CN113196744A - Ccd光电探测器和用于运行的相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种CCD光电探测器和一种用于运行的相关方法。尤其描述一种用于激光雷达系统的CCD光电探测器，其包括：移位寄存器(100)，所述移位寄存器具有多个依次布置的寄存器单元，所述寄存器单元包括第一寄存器单元(10)和最后的寄存器单元(20)；用于给所述移位寄存器(100)充电的充电线路；用于使所述移位寄存器(100)放电的读出放大器(SF)，其中，所述充电线路、所述读出放大器(SF)分别与所述第一寄存器单元(10)连接。此外公开一种用于运行CCD光电探测器的相应的方法。

Description

CCD光电探测器和用于运行的相关方法
技术领域
本发明涉及一种CCD光电探测器和一种用于运行的相关方法。本发明尤其涉及一种具有降低的热噪声、特别适用于激光雷达系统的CCD光电探测器，本发明还涉及一种用于运行CCD光电探测器的针对于此的方法。
背景技术
光探测和测距(Light-Detection-and-Ranging)系统、即激光雷达系统将在未来几年内实现高度自动化的驾驶功能。
在此，光被发射到系统的周围环境中，并由从系统的周围环境反射回来的光创建周围环境的准确映射。使用电荷耦合器件(Charge-Coupled-Device，CCD)光电探测器(简称CCD)来探测反射回来的光。由于对此施加的要求，在激光雷达系统中使用的CCD不仅必须对激光雷达辐射具有高灵敏度，而且还必须能够实现高的帧速率，并且具有尽可能低的噪声。
CCD应理解为具有大量光敏感区域(像素)的图像传感器，其中，在照明阶段(Beleuchtungsphase)中产生的光电荷作为电荷包逐个像素地移动，并且被传输到作为缓存(Cache)的移位寄存器中(所谓的斗链电路)。在移位寄存器被填充之后，在随后的读出阶段中，各个电荷包被紧接着移位寄存器集成的读出放大器(跨阻放大器或者说源极跟随器，source follower，SF)转换成与所存储的光电荷的相应数量成比例的电压信号。术语放大器在此应作广义解释，尤其是，即使放大系数小于或等于1，也称为读出放大器。
在读出放大器的下游可以连接有其他电子电路元件，例如用于噪声抑制的电路(相关双采样，Correlated Double Sampling，CDS)和模拟/数字转换电路(A/D转换器，A/D)。移位寄存器后面的这种电路元件的组合通常称为读出电子装置(Ausleseelektronik)。对于如激光雷达的要求特别严苛的应用，通常在CCD芯片上组合多个读出放大器，其中，在每个读出放大器上游可以仅仅连接至少一个相关联的移位寄存器。相应地，CCD总像素的仅一小部分被分配给每个移位寄存器。因此，可以减少移位寄存器中的最大停留时间(Verweildauer)，从而在读取速率相同的情况下也可以提高帧速率。CCD的每个单个激活的像素都可以配属有自己的移位寄存器作为缓存。然后，移位寄存器的内容通常对应于单个像素的电荷状态在照明阶段期间的时间上的变化过程。然而，例如也可以通过相应的索引在共同的移位寄存器中映射多个像素的电荷状态在时间上的变化过程。相反地，在传统CCD传感器中，对于大量像素，通常分别仅将恰好一个电荷状态存储在移位寄存器中。
CCD在弱光条件下的一个缺点是其热噪声，这可能发生在光敏感区域和移位寄存器中。由于光敏感的像素中产生的电荷的停留时间很短(通常约为4ns到10ns)，因此这些电荷中的热噪声通常可以忽略不计。然而，在移位寄存器中，停留时间可能为几十μs，因此，在最后放电到读出放大器的寄存器元件的读出阶段期间，取决于设计，数百甚至数千个热电子对信号造成干扰。由于到目前为止，在激光雷达系统的应用中，最后被转换的寄存器元素通常是那些具有最高有效范围的信号，并且等效地具有最低的信号，这特别有干扰性并且对信号质量产生负面影响。然而，各个光电荷在移位寄存器中的停留时间不同的这一基本问题与应用无关，并且在CCD的情况下通常会导致各个像素的不同强度的噪声分量。
发明内容
根据本发明，提供根据权利要求1的CCD光电探测器、根据权利要求4的用于运行的相关方法以及根据权利要求9的相应激光雷达系统。
根据本发明的CCD光电探测器，尤其这种CCD光电探测器的读出单元，包括：具有多个依次布置的寄存器单元的移位寄存器，包括第一寄存器单元和最后的寄存器单元；用于给移位寄存器充电(laden)的充电线路；用于使移位寄存器放电的读出放大器，其中，充电线路和读出放大器分别与第一寄存器单元连接。在此，不代表对寄存器单元的顺序的准确确定，而是第一寄存器单元和最后的寄存器单元仅表示移位寄存器的各一端。对于本发明必不可少的是，充电线路和读出放大器与移位寄存器的同一端连接。在此，连接意味着不仅在电路技术方面(抽象地)彼此连接，而且彼此导电(物理地)连接。
充电线路、移位寄存器和读出放大器优选形成共同的电路平面。然而，在CCD芯片的三维结构下，充电线路也可以从移位寄存器和读出放大器的共同平面中引出。因此，移位寄存器的第一寄存器单元的充电尤其不仅可以在该平面内横向进行，而且可以从在该平面上方或下方的方向进行。读出放大器优选地与移位寄存器的纵轴邻接(即沿着各个寄存器单元的行)。
CCD光电探测器尤其应理解为完全集成在(微)芯片上的探测器装置，其中，在芯片上不仅布置有光敏感区域(像素)，而且布置有读出放大器(或者说读出电子器件)作为电子部件。借助电荷耦合(斗链)通过充电线路将在照明阶段期间积累在各个像素中的光电荷逐步地(串行地)转移或(重新)充电到移位寄存器中。这可以涉及用于整个CCD的单个移位寄存器(具有一个充电线路)，或者，各个像素或像素组分别配属有一个自己的移位寄存器(每个移位寄存器有一个充电线路)。然后，在读出阶段中将各个电荷相继地(串行地)从移位寄存器放电到所属的读出放大器。
读出放大器的任务是将来自寄存器单元的各个电荷包转换为成比例的电压信号。因此，通过读出放大器使移位寄存器放电会导致电压脉冲序列，其中，每个单个电压脉冲都与电路相关地例如能够对应于在照明阶段期间在单个像素处测得的强度的时间上的变化过程。移位寄存器由依次布置的寄存器单元的链组成，其中，可以在分别相邻的单元之间移动(重新充电)存储在寄存器单元中的电荷。移位寄存器优选地线性地构造，但也可以具有弯曲的形状。如果CCD包含多个移位寄存器，则这些寄存器优选相邻地布置为并排的行(“网格列形状”)。
根据本发明，充电线路和读出放大器分别与移位寄存器的第一寄存器单元连接。由此，移位寄存器的充电方向和读出方向、即相应“斗链”的运行方向彼此不同(逆读出方向)。这在方法技术方面导致：不仅在照明阶段期间由充电线路给移位寄存器进行充电是通过第一寄存器单元进行，而且在读出阶段使移位寄存器放电到读出放大器也是通过第一寄存器单元进行。换言之，根据本发明，由充电线路给移位寄存器充电、以及使移位寄存器放电到读出放大器都是通过移位寄存器的同一端进行。
因此，在照明阶段或者说记录阶段，首先朝一个方向填充移位寄存器，然后在读出阶段以相反于照明阶段期间的移位方向运行该移位寄存器。因此，在激光雷达应用中，首先读出具有高有效范围的信号，从而首先读出低信号电平的信号。
针对这些信号，在移位寄存器中的停留时间大幅减少，由此，收集到更少的热噪声电子
本发明的优点
尤其对于激光雷达应用，相比于常规的CCD，根据本发明的CCD具有一些优势。
根据本发明的CCD允许显著降低与温度相关的噪声分量。因此，CCD可以在显著更大的温度范围内运行，而不会损失有效范围、分辨率和/或帧速率。这导致最大有效范围增加，因为即使是来自远处对象的、与所发射的激光雷达信号有很高的时间延迟的弱的反射信号也仍然能够被探测到。替代地，与当前的激光雷达系统相比，能够降低发射时所需的激光功率。不需要对探测器进行附加地冷却。
优选地，在根据本发明的具有多个读出放大器(每个都有一个或多个所配属的移位寄存器)的CCD光电探测器中，相邻布置的读出放大器交替地与并排布置的移位寄存器中的相应所配属的移位寄存器的不同端连接。在多个所配属的移位寄存器的情况下，连接因此分别通过相同的寄存器单元进行，即通过移位寄存器的相同端进行。
为了在最低信号电平的情况下实现最小噪声，因此将逆读出方向与CCD设计相结合，其中，分别交替地向左和向右引导移位寄存器或读出放大器。由此，每单位面积能够实施更高数量的读出放大器，由此使得可以进一步降低信号在移位寄存器中的停留时间，从而能够进一步降低信号的热噪声。
优选地，一个读出放大器与至少两个并排布置的移位寄存器连接。这具有以下优点：可以使用较短的移位寄存器。由此减少放电所需的移动过程的数量以及与此相关的重新充电错误的可能性。
本发明还涉及一种包括CCD光电探测器的激光雷达系统，该激光雷达系统设置为用于执行根据权利要求4至8中任一项所述的方法。这种CCD光电探测器由于降低的热噪声而特别适用于激光雷达应用。
本发明的另一方面涉及一种用于运行CCD光电探测器的方法。根据本发明的方法包括：提供具有至少一个所配属的移位寄存器的读出放大器，所述移位寄存器具有多个依次布置的寄存器单元，所述移位寄存器具有第一寄存器单元和最后的寄存器单元；在照明阶段期间，通过第一寄存器单元由充电线路给移位寄存器充电；在读出阶段期间，通过第一寄存器单元使移位寄存器放电到读出放大器。CCD光电探测器尤其可以是根据权利要求1至3中任一项所述的根据本发明的CCD光电探测器。
优选地，在根据本发明的方法中，相邻布置的读出放大器交替地与并排布置的移位寄存器中的相应所配属的移位寄存器的不同端连接。同样优选的是，一个读出放大器与至少两个并排布置的移位寄存器连接。这些特征对应于根据本发明的CCD光电探测器的上述实施方式。为此做出的实施方案也直接适用于相应的方法。
对于一个读出放大器与至少两个并排布置的移位寄存器连接的实施方式，优选的是，在读出阶段期间，移位寄存器每个寄存器单元交替地放电到读出放大器，或分别由多个寄存器单元成组交替地放电到读出放大器。这意味着，配属于一个读出放大器的至少两个移位寄存器不会相继地放电，而是会进行串行的交替的放电。结合移位寄存器的逆读出方向，通过移位寄存器到读出放大器的这种交替的放电，在激光雷达应用中可以进一步降低热噪声电子对高有效范围的目标的影响。该方案要么可以直接交替地实施，要么可以成组实施。在这两种情况下，可能使用或者说需要附加的存储寄存器来临时存储信号。
为了尤其在激光雷达应用中能够尽可能有效且低噪声地检测信号，有利的是，在CCD上使用尽可能多的读出放大器或连接在下游的A/D转换器以进行数字化。由此显著地减少在移位寄存器中所需的存储时间，从而导致低的热噪声。然而，在这样的系统中可能实施比实际在时间上需要的更多的A/D转换器(由所需的帧速率确定)。然而，这将导致高的峰值功率。优选地，在读出阶段期间，与读出放大器连接的A/D转换器交替地在上升沿和下降沿对包含在寄存器单元中的电荷包、即在读出放大后由此产生的成比例的电压脉冲进行数字化。此外，也可以通过以下方式降低峰值功率：在读出放大器的低信号电平的情况下，降低A/D转换器的比特深度。因此，在低信号的情况下，可以以比特深度为代价执行功率匹配。
本发明的有利扩展方案在从属权利要求中说明并且在说明书中描述。
附图说明
参考附图和以下描述进一步阐述本发明的实施例。附图示出：
图1示出根据现有技术的用于运行CCD的方法的示意图，
图2示出根据本发明的用于运行CCD的方法的第一实施方式的示意图，
图3示出根据本发明的用于运行CCD的方法的第二实施方式的示意图，
图4示出根据本发明的用于运行CCD的方法的第三实施方式的示意图，并且
图5示出根据本发明的用于运行CCD的方法的第四实施方式的示意图。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的用于运行CCD的方法的示意图。移位寄存器100具有多个依次(hintereinander)布置的寄存器单元，包括第一寄存器单元10和最后的寄存器单元20。在现有技术中，在照明阶段A期间通过最后的寄存器单元20由充电线路给移位寄存器100充电。相反地，在读出阶段B期间，通过第一寄存器单元10使移位寄存器100放电(Entladen)到读出放大器SF。由此，充电方向和读出方向没有差异，也就是说，相应“斗链(Eimerkette)”的运行方向在两个阶段中保持相同。因此，各个充电包被移位寄存器朝一个方向“推移”。在读出放大器SF之后附加地画出噪声抑制装置CDS和模数转换器A/D。它们共同形成读出电子装置200。
图2示出根据本发明的用于运行CCD的方法的第一实施方式的示意图。与图1中的图示不同，在照明阶段A期间通过第一寄存器单元10由充电线路给移位寄存器100充电。在读出阶段B期间，同样通过第一寄存器单元10使移位寄存器100放电到读出放大器SF。在读出放大器SF之后同样附加地示出噪声抑制装置CDS和模数转换器A/D作为读出电子装置200的组件。
图3示出根据本发明的用于运行CCD的方法的第二实施方式的示意图。在此，也由充电线路给移位寄存器100充电，并且通过移位寄存器100的同一端使位寄存器100放电到读出放大器SF。相邻布置的读出放大器SF交替地与来自并排(nebeneinander)布置的移位寄存器100中的相应的所配属的移位寄存器100的不同端连接。相应的CCD因此具有多个带有所配属的移位寄存器100的读出放大器SF，其中，在图示中，每个读出放大器SF配属恰好一个移位寄存器100。读出放大器SF的这种交错布置能够实现更高的集成密度，从而能够实现更小型的、对噪声敏感度更低的移位寄存器100。
图4示出根据本发明的用于运行CCD的方法的第三实施方式的示意图。由充电线路给移位寄存器100充电和移位寄存器100到读出放大器SF的放电又是通过移位寄存器的同一端进行。在该实施方式中，一个读出放大器SF与至少两个并排布置的移位寄存器100连接。在读出阶段B期间，移位寄存器100分别由多个寄存器单元(aa，a'a'，bb，b'b'，...)成组交替地放电到读出放大器SF。在该图中，例如，在第一步骤中首先使上移位寄存器100的前两个寄存器单元(a)放电到读出放大器SF，然后使下移位寄存器100的前两个寄存器单元(a')放电到读出放大器SF。然后相应地以上移位寄存器100中的下一组寄存器单元(b)继续所述放电。替代地，也可以每个寄存器单元交替地使移位寄存器100放电到读出放大器SF。
图5示出根据本发明的用于运行CCD的方法的第五实施方式的示意图。其是上述两种实施方式的组合。在图示中，两个相邻布置的读出放大器SF分别与两个所配属的移位寄存器100连接，其中，读出放大器SF交替地与相应所配属的、四个中的两个移位寄存器100的不同端连接。在读出阶段B期间，使配属于读出放大器SF的移位寄存器100分别由多个寄存器单元(a，b，c；a'，b'，c')成组交替地放电到所属的读出放大器SF。在此替代地，也可以每个寄存器单元交替地使移位寄存器100放电到读出放大器SF。

Claims (9)

1.一种CCD光电探测器，所述CCD光电探测器包括：移位寄存器(100)，所述移位寄存器具有多个依次布置的寄存器单元，包括第一寄存器单元(10)和最后的寄存器单元(20)在内；用于给所述移位寄存器(100)充电的充电线路；用于使所述移位寄存器(100)放电的读出放大器(SF)，其中，所述充电线路、所述读出放大器(SF)分别与所述第一寄存器单元(10)连接。
2.根据权利要求1所述的CCD光电探测器，其中，相邻布置的读出放大器(SF)交替地与并排布置的移位寄存器(100)中的相应所配属的移位寄存器(100)的不同端连接。
3.根据权利要求1或2的CCD光电探测器，其中，一个读出放大器(SF)与至少两个并排布置的移位寄存器(100)连接。
4.一种用于CCD光电探测器的方法，其中，配属于一个读出放大器(SF)的移位寄存器(100)具有多个依次布置的寄存器单元，包括第一寄存器单元(10)和最后的寄存器单元(20)在内，所述方法包括：在照明阶段(A)期间，通过所述第一寄存器单元(10)由充电线路给所述移位寄存器(100)充电；在读出阶段(B)期间，通过所述第一寄存器单元(10)使所述移位寄存器(100)放电到所述读出放大器(SF)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，相邻布置的读出放大器(SF)交替地与并排布置的移位寄存器(100)中的相应所配属的移位寄存器(100)的不同端连接。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，一个读出放大器(SF)与至少两个并排布置的移位寄存器(100)连接，在读出阶段(B)期间，所述移位寄存器(100)每个寄存器单元交替地放电到所述读出放大器(SF)，或者分别由多个寄存器单元(aa，a'a'，bb，b'b'，...)成组交替地放电到所述读出放大器(SF)。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中，在所述读出阶段(B)期间，与所述读出放大器(SF)连接的模数转换器(A/D)交替地在包含在所述寄存器单元中的电荷包的上升沿和下降沿进行数字化。
8.根据权利要求7的方法，其中，在所述读出放大器(SF)的低信号电平的情况下，降低所述模数转换器(A/D)的比特深度。
9.一种包括CCD光电探测器的激光雷达系统，其设置为用于执行根据权利要求4至8中任一项所述的方法。
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