(A) 360×360 CMOS LiDAR sensor with dynamic coincidence detection and extrapolation-based histogram memory

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 low SBR 조건에서도 효과적으로 동작하는 360×360 resolution SPAD 기반 dToF CMOS LiDAR 센서를 제안한다. dToF 방식은 광자의 도착 시점을 감지하여 거리를 측정하는 방식으로, 유효한 반사 신호 광자와 배경광 또는 다크 카운트와 같은 노이즈 광자 간의 signal-to-background ratio(SBR)가 성능에 직접적인 영향을 미친다. High SBR 환경에서는 신호 광자가 노이즈보다 훨씬 많아 뚜렷한 피크 검출이 가능하며, 적은 레이저 shot 수로도 높은 정확도(accuracy)와 정밀도(precision)를 확보할 수 있다. 반면 low SBR 환경에서는 노이즈의 영향으로 피크 검출이 불안정해져 잘못된 피크 ToF 탐지나 누락이 발생하기 쉽다.
그렇기에 본 논문에서는 event rate 기반 subframe reset, overflow count 값에 따른 memory refresh, coarse step 이후의 이중 우선순위 기반 peak detection과 같은 다양한 방식을 도입하였으며, coincidence detection, extrapolation과 같은 추가적인 기법을 통해 SBR이 낮은 환경에서도 효과적으로 동작하는 센서를 설계하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper proposes a 360×360 resolution SPAD-based dToF CMOS LiDAR sensor that operates effectively even under low SBR conditions. The dToF method measures distance by detecting the arrival time of photons, and its performance is directly affected by the signal-to-background ratio (SBR) between valid reflected signal photons and noise photons, such as background light or dark counts. In high SBR environments, signal photons significantly outnumber noise photons, enabling distinct peak detection and securing high accuracy and precision even with a small number of laser shots. Conversely, in low SBR environments, the influence of noise makes peak detection unstable, leading to a high probability of incorrect peak ToF detection or missed detections. Therefore, this paper introduces various methods such as event rate-based subframe reset, memory refresh based on overflow count values, and dual priority-based peak detection after the coarse step. Furthermore, a sensor capable of operating effectively even in low SBR environments was designed by applying additional techniques like coincidence detection and extrapolation.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구목적과 연구방법론 1
• 제2장 선행 연구 4
• 2.1 Single Photon Avalanche Diode(SPAD) 개요 4
• 2.2 Analog Front-End(AFE) 회로 구조 및 동작 원리 6
• 2.3 Direct Time-of-Flight(dToF) 측정 원리 8
• 2.4 Coincidence Detection(CD) 기본 원리 10
• 2.5 Extrapolation 기본 원리 12
• 2.6 Time-to-Digital Co nverter(TDC) 구조 및 동작 원리 14
• 2.6.1 Time-Correlated Single Photon Counting(TCSPC) 14
• 2.6.2 1-step histogramming TDC(hTDC) 16
• 2.6.3 2-step histogramming TDC(hTDC) 17
• 제3장 연구 동기 18
• 3.1 연구 동기 및 필요성 18
• 3.2 기존 한계(1) : 일반적인 고조도 환경에서의 SBR 감소 19
• 3.3 기존 한계(2) : 근거리 포화에 의한 원거리 SBR 확보 제한 19
• 3.4 기존 한계(3) : 노이즈 내성에 대한 제약 20
• 제4장 제안하는 구조 21
• 4.1 전체적 구조 21
• 4.2 면적 효율을 위한 Shared 3-Transistor nMOS-only SPAD AFE 24
• 4.3 가변적 CD Thresholding이 가능한 확장형 CD Logic 25
• 4.4 제안된 TDC 구조 및 동작 원리 29
• 제5장 구현 및 결과 36
• 5.1 Top Layout & Chip Micrograph 36
• 5.2 PCB Layout 38
• 5.3 Simulation 39
• 5.3.1 Verification of CD Thresholding (Manual Mode) 39
• 5.3.2 Verification of CD Thresholding (Auto Mode) 41
• 5.3.3 Verification of 2-step Digital hTDC 42
• 제6장 결론 44
• 참고문헌 45
• ABSTRACT 46