WO2014183982A1 - Light transit time sensor - Google Patents
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- H10F39/80—Constructional details of image sensors
- H10F39/803—Pixels having integrated switching, control, storage or amplification elements
Definitions
- the invention relates to a light transit time sensor according to the preamble of the independent claim.
- the light transit time sensor relates in particular to light transit time camera systems in particular
- PMD photonic mixer detectors
- the PMD camera in particular allows a flexible arrangement of the light source and the detector, which can be arranged both in a housing and separately.
- Photosensitive region and charge accumulating accumulation gates are arranged in strip form.
- the object of the invention is to improve the fill factor on a light transit time sensor.
- the object is achieved in an advantageous manner by the inventive light transit time sensor according to the preamble of the independent claim.
- a light transit time sensor is provided, with modulation gates in light-sensitive and read-out fingers in light-insensitive areas, wherein the modulation gates and
- Auslesefmger are arranged in parallel strips, which form a group of light-propagation time pixels, and wherein a light transit time pixel has at least two Auslesefmger.
- This procedure has the advantage that it dispenses with an isolation path separating the individual pixels and that the fill factor can be increased.
- the read-out memories have a readout gate and a readout node, the readout node being formed as a pn-type structure with a metallization.
- the readout node being formed as a pn-type structure with a metallization.
- a structure of gate and readout node spatially smaller form which can further improve the fill factor.
- the readout nodes are arranged in an end region of the readout finger in the vicinity of the readout circuit in order to shorten signal paths.
- the readout nodes are on at least three sides of
- FIG. 1 shows the basic principle of a time-of-flight camera according to the PMD principle
- FIG. 2 shows a modulated integration of the runtime-shifted generated charge carriers
- FIG. 3 shows a cross-section of a PMD pixel
- FIG. 4 shows a top view of a PMD pixel
- FIG. 5 shows a top view of a PMD pixel with read-out node
- FIG. 6 shows a plan view of a PMD pixel with bifurcated read-out fingers
- FIG. 7 shows a cross section through a PMD pixel according to the invention with two
- FIG. 8 shows a schematic top view of a PMD pixel according to the invention
- FIG. 9 is a cross-sectional and plan view of a passing PMD pixel row
- Figure 10 is a plan view of a passing PMD pixel line with minimum pixel size
- FIG. 11 shows an arrangement of several passing PMD pixel lines
- FIG. 12 shows an embodiment of a PMD pixel line with RGB filters
- FIG. 13 shows a PMD pixel row with three modulation gates each
- Figure 14 shows two PMD pixel lines with different phase position.
- like reference characters designate like or similar components.
- FIG. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a light transit time camera, as is known, for example, from DE 197 04 496 C2.
- the light transit time camera system 1 comprises a transmission unit or an illumination module 10 with an illumination light source 12 and associated beam shaping optics 15 and a reception unit or light runtime camera 20 with a reception optics 25 and a light transit time sensor 22.
- the light transit time sensor 22 has at least one pixel, but preferably one pixel - Array, and is designed in particular as a PMD sensor.
- Receiving optics 25 typically consists of improving the imaging characteristics of a plurality of optical elements.
- the beam-shaping optical system 15 of the transmitting unit 10 is
- preferably formed as a reflector preferably formed as a reflector.
- diffractive elements or combinations of reflective and diffractive elements.
- the measurement principle of this arrangement is essentially based on the fact that, based on the phase shift of the emitted and received light, the transit time of the emitted and reflected light can be determined.
- the light source 12 and the light transit time sensor 22 via a modulator 30 together with a specific
- Modulation frequency or modulation signal applied to a first phase position a Modulation frequency or modulation signal applied to a first phase position a.
- the light source 12 transmits an amplitude-modulated signal having the phase a.
- this signal or the electromagnetic radiation is reflected by an object 40 and hits due to the distance traveled
- Light transit time sensor 22 In the light transit time sensor 22, the signal of the first phase a of the modulator 30 with the received signal having the time-related second phase b, mixed, from the resulting signal, the phase shift or the object distance d is determined.
- phase position a is operated with the light transit time sensor 22 in order to change preselected phase shifts ⁇ . Equally effective, it can also be provided to selectively shift the phase with which the lighting is driven.
- the principle of the phase measurement is shown schematically in FIG.
- the upper curve shows the time course of the modulation signal with the illumination 12 and the Light transit time sensor 22, here without phase shift, are controlled.
- the light b reflected by the object 40 strikes the phase-shifted light according to its time of flight tL
- the light transit time sensor 22 collects the photonically generated charges q during the first half of the modulation period in a first read-out path Ga and in the second cycle half in a second read-out path Gb. The charges will be
- Ratio of the charges qa, qb collected in the first and second gates Ga, Gb allows the phase shift and hence the distance of the object to be determined.
- the phase shift of the light reflected from the object and thus the distance for example, by a so-called IQ (in-phase quadrature) method can be determined.
- two measurements are preferably carried out with modulation signals whose phase positions are shifted by 90 °.
- modulation signals whose phase positions are shifted by 90 °.
- phase positions can be shifted by 180 °, for example, phase positions.
- Figure 3 shows a cross-section through a pixel of a photonic mixer as it
- the modulation photogates G am , Go, Gt, m form the light-sensitive area of a PMD pixel.
- the photonically generated charges q are directed either to one or the other read-out path G a , Gb.
- the Auslesefmger is formed in the example shown as a pn junction or diode.
- FIG. 3b shows a potential profile in which the charges q are directed in the direction of the first
- Auslesefmgers G a flow, while the potential according to Figure 3c, the charge q in the direction of the second read finger Gb flows.
- the potentials are specified according to the applied modulation signals.
- the modulation frequencies are preferably in a range of 1 to 100 MHz. At a modulation frequency of, for example, 1 MHz results in a period of one microsecond, so that the modulation potential changes accordingly every 500 nanoseconds.
- FIG. 3 a further shows a readout unit 400 which, if appropriate, may already be part of a CMOS PMD light transit time sensor.
- the photonically generated charges detected in the read-out finger G a , G b are distributed over a plurality of
- the voltage applied to the read-out fingers Ga, Gb can be tapped to high impedance, for example via the readout unit 400.
- the integration times are preferably to be selected such that the light transit time sensor or the read-out fingers or their capacitances and / or the light-sensitive areas do not saturate for the expected amount of light.
- FIG. 4 shows a top view of a light transit time pixel 23 with typical length specifications.
- the distance or the length extension between the two readout fingers Ga, Gb is the channel distance L K and the distance between the longitudinal axes of symmetry of the two
- Readout Ga, Gb referred to as fingerpitch L F p.
- the pixels are not separated from one another by a field oxide, so that a further modulation gate is connected directly to the read-out finger.
- Gate length L G and the vertical extent to the gate width B G While the gates are essentially the same length in their widths B G , the gate lengths are typically varied depending on the application. In the illustrated case, for example, the middle modulation gate Go longer than the two outer modulation gates G am , Gb m , for example, to influence a modulation contrast.
- the Auslesefmgers G a , Gb can be constructed and structured in different ways. From DE 197 04 496 C2 it is known, for example, to form the read-out memories as pn junctions or diodes. Preferably, the diode extends over the entire width of the Auslesefmger. Preferably, the Auslesefmger are formed opaque or covered with an opaque layer, preferably a metallization.
- FIG. 5 shows a preferred embodiment according to the invention, in which the read-out fingers Ga, Gb have a gate structure and an integration or read-out node.
- a readout gate AG a , AG b extends over the entire width B G of the readout Ga, Gb.
- Gb is a read-out node AK a , AK b .
- a voltage is applied to the readout gate AG a , AGb, which forms a potential well for the charge carriers q below the gate.
- the charge carriers collected there flow primarily through diffusion processes to the respective read-out node AK a , AK b and can there be tapped by the read-out unit 400, for example as a voltage.
- the read-out fingers Ga, Gb are preferably covered with an opaque layer, preferably a metal layer.
- the metal layer may possibly also for contacting the
- the readout nodes AK a , AK b have the same length as the readout gates AG a , AG b .
- multiple readout nodes may be distributed over the structure of the gate.
- readout nodes can be arranged at both ends of the gate.
- a central readout node is conceivable.
- the readout nodes are preferably designed as a pn junction or as a diode.
- FIG. 6 shows a further variant in which the read-out fingers or the gate structure in the region of the read-out nodes is widened.
- the readout nodes AK a , AK b are surrounded by a gate structure and separated with a minimum distance from the adjacent modulation gate yarn, Gbm.
- a PMD pixel is typically separated from the neighboring matrix pixel by means of a field oxide and an optical cover. This will
- the fill factor plays an increasingly important role.
- the separating field oxide matrix has a larger dimension than the read-out fingers. If the pixel pitch is on the order of a fingerpitch, it plays
- the typical finger pitch L F p ie read-out finger plus modulation gates, lies in the Order of about 7 - 10 ⁇ .
- the height and width of the fingers and the channel length are scalable in a very wide range for PMD structures, similar to transistors.
- Figures 7 and 8 show such a continuous pixel structure.
- FIG. 7a shows a cross-section of such a structure with four read-out paths Ga, Gb and two modulation gates yarn, Gbm between two read-out paths Ga, Gb.
- Modulation gates yarn, Gbm are transparent as shown in Figure 3 and form a photosensitive region 26 of the light transit time pixel 23.
- the Auslesefmger Ga, Gb are covered with a mask and form a light-insensitive region 27.
- Gb doping regions are indicated may be n- or p-doped according to the base material of the semiconductor. As already shown in the above examples, this can also be a gate structure with read-out nodes.
- FIG. 7b shows a potential curve for the structure shown in FIG. 7a, analogous to the representation according to FIG. 3c.
- FIG. 8 shows a plan view of the pixel structure according to FIG. 7a.
- the Auslesefmger Ga, Gb are read by a readout unit 400, wherein Auslesefmger same name are performed together on an evaluation unit 420, for example, the charge differences Aq or the charge sums ⁇ q the Auslesefmger Ga, Gb determined.
- the modulation signal originating from the modulator 30 is fed in counterphase via a potential supply line 35 to the modulation gates Yarn, Gbm.
- Neighborhood of a selection finger Ga, Gb are each at the same potential.
- the read-out unit 400 and the potential supply line 35, like the readout gates Ga, Gb, are covered with an opaque mask.
- the light-propagation time pixel shown in FIGS. 7 and 8 is arranged according to the invention, as shown in FIG. 9, continuously and without separation in a row of pixels.
- the pixel line shown in FIG. 9 is divided into four individual pixels 23.1 - 23.4.
- the pixel boundaries are each marked with dashed dotted lines.
- the read-out flags that are at the edge of the light-time pixel share one photosensitive area 26a with the neighboring pixel.
- the charge carriers generated there thus flow once to the neighboring pixel and the other time to the own read-out marker.
- this process repeats on both outer reading outlets with opposite signs, this charge transfer on average recovers, so that effectively, as shown in FIG. 9, only half the common light-sensitive area 26a is active for the respective pixel.
- FIG. 10 shows a smallest possible pixel structure with only two read-out paths Ga, Gb and four modulation gates yarn, Gbm, wherein, as in the pixels shown so far, the
- Auslesefmger with two equal potential in the same acting modulation gates is surrounded.
- the pixel pitch Lpp is in this case only slightly larger than the finger pitch Lpp.
- FIG. 11 shows an arrangement with a plurality of PMD pixel rows 23z, in which, for a space-saving arrangement, two pixel rows each have a surface area for the pixel array
- FIG. 12 or FIG. 12a shows a variant with three modulation gates yarn, Gbm, GO, which have different optical filters in order to generate, for example, visual color information.
- a potential according to FIG. 12b can be applied to the pixel structure.
- color filters Red R, Green G and Blue B can be applied to the modulation gates in combination with a suitable control of the gates, it is possible to extract color information from the sensor whose resolution is higher than the physical resolution with respect to the 3D Values.
- the modulation gates on the sides of the Auslesefmger be provided on both sides with the same filters, which are permeable to infrared in addition to a transparency in one of the three primary colors.
- the middle gate is permeable only in the infrared.
- the middle gates GO are preferably driven at 0 volts, while the outer modulation gates Ga, Gb are supplied with a voltage between the readout or separation gates.
- the charge carriers generated below the color filters are collected at the nearest readout Ga, Gb.
- the potential barrier applied under the middle modulation gate GO can not be overcome by the charge carriers.
- a potential according to FIG. 12c is preferably applied to the modulation gates, wherein the modulated illumination takes place in the infrared IR.
- FIG. 13 shows a configuration in which a higher virtual pixel resolution than the physical pixel resolution can be realized.
- the pixels used are square, but this is not mandatory.
- a pixel consists of at least two read-out gates Ga, Gb and the modulation gates Yarn, Gbm, G0 or MOD.
- the actual pixel cell has a format of 2: 1 in the ratio of width to height.
- FIG. 14 shows a structure in which four different phases can be realized in a narrow spatial area by sharing the readout memory four different phases.
- the upper and lower pixel line are subjected to a modulation signal, wherein the lower pixel line is applied with a shifted by 90 ° modulation signal.
- suitable interconnection adjacent pixels in a row of pixels can be acted upon by a shifted by 180 ° phase position.
- a distance value can be determined in a frame by offsetting two times two neighboring pixels. This makes it possible to significantly minimize the motion artifacts without greatly affecting the spatial resolution.
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Abstract
Description
LICHTLAUFZEITSENSOR LIGHT RUNNING TIME SENSOR
Die Erfindung betrifft einen Lichtlaufzeitsensor nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. The invention relates to a light transit time sensor according to the preamble of the independent claim.
Der Lichtlaufzeitsensor betrifft insbesondere Lichtlaufzeit-Kamerasysteme insbesondere The light transit time sensor relates in particular to light transit time camera systems in particular
Lichtlaufzeit- bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Lichtlaufzeit- or 3D TOF camera systems, the runtime information from the
Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeitbzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen EP 1 777 747 Bl, US 6 587 186 B2 und auch DE 197 04 496 C2 beschrieben und beispielsweise von der Firma ,ifm electronic GmbH' oder 'PMD- Technologies GmbH' als Frame-Grabber 03D bzw. als CamCube zu beziehen sind. Die PMD- Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können. Phase shift of an emitted and received radiation win. As Lichtlaufzeitbzw. 3D TOF cameras are particularly suitable PMD cameras with photonic mixer detectors (PMD), as they u.a. in the applications EP 1 777 747 B1, US Pat. No. 6,587,186 B2 and also DE 197 04 496 C2 and, for example, from the company 'ifm electronic GmbH' or 'PMD Technologies GmbH' as frame grabber 03D or as CamCube are. The PMD camera in particular allows a flexible arrangement of the light source and the detector, which can be arranged both in a housing and separately.
Ferner ist aus der DE 198 21 974 AI eine Vorrichtung zur Erfassung von Phase und Amplitude elektromagnetischer Wellen bekannt, bei der lichtdurchlässige Modulationsgates im Furthermore, from DE 198 21 974 AI a device for detecting phase and amplitude of electromagnetic waves is known in the light-transmitting modulation gates in
fotoempfindlichen Bereich und Ladung sammelnde Akkumulationsgates in Streifenform angeordnet sind. Photosensitive region and charge accumulating accumulation gates are arranged in strip form.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Füllfaktor auf einem Lichtlaufzeitsensors zu verbessern. The object of the invention is to improve the fill factor on a light transit time sensor.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch den erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitsensor nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst. The object is achieved in an advantageous manner by the inventive light transit time sensor according to the preamble of the independent claim.
Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitsensor vorgesehen, mit Modulationsgates in lichtempfindlichen und Auslesefinger in lichtunempfindlichen Bereichen, wobei die Modulationsgates und Advantageously, a light transit time sensor is provided, with modulation gates in light-sensitive and read-out fingers in light-insensitive areas, wherein the modulation gates and
Auslesefmger in parallelen Streifen angeordnet sind, die gruppenweise ein Lichtlaufzeitpixel bilden und wobei ein Lichtlaufzeitpixel mindestens zwei Auslesefmger aufweist. Die Auslesefmger are arranged in parallel strips, which form a group of light-propagation time pixels, and wherein a light transit time pixel has at least two Auslesefmger. The
Ausgestaltung sieht ferner vor, dass der Lichtlaufzeitsensor mindestens eine Embodiment further provides that the light transit time sensor at least one
Lichtlaufzeitpixelzeile mit mindestens drei Lichtlaufzeitpixel aufweist, und dass die Has a light transit time pixel line with at least three light transit time pixels, and that the
Auslesefmger, die nicht am Rand der Zeile angeordneten sind, an zwei Seiten an einem Read-outs not arranged at the edge of the line, on two sides at one
Modulationsgate angrenzen. Modulation gate adjacent.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass auf eine die einzelnen Pixel trennende Isolationsstrecke verzichtetet und der Füllfaktor erhöht werden kann. This procedure has the advantage that it dispenses with an isolation path separating the individual pixels and that the fill factor can be increased.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen die Auslesefmger ein Auslesegate und ein Ausleseknoten auf, wobei der Ausleseknoten als pn-Struktur mit einer Metallisierung ausgebildet sind. Im Gegensatz zu Strukturen, die über die gesamte Fingerbreite als pn-Übergang ausgebildet sind, lässt sich eine Struktur aus Gate und Ausleseknoten räumlich kleiner ausbilden, wodurch sich der Füllfaktor weiter verbessern lässt. In a further preferred embodiment, the read-out memories have a readout gate and a readout node, the readout node being formed as a pn-type structure with a metallization. In contrast to structures that formed over the entire finger width as a pn junction are, a structure of gate and readout node spatially smaller form, which can further improve the fill factor.
Bevorzugt sind die Ausleseknoten in einem Endbereich des Auslesefingers in der Nähe der Ausleseschaltung angeordnet, um Signalwege zu verkürzen. Preferably, the readout nodes are arranged in an end region of the readout finger in the vicinity of the readout circuit in order to shorten signal paths.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Ausleseknoten an mindestens drei Seiten vom In a further embodiment, the readout nodes are on at least three sides of
Auslesegate eingefasst. Hierdurch lässt sich vorteilhaft ein Übersprechen bzw. Durchgriff auf die Modulationsgates vermeiden. Editing gate bordered. This makes it advantageous to avoid crosstalk or penetration of the modulation gates.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, zwischen zwei Auslesefingern mindestens drei Modulationsgates anzuordnen, wobei die Modulationsgates, die an die Auslesefmger angrenzen sowohl eine Transparenz in einem Infraroten als auch in einem visuellen Bereich aufweisen. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, den Sensor mit einer Zusatzfunktionalität auszustatten, ohne die Performance der 3D-Bilderfassung zu beeinträchtigen. In a further embodiment, it is provided to arrange at least three modulation gates between two read-out fingers, wherein the modulation gates, which adjoin the read-out memories both have transparency in an infrared as well as in a visual range. As a result, it is advantageously possible to provide the sensor with additional functionality without impairing the performance of the 3D image acquisition.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen schematisch: They show schematically:
Figur 1 das Grundprinzip einer Lichtlaufzeitkamera nach dem PMD-Prinzip, FIG. 1 shows the basic principle of a time-of-flight camera according to the PMD principle,
Figur 2 eine modulierte Integration der laufzeitverschobenen erzeugten Ladungsträger, FIG. 2 shows a modulated integration of the runtime-shifted generated charge carriers,
Figur 3 einen Querschnitt eines PMD-Pixel, FIG. 3 shows a cross-section of a PMD pixel,
Figur 4 eine Draufsicht auf ein PMD-Pixel, FIG. 4 shows a top view of a PMD pixel,
Figur 5 eine Draufsicht auf ein PMD-Pixel mit Ausleseknoten, FIG. 5 shows a top view of a PMD pixel with read-out node,
Figur 6 eine Draufsicht auf ein PMD-Pixel mit gegabelten Auslesefingern, FIG. 6 shows a plan view of a PMD pixel with bifurcated read-out fingers,
Figur 7 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen PMD-Pixel mit zwei 7 shows a cross section through a PMD pixel according to the invention with two
Modulationsgates, Modulation gates,
Figur 8 eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen PMD-Pixel, FIG. 8 shows a schematic top view of a PMD pixel according to the invention,
Figur 9 ein Querschnitt und eine Draufsicht auf eine durchlaufende PMD-Pixelzeile, FIG. 9 is a cross-sectional and plan view of a passing PMD pixel row;
Figur 10 eine Draufsicht auf eine durchlaufende PMD-Pixelzeile mit minimaler Pixelgröße, Figure 10 is a plan view of a passing PMD pixel line with minimum pixel size,
Figur 11 eine Anordnung mehrerer durchlaufender PMD-Pixelzeilen, FIG. 11 shows an arrangement of several passing PMD pixel lines,
Figur 12 eine Ausbildung einer PMD-Pixelzeile mit RGB-Filtern, FIG. 12 shows an embodiment of a PMD pixel line with RGB filters,
Figur 13 eine PMD-Pixelzeile mit jeweils drei Modulationsgates, FIG. 13 shows a PMD pixel row with three modulation gates each,
Figur 14 zwei PMD-Pixelzeilen mit unterschiedlicher Phasenlage. Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Figure 14 shows two PMD pixel lines with different phase position. In the following description of the preferred embodiments, like reference characters designate like or similar components.
Figur 1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeit- Kamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist. FIG. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a light transit time camera, as is known, for example, from DE 197 04 496 C2.
Das Lichtlaufzeit-Kamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtungslichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Pixel, vorzugsweise jedoch ein Pixel- Array, auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die The light transit time camera system 1 comprises a transmission unit or an illumination module 10 with an illumination light source 12 and associated beam shaping optics 15 and a reception unit or light runtime camera 20 with a reception optics 25 and a light transit time sensor 22. The light transit time sensor 22 has at least one pixel, but preferably one pixel - Array, and is designed in particular as a PMD sensor. The
Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 ist Receiving optics 25 typically consists of improving the imaging characteristics of a plurality of optical elements. The beam-shaping optical system 15 of the transmitting unit 10 is
vorzugsweise als Reflektor ausgebildet. Es können jedoch auch diffraktive Elemente oder Kombinationen aus reflektierenden und diffraktiven Elementen eingesetzt werden. preferably formed as a reflector. However, it is also possible to use diffractive elements or combinations of reflective and diffractive elements.
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten The measurement principle of this arrangement is essentially based on the fact that, based on the phase shift of the emitted and received light, the transit time of the emitted and reflected light can be determined. For this purpose, the light source 12 and the light transit time sensor 22 via a modulator 30 together with a specific
Modulationsfrequenz bzw. Modulationssignal mit einer ersten Phasenlage a beaufschlagt. Modulation frequency or modulation signal applied to a first phase position a.
Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal mit der Phase a aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten In accordance with the modulation frequency, the light source 12 transmits an amplitude-modulated signal having the phase a. In the case illustrated, this signal or the electromagnetic radiation is reflected by an object 40 and hits due to the distance traveled
Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage b auf den Distance corresponding to phase-shifted with a second phase position b on the
Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 30 mit dem empfangenen Signal, das die laufzeitbedingte zweiten Phasenlage b aufweist, gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird. Light transit time sensor 22. In the light transit time sensor 22, the signal of the first phase a of the modulator 30 with the received signal having the time-related second phase b, mixed, from the resulting signal, the phase shift or the object distance d is determined.
Zur genaueren Bestimmung der zweiten Phasenlage b und somit der Objektentfernung d kann es vorgesehen sein, die Phasenlage a mit der der Lichtlaufzeitsensor 22 betrieben wird, um vorgestimmte Phasenverschiebungen Δφ zu verändern. Gleichwirkend kann es auch vorgesehen sein, die Phase, mit der die Beleuchtung angetrieben wird, gezielt zu verschieben. For a more accurate determination of the second phase position b and thus of the object distance d, it may be provided that the phase position a is operated with the light transit time sensor 22 in order to change preselected phase shifts Δφ. Equally effective, it can also be provided to selectively shift the phase with which the lighting is driven.
Das Prinzip der Phasenmessung ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22, hier ohne Phasenverschiebung, angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht b trifft entsprechend seiner Lichtlaufzeit tL phasenverschoben auf den The principle of the phase measurement is shown schematically in FIG. The upper curve shows the time course of the modulation signal with the illumination 12 and the Light transit time sensor 22, here without phase shift, are controlled. The light b reflected by the object 40 strikes the phase-shifted light according to its time of flight tL
Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q während der ersten Hälfte der Modulationsperiode in einem ersten Auslesefmger Ga und in der zweiten Periodenhälfte in einem zweiten Auslesefmger Gb. Die Ladungen werden Light transit time sensor 22. The light transit time sensor 22 collects the photonically generated charges q during the first half of the modulation period in a first read-out path Ga and in the second cycle half in a second read-out path Gb. The charges will be
typischerweise über mehrere Modulationsperioden gesammelt bzw. integriert. Aus dem typically collected or integrated over several modulation periods. From the
Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung und somit eine Entfernung des Objekts bestimmen. Ratio of the charges qa, qb collected in the first and second gates Ga, Gb allows the phase shift and hence the distance of the object to be determined.
Wie aus der DE 197 04 496 C2 bereits bekannt, kann die Phasenverschiebung des vom Objekt reflektierten Lichts und somit die Distanz, beispielsweise durch ein so genanntes IQ- (Inphase- Quadratur)-Verfahren ermittelt werden. Zur Bestimmung der Distanz werden vorzugsweise zwei Messungen mit Modulationssignalen durchgeführt, deren Phasenlagen um 90° verschobenen sind. Also beispielsweise (pmod + φο und (pmod + φ9ο, wobei aus der in diesen Phasenlagen ermittelte Ladungsdifferenz Aq(0°), Aq(90°) die Phasenverschiebung des reflektierten Lichts über die bekannte arctan- bzw. arctan2-Beziehung ermittelt werden kann. As already known from DE 197 04 496 C2, the phase shift of the light reflected from the object and thus the distance, for example, by a so-called IQ (in-phase quadrature) method can be determined. To determine the distance, two measurements are preferably carried out with modulation signals whose phase positions are shifted by 90 °. Thus, for example, (p mo d + φο and (p mo d + φo), where the charge difference Aq (0 °), Aq (90 °) determined in these phase positions is the phase shift of the reflected light via the known arctan or arctan2 relationship can be determined.
Ag(90°) Ag (90 °)
φ = arctan- Aq(0°) φ = arctan Aq (0 °)
Zur Verbesserung der Genauigkeit können ferner weitere Messungen mit um beispielsweise 180° verschobenen Phasenlagen durchgeführt werden. To improve the accuracy of further measurements can be performed with shifted by 180 °, for example, phase positions.
Ag(90°) - Ag(270°) Ag (90 °) - Ag (270 °)
φ = arctan- A(0°) - A (180°) φ = arctan A (0 °) - A (180 °)
Selbstverständlich sind auch Messungen mit mehr als vier Phasen und deren Vielfachen und einer entsprechend angepassten Auswertung denkbar. Of course, measurements with more than four phases and their multiples and a correspondingly adapted evaluation are conceivable.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel eines Photomischdetektors wie er Figure 3 shows a cross-section through a pixel of a photonic mixer as it
beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist. Die Modulationsphotogates Gam, Go, Gt,m bilden den lichtsensitiven Bereich eines PMD-Pixels. Entsprechend der an den Modulationsgates Gam, Go, Gbm angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Auslesefmger Ga, Gb gelenkt. Der Auslesefmger ist im dargestellten Beispiel als pn-Übergang bzw. Diode ausgebildet. For example, from DE 197 04 496 C2 is known. The modulation photogates G am , Go, Gt, m form the light-sensitive area of a PMD pixel. In accordance with the voltage applied to the modulation gates G on , Go, Gbm, the photonically generated charges q are directed either to one or the other read-out path G a , Gb. The Auslesefmger is formed in the example shown as a pn junction or diode.
Figur 3b zeigt einen Potenzialverlauf, bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten FIG. 3b shows a potential profile in which the charges q are directed in the direction of the first
Auslesefmgers Ga abfließen, während das Potenzial gemäß Figur 3c die Ladung q in Richtung des zweiten Auslesefingers Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationssignale vorgegeben. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 100 MHz. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt. Auslesefmgers G a flow, while the potential according to Figure 3c, the charge q in the direction of the second read finger Gb flows. The potentials are specified according to the applied modulation signals. Depending on the application, the modulation frequencies are preferably in a range of 1 to 100 MHz. At a modulation frequency of, for example, 1 MHz results in a period of one microsecond, so that the modulation potential changes accordingly every 500 nanoseconds.
In Figur 3 a ist ferner eine Ausleseeinheit 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Lichtlaufzeitsensors sein kann. Die im Auslesefinger Ga, Gb erfassten photonisch erzeugten Ladungen werden über eine Vielzahl von FIG. 3 a further shows a readout unit 400 which, if appropriate, may already be part of a CMOS PMD light transit time sensor. The photonically generated charges detected in the read-out finger G a , G b are distributed over a plurality of
Modulationsperioden gesammelt. In bekannter Weise kann die dann an den Auslesefingern Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit 400 hochohmig abgegriffen werden. Die Integrationszeiten sind vorzugsweise so zu wählen, dass für die zu erwartende Lichtmenge der Lichtlaufzeitsensor bzw. die Auslesefinger bzw. deren Kapazitäten und/oder die lichtsensitiven Bereiche nicht in Sättigung geraten. Modulation periods collected. In a known manner, the voltage applied to the read-out fingers Ga, Gb can be tapped to high impedance, for example via the readout unit 400. The integration times are preferably to be selected such that the light transit time sensor or the read-out fingers or their capacitances and / or the light-sensitive areas do not saturate for the expected amount of light.
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf einen Lichtlaufzeitpixel 23 mit typischen Längenangaben. Der Abstand bzw. die Längenausdehnung zwischen den beiden Auslesefingern Ga, Gb wird als Kanalabstand LK und der Abstand zwischen den Längs-Symmetrieachsen der beiden FIG. 4 shows a top view of a light transit time pixel 23 with typical length specifications. The distance or the length extension between the two readout fingers Ga, Gb is the channel distance L K and the distance between the longitudinal axes of symmetry of the two
Auslesefmger Ga, Gb als Fingerpitch LFp bezeichnet. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen die Pixel untereinander nicht durch ein Feldoxid zu trennen, so dass an dem Auslesefinger unmittelbar ein weiteres Modulationsgate anschließt. Readout Ga, Gb referred to as fingerpitch L F p. According to the invention, it is provided that the pixels are not separated from one another by a field oxide, so that a further modulation gate is connected directly to the read-out finger.
Die Ausdehnung der Gates bzw. der Auslesefmger parallel zum Kanalabstand LK ist die The extent of the gates or the Auslesefmger parallel to the channel spacing L K is the
Gatelänge LG und die hierzu senkrechte Ausdehnung die Gatebreite BG. Während die Gates in ihren Breiten BG im Wesentlichen gleich lang sind, werden die Gatelängen typischerweise abhängig vom Anwendungsfall variiert. Im dargestellten Fall ist beispielsweise das mittlere Modulationsgate Go länger als die beiden äußeren Modulationsgates Gam, Gbm, um beispielsweise einen Modulationskontrast zu beeinflussen. Gate length L G and the vertical extent to the gate width B G. While the gates are essentially the same length in their widths B G , the gate lengths are typically varied depending on the application. In the illustrated case, for example, the middle modulation gate Go longer than the two outer modulation gates G am , Gb m , for example, to influence a modulation contrast.
Die Auslesefmgers Ga, Gb können in unterschiedlicher Art und Weise aufgebaut und strukturiert werden. Aus der DE 197 04 496 C2 ist es beispielsweise bekannt, die Auslesefmger als pn- Übergänge bzw. Dioden auszubilden. Bevorzugt erstreckt sich die Diode über die gesamte Breite der Auslesefmger. Vorzugsweise sind die Auslesefmger lichtundurchlässig ausgebildet oder mit einer lichtundurchlässigen Schicht, vorzugsweise eine Metallisierung abgedeckt. Die The Auslesefmgers G a , Gb can be constructed and structured in different ways. From DE 197 04 496 C2 it is known, for example, to form the read-out memories as pn junctions or diodes. Preferably, the diode extends over the entire width of the Auslesefmger. Preferably, the Auslesefmger are formed opaque or covered with an opaque layer, preferably a metallization. The
Metallisierung kann ggf. auch gleichzeitig die Kontaktierung der Diode bilden. Figur 5 zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltung, in der die Auslesefinger Ga, Gb eine Gatestruktur und einen Integrations- bzw. Ausleseknoten aufweisen. Im dargestellten Fall erstreckt sich ein Auslesegate AGa, AGb über die gesamte Breite BG des Auslesefmgers Ga, Gb. In einem Endbereich des Auslesefmgers Ga, Gb befindet sich ein Ausleseknoten AKa, AKb. Wie bereits in Figur 3 gezeigt, liegt an dem Auslesegate AGa, AGb eine Spannung an, die unterhalb des Gates ein Potentialtopf für die Ladungsträger q bildet. Die dort gesammelten Ladungsträger fließen vornehmlich aufgrund von Diffusionsprozessen zum jeweiligen Ausleseknoten AKa, AKb ab und können dort von der Ausleseeinheit 400 beispielsweise als Spannung abgegriffen werden. If necessary, metallization can simultaneously form the contacting of the diode. FIG. 5 shows a preferred embodiment according to the invention, in which the read-out fingers Ga, Gb have a gate structure and an integration or read-out node. In the illustrated case, a readout gate AG a , AG b extends over the entire width B G of the readout Ga, Gb. In one end region of the read-out flag Ga, Gb is a read-out node AK a , AK b . As already shown in FIG. 3, a voltage is applied to the readout gate AG a , AGb, which forms a potential well for the charge carriers q below the gate. The charge carriers collected there flow primarily through diffusion processes to the respective read-out node AK a , AK b and can there be tapped by the read-out unit 400, for example as a voltage.
Bevorzugt sind die Auslesefinger Ga, Gb mit einer lichtundurchlässigen Schicht, vorzugsweise einer Metallschicht abgedeckt. Die Metallschicht kann ggf. auch zur Kontaktierung des The read-out fingers Ga, Gb are preferably covered with an opaque layer, preferably a metal layer. The metal layer may possibly also for contacting the
Ausleseknotens dienen. In einer weiteren Ausgestaltung ist es auch denkbar, das Auslesegate selbst in der Transparenz zu beeinflussen, beispielsweise durch Silizidieren. Serve as readout node. In a further embodiment, it is also conceivable to influence the readout gate itself in terms of transparency, for example by siliciding.
Ferner sind auch Variationen der Größe und Position der Ausleseknoten AKa, AKb denkbar. Beispielsweise können die Ausleseknoten AKa, AKb die gleich Länge wie die Auslesegates AGa, AGb aufweisen. Auch können mehrere Ausleseknoten über die Struktur des Gates verteilt sein. Insbesondere können an beiden Enden des Gates Ausleseknoten angeordnet sein. Auch ist ein zentraler Ausleseknoten denkbar. Die Ausleseknoten sind vorzugsweise als pn-Übergang bzw. als Diode ausgebildet. Furthermore, variations of the size and position of the readout nodes AK a , AK b are conceivable. For example, the readout nodes AK a , AK b have the same length as the readout gates AG a , AG b . Also, multiple readout nodes may be distributed over the structure of the gate. In particular, readout nodes can be arranged at both ends of the gate. Also, a central readout node is conceivable. The readout nodes are preferably designed as a pn junction or as a diode.
Figur 6 zeigt eine weitere Variante bei der die Auslesefinger bzw. die Gatestruktur im Bereich der Ausleseknoten erweitert ist. Durch diese Aufgabelung sind die Ausleseknoten AKa, AKb von einer Gatestruktur umgeben und mit einem Mindestabstand vom benachbarten Modulationsgate Garn, Gbm getrennt. Durch ein derartiges Vorgehen werden vorteilhaft elektrische Durchgriffe vom Modulationsgate auf die Ausleseknoten reduziert oder gehemmt. FIG. 6 shows a further variant in which the read-out fingers or the gate structure in the region of the read-out nodes is widened. By this Aufgabelung the readout nodes AK a , AK b are surrounded by a gate structure and separated with a minimum distance from the adjacent modulation gate yarn, Gbm. By such a procedure, electrical passages from the modulation gate to the read-out nodes are advantageously reduced or inhibited.
Wie bereits erwähnt, wird ein PMD-Pixel typischerweise mit Hilfe von einem Feldoxid und einer optischen Abdeckung vom benachbarten Matrixpixel getrennt. Dadurch wird As already mentioned, a PMD pixel is typically separated from the neighboring matrix pixel by means of a field oxide and an optical cover. This will
typischerweise ein Übersprechen der einzelnen Matrixpixel untereinander minimiert. Bei sehr kleinen Pixeln spielt der Füllfaktor jedoch eine immer wichtigere Rolle. Insbesondere ist es nachteilig, wenn die separierende Feldoxidmatrix eine größere Dimension aufweist als die Auslesefinger. Liegt der Pixelpitch in einer Größenordnung des Fingerpitch, spielt das typically minimizes crosstalk between the individual matrix pixels. For very small pixels, however, the fill factor plays an increasingly important role. In particular, it is disadvantageous if the separating field oxide matrix has a larger dimension than the read-out fingers. If the pixel pitch is on the order of a fingerpitch, it plays
Randgebiet bzw. Separationsgebiet in Bezug auf den Füllfaktor eine immer wichtigere Rolle. Der typische Fingerpitch LFp, d.h. Auslesefinger plus Modulationsgates, liegt in der Größenordnung von ca. 7 - 10 μηι. Die Höhe bzw. Breite der Finger und die Kanallänge, sind bei PMD-Strukturen, ähnlich wie bei Transistoren, in einem sehr weiten Bereich skalierbar. Peripheral area or separation area with respect to the filling factor an increasingly important role. The typical finger pitch L F p, ie read-out finger plus modulation gates, lies in the Order of about 7 - 10 μηι. The height and width of the fingers and the channel length are scalable in a very wide range for PMD structures, similar to transistors.
Durch den Einsatz kleinerer Herstellungsprozesse und der Miniaturisierung der Through the use of smaller manufacturing processes and the miniaturization of
Ausleseelektronik ist es möglich, den Pixelpitch LPP oder die Größe eines Pixels in die Readout electronics, it is possible to use the pixel pitch L PP or the size of a pixel in the
Größenordnung des Fingerpitches LFp zu bringen. Des Weiteren besteht der Wunsch nach Sensoren mit möglichst hoher Auflösung bei geringen Abmessungen. Order of magnitude of the finger pitch L F p to bring. Furthermore, there is a desire for sensors with the highest possible resolution and small dimensions.
Zur Lösung dieser technischen Erfordernisse wird eine durchlaufende PMD-Pixelstruktur ohne separierende Feldoxide vorgeschlagen. To solve these technical requirements, a continuous PMD pixel structure without separating field oxides is proposed.
Figur 7 und 8 zeigen eine solche durchlaufende Pixel-Struktur. Figures 7 and 8 show such a continuous pixel structure.
Figur 7a zeigt einen Querschnitt einer solchen Struktur mit vier Auslesefmger Ga, Gb und jeweils zwei Modulationsgates Garn, Gbm zwischen zwei Auslesefmger Ga, Gb. Die FIG. 7a shows a cross-section of such a structure with four read-out paths Ga, Gb and two modulation gates yarn, Gbm between two read-out paths Ga, Gb. The
Modulationsgates Garn, Gbm sind wie bereits in Figur 3 dargestellt lichtdurchlässig und bilden einen lichtempfindlichen Bereich 26 des Lichtlaufzeitpixels 23. Die Auslesefmger Ga, Gb sind mit einer Maske abgedeckt und bilden einen lichtunempfindlichen Bereich 27. Unterhalb der Auslesefmger Ga, Gb sind Dotierungsbereiche angedeutet, die entsprechend des Grundmaterials des Halbleiters n- oder p-dotiert sein können. Wie bereits in den obigen Beispielen dargestellt, kann es sich hier auch um eine Gate-Struktur mit Ausleseknoten handeln. Modulation gates yarn, Gbm are transparent as shown in Figure 3 and form a photosensitive region 26 of the light transit time pixel 23. The Auslesefmger Ga, Gb are covered with a mask and form a light-insensitive region 27. Below the Auslesefmger Ga, Gb doping regions are indicated may be n- or p-doped according to the base material of the semiconductor. As already shown in the above examples, this can also be a gate structure with read-out nodes.
In Figur 7b zeigt einen möglicher Potenzialverlauf für die in Figur 7a dargestellte Struktur, analog zu der Darstellung gemäß Figur 3c. FIG. 7b shows a potential curve for the structure shown in FIG. 7a, analogous to the representation according to FIG. 3c.
Figur 8 zeigt eine Draufsicht auf die Pixel- Struktur gemäß Figur 7a. Die Auslesefmger Ga, Gb werden von einer Ausleseeinheit 400 ausgelesen, wobei gleichnamige Auslesefmger gemeinsam auf eine Auswerteeinheit 420 geführt werden, die beispielsweise die Ladungsdifferenzen Aq oder die Ladungssummen Σq der Auslesefmger Ga, Gb ermittelt. Das vom Modulator 30 stammende Modulationssignal wird über eine Potenzialzuleitung 35 auf die Modulationsgates Garn, Gbm entsprechend gegenphasig zugeführt. Die Modulationsgates Garn, Gbm in unmittelbarer FIG. 8 shows a plan view of the pixel structure according to FIG. 7a. The Auslesefmger Ga, Gb are read by a readout unit 400, wherein Auslesefmger same name are performed together on an evaluation unit 420, for example, the charge differences Aq or the charge sums Σq the Auslesefmger Ga, Gb determined. The modulation signal originating from the modulator 30 is fed in counterphase via a potential supply line 35 to the modulation gates Yarn, Gbm. The modulation gates yarn, Gbm in the immediate
Nachbarschaft eines Auslesefingers Ga, Gb befinden sich jeweils auf gleichem Potenzial. Die Ausleseeinheit 400 und die Potentialzuleitung 35 sind wie auch die Auslesefmger Ga, Gb mit einer lichtundurchlässigen Maske abgedeckt. Neighborhood of a selection finger Ga, Gb are each at the same potential. The read-out unit 400 and the potential supply line 35, like the readout gates Ga, Gb, are covered with an opaque mask.
Das in Figur 7 und 8 gezeigte Lichtlaufzeitpixel wird erfindungsgemäß, wie in Figur 9 dargestellt, durchlaufend und ohne Separation in einer Pixel-Zeile angeordnet. Die in Figur 9 dargestellte Pixelzeile in vier Einzelpixel 23.1 - 23.4 aufgeteilt. Die Pixelgrenzen sind jeweils mit Strichpunktlinien gekennzeichnet. Die Auslesefmger, die am Rande des Lichtlaufzeitpixels liegen haben einen lichtempfindlichen Bereich 26a mit dem benachbarten Pixel gemeinsam. Die dort generierten Ladungsträger fließen somit je nach Potenziallage einmal zum Nachbarpixel und das andere Mal zum eigenen Auslesefmger. Da sich dieser Vorgang jedoch an beiden äußeren Auslesefmger mit entgegengesetztem Vorzeichen wiederholt, gleicht sich dieser Ladungstransfer im Mittel wieder aus, so dass effektiv, wie in Figur 9 dargestellt, nur der halbe gemeinsame lichtempfindliche Bereich 26a für das jeweilige Pixel aktiv ist. The light-propagation time pixel shown in FIGS. 7 and 8 is arranged according to the invention, as shown in FIG. 9, continuously and without separation in a row of pixels. The pixel line shown in FIG. 9 is divided into four individual pixels 23.1 - 23.4. The pixel boundaries are each marked with dashed dotted lines. The read-out flags that are at the edge of the light-time pixel share one photosensitive area 26a with the neighboring pixel. Depending on the potential position, the charge carriers generated there thus flow once to the neighboring pixel and the other time to the own read-out marker. However, since this process repeats on both outer reading outlets with opposite signs, this charge transfer on average recovers, so that effectively, as shown in FIG. 9, only half the common light-sensitive area 26a is active for the respective pixel.
Figur 10 zeigt eine kleinstmö gliche Pixelstruktur mit nur zwei Auslesefmger Ga, Gb und vier Modulationsgates Garn, Gbm, wobei, wie auch in den bislang dargestellten Pixeln, die FIG. 10 shows a smallest possible pixel structure with only two read-out paths Ga, Gb and four modulation gates yarn, Gbm, wherein, as in the pixels shown so far, the
Auslesefmger mit zwei im Potential gleichwirkenden Modulationsgates umgeben ist. Der Pixelpitch Lpp ist in diesem Fall nur geringfügig größer als der Fingerpitch Lpp. Auslesefmger with two equal potential in the same acting modulation gates is surrounded. The pixel pitch Lpp is in this case only slightly larger than the finger pitch Lpp.
Figur 11 zeigt eine Anordnung mit mehreren PMD-Pixelzeilen 23z, bei der sich für eine platzsparende Anordnung jeweils zwei Pixelzeilen einen Flächenbereich für die FIG. 11 shows an arrangement with a plurality of PMD pixel rows 23z, in which, for a space-saving arrangement, two pixel rows each have a surface area for the pixel array
Potenzialzuleitungen 35 und Ausleseeinheiten 400 teilen. Share potential leads 35 and readout units 400.
Figur 12 bzw. Figur 12a zeigt eine Variante mit drei Modulationsgates Garn, Gbm, GO die unterschiedliche optische Filter aufweisen, um so beispielsweise eine visuelle Farbinformation zu generieren. FIG. 12 or FIG. 12a shows a variant with three modulation gates yarn, Gbm, GO, which have different optical filters in order to generate, for example, visual color information.
Zur Erfassung einer Farbinformation kann beispielsweise ein Potenzial gemäß Figur 12b an die Pixelstruktur angelegt werden. Durch Aufbringen von Farbfiltern Rot R, Grün G und Blau B über den Modulationsgates in Kombination mit einer geeigneten Ansteuerung der Gates ist es möglich, Farb-Informationen aus dem Sensor zu extrahieren, deren Auflösung höher ist als die physikalische Auflösung in Bezug auf die 3D-Werte. For example, to detect a color information, a potential according to FIG. 12b can be applied to the pixel structure. By applying color filters Red R, Green G and Blue B over the modulation gates in combination with a suitable control of the gates, it is possible to extract color information from the sensor whose resolution is higher than the physical resolution with respect to the 3D Values.
Die Modulationsgates an den Seiten der Auslesefmger werden auf beiden Seiten mit dem gleichen Filtern versehen, die zusätzlich zu einer Transparenz in einer der drei Grundfarben auch im Infraroten durchlässig sind. Das mittlere Gate ist nur im Infraroten durchlässig. The modulation gates on the sides of the Auslesefmger be provided on both sides with the same filters, which are permeable to infrared in addition to a transparency in one of the three primary colors. The middle gate is permeable only in the infrared.
Im Färb- bzw. RGB-Modus werden die mittleren Gates GO vorzugsweise mit 0 Volt angesteuert, während die äußeren Modulationsgates Ga, Gb mit einer Spannung zwischen den Auslese- oder Separationsgates beaufschlagt werden. Die unterhalb der Farbfilter generierten Ladungsträger werden an dem nächst gelegenen Auslesefmger Ga, Gb gesammelt. Die unter dem mittleren Modulationsgate GO anliegende Potentialbarriere kann von den Ladungsträgern nicht überwunden werden. Für eine Photonenmischung wird vorzugsweise ein Potenzial gemäß Figur 12c an die Modulationsgates angelegt, wobei die modulierte Beleuchtung im Infraroten IR erfolgt. In the color or RGB mode, the middle gates GO are preferably driven at 0 volts, while the outer modulation gates Ga, Gb are supplied with a voltage between the readout or separation gates. The charge carriers generated below the color filters are collected at the nearest readout Ga, Gb. The potential barrier applied under the middle modulation gate GO can not be overcome by the charge carriers. For a photon mixture, a potential according to FIG. 12c is preferably applied to the modulation gates, wherein the modulated illumination takes place in the infrared IR.
Figur 13 zeigt einen Aufbau bzw. Verschaltung, bei der eine gegenüber der physikalischen Pixelauflösung eine höhere virtuelle Pixelauflösung realisiert werden kann. Typischerweise sind die verwendeten Pixel quadratisch, dies ist aber nicht zwingend notwendig. Ein Pixel besteht mindestens aus zwei Auslesefmger Ga, Gb und den Modulationsgates Garn, Gbm, G0 bzw. MOD. Im hier gezeigten Beispiel hat die eigentliche Pixelzelle ein Format von 2: 1 im Verhältnis von Breite zu Höhe. Durch die Realisierung der Pixel als durchlaufende Matrixpixel ist es möglich, durch eine Berechnung von Entfernungswerten aus den Ladungsdifferenzen aller Auslesefmgern Ga, Gb mit dem jeweilig benachbarten Auslesefmger Ga, Gb, eine virtuell höhere Pixelauflösung zu erreichen. Der resultierende virtuelle Pixelpitch Lypp beträgt im dargestellten Beispiel dann 1 : 1 während der physikalische Pixelpitch Lpp 2: 1 beträgt. FIG. 13 shows a configuration in which a higher virtual pixel resolution than the physical pixel resolution can be realized. Typically, the pixels used are square, but this is not mandatory. A pixel consists of at least two read-out gates Ga, Gb and the modulation gates Yarn, Gbm, G0 or MOD. In the example shown here, the actual pixel cell has a format of 2: 1 in the ratio of width to height. By realizing the pixels as passing matrix pixels, it is possible to achieve a virtually higher pixel resolution by calculating distance values from the charge differences of all read-out factors Ga, Gb with the respective neighboring read-out memory Ga, Gb. The resulting virtual pixel pitch Lypp is then 1: 1 in the example shown, while the physical pixel pitch Lpp is 2: 1.
Typischerweise werden bei einem PMD-Sensor vier Frames zeitlich hintereinander mit vier unterschiedlichen Phasenlagen aufgenommen. Dies ermöglicht zwar eine hohe örtliche Typically, in a PMD sensor, four frames are recorded in temporal succession with four different phase angles. Although this allows a high local
Auflösung bedingt aber eine geringe zeitliche Auflösung. Resolution, however, requires a low temporal resolution.
Figur 14 zeigt einen Aufbau in dem durch eine gemeinsame Nutzung der Auslesefmger vier unterschiedliche Phasen in einem engen räumlichen Gebiet realisiert werden können. Über den Modulator 30 werden die obere und untere Pixelzeile mit einem Modulationssignal beaufschlagt, wobei die untere Pixelzeile mit einem um 90° verschobenen Modulationssignal beaufschlagt wird. Durch geeignete Verschaltung können jeweils benachbarte Pixel in einer Pixelzeile mit einer um 180° verschobenen Phasenlage beaufschlagt werden. Durch dieses Vorgehen können in einem Frame durch Verrechnung von zwei mal zwei benachbarten Pixeln ein Entfernungswert ermittelt werden. Hierdurch ist es möglich, die Bewegungsartefakte deutlich zu minimieren, ohne dass die räumliche Auflösung stark beeinträchtigt wird. FIG. 14 shows a structure in which four different phases can be realized in a narrow spatial area by sharing the readout memory four different phases. Via the modulator 30, the upper and lower pixel line are subjected to a modulation signal, wherein the lower pixel line is applied with a shifted by 90 ° modulation signal. By suitable interconnection adjacent pixels in a row of pixels can be acted upon by a shifted by 180 ° phase position. By this procedure, a distance value can be determined in a frame by offsetting two times two neighboring pixels. This makes it possible to significantly minimize the motion artifacts without greatly affecting the spatial resolution.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Sendeeinheit 10 transmission unit
12 Beleuchtungslichtquelle 12 illumination light source
15 Strahlformungsoptik 15 beam shaping optics
20 Empfangseinheit, TOF-Kamera 20 receiving unit, TOF camera
22 Lichtlaufzeitsensor 22 light transit time sensor
23 Lichtlaufzeitpixel 23 light-time pixels
23Z Lichtlaufzeitpixelzeile 23Z light time pixel line
25 Empfangsoptik 25 receiving optics
26 lichtempfindlicher Bereich 26 photosensitive area
26a gemeinsamer lichtempfindlicher Bereich 26a common photosensitive area
27 lichtunempfindlicher Bereich 27 light-insensitive area
28a aktiver Bereich für Auslesefinger Ga 28a active range for readout finger Ga
28b aktiver Bereich für Auslesefinger Gb28b active range for read finger Gb
30 Modulator 30 modulator
35 Potentialzuleitung 35 potential supply
40 Objekt 40 object
400 Ausleseeinheit 400 readout unit
420 Auswerteeinheit 420 evaluation unit
Garn, G0, Gbm, MOD Modulationsgates Yarn, G0, Gbm, MOD modulation gates
Ga, Gb Auslesefinger Ga, Gb elite finger
AGa, AGb Auslesegates AG a , AG b Readout gates
AKa, AKb Ausleseknoten AK a , AK b Selection node
q Ladungen q charges
qa, qb Ladungen am Auslesefinger Ga, Gb qa, qb charges on the readout finger Ga, Gb
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