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單光子探測技術(shù)的全新3D Lidar產(chǎn)品。同時，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)首次在消費電子產(chǎn)品中實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，而在此之前，該技術(shù)主要應(yīng)用于車載自動駕駛領(lǐng)域。蘋果在其AR軟件生態(tài)開發(fā)套件AR Kit升級了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大大增強了AR應(yīng)用的體驗。蘋果在AR領(lǐng)域的野心和實力已經(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 安思疆激光雷達
安思疆科技CTO魯亞東博士表示，將車載領(lǐng)域使用的Lidar移植到消費級電子產(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，僅小型化就對光學設(shè)計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。
安思疆首席科學家、浙江大學光電學院副院長、AR/VR及三維傳感領(lǐng)域?qū)＜遥嵳闃s教授對dToF前景非?？春?，并表示相對于iToF技術(shù)，dToF技術(shù)有眾多優(yōu)勢，可理解為技術(shù)的升級。近年來圖像傳感器的迅速發(fā)展，使得SPAD的技術(shù)已經(jīng)相對成熟，而且各項性能指標的發(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、平板、掃地機器人、行業(yè)機器人、AR/VR眼鏡等領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊，相信很快就能實現(xiàn)落地應(yīng)用。
公司聯(lián)合創(chuàng)始人、SVP、衍射光學頂級專家，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衍射光學器件、VCSEL激光芯片以及Collimator準直光學透鏡，雖然增加了系統(tǒng)設(shè)計的難度和壁壘，但這對整個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，這也是為什么我們在當前時間點就能推出可量產(chǎn)產(chǎn)品的原因。
目前市場上已推出可應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品dToF方案的公司只有蘋果。因此，大多數(shù)人對dToF這項技術(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隊帶來的dToF技術(shù)解讀。
iToF和dToF技術(shù)解讀
ToF是時間飛行技術(shù)（Time of Flight）的簡稱，即時差測距技術(shù)，搭配面陣傳感器，可獲取現(xiàn)實三維場景完整的幾何信息，實現(xiàn)真實世界場景的3D數(shù)字化，在消費電子、汽車工業(yè)、智能家居等對3D感知有需求的行業(yè)擁有巨大的應(yīng)用價值與市場前景。根據(jù)不同的時間測量方式，目前存在兩種ToF技術(shù)路線:iToF(間接飛行時間，indirect-ToF)和dTof(直接飛行時間，direct-ToF)。
基于低偏置PD的iToF技術(shù)
iToF顧名思義是間接測量時間的一種方法，大部分的間接測量方案都是通過sensor所采集不同時間窗口的接收光能量比值關(guān)系，進而解算出相位差，再換算出發(fā)射光波與接收光波的時間差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，對應(yīng)探測器中每個像素都有兩個以上電荷積累區(qū)域來完成光信號的積分采集，探測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)、曝光時長（降低幀率）來達到足夠高的信噪比要求，不可避免會帶來高功耗等問題。
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)的測距范圍與調(diào)制光波的頻率成反比。頻率越低，雖然測距范圍增大了，但會帶來相位差的解析精度下降，進而測距精度隨之下降，因此iToF的測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)復雜度，而且當場景中存在深度跨度比較大的情況下，仍然會出現(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采集方式，在像素的曝光時間內(nèi)不斷收集接收光子的能量，而不去區(qū)分具體光子到達的時間，也就無法區(qū)分光子的具體飛行路徑所對應(yīng)的飛行時間，則會存在多徑干擾問題。同理，在物體邊緣所對應(yīng)的成像像素區(qū)域，會同時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，進而去解算一個平均的相位差，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，需要對初始深度做比較重的后處理算法，但會增加AP負擔，且可能影響實時性。
多徑干擾：理想情況是按照藍色路徑進行測距，但是墻面等物體的反射光也會傳播到目標物上再經(jīng)過反射回到相機（紅色光路），且實際會存在多條路徑
多徑干擾（Multi-Path）是iToF存在的嚴重的問題之一，這一問題目前很難解決，會導致比如深度錯誤，直角變圓角，鏡像等問題。而dToF受益于其測量原理，則沒有這一擔憂，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)則實現(xiàn)了對飛行時間Δt的直接測量，采用脈沖信號方式，sensor內(nèi)部的每一個像素都直接測量達到光子的往返時間，具有靈敏度高的優(yōu)點，避開了測量往返信號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)需要一個高速的光電探測器和高精度的時間數(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）級的時間內(nèi)對微弱光信號產(chǎn)生強響應(yīng)的器件，其原理是高偏置，深勢阱的結(jié)構(gòu)可誘發(fā)單光子產(chǎn)生雪崩電流，這也是為什么自動駕駛中的Lidar系統(tǒng)必須使用雪崩二極管來探測遠距離反射回來的光信號，而一般CMOSsensor是很難做到的。TDC是時間數(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，單個發(fā)光脈寬可達數(shù)百皮秒級別，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)射端通過高速信號連接與接收端的TDC進行精準時間同步，發(fā)射光經(jīng)過前方目標折返后，處于接收端的SPAD sensor能對光信號進行ps級的超高速光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生脈沖電流，這一脈沖電流會將計時‘掐斷’，此時TDC即可直接得到光信號的飛行時間Δt。由于是直接對飛行時間進行測量，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。
進一步，dToF系統(tǒng)還會采用時間相關(guān)單光子計數(shù)方法（Time-Correlated Single-Photon Counting,TCSPC）來最終準確計算目標與傳感器之間的距離。TCSPC因其能夠?qū)r間信息進行準確測量而被廣泛應(yīng)用于核物理及天文領(lǐng)域，在生命科學領(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基本原理簡單來說是在單幀成像周期內(nèi)，會有N次的光脈沖發(fā)射與接收，TDC能夠記錄n次（n<N）光飛行時間，于是生成一個飛行時間關(guān)于計數(shù)次數(shù)的直方圖分布，采用極值求解算法可以計算出，出現(xiàn)次數(shù)最多的飛行時間值，即為最終目標值Δt。通過運用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，它們引起的計數(shù)次數(shù)將遠低于有效信號的計數(shù)峰值，從直方圖上能很容易甄別出來，因此dToF對環(huán)境光的抗干擾能力遠大于iToF，這也是為什么dToF不存在多徑干擾問題的原因。同時TCSPC技術(shù)對目標物進行多次飛行時間的重復測量，會進一步提高系統(tǒng)的時間分辨率。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)的測距精度、測距距離和抗干擾能力越優(yōu)秀。
TCSPC計數(shù)原理
目前影響SPAD性能的因素主要有，光子探測率PDE、暗計數(shù)率DCR、時間抖動、像素串擾等[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.單位時間的光發(fā)射次數(shù)，即驅(qū)動頻率；
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)動電路，激光光源，光學系統(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的對比
實測效果
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實拍安思疆Lidar 3D效果
CEO李安認為，dToF技術(shù)性能相比于iToF的提升是毋庸置疑的。團隊從理論研究，到概念設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計、樣品驗證、測試、改進、再改進…經(jīng)歷了近2年的時間，數(shù)次迭代，花費近千萬，完成了從0到1再到10。從實測效果可以看出第一代產(chǎn)品已經(jīng)能達到非常好的效果，目前最遠可測到~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設(shè)計、單光子檢測技術(shù)、高速模擬電路、數(shù)字電路、視覺標定算法、三維圖像處理算法等，技術(shù)壁壘很高。這一復雜的產(chǎn)品能在蘋果發(fā)布后，如此快的時間內(nèi)推出，除了我們團隊扎實深厚的基礎(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、光學鏡頭等核心器件基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，并且全部達到可量產(chǎn)狀態(tài)，沒有瓶頸，并且成本完全可控。
同時李安也稱dToF產(chǎn)品在手機平板等移動終端、AR/VR眼鏡、掃地機器人、導航/避障等對功耗、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)光那么嚴格的場景中適用；而在FaceID、刷臉支付、智能門鎖、工業(yè)測量/3D建模等一些對精度要求比較嚴格的場景中，3D結(jié)構(gòu)光目前則更為適用；未來dToF與結(jié)構(gòu)光是共存互補的關(guān)系，安思疆將在這兩個方向上踏踏實實往前推進。
另外，就A+輪融資而言，本輪資金將投入于擴充已有3D結(jié)構(gòu)光產(chǎn)品線，以及dToF的研發(fā)和落地。實際上，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)給市場帶來驚喜，同時也歡迎更多人才加入安思疆。
01月07日 18:14
