DE102013209161A1 - Transit Time Sensor - Google Patents
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Abstract
Lichtlaufzeitsensor (22) mit Modulationsgates (Gam, Gbm) in lichtempfindlichen und Auslesefinger (Ga, Gb) in lichtunempfindlichen Bereichen, wobei die Modulationsgates (Gam, Gbm, G0) und Auslesefinger (Ga, Gb) in parallelen Streifen angeordnet sind, die gruppenweise ein Lichtlaufzeitpixel (23) bilden, wobei ein Lichtlaufzeitpixel (23) mindestens zwei Auslesefinger (Ga, Gb) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtlaufzeitsensor (23) mindestens eine Lichtlaufzeitpixelzeile (23z) mit mindestens drei Lichtlaufzeitpixel (23) aufweist, und dass die Auslesefinger (Ga, Gb), die nicht am Rand der (23Z) Zeile angeordneten sind, an zwei Seiten an einem Modulationsgate (Gam, Gbm) angrenzen.Light transit time sensor (22) with modulation gates (Gam, Gbm) in light-sensitive areas and readout fingers (Ga, Gb) in light-insensitive areas, the modulation gates (Gam, Gbm, G0) and readout fingers (Ga, Gb) being arranged in parallel strips which are arranged in groups Form time-of-flight pixels (23), a time-of-flight pixel (23) having at least two readout fingers (Ga, Gb), characterized in that the time-of-flight sensor (23) has at least one line of light-time pixel (23z) with at least three time-of-flight pixels (23), and that the readout fingers (Ga, Gb), which are not arranged at the edge of the (23Z) line, adjoin on two sides on a modulation gate (Gam, Gbm).
Description
Die Erfindung betrifft einen Lichtlaufzeitsensor nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Der Lichtlaufzeitsensor betrifft insbesondere Lichtlaufzeit-Kamerasysteme insbesondere Lichtlaufzeit- bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit- bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen
Ferner ist aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, den Füllfaktor auf einem Lichtlaufzeitsensors zu verbessern. The object of the invention is to improve the fill factor on a light transit time sensor.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch den erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitsensor nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst. The object is achieved in an advantageous manner by the inventive light transit time sensor according to the preamble of the independent claim.
Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitsensor vorgesehen, mit Modulationsgates in lichtempfindlichen und Auslesefinger in lichtunempfindlichen Bereichen, wobei die Modulationsgates und Auslesefinger in parallelen Streifen angeordnet sind, die gruppenweise ein Lichtlaufzeitpixel bilden und wobei ein Lichtlaufzeitpixel mindestens zwei Auslesefinger aufweist. Die Ausgestaltung sieht ferner vor, dass der Lichtlaufzeitsensor mindestens eine Lichtlaufzeitpixelzeile mit mindestens drei Lichtlaufzeitpixel aufweist, und dass die Auslesefinger, die nicht am Rand der Zeile angeordneten sind, an zwei Seiten an einem Modulationsgate angrenzen. Advantageously, a light transit time sensor is provided, with modulation gates in photosensitive and read-out fingers in light-insensitive areas, wherein the modulation gates and read-out fingers are arranged in parallel strips which form a group of light-propagation time pixels and wherein a light transit time pixel has at least two read-out fingers. The embodiment further provides that the light transit time sensor has at least one light transit time pixel line with at least three light transit time pixels, and that the read-out fingers, which are not arranged at the edge of the line, adjoin a modulation gate on two sides.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass auf eine die einzelnen Pixel trennende Isolationsstrecke verzichtetet und der Füllfaktor erhöht werden kann. This procedure has the advantage that it dispenses with an isolation path separating the individual pixels and that the fill factor can be increased.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen die Auslesefinger ein Auslesegate und ein Ausleseknoten auf, wobei der Ausleseknoten als pn-Struktur mit einer Metallisierung ausgebildet sind. Im Gegensatz zu Strukturen, die über die gesamte Fingerbreite als pn-Übergang ausgebildet sind, lässt sich eine Struktur aus Gate und Ausleseknoten räumlich kleiner ausbilden, wodurch sich der Füllfaktor weiter verbessern lässt. In a further preferred embodiment, the read-out fingers have a readout gate and a readout node, wherein the readout node is formed as a pn-structure with a metallization. In contrast to structures that are formed over the entire finger width as a pn junction, a structure of gate and read nodes can be made spatially smaller, whereby the fill factor can be further improved.
Bevorzugt sind die Ausleseknoten in einem Endbereich des Auslesefingers in der Nähe der Ausleseschaltung angeordnet, um Signalwege zu verkürzen. Preferably, the readout nodes are arranged in an end region of the readout finger in the vicinity of the readout circuit in order to shorten signal paths.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Ausleseknoten an mindestens drei Seiten vom Auslesegate eingefasst. Hierdurch lässt sich vorteilhaft ein Übersprechen bzw. Durchgriff auf die Modulationsgates vermeiden. In a further embodiment, the read-out nodes are bordered on at least three sides by the read-out gate. This makes it advantageous to avoid crosstalk or penetration of the modulation gates.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, zwischen zwei Auslesefingern mindestens drei Modulationsgates anzuordnen, wobei die Modulationsgates, die an die Auslesefinger angrenzen sowohl eine Transparenz in einem Infraroten als auch in einem visuellen Bereich aufweisen. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, den Sensor mit einer Zusatzfunktionalität auszustatten, ohne die Performance der 3D-Bilderfassung zu beeinträchtigen. In a further embodiment, it is provided to arrange at least three modulation gates between two read-out fingers, wherein the modulation gates, which adjoin the read-out fingers both have a transparency in an infrared as well as in a visual range. As a result, it is advantageously possible to provide the sensor with additional functionality without impairing the performance of the 3D image acquisition.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen schematisch: They show schematically:
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. In the following description of the preferred embodiments, like reference characters designate like or similar components.
Das Lichtlaufzeit-Kamerasystem
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle
Zur genaueren Bestimmung der zweiten Phasenlage b und somit der Objektentfernung d kann es vorgesehen sein, die Phasenlage a mit der der Lichtlaufzeitsensor
Das Prinzip der Phasenmessung ist schematisch in
Wie aus der
Zur Verbesserung der Genauigkeit können ferner weitere Messungen mit um beispielsweise 180° verschobenen Phasenlagen durchgeführt werden. To improve the accuracy of further measurements can be performed with shifted by 180 °, for example, phase positions.
Selbstverständlich sind auch Messungen mit mehr als vier Phasen und deren Vielfachen und einer entsprechend angepassten Auswertung denkbar. Of course, measurements with more than four phases and their multiples and a correspondingly adapted evaluation are conceivable.
In
Die Ausdehnung der Gates bzw. der Auslesefinger parallel zum Kanalabstand LK ist die Gatelänge LG und die hierzu senkrechte Ausdehnung die Gatebreite BG. Während die Gates in ihren Breiten BG im Wesentlichen gleich lang sind, werden die Gatelängen typischerweise abhängig vom Anwendungsfall variiert. Im dargestellten Fall ist beispielsweise das mittlere Modulationsgate G0 länger als die beiden äußeren Modulationsgates Gam, Gbm, um beispielsweise einen Modulationskontrast zu beeinflussen. The extent of the gates or the read-out fingers parallel to the channel spacing L K is the gate length L G and the extent perpendicular thereto the gate width B G. While the gates are essentially the same length in their widths B G , the gate lengths are typically varied depending on the application. In the illustrated case, for example, the middle modulation gate G 0 longer than the two outer modulation gates G am , G bm , for example, to influence a modulation contrast.
Die Auslesefingers Ga, Gb können in unterschiedlicher Art und Weise aufgebaut und strukturiert werden. Aus der
Bevorzugt sind die Auslesefinger Ga, Gb mit einer lichtundurchlässigen Schicht, vorzugsweise einer Metallschicht abgedeckt. Die Metallschicht kann ggf. auch zur Kontaktierung des Ausleseknotens dienen. In einer weiteren Ausgestaltung ist es auch denkbar, das Auslesegate selbst in der Transparenz zu beeinflussen, beispielsweise durch Silizidieren. The read-out fingers Ga, Gb are preferably covered with an opaque layer, preferably a metal layer. If necessary, the metal layer can also serve for contacting the readout node. In a further embodiment, it is also conceivable to influence the readout gate itself in terms of transparency, for example by siliciding.
Ferner sind auch Variationen der Größe und Position der Ausleseknoten AKa, AKb denkbar. Beispielsweise können die Ausleseknoten AKa, AKb die gleich Länge wie die Auslesegates AGa, AGb aufweisen. Auch können mehrere Ausleseknoten über die Struktur des Gates verteilt sein. Insbesondere können an beiden Enden des Gates Ausleseknoten angeordnet sein. Auch ist ein zentraler Ausleseknoten denkbar. Die Ausleseknoten sind vorzugsweise als pn-Übergang bzw. als Diode ausgebildet. Furthermore, variations of the size and position of the readout nodes AK a , AK b are conceivable. For example, the readout nodes AK a , AK b have the same length as the readout gates AG a , AG b . Also, multiple readout nodes may be distributed over the structure of the gate. In particular, readout nodes can be arranged at both ends of the gate. Also, a central readout node is conceivable. The readout nodes are preferably designed as a pn junction or as a diode.
Wie bereits erwähnt, wird ein PMD-Pixel typischerweise mit Hilfe von einem Feldoxid und einer optischen Abdeckung vom benachbarten Matrixpixel getrennt. Dadurch wird typischerweise ein Übersprechen der einzelnen Matrixpixel untereinander minimiert. Bei sehr kleinen Pixeln spielt der Füllfaktor jedoch eine immer wichtigere Rolle. Insbesondere ist es nachteilig, wenn die separierende Feldoxidmatrix eine größere Dimension aufweist als die Auslesefinger. Liegt der Pixelpitch in einer Größenordnung des Fingerpitch, spielt das Randgebiet bzw. Separationsgebiet in Bezug auf den Füllfaktor eine immer wichtigere Rolle. Der typische Fingerpitch LFP, d.h. Auslesefinger plus Modulationsgates, liegt in der Größenordnung von ca. 7–10 µm. Die Höhe bzw. Breite der Finger und die Kanallänge, sind bei PMD-Strukturen, ähnlich wie bei Transistoren, in einem sehr weiten Bereich skalierbar. As already mentioned, a PMD pixel is typically separated from the neighboring matrix pixel by means of a field oxide and an optical cover. As a result, crosstalk of the individual matrix pixels with one another is typically minimized. For very small pixels, however, the fill factor plays an increasingly important role. In particular, it is disadvantageous if the separating field oxide matrix has a larger dimension than the read-out fingers. If the pixel pitch is on the same order of magnitude as the fingerpitch, the edge area or separation area plays an increasingly important role in terms of fill factor. The typical finger pitch L FP , ie read-out finger plus modulation gates, is on the order of about 7-10 μm. The height and width of the fingers and the channel length are scalable in a very wide range for PMD structures, similar to transistors.
Durch den Einsatz kleinerer Herstellungsprozesse und der Miniaturisierung der Ausleseelektronik ist es möglich, den Pixelpitch LPP oder die Größe eines Pixels in die Größenordnung des Fingerpitches LFP zu bringen. Des Weiteren besteht der Wunsch nach Sensoren mit möglichst hoher Auflösung bei geringen Abmessungen. Through the use of smaller manufacturing processes and the miniaturization of the readout electronics, it is possible to bring the pixel pitch L PP or the size of a pixel in the order of the finger pitch L FP . Furthermore, there is a desire for sensors with the highest possible resolution and small dimensions.
Zur Lösung dieser technischen Erfordernisse wird eine durchlaufende PMD-Pixelstruktur ohne separierende Feldoxide vorgeschlagen. To solve these technical requirements, a continuous PMD pixel structure without separating field oxides is proposed.
In
Das in
Zur Erfassung einer Farbinformation kann beispielsweise ein Potenzial gemäß
Die Modulationsgates an den Seiten der Auslesefinger werden auf beiden Seiten mit dem gleichen Filtern versehen, die zusätzlich zu einer Transparenz in einer der drei Grundfarben auch im Infraroten durchlässig sind. Das mittlere Gate ist nur im Infraroten durchlässig. The modulation gates on the sides of the read-out fingers are provided with the same filters on both sides which, in addition to transparency in one of the three primary colors, are also transparent in the infrared. The middle gate is permeable only in the infrared.
Im Farb- bzw. RGB-Modus werden die mittleren Gates G0 vorzugsweise mit 0 Volt angesteuert, während die äußeren Modulationsgates Ga, Gb mit einer Spannung zwischen den Auslese- oder Separationsgates beaufschlagt werden. Die unterhalb der Farbfilter generierten Ladungsträger werden an dem nächst gelegenen Auslesefinger Ga, Gb gesammelt. Die unter dem mittleren Modulationsgate G0 anliegende Potentialbarriere kann von den Ladungsträgern nicht überwunden werden. In the color or RGB mode, the middle gates G0 are preferably driven at 0 volts, while the outer modulation gates Ga, Gb are supplied with a voltage between the readout or separation gates. The charge carriers generated below the color filters are collected at the nearest read-out finger Ga, Gb. The potential barrier under the middle modulation gate G0 can not be overcome by the charge carriers.
Für eine Photonenmischung wird vorzugsweise ein Potenzial gemäß
Typischerweise werden bei einem PMD-Sensor vier Frames zeitlich hintereinander mit vier unterschiedlichen Phasenlagen aufgenommen. Dies ermöglicht zwar eine hohe örtliche Auflösung bedingt aber eine geringe zeitliche Auflösung. Typically, in a PMD sensor, four frames are recorded in temporal succession with four different phase angles. Although this allows a high spatial resolution but a limited temporal resolution.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Sendeeinheit transmission unit
- 1212
- Beleuchtungslichtquelle Illumination light source
- 1515
- Strahlformungsoptik Beam shaping optics
- 2020
- Empfangseinheit, TOF-Kamera Receiving unit, TOF camera
- 2222
- Lichtlaufzeitsensor Transit Time Sensor
- 2323
- Lichtlaufzeitpixel Transit Time pixels
- 23Z23Z
- Lichtlaufzeitpixelzeile Time of flight pixel row
- 2525
- Empfangsoptik receiving optics
- 2626
- lichtempfindlicher Bereich photosensitive area
- 26a26a
- gemeinsamer lichtempfindlicher Bereich common photosensitive area
- 2727
- lichtunempfindlicher Bereich light-insensitive area
- 28a28a
- aktiver Bereich für Auslesefinger Ga active range for readout finger Ga
- 28b28b
- aktiver Bereich für Auslesefinger Gb active range for read finger Gb
- 3030
- Modulator modulator
- 3535
- Potentialzuleitung potential supply
- 4040
- Objekt object
- 400400
- Ausleseeinheit readout unit
- 420420
- Auswerteeinheit evaluation
- Gam, G0, Gbm, MODGam, G0, Gbm, MOD
- Modulationsgates modulation gates
- Ga, Gb Ga, Gb
- Auslesefinger elite finger
- AGa, AGb AG a , AG b
- Auslesegates elite Gates
- AKa, AKb AK a , AK b
- Ausleseknoten readout node
- Ladungen charges
- qa, qbqa, qb
- Ladungen am Auslesefinger Ga, Gb Charges on the reading finger Ga, Gb
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 6587186 B2 [0001] US 6587186 B2 [0001]
- DE 19704496 C2 [0001, 0028, 0033, 0036, 0041] DE 19704496 C2 [0001, 0028, 0033, 0036, 0041]
- DE 19821974 A1 [0002] DE 19821974 A1 [0002]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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Owner name: PMDTECHNOLOGIES AG, DE Free format text: FORMER OWNER: PMDTECHNOLOGIES GMBH, 57076 SIEGEN, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: SCHUHMANN, JOERG, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE |
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R016 | Response to examination communication |