Abstract The main aim of this work was to design CMOS receiver channels for the integrated receiver chip of a pulsed time-of-flight (TOF) laser rangefinder. The chip includes both the receiver channel and the time-to-digital converter (TDC) in a single die, thus increasing the level of integration of the system, with the corresponding advantages of a cheaper price and lower power consumption, for example. Receiver channels with both linear and leading edge timing discriminator schemes were investigated. In general the receiver channel consists of a preamplifier, a postamplifier and a timing comparator. Since a large systematic timing error may occur due to high variation in the amplitude of the received echo, a leading edge timing discriminator scheme with time domain walk error compensation is proposed here, making use of the TDC already available in the chip to measure the slew rate of the pulse and using that information to evaluate the timing error. This compensation scheme benefits from the fact that compensation can be continued even though the signal is clipped in the amplitude domain, because the slew rate continues to increase even then. The receiver channel with leading edge detection and time domain walk error compensation achieved a compensated timing walk error of ±4.5 mm within a dynamic range of more than 1:10000. The standard deviation in single shot precision was less than 25 mm with an SNR of more than 20. The usability of the receiver channel in pulsed TOF laser rangefinders was verified by making actual time-of-flight measurements on a calibrated measurement track. The linearity of the receiver chip was better than ±5 mm in a measurement range from 3 m to 21 m, with the dynamic range of the receiver channel reaching more than 1:2000. An integrated CMOS laser diode pulser was also demonstrated to prove its functionality for generating ampere-scale peak current pulses through a low ohmic load and a laser diode. The CMOS pulser achieved a peak current pulse with the amplitude of ~1 A, an optical pulse width of ~2.5 ns and a rise time of ~1 ns with a 5 V power supply. / Tiivistelmä Työn ensisijaisena tavoitteena oli suunnitella CMOS-vastaanottimia valopulssin kulkuajan mittaukseen perustuvan lasertutkan integroituun vastaanotinpiiriin. Vastaanotinpiiri sisältää sekä vastaanotinkanavan että aika-digitaalimuuntimen yhdellä integroidulla sirulla. Tällöin systeemin integrointiastetta saadaan kasvatettua, mikä merkitsee esimerkiksi halvempaa hintaa ja pienempää tehon kulutusta. Työssä on tutkittu vastaanotinkanavia, jotka käyttävät joko lineaariseen ilmaisuun tai etureunailmaisuun perustuvaa ajoitusilmaisutekniikkaa. Yleisesti vastaanotinkanava sisältää esivahvistimen, jälkivahvistimen ja ajoituskomparaattorin. Vastaanotetun signaalin tason voimakas vaihtelu saattaa aiheuttaa suuren systemaattisen virheen etureunailmaisuun perustuvassa ajoitusilmaisussa. Tässä työssä on esitetty etureunailmaisua käyttävä ajoitusilmaisin, jossa syntyvää ajoitusvirhettä voidaan korjata mittaamalla pulssin nousunopeutta aika-digitaalimuuntimella, joka on integroitu samalle sirulle. Aikatasossa tapahtuvan virheenkorjauksen etuna on mahdollisuus jatkaa virheenkorjausta amplituditasossa tapahtuvan signaalin leikkautumisen jälkeenkin, koska signaalin nousunopeus kasvaa leikkaantumisesta huolimatta. Etureunailmaisua käyttävällä vastaanotinkanavalla, jossa ajoitusvirhettä korjattiin pulssin nousunopeutta mittaamalla, saavutettiin ±4,5 mm ajoitusvirhe 1:10000 dynaamisella alueella. Kertamittaustarkkuuden keskihajonta oli vähemmän kuin 25 mm, kun signaalikohinasuhde oli enemmän kuin 20. Vastaanotinkanavan käytettävyys osana lasertutkaa todettiin tekemällä tutkamittauksia kalibroidulla mittaradalla. Mittauksissa saavutettu lineaarisuus oli ±5 mm mittausalueen vaihdellessa 3 metristä 21 metriin ja signaalin dynamiikan ollessa enemmän kuin 1:2000. Lisäksi työssä esitellään integroitu CMOS-pulssitin, joka pystyy tuottamaan ampeeri-luokan virtapulsseja laserdiodiin. CMOS-pulssittimella voitiin tuottaa 5 V käyttöjännitteellä ~1 A virtapulsseja optisen pulssin leveyden ja nousuajan ollessa ~2,5 ns ja ~1 ns.

Abstract In this thesis, a new type of laser diode transmitter using enhanced gain-switching suitable for use with a single photon avalanche diode (SPAD) detector was developed and tested in the pulsed time-of-flight laser range finding (lidar) application. Several laser diode versions were tested and the driving electronics were developed. The driving electronics improvements enabled a pulsing frequency of up to 1 MHz, while the maximum laser output power was about 5–40 W depending on the laser diode dimensions. The large output power is advantageous especially in conditions of strong photon noise emerging from ambient light outdoors. The length of the laser pulse matches the jitter of a typical SPAD detector providing several advantages. The new laser pulser structure enables a compact rangefinder for 50 m distance measurement outdoors in sunny conditions with sub-centimeter precision (σ-value) at a valid distance measurement rate of more than 10 kHz, for example. Single photon range finding techniques were also shown to enable a char bed level measurement of a recovery boiler containing highly attenuating and dispersing flue gas. In addition, gated single photon detector techniques were shown to provide a rejection of fluorescent photons in a Raman spectroscope leading to a greatly improved signal-to-noise ratio. Photonic effects were also studied in the case of a pulsed time-of-flight laser rangefinder utilizing a linear photodetector. It was shown that signal photon noise has an effect on the optimum detector configuration, and that pulse detection jitter can be minimized with an appropriate timing discriminator. / Tiivistelmä Tässä työssä kehitettiin uudentyyppinen, tehostettua "gain-switchingiä" hyödyntävä laserdiodilähetin käytettäväksi yksittäisten fotonien avalanche-ilmaisimien (SPAD) kanssa, ja sitä testattiin pulssin lentoaikaan perustuvassa laseretäisyysmittaussovelluksessa. Useita laserdiodiversioita testattiin ja ohjauselektroniikkaa kehitettiin. Ohjauselektroniikan parannukset mahdollistivat jopa 1 MHz pulssitustaajuuden, kun taas laserin maksimiteho oli noin 5–40 W riippuen laserdiodin dimensioista. Suuri lähtöteho on edullinen varsinkin vahvoissa taustafotoniolosuhteissa ulkona. Laserpulssin pituus vastaa tyypillisen SPAD-ilmaisimen jitteriä tarjoten useita etuja. Uusi laserpulssitinrakenne mahdollistaa esimerkiksi kompaktin etäisyysmittarin 50 m mittausetäisyydelle ulkona aurinkoisessa olosuhteessa mm–cm -mittaustarkkuudella (σ-arvo) yli 10 kHz mittaustahdilla. Yksittäisten fotonien lentoaikamittaustekniikan osoitettiin myös mahdollistavan soodakattilan keon korkeuden mittauksen, jossa on voimakkaasti vaimentavaa ja dispersoivaa savukaasua. Lisäksi portitetun yksittäisten fotonien ilmaisutekniikan osoitettiin hylkäävän fluoresenssin synnyttämiä fotoneita Raman-spektroskoopissa, joka johtaa selvästi parempaan signaali-kohinasuhteeseen. Fotoni-ilmiöitä tutkittiin myös lineaarista valoilmaisinta hyödyntävän pulssin kulkuaikamittaukseen perustuvan lasertutkan tapauksessa. Osoitettiin, että signaalin fotonikohina vaikuttaa optimaaliseen ilmaisinkonfiguraatioon, ja että pulssin ilmaisujitteri voidaan minimoida sopivalla ajoitusdiskriminaattorilla.