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Die Erfindung betrifft einen optischen Bildaufnehmer zur Aufnahme zweidimensionaler Bilder im nahen Infrarotbereich.
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Aus der Praxis sind InGaAs-Wärmebildkameras bekannt, welche für Wellenlängen von etwa 1 bis 2 µm geeignet sind. Derartige Wärmebildkameras weisen als Bildaufnehmer ein Avalanche-Photodioden-Array aus InGaAs auf. Dabei werden die Avalanche-Photodioden mit Sperrspannungen, knapp unterhalb der Durchbruchspannung, von einigen 100 V betrieben Die mögliche Anzahl der Avalanche-Photodioden auf einem derartigen Array ist allerdings begrenzt, so dass sich eine geringe Auflösung ergibt. Zudem ist die Empfindlichkeit häufig nicht ausreichend, da ein einfallendes Photon lediglich eine Elektronenlawine von etwa 20 bis höchstens 500 Elektronen auslöst. Damit sind derartige Wärmebildkameras für viele Anwendungsbereiche nicht empfindlich genug. Die Bildaufnehmer derartiger Wärmebildkameras müssen im Betrieb zudem aufwändig gekühlt oder wenigstens temperiert werden, so dass sich ein hoher Energiebedarf ergibt. In der Herstellung sind solche Wärmebildkameras zudem vergleichsweise teuer.
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Aus den Referenzen [1] und [2] sind optische Bildaufnehmer bekannt, bei denen einfallende Photonen direkt mittels einer Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung detektiert werden, um so ein elektrisches Bildsignal zu gewinnen. Derartige Bildaufnehmer arbeiten in bei Wellenlängen unterhalb von etwa 1,0 µm zufriedenstellend. Für größere Wellenlängen sind sie jedoch nicht geeignet.
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Referenz [3] beschreibt einen optischen Bildaufnehmer, bei dem ein einfallendes Photon mittels einer Photokathode in ein Elektron gewandelt wird.
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Das Elektron wird dann in einem Elektronenvervielfacher vervielfacht und in einem CCD-Array ortsaufgelöst gemessen. Der Elektronenvervielfacher ist jedoch mechanisch aufwändig und voluminös.
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Aus der Referenz [4] ist ein weiterer optischer Bildaufnehmer bekannt, bei dem der Elektronenvervielfacher durch eine Hochspannungsbeschleunigerstrecke ersetzt ist. Die Hochspannungsbeschleunigerstrecke wird dabei mit einer Spannung von mehreren Kilovolt beaufschlagt, so dass der optische Bildaufnehmer voluminös ist und eine hohe Leistungsaufnahme aufweist. Aufgrund der hohen Kosten sind derartige Bildaufnehmer lediglich für Forschungszwecke im Einsatz.
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Die Referenz [11] offenbart einen Bildaufnehmer mit einer Photokathode und einer Avalanche-Photodioden-Einrichtung.
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Aus der Referenz [12] ist ein weiterer Bildaufnehmer mit einer Photokathode und einer Avalanche-Photodioden-Einrichtung bekannt.
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Darüber hinaus zeigt die Referenz [13] einem weiteren Bildaufnehmer mit einer Photokathode und einer Avalanche-Photodioden-Einrichtung.
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Aus der Referenz [14] sind diverse Nachtsichtgeräte bekannt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten optischen Bildaufnehmer für den nahen Infrarotbereich zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen optischen Bildaufnehmer zur Aufnahme zweidimensionaler Bilder im nahen Infrarotbereich, welche folgende Merkmale aufweist:
- eine Photokathode mit einer Eintrittsfläche für ein Photon, mit einer parallel zu der Eintrittsfläche angeordneten Austrittsfläche für ein Elektron und mit einer zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche angeordneten Schichtanordnung, welche so ausgebildet ist, dass das durch die Eintrittsfläche eintretende Photon ein Austreten des Elektrons aus der Austrittsfläche bewirkt, wobei eine Austrittsposition des Elektrons an der Austrittsfläche mit einer Eintrittsposition des Photons an der Eintrittsfläche korrespondiert; und
- eine Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung, welche ein Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array mit einer Vielzahl von zweidimensional angeordneten Einzelphoton-Avalanche-Photodioden umfasst, wobei die Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung so in Bezug auf die Photokathode angeordnet ist, dass das Elektron nach dem Austreten aus der Austrittsfläche der Photokathode auf das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array trifft, wobei eine Auftreffposition des Elektrons an dem Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array mittels der Vielzahl von zweidimensional angeordneten Einzelphoton-Avalanche-Photodioden detektierbar ist, um so ein Bildsignal zu erzeugen.
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Eine Photokathode ist allgemein eine elektronische Einrichtung auf Halbleiterbasis, bei welcher ein an einer Eintrittsfläche der Photokathode eintretendes Photon dazu führt, dass ein Elektron an einer Austrittsfläche der Photokathode austritt. Die Photokathode ist bei dem erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmer dazu vorgesehen, ein einfallendes Photon so in ein Elektron zu wandeln, dass die Austrittsposition des Elektrons an der Austrittsfläche von der Eintrittsposition des Photons an der Eintrittsfläche abhängt, so dass die dem Photon zukommende Bildinformation auch durch das Elektron repräsentiert wird. Es handelt sich also um eine zweidimensionale Photokathode. Sowohl die Eintrittsfläche als auf die Austrittsfläche können jeweils aus genau einer durchgehenden Fläche oder aus mehreren beanstandeten Teilflächen bestehen.
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Ein Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array ist allgemein eine elektronische Einrichtung auf Halbleiterbasis, bei welcher eine Vielzahl von Einzelphoton-Avalanche-Photodioden zweidimensional auf einer Fläche angeordnet ist. Eine Einzelphoton- Avalanche-Photodiode ist dabei eine in Sperrrichtung betriebene Halbleiterdiode, die den Effekt des Lawinendurchbruchs (Avalanche-Durchbruch) zur Detektion von Photonen nutzt. Das Arbeitsprinzip besteht dabei darin, dass die Einzelphoton- Avalanche-Photodiode in Sperrrichtung so mit einer vor Spannung beaufschlagt wird, dass ein hinreichend energiereiches Photon beim Auftreten auf die Einzelphoton- Avalanche-Photodiode zu einem Lawinendurchbruch führt, welcher dann elektronisch detektiert und gelöscht wird. Der Unterschied zu einer herkömmlichen Avalanche-Photodiode besteht dabei darin, dass eine herkömmliche Avalanche-Photodiode mit einer Vorspannung beaufschlagt wird, welche knapp unterhalb der Durchbruchspannung liegt, während eine Einzelphoton-Avalanche-Photodiode mit einer Vorspannung beaufschlagt wird, welche knapp oberhalb der Durchbruchspannung liegt. Die Durchbruchspannung ist dabei diejenige Spannung, bei der ein freier Ladungsträger einen Lawinendurchbruch auslöst. Einzelphoton-Avalanche-Photodioden weisen dabei hochreine Halbleitermaterialien auf, so dass keine freie Ladungsträger vorhanden sind, so dass auch knapp oberhalb der Durchbruchspannung kein Lawinendurchbruch eintritt, sofern kein äußeres anregendes Ereignis eintritt. Während bei einer herkömmlichen Avalanche-Photodiode bei einem Lawinendurchbruch ca. 20-500 Elektronen freigesetzt werden, können bei einer Einzelphoton-Avalanche-Diode ohne weiteres 1 Million oder mehr Elektronen freigesetzt werden. Typischerweise handelt es sich bei dem äußeren anregenden Ereignis um ein auftreffendes Photon. Aus der Referenz [5] ist jedoch bekannt, dass das äußere anregendes Ereignis auch ein auftreffendes Elektron sein kann. Einzelphoton-Avalanche-Dioden sind auch unter dem englischen Begriff „Single-Photon Avalanche Diode“ bzw. unter der davon abgeleiteten Abkürzung „SPAD“ bekannt.
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Die Erfindung hat nun erkannt, dass die aus der Photokathode austretenden Elektronen hinreichend energiereich sind, um in einer Einzelphoton-Avalanche-Diode einen Lawinendurchbruch auszulösen. Mittels des zweidimensionalen Einzelphoton-Avalanche-Arrays können die Elektronen folglich Orts aufgelöst detektiert werden, so dass ein Bildsignal erzeugt werden kann, welches die Bildinformation der auftreffenden Photonen enthält.
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Die spektrale Empfindlichkeit des optischen Bildaufnehmers hängt dabei im Wesentlichen von der spektralen Empfindlichkeit der Photokathode ab. Dabei stehen Photokathoden zur Verfügung, welche den gesamten nahen Infrarotbereich abdecken, der den Wellenlängenbereich von 0,78 µm bis 3 µm umfasst.
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Damit weist der erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmer den Vorteil auf, dass die Beschränkung des Wellenlängenbereichs der aus den Referenzen [1] und [2] bekannten optischen Bildaufnehmer entfällt.
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Der erfindungsgemäße optische Bildaufnehmer ist im Vergleich zu den InGaAs-Wärmebildkameras empfindlicher, energiesparender und günstiger herstellbar.
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Da weder ein Elektronenvervielfacher noch eine Hochspannungsbeschleunigerstrecke erforderlich ist, kann der erfindungsgemäße optische Bildaufnehmer wesentlich kompakter hergestellt werden, als die aus den Referenzen [4] und [5] bekannten Bildaufnehmer. Zudem ist der erfindungsgemäße optische Bildaufnehmer im Vergleich zu diesen bekannten Bildaufnehmer empfindlicher, energieeffizienter und preiswerter herstellbar.
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Die Photokathode kann insbesondere eine in Referenz [6] oder [7] beschriebene Halbleiter-Photokathode sein. Das Einzelphoton-Avalanche-Dioden-Array kann entsprechend der Referenzen [1] oder [2] ausgebildet sein.
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Der optische Bildaufnehmer kann insbesondere Chip-Scale-Gehäuse aufweisen. Ein Chip-Scale-Gehäuse ist ein Chipgehäuse von integrierten Schaltungen, bei dem das Gehäuse maximal 20 % mehr Fläche als die ungehäuste integrierte Schaltung ausmacht.
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Der erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmer kann allgemein in der optischen Messtechnik, insbesondere in der zweidimensionalen optischen Messtechnik eingesetzt werden.
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Der erfindungsgemäße optische Bildaufnehmer kann insbesondere in einem System zur Erfassung einer Umgebung eines Straßenfahrzeugs oder eines Roboters eingesetzt werden. Dabei kann er insbesondere in Systemen eingesetzt werden, bei denen die Umgebung aktiv mit Infrarotlicht beleuchtet wird und der optische Bildaufnehmer einen reflektierten Teil des Infrarotlichts aufnimmt. Die Beleuchtung der Umgebung kann dabei insbesondere mit einem Infrarotlaser erfolgen. Das Infrarotlicht kann aufgrund der spektralen Empfindlichkeit des optischen Bildaufnehmers eine Wellenlänge von mindestens 1,4 µm aufweisen, so dass die Augensicherheit für Personen auch bei höheren Infrarotlichtleistungen gewährleistet ist. Damit kann die Erfassungsreichweite gegenüber bisherigen Systemen erhöht werden. Somit ist der erfindungsgemäße optische Bildaufnehmer insbesondere für Laser-Ranging-Systeme, auch LIDAR-Systeme genannt, geeignet, welche beispielsweise bei Straßenfahrzeugen im Rahmen von Fahrassistenzsystemen oder autonomen Steuerungssystemen eingesetzt werden können, da die Augensicherheit der Verkehrsteilnehmer gewährleistet ist. Ebenso ist der erfindungsgemäße optische Bildaufnehmer für Laser-Ranging-Systeme geeignet, welche bei Robotern eingesetzt werden. Hierbei ist die mögliche Erhöhung der Infrarotlichtleistung gerade in rauen Industrieumgebungen von Vorteil. Insbesondere ist der erfindungsgemäße optische Bildaufnehmer für solche Laser-Ranging-Systeme geeignet, welche für kooperative Robotern, welche sich außerhalb eines abgeschlossenen Bereichs einen Arbeitsraum mit Personen teilen, da so die Augensicherheit der im Arbeitsraum befindlichen Personen gewährleistet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array parallel zu der Schichtanordnung der Photokathode angeordnet. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher und kompakter Aufbau des optischen Bildaufnehmers.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Schichtanordnung der Photokathode eine Absorptionsschicht zum Absorbieren des Photons, um durch das Absorbieren des Photons das Elektron aus einem Valenzband in ein Leitungsband anzuheben. Hierdurch kann auf einfache Weise ein in der Absorptionsschicht bewegliches Elektron erzeugt werden, welches dann nach seinem Austreten aus der Photokathode detektierbar ist. Der Dunkelstrom der Photokathode, d.h., der Strom, der ohne auf treffende Fotonen fließt, kann minimiert werden, wenn die Absorptionsschicht p-leitendes Material umfasst.
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Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist die Schichtanordnung der Photokathode eine Metallschicht auf, welche auf einer Seite der Absorptionsschicht angeordnet ist, welche zu der Austrittsfläche weist, wobei die Absorptionsschicht mit einem ersten elektrischen Kontakt leitend verbunden ist, wobei die Metallschicht mit einem zweiten elektrischen Kontakt leitend verbunden ist, und wobei eine erste Spannungsversorgung zum Erzeugen einer Kathodenvorspannung zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt vorgesehen ist, um so das Elektron aus dem Leitungsband in ein höheres Leitungsband anzuheben.
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Die Metallschicht kann sehr dünn, beispielsweise 10nm, ausgebildet sein, um so sicherzustellen, dass sie elektronentransparent ist.
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Die Photokathode kann dabei den so genannten „transferred electron effect“ nutzen, bei dem die Elektronen in einem Halbleiter, also der Absorptionsschicht, mit direkter Bandlücke, zum Beispiel InGaAsP, erzeugt werden, mit einem durch die Kathodenvorspannung erzeugten internen elektrischen Feld in ein höher gelegenes Leitungsband transferiert werden, um so aus der Photokathode austreten zu können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Schichtanordnung der Photokathode eine Emissionsschicht auf, welche zwischen der Absorptionsschicht und der Metallschicht angeordnet ist, sodass an einer Grenzfläche zwischen der Emissionsschicht und der Absorptionsschicht ein Heteroübergang gebildet ist. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Isolation zwischen der Absorptionsschicht und der Metallschicht erzeugt werden, welche ein Kurzschließen der Kathodenvorspannung verhindert.
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Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist die Schichtanordnung der Photokathode eine Aktivierungsschicht auf, welche auf einer Seite der Metallschicht angeordnet ist, welche zu der Austrittsfläche weist, wobei die Aktivierungsschicht die Ablösearbeit des Elektrons vermindert. Die Aktivierungsschicht kann beispielsweise CsO umfassen.
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Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung eine elektronische Schaltung zum individuellen Vorspannen, Auslesen und Löschen der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden. Die elektronische Schaltung kann insbesondere als CMOS-Schaltung ausgeführt sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die elektronische Schaltung zum derartigen Vorspannen der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden ausgebildet, dass eine Vorspannung der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden höher als eine Durchbruchspannung der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden ist.
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Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array auf einer ersten Seite eines ersten Substrates angeordnet, wobei die erste Seite des ersten Substrates der Photokathode zugewandt ist und wobei zumindest Teile der elektronische Schaltung und das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array in einer gemeinsamen Schicht am ersten Substrat ausgebildet sind.
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Ein derartiges Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array, welches so an einem Substrat angeordnet ist, dass es den einfallenden Anregern (hier den aus der Photokathode austretenden Elektronen) zugewandt ist, wird auch als Vorderseiten-Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array oder als Front-Side-SPAD bezeichnet. Eine derartige Anordnung kann hergestellt werden, indem auf dem ersten Substrat wenigstens Teile der elektronischen Schaltung und die Einzelphoton-Avalanche-Photodioden in einer gemeinsamen Schicht parallel erzeugt werden, wobei gleichzeitig mit der Erzeugung der elektronischen Schicht und der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden elektrisch leitende Verbindungen zwischen der elektronischen Schaltung und den Einzelphoton-Avalanche-Photodioden erzeugt werden. In diesem Fall entfällt ein Herstellungsschritt zur nachträglichen Herstellung von elektrisch leitenden Verbindungen zwischen der elektronischen Schaltung und den Einzelphoton-Avalanche-Photodioden. Eine derartige Anordnung führt zudem zu einem besonders kompakten optischen Bildaufnehmer.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array auf einer ersten Seite eines ersten Substrates angeordnet, wobei die erste Seite des ersten Substrates der Photokathode abgewandt ist, wobei die elektronische Schaltung an einem zweiten Substrat ausgebildet ist und wobei die elektronische Schaltung derart mit der ersten Seite des ersten Substrats verbunden ist, dass die elektronische Schaltung und das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array miteinander elektrisch verbunden sind.
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Ein derartiges Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array, welches so an einem Substrat angeordnet ist, dass es den einfallenden Anregern (hier den aus der Photokathode austretenden Elektronen) abgewandt ist, wird auch als Rückseiten-Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array oder als Back-Side-SPAD bezeichnet. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus Referenz [10] bekannt. Eine derartige Anordnung kann hergestellt werden, indem zunächst das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array an dem ersten Substrat und die elektronische Schaltung an dem zweiten Substrat ausgebildet werden und dann miteinander verbunden werden. Die Verbindung kann dabei durch Bonden, beispielsweise durch Wafer-zu-Wafer-Bonden oder durch Wafer-zu-Chip-Bonden, erfolgen, was sowohl die mechanische Verbindung als auch die elektrischen Verbindungen herstellt. Das Rückseiten-Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array kann wie in Referenz [9] beschrieben ausgeführt sein. Die Verwendung eines Rückseiten-Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Arrays führt zu einem erheblich größeren Füllfaktor, der das Verhältnis zwischen aktiver Sensorfläche und der Gesamtfläche angibt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array auf einer ersten Seite eines ersten Substrates angeordnet, wobei die erste Seite des Substrates der Photokathode abgewandt ist, wobei die elektronische Schaltung an einem zweiten Substrat ausgebildet ist, wobei die elektronische Schaltung derart mit der ersten Seite des ersten Substrats verbunden ist, dass die elektronische Schaltung und das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array miteinander elektrisch verbunden sind, und wobei eine zweiten Seite des ersten Substrats, welche der ersten Seite des ersten Substrats gegenüberliegt, flächig mit der Photokathode verbunden ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird also ebenfalls ein Rückseiten-Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array verwendet, wobei allerdings das Rückseiten-Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array und die Photokathode unmittelbar durch Bonden, beispielsweise durch Wafer-zu-Wafer-Bonden oder durch Wafer-zu-Chip-Bonden, mechanisch verbunden werden, so dass separate Befestigungsmittel, wie z. B. Lötrahmen, entfallen können. Eine derartige Anordnung kann hergestellt werden, indem zunächst das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array an dem ersten Substrat und die elektronische Schaltung an dem zweiten Substrat ausgebildet werden und dann miteinander verbunden werden. Die Verbindung kann dabei durch Bonden, beispielsweise durch Wafer-zu-Wafer-Bonden oder durch Wafer-zu-Chip-Bonden, erfolgen, was sowohl die mechanische Verbindung als auch die elektrischen Verbindungen herstellt. Dann können die Rückseiten-Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung und die Photokathode unmittelbar durch Bonden mechanisch verbunden werden. Auch hier kann das Rückseiten-Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array wie in Referenz [9] beschrieben ausgeführt sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung mittels eines umlaufenden Rahmens beabstandet von der Photokathode angeordnet, wobei in einem von der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung, dem umlaufendem Rahmen und der Photokathode eingeschlossenen Raum ein Vakuum gebildet ist. Der umlaufende Rahmen kann beispielsweise mittels einer ersten Lötverbindung mit der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung und mittels einer zweiten Lötverbindung mit der Photokathode verbunden sein. Ein aufwändiges Bondverfahren zur Verbindung des Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Arrays mit der Photokathode ist in diesem Fall nicht erforderlich. Insbesondere kann der umlaufende Rahmen wie in Referenz [8] beschrieben ausgeführt sein. Die Langzeitstabilität des Vakuums kann durch die Verwendung von Fangstoffen, auch Getter genannt, erhöht werden, welche im Inneren der evakuierten Anordnung angeordnet sind.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine zweite Spannungsversorgung zum Erzeugen einer Beschleunigungsspannung zwischen dem zweiten Kontakt und einem dritten Kontakt vorgesehen, wobei eine Elektrodenschicht, welche mit dem dritten elektrischen Kontakt leitend verbunden ist, so angeordnet ist, dass das Elektron in einem Bereich zwischen der Metallschicht der Photokathode und der Elektrodenschicht in einer Richtung hin zum Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array beschleunigt ist, wenn zwischen dem zweiten elektrischen Kontakt und dem dritten elektrischen Kontakt die Beschleunigungsspannung anliegt. Auf diese Weise kann das Elektron so beschleunigt werden, dass es eine definierte Richtung erhält, bevor es auf das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array trifft. Hierdurch kann einerseits sichergestellt werden, dass die korrekte Eintrittsposition des Foton des detektiert wird, und andererseits, kann die Energie des Elektrons so erhöht werden, dass mit hoher Wahrscheinlichkeit einen Lawinendurchbruch auslösen kann.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung die Elektrodenschicht parallel zu der Schichtanordnung der Photokathode angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich ein einfacher mechanischer Aufbau des Bildaufnehmers.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Spannungsversorgung so ausgebildet ist, dass die Beschleunigungsspannung kleiner als 100 V. Die Erfindung hat erkannt, dass eine Beschleunigungsspannung von weniger als 100 V ausreichend ist, um die Richtung des Elektrons zu definieren, und um das Elektron ausreichend mit Energie zu beaufschlagen. In vielen Fällen kann die Beschleunigungsspannung auch deutlich kleiner sein, zum Beispiel kleiner als 60 V oder kleiner als 30 V. Diese Werte sind kompatibel mit gängigen CMOS-Strukturen, ermöglichen kompakte Abmessungen und führen zu einem geringen Energieverbrauch.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der optische Bildaufnehmer zur Aufnahme zweidimensionaler Bilder in einem Wellenlängenbereich mit Wellenlängen von mindestens 1,4 µm ausgebildet. In diesem Fall kann der erfindungsgemäßen Bildaufnehmer im Zusammenwirken mit einem augensicheren Laser betrieben werden, der ebenfalls in einem Wellenlängenbereich mit Wellenlängen von mindestens 1,4 µm arbeitet.
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In einem weiteren Aspekt betrifft Erfindung ein optisches System zur Erfassung einer Umgebung. Das optische System umfasst:
- eine Infrarotlichtquelle zur Beleuchtung der Umgebung mit Infrarotlicht in einem Wellenlängenbereich mit Wellenlängen von mindestens 1,4 µm; und
- einen erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmer, wobei der optische Bildaufnehmer zur Aufnahme zweidimensionaler Bilder der Umgebung in dem Wellenlängenbereich mit Wellenlängen von mindestens 1,4 µm ausgebildet ist.
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Es ergeben sich die weiter oben beschriebenen Vorteile.
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Im Folgenden werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile anhand von Figuren näher beschrieben.
- 1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten optischen Bildaufnehmer;
- 2 zeigt einen weiteren aus dem Stand der Technik bekannten optischen Bildaufnehmer;
- 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers in einer schematischen Darstellung;
- 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Photokathode eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht;
- 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers in einer schematischen Seitenansicht;
- 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht;
- 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers mit einer Photokathode gemäß der 4 und mit einer Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung gemäß der 6 in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht;
- 8 zeigt das Ausführungsbeispiel der 7 in einer schematischen und geschnittenen Aufsicht; und
- 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht;
- 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Systems in einer schematischen Darstellung.
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Gleiche oder gleichartige Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktion sind im Folgenden mit gleichen oder gleichartigen Bezugszeichen versehen.
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In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele mit einer Vielzahl von Merkmalen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu vermitteln. Es ist jedoch festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung auch unter Auslassung einzelner der beschriebenen Merkmale umgesetzt werden kann. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die in verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigten Merkmale auch in anderer Weise kombinierbar sind, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist oder zu Widersprüchen führen würde.
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1 zeigt einen aus Referenz [3] bekannten optischen Bildaufnehmer 1. Der optische Bildaufnehmer 1 umfasst eine Photokathode 2, welche ein einfallendes Photon PH in ein Elektron EL wandelt. Der Elektronenvervielfacher 3 gibt bei einem einfallenden Elektron EL eine Vielzahl von Elektron EL aus, welche dann mit einem CCD-Bilddetektor detektiert werden. Der CCD-Bilddetektor gibt an ein Bildsignal BS aus. Nachteilig ist hierbei insbesondere, dass der Elektronenvervielfacher 3 mechanisch aufwändig und voluminös ist.
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2 zeigt einen aus Referenz [4] bekannten optischen Bildaufnehmer 1. Der Bildaufnehmer 1 der 2 umfasst wie der Bildaufnehmer 1 der 1 eine Photokathode 2 und ein CCD-Bilddetektor 4. Der Elektronenvervielfacher 3 ist jedoch durch eine Hochspannung Beschleunigerstrecke 5 ersetzt. Die dort verwendete hohe Spannung von mehreren Kilovolt ist nicht kompatibel mit dem Ziel eines kompakten Bildaufriehmers mit geringer Leistungsaufnahme.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers 1 in einer schematischen Darstellung. Der optische Bildaufnehmer zur Aufnahme zweidimensionaler Bilder im nahen Infrarotbereich umfasst eine Photokathode 2 mit einer Eintrittsfläche 6 für ein Photon PH, mit einer parallel zu der Eintrittsfläche 6 angeordneten Austrittsfläche 7 für ein Elektron EL und mit einer zwischen der Eintrittsfläche 6 und der Austrittsfläche 7 angeordneten Schichtanordnung 8, welche so ausgebildet ist, dass das durch die Eintrittsfläche 6 eintretende Photon PH ein Austreten des Elektrons EL aus der Austrittsfläche 7 bewirkt, wobei eine Austrittsposition AP des Elektrons EL an der Austrittsfläche 7 mit einer Eintrittsposition EP des Photons PH an der Eintrittsfläche 6 korrespondiert; und eine Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung 9, welche ein Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array 10 mit einer Vielzahl von zweidimensional angeordneten Einzelphoton-Avalanche-Photodioden 11 umfasst, wobei die Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung 9 so in Bezug auf die Photokathode 2 angeordnet ist, dass das Elektron EL nach dem Austreten aus der Austrittsfläche 7 der Photokathode 2 auf das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array 10 trifft, wobei eine Auftreffposition AFP des Elektrons EL an dem Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array 10 mittels der Vielzahl von zweidimensional angeordneten Einzelphoton-Avalanche-Photodioden 11 detektierbar ist, um so ein Bildsignal BS zu erzeugen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array 10 parallel zu der Schichtanordnung 8 der Photokathode 2 angeordnet.
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Die Photokathode 2 erzeugt im Falle eines auftreffenden Photons PH ein Elektron EL. Im Ausführungsbeispiel der 3 weist die Schichtanordnung 8 beispielhaft drei Schichten auf. Die Austrittsrichtung des Elektrons EL ist dabei senkrecht zu den Schichten der Schichtanordnung 8. Das Elektron EL löst dann an einer der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden 11 einen Lawinendurchbruch aus, der detektiert werden kann. Aus den detektierten Lawinendurchbrüchen kann dann ein Bildsignal BS erzeugt werden. Die Einzelphoton-Avalanche-Photodioden 11 werden im so genannten Geiger-Modus betrieben, bei dem sie knapp oberhalb der durch Hochspannung vor gespannt sind, jedoch erst durchsprechen, wenn das Elektron EL in die jeweilige Einzelphoton-Avalanche-Photodiode 11 eintritt. Die Ladungsmultiplikation in den Einzelphoton-Avalanche-Photodioden 11 kann einen Faktor von 1 Million oder höher aufweisen.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Photokathode 2 eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers 1 in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Schichtanordnung 8 der Photokathode 2 eine Absorptionsschicht 12 zum Absorbieren des Photons PH, um durch das Absorbieren des Photons PH das Elektron EL aus einem Valenzband in ein Leitungsband anzuheben.
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Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist die Schichtanordnung 8 der Photokathode 2 eine Metallschicht 13 auf, welche auf einer Seite der Absorptionsschicht 12 angeordnet ist, welche zu der Austrittsfläche 7 weist, wobei die Absorptionsschicht 12 mit einem ersten elektrischen Kontakt 14 leitend verbunden ist, wobei die Metallisierungsschicht 13 mit einem zweiten elektrischen Kontakt 15 leitend verbunden ist, und wobei eine erste Spannungsversorgung 16 zum Erzeugen einer Kathodenvorspannung KS zwischen dem ersten Kontakt 14 und dem zweiten Kontakt 15 vorgesehen ist, um so das Elektron EL aus dem Leitungsband in ein höheres Leitungsband anzuheben.
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Die gezeigte seitliche Anordnung des ersten Kontakts 14 an der Absorptionsschicht 12 ist lediglich als Beispiel zu verstehen. Der erste Kontakt 14 kann bevorzugt an der unteren Seite der Absorptionsschicht 12 vorgesehen sein, da er dann großflächiger ausgeführt werden kann.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Schichtanordnung 8 der Photokathode 2 eine Emissionsschicht 17 auf, welche zwischen der Absorptionsschicht 12 und der Metallschicht 13 angeordnet ist, sodass an einer Grenzfläche zwischen der Emissionsschicht 17 und der Absorptionsschicht 12 ein Heteroübergang gebildet ist.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Schichtanordnung 8 der Photokathode 2 eine Aktivierungsschicht 18 auf, welche auf einer Seite der Metallschicht 13 angeordnet ist, welche zu der Austrittsfläche 7 weist, wobei die Aktivierungsschicht 18 die Ablösearbeit des Elektrons EL vermindert.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist der optische Bildaufnehmer 1 zur Aufnahme zweidimensionaler Bilder in einem Wellenlängenbereich mit Wellenlängen von mindestens 1,4 µm ausgebildet.
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Im Ausführungsbeispiel der 4 weist die Photokathode 2 sind an der Metallschicht 13 Metallrippen 19 angeordnet, welche den Widerstand der sehr dünnen Metallschicht 13 senken. Die Metallrippen 19 können parallel zueinander oder sich kreuzend angeordnet sein. Die Substratschicht 20 wird bei der Herstellung der Photokathode 2 benötigt. Sie könnte bei der fertig gestellten Photokathode 2 auch entfernt sein. Auf der Metallschicht 13 befindet sich eine Aktivierungsschicht 18, die für eine geringe Austrittsarbeit der Elektronen zum Vakuum sorgt. Die Absorptionsschicht 12 ist mit einem ersten Kontakt 14 elektrisch leitend verbunden. Weiterhin ist die Metallschicht 13 mit einem zweiten Kontakt 15 verbunden. Dabei ist an den ersten Kontakt 14 und den zweiten Kontakt 15 die 1. Spannungsversorgung 16 angeschlossen, um so die zum Betrieb der Photokathode 2 vorgesehene Kathodenvorspannung KS anzulegen.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers 1 in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung 9 mittels eines umlaufenden Rahmens 21 beabstandet von der Photokathode 2 angeordnet, wobei in einem von der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung 9, dem umlaufenden Rahmen 21 und der Photokathode 2 eingeschlossenen Raum 22 ein Vakuum gebildet ist.
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Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung 9 eine elektronische Schaltung 23 zum individuellen Vorspannen, Auslesen und Löschen der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden 11.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die elektronische Schaltung 23 zum derartigen Vorspannen der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden 11 ausgebildet, dass eine Vorspannung der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden 11 höher als eine Durchbruchspannung der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden 11 ist.
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Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array 10 auf einer ersten Seite eines ersten Substrates 24 angeordnet, wobei die erste Seite des ersten Substrates 24 der Photokathode 2 zugewandt ist und wobei zumindest Teile der elektronischen Schaltung 23 und das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array 10 in einer gemeinsamen Schicht des ersten Substrats 24ausgebildet sind.
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Das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array 10 und die elektronische Schaltung 23 können gleichzeitig von der ersten Seite des ersten Substrats 24 her mit einem CMOS-Prozess (beispielsweise durch Dotieren, Schichtabscheiden und Schichtstrukturieren) hergestellt werden. Damit ergibt sich der Vorteil dass der Herstellungsaufwand gering ist, Nachteilig ist jedoch, dass die elektronische Schaltung 23 einen Teil der Fläche beansprucht, so dass sich ein kleiner Füllfaktor ergibt. Der Füllfaktor ist dabei der Quotient aus der optisch aktiven Fläche und der Gesamtfläche.
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Zur Verbesserung der Langzeitstabilität des Vakuums ist in dem eingeschlossenen Raum 22 ein Fangstoff 25 angeordnet.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung 9 eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers 1 in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array 10 auf einer ersten Seite eines ersten Substrates 24 angeordnet, wobei die erste Seite des ersten Substrates 24 der Photokathode 2 abgewandt ist, wobei die elektronische Schaltung 23 an einem zweiten Substrat 26 ausgebildet ist und wobei die elektronische Schaltung 23 derart mit der ersten Seite des ersten Substrats 24 verbunden ist, dass die elektronische Schaltung 23 und das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array 10 elektrisch miteinander verbunden sind.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine zweite Spannungsversorgung 27 zum Erzeugen einer Beschleunigungsspannung BSP zwischen dem zweiten Kontakt 15 und einem dritten Kontakt 28 vorgesehen, wobei eine Elektrodenschicht 29, welche mit dem dritten elektrischen Kontakt 28 leitend verbunden ist, so angeordnet ist, dass das Elektron EL in einem Bereich zwischen der Metallschicht 13 der Photokathode 2 und der Elektrodenschicht 29 in einer Richtung hin zum Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array beschleunigt ist 10, wenn zwischen dem zweiten elektrischen Kontakt 15 und dem dritten elektrischen Kontakt 28 die Beschleunigungsspannung BSP anliegt.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Spannungsversorgung 27 so ausgebildet ist, dass die Beschleunigungsspannung BSP kleiner als 100 V.
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Bei der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung 9 der 6 ist ein erstes Substrat 24 vorgesehen, an dem die Einzelphoton-Avalanche-Photodioden 11 so angeordnet sind, dass sie auf dem der Photokathode 2 abgewandten Seite des ersten Substrats 24 angeordnet sind. Weiterhin ist ein zweites Substrat 26 vorgesehen, an welchem eine elektronische Schaltung 23 angeordnet ist. Dabei sind das erste Substrat 24 und die elektronische Schaltung 23, beispielsweise durch Bonden, miteinander verbunden. Auf eine Gesamtheit aus erstem Substrat 24 und zweitem Substrat 26 kann dann die Photokathode 2 aufgebracht werden. Die schematisch dargestellte elektronische Schaltung 23 weist NMOS-Transistoren 30 mit zugehöriger Wanne und PMOS-Transistoren 31 mit zugehöriger Wanne auf, von denen jeweils einer dargestellt ist. Die Transistoren 30, 31 sind über eine Mehrlagen-Metallisierungsschicht 32 mit dem Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array 10 so verbunden, dass jede der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden 11 vor gespannt, ausgelesen und gelöscht werden kann.
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Die Einzelphoton-Avalanche-Photodioden 11 sind jeweils durch Isoliergräben 34 voneinander getrennt. Zur Bildung der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden 11 ist das erste Substrat 24, welches beispielsweise Silizium umfasst, p-dotiert, wobei Abschnitte des ersten Substrats 24 N-dotiert sind. Die Elektrodenschicht 29 kann zum Beispiel eine so genannte PureB-Schicht sein, welche beispielsweise aus der Referenz [5] bekannt ist. Alternativ kann sie durch eine ultraflache Bor-Implantation mit Kurzzeit-Ausheilung gebildet sein. Deren Widerstand wird weiter verringert durch die Metallrippen 35, die zum Beispiel auf den elektronen-optisch nicht relevanten, weil isolierenden Isolationsgräben 34 angeordnet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die effektiv wirksame Detektorfläche maximiert wird. Vorteilhafterweise liegen sich die Metallrippen 19 der Photokathode 2 und die Metallrippen 35 der Einzelphoton-Avalanche-Dioden-Einrichtung 9 gegenüber, so dass die effektiv wirksame Detektorfläche nicht eingeschränkt wird.
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7. zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers 1 mit einer Photokathode 2 gemäß der 4 und mit einer Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung 9 gemäß der 6 in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Elektrodenschicht 29 parallel zu der Schichtanordnung 8 der Photokathode 2 angeordnet.
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Im Ausführungsbeispiel der 7 dient die Photokathode 2 gleichsam als Deckel mit passivieren der Wirkung gegen Umwelteinflüsse. Eine Passivierungsschicht 36 der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung 9 ist so strukturiert, dass der Bereich der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden 11 frei bleibt. Dieser Bereich wird mit der Photokathode 2 und dem umlaufenden Lötrahmen 21 verschlossen. Der umlaufenden Lötrahmen 21 sorgt dafür, dass im eingeschlossenen Raum 22 zwischen der Photokathode 2 und der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung 9 ein Vakuum herrschen kann. Der Lötrahmen 21 kontaktiert gleichzeitig den zweiten elektrischen Kontakt 15 der Photokathode 2. so dass der zweite elektrische Kontakt 15 der Photokathode 2 mit einem ersten Anschluss 37 der elektronischen Schaltung 23 verbunden ist. Ein mit einem zweiten Anschluss 38 der elektronischen Schaltung 23 verbundener Verbinder 39 zum ersten Kontakt 14 der Photokathode 2 kann gleichzeitig mit dem Lötrahmen 21 direkt beim Aufbringen der Photokathode 2 hergestellt sein. Der Verbinder 39 ist mittels eines um den Verbinder 39 herumlaufenden Isolators 40 von der Metallschicht 13 der Photokathode 2 und der Emissionsschicht 17 der Photokathode 2 elektrisch isoliert. Der Verbinder 39 ist so ausgebildet, dass er den ersten Kontakt 14 der Photokathode 2 mit dem zweiten Anschluss 38 elektrisch verbindet.
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Innerhalb des Lötrahmens 21 ist der dritte Kontakt 28 mit einem dritten Anschluss 41 der elektronischen Schaltung 23 verbunden. Die Anschlüsse 37, 38 und 41 sind jeweils mittels eines umlaufenden Isolationsgrabens 42 isoliert.
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8 zeigt den optischen Bildaufnehmer 1 der 7 in einer schematischen und geschnittenen Aufsicht. Dabei ist eine mögliche Lage der Anschlüsse 37, 38 und 41 veranschaulicht.
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9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers 1 in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array 10 auf einer ersten Seite eines ersten Substrates 24 angeordnet, wobei die erste Seite des Substrates der Photokathode 2 abgewandt ist, wobei die elektronische Schaltung 23 an einem zweiten Substrat 26 ausgebildet ist, wobei die elektronische Schaltung 23 derart mit der ersten Seite des ersten Substrats 24 verbunden ist, dass die elektronische Schaltung 23 und das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array 10 miteinander elektrisch verbunden sind, und wobei eine zweiten Seite des ersten Substrats 24, welche der ersten Seite des ersten Substrats 24 gegenüberliegt, flächig mit der Photokathode 2 verbunden ist.
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Im Ausführungsbeispiel der 9 ist die elektronische Schaltung 23 mittels eines ersten Bondinterfaces 43 an das erste Substrat 24 Insbesondere wird bei dieser Ausführungsform ausgenutzt, dass die obere Fläche des ersten Substrats 24 praktisch eben ist, so dass darauf die Photokathode 2 in einfacher Weise mittels eines zweiten Bondinterfaces 44 gebondet werden kann.
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10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Systems in einer schematischen Darstellung. Das optische System zur Erfassung einer Umgebung umfasst
eine Infrarotlichtquelle 46 zur Beleuchtung der Umgebung mit Infrarotlicht IL in einem Wellenlängenbereich mit Wellenlängen von mindestens 1,4 µm; und
einen erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmer 1, wobei der optische Bildaufnehmer 1 zur Aufnahme zweidimensionaler Bilder der Umgebung in dem Wellenlängenbereich mit Wellenlängen von mindestens 1,4 µm ausgebildet ist.
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Die Infrarotlichtquelle 46 sendet in die Umgebung Infrarotlicht IL aus, so dass zumindest ein Teil des Erfassungsbereichs EB des optischen Bildaufnehmers 1 mit Infrarotlicht IL ausgeleuchtet ist. Befindet sich nun beispielsweise eine Person PE im mit Infrarotlicht IL ausgeleuchteten Bereich, so wird ein Teil des Infrarotlicht IL an der Person PE reflektiert und zum optischen Bildaufnehmer 1 zurückgeworfen, der aus dem zurückgeworfenen Teil des Infrarotlicht IL ein Bildsignal generieren kann. Da das ausgesendete Infrarotlicht IL in einem Wellenlängenbereich mit Wellenlängen von mindestens 1,4 µm liegt, ist für die Person PE die Augensicherheit gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optischer Bildaufnehmer
- 2
- Photokathode
- 3
- Elektronenvervielfacher
- 4
- CCD-Bilddetektor
- 5
- Hochspannungsbeschleunigerstrecke
- 6
- Eintrittsfläche
- 7
- Austrittsfläche
- 8
- Schichtanordnung
- 9
- Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung
- 10
- Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array
- 11
- Einzelphoton-Avalanche-Photodiode
- 12
- Absorptionsschicht
- 13
- Metallschicht
- 14
- erster elektrischer Kontakt
- 15
- zweiter elektrischer Kontakt
- 16
- erste Spannungsversorgung
- 17
- Emissionsschicht
- 18
- Aktivierungsschicht
- 19
- Metallrippe
- 20
- Substratschicht
- 21
- umlaufender Rahmen
- 22
- eingeschlossener Raum
- 23
- elektronische Schaltung
- 24
- erstes Substrat
- 25
- Fangstoff
- 26
- zweites Substrat
- 27
- zweite Spannungsversorgung
- 28
- dritter Kontakt
- 29
- Elektrodenschicht
- 30
- NMOS-Transistor
- 31
- PMOS-Transistor
- 32
- Mehrlagen-Metallisierungsschicht
- 33
- Metallischer Leiter
- 34
- Isoliergräben
- 35
- Metallrippen
- 36
- Passivierungsschicht
- 37
- erster Anschluss
- 38
- zweiter Anschluss
- 39
- Verbinder
- 40
- Isolator
- 41
- dritter Anschluss
- 42
- Isolationsgraben
- 43
- erstes Bondinterface
- 44
- zweites Bondinterface
- 45
- optisches System
- 46
- Infrarotlichtquelle
- PH
- Photon
- EL
- Elektron
- BS
- Bildsignal
- AP
- Austrittsposition
- EP
- Eintrittsposition
- AFP
- Auftreffposition
- KS
- Kathodenvorspannung
- BSP
- Beschleunigungsspannung
- IL
- Infrarotlicht
- EB
- Erfassungsbereich
- PE
- Person
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Quellen:
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- [1] Danilo Bronzi et al.: „100 000 Frames/s 64 x 32 Single-Photon Detector Array for 2-D Imaging and 3-D Ranging", IEEE JOURNAL OF SE-LECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 20, NO. 6, NOVEMBER/DECEMBER 2014.
- [2] Niccolö Calandri et al.: „Optical Crosstalk in InGaAs/lnP SPAD Array: Analysis and Reduction With FIB-Etched Trenches", IEEE PHOTON-ICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 28, NO. 16, AUGUST 15, 2016.
- [3] Liisa M. Hirvonen and Klaus Suhling: „Photon Counting Imaging with an Electron-Bombarded Pixel Image Sensor", Sensors 2016, vol. 16, pp. 617.
- [4] C. B. Johnson: „Review of electron bombarded CCD cameras", SPIE, Vol. 3434, pp. 45 - 53, July 1998.
- [5] Lin Qi et al.: „PureB single-photon avalanche diodes for low-energy electron detection down to 200 eV", OPTICS LETTERS, Vol. 40, No. 3, February 1, 2015.
- [6] US 5 047 821 A
- [7] US 3 958 143 A
- [8] US 8 581 357 B2
- [9] DE 10 2012 214 690 B4
- [10] D. Durini et al.: CMOS Technology for SPAD / SiPM: Results from the MiSPiA Project, 7th Fraunhofer IMS Workshop „CMOS Imaging: From Photon to Camera“, Duisburg, Germany, May 20-21, 2014.
- [11] US 5 311 044 A
- [12] US 5 146 296 A
- [13] M. Suyama et al.: Development of a multi-pixel photon sensor with single-photon sensitivity. In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 523, 2004, Seite 147-157, DOI: 10.1016/j.nima.2003.12.027.
- [14] US 2011/0049365 A1
