Modellierung von 3D-Time-of-Flight-Sensoren und -Systemen

Driewer, Adrian

Optische Distanzmessungen erlangen in jüngster Zeit immer größere Bedeutung. Die Anwendungsgebiete erstrecken sich vom Laser-Entfernungsmesser aus dem Baumarkt über Gestenerkennung bei Spielkonsolen bis hin zu autonomen Fahrzeugen. Die in dieser Arbeit eingesetzte Methode zur optischen Distanzbestimmung ist das so genannte pulse-modulated Time-of-Flight-Verfahren (pm ToF). Dabei wird die Zeit bestimmt, die ein ausgesendeter Lichtpuls benötigt, bis er an einem Objekt reflektiert wird und von dort auf einen Sensor trifft. Aus dieser Laufzeit lässt sich die Entfernung zu dem Objekt berechnen. Es hat sich gezeigt, dass die ermittelte Distanz von der Bestrahlungsstärke abhängt. In der Praxis führt dies zu unterschiedlichen Messergebnissen für Flächen unterschiedlicher Reflektanz in derselben Entfernung. Mit Hilfe des in dieser Arbeit entwickelten Modells konnte gezeigt werden, dass dieser Effekt in der bestrahlungsabhängigen Driftgeschwindigkeit der durch den Laserpuls generierten Ladungsträger im Photoaktivgebiet begründet ist. Die Drift wird über eine inhomogene, nichtlineare, partielle Differentialgleichung beschrieben und diese für einige Spezialfälle analytisch gelöst. Darauf aufbauend wird die Bewegung der Ladungsträger ausführlich numerisch untersucht und mit Messergebnissen bestehender Sensoren verglichen. Dabei zeigt sich, dass Simulation und Messung gut übereinstimmen und der Ladungstransport somit durch das Modell gut beschrieben wird. Mit den Erkenntnissen des Modells und den Vorhersagen bezüglich der Transferzeit ist es möglich, das Photoaktivgebiet für einen möglichst schnellen Ladungstransport zu optimieren. Dies wird anhand eines neuen Pixel-Layouts demonstriert, das mit Hilfe des Modells entworfen und anschließend gefertigt wurde. Da auch ein optimiertes Pixel die Bestrahlungsabhängigkeit nicht vollständig eliminieren kann, wird als weitere Anwendung des Modells eine angepasste Kalibrationsmethode vorgestellt. Durch das Modell können Korrekturen berechnet werden, die das dynamische Verhalten des Sensors berücksichtigen. Die gemessenen Signale werden hiermit verrechnet und es kann eine deutliche Verbesserung der Distanzmessung erreicht werden.

The importance of optical distance measurement is continuously growing in modern day life. Various applications ranging from simple hand-held distance measuring gadgets to more complex gesture control for video games or autonomous driving systems are based on the technology. The distance measurement technique used in this work is the so-called pulse-modulated time-of-flight method. In this case, the distance to an object is resolved from a time interval a laser pulse requires to travel to the object and after being reflected to a sensor. Measurement data show that calculated distance depends on the irradiance, thus leading to different results for dark and bright areas in the same distance. To study this phenomenon a special simulation model has been introduced, which reveals that the effect originates from the irradiance dependent drift velocity of charge carriers generated in the sensor photoactive area by the reflected laser pulse. In the model the charge transport is described by an inhomogeneous, non-linear, partial differential equation, which has been solved analytically for various cases and compared to measurements on actual time-of-flight sensors. The result was an excellent agreement between the model based simulation and measurement data. Implications of the model and prediction of the charge transfer allow for optimization of sensor pixel geometry and doping gradient to achieve fast charge transfer. The procedure has been demonstrated on a sensor with a newly designed pixel photoactive area. Optimization of the sensor photoactive area cannot eliminate the irradiance dependence completely. Therefore, an advanced calibration algorithm has been developed: from the intensity of the reflected pulse and calculated transient behavior corrections can be calculated, which consider dynamic properties of a sensor. By applying these corrections to the measured sensor output signal precision of a range measurement can be dramatically enhanced.

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Driewer, Adrian: Modellierung von 3D-Time-of-Flight-Sensoren und -Systemen. 2016.

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