基于SPAD的飞行时间三维图像传感器关键技术研究

摘要

飞行时间(Time-of-flight，ToF)三维图像传感器通过测量发射光与反射光之间的时间差，可以还原物体的深度信息。由于工作原理简单，飞行时间三维图像传感器广泛应用于军事领域、医疗领域、汽车电子和消费电子。受背景光的影响，在光子事件稀疏的情况下间接法ToF图像传感器的探测精度会受到限制。而基于时间相关单光子计数(Time Correlated Single Photon Counting，TCSPC)的ToF成像系统通过多次采集光子信息，可解决该问题，达到皮秒级的时间精度。此外，单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode, SPAD)因具有与CMOS工艺兼容和出色的单光子响应能力，可用于TCSPC结构中。所以本文对基于SPAD的飞行时间三维图像传感器中的关键技术进行了研究。 本文以时间相关单光子成像技术为基础，提出了一种适用于短距离测量的高精度时间信息量化方式，并设计了适用于该系统的单光子雪崩二极管。在像素设计方面，分析了SPAD的工作原理，并对其暗计数率、后脉冲率、光子探测概率、死时间进行了理论建模，分析在不同溢出电压下暗计数率的变化以及器件对光波的响应能力，通过浅沟槽隔离技术，有效改善了边缘预击穿对器件性能的影响。在读出电路方面，为实现对时间信息的量化，分析并设计了基于环形振荡器的时间数字转换器电路(Time to Digital Convertor，TDC)；设计三阶二型电荷泵锁相环，为 TDC 电路中的环形振荡器提供稳定的控制电压，改善 TDC 电路在芯片中的PVT漂移。完成了上述电路的版图实现并基于180nm CMOS工艺进行了流片。完成了TDC、PLL电路的测试，并给出了测试结果。 本文所设计器件的有源区直径为10μm，对波长为480nm的入射光的响应能力最强，在溢出电压为1.5V时的暗计数低于4kHz。对于时间量化电路，所设计的TDC电路时间分辨率为10ns。所设计的PLL带宽为0.6MHz，相位裕度为60度，建立时间约为4.5μs。输入频率为40MHz，占空比为50%的方波信号时，测得的TDC量化结果为12.525ns，通过计算处理，得到其量化误差仅为0.202%。

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