340 research outputs found

    A 192×128 Time Correlated SPAD Image Sensor in 40-nm CMOS Technology

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    A 192 X 128 pixel single photon avalanche diode (SPAD) time-resolved single photon counting (TCSPC) image sensor is implemented in STMicroelectronics 40-nm CMOS technology. The 13% fill factor, 18.4\,\,\mu \text {m} \times 9.2\,\,\mu \text{m} pixel contains a 33-ps resolution, 135-ns full scale, 12-bit time-to-digital converter (TDC) with 0.9-LSB differential and 5.64-LSB integral nonlinearity (DNL/INL). The sensor achieves a mean 219-ps full-width half-maximum (FWHM) impulse response function (IRF) and is operable at up to 18.6 kframes/s through 64 parallelized serial outputs. Cylindrical microlenses with a concentration factor of 3.25 increase the fill factor to 42%. The median dark count rate (DCR) is 25 Hz at 1.5-V excess bias. A digital calibration scheme integrated into a column of the imager allows off-chip digital process, voltage, and temperature (PVT) compensation of every frame on the fly. Fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) results are presented

    Low-power CMOS digital-pixel Imagers for high-speed uncooled PbSe IR applications

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    This PhD dissertation describes the research and development of a new low-cost medium wavelength infrared MWIR monolithic imager technology for high-speed uncooled industrial applications. It takes the baton on the latest technological advances in the field of vapour phase deposition (VPD) PbSe-based medium wavelength IR (MWIR) detection accomplished by the industrial partner NIT S.L., adding fundamental knowledge on the investigation of novel VLSI analog and mixed-signal design techniques at circuit and system levels for the development of the readout integrated device attached to the detector. The work supports on the hypothesis that, by the use of the preceding design techniques, current standard inexpensive CMOS technologies fulfill all operational requirements of the VPD PbSe detector in terms of connectivity, reliability, functionality and scalability to integrate the device. The resulting monolithic PbSe-CMOS camera must consume very low power, operate at kHz frequencies, exhibit good uniformity and fit the CMOS read-out active pixels in the compact pitch of the focal plane, all while addressing the particular characteristics of the MWIR detector: high dark-to-signal ratios, large input parasitic capacitance values and remarkable mismatching in PbSe integration. In order to achieve these demands, this thesis proposes null inter-pixel crosstalk vision sensor architectures based on a digital-only focal plane array (FPA) of configurable pixel sensors. Each digital pixel sensor (DPS) cell is equipped with fast communication modules, self-biasing, offset cancellation, analog-to-digital converter (ADC) and fixed pattern noise (FPN) correction. In-pixel power consumption is minimized by the use of comprehensive MOSFET subthreshold operation. The main aim is to potentiate the integration of PbSe-based infra-red (IR)-image sensing technologies so as to widen its use, not only in distinct scenarios, but also at different stages of PbSe-CMOS integration maturity. For this purpose, we posit to investigate a comprehensive set of functional blocks distributed in two parallel approaches: • Frame-based “Smart” MWIR imaging based on new DPS circuit topologies with gain and offset FPN correction capabilities. This research line exploits the detector pitch to offer fully-digital programmability at pixel level and complete functionality with input parasitic capacitance compensation and internal frame memory. • Frame-free “Compact”-pitch MWIR vision based on a novel DPS lossless analog integrator and configurable temporal difference, combined with asynchronous communication protocols inside the focal plane. This strategy is conceived to allow extensive pitch compaction and readout speed increase by the suppression of in-pixel digital filtering, and the use of dynamic bandwidth allocation in each pixel of the FPA. In order make the electrical validation of first prototypes independent of the expensive PbSe deposition processes at wafer level, investigation is extended as well to the development of affordable sensor emulation strategies and integrated test platforms specifically oriented to image read-out integrated circuits. DPS cells, imagers and test chips have been fabricated and characterized in standard 0.15μm 1P6M, 0.35μm 2P4M and 2.5μm 2P1M CMOS technologies, all as part of research projects with industrial partnership. The research has led to the first high-speed uncooled frame-based IR quantum imager monolithically fabricated in a standard VLSI CMOS technology, and has given rise to the Tachyon series [1], a new line of commercial IR cameras used in real-time industrial, environmental and transportation control systems. The frame-free architectures investigated in this work represent a firm step forward to push further pixel pitch and system bandwidth up to the limits imposed by the evolving PbSe detector in future generations of the device.La present tesi doctoral descriu la recerca i el desenvolupament d'una nova tecnologia monolítica d'imatgeria infraroja de longitud d'ona mitja (MWIR), no refrigerada i de baix cost, per a usos industrials d'alta velocitat. El treball pren el relleu dels últims avenços assolits pel soci industrial NIT S.L. en el camp dels detectors MWIR de PbSe depositats en fase vapor (VPD), afegint-hi coneixement fonamental en la investigació de noves tècniques de disseny de circuits VLSI analògics i mixtes pel desenvolupament del dispositiu integrat de lectura unit al detector pixelat. Es parteix de la hipòtesi que, mitjançant l'ús de les esmentades tècniques de disseny, les tecnologies CMOS estàndard satisfan tots els requeriments operacionals del detector VPD PbSe respecte a connectivitat, fiabilitat, funcionalitat i escalabilitat per integrar de forma econòmica el dispositiu. La càmera PbSe-CMOS resultant ha de consumir molt baixa potència, operar a freqüències de kHz, exhibir bona uniformitat, i encabir els píxels actius CMOS de lectura en el pitch compacte del pla focal de la imatge, tot atenent a les particulars característiques del detector: altes relacions de corrent d'obscuritat a senyal, elevats valors de capacitat paràsita a l'entrada i dispersions importants en el procés de fabricació. Amb la finalitat de complir amb els requisits previs, es proposen arquitectures de sensors de visió de molt baix acoblament interpíxel basades en l'ús d'una matriu de pla focal (FPA) de píxels actius exclusivament digitals. Cada píxel sensor digital (DPS) està equipat amb mòduls de comunicació d'alta velocitat, autopolarització, cancel·lació de l'offset, conversió analògica-digital (ADC) i correcció del soroll de patró fixe (FPN). El consum en cada cel·la es minimitza fent un ús exhaustiu del MOSFET operant en subllindar. L'objectiu últim és potenciar la integració de les tecnologies de sensat d'imatge infraroja (IR) basades en PbSe per expandir-ne el seu ús, no només a diferents escenaris, sinó també en diferents estadis de maduresa de la integració PbSe-CMOS. En aquest sentit, es proposa investigar un conjunt complet de blocs funcionals distribuïts en dos enfocs paral·lels: - Dispositius d'imatgeria MWIR "Smart" basats en frames utilitzant noves topologies de circuit DPS amb correcció de l'FPN en guany i offset. Aquesta línia de recerca exprimeix el pitch del detector per oferir una programabilitat completament digital a nivell de píxel i plena funcionalitat amb compensació de la capacitat paràsita d'entrada i memòria interna de fotograma. - Dispositius de visió MWIR "Compact"-pitch "frame-free" en base a un novedós esquema d'integració analògica en el DPS i diferenciació temporal configurable, combinats amb protocols de comunicació asíncrons dins del pla focal. Aquesta estratègia es concep per permetre una alta compactació del pitch i un increment de la velocitat de lectura, mitjançant la supressió del filtrat digital intern i l'assignació dinàmica de l'ample de banda a cada píxel de l'FPA. Per tal d'independitzar la validació elèctrica dels primers prototips respecte a costosos processos de deposició del PbSe sensor a nivell d'oblia, la recerca s'amplia també al desenvolupament de noves estratègies d'emulació del detector d'IR i plataformes de test integrades especialment orientades a circuits integrats de lectura d'imatge. Cel·les DPS, dispositius d'imatge i xips de test s'han fabricat i caracteritzat, respectivament, en tecnologies CMOS estàndard 0.15 micres 1P6M, 0.35 micres 2P4M i 2.5 micres 2P1M, tots dins el marc de projectes de recerca amb socis industrials. Aquest treball ha conduït a la fabricació del primer dispositiu quàntic d'imatgeria IR d'alta velocitat, no refrigerat, basat en frames, i monolíticament fabricat en tecnologia VLSI CMOS estàndard, i ha donat lloc a Tachyon, una nova línia de càmeres IR comercials emprades en sistemes de control industrial, mediambiental i de transport en temps real.Postprint (published version

    Challenges and Solutions to Next-Generation Single-Photon Imagers

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    Detecting and counting single photons is useful in an increasingly large number of applications. Most applications require large formats, approaching and even far exceeding 1 megapixel. In this thesis, we look at the challenges of massively parallel photon-counting cameras from all performance angles. The thesis deals with a number of performance issues that emerge when the number of pixels exceeds about 1/4 of megapixels, proposing characterization techniques and solutions to mitigate performance degradation and non-uniformity. Two cameras were created to validate the proposed techniques. The first camera, SwissSPAD, comprises an array of 512 x 128 SPAD pixels, each with a one-bit memory and a gating mechanism to achieve 5ns high precision time windows with high uniformity across the array. With a massively parallel readout of over 10 Gigabit/s and positioning of the integration time window accurate to the pico-second range, fluorescence lifetime imaging and fluorescence correlation spectroscopy imaging achieve a speedup of several orders of magnitude while ensuring high precision in the measurements. Other possible applications include wide-field time-of-flight imaging and the generation of quantum random numbers at highest bit-rates. Lately super-resolution microscopy techniques have also used SwissSPAD. The second camera, LinoSPAD, takes the concepts of SwissSPAD one step further by moving even more 'intelligence' to the FPGA and reducing the sensor complexity to the bare minimum. This allows focusing the optimization of the sensor on the most important metrics of photon efficiency and fill factor. As such, the sensor consists of one line of SPADs that have a direct connection each to the FPGA where complex photon processing algorithms can be implemented. As a demonstration of the capabilities of current lowcost FPGAs we implemented an array of time-to-digital converters that can handle up to 8.5 billion photons per second, measuring each one of them and accounting them in high precision histograms. Using simple laser diodes and a circuit to generate light pulses in the picosecond range, we demonstrate a ubiquitous 3D time-of-flight sensor. The thesis intends to be a first step towards achieving the world's first megapixel SPAD camera, which, we believe, is in grasp thanks to the architectural and circuital techniques proposed in this thesis. In addition, we believe that the applications proposed in this thesis offer a wide variety of uses of the sensors presented in this thesis and in future ones to come

    Methods of visualisation

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    Error Modeling and Analysis of Star Cameras for a Class of 1U Spacecraft

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    As spacecraft today become increasingly smaller, the demand for smaller components and sensors rises as well. The smartphone, a cutting edge consumer technology, has impressive collections of both sensors and processing capabilities and may have the potential to fill this demand in the spacecraft market. If the technologies of a smartphone can be used in space, the cost of building miniature satellites would drop significantly and give a boost to the aerospace and scientific communities.Concentrating on the problem of spacecraft orientation, this study sets ground to determine the capabilities of a smartphone camera when acting as a star camera. Orientations determined from star images taken from a smartphone camera are compared to those of higher quality cameras in order to determine the associated accuracies. The results of the study reveal the abilities of low-cost off-the-shelf imagers in space and give a starting point for future research in the field.The study began with a complete geometric calibration of each analyzed imager such that all comparisons start from the same base. After the cameras were calibrated, image processing techniques were introduced to correct for atmospheric, lens, and image sensor effects. Orientations for each test image are calculated through methods of identifying the stars exposed on each image. Analyses of these orientations allow the overall errors of each camera to be defined and provide insight into the abilities of low-cost imagers

    Interpixel capacitive coupling

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    Interpixel coupling (IPC) is an electronic crosstalk where a pixel couples signal charges to its neighbors capacitively. It is a deterministic process, whereas diffusion crosstalk is stochastic. It will smooth normal image signal as well as Poisson noise. As a result, the conversion gain will be underestimated by the photon transfer method. However, the capacitive coupling has not received much attention until Andrew Moore and Gert Finger recently studied its potential effect on the measurement of responsive detective efficiency of image detector arrays in both theory and observation. This thesis continues to investigate this electronic effect. The potential impact of capacitive coupling on the photometric measurement is first simulated. Methods based on inverse filer and Wiener filer are tested to correct this coupling impact. It appears that the signal loss can be restored to reasonable accuracy by applying the pseudo-inverse filter, provided that we have full knowledge of interpixel coupling. New methods to measure the IPC value are proposed and tested based on the cosmic ray events and hot pixels, where the dark frame data sampled up-the-ramp are used. By these two methods, the coupling effect of a hybrid HgCdTe array is studied. The coupling magnitude is measured at different detector temperatures. It shows that the IPC magnitude decreases with increasing temperature. The IPC dependencies on the center pixel intensity and background are also checked: the magnitude becomes smaller when the target pixel event gets stronger, while the trend reverses with the change of background level. Finally, the possible impact on read noise, i.e. noise correlation with adjacent pixels, is examined based on the dark frames from the infrared HgCdTe and Si-PIN arrays. The initial results indicate that the read noise component is not affected by the capacitive coupling between pixels, in the sense that read noise is uncorrelated to neighboring pixels, as compared to the neighbor-correlated Poisson noise due to interpixel capacitance

    Detection and analysis of single event upsets in noisy digital imagers with small to medium pixels

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    Camera sensors are shrinking, resulting in more defects seen through image analysis. Due to cosmic radiation, camera experience both permanent defects known as hot pixels and temporal defective spikes which are Single Event Upsets (SEUs). SEUs manifest themselves as temporal random bright areas in sequential dark-frame images that are taken with long exposure times. In the past, it was difficult to separate SEUs from noise in dark-frame images taken with DSLRs at high sensitivity levels (ISO) and cell phone cameras at modest sensitivity levels. However, recent software improvements in this research have enabled the analysis of defect rates in noisy digital imagers – by leveraging local area and pixel address distribution techniques. In addition, multiple experiments were performed to understand the relationship of SEUs and elevation. This study reports data from imagers with pixels ranging from 7 μm (DSLR cameras) down to 1.2 μm (cell phone cameras)

    Propuesta de arquitectura y circuitos para la mejora del rango dinámico de sistemas de visión en un chip diseñados en tecnologías CMOS profundamente submicrométrica

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    El trabajo presentado en esta tesis trata de proponer nuevas técnicas para la expansión del rango dinámico en sensores electrónicos de imagen. En este caso, hemos dirigido nuestros estudios hacia la posibilidad de proveer dicha funcionalidad en un solo chip. Esto es, sin necesitar ningún soporte externo de hardware o software, formando un tipo de sistema denominado Sistema de Visión en un Chip (VSoC). El rango dinámico de los sensores electrónicos de imagen se define como el cociente entre la máxima y la mínima iluminación medible. Para mejorar este factor surgen dos opciones. La primera, reducir la mínima luz medible mediante la disminución del ruido en el sensor de imagen. La segunda, incrementar la máxima luz medible mediante la extensión del límite de saturación del sensor. Cronológicamente, nuestra primera opción para mejorar el rango dinámico se basó en reducir el ruido. Varias opciones se pueden tomar para mejorar la figura de mérito de ruido del sistema: reducir el ruido usando una tecnología CIS o usar circuitos dedicados, tales como calibración o auto cero. Sin embargo, el uso de técnicas de circuitos implica limitaciones, las cuales sólo pueden ser resueltas mediante el uso de tecnologías no estándar que están especialmente diseñadas para este propósito. La tecnología CIS utilizada está dirigida a la mejora de la calidad y las posibilidades del proceso de fotosensado, tales como sensibilidad, ruido, permitir imagen a color, etcétera. Para estudiar las características de la tecnología en más detalle, se diseñó un chip de test, lo cual permite extraer las mejores opciones para futuros píxeles. No obstante, a pesar de un satisfactorio comportamiento general, las medidas referentes al rango dinámico indicaron que la mejora de este mediante sólo tecnología CIS es muy limitada. Es decir, la mejora de la corriente oscura del sensor no es suficiente para nuestro propósito. Para una mayor mejora del rango dinámico se deben incluir circuitos dentro del píxel. No obstante, las tecnologías CIS usualmente no permiten nada más que transistores NMOS al lado del fotosensor, lo cual implica una seria restricción en el circuito a usar. Como resultado, el diseño de un sensor de imagen con mejora del rango dinámico en tecnologías CIS fue desestimado en favor del uso de una tecnología estándar, la cual da más flexibilidad al diseño del píxel. En tecnologías estándar, es posible introducir una alta funcionalidad usando circuitos dentro del píxel, lo cual permite técnicas avanzadas para extender el límite de saturación de los sensores de imagen. Para este objetivo surgen dos opciones: adquisición lineal o compresiva. Si se realiza una adquisición lineal, se generarán una gran cantidad de datos por cada píxel. Como ejemplo, si el rango dinámico de la escena es de 120dB al menos se necesitarían 20-bits/píxel, log2(10120/20)=19.93, para la representación binaria de este rango dinámico. Esto necesitaría de amplios recursos para procesar esta gran cantidad de datos, y un gran ancho de banda para moverlos al circuito de procesamiento. Para evitar estos problemas, los sensores de imagen de alto rango dinámico usualmente optan por utilizar una adquisición compresiva de la luz. Por lo tanto, esto implica dos tareas a realizar: la captura y la compresión de la imagen. La captura de la imagen se realiza a nivel de píxel, en el dispositivo fotosensor, mientras que la compresión de la imagen puede ser realizada a nivel de píxel, de sistema, o mediante postprocesado externo. Usando el postprocesado, existe un campo de investigación que estudia la compresión de escenas de alto rango dinámico mientras se mantienen los detalles, produciendo un resultado apropiado para la percepción humana en monitores convencionales de bajo rango dinámico. Esto se denomina Mapeo de Tonos (Tone Mapping) y usualmente emplea solo 8-bits/píxel para las representaciones de imágenes, ya que éste es el estándar para las imágenes de bajo rango dinámico. Los píxeles de adquisición compresiva, por su parte, realizan una compresión que no es dependiente de la escena de alto rango dinámico a capturar, lo cual implica una baja compresión o pérdida de detalles y contraste. Para evitar estas desventajas, en este trabajo, se presenta un píxel de adquisición compresiva que aplica una técnica de mapeo de tonos que permite la captura de imágenes ya comprimidas de una forma optimizada para mantener los detalles y el contraste, produciendo una cantidad muy reducida de datos. Las técnicas de mapeo de tonos ejecutan normalmente postprocesamiento mediante software en un ordenador sobre imágenes capturadas sin compresión, las cuales contienen una gran cantidad de datos. Estas técnicas han pertenecido tradicionalmente al campo de los gráficos por ordenador debido a la gran cantidad de esfuerzo computacional que requieren. Sin embargo, hemos desarrollado un nuevo algoritmo de mapeo de tonos especialmente adaptado para aprovechar los circuitos dentro del píxel y que requiere un reducido esfuerzo de computación fuera de la matriz de píxeles, lo cual permite el desarrollo de un sistema de visión en un solo chip. El nuevo algoritmo de mapeo de tonos, el cual es un concepto matemático que puede ser simulado mediante software, se ha implementado también en un chip. Sin embargo, para esta implementación hardware en un chip son necesarias algunas adaptaciones y técnicas avanzadas de diseño, que constituyen en sí mismas otra de las contribuciones de este trabajo. Más aún, debido a la nueva funcionalidad, se han desarrollado modificaciones de los típicos métodos a usar para la caracterización y captura de imágenes
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