SPAD array for LIDAR with region-of-interest selection and background rejection

Light Detection and Ranging (LiDAR) is a widespread technique for 3D ranging and has many applications in all automated systems that must interact with the external environment, for instance in industrial and security environments. My thesis work is part of a project developing a SPAD array for handheld single point rangefinder aimed at the identification of objects’ position in presence of strong background illumination. The system will be developed for industrial environment and the SPAD array I developed aims at a distance range of about 2 m and a precision of few centimetres. The distance is estimated through direct Time-Of-Flight technique, that consists in the direct measurement of the round-trip return time of the optical pulse backscattered from the target to the array. The backscattered signal is reconstructed through Time Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) technique. Since the laser spot illuminates only a small portion of the array, while all pixels are exposed to background illumination, the aim of this work is the development of a novel SPAD array architecture for the identification of the pixels illuminated by the laser spot, to perform a Region-Of-Interest (ROI) selection and a smart sharing of the timing electronics (Time-to-Digital Converters) without the need for coincidence based structures that require more than one photon detection to perform one time conversion, that reduce the number of available samples. The ROI selection is performed by subtracting, in each pixel, the number of events detected in the time slot in which the laser is expected to the number of background events detected in a second time interval without laser. The user can choose the number stored in the counters at the beginning of the process, used as threshold, and after 500 laser samples, the pixel will feed one TDC, only in case the pixel counter has reached a negative value. For this architecture, I have developed a Variable Load Quenching Circuit (VLQC) optimized to comply the area constraints and a 10 bit UP/DOWN counter with saturating logic and threshold detection. The VLQC circuit has been redesigned from an already existing architecture, of which I performed the characterization of the test circuits previously developed. Particular attention has been dedicated to the layout and the routing in order to perform correctly the TDC sharing and minimize the delays. The SPAD array chip has 10 x 40 pixels with the electronics needed for the ROI estimation, 80 TDCs and a histogram builder, used for TCSPC acquisitions. The design has been performed in 0.16 µm BCD technology using the Cadence Virtuoso design environment.

I telemetri laser hanno numerose applicazioni e sono diffusi in tutti i sistemi automatizzati che devono interagire con l’ambiente esterno, come nelle applicazioni industriali e di sicurezza. Il mio lavoro di tesi fa parte di un progetto finalizzato alla realizzazione di un telemetro laser a singolo punto facilmente trasportabile che dovrà essere usato per la misura delle posizioni e delle distanze di oggetti in presenza di una forte illuminazione di fondo. Il sistema verrà sviluppato per applicazioni industriali e la matrice di SPAD che ho sviluppato dovrà avere un range di misura pari a circa 2 metri e una precisione di qualche centimetro. La distanza viene calcolata tramite una misura di tempo di volo diretto (direct Time-Of-Flight), dove si misura direttamente il tempo impiegato da un impulso luminoso per percorrere la distanza tra la sorgente e l’oggetto ed essere riflesso verso il sensore. L’impulso che viene rilevato viene ricostruito con la tecnica Time Correlated Single-Photon Counting (TCSPC). Poiché il laser illumina solo una piccola porzione della matrice di SPAD, mentre gran parte di questi è esposta solo all’illuminazione di fondo, l’obiettivo di questo lavoro è la realizzazione di una nuova architettura capace di individuare i pixel effettivamente illuminati dal laser, stabilire una regione di interesse (Region-Of-Interest) ed effettuare una condivisione intelligente dell’elettronica per la misura del tempo di volo (i.e. TDC), senza implementare architetture basate sulla coincidenza che richiedono la rivelazione di più fotoni per generare un solo campione e riducono il numero di campioni disponibili. L’identificazione è effettuata tramite la sottrazione, per ogni pixel, del numero di eventi rivelati durante la finestra temporale in cui ci si aspetta il ritorno del laser agli eventi di fondo rivelati in una seconda finestra temporale, in cui il laser non è presente. L’utilizzatore può precaricare il valore iniziale dei contatori, che verrà usato come soglia. In questo modo dopo 500 campioni, il pixel sarà connesso ad un TDC, solo se il suo contatore avrà raggiunto un valore minore di zero. Per effettuare questa operazione ho sviluppato un circuito di quenching (Variable Load Quenching Circuit) ottimizzato per rispettare i limiti di area e un contatore UP/DOWN a complemento a 2 di 10 bit con logica dedicata alla saturazione e rivelazione della soglia. Il circuito di quenching è stato sviluppato a partire da un’architettura preesistente, che ho caratterizzato sviluppando opportuni circuiti di test. Nel design è stata prestata attenzione al layout e alle connessioni al fine di effettuare correttamente la condivisione dei TDC e minimizzare lo skew tra un pixel e l’altro. Il chip finale presenta una matrice di 10 x 40 SPAD, con l’elettronica necessaria per stabilire la regione di interesse, 80 TDC, un circuito che genera l’istogramma del tempo di arrivo dei fotoni per implementare la TCSPC. Il design è stato sviluppato usando una tecnologia BCD a 0.16 µm usando l’ambiente di sviluppo Cadence Virtuoso.