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Die Erfindung betrifft einen Lichtlaufzeitsensor für ein Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystem, insbesondere für ein Lichtlaufzeitkamerasystem, mit einem Halbleitersubstrat als Basis und mindestens einem auf einer Seite angeordneten Pixel, wobei der Lichtlaufzeitsensor auf dieser Seite photosensitive Bereiche und nicht-photosensitive Bereiche aufweist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Lichtlaufzeit-Sensormodul, insbesondere eine Lichtlaufzeitkamera, mit einem derartigen Sensor und ein entsprechendes Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystem.
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Die Druckschrift
DE 10 2016 213 217 A1 beschreibt eine Lichtlaufzeitkamera mit einem Beleuchtungsmodul zum Aussenden modulierten Lichts und einem Lichtlaufzeit-Sensormodul zum Empfang modulierten Lichts, das einen Sensor aufweist, der ein Siliziumsubstrat als Basis und ein Pixelarray mit auf der Basis angeordneten Pixeln aufweist und dessen Oberseite photosensitive Bereiche und nicht-photosensitive Bereiche umfasst. Die photosensitiven Bereiche sind in der Regel den Pixeln zugeordnete Bereiche während die nicht-photosensitiven Bereiche sowohl den Pixeln als auch einem Sensorteil außerhalb des Pixelarrays zugeordnet sein können.
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Aus der
DE 11 2012 006 401 T5 ist ein TOF-Bildsensor mit einer Vielzahl von Pixeln bekannt, die einen Lichtempfangsbereich und einen diesen umgebenden Halbleiterbereich aufweisen. Zur Lichtabschirmung ist eine Lichtabschirmschicht vorgesehen, die an vorbestimmten Stellen Öffnungen aufweist.
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Die US 2009 / 0 160 983 A1 zeigt einen Bildsensor mit einer Struktur zur Abschirmung von Streulicht zwischen den einzelnen Photodioden. Diese Strukturen sind oberhalb eines lichtunempfindlichen Halbleiterbereichs säulenartig aufgebaut und lenken einfallendes Licht derartig ab, dass ein optisches Übersprechen auf benachbarte Pixel reduziert wird.
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Die
EP 3 091 272 A1 zeigt weiterhin einen Lichttaster mit mehreren Gehäusekammern zur optischen Isolation eines Lichtsenders und Lichtempfängers. Das Gehäuse und die Gehäusekammern sind so ausgebildet, dass eine direkte Beleuchtung des Empfängers mit Licht vom Lichtsender unterbunden ist.
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Bei Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystemen wie Lichtlaufzeitkamerasystemen werden nicht nur die Abbildungseigenschaften durch Streulicht beeinträchtigt, es verschlechtert sich auch massiv die Messgenauigkeit. Als mögliche Streulichtquellen können viele Elemente entlang des Beleuchtungsmoduls und der Lichtlaufzeitkamera beteiligt sein.
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Zur Unterdrückung von Streulicht am Sensor ist es bekannt Schichten auf die Oberfläche des Sensors aufzubringen, deren optischer Brechungsindex zwischen dem von Luft und Silizium-Oxid liegen. Hierdurch wird der Winkel der Totalreflektion vergrößert und somit die Rückreflektion des einfallenden Lichtes am Sensor reduziert.
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Die
US 7 880 168 B2 zeigt einen Bildsensor für eine CCD- oder CMOS-Kamera, mit einem Halbleitersubstrat als Basis und auf dieser Basis angeordneten Pixeln, wobei eine Oberfläche des Sensors photosensitive Bereiche und nicht-photosensitive Bereiche sowie mehrere auf nicht- photosensitiven Bereichen angeordnete Einrichtungen zur Streulichtreduktion mit reflektierenden und nicht-reflektierenden Komponenten aufweist, die diese nicht- photosensitiven Bereiche zumindest teilweise abdecken und dabei Hohlraum-Strukturen bilden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Lichtlaufzeitsensor für ein Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystem, ein entsprechendes Lichtlaufzeit-Sensormodul sowie ein Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystem anzugeben, die verbesserte Streulicht-Eigenschaften aufweisen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sensor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen ist vorgesehen, dass dieser zumindest eine Absorberstruktur zur Reduktion von Streulicht auf der genannten Seite des Lichtlaufzeitsensors umfasst, wobei diese Absorberstruktur auf zumindest einem der nicht-photosensitiven Bereiche angeordnet ist und die diesen nicht-photosensitiven Bereich zumindest teilweise abdeckt und dabei mindestens einen Hohlraum-Absorber bildet. Dieser Hohlraum-Absorber fungiert als eine Art schwarzer Körper. Ein schwarzer Körper absorbiert auftreffende elektromagnetische Strahlung -wie Licht- vollständig. Er lässt keine Strahlung hindurch und spiegelt oder streut nichts. Der Schwarze Körper sendet lediglich eine seiner Temperatur entsprechende als Wärmestrahlung oder Schwarze Strahlung bezeichnete elektromagnetische Strahlung aus. Ein Schwarzer Körper ist daher eine idealisierte thermische Strahlungsquelle. Ein Aufbau, der dem schwarzen Körper recht nahe kommt, ist der Hohlraum-Absorber. Der Hohlraum-Absorber ist ein Hohlkörper mit einer Öffnung und nahezu vollständig absorbierenden (Innen-)Wänden, der die durch die Öffnung einfallende Strahlung fast vollständig absorbiert. Laser-Leistungsmesser verwenden oft Hohlraum-Absorber zur thermischen bzw. kalorimetrischen Bestimmung der durch die Öffnung in den Hohlraum einfallenden Laserstrahl-Leistung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Pixel zumindest einen Teil der photosensitiven Bereiche und zumindest einen Teil der nicht-photosensitiven Bereiche aufweist.
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Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pixel des Lichtlaufzeit-Sensors in einem Pixelarray angeordnet sind und dass die Absorberstrukturen die nicht-photosensitive Bereiche des Pixel-Arrays vollständig oder zumindest teilweise abdecken.
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Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Absorberstruktur oder zumindest eine der Absorberstrukturen eine T-förmige Kontur aufweist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die T-förmige Kontur der Absorberstruktur zwischen zwei Pixeln bzw. zwei Pixel-Reihen angeordnet ist. Die T-förmige Kontur ist bezüglich der photosensitiven Bereiche der Pixel bevorzugt so ausgerichtet, dass die Längsstrebe der T-Form in etwa an der Grenze zwischen zwei Pixeln verläuft und die darauf angeordnete Querstrebe den entsprechenden nicht-photosensitiven Bereich zwischen den photosensitiven Bereichen der beiden Pixel abdeckt. Dabei entstehen unter der Querstrebe der T-Form zwei Hohlraum-Absorber mit je einem dem photosensitiven Bereich des jeweiligen Pixels zugewandten Öffnungen. Durch diese Öffnung dringt das Streulicht in den jeweiligen Hohlraum-Absorber ein und wird dort (nahezu) vollständig absorbiert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jedem Pixel eine vor dem photosensitiven Bereich dieses Pixels angeordnete Mikrolinse zugeordnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor als PMD-Sensor (PMD: Photonic Mixing device) ausgebildet. PMD-Sensoren der genannten Art werden auch Photomischdetektoren genannt und sind beispielsweise aus der Druckschrift
DE 197 04 496 C2 bekannt. Diese Druckschrift zeigt unter anderem auch eine typische Struktur eines solchen photonischen Mischelements, also eines einzelnen Pixels eines Photomischdetektors. Unter einem PMD-Sensor oder Photomischdetektor ist ein optischer Sensor zu verstehen, dessen Funktionsprinzip auf dem Lichtlaufzeitverfahren (TOF: Time of Flight) beruht. Insbesondere weist jedes der Pixel des Photomischdetektors sowohl Modulationsphotogates als auch Akkumulationsphotogates auf. Die Strukturierung weist entsprechende Gate-Strukturen auf.
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Bei dem erfindungsgemäßen Lichtlaufzeit-Sensormodul für ein Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystem, insbesondere ein Lichtlaufzeitkamerasystem, ist vorgesehen, das dieses Sensormodul einen vorstehend genannten Sensor und gegebenenfalls eine Empfangsoptik aufweist. Das Lichtlaufzeit-Sensormodul eines Lichtlaufzeit-Kamerasystems wird oftmals auch als Lichtlaufzeit-Kamera bezeichnet.
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Bei dem Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystem, welches ein Beleuchtungsmodul zum Aussenden modulierten Lichts und ein Lichtlaufzeit-Sensormodul zum Empfang modulierten Lichts aufweist, ist vorgesehen, dass das Sensormodul als vorstehend genanntes Sensormodul ausgebildet ist. Das Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystem ist insbesondere ein Lichtlaufzeitkamerasystem, dessen Lichtlaufzeit-Sensormodul ein bildgebendes Lichtlaufzeit-Sensormodul beziehungsweise eine Lichtlaufzeitkamera ist.
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Derartige Lichtlaufzeitkamerasysteme betreffen sowohl ein Lichtlaufzeitkamerasystem, das nicht nur die Entfernungen direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln, sondern insbesondere auch alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie in der
DE 197 04 496 C2 beschrieben und beispielsweise von der Firma ‚ifm electronic GmbH‘ oder ‚PMD-Technologies GmbH‘ als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Entfernungsmesssystem neben Kameras auch Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät O1D der Anmelderin.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 einen Teil eines Lichtlaufzeit-Sensors des Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittdarstellung,
- 3 einen Teil eines Lichtlaufzeitsensors gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittdarstellung und
- 4 einen Teil eines Lichtlaufzeitsensors gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittdarstellung.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystems 10, welches im Beispiel ein Lichtlaufzeitkamerasystem 10' ist. Das Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystem 10 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 12 mit einer Beleuchtung 14 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 16 sowie ein Lichtlaufzeit-Sensormodul 18 bzw. eine Lichtlaufzeitkamera mit einer Empfangsoptik 20 und einem Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist ein Pixel-Array 24 auf (wobei Teile dieses Arrays 24 in den 2 bis 4 dargestellt sind) und ist im Beispiel als PMD-Sensor 26, auch photonischer Mischelemente-Sensor genannt, ausgebildet. Die Empfangsoptik 20 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 16 des Beleuchtungsmoduls 12 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann gegebenenfalls auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.
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Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Beleuchtung 14 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 28 mit einem Modulationssignal M0 beaufschlagt.
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Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 28 und der Beleuchtung 14 ein Phasenschieber 30 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals M0 der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.
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Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 32 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + Δφ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M0 mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
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Ferner ist ein Modulationssteuergerät 34 vorgesehen, mit dem die Form, Frequenz und insbesondere Puls und Pausenverhältnisse des Modulationssignals vorgegeben werden. Auch kann über das Modulationssteuergerät 34 der Phasenschieber 30 in Abhängigkeit der durchzuführenden Messaufgabe angesteuert werden.
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Als Beleuchtungs- beziehungsweise Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden und -Laserdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.
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Die 2 zeigt einen Teil des Lichtlaufzeitsensors 22 in einer Schnittdarstellung. Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist ein Halbleitersubstrat 36 als Basis 38 und mehrere auf einer Seite 40 dieser Basis 38 bzw. des Sensors 22 (im Beispiel die Oberseite) angeordnete Pixel 42 auf, die in Form des bereits erwähnten Pixelarrays 24 angeordnet sind. Besagte Seite 40 mit den Pixeln 42 des Lichtlaufzeitsensors 22 kann in photosensitive Bereiche 44 und nicht-photosensitive Bereiche 46 unterteilt werden, wobei auch das Pixelarray 24 beziehungsweise jedes einzelne Pixel 42 photosensitive Bereiche 44 als auch nicht-photosensitive Bereiche 46 umfasst.
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Auf die photosensitiven Bereiche soll möglichst nur aus dem Beleuchtungsmodul 12 stammendes und von Objekten 32 reflektiertes Nutzlicht 48 treffen. Streulicht 50, welches auf einen der nicht-photosensitive Bereiche 46 fällt, soll möglichst vollständig absorbiert werden. Zu diesem Zweck weist der Lichtlaufzeitsensor 22 Absorberstrukturen 52 auf, die auf den nicht-photosensitiven Bereichen 46 des Pixelarrays 24 angeordnet sind und die diese nicht-photosensitiven Bereich 46 zumindest teilweise abdecken und dabei einen oder mehrere Hohlraum-Absorber 54 bilden. Ein Hohlraum-Absorber 54 ist ein Hohlkörper mit einer Öffnung und nahezu vollständig absorbierenden (Innen-) Wänden, der die durch die Öffnung einfallende Strahlung fast vollständig absorbiert.
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Die im Beispiel gezeigten Absorberstrukturen 52 weisen eine T-förmige Kontur 56 auf und sind bezüglich der photosensitiven Bereiche 44 der Pixel 42 so ausgerichtet, dass die Längsstrebe der T-Form an der Grenze zwischen zwei Pixeln 42 verläuft und die darauf angeordnete Querstrebe den entsprechenden nicht-photosensitiven Bereich 46 zwischen den photosensitiven Bereichen 44 der beiden Pixel 42 abdeckt. Dabei entstehen unter der Querstrebe der T-Form zwei Hohlraum-Absorber 54 mit je einem dem photosensitiven Bereich 44 des jeweiligen Pixels 42 zugewandten Öffnungen. Durch diese Öffnung dringt das Streulicht in den Hohlraum-Absorber 54 ein und wird dort (nahezu) vollständig absorbiert.
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Die 3 zeigt einen Teil eines Lichtlaufzeitsensors 22 in Schnittdarstellung, der gegenüber dem in 2 dargestellten Sensor-Teil leicht abgewandelt ist. Bei diesem Sensor 22 sind die Absorberstrukturen 52 leicht verschoben. Dabei deckt diese nicht nur einen Teil des nicht-photosensitiven Bereichs 46 ab, sondern auch einen kleinen Bereich des photosensitiven Bereichs 44.
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Mit anderen Worten sind die Absorberstrukturen 52 je nach Bildfeldposition leicht zu versetzen um den flacheren Einfall Rechnung zu tragen. Dabei ist der freie Bereich zwischen den Absorberstrukturen 52 mit T-förmiger Kontur 54 so gestaltet, dass er auf das Objektiv-Design optimiert ist. So muss z.B. bei Sensormodulen mit hohem Chief-Ray-Angle - also sehr lichtstarken, kompakten Systemen - dieser Bereich größer gewählt werden.
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Die 4 zeigt einen gegenüber den 2 und 3 leicht abgewandelten Teil eines Lichtlaufzeitsensors 22 in Schnittdarstellung. Dieser Lichtlaufzeitsensor 22 entspricht im Wesentlichen dem Lichtlaufzeitsensor 22 der 2 und 3, jedoch ist bei dieser Ausgestaltung jedem Pixel 42 eine vor dem photosensitiven Bereich 44 dieses Pixels 42 angeordnete Mikrolinse 58 vorgesehen. Diese sind auf den Absorberstrukturen 52 befestigt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystem
- 10'
- Lichtlaufzeitkamerasystem
- 12
- Beleuchtungsmodul
- 14
- Beleuchtung
- 16
- Strahlformungsoptik
- 18
- Lichtlaufzeitkamera
- 20
- Empfangsoptik
- 22
- Lichtlaufzeitsensor
- 24
- Pixelarray
- 26
- Photonischer Mischelemente-Sensor
- 28
- Modulator
- 30
- Phasenschieber
- 32
- Objekt
- 34
- Modulationssteuergerät
- 36
- Halbleitersubstrat
- 38
- Basis
- 40
- Seite des Sensors
- 42
- Pixel
- 44
- photosensitiver Bereich
- 46
- nicht-photosensitiver Bereich
- 48
- Nutzlicht
- 50
- Streulicht
- 52
- Absorberstruktur
- 54
- Hohlraum-Absorber
- 56
- T-förmige Kontur
- 58
- Mikrolinse
- d
- Abstand
- M0
- Modulationssignal
- φvar
- Phasenlage
