsignaldynamik von CCD-Empfängern offenbart, die eine Signalwegumschaltung enthält und über einen Sättigungsanalysator verfügt, der einen Gonerator mit Rückwirkung auf den Signalwegumschaltor beeinflußt, Mit dieser Schaltungsanordnung ist lediglich der Signaldynamikboreich jedes Sensorelemontes und damit die Ungloichförmigkeit des maximal erfaßbaren Eingangssignales bestimmbar. Es ist außerdem aus verschiedenen Lösungen, wie z.B. der DE-OS3733074, bekannt, zur Korrektur der PRNU in einem Bezugstabellenspeicher mehrere Kennlinienwerte der einzelnen Sensorelemente zu speichern. Dabei wird in der DE-OS3733074 die Ungleichförmigkeit der Sensorelemente auf eine Schar linearer Kennlinie zurückgeführt, wobei die unterschiedlichen Anstiege dieser idealisierten Kennlinien als PRNU und die unterschiedlichen Nullpunktoffsets als DSNU (Dark Signal-Non Uniformity) aufgefaßt worden. Zur effektiven Gestaltung bzw. Kalibrierung von Bezugstabellen zählt es zum Stand der Technik, daß die Bestrahlung, d. h. das Produkt aus Bestrahlungsstärke und Integrationszeit, als Produkt zweier voneinander unabhängiger Größen zu verstehen und damit durch die Steuerung der Integrationszeit einfach und genau regelbar ist. Dabei wird eine Speicherung von Zählerständen bei jeder ADU-Stufenumschaltung als Kennlinienäquivalent für die Bezugstabelle gespeichert. Damit ist jedoch ausschließlich die Korrektur gemessener Bestrahlungszustände möglich, ohne die Kennlinie explizit zu kennen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zur automatischen Kennlinienaufnahme zu finden, die mit geringem technischen Aufwand die exakte Bestimmung von Fotoempfindlichkeit und Linearitätsabweichung von integrierenden Mehrelementsensoren gestattet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Lösung zur Bestimmung der Fotoempfindlichkeit u,nd Linearitätsahweichung von CCD-Bildsensoren zu realisieren, die eine exakte Steuerung der Bestrahlung als Kennlinienabszissenswert und Zuordnung der real gemessenen Sensorsignale ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer automatischen Kennlinienaufnahmeeinrichtung zur Bestimmung der Fotoempfindlichkeit und Linearitätsabweichung von integrierenden Bildsensoren mit einer Bestrahlungseinheit, die auf den Bildsensor gerichtet ist, und einer aufeinanderfolgenden Signalverarbeitung aus Offsetkorrekturglied, Verstärker, ADU und Signalwegumsachlter dadurch gelöst, daß der Signalwegumschalter ausgangsseitig einerseits mit einer Meßwertberechnungseinheit und andererseits mit einem Sättigungszustandsanalysator verbunden ist, wobei der Sättigungszustandsanalysator an seinem Ausgang in Abhängigkeit vom Erreichen der bildsensorelementspezifischen Sättigungsspannung ein unterschiedliches Logiksignal aufweist, das je Meßwert impulsartig erzeugt wird, daß eine Integrationszeitberechnungseinheit einen an den Bildsensortransporttakt gekoppelten Takteingang sowie einen Eingang zur Eingabe der Anzahl der Elemente des Bildsensors aufweist, mit einem Integrationszeitzähler zu dessen Voreinstellung und zur Übernahme des aktuellen Zählerstandes bei Voränderung des Logiksignals des Sättigungszustandsanalysators verbunden ist und einen Ausgang zur Übergabe der aktuellen Integrationszeit besitzt, daß der Integrationszeitzähler über seinen Zähleingang mit dem negierten Ausgangssignal des Sättigungszustandsanalysators beaufschlagt ist, daß ein Integrationssteuerzähler zur Erzeugung des Bildsensorübertragungstaktes vorhanden ist, dessen Zähleingang mit dem Bildsensortransporttakt verknüpft ist und dessen Dateneingang mit dem Datenausgang des Integrationszeitzählers in Verbindung steht, daß eine Bestrahlungsberechnungseinheit mit der Integrationszeitberechnungseinheit über deren Ausgang zur Übergabe der aktuellen Integrationszeit verbunden ist und einen weiteren Eingang für die Eingabe der aktuellen, im wesentlichen konstanten, auf den Bildsensor einfallenden Bestrahlungsstärke sowie einen Ausgang zur Ausgabe der berechneten Abszissenwerte für die Kennlinienaufnahme besitzt und daß die f leßwertberechnungseinheit außer der Verbindung zum Signalwegumschalter mindestens einen Eingang zur Aufnahme des aktuellen Offsetkorrekturfaktors und einen Ausgang zur Ausgabe der aktuellen Ordinatenwerte aufweist.

Vorteilhaft steht die Meßwertberechnungseinheit über ihren Eingang zur Aufnahme des Offsetkorrekturfaktors mit einer Offsetkorrektureinheit in Verbindung, die ausgangsseitig an den ADU-Ausgang gekoppelt ist und eine Rückkopplung zum Offsetkorrekturglied aufweist. Dazu erweist es sich als zweckmäßig, in der Offsetkorrektursteuereinheit einen Offsetkomparator mit den Eingängen Dunkelsignal und ADU-Ausgangssignal anzuordnen, dessen Ausgang zum Zähleingang eines Offsetinkrementzählers geführt ist, wobei der Zählerausgang über einen DAU mit dem Offsetkorrekturglied gekoppelt ist und zur Übermittlung des Offsetkorrekturfaktors mit der Meßwertberechnungseinheit in Verbindung steht. Zur genaueren Meßwerterfassung ist es von Vorteil, wenn die Offsetkorrektursteuereinheit einen Erweiterungsblock zur Verstärkungssteuerung aufweist, wobei eine Steuerleitung zum im Analogsignalweg dem Offsetkorrekturglied nachgeordneten Verstärker, der programmierbar ist, vorhanden, die Verstärkerung auf Basis einer vollständig ausgenutzten ADU-Signaldynamik regelbar ist und aine zusätzliche Verbindung zur Übergabe des Verstärkungsfaktors mit der Meßwertberechnungseinheit besteht. Dabei weist der Erweiterungsblock zur Verstärkungssteuerung zweckmäßig einen ADU-Überlaufindikator auf, dessen Eingang mit dem ADU-Ausgang in Verbindung steht und dessen Ausgang an einen Verstärkungsinkrementzähler gekoppelt ist, wobei der Zählerausgang den programmierbaren Verstärker steuert. Die Meßwertberechnungseinheit enthält vorzugsweise einen Festwertspeicher, in dem durch den Verstärkungsfaktor adressierbare Konstantensätze aus jeweils zwei Konstanten, und eine DAU-auflösungsabhängige Konstante vorhanden sind, wobei die verstärkungsabhängigen Konstanten zum einen von der ADU-Auflösung und zum anderen von den Offsets von ADU und DAU bestimmt sind, und je einen Multipliziererzur Verknüpfung der verstärkungsabhängigen Konstanten mit den aktuellen Meßwerten und Offsetkorrekturfaktoren sowie einen Summierer, wobei der Ausgang jedes Multiplizierers sowie die verstärkungsunabhängige Konstante aus dem Festwertspeicher dem Summierer zugeführt werden, dessen Ausgangswert als Ordinatenmeßwert am Ausgang der Meßwertberechnungseinheit zur Verfügung steht.

Vorteilhaft für die Bestimmung der Konstantensätze im Festwertspeicher der Meßwertberechnungseinheit ist im Signalweg vor dem OffsGtkorrokturgliod ein Signalquellenumschalter enthalten, der eine Umschaltung vom Bildsensorausgang auf oino kalibrierte, programmierbare Spannungsquelle gestattet.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß das CCD-Bildsensorsignal von der Bestrahlung als Produkt aus Bestrahlungsstärke und Sensorintegrationszeit abhängt und es deshalb für die Kennlinienaufnahme gleichgültig ist, ob die Kennlinie bei konstanter Integrationszeit über die stufenweise Steigerung der Bestrahlungsstärke oder bei konstanter Bestrahlungsstärke und zunehmender Integrationszeit aufgenommen wird.

Die erfindungsgemäße, letztere Variante erspart jedoch eine komplizierte Regelung und Messung der Bestrahlungsstärke und bietet wesentlich genauere Einstellmöglichkeiten, wobei mittels der geeigneten Steigerung der Integrationszeit durch Einfügung eines Sättigungszustandsanalysators der volle Signaldynamikbereich jedes Sensorelementes mit den den unterschiedlichen Fotoempfindlichkeiten angepaßten, sinnvollen Integrationszeitintervallen als Kennlinienschar des CCD-Bildsensors erfaßt wird. Zur Verbesserung der Kennlinienaufnahme ist weiterhin eine Offset- und/oder Verstärkungssteuerung zweckmäßig. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es möglich, die Fotoempfindlichkeit und Linearitätsabweichung von integrierenden Bildsensoren in einer automatischen Kennlinienaufnahmeeinrichtung exakt zu bestimmen, ohne eine aufwendige Steuerung und ständige Messung der auf den Bildsensor einfallenden Bestrahlungsstärke zu benötigen. Damit ist eine exakte, objektive Kennlinienaufnahme möglich, die eine Kennlinienbestimmung integrierender Bildsensoren für höchste Bildverarbeitungsansprüche auf einfache Weise gestattet.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen

Fig. 1: den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung

Fig. 2: eine Ausgestaltung der Offsetkorrektursteuereinheit mit Erweiterungsblock zur angepaßten Verstärkungssteuerung.

Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht in ihrem Grundaufbau gemäß Fig. 1 aus einer Bestrahlungseinheit 1, dem Meßobjekt in Form eines CCD-Bildsensors 2, einem Offsetkorrekturglied 3, einem Verstärker 4, einem ADU 5, einem Signalwegumschalter 6, dem einerseits eine Meßwertberechnungsainheit 10 und andererseits aufeinanderfolgend ein Sättigungszustandsanalysator 8, eine Integrationszeitsteuerschaltung 9 und eine Bestrahlungsberechnungseinheit 11 nachgeschaltet sind.

Die erfindungsgemäße Integrationszeitsteuerschaltung 9 besteht dabei aus einom Integrationszeitzähler 91, einem Integrationssteuerzähler 92 und einer Integrationszeitberechnungseinhoit 93. Der Sättigungszustandsanalysator 8 gibt gepulst je Meßwert ein Signal ab in Abhängigkeit davon, ob die CCD-Sensorsignale einen Sältigungsbereich erreichen oder nicht. Die Analyse des Sättigungszustandes kann dabei auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise gemäß der Lösung aus der DD-PS271411.

Der Ausgang des Sättigungszustandsanalysators 8 ist einerseits mit der Integrationszeitberechnungseinheit 93 verbunden und andererseits - als negiertes Signal auf den Zählereingang des Integrationszeitzählers 91 geführt. Der Integrationszeitzähler 91 steht zur Voreinstellung mit der Integrationszeitberechnungseinheit 93 in Verbindung und ist zur Übergabe des aktuellen Zählerstandes mit der htegrationszeitberechnungseinheit 93 sowie dem Integrationssteuerzähler 92 verbunden. Der Integrationssteuerzählei 92 wird am Zähleingang mit einer Transporttaktirequenzf_T beaufschlagt und ist zur Übergabe einer aktuellen Übertragungen equenzf_x an den Bildsensor 2 gekoppelt. Die Integrationszeitberechnungseinheit 93 wird ebenfalls mit der Transporttaktfrequenz fr getaktet und ist ausgangsseitig zur Übermittlung der Integrationszeit mit der Bestrahlungsberechnungseinheit 11 verbunden, die über ihren zweiten Eingang die gemessene Bestrahlungsstärke E von der Bestrahlungseinheit 1 auf dem Bildsensor 2 aufnimmt.

Für die Meßwertberechnung erforderliche Offsetkorrekturfaktoren werden zweckmäßig in einer Offsetkorrektursteuereinheit 7 ermittelt und zum Ausgleich der Offset auf das Offsetkorrekturglied 3 rückgekoppelt. Zur Erhöhung der Genauigkeit der Meßwerterfassung durch ständig vollständige Ausnutzung der ADU-Signaldynamik wird der Offsetkorrektursteuereinheit 7 ein Erweiterungsblock zur Verstärkungssteuerung angegliedert.

Der automatisch zu vermessende Bildsensor 2 mit beispielsweise einer Anzahl N von Sensorelementen wird für die Dauer das gesamten Meßvorganges mit einer konstanten Bestrahlungsstärke E der Bestrahlungseinheit 1 beaufschlagt. Zur Ansteuerung des CCD-Bildsensors 2 werden eine Transporttaktfrequenz fr und eine Übertragungstaktfrequenz fx bereitgestellt, wobei fx von der Integrationszeitsteuereinheit 9 zur Kennlinienaufnahme mit einer von Meßpunkt zu Meßpunkt variable Meßintegrationszeit generiert wird.

Das Ausganssignal des Bildsensors 2 wird über das Offsetkorrekturglied 3 an den Verstärker 4, der vorteilhaft als programmierbarer Verstärker 41 ausgeführt ist, und den nachgeschalteten ADU 5 gegeben. Die am Ausgang des ADU vorliegenden digitalen Sensordignale werden in einem dem eigentlichen Meßregime zur Kennlinienaufnahme vorgelagerten Hilfsregimezur Bestimmung der Abszissenmeßpunkte über den Signalwegschalter 6 auf einen Sättigungszustandsanalysator 8 zugeführt, dessen Ausgang mit der Integrationszeitsteuereinheit 9 verbunden ist und signalisiert, ob das Sensorsignal des aktuellen Integrationszeitzyklus noch unterhalb des Sättigungspegels liegt. Dieses Logiksignal wird je Meßwert impulsartig abgegeben und ändert sich bei Erreichen des Sättigungsbereiches.

Die Integrationszeitsteuereinheit 9 besitzt noch zwei weitere Eingänge, die in diesem Hilfsregime zur Ermittlung der minimalen Integrationszeit t_min als Funktion der für den Meßvorgang konstanten Transporttaktfrequenz fr und der Anzahl N der Bildsensorelemente dienen.

Zu Beginn des Meßergebnisses wird von der Integrationszeitberechnungseinheit 93 die minimale Integrationszeit t_mi_n auf der Basis der gewählten Transporttaktfrequen; f·' ind der Anzahl N der Sensorelemente zu

ermittelt. Dazu wird die Transporttaktfrequenz fr auch auf die Integrationszeitberechnungseinheit 93 gegeben. Die Anzahl N der Sensorelemente geht über einen entsprechenden Eingabeeingang ein.

Diese flexible minimale Integrationszeit Ui_n dient der Voreinstellung des Integrationszeitzählers 91 auf seinen Anfangswert. Der Zählerstand, der die eingestellte Integrationszeit verkörpert, programmiert den zur Abgabe der Übertragungstaktfrequenz f_x verwendeten Integrationssteuerzähler 92 und ist gleichzeitig mit dem Eingang der Integrationszeitberechnungseinheit 93 verbunden. Der Integrationssteuerzähler 92 erhält über seinen Zähleingang ebenfalls die Transporttaktfrequonz fr aufgeprägt. Nach Ablauf der voreingestellten Integrationszeit wird an seinem Überlaufausgang die Übertragungstaktfrequenz f„ generiert und der laufende Integrationszyklus beendet.

Zur Ermittlung des Endpunktes und der Festlegung der einzelnen Abszissenmeßpunkte der aufzunehmenden Kennlinie wird ein dem eigentlichen Kennlinienaufnahmeregime vorgelagertes Regime realisiert, in dem in bereits beschriebener Art und Weise die digitalisierten Bildsensorsignale des jeweiligen aktuellen Integrationszeitzyklus über den Signalwegumschalter 6 dem Sättigungszustandsanalysator 8 zugeführt werden. Liegt das Bildsensorsigna! unterhalb des sensorelomentspezifischen Sättigungspegels, wird vom Sättigungszustandsanalysator 8 ein Impuls an den Zähleingang des Integrationszeitzählers 91 abgegeben und die zu Beginn des Meßergebnisses von der Integrationszeitberechnungseinheit 93 voreingestellte minimale Integrationszeit t_mi_n um ein Inkrement erhöht. Gleichzeitig wird mit dem neuen Zählerstand der Integrationssteuerzähler 92 programmiert und mit der Ableitung eines Übertragungstaktes ein neuer Integrationszeitzyklus ausgelöst. Dieser Vorgang wiederholt sich automatisch, bis mit der hochlaufenden Integrationszeit und dem als Funktion der Integrationszeit zunehmenden Bildsensorsignals der Sättigungszustandsanalysator 8 das Erreichen des CCD-Sättigungspegels durch Änderung seines Ausgangssignals anzeigt.

Abweichend von Fig. 1 kann die Integrationszeitsteuerschaltung 9 über zwei getrennte Wege die Information über den CCD-Sättigungszustand vom Sättigungszustandsanalysator 8 erhalten, und zwar in dem Fall wenn dieser zwei Ausgänge aufweist, die je nach Zustand alternativ aktiviert werden. Einer der Ausgänge ist dabei direkt mit dem Zähleingang des Integrationszählers 91 und der andere mit der Integrationszeitberechnungseinheit 93 verbunden. Der Ablauf des Integrationszeitzyklus erfolgt dabei in der selben oben beschriebenen Weise.

Der bei Erreichen des Sättigungszustandes zuletzt eingestellte Zählerstand des Integrationszeitzählers 91, der gleichzeitig die aktuelle Integrationszeit verkörpert, wird als maximale Integrationszeit t_m8X bzw. als Abszissenendpunkt der aufzunehmenden Kennlinie definiert und von der Integrationszeitberechnungseinheit 93 übernommen.

Auf der Basis der derart ermittelten maximalen Integrationszeit t_max und der bereits berechneten minimalen Integrationszeit t_m!n wird bei entsprechender Vorgabe der Anzahl M der aufzunehmenden Meßpunkte der Sensorkennlinie die Berechnung des im Kennlinienaufnahmeregimeszu realisierenden Integrationszeitmeßintervalls t (Abstand der Meßpunkte auf der Abszisse) in der Integrationsberechnungseinheit 93 vorgenommen

Die Formel

t = (t_m«x-t_m,„)/(M-1)

^lmax·

gilt im einfachsten Fall für die lineare Aufteilung der Abszisse zwischen t_min und X_n Die von der Integrationszeitberechnungseinheit 93 für die Programmierung des Integrationszeitzählers 91 bereitzustellende Meßintegrationszeit t_m wird als

tm =tmln + Im - Dt

berechnet, wobei mit m = 1,..., M der aktuelle Meßpunkt der Kennlinie bezeichnet wird und dementsprechend t_t = t_min und tM = t_m«gilt.

Die für das Kennlinienaufnahmeregime benötigte Integrationszeitsteuerung wird, beginnend mit der minimalen Integrationszeit t_min, durch Variation der Meßintegrationszeit mittels der Integrationszeitberechnungseinheit 93 und den Integrationszeitzähler 91 und den -Steuerzähler 92 realisiert. Die voreingestellte Integrationszeit wird für die Dauer eines Integrationszeitzyklus vom Integrationszeitzähler 91 als aktueller Zählerstand zwischengespeichert sowie von der Integrationszeitberechnungseinheit 92 übernommen, dekodiert und an die Bestrahlungsberechnungseinheit 11 übergeben, in der die multiplikative Verknüpfung der aktuellen Meßintegrationszeit t_m mit der konstanten Bestrahlungsstärke E erfolgt. Zur qualitativ exakten und automatischen Ermittlung der den Abszissenwerten zugeordneten Ordinatenmeßwerte der Sensorkennlinie mittels der Meßwertberechnungseinheit 10 werden zweckmäßig mit den vom Ausgang des ADU 5 bereitgestellten CCD-Ausgangssignale zusätzlich Signale einer Offsetkorrektursteuereinheit verknüpft. Fig. 2 zeigt dazu eine Variante der Offsetkorrektureinheit 7, die noch einen Erweiterungsblock zur adaptiven Verstärkungssteuerung aufweist (links von der gestrichelten Linie), um eine volle Ausschöpfung der Signaldynamik des ADU 5 zu ermöglichen. Daraus ergibt sich in der vorteilhaften Variante der Aufbau der Offsetkorrektursteuereinheit 7 aus Offsetkomparator 71, Offsetinkrementzähler 72, DAU 73, ADU-Überlaufindikator 74 und Verstärkungsinkrementzähler 75. Der Offsetkomparator 71 vergleicht das vom ADU 5 gewandelte CCD-Signal eines z. B. innerhalb des CCD-Ausgangssignals liegenden, ausgewählten Dunkelreferenzpixels mit einem vorgegebenen Sollwert (Dunkelsignal DS). Bei Nichtübereinstimmung von Soll- und Istwert werden vom Offsetkomparator 71 entsprechende Impulse an den Offsetinkrementzähler 72 abgegeben, wonach dieser dekrementiert bzw. inkrementell wird, je nachdem ob die eingestellte Offsetspannung, die dem Offsetkorrekturglied 3 additiv aufgeprägt wird, zu groß oder zu klein ist. Der Ausgang des Offsetinkrementzählers 72 liefert das Steuerwort für den angeschlossenen DAU 73, der die aktuelle Offsetsparinung erzeugt und als additive Korrektur des

Dunkelsignals DS in den Signalweg im Offsetkorrekturglied 3 einspeist. Der Zählerstand ist somit ein Maß für die eingestellte Offsetspannung.

Wenn der ADU-Uberlaufindikator 74 erkennt, daß der ADU 5 durch das Hellsignal des CCD-Bildsensors 2 übersteuert wird, erfolgt die Ausgabe eines Impujses an den Verstärkungsinkrementzähler 75, so daß dieser dekrementiert wird, wodurch sich die Verstärkung des für diesen Fall erforderlichen programmierbaren Verstärkers 1 verringert. Der Zählerstand des Verstärkungsinkrementzählers 75 dient somit als Steuerwort des programmierbaren Verstärkers 41 und verkörpert die eingestellte Verstärkungsstufe.

Die unter dem Gesichtspunkt einer optimalen ADU-Dynamikbereichsanpassung aus dem aktuellen Signal des laufenden Integrationszyklus von der Offsetkorrektursteuereinheit 7 mit Verstärkungssteuerung automatisch abgeleiteten Größen (Offsetspannung und Verstärkungsstufe) des Signalweges werden in kodierter Form als Steuerworte der Meßwertberechnungseinheit 10 zur Bestimmung der Ordinatenmeßwerte der Sensorkennlinie zur Verfugung gestellt. Die Meßwertberechnungseinheit 10 enthält zweckmäßig einen Festspeicher mit adressierbaren Konstantensätzen, zwei Multiplizierer und einen Summierer.

Aus der in Fig. 1 dargestellten und durch Fig.2 bzgl. der Offsetkorrektursteuereinheit 7 ergänzten erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich zur Erstellung der benötigten Konstantensätze die Gleichungen:

(U, + U„ff) V (Kv) = K._du · LSB,_du + U0_adu

U₀Il = Kdau * LSBdau + UOdau/

wobei U0	- Ausgangsspannung des CCD
Uo((	- eingespeiste Offsetspannung
V(Ky)	- Verstärkung des programmierbaren Verstärkers 41
	bei Verstärkungsstufe Kv
Kadu	- Ausgangswort das ADU 5
LSB.du	- kleinste Quantisierungsstufe des ADU 5
U0,du	- Nullpunktfehler des ADU 5
K(J 8 U	- Eingangswort des DAU 73
	- kleinste Quantiesierungsstufe des DAU 73
UOdau	- Nullpunktspannung des DAU 73
Daraus folgt:
U. =	C1 · Kadu + C2 Kdau + C3
mit C1 =	LSB,du/V(Kv)
C2 =	- LSBdau
C3 =	UOadu/V(Kv)-UOdiu.

Dabei ist zu beachten, daß in der vorgeschlagenen Ausführung mit dem Offsetkorrekturglied 3 vor dem programmierbaren Verstärker 41 ausschließlich die Konstanten Ci und C₃ verstärkungsabhängig sind. Befindet sich der programmierbare Verstärker 41 im Signalweg vor dem Offsetkorrekturglied 3 sind jedoch alle drei Konstanten verstärkungsabhängig. Die oben definierten Konstanten C₁ und C₃ werden als Konstantensätze in den erwähnten Festwertspeicher der Meßwertberechnungseinheit 10 gespeichert, wobei der Festwertspeicher verstärkungsadressiert ist. C₂ als echte Konstante wird in einem der Multiplizierer mit dem Zählerstand des Offsetinkrementzählers 72 verknüpft, während der andere Multiplizierer die der Verstärkung entsprechende Konstante Cj mit dem vom ADU 5 gelieferten Meßwert multipliziert. Die entsprechende Konstante C₃ gelangt direkt in den Summierer, der sie mit den Ausgangsgrößen der beiden Multiplizierer verrechnet und den Ordinatenmeßwert der Kennlinie abgibt.

Die Konstanten C,, C₂, C₃ können durch Ausmessen des Signaltraktes auf einem Verstärkungsmeßplatz bestimmt werden. Vorteilhaft und paßfähig zur angestrebten Automatisierung der Meßaufgabe lassen sich die Konstanten mit der beschriebenen Kennlinienaufnahmeeinrichtung selbst bestimmen, wenn in einem dem automatischen Kennlinienaufnahmeregime vorgelagerten weiteren Hilfsregime der CCD-Bildsensor 2 mittels eines Signalquellenumschalters durch eine kalibrierte programmierbare Spannungsquelle substituierbar ist. Mit dieser Modifikation der Einrichtung wird zunächst ein interessierender Bereich von Eingangsspannungen durchfahren und zu jedem Spannungswert der zugehörige Ausgangswert des ADU 5 ermittelt. Durch lineare Regression läßt sich aus diesen Wertepaaren die Konstante C₁ ermitteln. Zur Ermittlung von C2 und C₃ wird dann bei konstanter, mittlerer Eingangsspannung die Offsetspannung in Form des Zählerstandes des Offsetinkrementzählers 72 variiert. Die aus den Wertepaaren ermittelten Konstanten werden im Festwertspeicher der Meßwertberechnungseinheit 10 abgelegt.

Mit der erfindungsgemäßen Kennlinienaufnahmeeinrichtung erhält man im Ergebnis des beschriebenen Kennlinienaufnahmeregimes für alle N Bildsensorelemente die Kennlinie in Form von M Vektoren (M-Anzahl der Abszissenmeßpunkte) mit (N + 1) Elementen, auf deren Grundlage verschiedene Auswertungen möglich sind, wie z. B. die günstigste lineare Näherung mit Angabe der exakten Abweichungen, eine Polynomnäherung und -korrektur etc. Auf diese Art sind mit der erfindungsgemäßen Lösung die Fotoempf indiichkeit, deren PRNU und der Linearitätsfehler in einem Prozeß experimentell ermittelbar und auf dieser Basis Korrekturmöglichkeiten gegeben.

Claims (6)

1. Automatische Kennlinionaufnahmoeinrlchtung zur Bestimmung der Fotoempfindlichkeit und Linoaritätsabwoichung von integrierenden Bildsensoren mit einer Bostrahlungseinheit, die auf den Bildsensor gerichtet ist, und einer aufeinanderfolgenden Signalverarbeitung aus Offsotkorrokturglied, Verstärker, ADU und Signalwegumschalter, gekonnzeichnet dadurch,

- daß der Signalwogumschaltor ausgangssoitig einerseits mit einer

Meßwertberechnungseinheit (10) und andererseits mit einem Sättigungszustandsanalysator (8) verbunden ist, wobei der Sattigungszustandsanalysator (8) an seinem Ausgang in Abhängigkeit vom Erreichen der bildsensorelementspezifischen Sättigungsspannung ein unterschiedliches Logiksignal aufweist, das je Meßwert impulsartig erzeugt wird,

- daß eine Integrationszeitberechnungsoinheit (93) einen an den Bildsensortransporttakt gekoppelten Takteingang sowie einen Eingang zur Eingabe der Anzahl der Elemente des Bildsensors aufweist, mit einem Integrationszeitzähler (91) zu dessen Voreinstellung und zur Übernahme des aktuellen Zählorstandes bei Veränderung des Logiksignals des Sättigungszustandsanalysators (8) verbunden ist und einen Ausgang zur Übergabe der aktuellen Integrationszeit besitzt,

- daß der Integrationszeitzähler (91) überseinen Zähleingang mit dem negierten Ausgangssignal des Sättigungszustandsanalysators (8) beaufschlagt ist,

- daß ein Integrationssteuerzähler (92) zur Erzeugung des Bildsensorübertragungstaktes vorhanden ist, dessen Zähleingang mit dem Bildsensortransportakt verknüpft ist und dessen Dateneingang mit dem Datenausgang des Integrationszeitzählers (91) in Verbindung steht,

- daß eine Bestrahlungsberechnungseinheit (11) mit der Integrationszeitberechnungsoinheit (93) über deren Ausgang zur Übergabe der aktuellen Integrationszeit verbunden ist und einen weiteren Eingang für die Eingabe der aktuellen, im wesentlichen konstanten, auf den Bildsensor einfallenden Bestrahlungsstärke sowie einen Ausgang zur Ausgabe der berechneten Abszissenwerte für die Konnlinienaufnahme besitzt und

- daß die Meßwertborechnungsoinhoit (10) außer der Verbindung zum Signalwegumschalter mindestens einen Eingang zur Aufnahme des aktuellen Offsetkorrekturfaktors und einen Ausgang zur Ausgabe dor aktuellen Ordinatenwerte aufweist.

2. Einrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die

Moßwertberechnungsoinheit (10) über ihren Eingang zur Aufnahme dos Offsetkorrekturfaktors mit einer Offsotkorroktursteuoroinheit (7) in Vorbindung steht, die als Eingangsbeschaltung an dem ADU-Ausgang gekoppelt ist und eine Rückkopplung zum Offsetkorrekturglied aufweist.

3. Einrichtung gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß in der Offsetkorrektursteuereinheit (7) ein Offsetkomparator (71) mit den Eingängen Dunkelsignal (DS) und ADU-Ausgangssignal vorhanden ist, dessen Ausgang zum Zähleingang eines Offsetkrement-Zählers (72) geführt ist, wobei der Zählerausgang zum Zähleingang eines Offsotinkromentzählors (72) geführt ist, wobei der Zählorausgang über einen DAU (73) mit dem Offsetkorrokturglied gekoppelt ist.

4. Einrichtung gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Offsetkorrektursteuereinheit (7) einen Erweiterungsblock zur Vorstärkungssteuorung aufweist, wobei eine Steuerleitung zum im Analogsignalweg dem Offsetkorrekturglied nachgcordneton Verstärker, der programmierbar ist, vorhanden, die Verstärkung auf Basis einer vollständig ausgenutzten ADU-Signaldynamik regelbar ist und eine zusätzliche Verbindung zur Übergabe des Verstärkungsfaktors mit der Meßwertborochnungseinheit (10) besteht.

5. Einrichtung gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß dor Erweiterungsblock zur Verstärkungssteuerung einen ADU-Überlaufindikator (74) enthält, dessen Eingang mit dem ADU-Ausgang in Verbindung steht und dessen Ausgang an einen Verstärkungsinkrementzähler (75) gekoppelt ist, wobei der Zählerausgang den programmierbaren Verstärker (41) steuert.

6. Einrichtung gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßwertberechnungseinheit (10) einen Festwertspeicher enthält, in dem durch den Verstärkungsfaktor adressierbaro Konstantensätze aus jeweils zwei Konstanten, und eine DAU-auflösungsabhängige Konstante vorhanden sind, wobei die verstärkungsabhängigen Konstanten zum einen von der ADU-Auflösung und zum anderen von den Offsets von ADU und DAU bestimmt sind, und daß je ein Multiplizierer zur Verknüpfung der vorstärkungsabhängigen Konstanten mit den aktuellen Meßwerten und Offsetkorrokturfaktoren vorhanden ist, wobei der Ausgang jedes

Multiplizierers sowie die verstärkungsabhängige Konstante aus dem Festwertspeicher einem Summierer zugeführt sind, dessen Ausgangswert als Ordinatenmeßwort am Ausgang der Meßwertberechnungseinheit (10) zur Verfügung steht.
7. Einrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Signalweg vor dem Offsetkorrekturglied ein Signulquellenumschalter angeordnet ist, der wahlweise vom Bildsensor auf eine kalibrierte, programmierbare Spannungsquelle umschaltbar ist.