Der Photomischdetektor zur schnellen 3D-Vermessung für ...

1 Grundlagen
Über den inneren Photoeffekt lösen die einfallenden Photonen in der lichtempfindlichen
p-Siliziumschicht Elektronen aus ihren Bindungen und generieren auf diese Weise
Elektron-Loch-Paare. Wird eine Gegentaktmodulationsspannung um an die transparenten
Photogates angelegt, so entsteht ein Potenzialgefälle im photosensitiven Bereich
unterhalb der Modulationsgates. Durch das elektrische Feld werden die Ladungsträgerpaare
separiert. Variiert die Polarität der angelegten Modulationsspannung, so ändert
sich auch die Neigung des sich ausbildenden Potenzialgefälles und die Elektronen werden
je nach Polarität zur linken oder rechten Auslesediode dirigiert. Die erzeugten
Löcher driften unabhängig vom Potenzialgefälle zur gemeinsamen Anode.
Der sich zeitlich ändernde Potenzialverlauf entspricht demnach einer Elektronenschaukel,
die exakt den gewünschten Mischeffekt bewirkt. Dies wird durch den unteren
Teil von Abbildung 1.5 verdeutlicht. Fällt unmoduliertes Licht konstanter Intensität
auf ein PMD-Pixel, so werden bei jeder Schaukelstellung gleich viele Elektronen auf
die gewünschte Seite bewegt (b). Handelt es sich bei dem zu detektierenden Licht um
ein moduliertes Intensitätssignal, so bewirkt das Anlegen einer mit der äquivalenten
Frequenz modulierten Gegentaktspannung korrelierte Auslesesignale (c), die direkt mit
der jeweiligen Phasenverzögerung korrespondieren.
Zur Vervollständigung der Korrelationsbestimmung werden die Auslesesignale als
Ergebnis der Multiplikation auf beiden Seiten des PMD-Chips auf Speicherkapazitäten
integriert. Die resultierenden Ladungszustände dieser Kondensatoren nach der Integration
über ganzzahlige Vielfache der Periodendauer entsprechen exakt den Korrelationssignalen
aus Gleichung 1.5 und 1.6. Die Auswertung zur Bestimmung der Entfernung
erfolgt für harmonische Modulationssignale analog zum vorgestellten “Lockin”-Verfahren
aus Abschnitt 1.1 über mindestens zwei Differenzen der Auslesesignale.
Die Summation der Korrelationswerte liefert die Gesamtzahl der erzeugten Ladungsträger
und korrespondiert daher mit dem von herkömmlichen 2D-Kameras bekannten
Grauwert.
1.2.2 Optimierte PMD-Strukturen
Nachdem 1997 die Prinziptauglichkeit der PMD-Technologie mit Hilfe des ersten PMD-
Layouts unter Beweis gestellt werden konnte, wurden am Institut für Nachrichtenverarbeitung
(INV) der Universität Siegen unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Schwarte
weitere Schritte unternommen, um die Performance der PMD-Strukturen zu optimieren.
Mittels Untersuchungen zur Charakterisierung der spektralen Eigenschaften der
PMD-Bauelemente konnte festgestellt werden, dass sich der Mischprozess im sichtbaren
Bereich bei 600 nm deutlich effektiver gestaltet als bei Verwendung von Infrarotsendemodulen,
die für einen Einsatz im Automobilbereich erforderlich sind. Die Ursache für
diesen Effekt konnte am INV über Halbleitersimulationen [RiBu99] ermittelt werden,
deren Ergebnisse in der nachfolgenden Darstellung gezeigt sind.
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