En 1,5 Mpixel RGBZ-bildsensor som samtidigt fångar färg (RGB) och tid för flygning (ToF) avstånd (Z) bilder presenteras. Medan ToF-sensorer är väldokumenterade [1, 2], få, om någon, monolitiska sensorer har rapporterats som fångar både räckvidd och färg. I en sensor [3], en kombinerad pixel struktur fångar färg och räckvidd, men förmodligen i sekventiella fält. Detta tillvägagångssätt tillåter inte samtidig infångning av räckvidd med färg, och pixelprestandan kan inte optimeras för varje läge. I tie papper introducerar vi en sensor som är utformad för att fånga färg och spänna samtidigt med individuellt optimerade pixlar. Det förväntas att framtida mobilkameror och kompakta DSC kommer att kunna fånga 3D stillbilder och videobilder och tillåta gestkontroll av vissa funktioner. ToF spännviddsavkänning har flera fördelar jämfört med stereo-imulering eller rörelsekomputerad 3D-avbildning, inklusive single-lins implementation, mindre intensiva datorkrav, och frihet från ocklusion artefakter. Monolitisk integration av färg- och ToF-omfångsavkänning för ett kamerasystem med en lins är viktigt för de konsumentapplikationer som kräver små-form-faktor-kameror med lägsta möjliga kostnad. I vår sensor kaklas färg (RGB) och intervall (Z) pixlar över bildplanet. Vår RGBZ sensor är modifierad från en 1920(H)×1080(V) 2Mpixel utbud av standard 2.5T pixel RGBG färg pixlar med 2,25μm tonhöjd. Varje rad på 3 rd med färgpixlar ersätts med en rad med Z-pixlar. Varje Z pixel är 2,25×9,0μm 2. Således RGBZ-kärnan består av två RGBG-färgkärnor och en Z-pixel. Det finns i huvudsak två interlacerade matriser: en 1920(H)×720(V) fysiska utbudet av färg pixlar med en inbäddad 480(H)×360(V) utbud av avstånd pixlar för totalt 1,55Mpixlar. Ett blockdiagram över den experimentella sensorn visas i bild. 22.7.1. Detta beslut riktar sig till medlemsstaterna. Färgbilderna drivs från vänster och läses upp högst upp i matrisen. Avståndspixlar drivs från höger och läses upp längst ner. Kolumnsignallinjer är separata för färg- och områdespixlar. ADC- och ToF-signalbehandling utförs offline. Varje Z pixel är en pinned fotodiod med två överföringsportar och två utgångsportar [4, 5]. För spännvidd är scenen upplyst med 850nm NIR lysdioder modulerade vid 20MHz. De två överföringsportarna TG1 och TG2 i Z pixel moduleras 180°o ut av fas med varandra vid 20MHz. I den ena fasen är den optiska signalen integrerad på en flytande diffusion (FD), och i den andra fasen kastas signalen med hjälp av en dräneringsdiffusion (DD). Detta engångsläge kräver att fyra fält samlas in, vilket motsvarar de fyra kvadreringsfaserna. Varje fasfält är integrerat och läs sedan ut. LED-modulationsfasen ändras för varje fält. Vår enkel-tapp-operation underlättar layoutdesign och minskar fast-mönsterbrus jämfört med traditionell två-tapp-drift, men SNR reduceras med en faktor på 2. Organisering av sensorn i intervall-pixel "stripes" möjliggör enklare routing av modulering-styrlinjer till området pixlar och leder till mindre högfrekvent kontaminering av färg pixlar. Det finns flera kompromisser i att välja förhållandet mellan färg-pixel rader till Z-pixel rader för att optimera färg och räckvidd bildkvalitet. Till exempel, höga förhållanden resulterar i bättre färgupplösning men lägre ToF signal SNR och därmed mindre räckvidd noggrannhet. För denna sensor väljs ett förhållande på 2:1. Interpolering av saknade ränder av färginformation för att producera en 2Mpixel RGB bild kräver mer sofistikerade bildsignalprocessor (ISP) algoritmer än konventionella i RGBG sensor för avlägsnande av oönskade artefakter. Initial ISP-algoritm resultat på simulerade bilder visar goda resultat i undertrycka många artefakter. Arbetet med förbättrade algoritmer pågår. Den största riskpost som utforskas i detta arbete är implementation och prestanda av relativt små Z pixlar (2,25×9,0μm 2 ). Arbetet hittills har fokuserat på Z pixlar eftersom färgen pixlar har kommersiella produkt arv. Generellt mindre pixlar samlar färre signalelektroner, som med konventionella bildsensorer. Kommersiella ToF-bilder har typiska pixelyta i intervallet 900 till 1.600μm 2 men våra pixlar är 20μm 2 i area som dras. Bining kan vid behov anses öka SNR till priset av minskad upplösning. Från och med inlämningsdatumet har CFA och mikrolinser ännu inte tillämpats på RGBZ-pixlarna. En andra risk med den sammanflätade arkitekturen är dock avsaknaden av ett globalt smalbands-NIR-filter. Färgpixlar ska inte utsättas för NIR-ljus och avståndspixlar ska inte utsättas för synligt ljus. Synlig ljuskontaminering i Z-pixlarna undertrycks med hjälp av ett kommersiellt tillgängligt synligt ljusblockerande filter och normala ToF-signalbehandlingsmetoder. Hittills är pixel-wise NIR-block filterteknik för färg pixlar inte tillfredsställande. I vår främre-belysta (FSI) sensor sträcker sig Z pixlarna i sidled under RGB pixlarna för att samla in NIR-genererade fotoelektroner. Ett särskilt djupt implantat under RGB pixlar separerar de synliga (vertikala) från NIR (laterala) bärare insamling regioner. Figur 22.7.2 förklarar hur implantatet utökar det effektiva området av Z pixlar till ca 6,75×9,0μm 2 och minskar oönskade NIR-signal i färgen pixlar. Graden av sidoförlängning beror på anordningens epi-lagertjocklek. För närvarande är det bara 3.0μm, så den laterala förlängningseffekten är liten. Undertryckning av resterande NIR "floggning" av färg pixlar utförs av ISP med hjälp av NIR-signalen samlas in av Z pixel som referens. Simuleringar visar att bra NIR dimdämpning är möjligt. Ett annat tillvägagångssätt för backside-belysta RGBZ-sensorer undersöks separat. Avläsningselektronik för denna lilla sensor hålls så enkelt som möjligt som visas i Bild. 22.7.3. Detta beslut träder i kraft den tjugonde dagen efter det att det har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning. Kretsarna liknar dem som används i tidiga CMOS-bildsensorprototyper, vilket är användbart för ToF-omgivning [6]. På grund av deras låga sofistikeringsgrad är analoga avläsningshastigheter för sensorn låga: ca 1 Mpixel/s. Den experimentella sensorn är tillverkad i en 0,13 μm FSI CMOS bildsensor process, med några ytterligare implantat steg. En urvalsbild visas i bild. 22.7.4. Detta beslut träder i kraft den tjugonde dagen efter det att det har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning. Avståndslinearitet och fel visas i bild. 22.7.5. En tabell som jämför prestandan hos den inbyggda intervallsensorn med andra rapporterade avståndssensorer visas i bild. 22.7.6, 7. 6, 7. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 7. 8. 8. 7. 8. 7. 8. 7. 8. 7. 8. 8. 8. 7. 8. 8. 8. 7. 8. 8. 8. 8. 7. 8. 8. 8. 7. 7. 8. 8. 7. 7. 7. 8. 7. 8. 7. 7. 8. 7. 8. 7. 7. 8. 8. 7. 7. 8. 8. 7. 8. 8. 8. 8. 7. 8. 7. 8. 8. 7. 8. 7. 7. 7. 8. 8. 7. 8. 7. 7. 7. 8. 7. 7. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 7. 7. 7. 7. 8. 7. 7. 8. 8. 8. 7. 7. 7. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. 8. En die mikrograph visas i bild. 22.7.7. Det ses att trots den lilla dragna Z-pixel storlek, prestanda för den inbyggda intervallet sensor, utan binning eller Gaussian-kernel konvolution, är jämförbar med avståndsgivare med större bildpunkter, och att sensorn har tillräcklig prestanda för att möjliggöra många tillämpningar. Framtida arbete kommer att behöva visa att de modellerade NIR dimma korrigering algoritmer ger den förväntade prestandan. Vid den här tiden är vi dock mycket uppmuntrade av ISP-simuleringar och experimentella resultat som erhållits med den undersökande RGBZ-sensorn. [1] R. Miyagawa och T. Kanade, "CCD-baserad mätsensor", IEEE Trans.
Ett exempel finns i REF, där en RGBZ-bildsensor som fångar färgen (röd-grön-blå) och djupinformation (Z) presenteras.
A 1.5Mpixel RGBZ CMOS image sensor for simultaneous color and range image capture
{'venue': '2012 IEEE International Solid-State Circuits Conference', 'journal': '2012 IEEE International Solid-State Circuits Conference', 'mag_field_of_study': ['Computer Science']}