日前，由中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會IC設(shè)計分會（ICCAD）、芯原股份、松山湖管委會主辦的主題為“AR/VR/XR×元宇宙”的“2023松山湖中國IC創(chuàng)新高峰論壇”正式在廣東東莞松山湖召開。武漢市聚芯微電子有限責任公司發(fā)布了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的3D dToF圖像傳感器芯片SIF7010。

3D ToF技術(shù)為何更適合AR/VR/MR？

根據(jù)Yole Dévelopment的“2020年度3D成像與傳感”報告顯示，2019年全球3D傳感模塊市場規(guī)模為20億美元，預(yù)計到2025年全球3D模塊市場規(guī)模將增長到81億美元，6年的年復(fù)合增長率超過了26%。Gartner在2019年發(fā)布的新興技術(shù)成熟度曲線中，也指出3D傳感技術(shù)即將進入成熟期。目前3D視覺技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于智能手機、家庭娛樂、AR/VR/MR、智能AGV、智能制造等眾多領(lǐng)域。

目前，主流的3D成像技術(shù)主要有三種，分別是雙目主動立體視覺，結(jié)構(gòu)光和TOF（Time Of Flight，又可分為iToF和dToF）。

從各項技術(shù)優(yōu)缺點來看，雙目成像雖然有著3D成像分辨率高、精度高、抗強光干擾性強、成本低等優(yōu)勢，但是其缺點也非常明顯，比如其算法非常復(fù)雜、容易受到環(huán)境因素干擾、依賴環(huán)境光源、暗光場景表現(xiàn)不佳、模組尺寸相對較大等。因此目前在手機上應(yīng)用相對較少。

3D結(jié)構(gòu)光雖然有效識別距離相對較短，模組結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，成像容易受強光干擾，成本也相對較高，但是其通過一次成像就可以得到深度信息，能耗低、成像分辨率高，非常適合對安全級別要求較高的3D人臉識別、3D人臉支付等方面的應(yīng)用。而且由于2017年蘋果iPhone X的率先應(yīng)用3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的帶動，該技術(shù)目前已經(jīng)非常成熟。

雖然在蘋果的帶動下，之后有不少的旗艦也紛紛采用了前置3D結(jié)構(gòu)光的方案，但是由于結(jié)構(gòu)光在識別距離上的限制，使得結(jié)構(gòu)光在手機上的應(yīng)用，主要局限于前置，主要用作3D人臉識別解鎖、3D人臉識別支付以及3D建模等應(yīng)用，相對來說應(yīng)用面較窄。

相比之下，3D ToF技術(shù)雖然成像精度和深度圖分辨率相比結(jié)構(gòu)光要低一些，功耗較高，但是其優(yōu)勢在于識別距離更遠，可以做到0.4米到5米甚至更遠的中遠距離識別，抗干擾性強，而且FPS刷新率更高，這也使得ToF技術(shù)不僅可以應(yīng)用于3D人臉識別、3D建模等方面，還可適用于SLAM、手勢識別、體感游戲、AR/VR等多方面的應(yīng)用，相比結(jié)構(gòu)光技術(shù)應(yīng)用面更廣。

此外，相比結(jié)構(gòu)光技術(shù)，3D ToF 的模組復(fù)雜度低，堆疊簡單，可以做到非常小巧且堅固耐用且易于集成，因此更適合部署到移動端設(shè)備上，因此也得到手機廠商的青睞。

自2018年下半年開始，不少手機廠商都紛紛開始推出基于后置3D ToF技術(shù)的手機新品，比如OPPO R17 Pro、vivo NEX雙屏版、華為P30 Pro、三星S10 5G版等。不過，這些基本都是基于iToF技術(shù)。

2020年，蘋果率先在其新iPad Pro采用了基于dToF技術(shù)的“雷達掃描儀”，之后發(fā)布的iPhone 12 Pro和iPhone 12 Pro Max也配備了基于dToF技術(shù)的后置的“雷達掃描儀”，進一步加速了dToF技術(shù)的應(yīng)用。

那么iToF和dToF技術(shù)又有何不同呢？

iToF 間接測量飛行時間，其原理為把發(fā)射的光調(diào)制成一定頻率的周期型信號，測量該發(fā)射信號與到達被測量物反射回接收端時的相位差，間接計算出飛行時間。由于 iToF sensor 的 pixel 相對較小，可實現(xiàn)相對高圖像分辨率。但iToF問題在于的測距精度的實現(xiàn)限制了最大測距距離，從原理上看，調(diào)制頻率越高則測距精度越好，高調(diào)制頻率意味著對應(yīng)的測距距離不能太大，并且環(huán)境光會對電路產(chǎn)生干擾。

dToF是直接測量飛行時間，原理為向被測物體發(fā)射光脈沖，通過對反射和發(fā)射光脈沖時間間隔的測量，直接計算待測物體的深度。測距原理使得 dTOF 測量精度不會因距離增大而降低，功耗更低同時對環(huán)境光的抗干擾能力更強。

總結(jié)兩種技術(shù)的優(yōu)缺點來看，iToF具備低成本、較高分辨率優(yōu)勢，但識別距離相對較短，抗干擾性略差；而dToF技術(shù)則具備低功耗、抗干擾強、識別距離遠等優(yōu)勢，適用于對測距精度要求高的較遠距離測距場景。

聚芯微聯(lián)合創(chuàng)始人、CTO孔繁曉也表示，我們看到3D ToF技術(shù)在AR/VR/XR應(yīng)用方面的優(yōu)勢需求，主要的應(yīng)用場景有兩個方向，一個是更精細、更高速的，基于肢體或手勢的識別率的場景，這種場景下希望有更高的分辨率，更精細的識別精度和幀率。另一種是對于混合現(xiàn)實方面，需要對整個空間進行掃描和建模，在這種情況下，可能對距離提出更高的要求。相對于其他3D視覺技術(shù)來說，ToF技術(shù)憑借分辨率及精度適中、識別距離更遠、功耗低、平臺易于集成等特點，更適用于AR/VR/MR設(shè)備所需的SLAM、3D建模等應(yīng)用。

發(fā)布擁有全自主知識產(chǎn)權(quán)的3D dToF芯片

聚芯微作為一家具有較強的3D視覺技術(shù)能力的廠商，不僅能夠提供iToF傳感器，同時也是業(yè)內(nèi)少數(shù)能夠提供高性能dToF圖像傳感器的公司，致力于向業(yè)界提供一站式解決方案。

據(jù)介紹，聚芯微成立于2016年1月，是一家由數(shù)位擁有國際芯片大廠多年從業(yè)經(jīng)驗的歸國學(xué)者成立的技術(shù)領(lǐng)先的芯片設(shè)計公司，專注于高性能模擬與混合信號芯片的開發(fā)?？偛课挥诤蔽錆h，在歐洲設(shè)有研發(fā)中心。目前員工210人，80%為研發(fā)人員，30%擁有海外學(xué)歷學(xué)位和從業(yè)履歷，獲得專業(yè)投資機構(gòu)和OPPO、小米、字節(jié)跳動等產(chǎn)業(yè)資本累計投資過數(shù)億元。

在產(chǎn)品布局方面，聚芯微采取的是音頻、觸感、光學(xué)多產(chǎn)品線并行發(fā)展。其中，音頻產(chǎn)品已實現(xiàn)數(shù)億級別量產(chǎn)；線性馬達驅(qū)動芯片也于2022年全面完成手機市場高中低端產(chǎn)品開發(fā)，解決了目前市場單一供應(yīng)商的行業(yè)痛點。其首款線性馬達驅(qū)動芯片匹配Haptic Core1.0的算法，目前也有被OPPO Find X6系列采用；在先進光學(xué)傳感器方面，聚芯微的ALS only 單光感方案可兼容主流產(chǎn)品，實現(xiàn)光感產(chǎn)品在手機及IoT領(lǐng)域的廣泛布局。其中，環(huán)境光傳感器、多光譜的芯片都已經(jīng)在大規(guī)模出貨。

在3D ToF圖像傳感器芯片方面，聚芯微已經(jīng)推出了國內(nèi)首顆BSI 5um VGA iToF 傳感器，且已獲主流手機客戶訂單并量產(chǎn)。

孔繁曉表示，這款iToF傳感器具有較高的分辨率（5um@VGA）和精度（100klux下<1%）以及抗干擾性，可以達到目前金融支付級人臉識別的要求和標準。并且功耗相比競品低30%，是整個行業(yè)目前功耗最低的iToF傳感器，支持非常靈活的配置模式，同時還有一個相對比較標準化的參考模組設(shè)計，整個模組系統(tǒng)功耗不超過600mW。

△針對典型的大衛(wèi)頭模型的測試，即使在加了100w干擾情況下，整個面部點云還是非常純凈的，擁有較高的成像質(zhì)量和抗干擾性。

△針對戶外的場景，100klux場景下，在4.5米，基于2.5w 940nm激光，整體系統(tǒng)功耗大概是幾百毫瓦的量級，可以用于一些手勢設(shè)備，或者電池方面，是即電式戶外場景的應(yīng)用要求。

據(jù)介紹，這款聚芯微自主知識產(chǎn)權(quán)的iToF傳感器目前已經(jīng)大量出貨，可以應(yīng)用于消費物流、手機、掃地機器人、智慧物流、機器人、無人工廠、軌道交通等應(yīng)用場景。

此次聚芯微還發(fā)布了一款基于完全自主知識產(chǎn)權(quán)的3D dToF圖像傳感器芯片SIF7010。其采用了業(yè)界領(lǐng)先的3D堆棧式工藝，具有小尺寸低成本低功耗優(yōu)勢，可助力影像實現(xiàn)更好的全場景Auto-Focus，背景虛化人像模式，電影模式等，以及助力實現(xiàn)場景建模，河圖-like AR/VR應(yīng)用。

具體來說，SIF7010集成了自研的高PDP的SPAD成像陣列，高性能TDC以及低功耗DSP。

需要指出的是，dToF 深度算法相對簡單，但難點在于用以實現(xiàn)較高精度的 SPAD（單光子雪崩二極管）。dToF 要檢測光脈沖信號（納秒甚至皮秒級），因而對光的敏感度要求會很高，因此接收端通常選擇 SPAD或者 APD（雪崩光電二極管）這類傳感器來實現(xiàn)。但是，APD集成度弱于普通的CMOS 圖像傳感器，像素尺寸一般大于 10μm，從而分辨率通常較差，成本也更高。相比之下，SPAD比APD更敏感，一個光生載流子就能觸發(fā)大量雪崩電流，并且能夠直接產(chǎn)生數(shù)字觸發(fā)信號，可以實現(xiàn)更小像素尺寸，而且可與CMOS全兼容。可以說，SPAD技術(shù)是目前 dToF 技術(shù)的核心，但是技術(shù)難度大且制作工藝復(fù)雜，目前僅少數(shù)廠家具備量產(chǎn)能力。

具體技術(shù)指標方面，SIF7010擁有的1200的成像點（40×30像素），最遠測距離5米，Depth精準度1%，具有較高的抗干擾性，系統(tǒng)功耗小于200毫安?？梢詮V泛適用于多區(qū)對焦、SLAM、手勢操作等應(yīng)用。

據(jù)介紹，SIF7010相對于蘋果所采用的索尼dToF方案來說，能夠?qū)崿F(xiàn)近似的AR/VR方案效果，但成本和功耗更低，目前這款芯片已經(jīng)進入工程量產(chǎn)的階段，預(yù)計今年量產(chǎn)。

“基于目前整個行業(yè)的發(fā)展趨勢，我們認為3D ToF技術(shù)的適用性會更廣泛，不管是iToF，還是dToF，彼此之間是互補的關(guān)系。iToF可以做相對近距離、分辨率更高的建模的應(yīng)用。dToF更適合3、4米，甚至更遠距離的空間建模的場景。作為行業(yè)內(nèi)唯一一家同時具備iToF和dToF技術(shù)的團隊，我們針對整個3D行業(yè)，我們擁有更為全面的解決方案。”孔繁曉總結(jié)說道。