世瞳微电子：基于SPAD的3D传感技术，为机器打造超级视觉
2022-08-16 20:54:59 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
成立至今，世瞳微电子积累了丰富的SPAD相关技术诀窍（Knowhow），并成功推出了首款SPAD面阵芯片、散斑直接飞行时间（Spot dToF）系统等新品，引起业界广泛关注。
微访谈：世瞳微电子首席执行官李强
访谈背景：上海世瞳微电子科技有限公司（简称：世瞳微电子，原名：惚恍微电子）成立于2021年初，总部位于上海张江，专注于设计和开发高精度、低功耗、并具备成本竞争力的SPAD dToF 3D传感芯片。成立至今，世瞳微电子积累了丰富的SPAD相关技术诀窍（Knowhow），并成功推出了首款SPAD面阵芯片、散斑直接飞行时间（Spot dToF）系统等新品，引起业界广泛关注。近期，麦姆斯咨询采访了世瞳微电子首席执行官（CEO）李强先生，带领大家深入了解世瞳微电子在3D传感及成像领域的布局和展望。
关于世瞳微电子更名：2022年6月，公司正式更名世瞳（上海）微电子科技有限公司，原名上海惚恍微电子科技有限公司。
世瞳微电子首席执行官李强
麦姆斯咨询：李总，您好，感谢您接受麦姆斯咨询的采访！首先请您自我介绍一下。
李强：您好，非常感谢提供这个交流机会。我本科毕业于清华大学电子系，研究生毕业于清华大学微电子所，2011年毕业后加入了格科微，做了5年的图像传感器像素（Pixel）设计，2016年加入华为终端，一直负责华为手机旗舰机所有图像传感器的定制工作。到了2021年，决心自己做芯片，方向是机器视觉类的图像传感器，致力于做好机器/AI的眼睛。
麦姆斯咨询：接下来，请您介绍世瞳微电子公司基本情况、发展愿景及核心团队成员背景。
李强：经过一年多的发展，我们到岗的工程师已经将近50人，各个岗位已配置齐全，都在上海张江。团队的核心成员都来自我的朋友圈、同事、同学，基本上都是业界的精英工程师，主要来自华为终端、海思、格科微、大疆、海尔集成电路、ams等业界知名大厂。
我们的愿景是做机器/AI的眼睛，使物体能够自主移动。当前有个明显的趋势，自主移动机器人将越来越多地进入人们的日常生活，从家用的扫地机，到工厂仓库里的工业机器人，再到自动驾驶汽车，这些都需要可靠的3D环境感知能力。AR/VR设备虽然不需要自主移动，但也需要对3D物理世界进行准确感知。
麦姆斯咨询：近些年，国内3D传感领域百花齐放，世瞳微电子作为一家初创公司，在竞争激烈的市场环境下，如何突围而出？
李强：主要还是靠团队。团队的几个核心位置都是顶配，我们有业界少有的SPAD dToF科班出身的架构师，我们有多位多年从事像素开发的高手，在模拟电路和数字电路方面有一批从业10余年的精英工程师，在系统应用方面我们有跟着3D传感行业一起成长起来的一批业界精英，包括器件、算法、光学等。我们团队的背景，决定了我们对3D传感领域有着深入的了解，尤其是对系统、需求端的把握。我们也一直在思考，如何产业化，快速商业落地。
透露一个讯息，我们第一颗单点激光距离传感器芯片已回片，并且一把点亮出图，充分证明了团队的实力和研发水平。在外部资源获取上，在天使投资的帮助下，我们得到了关键Fab的大力支持，在Fab资源稀缺的情况下，这将是我们的优势之一。在客户端，我们非常幸运地获得了很多重要客户的信任和支持，使得我们能够快速朝着商业落地前进。
麦姆斯咨询：2022年1月，在成立不到一年的时间里，世瞳微电子已成功研发并发布首款SPAD面阵芯片。该产品主要性能参数及目标市场如何？
李强：这是一款Proto芯片，分辨率为120 x 120像素，为了节省时间，快速验证技术，接口等模块就省略了。基于这颗芯片，我们做了2个Demo，一个是HDR成像，我们是国内唯一探索SPAD做成像的公司，主要利用SPAD成像天然的宽动态范围和单光子的高灵敏度。这项技术非常适合安防监控领域，应对暗光和高动态场景。另一个是Spot dToF，将激光散斑投射技术和SPAD dToF结合在一起，可以获得高质量的点云图，同时保持很低的功耗。我们也是继苹果之后的国内首发，产品适用于AR/VR设备。
新闻报道回顾：
麦姆斯咨询：相比传统的CMOS图像传感器，您如何看待SPAD图像传感器的优势在2D彩色成像领域的发挥？
李强：主要有两方面优势：（1）单光子灵敏度；（2）天然的高动态范围。传统的CMOS图像传感器（CIS）由于存在读出噪声这一限制，在暗光下始终存在电路噪声，而SPAD的好处在于没有读出噪声这一限制，仅仅受限于SPAD像素本身的暗计数，这一点会随着工艺的不断优化快速减小。关于高动态，CIS由于满阱容量的限制（FWC），单帧的动态范围一般不会超过60-70dB，需要多帧叠加来拓展动态范围，面对动态场景，比如快速移动的汽车，经常会产生“鬼影”，算法不容易处理。SPAD做2D成像，利用的是Quantum Image Sensing原理，动态范围更宽，在我们之前发布的HDR成像demo中，轻松达到了96dB，还可以继续提高。业界标杆Sony最高已经做到了144dB。
SPAD还有个特点，超高的时间分辨能力，可以到100ps这个级别，非常契合某些高端仪器设备需求，比如荧光寿命成像显微镜（FLIM），有望提升2个数量级的拍摄效率。
麦姆斯咨询：2022年5月，世瞳微电子又发布了自研的散斑直接飞行时间（Spot dToF）系统，请问该系统具有哪些创新之处？整合了国内哪些产业链资源？
李强：Spot dToF的主要创新之处在于激光散斑投射技术与SPAD面阵的结合，解决了高分辨率SPAD dToF的功耗问题。激光散斑能量聚焦，信噪比相比Flash有数量级的提升，抗阳光性能也更好。这套系统对SPAD面阵提出了很高的要求，除了小尺寸高感度的SPAD pixel，芯片架构上要实现新的功能，例如根据Spot投射在SPAD面阵上的位置，灵活、准确、实时地开关对应的SPAD pixel以及调用TDC资源。我们之前发布的Demo，有几个关键元器件均来自国内伙伴，VCSEL芯片来自纵慧芯光，dToF专用激光器Driver来自光梓科技。
世瞳微电子Spot dToF系统
麦姆斯咨询：相比机械扫描式及泛光式（Flash）激光雷达，世瞳微电子的Spot dToF系统有哪些优势？在手机和汽车领域的典型应用功能有哪些？
李强：Spot dToF系统非常适合手机、AR/VR眼镜等移动设备，功耗低，又能提供高质量的点云信息，可以作为空间定位和重建的锚点来使用。在汽车领域上，相比于单纯的Flash激光雷达，Spot dToF光斑聚焦的特点有利于提升太阳光的对比强度。
麦姆斯咨询：据悉，世瞳微电子近期还将推出手机和AIoT应用的1D光学测距传感器，能否先透露一些内容？
李强：是的，我们的单点激光距离传感器芯片已经回片，并且一把点亮出图，目前正在做最后的效果调优。这颗1D ToF传感器的测距距离为4m，精度1~3%，封装紧凑，适合手机对焦、智能家居等各种IoT设备的感应操纵。一切顺利的话，今年9月光博会期间就会正式发布，并开始给客户送样。
麦姆斯咨询：在技术路线方面，请谈谈世瞳微电子的SPAD面阵芯片在制造工艺、像素阵列、PDE、串扰、动态范围、恢复时间等领域的规划情况？
李强：SPAD dToF技术在过去的几年里，有了很大的进步，这得益于终端创新需求的驱动。我们认为SPAD技术还有很大的创新空间，值得我们去努力探索，参考传统的CMOS图像传感器，花了几十年的时间，达到了现在的高度。
SPAD像素技术，正在往更小的尺寸演进，Sony的商用产品已经做到了10μm，我们目前正在开发10μm的像素，还可以做得更小，正在快速追赶中。目前挑战在于，在像素缩小的同时，保证PDE、DCR、串扰等关键指标不退化，甚至提升。我们已经有了明确的设计思路，用charge focusing结构、红外增强微结构、金属DTI等，PDE有望达到20~30%@905nm，串扰控制到可以忽略。动态范围主要依赖像素做小和TDC部分的架构创新，恢复时间可以用主动淬灭方式做短，根据具体的系统需求来定义。
麦姆斯咨询：您如何看待国内SPAD传感产业成熟度？薄弱环节在哪些方面？
李强：国内的SPAD厂商普遍成立时间较短，相比Sony等头部厂商，在芯片架构、像素设计、具体模块性能上都存在差距，大家在奋力追赶中。另外，对国内Fab来说，SPAD还是很新的一个技术，工艺方面还需要开发和积累。
麦姆斯咨询：索尼已经推出集成人工智能（AI）的CMOS图像传感器，您如何看待AI与SPAD图像传感器的结合及未来应用前景？
李强：先进工艺、3D stack技术以及AI技术本身的快速发展，使得AI CIS的构想成为可能。这一套同样适用于SPAD传感器，在短期内可以预见到的是，AI可以处理SPAD的直方图数据，比传统算法更准确，尤其是在直方图受到背景光强干扰的时候。
麦姆斯咨询：国内安卓（Android）手机阵营在3D传感领域进展不如苹果公司，主要原因在哪？世瞳微电子为此做了哪些工作？
李强：AR技术的研发充满挑战，当前技术拼图还不完整，无论是操作系统、芯片、显示、续航、各种传感技术，都是一块块硬骨头。强如苹果，他们的AR/VR眼镜也一再推迟，国内的AR终端公司也在大力投入，还需要时间。
世瞳微电子作为元器件厂商，也一直在为此做准备，我们发布了一款120 x 120分辨率的SPAD面阵，基于此搭建了一套Spot dToF系统，目标市场就是手机、智能眼镜等AR/VR设备。我们会持续投入，迭代技术，配合国内的终端厂商做好准备。
麦姆斯咨询：除了手机和汽车两大领域，SPAD在弱光、高速、高计时精度方面的优势还能应用于天文学、生命科学等领域，世瞳微电子是否有规划布局？
李强：我们在设计一款高分辨的SPAD面阵，主要功能是时间分辨成像，非常适合荧光寿命成像显微镜（FLIM）。目前商用的FLIM很多采用PMT加上TDC的方式，单点扫描，效率非常低，拍一张图往往要花费几个小时。SPAD面阵做FLIM成像的效率很高，理论上可以做到视频级帧率。
麦姆斯咨询：在知识产权（尤其是专利）方面，世瞳微电子重点布局了哪些技术领域？
李强：我们申请了一些专利，芯片架构、像素设计以及具体的模块方面都有涉及，比如针对背景光抑制、如何解决多机干扰问题、直方图压缩技术、Spot tracking等方面。
麦姆斯咨询：世瞳微电子后续的融资计划如何？青睐于哪些类型的投资方？
李强：我们正在进行Pre-A融资计划，当前我们比较倾向于能互相协同的投资方，比如手机、汽车行业产投、半导体头部VC等。
麦姆斯咨询：2022年9月，您将参加『第34届“微言大义”研讨会：3D视觉技术及应用』并发表主题演讲，是否可以先剧透一些内容？
李强：非常感谢麦姆斯咨询今年的邀请，让我有机会在本届“微言大义”研讨会上做分享。麦姆斯咨询是一个非常专业的3D传感技术交流平台，本次我将以亲历者的视角回顾整个3D深度传感器商用历程以及其中涌现出来的多个商业机会，并且分析目前整个3D深度传感器的市场现状。
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