隨著人工智能開始走向應(yīng)用，在手機終端、智能家居、工業(yè)機器人以及未來無人駕駛等領(lǐng)域的逐步普及，未來智能終端對真實環(huán)境的準確感知變得尤為重要。作為機器三維視覺的重要傳感器，基于激光脈沖飛行時間（Time-of-Flight）的三維圖像傳感器(ToF Image Sensor)相比較傳統(tǒng)的二維圖像傳感器（CMOS Image Sensor）提供額外維度的感知，賦予智能終端更加精確高效的環(huán)境場景捕捉能力。

然而，目前基于脈沖飛行時間的ToF測距三維成像成本居高不下，成為了制約人工智能發(fā)展的一個障礙。典型的案例就是目前用于無人駕駛的激光雷達。同樣是基于ToF激光測距原理，但是由于分離芯片和器件的設(shè)計方式，64線的測距激光雷達將大量的分離器件和芯片擁擠在一個狹小的腔體空間，難以解決成本、功耗、散熱和穩(wěn)定可靠性的諸多量產(chǎn)難題。

針對當前的行業(yè)痛點，芯視界發(fā)布了基于單光子檢測的激光測距ToF芯片。該芯片在低成本CMOS工藝上實現(xiàn)了超高靈敏度、高分辨率單光子檢測陣列，集成了自主研發(fā)的超高精度測距電路和抗干擾數(shù)字算法。相比較于目前修改CMOS像素圖像傳感器而實現(xiàn)的間接ToF三維測距，基于單光子像素（SPAD）陣列的直接ToF擁有超高的光電探測靈敏度，實現(xiàn)低激光功率下的遠距離探測，降低整體系統(tǒng)的功耗和成本。

南京芯視界在單光子測距技術(shù)和實用性上處于遙遙領(lǐng)先地位。公司成立于2018年5月，公司擁有先進的光電轉(zhuǎn)換器件設(shè)計和單光子檢測成像技術(shù)，主營基于單光子探測的一系列一維和三維ToF傳感芯片。芯片產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于掃地機、無人機和手機等諸多消費類電子領(lǐng)域，以及虛擬現(xiàn)實及增強、智能家居和自動駕駛激光雷達等應(yīng)用。

芯視界在激光雷達芯片領(lǐng)域的主要競爭優(yōu)勢有：

1）基于低成本CMOS工藝的SPAD單光子探測陣列芯片，性價比高。芯片采用直接TOF的探測方式，相對于間接TOF或相干光方式，具有功耗低、系統(tǒng)簡單、探測距離遠、精度高等優(yōu)勢。

2）單光子檢測新技術(shù)大幅提升了接收器的靈敏度，發(fā)送端的激光器數(shù)量和功率大幅降低。

3）接收端自主設(shè)計全集成接收芯片，集成了單光子檢測陣列、單光子像素數(shù)模混合控制電路、抗陽光背景光算法及內(nèi)存和高速接口，整體成本大幅降低。

4）公司核心團隊在光電集成電路和硅光領(lǐng)域具有超過十年的行業(yè)經(jīng)驗，保證了產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)效率。

激光測距三維成像技術(shù)是當前機器視覺領(lǐng)域的研究熱點，通過發(fā)射激光束探測目標,利用反射光獲取點云數(shù)據(jù)，經(jīng)成像處理后就可得到精確的三維立體圖像，測距精度可達厘米級，具有精準度高、作業(yè)速度快和效率高等優(yōu)勢，在汽車輔助/自動駕駛、AR/VR、機器人三維視覺定位導航、空間環(huán)境測繪、安保安防等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。

激光測距的工作原理類似于傳統(tǒng)的雷達波裝置。激光器發(fā)送激光信號照射到目標物體后，反射光信號被接收器收集。通過測量光信號在空中的往返飛行時間（Time-of-Flight），從而測量出精確的物理距離。目前基本有兩種測量方式。

第一種，發(fā)送端使用激光窄脈沖照射目標物體，接收端用時間到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Time-to-digital converter），即TDC，直接測量激光脈沖在空中的飛行時間，即直接TOF測距（Direct-ToF）。

第二種，發(fā)送端采用連續(xù)光正弦或者方波調(diào)制，接收端根據(jù)調(diào)制光在往返過程中產(chǎn)生的相位偏移對調(diào)制信號周期的比例間接計算出光信號的飛行時間,即間接ToF測距（Indirect-ToF）。

根據(jù)光速恒定原理，兩種方式都可以計算出目標物體的精確距離。其中第一種方式由于其高信噪比、高精度、大動態(tài)范圍、抗多路徑干擾等優(yōu)勢，配合單光子探測器件的超高靈敏度探測，非常適合微弱光條件下的遠距離探測，為激光測距和三維探測成像提供超高靈敏度，低功耗解決方案。

圖1直接ToF與間接ToF測量原理圖

當前的激光測距及成像系統(tǒng)由于成本高、體積大、集成度低等因素，限制了其在消費級市場的應(yīng)用，業(yè)界期待硅光技術(shù)的發(fā)展能夠帶來激光測距技術(shù)的革命性變革?；诖笠?guī)模單光子檢測陣列的集成一直是個難題。目前，業(yè)界主流的方案還是采用分立元器件來搭建激光雷達系統(tǒng)，這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所采用的APD傳感器光電轉(zhuǎn)換電流較低，會導致在多線數(shù)的時候有串擾問題，不容易做大線數(shù)，同時多級放大元器件增多，成本居高不下，較難實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)商用（圖2）。分離器件方案的另外一個問題是由于目標物體不同反射率導致的測量誤差較大，甚至可以到達幾十厘米，需要耗費資源的算法矯正。芯視界基于單光子探測的單芯片解決方案（如圖3），可以做到不同反射率目標物體的極限測量誤差小于1cm，處于激光測距的先進水平。

圖2 傳統(tǒng)激光脈沖直接測距（D-ToF）分離器件芯片組方案

圖3 芯視界單光子直接測距單芯片解決方案

芯視界依靠以李成博士為核心的具有超過15年從業(yè)經(jīng)驗的一批國內(nèi)外資深技術(shù)專家深厚的技術(shù)積累，基于CMOS工藝實現(xiàn)了高靈敏度、高分辨率單光子檢測陣列的芯片化設(shè)計，同時在芯片上集成了自主研發(fā)的超高精度測距電路和抗背景光干擾數(shù)字算法，解決了單光子器件對陽光背景光敏感的難題。配合芯片內(nèi)的測距算法電路和片上內(nèi)存，完美的實現(xiàn)了低成本、低功耗、高性能的測距任務(wù)。并且實現(xiàn)晶圓級大規(guī)模商用量產(chǎn)，在技術(shù)和實用性上處于遙遙領(lǐng)先地位。

芯視界創(chuàng)始人李成博士本科畢業(yè)于東南大學無線電系，于美國Texas A&M University數(shù)模混合集成電路專業(yè)獲得電子工程博士學位。李成博士擁有豐富的研發(fā)經(jīng)驗與管理經(jīng)驗，曾任美國硅光子制造協(xié)會（AIM Photonics）委員、硅谷惠普實驗室主任科學家，擔任多個IEEE集成電路會議和期刊的評審委員。主要研究方向包括CMOS超高速數(shù)?；旌蟂erDes設(shè)計、ToF圖像傳感器、固態(tài)激光雷達、高速低功耗硅光電路(Silicon Photonics)設(shè)計和制造，在光電集成電路和硅光電子設(shè)計和制造行業(yè)具有豐富的理論和實踐經(jīng)驗。李成博士在集成電路的頂級會議ISSCC和頂級期刊JSSCC有多篇一作論文發(fā)表。累計發(fā)表集成電路論文80余篇和國際專利20余項，引用800余次。

本次發(fā)布的單光子檢測激光測距及三維成像系列芯片（單點、面陣32x32單光子像素、面陣256x64單光子像素等規(guī)格）基于直接飛行時間的激光測距方法，為市場上的微型ToF傳感提供了一站式的解決方案，憑借自主研發(fā)的SPAD（單光子雪崩二極管）和獨特的ToF采集和處理技術(shù)，芯視界首發(fā)的激光測距及三維成像芯片的具有性能方面的巨大優(yōu)勢。

其中，單點測距芯片VI4300系列實現(xiàn)了從0.1米到200米的全量程高精度測試，將此前的同類型測距芯片測距范圍提升了100倍。并且可以抵抗100 KLux的環(huán)境光干擾，從而適用于室外陽光環(huán)境中的測量。VI4300系列芯片在測距領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用：例如近距離的掃地機LDS模組，攝像頭激光對焦模組；中距離的手持測距儀模組，AGV防碰撞模組，車道檢測模組；遠距離的自動駕駛車輛激光雷達等。

以業(yè)內(nèi)關(guān)注的自動駕駛激光雷達為例，較于攝像頭等傳感器，基于VI4300單點測距芯片的激光雷達系統(tǒng)除了能夠生成三維位置模型之外，還具有更遠的的探測距離、更高的測量精度、更快的響應(yīng)速度，同時還不受環(huán)境光的影響。可以說，VI4300單點測距芯片給激光雷達提供了極佳的芯片解決方案。

另外，此次芯視界還獨家發(fā)布了兩款全集成的面陣單光子的TOF芯片（型號：VI3810和VI4320），在芯片的性能、易用性、量產(chǎn)性均做到了遙遙領(lǐng)先。面陣TOF芯片在空間感知和三維建模等方向也有著廣泛的應(yīng)用。基于VI3810芯片，芯視界與中電27所合作開發(fā)的32*32像素面陣模組已經(jīng)通過驗收。同時芯視界的面陣芯片在人臉識別、活體檢測、手機AR、安防、生物檢測等方向都有著廣泛的應(yīng)用前景。

表 1 芯視界TOF芯片參數(shù)