DE102017215715B4 - OPTICAL PICTORIAL STUDENTS FOR THE RECORDING OF TWO-DIMENSIONAL IMAGES IN THE NEAR INFRARED RANGE - Google Patents

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Abstract

Optischer Bildaufnehmer zur Aufnahme zweidimensionaler Bilder im nahen Infrarotbereich, umfassendeine 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; undeine 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;wobei der optische Bildaufnehmer (1) zur Aufnahme zweidimensionaler Bilder in einem Wellenlängenbereich mit Wellenlängen von mindestens 1,4 µm ausgebildet ist.An optical image sensor for taking two-dimensional images in the near infrared range, comprising a photocathode (2) having a photon (PH) entrance surface (6) with an electron exit surface (7) parallel to the entrance surface (6) a layer arrangement (8) which is arranged between the entry surface (6) and the exit surface (7) and which is configured such that the photon (PH) entering through the entry surface (6) exits the exit surface (7) of the electron (EL). causes, wherein an exit position (AP) of the electron (EL) at the exit surface (7) with an entry position (EP) of the photon (PH) at the entrance surface (6) corresponds; anda single photon avalanche photodiode device (9) comprising a single photon avalanche photodiode array (10) having a plurality of two-dimensionally arranged single photon avalanche photodiodes (11), the single photon avalanche photodiode device (11) 9) is arranged with respect to the photocathode (2) such that the electron (EL), after exiting the exit surface (7) of the photocathode (2), strikes the single-photon avalanche photodiode array (10) Impact position (AFP) of the electron (EL) on the single-photon avalanche photodiode array (10) by means of the plurality of two-dimensionally arranged single-photon avalanche photodiodes (11) is detectable, so as to generate an image signal (BS); optical image sensor (1) for receiving two-dimensional images in a wavelength range having wavelengths of at least 1.4 microns is formed.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Bildaufnehmer zur Aufnahme zweidimensionaler Bilder im nahen Infrarotbereich.The invention relates to an optical image recorder for recording two-dimensional images in the near infrared range.

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.In practice, InGaAs thermal imaging cameras are known, which are suitable for wavelengths of about 1 to 2 μm. Such thermal imaging cameras have an avalanche photodiode array of InGaAs as imagers. The avalanche photodiodes with blocking voltages, just below the breakdown voltage, are operated by a few 100 V. However, the possible number of avalanche photodiodes on such an array is limited, resulting in a low resolution. In addition, the sensitivity is often insufficient because an incident photon triggers only an electron avalanche of about 20 to at most 500 electrons. Thus, such thermal imaging cameras are not sensitive enough for many applications. In addition, the image sensors of such thermal imaging cameras must be laboriously cooled or at least tempered during operation, so that a high energy requirement results. In addition, such thermal imaging cameras are comparatively expensive to manufacture.

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.From the references [1] and [2] optical image sensors are known in which incident photons are detected directly by means of a single-photon avalanche photodiode device, so as to obtain an electrical image signal. Such imagers operate satisfactorily at wavelengths below about 1.0 μm. However, they are not suitable for longer wavelengths.

Referenz [3] beschreibt einen optischen Bildaufnehmer, bei dem ein einfallendes Photon mittels einer Photokathode in ein Elektron gewandelt wird. Reference [3] describes an optical imager in which an incident photon is converted into an electron by means of a photocathode.

Das Elektron wird dann in einem Elektronenvervielfacher vervielfacht und in einem CCD-Array ortsaufgelöst gemessen. Der Elektronenvervielfacher ist jedoch mechanisch aufwändig und voluminös.The electron is then multiplied in an electron multiplier and measured spatially resolved in a CCD array. The electron multiplier is mechanically complex and bulky.

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.From the reference [4], a further optical image sensor is known in which the electron multiplier is replaced by a high voltage accelerator section. The Hochspannungsbeschleunigerstrecke is thereby applied with a voltage of several kilovolts, so that the optical image sensor is bulky and has a high power consumption. Because of the high cost, such imagers are for research use only.

Die Referenz [11] offenbart einen Bildaufnehmer mit einer Photokathode und einer Avalanche-Photodioden-Einrichtung.Reference [11] discloses an imager having a photocathode and an avalanche photodiode device.

Aus der Referenz [12] ist ein weiterer Bildaufnehmer mit einer Photokathode und einer Avalanche-Photodioden-Einrichtung bekannt.From the reference [12], another image sensor with a photocathode and an avalanche photodiode device is known.

Darüber hinaus zeigt die Referenz [13] einem weiteren Bildaufnehmer mit einer Photokathode und einer Avalanche-Photodioden-Einrichtung.In addition, the reference [13] shows another image sensor with a photocathode and an avalanche photodiode device.

Aus der Referenz [14] sind diverse Nachtsichtgeräte bekannt.From the reference [14] various night vision devices are known.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten optischen Bildaufnehmer für den nahen Infrarotbereich zu schaffen.The object of the present invention is to provide an improved near infrared optical imager.

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.
The object is achieved by an optical image recorder for taking two-dimensional images in the near infrared range, which has the following features:
  • a photocathode having an entrance surface for a photon, having an exit surface for an electron arranged parallel to the entry surface and having a layer arrangement arranged between the entry surface and the exit surface, which is designed such that the photon entering through the entry surface is an exit from the electron An exit surface causes, wherein an exit position of the electron at the exit surface corresponds to an entry position of the photon at the entrance surface; and
  • a single photon avalanche photodiode device comprising a single photon avalanche photodiode array having a plurality of two-dimensionally arranged single photon avalanche photodiodes, wherein the single photon avalanche photodiode device is arranged with respect to the photocathode such that the electron strikes the single-photon avalanche photodiode array after emerging from the exit surface of the photocathode, wherein an electron striking position on the single-photon avalanche photodiode array is detectable by the plurality of single-photon avalanche photodiodes arranged two-dimensionally to produce such a picture signal.

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.A photocathode is generally a semiconductor-based electronic device in which a photon entering at an entrance surface of the photocathode causes an electron to exit at an exit surface of the photocathode. The photocathode is provided in the optical image sensor according to the invention, a to convert an incident photon into an electron such that the exit position of the electron at the exit surface depends on the entry position of the photon at the entrance surface, so that the image information coming to the photon is also represented by the electron. It is therefore a two-dimensional photocathode. Both the entrance surface and the exit surface can each consist of exactly one continuous surface or of several contested partial surfaces.

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.A single-photon avalanche photodiode array is generally a semiconductor-based electronic device in which a plurality of single-photon avalanche photodiodes are two-dimensionally arranged on one surface. A single-photon avalanche photodiode is a reverse-biased semiconductor diode that uses the avalanche breakdown effect to detect photons. The working principle consists in the fact that the single-photon avalanche photodiode is biased in the reverse direction so that a sufficiently high-energy photon on occurrence of the single-photon avalanche photodiode leads to an avalanche breakdown, which is then electronically detected and erased. The difference to a conventional avalanche photodiode is that a conventional avalanche photodiode is biased just below the breakdown voltage, while a single photon avalanche photodiode is biased just above the breakdown voltage , The breakdown voltage is the voltage at which a free charge carrier triggers an avalanche breakdown. Single-photon avalanche photodiodes have thereby highly pure semiconductor materials, so that no free charge carriers are present, so that even just above the breakdown voltage avalanche breakdown does not occur, unless an external exciting event occurs. Whereas a conventional avalanche photodiode releases about 20-500 electrons in an avalanche breakdown, a single-photon avalanche diode can readily release 1 million or more electrons. Typically, the external stimulating event is an incident photon. However, it is known from reference [5] that the external stimulating event may also be an incident electron. Single-photon avalanche diodes are also known by the English term "single-photon avalanche diode" or under the abbreviation "SPAD" derived therefrom.

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.The invention has now recognized that the electrons emerging from the photocathode are sufficiently energy-rich to trigger avalanche breakdown in a single-photon avalanche diode. Thus, by means of the two-dimensional single-photon avalanche array, the electrons can be detected resolved, so that an image signal containing the image information of the incident photons can be generated.

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.The spectral sensitivity of the optical image recorder depends essentially on the spectral sensitivity of the photocathode. Photocathodes are available which cover the entire near infrared range, which covers the wavelength range from 0.78 μm to 3 μm.

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.Thus, the optical image sensor according to the invention has the advantage that the limitation of the wavelength range of the optical image sensor known from the references [1] and [2] is eliminated.

Der erfindungsgemäße optische Bildaufnehmer ist im Vergleich zu den InGaAs-Wärmebildkameras empfindlicher, energiesparender und günstiger herstellbar.The optical image sensor according to the invention is more sensitive, energy-saving and cheaper to produce compared to the InGaAs thermal imaging cameras.

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.Since neither an electron multiplier nor a high voltage accelerator section is required, the optical imager according to the invention can be made substantially more compact than the imagers known from references [4] and [5]. In addition, the optical image sensor according to the invention is more sensitive, more energy efficient and cheaper to produce compared to these known image sensor.

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.In particular, the photocathode may be a semiconductor photocathode described in reference [6] or [7]. The single-photon avalanche diode array may be formed according to references [1] or [2].

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.The optical image sensor may in particular have chip-scale housing. A chip-scale package is a chip package of integrated circuits in which the package occupies a maximum of 20% more area than the unhoused integrated circuit.

Der erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmer kann allgemein in der optischen Messtechnik, insbesondere in der zweidimensionalen optischen Messtechnik eingesetzt werden.The optical image recorder according to the invention can generally be used in optical metrology, in particular in two-dimensional optical metrology.

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.The optical image sensor according to the invention can be used in particular in a system for detecting an environment of a road vehicle or a robot. It can be used in particular in systems in which the environment is actively illuminated with infrared light and the optical image sensor receives a reflected part of the infrared light. The lighting The environment can be done in particular with an infrared laser. Due to the spectral sensitivity of the optical image sensor, the infrared light can have a wavelength of at least 1.4 μm, so that eye safety for persons is ensured even at higher infrared light powers. This can increase the detection range compared to previous systems. Thus, the optical image sensor according to the invention is particularly suitable for laser ranging systems, also called LIDAR systems, suitable, which can be used for example in road vehicles in the context of driver assistance systems or autonomous control systems, since the eye safety of road users is guaranteed. Likewise, the optical image sensor according to the invention is suitable for laser ranging systems, which are used in robots. Hereby, the possible increase of the infrared light power is advantageous, especially in harsh industrial environments. In particular, the optical image sensor according to the invention is suitable for such laser ranging systems, which for cooperative robots, which share a working space with persons outside a closed area, since this ensures the eye safety of the persons located in the working space.

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.According to an advantageous development of the invention, the single-photon avalanche photodiode array is arranged parallel to the layer arrangement of the photocathode. This results in a particularly simple and compact construction of the optical image sensor.

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.According to an advantageous development of the invention, the layer arrangement of the photocathode comprises an absorption layer for absorbing the photon in order to raise the electron from a valence band into a conduction band by absorbing the photon. As a result, an electron which is movable in the absorption layer can be generated in a simple manner, which then can be detected after it has emerged from the photocathode. The dark current of the photocathode, that is, the current that flows without striking photons, can be minimized when the absorption layer comprises p-type material.

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.According to an expedient development of the invention, the layer arrangement of the photocathode has a metal layer, which is arranged on one side of the absorption layer, which faces the exit surface, wherein the absorption layer is conductively connected to a first electrical contact, wherein the metal layer with a second electrical contact is conductively connected, and wherein a first voltage supply for generating a cathode bias voltage between the first contact and the second contact is provided, so as to lift the electron from the conduction band in a higher conduction band.

Die Metallschicht kann sehr dünn, beispielsweise 10nm, ausgebildet sein, um so sicherzustellen, dass sie elektronentransparent ist.The metal layer can be made very thin, for example 10 nm, so as to ensure that it is electron-transparent.

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.The photocathode can use the so-called "transferred electron effect", in which the electrons are generated in a semiconductor, ie the absorption layer, with direct band gap, for example InGaAsP, with an internal electric field generated by the cathode bias in a higher located Conduction band are transferred so as to be able to emerge from the photocathode.

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.According to an advantageous development of the invention, the layer arrangement of the photocathode has an emission layer, which is arranged between the absorption layer and the metal layer, so that a heterojunction is formed at an interface between the emission layer and the absorption layer. As a result, an insulation between the absorption layer and the metal layer can be generated in a simple manner, which prevents short-circuiting of the cathode bias.

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.According to an expedient development of the invention, the layer arrangement of the photocathode has an activation layer, which is arranged on one side of the metal layer, which faces the exit surface, wherein the activation layer reduces the work function of the electron. The activation layer may comprise, for example, CsO.

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.According to an expedient development of the invention, the single-photon avalanche photodiode device comprises an electronic circuit for individually biasing, reading and erasing the single-photon avalanche photodiodes. The electronic circuit can be designed in particular as a CMOS circuit.

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.According to an advantageous development of the invention, the electronic circuit for biasing the single-photon avalanche photodiodes is designed such that a bias voltage of the single-photon avalanche photodiodes is higher than a breakdown voltage of the single-photon avalanche photodiodes.

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.According to an expedient development of the invention, the single-photon avalanche photodiode array is arranged on a first side of a first substrate, wherein the first side of the first substrate faces the photocathode and wherein at least parts of the electronic circuit and the single-photon avalanche photodiode array are formed in a common layer on the first substrate.

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.Such a single-photon avalanche photodiode array disposed on a substrate facing the incident exciters (here the electrons emerging from the photocathode) is also referred to as a front-side single-photon avalanche photodiode array or as a front -Side-SPAD designates. Such an arrangement can be made by forming on the first substrate at least parts of the electronic circuit and the single photon avalanche photodiodes in a common layer in parallel, simultaneously with the formation of the electronic layer and the single photon avalanche photodiodes electrically conductive connections be generated between the electronic circuit and the single-photon avalanche photodiodes. In this case, eliminates a manufacturing step for the subsequent production of electrically conductive connections between the electronic circuit and the single-photon avalanche photodiodes. Such an arrangement also leads to a particularly compact optical image sensor.

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.According to an advantageous embodiment of the invention, the single-photon avalanche photodiode array is disposed on a first side of a first substrate, wherein the first side of the first substrate faces away from the photocathode, wherein the electronic circuit is formed on a second substrate and wherein the electronic Circuit is connected to the first side of the first substrate such that the electronic circuit and the single-photon avalanche photodiode array are electrically connected together.

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.Such a single-photon avalanche photodiode array disposed on a substrate facing away from the incident exciters (here the electrons emerging from the photocathode) is also referred to as a backside single photon avalanche photodiode array or as a back -Side-SPAD designates. Such an arrangement is known for example from reference [10]. Such an arrangement can be made by first forming the single-photon avalanche photodiode array on the first substrate and the electronic circuit on the second substrate and then connecting them together. The connection can be made by bonding, for example by wafer-to-wafer bonding or by wafer-to-chip bonding, which produces both the mechanical connection and the electrical connections. The backside single photon avalanche photodiode array may be implemented as described in reference [9]. The use of a backside single photon avalanche photodiode array results in a significantly larger fill factor, which indicates the ratio between the active sensor area and the total area.

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.According to a preferred development of the invention, the single-photon avalanche photodiode array is arranged on a first side of a first substrate, wherein the first side of the substrate faces away from the photocathode, wherein the electronic circuit is formed on a second substrate, wherein the electronic circuit is connected to the first side of the first substrate so that the electronic circuit and the single-photon avalanche photodiode array are electrically connected to each other, and wherein a second side of the first substrate, which is opposite to the first side of the first substrate, flat with the Photocathode is connected.

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.In this exemplary embodiment, therefore, a back-side single-photon avalanche photodiode array is likewise used, although the back-side single-photon avalanche photodiode array and the photocathode are produced directly by bonding, for example by wafer-to-wafer bonding or by wafer bonding. To-chip bonding, mechanically connected, so that separate fasteners, such. B. soldering, can be omitted. Such an arrangement can be made by first forming the single-photon avalanche photodiode array on the first substrate and the electronic circuit on the second substrate and then bonding them together. The connection can be made by bonding, for example by wafer-to-wafer bonding or by wafer-to-chip bonding, which produces both the mechanical connection and the electrical connections. Then, the backside single photon avalanche photodiode device and the photocathode can be mechanically bonded directly by bonding. Again, the backside single photon avalanche photodiode array may be implemented as described in reference [9].

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.According to an advantageous further development of the invention, the single-photon avalanche photodiode device is arranged by means of a peripheral frame at a distance from the photocathode, wherein a vacuum is formed in a space enclosed by the single-photon avalanche photodiode device, the surrounding frame and the photocathode , The peripheral frame can be connected, for example, by means of a first solder connection to the single-photon avalanche photodiode device and by means of a second solder connection to the photocathode. A complex bonding method for connecting the single-photon avalanche photodiode array with the photocathode is not required in this case. In particular, the encircling frame may be as in reference [8]. The long-term stability of the vacuum can be increased by the use of catchers, also called getters, which are arranged inside the evacuated assembly.

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.According to an advantageous embodiment of the invention, a second voltage supply for generating an acceleration voltage between the second contact and a third contact is provided, wherein an electrode layer, which is conductively connected to the third electrical contact, is arranged so that the electron in a region between the Metal layer of the photocathode and the electrode layer is accelerated in a direction toward the single-photon avalanche photodiode array when between the second electrical contact and the third electrical contact, the acceleration voltage is applied. In this way, the electron can be accelerated to give it a defined direction before it encounters the single-photon avalanche photodiode array. In this way, on the one hand, it can be ensured that the correct entry position of the photon of the photon is detected, and, on the other hand, the energy of the electron can be increased so that with high probability an avalanche breakdown can be triggered.

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.According to an expedient development of the invention, the electrode layer is arranged parallel to the layer arrangement of the photocathode. This results in a simple mechanical construction of the image recorder.

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.According to an expedient development of the invention, the second voltage supply is designed such that the acceleration voltage is less than 100 V. The invention has recognized that an acceleration voltage of less than 100 V is sufficient to define the direction of the electron and the electron sufficiently energized. In many cases, the acceleration voltage can also be significantly smaller, for example less than 60 V or less than 30 V. These values are compatible with common CMOS structures, allow compact dimensions and lead to low energy consumption.

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.According to an advantageous development of the invention, the optical image recorder is designed to record two-dimensional images in a wavelength range with wavelengths of at least 1.4 μm. In this case, the image sensor according to the invention can be operated in conjunction with an eye-safe laser, which also operates in a wavelength range with wavelengths of at least 1.4 microns.

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.
In another aspect, the invention relates to an optical system for detecting an environment. The optical system comprises:
  • an infrared light source for illuminating the environment with infrared light in a wavelength range having wavelengths of at least 1.4 μm; and
  • an optical image sensor according to the invention, wherein the optical image sensor for taking two-dimensional images of the environment in the wavelength range is formed with wavelengths of at least 1.4 microns.

Es ergeben sich die weiter oben beschriebenen Vorteile.This results in the advantages described above.

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.
In the following, the present invention and its advantages will be described in more detail with reference to figures.
  • 1 shows an optical image sensor known from the prior art;
  • 2 shows another known from the prior art optical image sensor;
  • 3 shows an embodiment of an optical image sensor according to the invention in a schematic representation;
  • 4 shows an embodiment of a photocathode of an optical according to the invention Image recorder in a schematic and sectional side view;
  • 5 shows a further embodiment of an optical image sensor according to the invention in a schematic side view;
  • 6 shows an embodiment of a single-photon avalanche photodiode device of an optical image sensor according to the invention in a schematic and sectional side view;
  • 7 shows a further embodiment of an optical image sensor according to the invention with a photocathode according to the 4 and with a single-photon avalanche photodiode device according to the 6 in a schematic and sectioned side view;
  • 8th shows the embodiment of the 7 in a schematic and sectional view; and
  • 9 shows a further embodiment of an optical image sensor according to the invention in a schematic and sectional side view;
  • 10 shows an embodiment of an optical system according to the invention in a schematic representation.

Gleiche oder gleichartige Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktion sind im Folgenden mit gleichen oder gleichartigen Bezugszeichen versehen.Identical or similar elements or elements with the same or equivalent function are provided below with the same or similar reference numerals.

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.In the following description, embodiments having a plurality of features of the present invention will be described in detail to provide a better understanding of the invention. It should be noted, however, that the present invention may be practiced by omitting some of the features described. It should also be noted that the features shown in various embodiments can also be combined in other ways, unless this is expressly excluded or would lead to contradictions.

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. 1 shows an optical image sensor known from reference [3] 1 , The optical image sensor 1 includes a photocathode 2 , which is an incident photon PH into an electron EL converts. The electron multiplier 3 gives with an incident electron EL a variety of electron EL which are then detected with a CCD image detector. The CCD image detector gives an image signal BS out. The disadvantage here is in particular that of the electron multiplier 3 mechanically complex and bulky.

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. 2 shows an optical image sensor known from reference [4] 1 , The imager 1 the 2 includes like the imager 1 the 1 a photocathode 2 and a CCD image detector 4 , The electron multiplier 3 however, is due to a high voltage accelerator path 5 replaced. The high voltage of several kilovolts used there is not compatible with the goal of a compact image recorder with low power consumption.

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. 3 shows an embodiment of an optical image pickup according to the invention 1 in a schematic representation. The optical imager for taking two-dimensional images in the near infrared region comprises a photocathode 2 with an entrance area 6 for a photon PH , with a parallel to the entrance surface 6 arranged exit surface 7 for an electron EL and with one between the entrance surface 6 and the exit surface 7 arranged layer arrangement 8th , which is formed so that through the entrance surface 6 entering photon PH an exit of the electron EL from the exit surface 7 causes, with an exit position AP of the electron EL at the exit surface 7 with an entry position EP of the photon PH at the entrance area 6 corresponds; and a single photon avalanche photodiode device 9 which is a single photon avalanche photodiode array 10 with a plurality of two-dimensionally arranged single-photon avalanche photodiodes 11 wherein the single photon avalanche photodiode device 9 so in relation to the photocathode 2 is arranged that the electron EL after exiting the exit surface 7 the photocathode 2 to the single-photon avalanche photodiode array 10 meets, being an impact position AFP of the electron EL at the single photon avalanche photodiode array 10 by means of the plurality of two-dimensionally arranged single-photon avalanche photodiodes 11 is detectable, so as a picture signal BS to create.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array 10 parallel zu der Schichtanordnung 8 der Photokathode 2 angeordnet.According to a preferred embodiment of the invention is the single-photon avalanche photodiode array 10 parallel to the layer arrangement 8th the photocathode 2 arranged.

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.The photocathode 2 generated in the case of an incident photon PH an electron EL , In the embodiment of 3 has the layer arrangement 8th exemplified by three layers. The exit direction of the electron EL is perpendicular to the layers of the layer arrangement 8th , The electron EL then solves on one of the single photon avalanche photodiodes 11 an avalanche breakdown that can be detected. From the detected avalanche breakthroughs can then be an image signal BS be generated. The single-photon avalanche photodiodes 11 are operated in the so-called Geiger mode, in which they are just above the tensioned by high voltage, but only talk through when the electron EL into the respective single-photon avalanche photodiode 11 entry. The charge multiplication in the single-photon avalanche photodiodes 11 can have a factor of 1 million or higher.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Photokathode 2 eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers 1 in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht. 4 shows an embodiment of a photocathode 2 an optical image sensor according to the invention 1 in a schematic and sectioned side view.

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.According to an advantageous development of the invention, the layer arrangement comprises 8th the photocathode 2 an absorption layer 12 to absorb the photon PH to absorb the photon PH the electron EL to lift from a valence band into a conduction band.

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.According to an expedient development of the invention, the layer arrangement 8th the photocathode 2 a metal layer 13 on which on one side of the absorption layer 12 is arranged, which to the exit surface 7 points, where the absorbing layer 12 with a first electrical contact 14 is conductively connected, wherein the metallization layer 13 with a second electrical contact 15 is conductively connected, and wherein a first power supply 16 for generating a cathode bias KS between the first contact 14 and the second contact 15 is provided so as the electron EL from the conduction band into a higher conduction band.

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.The shown lateral arrangement of the first contact 14 at the absorption layer 12 is to be understood as an example only. The first contact 14 may preferably be on the lower side of the absorption layer 12 be provided because it can then be performed over a large area.

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.According to a preferred embodiment of the invention, the layer arrangement 8th the photocathode 2 an emission layer 17 on which between the absorption layer 12 and the metal layer 13 is arranged so that at an interface between the emission layer 17 and the absorption layer 12 a heterojunction is formed.

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.According to an advantageous embodiment of the invention, the layer arrangement 8th the photocathode 2 an activation layer 18 on which on one side of the metal layer 13 is arranged, which to the exit surface 7 indicates, wherein the activation layer 18 the detachment work of the electron EL reduced.

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.According to an expedient development of the invention, the optical image recorder 1 designed to take two-dimensional images in a wavelength range with wavelengths of at least 1.4 microns.

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.In the embodiment of 4 has the photocathode 2 are on the metal layer 13 metal ribs 19 arranged, showing the resistance of the very thin metal layer 13 reduce. The metal ribs 19 may be arranged parallel to each other or intersecting. The substrate layer 20 is used in the manufacture of the photocathode 2 needed. It could be at the finished photocathode 2 also be removed. On the metal layer 13 there is an activation layer 18 , which ensures a low work function of the electrons to the vacuum. The absorption layer 12 is having a first contact 14 electrically connected. Furthermore, the metal layer 13 with a second contact 15 connected. It is the first contact 14 and the second contact 15 the 1 , power supply 16 connected so as to operate the photocathode 2 provided cathode bias KS to apply.

5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers 1 in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht. 5 shows a further embodiment of an optical image pickup according to the invention 1 in a schematic and sectioned side view.

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.According to a preferred embodiment of the invention is the single-photon avalanche photodiode device 9 by means of a surrounding frame 21 spaced from the photocathode 2 arranged in one of the single-photon avalanche photodiode device 9 , the surrounding frame 21 and the photocathode 2 enclosed space 22 a vacuum is formed.

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.According to an expedient development of the invention, the single-photon avalanche photodiode device comprises 9 an electronic circuit 23 for individually biasing, reading and erasing the single photon avalanche photodiodes 11 ,

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.According to an expedient development of the invention, the electronic circuit 23 for biasing the single photon avalanche photodiodes 11 formed a bias of the single-photon avalanche photodiodes 11 higher than a breakdown voltage of the single-photon avalanche photodiodes 11 is.

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.According to an expedient development of the invention, the single-photon avalanche photodiode array 10 on a first side of a first substrate 24 arranged, wherein the first side of the first substrate 24 the photocathode 2 facing and wherein at least parts of the electronic circuit 23 and the single-photon avalanche photodiode array 10 are formed in a common layer of the first substrate 24.

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.The single-photon avalanche photodiode array 10 and the electronic circuit 23 can be simultaneously from the first side of the first substrate 24 be prepared with a CMOS process (for example, by doping, Schichtabscheiden and layer structuring). This results in the advantage that the production cost is low, but the disadvantage is that the electronic circuit 23 a part of the area claimed, so that there is a small fill factor. The fill factor is the quotient of the optically active area and the total area.

Zur Verbesserung der Langzeitstabilität des Vakuums ist in dem eingeschlossenen Raum 22 ein Fangstoff 25 angeordnet.To improve the long-term stability of the vacuum is in the enclosed space 22 a catch 25 arranged.

6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung 9 eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers 1 in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht. 6 shows an embodiment of a single-photon avalanche photodiode device 9 an optical image sensor according to the invention 1 in a schematic and sectioned side view.

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. According to an expedient development of the invention, the single-photon avalanche photodiode array 10 on a first side of a first substrate 24 arranged, wherein the first side of the first substrate 24 the photocathode 2 facing away, the electronic circuit 23 on a second substrate 26 is formed and wherein the electronic circuit 23 such with the first side of the first substrate 24 connected is that the electronic circuit 23 and the single-photon avalanche photodiode array 10 electrically connected to each other.

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.According to an advantageous embodiment of the invention is a second power supply 27 for generating an acceleration voltage BSP between the second contact 15 and a third contact 28 provided, wherein an electrode layer 29 , which with the third electrical contact 28 is conductively connected, so arranged that the electron EL in a region between the metal layer 13 the photocathode 2 and the electrode layer 29 is accelerated in one direction toward the single photon avalanche photodiode array 10 when between the second electrical contact 15 and the third electrical contact 28 the acceleration voltage BSP is applied.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Spannungsversorgung 27 so ausgebildet ist, dass die Beschleunigungsspannung BSP kleiner als 100 V.According to an expedient development of the invention, the second voltage supply 27 is designed so that the acceleration voltage BSP less than 100 V.

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.In the single-photon avalanche photodiode device 9 the 6 is a first substrate 24 provided at which the single-photon avalanche photodiodes 11 are arranged so that they are on the photocathode 2 opposite side of the first substrate 24 are arranged. Furthermore, a second substrate 26 provided on which an electronic circuit 23 is arranged. Here are the first substrate 24 and the electronic circuit 23 Bonded, for example, by bonding. On a whole of first substrate 24 and second substrate 26 then can the photocathode 2 be applied. The schematically illustrated electronic circuit 23 has NMOS transistors 30 with associated tub and PMOS transistors 31 with associated tub on, one of which is shown. The transistors 30 . 31 are via a multilayer metallization layer 32 with the single-photon avalanche photodiode array 10 connected so that each of the single-photon avalanche photodiodes 11 can be stretched, read out and deleted.

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.The single-photon avalanche photodiodes 11 are each through isolation trenches 34 separated from each other. To form the single-photon avalanche photodiodes 11 is the first substrate 24 comprising, for example, silicon, p-doped, wherein portions of the first substrate 24 N-doped. The electrode layer 29 For example, it may be a so-called PureB layer, which is known for example from reference [5]. Alternatively, it may be formed by ultra-flat boron implantation with short-term annealing. Their resistance is further reduced by the metal ribs 35 , for example, on the electron-optically not relevant, because insulating isolation trenches 34 is arranged. This ensures that the effective effective detector area is maximized. Advantageously, the metal ribs are 19 the photocathode 2 and the metal ribs 35 the single-photon avalanche diode device 9 so that the effective effective detector area is not restricted.

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. 7 , shows a further embodiment of an optical image pickup according to the invention 1 with a photocathode 2 according to the 4 and with a single photon avalanche photodiode device 9 according to the 6 in a schematic and sectioned side view.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Elektrodenschicht 29 parallel zu der Schichtanordnung 8 der Photokathode 2 angeordnet.According to an advantageous embodiment of the invention, the electrode layer 29 parallel to the layer arrangement 8th the photocathode 2 arranged.

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.In the embodiment of 7 serves the photocathode 2 as a cover with Passivieren the effect against environmental influences. A passivation layer 36 the single-photon avalanche photodiode device 9 is structured so that the range of single-photon avalanche photodiodes 11 remains free. This area is using the photocathode 2 and the circulating soldering frame 21 locked. The circulating soldering frame 21 makes sure that in the enclosed space 22 between the photocathode 2 and the single-photon avalanche photodiode device 9 a vacuum can prevail. The soldering frame 21 simultaneously contacts the second electrical contact 15 the photocathode 2 , so that the second electrical contact 15 the photocathode 2 with a first connection 37 the electronic circuit 23 connected is. One with a second connection 38 the electronic circuit 23 connected connector 39 to the first contact 14 the photocathode 2 can simultaneously with the soldering frame 21 directly when applying the photocathode 2 be prepared. The connector 39 is by means of one around the connector 39 running insulator 40 from the metal layer 13 the photocathode 2 and the emission layer 17 the photocathode 2 electrically isolated. The connector 39 is designed to be the first contact 14 the photocathode 2 with the second connection 38 connects electrically.

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. Inside the soldering frame 21 is the third contact 28 with a third connection 41 the electronic circuit 23 connected. The connections 37 . 38 and 41 are each by means of a circumferential isolation trench 42 isolated.

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. 8th shows the optical image sensor 1 the 7 in a schematic and sectional view. Here is a possible location of the connections 37 . 38 and 41 illustrated.

9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Bildaufnehmers 1 in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht. 9 shows a further embodiment of an optical image pickup according to the invention 1 in a schematic and sectioned side view.

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.According to an advantageous embodiment of the invention is the single-photon avalanche photodiode array 10 on a first side of a first substrate 24 arranged, wherein the first side of the substrate of the photocathode 2 facing away, the electronic circuit 23 on a second substrate 26 is formed, wherein the electronic circuit 23 such with the first side of the first substrate 24 connected is that the electronic circuit 23 and the single-photon avalanche photodiode array 10 electrically connected to each other, and wherein a second side of the first substrate 24 which is the first side of the first substrate 24 opposite, flat with the photocathode 2 connected is.

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.In the embodiment of 9 is the electronic circuit 23 by means of a first bonding interface 43 to the first substrate 24 In particular, in this embodiment, the upper surface of the first substrate is utilized 24 is practically flat, so that on the photocathode 2 in a simple manner by means of a second bonding interface 44 can be bonded.

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. 10 shows an embodiment of an optical system according to the invention in a schematic representation. The optical system for detecting an environment comprises
an infrared light source 46 to illuminate the environment with infrared light IL in a wavelength range with wavelengths of at least 1.4 μm; and
an optical image sensor according to the invention 1 , wherein the optical image sensor 1 is designed to take two-dimensional images of the environment in the wavelength range with wavelengths of at least 1.4 microns.

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.The infrared light source 46 sends infrared light into the environment IL out, leaving at least part of the coverage area EB of the optical image pickup 1 with infrared light IL is lit. If, for example, a person is now PE im with infrared light IL illuminated area, so will be part of the infrared light IL at the person PE reflected and to the optical image sensor 1 thrown back from the reflected part of the infrared light IL can generate an image signal. Because the emitted infrared light IL is in a wavelength range with wavelengths of at least 1.4 microns, is for the person PE ensures eye safety.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
optischer Bildaufnehmeroptical image sensor
22
Photokathodephotocathode
33
ElektronenvervielfacherElectron multiplier
44
CCD-BilddetektorCCD image detector
55
HochspannungsbeschleunigerstreckeHigh-voltage accelerators route
66
Eintrittsflächeentry surface
77
Austrittsflächeexit area
88th
Schichtanordnunglayer arrangement
99
Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-EinrichtungSingle photon avalanche photodiode device
1010
Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-ArraySingle photon avalanche photodiode array
1111
Einzelphoton-Avalanche-PhotodiodeSingle photon avalanche photodiode
1212
Absorptionsschichtabsorbing layer
1313
Metallschichtmetal layer
1414
erster elektrischer Kontaktfirst electrical contact
1515
zweiter elektrischer Kontaktsecond electrical contact
1616
erste Spannungsversorgungfirst power supply
1717
Emissionsschichtemission layer
1818
Aktivierungsschichtactivation layer
1919
Metallrippemetal rib
2020
Substratschichtsubstrate layer
2121
umlaufender Rahmenencircling frame
2222
eingeschlossener Raumenclosed space
2323
elektronische Schaltungelectronic switch
2424
erstes Substratfirst substrate
2525
Fangstoffgetter
2626
zweites Substratsecond substrate
2727
zweite Spannungsversorgungsecond power supply
2828
dritter Kontaktthird contact
2929
Elektrodenschichtelectrode layer
3030
NMOS-TransistorNMOS transistor
3131
PMOS-TransistorPMOS transistor
3232
Mehrlagen-MetallisierungsschichtMulti-layer metallization
3333
Metallischer LeiterMetallic conductor
3434
Isoliergräbenisolation trenches
3535
Metallrippenmetal ribs
3636
Passivierungsschichtpassivation
3737
erster Anschlussfirst connection
3838
zweiter Anschlusssecond connection
3939
VerbinderInterconnects
4040
Isolatorinsulator
4141
dritter Anschlussthird connection
4242
Isolationsgrabenisolation trench
4343
erstes Bondinterfacefirst bond interface
4444
zweites Bondinterfacesecond bond interface
4545
optisches Systemoptical system
4646
InfrarotlichtquelleInfrared light source
PHPH
Photonphoton
ELEL
Elektronelectron
BSBS
Bildsignalimage signal
APAP
Austrittspositionexit position
EPEP
Eintrittspositionentry position
AFPAFP
Auftreffpositionlanding
KSKS
KathodenvorspannungCathode
BSPBSP
Beschleunigungsspannungacceleration voltage
ILIL
Infrarotlichtinfrared light
EBEB
Erfassungsbereichdetection range
PEPE
Personperson

Quellen:Swell:

  • [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 .[1] Danilo Bronzi et al .: "100,000 Frames / sec 64x32 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 .[2] Niccolo Calandri et al .: "Optical Crosstalk in InGaAs / InP 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 .[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 .[4] CB 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 .[5] Lin Qi et al .: "PureB single-photon avalanche diodes for low-energy electron detection down to 200 eV", OPTICS LETTERS, Vol. 3, February 1, 2015 ,
  • [6] US 5 047 821 A [6] US 5 047 821 A
  • [7] US 3 958 143 A [7] US 3,958,143 A
  • [8] US 8 581 357 B2 [8th] US Pat. No. 8,581,357 B2
  • [9] DE 10 2012 214 690 B4 [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.[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 [11] US 5,311,044 A
  • [12] US 5 146 296 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 .[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, pages 147-157, DOI: 10.1016 / j.nima.2003.12.027 ,
  • [14] US 2011/0049365 A1 [14] US 2011/0049365 A1

Claims (16)

Optischer Bildaufnehmer zur Aufnahme zweidimensionaler Bilder im nahen Infrarotbereich, umfassend 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; wobei der optische Bildaufnehmer (1) zur Aufnahme zweidimensionaler Bilder in einem Wellenlängenbereich mit Wellenlängen von mindestens 1,4 µm ausgebildet ist. An optical image sensor for taking two-dimensional images in the near infrared region, comprising a photocathode (2) having an entrance surface (6) for a photon (PH), with an exit surface (7) for an electron (EL) arranged parallel to the entry surface (6) and with one between the entry surface (6) and the exit surface (7) arranged layer arrangement (8), which is formed such that the entering through the entrance surface (6) photon (PH) causes a leakage of the electron (EL) from the exit surface (7), wherein an exit position (AP) of the electron (EL) at the exit surface (7) corresponds to an entry position (EP) of the photon (PH) at the entrance surface (6); and a single photon avalanche photodiode device (9) comprising a single photon avalanche photodiode array (10) having a plurality of two-dimensionally arranged single photon avalanche photodiodes (11), the single photon avalanche photodiode device (11) 9) is arranged with respect to the photocathode (2) such that the electron (EL), after exiting the exit surface (7) of the photocathode (2), strikes the single-photon avalanche photodiode array (10) Incident position (AFP) of the electron (EL) on the single-photon avalanche photodiode array (10) is detectable by means of the plurality of two-dimensionally arranged single photon avalanche photodiodes (11) so as to generate an image signal (BS); wherein the optical image pickup (1) is adapted to receive two-dimensional images in a wavelength region having wavelengths of at least 1.4 μm. Optischer Bildaufnehmer nach vorstehendem Anspruch, wobei das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array (10) parallel zu der Schichtanordnung (8) der Photokathode (2) angeordnet ist. An optical image sensor according to the preceding claim, wherein the single-photon avalanche photodiode array (10) is arranged parallel to the layer arrangement (8) of the photocathode (2). Optischer Bildaufnehmer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schichtanordnung (8) der Photokathode (2) eine Absorptionsschicht (12) zum Absorbieren des Photons (PH) umfasst, um durch das Absorbieren des Photons (PH) das Elektron (EL) aus einem Valenzband in ein Leitungsband anzuheben.An optical image pickup according to any one of the preceding claims, wherein the layer arrangement (8) of the photocathode (2) comprises an absorption layer (12) for absorbing the photon (PH) to obtain the electron (EL) from a valence band by absorbing the photon (PH) to lift in a conduction band. Optischer Bildaufnehmer nach vorstehendem Anspruch, wobei die Schichtanordnung (8) der Photokathode (2) eine Metallschicht (13) aufweist, 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 Metallschicht (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.An optical image sensor according to the preceding claim, wherein the layer arrangement (8) of the photocathode (2) comprises a metal layer (13) disposed on one side of the absorption layer (12) facing the exit surface (7), the absorption layer (12 ) is conductively connected to a first electrical contact (14), wherein the metal layer (13) with a second electrical contact (15) is conductively connected, and wherein a first voltage supply (16) for generating a cathode bias voltage (KS) between the first contact (14) and the second contact (15) so as to raise the electron (EL) from the conduction band to a higher conduction band. Optischer Bildaufnehmer nach vorstehendem Anspruch, wobei die Schichtanordnung (8) der Photokathode (2) eine Emissionsschicht (17) aufweist, 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.An optical imaging device according to the preceding claim, wherein the layer arrangement (8) of the photocathode (2) has an emission layer (17) which is arranged between the absorption layer (12) and the metal layer (13) such that at an interface between the emission layer (17). and the absorption layer (12) is a heterojunction. Optischer Bildaufnehmer nach vorstehendem Anspruch, wobei die Schichtanordnung (8) der Photokathode (2) eine Aktivierungsschicht (18) aufweist, 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.An optical image pickup according to the preceding claim, wherein the layer arrangement (8) of the photocathode (2) comprises an activation layer (18) disposed on one side of the metal layer (13) facing the exit surface (7), the activation layer (18 ) reduces the work of detachment of the electron (EL). Optischer Bildaufnehmer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung (9) eine elektronische Schaltung (23) zum individuellen Vorspannen, Auslesen und Löschen der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden (11) umfasst.An optical imager according to any one of the preceding claims, wherein the single photon avalanche photodiode means (9) comprises an electronic circuit (23) for individually biasing, reading and erasing the single photon avalanche photodiodes (11). Optischer Bildaufnehmer nach vorstehendem Anspruch, wobei die elektronische Schaltung (23) zum derartigen Vorspannen der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden (11) ausgebildet ist, dass eine Vorspannung der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden (11) höher als eine Durchbruchspannung der Einzelphoton-Avalanche-Photodioden (11) ist.An optical imager as claimed in any preceding claim, wherein the electronic circuit (23) is configured to bias the single photon avalanche photodiodes (11) such that a bias of the single photon avalanche photodiodes (11) is higher than a breakdown voltage of the single photon avalanche photodiodes (11). Optischer Bildaufnehmer nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array (10) auf einer ersten Seite eines ersten Substrates (24) angeordnet ist, 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 an dem ersten Substrat (24) ausgebildet sind.Optical imager after Claim 7 or 8th wherein the single-photon avalanche photodiode array (10) is disposed on a first side of a first substrate (24), the first side of the first substrate (24) facing the photocathode (2) and wherein at least portions of the electronic circuit (23) and the single-photon avalanche photodiode array (10) are formed in a common layer on the first substrate (24). Optischer Bildaufnehmer nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array (10) auf einer ersten Seite eines ersten Substrates (24) angeordnet ist, 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.Optical imager after Claim 7 or 8th wherein the single-photon avalanche photodiode array (10) is disposed on a first side of a first substrate (24), the first side of the first substrate (24) being remote from the photocathode (2), the electronic circuit (23 ) is formed on a second substrate (26) and wherein the electronic circuit (23) is connected to the first side of the first substrate (24) such that the electronic circuit (23) and the single-photon avalanche photodiode array (10 ) are electrically connected together. Optischer Bildaufnehmer nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Array (10) auf einer ersten Seite eines ersten Substrates (24) angeordnet ist, 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.Optical imager after Claim 7 or 8th wherein the single-photon avalanche photodiode array (10) is disposed on a first side of a first substrate (24), the first side of the substrate being remote from the photocathode (2), the electronic circuit (23) being at a second Substrate (26) is formed, wherein the electronic circuit (23) is connected to the first side of the first substrate (24) such that the electronic circuit (23) and the single-photon avalanche photodiode array (10) electrically connected together and a second side of the first substrate (24), which is opposite to the first side of the first substrate (24), is connected in a planar manner to the photocathode (2). Optischer Bildaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Einzelphoton-Avalanche-Photodioden-Einrichtung (9) mittels eines umlaufenden Rahmens (21) beabstandet von der Photokathode (2) angeordnet ist, 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.Optical imager after one of Claims 1 to 10 in which the single-photon avalanche photodiode device (9) is arranged by means of a peripheral frame (21) at a distance from the photocathode (2), wherein in one of the single-photon avalanche photodiode device (9), the surrounding frame ( 21) and the photocathode (2) enclosed space (22) is formed a vacuum. Optischer Bildaufnehmer nach einem der Ansprüche 4 bis 12, wobei eine zweite Spannungsversorgung (27) zum Erzeugen einer Beschleunigungsspannung (BSP) zwischen dem zweiten Kontakt (15) und einem dritten Kontakt (28) vorgesehen ist, 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.Optical imager after one of Claims 4 to 12 wherein a second voltage supply (27) for generating an acceleration voltage (BSP) between the second contact (15) and a third contact (28) is provided, wherein an electrode layer (29), which conductively connected to the third electrical contact (28) is arranged so that the electron (EL) in a region between the metal layer (13) of the photocathode (2) and the electrode layer (29) in a direction towards the single-photon avalanche Photodiode array is accelerated (10) when between the second electrical contact (15) and the third electrical contact (28), the acceleration voltage (BSP) is applied. Optischer Bildaufnehmer nach vorstehendem Anspruch, wobei die Elektrodenschicht (29) parallel zu der Schichtanordnung (8) der Photokathode (2) angeordnet ist.An optical image sensor according to the preceding claim, wherein the electrode layer (29) is arranged parallel to the layer arrangement (8) of the photocathode (2). Optischer Bildaufnehmer nach Anspruch 13 oder 14, wobei die zweite Spannungsversorgung (27) so ausgebildet ist, dass die Beschleunigungsspannung (BSP) kleiner als 100 V ist.Optical imager after Claim 13 or 14 wherein the second voltage supply (27) is formed so that the acceleration voltage (BSP) is less than 100V. Optisches System zur Erfassung einer Umgebung, umfassend eine Infrarotlichtquelle (46) zur Beleuchtung der Umgebung mit Infrarotlicht (IL) in einem Wellenlängenbereich mit Wellenlängen von mindestens 1,4 µm; und einen optischen Bildaufnehmer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.An optical system for detecting an environment, comprising an infrared light source (46) for illuminating the environment with infrared light (IL) in a wavelength range having wavelengths of at least 1.4 μm; and an optical imager (1) according to any one of Claims 1 to 15 ,
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