DE102005056774B4

DE102005056774B4 - TOF-Pixel und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102005056774B4
Application number: DE102005056774.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Xu Zhanping; Jochen Frey; Holger Kraft; Tobias Möller; Dr. Buxbaum Bernd
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2025-11-29
Also published as: DE102005056774A1

Abstract

TOF-Pixel, bestehend aus mindestens einem strahlungsempfindlichen Bereich (1) und mindestens zwei Ladungen aus dem strahlungsempfindlichen Bereich ableitenden Anschlusskontakte (2, 3; 11, 12) auf einem integrierten Halbleiterchip sowie mindestens einem Speicherbereich (15, 16) für Ladungen, der dem strahlungsempfindlichen Bereich (1) zugeordnet ist, wobei in dem strahlungsempfindlichen Bereich (1) in Reaktion auf eine Bestrahlung freie Ladungsträger erzeugt werden und wobei der strahlungsempfindliche Bereich (1) gleichzeitig durch eine intensitätsmodulierte Strahlung und ein elektrisches Modulationsfeld (Uma, Umb) beaufschlagbar ist, dessen Frequenz in einer wohldefinierten Beziehung zu der Modulationsfrequenz der intensitätsmodulierten Strahlung steht, dadurch gekennzeichnet, dass eine integrierte Überwachungsschaltung vorgesehen ist, welche die Ladungsmenge auf dem und/oder die entsprechende Spannung an dem mindestens einen Speicherbereich (15, 16) überwacht und welche Einrichtungen zum Erfassen der Ladungsmenge auf dem mindestens einen Speicherbereich (15, 16) und/oder einer hierzu äquivalenten Spannung oder eines entsprechenden Stromes und Einrichtungen zum Verhindern eines Speicherüberlaufs aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein TOF-Pixel, bestehend aus mindestens einem strahlungsempfindlichen Bereich und mindestens zwei Anschlusskontakten, welche beabstandet voneinander Ladungen aus dem strahlungsempfindlichen Bereich ableiten, auf einem integrierten Halbleiterchip, sowie mindestens einem Speicherbereich für Ladungen, der dem strahlungsempfindlichen Bereich zugeordnet ist, wobei der strahlungsempfindliche Bereich aus einem Material besteht, in welchem in Reaktion auf eine Bestrahlung freie Ladungsträger erzeugt werden und wobei der strahlungsempfindliche Bereich sowohl durch eine intensitätsmodulierte Strahlung als auch durch ein elektrisches Modulationsfeld gleichzeitig beaufschlagbar ist, wobei die elektrische Modulationsfrequenz in einer wohldefinierten Beziehung zu der Modulationsfrequenz der intensitätsmodulierten Strahlung steht.
Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren für den Betrieb des vorgenannten TOF-Pixels, welches gleichzeitig mit einer intensitätsmodulierten Strahlung und einem elektrischen Modulationsfeld beaufschlagt wird, dessen Frequenz in einer wohldefinierten zu der Modulationsfrequenz der intensitätsmodulierten Strahlung steht.
Die Abkürzung „TOF” steht dabei für „Time of Flight” und bringt zum Ausdruck, daß ein entsprechendes Pixel dafür vorgesehen und geeignet ist, die Laufzeit einer (intensitätsmodulierten) Strahlung zu messen, die von einer Quelle ausgeht und gegebenenfalls von mit Hilfe der Strahlung zu erfassenden Objekten reflektiert oder gestreut wird, wobei die Position der Quelle bekannt ist.
Der Begriff Anschlusskontakt, wie er für die elektrische Verbindung des strahlungsempfindlichen Bereiches verwendet wird, über welche die Ladungen von dem strahlungsempfindlichen Bereich in den Speicherbereich abgeleitet werden, ist in diesem Zusammenhang allgemein im Sinne eines elektrischen Anschlusses zu verstehen, der geeignet ist, Ladungen, die aufgrund der elektrischen Modulation periodisch in verschiedene Sektoren oder Teile des strahlungsempfindlichen Bereichs verschoben werden, zu den Speicherbereichen abzuleiten, soweit die Speicherbereiche nicht selbst unmittelbar an den strahlungsempfindlichen Bereich angrenzen.
Entsprechende TOF-Pixel und Verfahren zu deren Betrieb sind u. a. unter der Bezeichnung PMD-Pixel aus dem Stand der Technik bekannt (siehe z. B. DE 197 04 496 A1 ). Die gleichzeitige Beaufschlagung eines strahlungsempfindlichen Bereiches (welches beispielsweise aus einem geeigneten Halbleitermaterial besteht) mit intensitätsmodulierter Strahlung und mit einem internen elektrischen Modulationsfeld, dessen Modulationsfrequenz in einer wohldefinierten Beziehung zu der Modulationsfrequenz der intensitätsmodulierten Strahlung steht, führt zu einem Korrelationssignal in Form von den allgemeinen unterschiedlichen Ladungsmengen, in die an verschiedenen Stellen des strahlungsempfindlichen Bereiches durch entsprechende Anschlusskontakte bzw. Anschlusskontakts abgeleitet werden. Im einfachsten Fall sind Frequenz- und Wellenform der intensitätsmodulierten Strahlung und des elektrischen Modulationsfeldes identisch und das elektrische Modulationsfeld in dem strahlungsempfindlichen Bereich wird derart angelegt, daß die unmittelbar an die Anschlusskontakte angrenzenden Bereiche in etwaigem Gegentakt moduliert werden. Dies führt dazu, daß wechselweise die in dem strahlungsempfindlichen Bereich entstehenden freien Ladungsträger bevorzugt zu dem einen oder dem anderen Anschlusskontakt geführt und von dort abgeleitet werden. Diese Ladungsmengen von den Anschlusskontakten werden in mindestens einem Speicherbereich aufintegriert, wobei sich nur im Falle einer Beaufschlagung des strahlungsempfindlichen Bereichs mit der entsprechenden, intensitätsmodulierten Strahlung im allgemeinen ein Unterschied in den von den beiden Anschlusskontakten abgeleiteten Ladungsmengen ergibt. Nicht mit der elektrischen Modulation korrelierte Hintergrundstrahlung erzeugt zwar auch freie Ladungsträger in dem strahlungsempfindlichen Bereich, die jedoch im statistischen Mittel zu der jeweils gleichen, an den Anschlusskontakten abgeleiteten Ladungsmenge führen.
Allerdings kann in vielen praktischen Fällen die Hintergrundstrahlung gegenüber der intensitätsmodulierten Strahlung bei weitem dominieren, was zu einem erheblichen Untergrund an erzeugten freien Ladungsträgern führt, von denen sich das Korrelationssignal nur schwer trennen lässt. Insbesondere kann es je nach Intensität der Hintergrundstrahlung, der Kapazität der Speicherbereiche und der erforderlichen Integrationszeit zu einem Überlauf des Speicherbereiches kommen.
Unter bestimmten Bedingungen kann es auch geschehen, daß die intensitätsmodulierte Strahlung dominiert und auch dann kann ein Speicherbereich sehr schnell in die Sättigung kommen, so daß die Differenz der durch die beiden Anschlusskontakte abgeleiteten Ladungen nicht mehr erfassbar ist. Während die vorzugsweise zu verwendende Modulationsfrequenz typischerweise im MHz-Bereich liegen, wobei ja nach konkreter Auslegung Modulationsfrequenzen im Bereich von 20 kHz bis 10 GHz möglich sind, liegt die Integrationszeit typischerweise im Bereich von 1 bis 50 Millisekunden, wobei auch kürzere oder längere Integrationszeiten grundsätzlich denkbar sind. Wesentlich ist allerdings, daß der Kehrwert der Integrationszeit (d. h. die Pixel-Auslesefrequenz) um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise einen Faktor 100 kleiner ist als die Modulationsfrequenz der intensitätsmodulierten Strahlung, damit ein Korrelationssignal mit der gewünschten Genauigkeit erfasst werden kann.
Kurze Integrationszeiten liefern nur ein schwaches und quantitativ entsprechend schwer auszuwertendes Korrelationssignal, während allerdings lange Integrationszeiten häufig zu dem bereits angesprochenen Sättigungsproblem führen.
Der Einfachheit halber und ohne Beschränkungsabsicht kann zur Erleichterung des Verständnisses davon ausgegangen werden, dass die verwendete Strahlung elektromagnetische Strahlung im optischen oder in der Nähe des optischen Bereiches ist und dass dementsprechend der strahlungsempfindliche Bereich des Pixels typischerweise aus einem fotosensitiven Material besteht.
Entsprechende TOF-Pixel sind üblicherweise in einem Array angeordnet und dienen beispielsweise zur dreidimensionalen Erfassung von Objekten. Das Korrelationssignal liefert dabei eine Information über die relative Phasenlage zwischen modulierter Strahlung und elektrischer Modulation, woraus sich die Laufzeit der intensitätsmodulierten Strahlung ermitteln und in Abstandsinformation umsetzen lässt. Mit entsprechenden Pixelarrays sind inzwischen gut aufgelöste 3D-Darstellungen von Objekten im Nahbereich (bis etwa 100 Meter) verfügbar. Für größere Abstände lässt das Auflösungsvermögen bezüglich der Abstandsinformation merklich nach, da das von entfernt gelegenen, dreidimensionalen Objekten reflektierte, intensitätsmodulierte Strahlungssignal entsprechend dem großen Abstand zunehmend schwächer wird, so daß auch das Korrelationssignal, das sich in einer Differenz der von den verschiedenen Anschlüssen eines strahlungsempfindlichen Bereichs abgeleiteten Ladungen ergibt, entsprechend schwer vom Hintergrundsignal abzutrennen ist.
Die DE 100 39 422 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ansteuerung eines PMD-Systems, bei dem ein PMD mittels mindestens eines Modulationssignals und eines dazu komplementären Modulationssignals angesteuert wird und ein Sender elektromagnetische Strahlung aussendet, die mittels des mindestens einen Modulationssignals intensitätsmoduliert wird, wobei das Modulationssignal zwischen mindestens zwei Modulationsfrequenzen variiert wird.
Die DE 100 47 170 A1 betrifft ein PMD-System, welches mindestens ein PMD-Element und mindestens einen intensitätsmodulierbaren Sender sowie mindestens eine Ansteuerelektronik aufweist, mittels der das PMD-Element und der Sender mit jeweils mindestens einer Modulationsspannung ansteuerbar sind und mittels der über ein Stellsignal eine Phasenverschiebung veränderbar ist, wobei eine Regelstrecke vorhanden ist, in die als eine Regelgröße mindestens ein Ausgangssignal des PMD-Elements einspeisbar ist, und deren Ausgangssignal als Stellsignal in die Ansteuerelektronik einspeisbar ist, wobei durch die Regelstrecke die Regelgröße auf den Wert einer vorgegebenen Zielgröße einstellbar ist.
Gegenüber dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein TOF-Pixel mit den eingangs genannten Merkmalen und ein entsprechendes Verfahren zu schaffen, welche eine optimierte Ausnutzung der Speicherkapazität gewährleisten und insbesondere eine Übersättigung der Speicherbereiche vermeiden.
Hinsichtlich des TOF-Pixels selbst wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine integrierte Überwachungsschaltung vorgesehen ist, welche die Ladungsmenge auf dem bzw. die entsprechende Spannung an dem mindestens einen Speicherbereich oder den Anschlusskontakten kontrolliert und welche einen Überlauf des Speicherbereichs verhindert.
In der bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße TOF-Pixel hierfür

a) Einrichtungen zum Unterbrechen bzw. Abbrechen der Ladungsintegration in Abhängigkeit von der erfassten Menge an Ladung in dem mindestens einen Speicherbereich und/oder
b) Einrichtungen zum Aufprägen eines Kompensationsstromes auf mindestens einen der Anschlusskontakte und/oder den mindestens einen Speicherbereich auf.

Unter einer integrierten Überwachungsschaltung versteht die vorliegende Erfindung eine einem Pixel individuell zugeordnete Halbleiterschaltung, die auf demselben Chip wie das Pixel und in dessen unmittelbarer Nachbarschaft implementiert sein kann, die aber auch, und zwar vorzugsweise, auf einer der Pixeloberfläche parallelen Ebene zwar in der Nähe des Pixels und eventuell auch auf demselben Substrat oder Träger angeordnet sein kann, die aber auch aus einem anderen Halbleitermaterial als das Pixel hergestellt und auf einem benachbarten Träger oder Substrat angeordnet sein kann.
Erfindungsgemäß wird demnach bereits während der Integration der Ladungen auf einen Speicherbereich die auf den Speicherbereich übertragene bzw. dort bereits angesammelte Ladung kontrolliert und eine Überlauf verhindert. Hierzu werden beispielsweise Einrichtungen zum Abbrechen der Ladungsintegration aktiviert oder es wird ein Kompensationsstrom aufgeprägt, und zwar entweder unmittelbar auf den Speicherbereich oder aber auf den entsprechenden Anschlusskontakt, der den strahlungsempfindlichen Bereich mit dem Speicherbereich verbindet, wobei der Kompensationsstrom die in den Speicherbereich abgeleitete bzw. abzuleitende Ladung mindestens teilweise kompensiert.
Insbesondere dann, wenn Einrichtungen zum Abbrechen der Ladungsintegration vorgesehen sind, ist eine Variante der Erfindung bevorzugt, bei welcher zusätzlich noch eine Einrichtung zur Erfassung der von einem Reset des mindestens einen Speicherbereiches (welcher nach jedem Auslesen des Speicherbereiches erfolgt) bis zum Abbruch der Integration vorgehenden Zeit vorgesehen ist. Aus dem Verhältnis der normalen Integrationszeit zu der Zeit bei Abbruch der Integration lässt sich dann eine theoretische Ladungsmenge berechnen, die der Speicher bei einer entsprechenden Aufnahmekapazität nach Erreichen der normalen Integrationszeit gehabt hätte. Dieses theoretische Signal kann dann bei der weiteren Verarbeitung der erfassten Daten bzw. Ladungen und Umsetzung in eine konkrete Bild- bzw. Tiefeninformation verwendet werden.
Zweckmäßigerweise werden sowohl Einrichtungen zur Aufprägung eines Kompensationsstroms als auch Einrichtungen zum Abbrechen der Ladungsintegration vorgesehen. Dabei wird zunächst der Kompensationsstrom aufgeprägt um eine Sättigung eines Speicherbereiches zu verhindern, wobei aber dieser Kompensationsstrom womöglich nicht ausreicht bzw. aus grundsätzlichen Erwägungen heraus nicht so einstellbar ist, daß eine Sättigung innerhalb der einer standardmäßig vorgesehenen Integrationszeit sicher verhindert, wohl aber verzögert wird. Der Abbruch der Ladungsintegration erfolgt dann also wesentlich später als ohne Kompensation und die Abbruchzeit wird dann erfasst. Mit anderen Worten durch Aufprägen des Kompensationsstroms, der z. B. beliebige Hintergrundsignale unterdrückt, wird die bei dem gegebenen Nutzsignal mit den vorhandenen Speicherbereichen maximal mögliche Integrationszeit genutzt (sofern diese kürzer ist als die standardmäßig vorgesehene Integrationszeit) und damit eine Messung des Differenzsignals mit maximaler Genauigkeit durchgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Einrichtung zum Erfassen der Abbruchzeit mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung einer Spannungsrampe und eine Einrichtung zur Erfassung des aktuellen Werts der Spannungsrampe bei Abbruch der Integration auf. Auf diese Weise wird die Zeit einfach umgesetzt in einen aktuellen Spannungswert. Dabei kann es zweckmäßig sein, zwei verschiedene Einrichtungen zur Erzeugung von Spannungsrampen unterschiedlicher Steigungen vorzusehen, die eine Messung auf unterschiedlichen Zeitskalen ermöglichen, indem die steilere Spannungsrampe nach relativ kurzer Zeit zurückgesetzt wird, während die flachere Spannungsrampe über eine längere Zeit ansteigt, so daß die Kombination beider Spannungswerte eine sehr genaue Zeitmessung ergibt. Alternativ kann die Spannungsrampe auch eine variable Steigung haben, mit einer maximalen Steigung nach einem Reset und einer zunehmend geringeren Steigung im Verlauf der Integrationszeit.
Dabei kann die Steigung der Spannungsrampe beispielsweise stufenweise abnehmen und eine erste Steigung, beispielsweise während eines ersten Bruchteils von ¹/₁₀₀ der maximalen Integrationszeit, eine um beispielsweise einen Faktor 5 reduzierte Steigung in der vollen Zeit bis zu ¹/₁₀ der maximalen Integrationszeit und eine nochmals um einen Faktor 5 oder 10 reduzierte Steigung während der verbleibenden Integrationszeit haben.
Auf diese Weise werden sehr kurze Abbruchzeiten mit einer höheren absoluten Genauigkeit erfasst als lange Abbruchzeiten, ohne daß die Spannungsrampe insgesamt auf sehr hohe Spannungswerte gefahren werden muss, gleichzeitig ist aber die relative Genauigkeit der Abbruchzeiten über den gesamten in Frage kommenden Bereich hinweg mit ausreichender Genauigkeit erfasst, da sich Messungenauigkeiten der Spannung aufgrund einer geringeren Rampensteigung, bezogen auf die aktuelle Abbruchzeit geringer auswirken, wenn bereits ein größerer Teil der Integrationszeit verstrichen ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß für ein TOF-Pixel mindestens eine Einrichtung zur Konstanthaltung der Spannung bzw. Ladungsmenge an mindestens einem der Aufnahmeanschlüsse vorgesehen ist. Konstanthaltung der Spannung an einem der Aufnahmeanschlüsse bedeutet, daß über diesen Anschluss keine weiteren Ladungen in Richtung eines Speicherbereiches abfließen. Da für die Funktion eines TOF-Pixels im wesentlichen nur die Spannungs- bzw. Ladungsdifferenz von Interesse ist, die an den voneinander beabstandeten Aufnahmeanschlüssen entsteht, hat das Konstanthalten der Spannung an mindestens einem der Aufnahmeanschlusskontakte keinen Einfluss auf die Differenzmessung, wenn der zur Konstanthaltung dieser Spannung auf den Aufnahmeanschluss aufzuprägende Strom in gleicher Weise auch auf den zweiten Aufnahmeanschluss aufgeprägt wird, was dazu führt, daß jede Spannungsdifferenz an dem zweiten Aufnahmeanschluss der Differenz der beiden Signale von den verschiedenen Aufnahmeanschlüssen entspricht.
Bevorzugt sind für jedes Pixel mindestens zwei Speicherbereiche vorgesehen, denen jeweils eine Einrichtung zur Erfassung der gespeicherten Ladungsmenge zugeordnet ist. Zweckmäßigerweise sind die Einrichtungen zur Erfassung der gespeicherten Ladungsmenge in der Weise miteinander gekoppelt, daß sobald die Ladungsmenge in einem der Speicherbereiche einen kritischen Grenzwert zu überschreiten droht, Maßnahmen zur Reduzierung oder mindestens zum Konstanthalten dieser gespeicherten Ladungsmenge getroffen werden, die gleichzeitig auch auf den zweiten Speicherbereich angewendet werden, so daß das Differenzsignal zwischen den Speicherbereichen erhalten bleibt bzw. sich aufgrund der verlängerten Integration noch vergrößert. Erst wenn auch die Einrichtungen zur Erfassung der gespeicherten Ladungsmenge für den zweiten Speicherbereich die Über- oder Unterschreitung eines weiteren Grenzwertes feststellen, wird in der bevorzugten Variante der Erfindung die Integration abgebrochen und die bis dahin verstrichene Integrationszeit registriert.
Demzufolge ist es zweckmäßig, wenn die Einrichtung zum Aufprägen eines Kompensationsstromes für das Aufprägen jeweils gleichgroßer Kompensationsströme auf beide Speicherbereiche bzw. auch unmittelbar auf die Aufnahmeanschlüsse ausgelegt ist. Dabei kann beispielsweise ein Kompensationsstrom verwendet werden, der dem Inversen desjenigen Stroms entspricht, der von einem der Aufnahmeanschlüsse in Richtung eines zugehörigen Speicherbereiches fließt. Das Aufprägen dieses inversen Kompensationsstromes hat dann den Effekt, daß der betreffende Aufnahmeanschluss, von welchem der invertierte Strom abgeleitet wird, auf einem konstanten Spannungsniveau bleibt, der auf den zweiten Aufnahmeanschluss in gleicher Größe aufgeprägte, invertierte Strom entweder zu einer Überkompensation der Ladungen des Speicherbereiches bzw. des von dem zweiten Aufnahmeanschluss fließenden Stromes führt oder aber zur Kompensation dieses Stromes nicht ausreicht, so daß der zugeordnete Speicherbereich und/oder der Aufnahmeanschluss, der über- oder unterkompensiert wird, nach einer gewissen Zeit einen vorgebbaren Spannungsgrenzwert überschreitet, der dann zum Abbruch der Integration für beide Anschlüsse führt.
Auf diese Weise ergibt sich das Signal von dem zweiten Aufnahmeanschluss automatisch als Differenz der Signale beider Aufnahmeanschlüsse.
Daneben ist auch eine Variante der Erfindung zweckmäßig und für manche Anwendungen bevorzugt, bei welcher nur der nicht korrelierte Anteil des Stromes an beiden Aufnahmeanschlüssen kompensiert wird. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise die Summe der Ströme beider Anschlüsse erfassen, und die Hälfte dieser Summe als Kompensationsstrom auf beide Anschlüsse leiten, so daß nur noch das Differenzsignal in Form von Ladungen bzw. Spannungen an den Speicherbereich auslesbar ist. Auch hier wird in der bevorzugten Ausführungsform die Integration abgebrochen, sobald allein dieser Differenzwert zur Überschreitung eines Grenzwertes führt.
In einer weiteren Variante, welche nur einen einzigen Speicherbereich für beide Aufnahmeanschlüsse verwendet, wobei dem Speicherbereich nur das Differenzsignal beider Anschlüsse zugeführt wird, arbeitet in der Weise, daß ein Aufnahmeanschluss des stromempfindlichen Bereiches mit einer Einrichtung zum Ermitteln des Ladungs- bzw. Spannungszustandes und zum Aufprägen eines Kompensationsstromes verbunden ist, der genau dem von dem betreffenden Aufnahmeanschluss abfließenden Strom entspricht. Indem dieser Strom invertiert zurückgekoppelt wird, bleibt die Ladung und die Spannung an diesem Aufnahmeanschluss konstant. Gleichzeitig wird dieser Kompensationsstrom gespiegelt und auch auf den zweiten Aufnahmeanschluss gegeben, von welchem dann lediglich noch das Differenzsignal als Strom auf den Speicherbereich gegeben wird. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit einer vorzeitigen Sättigung beträchtlich und verlängert die praktisch mögliche Integrationszeit.
Hinsichtlich des eingangs genannten Verfahrens für den Betrieb eines TOF-Pixels, bei welchem der strahlungsempfindliche Bereich eines Halbleiterchips durch eine intensitätsmodulierte Strahlung und gleichzeitig auch mit einem elektrischen Modulationsfeld beaufschlagt wird, dessen Frequenz in einer wohldefinierten Beziehung zu der Modulationsfrequenz der intensitätsmodulierten Strahlung steht, wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ladungsmenge auf dem bzw. die entsprechende Spannung an dem mindestens einem Anschlusskontakt oder dem mindestens einen damit verbundenen Speicherbereich erfasst und verarbeitet wird und ein Überlauf des Speicherbereichs durch entsprechende Maßnahmen verhindert wird. Hierzu gehört beispielsweise, daß die Ladungsintegration in Abhängigkeit von der erfassten Menge an Ladung in dem mindestens einen Speicherbereich abgebrochen wird, und/oder ein Kompensationsstrom dem mindestens einen Anschlusskontakt oder damit verbundenen Speicherbereich aufgeprägt wird.
Analog zu dem entsprechenden TOF-Pixel ermöglicht diese vorgeschlagene Vorgehensweise, daß eine Übersättigung der Speicherbereiche wirksam verhindert wird, so daß die Phasen- und damit die räumliche Tiefeninformation mit verbesserter Genauigkeit gewonnen werden kann.
Zweckmäßigerweise wird beim Betrieb eines TOF-Pixels die Zeit zwischen einem Reset des mindestens einen Speicherbereiches und dem Abbruch einer Integration erfasst. Auf der Basis dieser Zeiterfassung kann dann eine Hochrechnung hinsichtlich der in der vollen Integrationszeit erfassten bzw. erfassbaren Ladungsmenge gewonnen werden. Die Zeiterfassung erfolgt zweckmäßigerweise über eine Rampenspannung. Auch hier ist eine Zeiterfassung über mindestens zwei Rampen unterschiedlicher Steigung besonders bevorzugt, wobei alternativ auch eine Rampenspannung mit zeitlich variierender Steigung erfolgt, die nach einem Reset maximal ist und anschließend, vorzugsweise stufenweise, abnimmt.
In Analogie zu den bereits beschriebenen Merkmalen eines TOF-Pixels kann die Spannung an mindestens einem Speicherbereich konstant gehalten werden, beispielsweise indem dem betreffenden Speicherbereich bzw. dem Aufnahmeanschluss ein entsprechender Kompensationsstrom zugeführt wird. Bei einer Ausführungsform, bei welcher zwei Speicherbereiche vorgesehen sind, wird zweckmäßigerweise ein Kompensationsstrom jeweils gleicher Stärke beiden Anschlusskontakten zugeführt, was sich auf die Differenz der Signale zwischen den beiden Aufnahmeanschlüssen nicht auswirkt, wohl aber auf die absoluten Signale, so daß im Ergebnis die Differenz wesentlich genauer bestimmt werden kann und außerdem ein Speicherbereich nicht so leicht übersättigt wird.
Wie bereits beschrieben, kann die Spannung an einem der Aufnahmeanschlüsse konstant gehalten werden und der hierfür erforderliche Kompensationsstrom wird auch auf den zweiten Aufnahmeanschluss gespiegelt.
Bei einer anderen Verfahrensweise wird der nicht korrelierte Anteil des Signals, d. h. der Strom, bzw. die Ladungen, die allein durch Hintergrundstrahlung erzeugt werden, ermittelt und von beiden Aufnahmeanschlüssen subtrahiert, was wiederum zu einer wesentlich genaueren Ermittlung und Erfassung des Differenzsignals beiträgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet weiterhin in der Weise, daß die Spannung des einen gemeinsamen bzw. zweier getrennter Speicherbereiche überwacht wird und die Integration bei Überschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes abgebrochen wird.
Auch hier wird zweckmäßigerweise eine Rampenspannung verwendet, um den Zeitpunkt des Abbruchs relativ zum Zeitpunkt des letzten Resets genau zu erfassen, was vorzugsweise wieder durch eine Spannungsrampe erfolgt, die oben bereits beschrieben wurde. Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren.
1 eine schematische Schnittdarstellung eines TOF-Pixels nach dem Stand der Technik
2 eine Schnittdarstellung nach 1 mit der Veranschaulichung von Überlaufzuständen
3 ein Schema einer Überwachungsschaltung,
4 eine konkrete technische Realisierung einer Überwachungs- und Speicherschaltung,
5 den Spannungsverlauf an den Anschlusskontakten des strahlungsempfindlichen Bereichs unter dem Einfluss der Überwachungsschaltung,
6 ein Schema für die Zeitmessung mittels Rampenspannung,
7 das Schema einer Zeitmessung mithilfe einer Rampe mit variabler Steigung,
8 eine Variante bei der technischen Realisierung zur Messung eines Differenzstromes,
9 ein entsprechendes Schema eines Spannungsverlaufes, und
10 eine mögliche Realisierung einer Schaltung mit Hintergrundkompensation.
1 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein herkömmliches TOF-Pixel, das insgesamt mit 100 bezeichnet ist.
In einem lichtempfindlichen Halbleitermaterial 1 sind unter Metallkontakten 2, 3 jeweils Speicherbereiche 4, 5 ausgebildet, wobei die Ladungen aus den Speicherbereichen über die Metallkontakte 2, 3 ausgelesen bzw. entsprechende Spannungen erfasst werden können. In regelmäßigen Zeitabständen kann durch Anlegen einer Spannung U_r ein Reset vorgenommen werden, so daß die Speicherbereiche 4, 5 entleert werden. Der lichtempfindliche Bereich 1 zwischen den Metallkontakten 2, 3 weist an seiner Oberseite zwei strahlungsdurchlässige Modulationsgates 6, 7 auf, die aber nicht zwingend als getrennte Elemente vorhanden sein müssen, da entsprechende Modulationsspannungen bei geeigneter Ausgestaltung und Auswahl der Metall-Halbleiterkontakte und des Halbleitermaterials auch direkt auf die Metallkontakte 2, 3 aufgebracht werden können. Eine Treppenkurve 8 veranschaulicht schematisch den Potentialverlauf im Inneren des Halbleiters. Durch die Modulationsgates 6, 7, die vorzugsweise im Gegentakt mit der Modulationsspannung beaufschlagt werden, wird das Potential unter den Modulationsgates wechselweise angehoben und abgesenkt. Währenddessen wird der photoempfindliche Bereich zwischen den metallischen Kontakten mit einer intensitätsmodulierten Strahlung beaufschlagt. Dies bedeutet, daß die Zahl der in dem lichtempfindlichen Halbleitermaterial unterhalb der Modulationsgates 6, 7 erzeugten, freien elektrischen Ladungsträger in ihrer Zahl entsprechend der Intensitätsmodulation der Belichtung bzw. Bestrahlung schwanken. Da im gleichen Takt auch das Potential 8 unter den Modulationsgates schwankt, kommt es auf die relative Phasenlage zwischen der Amplitudenmodulation der Strahlung und der elektrischen Modulation an den Modulationsgates bzw. in dem lichtempfindlichen Bereich unterhalb der Modulationsgates an, ob und welcher der beiden Speicherbereiche 4, 5 mehr oder weniger der erzeugten Ladungsträger aufnimmt.
Wenn beispielsweise der in 1 dargestellte Potentialverlauf gerade mit einem Maximum der Bestrahlung zusammenfällt, in dem dargestellten Zustand also entsprechend mehr freie Ladungsträger erzeugt werden, so dürften diese Ladungsträger aufgrund des dargestellten Potentialverlaufs überwiegend in den linken Speicherbereich 4 driften und dort aufgenommen werden. Fällt dann die Modulationsphase, bei welcher das Potential 8 auf der linken Seite angehoben und auf der rechten Seite abgesenkt ist, (wegen der Korrelation der entsprechenden Modulationsfrequenzen) gerade mit einem Minimum der Amplitudenmodulation zusammen, so wird die in diesem Moment relativ kleine Anzahl der erzeugten freien Ladungsträger vorwiegend oder nahezu ausschließlich in den rechten Speicherbereich 5 verschoben. Da die Amplitudenmodulation und die elektrische Modulation miteinander korrelieren, ergibt sich also im Regelfall eine Differenz in der Zahl der in den linken bzw. rechten Speicherbereich verschobenen Ladungsträger. Nur bei einer ganz bestimmten relativen Phasenlage könnte diese Differenz ausnahmsweise verschwinden, was man aber ggf. durch Messung eines Quadratursignals oder eine kleine relative Verschiebung der Phase der elektrischen Modulation eindeutig in eine exakte relative Phasenlage umrechnen bzw. vervollständigen kann.
Die vorstehende Beschreibung der relativen Phasenmessung entspricht dem Stand der Technik und braucht deshalb hier nicht weiter vertieft zu werden. Ein Problem taucht jedoch auf, wenn, wie es in 2 dargestellt wird, die Menge der erzeugten freien Ladungsträger so groß wird, daß die Speicherbereiche überlaufen, d. h. die Ladungsmenge über das gestrichelt eingezeichnete Sättigungsniveau 9 hinaus ansteigt (genauer gesagt: aufgrund der angesammelten Ladungen das Potential über den Sättigungswert ansteigt). In diesem Fall überlagert das von den gespeicherten Ladungen selbst erzeugte Feld das Modulationspotential, so daß die Korrelation zwischen Bestrahlungsmodulation und elektrischer Modulation verloren geht. 2a veranschaulicht einen entsprechend Zustand aufgrund einer zu starken (intensitätsmodulierten) Bestrahlung. 2b deutet eine sehr starke (nicht modulierte) Hintergrundbestrahlung an und 2c veranschaulicht den Überlaufzustand aufgrund starker Bestrahlung und hoher Temperatur (thermische Erzeugung von Ladungsträgern).
Den Überlaufzustand könnte man zwar durch Anlegen der Resetspannung U_r in kürzeren Zeitabständen vermeiden, jedoch bedeutet eine kürzere Integrationszeit gleichzeitig auch eine wesentlich schlechtere Trennung bzw. schlechtere Auflösung der Ladungsdifferenz, d. h. des Korrelationssignales, das man durch den Vergleich der beiden Speicherbereiche gewinnen kann. Insbesondere wenn die Erzeugung des Überschusses an Ladungsträgern überwiegend von Hintergrundstrahlung geliefert wird oder aufgrund hoher Temperatur entsteht, ist bei einem häufigeren Reset in kürzeren Zeitabständen das Differenzsignal aus den beiden Speicherbereichen sehr klein. Darüber hinaus kann auch die amplitudenmodulierte Bestrahlung sehr starken Schwankungen unterworfen sein, beispielsweise wenn ein Objekt mit der Strahlung abgetastet wird, welches teilweise kürzere Abstände und teilweise deutlich größere Abstände zu dem Pixel bzw. einem entsprechenden Array aus Pixeln oder Abschattungen durch hinterschnittene Bereiche hat. Dies führt nur zeitweise oder nur punktweise zur Überstrahlung, was nicht durch generell kürzere Integrationszeiten sinnvoll behoben werden kann.
Herkömmlich wurden für entsprechende TOF-Pixel feste Integrationszeiten verwendet, die typischerweise der üblichen Bildwiederholfrequenz für bewegte Bilder bzw. Filme entsprechen, d. h. Auslesen der Speicherbereiche mit anschließendem Reset und Wiederauffüllen findet dabei in Zeitabständen zwischen 1 und 50 Millisekunden statt, was allerdings kürzere oder längere Integrationszeiten nicht ausschließen soll.
Betrachtet man eine einfache Rechteck- oder auch Sinusmodulation, so erhält man für die in 1 mit U_ka und U_kb bezeichneten Spannungswerte die folgenden Beziehungen:
wobei i_p den Ladungsträgerstrom aufgrund der modulierten Bestrahlung ist, T_int die Integrationszeit wiedergibt und C_int der Kapazität des Speicherbereiches entspricht.
Wenn neben der modulierten Strahlung auch eine Hintergrundstrahlung vorhanden ist oder thermisch generierte Ladungsträger entstehen, so ist die Gesamtspannung an den beiden Metallkontakten bzw. den entsprechenden Speicherbereichen gegeben durch

wobei i_p0 den Strom aufgrund der Hintergrundbestrahlung oder sonstiger nicht korreliert erzeugter Ladungsträger wiedergibt.
Tatsächlich von Interesse für die Phasen und damit für die Laufzeit der amplitudenmodulierten Strahlung von einer Quelle bzw. einem Objekt bis zu dem Pixel ist lediglich der phasenabhängige Korrelationsanteil. Mit anderen Worten, es wäre zweckmäßig, den jeweils zweiten Term auf der rechten Seiten der Gleichungen (2) zu subtrahieren. Dies bedeutet, daß man beispielsweise den Strom i_p0 mit umgekehrten Vorzeichen beiden Speicherbereichen zuführen kann, so daß danach nur noch eine dem korrelierten Signal entsprechende Ladung in dem Speicherbereich verbleibt.
Die daraus resultierende Spannung bzw. Ladungsmenge ist naturgemäß kleiner als die Spannung bzw. Ladungsmenge, die einem Speicher ansteht, wenn korreliert und nicht korreliert erzeugte Ladungen aufintegriert werden.
Eine andere Möglichkeit, das korrelierte Signal von dem nicht korrelierten Anteil zu separieren, besteht in der Differenzbildung U_ka – U_kb. Das Ergebnis ist in diesem Fall die Differenz der Ströme ips(0°) – ips(180°) und die Spannung U_ka – U_kb ergibt sich als der Differenzstrom multipliziert mit der Integrationszeit und dividiert durch die Kapazität des Speichers.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese zwei Verfahren der Korrektur unmittelbar und pixelweise zu implementieren. Ein entsprechendes Schaltschema ergibt sich aus 3. In 3 ist der lichtempfindliche Bereich schematisch als ein mit 1 bezeichneter Block wiedergegeben, in welchem die Modulationsspannung U_ma bzw. U_mb anliegt und welcher zusätzlich mit intensitätsmodulierter Strahlung beaufschlagt wird. Die Anschlusskontakte 11, 12 sind zum einen über Schalter 13, 14 mit Speicherbereichen 15, 16 verbunden, gleichzeitig jedoch auch mit einer Überwachungsschaltung 20. Sobald die Spannung an einem der Anschlusskontakte 11, 12 einen vorgegebenen Grenzwert erreicht hat oder übersteigt, erzeugt die Überwachungsschaltung 20 einen inversen Rückkopplungsstrom, welcher im wesentlichen dem Strom entspricht, der über den jeweiligen Anschlusskontakt 11 bzw. 12 in Richtung des Speichers 15 bzw. 16 abfließt. Diese Kompensationsstrom wird beiden Anschlusskontakten 11 und 12 aufgelegt, was dazu führt, daß der eine Anschlusskontakt, von welchem der Kompensationsstrom abgeleitet wurde, auf einem im wesentlichen konstanten Spannungsniveau verharrt, während derselbe aufgeprägte Kompensationsstrom an dem anderen Anschlusskontakt entweder zu einer Überkompensation oder einer Unterkompensation des dort tatsächlich fließenden Stromes führt. Das Ergebnis entspricht einer Differenzbildung der beiden Ströme und liefert somit allein die korrelierten Anteile gemäß den obigen Gleichungen.
4 zeigt eine konkrete praktische Implementierung einer entsprechenden integrierten Schaltung. Der strahlungsempfindliche Bereich 1 entspricht der Pixeloberfläche, wobei das Pixel Teil eines großen Pixelarrays sein kann. Integriert sind die Anschlusskontakte 11, 12 und die Kontakte (sofern getrennt vorhanden) U_ma, U_mb für die Erzeugung der elektrischen Modulation. Auch die übrigen Abschnitte der Schaltung sind Teil einer integrierten Halbleiterschaltung, müssen jedoch nicht notwendigerweise in derselben Ebene liegen, wie der strahlungsempfindliche Bereich 1, sondern können beispielsweise in einem von dem Material des lichtempfindlichen Bereiches 1 abweichenden Halbleitermaterial ausgebildet sein, welches in einer zu dem Halbleitermaterial benachbarten bzw. parallelen Ebene angeordnet ist. Dies gilt auch für die Speicherbereiche 15, 16, die durch je einen Kondensator gebildet werden. Schalttransistoren M8 und M9 stellen die Verbindung der Anschlusskontakte 11, 12 zu den Speichern 15, 16 her. 5 zeigt einen möglichen Spannungsverlauf an den Anschlusskontakten 11 bzw. 12, die in 5 mit a bzw. b bezeichnet sind. Es sei angenommen, daß die Spannung des rechten Kontaktes (betragsmäßig) stärker ansteigt, d. h. im konkreten Fall stärker absinkt, so daß der rechte Kontakt 12 zuerst eine Grenzspannung U_onset erreicht.
Zu Beginn eines Integrationszyklus wird durch Anlegen einer geeigneten Spannung U_RP der Spannung U_GH ein Reset durchgeführt.
Dadurch werden die Integratoren C1 und C2 in den Speicherbereichen 15, 16 über die PMOS-Schalter M5, M6, M8, M9 auf eine gegebene Spannung U_drs gebracht. U_drs ist eine niedrigere Spannung als die DC-Betriebsspannung U_dds für den Schaltkreis. U_s ist eine Vorspannung für den PMOS-Transistor M7. Daher sind die Transistoren M1, M2, M3 und M4 abgeschaltet. Dieser Zustand bleibt zunächst zu Beginn des Integrationsvorgangs erhalten, der in 5 mit I bezeichnet ist. Sobald die Spannung an dem Kontakt 12 den Wert U_onset erreicht hat, wird der Transistor bzw. Schalter M2 eingeschaltet, während M1 abgeschaltet bleibt, so daß die Anschlusskontaktspannungen von M3 und M4 herabgezogen werden. Dadurch fließt ein Rückkopplungsstrom ips(0°) + i_p0 oder i_ps(180°) + i_p0 über M3 und M4 an beide Anschlüsse 11, 12 des lichtempfindlichen Pixelbereiches. Dieser Rückkopplungsstrom gleicht den Strom der Ladungsträger am Kontakt 12 aus. Derselbe Strom wird aber auch dem Strom am Kontakt 11 überlagert, dessen Verlauf in 5 durch die Kurve a wiedergegeben wird. Anschaulich entspricht der überlagerte Strom dem Verlauf von b mit umgekehrtem Vorzeichen, was zu einer Überkompensation des Stromes gemäß Kurve a führt. Diese Überkompensation führt zu einem Absinken (des Betrages) der Spannung bis auf einen Grenzwert U_com, der sowohl an dem Speicher 15 als auch an dem Transistor M15 anliegt. Die Transistoren M11, M14, M15; M18 und M19 bilden einen Komparator mit einer Vorspannung U_B, was zu einem digitalen Ausgangswert LOW am Anschlusskontakt des Transistors M20 führt, der sich im eingeschalteten Zustand befindet. Ein weiterer digitaler Komparator, der aus den Transistoren M13, M16, M17, M23 und M24 besteht und ebenfalls mit U_B vorgespannt ist, liefert einen digitalen Ausgangswert HIGH am Anschlusskontakt des Transistors M22, der abgeschaltet ist. Dadurch sind die Transistoren M12 und M20 aktiv, so daß sie die Spannung an den Schaltern der Transistoren M8, M9 und M10 auf höhere Spannung ziehen und damit den Integrationsprozess an den Kondensatoren C1, C2 und C3 beenden. Die Blöcke 8, 9 und 10 mit der Kapazität C3 stellen einen Zeitmesser dar, der die Zeit über eine Rampenspannung erfasst.
Diese Zeit kann im Verhältnis zu einer normalen Integrationszeit verwendet werden, um einen theoretischen Wert des Differenzsignals berechnen, der sich bei Ausnutzung der vollen Integrationszeit ergeben hätte. Dadurch werden die bei verschiedenen Integrationszeiten erhaltenen Messwerte, die immer der Differenz U_uka – U_ukb (siehe 5) entsprechen, miteinander vergleichbar und können in entsprechende Phasenlagen und damit Entfernungsinformation umgerechnet werden.
Die 6 und 7 zeigen zwei verschiedene Varianten einer Zeitmessung, wie man sie mit einer etwas aufwendigeren Rampenschaltung analog zu der Rampenschaltung 8, 9, 10 in 4 realisieren kann. 6 zeigt zwei Spannungsrampen mit unterschiedlicher Steigung und veranschaulicht, wie die Integrationszeit durch Kombination der an beiden Spannungsrampen gemessenen Werte erfasst werden kann, wobei das steilere Rampensignal eine größere Genauigkeit liefert und die Eindeutigkeit der „richtigen” Periode des steileren Rampensignals durch das flachere Rampensignal geliefert wird.
In ähnlicher Weise sieht 7 einen Rampenverlauf mit anfänglich größerer und später zunehmend flacherer bzw. kleinerer Steigung vor, was die relative Genauigkeit vor allem bei kurzen Integrationszeiten verbessert und auch bei längeren Integrationszeiten eine auf jeden Fall ausreichende Genauigkeit liefert.
Eine andere Variante der Differenzbildung, die es ermöglicht, die Schaltung weiter zu vereinfachen und nur einen einzigen Speicher 16 zu verwenden, ist in 8 dargestellt. 8 ist durch Anschluss 11 mit einem Rückkopplungsnetzwerk verbunden, welches die Spannung an dem Anschluss 11 durch einen entsprechenden Rückkopplungs- bzw. Kompensationsstrom automatisch konstant hält. Derselbe Strom wird über M5 auf den zweiten Anschluss 12 gespiegelt, so daß so dann an dem Anschluss 12, der mit dem Speicherbereich 16 verbunden ist, automatisch das Differenzsignal der beiden Anschlusskontakte 11 und 12 anliegt. Falls dieses Differenzsignal gemäß 9 einen der Grenzwerte U_com1 bzw. U_com2 überschreitet, wird, wie schon bei der vorherigen Ausführungsform beschrieben, der Integrationsprozess gestoppt und die tatsächliche Integrationszeit über den aktuellen Spannungswert an C3 erfasst.
Eine Alternative zur Bildung des Differenzstromes besteht in der Rückkopplung des nicht korrelierten Stromanteils. Dies wird durch eine Schaltung gemäß 10 realisiert. In 10 werden die beiden Spannungen bzw. Ströme an den Anschlüssen 11, 12 über Miller-Integratoren D1C5 bzw. D2C6 und zwei Widerstände R1, R2 einem Verstärker F zugeführt, der die Summe aus beiden Signalen über Widerstände R3, R4 zurückführt, so daß jeweils die Hälfte des Gesamtstromes auf die Anschlüsse 11 und 12 zurückgekoppelt wird. Gemäß den obigen Gleichungen (2) entspricht die Summe U_ak + U_bk gerade dem zweifachen des nicht korrelierten Anteils, da wegen i_ps(0°) = –i_ps(180°) der korrelierte Anteil herausfällt. Nach der Subtraktion des nicht korrelierten Anteils verbleiben nur die korrelierten Anteile, die in den Speicherbereichen 15, 16 aufintegriert werden. Auch hier werden die Spannungen an den Speichern 15, 16 in ähnlicher Weise überwacht, wie bereits zuvor beschrieben und die Integration wird gestoppt, wenn ein Grenzwert U_com über- bzw. unterschritten wird und der Zeitpunkt des Abbruchs der Integration wird über die Spannungsrampenschaltung 8, 9, 10 erfasst und registriert.
Es versteht sich, daß die konkreten elektrischen Schaltungen, mit welchen die Rückkopplungs- bzw. Kompensationsströme und die Addition bzw. Differenzbildung der Ströme und/oder Spannungen an den Ausgangsanschlüssen des strahlungsempfindlichen Bereiches vielfältige verschieden Formen annehmen können, von denen hier nur einige Varianten beispielhaft wiedergegeben sind.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.

Claims

TOF-Pixel, bestehend aus mindestens einem strahlungsempfindlichen Bereich (1) und mindestens zwei Ladungen aus dem strahlungsempfindlichen Bereich ableitenden Anschlusskontakte (2, 3; 11, 12) auf einem integrierten Halbleiterchip sowie mindestens einem Speicherbereich (15, 16) für Ladungen, der dem strahlungsempfindlichen Bereich (1) zugeordnet ist, wobei in dem strahlungsempfindlichen Bereich (1) in Reaktion auf eine Bestrahlung freie Ladungsträger erzeugt werden und wobei der strahlungsempfindliche Bereich (1) gleichzeitig durch eine intensitätsmodulierte Strahlung und ein elektrisches Modulationsfeld (U_ma, U_mb) beaufschlagbar ist, dessen Frequenz in einer wohldefinierten Beziehung zu der Modulationsfrequenz der intensitätsmodulierten Strahlung steht, dadurch gekennzeichnet, dass eine integrierte Überwachungsschaltung vorgesehen ist, welche die Ladungsmenge auf dem und/oder die entsprechende Spannung an dem mindestens einen Speicherbereich (15, 16) überwacht und welche Einrichtungen zum Erfassen der Ladungsmenge auf dem mindestens einen Speicherbereich (15, 16) und/oder einer hierzu äquivalenten Spannung oder eines entsprechenden Stromes und Einrichtungen zum Verhindern eines Speicherüberlaufs aufweist.
TOF Pixel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung Einrichtungen (m8, m9) zum Unterbrechen und/oder Abbrechen der Ladungsintegration in Abhängigkeit von der erfassten Menge an Ladung in dem mindestens einen Speicherbereich (15, 16) und/oder Einrichtungen (20) zum Aufprägen eines Kompensationsstromes auf den mindestens einen Speicherbereich (15, 16) aufweist.
TOF Pixel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (8, 9, 10) zur Erfassung der von einem Reset des mindestens einen Speicherbereiches (15, 16) bis zum Abbruch der Integration vergehenden Zeit vorgesehen ist.
TOF Pixel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (8, 9, 10) zum Erfassen der Zeit mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung einer Spannungsrampe und eine Einrichtung zur Erfassung des aktuellen Wertes der Spannungsrampe bei Abbruch der Integration aufweist.
TOF Pixel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Einrichtungen (8, 9, 10) zur Erzeugung von Spannungsrampen unterschiedlicher Steigung vorgesehen sind.
TOF Pixel nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (8, 9, 10) zur Erzeugung einer Spannungsrampe dafür ausgelegt ist, eine Spannungsrampe mit variabler Steigung zu erzeugen, die, ausgehend von einer maximalen Steigung nach einem Reset, im Verlaufe der Integrationszeit abnimmt.
TOF Pixel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einrichtung (m1, m2, m3) zur Konstanthaltung der Spannung und/oder Ladungsmenge an mindestens einem der Anschlusskontakte (11, 12) vorgesehen ist.
TOF Pixel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einrichtung (m1, m2, m3) zur Konstanthaltung der Spannung eine Stromquelle aufweist, die mit dem mindestens einen Speicherbereich (15, 16) zum Aufprägen eines Kompensationsstromes verbunden ist.
TOF Pixel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Speicherbereiche (15, 16) vorgesehen sind, denen jeweils eine Einrichtung zur Erfassung der gespeicherten Ladungsmenge zugeordnet ist.
TOF Pixel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Aufprägen eines Kompensationsstromes für das Aufprägen jeweils gleich großer Kompensationsströme auf beide Speicherbereiche (15, 16) ausgelegt ist.
TOF Pixel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Speicherbereich (16) für das Pixel vorgesehen ist und die Einrichtung zur Aufprägen eines Kompensationsstromes mit einem Anschlusskontakt (11) des strahlungsempfindlichen Bereiches verbunden ist und einen Stromspiegel aufweist der mit dem zweiten Anschlusskontakt (12) und/oder dem Speicherbereich (16) des zweiten Anschlusskontaktes (12) verbunden ist
Ein- oder zweidimensionales Pixelarray, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Pixel des Arrays aus TOF-Pixeln nach einem der Ansprüche 1–11 besteht.
Verfahren für den Betrieb eines TOF-Pixels, bestehend aus mindestens einem strahlungsempfindlichen Bereich (1) und mindestens zwei Ladungen aus dem strahlungsempfindlichen Bereich aufnehmenden Anschlusskontakten (11, 12) auf einem integrierten Halbleiterchip und mit mindestens einem Speicherbereich (15, 16), der dem strahlungsempfindlichen Bereich (1) zugeordnet ist, wobei der strahlungsempfindliche Bereich (1) durch eine intensitätsmodulierte Strahlung beaufschlagt wird und der strahlungsempfindliche Bereich (1) gleichzeitig mit einem elektrischen Modulationsfeld (U_ma, U_mb) beaufschlagt wird, dessen Frequenz in einer wohldefinierten Beziehung zu der Modulationsfrequenz der Intensitätsmodulierten Strahlung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsmenge auf dem Speicherbereich (15, 16) und/oder die entsprechende Spannung an dem Anschlusskontakt (11, 12) oder dem mindestens einen damit verbundenen Speicherbereich (15, 16) erfasst und überwacht wird, und ein Überlaufen der Speicherbereiche (15, 16) mit den aus dem strahlungsempfindlichen Bereich abgeleiteten Ladungen verhindert wird.
Verfahren für den Betrieb eines TOF-Pixels nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsintegration in Abhängigkeit von der erfassten Menge an Ladung in dem mindestens einen Speicherbereich abgebrochen wird und/oder ein Kompensationsstrom dem mindestens einen Anschlusskontakt (11, 12) oder damit verbundenen Speicherbereich (15, 16) aufgeprägt wird.
Verfahren für den Betrieb eines TOF-Pixels nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit zwischen einem Reset des mindestens einen Speicherbereiches und dem Abbruch der Integration erfasst wird.
Verfahren für den Betrieb eines TOF-Pixels nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeiterfassung über eine Rampenspannung erfolgt.
Verfahren für den Betrieb eines TOF-Pixels nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeiterfassung über mindestens zwei Rampenspannungen unterschiedlicher Steigung erfolgt.
Verfahren für den Betrieb eines TOF-Pixels nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeiterfassung über eine Rampenspannung mit zeitlich variierender Steigung erfolgt, die nach einem Reset maximal ist und anschließend abnimmt.
Verfahren für den Betrieb eines TOF-Pixels nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Rampenspannung stufenweise abnimmt.
Verfahren für den Betrieb eines TOF-Pixels nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung an dem mindestens einen Speicherbereich (15, 16) und/oder einem den strahlungsempfindlichen Bereich und den Speicherbereich (15, 16) verbindenden Anschlusskontakt (11, 12) konstant gehalten wird.
Verfahren für den Betrieb eines TOF-Pixels nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Speicherbereiche (15, 16) vorgesehen sind und ein Kompensationsstrom jeweils gleicher Stärke beiden Anschlusskontakten (11, 12) zugeführt wird.
Verfahren für den Betrieb eines TOF-Pixels nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass für das Pixel nur ein Speicherbereich (16) vorgesehen ist, wobei ein Anschlusskontakt (11) mit einem Kompensationsstrom beaufschlagt wird, der die Spannung an dem Anschlusskontakt (11) konstant hält, der Kompensationsstrom gespiegelt und der gespiegelte Kompensationsstrom einem zweiten Strom von dem zweiten Anschlusskontakt (12) zu dem gemeinsamen Speicherbereich (16) überlagert wird.
Verfahren für den Betrieb eines TOF-Pixels nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung des gemeinsamen Speicherbereiches (16) überwacht wird und die Integration bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes (U_com2) abgebrochen wird.
Verfahren für den Betrieb eines TOF-Pixels nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Differenz der Ausgangströme der Anschlusskontakte (11, 12) entsprechender Rückkopplungstrom erzeugt und zum Ausgleich der Spannungen an die Anschlusskontakte (11, 12) zurückgeführt wird.