WO2020126269A1 - Ccd-photodetektor und zugehöriges verfahren zum betrieb - Google Patents
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- WO2020126269A1 WO2020126269A1 PCT/EP2019/081924 EP2019081924W WO2020126269A1 WO 2020126269 A1 WO2020126269 A1 WO 2020126269A1 EP 2019081924 W EP2019081924 W EP 2019081924W WO 2020126269 A1 WO2020126269 A1 WO 2020126269A1
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- H04N25/78—Readout circuits for addressed sensors, e.g. output amplifiers or A/D converters
Definitions
- the present invention relates to a CCD photodetector and an associated method for operation.
- the invention relates to a CCD photodetector with reduced thermal noise, particularly suitable for LiDAR systems, and a method for operating a CCD photodetector.
- CCD Charge-coupled device
- photodetectors short: CCD
- the CCD used in LiDAR systems must, due to the requirements placed on them, not only enable a high sensitivity to LiDAR radiation, but also a high frame rate and the lowest possible noise.
- Readout amplifier transimpedance amplifier or source follower
- a readout amplifier still less than or equal to 1 from a readout amplifier.
- Further electronic circuit elements can be connected downstream of the readout amplifier, for example a circuit for noise suppression (Correlated Double Sampling, CDS) and an analog / digital converter circuit (A / D converter, A / D).
- CDS Correlated Double Sampling
- a / D converter A / D converter
- a combination of such circuit elements behind the shift register is generally referred to as readout electronics.
- readout electronics For particularly demanding applications such as LiDAR, several readout amplifiers are usually combined on the CCD chip, each of which
- Read-out amplifier can be connected exclusively upstream of at least one associated shift register.
- Each shift register is then assigned only a small part of the total pixels of the CCD. This allows the maximum dwell time in the shift register to be reduced and the frame rate to be increased at the same readout rate.
- each individual active pixel of the CCD can also be assigned its own shift register as a buffer. The content of the shift register then typically corresponds to the time course of the charge state of an individual pixel during the lighting phase. However, the course of the state of charge of several pixels in a common state over time can also be used
- Shift registers can be mapped using appropriate indexing.
- a classic CCD sensor on the other hand, only one charge state is usually stored in the shift register for a large number of pixels.
- a disadvantage of CCD under poor lighting conditions is its thermal noise, which can occur both in the photosensitive areas and in shift registers. Due to the short residence time (typically about 4 ns to 10 ns) of the charges generated in the photosensitive pixel, the thermal noise in these is usually negligible. However, the dwell time in a shift register can be several 10 ps, which is why, depending on the design, hundreds or even several thousand thermal electrons can disrupt the signal during the readout phase for register elements that are last discharged into the readout amplifier. Since the most recently converted applications in LiDAR systems
- Register elements are typically those signals with the highest range and, equivalently, have the lowest signal, this is particularly disturbing and has a negative influence on the signal quality.
- the fundamental problem that the individual photo charges have different lengths of time in the shift register is, however, independent of the application and generally leads to different levels of noise for the individual pixels with CCD. Disclosure of the invention
- a CCD photodetector according to claim 1 an associated method for operation according to claim 4 and a corresponding LiDAR system according to claim 9 are provided.
- a CCD photodetector according to the invention in particular the read-out unit of such a CCD photodetector, comprises a shift register with a multiplicity of register cells arranged one behind the other, including a first register cell and a last register cell, a charging line for loading the shift register, and a readout gain for unloading the
- Shift registers wherein the charging line and the readout gain are each connected to the first register cell. It is not important to determine the exact order of the register cells, rather the first register cell and the last register cell only denote one end of the
- Shift registers It is essential for the invention that the charging line and the read amplification are connected to the same end of the shift register. Connected means both interconnected in terms of circuitry (abstract) and electrically conductive (physically).
- the charging line can also lead out of a common level of shift register and readout gain.
- the first register cell of the shift register can therefore be loaded both laterally within this level and from directions above or below this level.
- Readout amplification preferably adjoins the longitudinal axis (that is, along the row of the individual register cells) of the shift register.
- a CCD photodetector is understood to mean, in particular, a detector arrangement which is completely integrated on a (micro) chip, with both the photosensitive areas (pixels) and the readout amplification (or the readout electronics) being arranged as electronic components on the chip.
- the photo charges accumulated in the individual pixels during an illumination phase are gradually (serially) by means of
- Charge coupling via a charging line into a shift register transferred or reloaded.
- This can be a single shift register (with one charging line) for the entire CCD, or individual pixels or groups of pixels are each assigned their own shift register (with one charging line per shift register).
- the individual charges are then successively (serially) discharged from the shift register into an associated readout amplification.
- the task of the read amplification is to convert the individual charge packets from the register cells into a proportional voltage signal.
- the unloading of the sliding register via the read amplification therefore leads to a sequence of voltage pulses, each individual voltage pulse
- a shift register consists of a chain of
- Shift registers are preferably linear, but can also take a curved shape. If a CCD contains several shift registers, these are preferably arranged next to each other as a row next to each other (“grid column shape”).
- both the charging line and the read amplification are each connected to a first register cell of the shift register. This differentiates the loading and reading direction, i.e. the running direction of the respective “bucket chain”, of the shift register from each other (inverse
- the charge line and the discharge of the shift register into the readout amplification take place via one and the same end of the shift register.
- Shift registers first filled in one direction and then in the
- Reading phase operated the shift register against the shift direction during the lighting phase.
- signals with a long range and therefore low signal levels are read out first.
- the dwell time in the shift register is greatly reduced for these signals, as a result of which less thermal noise electrons are collected.
- a CCD according to the invention has some advantages over conventional CCD.
- a CCD according to the invention allows the temperature-dependent
- the CCD can be operated in a much wider temperature range without loss of range, resolution and / or frame rate. This leads to an increased maximum
- a CCD photodetector with a plurality of read amplifications (and in each case one or more
- associated shift registers adjacently arranged read amplifications alternately connected to different ends of respectively assigned shift registers from shift registers arranged next to one another. If there are several assigned shift registers, the connection is therefore made via the same register cell, that is to say via the same end of the shift register.
- the inverse readout direction is therefore combined with a CCD design in which the shift registers or the readout amplifications in each case
- a readout gain is preferably connected to at least two shift registers arranged next to one another. This has the advantage that shorter shift registers can be used. This reduces the number the displacement processes necessary for unloading and the
- the invention relates to a LiDAR system, comprising a CCD photodetector, set up to carry out a method according to one of claims 4 to 8.
- CCD photodetectors are particularly suitable for LiDAR applications due to the reduced thermal noise.
- a method for operating a CCD photodetector comprises providing a read gain with at least one assigned shift register with a plurality of register cells arranged one behind the other, which has a first register cell and a last register cell, the loading of the
- the CCD photodetector can in particular be one
- read amplifications arranged adjacent to one another are alternately arranged with shift registers, each associated with different ends, and arranged next to one another
- Shift registers connected.
- a readout gain is likewise preferably connected to at least two shift registers arranged next to one another.
- the shift registers are alternately changed per during the readout phase
- Unload register cell or alternately in groups of several register cells into the readout gain This means that the at least two shift registers associated with a readout gain are not discharged one after the other, but rather a serial mutual discharge takes place.
- alternating discharge of the shift registers into the readout gain in LiDAR applications can further reduce the effect of the thermal noise electrons on long-range targets.
- This approach can either alternate directly or be implemented in groups. In both cases, additional storage registers can be used or required for the temporary storage of the signals.
- a / D converter is used for digitization on the CCD. This significantly reduces the required storage time in the shift registers, which leads to lower thermal noise. In such systems, however, more A / D converters can then be implemented than are actually required in terms of time (determined by the required frame rate). However, this would result in high peak performance.
- An A / D converter connected to the readout gain therefore preferably digitizes the charge packets contained in the register cells during the readout phase, that is to say the proportional voltage pulses resulting therefrom after the readout gain, alternately to the rising and falling edge. Furthermore, the peak power can also be reduced in that the read gain is a low signal level
- bit depth of the A / D converter is reduced. With low signals, a power adjustment can be carried out at the expense of the bit depth.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a method for operating a CCD according to the prior art
- FIG. 2 shows a schematic illustration of a first embodiment of a method according to the invention for operating a CCD
- FIG. 3 shows a schematic illustration of a second embodiment of a method according to the invention for operating a CCD
- Figure 4 is a schematic representation of a third embodiment of a method according to the invention for operating a CCD
- Figure 5 is a schematic representation of a fourth embodiment of a method according to the invention for operating a CCD.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a method for operating a CCD according to the prior art.
- a shift register 100 has a multiplicity of register cells arranged one behind the other, including a first register cell 10 and a last register cell 20.
- the shift register 100 is loaded from a charging line via the last register cell 20
- Read-out gain SF on the other hand, via the first register cell 10. This means that the loading and reading directions do not differ, ie the running direction of the respective “bucket chain” remains the same in both phases.
- Figure 2 shows a schematic representation of a first embodiment of a method according to the invention for operating a CCD.
- the shift register 100 is loaded from a charging line via the first register cell 10 during an illumination phase A.
- the shift register 100 is also discharged into the readout gain SF during a readout phase B via the first register cell 10. Subsequent to the Readout amplification SF are also additional
- Noise reduction CDS and an analog-to-digital converter A D are shown as components of a readout electronics 200.
- Figure 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a method according to the invention for operating a CCD.
- the shift register 100 is loaded from a charging line and the shift register 100 is unloaded into the readout gain SF via the same end of the shift register 100
- Read amplifications SF are alternately assigned shift registers 100, each with different ends, arranged next to one another
- Shift registers 100 connected.
- a corresponding CCD thus has a plurality of read gains SF with associated shift registers 100, with exactly one shift register 100 being assigned to each read gain SF.
- Such an offset arrangement of read amplifications SF enables a higher integration density and thereby smaller, less noise-sensitive shift register 100.
- Figure 4 shows a schematic representation of a third embodiment of a method according to the invention for operating a CCD. Loading the
- Shift register 100 from a charging line and unloading the
- Shift registers 100 in the readout gain SF are again carried out via the same end of the shift register.
- Readout amplification SF is connected to at least two shift registers 100 arranged next to one another.
- the shift registers 100 are alternately in groups of several
- the first two register cells (a) of the upper shift register 100 are first of all inserted into the first step
- Unload read gain SF then the first two register cells (a ’) of lower shift register 100 are unloaded into read gain SF. The unloading is then continued accordingly with the next group of register cells (b) in the upper shift register 100.
- the shift registers 100 can alternately be inserted into the register cell
- Readout gain SF can be discharged.
- FIG. 5 shows a schematic illustration of a fifth embodiment of a method according to the invention for operating a CCD. This is a combination of the two previously described embodiments.
- two adjacent read amplifications SF are each connected to two assigned shift registers 100, the read amplifications SF alternately being connected to different ends of the respectively assigned two-of-four shift registers 100.
- those belonging to a readout gain SF Shift register 100 alternately in groups of several
- Unload register cells (a, b, c; a ’, b’, c ’) into the associated readout gain SF.
- the shift registers 100 can alternatively be discharged alternately into the readout gain SF per register cell.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen CCD-Photodetektor und ein zugehöriges Verfahren zum Betrieb. Insbesondere wird ein CCD-Photodetektor für LiDAR-Systeme beschrieben, umfassend ein Schieberegister (100) mit einer Vielzahl von hintereinander angeordneten Registerzellen einschließlich einer ersten Registerzelle (10) und einer letzten Registerzelle (20), eine Ladeleitung zum Laden des Schieberegisters (100), und eine Ausleseverstärkung (SF) zum Entladen des Schieberegisters (100), wobei die Ladeleitung und die Ausleseverstärkung (SF) jeweils mit der ersten Registerzelle (10) verbunden sind. Weiterhin offenbart ist ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb eines CCD-Photodetektors.
Description
Beschreibung
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.
Claims
1. CCD-Photodetektor, umfassend ein Schieberegister (100) mit einer Vielzahl von hintereinander angeordneten Registerzellen einschließlich einer ersten Registerzelle (10) und einer letzten Registerzelle (20), eine Ladeleitung zum Laden des Schieberegisters (100), und eine Ausleseverstärkung (SF) zum Entladen des Schieberegisters (100), wobei die Ladeleitung und die
Ausleseverstärkung (SF) jeweils mit der ersten Registerzelle (10) verbunden sind.
2. CCD-Photodetektor nach Anspruch 1 , wobei benachbart angeordnete
Ausleseverstärkungen (SF) abwechselnd mit unterschiedlichen Enden jeweils zugeordneter Schieberegister (100) aus nebeneinander
angeordneten Schieberegistern (100) verbunden sind.
3. CCD-Photodetektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Ausleseverstärkung (SF) mit mindestens zwei nebeneinander angeordneten Schieberegistern (100) verbunden ist.
4. Verfahren zum Betrieb eines CCD-Photodetektors, wobei ein einer
Ausleseverstärkung (SF) zugeordnetes Schieberegister (100) eine Vielzahl von hintereinander angeordneten Registerzellen einschließlich einer ersten Registerzelle (10) und einer letzten Registerzelle (20) aufweist, umfassend das Laden des Schieberegisters (100) aus einer Ladeleitung über die erste Registerzelle (10) während einer Beleuchtungsphase (A) und das Entladen des Schieberegisters (100) in die Ausleseverstärkung (SF) über die erste Registerzelle (10) während einer Auslesephase (B).
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei benachbart angeordnete
Ausleseverstärkungen (SF) abwechselnd mit unterschiedlichen Enden jeweils zugeordneter Schieberegister (100) aus nebeneinander
angeordneten Schieberegistern (100) verbunden sind.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei eine Ausleseverstärkung (SF) mit mindestens zwei nebeneinander angeordneten Schieberegistern (100) verbunden ist, und während der Auslesephase (B) die Schieberegister (100) abwechseln pro Registerzelle oder abwechselnd jeweils in Gruppen aus mehreren Registerzellen (aa, a’a’, bb, b’b’, ...) in die Ausleseverstärkung (SF) entladen werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei ein mit der
Ausleseverstärkung (SF) verbundener A/D-Wandler (A/D) während der Auslesephase (B) abwechselnd zur steigenden und zur fallenden Flanke der in den Registerzellen enthaltenen Ladungspakete digitalisiert.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei bei niedrigen Signalpegeln der
Ausleseverstärkung (SF) eine Reduzierung der Bit-Tiefe des A/D-Wandlers (A D) erfolgt.
9. LiDAR-System, einen CCD-Photodetektor umfassend, eingerichtet zur
Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 8.
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