Image sensor for optical coherence tomography

Abstract

This work presents a design of CMOS image sensor for optical coherence tomography in spectral domain (field of Ophthalmology). The aim of OCT is to provide quantitative information on biological processes or chemical composition of biological tissue. The concept with integrated photonics has the potential to enable mass production of OCT devices and to significantly reduce size and cost. In this work, the integration of photonics and electronics is done in a monolithic manner, where the photonics platform based on Si3N4 is deposited on top of electronics. Implemented photonic components are an arrayed-waveguide-grating spectrometer, input and output waveguides, and grating couplers. In the field of ophthalmology, low light powers are used due to safety reasons, therefore low noise level is required to get high-precision measurements as well as fast readout speed for high-resolution 2D or 3D scans. Different pixel architectures such as 3T architecture, 4T architecture, 3T global shutter architecture and charge integrator based global shutter architecture as well as different techniques are investigated in this work in purpose to achieve in-pixel complete charge transfer, good conversion gain, fast readout, low power consumption, and low noise level. A comparison is made with conventional image sensors, based on standard p/n junction photodiodes and today’s state of the art pinned photodiodes, where advantages of PIN photodiode based pixels in near-infrared applications in quantum efficiency, crosstalk, and photodiode capacitance are shown. Furthermore, the efficiency of the PIN photodiodes is improved by using thick very low doped epitaxial starting material. For the final design, the 3T based global shutter pixel is chosen due to its outstanding signal-to-noise ratio. The readout speed is intentionally sacrificed for better image quality. The signal after noise reduction is digitalized, multiplexed and streamed out of the chip and transmitted to a frame grabber using Camera Link interface. A big part of the work takes for different optical and electrical measurements and data processing. Image sensor design is implemented in CMOS High Voltage 0.35 µm technology.

Diese Arbeit präsentiert ein Design eines CMOS-Bildsensors für die optische Kohärenztomographie im Spektralbereich (Bereich der Ophthalmologie). Das Ziel der OCT ist es, quantitative Informationen über biologische Prozesse oder die chemische Zusammensetzung von biologischem Gewebe bereitzustellen. Das Konzept mit integrierter Photonik hat das Potenzial, Massenproduktion von OCT-Geräten zu ermöglichen und Größe und Kosten erheblich zu reduzieren. In dieser Arbeit wird die Integration von Photonik und Elektronik monolithisch durchgeführt, wobei die auf Si3N4 basierende Photonikplattform auf der Elektronik abgeschieden wird. Implementierte photonische Komponenten sind ein Array-Wellenleitergitterspektrometer, Eingangs- und Ausgangswellenleiter und Gitterkoppler. In der Augenheilkunde werden aus Sicherheitsgründen geringe Lichtleistungen verwendet. Daher ist ein niedriger Geräuschpegel erforderlich, um hochpräzise Messungen sowie eine schnelle Auslesegeschwindigkeit für hochauflösende 2D- oder 3D-Scans zu erhalten. In dieser Arbeit werden verschiedene Pixelarchitekturen wie 3T-Architektur, 4T-Architektur, 3T-Global-Shutter-Architektur und ladungsintegratorbasierte Global-Shutter-Architektur sowie verschiedene Techniken untersucht, um einen vollständigen In-Pixel-Ladungstransfer, einen guten Umwandlungsgewinn, ein schnelles Auslesen, als auch einen geringen Stromverbrauch und niedrigen Geräuschpegel zu erreichen. Es wird ein Vergleich mit herkömmlichen Bildsensoren gemacht, die auf Standard-P/N-Übergangs-Fotodioden basieren, und den heutigen Stand der Technik pin-Fotodioden, bei denen die Vorteile von auf PIN-Fotodioden basierenden Pixeln in Nahinfrarot-Anwendungen in Bezug auf Quanteneffizienz, Übersprechen und Fotodiodenkapazität gezeigt werden. Darüber hinaus wird die Effizienz der PIN-Fotodioden durch Verwendung eines dicken, sehr niedrig dotierten epitaktischen Ausgangsmaterials verbessert. Für das endgültige Design wird das 3T-basierte globale Shutterpixel aufgrund seines hervorragenden Signal-Rausch-Verhältnisses gewählt. Die Lesegeschwindigkeit wird absichtlich für eine bessere Bildqualität geopfert. Das Signal nach der Rauschunterdrückung wird digitalisiert, gemultiplext und aus dem Chip gestreamt und mittels Kamera Link-Schnittstelle an einen Framerabber übertragen. Ein großer Teil der Arbeit erfordert verschiedene optische und elektrische Messungen und Datenverarbeitung. Das Design des Bildsensors ist in der CMOS-Hochspannungs-0,35-µm-Technologie implementiert.