【摘 要】
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随着近几年自动驾驶、人脸识别、3D建模、虚拟现实等领域对3D成像技术的需求日渐增长,3D成像技术逐渐成为一个比较热门的研究方向。在苹果公司与OPPO公司相继推出3D结构光人脸识别手机之后,3D图像传感器市场变得更加火热。在双目视觉、结构光、飞行时间测距（Time-Of-Flight,TOF）等众多3D成像技术之中,飞行时间测距法以其在抗强环境光干扰、探测精度、探测距离、系统集成度和成本上的一系列优
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随着近几年自动驾驶、人脸识别、3D建模、虚拟现实等领域对3D成像技术的需求日渐增长,3D成像技术逐渐成为一个比较热门的研究方向。在苹果公司与OPPO公司相继推出3D结构光人脸识别手机之后,3D图像传感器市场变得更加火热。在双目视觉、结构光、飞行时间测距（Time-Of-Flight,TOF）等众多3D成像技术之中,飞行时间测距法以其在抗强环境光干扰、探测精度、探测距离、系统集成度和成本上的一系列优势而备受研究者们所青睐。飞行时间测距（Time-Of-Flight）又分直接式飞行时间测距（Direct Time-Of-Flight,D-TOF）和间接式飞行时间测距（Indirect Time-Of-Flight,I-TOF）,而间接式飞行时间测距法是采用发射光与反射光的相位差来计算距离信息,这种方法以其高精度和抗强环境光干扰的特点在人脸识别、3D建模、虚拟现实等领域应用更加广泛。本文在中芯国际SMIC 180nm CIS工艺上实现了基于SPAD的相位式测距系统。该测距系统采用单光子雪崩二极管作为I-TOF的像素结构,相比传统PPD、CCD等像素结构的I-TOF测距系统有更好的光子灵敏度和量子效率,并且能够有效降低激光器功率以降低整体器件的功耗。在基于SPAD相位式测距系统的相位采集和读出电路上,本文均采用数字电路的设计结构来提高相位数据采集和读出速度,以达到提高测距传感器帧率的目的。在该测距系统的电路和SPAD器件设计方面,针对单光子雪崩二极管的过早击穿和暗记数的问题,本文设计了一款STI+PW保护环的单光子雪崩二极管像素,并且采用4个单光子雪崩二极管的宏像素单元进行同时触发检测来过滤单光子雪崩二极管因暗记数、后脉冲等因素引起的非光子触发事件。本文还特殊设计了一款死区时间5ns,复位时间1ns并且具有复位控制保护的淬灭电路。最后本文在完成基于SPAD相位式测距系统设计的基础之上,使用SMIC180nm CIS工艺实现了4X4像素阵列的基于SPAD相位式测距传感器。传感器包括像素阵列、数字时序控制、读出电路部分,总面积约为0.872mm,传感器调制光频率设为20MHz-40MHz,整体功耗约为568.3m W。
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