太赫兹波TOF三维成像系统的制作方法

太赫兹波tof三维成像系统
技术领域
1.本公开涉及tof三维成像技术领域，尤其涉及一种太赫兹波tof三维成像系统。


背景技术：

2.tof三维成像技术通过测算光的飞行时间获取距离信息(tof，time of flight，飞行时间)。太赫兹波信号作为电磁波谱中研究的最后一个窗口，加上其诸多独特性质，具有重要的研究意义。
3.现有技术探测到的太赫兹波通常很弱，易被1/f噪声和白噪声淹没，而且变化的频率太高不易捕获。理想情况下，只要有光辐射信号，就可以利用探测电路将信号检测出来，但当探测到的信号十分微弱时，常常会出现信号无法探测的情况，因此，设计结构简单、可适性强、灵敏度高的太赫兹波读出系统及基于该系统的三维成像系统具有重大研究意义。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.针对现有的技术问题，本公开提供一种太赫兹波tof三维成像系统，用于至少部分解决以上技术问题。
6.(二)技术方案
7.本公开提供一种太赫兹波tof三维成像系统，包括：太赫兹像素阵列a，用于接收太赫兹波调幅信号并输出解调后的第一模拟信号；信号读出模块b，用于对第一模拟信号进行积分放大，得到积分信号，并将积分信号转换为数字信号；控制模块c，用于给信号读出模块b提供读出参数配置以及控制太赫兹像素阵列a的行选时间以实现不同的成像帧率；信号处理模块d，用于将数字信号恢复成第二模拟信号，根据第二模拟信号计算飞行时间与深度信息来成像；其中，第一模拟信号与太赫兹波调幅信号具有相位偏移。
8.可选地，信号读出模块b包括至少两个并行的读出通道e，读出通道e包括：放大器e1，用于将第一模拟信号进行积分放大，得到放大信号；单转差单元e2，用于将单端输入的放大信号转换成差分信号；相关双采样电路e3，用于采集差分信号的积分开始信号值和积分结束信号值，得到差值信号；模数转换器e4，用于将差值信号转换为数字信号。
9.可选地，放大器e1和相关双采样电路e3的增益可编程，模数转换器e4的参考电压可编程。
10.可选地，模数转换器e4为过采样型模数转换器或逐次逼近寄存器型模数转换器。
11.可选地，太赫兹像素阵列a包括至少两行及至少两列的像素单元f，像素单元f包括：片上天线f1，传输线f2，场效应晶体管m1，陷波滤波器f3和选通开关f4；其中，片上天线f1用于反射太赫兹波调幅信号并通过传输线f2匹配至场效应晶体管m1的源极，陷波滤波器f3连接场效应晶体管m1的栅极，选通开关f4连接场效应晶体管m1的漏极。
12.可选地，场效应晶体管m1的栅极上加载有解调信号，解调信号为方波门控信号，解调信号与太赫兹波调幅信号的频率相同。
13.可选地，片上天线f1为偶极子天线、环形天线、蝶形天线或贴片天线中的任一种。
14.可选地，读出参数配置包括控制放大器和相关双采样电路的增益、积分复位信号，以及控制模数转换器内部斩波器的复位信号、斩波频率和参考电压数值。
15.可选地，信号处理模块d包括直流源和太赫兹发射源；信号处理模块d通过外部fpga和matlab程序进行控制。
16.可选地，太赫兹波调幅信号为包络连续波或方波的调制信号。
17.(三)有益效果
18.本公开提供一种基于自混频探测的太赫兹波tof三维成像系统，通过解调控制第一模拟信号与太赫兹波调幅信号进行相位偏移后再放大探测，可以读出微弱的太赫兹波调幅信号，进而获得较高像素分辨率和较高的相对距离测量精度来成像。
19.信号读出模块采用多通道并行读出太赫兹像素阵列输出的像素信号，减小系统复杂度的同时节省了芯片面积。本公开的三维成像系统能够制作于同一块cmos芯片上，设计原理简单，成本低廉，且易于大规模集成。
附图说明
20.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
21.图1示意性示出了根据本公开实施例的太赫兹波tof三维成像系统结构图；
22.图2示意性示出了根据本公开实施例的单个像素单元结构图；
23.图3示意性示出了根据本公开实施例的太赫兹波tof三维成像系统在4种相位偏移条件下的时序图。
24.【附图标记说明】
25.a-太赫兹像素阵列
26.b-信号读出模块
27.c-控制模块
28.d-信号处理模块
29.e-读出通道
30.e1-放大器
31.e2-单转差单元
32.e3-相关双采样电路
33.e4-模数转换器
34.f-像素单元
35.f1-片上天线
36.f2-传输线
37.f3-陷波滤波器
38.f4-选通开关
39.m1-场效应晶体管
具体实施方式
40.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
41.需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
42.除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。
43.虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。
44.虽然本公开总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体公开构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。
45.图1示意性示出了根据本公开实施例的太赫兹波tof三维成像系统结构图。
46.根据本公开的实施例，如图1所示，太赫兹波tof三维成像系统例如包括：太赫兹像素阵列a，用于接收太赫兹波调幅信号并输出解调后的第一模拟信号。信号读出模块b，用于对第一模拟信号进行积分放大，并将积分信号转换为数字信号。控制模块c，用于给信号读出模块b提供读出参数配置以及控制太赫兹像素阵列a的行选时间以实现不同的成像帧率。信号处理模块d，用于将数字信号恢复成第二模拟信号，根据第二模拟信号计算飞行时间与深度信息来成像。其中，第一模拟信号与太赫兹波调幅信号具有相位偏移，例如相位偏移0
°
、90
°
、180
°
或270
°
。例如可以在太赫兹光信号上加载一连续波或方波调幅信号，用于削弱噪声的影响和稳定探测器探测。
47.根据本公开的实施例，太赫兹像素阵列a例如为由太赫兹探测器做成的像素阵列，该太赫兹像素阵列为n列*m行，n、m为大于1的整数。例如为大于1
×
1的像素阵列，用于接收太赫兹波信号并输出低频直流模拟信号供信号读出模块b(或称为n通道读出系统)处理。
48.图2示意性示出了根据本公开实施例的单个像素单元结构图。
49.根据本公开的实施例，如图2所示，太赫兹像素阵列中的单个像素单元f例如包括：片上天线f1，传输线f2、场效应晶体管m1、陷波滤波器f3以及选通开关f4。其中，片上天线f1用于接收太赫兹波调幅信号。场效应晶体管m1，包括源极、漏极和栅极。传输线f2，用于连接片上天线f1与场效应晶体管m1的源极，实现片上天线f1与场效应晶体管m1源极的阻抗匹配，最大化传输效率。场效应晶体管m1，用于检测和采样太赫兹波信号，在场效应晶体管m1的栅极加载一合适的周期性方波信号，且频率与太赫兹调幅信号一致，用于在工作时获得最大的场效应晶体管响应和实现4种相位偏移条件下的采样。通过改变加载于场效应晶体管m1栅极信号的相位偏移，能获得不同的采样值，同时解调太赫兹调制光信号并滤除部分
高频噪声信号。陷波滤波器f3连接场效应晶体管m1的栅极，使栅极在太赫兹波频段下为交流电。场效应晶体管m1的漏极与选通开关f4相连，用于选择性的输出响应的太赫兹光信号。选通开关f4由数字逻辑控制模块提供滚动曝光模式下的选通信号控制，每行像素依次选通和输出像素信号。
50.优选的，片上天线f1例如为贴片天线、蝶形天线、环形天线或偶极子天线，优选高辐射效率，宽带宽的天线设计结构。
51.根据本公开的实施例，片上天线f1通过传输线f2与nmos场效应晶体管的源端相连接，将接收到的太赫兹波信号通过匹配网络传输到nmos场效应晶体管的源端，其中，该匹配网络包括微带线及其与场效应晶体管m1源极之间的互连金属接触孔。为了使栅极在太赫兹波频段下为交流电，场效应晶体管的栅极接有一陷波滤波器f3。经过nmos场效应晶体管沟道的自混频振荡，nmos场效应晶体管的漏极端将输出与太赫兹波信号强度成正比的直流信号。场效应晶体管的漏极后接一选通开关f4，选通开关f4选通则像素能对外输出信号，若行选择管截止，则像素不对外输出信号。与此同时，根据间接四采样相位延迟解调法，在nmos场效应晶体管的栅极选择性地施加与太赫兹波发射信号调制频率相同，相位偏移分别为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
的方波控制信号，可采样在4种不同相位偏移下的信号值，同时可对调制的太赫兹波信号进行解调，无需进一步的解调操作。
52.图3示意性示出了根据本公开实施例的太赫兹波tof三维成像系统在4种相位偏移条件下的时序图。
53.根据本公开的实施例，如图3所示，调制信号例如为具有一定调制频率的周期性信号。加载于单个像素中场效应晶体管栅极的解调信号，例如每隔1s选择性的输入与调制信号具有0
°
、90
°
、180
°
和270
°
4种相位偏移条件的方波控制信号。读出信号例如为像素采样信号依次经过n通道读出系统中的放大器e1(电荷灵敏放大器)、相关双采样电路e3以及模数转换器e4后得到的数字输出信号。
54.根据本公开的实施例，如图1所示，n通道读出系统例如包括多列读出通道e(或称为读出电路单元)，且每一列读出电路单元例如均包括放大器e1(电荷灵敏放大器(csa，charge sensitive amplifier))，用于将采样模拟信号进行积分放大，并输出到单转差单元e2。电荷灵敏放大器(csa)例如为可变增益积分，配合其使用的可变积分电容可根据输入的调制光电流大小调整接入的电容大小，能适应不同光强的探测信号，增大了读出电路的可适性。单转差单元e2，用于将电荷灵敏放大器的单端输入信号转换为双端输出信号。相关双采样(cds，correlated double sampling)电路e3，用于采样电荷灵敏放大器输出的积分开始信号值和积分结束信号值，从而获得二者的信号差值输出至模数转换器e4。模数转换器(∑δ-adc，adc，analog-digital converter)e4，用于将相关双采样电路e3的输出信号转换为数字信号。n通道读出系统中的每个单通道读出电路单元可以并行处理各列像素的输出，节约芯片面积的同时提高了信号读出速率。在本实施例中，电荷灵敏放大器(csa)的增益，相关双采样电路e3中的斩波放大器的增益和斩波频率以及模数转换器e4的参考电压例如是可编程的。
55.优选的，模数转换器e4例如为过采样型模数转换器或逐次逼近寄存器型模数转换器。
56.根据本公开的实施例，如图1所示，控制模块c例如包括偏置发生模块和数字逻辑
控制模块。选通信号为数字逻辑模块控制的像素曝光控制信号，参数配置由偏置发生模块控制，i
det
为每列像素输出的采样信号，d1至dn为n通道读出系统输出的数字信号。其中，偏置发生模块为n通道读出系统提供相应的参数配置，例如偏置电压、偏置电流、可编程增益控制信号和复位信号等。太赫兹像素阵列a例如采用滚动曝光模式，数字逻辑控制模块控制选通信号的输入，在第一行像素曝光后，再逐次进行第二行至最后一行像素的曝光。太赫兹调幅信号模拟的调制信号频率例如为20mhz，在曝光结束后，太赫兹像素阵列对其进行探测并采样输出，在n通道读出系统进行读出时能够获取一种相位偏移条件下的像素采样信号。每一列像素曝光后的采样值通过选通信号控制依次输入n通道读出系统进行积分、相关采样和模数转换，最后得到数字读出信号。通过控制太赫兹像素阵列中像素探测元件在4种不同相位偏移条件下的太赫兹光信号采样，根据间接解调延迟相位法工作原理，可以通过信号处理模块d获得各像素单元f对应的太赫兹光信号的飞行时间和深度信息。
57.根据本公开的实施例，将获得的4种不同相位偏移下的像素采样值s0～s3输入后续信号读出模块b(n通道读出系统)读出并经信号处理模块d计算，可完成式(1)～(2)计算出光反射信号的飞行时间和观测点距离像素的距离信息，由观测物体的多个距离信息即可获得一幅完整的3d图像。
[0058][0059][0060]
其中，t为发射太赫兹波信号的调幅频率，t
tof
表示飞行时间，d表示计算得到的距离，c为信号传播速率，近似为光速，s0为偏移相位为0
°
的第1采样值，s1为偏移相位为90
°
的第2采样值，s2为偏移相位为180
°
的第3采样值，s3为偏移相位为270
°
的第4采样值。
[0061]
根据本公开的实施例，信号处理模块d例如可以通过外部fpga(fpga，field programmable gate array，现场可编程门阵列)和matlab程序进行控制，包括直流源和太赫兹发射源等可编程设备。
[0062]
综上所述，本公开实施例提出一种基于自混频探测的太赫兹波tof三维成像系统，可应用于三维tof成像技术中反射信号的有效读出，进而获取飞行时间和深度信息，同时适应不同光强的信号读出。本公开将由太赫兹探测器做成的像素阵列、n通道读出系统、数字逻辑控制模块及电源偏置电路集成在同一块芯片上，解决了单像素扫描成像耗时过长及成像系统过于复杂的问题。
[0063]
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于的特定顺序或层次。
[0064]
还需要说明的是，实施例中提到的方向术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。
[0065]
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不
应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本公开处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本公开单独的优选实施方案。
[0066]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
[0067]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。