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)布了全球領(lǐng)先的基于單光子檢測(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)用性上處于世界領(lǐng)先地位。該公司成立于2018年5月，公司擁有領(lǐng)先世界的光電轉(zhuǎn)換器件設(shè)計(jì)和單光子檢測(cè)成像技術(shù)，主營(yíng)ToF三維圖像傳感芯片和大數(shù)據(jù)中心超高速光電互聯(lián)芯片解決方案。該公司研發(fā)的芯片產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于汽車輔助/自動(dòng)駕駛、機(jī)器人定位導(dǎo)航、手機(jī)三維成像、空間環(huán)境測(cè)繪、安保安防等領(lǐng)域，為整機(jī)廠商和模組廠商提供測(cè)距和三維成像的芯片級(jí)解決方案。

芯視界在激光雷達(dá)芯片領(lǐng)域的主要競(jìng)爭(zhēng)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(jiǎn)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?a href="http://www.socialnewsupdate.com/soft/data/4-10/" target="_blank">控制電路、抗陽光背景光算法及內(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。基于大規(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)距的世界領(lǐng)先水平。

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(guó)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)用性上處于世界領(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(guó)Texas A&M University數(shù)模混合集成電路專業(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(guó)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)模混合SerDes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(guó)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)性均做到了全球的領(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。基于VI3810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，擬運(yùn)用于空間航天器對(duì)接。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。

表1：芯視界TOF芯片參數(shù)