自被引入自動駕駛系統(tǒng)，成為無人車安全行駛必備的三維視覺傳感器至今，基于直接飛行時(shí)間（dToF）技術(shù)的激光雷達(dá)（LiDAR）已從單一的電機(jī)旋轉(zhuǎn)掃描式發(fā)展出多種體制，如旋轉(zhuǎn)棱鏡、MEMS振鏡、Flash陣列等。每一款商用化LiDAR產(chǎn)品的推出，都推動著其向更小體積、更低成本、更易量產(chǎn)的方向發(fā)展。

目前LiDAR產(chǎn)品的演進(jìn)，主要是由光學(xué)系統(tǒng)的精密化來推動的，而光電傳感器、激光驅(qū)動器、前端接收電路、后端處理芯片等均沒有太大變化，若無法使這些關(guān)鍵電路達(dá)到更高的集成度、更全面的功能、更高的性能，激光雷達(dá)的發(fā)展將會進(jìn)入顯而易見的瓶頸期。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)掃描式和MEMS振鏡式LiDAR受到前端光電探測器及其接收電路在集成度和性能等方面的限制，其空間分辨率和靈敏度難以提升，對探測小體積和遠(yuǎn)距離的目標(biāo)物常常力有不逮。

單光子雪崩二極管（SPAD）傳感器、垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）、高低壓數(shù)?；旌霞呻娐返燃夹g(shù)的發(fā)展為LiDAR帶來了更多的可能性和更廣闊的應(yīng)用空間?；赩CSEL和SPAD陣列的dToF技術(shù)是公認(rèn)的實(shí)現(xiàn)小型化、低成本、易量產(chǎn)LiDAR的一條重要路徑。

在出射光源受到人眼安全、功耗等條件限制時(shí)，遠(yuǎn)距離目標(biāo)物反射回LiDAR接收系統(tǒng)的光強(qiáng)會隨著距離的增加急劇減弱，甚至被弱化至單個(gè)光子的級別。而正如其名稱，SPAD是一種可以被弱光觸發(fā)的光電二極管，同時(shí)具有體積小、靈敏度高等特點(diǎn)，可以與后端處理電路一同被集成在單顆芯片上，實(shí)現(xiàn)多像素3D圖像傳感器，使得基于SPAD的探測芯片可廣泛適用于移動終端、智能家居、智慧交通、工業(yè)機(jī)器人以及自動駕駛等領(lǐng)域。蘋果公司即在今年初發(fā)布的2020款iPad Pro上搭載了基于SPAD陣列的dToF傳感器。相比于智能手機(jī)上常用的間接飛行時(shí)間（iToF）傳感器，dToF具有靈敏度高、測量距離遠(yuǎn)、功耗低、抗多路徑干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

針對移動設(shè)備遠(yuǎn)距離三維感知的需求，寧波芯輝科技有限公司（以下簡稱「芯輝科技」）近日發(fā)布了基于dToF探測的XHS301芯片，該芯片采用其行業(yè)領(lǐng)先的dToF單光子探測技術(shù)，XHS301為32 x 32 x 4分辨率、超30fps的刷新率，在單芯片上實(shí)現(xiàn)了核心感光器件SPAD陣列及精準(zhǔn)測距電路、多種測距精度優(yōu)化和抗背景光干擾算法的高度集成，內(nèi)置經(jīng)低功耗優(yōu)化的專用數(shù)字處理算法（DSP）和圖像處理算法（ISP），可以在不超過200mW的整體超低功耗下實(shí)現(xiàn)超15米的遠(yuǎn)距離高精度探測。

圖1 XHS301芯片照片

圖2 XHS301樣機(jī)

圖3 XHS301探測的點(diǎn)云圖

“芯輝團(tuán)隊(duì)主要成員均為國內(nèi)的博士和碩士，從2014年開始專注于芯片化激光雷達(dá)技術(shù)研究，最新SPAD芯片的成功開發(fā)表明，芯輝團(tuán)隊(duì)的技術(shù)水平完全不輸于國外最先進(jìn)水平。在今年下半年，我們還將推出QVGA分辨率的dToF SPAD探測芯片，更貼近增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、智能家居等市場的應(yīng)用需求。”「芯輝科技」聯(lián)合創(chuàng)始人兼CTO劉馬良博士介紹說，“同時(shí)，我們相信傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式和MEMS式LiDAR不會立刻被淘汰，更高性能和更高集成度的前端模擬芯片將有效提升旋轉(zhuǎn)式和MEMS振鏡式LiDAR的視場角、空間分辨率和距離精度，大幅縮小LiDAR的成本和體積，為LiDAR打開更廣泛的應(yīng)用場景和市場空間。未來芯輝將向市場提供含有傳感器芯片、激光器驅(qū)動芯片、自動化標(biāo)定系統(tǒng)及三維圖像算法的一站式解決方案?！?

據(jù)介紹，除最新發(fā)布的單光子探測陣列芯片XHS301外，「芯輝科技」還量產(chǎn)了多款可應(yīng)用于線性模式探測激光雷達(dá)的專用芯片，包括多通道跨阻放大器（XTA1620/XTA0820）、多回波高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（XTD50）、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（XAD1010），以及集成度更高的多模塊激光雷達(dá)接收芯片，適用于MEMS振鏡式、旋轉(zhuǎn)掃描式等多種體制激光雷達(dá)。

XTA1620/XTA0820是16/8通道低噪聲跨阻放大器，適用于線性模式APD前端探測電路。均具有4檔可調(diào)增益，內(nèi)置輸出驅(qū)動電路，具有50Ω負(fù)載電阻驅(qū)動能力。

XTD50是針對dToF激光雷達(dá)特殊優(yōu)化的高精度高線性度的單通道時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片。該芯片內(nèi)置數(shù)據(jù)處理電路，可快速獲取并處理多個(gè)終止信號，時(shí)間分辨率優(yōu)于50ps，適用于激光雷達(dá)多回波探測和有效信號篩選。

XAD1010是一款適用于線性模式激光雷達(dá)回波信號全波形采樣的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在獲取目標(biāo)距離信息的同時(shí)捕捉回波的強(qiáng)度信息，提高激光雷達(dá)探測精度和探測效率。