Titel

CCD-Photodetektor und zugehöriges Verfahren zum Betrieb

Die vorliegende Erfindung betrifft einen CCD-Photodetektor und ein zugehöriges Verfahren zum Betrieb. Insbesondere betrifft die Erfindung einen CCD-Photodetektor mit verringertem thermischem Rauschen, besonders für LiDAR-Systeme geeignet, und ein darauf gerichtetes Verfahren zum Betrieb eines CCD- Photodetektors.

Stand der Technik

Light-Detection-and-Ranging-, LiDAR-Systeme werden sich in den nächsten

Jahren bei der Realisierung hochautomatisierter Fahrfunktionen etablieren.

Hierbei wird Licht in die Umgebung des Systems ausgesandt und aus dem

daraus zurückreflektierten Licht ein genaues Abbild der Umgebung erstellt. Zur Detektion des zurückreflektierten Lichts werden Charge-Coupled-Device-, CCD-, Photodetektoren (kurz: CCD) eingesetzt. Die in LiDAR-Systemen verwendeten CCD müssen aufgrund der hierfür gestellten Anforderungen neben einer hohen Empfindlichkeit für die LiDAR-Strahlung auch eine hohe Framerate ermöglichen und ein möglichst geringes Rauschen aufweisen.

Unter einem CCD ist ein Bildsensor mit einer Vielzahl photoempfindlicher

Bereiche (Pixel) zu verstehen, bei dem die in einer Beleuchtungsphase

erzeugten Photoladungen als Ladungspakete pixelweise verschoben und in ein Schieberegister als Zwischenspeicher (Cache) überführt werden (sogenannte

Eimerkettenschaltung). Nach dem Füllen des Schieberegisters werden die

einzelnen Ladungspakete in der sich anschließenden Auslesephase durch einen sich unmittelbar an das Schieberegister anschließenden integrierten

Ausleseverstärker (Transimpedanzverstärker beziehungsweise source follower,

SF) in ein zur jeweiligen Anzahl an gespeicherten Photoladungen proportionales Spannungssignal umgewandelt. Der Begriff des Verstärkers ist dabei breit

auszulegen, insbesondere spricht man auch bei Verstärkungsfaktoren von

kleiner oder gleich 1 weiterhin von einem Ausleseverstärker. Dem Ausleseverstärker können weitere elektronische Schaltungselemente nachgeschaltet sein, beispielsweise eine Schaltung zur Rauschunterdrückung (Correlated Double Sampling, CDS) und eine Analog/Digital-Wandlerschaltung (A/D-Wandler, A/D). Eine Kombination von solchen Schaltungselementen hinter dem Schieberegister wird allgemein als Ausleseelektronik bezeichnet. Für besonders anspruchsvolle Anwendungen wie LiDAR werden meist mehrere Ausleseverstärker auf dem Chip des CCD kombiniert, wobei jedem

Ausleseverstärker exklusiv mindestens ein zugehöriges Schieberegister vorgeschaltet sein kann. Jedem Schieberegister ist dann entsprechend nur ein kleiner Teil der Gesamtpixel des CCD zugeordnet. Dadurch kann die maximale Verweildauer im Schieberegister reduziert und somit auch die Framerate bei gleicher Ausleserate erhöht werden. Insbesondere kann auch jedem einzelnen aktiven Pixel des CCD ein eigenes Schieberegister als Zwischenspeicher zugeordnet sein. Der Inhalt des Schieberegisters entspricht dann typischerweise dem zeitlichen Verlauf des Ladungszustandes eines einzelnen Pixels während der Beleuchtungsphase. Es kann jedoch beispielsweise auch der zeitliche Verlauf des Ladungszustandes mehrerer Pixel in einem gemeinsamen

Schieberegister über eine entsprechende Indizierung abgebildet werden. Bei einem klassischen CCD-Sensor wird im Schieberegister hingegen zumeist für eine Vielzahl von Pixeln jeweils nur genau ein Ladungszustand hinterlegt.

Ein Nachteil von CCD unter lichtschwachen Bedingungen ist deren thermisches Rauschen, welches sowohl in den photoempfindlichen Bereichen als auch in Schieberegistern auftreten kann. Durch die kurze Verweildauer (typischerweise etwa 4 ns bis 10 ns) der erzeugten Ladungen im photoempfindlichen Pixel ist das thermische Rauschen in diesen üblicherweise vernachlässigbar. In einem Schieberegister kann jedoch die Verweildauer mehrere 10 ps betragen, weswegen während der Auslesephase für Registerelemente die zuletzt in den Ausleseverstärker entladen werden, je nach Design hunderte beziehungsweise sogar mehrere tausend thermische Elektronen das Signal stören können. Da bei Anwendungen in LiDAR-Systemen bisher die zuletzt umgewandelten

Registerelemente typischerweise diejenigen Signale mit der höchsten Reichweite sind und äquivalent dazu das geringste Signal aufweisen, ist dies besonders störend und beeinflusst die Signalqualität negativ. Das grundlegende Problem, dass die einzelnen Photoladungen eine unterschiedlich lange Verweildauer im Schieberegister haben, ist jedoch unabhängig von der Anwendung und führt bei CCD generell zu unterschiedlich starken Rauschanteilen für die einzelnen Pixel. Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein CCD-Photodetektor nach Anspruch 1 , ein zugehöriges Verfahren zum Betrieb nach Anspruch 4 sowie ein entsprechendes LiDAR-System nach Anspruch 9 zur Verfügung gestellt.

Ein erfindungsgemäßer CCD-Photodetektor, insbesondere die Ausleseeinheit eines solchen CCD- Photodetektors, umfasst ein Schieberegister mit einer Vielzahl von hintereinander angeordneten Registerzellen einschließlich einer ersten Registerzelle und einer letzten Registerzelle, eine Ladeleitung zum Laden des Schieberegisters, und eine Ausleseverstärkung zum Entladen des

Schieberegisters, wobei die Ladeleitung und die Ausleseverstärkung jeweils mit der ersten Registerzelle verbunden sind. Dabei kommt es nicht auf eine genaue Festlegung der Reihenfolge der Registerzellen an, vielmehr bezeichnen die erste Registerzelle und die letzte Registerzelle nur jeweils ein Ende des

Schieberegisters. Wesentlich für die Erfindung ist, dass die Ladeleitung und die Ausleseverstärkung mit dem gleichen Ende des Schieberegisters verbunden sind. Verbunden bedeutet dabei sowohl schaltungstechnisch (abstrakt) als auch elektrisch leitfähig (physikalisch) miteinander verbunden.

Bevorzugt bilden die Ladeleitung, das Schieberegister und die

Ausleseverstärkung eine gemeinsame Schaltungsebene aus. Bei einem dreidimensionalen Aufbau des CCD-Chips kann die Ladeleitung jedoch auch aus einer gemeinsamen Ebene von Schieberegister und Ausleseverstärkung herausführen. Das Laden der ersten Registerzelle des Schieberegisters kann daher insbesondere sowohl seitlich innerhalb dieser Ebene als auch aus Richtungen von ober- oder unterhalb dieser Ebene erfolgen. Die

Ausleseverstärkung schließt sich bevorzugt an die Längsachse (das heißt entlang der Reihe der einzelnen Registerzellen) des Schieberegisters an.

Unter einem CCD-Photodetektor wird insbesondere eine vollständig auf einem (Mikro-)Chip integrierte Detektoranordnung verstanden, wobei auf dem Chip sowohl die photoempfindlichen Bereiche (Pixel) als auch die Ausleseverstärkung (beziehungsweise die Ausleseelektronik) als elektronische Komponenten angeordnet sind. Die in den einzelnen Pixeln während einer Beleuchtungsphase angesammelten Photoladungen werden schrittweise (seriell) mittels

Ladungskopplung (Eimerkette) über eine Ladeleitung in ein Schieberegister überführt beziehungsweise (um)geladen. Dabei kann es sich um ein einzelnes Schieberegister (mit einer Ladeleitung) für das gesamte CCD handeln oder einzelnen Pixeln oder Gruppen von Pixeln ist jeweils ein eigenes Schieberegister (mit einer Ladeleitung pro Schieberegister) zugeordnet. Aus dem Schieberegister werden die einzelnen Ladungen dann in einer Auslesephase nacheinander (seriell) in eine zugehörige Ausleseverstärkung entladen.

Aufgabe der Ausleseverstärkung ist es, die einzelnen Ladungspakete aus den Registerzellen in ein proportionales Spannungssignal umzuwandeln. Das Entladen des Schiebregisters über die Ausleseverstärkung führt daher zu einer Abfolge von Spannungspulsen, wobei jeder einzelne Spannungspuls

schaltungsabhängig beispielsweise dem zeitlichen Verlauf der gemessenen Intensität an einem einzelnen Pixel während einer Beleuchtungsphase entsprechen kann. Ein Schieberegister besteht aus einer Kette von

hintereinander angeordneten Registerzellen, wobei die in den Registerzellen gespeicherten Ladungen zwischen jeweils benachbarten Zellen verschoben (umgeladen) werden können. Schieberegister sind vorzugsweise linear ausgebildet, können jedoch auch eine gekrümmte Form annehmen. Enthält ein CCD mehrere Schieberegister, so werden diese vorzugsweise benachbart als nebeneinander liegende Reihe („Gitterspaltenform“) angeordnet.

Erfindungsgemäß sind sowohl die Ladeleitung als auch die Ausleseverstärkung jeweils mit einer ersten Registerzelle des Schieberegisters verbunden. Dadurch unterscheiden sich Lade- und Ausleserichtung, das heißt die Laufrichtung der jeweiligen„Eimerkette“, des Schieberegisters voneinander (inverse

Ausleserichtung). Dies führt verfahrenstechnisch dazu, dass während der Beleuchtungsphase sowohl das Laden des Schieberegisters aus der Ladeleitung über die erste Registerzelle als auch das Entladen des Schieberegisters in die Ausleseverstärkung während der Auslesephase über die erste Registerzelle erfolgen. Mit anderen Worten, das Laden des Schieberegisters aus der

Ladeleitung und das Entladen des Schieberegisters in die Ausleseverstärkung erfolgen erfindungsgemäß über ein und dasselbe Ende des Schieberegisters.

Daher wird während der Beleuchtungs- bzw. Registrierungsphase das

Schieberegister erst in eine Richtung gefüllt und anschließend in der

Auslesephase das Schieberegister entgegen der Schieberichtung während der Beleuchtungsphase betrieben. Bei LiDAR-Anwendungen werden somit Signale mit hoher Reichweite und dadurch niedrigen Signalpegeln zuerst ausgelesen. Für diese Signale wird die Verweildauer im Schieberegister stark reduziert, wodurch weniger thermische Rausch-Elektronen aufgesammelt werden.

Vorteile der Erfindung

Insbesondere für LiDAR-Anwendungen weist ein erfindungsgemäßer CCD einige Vorteile gegenüber herkömmlichen CCD auf.

Ein erfindungsgemäßer CCD erlaubt es, den temperaturabhängigen

Rauschanteil deutlich zu reduzieren. Damit kann der CCD in einem deutlich größeren Temperaturbereich ohne Einbußen in Reichweite, Auflösung und/oder Framerate betrieben werden. Dies führt zu einer erhöhten maximalen

Reichweite, da auch schwache Reflektionssignale von weit entfernten Objekten, welche mit einer hohen zeitlicher Verzögerung zum ausgesandten LiDAR-Signal auftreten, noch detektiert werden können. Alternativ kann gegenüber aktuellen LiDAR-Systemen die notwendige Laserleistung bei der Aussendung reduziert werden. Eine zusätzliche Kühlung des Detektors ist nicht erforderlich.

Vorzugsweise sind bei einem erfindungsgemäßen CCD-Photodetektor mit mehreren Ausleseverstärkungen (und jeweils einem oder mehreren

zugeordneten Schieberegistern) benachbart angeordnete Ausleseverstärkungen abwechselnd mit unterschiedlichen Enden jeweils zugeordneter Schieberegister aus nebeneinander angeordneten Schieberegistern verbunden. Bei mehreren zugeordneten Schieberegistern erfolgt die Verbindung daher jeweils über die gleiche Registerzelle, das heißt über das gleiche Ende des Schieberegisters.

Um in Fällen niedrigster Signalpegel minimales Rauschen zu erzielen, wird die inverse Ausleserichtung daher mit einem CCD-Design kombiniert, bei dem die Schieberegister beziehungsweise die Ausleseverstärkungen jeweils

abwechselnd nach links und nach rechts geführt werden. Dadurch ist eine höhere Zahl an Ausleseverstärkungen pro Fläche umsetzbar, wodurch sich die Verweildauer der Signale im Schieberegister und damit das thermische

Rauschen für die Signale weiter reduzieren lassen.

Vorzugsweise ist eine Ausleseverstärkung mit mindestens zwei nebeneinander angeordneten Schieberegistern verbunden. Dies hat den Vorteil, dass kürzere Schieberegister eingesetzt werden können. Dadurch reduzieren sich die Anzahl der zur Entladung notwendigen Verschiebungsvorgänge und die

Wahrscheinlichkeit für dadurch bedingte Umladungsfehler.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein LiDAR-System, umfassend einen CCD- Photodetektor, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 8. Derartige CCD-Photodetektoren sind aufgrund des reduzierten thermischen Rauschens besonders für LiDAR-Anwendungen geeignet.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines CCD- Photodetektors. Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Ausleseverstärkung mit mindestens einem zugeordneten Schieberegister mit einer Vielzahl von hintereinander angeordneten Registerzellen, welches eine erste Registerzelle und eine letzte Registerzelle aufweist, das Laden des

Schieberegisters aus einer Ladeleitung über die erste Registerzelle während einer Beleuchtungsphase und das Entladen des Schieberegisters in die

Ausleseverstärkung über die erste Registerzelle während einer Auslesephase.

Bei dem CCD-Photodetektor kann es sich insbesondere um einen

erfindungsgemäßen CCD-Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 handeln.

Vorzugsweise sind bei einem erfindungsgemäßen Verfahren benachbart angeordnete Ausleseverstärkungen abwechselnd mit unterschiedlichen Enden jeweils zugeordneter Schieberegister aus nebeneinander angeordneten

Schieberegistern verbunden. Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausleseverstärkung mit mindestens zwei nebeneinander angeordneten Schieberegistern verbunden.

Diese Merkmale entsprechen den weiter oben beschriebenen

Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen CCD-Photodetektors. Die hierzu gemachten Ausführungen gelten unmittelbar auch für das jeweilige Verfahren.

Vorzugsweise werden für eine Ausführungsform bei der eine Ausleseverstärkung mit mindestens zwei nebeneinander angeordnete Schieberegistern verbunden ist, während der Auslesephase die Schieberegister abwechselnd pro

Registerzelle oder abwechselnd jeweils in Gruppen aus mehreren Registerzellen in die Ausleseverstärkung entladen. Dies bedeutet, dass die zu einer Auslese verstärkung zugehörigen mindestens zwei Schieberegister nicht nacheinander entladen werden, sondern vielmehr eine serielle wechselseitige Entladung erfolgt. In Kombination mit der inversen Ausleserichtung der Schieberegister kann durch eine solche abwechselnde Entladung der Schieberegister in die Ausleseverstärkung bei LiDAR-Anwendungen der Effekt der thermischen Rausch-Elektronen auf hochreichweitige Ziele weiter reduziert werden. Dieser Ansatz kann entweder direkt abwechseln oder in Gruppen umgesetzt werden. In beiden Fällen können zusätzliche Speicherregister für die zwischenzeitliche Speicherung der Signale verwendet werden beziehungsweise erforderlich sein.

Um insbesondere bei LiDAR-Anwendungen Signale möglichst effizient und rauscharm erfassen zu können, ist es von Vorteil, wenn auf dem CCD so viel wie möglich Ausleseverstärkungen, beziehungsweise nachgeschaltet A/D-Wandler, zur Digitalisierung eingesetzt werden. Dadurch verringert sich die erforderliche Speicherzeit in den Schieberegistern deutlich, was zu geringerem thermischen Rauschen führt. In solchen Systemen können dann jedoch mehr A/D-Wandler umgesetzt werden, als eigentlich zeitlich benötigt werden (durch die erforderliche Framerate bestimmt). Dies würde jedoch zu einer hohen Spitzenleistung führen. Vorzugsweise digitalisiert ein mit der Ausleseverstärkung verbundener A/D- Wandler daher während der Auslesephase die in den Registerzellen enthaltenen Ladungspakete, das heißt die sich nach der Ausleseverstärkung daraus ergebenden proportionalen Spannungspulse, abwechselnd zur steigenden und zur fallenden Flanke. Weiterhin kann die Spitzenleistung auch dadurch reduziert werden, dass bei niedrigen Signalpegeln der Ausleseverstärkung eine

Reduzierung der Bit-Tiefe des A/D-Wandlers erfolgt. Bei niedrigen Signalen kann somit eine Leistungsanpassung auf Kosten der Bit-Tiefe durchgeführt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb eines CCD gemäß dem Stand der Technik,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines CCD, Figur 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines CCD,

Figur 4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines CCD, und

Figur 5 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines CCD.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb eines CCD gemäß dem Stand der Technik. Ein Schieberegister 100 weist eine Vielzahl von hintereinander angeordneten Registerzellen einschließlich einer ersten Registerzelle 10 und einer letzten Registerzelle 20 auf. Im Stand der Technik erfolgt während einer Beleuchtungsphase A das Laden des Schieberegisters 100 aus einer Ladeleitung über die letzte Registerzelle 20. Während einer

Auslesephase B erfolgt das Entladen des Schieberegisters 100 in die

Ausleseverstärkung SF hingegen über die erste Registerzelle 10. Dadurch unterscheiden sich Lade- und Ausleserichtung nicht, das heißt die Laufrichtung der jeweiligen„Eimerkette“ bleibt in beiden Phasen gleich. Die einzelnen

Ladungspakete werden somit in einer Richtung durch das Schieberegisters „hindurchgeschoben“. Anschließend an die Ausleseverstärkung SF sind zusätzlich eine Rauschunterdrückung CDS und ein Analog-Digital-Wandler A/D mit angegeben. Diese bilden zusammen eine Ausleseelektronik 200.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines CCD. Im Gegensatz zur Darstellung in Figur 1 erfolgt während einer Beleuchtungsphase A das Laden des Schieberegisters 100 aus einer Ladeleitung über die erste Registerzelle 10. Das Entladen des Schieberegisters 100 in die Ausleseverstärkung SF während einer Auslesephase B erfolgt ebenfalls über die erste Registerzelle 10. Anschließend an die Ausleseverstärkung SF sind ebenfalls zusätzlich eine

Rauschunterdrückung CDS und ein Analog-Digital-Wandler A D als Bestandteile einer Ausleseelektronik 200 mit eingezeichnet.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines CCD. Auch hierbei erfolgen das Laden des Schieberegisters 100 aus einer Ladeleitung und das Entladen des Schieberegisters 100 in die Ausleseverstärkung SF über das gleiche Ende des Schieberegisters 100. Benachbart angeordnete

Ausleseverstärkungen SF sind abwechselnd mit unterschiedlichen Enden jeweils zugeordneter Schieberegister 100 aus nebeneinander angeordneten

Schieberegistern 100 verbunden. Ein entsprechender CCD weist somit mehrere Ausleseverstärkungen SF mit zugeordneten Schieberegistern 100 auf, wobei in der Darstellung einer jeden Ausleseverstärkung SF genau ein Schieberegister 100 zugeordnet ist. Eine solche versetzte Anordnung von Ausleseverstärkungen SF ermöglicht eine höhere Integrationsdichte und dadurch kleinere, weniger rauschempfindliche Schieberegister 100.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines CCD. Das Laden des

Schieberegisters 100 aus einer Ladeleitung und das Entladen des

Schieberegisters 100 in die Ausleseverstärkung SF erfolgen erneut über das gleiche Ende des Schieberegisters. Bei dieser Ausführungsform ist eine

Ausleseverstärkung SF mit mindestens zwei nebeneinander angeordneten Schieberegistern 100 verbunden. Während der Auslesephase B werden die Schieberegister 100 abwechselnd jeweils in Gruppen aus mehreren

Registerzellen (aa, a’a’, bb, b’b’, ...) in die Ausleseverstärkung SF entladen. In der Darstellung werden beispielhaft in einem ersten Schritt zunächst die ersten beiden Registerzellen (a) des oberen Schieberegisters 100 in die

Ausleseverstärkung SF entladen, anschließend werden die ersten beiden Registerzellen (a’) des unteren Schiebregisters 100 in die Ausleseverstärkung SF entladen. Das Entladen wird dann entsprechend mit der nächsten Gruppe von Registerzellen (b) im oberen Schieberegister 100 fortgesetzt. Die Schieberegister 100 können alternativ auch abwechselnd pro Registerzelle in die

Ausleseverstärkung SF entladen werden.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines CCD. Hierbei handelt es sich um eine Kombination der beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen. In der Darstellung sind zwei benachbart angeordnete Ausleseverstärkungen SF jeweils mit zwei zugeordneten Schieberegistern 100 verbunden, wobei die Ausleseverstärkungen SF abwechselnd mit unterschiedlichen Enden der jeweils zugeordneten zwei-von-vier Schieberegistern 100 verbunden sind. Während der Auslesephase B werden die zu einer Ausleseverstärkung SF gehörenden Schieberegister 100 abwechselnd jeweils in Gruppen aus mehreren

Registerzellen (a, b, c; a’, b’, c’) in die zugehörige Ausleseverstärkung SF entladen. Die Schieberegister 100 können auch hierbei alternativ abwechselnd pro Registerzelle in die Ausleseverstärkung SF entladen werden.