WO2020127304A1 - Pixel structure for optically measuring a distance on an object, and corresponding distance detection system - Google Patents

Pixel structure for optically measuring a distance on an object, and corresponding distance detection system Download PDF

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WO2020127304A1
WO2020127304A1 PCT/EP2019/085700 EP2019085700W WO2020127304A1 WO 2020127304 A1 WO2020127304 A1 WO 2020127304A1 EP 2019085700 W EP2019085700 W EP 2019085700W WO 2020127304 A1 WO2020127304 A1 WO 2020127304A1
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Nadine Sticherling
Oliver MÜLLER
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Huf Hülsbeck & Fürst Gmbh & Co. Kg
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Abstract

The invention relates to a pixel structure (10; 30) for optically measuring a distance on an object (12), comprising at least one pixel (14; 32) which has multiple sub-pixels (16a, 16b, 16c), wherein each sub-pixel (16a, 16b, 16c) has a first photo-active region (18a, 18b, 18c), a first storage node (26a, FD1, 26b, FD2, 26c, FD3), and a first analysis gate (24a, TX1, 24b, TX2, 24c, TX3), wherein the first analysis gate (24a, TX1, 24b, TX2, 24c, TX3) is adjacent to the respective first storage node (26a, FD1, 26b, FD2, 26c, FD3) and to the first photo-active region (18a, 18b, 18c) and is designed to control the transport of charge carriers from the first photo-active region (18a, 18b, 18c) to the first storage node (26a, FD1, 26b, FD2, 26c, FD3). An amplification circuit (M2-1, M2-1, M2-3) which is connected to the respective storage node (26a–c, FD1–3) is provided, said circuit being permanently or temporarily short-circuited by at least two storage nodes on the output side such that the storage nodes can be read via a single tap.

Description

Pixelstruktur zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt und zugehöriges AbstandserfassungsSystem Pixel structure for optical distance measurement on an object and associated distance detection system
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine The present invention relates to a
Pixelstruktur zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt und auf ein Abstandserfassungssystem, das eine derartige Pixel structure for optical distance measurement on an object and on a distance detection system that such
Pixelstruktur aufweist. Has pixel structure.
Im Stand der Technik sind optische Verfahren bekannt, die Betätigungen durch Benutzer in Reaktion auf eine Auswertung von Bildinformationen erkennen und daraufhin z.B. Schaltvorgänge auslösen. Beispielsweise sind hier automatische Optical methods are known in the prior art, which recognize user actuations in response to an evaluation of image information and then e.g. Trigger switching operations. For example, here are automatic
Videoauswertungen von Überwachungssystemen zu nennen, welche Muster oder Bewegungen aus einzelnen Bildern oder einer Folge von Bildern herauslesen. Außerdem sind zahlreiche andere optisch gestützte Systeme bekannt, wobei zu den grundlegendsten To name video evaluations of surveillance systems, which read patterns or movements from individual pictures or a sequence of pictures. Numerous other optically based systems are also known, among the most basic
Lichtschranken oder Helligkeitssensoren gehören. Optische Light barriers or brightness sensors belong. Optical
Systeme mit höherer Komplexität bedienen sich jedoch oft eines Arrays von optisch sensitiven Erfassungseinheiten, meist als Pixel bezeichnet, die parallel optische Informationen aufnehmen, beispielsweise in Gestalt eines CCD-Arrays. However, systems of higher complexity often use an array of optically sensitive detection units, usually referred to as pixels, which record optical information in parallel, for example in the form of a CCD array.
Die DE 10 2008 025 669 Al offenbart einen optischen Sensor, welcher eine Geste detektiert, woraufhin ein Schließelement eines Fahrzeugs automatisch bewegt wird. DE 10 2008 025 669 A1 discloses an optical sensor which detects a gesture, whereupon a closing element of a vehicle is automatically moved.
Die WO 2008/116699 A2 betrifft einen optischen Sensorchip und bezieht sich auf eine optische Einklemmschutzvorrichtung für die Überwachung einer Fensterscheibe, Schiebetür oder einer Heckklappe in einem Kraftfahrzeug WO 2008/116699 A2 relates to an optical sensor chip and relates to an optical pinch protection device for monitoring a window pane, sliding door or a tailgate in a motor vehicle
Da die Gestensteuerung in verschiedenen technischen Since the gesture control in different technical
Bereichen immer größere Akzeptanz erfährt, wurden auch Versuche unternommen, solche rein optischen Systeme zur Erkennung des Bedienwunsches bei Kraftfahrzeugen zu verwenden. Im Bereich der optischen Erfassung sind Systeme bekannt, welche eine Areas of increasing acceptance have also been attempted to use purely optical systems of this type to identify the operating request in motor vehicles. In the field of optical detection, systems are known which have a
pixelbezogene Ortsinformation, insbesondere eine Distanz von der Sensor- oder Erfassungseinrichtung erfassen. Die WO 2013/001084 Al offenbart ein System zur Capture pixel-related location information, in particular a distance from the sensor or detection device. WO 2013/001084 A1 discloses a system for
berührungslosen Erfassung von Gegenständen und Bediengesten mit einer optisch gestützten Einrichtung. non-contact detection of objects and operating gestures with an optically supported device.
Systeme zur optischen Abstandserfassung werden, je nach angewandtem Auswertungsverfahren, als „Time-of-flight"-Systeme oder auch als „3D-Imager" oder „Range Imager" bezeichnet. Beim ToF-Verfahren wird ein Raumbereich mit einer Lichtquelle beleuchtet und die Laufzeit des von einem Objekt im Raumbereich zurück reflektierten Lichtes mit einem Flächensensor Systems for optical distance detection are, depending on the evaluation method used, referred to as "time-of-flight" systems or also as "3D imager" or "range imager". In the ToF method, a room area is illuminated with a light source and the runtime of the light reflected back from an object in the area with a surface sensor
aufgenommen. Dazu sollten Lichtquelle und Sensor möglichst nah zueinander angeordnet sein. Aus dem linearen Zusammenhang von Lichtlaufzeit und Lichtgeschwindigkeit lässt sich die Distanz zwischen Sensor und Messobjekt bestimmen. Zur Messung der added. For this purpose, the light source and sensor should be arranged as close as possible to each other. The distance between sensor and target can be determined from the linear relationship between the time of light and the speed of light. To measure the
Verzögerung muss eine Synchronisation zwischen Lichtquelle und Sensor gegeben sein. Durch die Nutzung gepulster Lichtquellen können die Verfahren optimiert werden, denn kurze Lichtpulse (im ns-Bereich) ermöglichen eine effiziente There must be a synchronization between the light source and the sensor. The processes can be optimized by using pulsed light sources, because short light pulses (in the ns range) enable efficient
Hintergrundlichtunterdrückung. Außerdem werden durch die Background light suppression. In addition, the
Verwendung des gepulsten Lichts mögliche Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung der Distanz vermieden, so lange der Abstand genügend groß ist. Einerseits wird bei diesem Konzept die Using the pulsed light avoids possible ambiguities when determining the distance as long as the distance is sufficiently large. On the one hand, with this concept
Lichtquelle gepulst betrieben, andererseits wird die Light source operated pulsed, on the other hand, the
Detektionseinheit, also das Pixelarray gepulst sensitiv Detection unit, i.e. the pixel array is pulsed sensitive
geschaltet, also das Integrationsfenster der einzelnen Pixel wird zeitlich mit der Lichtquelle synchronisiert und in der Integrationsdauer begrenzt. Durch den Vergleich von Ergebnissen mit unterschiedlichen Integrationsdauern können insbesondere Effekte von Hintergrundlicht herausgerechnet werden. switched, that is, the integration window of the individual pixels is synchronized in time with the light source and limited in the integration duration. By comparing results with different integration times, effects of background light in particular can be eliminated.
Wesentlich ist, dass diese ToF-Erfassungsmethode keine rein bildbasierte Erfassungsmethode ist. Es wir bei jedem Pixel eine Abstandsinformation ermittelt, was durch die zeitliche It is essential that this ToF acquisition method is not a purely image-based acquisition method. A distance information is determined for each pixel, which is determined by the temporal
Lichtdetektion erfolgt. Bei Verwendung eines Pixelarrays liegt schließlich eine Matrix von Abstandswerten vor, welche bei zyklischer Erfassung eine Interpretation und Verfolgung von Objektbewegungen zulässt. Light detection takes place. When using a pixel array, there is finally a matrix of distance values, which are included cyclical acquisition allows an interpretation and tracking of object movements.
Die Anwendungsgebiete solcher Systeme liegen neben den The fields of application of such systems lie alongside
Bereichen der industriellen Automatisierungstechnik, in der Sicherheitstechnik und insbesondere im Automobilbereich. In einem Auto werden 3D-Sensoren in Spurhaltesystemen, zum Areas of industrial automation technology, security technology and especially in the automotive sector. In a car, 3D sensors are used in lane keeping systems
Fußgängerschutz oder als Einparkhilfe eingesetzt, zunehmend aber auch als Bedienelemente, welche für Benutzer eine Pedestrian protection or used as a parking aid, but increasingly also as controls, which is a user
Gestensteuerung ermöglichen. In diesem Zusammenhang wird auf diesbezügliche Ausarbeitungen verwiesen, welche die technischen Konzepte und deren Realisierung detailliert beschreiben, insbesondere die Dissertation „Photodetektoren und Enable gesture control. In this context, reference is made to related elaborations that describe the technical concepts and their implementation in detail, in particular the dissertation “Photodetectors and
Auslesekonzepte für 3D-Time-of-Flight-Bildsensoren in 0,35 pm- Standard-CMOS-Technologie" , Andreas Spickermann, Fakultät für Ingenieurwissenschaften der, Universität Duisburg-Essen, Readout concepts for 3D time-of-flight image sensors in 0.35 pm standard CMOS technology ", Andreas Spickermann, Faculty of Engineering, University of Duisburg-Essen,
2010. Außerdem wird auf die Publikation „Optimized Distance Measurement with 3D-CMOS Image Sensor and Real-Time Processing of the 3D Data for Applications in Automotive and Safety 2010. The publication “Optimized Distance Measurement with 3D-CMOS Image Sensor and Real-Time Processing of the 3D Data for Applications in Automotive and Safety
Engineering", Bernhard König, Fakultät für Engineering ", Bernhard König, Faculty of
Ingenieurwissenschaften der Universität Duisburg-Essen, 2008 verwiesen. Die vorgenannten Arbeiten beschreiben das Konzept und die Realisierung von einsetzbaren optischen Sensorsystemen, so dass im Rahmen dieser Anmeldung auf deren Offenbarung verwiesen wird und nur zum Verständnis der Anmeldung relevante Aspekte erläutert werden. Engineering Sciences from the University of Duisburg-Essen, referenced in 2008. The aforementioned work describes the concept and implementation of optical sensor systems that can be used, so that in the context of this application reference is made to their disclosure and only relevant aspects are explained for understanding the application.
Ein bekanntes ToF-Verfahren ist das pulsmodulierte, A well-known ToF process is pulse-modulated,
indirekte Laufzeitverfahren (PM-ToF) . Bei diesem Messverfahren wird die Signalenergie der aktiven Bestrahlungsstärke in einem kurzem Zeitintervall gebündelt, so dass das Signal-zu- Fremdlicht-Verhältnis verbessert wird. Da für indirect runtime procedure (PM-ToF). With this measuring method, the signal energy of the active irradiance is bundled in a short time interval, so that the signal-to-ambient light ratio is improved. Therefore
Pulslaufzeitmessungen hohe Zeitauflösungen nötig werden, sind die Driftfelddetektoren eine bevorzugtes Sensorprinzip. Eine mögliche Realisierung nach dem Stand der Technik einer If pulse time measurements require high time resolutions, the drift field detectors are a preferred sensor principle. A possible implementation according to the state of the art
Pixelarchitektur anhand des lateralen Driftfelddetektors ist in Fig. 6a und Fig. 6b dargestellt. Das zugehörige Timing-Diagramm ist in Fig. 7 dargestellt. Pixel architecture based on the lateral drift field detector is in 6a and 6b. The associated timing diagram is shown in FIG. 7.
Gemäß Fig. 7 werden mindestens zwei unterschiedlich lange und/oder zeitversetzte Kurzzeitintegratoren (TX1/TX2) mit der Emission einer modulierten elektromagnetischen Welle According to FIG. 7, at least two short-time integrators (TX1 / TX2) of different lengths and / or times are offset with the emission of a modulated electromagnetic wave
synchronisiert. Ein erster Teil des reflektierten synchronized. A first part of the reflected
elektromagnetischen Wellenpakets wird- in diesem Beispiel- im ersten Kurzzeitintegrationsfenster (TX1) und ein zweiter Teil in einem zweiten Kurzzeitintegrationsfenster (TX2) akkumuliert. In this example, electromagnetic wave packets are accumulated in the first short-term integration window (TX1) and a second part in a second short-term integration window (TX2).
Als Hintergrundlichtreferenz wird ein dritter A third is used as the background light reference
Kurzzeitintegrator (TX3) verwendet, der optimalerweise außerhalb des Zeitbereichs getriggert wird, in dem der reflektierte „Lichtpuls" erwartet wird. Anhand der drei unabhängigen Signale, welche in den drei zugehörigen Speicherknoten hinterlegt sind, lassen sich somit Distanz, Reflektanz und Hintergrundlicht bestimmen . Short-term integrator (TX3) is used, which is optimally triggered outside the time range in which the reflected “light pulse” is expected. Based on the three independent signals, which are stored in the three associated storage nodes, distance, reflectance and background light can be determined.
Wie es in Fig. 6a dargestellt ist, sind die drei As shown in Figure 6a, the three are
Kurzzeitintegratoren TX1-TX3 durch Transfer-Gates realisiert, die ein Photoaktivgebiet mit den zugehörigen Speicherknoten FD1- FD3 verbinden. Um zu vermeiden, dass parasitär erzeugte Short-term integrators TX1-TX3 realized by transfer gates that connect a photoactive area with the associated storage nodes FD1-FD3. To avoid being parasitic
Ladungsträger außerhalb der Kurzzeitintegrationsfenster TX1-TX3 in die Speicherknoten übersprechen, wird das Photoaktivgebiet durch ein weiteres Transfer-Gate (TX4) mit einem Abführgebiet DD verbunden, welches permanent auf einem Referenzpotential liegt, so dass Ladungsträger definiert abgeführt werden können. If charge carriers outside the short-term integration windows TX1-TX3 crosstalk into the storage nodes, the photoactive area is connected by a further transfer gate (TX4) to a discharge area DD which is permanently at a reference potential, so that charge carriers can be removed in a defined manner.
Wie in Fig. 6b dargestellt, ist hier der Photodetektor so gestaltet, dass im Bereich des photoaktiven Gebiets eine n-Wanne ausgebildet ist, welche von Störstellen, wie sie dominant an einer Si-Si02-Schicht ausgebildet sein können (Gateoxid) durch eine p+-Schicht entfernt ist, so dass ein niedriger Dunkelstrom resultiert. Die n-Wanne weist ferner einen As shown in FIG. 6b, the photodetector is designed in such a way that an n-well is formed in the region of the photoactive region, which is formed by impurities, such as may be dominant on an Si-SiO 2 layer (gate oxide) by ap + Layer is removed, so that a low dark current results. The n-well also has one
Dotierstoffkonzentrationsgradienten auf, der ein intrinsisches Driftfeld erzeugt, so dass photogenerierte Ladungsträger Dopant concentration gradient, which generates an intrinsic drift field, so that photogenerated charge carriers
instantan in Richtung der Speicherknoten propagiert werden. Im Bereich unter dem sogenannten Sammelknoten- „Collection Gate" (CX)-, welcher das Verbindungsstück zwischen are propagated instantaneously in the direction of the storage nodes. In the area under the so-called "Collection Gate" (CX) - which is the connecting piece between
Photoaktivgebiet und Transfer-Gates/Speicherknoten darstellt, wird durch Anbindung an die entsprechenden Steuerelektroden TX1- TX4 permanent eine Vorzugsrichtung definiert. Dies wird so realisiert, als dass stets drei der Steuerelektroden mit einem niedrigen Potential verbunden sind, so dass Potentialbarrieren entstehen, während die verbleibende Elektrode mit einem höheren Potential verbunden ist, so dass eine etwaige Potentialbarriere reduziert wird und eine Vorzugsrichtung entsteht. Represents the photoactive area and transfer gates / storage nodes, a preferred direction is permanently defined by connection to the corresponding control electrodes TX1-TX4. This is realized in such a way that three of the control electrodes are always connected to a low potential, so that potential barriers arise, while the remaining electrode is connected to a higher potential, so that any potential barrier is reduced and a preferred direction arises.
Entsprechend Fig. 7 werden diese Vorzugsrichtungen in dieser Anwendung derart variiert, dass eine Pulslaufzeitmessung möglich wird. Der Sammelknoten ist optional- die Transfer-Gates könnten auch direkt an ein Photoaktivgebiet gebunden sein. Jedoch ermöglicht ein Sammelknoten die Variation des 7, these preferred directions are varied in this application in such a way that a pulse transit time measurement is possible. The collection node is optional - the transfer gates could also be linked directly to a photoactive area. However, a collection node allows the variation of the
Oberflächenpotentials durch Verbindung mit einem variablen Surface potential by connection with a variable
Referenzpotential, so dass dieser Freiheitsgrad dazu beitragen kann, ein monoton steigendes Potentialprofil vom Reference potential, so that this degree of freedom can contribute to a monotonously increasing potential profile from
Photoaktivgebiet in Richtung des durch Beschaltung eines Photoactive area in the direction of by wiring a
Transfer-Gates selektierten Speicherknotens zu ermöglichen. To enable transfer gates to selected storage nodes.
Aus dem Wunsch, mehrere Speicherknoten und zugehörige From the desire to have multiple storage nodes and associated
Steuerelektroden zur Realisierung der Funktion unterschiedlicher Kurzzeitintegratoren und etwaige Draininggebiete und zugehörige Elektroden zur Realisierung der Abführung von Control electrodes for realizing the function of different short-term integrators and any draining areas and associated electrodes for realizing the removal of
fremdlichtbezogenen, generierten Ladungsträgern anzubringen, resultiert außerdem meist eine Asymmetrie (siehe Fig. 6a) . Diese bedingt, dass Ladungsträger unterschiedliche Wege zurücklegen müssen um in unterschiedliche Speicherknoten zu gelangen, was unterschiedliche Zeitauflösungen zur Folge hat. Attaching generated charge carriers related to extraneous light usually also results in an asymmetry (see FIG. 6a). This means that load carriers have to travel different ways to get to different storage nodes, which results in different time resolutions.
Aus der DE 10 2014 2015 972 Al ist eine Pixelstruktur zur Überwindung der vorstehenden Probleme bekannt. Die dort A pixel structure for overcoming the above problems is known from DE 10 2014 2015 972 A1. These
beschriebene Pixelstruktur basiert auf der Erkenntnis, dass Abweichungen (engl, mismatches) bezüglich eines The pixel structure described is based on the knowledge that deviations (mismatches) with respect to one
Ladungsträgertransports innerhalb eines Pixels reduzierbar sind, indem das Pixel Teilpixel umfasst und ein Teilpixel einen photoaktiven Bereich und zumindest eine Auswertekapazität aufweist, die ausgebildet ist, um in dem photoaktiven Bereich erzeugte Ladungsträger aufzunehmen. Abweichungen von einem Carrier transport can be reduced within one pixel in that the pixel comprises sub-pixels and a sub-pixel has a photoactive area and at least one evaluation capacity, which is designed to receive charge carriers generated in the photoactive area. Deviations from one
Idealzustand können (innerhalb von Fertigungstoleranzen) für jedes Teilpixel und jede Auswertekapazität im Wesentlichen gleich auftreten, so dass Abweichungen der Transfereigenschaften zwischen in die Auswertekapazitäten transportierte Ladungsträger reduziert werden können, was eine exakte Erfassung ermöglicht. The ideal state (within manufacturing tolerances) can occur essentially identically for each sub-pixel and each evaluation capacity, so that deviations in the transfer properties between load carriers transported into the evaluation capacities can be reduced, which enables exact detection.
Die Pixelstruktur weist zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt zumindest ein Pixel auf, das ein erstes Teilpixel, ein zweites Teilpixel und ein drittes Teilpixel umfasst. Das erste Teilpixel umfasst einen ersten photoaktiven Bereich, einen ersten Speicherknoten und ein erstes Auswerte-Gate . Das erste Auswerte-Gate ist benachbart zu der ersten Auswertekapazität und dem ersten photoaktiven Bereich des ersten Teilpixels gebildet und ausgebildet, um einen Transport von in dem ersten For the optical distance measurement on an object, the pixel structure has at least one pixel which comprises a first sub-pixel, a second sub-pixel and a third sub-pixel. The first sub-pixel comprises a first photoactive area, a first storage node and a first evaluation gate. The first evaluation gate is formed adjacent to the first evaluation capacitance and the first photoactive region of the first sub-pixel and is designed to transport in the first
photoaktiven Bereich erzeugten Ladungsträgern aus dem ersten photoaktiven Bereich zu der ersten Auswertekapazität zu steuern. Das zweite Teilpixel umfasst einen zweiten photoaktiven Bereich und einen zweiten Speicherknoten und ein zweites Auswerte-Gate, wobei das zweite Auswerte-Gate benachbart zu der zweiten to control photoactive area generated charge carriers from the first photoactive area to the first evaluation capacity. The second sub-pixel comprises a second photoactive area and a second storage node and a second evaluation gate, the second evaluation gate being adjacent to the second
Auswertekapazität und dem zweiten photoaktiven Bereich des zweiten Teilpixels gebildet ist. Das zweite Auswerte-Gate ist ausgebildet, um einen Transport von in dem zweiten photoaktiven Bereich erzeugten Ladungsträgern aus dem zweiten photoaktiven Bereich zu der zweiten Auswertekapazität zu steuern. Das dritte Teilpixel umfasst einen dritten photoaktiven Bereich und einen dritten Speicherknoten und ein drittes Auswerte-Gate. Das dritte Auswerte-Gate ist benachbart zu der dritten Auswertekapazität und dem dritten photoaktiven Bereich des dritten Teilpixels gebildet und ausgebildet, um einen Transport von in dem dritten photoaktiven Bereich erzeugten Ladungsträgern aus dem dritten photoaktiven Bereich zu der dritten Auswertekapazität zu Evaluation capacity and the second photoactive region of the second sub-pixel is formed. The second evaluation gate is designed to control a transport of charge carriers generated in the second photoactive region from the second photoactive region to the second evaluation capacitance. The third sub-pixel comprises a third photoactive area and a third storage node and a third evaluation gate. The third evaluation gate is formed adjacent to the third evaluation capacitance and the third photoactive region of the third sub-pixel and is designed to transport charge carriers generated in the third photoactive region from the third photoactive area to the third evaluation capacity
steuern . Taxes .
Die drei Teilpixel sind ähnlich oder identisch aufgebaut, so dass ein Transport der Ladungsträger unter gleichen Bedingungen und mit gleichen Abweichungen für die Teilpixel erfolgen kann und eine Abweichung zwischen den Teilpixeln gering ist. The three sub-pixels are constructed similarly or identically, so that the charge carriers can be transported under the same conditions and with the same deviations for the sub-pixels and a deviation between the sub-pixels is small.
Bei der Realisierung von Hochgeschwindigkeitsdetektoren für pulsmodulierte, indirekte Laufzeitmessverfahren, sind When realizing high-speed detectors for pulse-modulated, indirect transit time measurement methods
Flächenabmessungen des Photoaktivgebietes eines Sensors Area dimensions of the photoactive area of a sensor
besonders relevant. Die Sensitivität für auftreffende particularly relevant. The sensitivity to impacts
elektromagnetische Signale steigt mit der Fläche. Andererseits ist eine größere Fläche mit längeren Wegen für die Ladungsträger und damit anderen Zeitfaktoren verbunden. Es hat sich gezeigt, dass die vorgenannte Gestaltung der DE 10 2014 2015 972 Al nicht unter allen Praxisbedingungen ausreichende Signalstärken electromagnetic signals increase with the surface. On the other hand, a larger area is associated with longer paths for the charge carriers and thus other time factors. It has been shown that the aforementioned design of DE 10 2014 2015 972 Al does not provide sufficient signal strengths under all practical conditions
generieren kann, um verlässliche Auswertungen zu ermöglichen. can generate to enable reliable evaluations.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Pixelstruktur und ein Abstandserfassungssystem zu schaffen, die eine signalstarke Abstandserfassung ermöglichen. The object of the present invention is to create a pixel structure and a distance detection system that enable a signal-strong distance detection.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. This object is achieved by the subject matter of the independent claims.
Gemäß der Erfindung sind bei einer Gestaltung einer According to the invention are in a design
Pixelstruktur mit jeweils mehreren Teilpixeln die Abgriffe (oder damit verbundene Signalleitungen) zur Abfrage der Teilpixel dauerhaft oder zeitweise kurzgeschlossen, um die Teilpixel bedarfsgerecht als parallel geschaltete photoaktive Gebiete zu betreiben. Die Teilpixel werden mit ihren photoaktiven Bereichen weiterhin über ihre jeweiligen Speicherknoten und Auswerte-Gates betrieben wie in der genannten Druckschrift DE 10 2014 2015 972 Al beschrieben, die akkumulierten Ladungen werden jedoch durch die Zusammenschaltung der abzufragenden Abgriffe oder Pixel structure with several sub-pixels in each case, the taps (or associated signal lines) for querying the sub-pixels are short-circuited permanently or temporarily, in order to operate the sub-pixels as photoactive areas connected in parallel as required. The partial pixels with their photoactive areas continue to be operated via their respective storage nodes and evaluation gates, as described in the mentioned publication DE 10 2014 2015 972 A1, but the accumulated charges are caused by the interconnection of the taps to be queried or
Signalleitungen gemeinsam gemessen, um eine verbesserte Signal lines measured together for improved
Signalstärke zu erreichen. Die Vorteile der Ausgestaltung eines Pixels mit Teilpixeln bleiben grundsätzlich erhalten, insbesondere sind die geteilten photoaktiven Bereiche auf die zugeordneten Speicherknoten und Auswerte-Gates angepasst. Die getrennte Erfassung der Teilpixel und das damit verbundene verkleinerte photoaktive Gebiet kann jedoch durch die Verbindung der Signalleitungen bedarfsgerecht kompensiert werden. To achieve signal strength. The advantages of designing a pixel with sub-pixels are basically retained, in particular, the divided photoactive areas are adapted to the assigned storage nodes and evaluation gates. The separate detection of the sub-pixels and the associated reduced photoactive area can, however, be compensated for by connecting the signal lines as required.
Als Abgriffe werden in diesem Kontext die mit den zur In this context, the taps are those with the
Auslesung der akkumulierten Ladungen vorgesehenen Abgriffe bezeichnet. In der Anordnung mit mehreren Teilpixeln der Reading of the accumulated charges designated taps. In the arrangement with several sub-pixels
genannten Druckschrift sind dies sie Abgriffe, die mentioned publication these are taps that
ausgangsseitig der Teilpixel, hinter einer schaltbaren on the output side of the partial pixels, behind a switchable
Verstärkerschaltung angeordnet sind. Die Signalleitungen können dabei dauerhaft kurzgeschlossen sein oder mit einer Amplifier circuit are arranged. The signal lines can be permanently short-circuited or with a
ansteuerbaren Schalteinrichtung nach Bedarf kurzgeschlossen werden, um mehrere Teilpixel zumindest zeitweise ausgangsseitig kurzzuschließen und als gemeinsame Pixelfläche auszuwerten. Für eine Auswerteschaltung ergeben sich keine wesentlichen controllable switching device can be short-circuited as required in order to short-circuit several sub-pixels at least temporarily on the output side and to evaluate them as a common pixel area. There are no essential ones for an evaluation circuit
Änderungen, da die kurzgeschlossenen Teilpixel-Signalleitungen als normaler Pixel genutzt werden können. Changes because the shorted sub-pixel signal lines can be used as normal pixels.
Die zeitlichen Ansteuerungen der Auswerte-Gates und die Signalverarbeitung sind jedoch, je nach Zusammenschaltung mehrerer Teilpixel, anzupassen. Während bei der beschriebenen Gestaltung gemäß dem Stand der Technik die Teilpixel mit The timing of the evaluation gates and the signal processing must, however, be adjusted depending on the interconnection of several sub-pixels. While in the described design according to the prior art, the sub-pixels with
unterschiedlichen Zeitfenstern betrieben wurden, um in einem einzigen Messzyklus Hintergrundlicht, und (zwei) Anteile des reflektierten Lichts zu erfassen, sind die zusammengeschalteten Teilpixel nur zur Erfassung einer Messung pro Messzyklus geeignet. Die Messung der unterschiedlichen Lichtanteile ist entsprechend in mehreren Messzyklen mit denselben different time windows were operated in order to detect background light and (two) parts of the reflected light in a single measurement cycle, the interconnected partial pixels are only suitable for recording one measurement per measurement cycle. The measurement of the different light components is accordingly in several measurement cycles with the same
zusammengeschalteten Teilpixeln durchzuführen, so dass interconnected sub-pixels to perform so that
Hintergrundlicht, erster Anteil des reflektierten Lichtpulses und zweiter Anteil des reflektierten Lichtpulses nacheinander in einzelnen Messzyklen, mit unterschiedlichen Timing-Vorgaben erfasst werden. Die Vorrichtung umfasst neben der Pixelstruktur mit kurzgeschlossenen oder durch Ansteuerung kurzschließbaren Background light, the first portion of the reflected light pulse and the second portion of the reflected light pulse are recorded in succession in individual measurement cycles with different timing requirements. In addition to the pixel structure, the device includes short-circuited or short-circuited ones
Abgriffen eine Steuerschaltung zur Steuerung der Pixelstruktur. Taps a control circuit for controlling the pixel structure.
Die Steuerschaltung ist ausgebildet, um in einem ersten Messzyklus die Auswerte-Gates der Teilpixel mit The control circuit is designed to include the evaluation gates of the sub-pixels in a first measurement cycle
kurzgeschlossenen Abgriffen während eines mit einem shorted taps during one with one
Strahlungspuls einer Lichtquelle synchronisierten ersten Radiation pulse of a light source synchronized first
Ansteuerintervalls (mit einer ersten Verzögerung gegenüber dem Strahlungspuls) anzusteuern, so dass während des ersten Control interval (with a first delay compared to the radiation pulse), so that during the first
Ansteuerintervalls erzeugte erste Ladungsträger von den Control interval generated first charge carriers from the
photoaktiven Bereichen der Teilpixel mit kurzgeschlossenen photoactive areas of the partial pixels with shorted
Abgriffen zu den zugeordneten Speicherknoten transportiert werden. Anschließend werden die Teilpixel über die Taps are transported to the assigned storage nodes. Then the sub-pixels are over the
kurzgeschlossenen Abgriffen der Teilpixel zur Erfassung der registrierten Lichtmenge im ersten Messzyklus abgefragt. short-term taps of the sub-pixels for recording the registered amount of light in the first measurement cycle.
In einem nachfolgenden Messzyklus steuert die In a subsequent measuring cycle, the
Steuerschaltung die Auswerte-Gates der Teilpixel mit Control circuit with the evaluation gates of the sub-pixels
kurzgeschlossenen Abgriffen während eines mit dem Strahlungspuls der Lichtquelle synchronisierten und bezüglich des ersten shorted taps during a synchronized with the radiation pulse of the light source and with respect to the first
Ansteuerintervalls zeitversetzten zweiten Ansteuerintervalls (mit einer zweiten Verzögerung gegenüber dem Strahlungspuls) an, so dass während des zweiten Ansteuerintervalls erzeugte zweite Ladungsträger von den photoaktiven Bereichen der Teilpixel mit kurzgeschlossenen Abgriffen zu den jeweiligen zugeordneten Control interval time-delayed second control interval (with a second delay compared to the radiation pulse), so that second charge carriers generated during the second control interval from the photoactive areas of the partial pixels with short-circuited taps to the respective assigned
Speicherknoten transportiert werden. Anschließend werden die Teilpixel über die kurzgeschlossenen Abgriffen der Teilpixel zur Erfassung der registrierten Lichtmenge im zweiten Messzyklus abgefragt . Storage nodes are transported. The partial pixels are then queried via the short-circuited taps of the partial pixels in order to record the registered amount of light in the second measurement cycle.
In einem nachfolgenden dritten Messzyklus steuert die In a subsequent third measuring cycle, the
Steuerschaltung die Auswerte-Gates der Teilpixel mit Control circuit with the evaluation gates of the sub-pixels
kurzgeschlossenen Abgriffen während eines mit dem Strahlungspuls der Lichtquelle synchronisierten und bezüglich des ersten shorted taps during a synchronized with the radiation pulse of the light source and with respect to the first
Ansteuerintervalls zeitversetzten dritten Ansteuerintervalls (mit einer dritten Verzögerung gegenüber dem Strahlungspuls) an, so dass während des dritten Messzyklus erzeugte dritte Ladungsträger von den photoaktiven der Teilpixel mit Control interval time-delayed third control interval (with a third delay compared to the radiation pulse), so that third charge carriers generated during the third measurement cycle by the photoactive ones of the partial pixels
kurzgeschlossenen Abgriffen zu den jeweiligen zugeordneten short-circuited taps to the respective assigned
Speicherknoten transportiert werden. Die Ansteuerintervalle können ganz (zeitlich nicht überlappend) oder teilweise Storage nodes are transported. The control intervals can be completely (not overlapping in time) or partially
(zeitlich teilweise überlappend) zeitversetzt angeordnet sein. (partially overlapping in time) be staggered.
Auf diese Weise können in drei aufeinander folgenden This way you can do three in a row
Messzyklen Information bezüglich Distanz, Reflektanz und Measuring cycles Information regarding distance, reflectance and
Hintergrundlicht erhalten werden. Da die Teilpixel zur Background light can be obtained. Since the sub-pixels for
Signalerfassung zusammengeschaltet bzw. abfrageseitig Signal acquisition interconnected or on the query side
kurzgeschlossen werden, ist die Signalstärke gegenüber einem Betrieb mit Erfassung der Teilpixel in einem einzigen Messzyklus verbessert. Die erforderliche Messdauer nimmt jedoch angesichts der erforderlichen mehreren Messzyklen zu. Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, die Teilpixel für einzelne Messzyklen are short-circuited, the signal strength is improved compared to operation with detection of the sub-pixels in a single measurement cycle. However, the required measurement time increases in view of the required multiple measurement cycles. It is possible within the scope of the invention to use the sub-pixels for individual measurement cycles
getrennt zu betreiben, wie im Stand der Technik vorgeschlagen, und für weitere Messzyklen, z.B. bei unzureichender to operate separately, as suggested in the prior art, and for further measurement cycles, e.g. with insufficient
Signalstärke, durch Kurzschluss der ausgangsseitigen Abgriffe als gemeinsame Pixelfläche auszuwerten. Dann ist es Signal strength, to be evaluated as a common pixel area by short-circuiting the taps on the output side. Then it is
erforderlich, den Kurzschluss der Abgriffe durch eine required the short circuit of the taps by a
ansteuerbare Schalteinrichtung zu bewirken. to trigger controllable switching device.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung ausgebildet, die Abführ-Gates der Teilpixel mit According to one exemplary embodiment, the control circuit is designed to include the discharge gates of the sub-pixels
kurzgeschlossenen ausgangsseitigen Abgriffen, während der short-circuited taps on the output side during the
Ansteuerzyklen, in Zeitbereichen außerhalb der Control cycles, in time ranges outside of
Ansteuerintervalle durchgehend anzusteuern, um die zugeordneten photoaktiven Bereiche mit einem jeweiligen Control intervals continuously to control the assigned photoactive areas with a respective
Referenzpotentialanschluss zu verbinden. To connect the reference potential connection.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass eine (elektrische) Verbindung der photoaktiven Bereiche der Teilpixel mit einem Referenzpotentialanschluss eine Entladung von It is advantageous in this exemplary embodiment that an (electrical) connection of the photoactive regions of the partial pixels to a reference potential connection results in a discharge of
Ladungsträgern, die zwischen den Ansteuerintervallen, d. h. Charge carriers that are between the drive intervals, d. H.
außerhalb des jeweiligen Ansteuerintervalls, in den photoaktiven Bereichen erzeugt werden, hin zu dem jeweiligen Referenzpotentialanschluss ermöglicht, so dass lediglich die während eines Ansteuerintervalls erzeugten Ladungsträger zu den jeweiligen Speicherknoten transportiert werden. Basierend auf einer Menge von Ladungsträgern, die in dem ersten, zweiten und/oder dritten Ansteuerintervall in dem jeweiligen outside the respective control interval, in which photoactive areas are generated, towards the respective one Reference potential connection enables, so that only the charge carriers generated during a control interval are transported to the respective storage nodes. Based on a quantity of charge carriers that are in the first, second and / or third drive interval in the respective
photoaktiven Bereich erzeugt werden, kann eine photoactive area can be generated
Distanzinformation des Objektes erhalten oder bestimmt werden. Distance information of the object can be obtained or determined.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein According to a further exemplary embodiment, a
Abstandserfassungssystem eine Pixelstruktur und eine Distance detection system a pixel structure and one
Lichtquelle, die ausgebildet ist, um einen Strahlungspuls zu emittieren. Die photoaktiven Bereiche der Teilpixel sind Light source that is designed to emit a radiation pulse. The photoactive areas of the sub-pixels are
ausgebildet, um Ladungsträger basierend auf dem von einem Objekt reflektierten Strahlungspuls zu erzeugen. Eine Steuerschaltung des Abstandserfassungssystem ist ausgebildet, um eine formed to generate charge carriers based on the radiation pulse reflected by an object. A control circuit of the distance detection system is designed to a
Distanzinformation bezüglich des Objektes und bezüglich der Pixelstruktur basierend auf einer Entfernung zu der Lichtquelle bereitzustellen. Provide distance information regarding the object and regarding the pixel structure based on a distance to the light source.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass eine Synchronisierung der Lichtquelle bezüglich einer Ansteuerung der photoaktiven Bereiche bzw. der Auswerte- und/oder Abführ-Gates verglichen mit einer Realisierung, bei der die Lichtquelle Teil einer anderen Vorrichtung ist, vereinfacht ist, wenn die It is advantageous in this exemplary embodiment that a synchronization of the light source with respect to actuation of the photoactive regions or the evaluation and / or discharge gates is simplified compared to an implementation in which the light source is part of another device, if the
Lichtquelle, die Pixelstruktur und die Steuerschaltung Teil eines gemeinsamen Systems sind. Light source, the pixel structure and the control circuit are part of a common system.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle eines Abstandserfassungssystem ausgebildet, um den According to a further exemplary embodiment, the light source of a distance detection system is formed around which
Strahlungspuls mit einem geringen Tastverhältnis (engl.: duty cycle) von weniger oder gleich 0,5, d. h., 50% zu emittieren. Radiation pulse with a low duty cycle of less than or equal to 0.5, d. i.e. to emit 50%.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass The advantage of this embodiment is that
basierend auf einem geringen Tastverhältnis eine Signalenergie des Strahlungspulses in einem kurzen Zeitintervall bündelbar ist, so dass gemäß Augensicherheitsbestimmungen eine höhere Bestrahlungsstärke und mithin eine große Differenz zwischen Signalenergie und Energie des Hintergrundlichts unter Einhaltung von Vorschriften erzielbar ist. based on a low duty cycle, a signal energy of the radiation pulse can be bundled in a short time interval, so that according to eye safety regulations a higher irradiance and thus a large difference between Signal energy and energy of the background light can be achieved in compliance with regulations.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Preferred embodiments of the present invention are described below with reference to the accompanying
Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Drawings explained. Show it:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Pixelstruktur zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt, bei der ein Pixel drei Teilpixel aufweist gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 shows a schematic block diagram of a pixel structure for optical distance measurement on an object, in which a pixel has three sub-pixels according to an exemplary embodiment;
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Fig. 2 is a schematic block diagram of a
Pixelstruktur, bei der das Pixel die drei Teilpixel aufweist, die eine gleiche Funktion und gleiche Elemente aufweisen gemäß einem Ausführungsbeispiel; Pixel structure in which the pixel has the three sub-pixels that have the same function and the same elements according to one exemplary embodiment;
Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung, die eine Pixelstruktur und eine mit der Pixelstruktur Fig. 3 is a schematic block diagram of a device having a pixel structure and one with the pixel structure
verschaltete Steuerschaltung, umfasst gemäß einem interconnected control circuit, according to a
Ausführungsbeispiel ; Embodiment;
Fig. 4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der Abstandsinformation, der Reflektanzinformation und einer Hintergrundlichtinformation gemäß einem FIG. 4 shows a schematic flow diagram of a method for determining the distance information, the reflectance information and a background light information according to one
Ausführungsbeispiel ; Embodiment;
Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild eines Fig. 5 is a schematic block diagram of a
Abstandserfassungssystems, das die Pixelstruktur gern. Fig. 1, die Steuerschaltung und die Lichtquelle aufweist gemäß einem Ausführungsbeispiel ; Distance detection system that likes the pixel structure. 1, which has the control circuit and the light source according to an embodiment;
Fig. 10 eine exemplarische Gegenüberstellung von 10 shows an exemplary comparison of
Transmissions- und Sperrbereichen von Farbfiltern; Transmission and blocking areas of color filters;
Fig. 6a eine schematische Aufsicht auf eine Pixelstruktur gemäß dem Stand der Technik; 6a shows a schematic top view of a pixel structure according to the prior art;
Fig. 6b eine schematische Querschnittansicht der Fig. 6b is a schematic cross-sectional view of the
Pixelstruktur aus Fig. 6a; und Fig. 7 ein schematisches Timing eines Verfahrens zur Pixel structure from FIG. 6a; and Fig. 7 shows a schematic timing of a method for
Auswertung der Pixelstruktur aus Fig. 11 gemäß dem Stand der Technik . Evaluation of the pixel structure from FIG. 11 according to the prior art.
Nachfolgend wird Bezug genommen auf die Anordnung von Reference is now made to the arrangement of
Transfer-Gates an photoaktiven Bereichen von Teilpixeln, in denen basierend auf einer elektromagnetischen Strahlung Transfer gates on photoactive areas of sub-pixels in which based on electromagnetic radiation
Ladungsträger erzeugt werden. Die Ladungsträger werden mittels der Transfer-Gates hin zu Speicherknoten und, je nach Charge carriers are generated. The charge carriers are transferred to storage nodes and, depending on the transfer gates
Ausführungsform, hin zu Abführbereichen transportiert. Embodiment, transported to laxative areas.
Nachfolgend als Auswerte-Gates bezeichnete Elemente beschreiben Transfer-Gates, die ausgebildet sind, um einen Transport von Ladungsträger hin zu einer jeweiligen Auswertekapazität zu steuern. Nachfolgend als Abführ-Gates bezeichnete Elemente beziehen sich auf Transfer-Gates, die ausgebildet sind, um einen Transport von Ladungsträger hin zu einem jeweiligen Abführgebiet zu steuern. Abführ-Gates und Auswerte-Gates können gleich ausgebildet sein, so dass die unterschiedliche Bezeichnung lediglich auf die Funktion zu besseren Unterscheidbarkeit abzielt . Elements referred to below as evaluation gates describe transfer gates which are designed to control the transport of load carriers to a respective evaluation capacity. Elements referred to below as removal gates relate to transfer gates which are designed to control the transport of load carriers to a respective removal area. Laxation gates and evaluation gates can have the same design, so that the different designation only aims at the function for better differentiation.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, Before exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the drawings, it is pointed out that identical,
funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann. elements, objects and / or structures having the same function or having the same function are provided with the same reference symbols in the different figures, so that the description of these elements shown in different exemplary embodiments is interchangeable or can be applied to one another.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Fig. 1 shows a schematic block diagram of a
Pixelstruktur 10 zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt 12. Die Pixelstruktur 10 umfasst ein Pixel 14, das ein erstes Teilpixel 16a, ein zweites Teilpixel 16b und ein drittes Pixel structure 10 for optical distance measurement on an object 12. The pixel structure 10 comprises a pixel 14 which has a first sub-pixel 16a, a second sub-pixel 16b and a third
Teilpixel 16c umfasst. Das erste Teilpixel 16a umfasst einen photoaktiven Bereich 18a, der ausgebildet ist, um basierend auf von dem photoaktiven Bereich 18a empfangener elektromagnetischer Strahlung 22r Ladungsträger zu erzeugen. Das erste Teilpixel 16a umfasst ferner ein an dem photoaktiven Bereich 18a angeordnetes Auswerte-Gate 24a und einen an dem Auswerte-Gate 24a Includes sub-pixels 16c. The first sub-pixel 16a includes a photoactive area 18a that is configured to be based on of electromagnetic radiation 22r received by the photoactive region 18a to generate charge carriers. The first sub-pixel 16a further comprises an evaluation gate 24a arranged on the photoactive region 18a and one on the evaluation gate 24a
angeordneten Speicherknoten 26a. Das Auswerte-Gate 24a ist ausgebildet, um die in dem photoaktiven Bereich 18a erzeugten Ladungsträger in einem Aktiv-Zustand aus dem photoaktiven arranged storage nodes 26a. The evaluation gate 24a is designed to remove the charge carriers generated in the photoactive region 18a from the photoactive in an active state
Bereich 18a zu dem Speicherknoten 26a zu transportieren, bzw. einen Transport von Ladungsträgern aus dem photoaktiven Bereich hin zu dem Speicherknoten 26a zu steuern. Die elektromagnetische Strahlung 22r kann basierend auf einem in Richtung des Objekts 12 ausgesendeten Strahlungspuls erzeugt werden, wobei der To transport area 18a to the storage node 26a, or to control a transport of charge carriers from the photoactive area to the storage node 26a. The electromagnetic radiation 22r can be generated based on a radiation pulse emitted in the direction of the object 12, wherein the
Strahlungspuls eine zeitlich Variante Intensität (bspw. An/Aus) aufweisen kann, so dass auch die elektromagnetische Strahlung 22r eine zeitlich Variante Intensität aufweisen kann und Radiation pulse can have a temporally variant intensity (for example on / off), so that the electromagnetic radiation 22r can also have a temporally variant intensity
lediglich zeitweise von der Pixelstruktur 10 empfangen wird. is only received temporarily by the pixel structure 10.
Der photoaktive Bereich 18a kann beispielsweise ein The photoactive region 18a can be, for example
Siliziumhalbleitermaterial mit einer kristallinen Struktur sein. Von dem Objekt 12 ausgehende, beispielsweise ausgesendete oder reflektierte elektromagnetische Strahlung 22r kann Photonen aufweisen, die in die Pixelstruktur 10 eintreten und auf den photoaktiven Bereich 18a treffen. Die Photonen der Silicon semiconductor material with a crystalline structure. Electromagnetic radiation 22r emanating from the object 12, for example emitted or reflected, can have photons that enter the pixel structure 10 and hit the photoactive region 18a. The photons of the
elektromagnetischen Strahlung 22r können Elektronen-Loch-Paare in der kristallinen Struktur des Siliziumhalbleitermaterials generieren. Aufgrund der Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung 22r können sich somit in dem photoaktiven Bereich 18a Ladungsträger ansammeln, d. h. dort erzeugt werden. Electromagnetic radiation 22r can generate electron-hole pairs in the crystalline structure of the silicon semiconductor material. Due to the radiation of the electromagnetic radiation 22r, charge carriers can thus accumulate in the photoactive region 18a. H. are generated there.
Das Auswerte-Gate 24a kann beispielsweise als Transfer-Gate gebildet sein. Das Auswerte-Gate ist zwischen zumindest zwei Zuständen steuerbar, bspw. über einen Feldeffekt. Während einer Aktivierung (Anschalten) bzw. in dem Zeitpunkt, indem ein The evaluation gate 24a can be formed, for example, as a transfer gate. The evaluation gate can be controlled between at least two states, for example via a field effect. During an activation (switching on) or at the time by a
"leitfähiger Kanal" durch Inversion des Halbleiters realisiert wird- kann der leitfähige Kanal so ausgebildet sein, dass ein steigendes Potentialprofil derart entsteht, dass Ladungsträger des photoaktiven Bereichs 18a zu einer Elektrode dieses Transfergates, die dem photoaktiven Bereich 18a abgewandt ist, propagiert werden und nur dort eine Entladung des Potentials bewirken. Dies ermöglicht eine Verarmung des photoaktiven "Conductive channel" is realized by inversion of the semiconductor - the conductive channel can be designed so that an increasing potential profile arises in such a way that charge carriers of the photoactive region 18a to an electrode of this transfer gate, which is remote from the photoactive region 18a, are propagated and only cause a discharge of the potential there. This enables the photoactive to become impoverished
Bereichs 18a hin zum Speicherknoten. Alternativ oder zusätzlich kann eine Steuerung des Transports der Ladungsträger bspw. Area 18a towards the storage node. As an alternative or in addition, a control of the transport of the load carriers can, for example.
basierend auf einem Potentialprofil, das mittels des Auswerte- Gates 26a ausgebildet wird, erfolgen. Das Potentialprofil ermöglicht eine Umlenkung einer Flussrichtung der Ladungsträger. Vereinfacht ausgedrückt kann es sich bei dem Auswerte-Gate 24a um ein Schalter-Element handeln, das einen geöffneten, ggf. based on a potential profile, which is formed by means of the evaluation gate 26a. The potential profile enables a flow direction of the charge carriers to be deflected. In simple terms, the evaluation gate 24a can be a switch element that
nicht oder eingeschränkt leitenden Zustand und einen not or limited conductive state and a
geschlossenen, leitenden Zustand aufweist. Der geschlossene Zustand kann auch als Aktiv-Zustand bezeichnet werden. closed, conductive state. The closed state can also be referred to as the active state.
Alternativ kann es sich bei dem Auswerte-Gate 24a um ein Element mit einer Weichenfunktion handeln, dass eine Richtung des Alternatively, the evaluation gate 24a can be an element with a switch function that a direction of the
Ladungstransports zeitvariant steuert. So kann bspw. ein Controls cargo transport in a time-varying manner. For example, a
Transport von Ladungsträgern hin zu einem Abführgebiet erfolgen, wenn das Auswerte-Gate nicht angesteuert (bzw. angesteuert) wird und der Transport von Ladungsträgern hin zu einem Speicherknoten erfolgen, wenn das Auswerte-Gate angesteuert (bzw. nicht Load carriers are transported to a discharge area if the evaluation gate is not activated (or activated) and the load carriers are transported to a storage node if the evaluation gate is activated (or not)
angesteuert) wird. Ein Übergang zwischen dem angesteuerten und nicht angesteuerten Zustand kann diskret oder kontinuierlich erfolgen. Der Transport kann durch und/oder seitlich und/oder in einer Höhenrichtung an dem Auswerte-Gate vorbei erfolgen, so dass bspw. eine sogenannte draining-only Struktur implementiert ist. Der Transport kann mithin basierend auf dem verändern, dem Aufheben oder dem Erzeugen einer Potentialbarriere zwischen dem photoaktiven Bereich und dem Speicherknoten bzw. weiteren is controlled). A transition between the activated and non-activated state can take place discretely or continuously. The transport can take place through and / or laterally and / or in a height direction past the evaluation gate, so that, for example, a so-called draining-only structure is implemented. The transport can therefore be based on the change, removal or creation of a potential barrier between the photoactive region and the storage node or others
Elementen, wie einem Abführgebiet erfolgen. Elements such as a lax area.
Der Speicherknoten 26a kann als ein Floating-Diffusion- Bereich, als Kondensator oder anderes kapazitives Element ausgeführt sein, etwa durch kapazitive Kopplung und/oder durch eine Verschaltung mit Metall-Isolator-Metall (MIM) , Metall-Oxid- Halbleiter (MOS), Metal-Metal Kondensatoren oder dergleichen.The storage node 26a can be embodied as a floating diffusion region, as a capacitor or another capacitive element, for example by capacitive coupling and / or by an interconnection with metal-insulator-metal (MIM), metal-oxide Semiconductors (MOS), metal-metal capacitors or the like.
Der Speicherknoten 26a ermöglicht eine Speicherung The storage node 26a enables storage
photogenerierter Ladung und eine Wandlung derselben in eine elektrische Spannung, die an einem ausgangsseitigen Abgriff anliegt. Die Wandlung in eine elektrische Spannung kann bei einem Floating-Diffusion-Bereich bspw. mittels einer Entartung des Halbleiters erfolgen, so dass die Floating Diffusion via Schottkykontakt einer Ausleseschaltung zugeführt werden kann. Eine intrinsische Sperrschicht und Diffusionskapazität der photogenerated charge and a conversion thereof into an electrical voltage which is present at an output tap. In the case of a floating diffusion region, the conversion into an electrical voltage can take place, for example, by degenerating the semiconductor, so that the floating diffusion can be fed to a readout circuit via Schottky contact. An intrinsic barrier and diffusion capacity of the
Floating-Diffusion bilden einen Teil der effektiv wirksamen Auswertekapazität, die auch als sense node (sense node = Floating diffusion form part of the effective evaluation capacity, which is also known as a sense node (sense node =
Messknoten) Kapazität bezeichnet werden kann. Measuring node) capacity can be called.
Der Speicherknoten 26a ist ausgebildet, um Ladungsträger, die über eine Zeitdauer in dem photoaktiven Bereich 18a erzeugt werden, aufzunehmen und zu speichern. Ladungsträger in dem photoaktiven Bereich 18a können zu einer Variation des The storage node 26a is designed to receive and store charge carriers that are generated over a period of time in the photoactive region 18a. Charge carriers in the photoactive region 18a can lead to a variation of the
Potentialprofils zwischen dem photoaktiven Bereich 18a und dem Speicherknoten 26a und/oder zur Ausbildung eines Potential profile between the photoactive area 18a and the storage node 26a and / or to form a
elektromagnetischen Feldes zwischen diesen Elementen führen, so dass die Ladungsträger, wenn das Auswerte-Gate 24a den Aktiv- Zustand aufweist, von dem photoaktiven Bereich 18a ganz oder teilweise zu dem Speicherknoten 26a transportiert werden. Anders ausgedrückt kann bei Ladungstransferbasierten Detektoren (wie Pinned, d. h., gepinnten Photodioden, lateralen lead electromagnetic field between these elements, so that the charge carriers, when the evaluation gate 24a is in the active state, are wholly or partly transported from the photoactive region 18a to the storage node 26a. In other words, charge transfer based detectors (such as Pinned, i.e., pinned photodiodes, lateral
Driftfelddetektoren, Photogatestrukturen etc.) das Drift field detectors, photogate structures etc.) that
Potentialprofil durch geeignete Auslegung der Detektoren so ausgelegt werden, dass das Potentialmaximum auch ohne (Steuer- ) Signal im Speicherknoten liegt. Dies ermöglicht ein Potential profile can be designed by suitable design of the detectors so that the maximum potential is in the storage node even without a (control) signal. This enables one
ansteigendes elektrisches Feld auch ohne Variation des increasing electric field even without variation of the
Potentials durch erzeugte Ladungsträger. Die einzelnen Potential through generated charge carriers. The single ones
ladungsbasierten Detektortypen haben dies (bei geeigneter Charge-based detector types have this (with suitable
Auslegung) gemein und unterscheiden sich jedoch in den Interpretation) common and differ in the
erreichbaren Paramatern für z. B. Sensitivität, accessible parameters for z. B. sensitivity,
Ladungstransfergeschwindigkeit, Rauschen oder Menge an handhabbarer Ladungsmenge. Der Speicherknoten 26a kann somit in Verbindung mit dem photoaktiven Bereich 18a und dem Auswerte- Gate 24a ein Kurzzeitintegrator sein. Der Speicherknoten 26a kann als Auswertekapazität bezeichnet werden. Charge transfer speed, noise, or amount of manageable amount of charge. The storage node 26a can thus be a short-term integrator in connection with the photoactive area 18a and the evaluation gate 24a. The storage node 26a can be referred to as evaluation capacity.
Das zweite Teilpixel 16b weist einen gleichen Aufbau auf, wie das erste Teilpixel 16a. Das zweite Teilpixel 16b umfasst einen photoaktiven Bereich 18b, der die gleiche Funktion wie der photoaktive Bereich 18a aufweist. Das Teilpixel 16b weist ferner ein Auswerte-Gate 24b auf, das benachbart zu dem photoaktiven Bereich 18b angeordnet ist und die gleiche Funktion aufweist, wie das Auswerte-Gate 24a. Das Teilpixel 16b umfasst ferner einen Speicherknoten 26b, die benachbart zu dem Auswerte-Gate 24b angeordnet ist und die gleiche Funktion aufweist wie der Speicherknoten 26a. The second sub-pixel 16b has the same structure as the first sub-pixel 16a. The second sub-pixel 16b comprises a photoactive area 18b, which has the same function as the photoactive area 18a. The sub-pixel 16b furthermore has an evaluation gate 24b which is arranged adjacent to the photoactive region 18b and has the same function as the evaluation gate 24a. The sub-pixel 16b further comprises a storage node 26b, which is arranged adjacent to the evaluation gate 24b and has the same function as the storage node 26a.
Das dritte Teilpixel umfasst einen photoaktiven Bereich 18c, der die gleiche Funktion aufweist, wie die photoaktiven Bereiche 18a und 18b. Das Teilpixel 16c weist ferner ein Auswerte-Gate 24c auf, das benachbart zu dem photoaktiven Bereich 18c The third sub-pixel comprises a photoactive area 18c, which has the same function as the photoactive areas 18a and 18b. The partial pixel 16c also has an evaluation gate 24c, which is adjacent to the photoactive region 18c
angeordnet ist und die gleiche Funktion aufweist, wie das is arranged and has the same function as that
Auswerte-Gate 24a bzw. 24b. Das Teilpixel 16c umfasst ferner einen Speicherknoten 26c, die benachbart zu dem Auswerte-Gate 24c angeordnet ist und die gleiche Funktion aufweist wie die Speicherknoten 26a und 26b. Evaluation gate 24a or 24b. The sub-pixel 16c further comprises a storage node 26c, which is arranged adjacent to the evaluation gate 24c and has the same function as the storage nodes 26a and 26b.
Das bedeutet, dass die Teilpixel 16a, 16b und 16c bezüglich ihrer Funktion gleich ausgebildet sind. Die photoaktiven This means that the sub-pixels 16a, 16b and 16c have the same function. The photoactive
Bereiche 18a, 18b und/oder 18c können beispielsweise ein Areas 18a, 18b and / or 18c can be, for example
photosensitiver Bereich von gepinnten Photodioden, photosensitive area of pinned photodiodes,
Photogatestrukturen, lateralen Drittfelddetektoren oder Photogate structures, lateral third field detectors or
dergleichen sein. be like that.
Die ausgangsseitigen Abgriffe der Speicherknoten 26a, 26b und 26c sind erfindungsgemäß dauerhaft oder schaltbar und zeitweise kurzgeschlossen, so dass die in den Speicherknoten akkumulierten Ladungen und daraus generierte Potenziale als einheitliches Signal abgreifbar sind und die Teilpixel als gemeinsame Sensorfläche ausgewertet werden. Dafür ist ein gemeinsamer Abgriff 27 ausgebildet, welcher die Speicherknoten 26a, 26b und 26c zur parallelen Auslesung und Auswertung The output-side taps of the storage nodes 26a, 26b and 26c are, according to the invention, permanent or switchable and temporarily short-circuited, so that the charges accumulated in the storage nodes and the potentials generated therefrom can be tapped as a uniform signal and the sub-pixels as common sensor surface can be evaluated. For this purpose, a common tap 27 is formed, which stores the storage nodes 26a, 26b and 26c for parallel reading and evaluation
koppelt. Es können, wie gezeigt, die Abgriffe aller drei couples. As shown, the taps of all three can
Teilpixel kurzgeschlossen sein, wobei auch steuerbare Sub-pixels can be short-circuited, including controllable ones
Schaltelemente vorgesehen sein können, welche die Abgriffe der Teilpixel zeitweise kurzschließen. Die drei Teilpixel Switching elements can be provided which temporarily short-circuit the taps of the sub-pixels. The three sub-pixels
akkumulieren dann in ihren jeweiligen Speicherknoten 26a, 26b und 26c während ihrer Aktivierung separat Ladungen in Then, separate charges accumulate in their respective storage nodes 26a, 26b and 26c during their activation
Abhängigkeit von der Strahlung, die auf die photoaktiven Dependence on the radiation on the photoactive
Bereiche 18a, 18b, 18c auftrifft. Bei Auslesung der Areas 18a, 18b, 18c strikes. When reading the
Speicherknoten werden diese jedoch nicht separat, sondern gemeinsam über Abgriff 27 ausgewertet, also über eine Storage nodes, however, are not evaluated separately, but rather together via tap 27, that is to say via one
Zusammenschaltung der Speicherknoten, so dass die Teilpixel 16, 16b und 16c als einheitlicher Pixel ausgewertet werden. Das bedeutet, dass Ladungsträger aus den photoaktiven Bereichen 18a, 18b und 18c in einem einheitlichen Zeitintervall zu den Interconnection of the storage nodes so that the sub-pixels 16, 16b and 16c are evaluated as a uniform pixel. This means that charge carriers from the photoactive regions 18a, 18b and 18c to the in a uniform time interval
Speicherknoten 26a, 26b und 26c transportiert werden und danach zur gemeinsamen Auslesung zur Verfügung stehen. Grundsätzlich können auch nur zwei der Teilpixel ausgangsseitig Storage nodes 26a, 26b and 26c are transported and then available for common reading. Basically, only two of the sub-pixels can be on the output side
kurzgeschlossen werden. be short-circuited.
Basierend auf in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b und 18c erzeugten Ladungsträgern bzw. basierend auf zu den Based on charge carriers generated in the photoactive regions 18a, 18b and 18c or based on the
Speicherknoten 26a, 26b und 26c transportierten Ladungsträgern kann ein Abstand 28 zwischen dem Objekt 12 und der Pixelstruktur 10 bestimmbar sein. Dies kann beispielsweise dadurch ermöglicht werden, dass ein Laufzeitunterschied zwischen einem Aussenden einer elektromagnetischen Strahlung hin zu dem Objekt 12 und einem Eintreffen der (reflektierten) elektromagnetischen A distance 28 between the object 12 and the pixel structure 10 can be determinable for storage nodes 26a, 26b and 26c transporting charge carriers. This can be made possible, for example, by a difference in the transit time between the emission of electromagnetic radiation to the object 12 and the arrival of the (reflected) electromagnetic radiation
Strahlung 22r erfasst und/oder ausgewertet wird. Eine Quelle der elektromagnetischen Strahlung kann benachbart zu dem Pixelfeld, d. h. der Pixelstruktur 10, oder an einem anderen Ort mit einem bekannten Abstand und Ausrichtungswinkel bezüglich Radiation 22r is detected and / or evaluated. A source of electromagnetic radiation may be adjacent to the pixel field, i.e. H. pixel structure 10, or at another location with a known distance and orientation angle with respect
Abstrahlrichtung zu der Pixelstruktur 10 angeordnet sein, so dass basierend auf einer Weg/Zeit-Berechnung (Stoppuhr- Funktion) , die Laufzeit der elektromagnetischen Strahlung von der Lichtquelle zu der Pixelstruktur 10 in eine Wegstrecke überführbar ist. Beam direction to be arranged to the pixel structure 10, so that based on a path / time calculation (stopwatch function), the transit time of the electromagnetic radiation from the light source to the pixel structure 10 can be converted into a path.
Die Teilpixel 16a, 16b und/oder 16c können, in eine Fläche projiziert, flächig angeordnet sein, das bedeutet, die Teilpixel 16a, 16b und/oder 16c weisen in zumindest einer Raumrichtung einen Abstand zueinander auf. Die Distanzinformation bezüglich des Objektes 12 und bezüglich des Pixels 14 kann somit basierend auf drei räumlich voneinander beabstandeten photoaktiven The sub-pixels 16a, 16b and / or 16c can, when projected into a surface, be arranged in a planar manner, that is to say the sub-pixels 16a, 16b and / or 16c are at a distance from one another in at least one spatial direction. The distance information with respect to the object 12 and with respect to the pixel 14 can thus be based on three spatially spaced photoactive ones
Bereichen 18a, 18b und/oder 18c bzw. basierend auf den Areas 18a, 18b and / or 18c or based on the
Speicherknoten 26a, 26b und/oder 26c erhalten werden. Die Storage nodes 26a, 26b and / or 26c can be obtained. The
Distanzinformation kann somit den Abstand 28 bezüglich einer Fläche der photoaktiven Bereiche 18a, 18b und/oder 18c sowie einer dazwischenliegenden Fläche beschreiben. Die Distance information can thus describe the distance 28 with respect to an area of the photoactive regions 18a, 18b and / or 18c and an area in between. The
dazwischenliegende Fläche kann beispielsweise eine Fläche sein, die durch die Teilpixel 16a, 16b und/oder 16c aufgespannt wird. Der Abstand 28 kann sich auf einen Referenzpunkt der the intermediate surface can be, for example, a surface that is spanned by the partial pixels 16a, 16b and / or 16c. The distance 28 can be based on a reference point
dazwischenliegenden Fläche beziehen. Der Referenzpunkt kann ein Randpunkt sein. Alternativ kann der Referenzpunkt ein cover the area in between. The reference point can be a boundary point. Alternatively, the reference point can be a
geometrischer Mittelpunkt der dazwischenliegenden Fläche sein. be the geometric center of the intermediate surface.
Das Pixel 14 kann auch als Superpixel oder Makropixel bezeichnet werden, das die Teilpixel 16a, 16b und/oder 16c umfasst. Eine Abstandsinformation, etwa bezüglich des Abstandes 28, des Objektes 12 zu dem Pixel 14 kann bezüglich der drei Teilpixel 16a, 16b und 16c erhalten werden kann, so dass der Abstand 28 bezüglich des Pixels auf einen Referenzpunkt, etwa einen geometrischen Mittelpunkt zwischen den Teilpixeln 16a, 16b und/oder 16c bezogen sein kann. Das Pixel 14 kann genau drei Teilpixel 16a, 16b und 16c umfassen. Alternativ kann das Pixel 14 auch weitere Teilpixel umfassen. The pixel 14 can also be referred to as a super pixel or macropixel, which comprises the sub-pixels 16a, 16b and / or 16c. Distance information, for example with regard to the distance 28, of the object 12 to the pixel 14 can be obtained with respect to the three sub-pixels 16a, 16b and 16c, so that the distance 28 with respect to the pixel to a reference point, for example a geometric center between the sub-pixels 16a , 16b and / or 16c can be related. The pixel 14 can comprise exactly three sub-pixels 16a, 16b and 16c. Alternatively, the pixel 14 can also comprise further sub-pixels.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Fig. 2 shows a schematic block diagram of a
Pixelstruktur 30, die ein Pixel 32 mit den drei Teilpixeln 16a, 16b und 16c aufweist, die eine gleiche Funktion und gleiche Elemente aufweisen. Gleiche Elemente bedeuten in diesem Zusammenhang, dass ein jeweiliges Element eine gleiche oder vergleichbare Funktion aufweist. Bezüglich des Auswerte-Gates 24a (TX1) des Teilpixels 16a, des Auswerte-Gates 24b (TX2) des Teilpixels 16c sowie des Auswerte-Gates 24c (TX3) des Teilpixels 16c bedeutet dies beispielsweise, dass die Auswerte-Gates 24a-c jeweils als Transfergate ausführbar sind, wobei die Pixel structure 30, which has a pixel 32 with the three sub-pixels 16a, 16b and 16c, which have the same function and the same Have elements. In this context, the same elements mean that a respective element has the same or comparable function. With regard to the evaluation gate 24a (TX1) of the sub-pixel 16a, the evaluation gate 24b (TX2) of the sub-pixel 16c and the evaluation gate 24c (TX3) of the sub-pixel 16c, this means, for example, that the evaluation gates 24a-c each as Transfergate are executable, the
Transfergates einen voneinander verschiedenen Aufbau oder Typ jedoch jeweils ein gleiches oder ähnliches Verhalten bezüglich der Schalter-Funktion aufweisen können. Alternativ können die jeweiligen Elemente auch identisch gebildet sein. Transfer gates can have a different structure or type, but each can have the same or similar behavior with regard to the switch function. Alternatively, the respective elements can also be formed identically.
Die Teilpixel 16a-c weisen jeweils einen photoaktiven The partial pixels 16a-c each have a photoactive one
Bereich (Photoaktivgebiet 18a, 18b bzw. 18c) auf. Die Teilpixel 16a-c weisen ferner den Speicherknoten 26a (FD1), 26b (FD2) bzw. 26c (FD3) auf. Benachbart zu den photoaktiven Bereichen 16a-c ist jeweils ein optionales Sammeltor (Collection-Gate- CX) CX1, CX2 bzw. CX3 angeordnet, über dem die in den photoaktiven Area (photoactive area 18a, 18b or 18c). The partial pixels 16a-c furthermore have the storage nodes 26a (FD1), 26b (FD2) and 26c (FD3). An optional collector gate (collection gate CX) CX1, CX2 or CX3 is arranged adjacent to the photoactive regions 16a-c
Bereichen 18a-c erzeugten Ladungsträger abtransportierbar sind. Das jeweilige Auswerte-Gate 24a-c ist an dem jeweiligen Areas 18a-c generated charge carriers can be removed. The respective evaluation gate 24a-c is on the respective one
Collection-Gate CX1-3 des jeweiligen Teilpixels 16a-c Collection gate CX1-3 of the respective sub-pixel 16a-c
angeordnet. An dem Collection-Gate CX1 ist ein Abführ-Gate TX4 angeordnet. Das Abführ-Gate TX4 ist, wie die Auswerte-Gates 24a- c ein Schaltelement bzw. ein Transfergate. Das Abführ-Gate TX4 kann so angesteuert werden, dass die Ladungsträger aus dem photoaktiven Bereich 18a zu einem Abführgebiet DD1, das an dem Abführ-Gate TX4 angeordnet ist, transportiert werden. An die Collection-Gates CX1-3 ist ein Potential UCG anlegbar, um die Collection-Gates zu steuern. Eine Anordnung der optionalen arranged. A discharge gate TX4 is arranged on the collection gate CX1. The removal gate TX4, like the evaluation gates 24a-c, is a switching element or a transfer gate. The removal gate TX4 can be controlled in such a way that the charge carriers are transported from the photoactive region 18a to a removal area DD1 which is arranged on the removal gate TX4. A potential UCG can be applied to the collection gates CX1-3 in order to control the collection gates. An arrangement of the optional
Collection-Gates (CX1-3) ermöglicht die Nutzung eines Collection gates (CX1-3) enables the use of a
Freiheitsgrades, um in einer gewissen Region des jeweiligen photoaktiven Bereichs 18a-c ein Oberflächenpotential zu Degrees of freedom to have a surface potential in a certain region of the respective photoactive region 18a-c
beeinflussen um ein gewünschtes Potentialprofil zu erlangen.influence to achieve a desired potential profile.
Eine Ansteuerung des Collection-Gates (CX1-3) kann derart erfolgen, dass es auf einen geeigneten analogen Wert gesetzt wird, so dass eine (ggf. binäre) Veränderung eines The collection gate (CX1-3) can be controlled in such a way that it is set to a suitable analog value is, so that a (possibly binary) change of a
Schaltzustands entfallen kann. Prinzipiell können die Switching state can be omitted. In principle, they can
Transfergates (TX1-6) auch direkt mit dem jeweiligen Transfer gates (TX1-6) also directly with the respective
Photoaktivgebiet 18a-c verbunden werden. Photoactive area 18a-c can be connected.
Insbesondere können das Auswerte-Gate TX1 und das Abführ- Gate TX4 zu voneinander verschiedenen und/oder überlappenden Zeitpunkten und/oder Zeitintervallen angesteuert werden, so dass beispielsweise das Auswerte-Gate TX1 oder das Abführ-Gate TX4 geschlossen, d. h. leitend, ist und die Ladungsträger aus dem photoaktiven Bereich 18a zu dem Speicherknoten 26a oder zu dem Abführgebiet DD1 transportiert werden. In particular, the evaluation gate TX1 and the discharge gate TX4 can be actuated at mutually different and / or overlapping times and / or time intervals, so that for example the evaluation gate TX1 or the discharge gate TX4 is closed, i. H. is conductive and the charge carriers are transported from the photoactive region 18a to the storage node 26a or to the discharge area DD1.
Basierend auf dem funktionsmäßig gleichen Aufbau der Based on the functionally identical structure of the
Teilpixel 16a, 16b und 16c weist das zweite Teilpixel 16b benachbart zu dem photoaktiven Bereich 16b ein Collection-Gate CX2 und daran angeordnet ein Abführ-Gate TX5 mit einem daran angeordneten Abführgebiet DD2 auf. Das dritte Teilpixel 16c weist benachbart zu dem photoaktiven Bereich 18c ein Collection- Gate CX3 und ein daran angeordnetes Abführ-Gate TX6 mit einem daran angeordneten Abführgebiet DD3 auf. Subpixels 16a, 16b and 16c have the second subpixel 16b adjacent to the photoactive area 16b a collection gate CX2 and arranged thereon a discharge gate TX5 with a discharge region DD2 arranged thereon. The third sub-pixel 16c has a collection gate CX3 adjacent to the photoactive region 18c and a discharge gate TX6 arranged thereon with a discharge region DD3 arranged thereon.
Die Teilpixel 16a, 16b und 16c bilden das Pixel 32. An das erste Abführgebiet DD1 ist ein erstes Bezugspotential vddpixl anlegbar, das bedeutet, dass die Ladungsträger aus dem The sub-pixels 16a, 16b and 16c form the pixel 32. A first reference potential vddpixl can be applied to the first discharge area DD1, which means that the charge carriers from the
photoaktiven Bereich 18a, wenn das Abführ-Gate TX4 leitend ist, zumindest teilweise aus dem photoaktiven Bereich 18a über das Abführgebiet DD1 abführbar sind. Das zweite Abführgebiet DD2 kann mit einem zweiten Referenzpotential vddpix2 verbunden werden, so dass die in dem photoaktiven Bereich 18b erzeugten Ladungsträger über das Abführgebiet DD2 zumindest teilweise abführbar sind, wenn das Abführ-Gate TX5 leitend ist. An das dritte Abführgebiet DD3 ist ein drittes Bezugspotential vddpix3 anlegbar, so dass in dem photoaktiven Bereich 18c erzeugte photoactive area 18a, if the removal gate TX4 is conductive, can be at least partially removed from the photoactive area 18a via the removal area DD1. The second discharge area DD2 can be connected to a second reference potential vddpix2, so that the charge carriers generated in the photoactive region 18b can be at least partially removed via the discharge area DD2 if the discharge gate TX5 is conductive. A third reference potential vddpix3 can be applied to the third discharge area DD3, so that generated in the photoactive area 18c
Ladungsträger zumindest teilweise über das Abführgebiet DD3 abführbar sind, wenn das Abführ-Gebiet TX6 leitend ist. Die drei Referenzpotentiale vddpixl, vddpix2 und vddpix3 können voneinander verschiedene Potentiale aufweisen, etwa mehr als 1 V, mehr als 3 V oder mehr als 5 V. Eine voneinander verschiedene elektrische Spannung (Potential) kann eine Charge carriers can be at least partially removed via the discharge area DD3 if the discharge area TX6 is conductive. The three reference potentials vddpixl, vddpix2 and vddpix3 can have mutually different potentials, for example more than 1 V, more than 3 V or more than 5 V. A different electrical voltage (potential) can be one
Einstellung bezüglich einer Abflussgeschwindigkeit der Setting regarding a discharge speed of the
Ladungsträger ermöglichen. Alternativ können die Enable load carriers. Alternatively, the
Referenzpotentiale vddpixl, vddpix2 und/oder vddpix3 einen gleichen Potentialwert aufweisen und miteinander verschaltet sein, so dass sich ein gemeinsames Referenzpotential vddpix ausbildet. Das gemeinsame Referenzpotential vddpix ermöglicht eine gleiche Abflussgeschwindigkeit der Ladungsträger zu den Abführgebieten DD1, DD2 und/oder DD3. Reference potentials vddpixl, vddpix2 and / or vddpix3 have the same potential value and are connected to one another, so that a common reference potential vddpix is formed. The common reference potential vddpix enables the same flow rate of the charge carriers to the discharge areas DD1, DD2 and / or DD3.
Die Abführ-Gates TX4, TX5 und TX6 können so angesteuert werden, dass jeweils in den photoaktiven Bereichen 18a-c The removal gates TX4, TX5 and TX6 can be controlled so that in each case in the photoactive areas 18a-c
erzeugte Ladungsträger abgeführt werden. Während eines generated charge carriers are removed. During one
Messintervalls können die Abführ-Gates TX4, TX5 und TX6 einen nicht leitenden Zustand aufweisen und die Auswerte-Gates TX1,Measurement intervals, the removal gates TX4, TX5 and TX6 can have a non-conductive state and the evaluation gates TX1,
TX2 bzw. TX3 einen leitenden Zustand aufweisen. Dies kann durch eine Ansteuerung der jeweiligen Gates TX1-6 erreicht werden. Am Ende eines jeweiligen Messintervalls kann das Auswerte-Gate TX1 in einen nicht leitenden Zustand und das Abführ-Gate TX4 in einen leitenden Zustand überführt werden, so dass in einer ersten Näherung nur diejenigen Ladungsträger zu dem TX2 or TX3 have a conductive state. This can be achieved by controlling the respective gates TX1-6. At the end of a respective measurement interval, the evaluation gate TX1 can be converted into a non-conductive state and the discharge gate TX4 into a conductive state, so that, in a first approximation, only those charge carriers to the
Speicherknoten FD1 während des Messintervalls transportiert werden, die während des Messintervalls in dem photoaktiven Storage nodes FD1 are transported during the measurement interval, which during the measurement interval in the photoactive
Bereich 18a erzeugt werden. Area 18a are generated.
Eine Ansteuerung des Auswerte-Gates TX1 kann beispielsweise durch ein Anlegen eines elektrischen Signals (Potential) UTX1 an das Auswerte-Gate TX1, erfolgen. So kann beispielsweise ein Anlegen eines Hoch- (High- ) Potentials der Spannung UTX1 den leitenden Zustand und ein Anlegen eines Niedrig- (Low- ) Potentials einen anderen, beispielsweise nicht-leitenden Zustand, bewirken. Alternativ können die Zustände (leitend/nicht leitend) auch wechselseitig bezüglich der angelegten Potentiale (High/Low) vertauscht sein. Derart kann auch eine Ansteuerung des Auswerte- Gates TX2 mittels eines Signals UTX2 und eine Ansteuerung des Auswerte-Gates TX3 mittels eines Signals UTX3 erfolgen. Eine Ansteuerung der Abführ-Gates TX4-6 kann mittels Signalen UTX4- UTX6 erfolgen. The evaluation gate TX1 can be activated, for example, by applying an electrical signal (potential) UTX1 to the evaluation gate TX1. For example, applying a high (high) potential of the voltage UTX1 can bring about the conductive state and applying a low (low) potential can cause another, for example non-conductive, state. Alternatively, the states (conductive / non-conductive) can also be mutually related with regard to the applied potentials (high / low) be reversed. In this way, the evaluation gate TX2 can also be activated by means of a signal UTX2 and the evaluation gate TX3 can be activated by means of a signal UTX3. The discharge gates TX4-6 can be controlled by means of signals UTX4- UTX6.
Der Speicherknoten FD1 ist über einen Rücksetztransistor Ml- 1 mit einem Rücksetzpotential Rücksetzen FD1 (Rücksetzen = reset) verbindbar. Der Rücksetztransistor ist bspw. als NMOS- Transistor (NMOS: n-type metal oxide semiconductor = n-Typ The storage node FD1 can be connected via a reset transistor Ml-1 to a reset potential reset FD1 (reset = reset). The reset transistor is, for example, an NMOS transistor (NMOS: n-type metal oxide semiconductor = n-type
Metall-Oxid-Halbleiter) ausgeführt. Beispielsweise ist ein Metal oxide semiconductors). For example, is a
Anschluss des Speicherknotens FD1 mit einem Source-Anschluss (Quellen-Anschluss) des Rücksetztransistors Ml-1 verbunden. An einem Gate-Anschluss (Steuerelektrodenanschluss) des Connection of the storage node FD1 connected to a source connection (source connection) of the reset transistor Ml-1. At a gate connection (control electrode connection) of the
Rücksetztransistors Ml-1 kann das Rücksetzpotential FD1 anlegbar sein. An einem Drain-Anschluss (Abfluss-Anschluss) des Reset transistor Ml-1, the reset potential FD1 can be applied. At a drain connection (drain connection) of the
Rücksetztransistors Ml-1 ist beispielsweise ein Reset transistor Ml-1 is, for example, a
Referenzpotential vddpix4 anlegbar. Ein Bulk-Anschluss Reference potential vddpix4 can be applied. A bulk connector
(Substrat-Anschluss) des Rücksetztransistors Ml-1 kann (Substrate connection) of the reset transistor Ml-1 can
beispielsweise mit einem lokalen oder globalen Bezugspotential, etwa Masse, d. h. ein Spannungspotential von 0 V verbunden sein. Das bedeutet, dass, wenn das Rücksetzpotential Rücksetzen VD1 an dem Gate-Anschluss des Rücksetztransistors Ml-1 angelegt wird, Ladungsträger aus einem Auswertegebiet des Speicherknotens FD1 abfließen können und der Speicherknoten FD1 geleert, d. h. for example with a local or global reference potential, such as ground, i.e. H. a voltage potential of 0 V must be connected. This means that if the reset potential Reset VD1 is applied to the gate terminal of the reset transistor Ml-1, charge carriers can flow out of an evaluation area of the storage node FD1 and the storage node FD1 emptied, i. H.
zurückgesetzt wird. Das Leeren bzw. Zurücksetzen ermöglicht eine Neuaufnahme einer neuen Ladungsmenge in einem zukünftigen is reset. The emptying or resetting enables a new quantity of charge to be taken up in a future one
Messzyklus. Alternativ kann der Rücksetztransistor Ml-1 auch als ein anderes Schaltelement ausgeführt sein, bspw. als ein Measuring cycle. Alternatively, the reset transistor M1-1 can also be designed as another switching element, for example as a
entsprechend verändert kontaktierter PMOS-Transistor (PMOS: p- type metal oxide semiconductor = p-Typ Metall-Oxid-Halbleiter) . accordingly changed contacted PMOS transistor (PMOS: p-type metal oxide semiconductor = p-type metal oxide semiconductor).
Ein Rücksetzen des Speicherknotens FD1 ermöglicht ein Resetting the storage node FD1 enables a
Abführen von Fremdlichtbasierten Ladungsträgern so dass ein fremdlichtbasierter Fehler des Messsignals reduzierbar ist. So kann eine Sättigung des Photoaktivgebiets basierend auf Fremdlicht verringert oder verhindert werden, was eine Messgenauigkeit weiter erhöht. Removal of external light-based charge carriers so that an external light-based error of the measurement signal can be reduced. So saturation of the photoactive area can be based on Extraneous light can be reduced or prevented, which further increases measurement accuracy.
In gleicher Weise ist ein Auswertegebiet des Speicherknotens FD2 des zweiten Teilpixels 16b über einen Rücksetztransistor Ml- 2 mit einem Rücksetzpotential Rücksetzen FD2 verbindbar. An dem Rücksetztransistor Ml-2 ist ein Referenzpotential vddpixö anlegbar . In the same way, an evaluation area of the storage node FD2 of the second sub-pixel 16b can be connected to a reset potential Reset FD2 via a reset transistor Ml-2. A reference potential vddpixö can be applied to the reset transistor Ml-2.
In gleicher Weise weist das dritte Teilpixel 16c einen In the same way, the third sub-pixel 16c has one
Rücksetztransistor Ml-3 mit einem Gate-Anschluss auf, an dem ein drittes Rücksetzpotential Rücksetzen FD3 anlegbar ist. Ein Reset transistor Ml-3 with a gate connection to which a third reset potential reset FD3 can be applied. A
Drain-Anschluss des Rücksetztransistors Ml-3 ist mit einem The drain of the reset transistor Ml-3 is connected to a
Referenzpotential vddpixö verbindbar. Die Referenzpotentiale vddpix4, vddpixö und vddpixö können miteinander verschaltet sein und einen gleichen Wert, d. h. ein gleiches Potential aufweisen. Des Weiteren können die Referenzpotentiale vddpixl, vddpix2, vddpix3, vddpix4, vddpixö und/oder vddpixö miteinander Reference potential vddpixö connectable. The reference potentials vddpix4, vddpixö and vddpixö can be interconnected and have the same value, i. H. have the same potential. Furthermore, the reference potentials vddpixl, vddpix2, vddpix3, vddpix4, vddpixö and / or vddpixö can be linked together
verschaltet sein und das Referenzpotential vddpix bilden. Das bedeutet, dass zwischen ein Auswertegebiet eines Speicherknotens FD1-3 und einem Bezugspotential vddpix4-6 ein über be connected and form the reference potential vddpix. That means that between an evaluation area of a storage node FD1-3 and a reference potential vddpix4-6 a
Rücksetzpotentiale Rücksetzen FD1- Rücksetzen FD3 ansteuerbare Schalter Ml-1, Ml-2 bzw. Ml-3 verschaltet sind, die ein Reset potentials Reset FD1- Reset FD3 controllable switches Ml-1, Ml-2 or Ml-3, which are connected
Rücksetzen des jeweiligen Speicherknotens FD1-3 ermöglichen. Allow resetting of the respective storage node FD1-3.
Zwischen den Speicherknoten FD1 und den Rücksetztransistor Ml-1 des ersten Teilpixels 16a ist ein Gate-Anschluss eines Verstärkertransistors M2-1 geschaltet. Ein Drain-Anschluss des Verstärkertransistors M2-1 ist mit einem Versorgungspotential vdda-HV verbindbar. Ein Bulk-Anschluss des Verstärkertransistors M2-1 ist mit dem Bezugspotential (Masse) verbunden. Ein Source- Anschluss des Verstärkertransistors M2-1 ist mit einem Drain- Anschluss eines Auswahlschalters M3-1 in Form eines MOS- Transistors verbunden. In gleicher Weise weisen die Teilpixel 16b und 16c einen Verstärkertransistor M2-2 bzw. M2-3 und einen Auswahltransistor M3-2 bzw. M3-3 auf. Ein Gate-Anschluss des Auswahlschalters M3-1 ist mit einem Auswahlpotential Zeilenauswahl (engl.: row select) verbindbar, entsprechendes gilt für die Auswahlschalter M3-2 und M3-3. A gate connection of an amplifier transistor M2-1 is connected between the storage node FD1 and the reset transistor M1-1 of the first sub-pixel 16a. A drain connection of the amplifier transistor M2-1 can be connected to a supply potential vdda-HV. A bulk terminal of the amplifier transistor M2-1 is connected to the reference potential (ground). A source connection of the amplifier transistor M2-1 is connected to a drain connection of a selection switch M3-1 in the form of a MOS transistor. In the same way, the sub-pixels 16b and 16c have an amplifier transistor M2-2 or M2-3 and a selection transistor M3-2 or M3-3. A gate connection of the selector switch M3-1 has a selection potential Row select can be connected, the same applies to the selection switches M3-2 and M3-3.
Ausgangsseitig an einem Source-Anschluss des On the output side at a source connection of the
Auswahlschalters M3-1, der mit den Auswahlschalter M3-2 und M3-3 der beiden übrigen Teilpixel kurzgeschlossen ist, ist ein Selection switch M3-1, which is short-circuited with selection switches M3-2 and M3-3 of the other two subpixels, is on
Auswertepotential (Messspannung Uout) abgreifbar. Da die Source- Anschlüsse kurzgeschlossen sind, erfolgt die Auswertung der Teilpixel trotz separater Ansteuerbarkeit und separater Evaluation potential (measuring voltage Uout) can be tapped. Since the source connections are short-circuited, the evaluation of the partial pixels takes place despite being separately controllable and separate
Akkumulierung der Ladung in den Speicherknoten FD1, FD2 und FD3 wie bei einer einheitlichen, größeren Pixelfläche über einen gemeinsamen Abgriff. Ein Anlegen des Auswahlpotentials Accumulation of the charge in the storage nodes FD1, FD2 and FD3 as with a uniform, larger pixel area via a common tap. Creation of the selection potential
Zeilenauswahl an dem Drain-Anschlüssen der Auswahlschalter M3-1, M3-2 und M3-3 ermöglicht das Abgreifen des verstärkten Row selection on the drain connections of the selection switches M3-1, M3-2 and M3-3 enables tapping of the amplified
Potentials (Signal) Uout. Potentials (signal) Uout.
Ein Betrieb der Teilpixels 16a, 16b und 16c kann zwei oder mehr Zeitintervalle umfassen, die sich zyklisch wiederholen. In einem ersten Zeitintervall kann mittels der Ansteuerung der Rücksetztransistoren Ml-1, Ml-2 und Ml-3 ein Abfluss von Operation of sub-pixels 16a, 16b and 16c may include two or more time intervals that are repeated cyclically. In a first time interval, by means of the actuation of the reset transistors Ml-1, Ml-2 and Ml-3, an outflow of
Ladungsträgern aus den Speicherknoten FD1, FD2 und FD3 synchron ermöglicht werden. In einem zweiten Zeitintervall können die Rücksetztransistoren Ml-1, Ml-2, Ml-3 nicht leitend gesetzt werden, so dass das Potential oder Signal Uout erhalten wird. Werden Speicherknoten zwischen Zyklen nicht oder nur teilweise zurückgesetzt, so können in vorangegangenen Zyklen gespeicherte Ladungsträger erhalten bleiben. Dies ermöglicht eine Mittelung der Ladungsträger über zwei oder mehrere Zyklen hinweg, was zu einer Verringerung von Messrauschen führen kann. Alternativ kann in jedem Zyklus eine Auswertung und ein Rücksetzen stattfinden. Charge carriers from the storage nodes FD1, FD2 and FD3 are made possible synchronously. In a second time interval, the reset transistors Ml-1, Ml-2, Ml-3 cannot be turned on, so that the potential or signal Uout is obtained. If storage nodes are not or only partially reset between cycles, charge carriers stored in previous cycles can be retained. This enables the charge carriers to be averaged over two or more cycles, which can lead to a reduction in measurement noise. Alternatively, an evaluation and a reset can take place in each cycle.
Alternativ zu den Verstärkertransistoren M2-1, M2-2 und M2-3 kann auch eine andere Verstärkerschaltung, beispielsweise ein Differenzverstärker oder Operationsverstärker angeordnet sein. Die dargestellte Verschaltung der Rücksetztransistoren Ml-1, Ml- 2, Ml-3, der Verstärkertransistoren M2-1, M2-2, M2-3 und der Auswahltransistoren M3-1, M3-2 und M3-3 ist lediglich beispielhaft dargestellt. Alternativ kann auch eine andere As an alternative to the amplifier transistors M2-1, M2-2 and M2-3, another amplifier circuit, for example a differential amplifier or operational amplifier, can also be arranged. The illustrated connection of the reset transistors Ml-1, Ml-2, Ml-3, the amplifier transistors M2-1, M2-2, M2-3 and the selection transistors M3-1, M3-2 and M3-3 is only shown as an example. Alternatively, another one can be used
Verschaltung angeordnet sein, die ein Rücksetzen und/oder Interconnection can be arranged that a reset and / or
Auswerten von erzeugten Ladungsträgern ermöglicht. Evaluation of generated charge carriers enables.
Obwohl die Transistoren und Gates als MOS-basierte Although the transistors and gates are MOS-based
Transistoren mit Source-, Drain- und Gate-Anschlüssen Transistors with source, drain and gate connections
beschrieben sind, können alternativ auch Bipolartransistoren mit isoliertem Steueranschluss (Insulated Gate Bipolar Transistor- IGBT) angeordnet sein, die komplementär einen Gate-Anschluss, einen Collector- und einen Emitter-Anschluss aufweisen. are described, alternatively bipolar transistors with an insulated gate connection (Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT) can be arranged, which have a complementary gate connection, a collector and an emitter connection.
Alternativ oder zusätzlich können auch Bipolartransistoren und/oder Sperrschicht-Feldeffekt Transistoren (engl.: junction- FET- JFET) angeordnet sein. As an alternative or in addition, bipolar transistors and / or junction field-effect transistors (junction-FET-JFET) can also be arranged.
Obwohl die Pixelstruktur 30 so beschrieben wurde, dass die optionalen Collection-Gates (CX1-3) angeordnet sind, kann eine Realisierung der Pixelstruktur 30 auch ganz oder teilweise ohne diese erfolgen. Vorteilhaft an einer derartigen Anordnung ist, dass ein erfasstes Objekt bzw. ein Bereich des erfassten Although the pixel structure 30 has been described in such a way that the optional collection gates (CX1-3) are arranged, the pixel structure 30 can also be implemented in whole or in part without it. An arrangement of this type has the advantage that a detected object or a region of the detected
Objektes von drei Teilpixeln 16a, 16b und 16c unabhängig Object of three sub-pixels 16a, 16b and 16c independently
voneinander erfasst werden kann, die erfassten Ladungsträger aber gemeinsam ausgewertet werden. Dadurch wird die Sensitivität erhöht und Abweichungen von einer Symmetrie eines jeden can be recorded from one another, but the recorded charge carriers can be evaluated together. This increases sensitivity and deviations from the symmetry of everyone
Teilpixels 16a-c können reduziert oder vermindert werden. Sub-pixels 16a-c can be reduced or reduced.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Fig. 3 shows a schematic block diagram of a
Vorrichtung 60, die eine Steuerschaltung 54 umfasst, die mit dem Pixel 32 verschaltet ist. Die Steuerschaltung 54 ist Device 60, which comprises a control circuit 54, which is connected to the pixel 32. The control circuit 54 is
ausgebildet, um Signale, Potentiale und/oder Ströme von dem Pixel 32 zu erhalten und, um das Pixel 32 anzusteuern, etwa indem die Steuerschaltung 54 ausgebildet ist, um die Signale Rücksetzen FD1-3, Reihenauswahl, UTX1-UTX3 und/oder UTX4-UTX6, wie sie in der Fig. 3 beschrieben sind, an die Vorrichtung 60 anzulegen. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 kann die Steuerschaltung 54 ausgebildet sein, um das Signale Uout von dem Pixel 32 zu empfangen. Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um basierend auf einer Menge der Ladungsträger, die in den photoaktiven Bereichen 18a-c erzeugt werden, eine Distanzinformation bezüglich des Objektes 12 zu bestimmen. Eine Lichtquelle 56 kann beispielsweise ausgebildet sein, um die elektromagnetische configured to receive signals, potentials and / or currents from the pixel 32 and to drive the pixel 32, for example by the control circuit 54 being configured to reset the signals FD1-3, row selection, UTX1-UTX3 and / or UTX4- UTX6, as described in FIG. 3, to be applied to the device 60. 3, the control circuit 54 may be configured to receive the signal Uout from the pixel 32. The control circuit 54 is configured to based on an amount of the charge carriers that are in the photoactive Regions 18a-c are generated to determine distance information with respect to the object 12. For example, a light source 56 can be designed to emit the electromagnetic one
Strahlung 22, etwa in Pulsform, auszusenden, so dass die Radiation 22, approximately in pulse form, so that the
elektromagnetische Strahlung 22r zumindest teilweise von dem Objekt 12 reflektiert und von dem Pixel 32 empfangen wird. Electromagnetic radiation 22r is at least partially reflected by the object 12 and received by the pixel 32.
Zur Bestimmung der Distanzinformation kann die To determine the distance information, the
Steuerschaltung 54 beispielsweise ausgebildet sein, um Control circuit 54 may be configured, for example, to
Informationen bzgl. einer Position und/oder einem Information regarding a position and / or a
Aussendezeitpunkt und/oder -intervall zu erhalten. Mittels dieser Informationen kann beispielsweise aufgrund von To receive the transmission time and / or interval. Using this information, for example, on the basis of
Laufzeitberechnungen (Distanz = Geschwindigkeit c Zeit) und/oder trigonometrischen Funktionen die Distanzinformation bestimmbar sein . Runtime calculations (distance = speed c time) and / or trigonometric functions the distance information can be determined.
Fig. 4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Fig. 4 shows a schematic flow diagram of a
Verfahrens 700 zur Bestimmung der Abstandsinformation, der Method 700 for determining the distance information, the
Reflektanzinformation und einer Hintergrundlichtinformation, wie es von der Steuerschaltung 54 ausgeführt werden kann. Reflectance information and background light information, as can be carried out by the control circuit 54.
Zur Verdeutlichung des Ablaufs eines Verfahrens, wie es beispielsweise von der Steuerschaltung 54 ausführbar ist, sind neun Graphen 710, 720, 730, 740, 750, 760, 770, 780 und 790 gegenübergestellt. Die Graphen 710 bis 790 weisen eine To illustrate the sequence of a method, as can be carried out, for example, by the control circuit 54, nine graphs 710, 720, 730, 740, 750, 760, 770, 780 and 790 are compared. The graphs 710 to 790 have one
gemeinsame Abszisse in Form einer Zeitachse t auf. Die Graphen 710 und 720 zeigen an einer jeweiligen Ordinate schematisch ein normiertes Energieniveau E der von einer Lichtquelle common abscissa in the form of a time axis t. The graphs 710 and 720 schematically show a normalized energy level E of a light source on a respective ordinate
ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung (Graph 710) bzw. von dem Pixel empfangen elektromagnetischen Strahlung (Graph 720) . Ein Energieniveau 58a bezeichnet dabei eine Energie eines emitted electromagnetic radiation (Graph 710) or received by the pixel electromagnetic radiation (Graph 720). An energy level 58a denotes an energy of one
Hintergrundlichts, etwa am Ort der Lichtquelle. Ein Backlight, for example at the location of the light source. A
Energieniveau 58b bezeichnet ebenfalls ein Energieniveau des Hintergrundlichts, etwa am Ort der Pixelstruktur. Die Energy level 58b also denotes an energy level of the background light, for example at the location of the pixel structure. The
Energieniveaus 58a und 58b können gleich oder unterschiedlich sein . Die Graphen 730 bis 790 weisen jeweils eine normierte Energy levels 58a and 58b can be the same or different. The graphs 730 to 790 each have a normalized one
Ordinate V auf, die unter Bezugnahme auf Fig. 3 die an die - Gates TX1-6 anlegbaren Signale UTX1 bis UTX6 bzw. für den Ordinate V on which, with reference to FIG. 3, the signals UTX1 to UTX6 which can be applied to the gates TX1-6 or for the
Graphen 790 ein zusammengefasstes Signal „Rücksetzen FDs" (d. h. Rücksetzen der Speicherknoten) zeigt, das exemplarisch eine gemeinsame Ansteuerung der Signale Rücksetzen FD1, Rücksetzen FD2 und Rücksetzen FD3 in Fig. 3 bedeutet. Alternativ kann die Ansteuerung eines oder mehrerer Rücksetzsignale Rücksetzen FD1- Rücksetzen FD3 auch individuell erfolgen. Graph 790 shows a summarized signal “reset FDs” (ie reset of the storage nodes), which exemplarily means a common activation of the signals reset FD1, reset FD2 and reset FD3 in FIG. 3. Alternatively, the activation of one or more reset signals reset FD1-reset FD3 can also be done individually.
Die Graphen zeigen mehrere, hintereinander ausgeführte The graphs show several successive executions
Messzyklen. Da die ausgangsseitig kurzgeschlossenen Teilpixel als einheitliches Pixel gemeinsam ausgewertet werden, müssen die Messungen zur Erfassung der verschiedenen Signalanteile Measuring cycles. Since the partial pixels short-circuited on the output side are evaluated together as a uniform pixel, the measurements have to be carried out to record the different signal components
(Hintergrundlicht, erster Anteil an reflektiertem Licht, zweiter Anteil an reflektiertem Licht) in separaten Messungen erfasst werden, wobei zwischen den Messzyklen alle Teilpixel (Background light, first portion of reflected light, second portion of reflected light) are recorded in separate measurements, with all sub-pixels between the measurement cycles
zurückgesetzt werden. Der Lichtpuls wird für jeden Messzyklus gemäß dem Graphen 710 erneut ausgesandt. Die erforderlichen drei Messzyklen finden in einem derart kurzen Zeitraum statt, dass in erster Näherung auch das Timing des reflektierten Lichtpulses gemäß dem Graphen 720 für jeden der Messzyklen unverändert bleibt, da sich das gemessene Objekt in diesem Zeitraum in erster Näherung nicht bewegt. be reset. The light pulse is emitted again for each measurement cycle according to graph 710. The required three measurement cycles take place in such a short period of time that, in a first approximation, the timing of the reflected light pulse according to graph 720 remains unchanged for each of the measurement cycles, since the measured object does not move in the first approximation during this period.
Die Graphen 730 und 740 zeigen die Signale in einem ersten Messzyklus. Die Graphen 750 und 760 zeigen die Signale in einem zweiten Messzyklus. Die Graphen 770 und 780 zeigen die Signale in einem dritten Messzyklus. Graphs 730 and 740 show the signals in a first measurement cycle. Graphs 750 and 760 show the signals in a second measurement cycle. Graphs 770 and 780 show the signals in a third measurement cycle.
In jedem Messzyklus, in einem Zeitintervall vor einem In every measuring cycle, in a time interval before one
Zeitpunkt tO ist die Steuerschaltung 54 ausgebildet, um die Speicherknoten mittels eines Anlegens des Signals Rücksetzen FDs einen Abfluss von Ladungsträgern aus den Speicherknoten FD1-3 zu ermöglichen. Ferner ist die Steuerschaltung 54 ausgebildet, um die Signale UTX4, UTX5 und UTX6 bereitzustellen, so dass in den photoaktiven Bereichen 18a-c erzeugte Ladungsträger zu den At time t0, the control circuit 54 is designed to enable the storage nodes to drain charge carriers from the storage nodes FD1-3 by applying the reset FDs signal. Furthermore, the control circuit 54 is designed to provide the signals UTX4, UTX5 and UTX6, so that in the photoactive areas 18a-c generated charge carriers to the
Abführgebieten DD1-3 transportiert werden können. Discharge areas DD1-3 can be transported.
Die Steuerschaltung 54 ist zeitlich mit der Lichtquelle 56 synchronisiert. Zu einem Zeitpunkt t3 ist die Lichtquelle 56 ausgebildet, um die elektromagnetische Strahlung 22 in Form eines Lichtpulses mit einer Zeitdauer Tp zu emittieren, The control circuit 54 is synchronized in time with the light source 56. At a point in time t3, the light source 56 is designed to emit the electromagnetic radiation 22 in the form of a light pulse with a time duration T p ,
beispielsweise basierend auf einem zyklischen Takt oder for example based on a cyclical cycle or
basierend auf einer Ansteuerung durch die Steuerschaltung 54 oder einer anderen Vorrichtung. Das Ende des Lichtpulses ist mit dem Zeitpunkt t5 auf der Zeitachse bezeichnet. based on control by control circuit 54 or other device. The end of the light pulse is indicated at time t5 on the time axis.
Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um in einem ersten Messzyklus, dargestellt in den Graphen 730 und 740, während des Zeitintervalls (t3-t5) die Auswerte-Gates TX1, TX2, TX3 in einen leitenden Zustand und die Abführ-Gates TX4, TX5, TX6 in einen nicht leitenden Zustand zu überführen, so dass in den The control circuit 54 is designed to switch the evaluation gates TX1, TX2, TX3 into a conductive state and the discharge gates TX4, TX5, in a first measurement cycle, shown in graphs 730 and 740, during the time interval (t3-t5). To bring TX6 into a non-conductive state, so that in the
photoaktiven Bereichen 18a, 18b, 18c erzeugte Ladungsträger in die Speicherknoten FD1, FD2, FD3 transportiert werden können und das entsprechende Signal Uouti am gemeinsamen Abgriff erhalten werden kann. Nach dem ersten Messzyklus werden die Teilpixel zurückgesetzt und der Timer wird neu gestartet. photoactive areas 18a, 18b, 18c generated charge carriers can be transported into the storage nodes FD1, FD2, FD3 and the corresponding signal U outi can be obtained at the common tap. After the first measurement cycle, the sub-pixels are reset and the timer is restarted.
Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um in einem zweiten Messzyklus während eines Zeitintervalls (t5-t7), das bezogen auf den emittierten Lichtpuls direkt auf das Zeitintervall (t3-t5) folgt, die Auswerte-Gates TX1, TX2 und TX3 leitend und die The control circuit 54 is designed to conduct the evaluation gates TX1, TX2 and TX3 in a second measurement cycle during a time interval (t5-t7) which follows the time interval (t3-t5) directly with respect to the emitted light pulse
Abführ-Gates TX4, TX5, TX6 nicht leitend zu schalten, so dass in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b, 18c erzeugte Ladungsträger in die Speicherknoten FD1, FD2, FD3 transportierbar sind und das Signal Uout2 für den zweiten Messzyklus erhalten werden kann. Laxation gates TX4, TX5, TX6 should not be turned on so that charge carriers generated in the photoactive areas 18a, 18b, 18c can be transported into the storage nodes FD1, FD2, FD3 and the signal U out 2 can be obtained for the second measurement cycle.
Die elektromagnetische Strahlung 22r, das heißt der The electromagnetic radiation 22r, that is, the
Lichtpuls, trifft bezogen auf den Zeitpunkt t3 zeitverzögert und reflektiert von dem Objekt 12 an dem Pixel 32 ein. Die Laufzeit (engl.: Time of Flight- ToF) i oF kann als Laufzeit zwischen dem Aussenden des Lichtpulses 22 an der Lichtquelle 56 bis zum Light pulse arrives with a time delay relative to the time t3 and reflects from the object 12 at the pixel 32. The time of flight (English: Time of Flight ToF) i oF can be the time between the emission of the light pulse 22 at the light source 56 to
Eintreffen des reflektierten Lichtpulses 22 an dem Pixel 32 beschrieben werden. Der reflektierte Lichtpuls 22r bewirkt, dass Ladungsträger in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b und 18c erzeugt werden. Die Laufzeit T OF bewirkt, dass der reflektierte Lichtpuls 22r beginnend zu einem Zeitpunkt t4 (t4=t3+i oF) und endend zu einem Zeitpunkt t6 an dem Pixel 32 eintrifft. Der Zeitpunkt t5 folgt dem Zeitpunkt t4, wobei der Zeitpunkt t5 vor dem Zeitpunkt t6 an der Zeitachse angeordnet ist. Ein Zeitpunkt t7 folgt auf den Zeitpunkt t6. Arrival of the reflected light pulse 22 at the pixel 32 to be discribed. The reflected light pulse 22r causes charge carriers to be generated in the photoactive regions 18a, 18b and 18c. The term T O F causes the reflected light pulse arrives 22r starting at a time t4 (t4 = t3 + i oF) and ending at a time t6 at the pixel 32nd The time t5 follows the time t4, the time t5 being arranged on the time axis before the time t6. A time t7 follows the time t6.
Das Zeitintervall (t4-t6) , in welchem der reflektierte The time interval (t4-t6) in which the reflected
Lichtpuls an dem Pixel 32 eintrifft, überlappt teilweise mit dem Intervall (t3-t5) und teilweise mit dem Intervall (t5-t7) . Das bedeutet, dass der reflektierte Lichtpuls 22r teilweise im ersten Messzyklus teilweise in dem zweiten Messzyklus als jeweils erfasstes Signal Uout2 erfassbar ist. Ein schraffierter Bereich 62a bezeichnet ein Maß an Ladungsträgern, die in dem ersten Messzyklus in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b, 18c erzeugt werden und zu den Speicherknoten FD1, FD2, FD3 Light pulse arriving at pixel 32 partially overlaps the interval (t3-t5) and partially overlaps the interval (t5-t7). This means that the reflected light pulse 22r can be detected in part in the first measurement cycle, in part in the second measurement cycle, as a signal U out 2 which is detected in each case. A hatched area 62a denotes a measure of charge carriers which are generated in the first measurement cycle in the photoactive areas 18a, 18b, 18c and to the storage nodes FD1, FD2, FD3
transportiert werden bzw. eine Stärke des Signals Uouti des ersten Messzyklus. Eine schraffierte Fläche 62b beschreibt ein Maß an Ladungsträgern, das in den photoaktiven Bereichen 18a,are transported or a strength of the signal U outi of the first measurement cycle. A hatched area 62b describes a measure of charge carriers that is in the photoactive areas 18a,
18b und 18c erzeugt und zu den Speicherknoten FD1, FD2, FD3 transportiert werden bzw. eine Amplitude des Signals Uout2 des zweiten Messzyklus. 18b and 18c are generated and transported to the storage nodes FD1, FD2, FD3 or an amplitude of the signal U out 2 of the second measurement cycle.
Bei der Durchführung des dritten Messzyklus, dargestellt in den Graphen 770 und 780, in einem Ansteuerintervall zwischen zwei Zeitpunkten tl und t2 ist die Steuerschaltung ausgebildet, um die Signale UTX1, UTX2, UTX3 bereitzustellen und gleichzeitig die Signale UTX4, UTX5 und UTX6 zu deaktivieren und die Abführ- Gates TX4, TX5, TX6 in einen sperrenden Zustand zu schalten. Das bedeutet, dass in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b, 18c erzeugte Ladungsträger in die Speicherknoten FD1, FD2 und FD3 transportiert werden können. Die Steuerschaltung 54 ist When the third measurement cycle, shown in graphs 770 and 780, is carried out in a control interval between two times t1 and t2, the control circuit is designed to provide the signals UTX1, UTX2, UTX3 and at the same time to deactivate and deactivate the signals UTX4, UTX5 and UTX6 to switch the discharge gates TX4, TX5, TX6 into a blocking state. This means that charge carriers generated in the photoactive regions 18a, 18b, 18c can be transported into the storage nodes FD1, FD2 and FD3. The control circuit 54 is
ausgebildet, um basierend auf einer Menge von Ladungsträgern, die in die Speicherknoten FD1, FD2 und FD3 transportiert sind, bzw. basierend auf einer Stärke des Signals Uout3 des dritten Messzyklus eine Stärke des Hintergrundlichts zu bestimmen. Das bedeutet, dass die Steuerschaltung 54 ausgebildet ist, um basierend auf dem Ansteuerintervall (tl-t2) eine formed to be based on a set of carriers that are transported into the storage nodes FD1, FD2 and FD3, or to determine a strength of the background light based on a strength of the signal U out 3 of the third measurement cycle. This means that the control circuit 54 is designed to be based on the drive interval (tl-t2)
Hintergrundlichtinformation zu bestimmen. To determine background light information.
Während der Zeitintervalle (t3-t5) und (t5-t7) können auch Ladungsträger, die basierend auf Hintergrundstrahlung in den photoaktiven Bereichen 18a, 18b und 18c erzeugt werden, zu den Speicherknoten FD1, FD2 und FD3 transportiert werden und die Signale Uouti im ersten und Uout2 im zweiten Messzyklus During the time intervals (t3-t5) and (t5-t7), charge carriers which are generated based on background radiation in the photoactive regions 18a, 18b and 18c can also be transported to the storage nodes FD1, FD2 and FD3 and the signals U outi im first and U out 2 in the second measurement cycle
beeinflussen (verfälschen) . Dies ist durch die Bereiche 63a und 63b dargestellt. Das bedeutet, das jeweils akkumulierte Signal umfasst ein über das jeweilige Intervall akkumuliertes influence (falsify). This is represented by the areas 63a and 63b. This means that the respective accumulated signal includes an accumulated over the respective interval
Hintergrundlicht. Die Hintergrundlichtinformation kann sich auf den erfassten Objektbereich beziehen, etwa Streulicht, das unabhängig von der Lichtquelle 56 auf die photoaktiven Bereiche trifft. Die Steuervorrichtung 54 ist ausgebildet, um diese Backlight. The background light information can relate to the detected object area, for example scattered light, which strikes the photoactive areas independently of the light source 56. The control device 54 is designed for this
Verfälschung basierend auf dem Signal Uout3 des dritten Corruption based on the signal U out 3 of the third
Messzyklus zu korrigieren. Dies kann beispielsweise durch eine Subtraktion der Signalpegel erfolgen. Correct measurement cycle. This can be done, for example, by subtracting the signal levels.
Die Durchführung der drei Messzyklen entspricht einer vollständigen Messung, wobei auch ein Vielfaches der drei The execution of the three measurement cycles corresponds to a complete measurement, and a multiple of the three
Messzyklen durchgeführt werden kann, um eine Mittelung der Measuring cycles can be carried out to average the
Signale durchzuführen. Es liegen anschließend Signale Uouti, Uout2, Uout3 für jeden der Messzyklen vor, wobei jedes der Signale sich auf ein anderes Zeitfenster der Signalakkumulation gegenüber dem emittierten Lichtpuls bezieht. Perform signals. There are then signals U outi , U out 2 , U out 3 for each of the measurement cycles, each of the signals relating to a different time window for the signal accumulation with respect to the emitted light pulse.
Eine Summe der (ggf. von der Hintergrundbeleuchtung A sum of (possibly from the backlight
bereinigten) schraffierten Flächen 62a und 62b kann von der Steuereinrichtung 54 beispielsweise berechnet werden, um eine Gesamtenergie des reflektierten Lichtpulses zu bestimmen. Sind der Steuervorrichtung 54 Informationen bezüglich einer adjusted) hatched areas 62a and 62b can be calculated by the control device 54, for example, in order to determine a total energy of the reflected light pulse. Is the control device 54 information regarding a
Energiestärke des emittierten Lichtpulses der Lichtquelle 56 bereitgestellt, so kann, beispielsweise durch eine Subtraktion oder eine Division ein Maß der Reflektanz des Objektes 12 erhalten werden. Anders ausgedrückt kann die Summe der (ggf. von der Hintergrundbeleuchtung bereinigten) schraffierten Flächen 62a und 62b bzw. der Signale Uout des ersten Messzyklus und Uout des zweiten Messzyklus die Gesamtenergie des reflektierten Energy strength of the emitted light pulse of the light source 56 can be provided, for example by subtraction or a division a measure of the reflectance of the object 12 can be obtained. In other words, the sum of the shaded areas 62a and 62b (possibly cleaned from the backlight) or the signals U out of the first measurement cycle and U out of the second measurement cycle can reflect the total energy of the reflected
Lichtpulses beschreiben. Ein Anteil der Gesamtenergie des reflektierten Lichtpulses in Relation zu der Gesamtenergie des emittierten Lichtpulses kann aufzeigen, welcher Anteil des emittierten Lichtpulses von dem Objekt 12 reflektiert wird, also die Reflektanzinformation beinhalten. Die Ansteuerintervalle (tl-t2), (t3-t5) und (t5-t7) können eine gleiche oder Describe the light pulse. A proportion of the total energy of the reflected light pulse in relation to the total energy of the emitted light pulse can show which proportion of the emitted light pulse is reflected by the object 12, that is to say contain the reflectance information. The control intervals (tl-t2), (t3-t5) and (t5-t7) can be the same or
voneinander verschiedene Zeitspannen umfassen. comprise different periods of time.
Die Steuerschaltung 54 ist ausgebildet, um die Signale Uouti des ersten Messzyklus und Uout2 des zweiten Messzyklus zueinander in Relation zu setzen, beispielsweise durch eine The control circuit 54 is designed to relate the signals U outi of the first measurement cycle and U out 2 of the second measurement cycle to one another, for example by means of a
Quotientenbildung. Ein Quotient der Signale Uouti des ersten Messzyklus und Uout2 des zweiten Messzyklus bzw. ein Quotient der straffierten Flächen 62a und 62b (um die Quotient formation. A quotient of the signals U outi of the first measurement cycle and U out 2 of the second measurement cycle or a quotient of the taut areas 62a and 62b (around the
Hintergrundstrahlung/Hintergrundlicht bereinigt oder nicht bereinigt) kann Informationen darüber bereitstellen, welche Anteile des reflektierten Lichtpulses in dem Zeitintervall (t3- t5) und in dem Zeitintervall (t5-t7) von dem Pixel 32 empfangen wird. Die Synchronisation der Zeitintervalle (t3-t5) und (t5-t7) ermöglicht eine Bestimmung der Laufzeit T oF. Die Laufzeit i oF kann bei einer Kenntnis einer Distanz zwischen der Lichtquelle 56 und dem Pixel 32, beispielsweise in eine von der Background radiation / background light cleaned or not cleaned) can provide information about which portions of the reflected light pulse are received by the pixel 32 in the time interval (t3-t5) and in the time interval (t5-t7). The synchronization of the time intervals (t3-t5) and (t5-t7) enables the transit time T oF to be determined . With a knowledge of a distance between the light source 56 and the pixel 32, the transit time i oF can be, for example, in one of the
elektromagnetischen Strahlung 22 zurückgelegte Wegstrecke überführt werden. electromagnetic radiation 22 covered distance are transferred.
Ist die Lichtquelle 56 beispielsweise benachbart zu dem Pixel 32 angeordnet, kann eine Entfernung zwischen einer dem Pixel 32 zugewandten Oberfläche des Objektes 12 und dem Pixel 32 als die Hälfte der von dem Lichtpuls zurückgelegten Wegstrecke angenähert werden. Soll aus den erfassten Signalen eine Distanzinformation berechnet werden, so kann die Distanz d bei vorliegenden If the light source 56 is arranged, for example, adjacent to the pixel 32, a distance between a surface of the object 12 facing the pixel 32 and the pixel 32 can be approximated as half the distance covered by the light pulse. If distance information is to be calculated from the detected signals, the distance d can be used in the present case
Signalen von allen drei Messzyklen berechnet werden:
Figure imgf000035_0001
Signals from all three measurement cycles are calculated:
Figure imgf000035_0001
Obwohl die Anordnung der Ansteuerintervalle (t3-t5) , (t5-t7) und (tl-t2) so beschrieben wurden, dass sie zeitlich Although the arrangement of the control intervals (t3-t5), (t5-t7) and (tl-t2) have been described in such a way that they are temporal
aufeinanderfolgend angeordnet sind, können die are arranged in succession, the
Ansteuerintervalle (t3-t5) , (t5-t7) und (tl-t2) auch zeitlich ganz oder teilweise überlappend angeordnet sein. Eine Erfassung zweier unabhängiger Signale (Graphen 730 und 740) bzw. dreier unabhängiger Signale (Graphen 730, 740 und 750 ) ermöglicht eine Bestimmung der Distanz und Reflektanzinformation bzw. zusätzlich der Hintergrundlichtinformation . Ferner können die Control intervals (t3-t5), (t5-t7) and (tl-t2) can also be arranged to overlap completely or partially in time. Detection of two independent signals (graphs 730 and 740) or three independent signals (graphs 730, 740 and 750) enables the distance and reflectance information or additionally the background light information to be determined. Furthermore, the
Ansteuerintervalle (t3-t5) , (t5-t7) und (tl-t2) eine zeitlich gleiche oder voneinander verschiedene Länge aufweisen. Control intervals (t3-t5), (t5-t7) and (tl-t2) have the same length or a different length.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Fig. 5 shows a schematic block diagram of a
Abstandserfassungssystems 90, das die Pixelstruktur 30, die Steuerschaltung 54, die mit der Pixelstruktur 30 gekoppelt ist, und die Lichtquelle 56 aufweist. Die Steuerschaltung 54 und die Lichtquelle 56 sind miteinander verschaltet, so dass eine einfache Synchronisierung von Steuerschaltung 54 und Lichtquelle 56 ermöglicht ist. Dies kann beispielsweise durch einen Distance detection system 90, which includes the pixel structure 30, the control circuit 54, which is coupled to the pixel structure 30, and the light source 56. The control circuit 54 and the light source 56 are connected to one another, so that the control circuit 54 and the light source 56 can be easily synchronized. This can be done, for example, by a
gemeinsamen Trigger oder einen gemeinsamen Timer erfolgen. Die Lichtquelle 56 ist benachbart zu der Pixelstruktur 30 common trigger or a common timer. The light source 56 is adjacent to the pixel structure 30
angeordnet, so dass eine Laufzeit des Strahlungspulses von der Lichtquelle 56 zu dem Objekt 12 im Wesentlichen gleich ist, wie eine Laufzeit des reflektierten Strahlungspulses von dem Objekt 12 zu der Pixelstruktur 30. arranged so that a transit time of the radiation pulse from the light source 56 to the object 12 is essentially the same as a transit time of the reflected radiation pulse from the object 12 to the pixel structure 30.
Alternativ oder zusätzlich kann die Lichtquelle 56 auch beabstandet von der Pixelstruktur 30 angeordnet sein. Alternatively or additionally, the light source 56 can also be arranged at a distance from the pixel structure 30.
Das Abstandserfassungssystem 90 kann ausgebildet sein, um mittels der Lichtquelle 56 den Strahlungspuls 22 mit einem The distance detection system 90 can be designed to use the light source 56 to transmit the radiation pulse 22 with a
Tastverhältnis (engl.: duty cycle) von weniger oder gleich 1%, weniger oder gleich 0,5% oder weniger oder gleich 0,1% zu emittieren. Eine Gesamtheit von Strahlungspulsen kann einen Duty-Cycle von weniger oder gleich 50% bezogen auf einen Duty cycle of less than or equal to 1%, less than or equal to 0.5% or less or equal to 0.1% emit. A total of radiation pulses can have a duty cycle of less than or equal to 50% based on one
Erfassungszyklus eines Frames aufweisen. Ein Duty-Cycle von einem Prozent bedeutet dabei beispielsweise, dass ein Zyklus oder ein Intervall mit einer Länge von beispielsweise einer 30 ps einen Puls mit einer Breite von 30 ns aufweist und ein weiterer Puls nach 2970 ns ausgesendet wird. Eine Impulsdauer von 30 ns kann bspw. aus einem Tastverhältnis von 1/3000, das von Augensicherheitskriterien beeinflusst sein kann, und einem Erfassungsbereich von 4,5 m abgeleitet werden. In anderen Worten kann die elektromagnetische Strahlung 22 Strahlungspulse mit einem kleinen Duty-Cycle und mithin gepulste Laufzeiten Have a frame capture cycle. A duty cycle of one percent means, for example, that a cycle or interval with a length of, for example, 30 ps has a pulse with a width of 30 ns and a further pulse is transmitted after 2970 ns. A pulse duration of 30 ns can be derived, for example, from a pulse duty factor of 1/3000, which can be influenced by eye safety criteria, and a detection range of 4.5 m. In other words, the electromagnetic radiation 22 can emit radiation pulses with a small duty cycle and therefore pulsed transit times
aufweisen . exhibit .
Fig. 6a zeigt eine schematische Aufsicht auf eine 6a shows a schematic plan view of a
Pixelstruktur 110 gemäß dem Stand der Technik. An einem Pixel structure 110 according to the prior art. On one
photoaktiven Bereich (Photoaktivgebiet) 92 sind drei photoactive area 92 is three
Speicherknoten FD1, FD2 und FD3 sowie ein Abführgebiet DD angeordnet. Fig. 6b zeigt eine schematische Querschnittansicht der Pixelstruktur 110. Storage nodes FD1, FD2 and FD3 and a discharge area DD are arranged. 6b shows a schematic cross-sectional view of the pixel structure 110.
Es zeigen die Fig. 6a und Fig. 6b ein Schemata eines ToF- Pixels, basierend auf einer lateralen Driftfeldphotodiode 6a and 6b show a schematic of a ToF pixel based on a lateral drift field photodiode
(Lateral Drift Field Photo Diode- LDPD) mit drei (Lateral Drift Field Photo Diode- LDPD) with three
Kurzzeitintegratoren und einem Abzugsknoten zur Eliminierung von Fremdlicht außerhalb der Kurzzeitintegrationsfenster, wobei Fig. 6a eine Top-Perspektive und Fig. 6b einen Querschnitt entlang der Transferrichtung des Pixels zeigt. Short-term integrators and a take-off node for eliminating extraneous light outside the short-term integration window, FIG. 6a showing a top perspective and FIG. 6b a cross section along the transfer direction of the pixel.
Fig. 7 zeigt ein schematisches Timing eines Verfahrens zur Auswertung der Pixelstruktur 110 gemäß dem Stand der Technik, welches bei Bedarf mehrfach iterierbar ist, um die FIG. 7 shows a schematic timing of a method for evaluating the pixel structure 110 according to the prior art, which can be iterated multiple times if necessary in order to
Wiederholgenauigkeit zu verbessern. Dieses Zeitschema ist ähnlich dem oben unter Bezug auf Figur 4 beschriebenen Schema, bei dem jedoch die Teilpixel gemeinsam zur Erfassung ausgewertet werden, während hier ein einzelnes Photoaktivgebiet mit mehreren Speicherknoten betrieben wird. Improve repeatability. This time scheme is similar to the scheme described above with reference to FIG. 4, but in which the sub-pixels are jointly evaluated for detection, while here a single photoactive area is operated with several storage nodes.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Pixelstruktur (10; 30) zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt (12), mit 1. Pixel structure (10; 30) for optical distance measurement on an object (12) with
zumindest einem Pixel (14; 32), umfassend ein erstes at least one pixel (14; 32) comprising a first
Teilpixel (16a), ein zweites Teilpixel (16b) und ein drittes Teilpixel (16c) zur Erfassung des Objektbereichs; Sub-pixels (16a), a second sub-pixel (16b) and a third sub-pixel (16c) for detecting the object area;
wobei das erste Teilpixel (16a) einen ersten photoaktiven Bereich (18a), einen ersten Speicherknoten (26a, FD1) und ein erstes Auswerte-Gate (24a, TX1) umfasst, wobei das erste wherein the first sub-pixel (16a) comprises a first photoactive area (18a), a first storage node (26a, FD1) and a first evaluation gate (24a, TX1), the first
Auswerte-Gate (24a, TX1) benachbart zu dem ersten Evaluation gate (24a, TX1) adjacent to the first
Speicherknoten (26a, FD1) und dem ersten photoaktiven Bereich (18a) des ersten Teilpixels (16a) gebildet ist, und Storage nodes (26a, FD1) and the first photoactive region (18a) of the first sub-pixel (16a) is formed, and
ausgebildet ist, um einen Transport von in dem ersten is designed to transport from in the first
photoaktiven Bereich (18a) erzeugten Ladungsträgern aus dem ersten photoaktiven Bereich (18a) zu dem ersten Speicherknoten (26a, FD1) zu steuern; und control photoactive areas (18a) generated charge carriers from the first photoactive area (18a) to the first storage node (26a, FD1); and
wobei das zweite Teilpixel (16b) einen zweiten wherein the second sub-pixel (16b) a second
photoaktiven Bereich (18b), einen zweiten Speicherknoten (26b, FD2 ) und ein zweites Auswerte-Gate (24b, TX2) umfasst, wobei das zweite Auswerte-Gate (24b, TX2) benachbart zu dem zweiten Speicherknoten (26b, FD2 ) und dem zweiten photoaktiven Bereich (18b) des zweiten Teilpixels (16b) gebildet ist, und photoactive region (18b), a second storage node (26b, FD2) and a second evaluation gate (24b, TX2), the second evaluation gate (24b, TX2) adjacent to the second storage node (26b, FD2) and the second photoactive region (18b) of the second sub-pixel (16b) is formed, and
ausgebildet ist, um einen Transport von in dem zweiten is designed to transport from in the second
photoaktiven Bereich (18b) erzeugten Ladungsträgern aus dem zweiten photoaktiven Bereich (18b) zu dem zweiten photoactive region (18b) generated charge carriers from the second photoactive region (18b) to the second
Speicherknoten (26b, FD2 ) zu steuern. Control storage nodes (26b, FD2).
wobei das dritte Teilpixel (16c) einen dritten the third sub-pixel (16c) a third
photoaktiven Bereich (18c) und einen dritten Speicherknoten (26c, FD3) und ein drittes Auswerte-Gate (24c, TX3) umfasst, wobei das dritte Auswerte-Gate (24c, TX3) benachbart zu dem dritten Speicherknoten (26c, FD3) und dem dritten photoaktiven Bereich (18c) des dritten Teilpixels (16c) gebildet ist, und ausgebildet ist, um einen Transport von in dem dritten Photoactive region (18c) and a third storage node (26c, FD3) and a third evaluation gate (24c, TX3), the third evaluation gate (24c, TX3) adjacent to the third storage node (26c, FD3) and the third photoactive region (18c) of the third sub-pixel (16c) is formed, and is configured to transport in the third
photoaktiven Bereich (18c) erzeugte Ladungsträger aus dem dritten photoaktiven Bereich (18c) zu dem dritten photoactive region (18c) generates charge carriers from the third photoactive region (18c) to the third
Speicherknoten (26c, FD3) zu steuern, Control storage nodes (26c, FD3),
wobei eine mit dem jeweiligen Speicherknoten (26a-c, FD1- 3) verschaltete Verstärkerschaltung (M2-1, M2-1, M2-3) ausgebildet ist, um basierend auf einer Menge von in dem jeweiligen Speicherknoten (26a-c, FD1-3) gespeicherten wherein an amplifier circuit (M2-1, M2-1, M2-3) connected to the respective storage node (26a-c, FD1-3) is designed to operate based on an amount of data in the respective storage node (26a-c, FD1-3) 3) saved
Ladungsträgern ein resultierendes elektrisches Potential zu generieren, welches eine auslesbare Information bezüglich der Menge von in dem jeweiligen Speicherknoten (26a-c, FD1-3) gespeicherten Ladungsträgern darstellt, Generate a resulting electrical potential for charge carriers, which represents readable information relating to the amount of charge carriers stored in the respective storage node (26a-c, FD1-3),
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Verstärkerschaltungen von wenigstens zwei that the amplifier circuits of at least two
Speicherknoten ausgangsseitig Storage node on the output side
- dauerhaft oder - permanent or
- schaltbar zeitweise - switchable at times
kurzgeschlossen sind, so dass die die resultierenden elektrischen Potentiale von den wenigstens zwei Speicherknoten über einen einzigen Abgriff parallel auslesbar sind und damit die den wenigstens zwei Speicherknoten zugeordneten Teilpixel gemeinsam auslesbar sind. are short-circuited, so that the resulting electrical potentials can be read out in parallel by the at least two storage nodes via a single tap, and thus the sub-pixels assigned to the at least two storage nodes can be read out together.
2. Pixelstruktur gemäß Anspruch 1, bei der eine erste Hauptseitenoberfläche des ersten Teilpixels (16a), eine zweite Hauptseitenoberfläche des zweiten Teilpixels (16b) und eine dritte Hauptseitenoberfläche des dritten Teilpixels (16c) kongruent sind. 2. Pixel structure according to claim 1, wherein a first main side surface of the first sub-pixel (16a), a second main side surface of the second sub-pixel (16b) and a third main side surface of the third sub-pixel (16c) are congruent.
3. Pixelstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der zumindest eines der Teilpixel (16a-c; 16'a-b) ein Sammeltor (CX1-3) umfasst, das zwischen dem jeweiligen photoaktiven Bereich (18a-c) und dem jeweiligen Auswerte-Gate (26a-c) angeordnet ist, und ausgebildet ist, um einen 3. Pixel structure according to one of the preceding claims, in which at least one of the sub-pixels (16a-c; 16'ab) Collector gate (CX1-3), which is arranged between the respective photoactive region (18a-c) and the respective evaluation gate (26a-c), and is designed to form a
Transport von erzeugten Ladungsträgern aus dem jeweiligen photoaktiven Bereich (18a-c) zu dem jeweiligen Auswerte-Gate (24a-c, TX1-3) durch das Sammeltor (CX1-3) zu steuern. To control the transport of generated charge carriers from the respective photoactive area (18a-c) to the respective evaluation gate (24a-c, TX1-3) through the collecting gate (CX1-3).
4. Pixelstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der jedes der Teilpixel (16a-c; 16'a-b) ein Abführ-Gate (TX4-6) und ein Abführgebiet (DD1-3) umfasst, wobei das jeweilige Abführ-Gate (TX4-6) benachbart zu dem jeweiligen photoaktiven Bereich (18a-c) und benachbart zu dem jeweiligen Abführgebiet (DD1-3) gebildet ist, und ausgebildet ist, um einen Transport von in dem jeweiligen photoaktiven Bereich (18a-c) erzeugten Ladungsträgern zu dem jeweiligen 4. Pixel structure according to one of the preceding claims, in which each of the sub-pixels (16a-c; 16'ab) comprises a discharge gate (TX4-6) and a discharge region (DD1-3), the respective discharge gate (TX4 -6) is formed adjacent to the respective photoactive area (18a-c) and adjacent to the respective discharge area (DD1-3), and is designed to transport charge carriers generated in the respective photoactive area (18a-c) to the respective
Abführgebiet (DD1-3) zu steuern. Control the laxation area (DD1-3).
5. Pixelstruktur gemäß Anspruch 4, bei der das jeweilige Abführgebiet (DD1-3) mit einem jeweiligen Referenzpotential5. Pixel structure according to claim 4, wherein the respective discharge area (DD1-3) with a respective reference potential
(vddpix, vddpixl-3) verbindbar ist. (vddpix, vddpixl-3) can be connected.
6. Pixelstruktur gemäß Anspruch 5, bei der die jeweiligen Referenzpotentiale (vddpix, vddpixl-3) miteinander zu einem Potential (vddpix) verschaltet sind. 6. Pixel structure according to claim 5, in which the respective reference potentials (vddpix, vddpixl-3) are interconnected to form a potential (vddpix).
7. Pixelstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner Rücksetztransistoren (Ml-1, Ml-2, Ml-3) aufweist, die mit dem jeweiligen Speicherknoten (26a-c, FD1-3) 7. Pixel structure according to one of the preceding claims, further comprising reset transistors (Ml-1, Ml-2, Ml-3) connected to the respective storage node (26a-c, FD1-3)
verschaltet sind und ausgebildet sind, um ein are interconnected and are designed to be a
Rücksetzpotential (Rücksetzen FD1, Rücksetzen FD2, Rücksetzen FD3) an den jeweiligen Speicherknoten (26a-c, FD1-3) Reset potential (reset FD1, reset FD2, reset FD3) at the respective storage node (26a-c, FD1-3)
anzulegen, so dass in dem jeweiligen Speicherknoten create so that in the respective storage node
gespeicherte Ladungsträger abgeführt werden. stored charge carriers are removed.
8. Pixelstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die Verstärkerschaltungen (M2-1, M2-2, M2-3) jeweils einen Auswahlschalter aufweisen, um basierend auf einem 8. Pixel structure according to one of the preceding claims, the amplifier circuits (M2-1, M2-2, M2-3) each have a selection switch to switch based on a
Auswahlsignal (Zeilenauswahl) die jeweilige Messspannung an die kurzgeschlossenen Ausgänge anzulegen. Selection signal (line selection) to apply the respective measuring voltage to the short-circuited outputs.
9. Pixelstruktur gemäß einem der vorangegangenen 9. Pixel structure according to one of the preceding
Ansprüche, bei der der photoaktive Bereich eines Teilpixels als gepinnten Photodiode oder Photogatestruktur oder lateraler Driftfelddetektor ausgebildet ist. Claims, in which the photoactive region of a sub-pixel is designed as a pinned photodiode or photogate structure or lateral drift field detector.
10. Abstandserfassungssystem mit einer Pixelstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, und 10. Distance detection system with a pixel structure according to one of claims 1 to 9, and
einer Strahlungsquelle (56), die ausgebildet ist, um einen Strahlungspuls (22) in Richtung eines Objekts (12) zu a radiation source (56) which is designed to emit a radiation pulse (22) in the direction of an object (12)
emittieren; und emit; and
einer Steuerschaltung (54), die mit der Pixelstruktur (10; 30) und der Strahlungsquelle (56) gekoppelt ist und die ausgebildet ist, um mittels Laufzeitauswertung eine a control circuit (54) which is coupled to the pixel structure (10; 30) and the radiation source (56) and which is designed to use a runtime evaluation
Distanzinformation bezüglich des Objekts (12) zu bestimmen. Determine distance information with respect to the object (12).
11. Abstandserfassungssystem gemäß Anspruch 10, bei dem die Steuerschaltung (54) ausgebildet ist, um eine 11. Distance detection system according to claim 10, wherein the control circuit (54) is designed to a
Reflektanzinformation bezüglich des Objekts (12) zu bestimmen. To determine reflectance information relating to the object (12).
12. Abstandserfassungssystem gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem die Strahlungsquelle (56) benachbart zu der 12. Distance detection system according to claim 10 or 11, wherein the radiation source (56) adjacent to the
Pixelstruktur (10; 30) angeordnet ist, so dass eine Laufzeit des Strahlungspulses (22) von der Strahlungsquelle (56) zu dem Objekt (12) im Wesentlichen gleich ist, wie eine Laufzeit des reflektierten Strahlungspuls (22r) von dem Objekt (12) zu der Pixelstruktur (10; 30) . Pixel structure (10; 30) is arranged so that a transit time of the radiation pulse (22) from the radiation source (56) to the object (12) is essentially the same as a transit time of the reflected radiation pulse (22r) from the object (12) to the pixel structure (10; 30).
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