DE102015218484A1 - Reference pixel array for an image sensor - Google Patents
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Abstract
Referenzpixelarray (26) für einen Bildsensor, mit einem Array von Pixeln (21), die zumindest teilweise einen lichtdurchlässigen Bereich und Mittel (Ga, Gb) zur Integration von Ladungsträgern (q) aufweisen, wobei wenigstens ein Pixel (21) des Referenzpixelarrays (26) als abgedecktes Pixel (22) ausgebildet ist, indem das abgedeckte Pixel (22) vollständig mit einer lichtundurchlässigen Schicht (28) abgedeckt ist.Reference pixel array (26) for an image sensor, comprising an array of pixels (21) at least partially having a transmissive region and means (Ga, Gb) for integrating carriers (q), at least one pixel (21) of the reference pixel array (26 ) is formed as a covered pixel (22) in that the covered pixel (22) is completely covered by an opaque layer (28).
Description
Die Erfindung betrifft ein Referenzpixelarray für einen Bildsensor, ein Bildsensor und insbesondere auch einen Lichtlaufzeitsensor nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a reference pixel array for an image sensor, an image sensor and in particular also a light transit time sensor according to the preamble of the independent claims.
Als Lichtlaufzeitsensor soll hier insbesondere ein Sensor verstanden werden, der eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnt. Als Lichtlaufzeit- bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie beispielsweise in der
Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit eines Bildsensors bzw. die Zuverlässigkeit der Distanzmessungen einer Lichtlaufzeitkamera bzw. eines Lichtlaufzeitsensors zu verbessern.The object of the invention is to improve the reliability of an image sensor or the reliability of the distance measurements of a light transit time camera or a light transit time sensor.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Referenzpixelarray und dem erfindungsgemäßen Bildsensor nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object is achieved in an advantageous manner by the reference pixel array according to the invention and the image sensor according to the invention as generically defined by the independent claims.
Vorteilhaft ist ein Referenzpixelarray für einen Bildsensor vorgesehen, mit einem Array von Pixeln, die zumindest teilweise einen lichtdurchlässigen Bereich und Mittel zur Integration von Ladungsträgern aufweisen, wobei wenigstens ein Pixel des Referenzpixelarrays als abgedecktes Pixel ausgebildet ist, indem das Pixel vollständig mit einer lichtundurchlässigen Schicht abgedeckt ist. Advantageously, a reference pixel array is provided for an image sensor, comprising an array of pixels having at least partially a transparent region and means for integrating charge carriers, wherein at least one pixel of the reference pixel array is formed as a covered pixel by completely covering the pixel with an opaque layer is.
Durch dieses Vorgehen ist es möglich, in einfacher Art und Weise den Dynamikumfang eines Referenzpixelarrays zu erhöhen. Die aktiv betriebenen aber abgedeckten Pixel im Referenzpixelarray erhalten ihr Lichtsignal nur indirekt, beispielsweise über Reflektionen an der Metallisierung, und erhalten somit deutlich weniger Licht als direkt bestrahlte Pixel. So ist es möglich, dass selbst bei starker Bestrahlung immer ein Pixel aufgefunden werden kann, deren Integrationsknoten nicht in Sättigung sind und/oder ein geeignetes Signal-Rauschverhältnis aufweisen.By doing so, it is possible to easily increase the dynamic range of a reference pixel array. The actively operated but covered pixels in the reference pixel array receive their light signal only indirectly, for example via reflections on the metallization, and thus obtain significantly less light than directly irradiated pixels. Thus, it is possible that even with strong irradiation, a pixel can always be found whose integration nodes are not in saturation and / or have a suitable signal-to-noise ratio.
Besonders nützlich ist es, wenn das Referenzpixelarray mehrere abgedeckte Pixel aufweist und wenigstens zwei abgedeckte Pixel unmittelbar benachbart sind.It is particularly useful if the reference pixel array has a plurality of covered pixels and at least two covered pixels are immediately adjacent.
Durch dieses Vorgehen lässt sich der Dynamikumfang weiter erhöhen, da zum einen die angrenzenden Randbereiche durch die Licht eintreten kann verkleinert und zum anderen die Wegstrecke des indirekt einfallenden Lichts vergrößert wird und somit im Ergebnis die am Pixel detektierbare Lichtmenge verringert wird.By this procedure, the dynamic range can be increased further, since on the one hand the adjacent edge regions can enter through the light and, on the other hand, the travel distance of the indirectly incident light is increased and, as a result, the quantity of light detectable at the pixel is reduced.
Ferner ist es von Vorteil, wenn sich eine Anordnung der abgedeckten Pixel innerhalb des Referenzpixelarrays wenigstens einmal wiederholt.Furthermore, it is advantageous if an arrangement of the covered pixels within the reference pixel array repeats itself at least once.
Durch diese sich wiederholende Anordnung lässt sich eine Vielzahl von indirekt bestrahlten Referenzpixeln bereitstellen, die im Wesentlichen die gleiche Lichtmenge empfangen sollten. So ist es möglich, über mehrere Referenzpixel, die der gleichen Lichtmenge zugeordnet sind, beispielsweise eine mittlere Lichtmenge zu bestimmen.This repetitive arrangement provides a plurality of indirectly irradiated reference pixels that should receive substantially the same amount of light. It is thus possible, for example, to determine an average amount of light via a plurality of reference pixels which are assigned to the same amount of light.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, mehrere abgedeckte Pixel zu einem gemeinsamen Pixel in einer Auswertung und/oder elektrisch zusammenzufassen. Durch dieses Vorgehen lassen sich beispielsweise statistische Schwankungen der Pixel ausgleichen.In a further embodiment, it is provided to combine a plurality of covered pixels into a common pixel in an evaluation and / or electrically. By this procedure, for example, statistical fluctuations of the pixels can be compensated.
Besonders vorteilhaft ist es, ein Bildsensor zur Erfassung von Licht vorzusehen, mit einem Array von Pixeln die zumindest teilweise einen lichtdurchlässigen Bereich und Mittel zur Integration von Ladungsträgern aufweisen, wobei ein Teil der Pixel als Referenzpixel herangezogen werden, und wobei diese Referenzpixel als Referenzpixelarray gemäß einer der vorgenannten Varianten ausgebildet sind.It is particularly advantageous to provide an image sensor for detecting light, having an array of pixels which at least partially have a light-transmissive region and means for integrating charge carriers, wherein a part of the pixels are used as reference pixels, and wherein these reference pixels are used as reference pixel array according to US Pat the aforementioned variants are formed.
Durch dieses Vorgehen wird in einfacher Art und Weise sichergestellt, dass die als Referenzpixel betriebenen Pixel, die gleichen elektrischen Eigenschaften wie die Pixel des übrigen Sensors aufweisen.This procedure ensures in a simple manner that the pixels operated as reference pixels have the same electrical properties as the pixels of the remaining sensor.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, den Bildsensor als Lichtlaufzeitsensor mit Lichtlaufzeitpixeln und Referenzpixeln zur Phasenmessung eines modulierten Lichts ausgebildet ist, wobei wenigstens ein Pixel der Referenzpixel vollständig mit einer lichtundurchlässigen Schicht abgedeckt ist.In a further embodiment, it is provided that the image sensor is designed as a light transit time sensor with light transit time pixels and reference pixels for phase measurement of a modulated light, wherein at least one pixel of the reference pixels is completely covered with an opaque layer.
Ferner ist eine Lichtlaufzeitkamera mit eine Referenzpixelarray oder Bildsensor nach einem der vorgenannten Ausführungen vorgesehen.Furthermore, a light cycle camera with a reference pixel array or image sensor according to one of the aforementioned embodiments is provided.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen schematisch:They show schematically:
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, like reference characters designate like or similar components.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle
Zur genaueren Bestimmung der zweiten Phasenlage b und somit der Objektentfernung d kann es vorgesehen sein, die Phasenlage a mit der der Lichtlaufzeitsensor
Zur Kompensation von Messunsicherheiten können auf dem Sensor
Um Veränderungen der elektrischen Eigenschaften während des Betriebes erkennen und kompensieren zu können, können die Referenzpixel beispielsweise mit einem Referenzsignal/licht beleuchtet werden. Insbesondere kann es vorgesehen sein, ein Teil des ausgesendeten Lichts auszukoppeln und mit diesem Licht die Referenzpixel zu beleuchten. In Abhängigkeit der Unterschiede zwischen den erwarteten und gemessenen Ergebnissen können die Messungen der bilderfassenden Pixelmatrix korrigiert werden.In order to be able to recognize and compensate for changes in the electrical properties during operation, the reference pixels can be illuminated, for example, with a reference signal / light. In particular, it may be provided to decouple a part of the emitted light and to illuminate the reference pixels with this light. Depending on the differences between the expected and measured results, the measurements of the image-capturing pixel matrix can be corrected.
Die im lichtdurchlässigen Bereich einfallende Strahlung hν erzeugt im Halbleiter Ladungsträger q, die in Abhängigkeit der anliegenden Modulationsspannung ModA, ModB entweder dem ersten oder zweiten Integrationsknoten Ga, Gb phasensynchron zugeführt werden.The incident radiation in the translucent area hν generated in the semiconductor carriers q, which are supplied in phase synchronism depending on the applied modulation voltage ModA, ModB either the first or second integration node Ga, Gb.
Im dargestellten Fall sind die Integrationsknoten als Dioden in einem p-dotierten Basismaterial ausgebildet. Die Dotierung kann selbstverständlich auch komplementär erfolgen. Die an den Integrationsknoten Ga, Gb gesammelten Ladungen werden dann über Ausleseschaltungen an beispielsweise Spaltenleitungen weiter gegeben. In the case shown, the integration nodes are formed as diodes in a p-doped base material. Of course, the doping can also be complementary. The charges accumulated at the integration nodes Ga, Gb are then passed on via read-out circuits to, for example, column lines.
Kerngedanke der Erfindung ist, den typischerweise nachteiligen Effekt des Signalübersprechens zwischen benachbarten Pixeln durch Lichtstreuung oder -weiterleitung vorteilhaft für die Bereitstellung unterschiedlicher Nutzsignalamplituden zu verwenden, um so den Dynamikbereich der Lichtlaufzeitpixel bzw. Referenzpixel
Durch die Unterleuchtung der abgedeckten Pixel
Die Unterleuchtung wird vornehmlich durch die Lichtleitung im Halbleiter selbst getrieben. Halbleiter, insbesondere Silizium, weisen eine wellenlängenabhängige Eindringtiefe auf, die ausgehend vom blauen Licht in Richtung roter und infraroter Strahlung zunimmt. Die Eindringtiefe bzw. die Reichweite des eindringenden Lichts wird im Wesentlichen durch das Halbleitermaterial selbst vorgegeben.The illumination is mainly driven by the light pipe in the semiconductor itself. Semiconductors, in particular silicon, have a wavelength-dependent penetration depth which, starting from the blue light, increases in the direction of red and infrared radiation. The penetration depth or the range of the penetrating light is essentially predetermined by the semiconductor material itself.
Ferner erfolgt eine Unterleuchtung der abgedeckten Pixel
Die abgedeckten Lichtlaufzeitpixel
Durch die mehrfache Wiederholung dieser Fingerstruktur können die Daten einzelner Pixel zudem statistisch ausgewertet werden.By repeatedly repeating this finger structure, the data of individual pixels can also be statistically evaluated.
Die vorgenannten Ausführungen wurden vornehmlich anhand eines Lichtlaufzeitsensors erläutert, grundsätzlich kann dieses Prinzip jedoch auf Bildsensoren zur Erfassung von Licht verallgemeinert werden.The aforementioned embodiments were explained primarily with reference to a light transit time sensor, but in principle this principle can be generalized to image sensors for detecting light.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass aufgrund der wellenlängenabhängigen Eindringtiefe die beschriebenen Anordnungen auch zur Bestimmung der einstrahlenden Wellenlänge herangezogen werden können.It should also be noted that due to the wavelength-dependent penetration depth, the described arrangements can also be used to determine the incident wavelength.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Lichtlaufzeitkamerasystem Time of flight camera system
- 1010
- Sendeeinheit transmission unit
- 1212
- Beleuchtungslichtquelle Illumination light source
- 1515
- Strahlformungsoptik Beam shaping optics
- 2020
- Empfangseinheit, Lichtlaufzeitkamera Receiving unit, light time camera
- 2121
- Lichtlaufzeitpixel Transit Time pixels
- 2222
- abgedecktes Lichtlaufzeitpixel covered light transit time pixel
- 2323
- Lichtlaufzeitsensor Transit Time Sensor
- 2525
- Empfangsoptik receiving optics
- 2626
- Referenzpixel, -array Reference pixels, array
- 2727
- Isolationsschicht insulation layer
- 2828
- Metallisierung metallization
- 4040
- Objekt object
- 260260
- Lichtleitung light line
- Ga, GbGa, Gb
- Integrationsknoten integration node
- ModA, ModBModA, ModB
- Modulationszuleitung, -signal Modulation lead, signal
- Gam, GbmGam, Gbm
- Modulationsgates modulation gates
- n, pn, p
- Dotierungen allocations
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
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R079 | Amendment of ipc main class |
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R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01S0007481000 Ipc: G01S0007497000 |
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R016 | Response to examination communication | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: PMDTECHNOLOGIES AG, DE Free format text: FORMER OWNER: PMDTECHNOLOGIES GMBH, 57076 SIEGEN, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: SCHUHMANN, JOERG, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: PMDTECHNOLOGIES AG, DE Free format text: FORMER OWNER: PMDTECHNOLOGIES AG, 57076 SIEGEN, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: SCHUHMANN, JOERG, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE |