基于SPAD的相位式测距系统设计

发布时间：2022-07-22 14:14

　　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... 

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究目的与意义
    1.2 主流3D图像采集方案对比
        1.2.1 双目立体视觉
        1.2.2 结构光
        1.2.3 飞行时间法
    1.3 基于SPAD的相位式深度探测器的国内外研究现状
    1.4 本文研究内容与论文结构安排
第2章 基于SPAD的相位式测距原理分析
    2.1 单光子雪崩二极管的物理结构和工作原理
        2.1.1 SPAD的工作模式介绍
        2.1.2 SPAD的工作参数
    2.2 SPAD相位式测距原理
第3章 基于SPAD的相位式测距传感器电路设计
    3.1 基于SPAD的相位式测距传感器整体框架
    3.2 基于SPAD的相位式测距像素单元设计
        3.2.1 基于SPAD的相位式测距像素单元结构
        3.2.2 SPAD像素设计
        3.2.3 淬灭电路设计
            3.2.3.1 淬灭电路原理
            3.2.3.2 淬灭电路分类
        3.2.4 同时触发检测电路设计
        3.2.5 MOD调制器设计
        3.2.6 带清零脉冲计数器设计
        3.2.7 带使能存储器设计
        3.2.8 输出缓冲器设计
    3.3 基于SPAD的相位式测距数字时序控制系统设计
        3.3.1 FSM Timing control顶层状态机设计
        3.3.2 Modulator调制模块设计
        3.3.3 Readout读出时序控制模块设计
    3.4 基于SPAD的相位式传感器读出电路设计
第4章 基于SPAD的相位式测距传感器电路和版图实现及仿真
    4.1 SPAD版图设计
    4.2 淬灭电路实现及仿真
        4.2.1 SPAD电路仿真建模
        4.2.2 主动式淬灭电路实现和仿真
    4.3 同时触发检测电路实现及仿真
    4.4 MOD调制器实现及仿真
    4.5 带清零数字计数器实现及仿真
    4.6 Memory实现及仿真
    4.7 输出缓冲器实现及仿真
    4.8 像素单元整体仿真及版图
    4.9 数字时序控制模块实现及仿真
    4.10 读出多路复用器实现及仿真
    4.11 基于SPAD相位式测距传感器整体版图和数模混仿
        4.11.1 数模混仿
        4.11.2 传感器整体版图
第5章 总结与展望
    5.1 全文总结
    5.2 后期工作展望
参考文献
指导教师对研究生学位论文的学术评语
答辩委员会决议书
致谢
攻读硕士学位期间的研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]全视场外差干涉三维测量系统[J]. 尚万祺,张文喜,伍洲,李杨,孔新新.  光学精密工程. 2019(10)
[2]SPAD单光子探测器的SPICE模型及其CQC淬火电路研究[J]. 于跃,刘雪莲,单泽彪,王春阳,杨波.  红外技术. 2019(08)
[3]单光子探测器SPICE模型及主被动混合淬灭电路研究[J]. 王春阳,刘鑫,史红伟,杨波.  半导体光电. 2018(04)
[4]一种简化的线结构光视觉传感器现场标定方法[J]. 陈丽,梁晓琳,杨亚磊,王国斌.  中小企业管理与科技(上旬刊). 2017(05)
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硕士论文
[1]基于双目立体视觉的远距离测量系统[D]. 罗珺.西安电子科技大学 2018
[2]高探测效率单光子雪崩二极管探测器的像素单元设计与暗计数机理研究[D]. 向平.南京邮电大学 2017
[3]用于Tof-3D图像传感器的SPAD像素设计[D]. 张子龙.深圳大学 2017
[4]单光子探测器的研究与设计[D]. 张栎存.北方工业大学 2017
[5]基于共n阱结构的高密度单光子雪崩二极管探测器研究与设计[D]. 黄杨.南京邮电大学 2016
[6]SPAD相位解调测距技术的研究[D]. 杨佳.湘潭大学 2016
[7]基于PPD结构的TOF测距图像传感器设计[D]. 刘维辉.湘潭大学 2016
[8]基于CMOS工艺SPAD的单光子探测技术研究[D]. 闫旭亮.重庆大学 2015
[9]大规模阵列SPAD淬灭电路设计[D]. 涂君虹.东南大学 2015
[10]相位式激光测距鉴相方法研究[D]. 李哲.西安电子科技大学 2014



本文编号：3664760