A 30-frames/s, $252\times144$ SPAD Flash LiDAR With 1728 Dual-Clock 48.8-ps TDCs, and Pixel-Wise Integrated Histogramming

像素 物理 光子计数 激光雷达 帧速率 图像传感器 闪光灯(摄影) 光学 CMOS芯片 二极管 点间距 激光器 灰度 计算机科学 遥感 探测器 光电子学 地质学
作者
Chao Zhang,Scott Lindner,Ivan Michel Antolović,Juan Mata Pavia,Martin Wolf,Edoardo Charbon
出处
期刊:IEEE Journal of Solid-state Circuits [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:54 (4): 1137-1151 被引量:182
标识
DOI:10.1109/jssc.2018.2883720
摘要

A 252 × 144 single-photon avalanche diode (SPAD) pixel sensor, called Ocelot, is reported for light detection and ranging (LiDAR). The sensor, fabricated in the 180-nm CMOS technology, features 1728 12-bit time-to-digital converters (TDCs) with 48.8-ps resolution (LSB). Each 126 pixels in a half-column are connected to six TDCs through a collision detection bus, which enables effective sharing of resources, and consequently a fill factor of 28% with a pixel pitch of 28.5 μm. The columnparallel TDCs, based on dual-clock architecture, exhibit a DNL of +0.48/-0.48 LSB and an INL of +0.89/-1.67 LSB; they are dynamically reallocated in a scalable daisy chain approach that enables a maximum of five photon detections per illumination cycle per half-column. The sensor can operate in timecorrelated single-photon counting (TCSPC) and single-photon counting (SPC) modes, while peak detection (PD) and partial histogramming (PH) are included in the operation of the sensor. The PD and PH modes are enabled by the first implementation of integrated histogramming for a full array via 3.32-Mb SRAMbased PH readout (PHR) scheme providing a 14.9-to-1 compression. Telemetry measurements up to 50 m achieve an accuracy of 8.8 cm and worst-case precision of 1.4 mm (σ). A flash LiDAR using direct time of flight (dTOF) and based on Ocelot is demonstrated, achieving depth imaging at short distances with a frame rate of 30 frames/s, employing an ultra-low power laser with an average power of 2 mW and peak power of 0.5 W.
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