Table of contents for Smart CMOS image sensors and applications / Jun Ohta.

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Contents
1 Introduction 1
1.1 A General Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Brief history of CMOS image sensors . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Brief history of smart CMOS image sensors . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Organization of the book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Fundamentals of CMOS image sensors 11
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Fundamental of photo-detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Absorption coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Behavior of minority carriers . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 Sensitivity and quantum efficiency . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Photodetectors for smart CMOS image sensors . . . . . . . . . . 16
2.3.1 pn-junction photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Photogate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.3 Photo-transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.4 Avalanche photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.5 Photoconductive detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Accumulation mode in PD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.1 Potential change in accumulation mode . . . . . . . . . . 30
2.4.2 Potential description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.3 Behavior of photo-generated carriers in PD . . . . . . . . 31
2.5 Basic pixel structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5.1 Passive pixel sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5.2 Active pixel sensor ¿ 3T-APS ¿ . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5.3 Active pixel sensor ¿ 4T-APS ¿ . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6 Sensor peripherals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6.1 Addressing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6.2 Readout circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.3 Analog-to-digital converters . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.7 Basic sensor characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7.1 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7.2 Dynamic range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.7.3 Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.8 Color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.9 Pixel Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
vii
viii Smart CMOS Image Sensors and Applications
2.10 Comparison between pixel architecture . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.11 Comparison with CCDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 Smart functions and materials 59
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2 Pixel structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.1 Current mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.2 Log sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3 Analog operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3.1 Winner-Take-All . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3.2 Projection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3.3 Resistive network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4 Pulse modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4.1 Pulse width modulation: PWM . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4.2 Pulse frequency modulation: PFM . . . . . . . . . . . . . 69
3.5 Digital processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.6 Materials other than Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6.1 SOI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6.2 Extend of detection wavelength . . . . . . . . . . . . . . 81
3.7 Structures other than standard CMOS technologies . . . . . . . . 84
3.7.1 3D integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.7.2 Integration with light emitters . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.7.3 Color realization using non-standard structures . . . . . . 87
4 Smart imaging 91
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2 Low light imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.1 Active reset for low light imaging . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.2 PFM for low light imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.3 Differential APS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.4 Geiger mode APD for a smart CMOS image sensor . . . . 95
4.3 High speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.1 Global shutter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.4 Wide dynamic range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.4.1 Principles of wide dynamic range . . . . . . . . . . . . . 98
4.4.2 Dual sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4.3 Nonlinear response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4.4 Multiple sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.5 Saturation detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4.6 Diffusive brightness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.5 Demodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.5.1 Principles of demodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.5.2 Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.5.3 Method of two accumulation regions . . . . . . . . . . . . 109
4.6 3D range finder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Table of Contents ix
4.6.1 TOF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.6.2 Triangulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.6.3 Depth key . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.7 Target tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.7.1 Maximum detection for target tracking . . . . . . . . . . . 122
4.7.2 Projection for target tracking . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.7.3 Resistive network and other analog processing for target
tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.7.4 Digital processing for target tracking . . . . . . . . . . . . 123
4.8 Dedicated arrangement of pixel and optics . . . . . . . . . . . . . 127
4.8.1 Non-orthogonal arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.8.2 Dedicated optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5 Applications 135
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2 Information and communication applications . . . . . . . . . . . . 135
5.2.1 Optical ID tag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.2.2 Optical wireless communication . . . . . . . . . . . . . . 142
5.3 Bio-technology applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.3.1 A smart CMOS image sensor with multi-modal function . 150
5.3.2 Potential imaging combining MEMS technology . . . . . 154
5.3.3 A smart CMOS sensor for optical and electrochemical imaging
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.3.4 Fluorescence detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.4 Medical applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.4.1 Capsule endoscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.4.2 Retinal prosthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
A Tables of Constants 177
B Illuminance 179
C Human eye and CMOS image sensors 183
D Fundamental characteristics of MOS capacitor 187
E Fundamental characteristics of MOSFET 189
F Optical format and resolution 193
References 194

Library of Congress Subject Headings for this publication:

Metal oxide semiconductors, Complementary -- Design and construction.
Image processing -- Digital techniques.