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

目前LiDAR產品的演進，主要是由光學系統的精密化來推動的，而光電傳感器、激光驅動器、前端接收電路、后端處理芯片等均沒有太大變化，若無法使這些關鍵電路達到更高的集成度、更全面的功能、更高的性能，激光雷達的發展將會進入顯而易見的瓶頸期。傳統旋轉掃描式和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，對探測小體積和遠距離的目標物常常力有不逮。

單光子雪崩二極管（SPAD）傳感器、垂直腔面發射激光器（VCSEL）、高低壓數模混合集成電路等技術的發展為LiDAR帶來了更多的可能性和更廣闊的應用空間。基于VCSEL和SPAD陣列的dToF技術是公認的實現小型化、低成本、易量產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，遠距離目標物反射回LiDAR接收系統的光強會隨著距離的增加急劇減弱，甚至被弱化至單個光子的級別。而正如其名稱，SPAD是一種可以被弱光觸發的光電二極管，同時具有體積小、靈敏度高等特點，可以與后端處理電路一同被集成在單顆芯片上，實現多像素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、工業機器人以及自動駕駛等領域。蘋果公司即在今年初發布的2020款iPad Pro上搭載了基于SPAD陣列的dToF傳感器。相比于智能手機上常用的間接飛行時間（iToF）傳感器，dToF具有靈敏度高、測量距離遠、功耗低、抗多路徑干擾強等優點。

據麥姆斯咨詢報道，針對移動設備遠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」）近日發布了基于dToF探測的XHS301芯片，該芯片采用其行業領先的dToF單光子探測技術，XHS301為32 x 32 x 4分辨率、超30fps的刷新率，在單芯片上實現了核心感光器件SPAD陣列及精準測距電路、多種測距精度優化和抗背景光干擾算法的高度集成，內置經低功耗優化的專用數字處理算法（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現超15米的遠距離高精度探測。

圖1 XHS301芯片照片

圖2 XHS301樣機

圖3 XHS301探測的點云圖

“芯輝團隊主要成員均為國內的博士和碩士，從2014年開始專注于芯片化激光雷達技術研究，最新SPAD芯片的成功開發表明，芯輝團隊的技術水平完全不輸于國外最先進水平。在今年下半年，我們還將推出QVGA分辨率的dToF SPAD探測芯片，更貼近增強現實（AR）、智能家居等市場的應用需求。”「芯輝科技」聯合創始人兼CTO劉馬良博士介紹說，“同時，我們相信傳統旋轉式和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、激光器驅動芯片、自動化標定系統及三維圖像算法的一站式解決方案。”

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

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檔可調增益，內置輸出驅動電路，具有50Ω負載電阻驅動能力。

XTD50是針對dToF激光雷達特殊優化的高精度高線性度的單通道時間數字轉換器芯片。該芯片內置數據處理電路，可快速獲取并處理多個終止信號，時間分辨率優于50ps，適用于激光雷達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回波信號全波形采樣的高速模數轉換器，在獲取目標距離信息的同時捕捉回波的強度信息，提高激光雷達探測精度和探測效率。

「芯輝科技」聯合創始人兼CEO馬瑞博士說：“芯輝團隊以自主可控為前提，具有深厚的模擬芯片設計積淀，掌握100余項相關的授權發明專利，是極少數完全在國內完成光電傳感器件、混合信號集成電路、及芯片參考設計等核心技術開發的公司。隨著激光雷達市場發展以及國產芯片替代進程的加速，芯輝科技將持續提供更貼近市場需求的產品，為客戶創造更多價值。歡迎全球優秀的行業人才加入芯輝，與我們的伙伴們、客戶們持續創新、共同創造、共同成長，使「芯輝科技」成為具備全球競爭力的光電類集成電路設計企業。”
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