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Analysis about the CAPD of ITOF

Time:2020-06-08 Reading times:3253

       近年来,对深度传感的需求在各类应用领域都有所增加,如手势控制用户界面、三维建模、虚拟现实/增强现实(VR/AR)、机器人技术、用于支持安全驾驶的汽车摄像头等。这些应用皆需要对场景中的对象进行识别和分类。然而,这些应用使用的多为传统的二维成像仪和图像处理算法。尽管这种方法可以良好的适用于目标场景控制,但是对于场景照明不受控制的应用,深度采集技术就具有更独特的优势。

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图1深度采集技术


       目前,市面上有多种深度采集技术可供选择,例如结构光解决方案、飞行时间(TOF:Time-of-Flight)测距方案等。

       结构光方案可以提供更高的深度精度,但通常具有较慢的响应时间,因为二进制模式的投影方法需要通过多次图像获取以生成深度图。

       飞行时间测距方案是目前应用较为广泛的方案。在TOF中,场景到物体的距离是通过物体反射的主动照明定时的延迟来测量的。 TOF方案可分为两个子类:脉冲光测距和交流调制连续波间接光测距,即我们常说的D-TOF(直接飞行时间测距法)和I-TOF(间接飞行时间测距法)。D-TOF传感器通常利用单光子雪崩二极管(SPAD)来精确探测活动光的往返时间;而I-TOF则通过测量每个像素的主动照明往返时间的延迟,利用该延迟与场景中到对象的距离成比例的关系,最终通过以下方程将延迟转换为距离:

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       一般来说,I- TOF方法实施起来会更为简单(但在精度要求更高时,信号调制实施难度也很有挑战性)。然而,I- TOF方法在技术上也存在一些难点和阻碍:例如,如要获得相位差数据,就要求多调制频率下相关函数的四次采样,如此一来,如果再加上多帧处理,后端数据处理的复杂性会明显增加。

       目前,以英飞凌和索尼为代表的公司在移动消费市场的I-TOF技术方面占据主流地位。后文将针对目前I-TOF技术市场最具代表性的SONY所采用的调制器件来做一个简单解读。

       SONY在近场3D测距的I-TOF测距方案中,采用的是2-tap调制的电流辅助型光子解调器件CAPD(Current-Asisted Photonic Demodulator), 虽然CAPD和当下较为普遍使用的Pinned型光电二极管都可以应用到3D测距的I-TOF测距方案中,但是工作原理却大相径庭。

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图2 CAPD器件结构示意图(图片来自网络)


       不同于Pinned型光电二极管调制器件采用MIS调制栅结构调制电场实现电荷信号的分离的工作原理, CAPD采用如图2所示的器件结构,DETA和DETB为两个采集电极,VmixA和VmixB为调制电极。当施加在VmixA和VmixB之间的电压为零时,DETA和DETB在光照射到设备上时会收集等量的光产生电子。如果在VmixA和VmixB之间施加电压,两个调制电极之间会产生空穴电流,通过p型外延层产生欧姆下降,产生的电场引导光产生的电子被DETA和DETB两个收集节点所收集。

       这种结构的调制电极直接与Si接触,相比于传统的MIS调制栅的器件,调制电场能够深入硅衬底,因此具有良好的灵敏度、解调对比度。此外,在两个采集电极处可以像传统光电二极管像素传感器一样,采用电荷积分方式进行信号读出,从而降低像素的电路复杂度。CAPD结构重要之处在于它是非表面器件,光电过程产生的体区光电流也能通过该结构的体区纵向调制电场得以快速转移至外部积分节点,是一种调制对比度较高的器件形式。但该结构主要缺点在于它是阻性负载的调制器件,使得其热损耗与驱动负载压力较大,同时热噪声也会伴随整个调制过程,因此该结构并不适合于高分辨率、大负载条件下的调制使用。相信Sony应该也会在未来的I-TOF像素单元中引入新的器件结构。

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图3 解调对比度(图片来自网络)


       如图3所示,在FSI的工艺中, SONY采用的前照式工艺结构就可以实现100 MHz 40%的解调对比度,此参数在同代工艺和产品中,已经算是佼佼者。然而,随着FSI工艺CAPD像素的调制频率增加,其调制对比度依然显著降低。 

       伴随BSI以及stacking工艺的日趋成熟,SONY最新一代已经开始逐渐采用BSI  CAPD像素,使得其可以在更高的调制频率下实现更高的调制对比度,从而进一步优化器件的性能参数,使得其在100MHz的调制频率下可以达到85%的解调对比度,测距精度达到了5.9mm@1m,从而更加满足于I- TOF 应用对高分辨率与高测距精度的需求。

       所以,在当下TOF图像传感器的市场中,SONY的像素无论从功能和性能方面,表现都是非常优异的。

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