Correlation-based optical multipixel distance sensors with CMOS-integrated PIN photodetectors and pixel-inherent suppression of ambient light

Abstract

Diese Arbeit beschreibt den Weg in Richtung einer robusten 3D-Kamera unter besonderer Berücksichtigung der Anwendung in realistischen Umgebungen mit Hintergrundlicht bis zu maximalem Sonnenlicht eines wolkenlosen Tages und darüber hinaus. Zunächst wird das verwendete, korrelationsbasierte Laufzeitprinzip beschrieben und Modelle für die Genauigkeit der Abstandsmessung sowie für die modulierten Lichtquellen werden aufgestellt. Der zweite Hauptteil beschäftigt sich mit der detaillierten Entwicklung und Analyse von CMOS-integrierten, phasenkorrelationsbasierten Pixelschaltungen mit inhärenter Unterdrückung von Umgebungslicht rein im elektrischen Teil der Schaltung. Ein analytischer Ausdruck für das instabile Integrationsverhalten des aktiven Brückenkorrelators wird hergeleitet.<br />In Hinblick auf Stromverbrauch und Multipixeltauglichkeit werden fünf selbst entwickelte Pixelkonzepte mit hohem optischen Füllfaktor vorgestellt und untermauert von Messergebnissen mit einer roten, 1mW-Laserquelle, welche bei 10MHz dauerstrichmoduliert wird. Schließlich werden ein Zeilensensor, ein Zweifach-Zeilensensor und ein 16x16 Multipixelsensor gezeigt, welche Abstandsmessergebnisse bis zu einem Bereich von über 3m in Zentimetergenauigkeit liefern, wobei eine modulierte LED-Lichtquelle im nahen Infrarot mit einer optischen Gesamtleistung von weniger als 1W verwendet wurde. Die, in einer 0.6um BiCMOS-Technologie gefertigten, Sensoren können selbst bei Umgebungslichtverhältnissen bis 150klx, ohne großer Beeinflussung der Messergebnisse, eingesetzt werden. Dies geschieht weder unter Zuhilfenahme von optischen Filtern, noch von Burst-Mode-Betrieb, im Gegensatz zu den Mitbewerbern. In einem abschließenden Kapitel werden die, in dieser Arbeit entwickelten, Sensoren mit bereits am Markt verfügbaren Produkten und Sensoren anderer Forschungsgruppen verglichen.<br />

This work describes a way to a robust 3D camera with focus on the application in realistic environments with ambient light up to maximum bright sunlight of a cloudless day and beyond. At first, the used correlation-based time-of-flight principle is discussed and models for the distance measurement accuracy as well as for the modulated light sources are investigated. The second principal part deals with the detailed design and analysis of CMOS-integrated, PIN-photodiode based pixel circuits with inherent suppression of ambient light in the electrical circuit domain. Looking forward to a low-power multipixel design with a high optical fill factor, five own-developed pixel concepts are presented and backed up by measurement results with a 1mW red laser source at a continuous-wave modulation frequency of 10MHz.<br />Finally, a line sensor, a dual-line sensor and a 16x16 multipixel sensor are demonstrated, providing distance measurement results up to more than 3m with accuracies in the centimeter range by using a modulated LED light source in the near-infrared with a total optical power below 1W.<br />The sensors, which have been manufactured in a standard 0.6um BiCMOS technology, can be used with ambient light conditions up to 150klx without any significant decrease in the performance, using neither optical filters nor burst mode operation, in contrast to competitors. In a concluding chapter, the sensors, which have been developed within this work, are compared to already available products and sensors of other research groups.