توصيفگر ها :
حسگر زمان پرواز , ديود بهمني تك فوتون , اندازهگيري فاصله , تصويربرداري سهبعدي
چكيده فارسي :
حسگرﻫﺎﯼ ﺯﻣﺎﻥ ﭘﺮﻭﺍﺯ ابزاري دقيق براي اندازهگيري فاصله و توليد تصاوير سهبعدي هستند. اين حسگرها در سامانههاي مختلف از جمله سامانههاي ليدار (LiDAR) براي اندازهگيري مسافتهاي طولاني در فضاي باز و سامانههاي دقيقتر براي فاصلهيابي در مسافتهاي كوتاه و محيطهاي حساس به كار ميروند. در ميان انواع مختلف اين حسگرها، حسگرهاي مبتني بر ديود بهمني تك فوتون (SPAD) به دليل حساسيت بسيار بالاي خود به نور، توانايي آشكارسازي تك فوتون و سرعت پاسخگويي بالا، گزينهاي ايدهآل براي به كارگيري در كاربردهاي متنوع هستند. اين حسگرها ميتوانند فوتونهاي منفرد را با دقت زياد ثبت كنند كه اين ويژگي در محيطهاي كمنور، در سنجشهاي فاصلهيابي با دقت بالا و در تصويربرداريهاي پزشكي و زيستپزشكي از اهميت ويژهاي برخوردار است. حسگرهاي زمان پرواز به طور گسترده در صنايع مختلف كاربرد دارند، از جمله در جراحيهاي كم تهاجم، امنيت، سيستم كروز كنترل و ترمز اضطراري خودكار خودروها، بازيهاي كامپيوتري و در واقعيت مجازي براي رديابي حركت در برنامههايAR/VR مورد توجه قرار گرفتهاند. در اين ميان، ساختارهاي زمان پرواز مستقيم مبتني بر SPAD به همراه ايجاد امكان دستيابي به دقت زماني بالا، به دليل قابليت ادغام آسان با فناوريهاي مدرن نيمههادي به خصوص فناوري CMOS، امكان توليد انبوه آن را به همراه كاهش هزينه فراهم كردهاست. يكي از پيشرفتهاي مهم در اين زمينه، استفاده از فناوري پشتهاي (Stacking) است، كه امكان تركيب لايههاي آشكارساز نوري و مدارهاي پردازش سيگنال را در قالب يك تراشه سهبعدي فراهم ميآورد. اين فناوري منجر به كاهش تأخير در انتقال داده، افزايش دقت در ثبت اطلاعات و بهبود كارايي حسگر در تشخيص و پردازش فوتونها ميشود. علاوه بر تصويربرداري سه بعدي، اندازهگيري زمان پرواز را ميتوان براي توپوگرافي گسيل پوزيترون (PET) و ساير تكنيكهاي زيست پزشكي ﺑﺎ ﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ ﺍﺯ ﻣﻨﺒﻊ ﻧﻮﺭ ﺿﻌﯿﻒ ﻣﺎﻧﻨﺪ ميكروسكوپ ﺗﺼﻮﯾﺮﺑﺮﺩﺍﺭﯼ ﻃﻮﻝ ﻋﻤﺮ ﻓﻠﻮﺭﺳﺎﻧﺲ FⅬIⅯ)) ﻭ ﺭﻭﺵﻫﺎﯼ ﻓﺎﺻﻠﻪ سنجي، ﺑﻪ ﻋﻨﻮﺍﻥ ﻣﺜﺎﻝ ﺍﺭﺗﻔﺎﻉ ﺳنج، ﺳﻨﺠﺶ ﻋﻤﻖ، پايش نرخ ﺗﻨﻔﺲ، ﺳﻨﺠﺶ ﺗﺼﻮﯾﺮ ﻭ ﻓﺎﺻﻠﻪ ﺑﺮﺍﯼ ﻧﺎﻭﺑﺮﯼ ﻣﻮﺭﺩﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ ﻗﺮﺍﺭ ﺩﺍﺩ. با اين حال، عملكرد صحيح و سريع حسگرهاي زمان پرواز مبتني بر SPADها وابسته به عملكرد صحيح مدارهاي جنبي حسگر ازجمله مدارهاي خاموشكننده و شارژ مجدد است. اين مدارها پس از آشكارسازي هر فوتون، ديود را از حالت شكست خارج كرده و مجدداً براي آشكارسازي فوتونهاي بعدي آماده ميكنند. در نبود اين مدارها، سرعت پاسخ حسگر كاهش يافته و دقت اندازهگيري آن تحت تاثير قرار ميگيرد، بنابراين طراحي بهينه آنها براي حفظ دقت، سرعت و كارايي كل سيستم ضروري است. در كار حاضر به طراحي يك مدار خاموشكننده و شارژ مجدد فعال پرداخته شدهاست. مدار پيشنهادي قادر به شمارش تا 435 مگاشمارش فوتون در ثانيه ميباشد. توان مصرفي مدار پيشنهادي به ازاي يك مگاشمارش فوتون در ثانيه كمتر از 5.1 ميكرووات بدست آمدهاست.
چكيده انگليسي :
Time-of-Flight (ToF) sensors are precise tools for distance measurement and 3D imaging. These sensors are widely used in various systems, including LiDAR systems for long-range outdoor distance measurements and in more accurate systems for short-range applications in sensitive environments. Among different types of ToF sensors, those based on Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs) are considered ideal due to their ultra-high sensitivity to light, single-photon detection capability, and fast response time. SPAD-based ToF sensors can detect individual photons with high accuracy, making them particularly valuable in low-light environments, precision ranging applications, and biomedical imaging. These sensors have a wide range of applications, such as in minimally invasive surgeries, security systems, automotive adaptive cruise control and emergency braking, as well as in computer games and virtual/augmented reality (AR/VR) for motion tracking. Among different ToF architectures, direct ToF sensors using SPADs have become increasingly popular due to their compatibility with modern semiconductor technologies, especially CMOS, enabling low-cost mass production and high temporal resolution. One of the significant advancements in this field is the use of 3D stacking technology, which allows the integration of the photodetector layer with signal processing circuits on a single three-dimensional chip. This approach reduces data transfer delay, enhances timing accuracy, and improves photon detection and processing efficiency. In addition to 3D imaging, ToF measurements are also used in positron emission tomography (PET) and other biomedical techniques involving weak light sources, such as fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). They are also applied in height measurement, depth sensing, respiration monitoring, image-based ranging, and navigation. However, the proper and rapid operation of SPAD-based ToF sensors depends on the efficient performance of their peripheral circuits, particularly the quenching and recharge circuits. These circuits turn off the SPAD after photon detection and recharge it for the next detection cycle. Without them, the sensorʹs response speed and measurement accuracy would degrade. Therefore, the optimal design of these circuits is essential for maintaining the overall systemʹs accuracy, speed, and efficiency. In this work, we present the design of an active quenching and active recharge (AQAR) circuit. The proposed circuit achieves a photon counting rate of up to 435 MC/S and consumes less than 5.1 µW per megacount per second.