為了降低環(huán)境噪聲，實現(xiàn)高深度的可靠性，通過時間相關(guān)的單光子計數(shù)思路出現(xiàn)了。但是，這個思路存在一個問題，就是單光子雪崩二極管和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之間，需要大量的接線處理，而且像素個數(shù)越多，需要接線也越多，布線環(huán)節(jié)就會非常麻煩。
如果是大型單光子雪崩二極管陣列，每秒鐘就會產(chǎn)生幾十億個需要計時和處理的單光子事件，這對處理器的性能、功耗，還有芯片的體積都會帶來極大的負擔。
不過，3D堆疊技術(shù)似乎可以解決上述問題。通過3D堆疊技術(shù)，可以將單光子雪崩二極管部分和邏輯芯片部分分開制作，然后再通過金屬混合鍵合的方式，組合成一塊芯片。這種方式可以讓單光子雪崩二極管模塊和邏輯芯片部分采用不同的工藝，不僅可以最大限度節(jié)約成本，還能保證單光子雪崩二極管模塊的分辨率和光子檢測效率更高，功耗更低，綜合性能更強。通過金屬混合鍵合的方式，不僅可以增加電路面積，還能使整個芯片的面積不發(fā)生變化。
最近，深圳市靈明光子科技有限公司（簡稱靈明光子）在3D堆疊的基礎(chǔ)上，利用CMOS工藝設(shè)計出了一款dToF（直接飛行時間）圖像傳感器。這款dToF圖像傳感器采用了240X160像素的單光子雪崩二極管陣列，分成四個區(qū)進行曝光讀出，所有的單光子雪崩二極管共享數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和靜態(tài)隨機存取存儲器。為了降低功耗和硅面積，每次只啟動四分之一的單光子雪崩二極管。如下圖所示：
這是靈明光子dToF圖像傳感器的框架圖。頂層就是240X160像素的單光子雪崩二極管陣列，像素間距為16μm，圖中的Top Group就是陣列的一個基本單元，包含了一個16X16的小型單光子雪崩二極管陣列。
這是Top Group的結(jié)構(gòu)圖。每個Top Group被分為了四個Sub-group，每個Sub-group再分成4個像素宏。每一個Sub-group都有一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與之連接，因此，整個單光子雪崩二極管陣列一共需要六百個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。下圖為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的電路示意圖：
一個Sub-group中的4個像素宏共同使用一個內(nèi)存段來生成直方圖，每次都只有一個像素宏曝光，這個可以降低靜態(tài)隨機存取存儲器的占用。這就需要采用卷簾快門的方法來對完整圖像進行重建，上圖中四種顏色標注的區(qū)域，就是四分區(qū)區(qū)卷簾快門。不過，使用的照明源也需要采用相同的卷簾設(shè)計，才能將能耗控制在最優(yōu)。
靈明光子還設(shè)計了一個直方圖失真校準算法，在9.5米的測試距離中，精度達到了0.1%。
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