深圳市安思疆科技有限公司(Angstrong Tech.)是一家專注于三維傳感及視覺AI技術(shù)的高科技公司。安思疆不僅在3D結(jié)構(gòu)光領(lǐng)域擁有業(yè)界領(lǐng)先的成熟產(chǎn)品，而且在經(jīng)過近2年的持續(xù)潛心研發(fā)之后，發(fā)布了基于dToF單光子探測(cè)技術(shù)的全新3D Lidar產(chǎn)品。同時(shí)，安思疆也于近日完成了5000萬元A+輪的融資，由本源創(chuàng)投和鴻泰國微基金聯(lián)合投資。

 

　　蘋果在2020年3月發(fā)布了新一代iPad Pro 2020，并在后置攝像頭模組中，搭載了其研發(fā)的全新3D LidarScanner，這是該技術(shù)首次在消費(fèi)電子產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，而在此之前，該技術(shù)主要應(yīng)用于車載自動(dòng)駕駛領(lǐng)域。蘋果在其AR軟件生態(tài)開發(fā)套件AR Kit升級(jí)了3代之后，終于在后置攝像頭上也迎來了3D硬件的支持，受益于深度信息的引入，Lidar Scanner大大增強(qiáng)了AR應(yīng)用的體驗(yàn)。蘋果在AR領(lǐng)域的野心和實(shí)力已經(jīng)“昭然若揭”，因此新iPhone以及未來的“Apple Glass”搭載Lidar幾乎已成必然。

　　iPad Pro激光雷達(dá)                                             安思疆激光雷達(dá)

 

　　安思疆科技CTO魯亞東博士表示，將車載領(lǐng)域使用的Lidar移植到消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品上難度巨大，必須滿足小型化、低功耗、低成本等要求。其中，僅小型化就對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)以及光電器件的制造與集成提出了新的且極高的要求。此外，雖然Lidar使用的也是ToF技術(shù)，但蘋果和安思疆Lidar產(chǎn)品中使用的是基于SPAD（單光子雪崩二極管）的dToF技術(shù)，而目前市面上還主要是基于普通CMOSPD的iToF技術(shù)，兩者存在著非常大的差別。

 

　　安思疆首席科學(xué)家、浙江大學(xué)光電學(xué)院副院長(zhǎng)、AR/VR及三維傳感領(lǐng)域?qū)＜?，鄭臻榮教授對(duì)dToF前景非常看好，并表示相對(duì)于iToF技術(shù)，dToF技術(shù)有眾多優(yōu)勢(shì)，可理解為技術(shù)的升級(jí)。近年來圖像傳感器的迅速發(fā)展，使得SPAD的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，而且各項(xiàng)性能指標(biāo)的發(fā)展路徑也非常清晰。從安思疆最新的產(chǎn)品來看，其在手機(jī)、平板、掃地機(jī)器人、行業(yè)機(jī)器人、AR/VR眼鏡等領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊，相信很快就能實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用。

 

　　公司聯(lián)合創(chuàng)始人、SVP、衍射光學(xué)頂級(jí)專家，蔣建華博士則表示，蘋果在其最新的Lidar產(chǎn)品中同樣使用了與前置3D結(jié)構(gòu)光類似的DOE衍射光學(xué)器件、VCSEL激光芯片以及Collimator準(zhǔn)直光學(xué)透鏡，雖然增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度和壁壘，但這對(duì)整個(gè)Lidar系統(tǒng)的小型化起了至關(guān)重要的作用。安思疆在上述器件及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面都有非常深厚的理論和產(chǎn)業(yè)積累，這也是為什么我們?cè)诋?dāng)前時(shí)間點(diǎn)就能推出可量產(chǎn)產(chǎn)品的原因。

 

　　目前市場(chǎng)上已推出可應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品dToF方案的公司只有蘋果。因此，大多數(shù)人對(duì)dToF這項(xiàng)技術(shù)比較陌生，為了讓大家快速了解dToF產(chǎn)品、技術(shù)及應(yīng)用，以下是由安思疆的專家團(tuán)隊(duì)帶來的dToF技術(shù)解讀。

 

　　iToF和dToF技術(shù)解讀

 

　　ToF是時(shí)間飛行技術(shù)（Time of Flight）的簡(jiǎn)稱，即時(shí)差測(cè)距技術(shù)，搭配面陣傳感器，可獲取現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景完整的幾何信息，實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界場(chǎng)景的3D數(shù)字化，在消費(fèi)電子、汽車工業(yè)、智能家居等對(duì)3D感知有需求的行業(yè)擁有巨大的應(yīng)用價(jià)值與市場(chǎng)前景。根據(jù)不同的時(shí)間測(cè)量方式，目前存在兩種ToF技術(shù)路線:iToF(間接飛行時(shí)間，indirect-ToF)和dTof(直接飛行時(shí)間，direct-ToF)。

 

　　基于低偏置PD的iToF技術(shù)

 

　　iToF顧名思義是間接測(cè)量時(shí)間的一種方法，大部分的間接測(cè)量方案都是通過sensor所采集不同時(shí)間窗口的接收光能量比值關(guān)系，進(jìn)而解算出相位差，再換算出發(fā)射光波與接收光波的時(shí)間差Δt，根據(jù)光速值c，即可通過d=c*Δt/2得到距離深度。其發(fā)射光波的調(diào)試方式一般有正弦連續(xù)波調(diào)制和脈沖波調(diào)制兩種方式，對(duì)應(yīng)探測(cè)器中每個(gè)像素都有兩個(gè)以上電荷積累區(qū)域來完成光信號(hào)的積分采集，探測(cè)器一般使用的是具有光電子積累作用的CMOS或CCD，一般偏置電壓3V~5V，其無法區(qū)分背景光子與有效信號(hào)光子，受光子噪聲影響很大，需要足夠高的信噪比才能提取出每個(gè)像素的有效深度信息，通常采用加大發(fā)射端的發(fā)射功率和提高接收端的曝光次數(shù)、曝光時(shí)長(zhǎng)（降低幀率）來達(dá)到足夠高的信噪比要求，不可避免會(huì)帶來高功耗等問題。

　　連續(xù)波調(diào)試iToF示意圖

　　脈沖波調(diào)試iToF示意圖

 

　　在iToF技術(shù)中，系統(tǒng)的測(cè)距精度與調(diào)制光波的相位差解析精度成正比，系統(tǒng)的測(cè)距范圍與調(diào)制光波的頻率成反比。頻率越低，雖然測(cè)距范圍增大了，但會(huì)帶來相位差的解析精度下降，進(jìn)而測(cè)距精度隨之下降，因此iToF的測(cè)距精度隨距離增加而下降。在一些產(chǎn)品中，為了平衡這一矛盾，采用了雙頻或者多頻的技術(shù)，即在不同距離采取不同的調(diào)制頻率，不過這就增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，而且當(dāng)場(chǎng)景中存在深度跨度比較大的情況下，仍然會(huì)出現(xiàn)問題。而dToF由于技術(shù)原理不同，則天然不存在此問題。

　　iToF距離與測(cè)距精度的矛盾關(guān)系

 

　　此外，iToF技術(shù)中的相位差本質(zhì)上是通過iToF CMOS sensor所采集不同時(shí)間窗口的接收光能量比值關(guān)系得到的，因此屬于傳統(tǒng)的光子能量積分的信號(hào)采集方式，在像素的曝光時(shí)間內(nèi)不斷收集接收光子的能量，而不去區(qū)分具體光子到達(dá)的時(shí)間，也就無法區(qū)分光子的具體飛行路徑所對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間，則會(huì)存在多徑干擾問題。同理，在物體邊緣所對(duì)應(yīng)的成像像素區(qū)域，會(huì)同時(shí)接收前景和背景反射回來的光線，所收集的光子能量疊加在一起，進(jìn)而去解算一個(gè)平均的相位差，得到的是平均ToF值。因此，從技術(shù)原理上iToF一定會(huì)存在物體輪廓不清、棱角形狀失真、無法區(qū)分相鄰兩物體等問題，為了解決這類問題，需要對(duì)初始深度做比較重的后處理算法，但會(huì)增加AP負(fù)擔(dān)，且可能影響實(shí)時(shí)性。

　　多徑干擾：理想情況是按照藍(lán)色路徑進(jìn)行測(cè)距，但是墻面等物體的反射光也會(huì)傳播到目標(biāo)物上再經(jīng)過反射回到相機(jī)（紅色光路），且實(shí)際會(huì)存在多條路徑

 

　　多徑干擾（Multi-Path）是iToF存在的嚴(yán)重的問題之一，這一問題目前很難解決，會(huì)導(dǎo)致比如深度錯(cuò)誤，直角變圓角，鏡像等問題。而dToF受益于其測(cè)量原理，則沒有這一擔(dān)憂，非理想路徑的其他路徑能夠很容易地被濾除。

 

　　基于高偏置SPAD的dToF技術(shù)

　　SPAD工作原理及光電特性

 

　　dToF技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行時(shí)間Δt的直接測(cè)量，采用脈沖信號(hào)方式，sensor內(nèi)部的每一個(gè)像素都直接測(cè)量達(dá)到光子的往返時(shí)間，具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，避開了測(cè)量往返信號(hào)的相位差所引入的各種問題，并且不存在光電子積累的過程，其測(cè)量精度受光噪聲的影響比較小，較低的信噪比要求有利于系統(tǒng)功耗的下降。dToF系統(tǒng)需要一個(gè)高速的光電探測(cè)器和高精度的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，即SPAD+TDC的組合，其中SPAD是單光子雪崩二極管Single Photon Avalanche Diode,這是一種能夠在ps（10-12s）級(jí)的時(shí)間內(nèi)對(duì)微弱光信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)響應(yīng)的器件，其原理是高偏置，深勢(shì)阱的結(jié)構(gòu)可誘發(fā)單光子產(chǎn)生雪崩電流，這也是為什么自動(dòng)駕駛中的Lidar系統(tǒng)必須使用雪崩二極管來探測(cè)遠(yuǎn)距離反射回來的光信號(hào)，而一般CMOSsensor是很難做到的。TDC是時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TimeDigital Converter，類似于日常生活中的秒表，能夠記錄光子每次“折返跑”的時(shí)間。

　　dToF系統(tǒng)示意圖

 

　　dToF激光發(fā)射端采用極窄脈沖調(diào)制方式，單個(gè)發(fā)光脈寬可達(dá)數(shù)百皮秒級(jí)別，占空比可低至0.1%，因此發(fā)射端的平均功耗比iToF低很多。發(fā)射端通過高速信號(hào)連接與接收端的TDC進(jìn)行精準(zhǔn)時(shí)間同步，發(fā)射光經(jīng)過前方目標(biāo)折返后，處于接收端的SPAD sensor能對(duì)光信號(hào)進(jìn)行ps級(jí)的超高速光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生脈沖電流，這一脈沖電流會(huì)將計(jì)時(shí)‘掐斷’，此時(shí)TDC即可直接得到光信號(hào)的飛行時(shí)間Δt。由于是直接對(duì)飛行時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，不存在解析相位差精度與頻率的反比關(guān)系問題，因此dToF在信噪比能保證的情況下精度不隨距離增加而下降。

 

　　進(jìn)一步，dToF系統(tǒng)還會(huì)采用時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)方法（Time-Correlated Single-Photon Counting,TCSPC）來最終準(zhǔn)確計(jì)算目標(biāo)與傳感器之間的距離。TCSPC因其能夠?qū)r(shí)間信息進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量而被廣泛應(yīng)用于核物理及天文領(lǐng)域，在生命科學(xué)領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用空間，如熒光相關(guān)光譜、熒光壽命成像、熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)等。

 

　　TCSPC基本原理簡(jiǎn)單來說是在單幀成像周期內(nèi)，會(huì)有N次的光脈沖發(fā)射與接收，TDC能夠記錄n次（n<N）光飛行時(shí)間，于是生成一個(gè)飛行時(shí)間關(guān)于計(jì)數(shù)次數(shù)的直方圖分布，采用極值求解算法可以計(jì)算出，出現(xiàn)次數(shù)最多的飛行時(shí)間值，即為最終目標(biāo)值Δt。通過運(yùn)用TCSPC技術(shù)，在滿足單光子入射條件下，dToF能夠有效的去除器件固有噪聲和環(huán)境光噪聲，它們引起的計(jì)數(shù)次數(shù)將遠(yuǎn)低于有效信號(hào)的計(jì)數(shù)峰值，從直方圖上能很容易甄別出來，因此dToF對(duì)環(huán)境光的抗干擾能力遠(yuǎn)大于iToF，這也是為什么dToF不存在多徑干擾問題的原因。同時(shí)TCSPC技術(shù)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行多次飛行時(shí)間的重復(fù)測(cè)量，會(huì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的時(shí)間分辨率。在相同的光脈沖能量下，單幀成像周期的Tx光脈沖數(shù)量越多，也即SPAD的“曝光”次數(shù)越多，系統(tǒng)的測(cè)距精度、測(cè)距距離和抗干擾能力越優(yōu)秀。

　　TCSPC計(jì)數(shù)原理

　　目前影響SPAD性能的因素主要有，光子探測(cè)率PDE、暗計(jì)數(shù)率DCR、時(shí)間抖動(dòng)、像素串?dāng)_等[4][5][6][7]，經(jīng)過多年的發(fā)展，目前的工藝水平已經(jīng)能夠很好的把這些問題都解決，比較成熟，不再贅述。影響系統(tǒng)精度和深度效果的因素主要有：

 

　　a.單位時(shí)間的光發(fā)射次數(shù)，即驅(qū)動(dòng)頻率；

 

　　b.單脈沖寬度；

 

　　c.光脈沖峰值功率以及TDC響應(yīng)速度

 

　　以上因素也指明了dToF技術(shù)的發(fā)展路徑，即SPAD,驅(qū)動(dòng)電路，激光光源，光學(xué)系統(tǒng)等有比較明確的發(fā)展方向，而目前看來并沒有瓶頸。

　　dToF與iToF的對(duì)比

 

　　實(shí)測(cè)效果

 

　　Lidar Scanner及3D結(jié)構(gòu)光iOS APP推薦

 

　　實(shí)拍安思疆Lidar 3D效果

 

　　CEO李安認(rèn)為，dToF技術(shù)性能相比于iToF的提升是毋庸置疑的。團(tuán)隊(duì)從理論研究，到概念設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、樣品驗(yàn)證、測(cè)試、改進(jìn)、再改進(jìn)…經(jīng)歷了近2年的時(shí)間，數(shù)次迭代，花費(fèi)近千萬，完成了從0到1再到10。從實(shí)測(cè)效果可以看出第一代產(chǎn)品已經(jīng)能達(dá)到非常好的效果，目前最遠(yuǎn)可測(cè)到~7m，F(xiàn)OV 78°，功耗~500mw 5m，精度~1%,提供QVGA和HQVGA兩種分辨率接口。dToF技術(shù)涉及到投影及成像光學(xué)設(shè)計(jì)、單光子檢測(cè)技術(shù)、高速模擬電路、數(shù)字電路、視覺標(biāo)定算法、三維圖像處理算法等，技術(shù)壁壘很高。這一復(fù)雜的產(chǎn)品能在蘋果發(fā)布后，如此快的時(shí)間內(nèi)推出，除了我們團(tuán)隊(duì)扎實(shí)深厚的基礎(chǔ)之外，供應(yīng)鏈合作伙伴的表現(xiàn)也非常優(yōu)秀，目前VCSEL、SPAD、DOE/diffuser、光學(xué)鏡頭等核心器件基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，并且全部達(dá)到可量產(chǎn)狀態(tài)，沒有瓶頸，并且成本完全可控。

 

　　同時(shí)李安也稱dToF產(chǎn)品在手機(jī)平板等移動(dòng)終端、AR/VR眼鏡、掃地機(jī)器人、導(dǎo)航/避障等對(duì)功耗、體積、成本等要求較高，且精度、分辨率等要求不像3D結(jié)構(gòu)光那么嚴(yán)格的場(chǎng)景中適用；而在FaceID、刷臉支付、智能門鎖、工業(yè)測(cè)量/3D建模等一些對(duì)精度要求比較嚴(yán)格的場(chǎng)景中，3D結(jié)構(gòu)光目前則更為適用；未來dToF與結(jié)構(gòu)光是共存互補(bǔ)的關(guān)系，安思疆將在這兩個(gè)方向上踏踏實(shí)實(shí)往前推進(jìn)。

 

　　另外，就A+輪融資而言，本輪資金將投入于擴(kuò)充已有3D結(jié)構(gòu)光產(chǎn)品線，以及dToF的研發(fā)和落地。實(shí)際上，公司已經(jīng)開始研發(fā)超小尺寸，超低功耗的Spot dToF產(chǎn)品。安思疆將繼續(xù)高效創(chuàng)新，持續(xù)給市場(chǎng)帶來驚喜，同時(shí)也歡迎更多人才加入安思疆。