先进3D堆叠SPAD直接飞行时间图像传感器技术

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引言

本文探讨一种面向移动设备的先进3D堆叠单光子雪崩二极管(SPAD)直接飞行时间(dToF)图像传感器。这项技术在深度感测能力方面取得显著进展，可应用于增强现实、自主导航和增强摄影等领域[1]。

基本架构与设计

该传感器采用3D堆叠65nm/65nm CMOS工艺，具有240×160 SPAD阵列。架构采用独特的双层设计，顶层包含背照式SPAD，像素间距为16μm，填充因子高达49.7%。该设计通过创新的架构选择，实现了性能和功耗的最优平衡。

让我们看看图1，展示了传感器的基本架构：

图1展示了传感器架构框图，包括240×160 SPAD阵列布局及其与串行器和GPIO接口的连接。

该传感器采用层次化结构，包含多个16×16 SPAD顶层组。每个顶层组进一步细分为子组，其中8×8 SPAD簇共享一个精密的时间数字转换器(TDC)。这种层次化方法在保持高性能的同时实现了资源的高效利用。四分区滚动快门模式的实现体现了功耗和运行效率之间的精密平衡。

先进特性与实现

该系统整合了多项创新特性。一个关键进展是部分直方图读出(PHR)方法，该方法在曝光阶段使用复杂算法将光子事件压缩为像素内直方图，显著降低了数据带宽需求，同时保留关键时序信息。

让我们检查图2，详细说明这种组织方式：

图2展示了顶层组示意图，说明顶层SPAD阵列和底层电路排列。图中演示了相同颜色的宏像素如何同时曝光。

直方图失真校正(HDC)算法是系统的另一项重要创新。该算法解决了飞行时间成像中的一个基本挑战：粗分箱边缘的线性不连续性。通过实现复杂的校正技术，系统在整个工作范围内实现了高精度深度测量。

像素设计与运行

像素设计包含复杂的线路，通过精确控制时序和信号完整性确保最佳性能。每个像素包含复杂的控制机制，实现精确的光子检测，同时最小化噪声和干扰。

让我们看看详细的原理图：

图3展示了子组的像素原理图，显示了不同组件之间的复杂互连和控制信号。

像素与支持线路之间的接口在系统性能中发挥关键作用：

图4说明了SPAD接口线路，展示了通过混合键合实现的顶层和底层组件之间的连接。

时间数字转换器架构

TDC的实现对于实现系统的高性能指标至关重要。设计采用10位TDC，分辨率为97.65ps，量程为100ns，可进行精确的时间测量，这对准确的深度感测是必需的。

图5呈现了TDC阵列的框图，展示了PLL和DLL组件的集成，用于精确的时序控制。

TDC原理图和操作揭示了采用的复杂时序机制：

图6展示了10位TDC的原理图，演示了精确时间测量所需的复杂线路。

图7说明了TDC操作时序图，展示了各种信号之间的精确时序关系。

性能与测量结果

该系统在各种实际条件下展现出卓越的性能指标。在办公室照明环境下，传感器可实现高达9.5m的深度测量，精度值得关注 - 1cm的准确度和9mm的精密度。在具有10 klux阳光的挑战性户外条件下，系统在20帧/秒的运行速度下保持高达4m的有效工作范围。

性能特征通过几个关键测量得到充分验证：

图8展示了具有毫米级分辨率的人像3D建模结果，展示了系统在详细深度映射方面的能力。图中包括深度可视化和相应的直方图，展示了系统的精确测量能力。

室内性能测试显示了系统处理具有多个深度层的复杂场景的能力：

图9呈现了室内深度成像结果，展示了系统捕获复杂场景详细深度信息的能力。图像展示了各种距离物体的深度映射，包括距传感器13m的轮胎。

户外性能和系统稳定性

户外性能测试证实了系统在具有挑战性的照明条件下的稳定性：

图10展示了在10 klux阳光下的户外成像能力，证明了系统在具有挑战性的照明条件下的稳定性。图中显示了包含4m距离50%反射率板的场景的深度和强度图像。

详细的性能分析通过综合测量数据获得：

图11显示了使用50%反射率目标进行的高达9.5m的深度测量非线性度测量，展示了系统在整个工作范围内的准确度。多个图表展示了系统性能的各个方面，包括准确度和精密度指标。

技术实现挑战与解决方案

该传感器系统的开发需要克服多个重大技术挑战。3D堆叠架构的实现需要顶层和底层之间的精确对准，这通过先进的混合键合技术实现。设计团队通过创新的四分区滚动快门方法解决了功耗问题，有效降低了工作功耗，同时保持了高性能。

信号完整性是另一个主要挑战，特别是在高速TDC线路中。解决方案包括精心的线路设计和布局技术，包括平衡时钟树和复杂的屏蔽策略。HDC算法的实现需要广泛的优化，以在保持全量程测量准确度的同时实现实时性能。

应用领域

该技术在需要精确深度感测的移动设备中有广泛应用。在增强现实应用中，系统的毫米级精度支持精确的虚拟物体放置和交互。移动摄影受益于精确的深度信息，支持复杂的计算摄影效果和改进的自动对焦性能。

系统在户外条件下的卓越性能为移动设备应用提供新的技术支持。这种能力使得在具有挑战性的环境中进行可靠的深度感测成为现实，支持户外导航和增强现实游戏等应用。通过四分区滚动快门实现的低功耗使这些应用在电池供电设备中变得实用。

后续技术发展方向包括在保持现有性能指标的同时提高传感器分辨率。HDC算法的成功实现表明，通过先进的信号处理技术可以进一步提高准确度。与机器学习算法的集成可能实现更复杂的深度感测应用，扩展系统的现有功能。

高准确度、户外功能性和高效功耗的结合使这项技术在移动深度感测领域实现了显著进展。随着移动设备的持续发展，这种传感器技术可支持依赖于准确深度感知的各类应用。