三維堆疊百萬像素Time-Gated SPAD成像傳感器

逍遙設(shè)計自動化

引言
三維堆疊百萬像素時間選通型單光子雪崩二極管（SPAD）成像傳感器的開發(fā)標(biāo)志著成像技術(shù)取得重大進(jìn)展。這項采用二維交互選通網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)實現(xiàn)了圖像無需對準(zhǔn)的傳感器融合，為汽車系統(tǒng)、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（AR/VR）和機器視覺等應(yīng)用領(lǐng)域帶來顯著進(jìn)步[1]。
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傳感器架構(gòu)與核心組件

  {$ t+ e0 o# d: X3 O/ N6 x* K圖1：展示傳感器架構(gòu)和時序圖，說明像素陣列、二叉樹和接口組件等系統(tǒng)整體組織結(jié)構(gòu)。

該傳感器采用5微米節(jié)距和三維背照式（3D-BSI）架構(gòu)，集成了百萬像素陣列。在全局快門二維成像方面，運行速度達(dá)到1,310幀/秒，在0.02勒克斯的極低照度條件下，事件視覺傳感的時間分辨率可達(dá)0.76毫秒。

像素線路設(shè)計與時間選通實現(xiàn)

: ?; @* d# _- `3 r! v圖2：詳細(xì)展示單元像素線路和陣列架構(gòu)的示意圖，以及相應(yīng)的時序圖，顯示操作順序。
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7 k2 T. r& C, S9 R- z& B2 `該傳感器最顯著的特征之一是靈活的時間選通功能。系統(tǒng)通過二叉樹分布充電和選通脈沖，實現(xiàn)對選通窗口的精確控制。這種控制機制在管理曝光和實現(xiàn)飛行時間（ToF）傳感中的符合檢測（CD）技術(shù)方面發(fā)揮重要作用。

. P' _4 ^9 d  `% q選通窗口性能與分布

/ h1 W( E2 a, @5 C* B3 i& \圖3：測量的選通窗口輪廓及其在百萬像素陣列中的分布，展示選通系統(tǒng)的均勻性和精確度。

0 y9 C+ Q" c  W$ \- H: U' u) T1 {; C傳感器架構(gòu)包含多項創(chuàng)新特征以提升性能。像素陣列由1,020×1,020電荷聚焦SPAD陣列構(gòu)成，每個光電二極管連接到專用像素線路。系統(tǒng)通過一系列1位幀處理數(shù)據(jù)，然后在SRAM存儲器中聚合為4位幀以實現(xiàn)高效壓縮。

高速成像與事件檢測
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6 l, l" N, F4 u* q  z, e7 q+ J圖4：展示高速全局快門二維成像和低光照條件下的基于事件的視覺傳感能力。

二維交互選通網(wǎng)絡(luò)是這項技術(shù)特別創(chuàng)新的方面。該網(wǎng)絡(luò)通過相鄰像素間的相互作用實現(xiàn)符合檢測，有效抑制時空相關(guān)性低的入射光子。這一特征在二維強度成像中起到電子式中性密度（ND）濾光片的作用，并在三維ToF傳感中提供背景抑制功能。
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距離選通成像性能

圖5：實驗裝置和結(jié)果對比，展示二維強度成像與距離選通成像在challenging條件下的性能。
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該系統(tǒng)在有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中展現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用效果。例如，當(dāng)通過磨砂板（模擬霧天擋風(fēng)玻璃）成像時，激光發(fā)射的距離選通模式相比標(biāo)準(zhǔn)二維強度模式表現(xiàn)更佳。通過優(yōu)化5ns至13ns之間的選通位置，系統(tǒng)能有效過濾散射光，產(chǎn)生目標(biāo)物體的高對比度圖像。

三維深度映射能力
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. C! U- W' f# I2 w( f) V, a. F4 L圖6：在不同光照條件下捕獲的三維深度圖對比，展示符合檢測模式的有效性。
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% H( Z0 O4 T6 f$ ~1 R0 _該傳感器在三維ToF成像方面表現(xiàn)同樣出色。在黑暗和強環(huán)境光照條件下（高達(dá)50klux），均能捕獲可靠的深度信息。符合檢測模式在明亮環(huán)境光下特別有效地緩解了像素飽和問題，實現(xiàn)目標(biāo)物體的精確深度測量。

技術(shù)成就與對比
) v# w. E8 K8 x) W0 B) H* m該傳感器的技術(shù)進(jìn)步體現(xiàn)在其規(guī)格參數(shù)上：在同類器件中具有最小節(jié)距（5微米）、最大陣列尺寸之一，以及業(yè)界領(lǐng)先的最小選通長度和選通偏差性能。基于二維交互選通網(wǎng)絡(luò)的像素內(nèi)符合檢測為單目成像和傳感提供獨特解決方案，能在從極低光照到日光等各種光照條件下有效運行。
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結(jié)論
3 o. \2 K1 e7 {6 l這項SPAD技術(shù)突破顯著提升了成像能力，特別適用于需要在各種環(huán)境條件下保持穩(wěn)定性能的應(yīng)用場景。該傳感器在不同光照條件下保持高性能的能力，結(jié)合高速運行和精確時序控制，使其在汽車安全系統(tǒng)、增強現(xiàn)實和工業(yè)機器視覺等高級應(yīng)用中具有重要價值。

4 H- U- i1 f$ `3 a參考文獻(xiàn)
[1] K. Morimoto et al., "3D-Stacked 1Megapixel Time-Gated SPAD Image Sensor with 2D Interactive Gating Network for Image Alignment-Free Sensor Fusion," 2024 IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits (VLSI Technology and Circuits), pp. 1-2, 2024,doi:10.1109/VLSITECHNOLOGYANDCIR46783.2024.10631424.

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