1 中国科学院 国家空间科学中心，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
3 辽宁大学 物理学院，辽宁 沈阳 110036
针对时间飞行(TOF)获取的三维点云数据噪声点多、有效目标在点云中所占比例较小的问题，提出一种适用于TOF 点云数据的基于强度特征匹配的迭代最近点配准算法。首先使用强度特征进行有效区域提取，然后对有效区域进行配准，最后使用有效区域的变化矩阵对整个点云数据进行配准。实验结果表明，该方法能在不影响配准速度的情况下，有效提高真实点云配准的精确度。
点云配准 时间飞行 强度信息 迭代最近点 point cloud registration Time Of Flight intensity information Iterative Closest Point (ICP) 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(6): 838
1 南京邮电大学 集成电路科学与工程学院, 南京 210023
2 射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室, 南京 210023
提出了一种新颖的两级相关双采样(CDS)电路，用于消除基于时间幅度转换器(TAC)结构的高密度光子飞行时间(TOF)阵列探测器的固定模式噪声(FPN)。相比于传统的全差分电路，该电路的结构更加简单，每一级仅使用两个开关管和一个采样电容。电路采用SMIC 0.18 μm标准CMOS工艺制造，面积仅为40 μm×35 μm，静态功耗仅为301 μW。测试结果表明，所提出的两级CDS电路具有99.98%的高线性度，在1.8 V电源下实现了0.9 V的宽输出摆幅，FPN总量减少了54%以上。提出的CDS方案可以有效消除阵列的像素级和列级的FPN，非常适用于基于TAC的高密度TOF阵列探测器。
时间幅度转换器 飞行时间 固定模式噪声 相关双采样电路 time-amplitude converter time of flight fixed pattern noise correlated double sampling
SPAD阵列的规模不断扩大对读出电路(Read-out Integrated Circuit, ROIC)提出了更高的要求，时间数字转换器(Time to Digital Converter, TDC)是ROIC的核心电路，完成对光子飞行时间(Time-of-Flight, TOF)高精度量化。为避免大规模阵列中高频时钟信号长距离走线而引起的串扰和噪声干扰，抑制初相误差引起的检测精度退化，设计了一种基于内置时钟的ROIC阵列电路，阵列像素间距均为100 µm，内置于各像素内的门控环形振荡器(Gated Ring Oscillator, GRO)独立提供像素TDC所需的高频分相时钟信号，各像素GRO均由像素外置锁相环(Phase Locked Loop, PLL)产生的压控信号控制。由于采用一种基于事件驱动的检测策略，只量化光子事件有效触发的TOF，有效降低了系统功耗。该芯片采用TSMC 0.18 µm 1.8 V标准CMOS工艺制造，测试结果表明：TDC的时间分辨率和量程分别为102 ps和100 ns，微分非线性DNL低于0.8 LSB，积分非线性INL低于1.3 LSB，系统功耗小于59.3 mW。
时间数字转换器 光子飞行时间 门控环形振荡器 锁相环 单光子雪崩光电二极管 time to digital converter time-of-flight gated ring oscillator phase-locked loop SPAD 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220896
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 上海科技大学 信息科学与技术学院，上海 200120
3 中国科学院大学，北京 100049
混合飞行时间测距基于间接飞行时间测距的原理，同时结合直接飞行时间测距的概念，可以实现高精度、高范围的脉冲激光测距。采用两相采集方式，建立了背景光抑制的两段两相混合测距模型，并通过对模型的误差分析确定了电路的相关参数。采用在线性模式下工作的雪崩光电二极管（Linear-Mode APD, LM-APD）作为探测器，设计了与混合测距模型适配的50 μm中心距的像素电路以及5×5阵列结构。电路输入级采用电容反馈跨阻放大器结构，输出信号包括模拟信号和低压差分信号。在对APD探测器20 MHz的调制频率下，输出电压达到99.8%以上的线性度，在108.75 m测距范围内达到4.415 cm的平均误差，11.355 cm的最大误差。仿真表明：混合测距兼顾精度和测量范围，适用于激光雷达三维成像领域。
混合飞行时间测距 读出电路 线性模式雪崩光电二极管 激光雷达 hybrid time-of-flight ranging readout circuit linear-mode APD lidar 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220892
1 南京邮电大学集成电路科学与工程学院，江苏 南京 210023
2 射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室，江苏 南京 210023
3 核探测与核电子学国家重点实验室，安徽 合肥 244199
基于0.18 μm BCD工艺实现了一种高灵敏度、低暗计数噪声的近红外单光子直接飞行时间（dTOF）探测器。集成的单光子雪崩二极管（SPAD）探测器件采用新型的高压p阱/n+埋层作为深结雪崩倍增区的结构，显著提高了对近红外光子的探测概率；采用低掺杂的外延层作为虚拟保护环，有效减小了器件暗计数噪声。dTOF探测器读出电路采用三步式混合结构的时间数字转换器（TDC），获得了高时间分辨率和大动态范围。测试结果表明，SPAD器件在5 V过偏压下的光子探测概率（PDP）峰值达到45%，在905 nm近红外波长处的PDP大于7.6%，暗计数率（DCR）小于200 Hz。读出电路实现了130 ps的高时间分辨率和258 ns的动态范围，差分非线性度（DNL）和积分非线性度（INL）均小于±1 LSB（1 LSB=130 ps）。该dTOF探测器具有人眼安全阈值高、灵敏度高、噪声低和线性度好的优点，可应用于低成本、高精度的激光雷达测距系统。
探测器 直接飞行时间 单光子雪崩二极管 光子探测概率 暗计数率 时间数字转换器 光学学报
2023, 43(20): 2004002
中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
非视域成像可对视域外场景进行重建成像。与传统成像不同，其将隐藏场景返回的间接信号导入重建算法实现目标场景重建，在**、生物医学、自动驾驶、航空航天及灾后搜救等领域具有重要的应用价值。总结近年来国内外对非视域成像技术的研究进展，依次介绍3种非视域成像模式，包括基于飞行时间的非视域成像、基于相干信息的非视域成像（含基于散斑图案和空间相干两种方法）、基于强度信息的非视域成像。基于相干信息和强度信息成像模式的硬件参数、重建算法、重建时间和图像分辨率等的特点和存在的局限性，分析并讨论非视域成像的发展趋势。
非视域成像 飞行时间 相干成像 强度成像 散射成像 激光与光电子学进展
2023, 60(14): 1400001
1 State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710119, Shaanxi, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
In low-light conditions, the single-photon light detection and ranging (Lidar) technique based on time-correlated single-photon counting (TCSPC) is suited for collecting a three-dimensional (3D) profile of the target. We present a rapid 3D reconstruction approach for single-photon Lidar with low signal-to-background ratio (SBR) and few photons based on a combination of short-duration range gate selection, photon accumulation of surrounding pixels, and photon efficiency algorithm in this paper. We achieve the best noise filtering and 3D image reconstruction by choosing the optimal combined order of simple methods. Experiments were carried out to validate the various depth estimation algorithms using simulated data and single-photon avalanche diode (SPAD) array data under varying SBR. The experimental results demonstrate that our proposed method can achieve high-quality 3D reconstruction with a faster processing speed compared to the existing algorithms. The proposed technology will encourage the use of single-photon Lidar to suit practical needs such as quick and noise-tolerant 3D imaging.In low-light conditions, the single-photon light detection and ranging (Lidar) technique based on time-correlated single-photon counting (TCSPC) is suited for collecting a three-dimensional (3D) profile of the target. We present a rapid 3D reconstruction approach for single-photon Lidar with low signal-to-background ratio (SBR) and few photons based on a combination of short-duration range gate selection, photon accumulation of surrounding pixels, and photon efficiency algorithm in this paper. We achieve the best noise filtering and 3D image reconstruction by choosing the optimal combined order of simple methods. Experiments were carried out to validate the various depth estimation algorithms using simulated data and single-photon avalanche diode (SPAD) array data under varying SBR. The experimental results demonstrate that our proposed method can achieve high-quality 3D reconstruction with a faster processing speed compared to the existing algorithms. The proposed technology will encourage the use of single-photon Lidar to suit practical needs such as quick and noise-tolerant 3D imaging.
Lidar 3D imaging photon counting few photons time-of-flight imaging low SBR 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811033
1 中国科学院深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055
2 奥比中光科技集团股份有限公司，广东 深圳 518062
3 南方科技大学微电子学院，广东 深圳 518055
4 深圳奥芯微视科技有限公司，广东 深圳 518062
因激光发射端光波形和图像传感器抽头光响应的非理想因素，间接飞行时间（ITOF）相机测距结果与真实距离之间存在摆动式的谐波误差，测距准确度受到干扰。分析ITOF相机中谐波误差的产生原因，阐明谐波误差周期与测距周期、像素抽头数量的关系，并提出基于三角级数拟合校正谐波误差的方法。所提方法可在较短标定范围和较大标定间隔下拟合校正谐波误差，标定效率高。利用66.67 MHz三抽头ITOF相机测距实验对所提方法的有效性进行验证。实验结果表明，所提方法能够有效减小测距结果中的谐波误差，主点像素测距平均准确度达2.5787 mm，平面测距结果中的平面拟合平均误差达4.3876 mm。
遥感和传感器 间接飞行时间相机 深度标定 谐波误差 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811028
红外与激光工程
2023, 52(3): 20220903
