为了降低环境噪声，实现高深度的可靠性，通过时间相关的单光子计数思路出现了。但是，这个思路存在一个问题，就是单光子雪崩二极管和数据转换器之间，需要大量的接线处理，而且像素个数越多，需要接线也越多，布线环节就会非常麻烦。

        如果是大型单光子雪崩二极管阵列，每秒钟就会产生几十亿个需要计时和处理的单光子事件，这对处理器的性能、功耗，还有芯片的体积都会带来极大的负担。

        不过，3D堆叠技术似乎可以解决上述问题。通过3D堆叠技术，可以将单光子雪崩二极管部分和逻辑芯片部分分开制作，然后再通过金属混合键合的方式，组合成一块芯片。这种方式可以让单光子雪崩二极管模块和逻辑芯片部分采用不同的工艺，不仅可以最大限度节约成本，还能保证单光子雪崩二极管模块的分辨率和光子检测效率更高，功耗更低，综合性能更强。通过金属混合键合的方式，不仅可以增加电路面积，还能使整个芯片的面积不发生变化。

        最近，深圳市灵明光子科技有限公司（简称灵明光子）在3D堆叠的基础上，利用CMOS工艺设计出了一款dToF（直接飞行时间）图像传感器。这款dToF图像传感器采用了240X160像素的单光子雪崩二极管阵列，分成四个区进行曝光读出，所有的单光子雪崩二极管共享数据转换器和静态随机存取存储器。为了降低功耗和硅面积，每次只启动四分之一的单光子雪崩二极管。如下图所示：

        这是灵明光子dToF图像传感器的框架图。顶层就是240X160像素的单光子雪崩二极管阵列，像素间距为16μm，图中的Top Group就是阵列的一个基本单元，包含了一个16X16的小型单光子雪崩二极管阵列。

        这是Top Group的结构图。每个Top Group被分为了四个Sub-group，每个Sub-group再分成4个像素宏。每一个Sub-group都有一个数据转换器与之连接，因此，整个单光子雪崩二极管阵列一共需要六百个数据转换器。下图为数据转换器的电路示意图：

        一个Sub-group中的4个像素宏共同使用一个内存段来生成直方图，每次都只有一个像素宏曝光，这个可以降低静态随机存取存储器的占用。这就需要采用卷帘快门的方法来对完整图像进行重建，上图中四种颜色标注的区域，就是四分区区卷帘快门。不过，使用的照明源也需要采用相同的卷帘设计，才能将能耗控制在最优。

        灵明光子还设计了一个直方图失真校准算法，在9.5米的测试距离中，精度达到了0.1%。