DE3840426A1 - Range image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Entfernungsbild-Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a distance image sensor according to the Preamble of claim 1.
Es sind Bildsensoren auf der Basis von Halbleiterelementen vielfach be kannt. Ein Übersichtsartikel ist z.B. in Elektronik-Praxis Nr. 9 Septem ber 1978 Seiten 12 ff. enthalten. Es handelt sich bei den Bildsensoren um Schaltungen, bei denen höchste Integrationsfähigkeit wichtig ist und bei der deshalb große Anforderungen an die Herstellungstechnologie zu stellen sind. Dies gilt insbesondere dann wenn die Ausgangssignale, die in dem Sensor z.B. nach Einfallen einer Strahlung abgegeben werden kön nen, nur sehr klein sind.There are many image sensors based on semiconductor elements knows. An overview article is e.g. in electronics practice No. 9 Septem about 1978 pages 12 ff. It is the image sensors circuits where the highest level of integration is important and which, therefore, places great demands on manufacturing technology are. This is especially true when the output signals that in the sensor e.g. can be released after incidence of radiation are only very small.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Bildsensor zu schaffen auf Halblei terbasis, der eine wesentlich höhere Ausbeute (Signal-Rauschabstand) bzw. ein gesteigertes Nutzsignal erbringt und auf einfache Weise steuer bar ist.The object of the invention is to provide an image sensor on half lead basis, which has a significantly higher yield (signal-to-noise ratio) or provides an increased useful signal and control in a simple manner is cash.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Bildsensor, dessen fotoempfind liches Element auf Halbleiterbasis, wie CCD-Element oder Elementenanord nung, durch Erzeugen eines Avalanche-Effektes in einer Schicht optisch steuerbar ist.This task is solved by an image sensor, its photosensitive Semiconductor-based element, such as a CCD element or element arrangement optically by creating an avalanche effect in one layer is controllable.
Durch die Ausnützung des Avalanche-Effektes bzw. einer flächenhaften Avalanche-Diode an einem CCD-Sensor wird eine Empfindlichkeitserhöhung des Sensorelementes um das 100-fache erreicht.By taking advantage of the avalanche effect or an areal Avalanche diode on a CCD sensor will increase sensitivity of the sensor element reached 100 times.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind den weiteren An sprüchen, sowie der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Further features and advantages of the invention are the further say, as well as the description and drawing of exemplary embodiments refer to.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 den Aufbau des optischen Gesamtsystems in einer ersten Anwendung, Fig. 1 shows the structure of the overall optical system in a first application,
Fig. 2 einen optischen Empfänger einer ersten Art, Fig. 2 shows an optical receiver of a first type,
Fig. 3 ein Empfangselement (CCD-Element) zu Fig. 2, Fig. 3, a receiving element (CCD) to Fig. 2,
Fig. 4 ein Empfangselement anderer Art, abgewandelt gegenüber Fig. 3, Fig. 4 is a receiving member of another kind, modified relative to Fig. 3,
Fig. 5 ein CCD-Element weiter abgewandelter Art, Fig. 5 is a CCD element a further modified type,
Fig. 6 ein Empfänger zu Fig. 5, Fig. 6 is a receiver to Fig. 5,
Fig. 7 eine Anordnung zu Fig. 6 im Querschnitt, Fig. 7 shows an arrangement to Fig. 6 in cross-section,
Fig. 8 ein Diagramm von Signalfolgen zu einem Element nach Fig. 7, Fig. 8 is a diagram of signal sequences to an element according to Fig. 7,
Fig. 9 ein Blockschaltbild für einen optisch steuerbaren Bildsensor und Fig. 9 is a block diagram for an optically controllable image sensor and
einer Anwendung hierfür.an application for this.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen er läutert ohne hierauf beschränkt zu sein. Sie umfaßt selbstverständlich auch Abwandlungen und Kombinationen von beanspruchten, beschriebenen und dargestellten Merkmalen.The invention is based on exemplary embodiments purifies without being limited to this. It includes, of course also modifications and combinations of claimed, described and features shown.
Wie Fig. 1 zeigt, läßt sich ein Bildsensor flächenhafter Ausführung in Halbleiterbauweise als CCD-Array so gestalten, daß er zusammen mit einer Empfangsoptik den Empfänger des Systems bildet, während ein Laser-Sender und eine Sendeoptik die optische Strahlung aussenden, die empfangen wird. Um Abbildungen z.B. einer Straße, wenn die Anwendung auf dem Fahr zeugsektor liegt zu erlangen, insbesondere in einem Kraftfahrzeugab standswarnsystem, bei dem ebenfalls Laser-Strahlen ausgesendet, empfan gen und ausgewertet werden, z.B. zur Abstandsmessung zu Hindernissen und/oder vorausfahrenden Fahrzeugen. As shown in FIG. 1, an image sensor of a flat design in the form of a semiconductor can be designed as a CCD array in such a way that it forms the receiver of the system together with an optical receiving system, while a laser transmitter and an optical transmitting system emit the optical radiation that is received. In order to obtain images, for example, of a road when the application is in the vehicle sector, in particular in a motor vehicle distance warning system in which laser beams are also emitted, received and evaluated, for example for measuring the distance to obstacles and / or vehicles in front.
Der Sender ist mit 1, die Sendeoptik mit 2, der Empfänger als CCD-Array 3 ausgebildet und die Empfangsoptik mit 4 bezeichnet. Eine Abbildung wie vom Sensor gewonnen ist direkt unter diesem verkleinert dargestellt. Die Auswerteschaltung und Auswertemittel sind an sich bekannter Art und des halb nicht dargestellt und auch nicht näher erläutert.The transmitter is 1 , the transmission optics 2 , the receiver is a CCD array 3 and the reception optics 4 . An image as obtained from the sensor is shown scaled down directly below it. The evaluation circuit and evaluation means are known per se and are therefore not shown and are also not explained in detail.
Neu und erfindungswesentlich ist, daß auf der Fläche des CCD-Sensors, bei diesem Ausführungsbeispiel auf der Rückseite von der die Strahlung einfällt, eine Avalanche-Diode aufgebracht ist. Dies wird durch Implan tieren einer geeigneten Beschichtung auf der Rückseite des CCD-Chips er reicht. Die Herstellungstechnologie kann auf verschiedene Weise ausge führt werden. Die Materialien zum Implantieren bzw. Dotieren sind eben falls bekannter Art.What is new and essential to the invention is that on the surface of the CCD sensor, in this embodiment on the back of which the radiation occurs an avalanche diode is applied. This is done through Implan a suitable coating on the back of the CCD chip enough. The manufacturing technology can be done in different ways leads. The materials for implantation or doping are flat if known type.
Fig. 2 zeigt als Detail des Gesamtsystems ein CCD-Array 3 mit Empfangs optik 4 wobei von Fig. 1 abweichend ein steuerbarer Verschluß 5 in Ga ting-Ausführung für die herkömmliche CCD-Halbleiterelementanordnung ge troffen wurde, z.B. kann ein Halbleiter-Laser hier verwendet werden mit einer Gating-Wellenlänge zum Ansteuern zwischen bevorzugt 1400 nm bis etwa 1800 nm. Wichtig ist, daß diese Ansteuerwellenlänge ausreichend un terschieden werden kann von der Meßwellenlänge des einfallenden Lichtes insbesondere 800-950 nm, wie sie bei Halbleiter-Lasern für Entfer nungs-Messen angewandt wird. Die Ansteuerung des Halbleiter-Lasers für das Gating ist in einem Ausführungsbeispiel in Fig. 8 gezeigt. Geome trisch ist eine Ausführung und Anwendung in Fig. 3 gezeigt insbesondere für den genannten optischen Verschluß, wie Belichtungsbesteuerung. Dabei ist die Schichtfolge des Aufbaus p-n-p. Auf die in Fig. 3 unterste Schicht erfolgt die Einstrahlung in dieser Darstellung von unten und es wird eine Spannung von bis etwa -300 V angelegt, an die im mittleren Be reich ausgebildete n-Schicht eine Spannung von etwa +5 V, während die in Fig. 3 oberste Struktur zum Auslesen dient. Die einfallende Strahlung kann dann wie in der Zeichnung Fig. 3 ersichtlich nach Anlegen der Span nung durchsteuerbar sein und dann ggfs. an Elektroden auslesbar sein, z.B. gem. einem Blockschaltbild nach Fig. 9. Fig. 2 shows a detail of the overall system, a CCD array 3 with receiving optics 4 which, in contrast to Fig. 1, a controllable shutter 5 in gating design for the conventional CCD semiconductor element arrangement was hit, for example, a semiconductor laser can be used here are used with a gating wavelength for driving between preferably 1400 nm to about 1800 nm. It is important that this driving wavelength can be differentiated sufficiently from the measuring wavelength of the incident light, in particular 800-950 nm, as used in semiconductor lasers for removal. Measure is applied. The control of the semiconductor laser for the gating is shown in one exemplary embodiment in FIG. 8. Geometrically, an embodiment and application is shown in FIG. 3, in particular for the said optical shutter, such as exposure control. The layer sequence of the structure is pnp. The bottom layer in FIG. 3 is irradiated in this illustration from below and a voltage of up to about -300 V is applied, to the n-layer formed in the middle region a voltage of about +5 V, while the in Fig. 3 top structure is used for reading. The incident radiation can then, as can be seen in the drawing in FIG. 3, be controlled after application of the voltage and then read out on electrodes if necessary, for example according to FIG. a block diagram of FIG .. 9
In Fig. 4 ist die Ausführung so getroffen, daß nicht auf der Rückseite des Strahlungseinfalls die Ausnutzung des Avalanche-Effektes wie in Fig. 3 erfolgt, sondern im Gegenteil seitlich d.h. in Fig. 4 horizontal ne beneinander erfolgt. Dabei ist auf einem transparenten oder semitranspa renten Substrat eine hochohmige nSi-Schicht und darauf eine CCD-Struktur im horizontal und im Querschnitt gesehenen mittigen Bereich abgeschie den. In Fig. 4 von oben aus ist kegelförmig nach unten in durchgehenden Bereichen insbesondere transparentes SiO2 über pSi und zwischen nSi in der untersten Schicht auf dem Substrat eingebettet. Die CCD-Struktur ist aus pSi über der in Fig. 4 rechts angeordneten Auslesestruktur, insbe sondere Elektrodenstruktur wie Aluminium-Elektroden o.ä., aufgebracht.In Fig. 4, the design is such that the avalanche effect is not exploited on the back of the radiation as in Fig. 3, but on the contrary, that is, in Fig. 4 horizontally ne next to each other. A high-resistance nSi layer and a CCD structure are deposited on a transparent or semi-transparent substrate in the central area seen horizontally and in cross section. In FIG. 4 from above, in particular conical downwards in continuous areas, transparent SiO 2 is embedded over pSi and between nSi in the lowermost layer on the substrate. The CCD structure is made of pSi over the readout structure arranged on the right in FIG. 4, in particular electrode structure such as aluminum electrodes or the like.
Auf der in Fig. 4 linken Seite ist eine dünne Schicht aus transparentem Werkstoff, wie Gold, aufgebracht und bevorzugt eine oder mehrere Filter schichten für die zu messende einfallende Strahlung insbesondere ein Bild mit der Wellenlänge g 1. Hiervon verschieden ist die einfallende Strahlung für das Gating bzw. Ansteuern mit der Wellenlänge g 2, wobei ebenfalls über dem SiO2 noch eine Filterschicht angeordnet sein kann.On the left in Fig. 4, a thin layer of transparent material, such as gold, is applied and preferably one or more filter layers for the incident radiation to be measured, in particular an image with the wavelength g 1. The incident radiation for this is different Gating or driving with the wavelength g 2, wherein a filter layer can also be arranged over the SiO 2 .
Eine weitere Ausführung eines optisch steuerbaren Bildsensors ist in Fig. 5 ersichtlich. Es handelt sich hierbei wiederum um eine Einzeldar stellung eines halbleitenden Elementes im Querschnitt, wobei der Aufbau und die Schichtenfolge deutlich wird. Über eine Goldschicht die die Ein strahlungsseite für die Bildinformation abgibt in Fig. 5 unten ist pSi aufgebracht. Hierüber folgt wieder nSi sehr hochohmig und darauf wieder pSi. Abweichend gegenüber Fig. 3 ist jedoch in der unteren pSi-Schicht SiO2 oder dergleichen Material zwischen einzelnen pSi-Bereichen je weils lateral beabstandet angeordnet. Die Anordnung ist mit Vorteil so getroffen, daß die Einstrahlung für die Bildinfo nicht vertikal unter halb der Einfallsrichtung des Steuerlichtes liegt, sondern seitlich ne beneinander. Anders als bei der Ausführung nach Fig. 3 erfolgt das Ein strahlen des Steuerlichts von dem pulsierenden Laser in Fig. 5 von der Oberseite her, um eine Raumladung in dem Halbleiterelement zu erzeugen. An die nSi-Schicht ist wiederum eine unterschiedliche Spannung im Ver hältnis zur pSi-Schicht angelegt. Auf der Oberseite ist über der pSi-Schicht eine transparente oder semitransparente Schicht bevorzugt aus SiO2 aufgebracht auf der in Maskentechnik, insbesondere nach foto lithographischem Verfahren, die Ausleseelektronenstruktur insbesondere mit Aluminium- oder Goldelektroden o.ä. in Form von Parallel-Bahnen auf gebracht ist.A further embodiment of an optically controllable image sensor can be seen in FIG. 5. This in turn is a single representation of a semiconducting element in cross section, the structure and the layer sequence being clear. PSi is applied below a gold layer which emits the radiation side for the image information in FIG. 5 below. This is followed by nSi with a very high resistance and then again by pSi. In contrast to FIG. 3, however, SiO 2 or the like material is arranged in the lower pSi layer between individual pSi regions in each case laterally spaced apart. The arrangement is advantageously made so that the radiation for the image information is not vertically below half the direction of incidence of the control light, but side by side ne. Unlike the embodiment of FIG. 3, the beam A is carried out of the control light from the laser pulsing in Fig., To create a space charge in the semiconductor element from the upper side. 5 A different voltage in relation to the pSi layer is in turn applied to the nSi layer. On the top, a transparent or semi-transparent layer, preferably made of SiO 2, is applied over the pSi layer, on which the readout electron structure, in particular with aluminum or gold electrodes or the like, is used in mask technology, in particular by photo-lithographic processes. in the form of parallel tracks.
Eine andere Anwendung ist in Fig. 6 dargestellt. Hier kann die Bildaus wertung im Empfangsteil anders gestaltet sein und insbesondere für eine automatische Fahrzeugführung im gegenseitigen vorbestimmten Abstand mit Vorteil angewandt werden. Dabei wird in dem Empfangsteil mit Sendeoptik und Empfangsoptik ein Abtastlaser verwandt, der auf der bei Strahlungs einfall der zu messenden Strahlung abgekehrten Seite des CCD-Arrays an geordnet ist. Der Sendelaser kann für die Szenenbeleuchtung wiederum 800-900 nm Meßwellenlänge mit Hilfe der Sendeoptik erzeugen oder einer anderen Meßwellenlänge, die für die Abbildung und automatischer Lenkung bzw. Führung eines Fahrzeugs geeignet ist. Ein Querschnitt durch das CCD-Element zu Fig. 6 ist in Fig. 7 dargestellt, wobei der Grundaufbau wiederum die p-n-p-Folge ist. Die einfallende Strahlung kommt in Fig. 7 von oben und die Metallausleseelektroden sind bei dieser Ausführung ebenfalls oben angeordnet und in Maskentechnik insbesondere auf photo lithographischem Wege aufgebracht. Die Auswertung ist an sich bekannter Art.Another application is shown in FIG. 6. Here, the image evaluation in the receiving part can be designed differently and can be used with particular advantage for automatic vehicle guidance at a mutually predetermined distance. In this case, a scanning laser is used in the receiving part with transmitting optics and receiving optics, which is arranged on the side of the CCD array facing away from the radiation to be measured in the event of radiation. The transmitter laser can in turn generate 800-900 nm measuring wavelength for the scene lighting with the aid of the transmitting optics or another measuring wavelength which is suitable for imaging and automatic steering or guidance of a vehicle. A cross section through the CCD element to FIG. 6 is shown in FIG. 7, the basic structure again being the pnp sequence. The incident radiation comes from above in FIG. 7 and the metal readout electrodes are also arranged at the top in this embodiment and are applied using mask technology, in particular by photo-lithographic means. The evaluation is known per se.
In Fig. 8 ist eine Signalfolge dargestellt, die zum Verständnis der Funktion hier angeführt ist. Im oberen Teil ist die zu messende Strah lung e aufgetragen bei einer Beleuchtungsstärke bis etwa 10 000 lux wird eine Spannung angelegt bis zu etwa 300 V negativer Spannung, um die optische Steuerung des Bildsensors (Gating) durchzuführen. Im unteren Teil des Diagramms ist der Stromfluß d dargestellt und die zeitliche Tastung des Abtastlasers. Die Tastimpulse liegen z.B. im Bereich von 10 ns und kleiner. Selbstverständlich sind geeignete andere Tastungen oder Taktungen oder Pulsfolgen oder Modulation möglich. FIG. 8 shows a signal sequence which is given here for understanding the function. Is in the upper part to be measured radia tion e applied at an illuminance to about 10,000 lux, a voltage is applied up to about 300 V more negative voltage to the optical control of the image sensor (gating) perform. In the lower part of the diagram, the current flow d and the timing of the scanning laser are shown. The tactile pulses are, for example, in the range of 10 ns and less. Suitable other keying or clocking or pulse sequences or modulation are of course possible.
In Fig. 9 ist ein Blockschaltbild des Gesamtsystems in der Anwendung für Fahrzeuge wie vorbeschrieben dargestellt. Die Einzelheiten sind den je weiligen Funktionsblöcken zu entnehmen. Ebenso die Gesamtschaltanordnung. FIG. 9 shows a block diagram of the overall system in use for vehicles as described above. The details can be found in the respective function blocks. The same applies to the overall switching arrangement.
Aus vorstehendem wird deutlich, daß ein flächenhafter Bildsensor ge schaffen wurde mit einerseits hoher Empfindlichkeit und andererseits der Möglichkeit diesen in sehr kurzer vorgegebener Zeit zu steuern (ca. 5 ns) . Damit ist ein elektrischer Verschluß für eine CCD-Kamera ge schaffen, die auch in Fahrzeugen anwendbar ist. Die Empfindlichkeitser höhung um den Faktor 100, ist dank der Ausnutzung des Avalanche-Effekts gegeben. Der Verstärkungsfaktor ist mit Hilfe der Avalanche-Spannung einstellbar.From the above it is clear that an areal image sensor ge was created with high sensitivity on the one hand and the Possibility to control it in a very short time (approx. 5 ns). This is an electrical shutter for a CCD camera ge create that is also applicable in vehicles. The sensitivity ser increase by a factor of 100 is thanks to the use of the avalanche effect given. The gain factor is with the help of the avalanche voltage adjustable.
Die Anwendung der Erfindung ist bei einem Abstandswarnsystem und bei einem automatischen Führungssystem "Prometheus" vgl. Bild der Wissen schaft 10 - 1988, S. 134 ist besonders vorteilhaft.The application of the invention is in a distance warning system and an automatic guidance system "Prometheus" cf. Image of knowledge shaft 10 - 1988, p. 134 is particularly advantageous.
Claims (5)
- - auf der einen Seite des Halbleiters eine Avalanchediode angeordnet ist,
- - durch die ein bei Lichteinfall von außen erzeugter Photostrom ver stärkt wird,
- - eine Raumladung im anschließenden Halbleitergebiet erzeugt wird und ein Ladungsträgertransport zur CCD-Auslesestruktur hin erfolgt,
- - in der auf der anderen Seite des Halbleiters angeordneten CCD-Aus lesestruktur ein Kontrast- oder Entfernungsbild ausgegeben wird.
- an avalanche diode is arranged on one side of the semiconductor,
- - by which a photocurrent generated from outside when light is incident is amplified,
- a space charge is generated in the subsequent semiconductor region and a charge carrier is transported to the CCD readout structure,
- - In the CCD read structure arranged on the other side of the semiconductor, a contrast or distance image is output.
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (2)
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| DE3732347A DE3732347C1 (en) | 1987-09-25 | 1987-09-25 | Distance image sensor |
| DE3840426A DE3840426A1 (en) | 1987-09-25 | 1988-12-01 | Range image sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3840426A1 true DE3840426A1 (en) | 1990-06-07 |
Family
ID=25860145
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE3840426A Withdrawn DE3840426A1 (en) | 1987-09-25 | 1988-12-01 | Range image sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3840426A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996035963A1 (en) * | 1996-06-04 | 1996-11-14 | Yalestown Corporation N.V. | Device for observing objects |
| DE10210301A1 (en) * | 2002-03-08 | 2003-09-18 | Valeo Schalter & Sensoren Gmbh | Method and system for detecting objects in the vicinity of a vehicle |
-
1988
- 1988-12-01 DE DE3840426A patent/DE3840426A1/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996035963A1 (en) * | 1996-06-04 | 1996-11-14 | Yalestown Corporation N.V. | Device for observing objects |
| DE10210301A1 (en) * | 2002-03-08 | 2003-09-18 | Valeo Schalter & Sensoren Gmbh | Method and system for detecting objects in the vicinity of a vehicle |
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