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       近年來，對深度傳感的需求在各類應(yīng)用領(lǐng)域都有所增加，如手勢控制用戶界面、三維建模、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實（VR/AR）、機器人技術(shù)、用于支持安全駕駛的汽車攝像頭等。這些應(yīng)用皆需要對場景中的對象進行識別和分類。然而，這些應(yīng)用使用的多為傳統(tǒng)的二維成像儀和圖像處理算法。盡管這種方法可以良好的適用于目標場景控制，但是對于場景照明不受控制的應(yīng)用，深度采集技術(shù)就具有更獨特的優(yōu)勢。

圖1深度采集技術(shù)

       目前，市面上有多種深度采集技術(shù)可供選擇，例如結(jié)構(gòu)光解決方案、飛行時間(TOF：Time-of-Flight)測距方案等。

       結(jié)構(gòu)光方案可以提供更高的深度精度，但通常具有較慢的響應(yīng)時間，因為二進制模式的投影方法需要通過多次圖像獲取以生成深度圖。

       飛行時間測距方案是目前應(yīng)用較為廣泛的方案。在TOF中，場景到物體的距離是通過物體反射的主動照明定時的延遲來測量的。 TOF方案可分為兩個子類：脈沖光測距和交流調(diào)制連續(xù)波間接光測距，即我們常說的D-TOF（直接飛行時間測距法）和I-TOF（間接飛行時間測距法）。D-TOF傳感器通常利用單光子雪崩二極管（SPAD）來精確探測活動光的往返時間；而I-TOF則通過測量每個像素的主動照明往返時間的延遲，利用該延遲與場景中到對象的距離成比例的關(guān)系，最終通過以下方程將延遲轉(zhuǎn)換為距離：

       一般來說，I- TOF方法實施起來會更為簡單（但在精度要求更高時，信號調(diào)制實施難度也很有挑戰(zhàn)性）。然而，I- TOF方法在技術(shù)上也存在一些難點和阻礙：例如，如要獲得相位差數(shù)據(jù)，就要求多調(diào)制頻率下相關(guān)函數(shù)的四次采樣，如此一來，如果再加上多幀處理，后端數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性會明顯增加。

       目前，以英飛凌和索尼為代表的公司在移動消費市場的I-TOF技術(shù)方面占據(jù)主流地位。后文將針對目前I-TOF技術(shù)市場最具代表性的SONY所采用的調(diào)制器件來做一個簡單解讀。

       SONY在近場3D測距的I-TOF測距方案中，采用的是2-tap調(diào)制的電流輔助型光子解調(diào)器件CAPD（Current-Asisted Photonic Demodulator）, 雖然CAPD和當下較為普遍使用的Pinned型光電二極管都可以應(yīng)用到3D測距的I-TOF測距方案中，但是工作原理卻大相徑庭。

圖2 CAPD器件結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

       不同于Pinned型光電二極管調(diào)制器件采用MIS調(diào)制柵結(jié)構(gòu)調(diào)制電場實現(xiàn)電荷信號的分離的工作原理， CAPD采用如圖2所示的器件結(jié)構(gòu)，DETA和DETB為兩個采集電極，VmixA和VmixB為調(diào)制電極。當施加在VmixA和VmixB之間的電壓為零時，DETA和DETB在光照射到設(shè)備上時會收集等量的光產(chǎn)生電子。如果在VmixA和VmixB之間施加電壓，兩個調(diào)制電極之間會產(chǎn)生空穴電流，通過p型外延層產(chǎn)生歐姆下降，產(chǎn)生的電場引導(dǎo)光產(chǎn)生的電子被DETA和DETB兩個收集節(jié)點所收集。

       這種結(jié)構(gòu)的調(diào)制電極直接與Si接觸，相比于傳統(tǒng)的MIS調(diào)制柵的器件，調(diào)制電場能夠深入硅襯底，因此具有良好的靈敏度、解調(diào)對比度。此外，在兩個采集電極處可以像傳統(tǒng)光電二極管像素傳感器一樣，采用電荷積分方式進行信號讀出，從而降低像素的電路復(fù)雜度。CAPD結(jié)構(gòu)重要之處在于它是非表面器件，光電過程產(chǎn)生的體區(qū)光電流也能通過該結(jié)構(gòu)的體區(qū)縱向調(diào)制電場得以快速轉(zhuǎn)移至外部積分節(jié)點，是一種調(diào)制對比度較高的器件形式。但該結(jié)構(gòu)主要缺點在于它是阻性負載的調(diào)制器件，使得其熱損耗與驅(qū)動負載壓力較大，同時熱噪聲也會伴隨整個調(diào)制過程，因此該結(jié)構(gòu)并不適合于高分辨率、大負載條件下的調(diào)制使用。相信Sony應(yīng)該也會在未來的I-TOF像素單元中引入新的器件結(jié)構(gòu)。

圖3 解調(diào)對比度（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

       如圖3所示，在FSI的工藝中， SONY采用的前照式工藝結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)100 MHz 40%的解調(diào)對比度，此參數(shù)在同代工藝和產(chǎn)品中，已經(jīng)算是佼佼者。然而，隨著FSI工藝CAPD像素的調(diào)制頻率增加，其調(diào)制對比度依然顯著降低。 

       伴隨BSI以及stacking工藝的日趨成熟，SONY最新一代已經(jīng)開始逐漸采用BSI  CAPD像素，使得其可以在更高的調(diào)制頻率下實現(xiàn)更高的調(diào)制對比度，從而進一步優(yōu)化器件的性能參數(shù)，使得其在100MHz的調(diào)制頻率下可以達到85%的解調(diào)對比度，測距精度達到了5.9mm@1m，從而更加滿足于I- TOF 應(yīng)用對高分辨率與高測距精度的需求。

       所以，在當下TOF圖像傳感器的市場中，SONY的像素無論從功能和性能方面，表現(xiàn)都是非常優(yōu)異的。