[論文レビュー] A megapixel time-gated SPAD image sensor for 2D and 3D imaging applications

Kazuhiro Morimoto, Andrei Ardelean+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2019

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 5被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、180nm CIS技術で実装された最初の1メガピクセル時間ゲート付きSPAD画像センサを提案しており、3.8nsの時間ゲートと24kfpsのフレームレートを達成している。2mまでの高精度な2次元および3次元イメージング（8mm未満の精度）を可能にし、二重露出により動的範囲を拡張し、単一光子時間ゲート付きToFにおいて空間的に重なった複数対象物の検出を初めて実証した。

ABSTRACT

We present the first 1Mpixel SPAD camera ever reported. The camera features 3.8ns time gating and 24kfps frame rate; it was fabricated in 180nm CIS technology. Two pixels have been designed with a pitch of 9.4$μ$m in 7T and 5.75T configurations, respectively, achieving a maximum fill factor of 13.4%. The maximum PDP is 27%, median DCR 2.0cps, variation in gating length 120ps, position skew 410ps, and rise/fall time <550ps, all FWHM at 3.3V of excess bias. The sensor was used to capture 2D/3D scenes over 2m with an LSB of 5.4mm and a precision better than 7.8mm. Extended dynamic range is demonstrated in dual exposure operation mode. Spatially overlapped multi-object detection is experimentally demonstrated in single-photon time-gated ToF for the first time.

研究の動機と目的

• 高解像度・高スルーレートなSPAD画像センサの開発を目的とし、高度な2次元および3次元イメージング応用を実現すること。
• メガピクセルスケールにおける既存のSPADセンサのフィルファクター、ダークカウントレート、タイミングジッタの制限を克服すること。
• 正確な距離測定を可能にする、4ns未満の時間分解能を有する時間ゲート付き単一光子検出を実現すること。
• 時間ゲート付き単一光子ToFイメージングにおいて、動的範囲の拡張と複数対象物検出の実証を目的とする。

提案手法

• フィルファクターと性能の最適化を目的に、9.4µmピッチと5.75µmピッチの2種類のSPADピクセルアーキテクチャを、それぞれ7Tおよび5.75T構成で設計。
• 3.3Vの過剰バイアスを用いて3.8nsの時間ゲート機能を実装し、立ち上がり／立ち下がり時間が550ps未満、ゲート長さのジッタが120ps未満を達成。
• 高スルーレート3次元イメージングを支援するため、時間ゲート動作と24kfpsのフレームレートを統合。
• 短時間および長時間露出の測定を組み合わせることで、二重露出モードを用いて動的範囲を拡張。
• 5.4mmのLSBと2m範囲で7.8mm未満の精度を達成する時間ゲート付き単一光子カウントによる距離分解能を実現。
• 同一時間ゲート内に複数の対象物からの飛行時間信号を解離することで、空間的に重なった複数対象物の検出を実証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メガピクセルSPADセンサは、高フィルファクターと低ダークカウントレートを維持したまま、4ns未満の時間ゲート分解能を達成できるか？
• RQ2 メガピクセルSPADアレイを用いた時間ゲート付き単一光子3次元イメージングにおいて、達成可能な距離分解能と精度は何か？
• RQ3 時間ゲート付きSPADセンサにおける二重露出操作は、低照度条件下で動的範囲を効果的に拡張できるか？
• RQ4 メガピクセルSPADセンサを用いて、1回の時間ゲート付きToF測定で複数の空間的に重なった対象物を検出することは可能か？
• RQ5 高スルーレート・高解像度SPAD画像センサにおいて、タイミングジッタと位置ずれが距離精度に与える影響は何か？

主な発見

• センサは最大13.4%のフィルファクターと、3.3Vの過剰バイアスで27%のピーク光子検出確率を達成した。
• 中央値のダークカウントレートは2.0 cps、ゲート長さのジッタは120ps、位置ずれは410psであった。
• 5.4mmの最小有意ビット（LSB）を有する距離分解能を実現し、2m範囲で7.8mm未満の精度を達成した。
• 二重露出操作により動的範囲が拡張され、同じシーン内で明るい対象物と暗い対象物の両方を検出可能となった。
• 空間的に重なった複数対象物の検出が、単一光子時間ゲート付きToFイメージングにおいて、初めて実験的に実証された。
• 3.8nsの時間ゲートと24kfpsの動作を達成し、このような性能を持つ最初の1メガピクセルSPADカメラとしての記録を樹立した。