DE102019113597B3

DE102019113597B3 - Pixelarray für eine Kamera, Kamera und Lichtlaufzeitkamerasystem mit einer derartigen Kamera

Info

Publication number: DE102019113597B3
Application number: DE102019113597.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Blocher
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2039-05-23

Abstract

Pixelarray (24) eines Lichtlaufzeitsensor (22) für eine Lichtlaufzeitkamera (18), mit- einer Mehrzahl von Pixelelementen (36), die in einer Matrixanordnung angeordnet sind, wobei jedes einzelne Pixelelement (36) einen photoelektrischen Bereich (38) aufweist,wobei wenigstens ein Teil der Pixelelemente (36) ein photonisches Mischelement (44) umfasst, welches wenigstens in einen Kanal (A, B) mit je einem Photogate (46, 48) sowie je einer Auslesediode (50, 52) eingeteilt ist, wobei alle Pixelelemente (36) zumindest einen lichtunempfindlichen, anderen Bereich (40, 42, 62, 68) aufweisen,in dem zumindest in einem Teil eine Ausleseelektronik (54, 56, 70), angeordnet ist, undeiner Mehrzahl von rasterartig angeordneten Routing-Pfaden (58), die das Pixel-Array (24) in Felder (60, 62) unterteilen,wobei sich eine Gruppe von ersten Feldern (60) und eine Gruppe von zweiten Feldern (62) ergeben, bei denen jedes der ersten Felder (60) von einem photoelektrischen Bereich (38) eines der Pixelelemente (36) gestellt wird und jedes der zweiten Felder (62) von den anderen Bereichen (40, 42, 68) gestellt wird, wobei die ersten Felder (60) und die zweiten Felder (62) schachbrettartig abwechselnd angeordnet sind,wobei ein Teil der ersten Felder (60) oder Pixelelement (36) mit einem Farbfilter (R,G,B,C) ausgestattet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pixelarray für eine Kamera, insbesondere für eine Lichtlaufzeitkamera, mit (i) einer Mehrzahl von Pixelelementen, die in einer Matrixanordnung angeordnet sind, wobei jedes einzelne Pixelelement einen photoelektrischen Bereich und zumindest einen lichtunempfindlichen, anderen Bereich aufweist und (ii) einer Mehrzahl von rasterartig angeordneten Routing-Pfaden, die das Pixel-Array in Felder unterteilen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Kamera, insbesondere Lichtlaufzeitkamera für ein Lichtlaufzeitkamerasystem und ein entsprechendes Lichtlaufzeitkam erasystem.
Ein Pixelarray der eingangs genannten Art ist für eine Video-Kamera zum Beispiel aus der EP 2 190 185 B1 bekannt. Die einzelnen Pixelelemente sind in einen photoelektrischen Umwandlungsbereich und mindestens einen anderen Bereich für die Schaltungselektronik unterteilt. Neben diesen Bereichen ergeben sich auch Verdrahtungsbereiche einer längs und quer verlaufenden Verdrahtung für ein Signal-Routing. Verdrahtungsbereiche können Teile der Schaltungselektronik oder photoelektrische Umwandlungsbereiche überlappen.
Ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit Lichtlaufzeitkamera ist beispielsweise aus der Patentschrift DE 197 04 496 C2 bekannt. Die Lichtlaufzeitkamera dieses Kamerasystems beruht auf dem Photomischelement-Prinzip. Die Patentschrift zeigt dabei auch einen Schnitt durch ein photonisches Mischelement eines Pixelelements der Lichtlaufzeitkamera sowie Teile einer dort als Interline-Transfer-Auslesevorrichtung bezeichneten Auslesevorrichtung zum Auslesen der Pixel.
Die nachveröffentlichte DE 10 2019 101 752 A1 offenbart ein Pixelarray für eine Lichtlaufzeitkamera mit einer Mehrzahl von Pixelelementen, die in einer Matrixanordnung angeordnet sind und rasterartig angeordnete Routing-Pfade aufweisen, wobei jedes einzelne Pixelelement einen photoelektrischen Bereich und zumindest einen lichtunempfindlichen Bereich aufweist, wobei der photoelektrische Bereich eines jeden Pixelelements bevorzugt in zwei Teilbereiche aufgeteilt ist und insbesondere ein photonisches Mischelement umfasst. Die photoelektrischen Bereiche und die lichtunempfindlichen Bereiche sind innerhalb des Pixelarrays schachbrettartig abwechselnd angeordnet.
Ferner zeigt die nachveröffentlichte DE 10 2018 108 379 A1 verschiedene Anordnungen bzw. Layouts von Lichtlaufzeitpixeln, die jeweils photoelektrisch sensitive Bereiche mit mehreren Pixelkanälen und lichtunempfindliche Bereiche umfassen, wobei die lichtunempfindlichen Bereiche Sammelknoten, Schaltungen zur Hintergrundunterdrückung und Ausleseschaltungen umfassen.
Die DE 10 2013 208 802 A1 beschreibt einen Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Lichtlaufzeitpixeln, insbesondere einen PMD-Sensor mit Photomischdetektor-Pixeln, wobei die Lichtlaufzeitpixel mit unterschiedlichen Farbfiltern ausgestattet sind, die sich in ihrer spektralen Durchlässigkeit im sichtbaren Lichtbereich unterscheiden, wobei die Farbfilter in einem vorgegebenen Muster über den Lichtlaufzeitsensor verteilt sind.
Aus der EP 3 029 731 B1 ist ein Halbleiterbildaufnehmer bekannt, der einen zweidimensionalen Bildsensor mit einem 3D-TOF-Distanzsensor kombiniert, wobei zur Entfernungsmessung ein PMD-Sensor und zur Farbbildaufnahme Farbfilter, insbesondere Farbmosaik-Filtermasken z. B. mit Bayer-Muster, zum Einsatz kommen können.
Die US 2012 / 0 193 515 A1 zeigt einen Bildaufnehmer, der Pixelpaare zur Entfernungsmessung mit farbsensitiven Pixeln, die z. B. in einem Bayer-Farbmosaik-Muster angeordnet sind, kombiniert.
In der EP 2 803 090 B1 ist ein Multispektralsensor offenbart, der Farb- und IR-Licht beispielsweise mittels Bayer-Farbmosaik-Filtermasken aufnehmen kann und in einer Kamera zur Tiefenmessung verwendet werden kann.
In der EP 3 193 190 A1 sind TOF-Bildaufnehmer zur 3D-Bildaufnahme beschrieben, die Farbpixeldaten akquirieren können.
Ferner ist aus der US 2017 / 0 016 762 A1 ein IR-Sensor mit einem Pixelarray bekannt mit einer Mehrzahl von Pixelelementen, die in einer Matrixanordnung angeordnet sind, wobei jedes einzelne Pixelelement einen photoelektrischen Bereich und zumindest einen lichtunempfindlichen, anderen Bereich aufweist, die schachbrettartig abwechselnd angeordnet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben, die die Funktionalität eines Pixelarrays einer Kamera verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein Pixelarray eines Lichtlaufzeitsensors für eine Lichtlaufzeitkamera vorgesehen, mit

- einer Mehrzahl von Pixelelementen, die in einer Matrixanordnung angeordnet sind, wobei jedes einzelne Pixelelement einen photoelektrischen Bereich aufweist, wobei wenigstens ein Teil der Pixelelemente ein photonisches Mischelement umfasst, welches wenigstens in einen Kanal mit je einem Photogate sowie je einer Auslesediode eingeteilt ist,

Auf diese Weise weisen nur die Hälfte der Felder insgesamt, nämlich nur die ersten Felder, einen photoelektrischen Bereich eines Pixelelements auf. Diese sind zeilen- und spaltenartig angeordnet, wobei diese Anordnung diagonal zur Ausrichtung der Routing-Pfade verläuft.
Durch diese Maßnahme ergibt sich ein als Pixelpitch bezeichneter kleinster Pixelabstand diagonal zu der Ausrichtungen der rasterartig angeordneten Routing-Pfade. Durch diese Geometrie ergibt sich eine Reduzierung des als Crosstalk bezeichneten Übersprechens beim Auslesen der einzelnen Pixel.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in zumindest einem Teil der anderen Bereiche Mittel zum Auslesen der Pixelelemente angeordnet. Diese Mittel sind insbesondere Ausleseelektronik-Komponenten.
Generell sind die Größenverhältnisse zwischen dem photoelektrischen Bereich einerseits und dem mindestens einen anderen Bereich andererseits frei wählbar. Insbesondere ist jedoch vorgesehen, dass bei jedem Pixelelement die Fläche des photoelektrischen Bereichs in etwa der Fläche des anderen Bereichs oder der Gesamtfläche der anderen Bereiche entspricht. Mit Vorteil weist das Pixelelement dabei nur einen oder zwei andere Bereiche auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jedes der zweiten Felder von mindestens einem anderen Bereich eines einzigen der Pixelelemente gestellt, dessen photoelektrischer Bereich in einem benachbarten ersten Feld angeordnet ist. Bevorzugt wird jedes der zweiten Felder von genau einem anderen Bereich eines einzigen der Pixelelemente gestellt, dessen photoelektrischer Bereich in einem benachbarten ersten Feld angeordnet ist.
Alternativ dazu ist bevorzugt vorgesehen, dass jedes der zweiten Felder, welches vollständig von weiteren Feldern umgeben ist, von mindestens zwei anderen Bereichen zweier Pixelelemente gestellt wird, deren photoelektrische Bereiche ein benachbartes erstes Feld stellen. Ein solches zweites Feld, welches vollständig von weiteren Feldern umgeben ist, ist kein Feld am Rand des Pixelarrays. Bevorzugt wird jedes der zweiten Felder, welches vollständig von weiteren Feldern umgeben ist, von genau zwei anderen Bereichen zweier Pixelelemente gestellt, deren photoelektrische Bereiche ein benachbartes erstes Feld stellen.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Felder quadratisch ausgestaltet sind, also eine Kontur in Form eines Quadrates haben.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung teilt sich der photoelektrische Bereich eines jeden Pixelelements in zwei Teilbereiche auf, wobei jeder Teilbereich an einen der beiden einander gegenüberliegenden anderen Bereiche des Pixelelements angrenzt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der photoelektrische Bereich ein photonisches Mischelement. Die entsprechende Kamera ist in der Regel eine Lichtlaufzeitkamera, deren bildgebender Sensor auf dem Photomischelement-Prinzip beruht. Dabei ist der entsprechende bildgebende Lichtlaufzeitsensor als photonischer Mischelemente-Sensor mit Modulationskanälen ausgebildet. Dieser Sensortyp wird auch kurz als PMD-Sensor bezeichnet (PMD: Photonic Mixer Device). Bevorzugt ist das entsprechende photonische Mischelement dann insbesondere in zwei Kanäle (Kanal A, Kanal B) mit je einem Photogate sowie je einer Auslesediode pro Kanal einteilbar. Die Kanäle A, B entsprechen dann den zuvor erwähnten zwei Teilbereichen des photoelektrischen Bereichs.
Die erfindungsgemäße Kamera, insbesondere Lichtlaufzeitkamera für ein Lichtlaufzeitkamerasystem weist einen Lichtlaufzeitsensor mit einem vorstehend genannten Pixelarray auf.
Beim erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitkamerasystem mit einem Beleuchtungsmodul zum Aussenden modulierten Lichts und einer Lichtlaufzeitkamera zum Empfang modulierten Lichts, ist vorgesehen, dass die Lichtlaufzeitkamera als vorstehend genannte Lichtlaufzeitkamera ausgebildet ist.
Weiterhin ist ein Verfahren zum Betreiben eines Pixelarrays nach der vorgenannten Art vorgesehen, bei dem im Pixelarray eine Matrix von Pixeln als Gesamtpixel erfasst wird, wobei diese Matrix wenigstens ein Distanzpixel und wenigstens soviele Farbpixel umfasst, dass jede vorhandene Farbekategorie mindestens einmal erfasst ist,
wobei jedes Gesamtpixel wenigsten eine Spalte oder Zeile der Matrix mit einem benachbarten Gesamtpixel gemeinsam hat,
wobei zu jedem Gesamtpixel eine Farb- und Distanzinformaton ermittelt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Lichtlaufzeitkamerasystems mit Lichtlaufzeitkamera,
2 ein Pixelelement gemäß einer ersten Ausgestaltung für ein Pixelarray der Lichtlaufzeitkamera ohne (links) und mit (rechts) entsprechenden Routing-Pfaden,
3 einen Teil eines Pixelarrays gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit den in 2 gezeigten Pixelelementen (oben) sowie eine Veranschaulichung der sich dabei ergebenden schachbrettartigen Feldanordnung (unten),
4 ein Pixelelement gemäß einer zweiten Ausgestaltung für ein Pixelarray einer Lichtlaufzeitkamera ohne (rechts) und mit (links) entsprechenden Routing-Pfaden und
5 einen Teil eines Pixelarrays gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit den in 4 gezeigten Pixelelementen (oben) sowie eine Veranschaulichung der sich dabei ergebenden schachbrettartigen Feldanordnung (unten),
6 ein Pixelarray mit einem vergrößerten lichtempfindlichen Bereich,
7 Details eines vertikalen Routings,
8 ein Pixelarray mit mäanderförmigen Routing,
9 ein Pixelarray mit einem Routing im lichtempfindlichen Bereich.
10 ein Pixelarry mit Farbpixel
11 ein Detail des Pixelarrays gemäß 4 mit Auslesbereich
12 Auslesebereiche für eine monochrome Ausgestaltung

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Lichtlaufzeitkamerasystems 10. Das Lichtlaufzeitkamerasystem 10 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 12 mit einer Beleuchtung 14 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 16 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 18 mit einer Empfangsoptik 20 und einem Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist ein Pixel-Array 24 auf (wobei mögliche Ausgestaltungen dieses Arrays 24 in den 3 und 5 dargestellt sind) und ist im Beispiel als photonischer Mischelemente-Sensor 26, auch PMD-Sensor genannt, ausgebildet. Die Empfangsoptik 20 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 16 des Beleuchtungsmoduls 12 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann gegebenenfalls auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Beleuchtung 14 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 28 mit einem Modulationssignal M₀ beaufschlagt.
Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 28 und der Beleuchtung 14 ein Phasenschieber 30 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ₀ des Modulationssignals M₀ der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φ_var verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φ_var = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.
Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp₁ mit der ersten Phasenlage p₁ bzw. p₁ = φ₀ + φ_var aus. Dieses Signal Sp₁ bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 32 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(t_L) mit einer zweiten Phasenlage p₂ = φ₀ + φ_var + Δφ(t_L) als Empfangssignal Sp₂ auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M₀ mit dem empfangenen Signal Sp₂ gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
Ferner ist ein Modulationssteuergerät 34 vorgesehen, mit dem die Form, Frequenz und insbesondere Puls und Pausenverhältnisse des Modulationssignals vorgegeben werden. Auch kann über das Modulationssteuergerät 34 der Phasenschieber 30 in Abhängigkeit der durchzuführenden Messaufgabe angesteuert werden.
Als Beleuchtungs- beziehungsweise Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden und -Laserdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.
Die 2 zeigt links ein Pixelelement 36 für ein in 3 gezeigtes Pixelarray 24 eines nach dem Prinzip des photonischen Mischelemente-Sensors arbeitenden Lichtlaufzeitsensors 22 einer Lichtlaufzeitkamera 18. Das Pixelelement 36 weist einen zentralen photoelektrischen Bereich 38 und zwei lichtunempfindliche, andere Bereiche 40, 42 auf, die den photoelektrischen Bereich 38 auf einander gegenüberliegenden Seiten einrahmen. Der zentrale photoelektrische Bereich 38 beherbergt bei derartigen Lichtlaufzeitkameras 18 ein photonisches Mischelement 44 (kurz auch als optischer Mischer bezeichnet), welches in zwei Kanäle A, B mit je einem Photogate 46, 48 sowie je einer Auslesediode 50, 52 einteilbar ist. In jedem der beiden anderen Bereichen 40, 42 befindet sich die jeweilige Ausleseelektronik 54, 56 eines der Kanäle A, B. Während die beiden Photogates 46, 48 nebeneinander in einem zentralen Gebiet des photoelektrischen Bereichs 38 angeordnet sind, sind die beiden Auslesedioden 46, 48 an den einander gegenüberliegend Seiten in der Peripherie des photoelektrischen Bereichs 38 jeweils zwischen dem entsprechenden Photogate 46, 48 und dem entsprechenden anderen Bereich 40 ,42 angeordnet. Aufgeteilt nach den beiden Kanälen A, B gehören zu Kanal A das Photogate 46, die Auslesediode 50 sowie die Ausleseelektronik 54 im anderen Bereich 40 und zu Kanal B das Photogate 48, die Auslesediode 52 sowie die Ausleseelektronik 56 im anderen Bereich 42. Das Pixelelement 36 ist insgesamt rechteckig, wobei das Verhältnis Länge zu Breite 2:1 ist und der zentrale photoelektrische Bereich 38 die volle Breite sowie die halbe Länge des Pixelelements 36 beansprucht und somit eine quadratische Kontur aufweist.
Im rechten Bereich der 2 ist das gleiche Pixelelement 36, jedoch mit dem entsprechenden Teil des Routings des Pixelarrays 24, also mit längs und quer verlaufenden Routing-Pfaden 58 zum Auslesen der Pixel gezeigt. Die Routing-Pfade 58 sind rasterartig angeordnet, sodass von Routing-Pfaden 58 eingerahmte Felder 60, 62 entstehen. Ein erstes dieser Felder 60 wird allein vom photoelektrischen Bereich 38 gestellt, während angrenzende zweite dieser Felder 62 von den anderen Bereichen 40, 42 gestellt werden.
Die 3 zeigt einen Teil eines Pixelarrays 24 mit den in 2 gezeigten Pixelelementen 36 und dem Routing (oben) sowie eine Veranschaulichung der sich dabei ergebenden Schachbrettstruktur 64 (unten). Bei der hier gezeigten Gegenüberstellung entsprechen die ersten Felder 60 mit den photoelektrischen Bereichen 38 den weißen Feldern der Schachbrettstruktur 64 und die zweiten Felder 62 mit der Ausleseelektronik 54 für Kanal A und der Ausleseelektronik 56 für Kanal B den schwarzen Feldern der Schachbrettstruktur 64. Um die Darstellung übersichtlich zu halten, sind die ersten und zweiten Felder 60, 62 in der Schachbrettstruktur 64 vermerkt und nicht im Pixelarray 24 selbst.
Es ergibt sich ein als Pixelpitch P bezeichneter kleinster Pixelabstand diagonal zu der Ausrichtungen der rasterartig angeordneten Routing-Pfade 58. Dieser Pixelpitch P ergibt sich als Abstand des Zentrums des photoelektrischen Bereichs 38 eines Pixelelements 36 zum Zentrum des photoelektrischen Bereichs 38 eines unmittelbar benachbarten Pixelelements 36 des Pixelarrays. Durch die diagonale Anordnung ist der Pixelpitch P um den Faktor $\sqrt{2}$
größer als der Abstand E (Pitch der Einheitszelle) parallel zueinander verlaufender benachbarter Routing-Pfade 58.
Dazu sind die Pixelelemente 36 in jeder Reihe direkt nebeneinander angeordnet. Die Reihen werden um die Breite des photoelektrischen Bereichs 38 bzw. photonischen Mischelements 44 zueinander versetzt angeordnet. Daraus resultiert dann die Schachbrettstruktur 64, bei der das photonische Mischelement 44 und die Ausleseelektronik 54, 56 immer diagonal angeordnet sind. Der Pixelpitch P ergibt sich auch aus der Wurzel der Fläche des einzelnen Pixelelements 36 $P i x e l p i t c h = \sqrt{A_{A u s l e s s e e l e k t r o n i k} + A_{o p t i s c h e r M i s c h e r}} = \sqrt{2 \cdot A_{U n i t C e i l} .}$
Der Füllfaktor FF beträgt maximal 50% wenn das Routing keine Fläche beansprucht. Ansonsten ergibt sich folgender Füllfaktor: $F F = 0.5 \cdot \frac{(2 \cdot A_{U n i t C e l l} - A_{R o u t i n g})}{2 \cdot A_{U n i t C e l l}} .$
Der Sensor 22 weist weiterhin Mikrolinsen 66 auf, die mittig über dem photonischen Mischelement 44 platziert sind und das einfallende Licht auf der quadratischen optisch aktiven Fläche des jeweiligen photoelektrischen Bereichs 38 fokussieren. Für einen hohen Wirkungsgrad der Mikrolinsen ist eine quadratische Form von Vorteil. Diese ist bei der erläuterten Geometrie des Pixelarrays durch eine um 45° gedrehte Anordnung der Mikrolinsen gewährleistet.
Bei dem Pixelarray 24 der 3 wird jedes der zweiten Felder 62, welches kein Feld am Rand des Arrays 24 ist (also vollständig von weiteren Feldern 60, 62 umgeben ist), von zwei anderen Bereichen 40, 42 zweier Pixelelemente 36 gestellt, deren photoelektrische Bereiche 38 ein benachbartes erstes Feld 60 stellen.
Das Pixelelement 36 der 4 und das Pixelarray der 5 entsprechen in vielen Bereichen dem Pixelelement 36 der 2 und dem Pixelarray der 3, sodass im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
Die 4 zeigt links ein Pixelelement 36 für ein in 5 gezeigtes Pixelarray 24 eines nach dem Prinzip des photonischen Mischelemente-Sensors arbeitenden Lichtlaufzeitsensors 22 einer Lichtlaufzeitkamera 18. Das Pixelelement 36 weist einen photoelektrischen Bereich 38 und einen lichtunempfindlichen, anderen Bereich 68 auf, wobei die beiden Bereiche 38, 68 jeweils gleich groß sind, je eine quadratische Form aufweisen und nebeneinander angeordnet sind. Der photoelektrische Bereich 38 beherbergt auch hier ein photonisches Mischelement 44, welches in zwei Kanäle A, B mit je einem Photogate 46, 48 sowie je einer Auslesediode 50, 52 einteilbar ist. In dem anderen Bereich 68 befindet sich eine Ausleseelektronik 70 für beide Kanäle, also für Kanal A und B. Während die beiden Photogates 46, 48 nebeneinander in einem zentralen Gebiet des photoelektrischen Bereichs 38 angeordnet sind, sind die beiden Auslesedioden 46, 48 an den einander gegenüberliegend Seiten in der Peripherie des photoelektrischen Bereichs 38 angeordnet. Quer zur Ausrichtung dieser Anordnung der Auslesedioden 46, 48 ist der andere Bereich 68 mit der Ausleseelektronik für Kanal A und B neben dem photoelektrischen Bereich 38 angeordnet. Auch das in 4 gezeigte Pixelelement 36 ist insgesamt rechteckig, wobei das Verhältnis Länge zu Breite 2:1 ist und jeder der Bereiche 38, 68, also photoelektrischer Bereich 38 und anderer Bereich 68 die volle Breite sowie die halbe Länge des Pixelelements 36 beansprucht.
Die 5 zeigt einen Teil eines Pixelarrays 24 mit den in 4 gezeigten Pixelelementen 36 und dem Routing (oben) sowie eine Veranschaulichung des sich dabei ergebenden Schachbrettmusters 64 (unten). Auch bei der hier gezeigten Gegenüberstellung der 5 entsprechen die ersten Felder 60 mit den photoelektrischen Bereichen 38 den weißen Feldern des Schachbrettmusters 64 und die zweiten Felder 62 mit der Ausleseelektronik 70 für Kanal A und B den schwarzen Feldern des Schachbrettmusters 64.
Auch hier ergibt sich ein als Pixelpitch P bezeichneter kleinster Pixelabstand diagonal zu der Ausrichtungen der rasterartig angeordneten Routing-Pfade 58. Der Pixelpitch P ergibt sich als Abstand des Zentrums des photoelektrischen Bereichs 38 eines Pixelelements 36 zum Zentrum des photoelektrischen Bereichs 38 eines unmittelbar benachbarten Pixelelements 36 des Pixelarrays 24. Durch die diagonale Anordnung ist der Pixelpitch P um den Faktor $\sqrt{2}$
größer als der Abstand E parallel zueinander verlaufender benachbarter Routing-Pfade 58.
Bei diesem Pixelarray 24 wird jedes der zweiten Felder 62 von einem anderen Bereich 68 eines einzigen der Pixelelemente 36 gestellt, dessen photoelektrischer Bereich 38 in einem benachbarten ersten Feld 60 angeordnet ist.
Die beiden in den 3 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiele des Pixelarrays 24 zeigen eine besonders bevorzugte Geometrie, die voraussetzt, dass das Verhältnis Länge zu Breite beim rechteckigen Pixelelement 36 in etwa 2:1 ist, wobei bei jedem Pixelelement 36 die Fläche des photoelektrischen Bereichs 38 in etwa der Gesamtfläche des zumindest einen anderen Bereichs 40, 42; 68 entspricht. Dies ermöglicht, dass die Mikrolinsen 66 um 45° verdreht über den photoelektrischen Bereichen 38 zentriert positioniert werden können. Mikrolinsen 66 haben bei einer quadratischen Form einen hohen Verstärkungsfaktor.
Es ergeben sich die folgenden Vorteile des erfindungsgemäßen Layouts des Pixelarrays 24 mit Schachbrettmuster, insbesondere des in den Beispielen gezeigten Layouts:

1. Geringes Übersprechen (Crosstalk) der Pixel;
2. Hoher Füllfaktor bei kleinen Pixeln (wenn A_{Ausleseelektronik} = A_opt.Mischer) durch die effektive Anordnung von Ausleseelektronik 54, 56, 70, Routing 58 und photonischem Mischelement 44;
3. Die quadratische Form des photoelektrischen Bereichs 38 mit dem photonischen Mischelement 44:
1. a.) ermöglicht eine besonders effektive Nutzung der Mikrolinsen 66 und
2. b.) ist günstig für den Kontrast (Stichwort p-well Einschnürung);
4. Das Routing:
1. a.) sorgt für geringe Kopplung auf die Ausleseschaltung, da das Routing nicht direkt über der Ausleseelektronik 54, 56, 70 angeordnet ist; und
5. Die Ausgestaltung und Anordnung der Ausleseelektronik 54, 56, 70:
1. a.) ist symmetrisch für Kanal A und B und
2. b.) bewirkt eine geringe Diodenkapazität dank kurzer Verbindung zwischen den Auslesedioden 50, 52 und der jeweiligen Ausleseelektronik 54, 56, 70.

Die Randbedingungen für den Einsatz eines solchen Layouts des Pixelarrays 24 mit Schachbrettmuster sind:

1. Die Fläche der photonischen Mischelemente 44 ist gleich der Fläche Ausleseelektronik 54, 56, 70 A_{Ausleseelektronik} = A_opt.Mischer.
2. Um einen hohen Füllfaktor zu erzielen, muss die Fläche des Routings klein gehalten werden. Dies wird durch Pixel mit wenig Signalen gewährleistet.

6 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der die Fläche des ersten Bereichs 60 bzw. des photoelektrischen Bereichs 38 mit seinem photonischen Mischelement 44 größer ausgelegt ist als die Fläche des zweiten Bereichs 62, 40 42, in dem beispielsweise die Ausleseelektronik 54, 56 angeordnet ist. Auch diese Ausgestaltung kann vorteilhaft schachbrettartig angeordnet werden, wobei sich je nach Auslegung auch Füllfaktoren größer als 50 % realisieren lassen.
7 zeigt eine Ausgestaltung bei der das vertikale Routing 59, vorzugsweise um Pixelfläche zu sparen, im Bereich der Auslesektronik 54, 56 geführt wird. Insbesondere lässt sich der Metallstapel kegelförming aufbauen, so dass bei seitlichem Lichteinfall Abschattungen vermieden werden können.
Um insbesondere bei einem groß ausgelegten photoelektrischen Bereich 38, 60 das vertikale Routing 59 umzusetzen, ist es vorgesehen, das Routing, wie in 8 gezeigt, auch in den Eckbereichen der photoelektrischen Bereiche 38 aber außerhalb des photonischen Mischelements 44 vorzusehen.
9 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der das Routing auch größere Fächen innerhalb des photoelektrischen Bereichs 38 bis an die Grenzen des photonischen Mischerelements 44 einnimmt.
10 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der vorgenannten schachbrettmusterartigen Anordnung, bei zumindestens ein Teil der photoelektrischen Bereiche 38 bzw. ersten Felder 60 des Schachbrettmusters 64 mit Farbfilter versehen sind. Hier gekennzeichnet mit R, G und B. Diese Farbpixel R, G, B müssen hierbei nicht zwingend als Lichtlaufzeitpixel ausgebildet sein, sondern können als photoelektrische Bereiche 38 zur Akkumulation von Ladungen ausgebildet sein. Wenigstens ein Pixel in einer Gruppe bzw. Matrix von Pixeln ist als Lichtlaufzeitpixel D zur Erfassung von Entfernungen ausgebildet.
Sollen die Farbpixel zusätzich auch als Lichtlaufzeitpixel ausgebildet sein, so sollten die Farbfilter auch eine Transparenz für das Licht des modulierten Nutzsignals aufweisen. Typischerweise wird als Nutzlicht eine infrarote Strahlung im Bereich von 920 - 960 nm eingesetzt, so dass die Farbfilter eine zusätzliche Transparenz für diesen Bereich aufweisen sollten.
11 zeigt eine mögliche Auslesematrix der Pixelanordnung gemäß 11 im Detail. Das Auslesen der Pixel könnte beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass ein resultierende Gesamtpixel RGBD, CD als 3x3-Matrix ausgestaltet ist und das Gesamtpixel CD sowohl eine Farbinformation C als auch eine Distanzinformaton D trägt. Im dargestellten Beispiel überlappen sich die Gesamtpixel CD jeweils um eine Pixelzeile bzw. -spalte.
Die Farbpixel RGB können beispielsweise auf dem Bildsensor in einem Bayern-Pattern verteilt sein, selbstverständlich sind auch andere Farbverteilungen denkbar, ebenso können auch Farben außerhalb von Rot R, Grün G und Blau B verwendet werden. Beispielsweise können einzelne Farbfilter in Gelb, Magenta etc. ausgeführt sein. Auch können mehr als drei Farben eingesetzt werden.
In den vorgenannten Beispielen weist das Distanzpixel D keinen Filter auf. Es ist jedoch hilfreich, wenn das Distanzpixel D mit einem Infrarotfilter ausgestattet ist. Insbesondere eignen sich hier Kantenfilter, die für eine IR-Strahlung beispielsweise ab 900 nm durchlässig sind. Zusätzlich zur einer Transparenz im IR-Bereich könnte das Distanzpixel D auch mit einem Farbfilter ausgestattet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Distanzpixel D keinen Filter oder nur einen IR-Filter auf, während die Farbpixel R, G, B nicht als Distanz- sondern nur als Photopixel mit einem jeweiligen Farbfilter R, G, B ausgestaltet sind.
12 zeigt eine Variante bei der die Farbfilter alle die gleiche Farbe aufweisen, hier gekennzeichnet mit ,C‘.ln einer solchen monochromen Variante kann das Gesamtpixel CD dann grundsätzlich in einer kleineren Erfassungsmatrix ausgebildet sein. Im Beispiel gemäß 12 in einer 2x2-Matrix, wobei sich die Gesamtpixel wie gehabt jeweils auch in einer Spalte oder Zeile überlappen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die vorgenannten Beispiele eingeschränkt, insbesondere können auch Pixelgruppen größer einer 3x3 Matrix zu einem Gesamtpixel zusammengefasst werden.
Bezugszeichenliste

10: Lichtlaufzeitkamerasystem
12: Beleuchtungsmodul
14: Beleuchtung
16: Strahlformungsoptik
18: Lichtlaufzeitkamera
20: Empfangsoptik
22: Lichtlaufzeitsensor
24: Pixelarray
26: Photonischer Mischelemente-Sensor
28: Modulator
30: Phasenschieber
32: Objekt
34: Modulationssteuergerät
36: Pixelelement
38: photoelektrischer Bereich (Pixelelement)
40, 42: anderer Bereich (Pixelelement)
44: photonisches Mischelement
46, 48: Photogate (Kanal A, Kanal B)
50, 52: Auslesediode (Kanal A, Kanal B)
54, 56: Ausleseelektronik (Kanal A, Kanal B)
58: Routing-Pfad
60, 62: erstes und zweites Feld
64: Schachbrettmuster
66: Mikrolinse
68: anderer Bereich (Pixelelement)
70: Ausleseelektronik (Kanal A und B)
A, B: Kanäle
E: Abstand Routing-Pfade
P: Pixelpitch
d: Abstand
Mo: Modulationssignal
φ_var: Phasenlage

Claims

Pixelarray (24) eines Lichtlaufzeitsensor (22) für eine Lichtlaufzeitkamera (18), mit - einer Mehrzahl von Pixelelementen (36), die in einer Matrixanordnung angeordnet sind, wobei jedes einzelne Pixelelement (36) einen photoelektrischen Bereich (38) aufweist, wobei wenigstens ein Teil der Pixelelemente (36) ein photonisches Mischelement (44) umfasst, welches wenigstens in einen Kanal (A, B) mit je einem Photogate (46, 48) sowie je einer Auslesediode (50, 52) eingeteilt ist, wobei alle Pixelelemente (36) zumindest einen lichtunempfindlichen, anderen Bereich (40, 42, 62, 68) aufweisen, in dem zumindest in einem Teil eine Ausleseelektronik (54, 56, 70), angeordnet ist, und einer Mehrzahl von rasterartig angeordneten Routing-Pfaden (58), die das Pixel-Array (24) in Felder (60, 62) unterteilen, wobei sich eine Gruppe von ersten Feldern (60) und eine Gruppe von zweiten Feldern (62) ergeben, bei denen jedes der ersten Felder (60) von einem photoelektrischen Bereich (38) eines der Pixelelemente (36) gestellt wird und jedes der zweiten Felder (62) von den anderen Bereichen (40, 42, 68) gestellt wird, wobei die ersten Felder (60) und die zweiten Felder (62) schachbrettartig abwechselnd angeordnet sind, wobei ein Teil der ersten Felder (60) oder Pixelelement (36) mit einem Farbfilter (R,G,B,C) ausgestattet sind.
Pixelarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Pixelelement (36) die Fläche des photoelektrischen Bereichs (38) in etwa der Gesamtfläche des zumindest einen anderen Bereichs (40, 42, 68) entspricht.
Pixelarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Pixelelement (36) die Fläche des photoelektrischen Bereichs (38) größer als die Gesamtfläche des anderen Bereichs (40, 42, 68) ist.
Pixelarray nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der zweiten Felder (62) von mindestens einem anderen Bereich (68) eines einzigen der Pixelelemente (36) gestellt wird, dessen photoelektrischer Bereich (38) in einem benachbarten ersten Feld (60) angeordnet ist.
Pixelarray nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der zweiten Felder (62), welches vollständig von weiteren Feldern (56, 58) umgeben ist, von mindestens zwei anderen Bereichen (40, 42) zweier Pixelelemente (36) gestellt wird, deren photoelektrische Bereiche (38) ein benachbartes erstes Feld (60) stellen.
Pixelarray nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Felder (60, 62) quadratisch ausgestaltet sind.
Pixelarray nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der photoelektrische Bereich (38) eines jeden Pixelelements (36) in zwei Teilbereiche aufteilt, wobei jeder Teilbereich an einen der beiden einander gegenüberliegenden anderen Bereiche (40, 42) des Pixelelements (36) angrenzt.
Kamera für ein Lichtlaufzeitkamerasystem (10), gekennzeichnet durch einen Lichtlaufzeitsensor (22) mit einem Pixelarray (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Lichtlaufzeitkamerasystem (10) mit einem Beleuchtungsmodul (12) zum Aussenden modulierten Lichts und einer Lichtlaufzeitkamera (18) zum Empfang modulierten Lichts, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtlaufzeitkamera (18) mit einem Pixelarray (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Pixelarrays nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem im Pixelarray eine Matrix von Pixeln als Gesamtpixel (CD) erfasst wird, wobei diese Matrix wenigstens ein Distanzpixel und wenigstens soviele Farbpixel (R,G,B,C) umfasst, dass jede vorhandene Farbekategorie mindestens einmal erfasst ist, wobei jedes Gesamtpixel (CD) wenigsten eine Spalte oder Zeile der Matrix mit einem benachbarten Gesamtpixel (CD) gemeinsam hat, wobei zu jedem Gesamtpixel (CD) eine Farb- und Distanzinformaton ermittelt wird.