DE102011053219A1

DE102011053219A1 - Kombiniertes Pixel mit phasensensitivem und farbselektivem Subpixel

Info

Publication number: DE102011053219A1
Application number: DE102011053219A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Bette Holger; Tobias Rothermel; Nils Remmers
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2031-09-03
Also published as: DE102011053219B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pixel (P) mit einem eine photoempfindliche Pixelfläche aufweisenden Phasensubpixel (PMD) zur Erfassung einfallender elektromagnetischer Strahlung, wobei das Phasensubpixel (PMD) die relative Phase eines intensitätsmodulierten Lichtsignals im Vergleich zu einem Referenzsignal erfasst, dessen Frequenz mit der Modulationsfrequenz des intensitätsmodulierten Lichtsignals korreliert ist, und mit einem oder mehreren farbselektiven Subpixeln (R, G, B, IR), die jeweils eine für einen anderen Spektralbereich selektiv photoempfindliche Pixelfläche aufweisen, und mit einer Pixelelektronik (PE) mit einem Zwischenspeicher zum Erfassen der Messsignale des Pixels (P). Zur Generierung eines 3D-Bildpunkt in Farbe mit relativ guter Qualität und guter Auflösung bei gleichzeitig relativ kleiner Oberfläche des Pixels (P) ist die Summe der photoempfindlichen Pixelflächen farbselektiver Subpixel (R, G, B, IR) kleiner als die photoempfindliche Pixelfläche des Phasensubpixels (PMD).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pixel

– mit einem eine photoempfindliche Pixelfläche aufweisenden phasensensitiven Subpixel zur Erfassung einfallender elektromagnetischer Strahlung, wobei das phasensensitive Subpixel die relative Phase eines intensitätsmodulierten Lichtsignals im Vergleich zu einem Referenzsignal erfasst, dessen Frequenz mit der Modulationsfrequenz des intensitätsmodulierten Lichtsignals korreliert ist, und
– mit einem oder mehreren farbselektiven Subpixeln, die jeweils eine für einen anderen Spektralbereich selektiv photoempfindliche Pixelfläche aufweisen
– und mit einer Pixelelektronik mit einem Zwischenspeicher zum Erfassen der Messsignale des Pixels.

Phasensensitive Pixel zur Erfassung der Amplitude und Phase von elektromagnetischer Strahlung sind beispielsweise in Form von Photomischdetektoren (PMD) aus dem Stand der Technik bekannt, so etwa aus der DE 19821974 A1 . Die Begriffe ”Phase” und ”Frequenz” beziehen sich hierbei und im Folgenden grundsätzlich auf die Phase und Frequenz der Intensitätsmodulation der erfassten Strahlung, soweit nicht ausdrücklich anderes gesagt wird.
PMD-Pixel weisen üblicherweise mindestens eine photoempfindliche Schicht, mindestens zwei Modulationsgates und mindestens zwei mit der photoempfindlichen Schicht verbundene Ausleseelektroden auf. Die Modulationsgates sind mit einer Modulationseinrichtung verbindbar, welche das Potential der Modulationsgates relativ zueinander und relativ zu dem vorzugsweise konstanten Potential der Ausleseelektroden entsprechend einer gewünschten Modulationsfunktion moduliert. Dabei sind auch Ausführungsformen bekannt, bei denen die Modulationsgates mit den Auslesegates identisch sind. Es versteht sich, dass neben PMD-Pixeln selbstverständlich auch Arten von Phasensubpixeln zur Erfassung einfallender elektromagnetischer Strahlung in der vorliegenden Erfindung vorteilhafter Weise Anwendung finden können.
PMD-Pixel liefern primär Phaseninformationen über die Differenz der Phase einer von der Pixeloberfläche aufgefangenen, intensitätsmodulierten, elektromagnetischen Strahlung relativ zu einem Referenzsignal. Diese Phasendifferenz entspricht beispielsweise der Laufzeit des empfangenen, intensitätsmodulierten Signals und damit der Entfernung eines Objektes, von welchem die intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung emittiert bzw. reflektiert wird, zu der Pixelfläche. Diese Phasendifferenz wird aus der Differenz der Photoströme zweier Ausleseelektroden abgeleitet, welche die durch die intensitätsmodulierte Strahlung erzeugten Ladungsträger aufnehmen. Hierzu wird aus einer Mehrzahl bei verschiedenen Phasen erfasster Einzelwerte des Differenzsignals mittels eines geeigneten Verfahrens, beispielsweise mittels CORDIC-Algorithmus, der zeitliche Verlauf der intensitätsmodulierten Strahlung interpoliert. Aus dem so rekonstruierten Intensitätsmodulierten Signal können sowohl Phase als auch maximale Amplitude ermittelt werden. Die Phase ist dabei im Allgemeinen proportional zum Abstand zu einen die modulierte Strahlung reflektierenden Objektes.
Es versteht sich, dass die Differenz solcher Photoströme bzw. der dadurch hervorgerufenen Spannungen im Vergleich zu dem Absolutwert von Photoströmen, wie sie durch eine nicht mit der Modulationsfrequenz des Referenzsignals korrelierte elektromagnetische Strahlung der gleichen durchschnittlichen Intensität erzeugt wird, im Allgemeinen gering ist. Dies gilt erst recht, wenn Umgebungslicht den Großteil der auf die Pixeloberfläche auftreffenden Strahlung liefert. Elektromagnetische Strahlung, die nicht mit der Modulationsfrequenz des Referenzsignals korreliert ist, d. h. deren (konstante oder möglicherweise variierende) Intensität kein festes Phasenverhältnis zu dem Referenzsignal aufweist, erzeugt innerhalb der photoempfindlichen Schicht freie Ladungsträger, die im statistischen Mittel an den Integrationsknoten (z. B. Ausleseelektroden) zu jeweils gleichen abgeleiteten Ladungsmengen führen. Im Unterschied dazu verteilen sich im statistischen Mittel Ladungsträger, die von intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung mit der Frequenz des Referenzsignals erzeugt wurden, in Abhängigkeit von der relativen Phase zwischen modulierter Strahlung und Referenzsignal zu ungleichen Teilen auf die beiden Ausleseelektroden. Somit werden im Falle von elektromagnetischer Strahlung, die mit dem Referenzsignal korreliert ist, an den beiden Ausleseelektroden unterschiedliche Ladungsmengen abgeleitet. Typischerweise ist daher das Differenzsignal eines phasensensitiven Subpixels (kurz: Phasensubpixel) signifikant kleiner als der Absolutwert eines ansonsten durch die Strahlung an einer Ausleseelektrode einer gleich großen Pixeloberfläche erzeugten Photostroms.
Um eine ausreichende Sensitivität zur hinreichend genauen Phasen- und Entfernungsbestimmung zur Verfügung zu stellen, sind die Pixeloberflächen von bekannten phasensensitiven PMD-Pixeln daher im Vergleich zu den Pixeln eines herkömmlichen 2D-Bildsensors sehr groß, zumal die Erfassung der Differenz der Photoströme zweier Ausleselektroden eine aufwendigere elektronische Schaltung auf dem entsprechenden Halbleiterchip erfordert.
Ein PMD-Sensor besteht aus einer entsprechenden Anordnung von PMD-Pixeln, beispielsweise in Zeilen- oder Matrixform, zur Abbildung eines dreidimensionalen (kurz: 3D-), Objektes. Er erzeugt primär ein Abstandsbild des Objektes, d. h. Informationen über die Entfernung jedes einzelnen Objektpunktes zu der photosensitiven Pixelfläche, auf welcher der Objektpunkt abgebildet wird. Helligkeitsinformationen bzw. Intensitätsinfomrationen der gesamten empfangenen Strahlung lassen sich bei PMD-Pixeln dadurch erfassen, dass die Ausgangsströme der zu jedem Pixel gehörenden zwei Integrationsknoten addiert und nicht wie zur Bestimmung der Phase voneinander subtrahiert werden. Auf diese Weise kann bei einer entsprechenden Anordnung von Pixeln und einer dazugehörigen Abbildungsoptik jedem einzelnen Bildpunkt neben der Entfernung auch ein Helligkeitswert zugeordnet werden, so dass sich insgesamt ein 3D-Schwarzweiß- bzw. Grauwertbild ergibt.
Neben der aktiven Bestrahlung eines Objektes mit einem intensitätsmodulierten elektromagnetischen Signal, das das PMD-Pixel zur Phasen- und Entfernungsbestimmung benötigt, trifft auf ein entsprechendes Objekt typischerweise auch die in der Umgebung vorhandene elektromagnetische Strahlung (Tageslicht, Sonnenlicht, etc.) auf.
Die Helligkeitsinformation, die man durch Addition der Photoströme an den beiden Auslesegates eines PMD-Pixels erhält, umfasst also nicht nur die Gesamtintensität der intensitätsmodulierten Strahlung, sondern auch der gesamten Umgebungsstrahlung, mit welcher der Sensor beaufschlagt wird.
In typischen Anwendungssituationen eines PMD-Pixels dominiert daher die Gesamtintensität der Hintergrundstrahlung üblicherweise deutlich gegenüber der Intensität des intensitätsmodulierten Lichtsignals. Dies führt zu einem erheblichen Untergrund an erzeugten freien Ladungsträgern in der photoempfindlichen Schicht des PMD-Pixels, die je nach Intensität der Hintergrundstrahlung, Kapazität der Speicherbereiche des PMD-Pixels und erforderlichen Integrationszeit schnell eine Übersättigung des Speicherbereichs des PMD-Pixels verursachen können. In Folge einer solchen Übersättigung ist es entweder nicht mehr möglich, eine Differenz zwischen den an den beiden Ausleseelektronen ausgelesenen Ladungsträgerzahlen zu bestimmen, da beide Speicherbereiche vollständig gefüllt sind, oder aber im Falle eines rechtzeitigen Abbruchs der Messung vor einer Übersättigung ist das erfasste Signal infolge der kurzem Messzeit zu klein für eine verlässliche quantitative Auswertung der Ladungsträgerdifferenz. Eine solche Übersättigung der Speicherbereiche kann mit einer integrierten Überwachungsschaltung, wie sie etwa in der DE 10 2005 056 774 A1 offenbart ist, vermieden werden. Eine Überwachungsschaltung der in diesem Dokument beschriebenen Art kontrolliert die Ladungsträgermengen auf bzw. die entsprechenden Spannungen an dem mindestens einen Speicherbereich des PMD-Pixels oder den Ausleseelektroden der photoempfindlichen Schicht. Zum Verhindern einer Übersättigung sind Einrichtungen zum Aufprägen eines Kompensationsstroms auf mindestens eine der Ausleseelektroden und/oder den mindestens einen Speicherbereich vorgesehen. Der Kompensationsstrom kompensiert zumindest teilweise die in den Speicherbereich abgeleitete bzw. abzuleitende elektrische Ladung. Idealerweise wird dabei nur der nichtkorrelierte Anteil des Stroms, d. h. das Signal der Hintergrundstrahlung, an beiden Ausleseelektroden kompensiert. Vorzugsweise wird zu diesem Zweck als Kompensationsstrom ein inverser Rückkopplungsstrom erzeugt, sobald die Spannung an einer der Ausleseelektroden einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder übersteigt, der im Wesentlichen dem über die Ausleseelektrode abgeleiteten bzw. abzuleitenden Strom entsprecht und beiden Ausleseelektroden aufgelegt wird. Durch den Kompensationsstrom wird die auslösende Ausleseelektrode auf einem im Wesentlichen konstanten Spannungsniveau gehalten, während es an der anderen Ausleseelektrode zu einer Über- oder Unterkompensation des dort tatsächlich abgeleiteten Stroms kommt. Im Ergebnis führt dies zu einer Differenzbildung der Signale an den beiden Ausleseelektroden, wobei das Hintergrundsignal kompensiert wird und lediglich das Signal der intensitätsmodulierten Strahlung übrig bleibt.
Unter Messsignalen eines Pixels sind somit im Wesentlichen durch auf der photosensitiven Pixelfläche auftreffende Strahlung erzeugte Ladungsmengen, bzw. im Falle eines phasensensitiven Pixels Differenzen von solchen Ladungsmengen zu verstehen. Das Erfassen der Messsignale, also der erzeugten Ladungsmengen, erfolgt in Form einer temporären Zwischenspeicherung mittels Pixelelektronik auf dem Pixel. Das Auslesen, d. h. die quantitative Erfassung der Ladungsmengen sowie die Auswertung der in diesen enthaltenen Amplituden- und/oder Phaseninformationen, erfolgt typischerweise durch eine Auswerteelektronik außerhalb des Pixels.
Neben dreidimensionalen Grauwertbildern, welche mit PMD-Pixeln bzw. entsprechenden PMD-Sensoren erzeugt werden können, ist inzwischen auch die Erzeugung entsprechender dreidimensionaler Farbbilder unter Verwendung von PMD-Pixeln in Verbindung mit farbselektiven Pixeln bereits bekannt. Der entsprechende Stand der Technik, von welchem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird beispielsweise repräsentiert durch die WO 2006/130734 A2 oder auch die US 2010/0033611 A1 . Dieser Stand der Technik sieht vor, dass parallel zu einem Array bzw. einer Anordnung aus PMD-Pixeln, welche eine so genannte „Z-Komponente”, d. h. die Entfernung eines Bildpunktes bestimmen, auch noch Pixeloberfächen mit sogenannten R-, G- und B-Pixeln vorgesehen sind, wobei R, G, B für die Farben „Rot”, „Grün” und „Blau” steht. Dabei gibt es gemäß WO 2006/130734 zwei nebeneinander angeordnete Pixelarrays, von denen eines ein PMD-Pixelarray und das andere ein Farbpixelarray ist, wobei letzteres eine erheblich größere Auflösung hat, weil die einzelnen photosensitiven Pixelflächen typischerweise deutlich kleiner sind als im Falle von PMD-Pixeln. Diese höhere Auflösung des zweidimensionalen Farbbildes soll dann auf das entsprechende 3D-Bild übertragen werden.
Gemäß dem US-Patent 2010/0073462 ist beispielsweise eine schachbrettartige Anordnung von sogenannten „Z-Pixel” und von Farbpixeln vorgesehen. Wobei die Farbpixel ein Farbbild und die Z-Pixel die Tiefeninformation liefern. Die einzelnen Farbpixel sind dabei zwar deutlich kleiner und teilweise auch in größerer Zahl vorgesehen als die Z-Pixel, nehmen in Ihrer Summe jedoch die selbe Fläche in Anspruch. Für eine gute Auflösung eines 3D-Farbbildes mit gleichzeitig guter Farbqualität benötigt man daher insgesamt eine relativ große Sensoroberfläche.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein 3D-Farbpixel bzw. einen entsprechenden 3D-Farbsensors bereitzustellen, welches bzw. welcher es ermöglicht, einen 3D-Bildpunkt bzw. eine 3D-Abbildung in Farbe mit relativ guter Qualität und guter Auflösung bei gleichzeitig relativ kleiner Oberfläche des Pixels bzw. des Sensors zu generieren.
Diese Aufgabe wird durch ein eingangs beschriebenes Pixel bzw. einen aus derartigen Pixeln aufgebauten Sensor gelöst, bei dem die Summe der photoempfindlichen Pixelflächen farbselektiver Subpixel kleiner ist als die photoempfindliche Pixelfläche des Phasensubpixels.
Dadurch, dass die Summe der Pixelflächen der farbselektiven Subpixel (kurz: Farbsubpixel) kleiner ist als die Gesamtpixelfläche der (bzw. des) phasensensitiven Subpixel(s) (kurz: Phasensubpixel) steht eine relativ größere Fläche für die Erfassung der Phasen- bzw. Entfernungsinformation zur Verfügung. Die gesamte Pixelfläche der Farbsubpixel ist dabei vorzugsweise kleiner als 20%, noch bevorzugter kleiner als 10% der Pixelfläche des Phasensubpixels und kann auch noch deutlich darunter liegen.
Damit ist es möglich, einen Großteil der Pixelfläche für das Phasensubpixel zu verwenden, was insgesamt zu einer verbesserten Genauigkeit und/oder im Falle einer entsprechenden Anordnung von Pixeln zu einem Sensor mit einer höheren Auflösung eines 3D-Farbbildes führt.
Dies ermöglicht es, dass das Phasensubpixel trotz der zusätzlichen Pixelflächen der Farbsubpixel eine relativ größere Anzahl an Photonen der elektromagnetischen Strahlung mit modulierter Intensitätsfrequenz erfassen und somit die dreidimensionale Bildinformationen besser ermitteln kann. Insbesondere im Falle stark dominierender Hintergrundstrahlung im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum ist dies von Vorteil. Hinzu kommt, dass abhängig von der physikalischen Beschaffenheit der erfassten Umgebungsobjekte, deren Reflektions- bzw. Streueigenschaften für die elektromagnetische Strahlung mit modulierter Intensitätsfrequenz dazu führen kann, dass nur ein geringer Anteil dieser Strahlung auf die photoempfindliche Pixelfläche des Phasensubpixels gelenkt wird. Um auch in einem solchen Fall intensitätsschwacher elektromagnetischer Strahlung mit modulierter Intensitätsfrequenz präzise Entfernungsinformationen erhalten zu können, muss die photoempfindliche Pixelfläche des Phasensubpixels groß genug sein, um eine ausreichende Anzahl an Photonen dieser Strahlung erfassen zu können. Ein erfindungsgemäßes Pixel vermag es demnach, neben qualitativ hochwertigen dreidimensionalen Bildinformationen zusätzlich zur absoluten Helligkeit der Hintergrundstrahlung auch Informationen über deren Farbzusammensetzung zu erfassen. Auf diese Weise wird die Erfassung der Luminanz und der Chrominanz, d. h. der Helligkeitswerte und der Farbwerte, voneinander getrennt.
Die Tatsache, dass die Fläche der Farbsubpixel dann entsprechend verkleinert ist, unter Umständen sogar drastisch verkleinert ist, was eine Auswertung der Helligkeitsinformationen der Farbsubpixel erschweren könnte, wird in einer Ausführungsform dadurch kompensiert, dass auch das Phasensubpixel im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum sensitiv ist, wobei der Sensitivitätsbereich des Phasensubpixels neben dem intensitätsmodulierten Lichtsignal zumindest das im sichtbaren Bereich liegende elektromagnetische Empfangsspektrum der Farbsubpixel umfasst. Dadurch besteht die Möglichkeit die gesamte Strahlungsintensität, die von dem phasensensitiven Pixel aufgenommen wird, in Form eines Summensignals seiner Ausleseelektroden zu erfassen, mittels zusätzlicher Auswerteelektronik quantitativ auszuwerten und das Ergebnis für die Bestimmung des Helligkeitswertes des Farbsignals zu verwenden.
Bei einem entsprechenden Pixel kommt es dann nicht darauf an, ob die Farbsubpixel jeweils absolut den richtigen Helligkeitswert erfassen, sondern nur darauf, dass insbesondere unmittelbar benachbarte Farbsubpixel für verschiedene Wellenlängen relativ zueinander den richtigen Farbanteil erfassen. Der zugehörige Gesamthelligkeitswert wird von dem Phasensubpixel geliefert.
Daneben besteht für den Fall, dass das intensitätsmodulierte Lichtsignal ggf. unter Einbeziehung eines typischen Korrelationsfaktors in etwa die korrekten Helligkeitswerte der zu erfassenden Umgebungsobjekte wiedergibt, auch die Möglichkeit, den Gesamthelligkeitswert aus der Amplitude des intensitätsmodulierten Lichtsignals zu ermitteln. Die zugehörigen Farbanteile werden wiederum mithilfe der Farbsubpixel erfasst. In diesem Fall reicht es aus, wenn der Sensitivitätsbereich des Phasensubpixels einen relativ schmalen Spektralbereich umfasst, in dem das vorzugsweise nicht sichtbare, beispielsweise infrarote, intensitätsmodulierte Lichtsignal liegt.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Pixelelektronik einen Signalspeicher zur Speicherung eines Messsignals des Phasensubpixels aufweist sowie Einrichtungen zum Erfassen der Ladungsmenge auf dem Zwischenspeicher bzw. einer hierzu äquivalenten Spannung oder eines entsprechenden Stroms und Einrichtungen zum Aufprägen eines Kompensationsstroms auf den Zwischenspeicher und zum Aufprägen eines dem Kompensationsstrom entsprechenden Speicherstroms auf den Signalspeicher. Der Kompensationsstrom dient der Kompensation der Gleichanteile zweier Messsignale des Phasensubpixels. Das Differenzsignal beinhaltet Informationen über das intensitätsmodulierte Lichtsignal, insbesondere dessen Phase und Amplitude. Durch die unmittelbare Differenzibildung im Zuge der Erfassens der Messsignale des Phasensubpixels, d. h. im Zuge des Zwischenspeichers auf dem Pixel, wird Speicherplatz gespart und somit eine längere und damit präzisere Messung ermöglicht. Allerdings sind die Gleichanteile notwendig zur Bildung eines Summensignals, das Informationen über die Intensität der Hintergrundstrahlung, d. h. den Helligkeitswert des erfassten 3D-Bildpunktes, beinhaltet. Zur Erfassung dieser Informationen wird der aufgeprägte Kompensationsstrom mittels eines dem Kompensationsstrom entsprechenden Speicherstroms protokolliert, der auf einen Signalspeicher zur Speicherung eines Messsignals des Phasensubpixels aufgeprägt wird. Dieser Speicherstrom kann insbesondere das Summensignal oder ein Mittelwert des Summensignals sein. Vorteilhaft ist vor allem der Fall, in dem der Speicherstrom kleiner als der Kompensationsstrom ist und somit der Signalspeicher vor einer zu raschen Übersättigung geschützt wird, gemessen an der zur Erfassung des Differenzsignals erforderlichen Zeit. ”Dem Kompensationsstrom entsprechend” bedeutet daher im Allgemeinen nicht ”mit dem Kompensationsstrom identisch”, sondern allgemeiner ”in einer bekannten, eindeutigen Beziehung zu dem Kompensationsstrom stehend”. Die Erzeugung eines Kompensationsstromes und die Speicherung eines Speicherstroms, der einen Kompensationsstrom protokolliert, einschließlich der hierzu beschriebenen Ergänzungen und Varianten sind im Übrigen unabhängig von der Verwendung im Zusammenhang mit Farbpixeln oder Farbsubpixeln sondern allgemein auf die Erfassung von Differenzen und Summen von Signalen und insbesondere auf entsprechende Messungen mit Hilfe von phasensensitiven Elementen, wie z. B. PMD-Pixeln, anwendbar.
Zweckmäßigerweise umfassen die Einrichtungen zum Aufprägen des Speicherstroms auf den Signalspeicher einen Stromspiegel. In diesem Fall erfolgt in der Pixelelektronik die Aufprägung des mit dem Kompensationsstrom Speicherstroms auf den Signalspeicher über einen Stromspiegel. Ein Stromspiegel ermöglicht es in einfacher Form einen Speicherstrom zu erzeugen, der die gleiche Größe wie der Kompensationsstrom aufweist oder in einem festen Größenverhältnis zu diesem steht.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Pixelelektronik Einrichtungen zur Erfassung der Zeit von einem Reset des Zwischenspeichers bis zum Abbruch der Signalerfassung aufgrund des Erreichens oder Überschreitens eines Grenzwertes zum Schutz des Zwischenspeichers und/oder Signalspeichers vor Übersättigung aufweist. Mittels der Zeit bei Abbruch der Signalerfassung lässt sich die erfasste Ladungsmenge auf eine theoretische Ladungsmenge hochrechnen, die ein Speicher mit entsprechend größerer Aufnahmekapazität bei einer längeren Messung erfasst hätte. Eine solche Einrichtung zum Erfassen der Zeit bei Abbruch der Signalerfassung lässt sich beispielsweise mittels einer Einrichtung zur Erzeugung einer Spannungsrampe und einer Einrichtung zur Erfassung des aktuellen Spannungswerts der Spannungsrampe realisieren. Die vergangene Zeit entspricht dem aktuellen Spannungswert und kann bei Kenntnis des Ausgangswerts der Spannung sowie der Rampensteigung aus dem Spannungswert hergeleitet werden. Im Falle einer Spannungsrampe kann es auch zweckmäßig sein, mehrere Einrichtungen zur Erzeugung von Spannungsrampen unterschiedlicher Steigung vorzusehen, wodurch Messungen auf unterschiedlichen Zeitskalen ermöglicht werden. Alternativ dazu kann die Spannungsrampe auch eine zeitlich variable Steigung aufweisen, die mit zunehmender Zeit abnimmt.
Zweckmäßigerweise sind die photoempfindlichen Pixelflächen der farbselektiven Subpixel entlang des Umfangs der photoempfindlichen Pixelfläche des Phasensubpixels angeordnet. Dies stellt sicher, dass die von dem phasensensitiven Sensor in Form des Summensignals oder Differenzsignals erfassten Helligkeitswerte auch zu den unmittelbar benachbarten Farbsubpixeln passen.
Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn jeweils mehrere Pixelflächen von farbselektiven Subpixeln mit identischen farbselektiven Sensitivitätsbereichen so angeordnet sind, dass sie denselben Flächenschwerpunkt haben wie die Pixelfläche des Phasensubpixels. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die von den Farbsubpixeln erfasste Farbmischung und die von dem phasensensitiven Subpixel abgeleiteten Helligkeitswerte möglichst exakt zueinander passen, d. h. eine möglichst originalgetreue Widergabe der insgesamt auf die Pixeloberläche auftreffenden Strahlung ermöglicht.
Hierzu können die Pixelflächen der farbselektiven Subpixel für jede der Farben insbesondere punktsymmetrisch bezüglich des Schwerpunktes der Pixelfläche des Phasensubpixels angeordnet sein.
Für eine räumlich möglichst gleichmäßige Erfassung der Farbanteile der einfallenden Strahlung ist eine räumlich möglichst gleichmäßig verteilte Mehrzahl von Farbsubpixeln mit gleichem Sensitivitätsbereichen vorteilhaft.
Um das sichtbare Spektrum optimal abzudecken, ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass ein farbselektives Subpixel für den Farbbereich, Rot, dessen Sensitivitätsbereich den Teil des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums von etwa 780 nm bis etwa 640 nm Wellenlänge umfasst, ein farbselektives Subpixel für den Farbbereich Grün, dessen Sensitivitätsbereich den Teil dessichtbaren elektromagnetischen Spektrums von etwa 600 nm bis etwa 570 nm umfasst, und ein farbselektives Subpixel für den Farbbereich Blau, dessen Sensitivitätsbereich den Teil des sichtbaren elektromagnetischen Spektrum i von etwa 490 nm bis etwa 430 nm umfasst, vorgesehen sind. dabei haben die Sensitivitätsbereiche der verschiedenen Farbsubpixel in einer Ausführungsform keine oder allenfalls eine geringe Überlappung und sind gegenbenenfalls auf die oben angegebenen Wellenlängenbereiche beschränkt. Durch Kombination der Intensitätsinformationen von den Farbsubpixeln mit diesen drei Sensitivitätsbereichen kann für die einfallende Strahlung ein repräsentativer Farbwert aus nahezu dem gesamten sichtbaren elektromagnetischen Spektrum bestimmt werden.
Denkbar sind darüber hinaus auch Ausführungsformen mit Kombinationen von Farbsubpixeln mit anderen Sensitivitätsbereichen. Insbesondere eine Kombination von Farbsubpixeln zur Erfassung der Farben Cyan, Magenta und Gelb stellt eine Alternative basierend auf dem CMYK-Farbmodell für die Ermittlung einer realistischen Farbzusammensetzung dar. Hierbei erweist es sich als Vorteil, dass für die Erfassung der Schwarzanteils kein zusätzliches Subpixel benötigt wird, da diese Aufgabe bereits durch das Phasensubpixel in Form des erfassten Grauwertbildes erfüllt wird.
Unter Berücksichtigung der größeren Empfindlichkeit des menschlichen Auges für bestimmte Teile des sichtbaren Spektrum (z. B. Grün) im Vergleich zu anderen Teilen kann der Anteil an der Summe der Pixelflächen der Farbsubpixel für eine Farbe (z. B. Grün) geringer sein als die Anteile der anderen (z. B. roten und blauen) Farbsubpixel an der Gesamtpixelfläche aller drei Farbbereiche.
Außerdem ist es gemäß einer Ausführungsform, in der der Sensitivitätsbereich des Phasensubpixels zumindest teilweise im Infrarotbereich liegt, bevorzugt, wenn zusätzlich ein farbselektives Subpixel vorgesehen ist, dessen Sensitivitätsbereich das im Infrarotbereich liegende elektromagnetische Empfangsspektrum des Phasensubpixels umfasst. Das infrarotsensitive Farbpixel dient insbesondere dazu, von dem phasensensitiven Subpixel miterfasste Infrarotanteile, welche in das für den Helligkeitswert ermittelte Summensignal eingehen, herauszufiltern bzw. abzutrennen, so dass nur die Helligkeitswerte im sichtbaren Spektralbereich zu dem entsprechenden Bildausgangssignal für die Helligkeitswerte herangezogen werden. Ein intensitätsmoduliertes Lichtsignal im Infrarotbereich, für dessen Erfassung auch das Phasensubpixel infrarotsensitiv sein muss, ist insbesondere aufgrund seiner Nichtsichtbarkeit für das menschliche Auge vorteilhaft, da so störende Nebeneffekte vermieden werden. Darüber hinaus bietet sich somit auch die Möglichkeit Infrarotanteile aus den Messergebnissen der Farbsubpixel herauszufiltern bzw. anzutrennen.
Zur Auswertung von mittels Pixelelektronik erfassten Messsignalen eines erfindungsgemäßen Pixels ist es vorteilhaft das Pixel mit einer Auswerteelektronik zu kombinieren, die zur Erfassung und Ausgabe der in einem Differenzsignals des Phasensubpixels enthaltenen Phase und Amplitude des intensitätsmodulierten Lichtsignals ausgelegt ist. Das entsprechende Differenzsignal besteht aus einer Mehrzahl diskreter Messwerte, die entweder direkt mittels Kompensationsstrom durch die Pixelelektronik oder im Zuge der weiteren Signalauswertung durch die Auswerteelektronik ermittelt werden. Aus den diskreten Messwerten des Differenzsignal kann ein kontinuierliches Differenzsignal inklusive Phase und Amplitude des intensitätsmodulierten Lichtsignals ermittelt werden. Diese Auswertung der diskreten Messwerte erfolgt mit Hilfe eines geeigneten Interpolationsverfahrens, beispielsweise mittels CORDIC-Algorithmus.
Für das Auslesen eines Messsignals des Pixels empfiehlt es sich, dass die für das Auslesen vorgesehene Auswerteelektronik des Pixels mehrere Auswahlleitungen aufweist. Somit können die einzelnen Komponenten des Pixels mit einzelnen Auswahlleitungen verbunden und unabhängig voneinander sowie zeitnah ausgelesen werden. Für einen möglichst einfachen und kompakten Aufbau des Pixels erweist es sich als vorteilhaft, dass zwei oder drei Auswahlleitungen vorgesehen sind. In einer einfachen Ausführung der Erfindung umfasst das Pixel beispielsweise ein Phasensubpixel, sowie sowohl jeweils ein farbselektives Subpixel für die Farben Rot, Grün und Blau als auch ein infrarotselektive Subpixel. Bei drei Auswahlleitungen können beispielsweise mittels der ersten Auswahlleitung die beiden Ausleseelektroden des Phasensubpixels, mit der zweiten Auswahlleitung das für die Farbe Rot und der für die Farbe Blau sensitive Subpixel und mittels der dritten Auswahlleitung das für die Farbe Grün selektive Subpixel und das infrarotselektive Subpixel ausgelesen werden. Mit Hilfe einer entsprechenden Kodierung der Signale sind allerdings auch weniger Auswahlleitungen realisierbar. Es kann des Weiteren sinnvoll sein, ein Subpixel mit einer Mehrzahl von Auswahlleitungen zu verbinden. Eine solche Anordnung ermöglicht das Auslesen eines Messsignals überverschiedene Auswahlleitungen und kann dazu verwendet werden, das statische Rauschen, d. h. das sog. Fixed Pattern Noise, der Auswahlleitungen zu bestimmen. Mittels der Auswertung von Signalen die über verschiedene Auswahlleitungen ausgelesen wurden, kann das von den Leitungen der Auswerteelektronik verursachte relative Rauschen in den Signalen identifiziert und gegebenenfalls herausgefiltert werden.
Vorteilhaft ist eine Kombination aus erfindungsgemäßem Pixel und Auswerteelektronik, bei der die Auswerteelektronik zur Erfassung und Ausgabe eines die Gesamtintensität der von der Pixelfläche des Phasensubpixels erfassten Strahlung repräsentierenden Summensignals ausgelegt ist. Das Summensignal ergibt ggf. nach Herausfiltern bzw. Abtrennen von Signalanteilen, die von Strahlung im nichtsichtbaren Spektralbereich stammt, den Helligkeitswert des von dem Pixel erfassten 3D-Bildpunkts.
Hinsichtlich eines Sensors, d. h. einer entsprechenden Anordnung bzw. einem Array von erfindungsgemäßen Pixeln und/oder einer entsprechenden Auswerteelektronik, wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Pixeln nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder Kombinationen nach einem der Ansprüche 10 oder 11 vorgesehen ist, wobei eine Abbildungsoptik zur Projektion der von einem Objekt ausgehenden elektromagnetischen Strahlung auf die von den photoempfindlichen Pixelflächen der Subpixel gebildete Oberfläche des Sensors vorgesehen ist. Bei dem Objekt kann es sich um jedes beliebige elektromagnetische Strahlung emittierendes und/oder reflektierendes, physikalisches Objekt in dem vom Sensor erfassten Umgebungsbereich handeln. Die Oberfläche des Sensors, auf die von der Abbildungsoptik elektromagnetische Strahlung projiziert wird, setzt sich sowohl aus den photoempfindlichen Pixelflächen der Phasensubpixel der den Sensor bildenden Pixel als auch aus den photoempfindlichen Pixelflächen der Farbsubpixel. Insbesondere bietet es sich an, dass alle Pixel, aus denen sich der Sensor zusammensetzt baugleich sind.
Von einer solchen Anordnung nimmt die Pixeloberfläche für die phasensensitiven Subpixel den größten Teil ein, während die von den Farbsubpixeln beanspruchte Fläche im Vergleich dazu kleiner und insbesondere deutlich kleiner ist, zum Beispiel weniger als 20% oder auch weniger als 10% der Pixelfläche der phasensensitiven Sensoren beträgt.
Bei dem vorstehend definierten Sensor können beispielsweise alle jeweils in einer Reihe oder in einer Spalte nebeneinander angeordneten Subpixel baugleich sein, d. h. sie können allesamt Farbsubpixel oder Farbsubpixel der selben Farbe oder Phasensubpixel sein, während benachbarte Reihen oder Spalten davon verschiedene Subpixel aufweisen.
Zweckmäßigerweise werden jeweils baugleiche Pixel nebeneinander angeordnet, jeweils bestehend aus einer Gruppe aus mindestens einem Phasensubpixel und mindestens einem Farbsubpixel, vorzugsweise aus einer Gruppe aus einem Phasensubpixel und drei Farbsubpixeln, hierbei insbesondere Subpixel für die Farben Grün, Rot und Blau, wobei optional noch ein viertes, für den Infrarotbereich selektives Subpixel hinzukommen kann.
Gegebenenfalls können die farbselektiven Subpixel jeweils mehrfach am Umfang eines Phasensubpixels angeordnet sein, beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten der Pixelfläche des Phasensubpixels, so dass der Flächenschwerpunkt der im gleichen Spektralbereich empfindlichen Farbsubpixel mit dem Flächenschwerpunkt des Phasensubpixels zusammen fällt.
Selbstverständlich können auch größere Gruppen von Pixeln bzw. Kombinationen aus Phasensubpixeln und Farbsubpixeln jeweils gruppenweise zusammengefasst und in einer periodischen Übergitterstruktur angeordnet sein, so dass sich die selbe räumliche Struktur aus einem oder mehreren Phasensubpixeln mit jeweils mehreren Farbsubpixeln entlang einer Zeile oder Spalte periodisch wiederholt, wobei die Zeilen und Spalten nicht unbedingt senkrecht zueinander ausgerichtet sein müssen.
Um die Auflösung der grünen Farbanteile der einfallenden Strahlung zu erhöhen, ist eine Ausführungsform zweckmäßig, in der die Anzahl grüner Farbsubpixel größer ist als die jeweilige Anzahl roter bzw. blauer Subpixel. Auch kann es sinnvoll sein, dass die Pixeloberfläche für die grünen Farbsubpixel jeweils größer ist als die Pixeloberfläche für die roten und blauen Farbsubpixel. Somit kann die Tatsache berücksichtigt werden, dass der grüne Farbanteil vom menschlichen Auge mit hoher Sensitivität wahrgenommen wird.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Verarbeitung der von einer Kombination nach Anspruch 10 oder 11 aus einem erfindungsgemäßen Pixel und einer Auswerteelektronik erfassten elektromagnetischen Strahlung zur Erzeugung eines 3D-Bildpunktes wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass aus der Phaseninformation des Differenzsignal des Phasensubpixels die Tiefeninformation des 3D-Bildpunktes bestimmt wird. dabei wird aus den Verhältnissen der Intensitäten der Farbsubpixel die Farbmischung eines Bildausgabesignals des Bildpunkts bestimmt. Die Intensität eines Bildausgabesignals des Bildpunkts wiederum wird entweder aus der Amplitude des Differenzsignals oder aus dem Summensignal des Phasensubpixels bestimmt. Die Amplitude des Differenzsignals ist hierbei als die maximale Differenzsignal, wobei mittels diskreter Messungen bei verschiedenen Phasenlagen das genaue intensitätsmodulierte Signal gesucht bzw. bestimmt wird und hieraus wiederum die Amplitude ermittelt wird.
Dies hat den Vorteil, dass es nicht notwendig ist, mit den Farbsubpixeln ein vollständiges, detailgenaues Bild zu rekonstruieren oder die absoluten Farbwerte zu ermitteln, sondern es reicht bereits, die relativen Farbwertverhältnisse (Chrominanz) einer vordefinierten Mehrzahl repräsentativer Farben zu ermitteln, während die Farbhelligkeit (Luminanz) aus einem Messsignal des Phasensubpixels bestimmt wird.
Daraus resultiert der bereits diskutierte Vorteil, dass die Phasensubpixel im Verhältnis zu den Farbsubpixeln eine wesentlich größere Gesamtfläche in Anspruch nehmen können, ohne dass die insgesamt für ein solches Pixel benötigte Fläche übermäßig groß wird, wobei mit einer entsprechenden Anordnung von Pixeln eine gute Auflösung und zugleich eine gute Farbqualität eines 3D-Farbbildes erzielt werden kann.
Zweckmäßigerweise ist hierzu das Phasensubpixel sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Spektralbereich (in welchem typischerweise das intensitätsmodulierte Signal liegt) empfindlich.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die von einem weiteren infrarotselektiven Subpixel erfasste Intensität verwendet wird, um aus der Intensität des Bildausgabesignals die von dem Phasensubpixel bei der Erfassung der Gesamtintensität aus dem Infrarotbereich miterfasste Intensität der elektromagnetischen Strahlung herauszufiltern bzw. zu eliminieren. Da das von einem Phasensubpixel zu erfassende Lichtsignal mit modulierter Intensitätsfrequenz typischerweise im Infrarot- und insbesondere im nahen Infrarotbereich liegt, ist die photoempfindliche Pixelfläche des Phasensubpixels jedenfalls auch infrarotsensitiv. Somit ist ein infrarotselektives Subpixel hilfreich, um ermitteln zu können, welcher Teil eines Messsignals auf Strahlung im Infrarotbereich beruht, die für eine Wiedergabe eines Farbhelligkeitswertes aus dem sichtbaren elektromagnetischen Spektrums Irrelevant ist.
Dieser Verfahrensaspekt dient dazu, die Helligkeitswerte der Farbsubpixel tatsächlich nur von der Gesamtintensität der im sichtbaren Spektralbereich bzw. in dem von den Farbsubpixeln erfassten Spektralbereich erfassten Strahlung abhängig zu machen.
Soweit eines oder mehrere der Farbsubpixel neben Teilen des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums auch Infrarotanteile miterfasst, kann ein allein im Infrarotbereich empfindliches Farbsubpixel selbstverständlich auch zur Korrektur der Signale dieser entsprechenden anderen Farbsubpixel, verwendet werden, d. h. zum Herausfiltern etwaiger Infrarotanteile in den Bildausgangssignalen der Farbsubpixel.
Andererseits ist es auch möglich, eine nur im Infraroten empfindlichen Phasensensor zu verwenden und die Infrarotintensität eines Bildpunktes auch für die Luminanz des Bildpunktes im sichtbaren Bereich zu verwenden, da viele Objekte Infrarotstrahlung und sichtbares Licht gleichermaßen reflektieren.
Da das Phasensubpixel eine relativ große Fläche hat, ist gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass zur Verhinderung einer Übersättigung des Zwischenspeichers der Pixelelektronik infolge einer zu großen Gesamtintensitat der von der Pixelfläche des Phasensubpixels erfassten Strahlung die Ladungsmenge auf dem Zwischenspeicher bzw. eine hierzu äquivalente Spannung oder eine entsprechender Strom erfasst wird und ein Teil des durch diese Strahlung erzeugten elektrischen Signals durch Aufprägen eines Kompensationsstroms auf den Zwischenspeicher kompensiert und zugleich der Signalspeicher mit einem mit dem Kompensationsstrom angepassten Speicherstrom aufgeladen wird.
Auf diese Weise kann beispielsweise bei der Erfassung der Differenz zweier Ausgangssignale bzw. Ausgangsströme an zwei Auslesegates bzw. Knoten des Phasensubpixels ein konstanter Gleichanteil abgezogen werden, ohne dass die darin enthaltenen Signalinformationen verloren gehen, so dass die Differenz der Signale an den Auslesegate seines PMD-Subpixels sehr viel genauer und leichter erfasst werden kann. Zugleich kann aber auch die Summe der Signale einschließlich des auf dem auf dem Signalspeicher gespeicherten Gleichanteils ermittelt werden.
Hierbei ist in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass sich die Intensität eines Bildausgangsignals aus den Intensitätsinformationen des auf dem Zwischenspeichern der Pixelelektronik gespeicherten Anteil des Summensignal und dem von dem Signalspeicher gespeicherten elektrischen Signal zusammensetzt. Vorteilhafterweise wird bei der Differenzbildung der vollständige Gleichanteil der Messsignale des Phasensubpixels abgezogen, sodass die Intensität des Bildausgangssignals allein aus dem von dem Signalspeicher gespeicherten elektrischen Signal ermittelt wird, da das intensitätsmodulierte Signal ohnehin typischerweise eine Infrarotsignal ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem anwendbar auf einen Sensor nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Bildausgabesignale der einzelnen Pixel zu einem 3D-Gesamtbild kombiniert werden. Dabei entspricht die Bildauflösung des erzeugten Bildausgabesignals der Auflösung der Anordnung der Phasensubpixel.
Schließlich ist noch eine Ausgestaltung eines solchen Verfahrens vorgesehen, bei welcher zur Rekonstruktion des Farbwerts der auf die photosensitive Pixelfläche eines phasensensitiven Subpixels auftreffenden elektromagnetischen Strahlung die von Farbsubpixeln verschiedener Pixel erfassten Intensitäten miteinander kombiniert werden und/oder zur Rekonstruktion der Intensität der auf eine phasensensitiven Pixelfläche auftreffende Infrarotstrahlung die von infrarotselektiven Subpixeln verschiedener Pixel erfassten Intensitäten miteinander kombiniert werden.
Durch das Kombinieren gleichartiger Informationen verschiedener (vorzugsweeise benachbarter) Pixel, ggf. mit entsprechenden von der geometrischen Anordnung der einzelnen Pixelflächen abhängigen Gewichtungsfaktoren, kann ein Interpolationswert für die von den Subpixeln erfassten Informationen konstruiert werden, der einen guten Näherungswert für den theoretisch im Schwerpunkt der photoempfindlichen Pixelfläche des Phasensubpixels des auszuwertenden Pixels zu erfassenden Messwert darstellt. Es empfiehlt sich, von gleichartigen Subpixel erfasste Intensitätsinformationen miteinander zu kombinieren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen sowie der dazugehörigen Figuren. Es zeigen
1A ein erstes erfindungsgemäßes Pixel mit drei Farbsubpixeln,
1B ein zweites erfindungsgemäßes Pixel mit sechs farbselektiven bzgl. der Pixelfläche eines Phasensubpixel schwerpunktssymmetrisch angeordneten Subpixeln,
2A ein drittes erfindungsgemäßes Pixel mit drei farbselektiven und einem infrarotselektiven Subpixel,
2B ein viertes erfindungsgemäßes Pixel mit sechs farbselektiven und zwei infrarotselektiven bzgl. einer Pixelfläche des Phasensubpixel schwerpunktssymmetrisch angeordneten Subpixeln,
3 einen erfindungsgemäßen Sensor aus neun erfindungsgemäßen Pixeln, wie sie in 2A dargestellt sind,
4A Sensitivitätsbereiche für unterschiedliche Subpixel,
4B Sensitivitätsbereiche für unterschiedliche Subpixel, und
5 Schaltplan eines erfindungsgemäßen Pixels, wie es in 1A dargestellt ist.
In 1A ist ein erfindungsgemäßes Pixel P mit einer photoempfindliche Pixelfläche eines Phasensubpixels PMD zu sehen, an dessen Seite direkt anschließend drei farbselektive Subpixel R, G, B für die Farbbereiche Rot R-W, Grün G-W und Blau B-W des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums angeordnet sind. Ebenso ist neben der Pixelfläche des Phasensubpixels PMD ein Abschnitt für die Pixelelektronik PE angeordnet. Eine solche Anordnung erlaubt eine kompakte Bauweise, bei der aufgrund der räumlichen Nähe zwischen dem Phasensubpixel PMD und den farbsensitiven Subpixeln R, G, B die Unterschiede in der auf den verschiedenen photoempfindlichen Pixelflächen auftreffenden Strahlung gering sind. 1B zeigt eine Erweiterung der Ausführungsform aus 1A, bei der auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Pixelfläche des Phasensubpixels PMD jeweils drei unterschiedliche Farbsubpixel R, G, B für die Farbbereiche Rot R-W, Grün G-W und Blau B-W des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums angeordnet sind. Dabei ist die Reihenfolge der Farbsubpixel R, G, B der einen Seite umgekehrt zur Reihenfolge derer der anderen Seite. Somit sind also alle Farbsubpixel R, G, B jeweils punktsymmetrisch bezüglich des Schwerpunktes der photoempfindlichen Pixelfläche des Phasensubpixels PMD angeordnet. Werden im Zuge der Auswertungen der von den Farbsubpixeln R, G, B erfassten Intensitäten die Messergebnisse gleichartiger farbselektiver Subpixel R, G, B jeweils gemittelt, so ergibt dies realistische Näherungswerte für die entsprechende Intensität im Schwerpunkt der photoempfindlichen Pixelfläche des Phasensubpixels PMD.
2A zeigt ein im Wesentlichen zu 1A äquivalent aufgebautes Pixel P, bei dem allerdings zusätzlich neben den drei an einer Seite des Phasensubpixels PMD angeordneten Farbsubpixeln R, G, B ein viertes farbsensitives Subpixel IR für den Infrarotbereich IR-W angeordnet ist. Wenn das Phasensubpixel im sichtbaren und im Infraroten Bereich gleichermaßen empfindlich ist, kann man durch das Phasensubpixel PMD zum einem die Gesamtintensität in diesem Sensitivitätsbereich sowie selektiv die Amplitude und relative Phase eines intensitätsmodulierten (Infrarot-)Lichtsignals im Vergleich zu einem Referenzsignal erfassen, dessen Frequenz mit Modulationsfrequenz eines Referenzsignals korreliert ist. Des Weiteren erfasst dieses Pixel P das Intensitätsverhältnis der Farben Rot R-W, Grün G-W und Blau B-W, womit ein realistischer Farbwert für den vom Pixel P erfassten 3D-Bildpunkt ermittelt werden kann. Zusätzlich wird durch das Infrarotsubpixel IR die Intensität der erfassten infraroten Strahlung ermittelt, wodurch die miterfassten Strahlungsanteile aus dem Infrarotbereich aus den Messungen des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums eliminiert werden können. 2B zeigt ein ähnliches Pixel P, bei dem allerdings wiederum auf zwei einander gegenüberliegenden Pixelflächenseiten des Phasensubpixels PMD jeweils eine identische Anzahl identischer farbselektiver Subpixel R, G, B, IR nebeneinander in Reihe längs der jeweiligen Pixelflächenseite angeordnet ist. Hierbei ist wiederum die Reihenfolge der seitlich angeordneten Subpixel auf einer Pixelflächenseite umgekehrt zu der Reihenfolge auf der gegenüber Seite. Dadurch sind identische Subpixel wiederum punktsymmetrisch um den Schwerpunkt der photoempfindlichen Pixelfläche des Phasensubpixels PMD angeordnet. Ein derart aufgebautes Pixel P ermöglicht es nicht nur, gleiche Informationen wie das Pixel P aus 2A zu ermitteln, sondern diese Informationen entsprechen aufgrund der Mittlung in guter Näherung den in der auf den Schwerpunkt des Phasensubpixels PMD auftreffenden elektromagnetischen Strahlung enthaltenen Informationen.
Einen Sensor S bestehend aus einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Pixeln P entsprechend der 2A findet sich in der 3. Dabei sind alle Pixel P bau- und orientierungsgleich in einer rechteckigen n × m-Struktur, vorliegend einer quadratischen mit n = m = 3, angeordnet. Hierbei bezeichnet n die Zeilen- und m die Spaltenzahl. Eine solche gleichmäßige Struktur erlaubt es, die Informationen der Farbsubpixel R, G, B, IR benachbarter Pixel P dazu zu verwenden, die entsprechenden Chrominanzinformationen im Schwerpunkt der photoempfindlichen Pixelfläche eines Phasensubpixels PMD unter Verwendung geeigneter Gewichtungsfaktoren in guter Näherung zu rekonstruieren, auch wenn die entsprechenden Farbsubpixel R, G, B, IR innerhalb der Einzelpixel nicht schwerpunktssymmetrisch bzgl. der photoempfindlichen Pixelfläche der Phasensubpixel PMD angeordnet sind. Die Gewichtungsfaktoren dienen als geometrische Korrekturfaktoren, um die Schwerpunkte der Mittelungen und die Schwerpunkte der photoempfindlichen Pixelfläche der Phasensubpixel PMD zur Deckung zu bringen, da die Anordnung der photoempfindlichen Pixelflächen der Farbsubpixel in der vorliegenden Ausführungsform nicht exakt punktsymmetrisch um die Schwerpunkte der jeweiligen photoempfindlichen Pixelflächen der Phasensubpixel PMD ausgerichtet sind. Bei solchen Sensoren aus mehreren erfindungsgemäßen Pixeln P ist es auch denkbar den Abschnitt für die Pixelelektronik PE eines Pixels auch als Pixelelektronik PE für ein benachbartes Pixel P mitzuverwenden. Insbesondere vorteilhaft wäre es dabei dien Pixelelektronikabschnitte PE einer Reihe von Pixeln P jeweils als Pixelelektronik PE für die Pixel P einer benachbarten Reihe zu verwenden. Dadurch kann für die Pixelelektronik PE benötigter Platz eingespart werden und somit entweder mehr Platz für die Pixelflächen zur Verfügung gestellt werden, oder aber der Sensor S kompakter konstruiert werden.
4A stellt den auf der Ordinate aufgetragenen Transmissionsgrad T von Pixelflächen bestimmter Subpixel PMD, R, G, B als Funktion der auf der Abszisse aufgetragenen Wellenlänge W der auf die Pixelflächen auftreffenden elektromagnetischen Strahlung dar. Der Transmissionsgrad T ist dabei definiert als der Quotient T = I_WE/I_WE einer Intensität I_W0 der auf eine photoempfindliche Pixelfläche auftreffenden elektromagnetischen Welle und der vom zugehörigen Subpixel PMD, R, G, B erfassten Intensität I_WE. Ein in erfindungsgemäßen Ausführungsformen vorgesehenes phasensensitives Subpixel PMD erfasst im vorliegenden Fall Wellenlängen des gesamten elektromagnetischen Spektrums sowie des Infrarotbereichs IR-W. Die Farbsubpixel R, G, B erfassen jeweils verschiedene, festgelegte, zusammenhängende Teilbereiche des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums. So erfasst das Farbsubpixel für rotes Licht lediglich Strahlung im roten Wellenlängenbereich R-W, das Farbsubpixel G für grünes Licht lediglich Strahlung im grünen Wellenlängenbereich G-W und das Farbsubpixel B für blaues Licht lediglich Strahlung im blauen Wellenlängenbereich B-W. In der graphischen Darstellung ist die Transmissionskurve des Phasensubpixels PMD als durchgezogene Linie, die des Farbsubpixels R für Rot als strichpunktierte Linie, die Farbsubpixels für Grün G als gestrichelte Linie und die des Farbsubpixels B für Blau als punktierte Linie dargestellt. Wie aus der Darstellung ersichtlich wird, decken die Farbsubpixel R, G, B mit Ihren Transmissionskurven nicht vollständig das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichtes ab. Somit bildet ihre Kombination lediglich eine Näherung der exakten Farbzusammensetzung der einfallenden und vom Phasensubpixel PMD erfassten elektromagnetischen Strahlung im sichtbaren Bereich. Dennoch werden durch die Kombination der Farben Rot, Grün und Blau die wesentlichen Farbkomponenten einer realistischen Darstellung im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum wiedergegeben, weshalb dies eine qualitativ gute Näherung darstellt. Denkbar wäre auch, das die Transmissionskurve des Phasensubpixels PMD nicht das gesamte sichtbare elektromagnetische Spektrum abdeckt, sondern beispielsweise nur einzelne Teilbereiche, wie etwa die auch von den Farbsubpixeln R, B, B abgedeckten Teile. In 4B ist eine der 4A entsprechende Darstellung des Transmissionsgrads T von Subpixeln PMD, R, G, B abgebildet. In diesem Fall sind alle Farbsubpixel R, G, B ebenso wie das Phasensubpixel PMD im infraroten Strahlungbereich IR-W sensitiv. Dies macht es notwendig, dass zur Bestimmung des Verhältnisses der sichtbaren Farbkomponenten im Gegensatz zu dem in 4A dargestellten Fall der miterfasste infrarote Wellenlängenbereich IR-W nicht nur aus der Intensitätsmessung des Phasensubpixels PMD, sondern auch aus den Intensitätsmessungen der Farbsubpixeln R, G, B eliminiert werden muss, was in erfindungsgemäßer Weise mithilfe infrarotselektiven Subpixel IR zu realisieren ist.
5 zeigt ein einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Pixels P, wie es in 1A dargestellt ist. Das Pixel P weist ein Phasensubpixel PMD, drei Farbssubpixel R, G, B, von denen jeweils eins für die Farbe Rot, Grün sowie Blau sensitiv ist, und einen Signalspeicher SBI-M auf. Alle Subpixel PMD, R, G, B bilden in der dargestellten Ausführungsform zusammen einq Global-Shutter-Pixel, d. h. die Subpixel PMD, R, G, B werden gleichzeitig belichtet. In der unteren Zeile des Schaltplans ist links das Farbsubpixel R für die Farbe Rot und rechts das Farbsubpixel G für Grün dargestellt, sowie in der mittleren Zeile rechts das Farbsubpixel B für die Farbe Blau. Die Schaltung in der oberen Zeile ist ein Phasensubpixel PMD, das die relative Phase eines intensitätsmodulierten Lichtsignals im Vergleich zu einem Referenzsignal erfasst, dessen Frequenz mit der Modulationsfrequenz des intensitätsmodulierten Lichtsignals korreliert ist. An dem Phasensubpixel PMD wird zusätzlich das Steuerpotential der Stromquellen V_Ictrl für einen Signalspeicher SBI-M abgegriffen. Der Signalspeicher SBI-M ist in der mittleren Zeile links dargestellt.
Das Phasensubpixel PMD besteht im Wesentlichen aus einem phasensensitiven Element, einem Zwischenspeicher und einem Global-Shutter-Ausleseverstärker. Im der vorliegenden Abbildung ist das phasensensitiven Element in vereinfachter Form als elektronisches Äquivalent durch zwei Photodioden D_A und D_B dargestellt, deren beide photoempfindlichen Flächen zusammen die photoempfindliche Pixelfläche des Phasensubpixels PMD bilden. Die beiden Photodioden D_A, D_B werden abwechselnd geschaltet, wobei die Wechselfrequenz zwischen den beiden Photodioden D_A, D_B mit der Modulationsfrequenz des intensitätsmodulierten Lichtsignals korreliert ist.
Der Zwischenspeicher des Phasensubpixels PMD besteht aus fünf PMOS-Transistoren. Die PMOS-Transistoren des Zwischenspeichers sind die mit M_SBIA und M_SBIB bezeichneten Transistoren sowie die Transistoren, an deren Gates die Knoten Integ_A, Integ_B und V_{ref_sbi} angeschlossen sind. Die beiden Transistoren mit Integ_A bzw. Integ_B sind jeweils der Photodiode D_A bzw. D_B zugeordnet. Durch einfallende elektromagnetische Strahlung wird in den beiden Photodioden D_A, D_B jeweils ein Photostrom erzeugt. Diese Photoströme führen jeweils zu einem Absinken der Spannung an den der entsprechenden Photodiode D_A bzw. D_B zugeordneten Knoten Integ_A bzw. Integ_B. Sobald einer der beiden Knoten Integ_A oder Integ_B durch den Photostrom der Photodiode D_A oder D_B hinreichend weit ab integriert wurde, d. h. die an ihm anliegende Spannung einen vordefinierten Grenzwert erreicht hat oder unterschreitet, schaltet der entsprechende Transistor und ein Strom fließt hindurch. Durch diesen Transistorstrom sinkt das Potential am Knoten V_Ictrl ab und durch die Transistoren M_SBIA und M_SBIB fließt jeweils ein Kompensationsstrom, der den jeweiligen Photostrom ausgleicht. Dabei sind die beiden durch M_SBIA und M_SBIB fließenden Kompensationsströme gleich. In der Konsequenz bleibt das Potential des Knotens Integ_A oder Integ_B, je nachdem, an welchem der größere Photostrom wirkt und durch den daher der Transistorstrom fließt, konstant in etwa bei dem Spannungsgrenzwert, an dem der Transistor geschaltet hat. Durch den Kompensationsstrom an dem entsprechenden zweiten Knoten Integ_B oder Integ_A kommt es zu einer Überkompensation des Photostroms der entsprechenden zugeordneten Photodiode D_A oder D_B. Diese Überkompensation führt zu einem Aufintegrieren, bzw. Ansteigen des Potentials an dem Knoten Integ_B oder Integ_A. Das Ergebnis dieser Überkompensation entspricht einer Differenzbildung der beiden Ströme und liefert somit den korrelierten Anteil des auf die photosensitive Pixelfläche des Phasensubpixels PMD auftreffenden Lichtsignals.
Der Global-Shutter-Ausleseverstärker besteht aus zwei Teilen, von denen einer der Photodioden D_A und einer DB zugeordnet ist. Jeder der beiden Teile des Global-Shutter-Ausleseverstärker weist eine Sample-&-Hold-Stufe sowie einen Teil eines Sourcefolgers auf. Der Gegenpart des Sourcefolgers, die Stromquelle, wird einmal pro Spaltenleitung integriert und ist jeweils nicht dargestellt. Die Sample-&-Hold-Stufe setzt sich jeweils aus einem Transistor, an dessen Gate das Signal Hold_D angeschlossen ist, und einer Sample-Kapazität K_A bzw. K_B zusammen. Während der Integration ist der Transistor, der als Schalter benutzt wird, durch das Signal Hold_D leitend geschaltet. Damit setzt sich die Integrationskapazität der Photodioden D_A bzw. D_B jeweils im Wesentlichen aus der Sample-Kapazität K_A bzw. K_B sowie der parasitären Kapazität der entsprechenden Photodiode D_A bzw. D_B selbst zusammen. Zum Abschluss der Belichtung/Integration wird der Transistor mittels Hold_D auf sperrend geschaltet, sodass sich die Information auf der Kapazität K_A bzw. K_B nicht mehr verändert. Zum Auslesen wird die obere Zeile des Schaltplans über die beiden Transistoren selektiert, an deren Gates jeweils das Signal Sel₁ angeschlossen ist. Es sind zwei Ausleseverstärker für das Phasensubpixel, Kanal A und Kanal B, vorgesehen, sowie zwei Ausgangsleitungen.
Nach Abschluss des Auslesens erfolgt ein Reset des Phasensubpixels PMD, d. h. es wird wieder auf seine Ausgangskonfiguration zurück gesetzt. Zu diesem Zweck wird der Schalttransistor der Sample-&-Hold-Stufe, an dem das Signal Hold_D anliegt, wieder leitend geschaltet. Für die Dauer des Reset wird ebenso der Reset-Transistor, dessen Gate mit dem Signal RESET verbunden ist, leitend geschaltet. Die erneute Bildaufnahme/Integration beginnt mit sperrend Schalten des Reset-Transistor.
Der Signalspeicher SBI-M dient der Überwachung des Kompensationsstroms zur teilweisen Kompensation der durch die einfallende elektromagnetische Strahlung erzeugten Photoströme der Photodioden D_A und D_B. Mit dem Reset des Phasensubpixels PMD wird auch der Signalspeicher SBI-M auf eine Ausgangskonfiguration zurück gesetzt. Wenn ein Kompensationsstrom fließt, wird dieser Strom durch den als Stromspiegel dienenden Transistor M_SBID gespiegelt. Dieser gespiegelte Kompensationsstrom kann dabei herunter geteilt werden, so dass der resultierende Speicherstrom des Signalspeicher SBI-M über einen entsprechenden Korrelationsfaktor mit dem gespiegelten Strom, d. h. dem Kompensationsstrom des Phasensubpixel PMD, korreliert ist. Der Signalspeicher SBI-M weist einen Global-Shutter-Ausleseverstärker bestehend aus einer Sample-&-Hold-Stufe sowie einem Teil eines Sourcefolgers auf. Der Gegenpart des Sourcefolgers, die Stromquelle, ist nicht dargestellt. Die Sample-&-Hold-Stufe setzt sich wiederum aus einem Transistor, an dessen Gate das Signal Hold_D angeschlossen ist, und einer Sample-Kapazität K_SBI zusammen. Damit besteht die Integrationskapazität des Signalspeichers SBI-M im Wesentlichen aus der Sample-Kapazität K_SBI. Während der Integration ist der Transistor, der als Schalter benutzt wird, durch das Signal Hold_D leitend geschaltet. Zum Abschluss der Integration wird der Transistor mittels Hold_D auf sperrend geschaltet, sodass sich die Information auf der Kapazität K_SBI nicht mehr verändert. Die Ansteuerung des Signalspeicher SBI-M mit RESET und Hold_D ist gleich zu der Ansteuerung des Phasensubpixels PMD. In der hier vorgeschlagenen Implementierung erfolgt das Auslesen des SBI-M über den zugeordneten Transistor, an dessen Gate das Signal Sel₂ angeschlossen ist, und wird durch das Sel₂-Signal ausgelöst.
Die Farbsubpixelpixel R, G, B sind dem Phasensubpixel PMD ihrem Aufbau nach verwandt. Jedes der Farbsubpixel R, G, B weist jeweils eine Photodioden für den Farbwert Rot, Grün, Blau auf. Auch bei den Farbsubpixel R, G, B wird jeweils ein Global-Shutter-Ausleseverstärker, bestehend aus einer Sample-&-Hold-Stufe sowie einem Teil eines Sourcefolgers, benutzt. Wie beim Phasensubpixel PMD, ist der Gegenpart des Sourcefolgers, die Stromquelle, nicht dargestellt. Die Integrationskapazitäten der Photodioden für Rot, Blau und Grün der Farbsubpixel R, G und B setzen sich jeweils im Wesentlichen aus den Sample-Kapazitäten K_Rot, K_Grün und K_Blau sowie den parasitären Kapazität der entsprechenden Photodioden für Rot, Grün, Blau selbst zusammen. Im Vergleich zu dem Phasensubpixel PMD sind keine Einrichtungen zur Kompensation der Photoströme der Photodioden für Rot, Grün und Blau vorgesehen und daher auch keine Verbindung zu einem Signalspeicher SBI-M. Vielmehr sind die einzelnen Photodioden für Rot, Grün und Blau jeweils unabhängig voneinander. Die Belichtung wird wie die Belichtung des Phasensubpixels PMD über RESET und Hold_D gesteuert. Das Auslesen erfolgt für die Farbsubpixel R, G und B jeweils über einen zugeordneten Transistoren, an dessen Gate das Signal Sel₂ bzw. Sel₃ angeschlossen ist. Gesteuert wird der Auslesevorgang somit über das Signal Sel₂ für den Blau-Kanal und das Signal Sel₃ für den Rot- und den Grün-Kanal.
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 und Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombination unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Bezugszeichenliste

P

Pixel

S

Sensor

PMD

Phasensensitives Subpixel

R

Farbselektives Subpixel für den roten Wellenlängenbereich

G

Farbselektives Subpixel für den grünen Wellenlängenbereich

B

Farbselektives Subpixel für den blauen Wellenlängenbereich

IR

Farbselektives Subpixel für den infraroten Wellenlängenbereich

PE

Pixelelektronik

AE

Auswerteelektronik

T

Transmissionsgrad

W

Wellenlänge

IR-W

Infraroter Wellenlängenbereich

R-W

Roter Wellenlängenbereich

G-W

Grüner Wellenlängenbereich

B-W

Blauer Wellenlängenbereich

SBI-M

Signalspeicher

D_A

Photodiode A

D_B

Photodiode B

K_A

Sample-Kapazität der Photodiode A

K_B

Sample-Kapazität der Photodiode B

K_SBI

Sample-Kapazität des Signalspeichers SBI-M

K_Rot

Sample-Kapazität des Farbsubpixels R

K_Grün

Sample-Kapazität des Farbsubpixels G

K_Blau

Sample-Kapazität des Farbsubpixels B

RESET

Reset-Signal

V_Idrl

Stromquellen für den Signalspeicher

M_SBIA

Transistoren

M_SBIB

Transistoren

Integ_A

Knoten

Integ_B

Knoten

Hold_D

Hold-Signal

V_{ref_sbi}

Knoten

Sel_i

Selekt-Signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19821974 A1 [0002]
DE 102005056774 A1 [0010]
WO 2006/130734 A2 [0012]
US 2010/0033611 A1 [0012]
WO 2006/130734 [0012]
US 2010/0073462 [0013]

Claims

Pixel (P) mit einem eine photoempfindliche Pixelfläche aufweisenden phasensensitiven Subpixel (PMD) zur Erfassung einfallender elektromagnetischer Strahlung, wobei das phasensensitive Subpixel (PMD) die relative Phase eines intensitätsmodulierten Lichtsignals im Vergleich zu einem Referenzsignal erfasst, dessen Frequenz mit der Modulationsfrequenz des intensitätsmodulierten Lichtsignals korreliert ist, und mit einem oder mehreren farbselektiven Subpixeln (R, G, B, IR), die jeweils eine für einen anderen Spektralbereich selektiv photoempfindliche Pixelfläche aufweisen, und mit einer Pixelelektronik (PE) mit einem Zwischenspeicher zum Erfassen der Messsignale des Pixels (P), dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der photoempfindlichen Pixelflächen farbselektiver Subpixel (R, G, B, IR) kleiner ist als die photoempfindliche Pixelfläche des Phasensubpixels (PMD).
Pixel (P) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensitivitätsbereich des Phasensubpixels (PMD) neben dem intensitätsmodulierten Lichtsignal zumindest das im sichtbaren Bereich liegende elektromagnetische Empfangsspektrum der Farbsubpixel (R, G, B) umfasst.
Pixel (P) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixelelektronik (PE) einen Signalspeicher (SBI-M) zur Speicherung eines Messsignals des Phasensubpixels (PMD) aufweist sowie Einrichtungen zum Erfassen der Ladungsmenge auf dem Zwischenspeicher bzw. einer hierzu äquivalenten Spannung oder eines entsprechenden Stroms und Einrichtungen zum Aufprägen eines Kompensationsstroms auf den Zwischenspeicher und zum Aufprägen eines dem Kompensationsstrom entsprechenden Speicherstroms auf den Signalspeicher (SBI-M).
Pixel (P) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Aufprägen des Speicherstroms auf den Signalspeicher (SBI-M) einen Stromspiegel umfassen.
Pixel (P) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die photoempfindlichen Pixelflächen der farbselektiven Subpixel (R, G, B, IR) entlang des Umfangs der photoempfindlichen Pixelfläche des Phasensubpixels (PMD) angeordnet sind.
Pixel (P) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Pixelflächen von farbselektiven Subpixel (R, G, B, IR) mit identischen farbselektiven Sensitivitätsbereichen so angeordnet sind, dass sie denselben Flächenschwerpunkt haben wie die Pixelfläche des Phasensubpixels (PMD).
Pixel (P) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixelflächen der farbselektiven Subpixel (R, G, B, IR) punktsymmetrisch bezüglich des Schwerpunktes der Pixelfläche des Phasensubpixels (PMD) angeordnet sind.
Pixel (P) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein farbselektives Subpixel (R) für den Farbbereich Rot (R-W), dessen Sensitivitätsbereich im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum innerhalb des Wellenlängenbereichs von etwa 780 nm bis etwa 640 nm liegt, ein farbselektives Subpixel (G) für den Farbbereich Grün (G-W), dessen Sensitivitätsbereich im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum innerhalb des Wellenlängenbereichs von etwa 600 nm bis etwa 570 nm liegt, und ein farbselektives Subpixel (B) für den Farbbereich Blau (B-W), dessen Sensitivitätsbereich im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum innerhalb des Wellenlängenbereichs von etwa 490 nm bis etwa 430 nm liegt, vorgesehen sind.
Pixel (P) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensitivitätsbereich des Phasensubpixels (PMD) zumindest teilweise im Infrarotbereich (IR-W) liegt und dass ein farbselektives Subpixel (IR) vorgesehen ist, dessen Sensitivitätsbereich das im Infrarotbereich (IR-W) liegende elektromagnetische Empfangsspektrum des Phasensubpixels (PMD) umfasst.
Kombination aus mindestens einem Pixel (P) nach einem der vorstehenden Ansprüche und einer Auswerteelektronik (AE) zur Auswertung von mittels Pixelelektronik (PE) erfassten Messsignalen des Pixels (P), dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (AE) zur Erfassung und Ausgabe der in einem Differenzsignals des Phasensubpixels (PMD) enthaltenen Phase und Amplitude des intensitätsmodulierten Lichtsignals ausgelegt ist.
Kombination nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (AE) zur Erfassung und Ausgabe eines die Gesamtintensität der von der Pixelfläche des Phasensubpixels (PMD) erfassten Strahlung im sichtbaren Bereich repräsentierenden Summensignals ausgelegt ist.
Sensor (S) mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Pixeln (P) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder Kombinationen nach einem der Ansprüche 10 oder 11 sowie einer Abbildungsoptik zur Projektion der von einem Objekt ausgehenden elektromagnetischen Strahlung auf die von den photoempfindlichen Pixelflächen der Subpixel (PMD, R, G, B, IR) gebildeten Oberfläche des Sensors (S).
Sensor (S) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass alle Pixel (P) baugleich sind.
Sensor (S) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Reihe alle jeweils nebeneinander angeordneten Pixel (P) baugleich sind.
Sensor (S) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass baugleiche Pixel (P) in einer periodischen Übergitterstruktur angeordnet sind.
Verfahren zur Verarbeitung der von einer Kombination nach einem der Ansprüche 10 oder 11 erfassten elektromagnetischen Strahlung zur Erzeugung eines 3D-Bildpunktes, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Phaseninformation des Differenzsignals des Phasensubpixels (PMD) die Tiefeninformation des 3D-Bildpunktes bestimmt wird, dass aus den Verhältnissen der von den Farbsubpixel (R, G, B) erfassten Intensitäten die Farbmischung des Bildausgabesignals eines Bildpunkts bestimmt wird, und dass die Intensität des Bildausgabesignals für einen Bildpunkt entwederaus der Amplitude des Differenzsignals des Phasensubpixels (PMD) oder aus der Intensitätsinformation des Summensignals des Phasensubpixels (PMD) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die von einem infrarotselektiven Subpixel (IR) erfasste Intensität verwendet wird, um aus der Intensität des Bildausgabesignals die von dem Phasensubpixel (PMD) bei der Erfassung der Gesamtintensität miterfasste Intensität der elektromagnetischen Strahlung im Infrarotbereich (IR-W) herauszufiltern.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem infrarotselektives Subpixel (IR) erfasste Intensität verwendet wird, um bei der Bestimmung der Farbmischung im sichtbaren Bereich des Bildausgangsignals die von den farbselektiven Subpixeln (R, G, B) miterfasste Intensität der elektromagnetischen Strahlung im Infrarotbereich (IR-W) herauszufiltern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung einer Übersättigung des Zwischenspeichers der Pixelelektronik (PE) infolge einer zu großen Gesamtintensität der von der Pixelfläche des Phasensubpixels (PMD) erfassten Strahlung die Ladungsmenge auf dem Zwischenspeicher bzw. einer hierzu äquivalente Spannung oder eine entsprechender Strom erfasst wird und ein Teil des durch diese Strahlung erzeugten elektrischen Signals durch Aufprägen eines Kompensationsstroms auf den Zwischenspeicher kompensiert und zugleich der Signalspeicher (SBI-M) mit einem dem Kompensationsstroms entsprechenden Speicherstrom aufgeladen wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Intensität eines Bildausgangsignals aus den Intensitätsinformationen des auf dem Zwischenspeichern der Pixelelektronik (PE) gespeicherten Anteil des Summensignal und dem von dem Signalspeicher (SBI-M) gespeicherten elektrischen Signal zusammensetzt.
Verfahren zur Verarbeitung der von einem Sensor (S) nach einem der Ansprüche 12 bis 15 durch auftreffende elektromagnetische Strahlung erzeugten elektrischen Signale, unter Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildausgabesignale der einzelnen Pixel (P) zu einem 3D-Gesamtbild kombiniert werden, wobei die Bildauflösung des erzeugten Bildausgabesignals der Auflösung der Anordnung der Phasensubpixel (PMD) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekonstruktion des Farbwerts der auf die photosensitive Pixelfläche eines phasensensitive Subpixels (PMD) auftreffenden elektromagnetischen Strahlung die von farbselektiven Subpixeln (R, G, B) verschiedener Pixel (P) erfassten Intensitäten miteinander kombiniert werden und/oder zur Rekonstruktion der Intensität der auf die Pixelfläche auftreffende Infrarotstrahlung die von infrarotselektiven Subpixel (IR) verschiedener Pixel (P) erfassten Intensitäten miteinander kombiniert werden.