DE102018132683A1 - PIXEL STRUCTURE FOR OPTICAL DISTANCE MEASUREMENT ON AN OBJECT AND RELATED DISTANCE DETECTION SYSTEM - Google Patents

PIXEL STRUCTURE FOR OPTICAL DISTANCE MEASUREMENT ON AN OBJECT AND RELATED DISTANCE DETECTION SYSTEM Download PDF

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Abstract

Eine Pixelstruktur (10; 30) zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt (12), mit zumindest einem Pixel (14; 32), welches mehrere Teilpixel (16a, 16b, 16c) aufweist, wobei jedes Teilpixel (16a, 16b, 16c) einen ersten photoaktiven Bereich (18a, 18b, 18c), einen ersten Speicherknoten (26a, FD1, 26b, FD2, 26c, FD3) und ein erstes Auswerte-Gate (24a, TX1, 24b, TX2, 24c, TX3) umfasst, wobei das erste Auswerte-Gate (24a, TX1, 24b, TX2, 24c, TX3) benachbart zu dem jeweiligen ersten Speicherknoten (26a, FD1, 26b, FD2, 26c, FD3) und dem ersten photoaktiven Bereich (18a, 18b, 18c), und ausgebildet ist, um einen Transport von Ladungsträgern aus dem ersten photoaktiven Bereich (18a, 18b, 18c) zu dem ersten Speicherknoten (26a, FD1, 26b, FD2, 26c, FD3) zu steuern;wobei eine mit dem jeweiligen Speicherknoten (26a-c, FD1-3) verschaltete Verstärkerschaltung (M2-1, M2-1, M2-3) ausgebildet ist, die von wenigstens zwei Speicherknoten ausgangsseitig dauerhaft oder zeitweise kurzgeschlossen sind, so dass die Speicherknoten über einen einzigen Abgriff auslesbar sind.A pixel structure (10; 30) for optical distance measurement on an object (12), with at least one pixel (14; 32), which has several sub-pixels (16a, 16b, 16c), each sub-pixel (16a, 16b, 16c) one comprises a first photoactive region (18a, 18b, 18c), a first storage node (26a, FD1, 26b, FD2, 26c, FD3) and a first evaluation gate (24a, TX1, 24b, TX2, 24c, TX3), the first evaluation gate (24a, TX1, 24b, TX2, 24c, TX3) adjacent to the respective first storage node (26a, FD1, 26b, FD2, 26c, FD3) and the first photoactive region (18a, 18b, 18c), and is designed to control a transport of charge carriers from the first photoactive region (18a, 18b, 18c) to the first storage node (26a, FD1, 26b, FD2, 26c, FD3); one with the respective storage node (26a-c , FD1-3) interconnected amplifier circuit (M2-1, M2-1, M2-3) is formed, which are permanently or temporarily short-circuited on the output side by at least two storage nodes, so that the storage nodes can be read out via a single tap.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Pixelstruktur zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt und auf ein Abstandserfassungssystem, das eine derartige Pixelstruktur aufweist.The present invention relates to a pixel structure for optical distance measurement on an object and to a distance detection system which has such a pixel structure.

Im Stand der Technik sind optische Verfahren bekannt, die Betätigungen durch Benutzer in Reaktion auf eine Auswertung von Bildinformationen erkennen und daraufhin z.B. Schaltvorgänge auslösen. Beispielsweise sind hier automatische Videoauswertungen von Überwachungssystemen zu nennen, welche Muster oder Bewegungen aus einzelnen Bildern oder einer Folge von Bildern herauslesen. Außerdem sind zahlreiche andere optisch gestützte Systeme bekannt, wobei zu den grundlegendsten Lichtschranken oder Helligkeitssensoren gehören. Optische Systeme mit höherer Komplexität bedienen sich jedoch oft eines Arrays von optisch sensitiven Erfassungseinheiten, meist als Pixel bezeichnet, die parallel optische Informationen aufnehmen, beispielsweise in Gestalt eines CCD-Arrays.Optical methods are known in the prior art which recognize user actuations in response to an evaluation of image information and then e.g. Trigger switching operations. For example, automatic video evaluations of surveillance systems can be mentioned here, which read patterns or movements from individual images or a sequence of images. Numerous other optically supported systems are also known, the most basic of which are light barriers or brightness sensors. However, optical systems of higher complexity often use an array of optically sensitive detection units, usually referred to as pixels, which record optical information in parallel, for example in the form of a CCD array.

Die DE 10 2008 025 669 A1 offenbart einen optischen Sensor, welcher eine Geste detektiert, woraufhin ein Schließelement eines Fahrzeugs automatisch bewegt wird.The DE 10 2008 025 669 A1 discloses an optical sensor that detects a gesture, whereupon a closing element of a vehicle is automatically moved.

Die WO 2008/116699 A2 betrifft einen optischen Sensorchip und bezieht sich auf eine optische Einklemmschutzvorrichtung für die Überwachung einer Fensterscheibe, Schiebetür oder einer Heckklappe in einem KraftfahrzeugThe WO 2008/116699 A2 relates to an optical sensor chip and relates to an optical anti-trap device for monitoring a window pane, sliding door or a tailgate in a motor vehicle

Da die Gestensteuerung in verschiedenen technischen Bereichen immer größere Akzeptanz erfährt, wurden auch Versuche unternommen, solche rein optischen Systeme zur Erkennung des Bedienwunsches bei Kraftfahrzeugen zu verwenden. Im Bereich der optischen Erfassung sind Systeme bekannt, welche eine pixelbezogene Ortsinformation, insbesondere eine Distanz von der Sensor- oder Erfassungseinrichtung erfassen.Since gesture control is gaining increasing acceptance in various technical areas, attempts have also been made to use such purely optical systems for recognizing the operating request in motor vehicles. In the field of optical detection, systems are known which detect pixel-related location information, in particular a distance from the sensor or detection device.

Die WO 2013/001084 A1 offenbart ein System zur berührungslosen Erfassung von Gegenständen und Bediengesten mit einer optisch gestützten Einrichtung.The WO 2013/001084 A1 discloses a system for contactless detection of objects and operating gestures with an optically supported device.

Systeme zur optischen Abstandserfassung werden, je nach angewandtem Auswertungsverfahren, als „Time-of-flight“-Systeme oder auch als „3D-Imager“ oder „Range Imager“ bezeichnet. Beim ToF-Verfahren wird ein Raumbereich mit einer Lichtquelle beleuchtet und die Laufzeit des von einem Objekt im Raumbereich zurück reflektierten Lichtes mit einem Flächensensor aufgenommen. Dazu sollten Lichtquelle und Sensor möglichst nah zueinander angeordnet sein. Aus dem linearen Zusammenhang von Lichtlaufzeit und Lichtgeschwindigkeit lässt sich die Distanz zwischen Sensor und Messobjekt bestimmen. Zur Messung der Verzögerung muss eine Synchronisation zwischen Lichtquelle und Sensor gegeben sein. Durch die Nutzung gepulster Lichtquellen können die Verfahren optimiert werden, denn kurze Lichtpulse (im ns-Bereich) ermöglichen eine effiziente Hintergrundlichtunterdrückung. Außerdem werden durch die Verwendung des gepulsten Lichts mögliche Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung der Distanz vermieden, so lange der Abstand genügend groß ist. Einerseits wird bei diesem Konzept die Lichtquelle gepulst betrieben, andererseits wird die Detektionseinheit, also das Pixelarray gepulst sensitiv geschaltet, also das Integrationsfenster der einzelnen Pixel wird zeitlich mit der Lichtquelle synchronisiert und in der Integrationsdauer begrenzt. Durch den Vergleich von Ergebnissen mit unterschiedlichen Integrationsdauern können insbesondere Effekte von Hintergrundlicht herausgerechnet werden.Systems for optical distance detection are, depending on the evaluation method used, referred to as “time-of-flight” systems or also as “3D imager” or “range imager”. In the ToF method, a room area is illuminated with a light source and the transit time of the light reflected back from an object in the room area is recorded with a surface sensor. For this purpose, the light source and sensor should be arranged as close as possible to each other. The distance between sensor and target can be determined from the linear relationship between the time of light and the speed of light. To measure the delay, there must be synchronization between the light source and the sensor. The methods can be optimized by using pulsed light sources, because short light pulses (in the ns range) enable efficient background light suppression. In addition, the use of the pulsed light avoids possible ambiguities when determining the distance, as long as the distance is sufficiently large. On the one hand, the light source is operated in a pulsed manner in this concept, on the other hand, the detection unit, that is to say the pixel array, is switched to be pulsed-sensitive, that is to say the integration window of the individual pixels is synchronized with the light source in terms of time and the duration of integration is limited. By comparing results with different integration times, effects of background light in particular can be eliminated.

Wesentlich ist, dass diese ToF-Erfassungsmethode keine rein bildbasierte Erfassungsmethode ist. Es wir bei jedem Pixel eine Abstandsinformation ermittelt, was durch die zeitliche Lichtdetektion erfolgt. Bei Verwendung eines Pixelarrays liegt schließlich eine Matrix von Abstandswerten vor, welche bei zyklischer Erfassung eine Interpretation und Verfolgung von Objektbewegungen zulässt.It is essential that this ToF acquisition method is not a purely image-based acquisition method. A distance information is determined for each pixel, which is done by the temporal light detection. Finally, when using a pixel array, there is a matrix of distance values which, when cyclically recorded, permits an interpretation and tracking of object movements.

Die Anwendungsgebiete solcher Systeme liegen neben den Bereichen der industriellen Automatisierungstechnik, in der Sicherheitstechnik und insbesondere im Automobilbereich. In einem Auto werden 3D-Sensoren in Spurhaltesystemen, zum Fußgängerschutz oder als Einparkhilfe eingesetzt, zunehmend aber auch als Bedienelemente, welche für Benutzer eine Gestensteuerung ermöglichen. In diesem Zusammenhang wird auf diesbezügliche Ausarbeitungen verwiesen, welche die technischen Konzepte und deren Realisierung detailliert beschreiben, insbesondere die Dissertation „Photodetektoren und Auslesekonzepte für 3D-Time-of-Flight-Bildsensoren in 0,35 µm-Standard-CMOS-Technologie“, Andreas Spickermann, Fakultät für Ingenieurwissenschaften der, Universität Duisburg-Essen, 2010. Außerdem wird auf die Publikation „Optimized Distance Measurement with 3D-CMOS Image Sensor and Real-Time Processing of the 3D Data for Applications in Automotive and Safety Engineering“, Bernhard König, Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Duisburg-Essen, 2008 verwiesen. Die vorgenannten Arbeiten beschreiben das Konzept und die Realisierung von einsetzbaren optischen Sensorsystemen, so dass im Rahmen dieser Anmeldung auf deren Offenbarung verwiesen wird und nur zum Verständnis der Anmeldung relevante Aspekte erläutert werden.The fields of application of such systems are in addition to the areas of industrial automation technology, security technology and especially in the automotive sector. In a car, 3D sensors are used in lane keeping systems, for pedestrian protection or as parking aids, but increasingly also as operating elements that enable gesture control for users. In this context, reference is made to the relevant elaborations, which describe the technical concepts and their implementation in detail, in particular the dissertation "Photodetectors and readout concepts for 3D time-of-flight image sensors in 0.35 µm standard CMOS technology", Andreas Spickermann, Faculty of Engineering, University of Duisburg-Essen, 2010. In addition, the publication "Optimized Distance Measurement with 3D-CMOS Image Sensor and Real-Time Processing of the 3D Data for Applications in Automotive and Safety Engineering", Bernhard König, Faculty of Engineering of the University of Duisburg-Essen, referenced in 2008. The aforementioned work describes the concept and implementation of optical sensor systems that can be used, so that in the context of this application reference is made to their disclosure and only relevant aspects are explained for understanding the application.

Ein bekanntes ToF-Verfahren ist das pulsmodulierte, indirekte Laufzeitverfahren (PM-ToF). Bei diesem Messverfahren wird die Signalenergie der aktiven Bestrahlungsstärke in einem kurzem Zeitintervall gebündelt, so dass das Signal-zu-Fremdlicht-Verhältnis verbessert wird. Da für Pulslaufzeitmessungen hohe Zeitauflösungen nötig werden, sind die Driftfelddetektoren eine bevorzugtes Sensorprinzip. Eine mögliche Realisierung nach dem Stand der Technik einer Pixelarchitektur anhand des lateralen Driftfelddetektors ist in 6a und 6b dargestellt. Das zugehörige Timing-Diagramm ist in 7 dargestellt.A well-known ToF procedure is the pulse-modulated, indirect runtime procedure (PM-ToF). At In this measuring method, the signal energy of the active irradiance is bundled in a short time interval, so that the signal-to-external light ratio is improved. Since high time resolutions are required for pulse transit time measurements, the drift field detectors are a preferred sensor principle. A possible implementation according to the prior art of a pixel architecture using the lateral drift field detector is shown in 6a and 6b shown. The associated timing diagram is in 7 shown.

Gemäß 7 werden mindestens zwei unterschiedlich lange und/oder zeitversetzte Kurzzeitintegratoren (TX1/TX2) mit der Emission einer modulierten elektromagnetischen Welle synchronisiert. Ein erster Teil des reflektierten elektromagnetischen Wellenpakets wird- in diesem Beispiel- im ersten Kurzzeitintegrationsfenster (TX1) und ein zweiter Teil in einem zweiten Kurzzeitintegrationsfenster (TX2) akkumuliert.According to 7 at least two short-term integrators of different lengths and / or timeslaps ( TX1 / TX2 ) synchronized with the emission of a modulated electromagnetic wave. A first part of the reflected electromagnetic wave packet is - in this example - in the first short-term integration window ( TX1 ) and a second part in a second short-term integration window ( TX2 ) accumulated.

Als Hintergrundlichtreferenz wird ein dritter Kurzzeitintegrator (TX3) verwendet, der optimalerweise außerhalb des Zeitbereichs getriggert wird, in dem der reflektierte „Lichtpuls“ erwartet wird. Anhand der drei unabhängigen Signale, welche in den drei zugehörigen Speicherknoten hinterlegt sind, lassen sich somit Distanz, Reflektanz und Hintergrundlicht bestimmen.A third short-term integrator ( TX3 ) is used, which is optimally triggered outside the time range in which the reflected “light pulse” is expected. With the three independent signals stored in the three associated storage nodes, distance, reflectance and background light can be determined.

Wie es in 6a dargestellt ist, sind die drei Kurzzeitintegratoren TX1-TX3 durch Transfer-Gates realisiert, die ein Photoaktivgebiet mit den zugehörigen Speicherknoten FD1-FD3 verbinden. Um zu vermeiden, dass parasitär erzeugte Ladungsträger außerhalb der Kurzzeitintegrationsfenster TX1-TX3 in die Speicherknoten übersprechen, wird das Photoaktivgebiet durch ein weiteres Transfer-Gate (TX4) mit einem Abführgebiet DD verbunden, welches permanent auf einem Referenzpotential liegt, so dass Ladungsträger definiert abgeführt werden können.Like it in 6a are shown, the three short-term integrators TX1-TX3 realized by transfer gates, which are a photoactive area with the associated storage nodes FD1-FD3 connect. To avoid parasitically generated charge carriers outside the short-term integration window TX1-TX3 crosstalk into the storage node, the photoactive area is separated by another transfer gate ( TX4 ) with a laxation area DD connected, which is permanently at a reference potential, so that charge carriers can be removed in a defined manner.

Wie in 6b dargestellt, ist hier der Photodetektor so gestaltet, dass im Bereich des photoaktiven Gebiets eine n-Wanne ausgebildet ist, welche von Störstellen, wie sie dominant an einer Si-SiO2-Schicht ausgebildet sein können (Gateoxid) durch eine p+-Schicht entfernt ist, so dass ein niedriger Dunkelstrom resultiert. Die n-Wanne weist ferner einen Dotierstoffkonzentrationsgradienten auf, der ein intrinsisches Driftfeld erzeugt, so dass photogenerierte Ladungsträger instantan in Richtung der Speicherknoten propagiert werden.As in 6b the photodetector is designed in such a way that an n-well is formed in the area of the photoactive region, which is removed from impurities, such as may be formed predominantly on an Si-SiO2 layer (gate oxide), by a p + layer, so that a low dark current results. The n-well also has a dopant concentration gradient that generates an intrinsic drift field, so that photogenerated charge carriers are instantaneously propagated in the direction of the storage nodes.

Im Bereich unter dem sogenannten Sammelknoten- „Collection Gate“ (CX)-, welcher das Verbindungsstück zwischen Photoaktivgebiet und Transfer-Gates/Speicherknoten darstellt, wird durch Anbindung an die entsprechenden Steuerelektroden TX1-TX4 permanent eine Vorzugsrichtung definiert. Dies wird so realisiert, als dass stets drei der Steuerelektroden mit einem niedrigen Potential verbunden sind, so dass Potentialbarrieren entstehen, während die verbleibende Elektrode mit einem höheren Potential verbunden ist, so dass eine etwaige Potentialbarriere reduziert wird und eine Vorzugsrichtung entsteht.In the area under the so-called “Collection Gate” (CX), which represents the connecting piece between the photoactive area and the transfer gates / storage node, is connected to the corresponding control electrodes TX1-TX4 permanently defines a preferred direction. This is realized in such a way that three of the control electrodes are always connected to a low potential, so that potential barriers arise, while the remaining electrode is connected to a higher potential, so that any potential barrier is reduced and a preferred direction is created.

Entsprechend 7 werden diese Vorzugsrichtungen in dieser Anwendung derart variiert, dass eine Pulslaufzeitmessung möglich wird. Der Sammelknoten ist optional- die Transfer-Gates könnten auch direkt an ein Photoaktivgebiet gebunden sein. Jedoch ermöglicht ein Sammelknoten die Variation des Oberflächenpotentials durch Verbindung mit einem variablen Referenzpotential, so dass dieser Freiheitsgrad dazu beitragen kann, ein monoton steigendes Potentialprofil vom Photoaktivgebiet in Richtung des durch Beschaltung eines Transfer-Gates selektierten Speicherknotens zu ermöglichen.Corresponding 7 these preferred directions are varied in this application in such a way that a pulse transit time measurement is possible. The collection node is optional - the transfer gates could also be linked directly to a photoactive area. However, a collection node enables the surface potential to be varied by connection to a variable reference potential, so that this degree of freedom can help to enable a monotonically increasing potential profile from the photoactive region in the direction of the storage node selected by connecting a transfer gate.

Aus dem Wunsch, mehrere Speicherknoten und zugehörige Steuerelektroden zur Realisierung der Funktion unterschiedlicher Kurzzeitintegratoren und etwaige Draininggebiete und zugehörige Elektroden zur Realisierung der Abführung von fremdlichtbezogenen, generierten Ladungsträgern anzubringen, resultiert außerdem meist eine Asymmetrie (siehe 6a). Diese bedingt, dass Ladungsträger unterschiedliche Wege zurücklegen müssen um in unterschiedliche Speicherknoten zu gelangen, was unterschiedliche Zeitauflösungen zur Folge hat.The asymmetry usually results from the desire to attach several storage nodes and associated control electrodes to implement the function of different short-term integrators and any draining areas and associated electrodes to implement the discharge of extraneous light-related generated charge carriers (see 6a) . This means that load carriers have to travel different ways to get to different storage nodes, which results in different time resolutions.

Aus der DE 10 2014 2015 972 A1 ist eine Pixelstruktur zur Überwindung der vorstehenden Probleme bekannt. Die dort beschriebene Pixelstruktur basiert auf der Erkenntnis, dass Abweichungen (engl. mismatches) bezüglich eines Ladungsträgertransports innerhalb eines Pixels reduzierbar sind, indem das Pixel Teilpixel umfasst und ein Teilpixel einen photoaktiven Bereich und zumindest eine Auswertekapazität aufweist, die ausgebildet ist, um in dem photoaktiven Bereich erzeugte Ladungsträger aufzunehmen. Abweichungen von einem Idealzustand können (innerhalb von Fertigungstoleranzen) für jedes Teilpixel und jede Auswertekapazität im Wesentlichen gleich auftreten, so dass Abweichungen der Transfereigenschaften zwischen in die Auswertekapazitäten transportierte Ladungsträger reduziert werden können, was eine exakte Erfassung ermöglicht.From the DE 10 2014 2015 972 A1 a pixel structure is known to overcome the above problems. The pixel structure described there is based on the knowledge that deviations (English mismatches) with respect to charge carrier transport within a pixel can be reduced by the pixel comprising sub-pixels and a sub-pixel having a photoactive area and at least one evaluation capacity which is designed to be in the photoactive Area of the charge carriers generated. Deviations from an ideal state can occur (within production tolerances) essentially the same for each sub-pixel and each evaluation capacity, so that deviations in the transfer properties between load carriers transported into the evaluation capacities can be reduced, which enables exact detection.

Die Pixelstruktur weist zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt zumindest ein Pixel auf, das ein erstes Teilpixel, ein zweites Teilpixel und ein drittes Teilpixel umfasst. Das erste Teilpixel umfasst einen ersten photoaktiven Bereich, einen ersten Speicherknoten und ein erstes Auswerte-Gate. Das erste Auswerte-Gate ist benachbart zu der ersten Auswertekapazität und dem ersten photoaktiven Bereich des ersten Teilpixels gebildet und ausgebildet, um einen Transport von in dem ersten photoaktiven Bereich erzeugten Ladungsträgern aus dem ersten photoaktiven Bereich zu der ersten Auswertekapazität zu steuern. Das zweite Teilpixel umfasst einen zweiten photoaktiven Bereich und einen zweiten Speicherknoten und ein zweites Auswerte-Gate, wobei das zweite Auswerte-Gate benachbart zu der zweiten Auswertekapazität und dem zweiten photoaktiven Bereich des zweiten Teilpixels gebildet ist. Das zweite Auswerte-Gate ist ausgebildet, um einen Transport von in dem zweiten photoaktiven Bereich erzeugten Ladungsträgern aus dem zweiten photoaktiven Bereich zu der zweiten Auswertekapazität zu steuern. Das dritte Teilpixel umfasst einen dritten photoaktiven Bereich und einen dritten Speicherknoten und ein drittes Auswerte-Gate. Das dritte Auswerte-Gate ist benachbart zu der dritten Auswertekapazität und dem dritten photoaktiven Bereich des dritten Teilpixels gebildet und ausgebildet, um einen Transport von in dem dritten photoaktiven Bereich erzeugten Ladungsträgern aus dem dritten photoaktiven Bereich zu der dritten Auswertekapazität zu steuern.For the optical distance measurement on an object, the pixel structure has at least one pixel which comprises a first sub-pixel, a second sub-pixel and a third sub-pixel. The first sub-pixel comprises a first photoactive area, a first storage node and a first evaluation gate. The first evaluation gate is adjacent to that first evaluation capacity and the first photoactive area of the first sub-pixel are formed and configured to control a transport of charge carriers generated in the first photoactive area from the first photoactive area to the first evaluation capacity. The second sub-pixel comprises a second photoactive area and a second storage node and a second evaluation gate, the second evaluation gate being formed adjacent to the second evaluation capacitance and the second photoactive area of the second sub-pixel. The second evaluation gate is designed to control a transport of charge carriers generated in the second photoactive region from the second photoactive region to the second evaluation capacity. The third sub-pixel comprises a third photoactive area and a third storage node and a third evaluation gate. The third evaluation gate is formed adjacent to the third evaluation capacitance and the third photoactive region of the third sub-pixel and is designed to control a transport of charge carriers generated in the third photoactive region from the third photoactive region to the third evaluation capacitance.

Die drei Teilpixel sind ähnlich oder identisch aufgebaut, so dass ein Transport der Ladungsträger unter gleichen Bedingungen und mit gleichen Abweichungen für die Teilpixel erfolgen kann und eine Abweichung zwischen den Teilpixeln gering ist.The three sub-pixels are constructed similarly or identically, so that the charge carriers can be transported under the same conditions and with the same deviations for the sub-pixels and there is little deviation between the sub-pixels.

Bei der Realisierung von Hochgeschwindigkeitsdetektoren für pulsmodulierte, indirekte Laufzeitmessverfahren, sind Flächenabmessungen des Photoaktivgebietes eines Sensors besonders relevant. Die Sensitivität für auftreffende elektromagnetische Signale steigt mit der Fläche. Andererseits ist eine größere Fläche mit längeren Wegen für die Ladungsträger und damit anderen Zeitfaktoren verbunden. Es hat sich gezeigt, dass die vorgenannte Gestaltung der DE 10 2014 2015 972 A1 nicht unter allen Praxisbedingungen ausreichende Signalstärken generieren kann, um verlässliche Auswertungen zu ermöglichen.When realizing high-speed detectors for pulse-modulated, indirect transit time measurement methods, area dimensions of the photoactive area of a sensor are particularly relevant. The sensitivity to incoming electromagnetic signals increases with the area. On the other hand, a larger area is associated with longer paths for the charge carriers and thus other time factors. It has been shown that the aforementioned design of the DE 10 2014 2015 972 A1 cannot generate sufficient signal strengths under all practical conditions to enable reliable evaluations.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Pixelstruktur und ein Abstandserfassungssystem zu schaffen, die eine signalstarke Abstandserfassung ermöglichen.The object of the present invention is to create a pixel structure and a distance detection system which enable a signal-strong distance detection.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This object is achieved by the subject matter of the independent claims.

Gemäß der Erfindung sind bei einer Gestaltung einer Pixelstruktur mit jeweils mehreren Teilpixeln die Abgriffe (oder damit verbundene Signalleitungen) zur Abfrage der Teilpixel dauerhaft oder zeitweise kurzgeschlossen, um die Teilpixel bedarfsgerecht als parallel geschaltete photoaktive Gebiete zu betreiben. Die Teilpixel werden mit ihren photoaktiven Bereichen weiterhin über ihre jeweiligen Speicherknoten und Auswerte-Gates betrieben wie in der genannten Druckschrift DE 10 2014 2015 972 A1 beschrieben, die akkumulierten Ladungen werden jedoch durch die Zusammenschaltung der abzufragenden Abgriffe oder Signalleitungen gemeinsam gemessen, um eine verbesserte Signalstärke zu erreichen. Die Vorteile der Ausgestaltung eines Pixels mit Teilpixeln bleiben grundsätzlich erhalten, insbesondere sind die geteilten photoaktiven Bereiche auf die zugeordneten Speicherknoten und Auswerte-Gates angepasst. Die getrennte Erfassung der Teilpixel und das damit verbundene verkleinerte photoaktive Gebiet kann jedoch durch die Verbindung der Signalleitungen bedarfsgerecht kompensiert werden.According to the invention, the taps (or signal lines connected therewith) for querying the sub-pixels are short-circuited or temporarily short-circuited in a design of a pixel structure with a plurality of sub-pixels in each case in order to operate the sub-pixels as photoactive areas connected in parallel as required. The partial pixels with their photoactive areas continue to be operated via their respective storage nodes and evaluation gates, as in the cited publication DE 10 2014 2015 972 A1 described, but the accumulated charges are measured together by the interconnection of the taps or signal lines to be queried in order to achieve an improved signal strength. The advantages of designing a pixel with sub-pixels are basically retained, in particular the divided photoactive areas are adapted to the assigned storage nodes and evaluation gates. The separate detection of the partial pixels and the associated reduced photoactive area can, however, be compensated for by connecting the signal lines as required.

Als Abgriffe werden in diesem Kontext die mit den zur Auslesung der akkumulierten Ladungen vorgesehenen Abgriffe bezeichnet. In der Anordnung mit mehreren Teilpixeln der genannten Druckschrift sind dies sie Abgriffe, die ausgangsseitig der Teilpixel, hinter einer schaltbaren Verstärkerschaltung angeordnet sind. Die Signalleitungen können dabei dauerhaft kurzgeschlossen sein oder mit einer ansteuerbaren Schalteinrichtung nach Bedarf kurzgeschlossen werden, um mehrere Teilpixel zumindest zeitweise ausgangsseitig kurzzuschließen und als gemeinsame Pixelfläche auszuwerten. Für eine Auswerteschaltung ergeben sich keine wesentlichen Änderungen, da die kurzgeschlossenen Teilpixel-Signalleitungen als normaler Pixel genutzt werden können.In this context, taps are the taps provided for reading out the accumulated charges. In the arrangement with a plurality of sub-pixels of the cited document, these are taps which are arranged on the output side of the sub-pixels behind a switchable amplifier circuit. The signal lines can be permanently short-circuited or can be short-circuited as required with a controllable switching device in order to short-circuit several sub-pixels at least temporarily at the output and to evaluate them as a common pixel area. There are no significant changes for an evaluation circuit, since the short-circuited sub-pixel signal lines can be used as normal pixels.

Die zeitlichen Ansteuerungen der Auswerte-Gates und die Signalverarbeitung sind jedoch, je nach Zusammenschaltung mehrerer Teilpixel, anzupassen. Während bei der beschriebenen Gestaltung gemäß dem Stand der Technik die Teilpixel mit unterschiedlichen Zeitfenstern betrieben wurden, um in einem einzigen Messzyklus Hintergrundlicht, und (zwei) Anteile des reflektierten Lichts zu erfassen, sind die zusammengeschalteten Teilpixel nur zur Erfassung einer Messung pro Messzyklus geeignet. Die Messung der unterschiedlichen Lichtanteile ist entsprechend in mehreren Messzyklen mit denselben zusammengeschalteten Teilpixeln durchzuführen, so dass Hintergrundlicht, erster Anteil des reflektierten Lichtpulses und zweiter Anteil des reflektierten Lichtpulses nacheinander in einzelnen Messzyklen, mit unterschiedlichen Timing-Vorgaben erfasst werden.However, the timing of the evaluation gates and the signal processing have to be adjusted depending on the interconnection of several sub-pixels. While in the described design according to the prior art the partial pixels were operated with different time windows in order to detect background light and (two) portions of the reflected light in a single measuring cycle, the interconnected partial pixels are only suitable for recording one measurement per measuring cycle. The measurement of the different light components is accordingly to be carried out in several measurement cycles with the same interconnected partial pixels, so that background light, the first component of the reflected light pulse and the second component of the reflected light pulse are recorded in succession in individual measurement cycles with different timing requirements.

Die Vorrichtung umfasst neben der Pixelstruktur mit kurzgeschlossenen oder durch Ansteuerung kurzschließbaren Abgriffen eine Steuerschaltung zur Steuerung der Pixelstruktur.In addition to the pixel structure with short-circuited taps or taps that can be short-circuited by control, the device comprises a control circuit for controlling the pixel structure.

Die Steuerschaltung ist ausgebildet, um in einem ersten Messzyklus die Auswerte-Gates der Teilpixel mit kurzgeschlossenen Abgriffen während eines mit einem Strahlungspuls einer Lichtquelle synchronisierten ersten Ansteuerintervalls (mit einer ersten Verzögerung gegenüber dem Strahlungspuls) anzusteuern, so dass während des ersten Ansteuerintervalls erzeugte erste Ladungsträger von den photoaktiven Bereichen der Teilpixel mit kurzgeschlossenen Abgriffen zu den zugeordneten Speicherknoten transportiert werden. Anschließend werden die Teilpixel über die kurzgeschlossenen Abgriffen der Teilpixel zur Erfassung der registrierten Lichtmenge im ersten Messzyklus abgefragt.The control circuit is designed to, in a first measurement cycle, the evaluation gates of the partial pixels with short-circuited taps during a first control interval synchronized with a radiation pulse of a light source (with a first delay compared to the radiation pulse) to be controlled, so that first charge carriers generated during the first control interval are transported from the photoactive regions of the partial pixels with short-circuited taps to the assigned storage nodes. The partial pixels are then queried via the short-circuited taps of the partial pixels in order to record the registered amount of light in the first measurement cycle.

In einem nachfolgenden Messzyklus steuert die Steuerschaltung die Auswerte-Gates der Teilpixel mit kurzgeschlossenen Abgriffen während eines mit dem Strahlungspuls der Lichtquelle synchronisierten und bezüglich des ersten Ansteuerintervalls zeitversetzten zweiten Ansteuerintervalls (mit einer zweiten Verzögerung gegenüber dem Strahlungspuls) an, so dass während des zweiten Ansteuerintervalls erzeugte zweite Ladungsträger von den photoaktiven Bereichen der Teilpixel mit kurzgeschlossenen Abgriffen zu den jeweiligen zugeordneten Speicherknoten transportiert werden. Anschließend werden die Teilpixel über die kurzgeschlossenen Abgriffen der Teilpixel zur Erfassung der registrierten Lichtmenge im zweiten Messzyklus abgefragt.In a subsequent measurement cycle, the control circuit controls the evaluation gates of the sub-pixels with short-circuited taps during a second control interval synchronized with the radiation pulse of the light source and with a time delay with respect to the first control interval (with a second delay in relation to the radiation pulse), so that generated during the second control interval second charge carriers are transported from the photoactive areas of the partial pixels with short-circuited taps to the respective assigned storage nodes. The partial pixels are then queried via the short-circuited taps of the partial pixels in order to record the registered amount of light in the second measurement cycle.

In einem nachfolgenden dritten Messzyklus steuert die Steuerschaltung die Auswerte-Gates der Teilpixel mit kurzgeschlossenen Abgriffen während eines mit dem Strahlungspuls der Lichtquelle synchronisierten und bezüglich des ersten Ansteuerintervalls zeitversetzten dritten Ansteuerintervalls (mit einer dritten Verzögerung gegenüber dem Strahlungspuls) an, so dass während des dritten Messzyklus erzeugte dritte Ladungsträger von den photoaktiven der Teilpixel mit kurzgeschlossenen Abgriffen zu den jeweiligen zugeordneten Speicherknoten transportiert werden. Die Ansteuerintervalle können ganz (zeitlich nicht überlappend) oder teilweise (zeitlich teilweise überlappend) zeitversetzt angeordnet sein.In a subsequent third measurement cycle, the control circuit controls the evaluation gates of the sub-pixels with short-circuited taps during a third control interval synchronized with the radiation pulse of the light source and with a time delay with respect to the first control interval (with a third delay compared to the radiation pulse), so that during the third measurement cycle generated third charge carriers are transported from the photoactive of the partial pixels with short-circuited taps to the respective assigned storage nodes. The activation intervals can be arranged completely (not overlapping in time) or partially (in part overlapping in time) with a time delay.

Auf diese Weise können in drei aufeinander folgenden Messzyklen Information bezüglich Distanz, Reflektanz und Hintergrundlicht erhalten werden. Da die Teilpixel zur Signalerfassung zusammengeschaltet bzw. abfrageseitig kurzgeschlossen werden, ist die Signalstärke gegenüber einem Betrieb mit Erfassung der Teilpixel in einem einzigen Messzyklus verbessert. Die erforderliche Messdauer nimmt jedoch angesichts der erforderlichen mehreren Messzyklen zu. Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, die Teilpixel für einzelne Messzyklen getrennt zu betreiben, wie im Stand der Technik vorgeschlagen, und für weitere Messzyklen, z.B. bei unzureichender Signalstärke, durch Kurzschluss der ausgangsseitigen Abgriffe als gemeinsame Pixelfläche auszuwerten. Dann ist es erforderlich, den Kurzschluss der Abgriffe durch eine ansteuerbare Schalteinrichtung zu bewirken.In this way, information regarding distance, reflectance and background light can be obtained in three successive measurement cycles. Since the sub-pixels are interconnected for signal acquisition or are short-circuited on the query side, the signal strength is improved compared to operation with acquisition of the sub-pixels in a single measurement cycle. However, the required measuring time increases in view of the required several measuring cycles. It is possible within the scope of the invention to operate the sub-pixels separately for individual measurement cycles, as proposed in the prior art, and for further measurement cycles, e.g. in the case of insufficient signal strength, to be evaluated as a common pixel area by short-circuiting the taps on the output side. Then it is necessary to short-circuit the taps by means of a controllable switching device.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung ausgebildet, die Abführ-Gates der Teilpixel mit kurzgeschlossenen ausgangsseitigen Abgriffen, während der Ansteuerzyklen, in Zeitbereichen außerhalb der Ansteuerintervalle durchgehend anzusteuern, um die zugeordneten photoaktiven Bereiche mit einem jeweiligen Referenzpotentialanschluss zu verbinden.According to one exemplary embodiment, the control circuit is designed to continuously control the discharge gates of the sub-pixels with short-circuited taps on the output side, during the control cycles, in time areas outside the control intervals, in order to connect the assigned photoactive areas to a respective reference potential connection.

Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass eine (elektrische) Verbindung der photoaktiven Bereiche der Teilpixel mit einem Referenzpotentialanschluss eine Entladung von Ladungsträgern, die zwischen den Ansteuerintervallen, d. h. außerhalb des jeweiligen Ansteuerintervalls, in den photoaktiven Bereichen erzeugt werden, hin zu dem jeweiligen Referenzpotentialanschluss ermöglicht, so dass lediglich die während eines Ansteuerintervalls erzeugten Ladungsträger zu den jeweiligen Speicherknoten transportiert werden. Basierend auf einer Menge von Ladungsträgern, die in dem ersten, zweiten und/oder dritten Ansteuerintervall in dem jeweiligen photoaktiven Bereich erzeugt werden, kann eine Distanzinformation des Objektes erhalten oder bestimmt werden.It is advantageous in this exemplary embodiment that an (electrical) connection of the photoactive regions of the partial pixels to a reference potential connection discharges charge carriers that occur between the control intervals, ie. H. outside the respective control interval in the photoactive areas are made possible to the respective reference potential connection, so that only the charge carriers generated during a control interval are transported to the respective storage nodes. Based on a quantity of charge carriers that are generated in the first, second and / or third control interval in the respective photoactive area, distance information of the object can be obtained or determined.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Abstandserfassungssystem eine Pixelstruktur und eine Lichtquelle, die ausgebildet ist, um einen Strahlungspuls zu emittieren. Die photoaktiven Bereiche der Teilpixel sind ausgebildet, um Ladungsträger basierend auf dem von einem Objekt reflektierten Strahlungspuls zu erzeugen. Eine Steuerschaltung des Abstandserfassungssystem ist ausgebildet, um eine Distanzinformation bezüglich des Objektes und bezüglich der Pixelstruktur basierend auf einer Entfernung zu der Lichtquelle bereitzustellen.According to a further exemplary embodiment, a distance detection system comprises a pixel structure and a light source, which is designed to emit a radiation pulse. The photoactive areas of the sub-pixels are designed to generate charge carriers based on the radiation pulse reflected by an object. A control circuit of the distance detection system is designed to provide distance information with respect to the object and with respect to the pixel structure based on a distance to the light source.

Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass eine Synchronisierung der Lichtquelle bezüglich einer Ansteuerung der photoaktiven Bereiche bzw. der Auswerte- und/oder Abführ-Gates verglichen mit einer Realisierung, bei der die Lichtquelle Teil einer anderen Vorrichtung ist, vereinfacht ist, wenn die Lichtquelle, die Pixelstruktur und die Steuerschaltung Teil eines gemeinsamen Systems sind.It is advantageous in this exemplary embodiment that a synchronization of the light source with respect to actuation of the photoactive regions or the evaluation and / or discharge gates is simplified compared to an implementation in which the light source is part of another device if the light source the pixel structure and the control circuit are part of a common system.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle eines Abstandserfassungssystem ausgebildet, um den Strahlungspuls mit einem geringen Tastverhältnis (engl.: duty cycle) von weniger oder gleich 0,5, d. h., 50% zu emittieren.According to a further exemplary embodiment, the light source of a distance detection system is designed to emit the radiation pulse with a low duty cycle of less than or equal to 0.5, ie. i.e. to emit 50%.

Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass basierend auf einem geringen Tastverhältnis eine Signalenergie des Strahlungspulses in einem kurzen Zeitintervall bündelbar ist, so dass gemäß Augensicherheitsbestimmungen eine höhere Bestrahlungsstärke und mithin eine große Differenz zwischen Signalenergie und Energie des Hintergrundlichts unter Einhaltung von Vorschriften erzielbar ist.It is advantageous in this exemplary embodiment that, based on a low duty cycle, a signal energy of the radiation pulse can be bundled in a short time interval, so that, according to eye safety regulations, a higher irradiance and therefore a large difference between Signal energy and energy of the background light can be achieved in compliance with regulations.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Pixelstruktur zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt, bei der ein Pixel drei Teilpixel aufweist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Pixelstruktur, bei der das Pixel die drei Teilpixel aufweist, die eine gleiche Funktion und gleiche Elemente aufweisen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung, die eine Pixelstruktur und eine mit der Pixelstruktur verschaltete Steuerschaltung, umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der Abstandsinformation, der Reflektanzinformation und einer Hintergrundlichtinformation gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 5 ein schematisches Blockschaltbild eines Abstandserfassungssystems, das die Pixelstruktur gem. 1, die Steuerschaltung und die Lichtquelle aufweist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 10 eine exemplarische Gegenüberstellung von Transmissions- und Sperrbereichen von Farbfiltern;
  • 6a eine schematische Aufsicht auf eine Pixelstruktur gemäß dem Stand der Technik;
  • 6b eine schematische Querschnittansicht der Pixelstruktur aus 6a; und
  • 7 ein schematisches Timing eines Verfahrens zur Auswertung der Pixelstruktur aus 11 gemäß dem Stand der Technik.
Preferred embodiments of the present invention are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a schematic block diagram of a pixel structure for optical distance measurement on an object, in which a pixel has three sub-pixels according to an embodiment;
  • 2nd a schematic block diagram of a pixel structure in which the pixel has the three sub-pixels that have the same function and the same elements according to an embodiment;
  • 3rd a schematic block diagram of a device, which comprises a pixel structure and a control circuit connected to the pixel structure, according to an embodiment;
  • 4th a schematic flow diagram of a method for determining the distance information, the reflectance information and a background light information according to an embodiment;
  • 5 a schematic block diagram of a distance detection system that the pixel structure acc. 1 , The control circuit and the light source according to an embodiment;
  • 10th an exemplary comparison of transmission and blocking areas of color filters;
  • 6a a schematic plan view of a pixel structure according to the prior art;
  • 6b a schematic cross-sectional view of the pixel structure 6a ; and
  • 7 a schematic timing of a method for evaluating the pixel structure 11 according to the state of the art.

Nachfolgend wird Bezug genommen auf die Anordnung von Transfer-Gates an photoaktiven Bereichen von Teilpixeln, in denen basierend auf einer elektromagnetischen Strahlung Ladungsträger erzeugt werden. Die Ladungsträger werden mittels der Transfer-Gates hin zu Speicherknoten und, je nach Ausführungsform, hin zu Abführbereichen transportiert. Nachfolgend als Auswerte-Gates bezeichnete Elemente beschreiben Transfer-Gates, die ausgebildet sind, um einen Transport von Ladungsträger hin zu einer jeweiligen Auswertekapazität zu steuern. Nachfolgend als Abführ-Gates bezeichnete Elemente beziehen sich auf Transfer-Gates, die ausgebildet sind, um einen Transport von Ladungsträger hin zu einem jeweiligen Abführgebiet zu steuern. Abführ-Gates und Auswerte-Gates können gleich ausgebildet sein, so dass die unterschiedliche Bezeichnung lediglich auf die Funktion zu besseren Unterscheidbarkeit abzielt.In the following, reference is made to the arrangement of transfer gates on photoactive regions of sub-pixels in which charge carriers are generated based on electromagnetic radiation. The charge carriers are transported by means of the transfer gates to storage nodes and, depending on the embodiment, to discharge areas. Elements referred to below as evaluation gates describe transfer gates which are designed to control the transport of load carriers towards a respective evaluation capacity. Elements referred to below as removal gates relate to transfer gates which are designed to control the transport of load carriers to a respective removal area. Laxation gates and evaluation gates can have the same design, so that the different designation only aims at the function for better differentiability.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.Before exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the drawings, it is pointed out that identical, functionally identical or equivalent elements, objects and / or structures in the different figures are provided with the same reference numerals, so that they are shown in different exemplary embodiments Description of these elements is interchangeable or can be applied to each other.

1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Pixelstruktur 10 zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt 12. Die Pixelstruktur 10 umfasst ein Pixel 14, das ein erstes Teilpixel 16a, ein zweites Teilpixel 16b und ein drittes Teilpixel 16c umfasst. Das erste Teilpixel 16a umfasst einen photoaktiven Bereich 18a, der ausgebildet ist, um basierend auf von dem photoaktiven Bereich 18a empfangener elektromagnetischer Strahlung 22r Ladungsträger zu erzeugen. Das erste Teilpixel 16a umfasst ferner ein an dem photoaktiven Bereich 18a angeordnetes Auswerte-Gate 24a und einen an dem Auswerte-Gate 24a angeordneten Speicherknoten 26a. Das Auswerte-Gate 24a ist ausgebildet, um die in dem photoaktiven Bereich 18a erzeugten Ladungsträger in einem Aktiv-Zustand aus dem photoaktiven Bereich 18a zu dem Speicherknoten 26a zu transportieren, bzw. einen Transport von Ladungsträgern aus dem photoaktiven Bereich hin zu dem Speicherknoten 26a zu steuern. Die elektromagnetische Strahlung 22r kann basierend auf einem in Richtung des Objekts 12 ausgesendeten Strahlungspuls erzeugt werden, wobei der Strahlungspuls eine zeitlich variante Intensität (bspw. An/Aus) aufweisen kann, so dass auch die elektromagnetische Strahlung 22r eine zeitlich variante Intensität aufweisen kann und lediglich zeitweise von der Pixelstruktur 10 empfangen wird. 1 shows a schematic block diagram of a pixel structure 10th for optical distance measurement on an object 12 . The pixel structure 10th includes one pixel 14 which is a first sub-pixel 16a , a second sub-pixel 16b and a third sub-pixel 16c includes. The first sub-pixel 16a includes a photoactive area 18a that is configured to based on the photoactive region 18a received electromagnetic radiation 22r To generate charge carriers. The first sub-pixel 16a further includes an on the photoactive region 18a arranged evaluation gate 24a and one at the evaluation gate 24a arranged storage nodes 26a . The evaluation gate 24a is formed around the in the photoactive area 18a generated charge carriers in an active state from the photoactive area 18a to the storage node 26a to transport, or a transport of charge carriers from the photoactive area to the storage node 26a to control. The electromagnetic radiation 22r can be based on a towards the object 12 emitted radiation pulse are generated, wherein the radiation pulse can have a time-varying intensity (for example, on / off), so that the electromagnetic radiation 22r can have a temporally variant intensity and only temporarily from the pixel structure 10th Will be received.

Der photoaktive Bereich 18a kann beispielsweise ein Siliziumhalbleitermaterial mit einer kristallinen Struktur sein. Von dem Objekt 12 ausgehende, beispielsweise ausgesendete oder reflektierte elektromagnetische Strahlung 22r kann Photonen aufweisen, die in die Pixelstruktur 10 eintreten und auf den photoaktiven Bereich 18a treffen. Die Photonen der elektromagnetischen Strahlung 22r können Elektronen-Loch-Paare in der kristallinen Struktur des Siliziumhalbleitermaterials generieren. Aufgrund der Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung 22r können sich somit in dem photoaktiven Bereich 18a Ladungsträger ansammeln, d. h. dort erzeugt werden.The photoactive area 18a can be, for example, a silicon semiconductor material with a crystalline structure. From the object 12 outgoing, for example emitted or reflected electromagnetic radiation 22r can have photons in the pixel structure 10th enter and onto the photoactive area 18a to meet. The photons of electromagnetic radiation 22r can generate electron-hole pairs in the crystalline structure of the silicon semiconductor material. Due to the radiation of electromagnetic radiation 22r can thus be in the photoactive area 18a Accumulate charge carriers, ie be generated there.

Das Auswerte-Gate 24a kann beispielsweise als Transfer-Gate gebildet sein. Das Auswerte-Gate ist zwischen zumindest zwei Zuständen steuerbar, bspw. über einen Feldeffekt. Während einer Aktivierung (Anschalten) bzw. in dem Zeitpunkt, indem ein „leitfähiger Kanal“ durch Inversion des Halbleiters realisiert wird- kann der leitfähige Kanal so ausgebildet sein, dass ein steigendes Potentialprofil derart entsteht, dass Ladungsträger des photoaktiven Bereichs 18a zu einer Elektrode dieses Transfergates, die dem photoaktiven Bereich 18a abgewandt ist, propagiert werden und nur dort eine Entladung des Potentials bewirken. Dies ermöglicht eine Verarmung des photoaktiven Bereichs 18a hin zum Speicherknoten. Alternativ oder zusätzlich kann eine Steuerung des Transports der Ladungsträger bspw. basierend auf einem Potentialprofil, das mittels des Auswerte-Gates 26a ausgebildet wird, erfolgen. Das Potentialprofil ermöglicht eine Umlenkung einer Flussrichtung der Ladungsträger. Vereinfacht ausgedrückt kann es sich bei dem Auswerte-Gate 24a um ein Schalter-Element handeln, das einen geöffneten, ggf. nicht oder eingeschränkt leitenden Zustand und einen geschlossenen, leitenden Zustand aufweist. Der geschlossene Zustand kann auch als Aktiv-Zustand bezeichnet werden. Alternativ kann es sich bei dem Auswerte-Gate 24a um ein Element mit einer Weichenfunktion handeln, dass eine Richtung des Ladungstransports zeitvariant steuert. So kann bspw. ein Transport von Ladungsträgern hin zu einem Abführgebiet erfolgen, wenn das Auswerte-Gate nicht angesteuert (bzw. angesteuert) wird und der Transport von Ladungsträgern hin zu einem Speicherknoten erfolgen, wenn das Auswerte-Gate angesteuert (bzw. nicht angesteuert) wird. Ein Übergang zwischen dem angesteuerten und nicht angesteuerten Zustand kann diskret oder kontinuierlich erfolgen. Der Transport kann durch und/oder seitlich und/oder in einer Höhenrichtung an dem Auswerte-Gate vorbei erfolgen, so dass bspw. eine sogenannte draining-only Struktur implementiert ist. Der Transport kann mithin basierend auf dem verändern, dem Aufheben oder dem Erzeugen einer Potentialbarriere zwischen dem photoaktiven Bereich und dem Speicherknoten bzw. weiteren Elementen, wie einem Abführgebiet erfolgen.The evaluation gate 24a can be formed, for example, as a transfer gate. The evaluation gate can be controlled between at least two states, for example via a field effect. During activation (switching on) or at the point in time when a “conductive channel” is realized by inversion of the semiconductor, the conductive channel can be designed in such a way that an increasing potential profile arises in such a way that charge carriers of the photoactive region 18a to an electrode of this transfer gate, which is the photoactive area 18a is turned away, are propagated and only cause a discharge of the potential there. This enables depletion of the photoactive area 18a towards the storage node. As an alternative or in addition, control of the transport of the charge carriers can be based, for example, on a potential profile which is achieved by means of the evaluation gate 26a is trained. The potential profile enables a flow direction of the charge carriers to be deflected. Put simply, it can be the evaluation gate 24a act as a switch element that has an open, possibly not or limited conductive state and a closed, conductive state. The closed state can also be referred to as the active state. Alternatively, it can be the evaluation gate 24a act as an element with a switch function that controls a direction of charge transport in a time-varying manner. For example, a load carrier can be transported to a discharge area if the evaluation gate is not activated (or activated) and the load carrier is transported to a storage node if the evaluation gate is activated (or not activated) becomes. A transition between the activated and non-activated state can take place discretely or continuously. The transport can take place through and / or laterally and / or in a height direction past the evaluation gate, so that, for example, a so-called draining-only structure is implemented. The transport can therefore take place based on the change, the removal or the creation of a potential barrier between the photoactive area and the storage node or other elements, such as a discharge area.

Der Speicherknoten 26a kann als ein Floating-Diffusion-Bereich, als Kondensator oder anderes kapazitives Element ausgeführt sein, etwa durch kapazitive Kopplung und/oder durch eine Verschaltung mit Metall-Isolator-Metall (MIM), Metall-Oxid-Halbleiter (MOS), Metal-Metal Kondensatoren oder dergleichen. Der Speicherknoten 26a ermöglicht eine Speicherung photogenerierter Ladung und eine Wandlung derselben in eine elektrische Spannung, die an einem ausgangsseitigen Abgriff anliegt. Die Wandlung in eine elektrische Spannung kann bei einem Floating-Diffusion-Bereich bspw. mittels einer Entartung des Halbleiters erfolgen, so dass die Floating Diffusion via Schottkykontakt einer Ausleseschaltung zugeführt werden kann. Eine intrinsische Sperrschicht und Diffusionskapazität der Floating-Diffusion bilden einen Teil der effektiv wirksamen Auswertekapazität, die auch als sense node (sense node = Messknoten) Kapazität bezeichnet werden kann.The storage node 26a can be designed as a floating diffusion region, as a capacitor or another capacitive element, for example by capacitive coupling and / or by an interconnection with metal-insulator-metal (MIM), metal-oxide-semiconductor (MOS), metal-metal Capacitors or the like. The storage node 26a enables storage of photogenerated charge and conversion thereof into an electrical voltage which is present at an output-side tap. In the case of a floating diffusion region, the conversion into an electrical voltage can take place, for example, by degenerating the semiconductor, so that the floating diffusion can be fed to a readout circuit via Schottky contact. An intrinsic barrier layer and the diffusion capacity of the floating diffusion form part of the effectively effective evaluation capacity, which can also be referred to as a sense node (sense node).

Der Speicherknoten 26a ist ausgebildet, um Ladungsträger, die über eine Zeitdauer in dem photoaktiven Bereich 18a erzeugt werden, aufzunehmen und zu speichern. Ladungsträger in dem photoaktiven Bereich 18a können zu einer Variation des Potentialprofils zwischen dem photoaktiven Bereich 18a und dem Speicherknoten 26a und/oder zur Ausbildung eines elektromagnetischen Feldes zwischen diesen Elementen führen, so dass die Ladungsträger, wenn das Auswerte-Gate 24a den Aktiv-Zustand aufweist, von dem photoaktiven Bereich 18a ganz oder teilweise zu dem Speicherknoten 26a transportiert werden. Anders ausgedrückt kann bei Ladungstransferbasierten Detektoren (wie Pinned, d. h., gepinnten Photodioden, lateralen Driftfelddetektoren, Photogatestrukturen etc.) das Potentialprofil durch geeignete Auslegung der Detektoren so ausgelegt werden, dass das Potentialmaximum auch ohne (Steuer-)Signal im Speicherknoten liegt. Dies ermöglicht ein ansteigendes elektrisches Feld auch ohne Variation des Potentials durch erzeugte Ladungsträger. Die einzelnen ladungsbasierten Detektortypen haben dies (bei geeigneter Auslegung) gemein und unterscheiden sich jedoch in den erreichbaren Paramatern für z. B. Sensitivität, Ladungstransfergeschwindigkeit, Rauschen oder Menge an handhabbarer Ladungsmenge. Der Speicherknoten 26a kann somit in Verbindung mit dem photoaktiven Bereich 18a und dem Auswerte-Gate 24a ein Kurzzeitintegrator sein. Der Speicherknoten 26a kann als Auswertekapazität bezeichnet werden.The storage node 26a is designed to carry charge over a period of time in the photoactive area 18a generated, record and save. Charge carriers in the photoactive area 18a can vary the potential profile between the photoactive area 18a and the storage node 26a and / or lead to the formation of an electromagnetic field between these elements, so that the charge carriers when the evaluation gate 24a has the active state, from the photoactive region 18a all or part of the storage node 26a be transported. In other words, in charge transfer-based detectors (such as pinned, that is, pinned photodiodes, lateral drift field detectors, photogate structures, etc.), the potential profile can be designed by suitable design of the detectors so that the potential maximum lies in the storage node even without a (control) signal. This enables an increasing electric field without variation of the potential caused by charge carriers. The individual charge-based detector types have this (with a suitable design) in common and differ in the parameters that can be reached for e.g. B. sensitivity, charge transfer speed, noise or amount of manageable amount of charge. The storage node 26a can thus be used in conjunction with the photoactive area 18a and the evaluation gate 24a be a short-term integrator. The storage node 26a can be called evaluation capacity.

Das zweite Teilpixel 16b weist einen gleichen Aufbau auf, wie das erste Teilpixel 16a. Das zweite Teilpixel 16b umfasst einen photoaktiven Bereich 18b, der die gleiche Funktion wie der photoaktive Bereich 18a aufweist. Das Teilpixel 16b weist ferner ein Auswerte-Gate 24b auf, das benachbart zu dem photoaktiven Bereich 18b angeordnet ist und die gleiche Funktion aufweist, wie das Auswerte-Gate 24a. Das Teilpixel 16b umfasst ferner einen Speicherknoten 26b, die benachbart zu dem Auswerte-Gate 24b angeordnet ist und die gleiche Funktion aufweist wie der Speicherknoten 26a.The second sub-pixel 16b has the same structure as the first sub-pixel 16a . The second sub-pixel 16b includes a photoactive area 18b that has the same function as the photoactive area 18a having. The sub-pixel 16b also has an evaluation gate 24b that is adjacent to the photoactive area 18b is arranged and has the same function as the evaluation gate 24a . The sub-pixel 16b further includes a storage node 26b that are adjacent to the evaluation gate 24b is arranged and has the same function as the storage node 26a .

Das dritte Teilpixel umfasst einen photoaktiven Bereich 18c, der die gleiche Funktion aufweist, wie die photoaktiven Bereiche 18a und 18b. Das Teilpixel 16c weist ferner ein Auswerte-Gate 24c auf, das benachbart zu dem photoaktiven Bereich 18c angeordnet ist und die gleiche Funktion aufweist, wie das Auswerte-Gate 24a bzw. 24b. Das Teilpixel 16c umfasst ferner einen Speicherknoten 26c, die benachbart zu dem Auswerte-Gate 24c angeordnet ist und die gleiche Funktion aufweist wie die Speicherknoten 26a und 26b.The third sub-pixel comprises a photoactive area 18c which has the same function as the photoactive areas 18a and 18b . The sub-pixel 16c also has an evaluation gate 24c that is adjacent to the photoactive area 18c is arranged and has the same function as the evaluation gate 24a or. 24b . The sub-pixel 16c further includes a storage node 26c that are adjacent to the evaluation gate 24c is arranged and has the same function as the storage node 26a and 26b .

Das bedeutet, dass die Teilpixel 16a, 16b und 16c bezüglich ihrer Funktion gleich ausgebildet sind. Die photoaktiven Bereiche 18a, 18b und/oder 18c können beispielsweise ein photosensitiver Bereich von gepinnten Photodioden, Photogatestrukturen, lateralen Drittfelddetektoren oder dergleichen sein.That means the sub-pixels 16a , 16b and 16c are of the same function. The photoactive areas 18a , 18b and or 18c can be, for example, a photosensitive region of pinned photodiodes, photogate structures, lateral third-field detectors or the like.

Die ausgangsseitigen Abgriffe der Speicherknoten 26a, 26b und 26c sind erfindungsgemäß dauerhaft oder schaltbar und zeitweise kurzgeschlossen, so dass die in den Speicherknoten akkumulierten Ladungen und daraus generierte Potenziale als einheitliches Signal abgreifbar sind und die Teilpixel als gemeinsame Sensorfläche ausgewertet werden. Dafür ist ein gemeinsamer Abgriff 27 ausgebildet, welcher die Speicherknoten 26a, 26b und 26c zur parallelen Auslesung und Auswertung koppelt. Es können, wie gezeigt, die Abgriffe aller drei Teilpixel kurzgeschlossen sein, wobei auch steuerbare Schaltelemente vorgesehen sein können, welche die Abgriffe der Teilpixel zeitweise kurzschließen. Die drei Teilpixel akkumulieren dann in ihren jeweiligen Speicherknoten 26a, 26b und 26c während ihrer Aktivierung separat Ladungen in Abhängigkeit von der Strahlung, die auf die photoaktiven Bereiche 18a, 18b, 18c auftrifft. Bei Auslesung der Speicherknoten werden diese jedoch nicht separat, sondern gemeinsam über Abgriff 27 ausgewertet, also über eine Zusammenschaltung der Speicherknoten, so dass die Teilpixel 16, 16b und 16c als einheitlicher Pixel ausgewertet werden. Das bedeutet, dass Ladungsträger aus den photoaktiven Bereichen 18a, 18b und 18c in einem einheitlichen Zeitintervall zu den Speicherknoten 26a, 26b und 26c transportiert werden und danach zur gemeinsamen Auslesung zur Verfügung stehen. Grundsätzlich können auch nur zwei der Teilpixel ausgangsseitig kurzgeschlossen werden.The output taps of the storage nodes 26a , 26b and 26c According to the invention, they are permanently or switchable and temporarily short-circuited, so that the charges accumulated in the storage nodes and the potentials generated therefrom can be tapped as a uniform signal and the sub-pixels are evaluated as a common sensor surface. This is a common tap 27th trained which the storage node 26a , 26b and 26c couples for parallel reading and evaluation. As shown, the taps of all three sub-pixels can be short-circuited, and controllable switching elements can also be provided which temporarily short-circuit the taps of the sub-pixels. The three sub-pixels then accumulate in their respective storage nodes 26a , 26b and 26c during their activation, charges separate depending on the radiation that is emitted on the photoactive areas 18a , 18b , 18c hits. When reading out the storage nodes, however, they are not separated, but together via tap 27th evaluated, ie via an interconnection of the storage nodes, so that the sub-pixels 16 , 16b and 16c be evaluated as a uniform pixel. That means charge carriers from the photoactive areas 18a , 18b and 18c in a uniform time interval to the storage nodes 26a , 26b and 26c are transported and then available for joint reading. In principle, only two of the sub-pixels can be short-circuited on the output side.

Basierend auf in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b und 18c erzeugten Ladungsträgern bzw. basierend auf zu den Speicherknoten 26a, 26b und 26c transportierten Ladungsträgern kann ein Abstand 28 zwischen dem Objekt 12 und der Pixelstruktur 10 bestimmbar sein. Dies kann beispielsweise dadurch ermöglicht werden, dass ein Laufzeitunterschied zwischen einem Aussenden einer elektromagnetischen Strahlung hin zu dem Objekt 12 und einem Eintreffen der (reflektierten) elektromagnetischen Strahlung 22r erfasst und/oder ausgewertet wird. Eine Quelle der elektromagnetischen Strahlung kann benachbart zu dem Pixelfeld, d. h. der Pixelstruktur 10, oder an einem anderen Ort mit einem bekannten Abstand und Ausrichtungswinkel bezüglich Abstrahlrichtung zu der Pixelstruktur 10 angeordnet sein, so dass basierend auf einer Weg/Zeit-Berechnung (Stoppuhr-Funktion), die Laufzeit der elektromagnetischen Strahlung von der Lichtquelle zu der Pixelstruktur 10 in eine Wegstrecke überführbar ist.Based on in the photoactive areas 18a , 18b and 18c generated charge carriers or based on to the storage nodes 26a , 26b and 26c transported carriers can be a distance 28 between the object 12 and the pixel structure 10th be determinable. This can be made possible, for example, by a difference in the transit time between the emission of electromagnetic radiation and the object 12 and an arrival of the (reflected) electromagnetic radiation 22r is recorded and / or evaluated. A source of electromagnetic radiation can be adjacent to the pixel field, ie the pixel structure 10th , or at another location with a known distance and orientation angle with respect to the radiation direction to the pixel structure 10th be arranged so that based on a path / time calculation (stopwatch function), the transit time of the electromagnetic radiation from the light source to the pixel structure 10th can be converted into a route.

Die Teilpixel 16a, 16b und/oder 16c können, in eine Fläche projiziert, flächig angeordnet sein, das bedeutet, die Teilpixel 16a, 16b und/oder 16c weisen in zumindest einer Raumrichtung einen Abstand zueinander auf. Die Distanzinformation bezüglich des Objektes 12 und bezüglich des Pixels 14 kann somit basierend auf drei räumlich voneinander beabstandeten photoaktiven Bereichen 18a, 18b und/oder 18c bzw. basierend auf den Speicherknoten 26a, 26b und/oder 26c erhalten werden. Die Distanzinformation kann somit den Abstand 28 bezüglich einer Fläche der photoaktiven Bereiche 18a, 18b und/oder 18c sowie einer dazwischenliegenden Fläche beschreiben. Die dazwischenliegende Fläche kann beispielsweise eine Fläche sein, die durch die Teilpixel 16a, 16b und/oder 16c aufgespannt wird. Der Abstand 28 kann sich auf einen Referenzpunkt der dazwischenliegenden Fläche beziehen. Der Referenzpunkt kann ein Randpunkt sein. Alternativ kann der Referenzpunkt ein geometrischer Mittelpunkt der dazwischenliegenden Fläche sein.The sub-pixels 16a , 16b and or 16c can be projected into a surface, arranged flat, that is, the sub-pixels 16a , 16b and or 16c have a distance from one another in at least one spatial direction. The distance information regarding the object 12 and the pixel 14 can thus be based on three spatially spaced photoactive areas 18a , 18b and or 18c or based on the storage node 26a , 26b and or 26c be preserved. The distance information can thus be the distance 28 with respect to an area of the photoactive areas 18a , 18b and or 18c and a surface in between. The area in between can be, for example, an area defined by the sub-pixels 16a , 16b and or 16c is spanned. The distance 28 can refer to a reference point of the intermediate surface. The reference point can be a boundary point. Alternatively, the reference point can be a geometric center of the surface in between.

Das Pixel 14 kann auch als Superpixel oder Makropixel bezeichnet werden, das die Teilpixel 16a, 16b und/oder 16c umfasst. Eine Abstandsinformation, etwa bezüglich des Abstandes 28, des Objektes 12 zu dem Pixel 14 kann bezüglich der drei Teilpixel 16a, 16b und 16c erhalten werden kann, so dass der Abstand 28 bezüglich des Pixels auf einen Referenzpunkt, etwa einen geometrischen Mittelpunkt zwischen den Teilpixeln 16a, 16b und/oder 16c bezogen sein kann. Das Pixel 14 kann genau drei Teilpixel 16a, 16b und 16c umfassen. Alternativ kann das Pixel 14 auch weitere Teilpixel umfassen.The pixel 14 can also be called a super pixel or macropixel, which is the sub-pixel 16a , 16b and or 16c includes. Distance information, for example regarding the distance 28 , of the object 12 to the pixel 14 can with respect to the three sub-pixels 16a , 16b and 16c can be obtained so that the distance 28 with respect to the pixel to a reference point, such as a geometric center between the sub-pixels 16a , 16b and or 16c can be related. The pixel 14 can have exactly three sub-pixels 16a , 16b and 16c include. Alternatively, the pixel 14 also include further sub-pixels.

2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Pixelstruktur 30, die ein Pixel 32 mit den drei Teilpixeln 16a, 16b und 16c aufweist, die eine gleiche Funktion und gleiche Elemente aufweisen. Gleiche Elemente bedeuten in diesem Zusammenhang, dass ein jeweiliges Element eine gleiche oder vergleichbare Funktion aufweist. Bezüglich des Auswerte-Gates 24a (TX1) des Teilpixels 16a, des Auswerte-Gates 24b (TX2) des Teilpixels 16c sowie des Auswerte-Gates 24c (TX3) des Teilpixels 16c bedeutet dies beispielsweise, dass die Auswerte-Gates 24a-c jeweils als Transfergate ausführbar sind, wobei die Transfergates einen voneinander verschiedenen Aufbau oder Typ jedoch jeweils ein gleiches oder ähnliches Verhalten bezüglich der Schalter-Funktion aufweisen können. Alternativ können die jeweiligen Elemente auch identisch gebildet sein. 2nd shows a schematic block diagram of a pixel structure 30th that are a pixel 32 with the three sub-pixels 16a , 16b and 16c has the same function and the same elements. In this context, the same elements mean that a respective element has the same or comparable function. Regarding the evaluation gate 24a ( TX1 ) of the sub-pixel 16a , of the evaluation gate 24b ( TX2 ) of the sub-pixel 16c as well as the evaluation gate 24c ( TX3 ) of the sub-pixel 16c this means, for example, that the evaluation gates 24a-c are each executable as a transfer gate, the transfer gates having a different structure or type, but each having the same or similar behavior with respect to the switch function. Alternatively, the respective elements can also be formed identically.

Die Teilpixel 16a-c weisen jeweils einen photoaktiven Bereich (Photoaktivgebiet 18a, 18b bzw. 18c) auf. Die Teilpixel 16a-c weisen ferner den Speicherknoten 26a (FD1), 26b (FD2) bzw. 26c (FD3) auf. Benachbart zu den photoaktiven Bereichen 16a-c ist jeweils ein optionales Sammeltor (Collection-Gate- CX) CX1, CX2 bzw. CX3 angeordnet, über dem die in den photoaktiven Bereichen 18a-c erzeugten Ladungsträger abtransportierbar sind. Das jeweilige Auswerte-Gate 24a-c ist an dem jeweiligen Collection-Gate CX1-3 des jeweiligen Teilpixels 16a-c angeordnet. An dem Collection-Gate CX1 ist ein Abführ-Gate TX4 angeordnet. Das Abführ-Gate TX4 ist, wie die Auswerte-Gates 24a-c ein Schaltelement bzw. ein Transfergate. Das Abführ-Gate TX4 kann so angesteuert werden, dass die Ladungsträger aus dem photoaktiven Bereich 18a zu einem Abführgebiet DD1, das an dem Abführ-Gate TX4 angeordnet ist, transportiert werden. An die Collection-Gates CX1-3 ist ein Potential UCG anlegbar, um die Collection-Gates zu steuern. Eine Anordnung der optionalen Collection-Gates (CX1-3) ermöglicht die Nutzung eines Freiheitsgrades, um in einer gewissen Region des jeweiligen photoaktiven Bereichs 18a-c ein Oberflächenpotential zu beeinflussen um ein gewünschtes Potentialprofil zu erlangen. Eine Ansteuerung des Collection-Gates (CX1-3) kann derart erfolgen, dass es auf einen geeigneten analogen Wert gesetzt wird, so dass eine (ggf. binäre) Veränderung eines Schaltzustands entfallen kann. Prinzipiell können die Transfergates (TX1-6) auch direkt mit dem jeweiligen Photoaktivgebiet 18a-c verbunden werden. The sub-pixels 16a-c each have a photoactive area (photoactive area 18a , 18b or. 18c ) on. The sub-pixels 16a-c also point the storage node 26a ( FD1 ), 26b ( FD2 ) or. 26c ( FD3 ) on. Adjacent to the photoactive areas 16a-c is an optional collection gate (Collection-Gate-CX) CX1 , CX2 or. CX3 arranged over which in the photoactive areas 18a-c generated charge carriers can be removed. The respective evaluation gate 24a-c is at the respective collection gate CX1-3 of the respective sub-pixel 16a-c arranged. At the collection gate CX1 is a purge gate TX4 arranged. The laxation gate TX4 is like the evaluation gates 24a-c a switching element or a transfer gate. The laxation gate TX4 can be controlled so that the charge carriers from the photoactive area 18a to a laxation area DD1 that at the laxation gate TX4 is arranged to be transported. To the collection gates CX1-3 a potential UCG can be created to control the collection gates. An arrangement of the optional collection gates ( CX1-3 ) allows the use of a degree of freedom to move in a certain region of each photoactive area 18a-c to influence a surface potential in order to achieve a desired potential profile. A control of the collection gate ( CX1-3 ) can be done in such a way that it is set to a suitable analog value so that a (possibly binary) change in a switching state can be omitted. In principle, the transfer gates ( TX1-6 ) also directly with the respective photoactive area 18a-c get connected.

Insbesondere können das Auswerte-Gate TX1 und das Abführ-Gate TX4 zu voneinander verschiedenen und/oder überlappenden Zeitpunkten und/oder Zeitintervallen angesteuert werden, so dass beispielsweise das Auswerte-Gate TX1 oder das Abführ-Gate TX4 geschlossen, d. h. leitend, ist und die Ladungsträger aus dem photoaktiven Bereich 18a zu dem Speicherknoten 26a oder zu dem Abführgebiet DD1 transportiert werden.In particular, the evaluation gate TX1 and the purge gate TX4 are controlled at mutually different and / or overlapping times and / or time intervals, so that, for example, the evaluation gate TX1 or the purge gate TX4 is closed, ie conductive, and the charge carriers from the photoactive area 18a to the storage node 26a or to the laxation area DD1 be transported.

Basierend auf dem funktionsmäßig gleichen Aufbau der Teilpixel 16a, 16b und 16c weist das zweite Teilpixel 16b benachbart zu dem photoaktiven Bereich 16b ein Collection-Gate CX2 und daran angeordnet ein Abführ-Gate TX5 mit einem daran angeordneten Abführgebiet DD2 auf. Das dritte Teilpixel 16c weist benachbart zu dem photoaktiven Bereich 18c ein Collection-Gate CX3 und ein daran angeordnetes Abführ-Gate TX6 mit einem daran angeordneten Abführgebiet DD3 auf.Based on the functionally identical structure of the sub-pixels 16a , 16b and 16c has the second sub-pixel 16b adjacent to the photoactive area 16b a collection gate CX2 and a discharge gate arranged thereon TX5 with a discharge area located on it DD2 on. The third sub-pixel 16c points adjacent to the photoactive area 18c a collection gate CX3 and a purge gate disposed thereon TX6 with a discharge area located on it DD3 on.

Die Teilpixel 16a, 16b und 16c bilden das Pixel 32. An das erste Abführgebiet DD1 ist ein erstes Bezugspotential vddpix1 anlegbar, das bedeutet, dass die Ladungsträger aus dem photoaktiven Bereich 18a, wenn das Abführ-Gate TX4 leitend ist, zumindest teilweise aus dem photoaktiven Bereich 18a über das Abführgebiet DD1 abführbar sind. Das zweite Abführgebiet DD2 kann mit einem zweiten Referenzpotential vddpix2 verbunden werden, so dass die in dem photoaktiven Bereich 18b erzeugten Ladungsträger über das Abführgebiet DD2 zumindest teilweise abführbar sind, wenn das Abführ-Gate TX5 leitend ist. An das dritte Abführgebiet DD3 ist ein drittes Bezugspotential vddpix3 anlegbar, so dass in dem photoaktiven Bereich 18c erzeugte Ladungsträger zumindest teilweise über das Abführgebiet DD3 abführbar sind, wenn das Abführ-Gebiet TX6 leitend ist.The sub-pixels 16a , 16b and 16c form the pixel 32 . To the first laxation area DD1 is a first reference potential vddpix1 can be applied, which means that the charge carriers from the photoactive area 18a when the laxation gate TX4 is conductive, at least partially from the photoactive area 18a over the laxation area DD1 are laxable. The second lax area DD2 can with a second reference potential vddpix2 be connected so that in the photoactive area 18b generated load carriers over the discharge area DD2 are at least partially removable if the removal gate TX5 is leading. To the third laxation area DD3 is a third reference potential vddpix3 can be applied so that in the photoactive area 18c generated charge carriers at least partially over the discharge area DD3 are laxable if the laxative area TX6 is leading.

Die drei Referenzpotentiale vddpix1, vddpix2 und vddpix3 können voneinander verschiedene Potentiale aufweisen, etwa mehr als 1 V, mehr als 3 V oder mehr als 5 V. Eine voneinander verschiedene elektrische Spannung (Potential) kann eine Einstellung bezüglich einer Abflussgeschwindigkeit der Ladungsträger ermöglichen. Alternativ können die Referenzpotentiale vddpix1, vddpix2 und/oder vddpix3 einen gleichen Potentialwert aufweisen und miteinander verschaltet sein, so dass sich ein gemeinsames Referenzpotential vddpix ausbildet. Das gemeinsame Referenzpotential vddpix ermöglicht eine gleiche Abflussgeschwindigkeit der Ladungsträger zu den Abführgebieten DD1, DD2 und/oder DD3.The three reference potentials vddpix1 , vddpix2 and vddpix3 can have different potentials from one another, for example more than 1 V, more than 3 V or more than 5 V. A different electrical voltage (potential) can allow adjustment with regard to a discharge velocity of the charge carriers. Alternatively, the reference potentials vddpix1 , vddpix2 and or vddpix3 have the same potential value and be interconnected so that a common reference potential vddpix is formed. The common reference potential vddpix enables the same flow rate of the charge carriers to the discharge areas DD1 , DD2 and or DD3 .

Die Abführ-Gates TX4, TX5 und TX6 können so angesteuert werden, dass jeweils in den photoaktiven Bereichen 18a-c erzeugte Ladungsträger abgeführt werden. Während eines Messintervalls können die Abführ-Gates TX4, TX5 und TX6 einen nicht leitenden Zustand aufweisen und die Auswerte-Gates TX1, TX2 bzw. TX3 einen leitenden Zustand aufweisen. Dies kann durch eine Ansteuerung der jeweiligen Gates TX1-6 erreicht werden. Am Ende eines jeweiligen Messintervalls kann das Auswerte-Gate TX1 in einen nicht leitenden Zustand und das Abführ-Gate TX4 in einen leitenden Zustand überführt werden, so dass in einer ersten Näherung nur diejenigen Ladungsträger zu dem Speicherknoten FD1 während des Messintervalls transportiert werden, die während des Messintervalls in dem photoaktiven Bereich 18a erzeugt werden.The laxation gates TX4 , TX5 and TX6 can be controlled so that each in the photoactive areas 18a-c generated charge carriers are removed. The laxation gates can be removed during a measurement interval TX4 , TX5 and TX6 have a non-conductive state and the evaluation gates TX1 , TX2 or. TX3 have a conductive state. This can be done by controlling the respective gates TX1-6 can be achieved. At the end of each measurement interval, the evaluation gate TX1 into a non-conductive state and the drain gate TX4 are transferred into a conductive state, so that in a first approximation only those charge carriers to the storage node FD1 during the measurement interval are transported in the photoactive area during the measurement interval 18a be generated.

Eine Ansteuerung des Auswerte-Gates TX1 kann beispielsweise durch ein Anlegen eines elektrischen Signals (Potential) UTX1 an das Auswerte-Gate TX1, erfolgen. So kann beispielsweise ein Anlegen eines Hoch-(High-)Potentials der Spannung UTX1 den leitenden Zustand und ein Anlegen eines Niedrig-(Low-)Potentials einen anderen, beispielsweise nicht-leitenden Zustand, bewirken. Alternativ können die Zustände (leitend/nicht leitend) auch wechselseitig bezüglich der angelegten Potentiale (High/Low) vertauscht sein. Derart kann auch eine Ansteuerung des Auswerte-Gates TX2 mittels eines Signals UTX2 und eine Ansteuerung des Auswerte-Gates TX3 mittels eines Signals UTX3 erfolgen. Eine Ansteuerung der Abführ-Gates TX4-6 kann mittels Signalen UTX4-UTX6 erfolgen.A control of the evaluation gate TX1 can, for example, by applying an electrical signal (potential) UTX1 to the evaluation gate TX1 , respectively. For example, applying a high (high) potential to the voltage UTX1 the conductive state and the application of a low potential cause another, for example non-conductive state. Alternatively, the states (conductive / non-conductive) can be mutually reversed with regard to the applied potentials (high / low). The evaluation gate can also be controlled in this way TX2 by means of a signal UTX2 and a control of the evaluation gate TX3 by means of a signal UTX3 respectively. A control of the discharge gates TX4-6 can by means of signals UTX4-UTX6 respectively.

Der Speicherknoten FD1 ist über einen Rücksetztransistor M1-1 mit einem Rücksetzpotential Rücksetzen FD1 (Rücksetzen = reset) verbindbar. Der Rücksetztransistor ist bspw. als NMOS-Transistor (NMOS: n-type metal oxide semiconductor = n-Typ Metall-Oxid-Halbleiter) ausgeführt. Beispielsweise ist ein Anschluss des Speicherknotens FD1 mit einem Source-Anschluss (Quellen-Anschluss) des Rücksetztransistors M1-1 verbunden. An einem Gate-Anschluss (Steuerelektrodenanschluss) des Rücksetztransistors M1-1 kann das Rücksetzpotential FD1 anlegbar sein. An einem Drain-Anschluss (Abfluss-Anschluss) des Rücksetztransistors M1-1 ist beispielsweise ein Referenzpotential vddpix4 anlegbar. Ein Bulk-Anschluss (Substrat-Anschluss) des Rücksetztransistors M1-1 kann beispielsweise mit einem lokalen oder globalen Bezugspotential, etwa Masse, d. h. ein Spannungspotential von 0 V verbunden sein. Das bedeutet, dass, wenn das Rücksetzpotential Rücksetzen VD1 an dem Gate-Anschluss des Rücksetztransistors M1-1 angelegt wird, Ladungsträger aus einem Auswertegebiet des Speicherknotens FD1 abfließen können und der Speicherknoten FD1 geleert, d. h. zurückgesetzt wird. Das Leeren bzw. Zurücksetzen ermöglicht eine Neuaufnahme einer neuen Ladungsmenge in einem zukünftigen Messzyklus. Alternativ kann der Rücksetztransistor M1-1 auch als ein anderes Schaltelement ausgeführt sein, bspw. als ein entsprechend verändert kontaktierter PMOS-Transistor (PMOS: p-type metal oxide semiconductor = p-Typ Metall-Oxid-Halbleiter).The storage node FD1 is via a reset transistor M1-1 with a reset potential FD1 (Reset = reset) connectable. The reset transistor is designed, for example, as an NMOS transistor (NMOS: n-type metal oxide semiconductor = n-type metal oxide semiconductor). For example, there is a connection of the storage node FD1 with a source connection (source connection) of the reset transistor M1-1 connected. At a gate terminal (control electrode terminal) of the reset transistor M1-1 can reset potential FD1 be applicable. At a drain port of the reset transistor M1-1 is, for example, a reference potential vddpix4 can be created. A bulk connection (substrate connection) of the reset transistor M1-1 can, for example, be connected to a local or global reference potential, for example ground, ie a voltage potential of 0 V. That means that when the reset potential is reset VD1 at the gate of the reset transistor M1-1 is created, load carriers from an evaluation area of the storage node FD1 can drain and the storage node FD1 emptied, ie is reset. The emptying or resetting enables a new quantity of charge to be taken up in a future measuring cycle. Alternatively, the reset transistor M1-1 can also be designed as another switching element, for example as a correspondingly changed-contacted PMOS transistor (PMOS: p-type metal oxide semiconductor = p-type metal oxide semiconductor).

Ein Rücksetzen des Speicherknotens FD1 ermöglicht ein Abführen von Fremdlichtbasierten Ladungsträgern so dass ein fremdlichtbasierter Fehler des Messsignals reduzierbar ist. So kann eine Sättigung des Photoaktivgebiets basierend auf Fremdlicht verringert oder verhindert werden, was eine Messgenauigkeit weiter erhöht.A reset of the storage node FD1 enables external light-based charge carriers to be removed so that an external light-based error in the measurement signal can be reduced. Saturation of the photoactive area based on extraneous light can be reduced or prevented, which further increases measurement accuracy.

In gleicher Weise ist ein Auswertegebiet des Speicherknotens FD2 des zweiten Teilpixels 16b über einen Rücksetztransistor M1-2 mit einem Rücksetzpotential Rücksetzen FD2 verbindbar. An dem Rücksetztransistor M1-2 ist ein Referenzpotential vddpix5 anlegbar.In the same way is an evaluation area of the storage node FD2 of the second sub-pixel 16b via a reset transistor M1-2 with a reset potential FD2 connectable. On the reset transistor M1-2 is a reference potential vddpix5 can be created.

In gleicher Weise weist das dritte Teilpixel 16c einen Rücksetztransistor M1-3 mit einem Gate-Anschluss auf, an dem ein drittes Rücksetzpotential Rücksetzen FD3 anlegbar ist. Ein Drain-Anschluss des Rücksetztransistors M1-3 ist mit einem Referenzpotential vddpix6 verbindbar. Die Referenzpotentiale vddpix4, vddpix5 und vddpix6 können miteinander verschaltet sein und einen gleichen Wert, d. h. ein gleiches Potential aufweisen. Des Weiteren können die Referenzpotentiale vddpix1, vddpix2, vddpix3, vddpix4, vddpix5 und/oder vddpix6 miteinander verschaltet sein und das Referenzpotential vddpix bilden. Das bedeutet, dass zwischen ein Auswertegebiet eines Speicherknotens FD1-3 und einem Bezugspotential vddpix4-6 ein über Rücksetzpotentiale Rücksetzen FD1- Rücksetzen FD3 ansteuerbare Schalter M1-1, M1-2 bzw. M1-3 verschaltet sind, die ein Rücksetzen des jeweiligen Speicherknotens FD1-3 ermöglichen.The third sub-pixel points in the same way 16c a reset transistor M1-3 with a gate connection at which a third reset potential is reset FD3 can be created. A drain of the reset transistor M1-3 is with a reference potential vddpix6 connectable. The reference potentials vddpix4 , vddpix5 and vddpix6 can be interconnected and have the same value, ie the same potential. Furthermore, the reference potentials vddpix1 , vddpix2 , vddpix3 , vddpix4 , vddpix5 and or vddpix6 be interconnected and form the reference potential vddpix. This means that between an evaluation area of a storage node FD1-3 and a reference potential vddpix4-6 a reset via reset potentials FD1 FD3 controllable switches M1-1 , M1-2 or. M1-3 are connected to reset the respective storage node FD1-3 enable.

Zwischen den Speicherknoten FD1 und den Rücksetztransistor M1-1 des ersten Teilpixels 16a ist ein Gate-Anschluss eines Verstärkertransistors M2-1 geschaltet. Ein Drain-Anschluss des Verstärkertransistors M2-1 ist mit einem Versorgungspotential vdda-HV verbindbar. Ein Bulk-Anschluss des Verstärkertransistors M2-1 ist mit dem Bezugspotential (Masse) verbunden. Ein Source-Anschluss des Verstärkertransistors M2-1 ist mit einem Drain-Anschluss eines Auswahlschalters M3-1 in Form eines MOS-Transistors verbunden. In gleicher Weise weisen die Teilpixel 16b und 16c einen Verstärkertransistor M2-2 bzw. M2-3 und einen Auswahltransistor M3-2 bzw. M3-3 auf. Ein Gate-Anschluss des Auswahlschalters M3-1 ist mit einem Auswahlpotential Zeilenauswahl (engl.: row select) verbindbar, entsprechendes gilt für die Auswahlschalter M3-2 und M3-3.Between the storage nodes FD1 and the reset transistor M1-1 of the first sub-pixel 16a is a gate terminal of an amplifier transistor M2-1 switched. A drain of the amplifier transistor M2-1 can be connected to a supply potential vdda-HV. A bulk connection of the amplifier transistor M2-1 is connected to the reference potential (ground). A source terminal of the amplifier transistor M2-1 is with a drain connection of a selection switch M3-1 connected in the form of a MOS transistor. The sub-pixels point in the same way 16b and 16c an amplifier transistor M2-2 or. M2-3 and a selection transistor M3-2 or. M3-3 on. A gate connector of the selector switch M3-1 can be connected to a selection potential row selection, the same applies to the selection switches M3-2 and M3-3 .

Ausgangsseitig an einem Source-Anschluss des Auswahlschalters M3-1, der mit den Auswahlschalter M3-2 und M3-3 der beiden übrigen Teilpixel kurzgeschlossen ist, ist ein Auswertepotential (Messspannung Uout) abgreifbar. Da die Source-Anschlüsse kurzgeschlossen sind, erfolgt die Auswertung der Teilpixel trotz separater Ansteuerbarkeit und separater Akkumulierung der Ladung in den Speicherknoten FD1, FD2 und FD3 wie bei einer einheitlichen, größeren Pixelfläche über einen gemeinsamen Abgriff. Ein Anlegen des Auswahlpotentials Zeilenauswahl an dem Drain-Anschlüssen der Auswahlschalter M3-1, M3-2 und M3-3 ermöglicht das Abgreifen des verstärkten Potentials (Signal) Uout.On the output side at a source connection of the selection switch M3-1 with the selector switch M3-2 and M3-3 of the two other sub-pixels is short-circuited, an evaluation potential (measurement voltage Uout) can be tapped. Since the source connections are short-circuited, the evaluation of the sub-pixels takes place despite separate controllability and separate accumulation of the charge in the storage node FD1 , FD2 and FD3 as with a uniform, larger pixel area via a common tap. Applying the selection potential line selection to the drain terminals of the selection switches M3-1 , M3-2 and M3-3 enables tapping of the amplified potential (signal) Uout.

Ein Betrieb der Teilpixels 16a, 16b und 16c kann zwei oder mehr Zeitintervalle umfassen, die sich zyklisch wiederholen. In einem ersten Zeitintervall kann mittels der Ansteuerung der Rücksetztransistoren M1-1, M1-2 und M1-3 ein Abfluss von Ladungsträgern aus den Speicherknoten FD1, FD2 und FD3 synchron ermöglicht werden. In einem zweiten Zeitintervall können die Rücksetztransistoren M1-1, M1-2, M1-3 nicht leitend gesetzt werden, so dass das Potential oder Signal Uout erhalten wird. Werden Speicherknoten zwischen Zyklen nicht oder nur teilweise zurückgesetzt, so können in vorangegangenen Zyklen gespeicherte Ladungsträger erhalten bleiben. Dies ermöglicht eine Mittelung der Ladungsträger über zwei oder mehrere Zyklen hinweg, was zu einer Verringerung von Messrauschen führen kann. Alternativ kann in jedem Zyklus eine Auswertung und ein Rücksetzen stattfinden.Operation of the sub-pixels 16a , 16b and 16c can consist of two or more time intervals that are repeated cyclically. In a first time interval, the reset transistors can be actuated M1-1 , M1-2 and M1-3 an outflow of charge carriers from the storage nodes FD1 , FD2 and FD3 be made possible synchronously. In a second time interval, the reset transistors can M1-1 , M1-2 , M1-3 are not set to be conductive, so that the potential or signal Uout is obtained. If storage nodes are not or only partially reset between cycles, charge carriers stored in previous cycles can be retained. This enables the charge carriers to be averaged over two or more cycles, which can lead to a reduction in measurement noise. Alternatively, an evaluation and a reset can take place in each cycle.

Alternativ zu den Verstärkertransistoren M2-1, M2-2 und M2-3 kann auch eine andere Verstärkerschaltung, beispielsweise ein Differenzverstärker oder Operationsverstärker angeordnet sein. Die dargestellte Verschaltung der Rücksetztransistoren M1-1, M1-2, M1-3, der Verstärkertransistoren M2-1, M2-2, M2-3 und der Auswahltransistoren M3-1, M3-2 und M3-3 ist lediglich beispielhaft dargestellt. Alternativ kann auch eine andere Verschaltung angeordnet sein, die ein Rücksetzen und/oder Auswerten von erzeugten Ladungsträgern ermöglicht.As an alternative to the amplifier transistors M2-1 , M2-2 and M2-3 another amplifier circuit, for example a differential amplifier or operational amplifier, can also be arranged. The connection of the reset transistors shown M1-1 , M1-2 , M1-3 , the amplifier transistors M2-1 , M2-2 , M2-3 and the selection transistors M3-1 , M3-2 and M3-3 is only shown as an example. Alternatively, another connection can also be arranged, which enables resetting and / or evaluation of generated charge carriers.

Obwohl die Transistoren und Gates als MOS-basierte Transistoren mit Source-, Drain- und Gate-Anschlüssen beschrieben sind, können alternativ auch Bipolartransistoren mit isoliertem Steueranschluss (Insulated Gate Bipolar Transistor-IGBT) angeordnet sein, die komplementär einen Gate-Anschluss, einen Collector- und einen Emitter-Anschluss aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können auch Bipolartransistoren und/oder Sperrschicht-Feldeffekt Transistoren (engl.: junction-FET- JFET) angeordnet sein.Although the transistors and gates are described as MOS-based transistors with source, drain and gate connections, alternatively, bipolar transistors with an insulated control connection (insulated gate bipolar transistor-IGBT) can also be arranged, which complementarily a gate connection, a collector - And have an emitter connection. As an alternative or in addition, bipolar transistors and / or junction field-effect transistors (junction FET-JFET) can also be arranged.

Obwohl die Pixelstruktur 30 so beschrieben wurde, dass die optionalen Collection-Gates (CX1-3) angeordnet sind, kann eine Realisierung der Pixelstruktur 30 auch ganz oder teilweise ohne diese erfolgen. Vorteilhaft an einer derartigen Anordnung ist, dass ein erfasstes Objekt bzw. ein Bereich des erfassten Objektes von drei Teilpixeln 16a, 16b und 16c unabhängig voneinander erfasst werden kann, die erfassten Ladungsträger aber gemeinsam ausgewertet werden. Dadurch wird die Sensitivität erhöht und Abweichungen von einer Symmetrie eines jeden Teilpixels 16a-c können reduziert oder vermindert werden.Although the pixel structure 30th has been described so that the optional collection gates ( CX1-3 ) are arranged, the pixel structure can be realized 30th also be done entirely or partially without them. An arrangement of this type has the advantage that a captured object or a region of the captured object of three sub-pixels 16a , 16b and 16c can be recorded independently of one another, but the recorded charge carriers can be evaluated together. This increases the sensitivity and deviations from the symmetry of each sub-pixel 16a-c can be reduced or decreased.

3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 60, die eine Steuerschaltung 54 umfasst, die mit dem Pixel 32 verschaltet ist. Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um Signale, Potentiale und/oder Ströme von dem Pixel 32 zu erhalten und, um das Pixel 32 anzusteuern, etwa indem die Steuerschaltung 54 ausgebildet ist, um die Signale Rücksetzen FD1-3, Reihenauswahl, UTX1-UTX3 und/oder UTX4-UTX6, wie sie in der 3 beschrieben sind, an die Vorrichtung 60 anzulegen. Unter Bezugnahme auf 3 kann die Steuerschaltung 54 ausgebildet sein, um das Signale Uout von dem Pixel 32 zu empfangen. Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um basierend auf einer Menge der Ladungsträger, die in den photoaktiven Bereichen 18a-c erzeugt werden, eine Distanzinformation bezüglich des Objektes 12 zu bestimmen. Eine Lichtquelle 56 kann beispielsweise ausgebildet sein, um die elektromagnetische Strahlung 22, etwa in Pulsform, auszusenden, so dass die elektromagnetische Strahlung 22r zumindest teilweise von dem Objekt 12 reflektiert und von dem Pixel 32 empfangen wird. 3rd shows a schematic block diagram of a device 60 which is a control circuit 54 includes that with the pixel 32 is connected. The control circuit 54 is designed to receive signals, potentials and / or currents from the pixel 32 to get and to the pixel 32 to control, for example by the control circuit 54 is designed to reset the signals FD1-3 Series selection UTX1-UTX3 and or UTX4-UTX6 as in the 3rd are described to the device 60 to create. With reference to 3rd can the control circuit 54 be designed to receive the signals Uout from the pixel 32 to recieve. The control circuit 54 is designed to be based on an amount of charge carriers present in the photoactive areas 18a-c distance information relating to the object are generated 12 to determine. A source of light 56 For example, can be designed to the electromagnetic radiation 22 , approximately in pulse form, so that the electromagnetic radiation 22r at least partially from the object 12 reflected and from the pixel 32 Will be received.

Zur Bestimmung der Distanzinformation kann die Steuerschaltung 54 beispielsweise ausgebildet sein, um Informationen bzgl. einer Position und/oder einem Aussendezeitpunkt und/oder -intervall zu erhalten. Mittels dieser Informationen kann beispielsweise aufgrund von Laufzeitberechnungen (Distanz = Geschwindigkeit × Zeit) und/oder trigonometrischen Funktionen die Distanzinformation bestimmbar sein.The control circuit can be used to determine the distance information 54 For example, be configured to receive information regarding a position and / or a time and / or interval for transmission. This information can be used to determine the distance information, for example on the basis of runtime calculations (distance = speed × time) and / or trigonometric functions.

4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zur Bestimmung der Abstandsinformation, der Reflektanzinformation und einer Hintergrundlichtinformation, wie es von der Steuerschaltung 54 ausgeführt werden kann. 4th shows a schematic flow diagram of a method 700 for determining the distance information, the reflectance information and a background light information as it is from the control circuit 54 can be executed.

Zur Verdeutlichung des Ablaufs eines Verfahrens, wie es beispielsweise von der Steuerschaltung 54 ausführbar ist, sind neun Graphen 710, 720, 730, 740, 750, 760, 770, 780 und 790 gegenübergestellt. Die Graphen 710 bis 790 weisen eine gemeinsame Abszisse in Form einer Zeitachse t auf. Die Graphen 710 und 720 zeigen an einer jeweiligen Ordinate schematisch ein normiertes Energieniveau E der von einer Lichtquelle ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung (Graph 710) bzw. von dem Pixel empfangen elektromagnetischen Strahlung (Graph 720). Ein Energieniveau 58a bezeichnet dabei eine Energie eines Hintergrundlichts, etwa am Ort der Lichtquelle. Ein Energieniveau 58b bezeichnet ebenfalls ein Energieniveau des Hintergrundlichts, etwa am Ort der Pixelstruktur. Die Energieniveaus 58a und 58b können gleich oder unterschiedlich sein.To illustrate the sequence of a method, such as that of the control circuit 54 executable are nine graphs 710 , 720 , 730 , 740 , 750 , 760 , 770 , 780 and 790 juxtaposed. The graphs 710 to 790 have a common abscissa in the form of a time axis t. The graphs 710 and 720 schematically show a normalized energy level E of the electromagnetic radiation emitted by a light source (graph 710 ) or received electromagnetic radiation from the pixel (graph 720 ). An energy level 58a denotes an energy of a background light, for example at the location of the light source. An energy level 58b also denotes an energy level of the background light, for example at the location of the pixel structure. The energy levels 58a and 58b can be the same or different.

Die Graphen 730 bis 790 weisen jeweils eine normierte Ordinate V auf, die unter Bezugnahme auf 3 die an die - Gates TX1-6 anlegbaren Signale UTX1 bis UTX6 bzw. für den Graphen 790 ein zusammengefasstes Signal „Rücksetzen FDs“ (d. h. Rücksetzen der Speicherknoten) zeigt, das exemplarisch eine gemeinsame Ansteuerung der Signale Rücksetzen FD1, Rücksetzen FD2 und Rücksetzen FD3 in 3 bedeutet. Alternativ kann die Ansteuerung eines oder mehrerer Rücksetzsignale Rücksetzen FD1-Rücksetzen FD3 auch individuell erfolgen.The graphs 730 to 790 each have a normalized ordinate V, which with reference to 3rd the to the - gates TX1-6 applicable signals UTX1 to UTX6 or for the graph 790 a summarized signal "Reset FDs" (ie reset of the storage node) shows that, as an example, a common control of the reset signals FD1 , Reset FD2 and reset FD3 in 3rd means. Alternatively, the activation of one or more reset signals Reset FD1-Reset FD3 also done individually.

Die Graphen zeigen mehrere, hintereinander ausgeführte Messzyklen. Da die ausgangsseitig kurzgeschlossenen Teilpixel als einheitliches Pixel gemeinsam ausgewertet werden, müssen die Messungen zur Erfassung der verschiedenen Signalanteile (Hintergrundlicht, erster Anteil an reflektiertem Licht, zweiter Anteil an reflektiertem Licht) in separaten Messungen erfasst werden, wobei zwischen den Messzyklen alle Teilpixel zurückgesetzt werden. Der Lichtpuls wird für jeden Messzyklus gemäß dem Graphen 710 erneut ausgesandt. Die erforderlichen drei Messzyklen finden in einem derart kurzen Zeitraum statt, dass in erster Näherung auch das Timing des reflektierten Lichtpulses gemäß dem Graphen 720 für jeden der Messzyklen unverändert bleibt, da sich das gemessene Objekt in diesem Zeitraum in erster Näherung nicht bewegt.The graphs show several measurement cycles carried out one after the other. Since the short-circuited partial pixels are evaluated together as a uniform pixel, the measurements for recording the various signal components (background light, first component of reflected light, second component of reflected light) must be recorded in separate measurements, with all partial pixels being reset between measurement cycles. The light pulse is measured for each measuring cycle according to the graph 710 sent out again. The required three measuring cycles take place in such a short period of time instead of that, in a first approximation, the timing of the reflected light pulse according to the graph 720 remains unchanged for each of the measurement cycles, since the measured object does not move in the first approximation during this period.

Die Graphen 730 und 740 zeigen die Signale in einem ersten Messzyklus. Die Graphen 750 und 760 zeigen die Signale in einem zweiten Messzyklus. Die Graphen 770 und 780 zeigen die Signale in einem dritten Messzyklus.The graphs 730 and 740 show the signals in a first measurement cycle. The graphs 750 and 760 show the signals in a second measurement cycle. The graphs 770 and 780 show the signals in a third measuring cycle.

In jedem Messzyklus, in einem Zeitintervall vor einem Zeitpunkt t0 ist die Steuerschaltung 54 ausgebildet, um die Speicherknoten mittels eines Anlegens des Signals Rücksetzen FDs einen Abfluss von Ladungsträgern aus den Speicherknoten FD1-3 zu ermöglichen. Ferner ist die Steuerschaltung 54 ausgebildet, um die Signale UTX4, UTX5 und UTX6 bereitzustellen, so dass in den photoaktiven Bereichen 18a-c erzeugte Ladungsträger zu den Abführgebieten DD1-3 transportiert werden können.In every measuring cycle, in a time interval before a point in time t0 is the control circuit 54 designed to reset the storage nodes by means of applying the signal FDs an outflow of charge carriers from the storage nodes FD1-3 to enable. Furthermore, the control circuit 54 trained to the signals UTX4 , UTX5 and UTX6 provide so that in the photoactive areas 18a-c generated load carriers can be transported to the discharge areas DD1-3.

Die Steuerschaltung 54 ist zeitlich mit der Lichtquelle 56 synchronisiert. Zu einem Zeitpunkt t3 ist die Lichtquelle 56 ausgebildet, um die elektromagnetische Strahlung 22 in Form eines Lichtpulses mit einer Zeitdauer Tp zu emittieren, beispielsweise basierend auf einem zyklischen Takt oder basierend auf einer Ansteuerung durch die Steuerschaltung 54 oder einer anderen Vorrichtung. Das Ende des Lichtpulses ist mit dem Zeitpunkt t5 auf der Zeitachse bezeichnet.The control circuit 54 is in time with the light source 56 synchronized. At a time t3 is the light source 56 trained to the electromagnetic radiation 22 in the form of a pulse of light with a period of time T p to emit, for example based on a cyclical clock or based on a control by the control circuit 54 or another device. The end of the light pulse is with the point in time t5 labeled on the timeline.

Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um in einem ersten Messzyklus, dargestellt in den Graphen 730 und 740, während des Zeitintervalls (t3-t5) die Auswerte-Gates TX1, TX2, TX3 in einen leitenden Zustand und die Abführ-Gates TX4, TX5, TX6 in einen nicht leitenden Zustand zu überführen, so dass in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b, 18c erzeugte Ladungsträger in die Speicherknoten FD1, FD2, FD3 transportiert werden können und das entsprechende Signal Uout1 am gemeinsamen Abgriff erhalten werden kann. Nach dem ersten Messzyklus werden die Teilpixel zurückgesetzt und der Timer wird neu gestartet.The control circuit 54 is designed to be shown in the graph in a first measurement cycle 730 and 740 , during the time interval ( t3-t5 ) the evaluation gates TX1 , TX2 , TX3 in a conductive state and the laxation gates TX4 , TX5 , TX6 in a non-conductive state, so that in the photoactive areas 18a , 18b , 18c generated charge carriers in the storage nodes FD1 , FD2 , FD3 can be transported and the corresponding signal U out1 can be obtained at the common tap. After the first measurement cycle, the sub-pixels are reset and the timer is restarted.

Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um in einem zweiten Messzyklus während eines Zeitintervalls (t5-t7), das bezogen auf den emittierten Lichtpuls direkt auf das Zeitintervall (t3-t5) folgt, die Auswerte-Gates TX1, TX2 und TX3 leitend und die Abführ-Gates TX4, TX5, TX6 nicht leitend zu schalten, so dass in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b, 18c erzeugte Ladungsträger in die Speicherknoten FD1, FD2, FD3 transportierbar sind und das Signal Uout2 für den zweiten Messzyklus erhalten werden kann.The control circuit 54 is designed in a second measurement cycle during a time interval ( t5-t7 ), which refers directly to the time interval in relation to the emitted light pulse ( t3-t5 ) follows, the evaluation gates TX1 , TX2 and TX3 conductive and the laxative gates TX4 , TX5 , TX6 not to turn on, so in the photoactive areas 18a , 18b , 18c generated charge carriers in the storage nodes FD1 , FD2 , FD3 are transportable and the signal U out2 can be obtained for the second measurement cycle.

Die elektromagnetische Strahlung 22r, das heißt der Lichtpuls, trifft bezogen auf den Zeitpunkt t3 zeitverzögert und reflektiert von dem Objekt 12 an dem Pixel 32 ein. Die Laufzeit (engl.: Time of Flight- ToF) τToF kann als Laufzeit zwischen dem Aussenden des Lichtpulses 22 an der Lichtquelle 56 bis zum Eintreffen des reflektierten Lichtpulses 22 an dem Pixel 32 beschrieben werden. Der reflektierte Lichtpuls 22r bewirkt, dass Ladungsträger in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b und 18c erzeugt werden. Die Laufzeit τToF bewirkt, dass der reflektierte Lichtpuls 22r beginnend zu einem Zeitpunkt t4 (t4=t3+τToF) und endend zu einem Zeitpunkt t6 an dem Pixel 32 eintrifft. Der Zeitpunkt t5 folgt dem Zeitpunkt t4, wobei der Zeitpunkt t5 vor dem Zeitpunkt t6 an der Zeitachse angeordnet ist. Ein Zeitpunkt t7 folgt auf den Zeitpunkt t6.The electromagnetic radiation 22r , ie the light pulse, is related to the point in time t3 delayed and reflected from the object 12 at the pixel 32 a. The time of flight (ToF) τ ToF can be the delay between the emission of the light pulse 22 at the light source 56 until the reflected light pulse arrives 22 at the pixel 32 to be discribed. The reflected light pulse 22r causes charge carriers in the photoactive areas 18a , 18b and 18c be generated. the period τ ToF causes the reflected light pulse 22r starting at a time t4 (t4 = t3 + τ ToF ) and ending at one time t6 at the pixel 32 arrives. Point of time t5 follows the time t4 , the time t5 before the time t6 is arranged on the time axis. One time t7 follows the time t6 .

Das Zeitintervall (t4-t6), in welchem der reflektierte Lichtpuls an dem Pixel 32 eintrifft, überlappt teilweise mit dem Intervall (t3-t5) und teilweise mit dem Intervall (t5-t7). Das bedeutet, dass der reflektierte Lichtpuls 22r teilweise im ersten Messzyklus teilweise in dem zweiten Messzyklus als jeweils erfasstes Signal Uout2 erfassbar ist. Ein schraffierter Bereich 62a bezeichnet ein Maß an Ladungsträgern, die in dem ersten Messzyklus in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b, 18c erzeugt werden und zu den Speicherknoten FD1, FD2, FD3 transportiert werden bzw. eine Stärke des Signals Uout1 des ersten Messzyklus. Eine schraffierte Fläche 62b beschreibt ein Maß an Ladungsträgern, das in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b und 18c erzeugt und zu den Speicherknoten FD1, FD2, FD3 transportiert werden bzw. eine Amplitude des Signals Uout2 des zweiten Messzyklus.The time interval ( t4-t6 ) in which the reflected light pulse at the pixel 32 arrives, partially overlaps the interval ( t3-t5 ) and partly with the interval ( t5-t7 ). That means the reflected light pulse 22r partly in the first measuring cycle partly in the second measuring cycle as the respective detected signal U out2 is detectable. A hatched area 62a denotes a measure of charge carriers in the first measurement cycle in the photoactive areas 18a , 18b , 18c generated and to the storage node FD1 , FD2 , FD3 are transported or a strength of the signal U out1 the first measurement cycle. A hatched area 62b describes a level of charge carriers in the photoactive areas 18a , 18b and 18c generated and to the storage node FD1 , FD2 , FD3 are transported or an amplitude of the signal U out2 of the second measurement cycle.

Bei der Durchführung des dritten Messzyklus, dargestellt in den Graphen 770 und 780, in einem Ansteuerintervall zwischen zwei Zeitpunkten t1 und t2 ist die Steuerschaltung ausgebildet, um die Signale UTX1, UTX2, UTX3 bereitzustellen und gleichzeitig die Signale UTX4, UTX5 und UTX6 zu deaktivieren und die Abführ-Gates TX4, TX5, TX6 in einen sperrenden Zustand zu schalten. Das bedeutet, dass in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b, 18c erzeugte Ladungsträger in die Speicherknoten FD1, FD2 und FD3 transportiert werden können. Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um basierend auf einer Menge von Ladungsträgern, die in die Speicherknoten FD1, FD2 und FD3 transportiert sind, bzw. basierend auf einer Stärke des Signals Uout3 des dritten Messzyklus eine Stärke des Hintergrundlichts zu bestimmen. Das bedeutet, dass die Steuerschaltung 54 ausgebildet ist, um basierend auf dem Ansteuerintervall (t1-t2) eine Hintergrundlichtinformation zu bestimmen.When performing the third measurement cycle, shown in the graph 770 and 780 , In a control interval between two times t1 and t2, the control circuit is designed to receive the signals UTX1 , UTX2 , UTX3 provide and at the same time the signals UTX4 , UTX5 and UTX6 to disable and the laxation gates TX4 , TX5 , TX6 to switch into a blocking state. That means that in the photoactive areas 18a , 18b , 18c generated charge carriers in the storage nodes FD1 , FD2 and FD3 can be transported. The control circuit 54 is configured to based on an amount of charge carriers that are in the storage node FD1 , FD2 and FD3 are transported, or based on a strength of the signal U out3 determine a strength of the background light of the third measurement cycle. That means the control circuit 54 is designed to be based on the drive interval ( t1-t2 ) to determine a background light information.

Während der Zeitintervalle (t3-t5) und (t5-t7) können auch Ladungsträger, die basierend auf Hintergrundstrahlung in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b und 18c erzeugt werden, zu den Speicherknoten FD1, FD2 und FD3 transportiert werden und die Signale Uout1 im ersten und Uout2 im zweiten Messzyklus beeinflussen (verfälschen). Dies ist durch die Bereiche 63a und 63b dargestellt. Das bedeutet, das jeweils akkumulierte Signal umfasst ein über das jeweilige Intervall akkumuliertes Hintergrundlicht. Die Hintergrundlichtinformation kann sich auf den erfassten Objektbereich beziehen, etwa Streulicht, das unabhängig von der Lichtquelle 56 auf die photoaktiven Bereiche trifft. Die Steuervorrichtung 54 ist ausgebildet, um diese Verfälschung basierend auf dem Signal Uout3 des dritten Messzyklus zu korrigieren. Dies kann beispielsweise durch eine Subtraktion der Signalpegel erfolgen.During the time intervals ( t3-t5 ) and ( t5-t7 ) can also charge carriers based on background radiation in the photoactive areas 18a , 18b and 18c generated to the storage node FD1 , FD2 and FD3 be transported and the signals U out1 in the first and U out2 influence (falsify) in the second measuring cycle. This is through the areas 63a and 63b shown. This means that the respective accumulated signal comprises a background light accumulated over the respective interval. The background light information can relate to the detected object area, for example scattered light, which is independent of the light source 56 meets the photoactive areas. The control device 54 is designed to correct this distortion based on the signal U out3 correct the third measurement cycle. This can be done, for example, by subtracting the signal levels.

Die Durchführung der drei Messzyklen entspricht einer vollständigen Messung, wobei auch ein Vielfaches der drei Messzyklen durchgeführt werden kann, um eine Mittelung der Signale durchzuführen. Es liegen anschließend Signale Uout1 , Uout2 , Uout3 für jeden der Messzyklen vor, wobei jedes der Signale sich auf ein anderes Zeitfenster der Signalakkumulation gegenüber dem emittierten Lichtpuls bezieht.The execution of the three measurement cycles corresponds to a complete measurement, whereby a multiple of the three measurement cycles can also be carried out in order to carry out an averaging of the signals. There are then signals U out1 , U out2 , U out3 for each of the measurement cycles, each of the signals referring to a different time window of the signal accumulation with respect to the emitted light pulse.

Eine Summe der (ggf. von der Hintergrundbeleuchtung bereinigten) schraffierten Flächen 62a und 62b kann von der Steuereinrichtung 54 beispielsweise berechnet werden, um eine Gesamtenergie des reflektierten Lichtpulses zu bestimmen. Sind der Steuervorrichtung 54 Informationen bezüglich einer Energiestärke des emittierten Lichtpulses der Lichtquelle 56 bereitgestellt, so kann, beispielsweise durch eine Subtraktion oder eine Division ein Maß der Reflektanz des Objektes 12 erhalten werden. Anders ausgedrückt kann die Summe der (ggf. von der Hintergrundbeleuchtung bereinigten) schraffierten Flächen 62a und 62b bzw. der Signale Uout des ersten Messzyklus und Uout des zweiten Messzyklus die Gesamtenergie des reflektierten Lichtpulses beschreiben. Ein Anteil der Gesamtenergie des reflektierten Lichtpulses in Relation zu der Gesamtenergie des emittierten Lichtpulses kann aufzeigen, welcher Anteil des emittierten Lichtpulses von dem Objekt 12 reflektiert wird, also die Reflektanzinformation beinhalten. Die Ansteuerintervalle (t1-t2), (t3-t5) und (t5-t7) können eine gleiche oder voneinander verschiedene Zeitspannen umfassen.A sum of the hatched areas (possibly cleaned of the backlight) 62a and 62b can from the control device 54 can be calculated, for example, in order to determine a total energy of the reflected light pulse. Are the control device 54 Information regarding an energy strength of the emitted light pulse of the light source 56 provided, for example by subtraction or division, a measure of the reflectance of the object 12 be preserved. In other words, the sum of the hatched areas (possibly cleaned from the backlight) 62a and 62b or the signals Uout of the first measurement cycle and Uout of the second measurement cycle describe the total energy of the reflected light pulse. A proportion of the total energy of the reflected light pulse in relation to the total energy of the emitted light pulse can show what proportion of the emitted light pulse from the object 12 is reflected, i.e. contain the reflectance information. The control intervals ( t1-t2 ), ( t3-t5 ) and ( t5-t7 ) can span the same or different time periods.

Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um die Signale Uout1 des ersten Messzyklus und Uout2 des zweiten Messzyklus zueinander in Relation zu setzen, beispielsweise durch eine Quotientenbildung. Ein Quotient der Signale Uout1 des ersten Messzyklus und Uout2 des zweiten Messzyklus bzw. ein Quotient der straffierten Flächen 62a und 62b (um die Hintergrundstrahlung/Hintergrundlicht bereinigt oder nicht bereinigt) kann Informationen darüber bereitstellen, welche Anteile des reflektierten Lichtpulses in dem Zeitintervall (t3-t5) und in dem Zeitintervall (t5-t7) von dem Pixel 32 empfangen wird. Die Synchronisation der Zeitintervalle (t3-t5) und (t5-t7) ermöglicht eine Bestimmung der Laufzeit τToF . Die Laufzeit τToF kann bei einer Kenntnis einer Distanz zwischen der Lichtquelle 56 und dem Pixel 32, beispielsweise in eine von der elektromagnetischen Strahlung 22 zurückgelegte Wegstrecke überführt werden.The control circuit 54 is trained to the signals U out1 the first measurement cycle and U out2 of the second measurement cycle in relation to one another, for example by forming a quotient. A quotient of the signals U out1 the first measurement cycle and U out2 of the second measurement cycle or a quotient of the tightened areas 62a and 62b (adjusted for the background radiation / background light or not adjusted) can provide information about which portions of the reflected light pulse in the time interval ( t3-t5 ) and in the time interval ( t5-t7 ) of the pixel 32 Will be received. The synchronization of the time intervals ( t3-t5 ) and ( t5-t7 ) enables the runtime to be determined τ ToF . the period τ ToF can with a knowledge of a distance between the light source 56 and the pixel 32 , for example in one of the electromagnetic radiation 22 distance traveled are transferred.

Ist die Lichtquelle 56 beispielsweise benachbart zu dem Pixel 32 angeordnet, kann eine Entfernung zwischen einer dem Pixel 32 zugewandten Oberfläche des Objektes 12 und dem Pixel 32 als die Hälfte der von dem Lichtpuls zurückgelegten Wegstrecke angenähert werden.Is the light source 56 for example adjacent to the pixel 32 arranged, a distance between one of the pixels 32 facing surface of the object 12 and the pixel 32 than half of the distance covered by the light pulse.

Soll aus den erfassten Signalen eine Distanzinformation berechnet werden, so kann die Distanz d bei vorliegenden Signalen von allen drei Messzyklen berechnet werden: d = c 2 T P U o u t 2 U o u t 3 U o u t 1 + U o u t 2 2 U o u t 3

Figure DE102018132683A1_0001
If distance information is to be calculated from the detected signals, the distance d can be calculated from all three measurement cycles in the presence of signals: d = c 2nd T P U O u t 2nd - U O u t 3rd U O u t 1 + U O u t 2nd - 2nd U O u t 3rd
Figure DE102018132683A1_0001

Obwohl die Anordnung der Ansteuerintervalle (t3-t5), (t5-t7) und (t1-t2) so beschrieben wurden, dass sie zeitlich aufeinanderfolgend angeordnet sind, können die Ansteuerintervalle (t3-t5), (t5-t7) und (t1-t2) auch zeitlich ganz oder teilweise überlappend angeordnet sein. Eine Erfassung zweier unabhängiger Signale (Graphen 730 und 740) bzw. dreier unabhängiger Signale (Graphen 730, 740 und 750) ermöglicht eine Bestimmung der Distanz und Reflektanzinformation bzw. zusätzlich der Hintergrundlichtinformation. Ferner können die Ansteuerintervalle (t3-t5), (t5-t7) und (t1-t2) eine zeitlich gleiche oder voneinander verschiedene Länge aufweisen.Although the arrangement of the control intervals ( t3-t5 ), ( t5-t7 ) and ( t1-t2 ) have been described in such a way that they are arranged sequentially in time, the control intervals ( t3-t5 ), ( t5-t7 ) and ( t1-t2 ) can also be arranged to overlap completely or partially in time. A detection of two independent signals (graphs 730 and 740 ) or three independent signals (graph 730 , 740 and 750 ) enables determination of the distance and reflectance information or, in addition, the background light information. The control intervals ( t3-t5 ), ( t5-t7 ) and ( t1-t2 ) have the same or different length in time.

5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Abstandserfassungssystems 90, das die Pixelstruktur 30, die Steuerschaltung 54, die mit der Pixelstruktur 30 gekoppelt ist, und die Lichtquelle 56 aufweist. Die Steuerschaltung 54 und die Lichtquelle 56 sind miteinander verschaltet, so dass eine einfache Synchronisierung von Steuerschaltung 54 und Lichtquelle 56 ermöglicht ist. Dies kann beispielsweise durch einen gemeinsamen Trigger oder einen gemeinsamen Timer erfolgen. Die Lichtquelle 56 ist benachbart zu der Pixelstruktur 30 angeordnet, so dass eine Laufzeit des Strahlungspulses von der Lichtquelle 56 zu dem Objekt 12 im Wesentlichen gleich ist, wie eine Laufzeit des reflektierten Strahlungspulses von dem Objekt 12 zu der Pixelstruktur 30. 5 shows a schematic block diagram of a distance detection system 90 which is the pixel structure 30th , the control circuit 54 that with the pixel structure 30th is coupled, and the light source 56 having. The control circuit 54 and the light source 56 are interconnected so that a simple synchronization of control circuit 54 and light source 56 is possible. This can be done for example by a common trigger or a common timer. The light source 56 is adjacent to the pixel structure 30th arranged so that a transit time of the radiation pulse from the light source 56 to the object 12 is essentially the same as a transit time of the reflected radiation pulse from the object 12 to the pixel structure 30th .

Alternativ oder zusätzlich kann die Lichtquelle 56 auch beabstandet von der Pixelstruktur 30 angeordnet sein.Alternatively or additionally, the light source 56 also spaced from the pixel structure 30th be arranged.

Das Abstandserfassungssystem 90 kann ausgebildet sein, um mittels der Lichtquelle 56 den Strahlungspuls 22 mit einem Tastverhältnis (engl.: duty cycle) von weniger oder gleich 1%, weniger oder gleich 0,5% oder weniger oder gleich 0,1% zu emittieren. Eine Gesamtheit von Strahlungspulsen kann einen Duty-Cycle von weniger oder gleich 50% bezogen auf einen Erfassungszyklus eines Frames aufweisen. Ein Duty-Cycle von einem Prozent bedeutet dabei beispielsweise, dass ein Zyklus oder ein Intervall mit einer Länge von beispielsweise einer 30 µs einen Puls mit einer Breite von 30 ns aufweist und ein weiterer Puls nach 2970 ns ausgesendet wird. Eine Impulsdauer von 30 ns kann bspw. aus einem Tastverhältnis von 1/3000, das von Augensicherheitskriterien beeinflusst sein kann, und einem Erfassungsbereich von 4,5 m abgeleitet werden. In anderen Worten kann die elektromagnetische Strahlung 22 Strahlungspulse mit einem kleinen Duty-Cycle und mithin gepulste Laufzeiten aufweisen.The distance detection system 90 can be designed to by means of the light source 56 the radiation pulse 22 with a duty cycle of less than or equal to 1%, less or equal to 0.5% or less or equal to 0.1%. A total of radiation pulses can have a duty cycle of less than or equal to 50% based on a detection cycle of a frame. A duty cycle of one percent means, for example, that a cycle or an interval with a length of, for example, 30 μs has a pulse with a width of 30 ns and a further pulse is transmitted after 2970 ns. A pulse duration of 30 ns can be derived, for example, from a pulse duty factor of 1/3000, which can be influenced by eye safety criteria, and a detection range of 4.5 m. In other words, electromagnetic radiation 22 Have radiation pulses with a small duty cycle and therefore pulsed transit times.

6a zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Pixelstruktur 110 gemäß dem Stand der Technik. An einem photoaktiven Bereich (Photoaktivgebiet) 92 sind drei Speicherknoten FD1, FD2 und FD3 sowie ein Abführgebiet DD angeordnet. 6b zeigt eine schematische Querschnittansicht der Pixelstruktur 110. 6a shows a schematic plan view of a pixel structure 110 according to the state of the art. At a photoactive area (photoactive area) 92 are three storage nodes FD1 , FD2 and FD3 as well as a laxation area DD arranged. 6b shows a schematic cross-sectional view of the pixel structure 110 .

Es zeigen die 6a und 6b ein Schemata eines ToF-Pixels, basierend auf einer lateralen Driftfeldphotodiode (Lateral Drift Field Photo Diode- LDPD) mit drei Kurzzeitintegratoren und einem Abzugsknoten zur Eliminierung von Fremdlicht außerhalb der Kurzzeitintegrationsfenster, wobei 6a eine Top-Perspektive und 6b einen Querschnitt entlang der Transferrichtung des Pixels zeigt.They show 6a and 6b a schematic of a ToF pixel based on a lateral drift field photo diode (LDPD) with three short-term integrators and a take-off node to eliminate extraneous light outside the short-term integration window, wherein 6a a top perspective and 6b shows a cross section along the transfer direction of the pixel.

7 zeigt ein schematisches Timing eines Verfahrens zur Auswertung der Pixelstruktur 110 gemäß dem Stand der Technik, welches bei Bedarf mehrfach iterierbar ist, um die Wiederholgenauigkeit zu verbessern. Dieses Zeitschema ist ähnlich dem oben unter Bezug auf 4 beschriebenen Schema, bei dem jedoch die Teilpixel gemeinsam zur Erfassung ausgewertet werden, während hier ein einzelnes Photoaktivgebiet mit mehreren Speicherknoten betrieben wird. 7 shows a schematic timing of a method for evaluating the pixel structure 110 according to the state of the art, which can be iterated several times if necessary in order to improve the repeatability. This timing diagram is similar to that above with reference to 4th Described scheme, in which, however, the sub-pixels are evaluated together for acquisition, while here a single photoactive area is operated with several storage nodes.

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Claims (12)

Pixelstruktur (10; 30) zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt (12), mit zumindest einem Pixel (14; 32), umfassend ein erstes Teilpixel (16a), ein zweites Teilpixel (16b) und ein drittes Teilpixel (16c) zur Erfassung des Objektbereichs; wobei das erste Teilpixel (16a) einen ersten photoaktiven Bereich (18a), einen ersten Speicherknoten (26a, FD1) und ein erstes Auswerte-Gate (24a, TX1) umfasst, wobei das erste Auswerte-Gate (24a, TX1) benachbart zu dem ersten Speicherknoten (26a, FD1) und dem ersten photoaktiven Bereich (18a) des ersten Teilpixels (16a) gebildet ist, und ausgebildet ist, um einen Transport von in dem ersten photoaktiven Bereich (18a) erzeugten Ladungsträgern aus dem ersten photoaktiven Bereich (18a) zu dem ersten Speicherknoten (26a, FD1) zu steuern; und wobei das zweite Teilpixel (16b) einen zweiten photoaktiven Bereich (18b), einen zweiten Speicherknoten (26b, FD2) und ein zweites Auswerte-Gate (24b, TX2) umfasst, wobei das zweite Auswerte-Gate (24b, TX2) benachbart zu dem zweiten Speicherknoten (26b, FD2) und dem zweiten photoaktiven Bereich (18b) des zweiten Teilpixels (16b) gebildet ist, und ausgebildet ist, um einen Transport von in dem zweiten photoaktiven Bereich (18b) erzeugten Ladungsträgern aus dem zweiten photoaktiven Bereich (18b) zu dem zweiten Speicherknoten (26b, FD2) zu steuern. wobei das dritte Teilpixel (16c) einen dritten photoaktiven Bereich (18c) und einen dritten Speicherknoten (26c, FD3) und ein drittes Auswerte-Gate (24c, TX3) umfasst, wobei das dritte Auswerte-Gate (24c, TX3) benachbart zu dem dritten Speicherknoten (26c, FD3) und dem dritten photoaktiven Bereich (18c) des dritten Teilpixels (16c) gebildet ist, und ausgebildet ist, um einen Transport von in dem dritten photoaktiven Bereich (18c) erzeugte Ladungsträger aus dem dritten photoaktiven Bereich (18c) zu dem dritten Speicherknoten (26c, FD3) zu steuern, wobei eine mit dem jeweiligen Speicherknoten (26a-c, FD1-3) verschaltete Verstärkerschaltung (M2-1, M2-1, M2-3) ausgebildet ist, um basierend auf einer Menge von in dem jeweiligen Speicherknoten (26a-c, FD1-3) gespeicherten Ladungsträgern ein resultierendes elektrisches Potential zu generieren, welches eine auslesbare Information bezüglich der Menge von in dem jeweiligen Speicherknoten (26a-c, FD1-3) gespeicherten Ladungsträgern darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltungen von wenigstens zwei Speicherknoten ausgangsseitig - dauerhaft oder - schaltbar zeitweise kurzgeschlossen sind, so dass die die resultierenden elektrischen Potentiale von den wenigstens zwei Speicherknoten über einen einzigen Abgriff parallel auslesbar sind und damit die den wenigstens zwei Speicherknoten zugeordneten Teilpixel gemeinsam auslesbar sind.Pixel structure (10; 30) for optical distance measurement on an object (12), with at least one pixel (14; 32), comprising a first sub-pixel (16a), a second sub-pixel (16b) and a third sub-pixel (16c) for detecting the Object area; wherein the first sub-pixel (16a) comprises a first photoactive region (18a), a first storage node (26a, FD1) and a first evaluation gate (24a, TX1), the first evaluation gate (24a, TX1) adjacent to the the first storage node (26a, FD1) and the first photoactive region (18a) of the first sub-pixel (16a), and is designed to transport charge carriers generated in the first photoactive region (18a) from the first photoactive region (18a) to control to the first storage node (26a, FD1); and wherein the second sub-pixel (16b) comprises a second photoactive region (18b), a second storage node (26b, FD2) and a second evaluation gate (24b, TX2), the second evaluation gate (24b, TX2) adjacent to the second storage node (26b, FD2) and the second photoactive region (18b) of the second sub-pixel (16b), and is designed to transport charge carriers generated in the second photoactive region (18b) from the second photoactive region (18b ) to the second storage node (26b, FD2). wherein the third sub-pixel (16c) comprises a third photoactive region (18c) and a third storage node (26c, FD3) and a third evaluation gate (24c, TX3), the third evaluation gate (24c, TX3) adjacent to the third storage node (26c, FD3) and the third photoactive region (18c) of the third sub-pixel (16c), and is designed to transport charge carriers generated in the third photoactive region (18c) from the third photoactive region (18c) to the third storage node (26c, FD3), wherein an amplifier circuit (M2-1, M2-1, M2-3) connected to the respective storage node (26a-c, FD1-3) is designed to be based on a quantity generate a resulting electrical potential from charge carriers stored in the respective storage node (26a-c, FD1-3), which represents readable information relating to the amount of charge carriers stored in the respective storage node (26a-c, FD1-3), dad characterized in that the amplifier circuits of at least two storage nodes are short-circuited on the output side - permanently or - switchably at times, so that the resulting electrical potentials can be read out in parallel by the at least two storage nodes via a single tap and thus the partial pixels assigned to the at least two storage nodes can be read out together are. Pixelstruktur gemäß Anspruch 1, bei der eine erste Hauptseitenoberfläche des ersten Teilpixels (16a), eine zweite Hauptseitenoberfläche des zweiten Teilpixels (16b) und eine dritte Hauptseitenoberfläche des dritten Teilpixels (16c) kongruent sind.Pixel structure according to Claim 1 , in which a first main side surface of the first sub-pixel (16a), a second main side surface of the second sub-pixel (16b) and a third main side surface of the third sub-pixel (16c) are congruent. Pixelstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der zumindest eines der Teilpixel (16a-c; 16'a-b) ein Sammeltor (CX1-3) umfasst, das zwischen dem jeweiligen photoaktiven Bereich (18a-c) und dem jeweiligen Auswerte-Gate (26a-c) angeordnet ist, und ausgebildet ist, um einen Transport von erzeugten Ladungsträgern aus dem jeweiligen photoaktiven Bereich (18a-c) zu dem jeweiligen Auswerte-Gate (24a-c, TX1-3) durch das Sammeltor (CX1-3) zu steuern.Pixel structure according to one of the preceding claims, in which at least one of the sub-pixels (16a-c; 16'ab) comprises a collecting gate (CX1-3) which is located between the respective photoactive region (18a-c) and the respective evaluation gate (26a -c) is arranged and designed to transport generated charge carriers from the respective photoactive area (18a-c) to the respective evaluation gate (24a-c, TX1-3) through the collecting gate (CX1-3) Taxes. Pixelstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der jedes der Teilpixel (16a-c; 16'a-b) ein Abführ-Gate (TX4-6) und ein Abführgebiet (DD1-3) umfasst, wobei das jeweilige Abführ-Gate (TX4-6) benachbart zu dem jeweiligen photoaktiven Bereich (18a-c) und benachbart zu dem jeweiligen Abführgebiet (DD1-3) gebildet ist, und ausgebildet ist, um einen Transport von in dem jeweiligen photoaktiven Bereich (18a-c) erzeugten Ladungsträgern zu dem jeweiligen Abführgebiet (DD1-3) zu steuern.Pixel structure according to one of the preceding claims, in which each of the sub-pixels (16a-c; 16'ab) comprises a discharge gate (TX4-6) and a discharge region (DD1-3), the respective discharge gate (TX4-6 ) is formed adjacent to the respective photoactive area (18a-c) and adjacent to the respective discharge area (DD1-3), and is designed to transport charge carriers generated in the respective photoactive area (18a-c) to the respective discharge area (DD1-3) to control. Pixelstruktur gemäß Anspruch 4, bei der das jeweilige Abführgebiet (DD1-3) mit einem jeweiligen Referenzpotential (vddpix, vddpix1-3) verbindbar ist.Pixel structure according to Claim 4 , in which the respective discharge area (DD1-3) can be connected to a respective reference potential (vddpix, vddpix1-3). Pixelstruktur gemäß Anspruch 5, bei der die jeweiligen Referenzpotentiale (vddpix, vddpix1-3) miteinander zu einem Potential (vddpix) verschaltet sind.Pixel structure according to Claim 5 , in which the respective reference potentials (vddpix, vddpix1-3) are interconnected to form a potential (vddpix). Pixelstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner Rücksetztransistoren (M1-1, M1-2, M1-3) aufweist, die mit dem jeweiligen Speicherknoten (26a-c, FD1-3) verschaltet sind und ausgebildet sind, um ein Rücksetzpotential (Rücksetzen FD1, Rücksetzen FD2, Rücksetzen FD3) an den jeweiligen Speicherknoten (26a-c, FD1-3) anzulegen, so dass in dem jeweiligen Speicherknoten gespeicherte Ladungsträger abgeführt werden.Pixel structure according to one of the preceding claims, further comprising reset transistors (M1-1, M1-2, M1-3) which are connected to the respective storage node (26a-c, FD1-3) and are designed to have a reset potential (reset FD1, reset FD2, reset FD3) to the respective storage node (26a-c, FD1-3) so that charge carriers stored in the respective storage node are removed. Pixelstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die Verstärkerschaltungen (M2-1, M2-2, M2-3) jeweils einen Auswahlschalter aufweisen, um basierend auf einem Auswahlsignal (Zeilenauswahl) die jeweilige Messspannung an die kurzgeschlossenen Ausgänge anzulegen.Pixel structure according to one of the preceding claims, the amplifier circuits (M2-1, M2-2, M2-3) each have a selection switch in order to apply the respective measurement voltage to the short-circuited outputs based on a selection signal (line selection). Pixelstruktur gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der photoaktive Bereich eines Teilpixels als gepinnten Photodiode oder Photogatestruktur oder lateraler Driftfelddetektor ausgebildet ist.Pixel structure according to one of the preceding claims, in which the photoactive region of a partial pixel is designed as a pinned photodiode or photogate structure or lateral drift field detector. Abstandserfassungssystem mit einer Pixelstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, und einer Strahlungsquelle (56), die ausgebildet ist, um einen Strahlungspuls (22) in Richtung eines Objekts (12) zu emittieren; und einer Steuerschaltung (54), die mit der Pixelstruktur (10; 30) und der Strahlungsquelle (56) gekoppelt ist und die ausgebildet ist, um mittels Laufzeitauswertung eine Distanzinformation bezüglich des Objekts (12) zu bestimmen. Distance detection system with a pixel structure according to one of the Claims 1 to 9 , and a radiation source (56), which is designed to emit a radiation pulse (22) in the direction of an object (12); and a control circuit (54) which is coupled to the pixel structure (10; 30) and the radiation source (56) and which is designed to determine distance information relating to the object (12) by means of runtime evaluation. Abstandserfassungssystem gemäß Anspruch 10, bei dem die Steuerschaltung (54) ausgebildet ist, um eine Reflektanzinformation bezüglich des Objekts (12) zu bestimmen.Distance detection system according to Claim 10 , in which the control circuit (54) is designed to determine reflectance information relating to the object (12). Abstandserfassungssystem gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem die Strahlungsquelle (56) benachbart zu der Pixelstruktur (10; 30) angeordnet ist, so dass eine Laufzeit des Strahlungspulses (22) von der Strahlungsquelle (56) zu dem Objekt (12) im Wesentlichen gleich ist, wie eine Laufzeit des reflektierten Strahlungspuls (22r) von dem Objekt (12) zu der Pixelstruktur (10; 30).Distance detection system according to Claim 10 or 11 , in which the radiation source (56) is arranged adjacent to the pixel structure (10; 30), so that a transit time of the radiation pulse (22) from the radiation source (56) to the object (12) is essentially the same as a transit time of the reflected radiation pulse (22r) from the object (12) to the pixel structure (10; 30).
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