DE102018108379A1 - Lichtlaufzeitpixel - Google Patents
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Abstract
Lichtlaufzeitpixel, mit:
mindestens zwei Pixelkanälen (A, B)
mindestens einem Sammelknoten (SK, SKA, SKB), der zu jeweils einem Pixelkanal (A, B) zugeordnet ist,
mindestens einem Separationsknoten (SEP), der jeweils einem Sammelknoten (SK, SKA, SKB) zugeordnet ist,
mindestens zwei Modulationsgates (MOD A, B C), die jeweils einem Separationsknoten (SEP) zugeordnet sind,
mindestens einer Ausleseschaltung (READOUT) zu dem jeweils einem Pixelkanal (A, B) zugehörig,
mindestens einer Schaltung zur Unterdrückung des Hintergrundlichtes (SBI), wobei das Lichtlaufzeitpixel eine wabenförmige Struktur aufweist,
und die Modulationsgates (MOD A, B C, Separationsknoten (SEP) und
Sammelknoten (SK, SKA, SKB) in einer ersten Wabengruppe, die Ausleseschaltung in einer zweiten Wabengruppe, und die Schaltung zur Unterdrückung des Hintergrundlichtes (SBI) in einer dritten Wabengruppe angeordnet sind.
mindestens zwei Pixelkanälen (A, B)
mindestens einem Sammelknoten (SK, SKA, SKB), der zu jeweils einem Pixelkanal (A, B) zugeordnet ist,
mindestens einem Separationsknoten (SEP), der jeweils einem Sammelknoten (SK, SKA, SKB) zugeordnet ist,
mindestens zwei Modulationsgates (MOD A, B C), die jeweils einem Separationsknoten (SEP) zugeordnet sind,
mindestens einer Ausleseschaltung (READOUT) zu dem jeweils einem Pixelkanal (A, B) zugehörig,
mindestens einer Schaltung zur Unterdrückung des Hintergrundlichtes (SBI), wobei das Lichtlaufzeitpixel eine wabenförmige Struktur aufweist,
und die Modulationsgates (MOD A, B C, Separationsknoten (SEP) und
Sammelknoten (SK, SKA, SKB) in einer ersten Wabengruppe, die Ausleseschaltung in einer zweiten Wabengruppe, und die Schaltung zur Unterdrückung des Hintergrundlichtes (SBI) in einer dritten Wabengruppe angeordnet sind.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitpixel nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
- Mit Lichtlaufzeitpixel sollen hier insbesondere Pixel umfasst sein, die Entfernungen aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeitpixel bzw. 3D-Pixel, TOF-Pixel sind insbesondere PMD-Pixel mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in der
DE 197 04 496 A1 beschrieben sind. Die Pixel kommen insbesondere in 3D-Kameras zum Einsatz, wie sie beispielsweise von der Firma ‚ifm electronic GmbH‘ oder ‚pmdtechnologies ag‘ als O3D-Kamera bzw. als CamBoard zu beziehen sind. - 2D Imager / Bildsensoren verwenden verschiedene Strukturen zum Zweck der kTC-Rauschunterdrückung mittels CDS (correlated double sampling, korrelierten Doppelabtastung) im global shutter Betrieb. Aus der
US 7361877 B2 sind entprechenden Pixel bekannt, die eine zusätzliche ,pinned diode‛ als Zwischenspeicher aufweisen, welcher rauschfrei ausgelesen werden kann. - Ferner sind aus der Veröffentlichung: S. Velichko et al., IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 63, NO. 1, JANUARY 2016, „CMOS Global Shutter Charge Storage Pixels With Improved Performance" (DOI: 10.1109/ TED.2015.2443495) auch Formen bekannt, die eine Kombination von pinned diode mit Photogate aufweisen.
- Aus der
DE 102004016626 A1 ,DE 102005056774 A1 sowieDE102013208804 A1 sind ferner so genanntenSBI (supressed background illumination)-Schaltungen bekannt, die durch eine pixelindividuelle Unterdrückung von Hintergrundlicht die Dynamik eines Pixels erweitern. Hierbei wirkt sich der erhöhte Platzbedarf der schaltungstechnischen Realisierung in jedem Pixel nachteilig auf den Flächenfüllfaktor der Pixel aus. Dieser Nachteil besteht auch, wenn dieSBI aufgrund der Beleuchtungs-verhältnisse während der Bildaufnahme deaktiviert wird. - Aufgabe der Erfindung ist es, eine Füllfaktor eines Lichtlaufzeitpixels zu verbessern.
- Die Aufgabe wird durch ein Lichtlaufzeitpixel gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitpixel vorgesehen, mit mindestens zwei Pixelkanälen, mindestens einem Sammelknoten, zu je einem Pixelkanal zugeordnet,
mindestens einem Separationsknoten, der jeweils einem Sammelknoten zugeordnet ist,
mindestens zwei Modulationsgates, die jeweils einem Separationsknoten zugeordnet sind,
mindestens einer Ausleseschaltung (READOUT) zu dem jeweils einem Pixelkanal (A ,B ) zugehörig,
mindestens einer Schaltung zur Unterdrückung des Hintergrundlichtes (SBI ),
wobei das Lichtlaufzeitpixel eine wabenförmige Struktur aufweist,
und die Modulationsgates (MOD A ,B C , Separationsknoten (SEP ) und Sammelknoten (SK ,SKA ,SKB ) in einer ersten Wabengruppe, die Ausleseschaltung in einer zweiten Wabengruppe, und die Schaltung zur Unterdrückung des Hintergrundlichtes (SBI ) in einer dritten Wabengruppe angeordnet sind. - Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass ein Lichtlaufzeitpixel und hieraus bestehender Lichtlaufzeitsensor zur Verfügung gestellt werden kann, das trotz größer Anzahl von Schaltungsbereichen eine symmetrische Struktur aufweist.
- Vorteilhaft sind die Sammelknoten (
SK ) als Diode ausgelegt. - In einer weiteren Ausgestaltung ist es nützlich, wenn zwischen den beiden Modulationsgates (
MOD A ,B ) ein weiteres Modulationsgate (MOD C ) angeordnet ist. - Bevorzugt ist das Lichtlaufzeitpixel für eine Rückseitenbeleuchtung ausgebildet.
- Besonders bevorzugt ist die Schaltung zur Hintergrundlicht-Unterdrückung (
SBI ) auf mehrere benachbarten Waben der dritten Wabengruppe aufgeteilt. - Insbesondere ist es von Vorteil, wenn mehrere Sammelknoten (
SK ,SKA ,SKB ) eines Pixelkanals (A ,B ) zu einem gemeinsamen Sammelknoten zusammengefasst werden und die zusammengefassten Sammelknoten mit einer Schaltung zur Hintergrundlicht- Unterdrückung verbunden sind. - Ebenso vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitsensor vorgesehen, mit wenigstens einem Lichtlaufzeitpixel der vorgenannten Art.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen schematisch:
-
1 ein Lichtlaufzeit-Pixel, das zur Verwendung einerCDS Auslese im global shutter Betrieb ausgebildet ist, -
2 einen typischen zeitlichen Verlauf der angelegten Spannungen, wobei die Spannung am Speicherknoten dauerhaft konstant bleibt, -
3 einen typischen zeitlichen Verlauf der angelegten Spannungen, wobei die von außen angelegte Spannung am Speicherknoten unmittelbar vor dem Transfer der Ladungsträger auf den Sammelknoten reduziert wird, -
4 einen typischen Potentialverlauf im Silizium während der Integration und der Auslese, -
5a ein Füllfaktor optimiertes Speichergate-Pixel in Diagonalanordnung ohne Verwerfknoten, -
5b ein Pixel gemäß5a mit zusätzlichem Verwerfknoten (VK ) und einem vorgeschalteten zusätzlichen Gate (MOD D ), -
6 eine Ausführung eines one-tap-Pixels mit Diagonalanordnung. Das ModD Gate in der unteren rechten Ecke dient als Drain-Gate für die Kanal-B-Elektronen, -
7 eine Ausführung eines one-tap-Pixels mit Diagonalanordnung mit verkleinerten Mod-Gates für kleinere Pixel-Pitches. -
8 ein Lichtlaufzeitpixel mit einer diagonalen Anordnung der Pixelemente, -
9 zwei Lichtlaufzeitpixel mit in einer diagonalen Anordnung der Pixelelemente und einer von vier Sammelknoten geteiltenSBI , -
10 vier Lichtlaufzeitpixel mit in einer diagonalen Anordnung der Pixelelemente mit einer gemeinsamenSBI für alle acht Sammelknoten, -
11 eine Anordnung gemäß10 mit einem zusätzlichen Modulationsgate in den lichtempfindlichen Bereichen, -
12 vier Lichtlaufzeitpixel in einer Wabenstruktur und zwischen den insgesamt acht Sammelknoten geteilter SBI-Schaltung. Die TeilbereicheSBI_1 ,SBI_3 (SBI-SF-Stromquellen und -Eingangstransistoren) undSBI_2 (SBI-Kompensationsstromquellen) ergeben zusammen eineSBI -Schaltung. - Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
- Die Erfindung basiert auf folgende Überlegungen: Durch den Einsatz zusätzlicher unbeleuchteter Photogates können photogenerierte Elektronen in der Ladungsdomäne gespeichert werden. Diese Zwischenspeicherung der Ladungsträger in der Ladungsdomäne, statt der typischen Integration in einer Diode, ermöglicht eine korrelierte Doppelabtastung und damit die Eliminierung des kTC Rauschens. Durch die Integration des als Photogate ausgeführten Zwischenspeichers ist darüber hinaus ein ‚global shutter‛ Betrieb möglich. Dabei fungiert das Separationsgate als Potentialbarriere um den global shutter Betrieb zu ermöglichen. Darüber hinaus werden für diesen Pixeltyp Füllfaktor-optimierte Layoutvarianten und verschiedene Betriebsmodi vorgeschlagen.
- Die Messgenauigkeit eines üblichen PMD Pixels kann insbesondere bei geringen Beleuchtungsstärken oder hohen zu messenden Abständen durch das kTC Rauschen limitiert sein. Dieser Rauschbetrag kann nahezu vollständig durch eine korrelierte Doppelabtastung eliminiert werden. Darüber hinaus bietet die Auslese im global shutter Betrieb, im Vergleich zum rolling shutter Betrieb, einen entscheidenden Vorteil. Im global shutter Betrieb können Bewegungsartefakte vermieden werden. Somit werden im global shutter mode auch sich schnell bewegende Szenenelemente (z.B. Rotorblätter von Ventilatoren) unverzerrt und scharf.
- Vorgeschlagen wird ein Pixel wie in
1 dargestellt, bestehend aus folgenden Bestandteilen, welches eine CDS-Auslese im global shutter Betrieb ermöglicht: - 1. Mindestens einen Sammelknoten (
SK ) - 2. Mindestens ein Transfergate (
TG ), zu diesem Sammelknoten gehörig - 3. Mindestens ein Speicherknoten (
SPK ), zu diesem Sammelknoten gehörig - 4. Mindestens ein Separationsgate (
SEP ), zu diesem Sammelknoten gehörig - 5. Mindestens einen lichtaktiven, elektrisch modulierbaren Bereich (
MOD ), zu diesem Sammelknoten gehörig (ModulationsgatesMOD in verschiedenen Ausführungen) - Ein zusätzliches unbeleuchtetes Photogate bzw. ein Speicherknoten
SPK und das dazugehörige TransfergateTG pro KanalA ,B werden jeweils zwischen dem beleuchteten Mischerbereich (Modulationsgates)MOD A ,MOD B bzw. dem Separationsgate und dem entsprechenden SammelknotenSK angeordnet. Die zusätzlichen Gates TransfergateTG und SpeicherknotenSPK können mit einer individuell einstellbaren Spannung belegt werden. Der zusätzliche SpeicherknotenSPK wird typischerweise mit einer konstanten Spannung belegt um die Akkumulation von Ladungsträgern unter diesem GateSPK zu ermöglichen. - Nach Abschluss der Integrationszeit
tint werden die so gesammelten Ladungsträger über das TransfergateTG in den SammelknotenSK transferiert. Der Transfer der Elektronen erfolgt rauschfrei. Gleichzeitig kann die Gatekapazität vollständig entleert werden. Der rauschfreie Transfer und die vollständige Entleerung der Kapazität ermöglichen eine vorteilhafte Kombination des aktuellen PMD Designs mit einer CDS Auslese. - Die vorhandenen Separationsgates
SEP werden nach der Integration auf 0V gesetzt und verhindern so eine weitere Akkumulation von Ladungsträgern unter dem unbeleuchteten SpeicherknotenSPK . Damit wird ein global shutter Betrieb der Pixelmatrix ermöglicht. -
2 zeigt einen typischen zeitlichen Ablauf der angelegten Spannungen an den GatesTG ,SPK ,SEP sowie an den Transistoren Reset und Select. Durch das Schalten des Reset-Transistors wird eine definierte Spannung am SammelknotenSK angelegt. Durch das Schalten des Select-Transistors werden die auszulesenden Pixel ausgewählt und die Pixelspannungen übertragen. - Dieses Timing kann in drei Phasen (reset, integration, readout) unterteilt werden. Zu Beginn werden alle im photoaktiven Bereich des Pixels vorhandenen freien Ladungsträger über einen Reset-Schritt entfernt (hohe Spannung an RESET,
TG ,SPK undSEP ). Während der Integration sammeln sich die photogenerierten Ladungsträger unter dem SpeicherknotenSPK . Nach der Integration werden alle gesammelten Ladungsträger durch einen Spannungspuls auf das TransfergateTG rauschfrei auf die Diode bzw. SammelknotenSK transferiert. - Über einen Vergleich der ausgelesenen Diodenspannung kurz vor dem Ladungstransfer (Zeitpunkt treset) mit der Diodenspannung nach dem Ladungstransfer (Zeitpunkt tsignal) kann das kTC-Rauschen über Differenzbildung eliminiert werden.
- Bei dem zeitlichen Ablauf der Spannungen in
2 bleibt die Spannung am Speicherknoten während der Integration und Auslese der photogenerierten Ladungen konstant.3 zeigt ein Timing, bei dem die Spannung am Speicherknoten unmittelbar vor dem Transfer der Ladungen auf die Diode reduziert wird. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Gesamtzeit für den Transfer reduziert werden kann. Darüber hinaus lässt sich der Spannungsbereich der Diode über einen größeren Bereich ausnutzen. -
4 (oben) zeigt beispielhaft einen Schnitt durch das in1 gezeigte Pixel. Darunter ist der typische Verlauf des elektrostatischen Potentials im Silizium für die drei Phasen Integration, Integrationsende und Reset, sowie der Auslese dargestellt: - 1. Integration: Bei der Integration sammeln sich alle Ladungsträger unter dem Speicherknoten
SPK , während das TransfergateTG eine Potentialbarriere zwischen SpeicherknotenSPK und SammelknotenSK induziert. - 2. Integrationsende und Reset: Zur Beendigung der Integration wird eine Potentialbarriere unter dem Separationsgate
SEP induziert und somit die Drift oder Diffusion weiterer Ladungsträgern unter den SpeicherknotenSPK verhindert (global shutter Betrieb). Gleichzeitig wird der SammelknotenSK auf eine definierte (hohe) Spannung gesetzt. - 3. Auslese: Bei der Auslese wird die Barriere unter dem Transfergate
TG durch eine Änderung der Spannung reduziert. Dadurch werden alle unter dem SpeicherknotenSPK gesammelten Ladungsträger vollständig zum SammelknotenSK transferiert. - Neben der eben beschriebenen vollständigen Integration unter dem Speicherknoten
SK kann das Pixel in einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden: Die Teilintegration von Ladungsträgern unter dem SpeicherknotenSPK mit Teilintegration im SammelknotenSK (integration with overflow). - Beim letztgenannten Fall wird ein Teil der Ladung unter dem Speicherknoten
SPK gespeichert. Bei großen Beleuchtungsstärken kommt es aufgrund der endlichen Speicherfähigkeit des SpeicherknotensSPK zum Überlaufen und ein Teil der Ladung fließt schon vor dem Ende der Integration in den SammelknotenSK ab. Hierfür ist die Potentialbarriere unter dem TransfergateTG geringer, als im oben beschriebenen Fall. Dieses Verfahren ermöglicht unterschiedliche Betriebsmodi in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke. - In allen zuvor genannten Pixelkonfigurationen und Betriebsmodi kann das beschriebene Gate
SPK zum Speichern der Ladungsträger (Speicherknoten) durch eine ,pinned diode‛, wie sie beispielsweise in 2D Pixeln typischerweise zum Einsatz kommen, ersetzt werden. Der Speicherknoten, ausgeführt als pinned diode, hat im Vergleich zu einem Gate den Vorteil eines geringeren Dunkelstroms und muss nicht extra über eine Spannungszuführung kontaktiert werden. - Besonders vorteilhaft ist die PMD-Struktur in einer Diagonale angeordnet, so dass der Füllfaktor optimiert werden kann. Lediglich die Modulationsgates
MOD A undB sind transparent für Beleuchtung. Die übrigen Bestandteile des Pixels (SEP ,SPK ,TG ,SK ) müssen durch entsprechende Maßnahmen (z.B. Metallbedeckung) abgeschirmt werden. Für einen maximalen Füllfaktor und damit einer maximalen Sensitivität des Pixels ist die lichtaktive Fläche möglichst groß zu halten. Um den Füllfaktor des oben beschriebenen Pixels zu verbessern, aber vor allem um kleinere Pixel-Pitches zu ermöglichen, wurde ein neuer Ansatz der Gates-Anordnung realisiert. - Das Separationsgate wie auch das Transfergate haben die Aufgabe, Ladungsträger an der Drift in den nächsten Knoten zu hindern. Daher gibt es keine besonderen Anforderungen an deren Fläche, lediglich ihre Länge sollte ausreichen, um die genannte Funktionalität zu ermöglichen. Gleichzeitig muss der Sammelknoten eine minimale Fläche aufweisen, die erforderlich ist, um eine minimal notwendige Anzahl an Ladungsträgern zu speichern. Ordnet man die Gates wie in
1 an, so nehmen die abgeschirmten Gates über die komplette Weite des Pixels Fläche ein. Werden die Gates hingegen auf die Ecken des Pixels geführt, verjüngt sich der Ladungsträgerkanal zum SammelknotenSK . Die verbrauchte Fläche wird zum Pixelrand geringer. Die für die Modulationsgates zur Verfügung stehende Fläche wird besser ausgenutzt und das Pixel erhält einen höheren Füllfaktor. Gleichzeitig bleibt die ‚global shutter‛- und CDS-Funktionalität erhalten.5a (links) zeigt ein konkretes Layout-Beispiel für solch ein Pixel.5b (rechts) zeigt das gleiche Pixel mit zusätzlichem VerwerfknotenVK . Der VerwerfknotenVK besteht aus einer zusätzlichen Diode, welche durch ein zusätzliches Gate (MOD D ) vom Rest des Pixels getrennt ist. Diese Anordnung hat den Zweck, photogenerierte Elektronen, die während der globalen Auslese der Pixelmatrix generiert werden, einzusammeln und so eine ungewollte Veränderung der unter dem SammelknotenSK gespeicherten Signalelektronen bei sehr hohen Beleuchtungsstärken zu verhindern. Hierfür werden sowohl der VerwerfknotenVK als auch das zusätzliche ModulationsgateMOD D nach der Integration auf ein hohes Potential gesetzt. - Um darüber hinaus die photoaktive Fläche weiter zu erhöhen, ist es möglich, statt der Verwendung zweier Kanäle
A ,B nur einen KanalA zu verwenden (one-tap pixel).6 und7 zeigen bespielhaft jeweils ein konkretes Beispiel für solch ein Pixel mit einem auszuwertenden KanalA . Hierbei fallen für einen KanalB die GatesSEP B ,SPK B undTG B weg. In ähnlichem Maße kann die photoaktive Fläche und damit der Füllfaktor des Pixels gesteigert werden. Hierbei arbeitet ein Kanal wie in4 beschrieben, der zweite Kanal ist hingegen als VerwerfknotenVK ausgelegt. -
7 zeigt beispielhaft ein Pixel, bei dem die vergleichsweise großen ModulationsgatesMOD A ,B durch ein ModulationsgateMOD C ersetzt wurden. Das ModulationsgateMOD C wird typischerweise mit einer konstanten Spannung belegt. Darüber hinaus sind verschiedene andere Kombinationen und Flächenaufteilungen der ModulationsgatesMOD A ,B C undD möglich. - Bei den vorgeschlagenen Vorrichtungen sind die Photogates derart angeordnet, dass die nichtbeleuchteten Separationsgates möglichst wenig Fläche benötigen, ihre effektive Länge aber trotzdem für einen sauberen Betrieb ausreicht. Auf diese Weise wird eine Erhöhung des Füllfaktors erreicht. Dieses Konzept kann mit einer Schaltung zur Hintergrundlichtunterdrückung (Suppression of Background Illumination = SBI-Schaltung) kombiniert werden. Diese kann auch zwischen mehreren zusammengefassten Pixeln (Binning) geteilt werden. Beispielhaft ist ein solches Pixel in
8 dargestellt. - Die Photogates wurden in typischen Layouts von Photonenmischdetektorpixeln, wie in
1 gezeigt, im Wesentlichen als Rechtecke orthogonal zum Ladungsträgerkanal, der parallel zu den Kanten des rechteckigen photoaktiven Gebietes verlief, angeordnet. Die nicht beleuchteten Separationsgates erstreckten sich so über die gesamte Weite des entstehenden Ladungsträgerkanals und nehmen dementsprechend viel Raum ein. Da diese für einen sauberen Betrieb einer gewissen Gate-Länge bedürfen, stellten die Separationsgates eine erhebliche Beschränkung bei der Maximierung des Füllfaktors dar. - In einer weiteren Ausgestaltung, um insbesondere auch eine Hintergrundlicht-Unterdrückung zu berücksichtigen wird folgendes Lichtlaufzeitpixel vorgeschlagen, mit mindestens einem Sammelknoten (
SK ), - - mindestens einem Separationsgate (Sep) zu diesem Sammelknoten gehörig,
- - mindestens einem lichtaktiven, elektrisch modulierbaren Bereich zu diesem Sammelknoten gehörig,
- - mit einer Ausleseelektronik zu diesem Sammelknoten gehörig,
- - und mit einer Schaltung zur Hintergrundlichtunterdrückung zu jeweils mindestens zwei Sammelknoten gehörig.
- Der elektrisch modulierbare Bereich, besteht aus je einem, zu jedem Sammelknoten gehörigen, Modulations- und einem, zu jedem Sammelknoten gehörigen, Separationsgate. Diese werden so angeordnet, dass die nicht beleuchteten Separationsgates möglichst wenig Fläche verbrauchen, aber dennoch eine für den Betrieb ausreichende Ausdehnung in Richtung des Ladungsträgerkanals haben. Vorteilhaft ist eine Diagonalanordnung der Sammelknoten, der Separations- und der Modulationsgates wie in
8 zu sehen ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Separationsgates nach außen hin immer schmaler werden. Es resultiert ein vergleichsweise hoher Füllfaktor. - Gerade bei kleinen Pixeln kann es mit Blick auf einen praktisch sinnvollen Füllfaktor vorteilhaft sein, die Schaltung zur Hintergrundlichtunterdrückung, wie in
9 gezeigt, zwischen mehreren Pixeln zu teilen. Die Eingänge dieser SBI-Schaltung werden über Schalter mit den Sammelknoten der gleichen Modulationskanäle zweier oder mehrerer Pixel verbunden. Es ergeben sich zwei unterschiedliche Betriebsmodi: - a) Schalter sind hochohmig: Die Schalter, die den Eingang der SBI-Schaltung mit den jeweiligen Sammelknoten der Photonenmischdetektoren (PMD) verbinden, sind hochohmig bzw. sperrend geschaltet. Es ergeben sich zwei Pixel mit einem Pitch a in x- sowie in y-Richtung. Beide Pixel funktionieren völlig unabhängig voneinander. Es wird ein Betriebsmodus mit hoher räumlicher Auflösung erreicht. Eine SBI-Schaltung steht in diesem Betriebsmodus nicht zur Verfügung.
- b) Schalter sind niederohmig: Die Schalter, die den Eingang der SBI-Schaltung mit den jeweiligen Sammelknoten der Photonenmischdetektoren (PMD) verbinden, sind niederohmig bzw. leitend geschaltet. Bei einer Architektur, bei der sich jeweils zwei untereinander angeordnete Pixel eine SBI-Schaltung teilen ergibt sich ein zusammengefasstes Pixel mit einem Pitch von a in x- sowie
2a in y-Richtung Bei einer Architektur, bei der sich jeweils vier Pixel (2x2 Pixel) eine SBI-Schaltung teilen ergibt sich ein zusammengefasstes Pixel mit einem Pitch von2a in x- sowie2a in y-Richtung, wie in10 dargestellt. Die Sammelknoten der zusammengefassten Pixel sind somit verbunden. Es wird ein Betriebsmodus mit verringerter räumlicher Auflösung erreicht, der im Gegenzug die Unterdrückung von Hintergrundlicht ermöglicht. -
11 zeigt eine Variante mit einem zusätzlichen Modulationsgate. - In einer weiteren Ausgestaltung gemäß
12 sind die lichtaktiven Bereiche, sowie die SBI-Schaltung und die Ausleseelektronik nicht mehr, wie bei herkömmlichen Pixeln orthogonal angeordnet, sondern bilden eine Wabenstruktur. - Eine Einheitszelle (bestehend aus vier einzelnen 3D-TOF-Pixeln) wird jeweils aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt:
- - 8 x Lichtaktive, elektrisch modulierbare Bereiche mit entsprechenden Sammelknoten,
- - 8 x Ausleseelektronik, zu je einem Sammelknoten gehörig
- - 1 x Schaltung zur Hintergrundlichtunterdrückung, welche auf mehrere Einzelwaben aufgeteilt ist und über Schalter mit allen Sammelknoten der Einheitszelle verbunden werden kann.
- Die einzelnen Komponenten sind so ausgeführt, dass eine Wabenstruktur entsteht. Es ergeben sich verschiedene achteckige Waben, in denen jeweils unterschiedliche Funktionalität (lichtaktive Waben, Auslesewaben, SBI-Waben) untergebracht werden kann. Die SBI-Schaltung kann auf mehrere Waben aufgeteilt werden.
- Die Betriebsmodi entsprechen, den bereits zur
10 beschriebenen. - Selbstverständlich sind die erfindungsgemäßen Überlegungen nicht auf die einzelnen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern können auch kombiniert und/oder gleichwirkend modifiziert werden.
- Bezugszeichenliste
-
- A
- Pixelkanal
A - B
- Pixelkanal
B - MOD D
- MOS-Trennkapazität (Gate)
- C, D
- Potentiale am Modulationsgate
- SK
- Sammelknoten (Diode)
- TG
- Transfergate
- SPK
- Speicherknoten (Gate, Photogate, Diode, pinned diode)
- SEP
- Separationsgate
- MOD
- Modulationsgate
- VK
- Verwerfknoten (Diode)
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
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- US 7361877 B2 [0003]
- DE 102004016626 A1 [0005]
- DE 102005056774 A1 [0005]
- DE 102013208804 A1 [0005]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
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Claims (7)
- Lichtlaufzeitpixel, mit: mindestens zwei Pixelkanälen (A, B) mindestens einem Sammelknoten (SK, SKA, SKB), der zu jeweils einem Pixelkanal (A, B) zugeordnet ist, mindestens einem Separationsknoten (SEP), der jeweils einem Sammelknoten (SK, SKA, SKB) zugeordnet ist, mindestens zwei Modulationsgates (MOD A, B C), die jeweils einem Separationsknoten (SEP) zugeordnet sind, mindestens einer Ausleseschaltung (READOUT) zu dem jeweils einem Pixelkanal (A, B) zugehörig, mindestens einer Schaltung zur Unterdrückung des Hintergrundlichtes (SBI), wobei das Lichtlaufzeitpixel eine wabenförmige Struktur aufweist, und die Modulationsgates (MOD A, B C, Separationsknoten (SEP) und Sammelknoten (SK, SKA, SKB) in einer ersten Wabengruppe, die Ausleseschaltung in einer zweiten Wabengruppe, und die Schaltung zur Unterdrückung des Hintergrundlichtes (SBI) in einer dritten Wabengruppe angeordnet sind.
- Lichtlaufzeitpixel nach
Anspruch 1 , bei dem der Sammelknoten (SK) als Diode ausgelegt ist. - Lichtlaufzeitpixel nach
Anspruch 1 oder2 , bei dem zwischen den beiden Modulationsgates (MOD A, B) ein weiteres Modulationsgate (MOD C) angeordnet ist. - Lichtlaufzeitpixel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Lichtlaufzeitpixel für eine Rückseitenbeleuchtung ausgebildet ist.
- Lichtlaufzeitpixel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schaltung zur Hintergrundlicht-Unterdrückung (SBI) auf mehrere benachbarten Waben der dritten Wabengruppe aufgeteilt ist.
- Lichtlaufzeitpixel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Sammelknoten (SK, SKA, SKB) eines Pixelkanals (A, B) zu einem gemeinsamen Sammelknoten zusammengefasst werden und die zusammengefassten Sammelknoten mit einer Schaltung zur Hintergrundlicht-Unterdrückung verbunden sind.
- Lichtlaufzeitsensor mit Lichtlaufzeitpixel nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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