CN111684600B - 用于照相机的像素阵列、照相机以及具有这种照相机的光传播时间照相机系统 - Google Patents

用于照相机的像素阵列、照相机以及具有这种照相机的光传播时间照相机系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于照相机、特别是用于光传播时间照相机(18)的像素阵列(24)，具有：以矩阵排列布置的多个像素元件(36)，其中每个单独的像素元件(36)具有光电区域(38)和至少一个对光不敏感的其他区域(40、42、68)；以及以网格状方式布置并且将像素阵列(24)划分为场(60、62)的多个布线路径(58)。创建一组第一场(60)和一组第二场(62)，其中第一场(60)中的每个第一场(60)由像素元件(36)中的一个像素元件(36)的光电区域(38)提供，而第二场(62)中的每个第二场(62)由其他区域(40、42、68)提供，其中第一场(60)和第二场(62)以类似于棋盘的交替方式布置。本发明还涉及一种对应的照相机，特别是一种用于光传播时间照相机系统(10)的光传播时间照相机(18)，以及一种对应的光传播时间照相机系统(10)。

Description

用于照相机的像素阵列、照相机以及具有这种照相机的光传 播时间照相机系统
技术领域
本发明涉及一种用于照相机、特别是用于光传播时间照相机的像素阵列，包括：(i)以矩阵排列布置的多个像素元件，其中每个单独的像素元件具有光电区域和至少一个非光敏的其他区域；以及(ii)以网格状方式布置并将像素阵列划分为场的多个布线路径。
本发明还涉及一种对应的照相机，特别是一种用于光传播时间照相机系统的光传播时间照相机以及一种对应的光传播时间照相机系统。
背景技术
例如，从EP 2190185 B1中已知一种用于摄影机的上述类型的像素阵列。单独的像素元件被划分为用于电路电子器件的光电转换区域和至少一个其他区域。除了这些区域之外，还有用于信号布线的沿纵向和横向方向延伸走线的走线区域。这些走线区域可能与电路电子器件或光电转换区域的一些部分重叠。
例如，从专利DE 19704496 C2中已知一种包括光传播时间照相机的光传播时间照相机系统。该照相机系统的光传播时间照相机基于光混合元件原理。该专利文献还示出了光传播时间照相机的像素元件的光子混合元件的截面以及将其中指定为用于读出像素的行间传输读出装置的读出装置的一部分。
发明内容
本发明的目的是提供改进照相机的像素阵列的功能、特别是提高该像素阵列的效率和/或减少干扰的措施。
该目的是通过独立权利要求的特征来达成的。
在根据本发明的用于照相机的像素阵列中，通过权利要求1的前序部分中提到的特征，提供了一组第一场的和一组第二场的结果，其中第一场中的每个第一场由像素元件中的一个像素元件的光电区域提供，第二场中的每个第二场由像素元件的其他区域提供，其中，第一场和第二场以棋盘结构交替布置。这样，总共只有一半的场，即只有第一场具有像素元件的光电区域。这些被以行和列来布置，其中，该布置与布线路径的方向成对角线延伸。
由于该措施，导致最小的像素间隔(称为像素间距)与网格状方式布置的布线路径的方向成对角线。这种几何形状导致在读出这些单独的像素期间的串扰减少。
根据本发明的优选实施例，用于读出像素元件的装置布置在至少一部分其他区域中。这些装置特别地是读出电子器件组件。
通常，可以自由地选择一方面的光电区域与另一方面的至少一个其他区域之间的尺寸比。特别地，然而提供，在每个像素元件中，光电区域的面积大致对应于其他区域的面积或多个其他区域的总面积。有利地，像素元件仅包括一个或两个其他区域。
根据本发明的又一优选实施例，第二场中的每个第二场由像素元件中的单个像素元件的至少一个其他区域提供，该像素元件的光电区域布置在相邻的第一场中。优选地，第二场中的每个第二场由像素元件中的单个像素元件的正好一个其他区域提供，该像素元件的光电区域设置在相邻的第一场中。
可替代地，优选地提供，第二场中被另外的场完全包围的每个第二场由两个像素元件的至少两个其他区域提供，该两个像素元件的光电区域提供相邻的第一场。这样的被另外的场完全包围的第二场不是像素阵列边缘处的场。优选地，第二场中被另外的场完全包围的每个第二场由两个像素元件的正好两个其他区域提供，该两个像素元件的光电区域提供相邻的第一场。
有利地提供，场被构造成正方形，即具有正方形形式的轮廓。
根据本发明的优选实施例，每个像素元件的光电区域被划分成两个子区域，其中每个子区域与该像素元件的两个相对的其他区域之一相邻。
根据本发明的又一优选实施例，光电区域包括光子混合元件。对应的照相机通常是光传播时间照相机，该光传播时间照相机的成像传感器基于光混合元件原理。在这种情况下，对应的成像光传播时间传感器被配置为具有调制通道的光子混合元件传感器。此传感器类型也称为PMD传感器(PMD：Photonic Mixer Device，光子混合器装置)。优选地，对应的光子混合元件于是可以被特别地划分成两个通道(通道A、通道B)，每个通道包括一个光电门和一个读出二极管。通道A、B于是对应于光电区域的前述两个子区域。
根据本发明的照相机、特别是用于光传播时间照相机系统的光传播时间照相机，包括具有前述像素阵列的光传播时间传感器。
在包括用于发射调制光的照明模块和用于接收调制光的光传播时间照相机的光传播时间照相机系统中，提供了光传播时间照相机配置为前述光传播时间照相机。
附图说明
图1是包括光传播时间照相机的光传播时间照相机系统的示意图；
图2是用于光传播时间照相机的像素阵列的根据第一实施例的像素元件，该像素元件不具有(左)并且具有(右)对应的布线路径；
图3是具有图2中所示的像素元件(顶部)的根据本发明的第一实施例的像素阵列的一部分，以及所得的棋盘场布置(底部)的图示；
图4是用于光传播时间照相机的像素阵列的根据第二实施例的像素元件，该像素元件不具有(右)并且具有(左)对应的布线路径；
图5是具有图4中所示的像素元件(顶部)的根据本发明的第二实施例的像素阵列的一部分，以及所得的棋盘场布置(底部)的图示；
图6是具有扩大的光敏区域的像素阵列；
图7示出了垂直布线的细节；
图8是具有曲折布线的像素阵列；以及
图9是在光敏区域中具有布线的像素阵列。
具体实施方式
图1示出了光传播时间照相机系统10的示意图。光传播时间照相机系统10包括具有照明器14和相关联的光束整形光学器件16的发射单元或照明模块12，以及具有接收光学器件20和光传播时间传感器22的接收单元或光传播时间照相机18。光传播时间传感器22包括像素阵列24(其中在图3和图5中示出了该阵列24的可能实施例)，并且在该示例中形成为光子混合元件传感器26，也称为PMD传感器。接收光学器件20通常由多个光学元件组成，以改善成像特性。照明模块12的光束整形光学器件16例如可以形成为反射器或透镜光学器件。在一个非常简单的实施例中，可选地，可以在接收侧和发射侧都免去光学元件。
该布置的测量原理本质上基于以下事实：基于所发射和所接收的光的相移，能够确定传播时间以及因此由所接收的光行进的距离。为了这个目的，通过调制器28向照明器14和光传播时间传感器22施加调制信号M0。
此外，在所示的示例中，在调制器28和照明器14之间设置有移相器30，借助于该移相器30，光源12的调制信号M0的基本相位能够围绕限定的相位位置/>移动。对于典型的相位测量，优选地使用/>的相位位置。
光源根据设定的调制信号12发射具有第一相位位置p1或的强度调制信号Sp1。该信号Sp1或电磁辐射在所示的情况下被物体32反射，并通过相应的相移/>作为接收信号Sp2击打到光传播时间传感器22上。由于行进的距离，该接收信号Sp2具有第二相位位置/>在光传播时间传感器22中，将调制信号M0与接收信号Sp2混合，其中从所得的信号中确定相移或物体距离d。
进一步地，提供了调制控制装置34，通过该调制控制装置34指定调制信号的形状、频率以及特别是脉冲和暂停比。此外，通过调制控制装置34，能够根据将要执行的测量任务来控制移相器30。
作为照明器或光源12，优选地，红外发光二极管和激光二极管是合适的。当然，可以想到其他频率范围内的其他辐射源，特别地，考虑可见频率范围内的光源。
图2示出了用于光传播时间传感器22的图3中所示的像素阵列24的在左侧上的像素元件36，光传播时间传感器22是光传播时间照相机18的一部分并且根据光子混合元件传感器的原理运行。像素元件36包括中央光电区域38和在相对侧上夹住光电区域38的两个非光敏的其他区域40、42。中央光电区38为这种光传播时间照相机18容纳光子混合元件44(也称为光学混合器)，该光子混合元件44可以被划分成两个通道A、B，这两个通道A、B各自包括光电门46、48以及读出二极管50、52。在另外两个其他区域40、42中的每一者中，设置了通道A、B之一者的相应的读出电子器件54、56。当两个光电门46、48并排设置在光电区域38的中心区之中时，两个读出二极管46、48设置在分别在相应的光电门46、48和相应的其它区域40、42之间的光电区域38的外围中的彼此相对的侧边处。划分成两个通道A、B，光电门46、读出二极管50以及其他区域40中的读出电子器件54属于通道A，而光电门48、读出二极管52以及其他区域42中的读出电子器件56属于通道B。像素元件36整体上是矩形，其中长宽比为2：1，并且中央光电区域38占据像素元件36的整个宽度和一半的长度因而具有方形轮廓。
在图2的右侧区中示出了相同的像素元件36，但是其具有像素阵列24的布线的对应部分，也即具有用于读出像素的纵向和横向延伸的布线路径58。布线路径58以网格状的方式布置，以使得出现被布线路径58包围的场60、62。这些场中的第一场60仅由光电区域38提供，而这些场中的相邻的第二场62由其他区域40、42提供。
图3示出了具有图2中所示的像素元件36和布线(顶部)的像素阵列24的一部分，以及所得的棋盘结构64的图示(底部)。在此处所示的比较中，具有光电区域38的第一场60对应于棋盘结构64的白色场，而具有用于通道A的读出电子器件54和用于通道B的读出电子器件56的第二场62对应于棋盘结构64的黑色场。为了使图示清楚，在棋盘结构64中而不是在像素阵列24自身中指定了第一场和第二场60、62。
作为结果地，获得了最小像素间隔，该最小像素间隔被指定为与网格状布置的布线路径58的方向成对角线的像素间距P。该像素间距P结果是像素阵列的像素元件36的光电区域38的中心至紧邻像素元件36的光电区域38的中心的距离。由于该对角线布置，像素间距P是彼此平行延伸的相邻布线路径58的距离e(单位单元的间距)的倍。
为此，像素元件36在各行中彼此紧邻地布置。这些行布置为以光电区域38或光子混合元件44的宽度从一者到另一者偏移。这导致棋盘结构64中光子混合元件44和读出电子器件54、56总是对角布置。像素间距P也从单个像素元件36的面积的平方根得出。
如果布线不占用任何面积，则填充因数(fill factor，FF)最高为50％。否则，得到以下填充因数：
传感器22还包括微透镜66，该微透镜66被放置在光子混合元件44上方居中处，并将入射光聚焦到相应的光电区域38的正方形光学活性表面上。正方形的形状有利于微透镜的高效率。在所说明的像素阵列的几何形状中，这通过将微透镜旋转45°布置来确保。
在图3的像素阵列24中，第二场62中的不是在阵列24的边缘处的场(即，其被其他场60、62完全包围)的每个第二场62是由两个像素元件36中的两个其他区域40、42提供，这两个其他区域40、42的光电区域38提供相邻的第一场60。
图4的像素元件36和图5的像素阵列在许多区域中对应于图2中的像素元件36和图3的像素阵列，因此下面将仅讨论不同之处。
图4示出了用于光传播时间传感器22的图5中所示的像素阵列24的在左侧上的像素元件36，该光传播时间传感器22是光传播时间照相机1的一部分并且根据光子混合元件传感器8的原理运行。像素元件36包括光电区域38和非光敏的其他区域68，其中两个区域38、68各自具有相同的尺寸，各自具有正方形形状并且并排布置。在此，光电区域38也包括光子混合元件44，该光子混合元件44可以划分成两个通道A、B，这两个通道A、B各自具有光电门46、48以及读出二极管50、52。在其他区域68中，存在用于两个通道、即用于通道A和通道B的读出电子器件70。两个光电门46、48并排布置在光电区域38的中心区之中，而两个读出二极管46、48设置在光电区域38的外围中的相对的侧边处。横向于读出二极管46、48的这种布置的方向，具有用于通道A和B的读出电子器件的其他区域68紧邻光电区域38布置。图4中所示的像素元件36也是整体上为矩形，其中长宽比为2：1，并且区域38、68中的每一者(即光电区域38和其他区域68)占据像素元件36的整个宽度的一半的长度。
图5示出了具有图4中所示的像素元件36和布线(顶部)的像素阵列24的一部分以及所得到的棋盘结构64(底部)的图示。在图5中此处所示的比较中，同样的，具有光电区域38的第一场60对应于棋盘结构64的白色场，而具有用于通道A和通道B的读出电子器件70的第二场62对应于棋盘结构64的黑色场。
再次，这导致最小的像素间隔(被指定为像素间距P)与以网格状方式布置的布线路径58的方向成对角线。像素间距P结果是像素阵列24的像素元件36的光电区域38的中心至紧邻像素元件36的光电区域38的中心的距离。由于该对角线布置，像素间距P是彼此平行延伸的相邻布线路径58的距离E的倍。
在该像素阵列24中，第二场62中的每个第二场由像素元件36中的单个像素元件的一个其他区域68提供，该像素元件36的光电区域38布置在相邻的第一场60中。
图3和图5中所示的像素阵列24的两个实施例示出了特别地优选的几何形状，这要求矩形像素元件36中的长宽比约为2：1，其中在每个像素元件36中，光电区域38的面积大致对应于至少一个其他区域40、42；68的总面积。这允许能够将微透镜66设置为在光电区域38上方中心旋转45°。微透镜66具有正方形形状以具有高增益。
这导致具有棋盘结构的根据本发明的像素阵列24的布局、特别是示例中所示的布局的以下优点：
1.像素串扰低；
2.由于读出电子器件54、56、70，布线58和光子混合元件44的有效布置而导致的具有小像素的高填充因数(如果A读出电子器件＝A光学混合器)；
3.具有光子混合元件44的光电区域38的正方形形状；
a.)允许特别有效地使用微透镜66；以及
b.)有利于对比(关键字p井收缩)；
4.布线：
a.)由于布线没有直接设置在读出电子器件54、56、70的上方，确保低耦合至读出电路；以及
5.读出电子器件54、56、70的设计和布置：
a.)对于通道A和通道B是对称的；以及
b.)由于读出二极管50、52与相应的读出电子器件54、56、70之间的短连接而致使二极管容量低。
使用具有棋盘结构的像素阵列24的这种布局的边界条件是：
1.光子混合元件44的面积等于读出电子器件54、56、70的面积：A读出电子器件＝A光学混合器。
2.为了达成高填充因数，必须保持小的布线面积。这由具有少的信号的像素来确保。
图6示出了又一实施例，在该实施例中，第一区域60或具有其光子混合元件44的光电区域38的面积设计成大于在其中例如布置有读出电子器件54、56的第二区域62、40、42的面积。该实施例也可以有利地布置为棋盘结构，其中可以根据设计实现大于50％的填充因数。
图7示出了一个实施例，在该实施例中，为了节省像素面积，垂直布线59优选地铺设在读出电子器件54、56的范围内。特别地，金属堆可以被构造成锥形，从而能够在侧面光入射的情况下避免阴影。
为了实现垂直路径59，特别是具有大的光电区域38、60的情况下，如图8中所示，旨在即使在光电区域38的角区域中也设置有布线，但是在光子混合元件44的外部。
图9示出了又一实施例，在该实施例中，布线也占据了光电区域38内的较大区域，直到光子混合器元件44的极限为止。
参考符号列表
10 光传播时间照相机系统
12 照明模块
14 照明器
16 光束整形光学器件
18 光传播时间照相机
20 接收光学器件
22 光传播时间传感器
24 像素阵列
26 光子混合元件传感器
28 调制器
30 相移器
32 物体
34 调制控制器
36 像素元件
38 光电区域(像素元件)
40、42 其他区域(像素元件)
44 光子混合元件
46、48 光电门(通道A、通道B)
50、52 读出二极管(通道A、通道B)
54、56 读出电子器件(通道A、通道B)
58 布线路径
60、62 第一场和第二场
64 棋盘结构
66 微透镜
68 其他区域(像素元件)
70 读出电子器件(通道A和通道B)
A、B 通道
E 距离布线路径
P 像素间距
d 距离
M0 调制信号
定相

Claims (9)

1.用于光传播时间照相机(18)的光传播时间传感器(22)的像素阵列(24)，包括：
-多个像素元件(36)，所述多个像素元件(36)以矩阵阵列布置，其中，每个单独的像素元件(36)包括光电区域(38)，所述光电区域(38)包括：光子混合元件(44)，所述光子混合元件(44)被划分为具有相应的光电门(46、48)和相应的读出二极管(50、52)的至少一个通道(A、B)；以及至少一个非光敏的其他区域(40、42、68)，其中，在所述其他区域(40、42、68)的至少一部分中布置读出电子器件(54、56、70)；以及
-多个布线路径(58)，所述多个布线路径(58)以网格状方式布置并将所述像素阵列(24)划分为场(60、62)；
其特征在于：
获得一组第一场(60)和一组第二场(62)，其中所述第一场(60)中的每个第一场(60)由所述像素元件(36)中的一个像素元件(36)的光电区域(38)提供，并且所述第二场(62)中的每个第二场(62)由所述其他区域(40、42、68)提供，其中所述第一场(60)和所述第二场(62)以棋盘结构交替布置。
2.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，在每个像素元件(36)中，所述光电区域(38)的面积约等于所述至少一个其他区域(40、42、68)的总面积。
3.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，在每个像素元件(36)中，所述光电区域(38)的面积大于所述其他区域(40、42、68)的总面积。
4.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，所述第二场(62)中的每个第二场(62)由所述像素元件(36)中的单个像素元件(36)的至少一个其他区域(68)提供，所述像素元件(36)的所述光电区域(38)设置在相邻的第一场(60)中。
5.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，所述第二场(62)中被另外的场完全包围的每个第二场(62)由两个像素元件(36)的至少两个其他区域(40、42)提供，所述两个像素元件(36)的光电区域(38)提供相邻的第一场(60)。
6.根据权利要求1、2、4或5中的任一项所述的像素阵列，其特征在于，所述场(60、62)配置为正方形形状。
7.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，每个像素元件(36)的所述光电区域(38)被划分为两个子区域，其中，每个子区域与所述像素元件(36)的彼此相对布置的所述两个其他区域(40、42)之一相邻。
8.用于光传播时间照相机系统(10)的照相机，特别是光传播时间照相机(18)，其特征在于，光传播时间传感器(22)包括根据权利要求1至7中任一项所述的像素阵列(24)。
9.光传播时间照相机系统(10)，包括用于发射调制光的照明模块(12)和用于接收调制光的光传播时间照相机(18)，其特征在于，所述光传播时间照相机(18)根据权利要求8配置。
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