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為了降低環(huán)境噪聲，實(shí)現(xiàn)高深度的可靠性，通過(guò)時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)思路出現(xiàn)了。但是，這個(gè)思路存在一個(gè)問(wèn)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(gè)數(shù)越多，需要接線也越多，布線環(huán)節(jié)就會(huì)非常麻煩。
如果是大型單光子雪崩二極管陣列，每秒鐘就會(huì)產(chǎn)生幾十億個(gè)需要計(jì)時(shí)和處理的單光子事件，這對(duì)處理器的性能、功耗，還有芯片的體積都會(huì)帶來(lái)極大的負(fù)擔(dān)。
不過(guò)，3D堆疊技術(shù)似乎可以解決上述問(wèn)題。通過(guò)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(kāi)制作，然后再通過(guò)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(cè)效率更高，功耗更低，綜合性能更強(qiáng)。通過(guò)金屬混合鍵合的方式，不僅可以增加電路面積，還能使整個(gè)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(jiǎn)稱靈明光子）在3D堆疊的基礎(chǔ)上，利用CMOS工藝設(shè)計(jì)出了一款dToF（直接飛行時(shí)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(gè)區(qū)進(jìn)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(jī)存取存儲(chǔ)器。為了降低功耗和硅面積，每次只啟動(dòng)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(gè)基本單元，包含了一個(gè)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(gè)Top Group被分為了四個(gè)Sub-group，每個(gè)Sub-group再分成4個(gè)像素宏。每一個(gè)Sub-group都有一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與之連接，因此，整個(gè)單光子雪崩二極管陣列一共需要六百個(gè)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(gè)Sub-group中的4個(gè)像素宏共同使用一個(gè)內(nèi)存段來(lái)生成直方圖，每次都只有一個(gè)像素宏曝光，這個(gè)可以降低靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的占用。這就需要采用卷簾快門的方法來(lái)對(duì)完整圖像進(jìn)行重建，上圖中四種顏色標(biāo)注的區(qū)域，就是四分區(qū)區(qū)卷簾快門。不過(guò)，使用的照明源也需要采用相同的卷簾設(shè)計(jì)，才能將能耗控制在最優(yōu)。
靈明光子還設(shè)計(jì)了一個(gè)直方圖失真校準(zhǔn)算法，在9.5米的測(cè)試距離中，精度達(dá)到了0.1%。
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