DE102012204183A1

DE102012204183A1 - Bildsensor für eine 3D-Laufzeitkamera

Info

Publication number: DE102012204183A1
Application number: DE102012204183A
Authority: DE
Inventors: Thomas May
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2012-09-20

Abstract

Bei einem Bildsensor für eine 3D-Laufzeitkamera, der aus einer mehrere Pixel aufweisenden photosensitiven Schicht besteht, ist eine Deckschicht vorgesehen, die Nanopartikel enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bildsensor für eine 3D-Laufzeitkamera.
Herkömmliche Kameras arbeiten mit Bildsensoren in CMOS oder CCD-Technologie, die das 2-dimensionale Abbild einer Umgebung z. B. eines Objekts oder einer Szene pixelweise mit entsprechenden Grau-/Farbwerten erfassen.
Es sind seit längerem auch 3D-Bilderfassungssysteme bekannt, die meist auf einer Stereoauswertung beruhen. Diese Systeme erfordern neben den entsprechenden Stereoskopie-Algorithmen eine zuverlässige und stabile relative Anordnung der beiden Stereokameras zueinander und zusätzlich eine langzeitstabile Abbildung innerhalb der einzelnen Kameras. Um eine gewünschte Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieser Systeme zu erzielen ist ein extrem hoher mechanischer Aufwand notwendig, der entsprechend hohe Kosten verursacht. Ein weiterer Nachteil ist der Platzbedarf dieser Systeme. Stereokameras werden häufig zur 3D-Raumüberwachung eingesetzt.
Eine 3D-aumüberwachung ist auch mit Scannern möglich. Nachteilig bei Scannern ist jedoch, die relativ lange Auswertezeit und dass die für den Scan-Vorgang benötigten mechanisch betriebenen Bauteile einem Verschleiß unterliegen und deshalb verhältnismäßig hohe Kosten verursachen.
Zur dreidimensionalen Umgebungserfassung werden seit kurzem auch 3D-Laufzeitkameras eingesetzt, bei denen die Abstandsbestimmung mit Hilfe einer aktiven Beleuchtungseinheit erfolgt. Derartige Kameras werden u. a. von der Fa. ifm electronic gmbh unter der Bezeichnung “pmd efector“ bzw. von der Fa. PMDTechnologies GmbH unter der Bezeichnung CamCube hergestellt und vertrieben.
3D-Laufzeitkameras liefern neben diesen Informationen zusätzlich noch pixelweise eine Entfernungsinformation, die über die Zeitverschiebung bzw. Phasenverschiebung zwischen einem Referenzsignal das zur Ansteuerung der aktive Beleuchtungseinheit, die ein entsprechend moduliertes Lichtsignal aussendet, dient und dem vom Objekt oder der Szene reflektierten Lichtsignal bestimmt wird. Das Verfahren ist sehr schnell, so dass eine vollständige 3D-Information der Umgebung in Echtzeit zur Verfügung steht. Kernstück dieser Kameras ist ein Bildsensor auch als PMD-Chip (Photomischdetektor) bezeichnet, bei dem pixelweise eine Demodulation des reflektierten Lichtsignals erfolgt. In der Regel ist die photosensitive Schicht derartiger Bildsensoren mit einer schützenden Deckschicht versehen.
3D-Laufzeitkamera arbeiten mit einer aktiven Beleuchtung typischerweise im Infrarotbereich. Da normalerweise schmalbandige Lichtquellen z. B. LEDs oder Laser für die aktive Beleuchtung eingesetzt werden, sind entsprechende Glasfilter im optischen System vor dem Bildsensor vorgesehen, die nur das Licht der aktiven Lichtquelle zum Bildsensor durchlassen.
An den verschiedenen Grenzflächen der optischen Elemente des optischen Systems treten dabei jeweils Reflexionsverluste auf.
Reflexionsverluste wirken sich immer nachteilig auf die Reichweite derartiger Kameras aus, da insbesondere von sehr weit entfernten Objekten nur extrem wenig Licht empfangen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb einen Bildsensor für eine 3D-Laufzeitkamera zu schaffen, der weniger Reflexionsverluste aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, in der Deckschicht des Bildsensors Nanopartikel vorzusehen bzw. die Deckschicht aus Nanopartikeln aufzubauen.
Mit Hilfe dieser Nanopartikel können Reflexionsverluste vermieden werden. Außerdem ist es möglich mit Nanopartikeln schmalbandige Filter (Bandpassfilter) herzustellen.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 Prinzipdarstellung einer 3D-Laufzeitkamera mit einem PMD-Pixel.
2 schematische Darstellung eines Bildsensors für eine 3D-Laufzeitkamera
In 1 ist das PMD-Prinzip anhand eines Blockdiagrams näher erläutert. Die wesentlichen Elemente sind eine Modulatoreinheit ME, die eine Sendeeinheit SE (aktive Beleuchtungseinheit), die das modulierte Lichtsignal erzeugt, ansteuert und ein Bildsensor EE, in dem die Demodulation des empfangenen Lichtsignals stattfindet. Die Modulatoreinheit besteht aus einem HF-Generator G, der eine Modulationsfrequenz MF (bis ca. 100 MHz) erzeugt. In einem Treiber T wird ein entsprechend moduliertes Ansteuersignal erzeugt, mit dem ein Leuchtelement z. B. eine Leuchtdiode LED, die Teil der Sendeeinheit SE ist, angesteuert wird. Die Sendeeinheit SE emittiert somit ein moduliertes Lichtsignal ML, dessen Intensität mit der Modulationsfrequenz MF variiert (als Wellenzug symbolisch dargestellt). Das modulierte Lichtsignal ML trifft auf ein nicht näher dargestelltes Objekt und wird von diesem reflektiert. Dieses reflektierte Lichtsignal RL wird in der Bildsensor EE detektiert. Der Bildsensor EE weist als photosensitives Detektorelement ein PMD-Pixel auf, das im Prinzip aus zwei Photodioden besteht, wobei die im PMD-Pixel erzeugten Photoelektronen mittels einer „Ladungsschaukel“ auf die beiden Auslesekanäle qa und qb verteilt werden. Nach einer Digitalisierung der Ausgangssignale der Auslesekanäle werden die Signale in bekannter Weise in einem Mikrocontroller verarbeitet und so die Phaselage und Amplitude des reflektierten Lichtsignals RL bestimmt. Über die Phasenlage wird die Abstandsinformation des Objekts bezüglich dieses Pixels ermittelt. Auf die bei PMD-Kameras übliche 4 Phasenmessung (0, 90, 180 und 270) Grad wird hier nicht näher eingegangen.
2 zeigt in schematischer Weise einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Bildsensors für eine 3D-Laufzeitkamera im Bereich eines einzelnen PMD-Pixels. Der Bildsensor weist typischerweise eine Vielzahl von Pixel auf. Dargestellt ist das Poly-Silizium-Substrat P-Si mit einem idealisierten elektrischen Potentialverlauf φ. Auf der Seite des einfallenden Lichtes, d. h. auf der Oberseite, weist das PMD-Pixel eine lichtdurchlässige Oxidschicht auf, die im Bereich der metallischen Ausleseelektroden a und b unterbrochen ist. Zwischen zwei Ausleseelektroden a, b sind jeweils Modulationselektroden ma und mb vorgesehen. Diese Modulationselektroden ma bzw. mb sind transparent, sie erzeugen ein elektrisches Driftfeld unter dessen Einfluss, die durch das einfallende Licht erzeugten Ladungsträger, je nach Polarität des Driftfeldes in Richtung Ausleseelektrode a bzw. b driften.
Die Oberseite des Bildsensors BS wird durch eine Deckschicht D gebildet, die der photosensitiven Schicht P vorgelagert ist. Die Deckschicht D enthält erfindungsgemäß Nanopartikel, die die Reflexionsverluste verringern und damit den Lichteintrag zur photosensitiven Schicht P erhöhen.
Die Nanopartikel können auch einen Bandpass-/Interferenzfilter bilden, der auf die aktive Beleuchtung abgestimmt ist. Damit können zusätzliche Glasfilter entfallen.
Durch die Nanopartikel kann auch eine Brechungsindexanpassung bzw. eine Entspiegelung der Oberfläche erfolgen.
Nanopartikel erlauben auch die Wellenlänge von Photonen zu verschieben. Damit kann die Wellenlänge des einfallenden Lichtes an bestimmte Eigenschaften der photosensitiven Schicht P angepasst werden, z. B. um eine maximale Quantenausbeute zu erzielen.
Durch die oben beschriebenen Maßnahmen wird insgesamt das Signal zu Rausch-Verhältnis verbessert. Damit wird die 3D-Laufzeitkamera leistungsfähiger und eine höhere Reichweite der 3D-Laufzeitkamera möglich.

Claims

Bildsensor für eine 3D-Laufzeitkamera, bestehend aus einer mehrere Pixel aufweisenden photosensitiven Schicht mit einer vorgelagerten Deckschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht Nanopartikel enthält.
Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel den Lichteintrag erhöhen.
Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel einen Bandpassfilter bilden.
3D-Laufzeitkamera, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.