dTOF芯片的可靠性需要做哪些项目？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-06-02 02:33 标签： 芯片质量与可靠性

散斑直接飞行时间（Spot dToF）系统，区别于普通的Flash dToF系统，其投射出的激光，并非闪光灯式的均匀光，而是由多束不同出射角的激光束组成。激光束照射到物体上会形成规则的光斑阵列（Spot Array），部分返回并被接收端的单光子雪崩二极管（SPAD）阵列接收，通过记录光子往返的飞行时间，从而计算出每个Spot所在位置的深度。Spot dToF系统在信号质量、测距范围、点云密度、功耗和芯片电路设计之间，取得了最佳的平衡，将是AR/VR系统不可或缺的硬件支撑之一。

继苹果（Apple）公司的激光雷达扫描仪（LiDAR Scanner）技术之后，惚恍微近日发布了自研Spot dToF系统，为国内首发。该系统的单帧点云数量为576，SPAD阵列的像素分辨率为120 × 120，点云深度精度约3mm，在相同的激光功率下，其深度数据的SNR有10×以上的提升。

2020年3月，苹果公司发布了黑科技LiDAR Scanner，搭载在iPad Pro平板电脑上，来支撑其增强现实（AR）愿景以及改善相机拍照效果，一经发布，就成为了业界的标杆。LiDAR Scanner创造性地将Spot投射技术，与基于SPAD阵列的dToF技术相结合，破解了高分辨率SPAD阵列功耗的难题，同时能提供高精度、高空间分辨率、中远距离的稀疏点云，很好地满足了AR系统的需求。

据麦姆斯咨询报道，近日，上海惚恍微电子发布了其自研Spot dToF系统，代号为Polarstar，能够在空间中均匀地投射出576个光斑，并获取这些激光光斑在物体反射位置的深度信息，形成高质量的点云图。该Spot dToF系统模组实物如图1所示，主要由发射端（Tx）和接收端（Rx）构成，左侧方形部件为散斑投射器（Spot Projector），主要由4 × 16的点阵垂直腔面发射激光器（VCSEL）芯片、准直镜和3 × 3复制系数的光学衍射元件（DOE）组成，其投射的940nm激光光斑图案，如图2所示，为均匀排布的576个光斑，每相邻最近的3个Spot构成一个等边三角形。接收端Rx的SPAD传感器型号为HHC0101，这是惚恍微先前发布的一款120 × 120分辨率的自研SPAD阵列，光学靶面1/3英寸。详见： 惚恍微SPAD HDR成像

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为了评价HHC0101的基础3D成像效果，接收端Rx搭配常规的Flash均匀激光光源，对玩具小车进行了成像，并用点云图进行展示，如图3所示。在深度伪彩色的标记下，可以清楚的看到小车各个部件的深度信息，其中车厢平面的点云精度约为3mm（统计STD值），点云分辨率为120 × 120。

图3 拍摄场景，以及搭配普通的Flash激光照明的120 × 120分辨率点云图。a) 被拍摄物体照片。b) 搭配常规Flash均匀激光投射器拍摄的3D点云图，分辨率为120 × 120，正面视角。c) 侧面视角，清晰的看到小车各个部件在Z轴（深度）方向上的分布

Polarstar Spot dToF模组实测效果如图4所示，为了更好的展示，将稀疏的Spot点云与场景的灰度图进行了融合，并做了简单的网格（Mesh）划分。其中灰度图是在红外补光灯的照明下，关闭Spot Projector，打开接收端Rx所拍摄。

在单个Spot覆盖了多个SPAD像素的情况下，如何准确找到Spot的中心位置？惚恍微开发了Spot寻址算法，利用了dToF直方图所包含的强度信息，能够准确定位Spot中心对应的像素。

对比Spot中心像素与搭配常规Flash激光工作像素的原始直方图，发现在激光功率大致相同的情况下，Spot中心像素的直方图峰值是Flash模式下的10倍以上，这得益于Spot模式下，激光能量得到了聚焦。因此，Spot dToF在激光功率受限的情况下，可获得高信噪比的点云，达到5m的测距范围，并且抗阳光干扰能力出色。

图4 Polarstar模组拍摄的点云图，与场景灰度图进行了融合和简单网格划分，并用伪彩色标记Z轴深度

Spot dToF系统由于激光光斑能量集中，具有信噪比高、测距远、抗阳光干扰等优势。其稀疏的高质量点云，可以为AR设备的环境感测系统提供可靠的“锚点”，对即时定位与地图构建（SLAM）、Mesh等基础功能模块有着重要作用。通过AR设备的移动扫描，配合摄像头以及惯性测量单元（IMU）传感器，以及多传感器融合算法，稀疏的点云将变得足够的稠密。

Spot dToF系统同样可用于车载激光雷达，尤其适合中、近距离的补盲雷达。在机器人领域，Spot dToF系统可靠的点云锚点，能够大幅度改善定位、导航系统的鲁棒性。

Spot dToF系统对SPAD阵列的要求大大提高了，要求Sensor必须变得非常智能，比如，能够实时追踪Spot在SPAD面阵上的移动，开启Spot覆盖的特定SPAD像素，并将附近的TDC电路配置给被点亮的像素群。因此芯片的架构需要大幅度的调整，存在巨大的创新空间。

据悉，惚恍微是国内为数不多有Spot dToF芯片研发能力的公司，Polarstar模组为国内首发。在研发过程中，积累了关于Spot dToF系统的宝贵Know-how，并计划在下一颗SPAD阵列芯片内合入优化设计，包括片上Spot寻址算法、TDC的动态分配、直方图压缩、动态打光控制等关键技术，追求更加智能和更低的功耗。

Polarstar模组中所用dToF专用 Laser Driver，来自 光梓科技，具有驱动功率高，脉冲窄等特点。Driver产生的 脉冲可窄至数百ps，远优于常规Driver的1~2ns，对dToF系统的测距精度有明显提升。

光源部分，采用了 纵慧的一款为Spot dToF系统设计的 4 x 16点阵排布的 VCSEL芯片，该芯片具备单点输出光功率高，能效比高的特点，很好地满足了系统的设计要求。

模组方案，由惚恍微与 欧菲OMS联合设计。

惚恍微电子成立于2021年初，位于上海张江，致力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。公司创始人毕业于清华大学，分别在sensor设计公司和华为各工作多年，积累了从芯片设计到消费电子终端产品的上下游产业经验。公司团队的其他成员也来自于国内外半导体公司和业界Top终端大厂，同样具有多年从事芯片设计和camera设计的经验；公司现有研发人员40+，其中博士超过1/3，硕士博士总比例超过90%，未来一年规划建立100人以上的研发团队。

近日，惚恍微发布自研的Spot dToF（散斑直接飞行时间）系统，为国内首发。

Spot dToF是目前市场上热门、前沿的3DLidar Scanner方案，最开始是由苹果公司iPad Pro 2020款带火。在这款设备的后置摄像头模组中，苹果正是采用了Spot dToF技术。它是两种先进技术的结合，包括Spot投射技术和基于SPAD阵列的dToF技术。
我们通过翻看一份名为《一种激光散斑投射ToF深度感知方法及装置》的专利能够看到，相较于传统的ToF系统，最大的区别在于发射端，需要有一个散斑编码投射器，然后反射回来的光信息还是由ToF接收镜头接收，并经过混合解码器来处理，最终得到不同距离的高精度信息。
根据报道，在惚恍微的Spot dToF系统模组中，发射端的散斑投射器由4×16的点阵垂直腔面发射激光器（VCSEL）芯片、准直镜和3×3复制系数的光学衍射元件（DOE）组成，其投射的940nm激光光斑图案，为均匀排布的576个光斑，每相邻最近的3个Spot构成一个等边三角形。
Spot技术在半导体光刻、摄像和汽车大灯控制等领域都有应用，比如在汽车大灯控制方面，有Spot Lighting 聚光投射技术，可以协助驾驶人聚焦在前方路上的行人、骑士、动物等。
Spot dToF技术里另一个关键要素是SPAD dToF技术，这是一种3D深度传感技术。SPAD dToF一般是SPAD+TDC组合，也就是一个高速的光电探测器和高精度的时间数字转换电路配合，其原理是高偏置，深势阱的结构可诱发单光子产生雪崩电流，并不存在光电子积累的过程，其测量精度受光噪声的影响比较小。
我们看到索尼和国内的灵光电子都曾发布过SPAD dToF芯片产品，其中索尼IMX459芯片利用在CMOS图像传感器开发过程中创造的背照式像素结构、堆叠结构和Cu-Cu连接等技术，成功地构建了一种将SPAD像素和测距处理电路封装在单个芯片的独特元器件结构，可进行高精度、高速度的距离测量，支持应用于高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶（AD）系统。
灵光电子则是发布过240 x 160像素的SPAD dToF图像传感器，该公司通过3D堆叠技术解决了单光子计数（TCSPC）方案在SPAD和精确的时间数字转换器（TDC）之间进行大量的连接线导致布线困难的问题，实现了更高的SPAD光子检测效率（PDE）、更高的分辨率、更低的功耗以及更好的综合性能。
惚恍微的SPAD阵列的像素分辨率为120 × 120，点云深度精度约3mm，在相同的激光功率下，其深度数据的SNR有10×以上的提升。
通过Spot散斑投射技术发射更多的光脉冲信息，再通过SPAD接受系统进行接收和数据处理，得到一张物体点云分布的直方图，上面的数据量显然比传统的探测器要多得多，便可以对场景进行更好地识别，这也是为什么苹果会将Spot dToF带入到消费电子领域，并且很可能在后续的产品设计中继续使用。
据悉，惚恍微是国内为数不多有Spot dToF芯片研发能力的公司，Polarstar模组为国内首发，这得益于该公司在该领域深厚的技术积累。虽然该公司2021年年初才刚刚成立，但今年以来已经陆续发布了首款SPAD芯片以及我们今天讲到的Spot dToF系统。
惚恍微曾在产品发布新闻中提到，惚恍微通过搭建基于HHC0101的成像系统Demo，积累了关于SPAD成像的宝贵Knowhow，并计划在下一颗芯片中合入优化设计，包括小像素、分辨率、DCR、DeadTime、PRNU以及时序控制等，进一步提升SPAD面阵的成像能力。随着Spot dToF系统的发布，惚恍微无疑做到了这一点。
当前，为了解决拍摄、支付、解锁等应用场景中的问题，安卓智能手机正紧随苹果的脚步布局dToF，正如文中提到的，dToF的方式不止一种，加入不同的技术就会有不一样的效果，随着各手机厂对AR/VR的探索，预计Spot dToF系统会有更大的施展空间，进一步提升用户体验。

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