Titelaufnahme

Titel
Opto-electronic integrated correlation receivers for time-of-flight based distance measurement systems / Klaus Oberhauser
VerfasserOberhauser, Klaus
Begutachter / BegutachterinZimmermann, Horst ; Vellekoop, Michael
Erschienen2006
UmfangXIX, 116 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2006
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)D Sensor / Laufzeitmessung / OEIC / TOF / Optoelektronik / PIN-Diode
Schlagwörter (EN)D-sensor / Time-of-Flight / TOF / opto-electronic integrated circuit / OEIC / PIN-diode
Schlagwörter (GND)Abstandsmessung / Optischer Sensor / Pixel / Laufzeitmessung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-15906 Persistent Identifier (URN)
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Opto-electronic integrated correlation receivers for time-of-flight based distance measurement systems [3.13 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Mit den heute zur Verfügung stehenden Sensortechnologien sind wir in der Lage, eine Vielzahl von physikalischen Größen zu messen. Für viele Steuerungs- und Überwachungsaufgaben sind 3D-Messsysteme notwendig. Der Vergleich verschiedener Abstandssensoren von Ultraschall über Radarsensoren bis hin zu optischen Sensoren führt zum Schluss, dass ein 3D-Messsystem, welches eine hohe laterale Auflösung aufweisen soll, nur unter Verwendung optischer Signale implementiert werden kann. Ziel dieser Dissertation ist es, einen kompakten, robusten monolithischen Sensor zu entwickeln, der in der Lage ist, Abstände in jedem einzelnen Pixel zu messen.

Diese Doktorarbeit befasst sich daher mit der Realisierung von neuen Pixelarchitekturen für solch einen optischen 3D-Abstandssensor. Das Messprinzip beruht auf der Bestimmung der Laufzeit eines optischen Signals von einer aktiven, optischen Beleuchtungsquelle hin zu einem zu vermessenden Objekt und zurück zum Empfangspixel. Dabei ergibt sich für den angestrebten maximalen Messbereich von bis zu 15m eine zu messende Signallaufzeit von 100ns. Für eine gewünschte Auflösung im cm-Bereich ist es daher notwendig, Zeitintervalle von 66ps aufzulösen. Um diese kurzen Zeitintervalle messen und unterschiedliche Reflexionseigenschaften von verschiedenen Materialen unterdrücken zu können, wird eine Korrelation zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal durchgeführt. Die Theorien über das Korrelationsprinzip und das Photonenrauschen, die für die Entwicklung eines Korrelationsempfängers nötig sind, werden in der vorliegenden Dissertation zusammenfassend dargestellt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei verschiedene Typen von Korrelationsempfängern in einer modifizierten 0.6m BiCMOS Technologie entwickelt und charakterisiert. Die Umwandlung der empfangenen Lichtleistung in freie Ladungsträger erfolgt entweder mittels einer schnellen und effizienten integrierten PIN Photodiode oder mit einem neu entwickelten Detektor, der in der Lage ist, direkt eine opto-elektronische Korrelation durchzuführen, dem sog. Doppel-Anoden Photodetektor. Abhängig vom verwendeten Empfänger sind unterschiedliche Auswerteschaltungen notwendig.

Die erste Pixelarchitektur, die für Hochgeschwindigkeitsmessungen entwickelt wurde, besteht aus einer PIN Photodiode und einer aktiven Ausleseschaltung. Dabei wird ein einstufiger Transimpedanz-Verstärker als Vorverstärker verwendet. Eine darauf folgende analog-digitale Multiplizierer-Stufe, kombiniert mit einem aktiven Tiefpassfilter, führt die eigentliche Korrelation durch. Die Schaltung erzielt sehr kurze Messzeiten für eine einzelne Abstandsmessung von 500s für einen Messbereich von 0.1m-3.7m. Bei einem maximalen Linearitätsfehler von 0.67% wurde eine Standardabweichung von 4cm erreicht. Die Gesamtfläche eines einzelnen Pixels beträgt 220400m.

Auch die zweite Ausleseschaltung, die Brücken-Korrelator-Schaltung, verwendet eine PIN Photodiode als Detektorelement. Die komplett passive Brücken-Korrelator-Schaltung ist in der Lage, die notwendige Korrelation, sowie eine perfekte Hintergrundlichtunterdrückung parallel durchzuführen. Auf Grund der passiven Schaltung und dem damit verbundenen geringen Stromverbrauch ist der Brücken-Korrelator sehr gut für multi-pixel Lösungen geeignet. Für einen Messbereich von 0.1m-3.7m erreicht die Schaltung eine ebenfalls kurze Messzeit von 2ms und einen Linearitätsfehler von 0.47%. Die erzielte Standardabweichung beträgt 2cm. Die Pixelfläche beträgt 250200m.

Durch erweitern der Brücken-Korrelator-Schaltung mit einem aktiven Verstärker wird es möglich die Empfindlichkeit der Schaltung zu erhöhen.

Der in der ursprünglichen Schaltung auftretende Sättigungseffekt kann dadurch beseitigt und somit die gewünschte integrierende Funktion realisiert werden. Hintergrundlicht wird auch von dem IC der dritten Generation unterdrückt. Ohne nachjustieren des optischen Aufbaues wurde ein Messbereich von 0.7m-3.4m erzielt. Der Linearitätsfehler beträgt 0.58%. Die Standardabweichung für eine Messzeit von 5ms über den gesamten Messbereich ist kleiner als 1.4cm. Durch die geringe Pixelfläche von 85180m2 wurde ein optischer Füllfaktor von 61% erzielt.

Die empfindlichste Ausleseschaltung dieser Dissertation verwendet einen korrelierenden Doppel-Anoden Photodetektor (DAP) als Empfangselement.

Durch das einseitige Modulieren des DAP wird es möglich, an der Auslese-Anode einen abstandsabhängigen Gleichstrom zu messen. Damit wird verhindert, dass auch an der Ausleseelektrode die Modulationsspannung mit ihrer hohen Amplitude auftritt. Durch die Verwendung einer aktiven Transimpedanz-Stufe als Ausleseschaltung konnten Objektabstände im Bereich von 0.1m-15m vermessen werden. Ein sehr geringer Linearitätsfehler von 0.23% wurde festgestellt. Die maximale Standardabweichung beträgt 3.4cm. Die Gesamtfläche der in jedem Pixel notwendigen Schaltungselemente beträgt nur 150220m.

Zusammenfassung (Englisch)

Using today's sensor technology we are able to measure a wide range of physical quantities. Various one-dimensional contactless distance measurement sensors are available. However, for many supervision tasks three-dimensional vision systems would be of great importance. Comparison of different distance measurement sensors ranging from ultrasound- over radar-based solutions to optical sensors leads to the result that a high-resolution 3D imager has to rely on active optical signals. To reach a compact and robust sensor solution, moving parts like e.g. rotating mirrors have to be avoided altogether.

Therefore an all solid-state sensor capable of measuring object distances within every pixel is intended.

This thesis deals with the realisation of new pixel architectures for optical 3D distance measurement sensors. The measurement principle is based on the determination of the time-of-flight from an actively transmitted optical signal to an object and back to the receiving pixel.

The aspired mid-distance measurement range of up to 15m results in a maximum signal runtime of 100ns, which has to be resolved in 66ps steps to reach a resolution of 1cm. To measure these short time intervals and to suppress the influence of different object reflectivity correlation between sent and received signal is performed. All theory concerning the correlation principle and the photon noise, necessary to design a correlation receiver is included in this thesis.

In a modified 0.6m BiCMOS technology three different correlating receiver structures were developed and characterised during this work.

The detection of the received optical power is performed either by a fast and efficient integrated PIN photodiode or by a newly developed opto-electronic correlation detector, the so-called double-anode photodetector. Depending on the detector element different readout circuits are necessary.

The first pixel architecture intended for high-speed distance measurements consists of a PIN photodiode and an active readout circuit.

A single-stage transimpedance amplifier is used as pre-amplifier. A subsequent analogue-digital multiplication stage in combination with an active low-pass filter performs the correlation. A very short single distance measurement time of 500s and a linearity error of 0.67% for a distance measurement range of 0.1m-3.7m are reached. The standard deviation of a single-shot measurement is 2cm. The occupied pixel area is 220400m.

The second readout circuit, the so-called bridge-correlator circuit, also uses a PIN photodiode as receiving element. The all-passive bridge-correlator performs the correlation and perfectly suppresses any background light at the same time. Due to the all passive setup it is well suited for multi-pixel integration. For a distance measurement range of 0.1m-3.7m, still a short single distance measurement time of 2ms is reached. The maximum linearity error is 0.47%. The standard deviation is 2cm. The overall pixel size is 250200m.

By adding an active amplifier to the bridge-correlator circuit it was possible to enhance the sensitivity of the circuit. Saturation effects are avoided and the desired integration operation is performed.

Background light is also suppressed by this third-generation opto-electronic integrated circuit (OEIC). Without adjusting the opto-mechanical measurement setup a distance range of 0.7m-3.4m is reached. The linearity error is 0.58% and the standard deviation is only 1.4cm. The single distance measurement time is 5ms. For a pixel area of only 85180m a very high optical fill factor of 61% is achieved.

The most sensitive circuit structure introduced in this thesis is based on a double-anode photodetector. By performing a single-sided modulation of the DAP device, it is possible to readout a DC current containing the distance information and to avoid the large-signal modulation voltage at the output terminal. The use of an active transimpedance stage as readout circuit enables the measurement of distances within the range of 0.1m-15m. A linearity error of 0.23% and a standard deviation of 3.4cm are achieved. The total pixel size including all necessary functional components is 150220m.