Enhanced dynamic range distance measurement sensor with low noise

Abstract

Zusammen mit dem technologischen Fortschritt wächst auch der Bedarf Tiefeninformationen einer Szenerie aufzeichnen zu können, um diese zusätzliche Information für eine Vielzahl von Anwendungen nutzen zu können. Es wurden viele unterschiedliche Verfahren entwickelt um diese Aufgabe zu erfüllen. Doch bis jetzt kann keines dieser Verfahren zuverlässig die Distanz bestimmen. Die entscheidenden Herausforderungen sind dabei eine hohe Tiefenauflösung und eine hohe laterale Auflösung zu erreichen und sicherzustellen, dass der Sensor unempfindlich gegenüber Hintergrundlicht (BGL) ist. Verglichen mit anderen Verfahren ist das Time-of-Flight (TOF) Verfahren das vielversprechendste und wird daher in dieser Dissertation verwendet. In dieser Arbeit wird eine entscheidende Verbesserung in drei dimensionalen (3D) TOF Systemen vorgeschlagen. Um in der Lage zu sein, das Rauschverhalten effektiv verbessern zu können, wird erstmalig eine detaillierte Berechnung des Rauschens durchgeführt. Diese wird im 2.<br />Kapitel vorgestellt. Diese Untersuchung wird auch für zukünftige TOF-basierte Sensoren eine gute Vorhersage der Leistungsfähigkeit ermöglichen. Darüber hinaus werden damit auch alle wichtigen Rauschquellen erwähnt. Im dritten Kapitel wird ein TOF basierter opto-elektronisch integrierter Schaltkreis beschrieben, der erstmalig in einem Standard 90 nm CMOS Prozess hergestellt wurde. The vorgestellte Schaltung ist fähig, auch starke Einstrahlung von Hintergrundlicht zu bewältigen und damit den neuen Stand der Technik zu setzen. Darüber hinaus wurden die Leistungsaufnahme und der Füllfaktor der Pixelfläche verbessert. Die erreichten Werte übertreffen jene der anderen Verfahren mit Hintergrundlichtunterdrückung. Zu guter Letzt wird die Untersuchung von Fotodetektoren in 90nm CMOS vorgestellt. Diese könnten zukünftige OEIC Entwürfe beeinflussen. Im vierten Kapitel wird ein neuer Ansatz zur Hintergrundlichtunterdrückung und damit auch zur Vergrößerung des Dynamikbereichs vorgestellt. Unter Verwendung eines 180 nm CMOS Prozesses ist die Pixelschaltung nun in der Lage unter voller Sonneneinstrahlung, ohne Leistungseinbußen zu arbeiten. Zusätzlich werden hier die Reduzierung der Leistungsaufnahme und ein neuer Ansatz, um lange Integrationszeiten zu ermöglichen, präsentiert. Darüber hinaus ist zum ersten Mal eine PIN Fotodiode in einer 180 nm Technologie entwickelt worden. Diese erreicht bessere Resultate als wettbewerbsfähige und etablierte Silizium Fotodioden. Dies hat nicht nur auf TOF 3D Kameras einen erheblichen Einfluss, sondern auch auf OEICs im Allgemeinen und zeigt eine Möglichkeit, den Stand der Technik bei vielen anderen Sensoren zu verbessern. Im fünften Kapitel wird diese Arbeit mit einer Zusammenfassung aller präsentierter Sensoren und einem Vergleich mit dem Stand der Technik abgeschlossen.

Together with the technology advance, there is an emerging need to record the depth of the scenery and make use of this supplementary information for variety of applications. Therefore several approaches for accomplishing this task have been developed up to now but experiencing many difficulties to confidently obtain the distance. The largest challenges are to achieve high depth and spatial resolution, as well as to ensure sensor immunity to background light (BGL). Among others, the Time-of-Flight (TOF) approach can be considered to offer the best performance and is used in this dissertation. Within this work a decisive improvement in the three-dimensional (3D) TOF systems is proposed. In order to be able to effectively enhance the noise performances, an in-depth circuit noise analysis is for the first time derived in the second chapter. This analysis will contribute to a good prediction of the prospective TOF based sensors as well.<br />Furthermore all important noise contributors are additionally mentioned therewith.<br />In the third chapter the TOF based optoelectronic integrated circuit (OEIC) that is for the first time realized in a standard 90 nm CMOS process is described. The circuit presented thereby is able to cope with substantial amount of BGL, setting a new state-of-the-art (SOTA).<br />Furthermore, the power consumption, the fill factor pixel area are improved being supreme if compared to other BGL immune approaches. Last but not least, investigation of photodetectors in 90 nm CMOS could influence future OEIC designs.<br />In the fourth chapter a novel workaround for suppressing BGL and hence increasing the sensor dynamic range is proposed. Using a 180 nm CMOS process, the pixel circuit is now able to unconditionally operate under full sun light without losing performance. In addition, the reduction of power consumption, as well as a new approach for accomplishing a long integration time are presented there. Furthermore, the PIN photodiode is for the first time realized in 180 nm CMOS technology, achieving even better results than the competitive well-established silicon-based photodetectors. This makes a considerable impact not only on the TOF 3D cameras, but also on the OEICs in general, opening new possibilities for pushing the SOTA edge in many other sensors.<br />In the fifth chapter, the work is concluded by summarizing all presented sensors and comparing them with actual SOTA.