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世瞳微电子:专注SPAD dToF 3D传感技术,为AI打造超级视觉

来源:本站日期:2022-10-17

微访谈:世瞳微电子首席执行官李强

访谈背景:上海世瞳微电子科技有限公司(简称:世瞳微电子,原名:惚恍微)成立于2021年初,总部位于上海张江,专注于设计和开发高精度、低功耗、并具备成本竞争力的SPAD dToF 3D传感芯片。成立至今,世瞳微电子积累了丰富的SPAD相关技术诀窍(Knowhow),并成功推出了首款SPAD面阵芯片、散斑直接飞行时间(Spot dToF)系统等新品,引起业界广泛关注。近期,麦姆斯咨询采访了世瞳微电子首席执行官(CEO)李强先生,带领大家深入了解世瞳微电子在3D传感及成像领域的布局和展望。




世瞳微电子首席执行官李强


麦姆斯咨询:李总,您好,感谢您接受麦姆斯咨询的采访!首先请您自我介绍一下。

李强:您好,非常感谢提供这个交流机会。我本科毕业于清华大学电子系,研究生毕业于清华大学微电子所,2011年毕业后加入了格科微,做了5年的图像传感器像素(Pixel)设计,2016年加入华为终端,一直负责华为手机旗舰机所有图像传感器的定制工作。到了2021年,决心自己做芯片,方向是机器视觉类的图像传感器,致力于做好机器/AI的眼睛。


麦姆斯咨询:接下来,请您介绍世瞳微电子公司基本情况、发展愿景及核心团队成员背景。

李强:经过一年多的发展,我们到岗的工程师已经将近50人,各个岗位已配置齐全,都在上海张江。团队的核心成员都来自我的朋友圈、同事、同学,基本上都是业界的精英工程师,主要来自华为终端、海思、格科微、大疆、海尔集成电路、ams等业界知名大厂。

我们的愿景是做机器/AI的眼睛,使物体能够自主移动。当前有个明显的趋势,自主移动机器人将越来越多地进入人们的日常生活,从家用的扫地机,到工厂仓库里的工业机器人,再到自动驾驶汽车,这些都需要可靠的3D环境感知能力。AR/VR设备虽然不需要自主移动,但也需要对3D物理世界进行准确感知。


麦姆斯咨询:近些年,国内3D传感领域百花齐放,世瞳微电子作为一家初创公司,在竞争激烈的市场环境下,如何突围而出?

李强:主要还是靠团队。团队的几个核心位置都是顶配,我们有业界少有的SPAD dToF科班出身的架构师,我们有多位多年从事像素开发的高手,在模拟电路和数字电路方面有一批从业10余年的精英工程师,在系统应用方面我们有跟着3D传感行业一起成长起来的一批业界精英,包括器件、算法、光学等。我们团队的背景,决定了我们对3D传感领域有着深入的了解,尤其是对系统、需求端的把握。我们也一直在思考,如何产业化,快速商业落地。

透露一个讯息,我们第一颗单点激光距离传感器芯片已回片,并且一把点亮出图,充分证明了团队的实力和研发水平。在外部资源获取上,在天使投资的帮助下,我们得到了关键Fab的大力支持,在Fab资源稀缺的情况下,这将是我们的优势之一。在客户端,我们非常幸运地获得了很多重要客户的信任和支持,使得我们能够快速朝着商业落地前进。


麦姆斯咨询:20221月,在成立不到一年的时间里,世瞳微电子已成功研发并发布首款SPAD面阵芯片。该产品主要性能参数及目标市场如何?

李强:这是一款Proto芯片,分辨率为120 x 120像素,为了节省时间,快速验证技术,接口等模块就省略了。基于这颗芯片,我们做了2个Demo,一个是HDR成像,我们是国内唯一探索SPAD做成像的公司,主要利用SPAD成像天然的宽动态范围和单光子的高灵敏度。这项技术非常适合安防监控领域,应对暗光和高动态场景。另一个是Spot dToF,将激光散斑投射技术和SPAD dToF结合在一起,可以获得高质量的点云图,同时保持很低的功耗。我们也是继苹果之后的国内首发,产品适用于AR/VR设备。


基于SPAD的HDR成像:https://mp.weixin.qq.com/s/jJ7VfUK3Orzhx8WdL3vrrg

基于SPAD的Spot dToF:https://mp.weixin.qq.com/s/jJ7VfUK3Orzhx8WdL3vrrg


麦姆斯咨询:相比传统的CMOS图像传感器,您如何看待SPAD图像传感器的优势在2D彩色成像领域的发挥?

李强:主要有两方面优势:(1)单光子灵敏度;(2)天然的高动态范围。传统的CMOS图像传感器(CIS)由于存在读出噪声这一限制,在暗光下始终存在电路噪声,而SPAD的好处在于没有读出噪声这一限制,仅仅受限于SPAD像素本身的暗计数,这一点会随着工艺的不断优化快速减小。关于高动态,CIS由于满阱容量的限制(FWC),单帧的动态范围一般不会超过60-70dB,需要多帧叠加来拓展动态范围,面对动态场景,比如快速移动的汽车,经常会产生“鬼影”,算法不容易处理。SPAD做2D成像,利用的是Quantum Image Sensing原理,动态范围更宽,在我们之前发布的HDR成像demo中,轻松达到了96dB,还可以继续提高。业界标杆Sony最高已经做到了144dB。

SPAD还有个特点,超高的时间分辨能力,可以到100ps这个级别,非常契合某些高端仪器设备需求,比如荧光寿命成像显微镜(FLIM),有望提升2个数量级的拍摄效率。


麦姆斯咨询:20225月,世瞳微电子又发布了自研的散斑直接飞行时间(Spot dToF)系统,请问该系统具有哪些创新之处?整合了国内哪些产业链资源?

李强:Spot dToF的主要创新之处在于激光散斑投射技术与SPAD面阵的结合,解决了高分辨率SPAD dToF的功耗问题。激光散斑能量聚焦,信噪比相比Flash有数量级的提升,抗阳光性能也更好。这套系统对SPAD面阵提出了很高的要求,除了小尺寸高感度的SPAD pixel,芯片架构上要实现新的功能,例如根据Spot投射在SPAD面阵上的位置,灵活、准确、实时地开关对应的SPAD pixel以及调用TDC资源。我们之前发布的Demo,有几个关键元器件均来自国内伙伴,VCSEL芯片来自纵慧芯光,dToF专用激光器Driver来自光梓科技。



世瞳微电子Spot dToF系统


麦姆斯咨询:相比机械扫描式及泛光式(Flash)激光雷达,世瞳微电子的Spot dToF系统有哪些优势?在手机和汽车领域的典型应用功能有哪些?

李强:Spot dToF系统非常适合手机、AR/VR眼镜等移动设备,功耗低,又能提供高质量的点云信息,可以作为空间定位和重建的锚点来使用。在汽车领域上,相比于单纯的Flash激光雷达,Spot dToF光斑聚焦的特点有利于提升太阳光的对比强度。


麦姆斯咨询:据悉,世瞳微电子近期还将推出手机和AIoT应用的1D光学测距传感器,能否先透露一些内容?

李强:是的,我们的单点激光距离传感器芯片已经回片,并且一把点亮出图,目前正在做最后的效果调优。这颗1D ToF传感器的测距距离为4m,精度1~3%,封装紧凑,适合手机对焦、智能家居等各种IoT设备的感应操纵。一切顺利的话,今年9月光博会期间就会正式发布,并开始给客户送样。




麦姆斯咨询:在技术路线方面,请谈谈世瞳微电子的SPAD面阵芯片在制造工艺、像素阵列、PDE、串扰、动态范围、恢复时间等领域的规划情况?

李强:SPAD dToF技术在过去的几年里,有了很大的进步,这得益于终端创新需求的驱动。我们认为SPAD技术还有很大的创新空间,值得我们去努力探索,参考传统的CMOS图像传感器,花了几十年的时间,达到了现在的高度。

SPAD像素技术,正在往更小的尺寸演进,Sony的商用产品已经做到了10μm,我们目前正在开发10μm的像素,还可以做得更小,正在快速追赶中。目前挑战在于,在像素缩小的同时,保证PDE、DCR、串扰等关键指标不退化,甚至提升。我们已经有了明确的设计思路,用charge focusing结构、红外增强微结构、金属DTI等,PDE有望达到20~30%@905nm,串扰控制到可以忽略。动态范围主要依赖像素做小和TDC部分的架构创新,恢复时间可以用主动淬灭方式做短,根据具体的系统需求来定义。


麦姆斯咨询:您如何看待国内SPAD传感产业成熟度?薄弱环节在哪些方面?

李强:国内的SPAD厂商普遍成立时间较短,相比Sony等头部厂商,在芯片架构、像素设计、具体模块性能上都存在差距,大家在奋力追赶中。另外,对国内Fab来说,SPAD还是很新的一个技术,工艺方面还需要开发和积累。


麦姆斯咨询:索尼已经推出集成人工智能(AI)的CMOS图像传感器,您如何看待AISPAD图像传感器的结合及未来应用前景?

李强:先进工艺、3D stack技术以及AI技术本身的快速发展,使得AI CIS的构想成为可能。这一套同样适用于SPAD传感器,在短期内可以预见到的是,AI可以处理SPAD的直方图数据,比传统算法更准确,尤其是在直方图受到背景光强干扰的时候。


麦姆斯咨询:国内安卓(Android)手机阵营在3D传感领域进展不如苹果公司,主要原因在哪?世瞳微电子为此做了哪些工作?

李强:AR技术的研发充满挑战,当前技术拼图还不完整,无论是操作系统、芯片、显示、续航、各种传感技术,都是一块块硬骨头。强如苹果,他们的AR/VR眼镜也一再推迟,国内的AR终端公司也在大力投入,还需要时间。

世瞳微电子作为元器件厂商,也一直在为此做准备,我们发布了一款120 x 120分辨率的SPAD面阵,基于此搭建了一套Spot dToF系统,目标市场就是手机、智能眼镜等AR/VR设备。我们会持续投入,迭代技术,配合国内的终端厂商做好准备。


麦姆斯咨询:除了手机和汽车两大领域,SPAD在弱光、高速、高计时精度方面的优势还能应用于天文学、生命科学等领域,世瞳微电子是否有规划布局?

李强:我们在设计一款高分辨的SPAD面阵,主要功能是时间分辨成像,非常适合荧光寿命成像显微镜(FLIM)。目前商用的FLIM很多采用PMT加上TDC的方式,单点扫描,效率非常低,拍一张图往往要花费几个小时。SPAD面阵做FLIM成像的效率很高,理论上可以做到视频级帧率。


麦姆斯咨询:在知识产权(尤其是专利)方面,世瞳微电子重点布局了哪些技术领域?

李强:我们申请了一些专利,芯片架构、像素设计以及具体的模块方面都有涉及,比如针对背景光抑制、如何解决多机干扰问题、直方图压缩技术、Spot tracking等方面。

麦姆斯咨询:世瞳微电子后续的融资计划如何?青睐于哪些类型的投资方?

李强:我们正在进行Pre-A融资计划,当前我们比较倾向于能互相协同的投资方,比如手机、汽车行业产投、半导体头部VC等。


麦姆斯咨询:20229月,您将参加『第34微言大义研讨会:3D视觉技术及应用』并发表主题演讲,是否可以先剧透一些内容?

李强:非常感谢麦姆斯咨询今年的邀请,让我有机会在本届“微言大义”研讨会上做分享。麦姆斯咨询是一个非常专业的3D传感技术交流平台,本次我将以亲历者的视角回顾整个3D深度传感器商用历程以及其中涌现出来的多个商业机会,并且分析目前整个3D深度传感器的市场现状。

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