DE3844654C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bildsensor gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 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.

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.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Bildsensor gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs, dessen fotoempfindliches Element auf Halbleiterba­ sis, wie CCD-Element oder Elementenanordnung, durch Erzeugen eines Ava­ lanche-Effektes in einer Schicht optisch steuerbar ist.

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.

Weitere Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

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.

In den Figuren der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schema der Anordnung,

Fig. 2 einen Querschnitt des Halbleiter-Bildsensors,

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Gesamtaufbaus des Entfernungsbild-Sen­ sors in schematischer Darstellung,

Fig. 4 eine Schemaskizze mit einem U/t-Diagramm eines Kontrastbildes und vier hintereinander zeitlich verschobenen Torimpulsen nach Auftastung und Integration, sowie die Kennlinie des Videobildes als Ergebnis der Differenzbildung der vier Torimpulse.

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Teilfläche der Matrix des CCD-Entfer­ nungsbildsensor-Chip.

In der Fig. 1 ist ein Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Bildsensors dargestellt. Wie die Figur zeigt, läßt sich ein erfindungsgemäßer Bild­ sensor in Halbleiter-Bauweise als CCD-Array so gestalten, daß er in flächenhafter Ausführung zusammen mit einer Empfangsoptik den Empfänger des Systems bildet, während ein Laser-Sender und eine Sendeoptik, die optische Strahlung aussenden, welche empfangen wird. Sender und Empfän­ ger können eine Baueinheit bilden. Um Abbildungen z.B. einer Straße zu erlangen, wenn die Anwendung der Erfindung auf dem Fahrzeugsektor liegt, insbesondere in einem Kraftfahrzeugabstandswarnsystem, bei dem ebenfalls Laser-Strahlen ausgesendet, empfangen und ausgewertet werden, z.B. zur Abstandsmessung zu Hindernissen und/oder vorausfahrenden Fahrzeugen, empfiehlt sich ein Fronteinbau im Fahrzeug.

Der Sender ist mit 10, die Sendeoptik mit 10a, der Empfänger als CCD-Ar­ ray 13 ausgebildet und die Empfangsoptik mit 11 bezeichnet. Eine Abbil­ dung wie sie vom Sensor gewonnen wird, ist direkt unter diesem, verklei­ nert, dargestellt. Die Auswerteschaltung und Auswertemittel sind an sich bekannter Art und deshalb nicht dargestellt und auch nicht näher er­ läutert.

Während das Schema in Fig. 1 dargestellt ist, ist nach Fig. 2 die Aus­ führung des Halbleiters des Bildsensors so getroffen, daß die Ausnutzung des Avalanche-Effektes seitlich zum Strahlungseinfall (nebeneinander) erfolgt. Dabei ist auf einem transparentem oder semitransparenten Sub­ strat eine hochohmige n-dotierte-Silizium-Schicht und darauf eine CCD-Struktur abgeschieden und zwar im Querschnitt gesehen etwa in dem mittigen Bereich des Substrats. In Fig. 2 ist von oben nach unten kegel­ förmig in durchgehenden Bereichen, insbesondere transparentes Silizium­ oxid über p-dotierten Silizium und zwischen dem n-dotierten Silizium in der untersten Schicht auf dem Substrat eingebettet. Die CCD-Struktur aus p-dotiertem Silizium ist aufgebracht über der Auslesestruktur, die ins­ besondere aus Elektroden von gutleitendem Material gebildet wird. Dotie­ rungs- und Implantierungsherstellungstechnologien sind bekannter Art und brauchen deshalb hier nicht erwähnt zu werden. Insbesondere sind physi­ kalische oder chemische Beschichtungsmethoden wie CVD oder Plasmabe­ schichtung geeignet. Auf der linken Seite ist in Fig. 2 eine dünne Schicht aus transparentem Werkstoff, wie Gold (AU), auf der rechten Sei­ te eine dünne Schicht aus Aluminium (AL), nach einer dieser Schichtauf­ bringungstechniken auf dem Substrat und Halbleiter abgeschieden und da­ rüber noch ein oder mehrere Filterschichten um die einfallende Strahlung zu messen hier mit der Wellenlänge λ1. Hiervon verschieden ist die Strahlung für das Gating bzw. das Ansteuern, das mit einer Wellenlänge λ2 erfolgt. Hier kann über der gezeigten Siliziumoxid-Schicht eben­ falls noch eine Filterschicht angeordnet sein.

Ein Beispiel einer Anwendung ist nachstehend beschrieben.

Die Fig. 3 der Zeichnung skizziert den Gesamtaufbau des Entfernungs­ bild-Sensors 100, der aus einem Laserpulser 10b und einem Lasersender 10 mit zugeordneter Sendeoptik 10a, sowie aus einer Empfangsoptik 11 be­ steht, wobei hinter letzterer ein mit einem elektronischen Shutter 12 versehenes CCD-Array 13 angeordnet ist. Der Shutter 12 kann auch extern steuerbar sein. Der so ausgebildete Sender und Empfänger wird durch eine Zeitablaufsteuerungs-Einrichtung 14 gesteuert. Durch letztere wird der Sendepuls, der Torpuls und die Transferfunktion - wie dies in Fig. 2 veranschaulicht ist - so gesteuert, daß die gesamte zu betrachtende Ent­ fernung durch eine Anzahl von hintereinander zeitlich verschobenen Tor­ impulsen - beispielsweise Φ1 bis Φ4 - abgetastet wird.

Um nun ein Entfernungsbild zu erhalten, - beispielsweise ein Bildpunkt wird (wie in Fig. 5 skizziert) betrachtet - wird die während des Torpul­ ses am Sensor aufgelaufene Ladung zuerst in einer CCD-Speicherzelle 16a -16n abgespeichert, bei dem nächstfolgenden Torpuls wird die dabei auf­ gelaufene Ladung zuerst invertiert und in die gleiche Speicherzelle ab­ gegeben, womit eine Subtraktion beider Ladungen erreicht wird.

Durch die sequentielle Abtastung erscheint als Ergebnis der Differenz­ bildung im CCD-Additionsspeicher 16 ein Videobild, wie es als Beispiel in Fig. 4 dargestellt ist und den differenzierten, reflektierten Licht­ impuls zeigt. Das durch den Tortakt so in seiner Zeiteinheit transfor­ mierte Signal mehrerer Bildpunkte wird zu einem Entfernungsbild zusam­ mengesetzt. Aus der Fig. 3 ist ersichtlich, daß das vom gesteuerten In­ verter 15 aufgenommene und gebildete Kontrastbild 17a einmal direkt und anschließend invertiert dem CCD-Additionsspeicher 16 zur Subtraktion und Speicherung des Restwertes eingegeben und dort zum Entfernungsbild 17b gebildet wird.

Das CCD-Array 13 setzt sich beispielsweise aus einer Matrix von 100×100 Sensorflächen 13a-13n zusammen, von denen jede Fläche mit einer Sensorzelle belegt ist, der eine Transfer-Stufe 15a-15n und ein La­ dungsspeicher 16a-16n zugeordnet ist. Diese so gebildete Matrix kann monolithisch auf ein Chip integriert werden. Damit ist es nun möglich, eine sequentielle Subtraktion der einfallenden Energie zum Zeitpunkt "t" vorzunehmen. Der Shutter 12 steuert den Sensor 100 für eine kurze Tor­ zeit - beispielsweise 10 nsec empfindlich und zwar bei einer Beleuch­ tungsimpulslänge von z.B. 10 bis 100 nsec. Damit ist nun ein echter Ent­ fernungsbild-Sensor geschaffen der ein reliefartiges Entfernungsbild zur Ermittlung der Abstände zwischen einem Fahrzeug und Hindernissen etc. liefert.

Claims (1)

1. Entfernungsbildsensor mit einer gepulsten Lichtquelle mit Sender- und Empfangsoptik und einer Zeitablaufsteuerung und einem mit steuerbaren Verschluß (Schatte) versehenenen CCD-Array hinter der Empfangsoptik, dadurch gekennzeichnet,
   daß auf einem Halbleiter-Substrat das CCD-Array und der steuerbare Verschluß angeordnet sind, wobei durch Lichteinfall von außen ein Fotostrom ver­ stärkt wird und eine Raumladung im anschließenden Halbleitergebiet er­ zeugt wird, und
   daß ein Ladungsträgertransport zur CCD-Struktur mit Hilfe einer steuerbaren Elektrode erfolgt, dadurch, daß gepulstes Licht in ein solches Halblei­ ter-Gebiet einleitbar ist, in dem eine Raumladung erzeugt wurde, wobei dieses Halbleiter-Gebiet für das steuerbare Licht neben dem Gebiet, für das zu empfangende und zu messende Licht liegt.