SPAD-basierte Sensoren für die laufzeitbasierte Distanzmessung bei hoher Hintergrundlichtintensität
Die dreidimensionale Erfassung der Umgebung bietet vielfältige Möglichkeiten in vielerlei Anwendungen. Im Automobilbereich wird sie heute in Fahrerassistenzsystemen wie Notbremssystemen zur Erhöhung der Sicherheit eingesetzt. Auch für eines der großen Zukunftsthemen der Branche, dem autonomen Fahren, spielt sie eine entscheidende Rolle. In den letzten Jahren erlangte die Nutzung elektromagnetischer Wellen im sichtbaren oder infraroten Bereich für die berührungslose Distanzmessung, das sogenannte Light Detection and Ranging, zunehmende Bedeutung. Dieses Verfahren basiert auf der Messung der Zeit, die ein ausgesendetes Lichtsignal zum Zielobjekt und wieder zurück benötigt. Zur Minimierung der emittierten Lichtleistung sind hochempfindliche Photodetektoren nötigt, weshalb in der vorliegenden Arbeit auf Single-Photon Avalanche Dioden basierende Sensoren betrachtet werden. Der Einsatz dieser Systeme in einer Umgebung mit hohem Hintergrundlicht stellt eine der größten Herausforderungen für den Einsatz im Automobil dar.
Im Rahmen der Arbeit wurde ein Laufzeitsensor für Anwendungen im Automobil entwickelt, wobei die Reduktion des negativen Einflusses hoher Hintergrundstrahlung im Vordergrund stand. Hierfür wurde zunächst die Statistik der bekannten Verfahren bei Verwendung von Single-Photon Avalache Dioden betrachtet und Modelle zu Bestimmung der Messvarianz entwickelt. Auf Grundlage dieser Modelle wurden im weiteren Konzepte zur Reduktion des Hintergrundlichteinflusses auf die Distanzmessung entworfen. Jedes Konzept wurde theoretisch unter Zuhilfenahme von statistischen Berechnungen sowie mittels Simulationen untersucht und bewertet. Die Betrachtung der verschiedenen Konzepte ließ den Schluss zu, dass eine direkte Laufzeitmessung, bei welcher die Laufzeit eines ausgesendeten Laserpulses mittels einer hochauflösenden elektronischen Stoppuhr gemessen wird, in Verbindung mit der Erfassung zeitlich korrelierter Photonen das beste Ergebnis verspricht. Basierende auf diesen Erkenntnissen wurde ein entsprechender Doppelzeilensensor mit 192 Pixeln je Zeile, wobei jedes 4 Dioden zur Detektion zeitlich korrelierter Photonen mit einer Korrelationszeit unterhalb der SPAD-typischen Totzeit enthält, in einem 0,35-µm-CMOS-Prozess entwickelt und charakterisiert. Der Sensor wurde dabei so entworfen, dass die Parameter der Photonenkorrelation variabel sind, was eine gleichbleibende Messleistung bei unterschiedlicher Reflektanz des Zielobjektes ermöglicht. Die Messergebnisse zeigen eine hohe Übereinstimmung mit den theoretischen Berechnungen und bestätigen die Machbarkeit einer Messung bei hohem Hintergrundlicht.
The three-dimensional perception of the environment offers many different possibili-ties in many different applications. In the automotive field it is used in driver assistance systems like emergency braking to improve the traffic safety. Additionally, in autono-mous driving, one of the most important topics in automotive today, environment observation is essential. In recent years the use of electromagnetic waves in the visible or near infrared spectrum for distance measurement gained more and more interest. This technique, called light detection and ranging, obtains the distance from the time an emitted light signals needs to travel to an object and back to the sensor. To minimize the required optical emission power high sensitive photodetectors are required, therefore, sensors based on single-photon avalanche diodes are investigated in this work. The operation of these systems in high ambient illumination environments is one of the main problems for the use in automotive applications.
In this work a time-of-flight sensor for automotive applications with focus on the reduction of the negative influence of high ambient illumination was developed. In the first step the statistics of the known measurement techniques using single-photon avalanche diodes as detectors were investigated and models for determining the distance uncertainty were developed. Based on these models concepts to reduce the negative influence of ambient light have been designed. Each concept was investigated and evaluated by the use of theoretical calculations as well as simulations. As a result of the investigations, the direct time-of-flight technique along with the detection of temporal correlated photons was chosen for the sensor design. In the direct technique the time-of-flight of a short light pulse is measured by a high resolution electronical stopwatch. Based on this technique a double line sensor with 192 pixels in each line was designed in a 0.35 µm standard CMOS process and characterized. Each pixel of the sensor uses four single SPADs to allow the detection of correlated photons having a temporal spacing shorter than the dead time of the SPADs. Additionally, several parameters of the correlation detection circuit are adjustable to allow a constant measurement performance at varying target reflectivity. The performed measurements of the sensor show a good agreement with the theoretical calculations and confirm the feasibility of distance measurements at high ambient illumination.
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