Smart CMOS Image Sensors and Applications

SecondGR

Contents
1 Introduction 1
1.1 Ageneraloverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 BriefhistoryofCMOSimagesensors . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Briefhistoryof smartCMOSimage sensors . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Organization of the book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Fundamentals of CMOS image sensors 11
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Fundamentals of photodetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Absorptioncoefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Behaviorofminoritycarriers . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 Sensitivityandquantumefficiency . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Photodetectorsfor smartCMOSimage sensors . . . . . . . . . . 17
2.3.1 pn-junction photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.2 Photogate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.3 Phototransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.4 Avalanche photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.5 Photoconductive detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 AccumulationmodeinPDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.1 Potential change in accumulation mode . . . . . . . . . . 30
2.4.2 Potentialdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.3 Behavior of photo-generated carriers in PD . . . . . . . . 32
2.5 Basic pixel structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5.1 Passivepixel sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5.2 Activepixel sensor,3T-APS . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5.3 Activepixel sensor,4T-APS . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6 Sensorperipherals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6.1 Addressing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6.2 Readout circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.3 Analog-to-digitalconverters . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.7 Basic sensor characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7.1 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7.2 Dynamicrange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7.3 Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.8 Color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.9 Pixel sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
xv
xvi Smart CMOS Image Sensors and Applications
2.10 Comparisonbetweenpixel architecture . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.11 ComparisonwithCCDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 Smart functions and materials 59
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2 Pixel structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.1 Currentmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.2 Logsensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3 Analogoperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3.1 Winner-take-all . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3.2 Projection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.3 Resistivenetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4 Pulse modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4.1 Pulse width modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4.2 Pulse frequency modulation . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.5 Digitalprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6 Materials other than silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.6.1 Silicon-on-insulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.6.2 Extendingthedetectionwavelength . . . . . . . . . . . . 83
3.7 Structures other than standard CMOS technologies . . . . . . . . 85
3.7.1 3Dintegration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.7.2 Integration with light emitters . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.7.3 Color realization using nonstandard structures . . . . . . . 88
4 Smart imaging 93
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2 Lowlight imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.1 Activereset for lowlight imaging . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.2 PFMfor lowlight imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.3 DifferentialAPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.4 Geiger mode APD for a smart CMOS image sensor . . . . 97
4.3 Highspeed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.1 Global shutter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4 Wide dynamic range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4.1 Principle of wide dynamic range . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4.2 Dual sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.4.3 Nonlinear response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4.4 Multiple sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4.5 Saturationdetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.4.6 Diffusivebrightness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.5 Demodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.5.1 Principles of demodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.5.2 Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.5.3 Method of two accumulation regions . . . . . . . . . . . . 111
4.6 Three-dimensionalrangefinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Table of Contents xvii
4.6.1 Timeofflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.6.2 Triangulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.6.3 Depthkey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.7 Target tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.7.1 Maximumdetectionfor target tracking. . . . . . . . . . . 124
4.7.2 Projectionfor target tracking . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.7.3 Resistive network and other analog processing for target
tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.7.4 Digitalprocessingfor target tracking . . . . . . . . . . . . 125
4.8 Dedicatedarrangementofpixelandoptics . . . . . . . . . . . . . 129
4.8.1 Non-orthogonal arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.8.2 Dedicatedoptics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5 Applications 137
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.2 Informationandcommunicationapplications . . . . . . . . . . . . 137
5.2.1 Optical IDtag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.2.2 Opticalwireless communication . . . . . . . . . . . . . . 144
5.3 Biotechnology applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3.1 Smart CMOS image sensor with multi-modal functions . . 152
5.3.2 Potential imaging combiningMEMS technology . . . . . 155
5.3.3 Smart CMOS sensor for optical and electrochemical imaging
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.3.4 Fluorescencedetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.4 Medical applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.4.1 Capsule endoscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.4.2 Retinalprosthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
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yinjunbiao

他表示胶片对光的敏感程度，高

xiangtihai

好吧 看起来比较专业