三维堆叠百万像素Time-Gated SPAD成像传感器

逍遥设计自动化

引言
三维堆叠百万像素时间选通型单光子雪崩二极管（SPAD）成像传感器的开发标志着成像技术取得重大进展。这项采用二维交互选通网络的技术实现了图像无需对准的传感器融合，为汽车系统、增强现实/虚拟现实（AR/VR）和机器视觉等应用领域带来显著进步[1]。

传感器架构与核心组件

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图1：展示传感器架构和时序图，说明像素阵列、二叉树和接口组件等系统整体组织结构。

1 h; x9 V/ r& |4 S) d该传感器采用5微米节距和三维背照式（3D-BSI）架构，集成了百万像素阵列。在全局快门二维成像方面，运行速度达到1,310帧/秒，在0.02勒克斯的极低照度条件下，事件视觉传感的时间分辨率可达0.76毫秒。
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像素线路设计与时间选通实现

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图2：详细展示单元像素线路和阵列架构的示意图，以及相应的时序图，显示操作顺序。

该传感器最显著的特征之一是灵活的时间选通功能。系统通过二叉树分布充电和选通脉冲，实现对选通窗口的精确控制。这种控制机制在管理曝光和实现飞行时间（ToF）传感中的符合检测（CD）技术方面发挥重要作用。

& L8 E, J6 L3 ^6 ]/ j$ |选通窗口性能与分布

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( T8 \- q5 B# j% X& }图3：测量的选通窗口轮廓及其在百万像素阵列中的分布，展示选通系统的均匀性和精确度。

4 O  |8 B$ D+ ]+ C( D' R& @9 T' j  w1 C传感器架构包含多项创新特征以提升性能。像素阵列由1,020×1,020电荷聚焦SPAD阵列构成，每个光电二极管连接到专用像素线路。系统通过一系列1位帧处理数据，然后在SRAM存储器中聚合为4位帧以实现高效压缩。
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" X6 N% Y  x: j3 F/ }高速成像与事件检测
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图4：展示高速全局快门二维成像和低光照条件下的基于事件的视觉传感能力。

二维交互选通网络是这项技术特别创新的方面。该网络通过相邻像素间的相互作用实现符合检测，有效抑制时空相关性低的入射光子。这一特征在二维强度成像中起到电子式中性密度（ND）滤光片的作用，并在三维ToF传感中提供背景抑制功能。
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距离选通成像性能
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/ Z2 o, _0 u+ a% I% g图5：实验装置和结果对比，展示二维强度成像与距离选通成像在challenging条件下的性能。

该系统在有挑战性的环境中展现出优异的应用效果。例如，当通过磨砂板（模拟雾天挡风玻璃）成像时，激光发射的距离选通模式相比标准二维强度模式表现更佳。通过优化5ns至13ns之间的选通位置，系统能有效过滤散射光，产生目标物体的高对比度图像。
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三维深度映射能力
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图6：在不同光照条件下捕获的三维深度图对比，展示符合检测模式的有效性。
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' R! w% V; ^$ v该传感器在三维ToF成像方面表现同样出色。在黑暗和强环境光照条件下（高达50klux），均能捕获可靠的深度信息。符合检测模式在明亮环境光下特别有效地缓解了像素饱和问题，实现目标物体的精确深度测量。

% `" u% i" a9 F9 r- Y: Q- j技术成就与对比
) w  [( J) f# E: N& K. ?- n4 k4 ?该传感器的技术进步体现在其规格参数上：在同类器件中具有最小节距（5微米）、最大阵列尺寸之一，以及业界领先的最小选通长度和选通偏差性能。基于二维交互选通网络的像素内符合检测为单目成像和传感提供独特解决方案，能在从极低光照到日光等各种光照条件下有效运行。
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& P" J2 T1 l/ Y9 \$ Y3 A' m结论
% R9 H/ c+ u$ E5 _这项SPAD技术突破显著提升了成像能力，特别适用于需要在各种环境条件下保持稳定性能的应用场景。该传感器在不同光照条件下保持高性能的能力，结合高速运行和精确时序控制，使其在汽车安全系统、增强现实和工业机器视觉等高级应用中具有重要价值。
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/ W9 X" ]$ f  b参考文献
6 x& {$ C8 ^, a0 g0 q: y" r[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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