Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS
CMOS integrierte SPAD Detektoren für LiDAR
Durch die fortschreitende Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen bis hin zu autonomen Fahrzeugen werden zunehmend hochdynamische, effiziente und verlässliche Sensoren zur dreidimensionalen Erfassung der Umgebung benötigt. Die vom Fraunhofer IMS entwickelten CSPAD Detektoren vereinen hochsensitive 3D-Bildgebung mit sicheren Algorithmen für den leistungsfähigen Einsatz in LiDAR-Anwendungen. Zentrales Ziel dabei ist, maximale Reichweiten auch bei hoher Sonnenlichtintensität und gleichzeitig geringen Systemkosten zu erreichen.
Die CSPAD-Technologie basiert auf der Integration der SPAD-Detektoren (SPAD, engl. für single photon avalanche diode) in einem für die Automobilindustrie zertifizierten und für optoelektronische Anwendungen optimierten 0,35 µm CMOS-Prozess. Dies erlaubt es, SPAD-Detektoren und Auswerteelektronik auf demselben Chip unterzubringen. Ein Beispiel hierfür ist der Doppelzeilensensor SPADeye2 mit 2x192 Pixeln und einem Time-to-Digital-Converter pro Pixel. Darüber hinaus können mit Hilfe der 3D-Integration in Wafer-zu-Wafer- und Chip-zu-Wafer-Bondverfahren rückseitenbeleuchtete CSPAD-Detektoren (BSI CSPADs) realisiert werden. Die gestapelte Anordnung von Bildempfänger und Auswerteelektronik macht den Detektor nochmals effizienter und kompakter. Auf diese Weise können CSPAD-Flächensensoren mit tausenden von Pixeln für den Einsatz in Solid-state LiDAR Systemen mit hoher Auflösung realisiert werden.
Die am Fraunhofer IMS entwickelten CSPAD-Detektoren zeichnen sich insbesondere durch die in die Pixel integrierten adaptiven Photonkoinzidenzschaltungen zur Hintergrundlichtunterdrückung aus. Nur dadurch kann eine Steigerung der Reichweite bei hoher Sonnenlichteinstrahlung und die zuverlässige Abstandsmessung auch bei wechselnden Wetterbedingungen gewährleistet werden.
Über die Entwicklung und Fertigung neuer, auch kundenspezifischer, 3D-Sensoren hinaus stellt das Fraunhofer IMS eine breite Palette von Leistungen im Bereich LiDAR zur Verfügung. So werden sowohl Evaluationsboards für CSPAD-Chips als auch komplette LiDAR-Kameras mit entsprechender Software angeboten, mit denen die Sensoren in realistischen Messszenarien evaluiert werden können. Des Weiteren werden am Fraunhofer IMS Systemsimulationen durchgeführt und ständig neue Methoden zur Signalverarbeitung untersucht mit denen eine zusätzliche Steigerung der Reichweite erzielt wird.
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