ITOF工作原理：indirect time of flight，是间接测量时间的一种方法，大部分的间接测量方案都是采用了测相位偏移的方法，即发射波与接收波之间的相位差，也有通过测量其他物理量来间接测量时间，进而计算出探测物体的距离，例如FMCW。

DTOF工作原理：direct time of flight,直接测量飞行时间。通过ps级分辨率的测量系统（多采用SPAD+TDC），直接获得发射与对应的接收端触发的时间差，即为飞行时间t，从而计算探测物体的距离。

背景光通常指太阳光。

干扰光：太阳光以外的光都叫干扰光，如同类设备之间的干扰。

要做到抗背景光或者干扰光，就需要对信号选择性的接收，也就是说要对信号进行识别，飞芯目前A系列产品利用CDMA原理，加入伪随机码达到信号识别的目的，B系列产品采用FMCW技术，利用光的相干性进行信号的识别。

CCD与CMOS都是图像传感器，目的都是要拍照。两种图像传感器的原理都是需要将光子转换成电子，也就是所说的光电转换，转换成的电子被传输或者转移到输出端口，最终再转成电压信号。二者的区别在于电子传输或者转移的方式不同，CCD是把光子转换成电子包，然后从一个像素推到下一个像素，而CMOS传感器是直接将每个像素转换的电子存在本地电容，没有转移的过程。大部分代工厂是用CMOS。

global shutter：通过整幅场景在同一时间曝光实现的，Sensor所有像素点同时收集光线，同时曝光。

rolling shutter：它是通过Sensor逐行曝光的方式实现的。

Global Shutter跟 Rolling Shutter 相比，主要是Global Shutter在每一个像素上都增加了一个存储单元，才使得所有的像素能够同时曝光。

读出的时候，先行选，再传输到列总线，再用列总线AD进行转换。即行选列读出。

像素单元通常被视为图像的最小的完整采样单元，阵列是指多个像素按照矩阵排列。

TDC，time digtal converter，时间数字转换电路，通过与发射端的时间同步，接收到的光信号产生电流触发TDC并被记录，由此获得发射器发射出的光子与传感器接收到光子之间的时间间隔。 把时间转换为数字量。

DTOF芯片设计中需要把回波时刻转换为数字量，放在存储单元里记录下来。

雷达意思为‘发射波探测和测距’，即用发射波的方法发现目标并确定它们的空间位置。雷达可以是任意一种波，既有超声波也有电磁波。我们说话用声波，在海底用做雷达叫做声呐；用在车上叫做超声波。

雷达的工作原理为：测量发射波往返雷达和探测物之间的时间。

雷达的分类有：超声波雷达；声波雷达；毫米波雷达；激光雷达；微波雷达等。

激光雷达与毫米波雷达异同：激光雷达用的是光波，毫米波雷达用的是电磁波。光波与电磁波速度一样，即每秒30万公里，但是毫米波波长要比激光波长长，因此毫米波穿透力更强。如空气中有Ph2.5，说明空气中有大量的2.5微米直径的颗粒，如果波长长的话一个点射就过去了，光波就会发生散射，穿不过去，所以无线电通信都是用毫米波或微波。

波长长的优势具有穿透力，缺点则是不能成像。光波波长短，空间分辨率高，能看到细节，所以能成像；如果用电磁波，只能判断前方有物体，但是分辨不了具体形态，假定能成像的话，显而易见就能分辨出是人或物体。所以用不同波长做雷达具有各自的优缺点与差异，未来在车上既可能用到毫米波雷达，又要用到激光雷达还要用到摄像头，每个传感器都有自己的优缺点，没有谁可以替代谁。

两者发的信息不一样：雷达发的是已知信息，自发自收，收到的东西都是有预期的，只是不能确定从哪个方向，哪个时刻回来而已，这叫已知信源；

通信中接收方在收到信息之前是不知道对方发的什么，这叫未知信源。

从系统角度，两者又很接近，都有发射、接收端。

作为雷达而言，我们希望直接发射出去的光能直接反射回来，但实际的情况是，有可能我发射出去的光没有直接发射到既定物体上，而是发射到其他物体上后反射到既定物体上后回到我们这里，产生这种失真的原因之一就是多路径效应。

多路径会对测距造成影响，由于它是两个或多个路径回来的综合加权平均，一定会比直接回来的路径平均下来远。

噪声是时间上和空间上偏离有效信号以外的东西，都可以叫噪声。

噪声就是在收取信号过程中所有基于非理想因素带来的空间上和时间上偏离信号以外的东西。由非理想因素带来的，不想要的东西。

噪声和信号是一对反义词。噪声强会降低对信号的准确判断。

光电探测器主要有APD，SPAD，SiPM，Pinned，PIN，PN，CCD，EMCCD，CAPD，Plasmons

ITOF主要用的是Pinned，无增益，（噪声源主要在二极管以前）。

DTOF主要用SPAD，有无限增益，（噪声源在二极管以后）。

能量守恒：反射光能量+透射光能量=入射光能量   

增透膜的作用使得光学元器件表面反射光与入射光的能量重新分配，减少反射光能量，增加透射光能量——主要用在接收端的镜头

滤光片：透过限定波长范围以内感兴趣的光，排除其他。主要用在接收端，二极管前面。

激光雷达用905nm, 940nm波长。滤光片的中心波长设置为905nm，或者940nm, ±30nm。激光光源的正负偏差主要跟激光发射的温度有关，并且成像系统照在中间和边缘的位置光成差是不一样的。

二者都是用在发射端的光学器件。

衍射光学元件（Diffractive Optical Element，DOE），是一种新兴的光学元器件，通常采用微纳刻蚀工艺构成二位分布的衍射单元，将输入的激光束控制为各种输出轮廓和形状。激光经过每个衍射单元后发生衍射，并在一定距离处产生干涉，形成特定的强光分布。（衍射之后的干涉形成特定的图像）。DOE主要应用于结构光算法，在需要的FOV里产生点光源。

Diffuser, 一切匀光效果的光学元器件。让光斑均匀的散开，形成一个匀光效果。

TOF里面的Diffuser就是一个匀光效果，把VCSEL发出的光变成一个特定FOV的均匀面光源。

光的干涉：一束光经过不同的路径到达同一位置，可能由于光程的问题波峰和波峰碰到一起，波谷和波谷碰到一起，这样就会叠加，从而增强；如果一个波峰和一个波谷碰到一起，就正好抵消，这样就会形成条纹。

光的衍射：光的前方有颗粒物遮挡，由于它的尺度远小于光波长的尺度，光就可以绕过去。如果光要穿过一个小孔，孔要是小的话，光穿过这个小孔就不是沿直线传播，而是沿一个衍射面来传播。由于颗粒和孔比光波长小，光绕过颗粒或穿过孔时光的路径会发生改变。

二者差异：干涉是波峰或波谷碰到一起就叠加，会变强；如果一个波的波峰碰到另一个波的波谷就会抵消，会变弱。衍射是当光要过尺寸比它小的颗粒或孔时，光的传播路径会发生变化，就不会沿着直线走。

【光的干涉，两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。百度百科】

【光的衍射，光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射（Diffraction of light），百度百科】

光的干涉和衍射都证实了光具有波动性。

激光雷达里，干涉与衍射的一些具体应用。

DOE就是激光经过衍射单元后发生衍射，然后产生干涉，形成特定的强光分布。

增透膜和相干探测都用到了干涉。

相控阵雷达，即相位控制电子扫描阵列雷达，由大量相同的辐射单元组成的雷达阵列，每个辐射单元在相位和幅度上独立受波控和移相器控制，能得到精确可预测的辐射方向图和波束指向。（通过改变子单元相位调整发射和接收方向）

优点：

1）无需机械装置，波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，数据率高；

2）一个雷达可同时形成多个独立波束，分别实现搜索、识别、跟踪、探测等多种功能；

3）目标容量大，可在空域内同时监视、跟踪数百个目标；

4）抗干扰性能好。

DTOF的噪声来源于TDC电路，引起TDC电路噪声的主要有两点：

1. 时钟精度（即由于时钟抖动引起的时钟本身存在的噪声）；

2. 采样噪声（直方图存在时钟宽度，信号落在这个档位中的前中后具有随机性，但是计数时按照该档位中间值计数，从而形成的噪声）。

ITOF的噪声是由于收进来的光子有噪声（散弹噪声），光子转化的电子就会存在噪声，那么计算的相位差就会有噪声，测距就会存在噪声

每次收入的背景光或信号光存在起伏，即收入的光子数具有随机性，例如收入10000个光子数，代表平均收入数量（准度），但是实际收入光子数每次存在差异，存在的这个起伏差异就是所谓的散弹噪声。如果光子数为N，则散弹噪声为√N。

灰度图也可以叫做强度图，提供了强度信息，也可以理解为提供了大小的信息，这个大小可以是距离的大小（远近）、能量的大小等等，任何存在大小概念的物理量都可以提供该物理量的灰度图。

彩色图则是在强度信息、空间位置信息的基础上另外提供了波长信息（RGB信息）。

1）ROM：只读存储器（read only access），只能读出不能写，ROM所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变。也叫闪存FLASH。

2）RAM: 随机存取存储器（random access memory，RAM）又称作“随机存储器”，是与CPU直接交换数据的内部存储器，也叫主存(内存)。它可以随时读写，且速度很快。

RAM可以分为SRAM（静态随机存储器）和DRAM（动态随机存储器），

SRAM是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。

DRAM是最为常见的系统内存，DRAM使用电容存储，需要不断刷新电路才能保存数据。

SDRAM（同步动态随机存取存储器），为DRAM的一种，同步是指Memory工作需要同步时钟，内部命令的发送与数据的传输都以时钟为基准。

DDR-SDRAM是在SDRAM的基础上发展而来，不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度加倍，是目前电脑中用得最多的内存。

3）激光雷达电路里，如模组标定存储参数，开机需要运行的程序，都是存在ROM里的。开机后不断运算的画面数据需要存在RAM里，通常是DDR-SDRAM里。

无源淬火电路：SPAD雪崩之后的电压特别高，需要一个淬火电路瞬间将这个很高的电压降下来。

击穿电压：就是引起雪崩的电压。

过压：工作电压与击穿电压的之间的差值叫过压。

Deadtime：SPAD无法工作的那段时间，雪崩到恢复的那段时间，即使来了光子SAPD也无法工作。 Quenching+复位=deadtime。

复位时间：Quenching (淬火)之后进行复位，把电压拉回至正常工作电压的那段时间。

暗计数，暗电流触发雪崩产生的暗计数，一般当做系统噪声进行处理，消除暗计数有助于信号的准确测量。

光串扰：雪崩的时候产生大量电子，可能会有少量电子转化为光子，这些光子有可能会触发邻近像素的SPAD发生雪崩，对先前的雪崩产生干扰，叫光串扰。（就是雪崩产生的二次光子串扰）。

像素的满阱电容是指通过光电二极管收集并转移至浮空节点的最大可用广生电荷数。通俗说就是光入射到光电二极管之后，进行光电转换将光子转换为电子，电子被电容收集后转换为电压信号被读出。电容所能容纳的电荷量称之为阱容量，当电子达到最大阱容量就称之为满阱。低的满阱容量会降低像素的动态范围、信噪比及灵敏度。

QE，量子效率，指某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数的比值，是描述光电转换能力的参数。由于反射等原因，QE值均小于1. 

PDE（Photon Detection Efficiency），光子探测效率，可以简单理解为触发雪崩的子数和所有光子数的比值。

ITOF用QE，DTOF用PDE来进行效率描述，因为两者像素工作原理的差异，前者是积分，后者是触发。

相关双采样（Correlated Double Sampling, CDS），是根据图像传感器输出信号和噪声信号的特点而设计，由于图像传感器中每个像元的输出信号中既包含有光敏信号，也包含有复位脉冲电压信号，若在光电信号的积分开始时刻和积分结束时刻，分别采样输出信号的两个电平，即一次对复位电平进行采样，另一次对信号电平进行采样，将两次采样值相减，即可得到信号电平的实际有效幅值。通俗理解就是需要进行两次采样，第一次把KTC噪声采样出来，第二次把噪声+信号采样出来，最后相减就能消掉KTC噪声。

优点：CDS可以消除KTC噪声（电容器上的热噪声），可以显著改善信噪比，提高信号检测精度。

VCSEL阵列可通过采用共阴极或共阳极设计，将发光区域进行分区，采用类似在图书馆书架选书一样，通过驱动信号选择控制不同区域，实现分区点亮。

可寻址VCSEL阵列具有以下优点：（1）有效控制出光区域，可提升峰值功率；（2）通过合适的系统设计，可实现系统级抗干扰能力；（3）具有更好的发光效率，可节约系统功耗；（4）散热性能更好。

indirect time of flight，是间接测量时间的一种方法，大部分的间接测量方案都是采用了测相位偏移的方法，即发射波与接收波之间的相位差，也有通过测量其他物理量来间接测量时间，进而计算出探测物体的距离，例如FMCW。

按照调制载体分为载波调制、调制波调制。

载波调制，分为AM调幅、FM调频、PM调相位以及PolM调偏振，其中我们熟知的FMCW就是载波调制中的FM调频技术。

调制波调制，分为AM调幅、FM调频。

DTOF：直接测量飞行时间，通过直接获得发射和对应接收端出发的时间差来获得飞行时间t从而计算出探测物体的距离。

电路构成：SPAD阵列、TDC电路、直方图统计电路、算法电路、读出电路。

实现过程：SPAD阵列感光，探测到回波产生脉冲，同时TDC工作记录脉冲时间，这是一次脉冲的转换过程。此探测过程重复多次，通过直方图统计电路记录多次探测的脉冲时刻，最后通过算法电路计算出实际的距离，最后读出电路读出数据。

1）相干：描述波在传播时，其物理量在不同地点或不同时间的相关特性。这里的相关特性是由于波相位的变化而产生的。

2）直接探测：就是DTOF，直接探测时间、光速，进而得到距离信息。

3）相干探测：一束光分为两束，一束本地光，另一束去探测目标物，探测的回波与本地光相干，得到频率差，进而测算目标物的距离。（本地光的频率随时间在变，然后光跑出去再回来，和本地光频率已经不一样了，然后两束光相干，检测他们的频率差得到距离。）

4）载波：指被调制以传输信号的波形，一般为正弦波。就是用来加载有用信息的高频波，（因为有用信息一般都是低频信号，需要用一个高频或者振幅更大的波（载波）作为载体传播出去）

调制波是把低频信号叠加在高频信号的载波上（一般要经过频谱搬移以及幅值变换），是用调制信号调制以后的非正弦波。

5）相位：对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置，一种它是否在波峰、波谷或者它们之间的某点的标度。相位描述信号波形变化的度量，通常以度为单位。

相位代表延时。载波，调制波均有相位。

6）相控阵：即相位补偿(或延时补偿)基阵，它既可用以接收，也可用以发射。其工作原理是对按一定规律排列的基阵阵元的信号均加以适当的移相(或延时)以获得阵波束的偏转，在不同方位上同时进行相位(或延时)补偿,即可获得多波束。

7）OPA：光波相控阵形成OPA。

激光雷达测距不准主要分外界、内部两个方面的原因。

外界原因：1、背景光（强烈的阳光直射会影响激光雷达的探测效果）；2、多路径效应会导致探测距离比原本距离远。

传感器内三个原因：1、噪声（影响探测精度）；2、ADC非线性；3、串扰（影响空间分辨率）。

多路径问题：在雷达探测时我们希望发出去的光直接到达被探测物体上再发射回来，但在实际过程中，发出去的光可能会发到其它不是被测物体上后发射到被测物体再回来，产生的此类失真现象就是多路径问题。

ITOF中，多路径问题会影响下一次的积分电荷，多路径的光回来得晚，会被当做下一次的回波信号进行积分，从而影响实际的测距精度。

DTOF中，多路径问题会影响直方图统计，直方图产生多个峰值，不好判断哪个峰值是真正的距离。

外部环境因素：背景光、干扰光

内部二极管因素：PDE、Jitter、dead time、时钟精度、档位宽度

电路端因素：噪声

内部二极管因素：QE、串扰、调制对比度

ISP：Image Signal Processor，图像信号处理器（影像处理器），成像的整个环节中它负责接收sensor的原始信号数据，可以理解为对图像质量的第一步处理。

包含多个图像算法处理模块：扣暗电流（去掉底电流噪声）；线性化（解决数据非线性问题）；Shading（解决镜头带来的亮度衰减及颜色变化）；去坏点（去掉sensor的坏点数据）；去噪（去除噪声）；demosaic去马赛克（raw数据转RGB数据）；3A（自动对焦，自动白平衡，自动曝光）；gamma（优化局部与整体对比度）；锐化（调整锐度）；色彩空间转换（转换到不同色彩空间进行处理）；颜色增强等。

子像素指一个像素单元中设置两个光电转化PD，并在不同的PD设置传输栅，后续的数据处理电路可以至少部分共用的方案。对于测距系统的探测中，需要获得四相位的延时信息，从而利用间接飞行时间的相位差方法获得发射光与返回光的相位差信息，从而获得探测的距离信息，通过子像素的设计，实现了在像素级一次性获得四相位延时信号的结果，如此还能实现像素级测量对象准确并且获得最终距离信息高效的效果。

芯片内的器件主要有：光电二极管+MOS管+电阻+电容+BJT（三极管）。

快门（shutter）：是摄像器材中用来控制光线照射感光元件时间的装置，即照相机用来控制感光片有效曝光时间的机构。

按照快门的构造可分为机械快门，和电子快门。

飞芯产品使用的电子快门，利用给传感器通电断电来控制曝光时间。

问题分析：

1.Flash面发射体制决定需要大视场角焦平面阵列形式接收（如图1所示），因此增大了视场角内的背景光与干扰光接收概率与能量，使得传感器积分过程获得的总信号量中无效信号占据极高比例，降低了有效回波能量的SNR（如图2所示）；

2.长程测距具有较高的距离检测范围，因此对应的本征探测光能量动态范围将不小于80dB，因此常规积分型接收阵列像素单元的动态范围无法适用于该应用。

图1 Flash方式工作时的环境光路状态，大视场角提高了“非我”信号的接收概率

图2 光电积分过程引入的“非我”共模信号和后级电路噪声降低了有效回波信号的读出SNR，准确测距信号量难以获得

图3 积分电容的阱容（动态范围）限制导致短曝光无法读出弱信号（远距离）、长曝光无法响应强信号（近距离）

飞芯采用两代技术路径解决上述问题：

第一代伪随机码序列方案：如图4所示：

       针对背景光与串扰光的解决方法：通过像素级卷积技术，将“非我”信号通过像素电荷域的处理进行消除（如图4），仅将有效“自我”信号进行积分并输出，实现在不提高发射功率的情况下提升接收SNR，实现远距离低能量回波信号的有效接收处理；

       针对长程测距的动态范围拓展方法：如图5所示，采用像素级折叠积分技术，扩展了像素的本征动态范围，像素ADC+列级ADC总位数高于18bit，提高了光强接收上限饱和点。

图5 像素级折叠积分扩展动态范围技术

1) 响应器件：CIS采用pinned型积分光电器件配合4T晶体管实现像素，像素输出积分后的模拟电压；而DTOF一般采用SPAD+淬灭电路实现像元，脉冲触发器件雪崩形成脉冲信号；两种响应器件指标体系不同，CISpixel关注静态指标体系，如QE、DC、FWC，而SPAD存在静态与动态指标为PDP、DCR、jitter。

2) 读出形式：CIS一般采用rolling/global shutter形式，采用行选通列读出，而DTOF pixel需要与TDC电路建立复用，实现地址锁存及TCSPC方式读出信号。

3) 数据通道带宽：CIS在亿级像素以下时采用D-PHY MIPI即可完成数据输出；ITOF与CIS同样分辨率、同样ADC位数、同样帧频条件下将会多出至少4倍以上数据量，DTOF数据量提升更高，因此TOF芯片在设计时还要重点关注分辨率提升后的片内信号处理技术、高带宽输出技术的配合。

1.近红外量子效率提升；

2.体区隔离串扰抑制；

3.体区纵向电场与转移横向电场优化；

4.读出电路环路的共模噪声消除及非线性响应引发测距本征精度误差的抑制技术；

5.背景光与干扰光的抑制技术；

6.随测距距离增大导致的光接收动态范围扩展问题；

7.ITOF的积分工作原理决定了存在近场测距时的多路径干扰问题等；

8.DTOF技术方案中TDC复用技术及片上处理技术与读出带宽匹配问题。