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芯视界首发全球领先单光子检测激光测距ToF芯片

2019-08-22
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随着人工智能开始走向应用,在手机终端、智能家居、工业机器人以及未来无人驾驶等领域的逐步普及,未来智能终端对真实环境的准确感知变得尤为重要。作为机器三维视觉的重要传感器,基于激光脉冲飞行时间(Time-of-Flight)的三维图像传感器(ToF Image Sensor)相比较传统的二维图像传感器(CMOS Image Sensor)提供额外维度的感知,赋予智能终端更加精确高效的环境场景捕捉能力。


然而,目前基于脉冲飞行时间的ToF测距三维成像成本居高不下,成为了制约人工智能发展的一个障碍。典型的案例就是目前用于无人驾驶的激光雷达。同样是基于ToF激光测距原理,但是由于分离芯片和器件的设计方式,64线的测距激光雷达将大量的分离器件和芯片拥挤在一个狭小的腔体空间,难以解决成本、功耗、散热和稳定可靠性的诸多量产难题。


针对当前的行业痛点,芯视界发布了全球领先的基于单光子检测的激光测距ToF芯片。该芯片在低成本CMOS工艺上实现了超高灵敏度、高分辨率单光子检测阵列,集成了自主研发的超高精度测距电路和抗干扰数字算法。相比较于目前修改CMOS像素图像传感器而实现的间接ToF三维测距,基于单光子像素(SPAD)阵列的直接ToF拥有超高的光电探测灵敏度,实现低激光功率下的远距离探测,降低整体系统的功耗和成本。


南京芯视界在单光子测距技术和实用性上处于世界领先地位。该公司成立于2018年5月,公司拥有领先世界的光电转换器件设计和单光子检测成像技术,主营ToF三维图像传感芯片和大数据中心超高速光电互联芯片解决方案。该公司研发的芯片产品可广泛应用于汽车辅助/自动驾驶、机器人定位导航、手机三维成像、空间环境测绘、安保安防等领域,为整机厂商和模组厂商提供测距和三维成像的芯片级解决方案。

芯视界在激光雷达芯片领域的主要竞争优势有:


  • 1.基于低成本CMOS工艺的SPAD单光子探测阵列芯片,性价比高。芯片采用直接TOF的探测方式,相对于间接TOF或相干光方式,具有功耗低、系统简单、探测距离远、精度高等优势。


  • 2.单光子检测新技术大幅提升了接收器的灵敏度,发送端的激光器数量和功率大幅降低。


  • 3.接收端自主设计全集成接收芯片,集成了单光子检测阵列、单光子像素数模混合控制电路、抗阳光背景光算法及内存和高速接口,整体成本大幅降低。

  • 4.公司核心团队在光电集成电路和硅光领域具有超过十年的行业经验,保证了产品的设计和生产效率。


激光测距三维成像技术是当前机器视觉领域的研究热点,通过发射激光束探测目标,利用反射光获取点云数据,经成像处理后就可得到精确的三维立体图像,测距精度可达厘米级,具有精准度高、作业速度快和效率高等优势,在汽车辅助/自动驾驶、AR/VR、机器人三维视觉定位导航、空间环境测绘、安保安防等领域有重要应用前景。


激光测距的工作原理类似于传统的雷达波装置。激光器发送激光信号照射到目标物体后,反射光信号被接收器收集。通过测量光信号在空中的往返飞行时间(Time-of-Flight),从而测量出精确的物理距离。目前基本有两种测量方式。


  • 第一种,发送端使用激光窄脉冲照射目标物体,接收端用时间到数字转换器(Time-to-digital converter),即TDC,直接测量激光脉冲在空中的飞行时间,即直接TOF测距(Direct-ToF)。


  • 第二种,发送端采用连续光正弦或者方波调制,接收端根据调制光在往返过程中产生的相位偏移对调制信号周期的比例间接计算出光信号的飞行时间,即间接ToF测距(Indirect-ToF)。

根据光速恒定原理,两种方式都可以计算出目标物体的精确距离。其中第一种方式由于其高信噪比、高精度、大动态范围、抗多路径干扰等优势,配合单光子探测器件的超高灵敏度探测,非常适合微弱光条件下的远距离探测,为激光测距和三维探测成像提供超高灵敏度,低功耗解决方案。

图1:直接ToF与间接ToF测量原理图

当前的激光测距及成像系统由于成本高、体积大、集成度低等因素,限制了其在消费级市场的应用,业界期待硅光技术的发展能够带来激光测距技术的革命性变革。基于大规模单光子检测阵列的集成一直是个难题。目前,业界主流的方案还是采用分立元器件来搭建激光雷达系统,这类系统结构复杂,所采用的APD传感器光电转换电流较低,会导致在多线数的时候有串扰问题,不容易做大线数,同时多级放大元器件增多,成本居高不下,较难实现大规模量产商用(图2)。分离器件方案的另外一个问题是由于目标物体不同反射率导致的测量误差较大,甚至可以到达几十厘米,需要耗费资源的算法矫正。芯视界基于单光子探测的单芯片解决方案(如图3),可以做到不同反射率目标物体的极限测量误差小于1cm,处于激光测距的世界领先水平。

图2:传统激光脉冲直接测距(D-ToF)分离器件芯片组方案
图3:芯视界单光子直接测距单芯片解决方案

芯视界依靠以李成博士为核心的具有超过15年从业经验的一批国内外资深技术专家深厚的技术积累,基于CMOS工艺实现了高灵敏度、高分辨率单光子检测阵列的芯片化设计,同时在芯片上集成了自主研发的超高精度测距电路和抗背景光干扰数字算法,解决了单光子器件对阳光背景光敏感的难题。配合芯片内的测距算法电路和片上内存,完美的实现了低成本、低功耗、高性能的测距任务。并且实现晶圆级大规模商用量产,在技术和实用性上处于世界领先地位。

芯视界创始人李成博士本科毕业于东南大学无线电系,于美国Texas A&M University数模混合集成电路专业获得电子工程博士学位。李成博士拥有丰富的研发经验与管理经验,曾任美国硅光子制造协会(AIM Photonics)委员、硅谷惠普实验室主任科学家,担任多个IEEE集成电路会议和期刊的评审委员。主要研究方向包括CMOS超高速数模混合SerDes设计、ToF图像传感器、固态激光雷达、高速低功耗硅光电路(Silicon Photonics)设计和制造,在光电集成电路和硅光电子设计和制造行业具有丰富的理论和实践经验。李成博士在集成电路的顶级会议ISSCC和顶级期刊JSSCC有多篇一作论文发表。累计发表集成电路论文80余篇和国际专利20余项,引用800余次。

本次发布的单光子检测激光测距及三维成像系列芯片(单点、面阵32x32单光子像素、面阵256x64单光子像素等规格)基于直接飞行时间的激光测距方法,为市场上的微型ToF传感提供了一站式的解决方案,凭借自主研发的SPAD(单光子雪崩二极管)和独特的ToF采集和处理技术,芯视界首发的激光测距及三维成像芯片的具有性能方面的巨大优势。

其中,单点测距芯片VI4300系列实现了从0.1米到200米的全量程高精度测试,将此前的同类型测距芯片测距范围提升了100倍。并且可以抵抗100 KLux的环境光干扰,从而适用于室外阳光环境中的测量。VI4300系列芯片在测距领域有着广泛的应用:例如近距离的扫地机LDS模组,摄像头激光对焦模组;中距离的手持测距仪模组,AGV防碰撞模组,车道检测模组;远距离的自动驾驶车辆激光雷达等。

以业内关注的自动驾驶激光雷达为例,较于摄像头等传感器,基于VI4300单点测距芯片的激光雷达系统除了能够生成三维位置模型之外,还具有更远的的探测距离、更高的测量精度、更快的响应速度,同时还不受环境光的影响。可以说,VI4300单点测距芯片给激光雷达提供了极佳的芯片解决方案。


另外,此次芯视界还独家发布了两款全集成的面阵单光子的TOF芯片(型号:VI3810和VI4320),在芯片的性能、易用性、量产性均做到了全球的领先。面阵TOF芯片在空间感知和三维建模等方向也有着广泛的应用。基于VI3810芯片,芯视界与中电27所合作开发的32*32像素面阵模组已经通过验收,拟运用于空间航天器对接。同时芯视界的面阵芯片在人脸识别、活体检测、手机AR、安防、生物检测等方向都有着广泛的应用前景。

表1:芯视界TOF芯片参数


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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