[论文解读] A megapixel time-gated SPAD image sensor for 2D and 3D imaging applications
本论文首次在180nm CIS工艺下实现了100万像素的时间门控SPAD图像传感器，具备3.8ns时间门控和24kfps帧率。该传感器可在2米范围内实现亚8毫米精度的高精度2D与3D成像，通过双曝光技术实现扩展动态范围，并首次实现了单光子时间门控飞行时间（ToF）成像中的空间重叠多目标检测。
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.
研究动机与目标
- 开发一种高分辨率、高速SPAD图像传感器，用于先进2D与3D成像应用。
- 克服现有SPAD传感器在百万像素规模下填充因子低、暗计数率高和时间抖动大的局限性。
- 实现亚4ns分辨率的时间门控单光子探测，以实现精确的深度感知。
- 在单光子时间门控ToF成像中，实现扩展动态范围和多目标检测。
提出的方法
- 设计两种SPAD像素架构，分别采用9.4µm和5.75µm像素间距，对应7T和5.75T结构，以优化填充因子和性能。
- 通过3.3V过bias电压实现3.8ns时间门控能力，达到<550ps上升/下降时间及120ps的门控长度时间抖动。
- 将时间门控操作与24kfps帧率集成，以支持高速3D成像。
- 采用双曝光模式，通过结合短曝光和长曝光测量，扩展动态范围。
- 利用时间门控单光子计数实现深度分辨，最小分辨步长（LSB）为5.4mm，2米范围内精度优于7.8mm。
- 通过在同一时间门控内解析多个目标的飞行时间信号，首次实现在单光子时间门控ToF成像中的空间重叠多目标检测。
实验结果
研究问题
- RQ1百万像素SPAD传感器能否在保持高填充因子和低暗计数率的同时，实现亚4ns时间门控分辨率？
- RQ2在使用百万像素SPAD阵列的时门控单光子3D成像中，可实现的深度分辨率和精度是多少？
- RQ3在低光照条件下，时门控SPAD传感器中的双曝光操作能否有效扩展动态范围？
- RQ4在单个时门控ToF测量中，是否可行利用百万像素SPAD传感器检测多个空间重叠的目标？
- RQ5时间抖动和位置偏移如何影响高速、高分辨率SPAD图像传感器的深度精度？
主要发现
- 传感器最大填充因子为13.4%，在3.3V过bias电压下峰值单光子探测概率为27%。
- 暗计数率中位数为2.0 cps，门控长度时间抖动为120ps，位置偏移为410ps。
- 传感器实现5.4mm最小分辨步长（LSB）的深度分辨率，2米范围内精度优于7.8mm。
- 通过双曝光操作实现扩展动态范围，可在同一场景中同时检测明亮和昏暗物体。
- 首次在单光子时间门控ToF成像中实验验证了空间重叠多目标检测。
- 传感器在24kfps下实现3.8ns时间门控，标志着首款具备此类性能的100万像素SPAD相机。
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本解读由 AI 生成，并经人工编辑审核。