逐個(gè)擊破ToF傳感器核心元器件，探求其中奧秘

天寒日短，勤學(xué)苦思更顯珍貴；來年生機(jī)，冬日貯藏厚積薄發(fā)！由麥姆斯咨詢主辦，上海傳感信息科技有限公司和華強(qiáng)電子網(wǎng)協(xié)辦的《第29期“見微知著”培訓(xùn)課程：ToF傳感器技術(shù)及應(yīng)用》，于2020年12月4日至12月6日在無錫圓滿完成！

《第29期“見微知著”培訓(xùn)課程：ToF傳感器技術(shù)及應(yīng)用》師生合影留念

從“2017年iPhone X首次采用3D人臉識(shí)別，引爆消費(fèi)領(lǐng)域3D視覺市場”起，以ToF、結(jié)構(gòu)光、雙目視覺等方案為代表的3D傳感技術(shù)在四年間不斷進(jìn)化，結(jié)合人工智能（AI）改變著我們的工作和生活。除了前置結(jié)構(gòu)光應(yīng)用于3D人臉識(shí)別，iToF模組在安卓智能手機(jī)廣泛普及、dToF模組在iPhone 12 Pro系列面世后，也擁有了目力可及的廣闊應(yīng)用前景，這些均使得ToF技術(shù)成為2020年度業(yè)內(nèi)最受關(guān)注的技術(shù)之一。在智能手機(jī)、自動(dòng)駕駛、智能家居、人臉支付、智能門鎖，甚至炙手可熱的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)（AR & VR）等領(lǐng)域，ToF技術(shù)都占據(jù)著重要地位。因此ToF技術(shù)也成為業(yè)內(nèi)人士亟待了解和學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容。為此，麥姆斯咨詢開辦《第29期“見微知著”培訓(xùn)課程：ToF傳感器技術(shù)及應(yīng)用》，邀請了ToF傳感器技術(shù)領(lǐng)域的著名專家、學(xué)者以及產(chǎn)業(yè)界的資深從業(yè)人士，從ToF傳感器核心元器件、iToF和dToF模組等方面進(jìn)行深入解析，旨在通過課程幫助ToF傳感器產(chǎn)業(yè)鏈上下游廠商相關(guān)人員理清技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)、提升專業(yè)技能。

一、研學(xué)技術(shù)綜述，打好專業(yè)基礎(chǔ)

12月4日上午，由寧波飛芯電子科技有限公司首席執(zhí)行官雷述宇和寧波芯輝科技有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官劉馬良兩位老師從不同的角度為大家開啟了ToF傳感器基礎(chǔ)知識(shí)的研學(xué)之旅，以便為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

《ToF傳感器技術(shù)綜述》由雷述宇老師為大家講授。雷述宇老師擁有20余年研發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，憑借其對(duì)技術(shù)的深度理解和剖析，獲得了本場學(xué)員的一致贊譽(yù)。雷老師從3D深度視覺的研究背景和基礎(chǔ)知識(shí)入手，向大家詳細(xì)講解了3D視覺主流技術(shù)分類、性能對(duì)比以及ToF技術(shù)的基本概念。雷述宇老師認(rèn)為，ToF憑借其優(yōu)秀的性能指標(biāo)和廣泛的場景適配性，成為最具潛力的3D視覺技術(shù)方案。隨后，雷述宇老師又從測距方法、技術(shù)原理、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)、關(guān)鍵器件、探測模式等方面為大家解析了iToF與dToF的異同，讓大家對(duì)ToF傳感器的技術(shù)情況有了清晰的認(rèn)識(shí)。接著，雷述宇老師從ToF市場應(yīng)用及規(guī)模、代表廠商及其產(chǎn)品兩個(gè)重要角度，為大家描繪出目前ToF產(chǎn)品的市場情況。課程最后，雷述宇老師對(duì)熱門的蘋果dToF方案做了剖析。

劉馬良老師的主要工作方向?yàn)楦咚贁?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC/DAC）及模擬前端集成電路、光電探測系統(tǒng)芯片（SPAD和SiPM探測器芯片），為大家?guī)砹恕都す饫走_(dá)SPAD探測器及模擬前端芯片綜述》課程。劉馬良老師的課程是從ToF技術(shù)的代表應(yīng)用——激光雷達(dá)的角度，對(duì)SPAD探測器和模擬前端芯片的基礎(chǔ)知識(shí)做了綜合性介紹。劉馬良老師首先通過激光雷達(dá)的應(yīng)用、發(fā)展情況及工作原理，引出了目前激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸，并清楚地解析了激光雷達(dá)抗干擾技術(shù)。隨后，劉馬良老師從設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)參數(shù)、應(yīng)用等方面介紹了SPAD探測器以及跨阻放大器（TIA）和模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）模擬前端芯片。課程最后，在為學(xué)員介紹了SPAD QVGA圖像傳感器、動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測SPAD傳感器、分塊掃描SPAD傳感器、SPAD傳感器醫(yī)學(xué)應(yīng)用后，劉馬良老師對(duì)基于SPAD探測器的多種激光雷達(dá)研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)做了詳細(xì)剖析和對(duì)比分析。

二、逐個(gè)擊破ToF傳感器核心元器件，探求其中奧秘

12月4日下午至12月5日的課程主要針對(duì)ToF傳感器的各種核心元器件進(jìn)行講解。拜蘋果所賜，基于dToF技術(shù)的激光雷達(dá)從汽車電子領(lǐng)域躥紅到了消費(fèi)電子領(lǐng)域，APD（雪崩光電二極管）、SPAD（單光子雪崩光電二極管）、SiPM（硅光電倍增管）等光電探測器是其中核心元器件。其中《ToF傳感器之光電探測器：SPAD》課程邀請到深圳市靈明光子科技有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官賈捷陽授課；《ToF傳感器之光電探測器：SiPM》課程由身在德國的杭州宇稱電子技術(shù)有限公司創(chuàng)始人、德國海德堡大學(xué)研究員沈煒通過網(wǎng)絡(luò)講授；《ToF傳感器之光電探測器：APD》課程由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所副研究員程正喜帶來；另一門《ToF傳感器之模擬前端芯片》課程由中山大學(xué)副教授郭建平講解。

賈捷陽老師首先從講解單光子探測器的器件原理入手，并對(duì)SPAD、APD以及SiPM的基本參數(shù)和性能做了對(duì)比。接著，賈捷陽老師詳細(xì)剖析了SPAD從前照式（FSI）、背照式（BSI）到“背照式 + 3D堆疊”的工藝迭代，并向大家解釋：SPAD工藝迭代的增強(qiáng)方法是光子捕捉，可以顯著提升PDP（光子探測概率）。在深入解析基于單光子成像的dToF傳感時(shí)，賈捷陽老師通過iToF與dToF在反射率誤差和MPI誤差對(duì)比中，讓大家了解dToF測距精度明顯較高。賈捷陽老師表示，在攝像增強(qiáng)、3D測繪、AR等移動(dòng)設(shè)備的3D傳感應(yīng)用中，單點(diǎn)dToF在抗環(huán)境光、能耗、復(fù)雜環(huán)境精度等方面均具有顯著優(yōu)勢。課程最后，賈捷陽分析了iPhone 12 Pro dToF方案，介紹了靈眀光子SPADIS產(chǎn)品等目前已進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)的SPAD dToF。賈捷陽老師憑借其活潑風(fēng)趣的講課風(fēng)格，以及干貨滿滿的課程內(nèi)容，贏得了學(xué)員的認(rèn)可。

身在德國的沈煒老師雖遠(yuǎn)隔萬里，但通過網(wǎng)絡(luò)與大家完成了一場在2020年疫情期間獨(dú)有且高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)授課。作為國際半導(dǎo)體探測器和微電子學(xué)專家，沈煒老師憑借在學(xué)術(shù)界積淀的研究學(xué)識(shí)，以及在產(chǎn)業(yè)界積累實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，以常見的PD、APD、SiPM等光電探測器的關(guān)鍵性能為開端，引出了本場課程的主角SiPM。沈煒老師表示，SiPM的本質(zhì)是蓋革雪崩二極管（SPAD）并聯(lián)組成的陣列，因此了解SPAD與SiPM的主要區(qū)別對(duì)理解SiPM尤為重要。接著，沈偉老師講解了SiPM的相關(guān)電子學(xué)，并且重點(diǎn)解析SiPM的像素性能與物理特性。沈偉老師表示，暗計(jì)數(shù)、后脈沖以及光串?dāng)_是SiPM/SPAD主要的物理性能缺陷。隨后，沈偉老師分享了SiPM在醫(yī)療領(lǐng)域以及在近紅外和短波紅外領(lǐng)域的應(yīng)用。課程最后，學(xué)員對(duì)沈煒老師的“為難提問”將課程氣氛推向高潮，沈煒老師在連線另一端的精彩解答，為本課程畫上了完美的句點(diǎn)。

程正喜老師在課程第二天下午為大家講解了ToF傳感器之光電探測器的另一位重要成員——APD。程正喜老師常年從事硅光電探測器（APD和SPAD）和光微機(jī)電系統(tǒng)器件的研究工作，首先從雪崩物理機(jī)制講起，詳細(xì)分析APD工作原理、主要性能參數(shù)及影響因素，并分類簡述了線性和蓋革兩種工作模式下的APD，為學(xué)員理清了APD的主要性能參數(shù)。隨后程正喜老師介紹了單點(diǎn)、線陣和面陣APD探測器及市場上相應(yīng)的產(chǎn)品，為學(xué)員理出一份獨(dú)屬APD的激光雷達(dá)“地圖”。接著，程正喜老師從關(guān)鍵技術(shù)（BiCMOS工藝、HVCMOS工藝）、探測器發(fā)展趨勢等角度介紹了基于CMOS工藝的APD探測器。程正喜老師認(rèn)為，提升APD器件性能、陣列尺寸以及可靠性是基于CMOS工藝的APD探測器的發(fā)展方向。課程最后，程正喜老師為學(xué)員介紹了汽車類激光雷達(dá)為APD帶來的機(jī)遇及挑戰(zhàn)。

郭建平老師在模擬與數(shù)?；旌霞?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/167/" target="_blank">電路設(shè)計(jì)以及電源管理及激光雷達(dá)集成電路設(shè)計(jì)頗具經(jīng)驗(yàn)，他以“自動(dòng)駕駛對(duì)激光雷達(dá)的需求”為切入點(diǎn)，對(duì)激光雷達(dá)接收電路中的模擬前端芯片進(jìn)行了詳盡地講解。郭建平老師以脈沖式激光雷達(dá)的接收電路為例，詳細(xì)介紹了其中模擬前端器件選擇和電路設(shè)計(jì)，同時(shí)介紹了接收電路模擬前端芯片主要類型及典型商用芯片。接著，郭建平老師從激光調(diào)制方式/ToF方式、工作波長/探測距離、探測精度以及發(fā)射電路集成度等方面重點(diǎn)分析了幾款主流廠商的高集成度ToF接收芯片。隨后，郭建平老師從單通道形式、脈沖式激光雷達(dá)、接收SoC芯片等方面，以國內(nèi)外典型研究為例介紹了目前模擬前端芯片的研究情況及發(fā)展趨勢。郭建平老師課堂的精彩之處在于，能讓學(xué)員在收獲知識(shí)的同時(shí)，了解“用時(shí)該找誰”、“怎么用”。課程最后，郭建平老師憑借自己在中山大學(xué)的研究成果，向大家闡述了模擬前端芯片優(yōu)化設(shè)計(jì)及創(chuàng)新解決方案，為學(xué)員們在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中提供了值得借鑒的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)。

三、鉆研ToF模組，探究實(shí)現(xiàn)特定性能的最小單元

12月5日至12月6日的課程是針對(duì)iToF模組的專題講解。麥姆斯咨詢邀請到了上海炬佑智能科技有限公司系統(tǒng)解決方案部總監(jiān)梅健和璦鐠瑞思（上海）光學(xué)有限公司現(xiàn)場應(yīng)用工程師賀若愚講解《iToF模組（3D ToF相機(jī)）設(shè)計(jì)、量產(chǎn)問題及解決方案》課程。同時(shí)還邀請到中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員、博士生導(dǎo)師梁偉講授《iToF模組（FMCW激光雷達(dá)）設(shè)計(jì)及核心元器件》課程，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員沈文江傳授《dToF模組（MEMS激光雷達(dá)）設(shè)計(jì)及核心元器件》課程。

梅健老師在3D ToF圖像傳感器芯片、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及解決方案設(shè)計(jì)等方向具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，梅健老師的課程主要從設(shè)計(jì)角度對(duì)iToF模組進(jìn)行剖析。課程之初，梅健老師首先簡單分析了視覺技術(shù)的發(fā)展以及3D視覺技術(shù)的爆發(fā)；隨后進(jìn)入正題，為大家逐一剖析ToF視覺技術(shù)方案。梅健老師分析了cwToF（連續(xù)波ToF）與pToF（脈沖ToF）的原理及二者的優(yōu)缺點(diǎn)。出身于模擬芯片設(shè)計(jì)工程師的梅健老師分享道，復(fù)雜電路模擬的精髓是構(gòu)建簡化的結(jié)構(gòu)分析，因此從簡化結(jié)構(gòu)中看，pToF屬于直接測量（dTof），cwToF屬于間接測量（iToF）。接著，梅健老師分別從ToF系統(tǒng)架構(gòu)、ToF圖像傳感器基礎(chǔ)（像素單元、高速ADC、CSI-2 over DPHY）以及ToF傳感器的封裝和測試等方面逐點(diǎn)剖解了ToF傳感器技術(shù)的設(shè)計(jì)問題以及解決方案。在分析ToF系統(tǒng)和ToF系統(tǒng)方案的構(gòu)成時(shí)，梅健老師利用應(yīng)用實(shí)例為學(xué)員講解，并表示：因?yàn)榕c場景強(qiáng)相關(guān)，目前ToF系統(tǒng)無論對(duì)ToF傳感器創(chuàng)業(yè)公司還是對(duì)終端客戶而言，都是很復(fù)雜的；譬如，客戶所用的處理器差別就非常大。

賀若愚老師從事ToF相機(jī)/攝像頭光學(xué)系統(tǒng)仿真、故障排除與性能優(yōu)化等ToF傳感器芯片及模組的技術(shù)支持工作多年，具備豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，賀若愚老師主要從量產(chǎn)的角度解析iToF模組。賀若愚老師的課程是從iToF模組量產(chǎn)遇到的需求和困難入手，直擊iToF模組量產(chǎn)的最核心問題。隨后，賀若愚老師針對(duì)iToF模組中DRNU、溫漂、環(huán)境光效應(yīng)、信號(hào)幅度效應(yīng)等可能產(chǎn)生誤差源的技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了剖析，并根據(jù)自己工作中的實(shí)際案例，針對(duì)上述問題與大家分享了矯正和補(bǔ)償方法。賀若愚老師坦言，對(duì)于優(yōu)化終端客戶iToF模組性能的本質(zhì)是更清晰地了解需求，并做好成本與模組規(guī)格間的平衡。課程最后，賀若愚老師通過多個(gè)典型故障排除案例，帶領(lǐng)學(xué)員自查對(duì)本次課程所講內(nèi)容的消化程度。

梁偉老師師從美國兩院院士半導(dǎo)體激光器發(fā)明人Amnon Yariv，并擁有多篇高影響力論文和多項(xiàng)發(fā)明專利。梁偉老師以對(duì)調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)的發(fā)展歷史和工作原理為開端，對(duì)比了FMCW激光雷達(dá)與脈沖激光雷達(dá)區(qū)別，從而確認(rèn)了調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)的關(guān)鍵性能參數(shù)。梁偉老師相信相比于脈沖式激光雷達(dá)，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)在功率、抗干擾性、測速、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、人眼安全及硅光芯片集成等多方面均處于優(yōu)勢地位。隨后，梁偉老師講解了FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)組成，并著重分析了其中對(duì)iToF模組的性能要求。在講解目前FMCW激光雷達(dá)的量產(chǎn)難點(diǎn)中，梁偉老師表示，相較于目前脈沖激光雷達(dá)性能提升和成本下降較快，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)技術(shù)的不成熟是量產(chǎn)所面臨的最大挑戰(zhàn)。課程后半部分，梁偉老師重點(diǎn)剖析了FMCW激光雷達(dá)對(duì)線性調(diào)頻窄線寬激光器與光電平衡探測器兩方面的要求，并表示：考慮激光掃頻速率（代表測距精度）與平衡探測器帶寬（FPGA性能）間的綜合成本是關(guān)鍵。梁偉老師在課程最后，為學(xué)員介紹目前全球FMCW激光雷達(dá)主要供應(yīng)商及其典型產(chǎn)品，讓大家了解走在行業(yè)前列的標(biāo)桿。同時(shí)梁偉老師總結(jié)道：半導(dǎo)體激光是最有可能滿足量產(chǎn)、低成本和車規(guī)要求，但性能與成本尺寸之間的平衡還需解決。

沈文江老師深耕MEMS微鏡及MEMS激光雷達(dá)研發(fā)多年，并且在MEMS微鏡商業(yè)化上具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，本次課程以MEMS激光雷達(dá)設(shè)計(jì)及其核心元器件MEMS微鏡為主題為學(xué)員講授。課程伊始，沈文江老師介紹了MEMS激光雷達(dá)的應(yīng)用發(fā)展和工作原理，并重點(diǎn)介紹了機(jī)械旋轉(zhuǎn)式、Flash式、OPA以及MEMS掃描式等主流激光雷達(dá)的優(yōu)劣勢對(duì)比。隨后，沈文江老師根據(jù)MEMS激光雷達(dá)系統(tǒng)情況，詳細(xì)分析了對(duì)ToF傳感器的要求。在MEMS微鏡針對(duì)激光雷達(dá)應(yīng)用的設(shè)計(jì)和制造的講解中，沈文江老師認(rèn)為，利用dToF MEMS微鏡實(shí)現(xiàn)激光脈沖掃描，有望解決機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)面所臨的問題；而激光雷達(dá)對(duì)MEMS微鏡的要求主要體現(xiàn)在車載穩(wěn)定性和性能指標(biāo)兩方面。接著，沈文江老師根據(jù)幾項(xiàng)國內(nèi)外研究綜合介紹了基于MEMS微鏡的激光雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)架。最后，沈文江老師結(jié)合自己在開發(fā)車載MEMS微鏡過程中遇到的各類問題及積累的經(jīng)驗(yàn)，分析了MEMS激光雷達(dá)國內(nèi)外主要供應(yīng)商和典型產(chǎn)品。沈文江老師總結(jié)道，iPhone 12 Pro搭載了dToF激光雷達(dá)，這為智能手機(jī)激光雷達(dá)開創(chuàng)先例；而MEMS激光雷達(dá)在成本與性能平衡的前提下，也有望用于智能手機(jī)。

四、結(jié)語

麥姆斯咨詢在四年多的不懈努力下，已將“見微知著”系列培訓(xùn)課程從經(jīng)典的“MEMS設(shè)計(jì)、制造、封裝和測試”出發(fā)，逐漸拓展到光學(xué)、生物、慣性、聲學(xué)等細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域，獲得了業(yè)界廣泛好評(píng)。2020年，麥姆斯咨詢不懼新冠疫情，盡己所能為大家創(chuàng)造了線下交流和學(xué)習(xí)的寶貴平臺(tái)；2021年，麥姆斯咨詢還將繼續(xù)整裝出發(fā)，秉持一貫的專業(yè)精神，為廣大學(xué)員帶來更多的精品課程！

原文標(biāo)題：深挖ToF傳感器核心技術(shù)，探究3D傳感熱門應(yīng)用

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