摘要：

散斑直接飞行时间（Spot dToF）系统，区别于普通的Flash dToF系统，其投射出的激光，并非闪光灯式的均匀光，而是由多束不同出射角的激光束组成。激光束照射到物体上会形成规则的光斑阵列（Spot Array），部分返回并被接收端的单光子雪崩二极管（SPAD）阵列接收，通过记录光子往返的飞行时间，从而计算出每个Spot所在位置的深度。Spot dToF系统在信号质量、测距范围、点云密度、功耗和芯片电路设计之间，取得了最佳的平衡，将是AR/VR系统不可或缺的硬件支撑之一。

继苹果（Apple）公司的激光雷达扫描仪（LiDAR Scanner）技术之后，世瞳微近日发布了自研Spot dToF系统，为国内首发。该系统的单帧点云数量为576，SPAD阵列的像素分辨率为120 × 120，点云深度精度约3mm，在相同的激光功率下，其深度数据的SNR有10×以上的提升。

正文：

2020年3月，苹果公司发布了黑科技LiDAR Scanner，搭载在iPad Pro平板电脑上，来支撑其增强现实（AR）愿景以及改善相机拍照效果，一经发布，就成为了业界的标杆。LiDAR Scanner创造性地将Spot投射技术，与基于SPAD阵列的dToF技术相结合，破解了高分辨率SPAD阵列功耗的难题，同时能提供高精度、高空间分辨率、中远距离的稀疏点云，很好地满足了AR系统的需求。

据麦姆斯咨询报道，近日，上海世瞳微电子发布了其自研Spot dToF系统，代号为Polarstar，能够在空间中均匀地投射出576个光斑，并获取这些激光光斑在物体反射位置的深度信息，形成高质量的点云图。该Spot dToF系统模组实物如图1所示，主要由发射端（Tx）和接收端（Rx）构成，左侧方形部件为散斑投射器（Spot Projector），主要由4 × 16的点阵垂直腔面发射激光器（VCSEL）芯片、准直镜和3 × 3复制系数的光学衍射元件（DOE）组成，其投射的940nm激光光斑图案，如图2所示，为均匀排布的576个光斑，每相邻最近的3个Spot构成一个等边三角形。接收端Rx的SPAD传感器型号为HHC0101，这是世瞳微先前发布的一款120 × 120分辨率的自研SPAD阵列，光学靶面1/3英寸。详见：惚恍微SPAD HDR成像。

                                                          图1 世瞳微Polarstar Spot dToF模组实物照片

                    图2 由红外相机拍摄，Spot Projector投射出的激光光斑，共576 spots

为了评价HHC0101的基础3D成像效果，接收端Rx搭配常规的Flash均匀激光光源，对玩具小车进行了成像，并用点云图进行展示，如图3所示。在深度伪彩色的标记下，可以清楚的看到小车各个部件的深度信息，其中车厢平面的点云精度约为3mm（统计STD值），点云分辨率为120 × 120。

图3 拍摄场景，以及搭配普通的Flash激光照明的120 × 120分辨率点云图。a) 被拍摄物体照片。b) 搭配常规Flash均匀激光投射器拍摄的3D点云图，分辨率为120 × 120，正面视角。c) 侧面视角，清晰的看到小车各个部件在Z轴（深度）方向上的分布

在单个Spot覆盖了多个SPAD像素的情况下，如何准确找到Spot的中心位置？世瞳微开发了Spot寻址算法，利用了dToF直方图所包含的强度信息，能够准确定位Spot中心对应的像素。

对比Spot中心像素与搭配常规Flash激光工作像素的原始直方图，发现在激光功率大致相同的情况下，Spot中心像素的直方图峰值是Flash模式下的10倍以上，这得益于Spot模式下，激光能量得到了聚焦。因此，Spot dToF在激光功率受限的情况下，可获得高信噪比的点云，达到5m的测距范围，并且抗阳光干扰能力出色。

图4 Polarstar模组拍摄的点云图，与场景灰度图进行了融合和简单网格划分，并用伪彩色标记Z轴深度

总结

Spot dToF系统由于激光光斑能量集中，具有信噪比高、测距远、抗阳光干扰等优势。其稀疏的高质量点云，可以为AR设备的环境感测系统提供可靠的“锚点”，对即时定位与地图构建（SLAM）、Mesh等基础功能模块有着重要作用。通过AR设备的移动扫描，配合摄像头以及惯性测量单元（IMU）传感器，以及多传感器融合算法，稀疏的点云将变得足够的稠密。

Spot dToF系统同样可用于车载激光雷达，尤其适合中、近距离的补盲雷达。在机器人领域，Spot dToF系统可靠的点云锚点，能够大幅度改善定位、导航系统的鲁棒性。

Spot dToF系统对SPAD阵列的要求大大提高了，要求Sensor必须变得非常智能，比如，能够实时追踪Spot在SPAD面阵上的移动，开启Spot覆盖的特定SPAD像素，并将附近的TDC电路配置给被点亮的像素群。因此芯片的架构需要大幅度的调整，存在巨大的创新空间。

据悉，世瞳微是国内为数不多有Spot dToF芯片研发能力的公司，Polarstar模组为国内首发。在研发过程中，积累了关于Spot dToF系统的宝贵Know-how，并计划在下一颗SPAD阵列芯片内合入优化设计，包括片上Spot寻址算法、TDC的动态分配、直方图压缩、动态打光控制等关键技术，追求更加智能和更低的功耗。

特别感谢

Polarstar模组中所用dToF专用Laser Driver，来自光梓科技，具有驱动功率高，脉冲窄等特点。Driver产生的脉冲可窄至数百ps，远优于常规Driver的1~2ns，对dToF系统的测距精度有明显提升。

光源部分，采用了纵慧的一款为Spot dToF系统设计的4 x 16点阵排布的VCSEL芯片，该芯片具备单点输出光功率高，能效比高的特点，很好地满足了系统的设计要求。

模组方案，由世瞳微与模组厂联合设计。