为什么NLOS成像必须用梯度门控？EPFL×格芯用16相位门控告诉你真相！

此研究提出了一款可重构的256×128单光子雪崩二极管（SPAD）图像传感器，为单光子计数（SPC）、激光雷达（LiDAR）及非视距（NLOS）成像等前沿应用带来显著的性能提升与灵活性。

核心性能指标：
• 高灵活性架构：传感器具备单门控和梯度门控两种模式，可灵活适配SPC或时间分辨成像需求
• 创新梯度门控：提供16个相位，时间间隔范围0.12 ns至3.8 ns，专为NLOS成像设计，能在处理早期到达光子的巨大通量时，仍可捕获来自隐藏物体的微弱间接光子
• 超高帧率：SPC模式下实现9-bit强度深度，实测帧率21,338 fps，理论最大帧率42,240 fps
• 极致时间分辨率：时间数字转换器（TDC）提供39 ps (LSB)的时间分辨率

• 卓越性能参数：
＊最小时间门窗：400　ps (FWHM)
＊门控上升时间：<200　ps
＊光子探测概率（PDP）：51%
＊时间抖动：52 ps
＊TDC积分非线性（INL）：2.77 LSB
＊微分非线性（DNL）：1.2 LSB

此研究由瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)与新加坡格芯半导体联合完成：
• 共同第一作者：Jiuxuan Zhao、Tommaso Milanese 

• 核心成员：Francesco Gramuglia、Eng-huat Toh、Elgin Quek、Edoardo Charbon 

• 学术机构：EPFL AQUA实验室（瑞士纳沙泰尔） 

• 产业合作：新加坡格芯半导体有限公司

单光子探测是现代光学传感的核心技术，SPAD因其单光子灵敏度、高速检测能力及CMOS工艺兼容性，已广泛应用于SPC、LiDAR和NLOS成像。
NLOS成像面临的核心挑战：

1.信号衰减与噪声干扰：NLOS成像通过中继表面（如墙壁、地面）的散射光重建隐藏物体。光束经历三次反射：

(1)激光照射中继表面；

(2)散射至隐藏物体；

(3)再次散射回传感器。传感器必须在接收极弱的第三次反射光子时，抑制来自第一次反射的强烈早期光子通量，否则将导致SPAD"堆积效应"，使微弱信号无法探测。

2.高时间分辨率需求：LiDAR和NLOS成像均依赖直接飞行时间（ToF）测量实现高精度时间标记，要求皮秒级时间分辨率。

同时需要快速可配置的时间门控能力来隔离特定深度的光子并抑制噪声。

3.阵列规模与采集速度：为提高NLOS应用的光子采集效率,需要大规模像素阵列（256×128）来收集更多从中继表面散射的光线。

如何在维持高性能TDC分辨率（39 ps LSB）的同时实现大规模阵列和高速读出，是系统设计的关键难点。

4.1 梯度门控机制
为解决NLOS成像中早期光子掩蔽微弱信号的问题，研究团队开发了创新的梯度门控模式。

工作原理：不同于对所有像素同步施加固定时长电子快门的单门控模式，梯度门控对像素群集施加不同长度的快速电子快门。

像素阵列中，4×4像素组成一个宏像素，在梯度门控模式下，这些宏像素在不同时间点开启，但同时关闭。

应用优势：梯度门控使传感器在保持中继表面轮廓检测的同时，捕获足够的隐藏物体间接光子。

单门控模式虽可检测第三次反射光子，但无法检测第一次反射光子；自由运行模式下，堆积效应导致几乎无法检测第三次反射光子。

唯有梯度门控模式能同时获取这两项关键信息。

4.2 可重构架构与高速读出
• 双模式操作：像素阵列可同时在SPC模式（顶部区段）和时间分辨模式（底部区段）运行，灵活适配不同数据采集需求

• 大规模TDC集成：256×128像素阵列配置1024个TDC/计数器

• 精确时钟控制：嵌入式PLL产生800 MHz高频时钟，通过平衡时钟树分配给TDC。LSB可通过调整PLL频率（200-800 MHz）配置为39-156 ps，满足不同应用需求

• 延迟精确控制：芯片集成三种延迟锁定环路（DLL）模块，分别用于TDC延迟控制以及精细和粗略门控延迟控制

5.1 芯片架构
芯片采用55 nm BCD工艺制造，SPAD阵列为256×128像素，芯片总尺寸7.6×5.1 mm²。

核心架构特点：
• 门控信号生成：像素架构包含门控控制、掩模和快速充电电路。16个梯度相位由DLL产生。

为确保梯度步长的高可调范围，采用粗延迟线和精细延迟线产生门控信号。

每个控制模块（16×64像素）内使用16个门控生成器，通过缓冲树将信号分布到像素阵列。

• TDC架构：1024个TDC/计数器配置PLL和DLL副本用于精细码控制。

• 读出架构：基于滚动控制和OR树。阵列分为上下对称区段及左右对称读出逻辑。

每个滚动阶段，每个象限同时曝光四行，数据流式传输至TDC或强度计数器。完成整个阵列需32次滚动。

数据通过128个160-Mbps并行输入串行输出(PISO) IO端口输出。

• 外部控制：使用商用FPGA板进行传感器控制和数据处理，FPGA产生所有控制信号，最小相位偏移步长28 ps。

5.2 门控特性测试

使用波长780 nm、重复频率10 MHz的均匀脉冲激光照射整个阵列，激光脉冲在100 ns范围内以28 ps步长移动进行时间扫描。

测试结果：
．单门控模式：时间门窗上升时间<200 ps，最小门窗(FWHM) 400 ps
．梯度门控模式：通过精细和粗略延迟线，间隔时间可在120 ps至3.8 ns间配置，梯度门窗可根据应用需求灵活调整

5.3 应用验证
1. LiDAR测距：使用Chameleon系统进行室内单点测距表征，在1.7-2.6 m场景范围内实现高精度LiDAR成像，距离条结果验证了系统性能。

2. NLOS成像与物体跟踪：实验设置位于墙角周围的方形隐藏物体。梯度门控模式成功接收显著的第三次反射光子计数，同时获得中继表面距离信息。

NLOS重建结果与真实情况对比，证实了方法的有效性和隐藏场景物体跟踪能力。

3. 高速SPC捕获：成功演示10,669 fps下旋转风扇的高速单光子计数捕获，

展现了传感器在动态场景中的应用潜力。

推荐使用光焱科技

SPD2200 商用级SPAD单光子雪崩二极管效率整合型测试仪

这款256×128 SPAD传感器通过引入可编程时间门控和TDC阵列,有效解决了高要求成像应用中速度与信噪比的平衡问题。

梯度门控设计提供了抑制早期噪声、提取弱信号的有效策略，极大增强了NLOS成像在实际环境中的可行性，为单光子探测技术在LiDAR、NLOS成像等前沿应用领域开辟了新的可能性。