具有电荷补偿装置的光传播时间传感器的制作方法

本发明涉及一种飞行时间传感器，其包括根据独立权利要求的类型的用于在飞行时间像素的集成节点处进行电荷补偿的装置。

背景技术：

飞行时间传感器或通常的飞行时间摄像机系统特别应当包括所有的飞行时间(TOF)或3D-TOF摄像机系统，该3D-TOF摄像机系统从发射的相移中导出飞行时间信息并接收辐射。作为飞行时间摄像机系统或3D-TOF摄像机系统或具有光子混合检测器(PMD)的特别是PMD摄像机是合适的，例如尤其在申请EP 1777747A1，US 6587186B2和DE 19704496A1中描述的是可用的，例如由公司“ifm electronic GmbH”或“PMD Technologies GmbH”作为帧抓取器O3D或CamCube。PMD摄像机尤其能够实现光源和检测器的柔性布置，其可以布置在壳体内并且单独布置。特别地，飞行时间摄像机系统还应当包括其中飞行时间传感器仅包括一个像素或少量像素的系统。

为了确定反射光的距离或相应的相移，反射光与PMD传感器内的调制信号混合，如DE 19704496A1中详细描述的。该混合提供同相信号(0°)和偏移180°的信号，可以以已知的方式确定距离。为了提高距离测量的质量，可以提供以有针对性的方式移位发射调制，例如，90，180°或270°，并且确定反射信号相对于优选地借助于IQ(同相，正交)解调的发射信号的相位角。该过程对于导出冗余信息特别有用，例如，以补偿各种寄生效应，例如固定模式噪声(FPN)，背景光或传感器的不对称性。

此外，从DE 10 2004 016626 A1和DE 10 2005 056774 A1中，而且已知所谓的SBI(抑制背景照明)电路，其借助于背景光的像素特异性抑制来增强像素的动态。

技术实现要素：

本发明的目的是进一步改善飞行时间传感器的动态范围。

该目的通过根据独立权利要求的飞行时间传感器有利地实现。

有利地，提供了飞行时间传感器，其包括用于解调所接收的调制光的至少一个飞行时间像素，其中飞行时间像素包括至少两个集成节点，其中集成节点连接到用于电荷补偿设备。电荷补偿装置包括至少两个SBI输入晶体管，其在集成节点的电势上达到SBI阈值和/或在饱和电势的方向上超过阈值，以这样的方式驱动SBI电流晶体管，使得每个飞行时间像素的集成节点被提供有相同电平的补偿电流。这里，SBI电流晶体管的源极端不被供应电源电压，而是具有工作电压。

该过程的优点在于，借助于独立于电源电压的SBI电流晶体管的操作，可以提供用于设置SBI阈值的更大裕度。

优选地，重置电压被用作SBI电流晶体管的工作电压。通过该过程以简单的方式，可以依赖于已经存在的电势，并且用于设置SBI阈值的裕度可以无需大的努力地扩展。

在另一实施例中，设置用于重置到第一重置电势(U_RES1)和用于将SBI阈值提供到第二优选较低重置电势(U_RES2)的处理的重置电压。

附图说明

在下文中，将参照附图以及基于示例性实施例来解释本发明。

附图示意性地示出:

图1是飞行时间摄像机系统；

图2是解调的基本原理；

图3是贯穿具有电势分布的PMD像素的横截面；

图4是相对于入射光量的振幅的行为；

图5是具有SBI使用和不具有SBI使用飞行时间像素处的电势曲线；

图6是从现有技术中已知的用于电荷补偿的电路；

图7是根据本发明的电荷补偿装置；

图8是具有保持晶体管的根据本发明的电荷补偿的装置；

图9是具有可变重置电压的飞行时间像素处的电势曲线；以及

图10是根据图6的在SBI电流晶体管处具有工作电势的电路。

具体实施方式

在优选实施例的以下描述中，相同或类似的部件由相同的附图标记表示。

图1示出了包括飞行时间摄像机的光学距离测量的测量情况，其例如从DE19704496 A1中已知。

飞行时间摄像机系统1包括传送单元或照明单元10，该传送单元或照明单元10包括光源12和相关联的光束成形光学器件15以及接收单元或飞行时间摄像机20，该飞行时间摄像机20包括接收光学器件25和飞行时间传感器22。飞行时间传感器22包括至少一个飞行时间像素23，然而优选地是像素阵列，并且特别地被构造为PMD传感器。接收光学器件25通常由若干光学元件组成，以便改善成像特性。传送单元10的光束成形光学器件15优选配置为反射器。

该布置的测量原理基本上基于这样的假设，即从发射和接收的光的相移开始，可以确定接收光的行程时间t_L以及由此确定接收的光行进的距离。为此，光源12和飞行时间传感器22一起通过调制器30被提供具有第一相位位置p1的特定调制频率M(p1)。根据调制频率，光源12发射具有第一相位位置p1的调幅信号S(p1)。该信号或电磁辐射在所示的情况下由物体40反射，并且作为具有相应相移的接收信号S(p2)入射到飞行时间传感器11上，该相应相移具有第二相位位置其由于行进距离而获得。在飞行时间传感器22中，调制信号M(p1)与接收信号S(p2)混合，并且根据结果信号确定相移t_L或物距d。

该基本原理在图2中示意性地示出。上部曲线示出了照明单元12和飞行时间传感器22被驱动的调制频率M(p1)的当时的曲线。被物体40反射的光作为具有对应于其飞行时间t_L的相移(t_L)的接收信号S(p2)入射到飞行时间传感器22上。飞行时间传感器22在第一集成节点Ga的调制频率M(p1)的相位位置中的多个调制周期上累积光子产生的电荷q，并且在第二集成节点Gb中相移为180°的相位位置M(p1+180°)上累积光子产生的电荷q。根据在第一和第二集成节点Ga，Gb中累积的电荷qa，qb的比率，可以确定对象的相移从而确定对象的距离d。

图3示出了例如从DE 19704496C2已知的光子混合检测器的像素的横截面。调制光门Gam，G0，Gbm基本上被配置为透明的并且被布置在飞行时间或PMD像素的光敏区域中。根据施加到调制栅极或调制光门Gam，G0，Gbm的电压，光子产生的电荷q被引导到一个或到另一个集成节点Ga，Gb。这里，“集成节点”通常是指发生电荷积累的结构。这例如可以是MOS(金属氧化物半导体)结构中的累积栅极。此外，可以想到将集成节点配置为二极管结构。

图3b示出了其中电荷q在第一集成节点Ga的方向上流动的电势曲线，并且图3c示出了电荷q在第二集成节点Gb的方向上流动的互补电势曲线。电势例如可以根据所应用的调制频率来预设。根据应用的情况，调制频率优选在1至1000MHz的范围内。在例如1MHz的调制频率下，获得一微秒的周期，使得调制电势相应地每500纳秒变化。

此外，在图3a中，示出了读出装置400，其可选地可以已经是实施为CMOS的飞行时间传感器22或PMD传感器的组件。集成节点Ga，Gb在多个调制周期上对光子产生的电荷进行集成。以已知的方式，例如，然后在集成节点Ga，Gb处提供的电压Ua，Ub可以由读出装置400以高阻抗分接。优选地选择集成时间，使得对于光量到期望飞行时间传感器或集成节点和/或光敏区域不会达到饱和。

作为对在集成节点Ga，Gb处提供的电压Ua，Ub的测量的替代，可以测量在放电期间流动的电流ia，ib。

图4示意性地示出了电变量的相关性，例如，飞行时间像素或集成节点的电压振幅对光量的依赖性。光通量以已知的方式由光通量和照射时间确定。在感光区域中与光量成比例地产生电荷载流子q，并且借助对应于调制频率的调制栅极Gam，G0，Gbm处提供的电势将其分布到集成节点Ga，Gb。这些被分离的电荷qa，qb可以以高阻抗作为电压信号Ua，Ub或者在集成节点处的电压幅度被利用，或者可选地在集成节点的放电处被测量为电流ia，ib。因此，这些电变量对应于相位相关光通量或相应的光通量。

可能的动态范围通常扩展几个数量级。动态范围的程度基本上取决于飞行时间像素23的光敏层的表面积以及集成节点Ga，Gb的电容Cint以及可能还取决于读出电路中的动态增强元件，例如用于抑制直接部件的特殊特征或主动概念。优选地确定飞行时间传感器22或单个飞行时间像素23的集成时间色调，使得对于应用，飞行时间像素23将不会进入饱和。然而，随着集成时间的减少或集成时间的减少的类似物，可用电荷或集成节点处的电势越来越降低，并且由于信噪比的降低导致距离确定中的不确定性增加，例如如图4中的标准偏差的虚线曲线所示。集成时间的工作范围的下边界因此应该优选地选择成使得预期的距离误差仍然在允许的公差或标准偏差内，其中上限优选为应低于饱和度。

优选地，飞行时间像素23设置有所谓的背景光抑制或SBI(背景照明的抑制)电路，其取决于某些输入变量，在集成节点Ga，Gb处放电提供的部分电荷qa，qb，以便避免或延迟由于太高的环境光或有用信号导致的飞行时间像素23的饱和。

图5示出了在测量期间在集成节点Ga，Gb处提供的电压Ua，Ub的可能曲线。在重置之后，在集成节点Ga，Gb处提供具有正电势的重置电压U_RES。在所示的示例中，电荷补偿在开始时间t0处的开始测量应该不是有效的。随着累积的电荷载流子或光电子的数目的增加，集成节点Ga，Gb处的电压Ua，Ub减小。

如果在进一步的过程中，集成节点Ga，Gb处的电荷没有被补偿，则在集成节点Ga，Gb处的电势Ua，Ub进一步减小，如虚线所示。在所示的情况下，第二集成节点Gb在饱和时间ts达到饱和电势Usat，集成节点从饱和时间ts进入饱和，并且所提供的累积电荷或电压的相位关系丢失。饱和发生在由于半导体中不足的电势梯度而不能积累进一步的电荷载流子时或者读出装置400的动态范围被剩下时。从这个时间向前确定的距离值是错误的。

为了防止或延迟这种饱和，从DE 10 2005 056774 A1中已知，一旦集成节点Ga，Gb达到SBI潜在阈值U_SBI，则在第一时间t1的两个集成节点Ga，Gb处执行电荷补偿。通过向两个集成节点Ga，Gb提供补偿电流i_k来进行电荷补偿。例如，补偿电流i_k可以根据来自(Ua，Ub)的较大电势降的斜率来确定，并且如果必要，可以用补偿因子k来调整，如果必要：

还可以优选地经由取决于控制系统在集成节点Ga，Gb处提供的电变量i_a，i_b，Ua，Ub来提供补偿电流i_k。这样的控制系统例如以从DE 10 2004 016626 A1，尤其是从DE 10 2005 056774 A1的各种变形中已知，其通过引用明确地并入本文。这种控制系统的特征在于，补偿电流i_k由控制系统预先确定，使得首先达到SBI电势阈值U_SBI的集成节点在电势上保持恒定。

这种方法在图5中由实线示出。首先在不提供补偿电流ik的情况下执行如上所述的电荷的累积。在所示示例中，第二集成节点Gb具有最大的电势降落并且首先达到SBI电势阈值U_SBI。借助于SBI控制，现在设想提供补偿电流ik，使得该集成节点Gb处的电势基本上保持恒定。第一集成节点Ga被提供以相同电平的补偿电流i_k，并且因此被准过度补偿，使得电势随着补偿的开始而增加。该过度补偿可以发生，直到第一集成节点Ga基本上达到由电路限定的基本电势Ucom。

图6通过示例示出了从DE 10 2005 056774 A1中已知的用于电荷补偿的SBI电路500。优选地，SBI电路500是读出装置400的组成部分。然而，原则上，独立于读出装置400的配置是可能的。在本示例和以下示例中，所示的开关或晶体管M1-M7被配置为PMOS晶体管。

这些实现方式当然不限于PMOS结构，但是特别地也可以被配置为NMOS结构。只有电路中的电势分配发生变化。在NMOS实现的情况下，电源电压是负接地电势而不是正U_DD电势，并且参考电势在U_DD处。与其他电势的关系也相应改变。SBI电路500与控制晶体管M7以及第一和第二输入晶体管M1，M2组合形成具有双输入的源极跟随器，通过其驱动第一和第二SBI电流晶体管M3，M4。

在测量开始时，通常设置栅极电势，使得晶体管M1至M6关闭。优选地，在晶体管M7的栅极处已经施加控制电压U_S。然而，没有电流流过晶体管M7，因为晶体管M1和M2仍然闭合。

晶体管M3，M4和M7在源极端处连接电源电压U_DD。在重置晶体管M5，M6的源极端处，施加重置电势U_RES，并且可以利用重置开关电势U_{RES_N}驱动栅极。

集成节点Ga，Gb的电势Ua，Ub各自与优选地被配置为源极跟随器的存储器件300连接。此外，集成节点Ga，Gb的电势Ua，Ub也被施加到SBI输入晶体管M1，M2的栅极处。

如果在测量期间没有通过任何集成节点Ga，Gb到达SBI阈值U_SBI，则SBI输入晶体管M1和M2以及SBI电流晶体管M3和M4保持闭合，并且没有电荷补偿。在完成测量之后，借助于通过施加重置开关信号U_{RES_N}的重置开关M5，M6将集成节点Ga，Gb连接到重置电势U_RES，并且将集成节点Ga，Gb重置到该电势。

当在集成期间，集成节点Ga，Gb之一处的电压Ua，Ub达到SBI阈值U_SB1时，SBI输入晶体管M1或M2中的一个导通，使得电流I7从U_DD通过控制晶体管M7流向地GND。具有较低栅极电势的输入晶体管M1，M2确定源极跟随器的输出电压。两个SBI电流晶体管M3，M4由输出电压驱动，然后准备作为电流源以相同电平向两个集成节点Ga，Gb提供补偿电流i_k。

当达到SBI阈值时，补偿电流i_k的量等于下面的通道或已经首先达到SBI阈值的集成节点Ga，Gb的光电流。当如图5所示，第二集成节点Gb首先达到SBI阈值U_SBI时，第二输入晶体管M2确定源极跟随器的输出电压，并因此确定补偿电流i_k。

SBI切换阈值U_SBI可以在某些默认的结构内自由选择，并且基本上取决于以下因素。

其中U_S：控制电压，U_{th_min_a，b}：SBI输入晶体管M1，M2的有效SBI阈值电压；n：技术依赖拟合参数，U_T：温度相关电压分量；I_{0_M3,4}：通过晶体管M3或M4传输电流。

通过SBI电流晶体管M3，M4的漏极电流ID或补偿电流i_k以已知的方式从以下获得：

其中I₀：在晶体管处传输电流，U_GS：栅源电压，U_th：阈值电压，U_T：温度相关电压分量。

SBI阈值U_SBI主要由芯片设计中SBI和像素电路的尺寸确定。在操作状态中，基本上只有晶体管M7处的控制电压U_S可用于调节SBI阈值U_SBI。然而，由于与其他电势的相互作用，它仅在某些限制内变化。U_S的小变化通常伴随着源电流(亚阈值范围)的强烈变化。这导致SBI电路的控制特性的改变，并且特别是在较大像素矩阵的情况下，由于漏极电流I₇的增加导致总功率消耗的不可接受的增加。因此，通过控制电压U_S，SBI阈值U_SBI的设置仅在窄的限制内是有用的。

因此，为了克服根据本发明的这种限制，如图7所示，建议将SBI电流晶体管M3和M4不连接到电源电压U_DD，而是连接到工作电势，优选地连接到重置电势U_RES。

根据图7，电路中的SBI阈值U_SBI由下式给出：

其中U_{th_min_a，b}：SBI输入晶体管M1，M2的有效阈值电压；I_{0_M3,4，}：分别通过晶体管M3和M4的技术相关传输电流。各个电压利用的点在图中示出。

以这种方式，SBI阈值U_SBI不仅可以通过控制电压U_S设置，而且还可以通过显著更大的设置范围，也通过差值U_RES-U_DD来设置。在这种情况下，SBI输入晶体管M1，M2的有效阈值电压U_{th_min_a，b}的变化导致由于衬底效应的进一步贡献。

虽然根据图6的电路基于单个重置电压U_RES和小的可变SBI阈值U_SBI，但是根据本发明的过程允许在较大范围特别是还在目标设置工作电势或重置电压U_RES上设置SBI阈值U_SBI。

图8示出了另一实施例，其中集成节点Ga，Gb经由保持晶体管M8，M9连接到存储装置300。

此外，SBI阈值U_SBI可以适应于例如PMD传感器的埋沟崩溃电压。

此外，重置电压U_RES以及饱和电压Usat可以被设置为低于电源电压U_DD的值，例如通过在集成结束时的保持跳跃来避免电荷损失。

特别地，集成电压Ua，Ub的最大幅度可以通过根据本发明的方法来改变。

重置电压U_RES的产生可以被配置为使得可以产生至少两个不同的重置电压U_RES1,2。这样，集成的开始点和SBI电路500的阈值可以彼此独立地设置。

这样的方法在图9中通过示例示出。在开始时间t0，集成节点Ga，Gb处于第一重置电势U_RES1。在集成开始之后，重置开关被闭合，使得重置电压U_RES的变化不再影响电荷集成。

根据本发明，提供了在开始时间t0之后进一步减小重置电压U_RES，并且因此增加与SBI阈值U_SBI相关的差U_RES-U_DD。使用U_RES2<U_RES1遵循U_SBI2<U_SBI1。通过这种方法，如图9所示，可以进一步增加飞行时间像素或飞行时间传感器的动态。

在根据图10的另一实施例中，还可以提供在SBI电流晶体管M3，M4处施加自己的工作电势U_ARB。借助于此，可以独立于重置电势U_RES的要求来设置工作电势，其中对于电势分布适用：

GND＜U_sat＜U_SBI＜U_ARB＜U_DD

GND＜U_sat＜U_SBI＜U_RES＜U_DD。

标号列表

1 飞行时间摄像机系统

10 照明单元，传送器

20 接收器，飞行时间摄像机

12 光源

22 飞行时间传感器

30 调制器

飞行时间特定相移

相位位置

基本相位

M₀ 调制信号

p1 第一相位

P2 第二相位

Sp1 第一相位传送信号

Sp2 第二相位传送信号

Ga，Gb 集成节点

Ua，Ub 集成节点处电压

d 物距

300 存储装置

400 读出装置

500 SBI电路，电荷补偿装置

U_com 基本电势

U_SBI SBI阈值

U_RES 重置电压

U_RES-N 重置开关电势

U_DD 电源电压

U_S 控制电压

U_th 阈值电压

U_Sat 饱和电势

M1 开关/晶体管

M1，M2 SBI输入晶体管

M3，M4 SBI电流晶体管

M5，M6 重置开关

M7 控制晶体管

M8，M9 保持晶体管