DE102014215972A1

DE102014215972A1 - Pixelstruktur zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt und Abstandserfassungssystem mit einer derartigen Pixelstruktur

Info

Publication number: DE102014215972A1
Application number: DE102014215972.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Süss; Adrian Driewer; Bedrich Hosticka; Andreas SPICKERMANN
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2016-02-18

Abstract

Ausführungsbeispiele schaffen eine Pixelstruktur zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt mit zumindest einem Pixel, umfassend ein erstes, ein zweites und ein drittes Teilpixel zur Erfassung des Objektbereichs. Jedes der Teilpixel umfasst einen photoaktiven Bereich, einen Speicherknoten und ein Auswerte-Gate, wobei das jeweilige Auswerte-Gate benachbart zu dem jeweiligen Speicherknoten und dem jeweiligen photoaktiven Bereich des jeweiligen Teilpixels gebildet ist und ausgebildet ist, um einen Transport von in dem jeweiligen photoaktiven Bereich erzeugten Ladungsträgern aus dem jeweiligen photoaktiven Bereich zu dem jeweiligen Speicherknoten zu steuern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Pixelstruktur zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt und auf ein Abstandserfassungssystem, das eine derartige Pixelstruktur aufweist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Pixelarchitektur zur Realisierung distanzgebender Bildsensorik und Ansteuerungsverfahren.
Berührungslose, distanzgebende Sensorik basierend auf elektromagnetischen Wellen als probende Elemente wird als Kerntechnologie erachtet, die Applikationen, z. B. in Bereichen Consumer, Automotive, Industrial oder Security und Surveillance (Sicherheit und Überwachung) ermöglicht. Für Echtzeitanwendungen ist es hierbei erstrebenswert, auf scannerlose, pulslaufzeitbasierte Verfahren zu setzen. Ferner bedürfen die genannten Anwendungen i. d. R. eine große Immunität gegen Fremdeinflüsse, wie parasitär eingestreutes Fremdlicht und sollen bei großen Dynamikunterschieden (bedingt durch potentiell unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten, Distanzunterschiede und Hintergrundlichtvariation) genaue Messungen ermöglichen. Sensorik, die unter solchen Parametern ordnungsgemäß operiert, ermöglicht Applikationen, wie z. B. Inspektions- und Positioniersysteme, bildgebende Systeme im Automobilbereich, (etwa bei der Fahrgastinnenüberwachung, Airbag-Kontroll-Systemen, allgemeine Sicherheitssysteme, Fahrspurerkennung, vorzeitige Unfallerkennung, Fußgänger-Überwachung, Parkassistenz, Eingabeinstrumenten für Elektronik), in industrieller Bildsensorik (etwa bei Robotik, dort bei autonome Servicerobotern, Routenplanung, Objekt-Identifikation oder fahrerloses Vehikel, bei Sicherheitssystemen für Maschinen und Objekte oder bei Objektvermessungen und Förderbandsystemen), bei Sicherheit und Überwachung (etwa Überwachung von Gefahrenbereichen, Personenüberwachung und Zählung oder intelligente Verkehrskontrolle), Verbraucher (etwa Videospiele und Entertainment, Autonome Robotik oder Gestenerkennung für Handhelds, Laptops etc.).
Stand der Technik
Für die genannten Applikationen ist es notwendig, Verfahren zu realisieren, die robust gegen Hintergrundeinflüsse sind. Prinzipiell werden zu diesem Zweck i. d. R. aktive Verfahren verwendet, bei denen das Messsystem elektromagnetische Wellen emittiert, so dass auch im Dunkeln gemessen werden kann. Der Dynamikbereich, aus dem eine Szenerie gebildet wird, besteht somit aus den Oberflächenbeschaffenheiten der Szenerie (Reflektanzen), etwaiger zu tolerierender Hintergrundbestrahlung und der eigentlichen Distanzinformation. Prinzipiell sind zur Realisierung solcher Systeme die Interferometrie, die Triangulation und die Pulslaufzeitmessung denkbar. Die ersten beiden Verfahren bedingen allerdings einen gewissen mechanischen Aufwand, so dass diese kostenbedingt nicht zweckmäßig sind. Ferner ist z. B. die oft verwendete Stereoskopie, welche unter Triangulation einzuordnen ist, dafür bekannt, anfällig bezüglich etwaiger Abbildungsfehler zu sein und einen immensen Rechenaufwand zu fordern, der die Echtzeitfähigkeit beeinträchtigt. Dementsprechend sind Pulslaufzeit(engl.: Time-of-Flight – ToF)-Systeme Kerntechnologien für oben aufgeführte Applikationen.
Time-of-Flight-Verfahren lassen sich prinzipiell über eine direkte Laufzeitmessung (Stoppuhr-Ansatz) oder über indirekte Modulationsverfahren realisieren. Der direkte Ansatz ist potentiell extrem hintergrundanfällig, da ein Auslösen der Stoppuhr auch durch parasitär eingestreutes Hintergrundlicht oder thermisch generierte Elektronen-Loch-Paare ausgelöst werden kann. Bei den indirekten Verfahren ist prinzipiell zwischen kontinuierlicher und pulsförmiger Modulation elektromagnetischer Wellen zu unterscheiden. Die Distanzinformation kann prinzipiell über homodyne und heterodyne Demodulation, Kreuzkorrelation oder dedizierte Kurzzeitintegration/Samplingmethoden erfolgen. Eine kontinuierliche Modulation bedingt allerdings auch eine kontinuierliche Aufnahme von Fremdlicht, welches zum einen den Sensor in Sättigung treiben kann und zum anderen die Wiederholgenauigkeit beeinträchtigt. Um diesen Effekt zu reduzieren, müsste man die aktive Bestrahlungsstärke gegenüber dem Hintergrundlicht erhöhen, was allerdings bzgl. Augensicherheitsforderungen oder dem Leistungsbudget der aktiven Quelle begrenzt ist. Ferner bedingt die kontinuierliche Modulation eine mehrdeutige Distanzinterpretation entsprechend der Periodizität der Modulation. Eine Modulationsfrequenz von 20 MHz würde z. B. eine eindeutige Distanzinformation bis 7.5 m ermöglichen. Objekte, die weiter vom Sensor entfernt sind, würden durch die Periodizität entsprechend näher interpretiert.
Übliche Methoden zur Hintergrundlichtunterdrückung bei indirekter Laufzeit bzw. Phasenmessung ergeben sich direkt aus den Demodulationsprinzipien. Bei dem Verfahren einer einfachen Mischung (homodyn/heterodyn) resultiert aus dem Modulationssignal bei Runtermischung ein DC (homodyn) oder niederfrequentes Signal (heterodyn), welches die Phasen/Distanzinformation beinhaltet. Fremdlicht, welches nicht der Modulationsfrequenz entspricht erzeugt beim Runtermischen Modulationsprodukte, die gefiltert werden können. Allerdings ist hier ein hoher schaltungstechnischer Aufwand nötig, welcher neue Ungenauigkeitsquellen bewirkt. Integrierende Verfahren erlauben prinzipiell eine Verbesserung der Genauigkeit, da das Signal über eine entsprechende Integrationszeit erhöht werden kann. Auf diesem Prinzip beruhen z. B. Kreuzkorrelationsempfänger, die mit zunehmender Integrationszeit Hintergrundeinflüsse unterdrücken, wenn diese bzgl. des Signals unkorreliert sind.
Eine weit verbreitete Methode um basierend auf kontinuierlicher Modulation Distanzmessung zu realisieren, ist die Samplingmethode bei der eine Sinusfunktion jeweils viermal bei 90° Phasenunterschied mit Kurzzeitintegratoren gesampelt wird. Diese Kurzzeitintegratoren lassen sich im Ladungsbereich rauscharm realisieren. Die Distanzinformation kann dann idealerweise durch eine Funktion berechnet werden, die als Argument einer trigonometrischen Funktion eine gebrochen-rationale Funktion hat. Sowohl im Nenner als auch im Zähler dieser Funktion stehen nur Subtraktionen der entsprechend phasenverschobenen, gespeicherten Signale, so dass der Fremdlichtanteil, welcher allen Signalen gleichermaßen (deterministisch) anhaftet – insofern die Variation des Fremdlichts das Nyquist-Shannon Theorem nicht verletzt – eliminiert wird. Allerdings kann ein Detektor durch die kontinuierliche Modulation und die daraus resultierende aufgenommene Signalmenge durch Fremdlicht schnell in Sättigung gelangen. Aber auch wenn eine Sättigung nicht erreicht wird, resultiert die entsprechend lange Aufnahme von Fremdlicht in einer erhöhten nicht deterministischen Ungenauigkeit. Alternativ zu einer sinusförmigen Modulation und einer entsprechenden Abtastung mit Kurzzeitintegratoren sind auch Modulationsverfahren basierend auf einer rechteckförmigen Modulation üblich, welche auch mit Kurzzeitintegratoren demoduliert werden können. Nachteilig ist hier wie bei der sinusförmigen Modulation die u. U. große Menge an akkumuliertem Hintergrundlicht.
Ein dediziertes Verfahren, welches diese Problematik umgeht, ist das pulsmodulierte, indirekte Laufzeitverfahren (PM-ToF). Bei diesem Messverfahren wird die Signalenergie der aktiven Bestrahlungsstärke in einem kurzem Zeitintervall gebündelt, so dass das Signal-zu-Fremdlicht-Verhältnis inhärent verbessert wird. Nutzbar wird dies, da die Augensicherheitsbestimmungen eine höhere Bestrahlungsstärke für kurze Intervalle zulässt. I. d. R. wird auch bei diesem Verfahren eine Mehrfachakkumulation durchgeführt, um die Wiederholgenauigkeit zu verbessern. Ist es erlaubt, die Signalstärke bei Anwendung einer niedrigeren Repetitionsrate stärker zu erhöhen, als die resultierende Integrationszeit durch die niedrigere Repetitionsrate verringert wird, so resultiert ein höheres Verhältnis von signalbedingten, gespeicherten Ladungen zu fremdlichtbedingten, gespeicherten Ladungen und die Wiederholgenauigkeit kann verbessert werden; der Sensor geht weniger schnell fremdlichtbedingt in Sättigung. Ferner ist bei diesem Verfahren vorteilhaft, dass der eindeutige Messbereich durch die verringerte Repetitionsrate erhöht wird. Bei einem Duty-Cycle von z. B. 1/1000 und einer Pulsbreite von 30 ns, können Distanzen bis 4,5 m eindeutig interpretiert werden. Objekte, welche zwischen 4.5 m und 4.5 km angebracht sind, würden nicht in einem Signal resultieren. Objekte zwischen z. B. 4500 m und 4504,5 m würden theoretisch wieder in den Integrationsbereich fallen. Allerdings ist dies bei praktischen Realisierungen i. d. R. zu vernachlässigen, denn durch die sphärische Aufweitung der aktiven Beleuchtung und durch diffuse Reflexion einer Szenerie bedingt, resultiert bei solch fernen Objekten eine verschwindende Signalstärke.
Ein naheliegendes Demodulationsverfahren, welches für die pulsmodulierte, indirekte Pulslaufzeitmessung angewandt werden kann, ist das Mehrfach-Kurzzeitintegrations-(engl.: Multiple-Short-Time-Integration-)Verfahren. Hierbei wurden ursprünglich zwei Kurzzeitintegratoren realisiert, so dass Fremdlicht über Aufnahme eines zweiten Frames ohne aktive Bestrahlung eliminiert werden müsste. Manche Methoden basieren auf der Verwendung von mindestens drei Kurzzeitintegratoren, so dass die drei Unbekannten – Reflektanz, Hintergrundlicht und Distanz – ermittelt werden können und die Aufnahme von Hintergrundlicht mit der Repetitionsrate der aktiven Beleuchtung möglich ist. Dies ermöglicht prinzipiell wesentlich höhere Aliasingfrequenzen bzgl. des tolerierbaren Fremdlichts. Eine derartige Struktur, basiert auf der Verknüpfung eines Photoaktivgebietes, welches über mindestens vier Steuerelektroden an mindestens drei Speichergebiete und ein Abführgebiet geknüpft ist, so dass mindestens drei Kurzzeitintegratoren resultieren und fremdlicht-generierte Ladungsträger, welche außerhalb der Kurzzeitintegrationsfenster erzeugt werden, abgeführt werden können. Mögliche Realisierungen können auf „Photogatestrukturen” oder modifizierten „Pinned Photodioden” aufbauen.
Da für Pulslaufzeitmessungen hohe Zeitauflösungen nötig werden, sind die Realisierungen basierend auf z. B. dem Lateralen Driftfelddetektor prinzipiell geeigneter als „Photogatestrukturen”. Eine mögliche Realisierung einer Pixelarchitektur anhand des lateralen Driftfelddetektors ist in 11a und 11b dargestellt. Das zugehörige Timing-Diagramm ist in 12 dargestellt.
Gemäß 12 werden mindestens zwei unterschiedlich lange und/oder zeitversetzte Kurzzeitintegratoren (TX1/TX2) mit der Emission einer modulierten elektromagnetischen Welle synchronisiert. Ein erster Teil des reflektierten elektromagnetischen Wellenpakets wird – in diesem Beispiel – im ersten Kurzzeitintegrationsfenster (TX1) und ein zweiter Tell in einem zweiten Kurzzeitintegrationsfenster (TX2) akkumuliert.
Als Hintergrundlichtreferenz wird ein dritter Kurzzeitintegrator (TX3) verwendet, der optimalerweise außerhalb des Zeitbereichs getriggert wird, in dem der reflektierte „Lichtpuls” erwartet wird. Anhand der drei unabhängigen Signale, welche in den drei zugehörigen Speicherknoten hinterlegt sind, lassen sich somit Distanz, Reflektanz und Hintergrundlicht bestimmen.
Wie es in 11a dargestellt ist, sind die drei Kurzzeitintegratoren TX1–TX3 durch Transfer-Gates realisiert, die ein Photoaktivgebiet mit den zugehörigen Speicherknoten FD1–FD3 verbinden. Um zu vermeiden, dass parasitär erzeugte Ladungsträger außerhalb der Kurzzeitintegrationsfenster TX1–TX3 in die Speicherknoten übersprechen, wird das Photoaktivgebiet durch ein weiteres Transfer-Gate (TX4) mit einem Abführgebiet DD verbunden, welches permanent auf einem Referenzpotential liegt, so dass Ladungsträger definiert abgeführt werden können.
Wie in 11b dargestellt, ist hier der Photodetektor so gestaltet, dass im Bereich des photoaktiven Gebiets eine n-Wanne ausgebildet ist, welche von Störstellen, wie sie dominant an einer Si-SiO2-Schicht ausgebildet sein können (Gateoxid) durch eine p+-Schicht entfernt ist, so dass ein niedriger Dunkelstrom resultiert. Die n-Wanne weißt ferner einen Dotierstoffkonzentrationsgradienten auf, der ein intrinsisches Driftfeld erzeugt, so dass photogenerierte Ladungsträger instantan in Richtung der Speicherknoten propagiert werden.
Im Bereich unter dem sogenannten Sammelknoten – „Collection Gate” (CX) –, welcher das Verbindungsstück zwischen Photoaktivgebiet und Transfer-Gates/Speicherknoten darstellt, wird durch Anbindung an die entsprechenden Steuerelektroden TX1–TX4 permanent eine Vorzugsrichtung definiert. Dies wird so realisiert, als dass stets drei der Steuerelektroden mit einem niedrigen Potential verbunden sind, so dass Potentialbarrieren entstehen, während die verbleibende Elektrode mit einem höheren Potential verbunden ist, so dass eine etwaige Potentialbarriere reduziert wird und eine Vorzugsrichtung entsteht.
Entsprechend 12 werden diese Vorzugsrichtungen in dieser Anwendung derart variiert, dass eine Pulslaufzeitmessung möglich wird. Der CX ist prinzipiell optional – die Transfer-Gates könnten auch direkt an ein Photoaktivgebiet gebunden sein. Jedoch ermöglicht ein solches Gate die Variation des Oberflächenpotentials durch Verbindung mit einem variablen Referenzpotential, so dass dieser Freiheitsgrad dazu beitragen kann, ein monoton steigendes Potentialprofil vom Photoaktivgebiet in Richtung des durch Beschaltung eines Transfer-Gates selektierten Speicherknotens zu ermöglichen.
Bei der Realisierung von Hochgeschwindigkeitsdetektoren für das oben beschriebene pulsmodulierte, indirekte Laufzeitmessverfahren, zeigt sich, dass ein Geschwindigkeitsvorteil der z. B. durch eine Dotierstoffkonzentrationsvariation im Bereich des Photoaktivgebiets durch Anbringen mehrerer Elektroden zur Realisierung der Anbindung mehrerer Kurzzeitintegratoren an einem Photoaktivgebiet gemindert würde, da technologiebedingt ein großes „Collection Gate” (CX) notwendig wird, unter dem das Potential in der Praxis u. U. etwas flach ist und ein Gewinn an Ladungsträgertransfergeschwindigkeit durch dedizierte Gestaltung des Photoaktivgebiets entsprechend gemindert würde. Ferner resultiert aus dem Wunsch mehrere Speicherknoten und zugehörige Steuerelektroden zur Realisierung der Funktion unterschiedlicher Kurzzeitintegratoren und etwaige Draininggebiete und zugehörige Elektroden zur Realisierung der Abführung von fremdlichtbezogenen, generierten Ladungsträgern anzubringen eine unvermeidbare Asymmetrie (siehe 11a). Diese zeichnet sich dadurch aus, dass Ladungsträger u. U. unterschiedliche Wege zurücklegen müssen um in unterschiedliche Speicherknoten zu gelangen, was unterschiedliche Zeitauflösungen zur Folge hat.
Ferner resultiert aus unterschiedlichen Orientierungen und Nachbarschaften der Speicherknoten ein Mismatch der Speicherknotenkapazität, was unterschiedliche Empfindlichkeiten bei der Konversion von photogenerierten Ladungsträgern in elektrische Signale wie z. B. Spannung bewirkt. Dies kann problematisch werden, da abgesehen von einem Gainmismatch, welches durch eine Flatfield-Korrektur leicht behoben werden könnte, unterschiedliche Sättigung und unterschiedliche Auswirkungen nichtdeterministischer Störungen (Resetrauschen, Schaltungsrauschen) resultieren. Abgesehen davon kann es aufgrund der Anbringung mehrerer Diffusionsgebiete unterschiedlicher Potentiale – wie sie im Laufe einer Messung zwangsläufig resultieren – zu einer etwaig nachteiligen Potentialverteilung und der parasitären Definition von Vorzugsrichtungen kommen.
So können z. B. Ladungsträger, die tief unterhalb der Raumladungszone des Detektors und somit außerhalb des Steuerbereichs generiert werden, durch Diffusion in Bereiche vordringen, in denen dann wieder eine Vorzugsrichtung definiert ist – dies aber nicht durch die Steuerelektroden oder den Gradienten im Photoaktivgebiet, sondern durch z. B. ein Potentialmaximum an den Drainingdiffusionen bedingt. Im schlimmsten Fall könnte solch ein Mismatch so stark ausgeprägt sein, dass einer der Kurzzeitintegratoren gravierend anders operiert als die anderen, so dass ein Hintergrundlichtabzug nicht simultan zur Aufnahme des Laserpulses realisiert werden könnte. In diesem Fall müssten zwei aufeinanderfolgende Frames (einer mit Aufnahme der aktiven Beleuchtung und einer ohne) subtrahiert werden um den Hintergrundlichtabzug zu realisieren, was allerdings in signifikant reduzierten Aliasingfrequenzen bzgl. des tolerierbaren Hintergrundlichtes resultiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Pixelstruktur und ein Abstandserfassungssystem zu schaffen, die eine exakte und/oder schnelle Abstandserfassung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass Abweichungen (engl. mismatches) bezüglich eines Ladungsträgertransports innerhalb eines Pixels reduzierbar sind, indem das Pixel Teilpixel umfasst und ein Teilpixel einen photoaktiven Bereich und zumindest eine Auswertekapazität aufweist, die ausgebildet ist, um in dem photoaktiven Bereich erzeugte Ladungsträger aufzunehmen. Abweichungen von einem Idealzustand können (innerhalb von Fertigungstoleranzen) für jedes Teilpixel und jede Auswertekapazität im Wesentlichen gleich auftreten, so dass Abweichungen der Transfereigenschaften zwischen in die Auswertekapazitäten transportierte Ladungsträger reduziert werden können, was eine exakte Erfassung ermöglicht. Ferner können systematische Messfehler, die bspw. zumindest teilweise von einem Aliasing (Einfaltung oder Einstrahlung) von Fremdlicht hervorgerufen werden können, innerhalb eines Erfassungszyklus reduziert werden, so dass auf eine Aufnahme einer weiteren (Korrektur-)Aufnahme (engl. frame) unter einer Gewinnung einer Zeitersparnis verzichtet werden kann und die Abstandserfassung schnell ausgeführt werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Pixelstruktur zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt zumindest ein Pixel, das ein erstes Teilpixel, ein zweites Teilpixel und ein drittes Teilpixel umfasst. Das erste Teilpixel umfasst einen ersten photoaktiven Bereich, einen ersten Speicherknoten und ein erstes Auswerte-Gate. Das erste Auswerte-Gate ist benachbart zu der ersten Auswertekapazität und dem ersten photoaktiven Bereich des ersten Teilpixels gebildet und ausgebildet, um einen Transport von in dem ersten photoaktiven Bereich erzeugten Ladungsträgern aus dem ersten photoaktiven Bereich zu der ersten Auswertekapazität zu steuern. Das zweite Teilpixel umfasst einen zweiten photoaktiven Bereich und einen zweiten Speicherknoten und ein zweites Auswerte-Gate, wobei das zweite Auswerte-Gate benachbart zu der zweiten Auswertekapazität und dem zweiten photoaktiven Bereich des zweiten Teilpixels gebildet ist. Das zweite Auswerte-Gate ist ausgebildet, um einen Transport von in dem zweiten photoaktiven Bereich erzeugten Ladungsträgern aus dem zweiten photoaktiven Bereich zu der zweiten Auswertekapazität zu steuern. Das dritte Teilpixel umfasst einen dritten photoaktiven Bereich und einen dritten Speicherknoten und ein drittes Auswerte-Gate. Das dritte Auswerte-Gate ist benachbart zu der dritten Auswertekapazität und dem dritten photoaktiven Bereich des dritten Teilpixels gebildet und ausgebildet, um einen Transport von in dem dritten photoaktiven Bereich erzeugten Ladungsträgern aus dem dritten photoaktiven Bereich zu der dritten Auswertekapazität zu steuern.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass die drei Teilpixel ähnlich oder identisch aufgebaut sein können, so dass ein Transport der Ladungsträger unter gleichen Bedingungen und mit gleichen Abweichungen für die Teilpixel erfolgen kann und eine Abweichung zwischen den Teilpixeln gering ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine Pixelstruktur zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt zumindest ein Pixel, das ein erstes Teilpixel und ein zweites Teilpixel umfasst. Das erste Teilpixel umfasst einen ersten photoaktiven Bereich, einen ersten Speicherknoten und einen zweiten Speicherknoten, ein erstes und ein zweites Auswerte-Gate. Das erste Auswerte-Gate ist benachbart zu dem ersten Speicherknoten und dem ersten photoaktiven Bereich des ersten Teilpixels gebildet. Das zweite Auswerte-Gate ist benachbart zu dem zweiten Speicherknoten und dem ersten photoaktiven Bereich des ersten Teilpixels gebildet. Das erste und das zweite Auswerte-Gate sind jeweils ausgebildet, um einen Transport von in dem ersten photoaktiven Bereich erzeugten Ladungsträgern aus dem ersten photoaktiven Bereich zu dem jeweils benachbart angeordneten Speicherknoten zu steuern. Das zweite Teilpixel umfasst einen dritten Speicherknoten und ein drittes Auswerte-Gate. Das dritte Auswerte-Gate ist benachbart zu dem dritten Speicherknoten und dem zweiten photoaktiven Bereich des zweiten Teilpixels gebildet und ausgebildet, um einen Transport von in dem zweiten photoaktiven Bereich erzeugten Ladungsträgern aus dem zweiten photoaktiven Bereich zu dem Speicherknoten zu steuern.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass basierend auf Ladungsträgern, die in zwei der drei Speicherknoten transportiert werden, eine Distanz- und/oder Reflektanzinformation bezüglich des Objektes bereitstellbar sind und dass basierend auf Ladungsträgern, die zu dem verbleibenden Speicherknoten transportiert werden, eine Fehlerkorrektur bezüglich eines Hintergrundlichts oder einer Hintergrundstrahlung, die in den photoaktiven Bereichen basierend auf Strahlung aus dem Objektbereich ebenfalls Ladungsträger erzeugt, ausgeführt werden kann. Alternativ können die Funktionsweisen, also die jeweilige Information, der Ladungsträger, die in den jeweiligen photoaktiven Bereichen erzeugt werden, auch vertauscht zu einander ausgewertet werden.
Vorteilhaft an beiden vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist, dass bei einer Anordnung lediglich zweier Teilpixel ein Oberflächenbedarf gering sein kann. Die Pixelstrukturen der vorangehenden Ausführungsbeispiele können zweidimensional angeordnet zur flächigen Abstandsmessung, jedoch auch in einer Linienform (Liniensensor, 1-dimensional) oder in einer Punktform (Punktsensor) ausgeführt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiels umfasst das zweite Teilpixel ferner einen vierten Speicherknoten und ein viertes Auswerte-Gate, wobei das vierte Auswerte-Gate benachbart zu dem vierten Speicherknoten und dem zweiten photoaktiven Bereich des zweiten Teilpixels gebildet ist. Das vierte Auswerte-Gate ist ausgebildet, um einen Transport von in dem zweiten photoaktiven Bereich erzeugten Ladungsträgern aus dem zweiten photoaktiven Bereich zu dem vierten Speicherknoten zu steuern.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind Teilpixel eines Pixel kongruent.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass bei kongruenten, d. h. deckungsgleichen Geometrien, etwa von Hauptseitenoberflächen, geometrische Abweichungen, die beispielsweise eine Ladungsträgertransportgeschwindigkeit von photoaktiven Bereichen hin zu Speicherknoten beeinflussen, zwischen Teilpixeln weiter reduziert sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine Pixelstruktur eine Vielzahl von zweidimensional versetzt zueinander angeordneten Pixeln.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass der Objektbereich bezüglich mehrerer Objektteilbereiche, beispielsweise je ein Objekteilbereich je Pixel, erfassbar ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist bezüglich eines ersten Pixels ein erstes Farbfilter mit einem ersten Durchlass-Wellenlängenbereich (etwa ein Rot-Bereich), bezüglich eines zweiten Pixels ein zweites Farbfilter mit einem zweiten Durchlass-Wellenlängenbereich (etwa ein Blau-Bereich) angeordnet.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass zusätzlich zu der Bestimmung von Distanz-, Reflektanz- und/oder Hintergrundlichtinformationen ein Farbbild bezüglich eines jeweiligen Pixels erfassbar ist, so dass Farbbilder mit Tiefeninformationen (RGBZ-Bilder) ableitbar sind. Zusätzlich zu den angeordneten Farbfiltern können weitere Farbinformationen basierend auf einer Kombination (etwa eine Differenzbildung) von Farbinformationen, die durch die Farbfilter erhalten werden, abgeleitet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung eine Pixelstruktur und eine Steuerschaltung zur Steuerung der Pixelstruktur. Die Steuerschaltung ist ausgebildet, um zyklisch, das erste Auswerte-Gate während eines mit einem Strahlungspuls einer Strahlungsquelle synchronisierten ersten Ansteuerintervalls anzusteuern, so dass während des ersten Ansteuerintervalls erzeugte erste Ladungsträger von dem jeweiligen photoaktiven Bereich zu dem ersten Speicherknoten transportiert werden können. Die Steuerschaltung ist ferner ausgebildet, um zyklisch, das zweite Auswerte-Gate während eines mit dem Strahlungspuls der Strahlungsquelle synchronisierten und bezüglich des ersten Ansteuerintervalls zeitversetzten zweiten Ansteuerintervalls anzusteuern, so dass während des zweiten Ansteuerintervalls erzeugte zweite Ladungsträger von dem jeweiligen photoaktiven Bereich zu dem zweiten Speicherknoten transportiert werden können. Die Steuerschaltung ist ferner ausgebildet, um zyklisch, das dritte Auswerte-Gate während bezüglich des ersten und zweiten Ansteuerintervalls zeitversetzten dritten Ansteuerintervalls anzusteuern, so dass während des dritten Ansteuerintervalls erzeugte dritte Ladungsträger von einem jeweiligen photoaktiven Bereich zu dem dritten Speicherknoten transportiert werden können. Der dritte Speicherknoten kann gemäß vorangehenden Beschreibungen an dem ersten Teilpixel angeordnet sein, wenn das Pixel zumindest zwei Teilpixel umfasst oder an dem dritten Teilpixel angeordnet sein, wenn das Teilpixel zumindest drei Teilpixel umfasst. Die Ansteuerintervalle können ganz (zeitlich nicht überlappend) oder teilweise (zeitlich teilweise überlappend) zeitversetzt angeordnet sein.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass basierend auf einer Auswertung von Ladungsträgern, die während der drei Ansteuerintervalle in den photoaktiven Bereichen erzeugt werden, die Information bezüglich Distanz, Reflektanz und Hintergrundlicht erhalten werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung ausgebildet, um zyklisch, ein erstes Abführ-Gate, das benachbart zu dem jeweiligen photoaktiven Bereich angeordnet ist, von dem die ersten Ladungsträger zu dem ersten Speicherknoten transportiert werden, während einer Zeit außerhalb des ersten Ansteuerintervalls durchgehend anzusteuern, um den jeweiligen photoaktiven Bereich mit einem jeweiligen Referenzpotentialanschluss zu verbinden. Die Steuerschaltung ist ferner ausgebildet, um zyklisch, ein zweites Abführ-Gate, das benachbart zu dem jeweiligen photoaktiven Bereich angeordnet ist, von dem die zweiten Ladungsträger zu dem zweiten Speicherknoten transportiert werden, während einer Zeit außerhalb des zweiten Ansteuerintervalls durchgängig anzusteuern, um den jeweiligen photoaktiven Bereich mit einem jeweiligen Referenzpotentialanschluss zu verbinden. Die Steuerschaltung ist ferner ausgebildet, um zyklisch, ein drittes Abführ-Gate, das benachbart zu dem jeweiligen photoaktiven Bereich angeordnet ist, von dem die dritten Ladungsträger zu dem dritten Speicherknoten transportiert werden, während einer Zeit außerhalb des dritten Ansteuerintervalls durchgängig anzusteuern, um den jeweiligen photoaktiven Bereich mit dem jeweiligen Referenzpotentialanschluss zu verbinden.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass eine (elektrische) Verbindung des photoaktiven Bereichs mit einem Referenzpotentialanschluss eine Entladung von Ladungsträgern, die zwischen den Ansteuerintervallen, d. h. außerhalb des jeweiligen Ansteuerintervalls, in den photoaktiven Bereichen erzeugt werden, hin zu dem jeweiligen Referenzpotentialanschluss ermöglicht, so dass lediglich die während eines Ansteuerintervalls erzeugten Ladungsträger zu dem jeweiligen Speicherknoten transportiert werden. Basierend auf einer Menge von Ladungsträgern, die in dem ersten, zweiten und/oder dritten Ansteuerintervall in dem jeweiligen photoaktiven Bereich erzeugt werden, kann eine Distanzinformation des Objektes erhalten oder bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Abstandserfassungssystem eine Pixelstruktur und eine Strahlungsquelle, die ausgebildet ist, um einen Strahlungspuls zu emittieren. Die photoaktiven Bereiche der Teilpixel sind ausgebildet, um Ladungsträger basierend auf dem von einem Objekt reflektierten Strahlungspuls zu erzeugen. Eine Steuerschaltung des Abstandserfassungssystem ist ausgebildet, um eine Distanzinformation bezüglich des Objektes und bezüglich der Pixelstruktur basierend auf einer Entfernung zu der Strahlungsquelle bereitzustellen.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass eine Synchronisierung der Strahlungsquelle bezüglich einer Ansteuerung der photoaktiven Bereiche bzw. der Auswerte- und/oder Abführ-Gates verglichen mit einer Realisierung, bei der die Strahlungsquelle Teil einer anderen Vorrichtung ist, vereinfacht ist, wenn die Strahlungsquelle, die Pixelstruktur und die Steuerschaltung Teil eines gemeinsamen Systems sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Strahlungsquelle eines Abstandserfassungssystem ausgebildet, um den Strahlungspuls mit einem geringen Tastverhältnis (engl.: duty cycle) von weniger oder gleich 0,5, d. h., 50% zu emittieren.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass basierend auf einem geringen Tastverhältnis eine Signalenergie des Strahlungspulses in einem kurzen Zeitintervall bündelbar ist, so dass gemäß Augensicherheitsbestimmungen eine höhere Bestrahlungsstärke und mithin eine große Differenz zwischen Signalenergie und Energie des Hintergrundlichts unter Einhaltung von Vorschriften erzielbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Pixelstruktur zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt, bei der ein Pixel drei Teilpixel aufweist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein schematisches Blockschaltbild einer Pixelstruktur zur Abstandsmessung an dem Objekt, bei der ein Pixel zwei Teilpixel aufweist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 ein schematisches Blockschaltbild einer Pixelstruktur, bei der das Pixel die drei Teilpixel aufweist, die eine gleiche Funktion und gleiche Elemente aufweisen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 ein schematisches Blockschaltbild einer Pixelstruktur mit einem Pixel, das die drei Teilpixel mit einer veränderten Anordnung aufweist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Aufsicht auf eine Pixelstruktur, die eine Vielzahl von Pixeln aufweist, die zweidimensional versetzt zueinander angeordnet sind gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung, die eine Pixelstruktur und eine mit der Pixelstruktur verschaltete Steuerschaltung, umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7a ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der Abstandsinformation, der Reflektanzinformation und einer Hintergrundlichtinformation gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7b–e zeigen bezogen auf 7a alternative Timings der Ansteuerung der Abführ-Gates TX1 und TX2 bezüglich des Lichtpulses mit der Zeitdauer T_p, über eine Zeitachse t gemäß Ausführungsbeispielen;
8a ein schematisches Blockschaltbild einer beispielhaften Anordnung der Speicherknoten innerhalb der Teilpixel wie es für die 1 beschrieben ist unter Verweis auf das Verfahren, wie es bezüglich 7a beschrieben ist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8b eine Anordnung der Teilpixel, wie sie in 2 beschrieben ist, unter Verweis auf das Verfahren, wie es bezüglich 7a beschrieben ist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8c eine alternative Anordnung der Pixelstruktur aus 8b gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 ein schematisches Blockschaltbild eines Abstandserfassungssystems, das die Pixelstruktur gem. 1, die Steuerschaltung und die Strahlungsquelle aufweist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
10 eine exemplarische Gegenüberstellung von Transmissions- und Sperrbereichen von Farbfiltern;
11a eine schematische Aufsicht auf eine Pixelstruktur gemäß dem Stand der Technik;
11b eine schematische Querschnittansicht der Pixelstruktur aus 11a; und
12 ein schematisches Timing eines Verfahrens zur Auswertung der Pixelstruktur aus 11 gemäß dem Stand der Technik.
Nachfolgend wird Bezug genommen auf die Anordnung von Transfer-Gates an photoaktiven Bereichen, in denen basierend auf einer elektromagnetischen Strahlung Ladungsträger erzeugt werden. Die Ladungsträger werden mittels der Transfer-Gates hin zu Speicherknoten und ggf. hin zu Abführbereichen transportiert. Nachfolgend als Auswerte-Gates bezeichnete Elemente beschreiben Transfer-Gates, die ausgebildet sind, um einen Transport von Ladungsträger hin zu einer jeweiligen Auswertekapazität zu steuern. Nachfolgend als Abführ-Gates bezeichnete Elemente beziehen sich auf Transfer-Gates, die ausgebildet sind, um einen Transport von Ladungsträger hin zu einem jeweiligen Abführgebiet zu steuern. Abführ-Gates und Auswerte-Gates können gleich ausgebildet sein, so dass die unterschiedliche Bezeichnung lediglich auf die Funktion zu besseren Unterscheidbarkeit abzielt.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Pixelstruktur 10 zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt 12, Die Pixelstruktur 10 umfasst ein Pixel 14, das ein erstes Teilpixel 16a, ein zweites Teilpixel 16b und ein drittes Teilpixel 16c umfasst. Das erste Teilpixel 16a umfasst einen photoaktiven Bereich 18a, der ausgebildet ist, um basierend auf von dem photoaktiven Bereich 18a empfangener elektromagnetischer Strahlung 22r Ladungsträger zu erzeugen. Das erste Teilpixel 16a umfasst ferner ein an dem photoaktiven Bereich 18a angeordnetes Auswerte-Gate 24a und einen an dem Auswerte-Gate 24a angeordneten Speicherknoten 26a. Das Auswerte-Gate 24a ist ausgebildet, um die in dem photoaktiven Bereich 18a erzeugten Ladungsträger in einem Aktiv-Zustand aus dem photoaktiven Bereich 18a zu dem Speicherknoten 26a zu transportieren, bzw. einen Transport von Ladungsträgern aus dem photoaktiven Bereich hin zu dem Speicherknoten 26a zu steuern. Die elektromagnetische Strahlung 22r kann basierend auf einem in Richtung des Objekts 12 ausgesendeten Strahlungspuls erzeugt werden, wobei der Strahlungspuls eine zeitlich variante Intensität (bspw. An/Aus) aufweisen kann, so dass auch die elektromagnetische Strahlung 22r eine zeitlich variante Intensität aufweisen kann und lediglich zeitweise von der Pixelstruktur 10 empfangen wird.
Der photoaktive Bereich 18a kann beispielsweise ein Siliziumhalbleitermaterial mit einer kristallinen Struktur sein. Von dem Objekt 12 ausgehende, beispielsweise ausgesendete oder reflektierte elektromagnetische Strahlung 22r kann Photonen aufweisen, die in die Pixelstruktur 10 eintreten und auf den photoaktiven Bereich 18a treffen. Die Photonen der elektromagnetischen Strahlung 22r können Elektronen-Loch-Paare in der kristallinen Struktur des Siliziumhalbleitermaterials generieren. Aufgrund der Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung 22r können sich somit in dem photoaktiven Bereich 18a Ladungsträger ansammeln, d. h. dort erzeugt werden.
Das Auswerte-Gate 24a kann beispielsweise als Transfer-Gate gebildet sein. Das Auswerte-Gate ist zwischen zumindest zwei Zuständen steuerbar, bspw. über einen Feldeffekt. Während einer Aktivierung (Anschalten) bzw. in dem Zeitpunkt, indem ein ”leitfähiger Kanal” durch Inversion des Halbleiters realisiert wird – kann der leitfähige Kanal so ausgebildet sein, dass ein steigendes Potentialprofil derart entsteht, dass Ladungsträger des photoaktiven Bereichs 18a zu einer Elektrode dieses Transfergates, die dem photoaktiven Bereich 18a abgewandt ist, propagiert werden und nur dort eine Entladung des Potentials bewirken. Dies ermöglicht eine Verarmung des photoaktiven Bereichs 18a hin zum Speicherknoten. Alternativ oder zusätzlich kann eine Steuerung des Transports der Ladungsträger bspw. basierend auf einem Potentialprofil, das mittels des Auswerte-Gates 26a ausgebildet wird, erfolgen. Das Potentialprofil ermöglicht eine Umlenkung einer Flussrichtung der Ladungsträger. Vereinfacht ausgedrückt kann es sich bei dem Auswerte-Gate 24a um ein Schalter-Element handeln, das einen geöffneten, ggf. nicht oder eingeschränkt leitenden Zustand und einen geschlossenen, leitenden Zustand aufweist. Der geschlossene Zustand kann auch als Aktiv-Zustand bezeichnet werden. Alternativ kann es sich bei dem Auswerte-Gate 24a um ein Element mit einer Weichenfunktion handeln, dass eine Richtung des Ladungstransports zeitvariant steuert. So kann bspw. ein Transport von Ladungsträgern hin zu einem Abführgebiet erfolgen, wenn das Auswerte-Gate nicht angesteuert (bzw. angesteuert) wird und der Transport von Ladungsträgern hin zu einem Speicherknoten erfolgen, wenn das Auswerte-Gate angesteuert (bzw. nicht angesteuert) wird. Ein Übergang zwischen dem angesteuerten und nicht angesteuerten Zustand kann diskret oder kontinuierlich erfolgen. Der Transport kann durch und/oder seitlich und/oder in einer Höhenrichtung an dem Auswerte-Gate vorbei erfolgen, so dass bspw. eine sogenannte draining-only (drinaing = Abfließen; only = nur) Struktur implementiert ist. Der Transport kann mithin basierend auf dem verändern, dem Aufheben oder dem Erzeugen einer Potentialbarriere zwischen dem photoaktiven Bereich und dem Speicherknoten bzw. weiteren Elementen, wie einem Abführgebiet erfolgen.
Der Speicherknoten 26a kann als ein Floating-Diffusion-Bereich, als Kondensator oder anderes kapazitives Element ausgeführt sein, etwa durch kapazitive Kopplung und/oder durch eine Verschaltung mit Metall-Isolator-Metall (MIM), Metall-Oxid-Halbleiter (MOS), Metal-Metal Kondensatoren oder dergleichen. Der Speicherknoten 26a ermöglicht eine Speicherung photogenerierter Ladung und eine Wandlung derselben in eine elektrische Spannung. Die Wandlung in eine elektrische Spannung kann bei einem Floating-Diffusion-Bereich bspw. mittels einer Entartung des Halbleiters erfolgen, so dass die Floating Diffusion via Schottkykontakt einer Ausleseschaltung zugeführt werden kann. Eine intrinsische Sperrschicht und Diffusionskapazität der Floating-Diffusion bilden einen Teil der effektiv wirksamen Auswertekapazität, die auch als sense node (sense node = Messknoten) Kapazität bezeichnet werden kann.
Der Speicherknoten 26a ist ausgebildet, um Ladungsträger, die über eine Zeitdauer in dem photoaktiven Bereich 18a erzeugt werden, aufzunehmen und zu speichern. Ladungsträger in dem photoaktiven Bereich 18a können zu einer Variation des Potentialprofils zwischen dem photoaktiven Bereich 18a und dem Speicherknoten 26a und/oder zur Ausbildung eines elektromagnetischen Feldes zwischen diesen Elementen führen, so dass die Ladungsträger, wenn das Auswerte-Gate 24a den Aktiv-Zustand aufweist, von dem photoaktiven Bereich 18a ganz oder teilweise zu dem Speicherknoten 26a transportiert werden. Anders ausgedrückt kann bei Ladungstransferbasierten Detektoren (wie Pinned, d. h., gepinnten Photodioden, lateralen Driftfelddetektoren, Photogatestrukturen etc.) das Potentialprofil durch geeignete Auslegung der Detektoren so ausgelegt werden, dass das Potentialmaximum auch ohne (Steuer-)Signal im Speicherknoten liegt. Dies ermöglicht ein ansteigendes Potentialprofil bzw. elektrisches Feld auch ohne Variation des Potentials durch erzeugte Ladungsträger. Die einzelnen ladungsbasierten Detektortypen haben dies (bei geeigneter Auslegung) gemein und unterscheiden sich jedoch in den erreichbaren Paramatern für z. B. Sensitivität, Ladungstransfergeschwindigkeit, Rauschen oder Menge an handhabbarer Ladungsmenge. Der Speicherknoten 26a kann somit in Verbindung mit dem photoaktiven Bereich 18a und dem Auswerte-Gate 24a ein Kurzzeitintegrator sein. Der Speicherknoten 26a kann als Auswertekapazität bezeichnet werden.
Das zweite Teilpixel 16b weist einen gleichen Aufbau auf, wie das erste Teilpixel 16a. Das zweite Teilpixel 16b umfasst einen photoaktiven Bereich 18b, der die gleiche Funktion wie der photoaktive Bereich 18a aufweist. Das Teilpixel 16b weist ferner ein Auswerte-Gate 24b auf, das benachbart zu dem photoaktiven Bereich 18b angeordnet ist und die gleiche Funktion aufweist, wie das Auswerte-Gate 24a. Das Teilpixel 16b umfasst ferner einen Speicherknoten 26b, die benachbart zu dem Auswerte-Gate 24b angeordnet ist und die gleiche Funktion aufweist wie der Speicherknoten 26a.
Das dritte Teilpixel umfasst einen photoaktiven Bereich 18c, der die gleiche Funktion aufweist, wie die photoaktiven Bereiche 18a und 18b. Das Teilpixel 16c weist ferner ein Auswerte-Gate 24c auf, das benachbart zu dem photoaktiven Bereich 18c angeordnet ist und die gleiche Funktion aufweist, wie das Auswerte-Gate 24a bzw. 24b. Das Teilpixel 16c umfasst ferner einen Speicherknoten 26c, die benachbart zu dem Auswerte-Gate 24c angeordnet ist und die gleiche Funktion aufweist wie die Speicherknoten 26a und 26b.
Das bedeutet, dass die Teilpixel 16a, 16b und 16c bezüglich ihrer Funktion gleich ausgebildet sind. Die photoaktiven Bereiche 18a, 18b und/oder 18c können beispielsweise ein photosensitiver Bereich von gepinnten Photodioden, Photogatestrukturen, lateralen Drittfelddetektoren oder dergleichen sein.
Basierend auf in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b und 18c erzeugten Ladungsträgern bzw. basierend auf zu den Speicherknoten 26a, 26b und 26c transportierten Ladungsträgern kann ein Abstand 28 zwischen dem Objekt 12 und der Pixelstruktur 10 bestimmbar sein. Dies kann beispielsweise dadurch ermöglicht werden, dass ein Laufzeitunterschied zwischen einem Aussenden einer elektromagnetischen Strahlung hin zu dem Objekt 12 und einem Eintreffen der (reflektierten) elektromagnetischen Strahlung 22r erfasst und/oder ausgewertet wird. Eine Quelle der elektromagnetischen Strahlung kann benachbart zu dem Pixelfeld, d. h. der Pixelstruktur 10, oder an einem anderen Ort mit einem bekannten Abstand und Ausrichtungswinkel bezüglich Abstrahlrichtung zu der Pixelstruktur 10 angeordnet sein, so dass basierend auf einer Weg/Zeit-Berechnung (Stoppuhr-Funktion), die Laufzeit der elektromagnetischen Strahlung von der Strahlungsquelle zu der Pixelstruktur 10 in eine Wegstrecke überführbar ist.
Die Teilpixel 16a, 16b und/oder 16c können zeitgleich, zeitversetzt und/oder zeitlich überlappend zueinander ansteuerbar sein, das bedeutet, dass Ladungsträger aus dem photoaktiven Bereich 18a in einem ersten Zeitintervall zu dem Speicherknoten 26a transportiert werden können, Ladungsträger aus dem photoaktiven Bereich 18b in einem zweiten Zeitintervall zu dem Speicherknoten 26b transportiert werden können und/oder Ladungsträger aus dem photoaktiven Bereich 18c in einem dritten Zeitintervall zu dem Speicherknoten 26c transportiert werden können. Zwei der Zeitintervalle können direkt aufeinanderfolgend angeordnet sein. Dies ermöglicht, dass, wenn die elektromagnetische Strahlung beispielsweise pulsförmig (etwa An/Aus) ausgesendet wird, die beiden Zeitintervalle angeordnet sind, um den gesamten reflektierten Puls der reflektierten elektromagnetischen Strahlung 22r jeweils teilweise zu erfassen. Die Gesamtheit des reflektierten Pulses 22r kann beispielsweise eine erste Ladungsmenge in dem photoaktiven Bereich 18a und eine zweite Ladungsmenge in dem photoaktiven Bereich 18b erzeugen. Ein Verhältnis der beiden Ladungsträgermengen in den photoaktiven Bereichen 18a und 18b bzw. in den Speicherknoten 26a und 26b kann in eine Distanzinformation bezüglich des Abstands 28 überführt werden. Alternativ kann die elektromagnetische Strahlung auch kontinuierlich mit einer konstanten oder variablen Intensität ausgesendet werden, etwa von einer Strahlungsquelle. Alternativ kann die erste Ladungsmenge auch in dem photoaktiven Bereich 18b oder 18c erzeugt werden. Die zweite Ladungsmenge bzw. Menge von Ladungsträgern, d. h. Ladungsträgermenge, kann alternativ auch in dem photoaktiven Bereich 18a oder 18c erzeugt werden.
Ist beispielsweise eine Energiemenge der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung bekannt, die von dem Objekt 12 reflektiert wird, kann mittels eines Verhältnisses der in den photoaktiven Bereichen 18a und 18b erzeugten und/oder zu den Speicherknoten 26a und 26b transportierten Ladungsträgern einerseits und der Energiemenge der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung andererseits eine Reflektanzinformation (d. h. ein Maß der reflektierten elektromagnetischen Strahlung 22r) bestimmt werden. Sollte kein (zu berücksichtigendes) Hintergrundlicht vorhanden sein, oder dessen Effekte vernachlässigbar sein, kann die Distanz- und Reflektanzinformation auch ohne zusätzliche Kenntnis der Energiemenge erhalten werden. In diesem Fall können zwei Unbekannte (Distanz und Reflektanz) basierend und zwei unabhängigen Signalen der Speicherknoten 26a und 26b erhalten werden. Ein entsprechendes Gleichungssystem wäre also eindeutig bestimmt.
Die Teilpixel 16a, 16b und/oder 16c können, in eine Fläche projiziert, flächig angeordnet sein, das bedeutet, die Teilpixel 16a, 16b und/oder 16c weisen in zumindest einer Raumrichtung einen Abstand zueinander auf. Die Distanzinformation bezüglich des Objektes 12 und bezüglich des Pixels 14 kann somit basierend auf drei räumlich voneinander beabstandeten photoaktiven Bereichen 18a, 18b und/oder 18c bzw. basierend auf den Speicherknoten 26a, 26b und/oder 26c erhalten werden. Die Distanzinformation kann somit den Abstand 28 bezüglich einer Fläche der photoaktiven Bereiche 18a, 18b und/oder 18c sowie einer dazwischenliegenden Fläche beschreiben. Die dazwischenliegende Fläche kann beispielsweise eine Fläche sein, die durch die Teilpixel 16a, 16b und/oder 16c aufgespannt wird. Der Abstand 28 kann sich auf einen Referenzpunkt der dazwischenliegenden Fläche beziehen. Der Referenzpunkt kann ein Randpunkt sein. Alternativ kann der Referenzpunkt ein geometrischer Mittelpunkt der dazwischenliegenden Fläche sein.
Das Pixel 14 kann auch als Superpixel oder Makropixel bezeichnet werden, das die Teilpixel 16a, 16b und/oder 16c umfasst. Eine Abstandsinformation, etwa bezüglich des Abstandes 28, des Objektes 12 zu dem Pixel 14 kann bezüglich der drei Teilpixel 16a, 16b und 16c erhalten werden kann, so dass der Abstand 28 bezüglich des Pixels auf einen Referenzpunkt, etwa einen geometrischen Mittelpunkt zwischen den Teilpixeln 16a, 16b und/oder 16c bezogen sein kann. Das Pixel 14 kann genau drei Teilpixel 16a, 16b und 16c umfassen. Alternativ kann das Pixel 14 auch weitere Teilpixel umfassen.
In anderen Worten kann das Auswerte-Gate eine Ladungstransport steuern, indem ein Potentialprofil gestaltet wird, so dass Ladungsträger präferiert in z. B. den Speicherknoten propagiert werden. Dies kann dadurch verhindert werden, dass das Steuergate diese Präferenz aufhebt indem sie das Potentialgebilde hin zu einem anderen Element bspw. einem Abführknoten steiler macht.
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Pixelstruktur 20 zur Abstandsmessung an dem Objekt 12. Die Pixelstruktur 20 umfasst ein Pixel 14', das ein erstes Teilpixel 16'a und das zweite Teilpixel 16b umfasst. Das erste Teilpixel 16'a umfasst den photoaktiven Bereich 18a, an dem das Auswerte-Gate 24a und das Auswerte-Gate 24b angeordnet sind. An dem Auswerte-Gate 24a ist der Speicherknoten 26a angeordnet. An dem Auswerte-Gate 24b ist der Speicherknoten 26b angeordnet. Das Teilpixel 16'a unterscheidet sich von dem Teilpixel 16a dadurch, dass an dem photoaktiven Bereich 18a zwei Auswerte-Gates 24a und 24b angeordnet sind. Die beiden Auswerte-Gates 24a und 24b können zeitlich versetzt zueinander und/oder zeitlich überlappend angesteuert werden, so dass jeweils Ladungsträger, die in dem photoaktiven Bereich 18a erzeugt werden, während der Aktiv-Zustände der Auswerte-Gates 24a und 24b zu den jeweiligen Speicherknoten 26a und 26b transportiert werden können.
Dies ermöglicht, dass lediglich ein photoaktiver Bereich 18a zur Realisierung der Erfassung von Ladungsträgermengen zu zwei Ansteuerintervallen angeordnet werden kann. Dies ermöglicht eine bauraumeffiziente Realisierung, da Bauraum gegenüber der Pixelstruktur 10 reduzierbar ist.
Das Teilpixel 16b umfasst den photoaktiven Bereich 18b sowie das Auswerte-Gate 24c und der Speicherknoten 26c. Zur Korrektur der Hintergrundlichtinformation kann eine Information basierend auf der Auswertung der Ladungsträger, die zu dem Speicherknoten 26a, 26b oder 26c transportiert werden, nutzbar sein. Jede Teilinformation der drei Kurzzeitintegratoren (Shutter) ist eine Funktion mehrerer Variablen, die die Distanz, die Reflektanz und das Hintergrundlicht umfassen. Wenn ein Shutter so geschaltet wird, dass nur Fremdlicht aufgenommen wird, ist dies abhängig von sowohl Reflektanz des Objekts als auch von Hintergrundlicht.
Ladungsträger, die von den beiden anderen Shuttern basierend auf einem Lichtpuls, der in Richtung des Objekts ausgesendet wird und die elektromagnetische Strahlung 22r bewirkt, erfasst werden, sind jeweils abhängig von Reflektanz, Distanz als auch Hintergrundlicht. Eine Kombination der drei unabhängigen Signale (Information ohne elektromagnetische Strahlung 22r und mit elektromagnetischer Strahlung 22r) erlaubt auf die drei Unbekannten zu schließen.
Die Auswerte-Gates 24a und 24b können symmetrisch an dem photoaktiven Bereich 18a angeordnet sein. Die Symmetrie kann sich beispielsweise auf eine Symmetrieachse 27 des photoaktiven Bereichs 18a beziehen, bezüglich derer der photoaktive Bereich 18a spiegelsymmetrisch angeordnet ist. Alternativ können die Auswerte-Gates 24a und 24b auch punktsymmetrisch oder rotationssymmetrisch an oder um den photoaktiven Bereich 18a angeordnet sein. die Symmetrie ermöglicht, dass die in dem photoaktiven Bereich 18a erzeugten Ladungsträger in einem gleichen Umfang und/oder in einer gleichen Geschwindigkeit zu den Speicherknoten 26a und 26b transportierbar sind, so dass beispielsweise zwei gleich lange und zeitlich versetzt zueinander angeordnete Ansteuerintervalle der Auswerte-Gates 24a und 24b bei gleichbleibender Intensität der elektromagnetischen Strahlung 22r zu in etwa gleich großen Mengen von Ladungsträgern führen, die zu den Speicherknoten 26a und 26b transportiert werden. Dies führt zu einer hohen Vergleichbarkeit der Messungen.
Werden beispielsweise die Ladungsträger, die zu den Speicherknoten 26a und 26b transportiert werden, für die Bestimmung der Distanz- und Reflektanzinformation bezüglich des Objektes 12 genutzt, kann basierend auf den Ladungsträgern, die zu dem Speicherknoten 26c transportiert werden, eine Hintergrundlichtkorrektur durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine – verglichen mit der Pixelstruktur 10 – kompaktere Bauform. Ferner kann der photoaktive Bereich 18a – verglichen mit der Pixelstruktur 10 und unter Beibehaltung der kompakteren Bauform – größer ausgeführt werden, so dass eine höhere Menge an Ladungsträgern erzeugt wird, was zu einer höheren Signalstärke und mithin verminderten Rausch-Effekten und einer höheren Messpräzision führen kann.
Alternativ, wenn beispielsweise die Distanz- und Reflektanzinformation basierend auf Ladungsträgern, die in den photoaktiven Bereichen 18a und 18b erzeugt werden, bestimmt werden, kann der jeweilige Speicherknoten 26a oder 26b zum Erhalt der Ladungsträger zur Bestimmung der Hintergrundlichtkorrektur platzsparend in dem Teilpixel 16'a angeordnet sein, wenn der Speicherknoten 26b oder 26a zur Bestimmung der Distanz- und Reflektanzinformation ausgewertet wird.
Optional umfasst das Teilpixel 16b ein weiteres Auswerte-Gate 24d, an dem ein ebenfalls optionaler Speicherknoten 26d angeordnet ist. Dies ermöglicht, dass die Teilpixel 16a und das optional erweiterte Teilpixel 16b kongruent ausgeführt werden, was zu einer hohen Vergleichbarkeit der Messungen führt. Beispielsweise kann so je eines der beiden Ansteuerintervalle, in denen Ladungsträger zu Speicherknoten geführt werden, basierend auf denen die Distanz- und Reflektanzinformation bestimmt werden, in zwei Teilpixeln 16'a und 16b gewonnen werden. Basierend auf Ladungsträgern, die zu dem jeweils anderen Speicherknoten transportiert werden, kann eine Korrektur bezüglich der Hintergrundlichtinformation bezüglich eines jeden Teilpixels erhalten werden, so dass eine Genauigkeit der bestimmten Information erhöht ist. Werden die Distanz- und Reflektanzinformation basierend auf den Ladungsträgern, die in den photoaktiven Bereichen 18a und 18b erzeugt werden, bestimmt, so kann eine hohe Homogenität der bestimmten Information bezüglich einer Fläche, die dem Pixel 14' zugeordnet ist, erhalten werden. Bei der Fläche, die dem Pixel 14 zugeordnet ist, kann es sich beispielsweise um einen von dem Pixel erfassten Teilbereich des Objektbereichs bzw. die Bildfläche des Pixels handeln.
Das Pixel 14' kann genau zwei Teilpixel 16'a, 16b umfassen. Alternativ können auch weitere Teilpixel angeordnet sein, etwa das Teilpixel 16c.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Pixelstrukturen, die zumindest ein Pixel mit drei Teilpixeln aufweisen. Die für diese Ausführungsbeispiele beschriebene Funktionalität kann alternativ auch erhalten werden, wenn ein Pixel gemäß den Ausführungen der Pixelstruktur 20 ausgeführt sind, d. h. dass die unten aufgeführten Erläuterungen auch als vorteilhafte Weiterbildungen für die Pixelstruktur 20 zu verstehen sind.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Pixelstruktur 30, die ein Pixel 32 mit den drei Teilpixeln 16a, 16b und 16c aufweist, die eine gleiche Funktion und gleiche Elemente aufweisen. Gleiche Elemente bedeuten in diesem Zusammenhang, dass ein jeweiliges Element eine gleiche oder vergleichbare Funktion aufweist. Bezüglich des Auswerte-Gates 24a (TX1) des Teilpixels 16a, des Auswerte-Gates 24b (TX2) des Teilpixels 16c sowie des Auswerte-Gates 24c (TX3) des Teilpixels 16c bedeutet dies beispielsweise, dass die Auswerte-Gates 24a–c jeweils als Transfergate ausführbar sind, wobei die Transfergates einen voneinander verschiedenen Aufbau oder Typ jedoch jeweils ein gleiches oder ähnliches Verhalten bezüglich der Schalter-Funktion aufweisen können. Alternativ können die jeweiligen Elemente auch identisch gebildet sein.
Die Teilpixel 16a–c weisen jeweils einen photoaktiven Bereich (Photoaktivgebiet 18a, 18b bzw. 18c) auf. Die Teilpixel 16a–c weisen ferner den Speicherknoten 26a (FD1), 26b (FD2) bzw. 26c (FD3) auf.
Benachbart zu den photoaktiven Bereichen 16a–c ist jeweils ein optionales Sammeltor (Collection-Gate – CX) CX1, CX2 bzw. CX3 angeordnet, über dem die in den photoaktiven Bereichen 18a–c erzeugten Ladungsträger abtransportierbar sind. Das jeweilige Auswerte-Gate 24a–c ist an dem jeweiligen Collection-Gate CX1–3 des jeweiligen Teilpixels 16a–c angeordnet. An dem Collection-Gate CX1 ist ein Abführ-Gate TX4 angeordnet. Das Abführ-Gate TX4 ist, wie die Auswerte-Gates 24a–c ein Schaltelement bzw. ein Transfergate. Das Abführ-Gate TX4 kann so angesteuert werden, dass die Ladungsträger aus dem photoaktiven Bereich 18a zu einem Abführgebiet DD1, das an dem Abführ-Gate TX4 angeordnet ist, transportiert werden. An die Collection-Gates CX1–3 ist ein Potential U_CG anlegbar, um die Collection-Gates zu steuern. Eine Anordnung der optionalen Collection-Gates (CX1–3) ermöglicht die Nutzung eines Freiheitsgrades, um in einer gewissen Region des jeweiligen photoaktiven Bereichs 18a–c ein Oberflächenpotential zu beeinflussen um ein gewünschtes Potentialprofil zu erlangen. Eine Ansteuerung des Collection-Gates (CX1–3) kann derart erfolgen, dass es auf einen geeigneten analogen Wert gesetzt wird, so dass eine (ggf. binäre) Veränderung eines Schaltzustands entfallen kann. Prinzipiell können die Transfergates (TX1–6) auch direkt mit dem jeweiligen Photoaktivgebiet 18a–c verbunden werden.
Insbesondere können das Auswerte-Gate TX1 und das Abführ-Gate TX4 zu voneinander verschiedenen und/oder überlappenden Zeitpunkten und/oder Zeitintervallen angesteuert werden, so dass beispielsweise das Auswerte-Gate TX1 oder das Abführ-Gate TX4 geschlossen, d. h. leitend, ist und die Ladungsträger aus dem photoaktiven Bereich 18a zu dem Speicherknoten 26a oder zu dem Abführgebiet DD1 transportiert werden.
Basierend auf dem funktionsmäßig gleichen Aufbau der Teilpixel 16a, 16b und 16c weist das zweite Teilpixel 16b benachbart zu dem photoaktiven Bereich 16b ein Collection-Gate CX2 und daran angeordnet ein Abführ-Gate TX5 mit einem daran angeordneten Abführgebiet DD2 auf. Das dritte Teilpixel 16c weist benachbart zu dem photoaktiven Bereich 18c ein Collection-Gate CX3 und ein daran angeordnetes Abführ-Gate TX6 mit einem daran angeordneten Abführgebiet DD3 auf.
Die Teilpixel 16a, 16b und 16c bilden das Pixel 32. An das erste Abführgebiet DD1 ist ein erstes Bezugspotential vddpix1 anlegbar, das bedeutet, dass die Ladungsträger aus dem photoaktiven Bereich 18a, wenn das Abführ-Gate TX4 leitend ist, zumindest teilweise aus dem photoaktiven Bereich 18a über das Abführgebiet DD1 abführbar sind. Das zweite Abführgebiet DD2 kann mit einem zweiten Referenzpotential vddpix2 verbunden werden, so dass die in dem photoaktiven Bereich 18b erzeugten Ladungsträger über das Abführgebiet DD2 zumindest teilweise abführbar sind, wenn das Abführ-Gate TX5 leitend ist. An das dritte Abführgebiet DD3 ist ein drittes Bezugspotential vddpix3 anlegbar, so dass in dem photoaktiven Bereich 18c erzeugte Ladungsträger zumindest teilweise über das Abführgebiet DD3 abführbar sind, wenn das Abführ-Gebiet TX6 leitend ist.
Die drei Referenzpotentiale vddpix1, vddpix2 und vddpix3 können voneinander verschiedene Potentiale aufweisen, etwa mehr als 1 V, mehr als 3 V oder mehr als 5 V. Eine voneinander verschiedene elektrische Spannung (Potential) kann eine Einstellung bezüglich einer Abflussgeschwindigkeit der Ladungsträger ermöglichen. Alternativ können die Referenzpotentiale vddpix1, vddpix2 und/oder vddpix3 einen gleichen Potentialwert aufweisen und miteinander verschaltet sein, so dass sich ein gemeinsames Referenzpotential vddpix ausbildet. Das gemeinsame Referenzpotential vddpix ermöglicht eine gleiche Abflussgeschwindigkeit der Ladungsträger zu den Abführgebieten DD1, DD2 und/oder DD3.
Die Abführ-Gates TX4, TX5 und TX6 können so angesteuert werden, dass jeweils in den photoaktiven Bereichen 18a–c erzeugte Ladungsträger abgeführt werden. Während eines Messintervalls können die Abführ-Gates TX4, TX5 und TX6 einen nicht leitenden Zustand aufweisen und die Auswerte-Gates TX1, TX2 bzw. TX3 einen leitenden Zustand aufweisen. Dies kann durch eine Ansteuerung der jeweiligen Gates TX1–6 erreicht werden. Am Ende eines jeweiligen Messintervalls kann das Auswerte-Gate TX1 in einen nicht leitenden Zustand und das Abführ-Gate TX4 in einen leitenden Zustand überführt werden, so dass in einer ersten Näherung nur diejenigen Ladungsträger zu dem Speicherknoten FD1 während des Messintervalls transportiert werden, die während des Messintervalls in dem photoaktiven Bereich 18a erzeugt werden.
Eine Ansteuerung des Auswerte-Gates TX1 kann beispielsweise durch ein Anlegen eines elektrischen Signals (Potential) U_TX1 an das Auswerte-Gate TX1, erfolgen. So kann beispielsweise ein Anlegen eines Hoch-(High-)Potentials der Spannung U_TX1 den leitenden Zustand und ein Anlegen eines Niedrig-(Low-)Potentials einen anderen, beispielsweise nicht-leitenden Zustand, bewirken. Alternativ können die Zustände (leitend/nicht leitend) auch wechselseitig bezüglich der angelegten Potentiale (High/Low) vertauscht sein. Derart kann auch eine Ansteuerung des Auswerte-Gates TX2 mittels eines Signals U_TX2 und eine Ansteuerung des Auswerte-Gates TX3 mittels eines Signals U_TX3 erfolgen. Eine Ansteuerung der Abführ-Gates TX4–6 kann mittels Signalen U_TX4–U_TX6 erfolgen.
Der Speicherknoten FD1 ist über einen Rücksetztransistor M1-1 mit einem Rücksetzpotential Rücksetzen FD1 (Rücksetzen = reset) verbindbar. Der Rücksetztransistor ist bspw. als NMOS-Transistor (NMOS: n-type metal oxide semiconductor = n-Typ Metall-Oxid-Halbleiter) ausgeführt. Beispielsweise ist ein Anschluss des Speicherknotens FD1 mit einem Source-Anschluss (Quellen-Anschluss) des Rücksetztransistors M1-1 verbunden. An einem Gate-Anschluss (Steuerelektrodenanschluss) des Rücksetztransistors M1-1 kann das Rücksetzpotential FD1 anlegbar sein. An einem Drain-Anschluss (Abfluss-Anschluss) des Rücksetztransistors M1-1 ist beispielsweise ein Referenzpotential vddpix4 anlegbar. Ein Bulk-Anschluss (Substrat-Anschluss) des Rücksetztransistors M1-1 kann beispielsweise mit einem lokalen oder globalen Bezugspotential, etwa Masse, d. h. ein Spannungspotential von 0 V verbunden sein. Das bedeutet, dass, wenn das Rücksetzpotential Rücksetzen VD1 an dem Gate-Anschluss des Rücksetztransistors M1-1 angelegt wird, Ladungsträger aus einem Auswertegebiet des Speicherknotens FD1 abfließen können und der Speicherknoten FD1 geleert, d. h. zurückgesetzt wird. Das Leeren bzw. Zurücksetzen ermöglicht eine Neuaufnahme einer neuen Ladungsmenge in einem zukünftigen Messzyklus. Alternativ kann der Rücksetztransistor M1-1 auch als ein anderes Schaltelement ausgeführt sein, bspw. als ein entsprechend verändert kontaktierter PMOS-Transistor (PMOS: p-type metal oxide semiconductor = p-Typ Metall-Oxid-Halbleiter).
Ein Rücksetzen des Speicherknotens FD1 ermöglicht ein Abführen von Fremdlichtbasierten Ladungsträgern so dass ein fremdlichtbasierter Fehler des Messsignals reduzierbar ist. So kann eine Sättigung des Photoaktivgebiets basierend auf Fremdlicht verringert oder verhindert werden, was eine Messgenauigkeit weiter erhöht.
In gleicher Weise ist ein Auswertegebiet des Speicherknotens FD2 des zweiten Teilpixels 16b über einen Rücksetztransistor M1-2 mit einem Rücksetzpotential Rücksetzen FD2 verbindbar. An dem Rücksetztransistor M1-2 ist ein Referenzpotential vddpix5 anlegbar.
In gleicher Weise weist das dritte Teilpixel 16c einen Rücksetztransistor M1-3 mit einem Gate-Anschluss auf, an dem ein drittes Rücksetzpotential Rücksetzen FD3 anlegbar ist. Ein Drain-Anschluss des Rücksetztransistors M1-3 ist mit einem Referenzpotential vddpix6 verbindbar. Die Referenzpotentiale vddpix4, vddpix5 und vddpix6 können miteinander verschaltet sein und einen gleichen Wert, d. h. ein gleiches Potential aufweisen. Des Weiteren können die Referenzpotentiale vddpix1, vddpix2, vddpix3, vddpix4, vddpix5 und/oder vddpix6 miteinander verschaltet sein und das Referenzpotential vddpix bilden. Das bedeutet, dass zwischen ein Auswertegebiet eines Speicherknotens FD1–3 und einem Bezugspotential vddpix4–6 ein über Rücksetzpotentiale Rücksetzen FD1 – Rücksetzen FD3 ansteuerbare Schalter M1-1, M1-2 bzw. M1-3 verschaltet sind, die ein Rücksetzen des jeweiligen Speicherknotens FD1–3 ermöglichen.
Zwischen den Speicherknoten FD1 und den Rücksetztransistor M1-1 des ersten Teilpixels 16a ist ein Gate-Anschluss eines Verstärkertransistors M2-1 geschaltet. Ein Drain-Anschluss des Verstärkertransistors M2-1 ist mit einem Versorgungspotential vdda-HV verbindbar. Ein Bulk-Anschluss des Verstärkertransistors M2-1 ist mit dem Bezugspotential (Masse) verbunden. Ein Source-Anschluss des Verstärkertransistors M2-1 ist mit einem Drain-Anschluss eines Auswahlschalters M3-1 in Form eines MOS-Transistors verbunden. Ein Gate-Anschluss des Auswahlschalters M3-1 ist mit einem Auswahlpotential Zeilenauswahl (engl.: row select) verbindbar. An einem Source-Anschluss des Auswahlschalters M3-1 ist ein Auswertepotential (Messspannung U_out1) abgreifbar.
Das bedeutet, dass der Verstärkertransistor M2-1 ausgebildet ist, um die Ladungsträger bzw. einen von den Ladungsträgern generierten Strom bzw. die Ladungsträger selbst zu verstärken (Strom- bzw. Ladungsträgerverstärkung) und eine Signalamplitude an ein elektrisches Potential anzulegen. Ein Anlegen des Auswahlpotentials Zeilenauswahl an dem Drain-Anschluss des Auswahlschalters M3-1 ermöglicht das Abgreifen des verstärkten Potentials (Signal) U_out1. Die beschriebene Konfiguration kann auch als common-drain-Konfiguration (bzw. Sourcefolgerschaltung) bezeichnet werden und kann eine ”Spannungsverstärkung” mit einem Faktor kleiner 1 aufweisen. Ein Strom- oder Ladungsverstärkungsfaktor kann einen Wert von größer 1 aufweisen. Der Eingangsstrom ist bspw. rein parasitär und kann eine Größenordnung von fA bis hin zu pA aufweisen. Ein Signal-Ausgangsstrom kann einen bezogen darauf großen Wert in einer Größenordnung von nA bis hin zu μA aufweisen. Dies ermöglicht, eine in Relation zur Auswertekapazität (bzw. Floating-Kapazität) große Spaltenkapazität umzuladen und so basierend auf verhältnismäßig kleinen Ladungen große Spannungen zu erzielen. Eine Steuerung der Pixelstruktur 30 kann eine Regelung des so erhaltenen Stroms auf einen konstanten Wert umfassen, so dass eine Linearisierung der Spannungsüberragungskennlinie erreicht wird, die eine Verstärkung kleiner 1 aufweisen kann.
Ein Betrieb des ersten Teilpixels 16a kann zwei oder mehr Zeitintervalle umfassen, die sich zyklisch wiederholen. In einem ersten Zeitintervall kann mittels der Ansteuerung des Rücksetztransistors M1-1 ein Abfluss von Ladungsträgern aus dem Speicherknoten FD1 ermöglicht werden. In einem zweiten Zeitintervall kann, wenn beispielsweise der Rücksetztransistor M1-1 nicht leitend ist, das Potential oder Signal U_out1 erhalten werden. Werden Speicherknoten zwischen Zyklen nicht oder nur teilweise zurückgesetzt, so können in vorangegangenen Zyklen gespeicherte Ladungsträger erhalten bleiben. Dies ermöglicht eine Mittelung der Ladungsträger über zwei oder mehrere Zyklen hinweg, was zu einer Verringerung von Messrauschen führen kann. Alternativ kann in jedem Zyklus eine Auswertung und ein Rücksetzen stattfinden.
In gleicher Weise weisen die Teilpixel 16b und 16c einen Verstärkertransistor M2-2 bzw. M2-3 und einen Auswahltransistor M3-2 bzw. M3-3 auf. Bezüglich des zweiten Teilpixels 16b ist das Signal (Messspannung) U_out2 und bezüglich des dritten Teilpixels das Signal (Messspannung) U_out3 abgreifbar. Die Signale bzw. Messspannungen U_out1, U_out2 und/oder U_out3 können jeweils dem Potential entsprechen, das von den Verstärkertransistoren M2-1, M2-2 und/oder M2-3 bereitgestellt wird.
Alternativ zu den Verstärkertransistoren M2-1, M2-2 und M2-3 kann auch eine andere Verstärkerschaltung, beispielsweise ein Differenzverstärker oder Operationsverstärker angeordnet sein. Die dargestellte Verschaltung der Rücksetztransistoren M1-1, M1-2, M1-3, der Verstärkertransistoren M2-1, M2-2, M2-3 und der Auswahltransistoren M3-1, M3-2 und M3-3 ist lediglich beispielhaft dargestellt. Alternativ kann auch eine andere Verschaltung angeordnet sein, die ein Rücksetzen und/oder Auswerten von erzeugten Ladungsträgern ermöglicht.
Obwohl die Transistoren und Gates als MOS-basierte Transistoren mit Source-, Drain- und Gate-Anschlüssen beschrieben sind, können alternativ auch Bipolartransistoren mit isoliertem Steueranschluss (Insulated Gate Bipolar Transistor – IGBT) angeordnet sein, die komplementär einen Gate-Anschluss, einen Collector- und einen Emitter-Anschluss aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können auch Bipolartransistoren und/oder Sperrschicht-Feldeffekt Transistoren (engl.: junction-FET – JFET) angeordnet sein.
Obwohl die Pixelstruktur 30 so beschrieben wurde, dass die optionalen Collection-Gates (CX1–3) angeordnet sind, kann eine Realisierung der Pixelstruktur 30 auch ganz oder teilweise ohne diese erfolgen.
Vorteilhaft an einer derartigen Anordnung ist, dass ein erfasstes Objekt bzw. ein Bereich des erfassten Objektes von drei Teilpixeln 16a, 16b und 16c unabhängig voneinander erfasst werden kann und die erfassten Ladungsträger unabhängig voneinander ausgewertet werden können. Durch einen gleichen Aufbau der Teilpixel 16a, 16b und 16c können Abweichungen von einer Symmetrie bezüglich des Pixels 32 bzw. eines jeden Teilpixels 16a–c reduziert oder vermindert werden, so dass Abweichungen zwischen Messergebnissen einzelner Teilpixel 16a, 16b und 16c ebenfalls reduziert oder minimiert sind und so eine Messgenauigkeit gesteigert werden kann.
In anderen Worten ermöglicht eine Pixelarchitektur der Pixelstruktur 30 in Kombination mit einem geeigneten Verfahren diese Pixelarchitektur zu betreiben, welche in dieser Kombination vorher aufgeführte Nachteile des Standes der Technik vermeiden und eine exakte und/oder schnelle Auswertung der Abstandsinformation ermöglichen. Im Gegenzug kann dafür photoaktive Fläche bzw. ein Füllfaktor (d. h. Anteil aktiver Fläche pro Gesamtfläche) geopfert werden, etwa da anstelle von einem photoaktiven Bereich drei photoaktive Bereiche 16a–c angeordnet sind. Ein eventueller Signalverlust kann durch einen effizienten Transfer der Ladungsträger kompensiert werden.
Die zuvor beschriebenen Nachteile resultieren zumindest teilweise aus dem Wunsch, das photoaktive Gebiet eines Pixels an mehrere Kurzeitintegratoren und etwaige Abführelemente zu binden. Diese Nachteile können verringert oder eliminiert werden, wenn diese Notwendigkeit aufgehoben wird und Subpixel realisiert werden, um die entsprechende Aufnahme von Hintergrundlicht und Laser auszuführen. Jedes der Subpixel könnte jeweils eine reduzierte Anzahl an Kurzzeitintegratoren bzw. Abführelementen realisieren. In 3 ist beispielhaft eine Unterteilung in drei Subpixel 16a–c illustriert. In jedem der Subpixel 16a–c ist mindestens ein separates Photoaktivgebiet 18a–c mit mindestens einem Speicherknoten FD1–3 und mindestens einem Abführgebiet DD1–3 verbunden. Dies ermöglicht eine Realisierung einer instantanen (d. h. sofortigen) Beschleunigung der Ladungsträger in Richtung der Speicherknoten FD1–3 über das Einbauen eines Driftfeldes. Die Geometrie des Sammelknoten CX kann gegenüber dem Stand der Technik deutlich verkleinert werden, so dass eine unter Umständen signifikant reduzierte Ladungsträgertransferzeit resultieren kann. Ferner ermöglicht die Aufteilung in z. B. drei Subpixel eine erheblich verbesserte Symmetrie eines jeweiligen Speicherknotens FD1–3 zu dem jeweiligen photoaktiven Bereich 18a–c, welche zum einen die Justage eines Pixels an ein Modell vereinfachen kann und/oder für alle Subpixel/Shutter/Kurzzeitintegratoren, d. h. für beliebige Teile der Pixelstruktur, gleiche Performance ermöglicht oder garantiert, so dass der Hintergrundlichtabzug simultan zur Aufnahme des Signals realisiert werden kann, was eine Aliasing-Frequenz bezüglich des tolerierbaren Hintergrundlichts von
(also der Wiederholfrequenz des aktiven Moduls (Pixels) dividiert durch den Wert 2) verspricht. Typischerweise sind das z. B. mehrere kHz, etwa mehr als 2 kHz, mehr als 5 kHz oder mehr als 10 kHz.
Da jedes der z. B. Subpixel 16a–c ein separates Photoaktivgebiet 18a–c umfasst, kann diese Pixelarchitektur eine erhöhte Symmetrie aufweisen, wenn an jedem Photoaktivgebiet separate Abführgebiete (DD1–DD3) angefügt sind, welche photogenerierte Ladungen abführen, wenn die Kurzzeitintegratoren (Speicherknoten FD1–3) nicht selektiert sind. Beispielhaft ist in 3 eine 3-Transistor-Ausleseschaltung dargestellt. Hierbei würden die reset-Transistoren (Rücksetztransistoren) M1-1 bis M1-3 das Potential auf den Speicherknoten vor Beginn der Aufnahme eines Frames definieren. Dies kann so gewählt werden, dass während einer Transferphase (Selektion des entsprechenden Auswerte-Gates/Shutters TX1–3) ein monoton steigendes Potentialprofil vom Photoaktivgebiet 18a–c bis zum Speicherknoten (Speicherknoten FD1–3) realisiert wird. Dieses Potential kann dann durch die Speicherung von photogenerierten Ladungsträgern, welche vornehmlich innerhalb einer Transferphase in die Speicherknoten (Speicherknoten FD1–3) geführt werden sollen, abgebaut, so dass die In-Pixel-Source-Folger-Verstärker (Verstärkertransistoren) M2-1 bis M2-3 daraus ein Ausgangssignal generieren können, welches durch Select-Transistoren M3-1 bis M3-3 vom Datenbus in Signale U_out1 bis U_out3 getrennt werden kann, so dass ein Kurzschluss der Ausgänge verschiedener Pixel vermieden wird.
Hierzu können zwei oder mehrere unterschiedlich lange und/oder zeitversetzte Kurzzeitintegratoren mit der Emission eines modulierten, elektromagnetischen Wellenpakets synchronisiert werden, so dass mindestens zwei unabhängige, laufzeitabhängige (von der Laufzeit der elektromagnetischen Strahlung abhängige) Signale, etwa U_out1, U_out2 und/oder U_out3 entstehen, welche durch mindestens einen weiteren Kurzzeitintegrator, der als Fremdlichtreferenz dient, ermöglichen, dass eine eindeutige Abbildung der Ausgangssignale auf die Unbekannten Reflektanz, Hintergrundlicht und Distanz resultiert. Eine Aufteilung der Pixelstruktur in Subpixel (z. B. zwei oder drei Subpixel) kann zu einer Anordnung zusätzlicher Abführgebiete und unter Umständen weiterer Elektroden, welche Photoaktivgebiete und Abführgebiete verknüpfen, führen.
In anderen Worten zeigt 3 eine Aufteilung der Kurzzeitintegrationsfunktion in Subpixel zur Erhöhung der Ladungsträgertransfergeschwindigkeit, der Symmetrie und tolerierbarer Fremdlicht-Aliasing-Frequenz.
4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Pixelstruktur 40 mit einem Pixel 35, das die drei Teilpixel 16a, 16b und 16c aufweist. Die Teilpixel 16a–c weisen gegenüber der Pixelstruktur 30, wie sie in der 3 beschrieben ist, eine veränderte Ausrichtung der Teilpixel 16a–c zueinander auf. Das zweite Teilpixel 16b ist gegenüber dem ersten Teilpixel 16a um einen ersten Winkel α₁ gedreht, der beispielsweise 90° aufweist. Das dritte Teilpixel 16c ist gegenüber dem zweiten Teilpixel 16b um einen zweiten Winkel α₂ gedreht, der beispielhaft ebenfalls 90° aufweist. Das bedeutet, eine Hauptachse 36a des ersten Teilpixels 16a weist einen Winkel von 90° zu einer Hauptachse 36b des zweiten Teilpixels 16b auf. Das erste Teilpixel 16a ist gegenüber dem dritten Teilpixel 16c um einen dritten Rotationswinkel α₃ gedreht, der beispielsweise 180° aufweist. Das bedeutet, die Hauptachse 36b des zweiten Teilpixels 16b weist einen Winkel von 90° zu einer Hauptachse 36c des dritten Teilpixels 16c auf.
Die Teilpixel 16a und 16c weisen einen lateralen Versatz 34 auf. Das bedeutet, dass der Winkel α₃ lediglich schematisch zu verstehen ist, da die erste Hauptachse 36a des Teilpixels 16a und die dritte Hauptachse 36c des Teilpixels 16c keinen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen und parallel zueinander verlaufen. Die Hauptachsen 36a und 36c sind lediglich schematisch zu verstehen und können beispielsweise eine Symmetrieachse bezüglich des photoaktiven Bereichs Teilpixels sein, wenn der photoaktive Bereich symmetrisch aufgebaut ist. Alternativ können die Hauptachsen 36a–c auch eine beliebige andere Komponente, eine Kante oder eine Orientierung davon beschreiben.
Das Teilpixel 16a und das Teilpixel 16c sind gegenüberliegend angeordnet, so dass die Speicherknoten FD1 und FD3 und/oder die Abflussgebiete DD1 und DD3 einander zugewandt angeordnet sind. Dies ermöglicht eine kompakte Anordnung von Schaltungsstruktur zwischen den Teilpixeln 16a, 16c und/oder 16b.
Wie es durch die Pfeile 38a–f angedeutet ist, kann auf eine symmetrische Ausgestaltung des photoaktiven Bereichs 18a–c eines Teilpixels 16a–c verzichtet werden, da ein Abfluss der erzeugten Ladungsträger beispielsweise jeweils lediglich in einer Richtung, d. h. beispielsweise in Richtung des Speicherknotens FD1, FD2 bzw. FD3, erfolgt und eine Symmetrie für ein symmetrisches, etwa gleich schnelles Abfließen der Ladungsträger in Richtung eines zweiten Speicherknotens nicht erforderlich ist. Dies ermöglicht erhöhte Freiheitsgrade bei der Auslegung der photoaktiven Bereiche. Beispielsweise kann durch eine Erhöhung einer Ausdehnung eines oder mehrerer photoaktiven Bereiche 18a–c entlang einer Breitenrichtung 42a, 42b bzw. 42c. Bei gleicher, gleichbleibender Fläche der photoaktiven Bereiche 18a, 18b bzw. 18c kann so eine Ausdehnung desselben in einer anderen Richtung reduziert werden. Die Pixelstruktur 40 könnte beispielsweise eine reduzierte Gesamtausdehnung parallel zu einer Richtung entlang der Breite 42b aufweisen, wenn eine Breite 42a, 42b und 42c der photoaktiven Bereiche 18a–c vergrößert wird. Der Begriff „Breite” ist dabei lediglich exemplarisch zu verstehen und kann beispielsweise auch eine Höhe oder Dicke oder Länge einer Ausdehnung der photoaktiven Bereiche 18a–c beschreiben.
Alternativ kann auch eine Ausdehnung der photoaktiven Bereiche 18a–c bezüglich einer, mehrerer oder aller Teilpixel individuell oder gemeinsam vergrößert oder verkleinert werden.
Die in Richtung eines Betrachters der 4 gewandten Flächen der Teilpixel 16a–c können als Hauptseitenoberfläche der Teilpixel verstanden werden. Die Hauptseitenoberflächen der Teilpixel 16a–c sind kongruent, etwa im Hinblick auf kongruente Hauptseitenoberflächen der photoaktiven Bereiche 18a–c und einer vergleichbaren (symmetrischen) Anordnung der Auswerte-Gates TX1–3 und/oder des Speicherknotens FD1–3. Ferner kann auch eine Anordnung der Abführ-Gates TX4–6 und der Abführgebiete DD1–3 jeweils gleich erfolgen, so dass die Teilpixel 16a–c insgesamt kongruent sind. Dies ermöglicht, dass sowohl eine durch ein Auftreffen elektromagnetischer Strahlung erzeugte Anzahl von Ladungsträgern als auch Abfluss- und/oder Driftgeschwindigkeiten der Ladungsträger in Richtung von Abflussgebieten DD1–3 und/oder Speicherknoten FD1–3 zwischen den Teilpixeln 16a–c vergleichbar sind.
Die Pixelstruktur 40 kann alternativ auch lediglich zwei Teilpixel aufweisen, die gemäß Ausführungen der 2 gebildet sind.
Alternativ können die Teilpixel 16a–c eine beliebige andere Orientierung zueinander aufweisen. Beispielsweise können die photoaktiven Bereiche 18a–c einander zugewandt angeordnet sein. Dies ermöglicht eine Anordnung der photoaktiven Bereiche 18a–c benachbart zueinander, so dass eine Variation auftreffender elektromagnetischer Strahlung zwischen den photoaktiven Bereichen 18a–c reduziert sein kann. Alternativ kann, wie es beispielsweise in 3 dargestellt ist, eine Anordnung der Teilpixel 16a–c in einer Zeilenstruktur erfolgen. Das bedeutet, dass die Hauptachsen 36a–c einen beliebigen Winkel zueinander aufweisen können und/oder parallel zueinander sein können.
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine andere Anzahl von Teilpixeln, beispielsweise 2, 4 oder mehr in einem beliebigen Winkel oder ohne einen Winkel (parallel) zueinander erfolgen. Beispielsweise können die Teilpixel auf einer Kreislinie, einer geschlossenen oder offenen elliptischen, polygonen oder willkürlichen Kurve angeordnet sein. Ferner können die photoaktiven Bereiche 18a–c und/oder die Speicherknoten FD1–3 einander zugewandt angeordnet sein. Das bedeutet, dass ein Speicherknoten FD1–3 eines Teilpixels 16a–c einem photoaktiven Bereich 18a–c eines anderen Teilpixels 16a–c zugewandt angeordnet sein kann.
Eine Gesamtfläche der photoaktiven Bereiche 18a–c innerhalb des Pixels 40 kann gleich sein, wie eine photoaktive Fläche bei Pixelarchitekturen, bei denen ein Pixel lediglich einen photoaktiven Bereich aufweist. Eine Anordnung weiterer, d. h. eines dritten, vierten, etc. Teilpixels ermöglicht mithin gegenüber einer Anordnung von zwei Teilpixeln eine Verringerung der photoaktiven Fläche eines jeweiligen Teilpixels 16a–c, so dass beispielsweise pro Teilpixel 16a–c eine geringere Anzahl von Ladungsträgern bei konstant bleibender auftreffender elektromagnetischer Strahlung erzeugt wird. Eine verringerte Anzahl von Ladungsträgern in Verbindung mit einer verringerten Fläche der photoaktiven Bereiche 18a–c kann innerhalb einer kürzeren Zeit zu den Kurzzeitintegratoren bzw. den Speicherknoten FD1–3 transportierbar sein und zu einer schnelleren Bestimmung der Abstandsinformation führen. Ferner ermöglicht eine kleine Fläche der photoaktiven Bereiche 18a–c eine verringerte Anzahl von die photoaktive Fläche kontaktierende, d. h. mit einem Auswerte-Gate TX1–3, Abführ-Gate TX4–6 oder Sammelknoten CX1–3 verbindende, Elektroden.
In anderen Worten ist es denkbar, auf eine Symmetrie der Subpixel (Teilpixel 16a–c) und deren klare Abgrenzung zu verzichten und diesen neuen Freiheitsgrad z. B. für eine etwaige bessere Gestaltung der Geometrie des Photoaktivgebiets, d. h. des photoaktiven Bereichs 18a–c, zu verwenden. Ein eventueller Mismatch, das bedeutet Abweichungen zwischen Abführgeschwindigkeiten der Ladungsträger aus den photoaktiven Bereichen, kann reduziert oder verhindert werden, wenn einer oder mehrere der photoaktiven Bereiche 18a–c beispielsweise flächenmäßig reduziert werden, so dass eine Anzahl an zu verbindenden Elektroden pro Photoaktivgebiet reduziert ist. Dies kann zu einer Erhaltung eines schnellen Ladungstransfers führen.
In anderen Worten, ist es für die hier vorgestellte Pixelarchitektur in Verbindung mit einem vorgeschlagenen Verfahren nicht notwendig, eine Vorzugsrichtung im Photoaktivgebiet zu definieren. Das heißt, dass Speicher- und Abführgebiet nicht notwendigerweise nebeneinander platziert werden müssen. Die hier vorgeschlagene Pixelarchitektur macht ferner keine Begrenzungen bzgl. des zu verwendenden Halbleitermaterials oder des Dotierungstyps. Generell ist zu bemerken, dass die Unterteilung in Subpixel zu einem kleineren Photoaktivgebiet je Subpixel führen kann, was in einer geringeren Anzahl an photogenerierten Ladungsträgern pro Zeitintervall resultieren kann. Allerdings können diese Ladungsträger potentiell deutlich zeitaufgelöster in die Speicherknoten propagiert werden, was inhärent vorteilhaft für die Messung ist und die Verringerung des Signals (durch die kleinere effektive Photoaktivgebietsfläche) kompensiert. 4 zeigt ein alternatives Realisierungskonzept, das als „Verschmelzung” der Subpixel bei Opferung der Symmetrie beschrieben werden kann. Die Pfeilrichtungen deuten an, dass ein breiteres, dafür kürzeres Subpixel durch Aufgeben der Symmetrieforderungen erreicht werden kann, was vorteilhaft bezüglich der Ladungsträgergeschwindigkeiten ist.
5 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Pixelstruktur 50, die eine Vielzahl von Pixeln 32a–g aufweist, die zweidimensional versetzt zueinander angeordnet sind, d. h., eine Matrixstruktur aufweisen. Die Pixelstruktur 50 weist beispielsweise neun spaltenförmige Abschnitte 44a–i auf, die jeweils sechs Subpixel 16a, 16b bzw. 16c eines Pixels 32a–g umfassen.
Bezüglich der Subpixel der Spaltenstruktur 44a ist ein erstes Farbfilter 46a angeordnet. Bezüglich der Subpixel der Spaltentruktur 44b ist ein zweites Farbfilter 48a und bezüglich der Subpixel der Spaltenstruktur 44c ein drittes Farbfilter 52a angeordnet. Das Farbfilter 46a weist einen ersten Durchlass-Wellenlängenbereich, beispielsweise einen Rot-Bereich auf. Der Rot-Bereich kann beispielsweise einen Wellenlängenbereich von 630 nm–790 nm aufweisen. Das Farbfilter 48a weist einen zweiten Durchlass-Wellenlängenbereich, etwa einen Grün-Bereich auf. Der Grün-Bereich kann beispielsweise einen Wellenlängenbereich von 480 nm–560 nm aufweisen. Das Farbfilter 52a weist einen dritten Durchlass-Wellenlängenbereich, etwa einen Blau-Bereich auf. Der Blau-Bereich kann beispielsweise einen Wellenlängenbereich von 420 nm–480 nm aufweisen. Das bedeutet, dass eine Transmission von elektromagnetischer Strahlung in einem Sperr-Bereich des jeweiligen Farbfilters 46a, 48a und 52a zu den photoaktiven Bereichen der Subpixel 16a–c der Pixel 32a–g, bezüglich derer das jeweilige Farbfilter 46a, 48a oder 52a angeordnet ist, reduziert oder verhindert ist. Somit kann in jeweiligen photoaktiven Bereichen der Teilpixel 16a–c der Pixel 32a–g einer Spaltenstruktur 44a–f Ladungsträger generiert werden, die Informationen bezüglich des Farbspektrums der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ermöglichen.
Anders ausgedrückt sind Farbfilter 46a–c, 48a–c und 52a–c bezüglich verschiedener Teilpixel 16a–c eines Pixels 32a–g angeordnet, so dass eine Generierung von Ladungsträgern in unterschiedlichen Teilpixel 16a–c eines Pixels 32a–g basierend auf voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen ermöglicht ist.
Die Farbfilter 46a, 48a und 52a können ferner transparent für elektromagnetische Strahlung in einem Infrarotbereich sein, so dass von einem Objekt reflektierte Infrarotstrahlung die Filter 46a, 48a und 52a passieren kann. Dies ermöglicht, eine Bestimmung von Distanz-, Reflektanz- und/oder Hintergrundlichtinformationen basierend auf der Infrarotstrahlung, die beispielsweise durch einen Lichtpuls einer Strahlungsquelle ausgesendet wird. Ferner kann eine Farbaufnahme des Objektes durch die Filterung einzelner Wellenlängen-Bereiche mittels der Farbfilter 46a, 48a und 52a erfolgen. Eine Aufnahme der Infrarotstrahlung und der Farbaufnahme kann beispielsweise sequentiell nacheinander oder parallel in den Teilpixeln 16a–c erfolgen und zu einem Farbbild (bspw. Rot-Grün-Blau – RGB oder Cyan-Magenta-Gelb) mit Tiefeninformationen (Z), einem RGBZ-Bild kombiniert werden. Bezüglich der Spaltenstruktur 44d ist ein Farbfilter 46b, bezüglich der Spaltenstruktur 44e ein Farbfilter 48b und bezüglich der Spaltenstruktur 44f ein Farbfilter 52b angeordnet, die gleiche, überlappende oder verschiedene Durchlass-Wellenlängenbereiche aufweisen können, wie die Farbfilter 46a, 48a bzw. 52a. Ferner sind bezüglich der Spaltenstrukturen 44g–i die Farbfilter 46c, 48c und 52c angeordnet, die gleiche, überlappende oder verschiedene Durchlass-Wellenlängenbereiche aufweisen können, wie die Farbfilter 46a, 48a bzw. 52a.
Insbesondere können die Farbfilter 46b und 46c einen gleichen Durchlass-Wellenlängenbereich wie das Farbfilter 46a, die Farbfilter 48b und 48c einen gleichen Durchlass-Wellenlängenbereich wie das Farbfilter 48a und die Farbfilter 52b und 52c einen gleichen Durchlass-Wellenlängenbereich wie das Farbfilter 52a aufweisen. Dies ermöglicht eine spaltenweise Farbabtastung des Objektes bzw. eines erfassten Objektbereichs.
Eine Spaltenstruktur 44a–f kann eine beliebige und ggf. voneinander verschiedene Anzahl von gleichen oder verschieden gebildeten Pixeln und oder Subpixeln aufweisen, das heißt eine Anzahl von Pixeln von größer oder gleich 1 und oder eine Anzahl von Subpixeln 16a–c von größer gleich 2. Alternativ kann die Vielzahl von Pixeln 32a–g auch in einer Zeilenstruktur angeordnet werden. Alternativ kann die Vielzahl von Pixeln 32a–g auch einem anderen Muster folgend angeordnet sein, etwa einem Rautenmuster (diagonale Anordnung). Alternativ können die Pixel eine zufällige Verteilung aufweisen. Ferner kann die Vielzahl von Pixeln 32a–g in einer Kombination von Mustern angeordnet sein oder derart angeordnet sein, dass kein Muster bestimmbar ist.
Ferner können bezüglich der Subpixel 16a–c eines oder mehrerer Pixel 32a–g auch lediglich zwei voneinander verschiedene Farbfilter angeordnet sein. Basierend auf einem zugrunde gelegten Farbsystem, etwa additiv oder subtraktiv, kann eine verbleibende dritte Farbe durch Addition oder Subtraktion der beiden gefilterten Farben bestimmt werden.
Alternativ kann jeweils ein Farbfilter auch bezüglich mehrerer oder aller Subpixel eines Pixels angeordnet werden, so dass bspw. je eine Farbinformation je Pixel erhalten wird und eine Farbkombination bezüglich mehrerer Pixel erhalten wird.
Alternativ zu den Pixeln 32a–g kann die Pixelstruktur 50 auch ganz oder teilweise aus Pixeln 14, 14' und/oder Pixeln 35 gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können auch ein oder mehrere Farbfilter mit einem anderen Durchlass-Wellenlängenbereich und/oder einem Sperr-Wellenlängenbereich angeordnet werden.
In anderen Worten kann, etwa sequentiell ein Farbbild (RGB) und ein Distanzbild (Z) aufnehmbar sein. Alternativ können die Subpixel 16a–c oder die Pixel 32a–g zumindest teilweise auch einen weiteren photoaktiven Bereich, etwa in Form eines anderen Ladungsträgertransfer-basierten Photodetektors, wie eines Photogates, einer gepinnten Photodiode oder eines CCD (CCD: Charged Coupled Device = Ladungsträgergekoppeltes Bauteil) aufweisen. Dies ermöglicht eine parallele Aufnahme von Distanzbildern und Farbbildern, so dass ein kombiniertes Farb-Distanzbild (RGBZ-Bild) schneller aufnehmbar sein kann.
Ein weiterer Vorteil der beispielhaft in 1, 2, 3 oder 4 beschriebenen Pixelarchitektur 10, 20, 30 oder 40 ist die einfache Anwendbarkeit für RGBZ Imaging. Hierbei kann jeweils über jedem Subpixel ein Farbfilter (RGB) aufgebracht werden, was deshalb sinnvoll ist, da diese üblicherweise transparent im Infrarotbereich sind, welcher üblicherweise für die ToF-Technik verwendet wird. Vorteilhaft einer solchen Struktur sind die koaxiale Anordnung von Distanzaufnahme- und Farbbildaufnahmemodul und die deutlich reduzierte resultierende Kameragröße die bei Kombination eines Farbbildsensors mit einem 3D-Bildsensor resultieren würde. Die Farbfilter könnten bei dieser Pixelarchitektur streifenweise auf den Bildsensor aufgebracht werden, was eine kostengünstige Alternative zu den sonst üblichen Bayer-Pattern darstellen kann. Eventuell kann es ferner praktikabel sein, einen steuerbaren IR-Bandpass-Filter zu haben, welcher mechanisch oder elektrochemisch realisiert werden könnte, um Hintergrundkomponenten bei der 3D Aufnahme zu filtern, so dass eine fremdlichtbedingte Sättigung des Sensors reduziert oder verhindert ist. Alternativ kann auch ein ansteuerbares Bandpassfilter bezüglich einer oder mehrerer Pixel der Pixelstruktur angeordnet sein und beispielsweise von einer Steuerschaltung zeitvariant bezüglich Transmissionseigenschaften, etwa Wellenlängen-Durchlassbereichen und/oder Transmissionskoeffizienten, beeinflusst zu werden, etwa um Durchlass-Wellenlängenbereiche zeitvariant zu steuern. Hierbei kann es sich um ein elektronisch steuerbares Filter (wie z. B. Kerrzellen oder andere Filter) handeln, das großflächig bezüglich der Pixelstruktur angeordnet ist, um so bspw. die Hintergrundempfindlichkeit außerhalb des gewünschten Zeitfensters (t₀–t₇) zu verbessern.
Alternativ können auch lediglich zwei verschiedene Farbfilter bezüglich der Vielzahl von Subpixeln 16a–c oder Pixeln 32a–g angeordnet sein, etwa Rot-Filter und Blau-Filter. Weitere Farbinformationen können durch eine Kombination der mittels der Farbfilter erhaltenen Farbinformationen abgeleitet werden. So kann bspw. in einem additiven Farbsystem eine Grün-information basierend auf einer Differenz einer ungefilterten (ggf. näherungsweise weißen) Farbe, d. h. einer Gesamtinformation, und der Rot- bzw. Blauinformation abgeleitet werden, was Vorteile bezüglich des Farbrauschens bietet. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Farbfilter, die bspw. bzgl. einer Magentafarbe, einer Cyanfarbe und/oder einer Gelbfarbe zumindest teilweise transparent sind, angeordnet werden. Ferner kann eine Farbinformation basieren auf anderen Farbsystemen, etwa dem subtraktiven Farbsystem, abgeleitet werden. Alternativ oder zusätzlich können die Filter als Kombination von volltransparenten und teiltransparenten (farbselektiven) Filtern angeordnet werden.
6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 60, die eine Steuerschaltung 54 umfasst, die mit dem Pixel 32 verschaltet ist. Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um Signale, Potentiale und/oder Ströme von dem Pixel 32 zu erhalten und, um das Pixel 32 anzusteuern, etwa indem die Steuerschaltung 54 ausgebildet ist, um die Signale Rücksetzen FD1–3, Reihenauswahl, U_TX1–U_TX3 und/oder U_TX4–U_TX6, wie sie in der 3 beschrieben sind, an die Vorrichtung 60 anzulegen. Unter Bezugnahme auf 3 kann die Steuerschaltung 54 ausgebildet sein, um die Signale U_out1, U_out2 und/oder U_out3 von dem Pixel 32 zu empfangen. Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um basierend auf einer Menge der Ladungsträger, die in den photoaktiven Bereichen 18a–c erzeugt werden, eine Distanzinformation bezüglich des Objektes 12 zu bestimmen. Eine Strahlungsquelle 56 kann beispielsweise ausgebildet sein, um die elektromagnetische Strahlung 22, etwa in Pulsform, auszusenden, so dass die elektromagnetische Strahlung 22r zumindest teilweise von dem Objekt 12 reflektiert und von dem Pixel 32 empfangen wird.
Zur Bestimmung der Distanzinformation kann die Steuerschaltung 54 beispielsweise ausgebildet sein, um Informationen bzgl. einer Position und/oder einem Aussendezeitpunkt und/oder -intervall zu erhalten. Mittels dieser Informationen kann beispielsweise aufgrund von Laufzeitberechnungen (Distanz = Geschwindigkeit × Zeit) und/oder trigonometrischen Funktionen die Distanzinformation bestimmbar sein.
7a zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zur Bestimmung der Abstandsinformation, der Reflektanzinformation und einer Hintergrundlichtinformation, wie es beispielsweise von der Steuerschaltung 54 ausgeführt werden kann.
Zur Verdeutlichung des Ablaufs eines Verfahrens, wie es beispielsweise von der Steuerschaltung 54 ausführbar ist, sind 9 Graphen 710, 720, 730, 740, 750, 760, 770, 780 und 790 gegenübergestellt. Die Graphen 710 bis 790 weisen eine gemeinsame Abszisse in Form einer Zeitachse t auf. Die Graphen 710 und 720 zeigen an einer jeweiligen Ordinate schematisch ein normiertes Energieniveau E der von einer Strahlungsquelle ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung (Graph 710) bzw. von dem Pixel empfangen elektromagnetischen Strahlung (Graph 720). Ein Energieniveau 58a bezeichnet dabei eine Energie eines Hintergrundlichts, etwa am Ort der Strahlungsquelle. Ein Energieniveau 58b bezeichnet ebenfalls ein Energieniveau des Hintergrundlichts, etwa am Ort der Pixelstruktur. Die Energieniveaus 58a und 58b können gleich oder unterschiedlich sein.
Die Graphen 730 bis 790 weisen jeweils eine normierte Ordinate V auf, die unter Bezugnahme auf 3 die an die -Gates TX1–6 anlegbaren Signale U_TX1 bis U_TX6 bzw. für den Graphen 790 ein zusammengefasstes Signal „Rücksetzen FDs” (d. h. Rücksetzen der Speicherknoten) zeigt, das exemplarisch eine gemeinsame Ansteuerung der Signale Rücksetzen FD1, Rücksetzen FD2 und Rücksetzen FD3 in 3 bedeutet. Alternativ kann die Ansteuerung eines oder mehrerer Rücksetzsignale Rücksetzen FD1-Rücksetzen FD3 auch individuell erfolgen.
In einem Zeitintervall vor einem Zeitpunkt t₀ ist die Steuerschaltung 54 ausgebildet, um die Speicherknoten mittels eines Anlegens des Signals Rücksetzen FDs einen Abfluss von Ladungsträgern aus den Speicherknoten FD1–3 zu ermöglichen. Ferner ist die Steuerschaltung 54 ausgebildet, um die Signale U_TX4, U_TX5 und U_TX6 bereitzustellen, so dass in den photoaktiven Bereichen 18a–c erzeugte Ladungsträger zu den Abführgebieten DD1–3 transportiert werden können. In einem Ansteuerintervall (t₂–t₁) zwischen zwei Zeitpunkten t₁ und t₂ ist die Steuerschaltung ausgebildet, um das Signal U_TX3 bereitzustellen und gleichzeitig das Signal U_TX6 zu deaktivieren bzw. das Abführ-Gate TX6 in einen sperrenden Zustand zu schalten. Das bedeutet, dass in dem photoaktiven Bereich 18c erzeugte Ladungsträger in den Speicherknoten FD3 transportiert werden können. Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um basierend auf einer Menge von Ladungsträgern, die in den Speicherknoten FD3 transportiert sind, bzw. basierend auf einer Stärke des Signals U_out3 eine Stärke des Hintergrundlichts zu bestimmen. Das bedeutet, dass die Steuerschaltung 54 ausgebildet ist, um basierend auf dem Ansteuerintervall (t₂–t₁) eine Hintergrundlichtinformation zu bestimmen.
Die Steuerschaltung 54 ist zeitlich mit der Strahlungsquelle 56 synchronisiert. Zu einem Zeitpunkt t₃ ist die Strahlungsquelle 56 ausgebildet, um die elektromagnetische Strahlung 22 in Form eines Lichtpulses mit einer Zeitdauer T_p zu emittieren, beispielsweise basierend auf einem zyklischen Takt oder basierend auf einer Ansteuerung durch die Steuerschaltung 54 oder einer anderen Vorrichtung. Das Ende des Lichtpulses ist mit dem Zeitpunkt t₅ auf der Zeitachse bezeichnet. Anders ausgedrückt, ist die Strahlungsquelle 56 ausgebildet, um während eines Zeitintervalls (t₅–t₃) elektromagnetische Strahlung 22 (ggf. pulsförmig) zu emittieren.
Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um während des Zeitintervalls (t₅–t₃) das Auswerte-Gate TX1 in einen leitenden Zustand und das Abführ-Gate TX4 in einen nicht leitenden Zustand zu überführen, so dass in dem photoaktiven Bereich 18a erzeugte Ladungsträger in den Speicherknoten FD1 transportiert werden können und das entsprechende Signal U_out1 erhalten werden kann.
Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um während eines Zeitintervalls (t₇–t₅), das direkt auf das Zeitintervall (t₅–t₃) folgt, das Auswerte-Gate TX2 leitend und das Abführ-Gate TX5 nicht leitend zu schalten, so dass in dem photoaktiven Bereich 18b erzeugte Ladungsträger in den Speicherknoten FD2 transportierbar sind und das Signal U_out2 erhalten werden kann. Die elektromagnetische Strahlung 22r, das heißt der Lichtpuls, trifft bezogen auf den Zeitpunkt t₃ zeitverzögert und reflektiert von dem Objekt 12 an dem Pixel 32 ein. Die Laufzeit (engl.: Time of Flight – ToF)τ_ToF kann als Laufzeit zwischen dem Aussenden des Lichtpulses 22 an der Strahlungsquelle 56 bis zum Eintreffen des reflektierten Lichtpulses 22 an dem Pixel 32 beschrieben werden. Der reflektierte Lichtpuls 22r bewirkt, dass Ladungsträger in den photoaktiven Bereichen 18a und 18b erzeugt werden können. Die Laufzeit τ_ToF bewirkt, dass der reflektierte Lichtpuls 22r beginnend zu einem Zeitpunkt t₄ (t₄ t₃ + τ_ToF) und endend zu einem Zeitpunkt t₆ an dem Pixel 32 eintrifft. Der Zeitpunkt t₅ folgt dem Zeitpunkt t₄, wobei der Zeitpunkt t₅ vor dem Zeitpunkt t₆ an der Zeitachse angeordnet ist. Ein Zeitpunkt t₇ folgt auf den Zeitpunkt t₆.
Das Zeitintervall (t₆–t₄), in welchem der reflektierte Lichtpuls an dem Pixel 32 eintrifft, überlappt teilweise mit dem Intervall (t₅–t₃) und teilweise mit dem Intervall (t₇–t₅). Das bedeutet, dass der reflektierte Lichtpuls 22r teilweise mittels des Speicherknotens FD1 und teilweise in dem Speicherknoten FD2 in Form von dorthin transportierten Ladungsträgern erfassbar ist. Ein schraffierter Bereich 62a bezeichnet ein Maß an Ladungsträgern, die in dem photoaktiven Bereich 18a erzeugt und zu dem Speicherknoten FD1 transportiert sind bzw. eine Stärke des Signals U_out1. Eine schraffierte Fläche 62b beschreibt ein Maß an Ladungsträgern, das in dem photoaktiven Bereich 18b erzeugt und zu dem Speicherknoten FD3 transportiert ist bzw. eine Amplitude des Signals U_out2.
Während der Zeitintervalle (t₅–t₃) und (t₇–t₅) können auch Ladungsträger, die basierend auf Hintergrundstrahlung in den photoaktiven Bereichen 18a und 18b erzeugt werden, zu den Speicherknoten FD1 und FD2 transportiert werden und die Signale U_out1 und U_out2 beeinflussen, das heißt verfälschen. Dies ist durch die Bereiche 63a und 63b dargestellt. Das bedeutet, das jeweils akkumulierte Signal umfasst ein über das jeweilige Intervall akkumuliertes Hintergrundlicht. Die Hintergrundlichtinformation kann sich auf den erfassten Objektbereich beziehen, etwa Streulicht, das unabhängig von der Strahlungsquelle 56 auf die photoaktiven Bereiche trifft. Die Steuervorrichtung 54 ist ausgebildet, um diese Verfälschung basierend auf dem Signal U_out3 bzw. auf den Ladungsträgern, die während des Zeitintervalls (t₂–t₁) zu dem Speicherknoten FD3 transportiert werden, zu korrigieren. Dies kann beispielsweise durch eine Subtraktion der Signalpegel erfolgen.
Eine Summe der (ggf. von der Hintergrundbeleuchtung bereinigten) schraffierten Flächen 62a und 62b kann von der Steuereinrichtung 54 beispielsweise berechnet werden, um eine Gesamtenergie des reflektierten Lichtpulses zu bestimmen. Sind der Steuervorrichtung 54 Informationen bezüglich einer Energiestärke des emittierten Lichtpulses der Strahlungsquelle 56 bereitgestellt, so kann, beispielsweise durch eine Subtraktion oder eine Division ein Maß der Reflektanz des Objektes 12 erhalten werden. Anders ausgedrückt kann die Summe der (ggf. von der Hintergrundbeleuchtung bereinigten) schraffierten Flächen 62a und 62b bzw. der Signale U_out1 und U_out2 die Gesamtenergie des reflektierten Lichtpulses beschreiben. Ein Anteil der Gesamtenergie des reflektierten Lichtpulses in Relation zu der Gesamtenergie des emittierten Lichtpulses kann aufzeigen, welcher Anteil des emittierten Lichtpulses von dem Objekt 12 reflektiert wird, also die Reflektanzinformation beinhalten. Die Ansteuerintervalle (t₂–t₁), (t₅–t₃) und (t₇–t₅) können eine gleiche oder von einander verschiedene Zeitspannen umfassen.
Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um die Signale U_out1 und U_out2 zueinander in Relation zu setzen, beispielsweise durch eine Quotientenbildung. Ein Quotient der Signale U_out1 und U_out2 bzw. ein Quotient der straffierten Flächen 62a und 62b (um die Hintergrundstrahlung/Hintergrundlicht bereinigt oder nicht bereinigt) kann Informationen darüber bereitstellen, welche Anteile des reflektierten Lichtpulses in dem Zeitintervall (t₅–t₃) und in dem Zeitintervall (t₇–t₅) von dem Pixel 32 empfangen wird. Die Synchronisation der Zeitintervalle (t₅–t₃) und (t₇–t₅) ermöglicht eine Bestimmung der Laufzeit τ_ToF. Die Laufzeit τ_ToF kann bei einer Kenntnis einer Distanz zwischen der Strahlungsquelle 56 und dem Pixel 32, beispielsweise in eine von der elektromagnetischen Strahlung 22 zurückgelegte Wegstrecke überführt werden.
Ist die Strahlungsquelle 56 beispielsweise benachbart zu dem Pixel 32 angeordnet, kann eine Entfernung zwischen einer dem Pixel 32 zugewandten Oberfläche des Objektes 12 und dem Pixel 32 als die Hälfte der von dem Lichtpuls zurückgelegten Wegstrecke angenähert werden.
Eine Zuordnung der Speicherknoten 26a–d bzw. FD1–3 kann je nach implementierter Pixelstruktur beispielsweise gemäß den Ausführungen zur Pixelstruktur 10, zur Pixelstruktur 20 und/oder zur Pixelstruktur 30 erfolgen.
Die Steuerschaltung 54 kann ausgebildet sein, um die Abstandsbestimmung zyklisch auszuführen. Das bedeutet, dass die Steuerschaltung ausgebildet sein kann, um zyklisch, in einem Zyklus in mehreren Zyklen oder in jedem Zyklus, das erste Auswerte-Gate TX1 während eines mit einem Strahlungspuls der Strahlungsquelle 56 synchronisierten ersten Ansteuerintervalls (t₅–t₃) anzusteuern, so dass während des ersten Ansteuerintervalls (t₅–t₃) erzeugte erste Ladungsträger von dem ersten photoaktiven Bereich 18a zu dem ersten Speicherknoten FD1 transportiert werden können. Die Steuerschaltung ist ferner ausgebildet, um das zweite Auswerte-Gate TX2 während eines mit dem Strahlungspuls der Strahlungsquelle 56 synchronisierten außerhalb des ersten Ansteuerintervalls (t₅–t₃) liegenden zweiten Ansteuerintervalls (t₇–t₅) anzusteuern, so dass während des zweiten Ansteuerintervalls (t₇–t₅) erzeugte zweite Ladungsträger von dem zweiten photoaktiven Bereich 18b zu dem zweiten Speicherknoten FD2 transportiert werden können. Die Steuerschaltung ist beispielsweise ferner ausgebildet, um das dritte Auswerte-Gate TX3 während eines außerhalb des ersten (t₅–t₃) und des zweiten Ansteuerintervalls (t₇–t₅) liegenden dritten Ansteuerintervalls (t₂–t₁) anzusteuern, so dass während des dritten Ansteuerintervalls (t₂–t₁) erzeugte Ladungsträger von dem photoaktiven Bereich 18c zu dem dritten Speicherknoten FD3 transportiert werden können.
Während einer Zeit außerhalb des ersten Ansteuerintervalls (t₅–t₃) ist die Steuerschaltung 54 ausgebildet, um das erste Abführ-Gate TX4 durchgängig anzusteuern, um den ersten photoaktiven Bereich 18a mit einem ersten Referenzpotentialanschluss vddpix1 zu verbinden. Während einer Zeit außerhalb des zweiten Ansteuerintervalls (t₇–t₅) ist die Steuerschaltung 54 ausgebildet, um ein zweites Abführ-Gate TX5 anzusteuern, um den zweiten photoaktiven Bereich 18b mit einem zweiten Referenzpotentialanschluss vddpix2 zu verbinden. Während einer Zeit außerhalb des dritten Ansteuerintervalls (t₂–t₁) ist die Steuerschaltung 54 ausgebildet, um ein drittes Abführ-Gate TX6 anzusteuern, um den dritten photoaktiven Bereich 18c mit einem dritten Referenzpotentialanschluss vddpix3 zu verbinden.
Die Ansteuerung der jeweiligen Abführ-Gates TX4–6 kann außerhalb der jeweils anderen Zeitintervalle (t₅–t₃), (t₇–t₅) und/oder (t₂–t₁) ganz oder teilweise erfolgen, bevorzugt jedoch in einem ausreichend großen Zeitintervall vor dem ersten, zweiten und/oder dritten Ansteuerintervall, so dass der jeweilige photoaktive Bereich 18a–c bezüglich der erzeugten Ladungsträger entleert ist, bevor ein Messintervall startet.
Das bedeutet, dass alternativ die Ansteuerung der Abführ-Gates TX4, TX5 und/oder TX6 auch lediglich abschnittsweise, das heißt nicht durchgängig während eines Zyklus erfolgen und beispielsweise so synchronisiert sein kann, dass eine hinreichende Entladungszeit der photoaktiven Bereiche 18a, 18b und/oder 18c ermöglicht ist.
Obwohl die Anordnung der Ansteuerintervalle (t₅–t₃), (t₇–t₅) und (t₂–t₁) so beschrieben wurden, dass sie zeitlich aufeinanderfolgend angeordnet sind, können die Ansteuerintervalle (t₅–t₃), (t₇–t₅) und (t₂–t₁) auch zeitlich ganz oder teilweise überlappend angeordnet sein. Eine Erfassung zweier unabhängiger Signale (Graphen 730 und 740) bzw. dreier unabhängiger Signale (Graphen 730, 740 und 750) ermöglicht eine Bestimmung der Distanz und Reflektanzinformation bzw. zusätzlich der Hintergrundlichtinformation. Ferner können die Ansteuerintervalle (t₅–t₃), (t₇–t₅) und (t₂–t₁) eine zeitlich gleiche oder voneinander verschiedene Länge aufweisen.
Zeitintervalle, in denen ein photoaktiver Bereich (18a–c) mittels einer Ansteuerung eines jeweiligen Abführ-Gates (TX4–6) mit einem Referenzpotentialanschluss (vddpix1–3) verbunden wird (Drainingphase), können teilweise mit Zeitintervallen, in denen das jeweilige Auswerte-Gate (TX1–3) angesteuert ist (Transferphase) überlappen. Ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Speicherknoten und den Referenzpotentialen vddpix1–3 kann mittels der Ausgestaltung der Potentialprofile verhindert werden, so dass eine Funktionsfähigkeit auch bei einer Überlappung der Transferphase und der Drainingphase erhalten bleibt.
Der beschriebene Ablauf kann zur Erfassung einer Distanz- und/oder Reflektanzaufnahme (engl. Frame) mehrmals widerholt werden, um eine Messgenauigkeit zu erhöhen. Hierfür können zur Erfassung eines Frames mehrere Lichtpulse ausgesendet und deren reflektierten Anteile ausgewertet werden.
Die zyklische Erfassung von Aufnahmen bzw. Frames ermöglicht eine zeitlich aufgelöste Bestimmung der Distanzinformation die zu Bewegungsinformation kombinierbar sind. Alternativ kann die Steuerschaltung 54 auch ausgebildet sein, um die Abstandsbestimmung azyklisch, stochastisch oder deterministisch mit veränderlichen Zeitabständen oder lediglich einmalig auszuführen.
In anderen Worten zeigt 7a ein beispielhaftes Timing-Diagramm eines möglichen Verfahrens, mit dem die beispielhaft in 3 beschriebene Struktur betrieben werden kann.
Alternativ kann auch eine Pixelstruktur, wie sie in der 1, 2 oder 4 beschrieben ist, derart betrieben werden.
Alternativ zu einer Realisierung in Form von drei Subpixeln eine Realisierung mit 2 oder mehr als drei Subpixeln erfolgen. Bei 2 Subpixeln kann der Hintergrundlichtabzug (Berücksichtigen der Hintergrundlichtinformation) über eine entsprechend angepasste Subpixelstruktur, die in mindestens einem Subpixel einen entsprechenden Kurzzeitintegrator für die Aufnahme des Hintergrundlichts zur Verfügung stellt, realisiert werden.
Die obigen Ausführungen beschreiben exemplarisch einen möglichen Ablauf einer Distanz- Reflektanzinformation. Alternativ kann das Signal TX3 auch nach TX1 und/oder TX2 erfasst werden. Durch den Lichtpuls erzeugte Ladungsträger können vor dem jeweiligen Messintervall für TX3 abgeführt werden. Wenn die drei Signale TX1–3 voneinander unabhängig sind, können auch durch nicht vollständig vorab abgeführte Ladungsträger verfälschte Hintergrundlichtinformationen Informationen bzgl. Distanz, Reflektanz und Hintergrundlicht extrahiert werden.
7b–e zeigen alternative Timings der Ansteuerung der Abführ-Gates TX1 und TX2 bezüglich des Lichtpulses mit der Zeitdauer T_p, über eine Zeitachse t.
7b zeigt ein beispielhaftes Timing, bei dem eine Ansteuerung (Graph 730) des Abführ-Gates TX1 zu einer in etwa gleichen Zeit beginnt, wie der Lichtpuls (Graph 710) und nach dem Lichtpuls endet. Eine Ansteuerung (Graph 740) des Abführ-Gates TX2 ist kürzer als eine Ansteuerdauer des Abführ-Gates TX1 und beginnt während des Lichtpulses und während der Ansteuerung des Abführ-Gates TX1 und endet nach dem Lichtpuls und vor dem Ende der Ansteuerung des Abführ-Gates TX1, d. h. die Ansteuerung des Abführ-Gates TX überlappt mit der Ansteuerung des Abführ-Gates TX1 und dem Lichtpuls.
7c zeigt ein beispielhaftes Timing, bei dem die Ansteuerung der Abführ-Gates TX2 verglichen mit dem Timing aus 7b gleichzeitig mit dem Lichtpuls und der Ansteuerung des Abführ-Gates TX1 beginnt und vor dem Lichtpuls endet.
7d zeigt ein beispielhaftes Timing, bei dem der Lichtpuls, die Ansteuerung des Abführ-Gates TX1 und des Abführ-Gates TX2 in etwa gleichzeitig endet.
7e zeigt ein beispielhaftes Timing, bei dem die Ansteuerung des Abführ-Gates TX2 verglichen mit dem Timing aus 7b verlängert ist und nach der Ansteuerung des Abführ-Gates TX1 endet.
Eine Zeitdauer der Ansteuerintervalle der Abführ-Gates und/oder des Lichtpulses können eine voneinander verschiedene Zeitdauer und/oder einen voneinander verschiedenen Beginn oder Endpunkt aufweisen. Auch wenn obige Ausführungen einen in etwa gleichzeitigen Beginn einer Ansteuerung oder ein in etwa gleichzeitiges Ende einer Ansteuerung beschreiben, kann die Gleichzeitigkeit durch voneinander verschiedene Signallaufzeiten von der Steuervorrichtung hin zu dem jeweiligen Element, d. h. der Strahlungsquelle und/oder der Abführ-Gates begrenzt sein. Distanzinformationen, Reflektanzinformationen und/oder Hintergrundlichtinformationen können eindeutig bestimmt werden, wenn eindeutige, d. h. bijektive Abbildungen durch die Ansteuerung der Strahlungsquelle und/oder der Abführ-Gates vorliegt. Dies kann bspw. erreicht werden, wenn die Ansteuerintervalle TX1–3 teilweise überlappen, d. h. zeitversetzt sind und/oder unterschiedlich lang sind.
Die 8a, 8b und 8c zeigen je ein schematisches Blockschaltbild einer beispielhaften Anordnung der Speicherknoten FD1–3 innerhalb der Teilpixel 16a, 16b und ggf. 16c unter Verweis auf das Verfahren 700, wobei sich die 8a zusätzlich auf 1 und die 8b und 8c zusätzlich auf die 2 beziehen.
Wie es für die 1 beschrieben ist, weist die Pixelstruktur 10 in 8a drei Teilpixel mit je einem Speicherknoten FD1–3 auf, wobei jeder der Speicherknoten FD1–3 ausgebildet ist, um in je einem Zeitintervall, Graphen 730, 740 bzw. 750 Ladungsträger zu empfangen.
Die Nummerierungen 1, 2 und 3 können exemplarisch mit den Nummerierungen der Graphen 730 (TX1), 740 (TX2) und 750 (TX3) gleichgesetzt werden.
8b zeigt eine Anordnung der Teilpixel 16'a und des Teilpixels 16b, wobei die Speicherknoten FD1 und FD2 des Teilpixels 16'a für die Bestimmung Distanz- und Reflektanzinformation (Graphen 730 und 740) genutzt werden können und eine Hintergrundlichtinformation (Graph 750) in dem Teilpixel 16b erhalten werden kann.
Alternativ kann die Funktion der Speicherknoten FD1, FD2 und FD3 bezüglich der Graphen 730, 740 und 750 auch beliebig vertauscht sein.
8c zeigt beispielhaft eine alternative Anordnung der Pixelstruktur 20 aus 8b, bei der das Teilpixel 16'a und ein funktionsmäßig gleich aufgebautes Teilpixel 16'b angeordnet ist, das bedeutet, das zweite Teilpixel 16'b weist ebenfalls zwei Speicherknoten FD2 und FD3b auf. Die Distanz- und Reflektanzinformation kann teilweise in dem Pixel 16'a (beispielsweise Graph 730 für FD1) und teilweise in dem Teilpixel 16'b (Graph 740 für Speicherknoten FD2) erhalten werden. Jedes der Teilpixel 16'a und 16'b weist einen Speicherknoten FD3a bzw. FD3b auf, die zur Bestimmung der Hintergrundlichtinformation (Graph 750) genutzt werden können. Die Bestimmung der Hintergrundlichtinformation mittels der Speicherknoten FD3a und FD3b kann gleichzeitig und/oder zeitlich versetzt zueinander erfolgen.
Ein zeitlicher Versatz, in dem Ladungsträger zu den Speicherknoten FD3a und FD3b bestimmt wird, kann zu einer Bestimmung einer zusätzlichen Information bezüglich des Hintergrundlichts genutzt werden.
9 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Abstandserfassungssystems 90, das die Pixelstruktur 10, die Steuerschaltung 54, die mit der Pixelstruktur 10 gekoppelt ist, und die Strahlungsquelle 56 aufweist. Die Steuerschaltung 54 und die Strahlungsquelle 56 sind miteinander verschaltet, so dass eine einfache Synchronisierung von Steuerschaltung 54 und Strahlungsquelle 56 ermöglicht ist. Dies kann beispielsweise durch einen gemeinsamen Trigger oder einen gemeinsamen Timer erfolgen. Die Strahlungsquelle 56 ist benachbart zu der Pixelstruktur 10 angeordnet, so dass eine Laufzeit des Strahlungspulses von der Strahlungsquelle 56 zu dem Objekt 12 im Wesentlichen gleich ist, wie eine Laufzeit des reflektierten Strahlungspulses von dem Objekt 12 zu der Pixelstruktur 10.
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine andere Pixelstruktur 20, 30, 40 und/oder 50 an oder in dem Abstandserfassungssystem 90 angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlungsquelle 56 auch beabstandet von der Pixelstruktur 10 angeordnet sein.
Das Abstandserfassungssystem 90 kann ausgebildet sein, um mittels der Strahlungsquelle 56 den Strahlungspuls 22 mit einem Tastverhältnis (engl.: duty cycle) von weniger oder gleich 1%, weniger oder gleich 0,5% oder weniger oder gleich 0,1% zu emittieren. Eine Gesamtheit von Strahlungspulsen kann einen Duty-Cycle von weniger oder gleich 50% bezogen auf einen Erfassungszyklus eines Frames aufweisen. Ein Duty-Cycle von einem Prozent bedeutet dabei beispielsweise, dass ein Zyklus oder ein Intervall mit einer Länge von beispielsweise einer 30 μs einen Puls mit einer Breite von 30 ns aufweist und ein weiterer Puls nach 2970 ns ausgesendet wird. Eine Impulsdauer von 30 ns kann bspw. aus einem Tastverhältnis von 1/1000, das von Augensicherheitskriterien beeinflusst sein kann, und einem Erfassungsbereich von 4,5 m abgeleitet werden. In anderen Worten kann die elektromagnetische Strahlung 22 Strahlungspulse mit einem kleinen Duty-Cycle und mithin gepulste Laufzeiten aufweisen.
10 zeigt eine exemplarische Gegenüberstellung von Transmissions- und Sperrbereichen von Farbfiltern, etwa der Farbfilter 46a, 48a und 52a. Das Filter 46a weist in einem Wellenlängenbereich von in etwa 450 nm einen minimalen Photowiderstand und mithin einen maximalen Transmissionskoeffizienten von in etwa 0,85 auf. Das Farbfilter 48a ist ausgebildet, um elektromagnetische Strahlung in einem Grün-Bereich zu filtern und weist in einem Wellenlängenbereich von in etwa 540 nm einen minimalen Photowiderstand und mithin einen maximalen Transmissionskoeffizienten von in etwa 0,85 auf. Das Filter 52a ist ausgebildet, um elektromagnetische Strahlung in dem Rot-Bereich zu filtern und weist bei Wellenlängen von mehr als 600 nm einen minimalen Photowiderstand und einen Transmissionskoeffizienten von größer als 0,95 auf.
10 zeigt ferner, dass das Filter 46a, das Filter 48a und das Filter 52a in einem Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von größer als 800 nm einen hohen Transmissionskoeffizienten und einen niedrigen Photowiderstand aufweisen, das bedeutet, die Filter 46a, 48a und 52a sind in dem Infrarotbereich transparent oder nahezu transparent.
In anderen Worten zeigt 10 eine exemplarische Gegenüberstellung von Transmittivitätscharakteristiken üblicher Farbfilter, wie sie auf einem Bildsensor kostengünstig aufgebracht werden können.
11a zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Pixelstruktur 110 gemäß dem Stand der Technik. An einem photoaktiven Bereich (Photoaktivgebiet) 92 sind drei Speicherknoten FD1, FD2 und FD3 sowie ein Abführgebiet DD angeordnet. 11b zeigt eine schematische Querschnittansicht der Pixelstruktur 110.
In anderen Worten zeigen die 11a und 11b ein Schemata eines ToF-Pixels, basierend auf einer lateralen Driftfeldphotodiode (Lateral Drift Field Photo Diode – LDPD) mit drei Kurzzeitintegratoren und einem Abzugsknoten zur Eliminierung von Fremdlicht außerhalb der Kurzzeitintegrationsfenster, wobei 11a eine Top-Perspektive und 11b einen Querschnitt entlang der Transferrichtung des Pixels zeigt.
12 zeigt ein schematisches Timing eines Verfahrens zur Auswertung der Pixelstruktur 110. In anderen Worten zeigt 12 ein beispielhaftes Timing-Diagramm eines ToF-Verfahrens gemäß dem Stand der Technik, welches bei Bedarf mehrfach iterierbar ist, um die Wiederholgenauigkeit zu verbessern. Eine mehrfache Iteration führt dabei zu einer erhöhten Messzeit.
Alternativ zu der hier beschriebenen Realisierung kann der Photodetektor, mit dem die hier vorgeschlagene Pixelarchitektur, die photoaktiven Bereiche und das zugehörige Verfahren realisiert werden können, auf einfachen „Pinned Photodioden”, „Photogatestrukturen” oder anders artigen Photodioden, bei denen Photoaktivgebiet und Speicherknoten getrennt sind (wie z. B. dem Lateralen Driftfelddetektor), realisiert werden. Die Steuerelektroden (Transfer-Gates) könnten alternativ auch über Sperrschicht-FET-artige (engl.: junction-FET – JFET) Strukturen realisiert werden. Es ist ferner denkbar, z. T. völlig auf Elektroden zu verzichten und Subpixel basierend auf sogenannten „Draining-only”-Strukturen zu realisieren. Dies hätte u. U. eine weitere Verbesserung der Ladungstransfergeschwindigkeit zur Folge, kann aber zu einer erhöhten Komplexität beim Design des Detektors führen, die notwendig wird um ein entsprechendes Sperrverhalten zu realisieren.
Ausführungsbeispiele ermöglichen die Aufnahme eines RGBZ-Bildes unter Vermeidung einer Verwendung eines sogenannten Bayer-Pattern und Binning von Subpixeln. So kann vermieden werden, dass die Speicherknoten durch die Pixelstruktur und das Binning eine große Sense-Knoten-Kapazität aufweisen, was zu einem erhöhten Ausleserauschen und fehlangepassten Dynamikbereich führen kann. Ferner kann ein Aufwand der Gestaltung der Farbfilter, wie er bei einem Bayer-Patterns nötig ist, reduziert werden. Ferner kann die Aufnahme der Farbinformation und der Distanzinformation durch die gleichen Subpixel realisiert werden, was zu einer erhöhten lateralen Auflösung führen kann, da keine zusätzlichen Subpixel angeordnet werden müssen, die die Farbinformation erfassen.
Obige Ausführungen beschreiben Ausführungsbeispiele, in denen die Distanzinformation basierend auf einer Linearisierung erhalten wird, d. h. unter der Annahme, dass der Lichtimpuls eine unendliche Flankensteilheit bzgl. seiner Intensitätsvariation und der photoaktive Bereich eine unendlich hohe Empfindlichkeit aufweist, wobei auch eine Verzögerung durch Photodetektor und/oder Ausleseelektronik vernachlässigt ist. Ein realer Lichtimpuls sowie die Empfindlichkeit des photoaktiven Bereichs weisen jedoch ggf. nichtlineare Flanken mit einer endlichen Steilheit auf. Ein derartiges Verhalten kann mit entsprechenden Algorithmen angenähert werden, um eine hohe Messpräzision zu erhalten. Derartige Algorithmen können bspw. multivariante Polynome und/oder Koordinatentransformationen umfassen.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Pixelstruktur (10; 30; 40) zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt (12) mit folgenden Merkmalen: zumindest einem Pixel (14; 32; 32a–g; 35), umfassend ein erstes Teilpixel (16a), ein zweites Teilpixel (16b) und ein drittes Teilpixel (16c) zur Erfassung des Objektbereichs; wobei das erste Teilpixel (16a) einen ersten photoaktiven Bereich (18a), einen ersten Speicherknoten (26a, FD1) und ein erstes Auswerte-Gate (24a, TX1) umfasst, wobei das erste Auswerte-Gate (24a, TX1) benachbart zu dem ersten Speicherknoten (26a, FD1) und dem ersten photoaktiven Bereich (18a) des ersten Teilpixels (16a) gebildet ist, und ausgebildet ist, um einen Transport von in dem ersten photoaktiven Bereich (18a) erzeugten Ladungsträgern aus dem ersten photoaktiven Bereich (18a) zu dem ersten Speicherknoten (26a, FD1) zu steuern; und wobei das zweite Teilpixel (16b) einen zweiten photoaktiven Bereich (18b), einen zweiten Speicherknoten (26b, FD2) und ein zweites Auswerte-Gate (24b, TX2) umfasst, wobei das zweite Auswerte-Gate (24b, TX2) benachbart zu dem zweiten Speicherknoten (26b, FD2) und dem zweiten photoaktiven Bereich (18b) des zweiten Teilpixels (16b) gebildet ist, und ausgebildet ist, um einen Transport von in dem zweiten photoaktiven Bereich (18b) erzeugten Ladungsträgern aus dem zweiten photoaktiven Bereich (18b) zu dem zweiten Speicherknoten (26b, FD2) zu steuern. wobei das dritte Teilpixel (16c) einen dritten photoaktiven Bereich (18c) und einen dritten Speicherknoten (26c, FD3) und ein drittes Auswerte-Gate (24c, TX3) umfasst, wobei das dritte Auswerte-Gate (24c, TX3) benachbart zu dem dritten Speicherknoten (26c, FD3) und dem dritten photoaktiven Bereich (18c) des dritten Teilpixels (16c) gebildet ist, und ausgebildet ist, um einen Transport von in dem dritten photoaktiven Bereich (18c) erzeugte Ladungsträger aus dem dritten photoaktiven Bereich (18c) zu dem dritten Speicherknoten (26c, FD3) zu steuern.
Pixelstruktur gemäß Anspruch 1, bei der eine erste Hauptseitenoberfläche des ersten Teilpixels (16a), eine zweite Hauptseitenoberfläche des zweiten Teilpixels (16b) und eine dritte Hauptseitenoberfläche des dritten Teilpixels (16c) kongruent sind.
Pixelstruktur (20) zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt (12) mit folgenden Merkmalen: zumindest einem Pixel (14'), umfassend ein erstes Teilpixel (16'a) und ein zweites Teilpixel (16b; 16'b) zur Erfassung des Objektbereichs; wobei das erste Teilpixel (16'a) einen ersten photoaktiven Bereich (18a), einen ersten Speicherknoten (26a, FD1) und einen zweiten Speicherknoten (26b, FD2), ein erstes (24a, TX1) und ein zweites Auswerte-Gate (24b, TX2) umfasst, wobei das erste Auswerte-Gate (24a, TX1) benachbart zu dem ersten Speicherknoten (26a, FD1) und dem ersten photoaktiven Bereich (18a) des ersten Teilpixels (16'a) gebildet ist, wobei das zweite Auswerte-Gate (24b, TX2) benachbart zu dem zweiten Speicherknoten (26b, FD2) und dem ersten photoaktiven Bereich (18a) des ersten Teilpixels (16'a) gebildet ist, wobei das erste (24a, TX1) und das zweite Auswerte-Gate (24b, TX2) ausgebildet sind, um einen Transport von in dem ersten photoaktiven Bereich (18a) erzeugten Ladungsträgern aus dem ersten photoaktiven Bereich (18a) zu dem jeweils benachbart angeordneten Speicherknoten (24a–b, TX1–2) zu steuern; wobei das zweite Teilpixel (16b; 16'b) einen zweiten photoaktiven Bereich (18b), einen dritten Speicherknoten (26c, FD3) und ein drittes Auswerte-Gate (24c, TX3) umfasst, wobei das dritte Auswerte-Gate (24c, TX3) benachbart zu dem dritten Speicherknoten (26c, FD3) und dem zweiten photoaktiven Bereich (18b) des zweiten Teilpixels (16b; 16'b) gebildet ist, und ausgebildet ist, um einen Transport von in dem zweiten photoaktiven Bereich (18b) erzeugten Ladungsträgern aus dem zweiten photoaktiven Bereich (18b) zu dem dritten Speicherknoten (26c, FD3) zu steuern.
Pixelstruktur gemäß Anspruch 3, bei dem das zweite Teilpixel ferner einen vierten Speicherknoten (26d) und ein viertes Auswerte-Gate (24d) umfasst, wobei das vierte Auswerte-Gate (24d) benachbart zu dem vierten Speicherknoten (26d) und dem zweiten photoaktiven Bereich (18b) des zweiten Teilpixels (16b; 16'b) gebildet ist, und ausgebildet ist, um einen Transport von in dem zweiten photoaktiven Bereich (18b) erzeugten Ladungsträgern aus dem zweiten photoaktiven Bereich (18b) zu dem vierten Speicherknoten (26d) zu steuern.
Pixelstruktur gemäß Anspruch 3 oder 4, bei der eine erste Hauptseitenoberfläche des ersten Teilpixels (16a; 16'a) und eine zweite Hauptseitenoberfläche des zweiten Teilpixels (16b; 16'b) kongruent sind.
Pixelstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der zumindest eines der Teilpixel (16a–c; 16'a–b) ein Sammeltor (CX1–3) umfasst, das zwischen dem jeweiligen photoaktiven Bereich (18a–c) und dem jeweiligen Auswerte-Gate (26a–c) angeordnet ist, und ausgebildet ist, um einen Transport von erzeugten Ladungsträgern aus dem jeweiligen photoaktiven Bereich (18a–c) zu dem jeweiligen Auswerte-Gate (24a–c, TX1–3) durch das Sammeltor (CX1–3) zu steuern.
Pixelstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Vielzahl von zweidimensional versetzt zueinander angeordneten Pixeln (14; 14'; 32; 32a–g; 35).
Pixelstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der bezüglich eines ersten Teilpixels (16a) eines Pixels (14; 14'; 32; 32a–g; 35) ein erstes Farbfilter (46a–b) mit einem ersten Durchlass-Wellenlängenbereich und bezüglich eines zweiten Teilpixels (16b) des Pixels (14; 14'; 32; 32a–g; 35) ein zweites Farbfilter (48a–b) mit einem zweiten Durchlass-Wellenlängenbereich angeordnet ist.
Pixelstruktur gemäß Anspruch 8, bei der bezüglich eines dritten Teilpixels (16c) des Pixels (14; 14'; 32; 32a–g; 35) ein drittes Farbfilter (52a–b) mit einem dritten Durchlass-Wellenlängenbereich angeordnet ist.
Pixelstruktur gemäß Anspruch 8 oder 9, mit einer Vielzahl von zweidimensional versetzt zueinander angeordneten Pixeln (14; 14'; 32; 32a–g; 35) wobei erste Farbfilter (46a–b, 52a–b) bezüglich erster Teilpixel (16a) der Vielzahl von Pixeln (14; 14'; 32; 32a–g; 35) und zweite Farbfilter (48a–b; 52a–b) bezüglich zweiter Teilpixel (16b) der Vielzahl von Pixeln (14; 14'; 32; 32a–g; 35) angeordnet sind und die Farbfilter (46a–b, 48a–b, 52a–b) bezüglich der Teilpixel basierend auf einer spaltenweisen Anordnung, basierend auf einer zeilenweisen Anordnung oder basierend auf einem Bayer-Pattern angeordnet sind.
Pixelstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der jedes der Teilpixel (16a–c; 16'a–b) ein Abführ-Gate (TX4–6) und ein Abführgebiet (DD1–3) umfasst, wobei das jeweilige Abführ-Gate (TX4–6) benachbart zu dem jeweiligen photoaktiven Bereich (18a–c) und benachbart zu dem jeweiligen Abführgebiet (DD1–3) gebildet ist, und ausgebildet ist, um einen Transport von in dem jeweiligen photoaktiven Bereich (18a–c) erzeugten Ladungsträgern zu dem jeweiligen Abführgebiet (DD1–3) zu steuern.
Pixelstruktur gemäß Anspruch 11, bei der das jeweilige Abführgebiet (DD1–3) mit einem jeweiligen Referenzpotential (vddpix, vddpix1–3) verbindbar ist.
Pixelstruktur gemäß Anspruch 12, bei der die jeweiligen Referenzpotentiale (vddpix, vddpix1–3) miteinander zu einem Potential (vddpix) verschaltet sind.
Pixelstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner Rücksetztransistoren (M1-1, M1-2, M1-3) aufweist, die mit dem jeweiligen Speicherknoten (26a–c, FD1–3) verschaltet sind und ausgebildet sind, um ein Rücksetzpotential (Rücksetzen FD1, Rücksetzen FD2, Rücksetzen FD3) an den jeweiligen Speicherknoten (26a–c, FD1–3) anzulegen, so dass in dem jeweiligen Speicherknoten gespeicherte Ladungsträger abgeführt werden.
Pixelstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine mit dem jeweiligen Speicherknoten (26a–c, FD1–3) verschaltete Verstärkerschaltung (M2-1, M2-1, M2-3) aufweist, wobei die Verstärkerschaltungen (M2-1, M2-2, M2-3) ausgebildet sind, um basierend auf einer Menge von in dem jeweiligen Speicherknoten (26a–c, FD1–3) gespeicherten Ladungsträgern ein jeweiliges elektrisches Potential zu generieren, wobei das jeweilige elektrische Potential ausgebildet ist, um eine Information bezüglich der Menge von in dem jeweiligen Speicherknoten (26a–c, FD1–3) gespeicherten Ladungsträgern bereitzustellen.
Pixelstruktur gemäß Anspruch 15, die einen zwischen die jeweilige Verstärkerschaltung (M2-1, M2-2, M2-3) und einen jeweiligen Anschluss zum Ausgeben einer jeweiligen Messspannung (U_out1, U_out2, U_out3) verschalteten jeweiligen Auswahlschalter (M3-1) aufweist, wobei die Auswahlschalter (M3-1, M3-2, M3-3) ausgebildet sind, um basierend auf einem Auswahlsignal (Zeilenauswahl) die jeweilige Messspannung (U_out1, U_out2, U_out3) an Ausgänge anzulegen, wobei der jeweilige Auswahlschalter (M3-1) ausgebildet ist, um die jeweilige Messspannung (U_out1) basierend auf dem jeweiligen elektrischen Potential bereitzustellen.
Pixelstruktur gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der photoaktive Bereich eines Teilpixels von einem Photodetektor umfasst wird, der eines aus einer gepinnten Photodiode, einer Photogatestruktur oder einem lateralen Driftfelddetektor ist.
Vorrichtung (60) mit: einer Pixelstruktur (10; 20; 30; 40; 50) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; und einer Steuerschaltung (54) zur Steuerung der Pixelstruktur (10; 20; 30; 40; 50) umfasst, wobei die Steuerschaltung (54) ausgebildet ist, um zyklisch, das erste Auswerte-Gate (24a, TX1) während eines mit einem Strahlungspuls einer Strahlungsquelle (56) synchronisierten ersten Ansteuerintervalls (t₅–t₃) anzusteuern, so dass während des ersten Ansteuerintervalls (t₅–t₃) erzeugte erste Ladungsträger von dem jeweiligen photoaktiven Bereich (18a) zu dem ersten Speicherknoten (26a, FD1) transportiert werden können, und das zweite Auswerte-Gate (24b, TX2) während eines mit dem Strahlungspuls (22) der Strahlungsquelle (56) zweiten Ansteuerintervalls (t₇–t₅) anzusteuern, so dass während des zweiten Ansteuerintervalls (t₇–t₅) erzeugte zweite Ladungsträger von dem jeweiligen photoaktiven Bereich (18b) zu dem zweiten Speicherknoten (26b, FD2) transportiert werden können; und das dritte Auswerte-Gate (24c, TX3) während eines dritten Ansteuerintervalls (t₂–t₁) anzusteuern, so dass während des dritten Ansteuerintervalls (t₂–t₁) erzeugte dritte Ladungsträger von einem jeweiligen photoaktiven Bereich (18c) zu dem dritten Speicherknoten (26c, FD3) transportiert werden können.
Vorrichtung gemäß Anspruch 18, bei der die Steuerschaltung (54) ausgebildet ist, um zyklisch, ein erstes Abführ-Gate (TX4), das benachbart zu dem jeweiligen photoaktiven Bereich angeordnet ist, von dem die ersten Ladungsträger zu dem ersten Speicherknoten (26a, FD1) transportiert werden, anzusteuern, um den jeweiligen photoaktiven Bereich (18a) mit einem jeweiligen Referenzpotentialanschluss (vddpix1, vddpix) zu verbinden; ein zweites Abführ-Gate (TX5), das benachbart zu dem jeweiligen photoaktiven Bereich angeordnet ist, von dem die zweiten Ladungsträger zu dem zweiten Speicherknoten (26a, FD1) transportiert werden, anzusteuern, um den jeweiligen photoaktiven Bereich (18b) mit einem jeweiligen Referenzpotentialanschluss (vddpix2, vddpix) zu verbinden; und ein drittes Abführ-Gate (TX6), das benachbart zu dem jeweiligen photoaktiven Bereich angeordnet ist, von dem die dritten Ladungsträger zu dem dritten Speicherknoten (26a, FD1) transportiert werden, anzusteuern, um den jeweiligen photoaktiven Bereich (18c) mit einem jeweiligen Referenzpotentialanschluss (vddpix3, vddpix) zu verbinden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 18 oder 19, bei der die Steuerschaltung (54) ausgebildet ist, um basierend auf einer Menge der ersten und zweiten Ladungsträger eine Distanzinformation (28) oder eine Reflektanzinformation bezüglich des Objekts (12) in dem Objektbereich bereitzustellen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 18–20, bei der die Steuerschaltung (54) ausgebildet ist, um basierend auf einer Ladung der ersten Ladungsträger, der zweiten Ladungsträger und der dritten Ladungsträger eine Reflektanzinformation und eine Distanzinformation bezüglich des Objekts (12) in dem Objektbereich und eine Hintergrundlichtinformation (63a, 63b) bezüglich des Objektbereichs bereitzustellen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 18–21, bei der die Steuerschaltung (54) ausgebildet ist, um das erste Ansteuerintervall (t₅–t₃) und das zweite Ansteuerintervall (t₇–t₅) bezüglich des Strahlungspulses (22) so zu synchronisieren, dass das erste Ansteuerintervall (t₃–t₅) und das zweite Ansteuerintervall (t₇–t₅) zeitlich mit einem Zeitintervall (t₆–t₄), in dem ein reflektierter Strahlungspuls (22r) auf die photoaktiven Bereiche (18a–c) trifft, überlappen und bei der die Steuerschaltung (54) ausgebildet ist, um aus der Menge der ersten und der zweiten Ladungsträger unter Korrektur (63a–b) eine Reflektanzvariation des Objekts (12), das den Strahlungspuls (22) reflektiert, über den Objektbereich hinweg zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 18–21, bei der bezüglich eines ersten Teilpixels (16a) eines Pixels (14; 14'; 32; 32a–g; 35) der Pixelstruktur (10; 20; 30; 40; 50) ein erstes Farbfilter (46a–b) mit einem ersten Durchlass-Wellenlängenbereich und bezüglich eines zweiten Teilpixels (16b) des Pixels (14; 14'; 32; 32a–g; 35) ein zweites Farbfilter (48a–b) mit einem zweiten Durchlass-Wellenlängenbereich angeordnet ist und bei der die Steuervorrichtung ausgebildet ist, um basierend auf Ladungsträgern, die in dem ersten Teilpixel (16a) erzeugt werden, eine erste Farbinformation zu erhalten, um basierend auf Ladungsträgern, die in einem zweiten Teilpixel (16b) erzeugt werden, eine zweite Farbinformation zu erhalten und um basierend auf der ersten Farbinformation und der zweiten Farbinformation eine dritte Farbinformation bezüglich des Objekts (12) zu erhalten.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 18–21, bei der bezüglich eines ersten Teilpixels (16a) eines Pixels (14; 14'; 32; 32a–g; 35) der Pixelstruktur (10; 20; 30; 40; 50) ein erstes Farbfilter (46a–b) mit einem ersten Durchlass-Wellenlängenbereich, bei der bezüglich eines zweiten Teilpixels (16b) des Pixels (14; 14'; 32; 32a–g; 35) ein zweites Farbfilter (48a–b) mit einem zweiten Durchlass-Wellenlängenbereich angeordnet ist und bei der bezüglich eines dritten Teilpixels (16c) des Pixels (14; 14'; 32; 32a–g; 35) ein drittes Farbfilter (52a–b) mit einem dritten Durchlass-Wellenlängenbereich angeordnet ist und bei der die Steuervorrichtung ausgebildet ist, um basierend auf Ladungsträgern, die in dem ersten Teilpixel (16a) erzeugt werden, eine erste Farbinformation zu erhalten, um basierend auf Ladungsträgern, die in einem zweiten Teilpixel (16b) erzeugt werden, eine zweite Farbinformation zu erhalten und um basierend auf Ladungsträgern, die in dem dritten Teilpixel erzeugt werden, eine dritte Farbinformation bezüglich des Objekts (12) zu erhalten.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 18–24, bei der die Steuerschaltung (54) ausgebildet ist, um ein Bandpassfilter anzusteuern, das bezüglich zumindest eines Pixels angeordnet ist und ausgebildet ist, um eine Transmissionseigenschaft bezüglich elektromagnetischer Strahlung (22r) durch das Bandpassfilter hin zu dem photoaktiven Bereich (18c) eines jeweiligen Teilpixels (16a–c; 16'a–b) zeitvariant zu beeinflussen.
Abstandserfassungssystem (70) mit: einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 18–24; einer Strahlungsquelle (56), die ausgebildet ist, um einen Strahlungspuls (22) in Richtung eines Objekts (12) zu emittieren; und einer Steuerschaltung (54), die mit der Pixelstruktur (10; 20; 30; 40; 50) und der Strahlungsquelle (56) gekoppelt ist und die ausgebildet ist, um mittels Laufzeitauswertung eine Distanzinformation bezüglich des Objekts (12) zu bestimmen.
Abstandserfassungssystem gemäß Anspruch 26, bei dem die Steuerschaltung (54) ausgebildet ist, um eine Reflektanzinformation bezüglich des Objekts (12) zu bestimmen.
Abstandserfassungssystem gemäß Anspruch 26 oder 27, bei dem die Strahlungsquelle (56) benachbart zu der Pixelstruktur (10; 20; 30; 40; 50) angeordnet ist, so dass eine Laufzeit des Strahlungspulses (22) von der Strahlungsquelle (56) zu dem Objekt (12) im Wesentlichen gleich ist, wie eine Laufzeit des reflektierten Strahlungspuls (22r) von dem Objekt (12) zu der Pixelstruktur (10; 20; 30; 40; 50).
Abstandserfassungssystem gemäß einem der Ansprüche 26–28, bei dem die Strahlungsquelle (56) ausgebildet ist, um den Strahlungspuls (22) zyklisch mit einem Tastverhältnis von weniger oder gleich 50% zu emittieren.