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芯視界發(fā)布首款單光子檢測(cè)激光測(cè)距ToF芯片

發(fā)布時(shí)間:2019-08-22瀏覽量:3280

隨著人工智能開始走向應(yīng)用,在手機(jī)終端、智能家居、工業(yè)機(jī)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(duì)真實(shí)環(huán)境的準(zhǔn)確感知變得尤為重要。作為機(jī)器三維視覺的重要傳感器,基于激光脈沖飛行時(shí)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(chǎng)景捕捉能力。

然而,目前基于脈沖飛行時(shí)間的ToF測(cè)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(gè)障礙。典型的案例就是目前用于無人駕駛的激光雷達(dá)。同樣是基于ToF激光測(cè)距原理,但是由于分離芯片和器件的設(shè)計(jì)方式,64線的測(cè)距激光雷達(dá)將大量的分離器件和芯片擁擠在一個(gè)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(duì)當(dāng)前的行業(yè)痛點(diǎn),芯視界發(fā)布了基于單光子檢測(cè)的激光測(cè)距ToF芯片。該芯片在低成本CMOS工藝上實(shí)現(xiàn)了超高靈敏度、高分辨率單光子檢測(cè)陣列,集成了自主研發(fā)的超高精度測(cè)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(shí)現(xiàn)的間接ToF三維測(cè)距,基于單光子像素(SPAD)陣列的直接ToF擁有超高的光電探測(cè)靈敏度,實(shí)現(xiàn)低激光功率下的遠(yuǎn)距離探測(cè),降低整體系統(tǒng)的功耗和成本。

南京芯視界在單光子測(cè)距技術(shù)和實(shí)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(jìn)的光電轉(zhuǎn)換器件設(shè)計(jì)和單光子檢測(cè)成像技術(shù),主營基于單光子探測(cè)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(jī)、無人機(jī)和手機(jī)等諸多消費(fèi)類電子領(lǐng)域,以及虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)、智能家居和自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)等應(yīng)用。

芯視界在激光雷達(dá)芯片領(lǐng)域的主要競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)有:

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

2)單光子檢測(cè)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(jì)全集成接收芯片,集成了單光子檢測(cè)陣列、單光子像素?cái)?shù)?;旌峡刂齐娐贰⒖龟柟獗尘肮馑惴皟?nèi)存和高速接口,整體成本大幅降低。

4)公司核心團(tuán)隊(duì)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(yàn),保證了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。

激光測(cè)距三維成像技術(shù)是當(dāng)前機(jī)器視覺領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),通過發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo),利用反射光獲取點(diǎn)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(cè)距精度可達(dá)厘米級(jí),具有精準(zhǔn)度高、作業(yè)速度快和效率高等優(yōu)勢(shì),在汽車輔助/自動(dòng)駕駛、AR/VR、機(jī)器人三維視覺定位導(dǎo)航、空間環(huán)境測(cè)繪、安保安防等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。

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

第一種,發(fā)送端使用激光窄脈沖照射目標(biāo)物體,接收端用時(shí)間到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-digital converter),即TDC,直接測(cè)量激光脈沖在空中的飛行時(shí)間,即直接TOF測(cè)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(duì)調(diào)制信號(hào)周期的比例間接計(jì)算出光信號(hào)的飛行時(shí)間,即間接ToF測(cè)距(Indirect-ToF)。

根據(jù)光速恒定原理,兩種方式都可以計(jì)算出目標(biāo)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(dòng)態(tài)范圍、抗多路徑干擾等優(yōu)勢(shì),配合單光子探測(cè)器件的超高靈敏度探測(cè),非常適合微弱光條件下的遠(yuǎn)距離探測(cè),為激光測(cè)距和三維探測(cè)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(cè)量原理圖

當(dāng)前的激光測(cè)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(fèi)級(jí)市場(chǎng)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(cè)距技術(shù)的革命性變革?;诖笠?guī)模單光子檢測(cè)陣列的集成一直是個(gè)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(dá)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(huì)導(dǎo)致在多線數(shù)的時(shí)候有串?dāng)_問題,不容易做大線數(shù),同時(shí)多級(jí)放大元器件增多,成本居高不下,較難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)商用(圖2)。分離器件方案的另外一個(gè)問題是由于目標(biāo)物體不同反射率導(dǎo)致的測(cè)量誤差較大,甚至可以到達(dá)幾十厘米,需要耗費(fèi)資源的算法矯正。芯視界基于單光子探測(cè)的單芯片解決方案(如圖3),可以做到不同反射率目標(biāo)物體的極限測(cè)量誤差小于1cm,處于激光測(cè)距的先進(jìn)水平。

圖2 傳統(tǒng)激光脈沖直接測(cè)距(D-ToF)分離器件芯片組方案



圖3 芯視界單光子直接測(cè)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(yàn)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(shí)現(xiàn)了高靈敏度、高分辨率單光子檢測(cè)陣列的芯片化設(shè)計(jì),同時(shí)在芯片上集成了自主研發(fā)的超高精度測(cè)距電路和抗背景光干擾數(shù)字算法,解決了單光子器件對(duì)陽光背景光敏感的難題。配合芯片內(nèi)的測(cè)距算法電路和片上內(nèi)存,完美的實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗、高性能的測(cè)距任務(wù)。并且實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)大規(guī)模商用量產(chǎn),在技術(shù)和實(shí)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(xué)無線電系,于美國Texas A&M University數(shù)?;旌霞呻娐穼I(yè)獲得電子工程博士學(xué)位。李成博士擁有豐富的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)與管理經(jīng)驗(yàn),曾任美國硅光子制造協(xié)會(huì)(AIM Photonics)委員、硅谷惠普實(shí)驗(yàn)室主任科學(xué)家,擔(dān)任多個(gè)IEEE集成電路會(huì)議和期刊的評(píng)審委員。主要研究方向包括CMOS超高速數(shù)?;旌蟂erDes設(shè)計(jì)、ToF圖像傳感器、固態(tài)激光雷達(dá)、高速低功耗硅光電路(Silicon Photonics)設(shè)計(jì)和制造,在光電集成電路和硅光電子設(shè)計(jì)和制造行業(yè)具有豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。李成博士在集成電路的頂級(jí)會(huì)議ISSCC和頂級(jí)期刊JSSCC有多篇一作論文發(fā)表。累計(jì)發(fā)表集成電路論文80余篇和國際專利20余項(xiàng),引用800余次。

本次發(fā)布的單光子檢測(cè)激光測(cè)距及三維成像系列芯片(單點(diǎn)、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(shí)間的激光測(cè)距方法,為市場(chǎng)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(dú)特的ToF采集和處理技術(shù),芯視界首發(fā)的激光測(cè)距及三維成像芯片的具有性能方面的巨大優(yōu)勢(shì)。

其中,單點(diǎn)測(cè)距芯片VI4300系列實(shí)現(xiàn)了從0.1米到200米的全量程高精度測(cè)試,將此前的同類型測(cè)距芯片測(cè)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(cè)量。VI4300系列芯片在測(cè)距領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用:例如近距離的掃地機(jī)LDS模組,攝像頭激光對(duì)焦模組;中距離的手持測(cè)距儀模組,AGV防碰撞模組,車道檢測(cè)模組;遠(yuǎn)距離的自動(dòng)駕駛車輛激光雷達(dá)等。

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

另外,此次芯視界還獨(dú)家發(fā)布了兩款全集成的面陣單光子的TOF芯片(型號(hào):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?;赩I3810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(yàn)收。同時(shí)芯視界的面陣芯片在人臉識(shí)別、活體檢測(cè)、手機(jī)AR、安防、生物檢測(cè)等方向都有著廣泛的應(yīng)用前景。

芯片型號(hào)VI4300VI3801VI4802
分辨率單點(diǎn)輸出32*32256*64/64*32
測(cè)距范圍(m)0.1-2000.1-600.1-60
測(cè)量頻率(Hz)1-20k3030
測(cè)距精度<1%<1%<1%
接口SPISPISPI
距離分辨率1.5cm0.75cm0.75cm

表 1 芯視界TOF芯片參數(shù)


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