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High Performance CMOS Range Imaging

Süss, Andreas

This work is dedicated to CMOS based imaging with the emphasis on the noise modeling, characterization and optimization in order to contribute to the design of high performance imagers in general and range imagers in particular. CMOS is known to be superior to CCD due to its flexibility in terms of integration capabilities, but typically has to be enhanced to compete at parameters as for instance noise, dynamic range or spectral response. Temporal noise is an important topic, since it is one of the most crucial parameters that ultimately limits the performance and cannot be corrected. This thesis gathers the widespread theory on noise and extends the theory by a non-rigorous but potentially computing efficient algorithm to estimate noise in time sampled systems. The available devices of the 0:35 µm 2P4M CMOS process were characterized for their low-frequency noise performance and mutually compared by heuristic observations and a comparison to the state of research. These investigations set the foundation for a more rigorous treatment of noise exhibition and are thus believed to improve the predictability of the performance of e.g. image sensors. Many noise sources of CMOS APS have been investigated in the past and most of them can be minimized by usage of a PPD as a photodetector. Remaining dominant noise sources typically are the reset noise and the noise from the readout circuitry. In order to improve the latter, an alternative JFET based readout structure is proposed that was designed, manufactured and measured, proving the superior low-frequency noise performance of approximately a factor of 100 compared to standard MOSFETs. ToF is one key technology to enable new applications in e.g. machine vision, automotive, surveillance or entertainment. The competing CW principle is known to be prone to errors introduced by e.g. high ambient illuminance levels. The PM ToF principle is considered to be a promising method to supply the need for depth-map perception in harsh environmental conditions, but requires a high-speed photodetector. This work contributed to two generations of LDPD based ToF range image sensors and proposed a new approach to implement the MSI PM ToF principle. This was verified to yield a significantly faster charge transfer, better linearity, dark current and matching performance. A non-linear and time-variant model is provided that takes into account undesired phenomena such as finite charge transfer speed and a parasitic sensitivity to light when the shutters should remain OFF, to allow for investigations of large-signal characteristics, sensitivity and precision. It was demonstrated that the model converges to a standard photodetector model and properly resembles the measurements. Finally the impact of these undesired phenomena on the range measurement performance is demonstrated.

Diese Arbeit fokussiert sich auf die Modellierung, Charakterisierung und Optimierung von Rauschen um den Entwurf von hochperformanten CMOS-Bildsensoren im Allgemeinen und von distanzgebenden Bildsensoren im Speziellen zu unterstützen. CMOS Bildsensorik ist bekannt dafür, den CCD-Sensoren bezüglich Flexibilität überlegen zu sein, aber modifizierter Prozesse zu bedürfen um vergleichbare Leistung in Parametern wie Rauschen, Dynamik oder Empfindlichkeit zu erreichen. Rauschen wird als einer der wichtigsten Parameter erachtet, da es die erreichbare Genauigkeit maßgeblich limitiert und nicht korrigiert werden kann. Diese Thesis präsentiert einen Überblick über die weit gefächerte Theorie des Rauschens und fügt ihr eine Methodik hinzu die Rauschperformance von zeitlich abgetasteten Systemen zu schätzen. Eine Charakterisierung der verfügbaren Bauelemente des verwendeten 0:35 µm 2P4M CMOS-Prozesses wurde durchgeführt und anhand heuristischer Betrachtungen und dem Kenntnisstand der Rausch-Theorie evaluiert. Diese fundamentalen Untersuchungen werden als Grundlage erachtet, die Vorhersagbarkeit der Rauschperformance von z.B. Bildsensoren zu verbessern. Rauschquellen von Fotodetektoren wurden in der Vergangenheit erforscht, wobei viele mit der Einführung der PPD minimiert werden konnten. Üblicherweise sind die verbleibenden dominanten Rauschquellen das Resetrauschen und das Rauschen der Ausleseschaltung. Um Letzteres zu verbessern, wurde eine neuartige JFET-basierte Auslesestruktur entwickelt, welche im Vergleich zu verfügbaren Standard-MOSFETs eine um ca. Faktor 100 verbesserte Rauschperformance für niedrige Frequenzen aufweist. ToF wird als eine Schlüssel-Technologie erachtet, die neue Applikationen z.B. in Machine Vision, Automobil, Surveillance und Unterhaltungselektronik ermöglicht. Das konkurrierende CW-Verfahren ist bekannt dafür, anfällig bzgl. Störungen z.B. durch Hintergrundbestrahlung zu sein. Das PM-ToF-Prinzip wird als eine vielversprechende Methode für widrige Bedingungen erachtet, die allerdings eines schnellen Fotodetektors bedarf. Diese Arbeit trug zu zwei Generationen von LDPD basierten ToF-Bildsensoren bei und präsentiert eine alternative Implementierung des MSI-PM-ToF Verfahrens. Es wurde nachgewiesen, dass diese eine wesentlich bessere Performance bzgl. Geschwindigkeit, Linearität, Dunkelstrom und Matching bietet. Ferner bietet diese Arbeit ein nichtlineares und zeitvariantes Modell des realisierten Sensorprinzips, welches ungewünschte Phänomene wie die endliche Ladungsträgergeschwindigkeit und eine parasitäre Fotoempfindlichkeit der Speicherknoten berücksichtigt, um Großsignal-, Sensitivitäts- und Rauschperformance erforschen zu können. Es wurde gezeigt, dass das Modell gegen ein "Standard"-Modell konvergiert und die Messungen gut nachbildet. Letztlich wurde die Auswirkung dieser ungewünschten Phänomene auf die Performance der Distanzmessung präsentiert.

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Süss, Andreas: High Performance CMOS Range Imaging. 2014.

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