Title:
Referenzpixelanordnung für einen Bildsensor
Kind Code:
B3


Abstract:

Es ist eine Referenzpixelanordnung für einen Bildsensor vorgesehen, mit mehreren vorzugsweise zeilenförmig angeordneten Pixeln, die einen lichtdurchlässigen Bereich und Mittel zur Integration von Ladungsträgern aufweisen, wobei die Pixel mit einer lichttransmittierenden Deckschicht abgedeckt sind, und auf und/oder in der Deckschicht Dämpfungselemente angeordnet sind, die eine laterale Lichtausbreitung innerhalb der Deckschicht verringern.




Inventors:
Schaale, Christian (88138, Weißensberg, DE)
Wilks, Ralph, Dr. (88239, Wangen, DE)
Application Number:
DE102016219172A
Publication Date:
01/25/2018
Filing Date:
10/04/2016
Assignee:
ifm electronic gmbh, 45128 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102015204124A1N/A2015-11-05
DE19704496C2N/A2001-02-15



Foreign References:
200900206872009-01-22
WO2015136099A22015-09-17
Claims:
1. Referenzpixelanordnung für einen Bildsensor,
mit mehreren zeilenförmig angeordneten Referenzpixeln (26), die einen lichtdurchlässigen Bereich und Mittel (Ga, Gb) zur Integration von Ladungsträgern (q) aufweisen,
wobei die Pixel mit einer lichttransmittierenden Deckschicht (27) abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet,
dass auf der Deckschicht (27) Dämpfungselemente (28) angeordnet sind, die eine laterale Lichtausbreitung innerhalb der Deckschicht (27) verringern
und eine Oberfläche der Deckschicht (27) zumindest partiell mit einem lichtabsorbierenden Material (28) als Dämpfungselement (28) beschichtet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei dem innerhalb der Deckschicht (27) als Dämpfungselement (28) zumindest partiell lichtdämpfende Materialien und/oder strukturelle Veränderungen (28) eingebracht sind.

3. Bildsensor (23) zur Erfassung von Licht,
mit einem Array von Pixeln (21), die Mittel (Ga, Gb) zur Integration von Ladungsträgern (q) aufweisen,
wobei ein Teil der Pixel (21) als Referenzpixel (26) herangezogen werden,
und wobei diese Referenzpixel (26) als Referenzpixelanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.

4. Bildsensor (23) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Bildsensor als Lichtlaufzeitsensor (23) mit Lichtlaufzeitpixeln (21) und Referenzpixeln (26) zur Phasenmessung eines modulierten Lichts ausgebildet ist.

5. Lichtlaufzeitkamera mit einer Referenzpixelanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 2 oder einem Bildsensor (23) nach Anspruch 3 bis 4.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Referenzpixelanordnung für einen Bild- insbesondere Lichtlaufzeitsensor, sowie auch einen Lichtlaufzeitsensor nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Als Lichtlaufzeitsensor soll hier insbesondere ein Sensor verstanden werden, der eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnt. Als Lichtlaufzeit- bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie beispielsweise in der DE 197 04 496 C2 beschrieben und von der Firma ‚ifm electronic GmbH’ oder 'PMD-Technologies GmbH' als O3D-Sensor oder als Cam Board zu beziehen sind.

Aus der DE 10 2015 204 124 A1 ist beispielhaft ein Auskoppelelement für einen Lichtleiter zur Lichtführung an einen Lichtlaufzeitsensor bekannt. Das Auskoppelelement ist insbesondere für die Anbringung an Referenzpixeln des Lichtlaufzeitsensors ausgebildet und so ausgestaltet, dass die Referenzpixel mit unterschiedlichen Lichtintensitäten beleuchtet werden können.

Weitere Varianten zur Beleuchtung von Referenzpixeln eines Lichtlaufzeitsensors sind aus der WO 2015/136 099 A2 und der US 2009/0 020 687 A1 bekannt. In der erstgenannten Schrift werden die Referenzpixel indirekt über Reflektionen an einer Frontscheibe beleuchtet. In der weiteren Schrift werden unterschiedliche Lichtintensitäten an den Referenzpixeln realisiert, indem beispielsweise die Referenzpixel mit unterschiedlich großen Blenden versehen werden oder das Referenzlicht in einen schrägen Lichteinfall auf die Referenzpixel geleitet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit eines Bildsensors bzw. die Zuverlässigkeit der Distanzmessungen einer Lichtlaufzeitkamera bzw. eines Lichtlaufzeitsensors zu verbessern.

Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Referenzpixelarray und dem erfindungsgemäßen Bildsensor nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Vorteilhaft ist eine Referenzpixelanordnung für einen Bildsensor vorgesehen, mit mehreren vorzugsweise zeilenförmig angeordneten Pixeln, die einen lichtdurchlässigen Bereich und Mittel zur Integration von Ladungsträgern aufweisen, wobei die Pixel mit einer transparenten bzw. lichttransmittierenden Deckschicht abgedeckt sind, und auf und/oder in der Deckschicht Dämpfungselemente angeordnet sind, die eine laterale Lichtausbreitung innerhalb der Deckschicht verringern.

Durch dieses Vorgehen ist es möglich, in einfacher Art und Weise den Dynamikumfang eines Referenzpixelarrays zu erhöhen. So ist es möglich, dass selbst bei starker Bestrahlung immer ein Pixel aufgefunden werden kann, deren Integrationsknoten nicht in Sättigung sind und/oder ein geeignetes Signal-Rauschverhältnis aufweisen.

Bevorzugt ist vorgesehen, die Deckschicht mit prismatischen Strukturen zu versehen, die einen Teil des sich in laterale Richtung ausbreitenden Lichts auskoppeln.

Diese Strukturen wirken als Dämpfungselement, da sie in lateraler Richtung die Menge des sich ausbreitenden Lichts reduzieren.

Ebenso vorteilhaft ist es, die Oberfläche der Deckschicht zumindest partiell mit einem lichtabsorbierenden Material zu beschichten, die ebenso als Dämpfungselement wirken.

In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, innerhalb der Deckschicht zumindest partiell lichtdämpfende Materialien und/oder strukturelle Veränderungen als Dämpfungselement einzubringen.

Ferner ist es nützlich auf der Deckschicht und oberhalb der Pixel Mikrolinsen mit unterschiedlichen Abmessungen anzuordnen, wobei die Abmessungen derart variieren, dass die Pixel mit unterschiedlichen Lichtmengen beleuchtet werden.

Ebenso vorteilhaft ist ein Bildsensor zur Erfassung von Licht vorgesehen, mit einem Array von Pixeln, die Mittel zur Integration von Ladungsträgern aufweisen, wobei ein Teil der Pixel als Referenzpixel herangezogen werden, und wobei diese Referenzpixel als Referenzpixelanordnung entsprechend obiger Ausführungen ausgebildet sind.

Besonders vorteilhaft ist es den Bildsensor als Lichtlaufzeitsensor mit Lichtlaufzeitpixeln und Referenzpixeln zur Phasenmessung eines modulierten Lichts auszubilden.

Ferner ist eine Lichtlaufzeitkamera mit eine Referenzpixelarray oder Bildsensor nach einem der vorgenannten Ausführungen vorgesehen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen schematisch:

1 ein Lichtlaufzeitkamerasystem,

2 einen Sensor mit Referenzpixel

3 einen Querschnitt eines Lichtlaufzeitpixels,

4 einen Querschnitt eines Lichtlaufzeitsensor mit abgedeckten Lichtlaufzeitpixel,

5 eine Ausführung mit prismatischen Dämpfungselementen,

6 eine Ausführung mit Füllstoffen als Dämpfungselement,

7 eine Ausführung mit Mikrolinsen als Dämpfungselemente.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.

1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeit-Kamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist.

Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtung 10 mit einer Lichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 23. Der Lichtlaufzeitsensor 23 weist ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet.

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 23 über einen Modulator 220 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz bzw. Modulationssignal mit einer ersten Phasenlage a beaufschlagt. 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 Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage b auf den Lichtlaufzeitsensor 23. Im Lichtlaufzeitsensor 23 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 220 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.

Zur genaueren Bestimmung der zweiten Phasenlage b und somit der Objektentfernung d kann es vorgesehen sein, die Phasenlage a mit der der Lichtlaufzeitsensor 23 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.

Zur Kompensation von Messunsicherheiten können auf dem Sensor 23 ferner Lichtlaufzeitpixel 21 für eine Referenzmessung herangezogen werden. Vorzugsweise eignen sich für die Referenzierung Lichtlaufzeitpixel am Rande des Sensors. Auch können diese Pixel zur Referenzierung abgesetzt von der bilderfassenden Pixelmatrix angeordnet werden. Insbesondere ist es auch denkbar, diese Referenzpixel auf einem separaten Chip anzuordnen.

Um Veränderungen der elektrischen Eigenschaften während des Betriebes erkennen und kompensieren zu können, können die Referenzpixel beispielsweise mit einem Referenzsignal/-licht beleuchtet werden. Insbesondere kann es vorgesehen sein, ein Teil des ausgesendeten Lichts auszukoppeln und mit diesem Licht die Referenzpixel zu beleuchten. In Abhängigkeit der Unterschiede zwischen den erwarteten und gemessenen Ergebnissen können die Messungen der bilderfassenden Pixelmatrix korrigiert werden.

2 zeigt einen solchen Sensor 23, bei dem neben den bilderfassenden Pixeln 21 räumlich abgesetzt Referenzpixel 26 angeordnet sind, wobei über eine Lichtleitung 260 Licht von der Lichtquelle 12 an die Referenzpixel 26 herangeführt wird. Idealerweise weisen die Referenzpixel 26 die gleichen elektrischen Eigenschaften wie die bilderfassenden Pixel 21 auf.

3 zeigt schematisch ein Lichtlaufzeitpixel 21 mit Modulationsgates Gam, Gbm in einem lichtdurchlässigen Bereich und Integrationsknoten in einem lichtundurchlässigen Bereich. Die Halbleiterstruktur ist typischerweise mit einer transparenten, elektrisch isolierenden Deckschicht 27, bestehend beispielsweise aus SiO2 oder Si3N4, abgedeckt. Bereiche, in denen kein Lichteinfall erwünscht ist, sind mit einer Metallisierung 28 versehen.

Die im lichtdurchlässigen Bereich einfallende Strahlung hν erzeugt im Halbleiter Ladungsträger q, die in Abhängigkeit der anliegenden Modulationsspannung ModA, ModB entweder dem ersten oder zweiten Integrationsknoten Ga, Gb phasensynchron zugeführt werden.

Im dargestellten Fall sind die Integrationsknoten Ga, Gb als Dioden in einem p-dotierten Basismaterial ausgebildet. Die Dotierung kann selbstverständlich auch komplementär erfolgen. Die an den Integrationsknoten Ga, Gb gesammelten Ladungen werden dann über Ausleseschaltungen an beispielsweise Spaltenleitungen weiter gegeben.

4 zeigt einen erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitsensor 23 mit einem Referenzpixelbereich 26 der offene und abgedeckte Lichtlaufzeitpixel 21, 22 aufweist. Die Lichtlaufzeitpixel 21, 22 entsprechen dem in 3 dargestelltem Pixel. Die abgedeckten Lichtlaufzeitpixel 22 unterscheiden sich dahingegen, dass auch die ursprünglich lichtdurchlässigen Bereiche mit einer lichtundurchlässigen Schicht 28 abgedeckt sind.

Kerngedanke der Erfindung ist, den typischerweise nachteiligen Effekt des Signalübersprechens zwischen benachbarten Pixeln durch Lichtstreuung oder -weiterleitung vorteilhaft für die Bereitstellung unterschiedlicher Nutzsignalamplituden zu verwenden, wobei durch Einbringen von Dämpfungselementen die Lichtweiterleitung so beeinflusst wird, dass in der Strecke der Lichtausbreitung die Lichtintensität abnimmt und die Referenzpixel 26 somit mit unterschiedlichen Lichtintensitäten beleuchtet werden können.

Im dargestellten Fall erfolgt eine Unterleuchtung der abgedeckten Pixel 22 durch eine Lichtleitung in der transparenten Deckschicht 27 des Sensors 23. Der Übersicht halber sind die Schichten überproportional dargestellt. Wie dargestellt wird das am offenen Pixel einfallende Licht in der Deckschicht 27 durch Mehrfachreflektionen weitergeleitet. Die Stärke der Reflektionen kann insbesondere durch die Wahl des Dämpfungselements 28 hier der Beschichtung 28 beeinflusst werden. Die Beschichtung 28 ist vorzugsweise als Metallisierung ausgeführt, es sind jedoch auch andere Beschichtungen insbesondere Lacke mit vorzugsweise lichtabsorbierende Eigenschaften denkbar. Auch ist es denkbar, die Deckschicht 27 in unterschiedlichen Materialen mit unterschiedlichen Brechungsindices beispielsweise SiO2 mit n = 1,41 und Si3N4 mit n = 2,0 auszubilden. Insbesondere ist es auch denkbar, die Deckschicht 27 als Verbund verschiedener Materialen auszufertigen. Die Reichweite des eindringenden Lichts kann somit beispielsweise durch den Aufbau der Deckschicht 27 Form, Lage, Anordnung, Größe und/oder Material der Beschichtung 28 beeinflusst werden. Über die unterschiedlichen Reflektions- und/oder Absorptionseigenschaften der für die Beschichtung 28 einsetzbaren Materialien kann die Lichtreichweite beeinflusst werden.

Die abgedeckten Lichtlaufzeitpixel werden genauso betrieben wie die offenen Lichtlaufzeitpixel nur mit dem Unterschied, dass die in diesen Bereichen generierten Ladungsträger q nicht durch direkten, sondern durch indirekten Lichteinfall erzeugt werden.

Über die Strecke der abgedeckten Pixel nimmt die Intensität des eingestrahlten Lichts ab, so dass auch bei einem starken Lichteinfall im Bereich des offenen Pixels 26 immer ein Referenzpixel 26 mit einem geeignetem Nutzsignal gefunden werden kann.

5 zeigt eine weitere Variante, bei der die Dämpfungselemente 28 als prismatische Strukturen auf der Deckschicht 27 ausgebildet sind, die ein Teil des Lichts wieder nach außen durchlassen, so dass über die laterale Erstreckung die an den Pixel 26 zur Verfügung stehende Lichtmenge abnimmt.

6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Dämpfungselemente 28 in Form von Füllstoffen und/oder Strukturierungen innerhalb der Deckschicht 27 eingebracht sind. Derartige Füllstoffe können beispielsweise in Form von Farbstoffen, Partikeln etc. in die Deckschicht 27 eingebracht werden. Ebenso ist es denkbar, die Dämpfungselemente 28 bereits während des Schichtaufbaus zu strukturieren bzw. die Deckschicht 28 dezidiert mit intensitätsreduzierenden Eigenschaften auszustatten.

Die 7 zeigt eine weitere Variante, bei der Referenzpixel 26 mit Mikrolinsen ausgestattet werden, die unterschiedliche Lichtsammeleigenschaften aufweisen, so dass die Referenzpixel 26 mit unterschiedlichen Lichtmengen beleuchtet werden.

Selbstverständlich sind auch Kombinationen der oben aufgeführten Dämpfungselemente denkbar. Insbesondere können Füllstoffe in der Deckschicht mit Beschichtungen auf der Deckschicht kombiniert werden. Ebenso sind weitere Varianten denkbar.

Bezugszeichenliste

1
Lichtlaufzeitkamerasystem
10
Sendeeinheit
12
Beleuchtungslichtquelle
15
Strahlformungsoptik
20
Empfangseinheit, Lichtlaufzeitkamera
21
Lichtlaufzeitpixel
22
abgedecktes Lichtlaufzeitpixel
23
Lichtlaufzeitsensor
25
Empfangsoptik
26
Referenzpixel, -array
27
Isolationsschicht
28
Dämpfungselement
40
Objekt
260
Lichtleitung
Ga, Gb
Integrationsknoten
ModA, ModB
Modulationszuleitung, – signal
Gam, Gbm
Modulationsgates
n, p
Dotierungen