SPAD IMAGERS AND SYSTEMS FOR 2D IMAGING AND 3D RANGING

Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) is the viable detector that can full-fill the requirements of single-photon sensitivity and short integration time, which are specific constrains of many applications in the safety and security scenario. SPAD cameras based on the Time-of-Flight (TOF) of single-photons were developed in the last decades for providing fast, precise, and sensitive 3D measurements. The aim of this thesis work is to develop CMOS SPAD image sensor and 3D vision system based on indirect time-of-flight techniques for safety and security applications. The SPAD image sensor (BackSPAD) developed in this thesis with electronics were fabricated on a separated wafer and bonded together with the wafer containing just the SPAD detectors. This backside illuminated SPAD (BackSPAD) imager will be operated with back-side illumination and the two-wafer assembly will attain two major improvements with respect to previous designed SPAD imagers: much higher fill-factor; enhanced spectral sensitivity in the near-infrared, up to 1μm-wavelength. A complete 3D system with SPAD camera and laser illuminator is designed, for automotive oriented application. The required maximal detection range is 40 m with a precision better than 1 m. The camera can provide 100 fps movies and has been tested indoor and outdoor. The double-frequency modulation indirect time-of-flight technique implemented in this 3D system, allows the longer detection distance with good precision. A comparison with other commercial camera based on indirect time-of-flight techniques is done at the end of the thesis. Although with a lower resolution (2046 pixels), the system provides a impressive range detection performance.

I Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) sono i fotorivelatori che meglio soddisfano le richieste di svariate applicazioni nel campo della Sicurezza, sia per l'elevata sensibilità (a livello di singolo fotone), sia per gli alti frame-rate che è possibile raggiungere. Gli SPAD in Silicio possono essere realizzati in tecnologia high-voltage standard CMOS e possono quindi essere integrati insieme all'elettronica di lettura. Inoltre possono essere realizzati "smart-pixels" che contengono affiancati sia lo SPAD sia un'opportuna elettronica per il conteggio dei fotoni (approccio "FrontSPAD"). Naturalmente, essendo l'elettronica affiancata allo SPAD, esiste un trade-off tra complessità dell'elettronica contenuta nel pixel e fill-factor. In questo lavoro di tesi, per superare le limitazioni dell'approccio "Front-SPAD-SPAD", si è preferito usare un approccio di tipo "back-side illuminated SPAD" (BackSPAD), con struttura verticale. In questo caso l'elettronica di conteggio e di lettura sono su un wafer differente rispetto a quello su cui viene realizzato lo SPAD e i due wafer sono poi uniti con la tecnica del wafer-bonding. Due sono i principali vantaggi di un approccio BackSPAD rispetto a quello FrontSPAD. Il primo è legato alla struttura verticale che permette di avere matrici con più elevata densità di pixel (miglior fill-factor), il secondo è dovuto alla tecnologia SOI usata per il wafer degli SPAD che permette di migliorare l'efficienza nel vicino infrarosso. Un altra parte di questa tesi è di sviluppare una sistema 3D completo per misurare distance fino a 40 m con precisione meglio di 1 metro via tempo di volo indiretto. La maggiore parte dei sistemi 3D che si basano sul tempo di volo indiretto possono essere usati per rilevare pochi metri di distanza. Con l'approccio a doppia-frequenza implementato in questo sistema è possibile l'utilizzo anche per applicazioni automotive.