[논문 리뷰] A megapixel time-gated SPAD image sensor for 2D and 3D imaging applications

Kazuhiro Morimoto, Andrei Ardelean외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 30.

Advanced Optical Sensing Technologies참고 문헌 5인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 180nm CIS 기술로 제작된 최초의 1-megapixel 시간 게이팅 SPAD 이미지 센서를 제안하며, 3.8ns 시간 게이팅과 24kfps 프레임 레이트를 달성한다. 이는 2m 이내에서 8mm 이내 정밀도로 고정밀 2D 및 3D 영상 촬영을 가능하게 하며, 이중 노출을 통한 동적 범위 연장과 함께 단일 광자 시간 게이팅 ToF에서 공간적으로 겹치는 다중 물체 탐지를 처음으로 구현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고해상도, 고속 SPAD 이미지 센서를 개발하여 고급 2D 및 3D 영상 촬영 응용 분야를 지원한다.
• 메가픽셀 스케일에서 기존 SPAD 센서의 필드 팩터, 다크 카운트 비율, 타이밍 제트 등의 한계를 극복한다.
• 정밀한 깊이 측정을 위해 4ns 이내 해상도로 시간 게이팅 단일 광자 탐지 기능을 제공한다.
• 저조도 조건에서 시간 게이팅 SPAD 센서의 이중 노출 작동을 통해 동적 범위 연장과 다중 물체 탐지 기능을 단일 광자 시간 게이팅 ToF 영상 촬영에서 실제로 입증한다.

제안 방법

• 필드 팩터와 성능을 최적화하기 위해 9.4µm 및 5.75µm 피치를 각각 7T 및 5.75T 구성으로 갖는 두 가지 SPAD 픽셀 아키텍처를 설계한다.
• 3.3V 초과 바이어스를 사용하여 3.8ns 시간 게이팅 기능을 구현하며, 상승/하강 시간이 550ps 이하, 게이팅 길이의 제트가 120ps 이하인 성능을 달성한다.
• 고속 3D 영상 촬영을 지원하기 위해 시간 게이팅 동작을 24kfps 프레임 레이트와 통합한다.
• 단기 및 장기 노출 측정을 조합하여 동적 범위를 연장하기 위해 이중 노출 모드를 활용한다.
• 5.4mm LSB와 2m 범위에서 7.8mm 이내 정밀도를 갖는 깊이 해상도를 확보하기 위해 시간 게이팅 단일 광자 카운팅을 적용한다.
• 동일한 시간 게이팅 내에서 다중 물체의 시간 도착 시간 신호를 해석함으로써 공간적으로 겹치는 다중 물체 탐지를 처음으로 실험적으로 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 메가픽셀 스케일 SPAD 센서가 높은 필드 팩터와 낮은 다크 카운트 비율을 유지하면서도 4ns 이내의 시간 게이팅 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 메가픽셀 스케일 SPAD 어레이를 사용한 시간 게이팅 단일 광자 3D 영상 촬영에서 확보 가능한 깊이 해상도와 정밀도는 얼마인가?
• RQ3 시간 게이팅 SPAD 센서에서 이중 노출 작동이 저조도 조건에서 동적 범위를 효과적으로 연장할 수 있는가?
• RQ4 메가픽셀 스케일 SPAD 센서를 사용해 단일 시간 게이팅 ToF 측정에서 다중 공간적으로 겹치는 물체를 탐지하는 것이 실현 가능한가?
• RQ5 고속·고해상도 SPAD 이미지 센서에서 타이밍 제트와 위치 스케일은 깊이 정확도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 센서는 최대 13.4%의 필드 팩터와 3.3V 초과 바이어스에서 27%의 피크 광자 탐지 확률을 달성한다.
• 중앙값 다크 카운트 비율은 2.0 cps이며, 게이팅 길이의 제트는 120ps, 위치 스케일은 410ps이다.
• 센서는 5.4mm 최소 유효 비트(LSB)로 깊이 해상도를 제공하며, 2m 범위에서 7.8mm 이내 정밀도를 확보한다.
• 이중 노출 작동을 통해 동적 범위가 연장되었으며, 동일한 장면에서 밝고 어두운 물체 모두 탐지 가능함을 입증한다.
• 공간적으로 겹치는 다중 물체 탐지 기능이 단일 광자 시간 게이팅 ToF 영상 촬영에서 처음으로 실험적으로 입증되었다.
• 센서는 3.8ns 시간 게이팅과 함께 24kfps로 작동하며, 이러한 성능을 갖춘 최초의 1-megapixel SPAD 카메라로 기록된다.