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技术|芯辉科技：打造一站式dToF激光雷达芯片化解决方案


技术|芯辉科技：打造一站式dToF激光雷达芯片化解决方案
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自被引入自动驾驶系统 ， 成为无人车安全行驶必备的三维视觉传感器至今 ， 基于直接飞行时间（dToF）技术的激光雷达（LiDAR）已从单一的电机旋转扫描式发展出多种体制 ， 如旋转棱镜、MEMS振镜、Flash阵列等 。 每一款商用化LiDAR产品的推出 ， 都推动着其向更小体积、更低成本、更易量产的方向发展 。
目前LiDAR产品的演进 ， 主要是由光学系统的精密化来推动的 ， 而光电传感器、激光驱动器、前端接收电路、后端处理芯片等均没有太大变化 ， 若无法使这些关键电路达到更高的集成度、更全面的功能、更高的性能 ， 激光雷达的发展将会进入显而易见的瓶颈期 。 传统旋转扫描式和MEMS振镜式LiDAR受到前端光电探测器及其接收电路在集成度和性能等方面的限制 ， 其空间分辨率和灵敏度难以提升 ， 对探测小体积和远距离的目标物常常力有不逮 。
单光子雪崩二极管（SPAD）传感器、垂直腔面发射激光器（VCSEL）、高低压数模混合集成电路等技术的发展为LiDAR带来了更多的可能性和更广阔的应用空间 。 基于VCSEL和SPAD阵列的dToF技术是公认的实现小型化、低成本、易量产LiDAR的一条重要路径 。
在出射光源受到人眼安全、功耗等条件限制时 ， 远距离目标物反射回LiDAR接收系统的光强会随着距离的增加急剧减弱 ， 甚至被弱化至单个光子的级别 。 而正如其名称 ， SPAD是一种可以被弱光触发的光电二极管 ， 同时具有体积小、灵敏度高等特点 ， 可以与后端处理电路一同被集成在单颗芯片上 ， 实现多像素3D图像传感器 ， 使得基于SPAD的探测芯片可广泛适用于移动终端、智能家居、智慧交通、工业机器人以及自动驾驶等领域 。 苹果公司即在今年初发布的2020款iPad Pro上搭载了基于SPAD阵列的dToF传感器 。 相比于智能手机上常用的间接飞行时间（iToF）传感器 ， dToF具有灵敏度高、测量距离远、功耗低、抗多路径干扰强等优点 。
据麦姆斯咨询报道 ， 针对移动设备远距离三维感知的需求 ， 宁波芯辉科技有限公司（以下简称「芯辉科技」）近日发布了基于dToF探测的XHS301芯片 ， 该芯片采用其行业领先的dToF单光子探测技术 ， XHS301为32 x 32 x 4分辨率、超30fps的刷新率 ， 在单芯片上实现了核心感光器件SPAD阵列及精准测距电路、多种测距精度优化和抗背景光干扰算法的高度集成 ， 内置经低功耗优化的专用数字处理算法（DSP）和图像处理算法（ISP） ， 可以在不超过200mW的整体超低功耗下实现超15米的远距离高精度探测 。
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图1 XHS301芯片照片
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图2 XHS301样机
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【技术|芯辉科技：打造一站式dToF激光雷达芯片化解决方案】

图3 XHS301探测的点云图
“芯辉团队主要成员均为国内的博士和硕士 ， 从2014年开始专注于芯片化激光雷达技术研究 ， 最新SPAD芯片的成功开发表明 ， 芯辉团队的技术水平完全不输于国外最先进水平 。 在今年下半年 ， 我们还将推出QVGA分辨率的dToF SPAD探测芯片 ， 更贴近增强现实（AR）、智能家居等市场的应用需求 。 ”「芯辉科技」联合创始人兼CTO刘马良博士介绍说 ， “同时 ， 我们相信传统旋转式和MEMS式LiDAR不会立刻被淘汰 ， 更高性能和更高集成度的前端模拟芯片将有效提升旋转式和MEMS振镜式LiDAR的视场角、空间分辨率和距离精度 ， 大幅缩小LiDAR的成本和体积 ， 为LiDAR打开更广泛的应用场景和市场空间 。 未来芯辉将向市场提供含有传感器芯片、激光器驱动芯片、自动化标定系统及三维图像算法的一站式解决方案 。 ”


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