灵明光子：布局世界前沿dToF技术，打造未来数字世界“慧眼”
2021-09-30 13:27:47 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
基于对3D视觉市场具体需求的深刻理解，灵明光子打造出三款拳拳到肉的SPAD产品：硅光倍增管（SiPM）、有限点dToF芯片及模组、单光子成像阵列（SPADIS）及dToF模组。
据麦姆斯咨询报道，ToF（飞行时间）技术已成为3D视觉产业界所熟悉的技术，主要分为iToF（间接飞行时间）和dToF（直接飞行时间）两大“流派”。相比之下，iToF的手机应用先行一步，但实际外界环境复杂多变，会存在大量干扰和噪声，iToF技术面临着“多径干扰，飞行像素、精度随测量距离下降”等诸多挑战。而dToF技术产生的误差在正常工作范围内不随距离变化，受多径干扰影响小，功耗更低，所以苹果手机（iPhone）选用了dToF“流派”。但是，安卓阵营的dToF技术还面临着较多的难题，既包括器件物理层面，也涵盖电路设计和制造工艺方面的问题，因此全球能够将dToF技术产品化的公司非常稀缺。
2021年9月16日至17日，由麦姆斯咨询主办的『第三十一届“微言大义”研讨会：3D视觉技术及应用』在第23届中国国际光电博览会（2021 CIOE）同期举办。灵明光子联合创始人、董事长兼首席执行官臧凯博士发表了精彩演讲，他就灵明光子如何用其掌握的世界前沿dToF技术占领未来千亿美金的3D视觉市场先机，以及如何布局dToF产品形态等内容，与在场观众进行了分享和交流！
灵明光子联合创始人、董事长兼首席执行官臧凯博士阐述公司三大产品线
精确定义dToF产品形态
演讲伊始，臧凯博士表示，未来的数字化世界不仅需要图像的RGB（色彩）信息，还需要深度（三维）信息。正是看好3D视觉赛道未来有望达到千亿美金的巨大市场，四位名校海归博士于2018年5月共同创立了灵明光子，致力于用国际领先的单光子探测器（SPAD）技术为智能手机、车载激光雷达、机器人、虚拟现实和增强现实（VR/AR）设备等应用提供自主研发的高性能dToF深度传感器芯片。
基于光学原理的深度传感器可分为：双目/多目、结构光、iToF和dToF。臧凯博士分析了iToF和dToF的优劣势：iToF的像素更小，分辨率更高，但易受多路径信号干扰，因此在某些场景中测距结果严重受到干扰影响。而这正是dToF技术的优势所在：在正常工作范围内不随距离变化，受多径干扰的影响小，不过dToF技术的数据计算量非常大，因此对分辨率要求高的dToF传感器采用3D堆叠（集成SPAD芯片和逻辑电路）架构更为合适。
灵明光子的dToF技术基于SPAD探测器。每一个SPAD接收到光信号时，则输出一个定幅脉冲；用一组激光脉冲进行测距，SPAD接收信号也为一组脉冲，每个脉冲的产生时刻被称为时间戳（time-stamp）；根据接收信号时间戳生成的统计直方图信息即可获得探测目标对应的飞行时间（峰值位置）。基于单个SPAD的工作原理，灵明光子根据不同应用需求定义了两种产品形态：（1）SiPM（硅光倍增管，也称为多像素光子计数器，MPPC）；（2）SPADIS（SPAD面阵，基于TCSPC时间相关光子计数法），分别针对：（1）因探测对象移动速度较快、无法等待几千上万次回波信息、像素尺寸大、成像能力弱的汽车激光雷达和测距仪；（2）探测对象移动速度相对较慢、像素尺寸小、面阵成像需求高的3D摄像头和超高动态范围（UHDR）摄像头。
灵明光子dToF技术产品形态
臧凯博士还从dToF技术的主要3D视觉功能：测距、定位和建模三个方面分析了应用形态的演进趋势。他表示，未来单点测距将向散点/区块测距演进，面阵成像将向扫描成像演进。
dToF技术的应用形态
紧盯市场需求，打造拳拳到肉的SPAD产品
基于对3D视觉市场具体需求的深刻理解，灵明光子打造出三款拳拳到肉的SPAD产品：硅光倍增管（SiPM）、有限点dToF芯片及模组、单光子成像阵列（SPADIS）及dToF模组。
灵明光子的三大产品线
（1）硅光倍增管（SiPM）：主要以单点和1 x 16线阵形态提供。灵明光子最新一代量产型P5-D系列硅光子倍增管采用了光子捕捉、微透镜和背照（BSI）技术，在905nm波段拥有全球最高的25-30%的光子探测效率（PDE），以及领先业内竞品的恢复时间，暗噪声（Dark Count Rate）、串扰（Crosstalk）等性能参数，温度特性得到了突破性提升（30 mV/℃）。搭载灵眀光子第五代SiPM的距离传感器Kareco M1，室外最远测距达20 m（10%反射率），整体功耗小于100 mW，体积为18 x 16 x 5 mm³，采样率超过240 pps，最高工作温度达80℃（搭载温度校准），全距离精准度误差控制在±2 cm内。目前，Kareco M1已完成试量产，主要面向无人机、小型机器人避障等对传感器体积有较高要求的应用。
灵明光子SiPM性能展示
搭载灵眀光子第五代SiPM的距离传感器Kareco M1
（2）高性能有限点dToF芯片及模组：灵明光子新推出一款集成型单点测距dToF芯片AI11BA，并与神盾一起推出dToF测距产品。测量范围远达5m, 精度高达+/-1cm。集成高灵敏度的单光子雪崩传感器阵列和激光驱动电路,模组集成了高效率红外VCSEL单元。产品采用单3V供电模式无需外接时钟或高压供电。产品内置十多种针对dToF的信号处理的可专利算法和灵活的帧率、量程、精度选择，可同时输出三个目标的距离亮度和置信度数值，提供I2C或高速SPI接口。适用于手机相机对焦、接近检测、智能家居、智能工业物联等多种应用场合。
灵明光子与神盾联合推出的高性能有限点dToF模组AI11BA系列
（3）单光子成像阵列（SPADIS）及dToF模组：灵明光子推出一款面向消费电子和机器人应用的dToF成像芯片ADS3000，并与欧菲光一起推出dToF成像模组。该产品采用了由灵明光子研发的国内首款3D堆叠SPADIS芯片，基于世界领先的3D堆叠技术（Cu-Cu Hybrid bonding)。ADS3000系列拥有240 x 160个感光单元，能同时输出每秒最高2,304,000个点云数据，最远探测距离达到20 m，帧率为20~80 FPS。在会上，臧凯博士向观众展示了3D堆叠SPADIS芯片在3D人脸识别和室内场景建模的实测效果，可以看到这款产品能清晰地还原人脸细节（如头发等低反射率细节，效果媲美当前主流的结构光方案）和室内不同反射率物体细节。随后，他展示了与纵慧芯光合作推出的室内Flash（闪光）激光雷达成像效果，发射端由纵慧芯光提供940 nm、200 W峰值光功率、纳秒级脉宽的VCSEL（垂直腔面发射激光器），探测端由灵明光子提供3D堆叠SPADIS芯片ADS3003，目前视场角达到60° x 45°，室内探测距离可达40 m。
灵明光子ADS3000系列SPADIS芯片，以及与欧菲光合作推出的ADS3000系列dToF成像模组
灵明光子作为去年和今年连续两年“微言大义”研讨会的演讲嘉宾，据麦姆斯咨询观察，他们在这一年里的产品开发取得了实实在在的进展，也因此博得了小米、OPPO、欧菲控股等战略投资方的青睐！灵明光子于今年7月发布的自主研发、采用全球先进背照式3D堆叠工艺技术的dToF单光子成像传感器ADS3003，综合性能已达到了国际一流水平，为3D感知应用提供了划时代的解决方案！我们期待明年的“微言大义”研讨会上，继续见证灵明光子的卓越表现！
延伸阅读：
《激光雷达产业及核心元器件-2020版》