天寒日短，勤學苦思更顯珍貴；來年生機，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電子網協辦的《第29期“見微知著”培訓課程：ToF傳感器技術及應用》，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”培訓課程：ToF傳感器技術及應用》師生合影留念

從“2017年iPhone X首次采用3D人臉識別，引爆消費領域3D視覺市場”起，以ToF、結構光、雙目視覺等方案為代表的3D傳感技術在四年間不斷進化，結合人工智能（AI）改變著我們的工作和生活。除了前置結構光應用于3D人臉識別，iToF模組在安卓智能手機廣泛普及、dToF模組在iPhone 12 Pro系列面世后，也擁有了目力可及的廣闊應用前景，這些均使得ToF技術成為2020年度業(yè)內最受關注的技術之一。在智能手機、自動駕駛、智能家居、人臉支付、智能門鎖，甚至炙手可熱的增強現實和虛擬現實（AR & VR）等領域，ToF技術都占據著重要地位。因此ToF技術也成為業(yè)內人士亟待了解和學習的重要內容。為此，麥姆斯咨詢開辦《第29期“見微知著”培訓課程：ToF傳感器技術及應用》，邀請了ToF傳感器技術領域的著名專家、學者以及產業(yè)界的資深從業(yè)人士，從ToF傳感器核心元器件、iToF和dToF模組等方面進行深入解析，旨在通過課程幫助ToF傳感器產業(yè)鏈上下游廠商相關人員理清技術發(fā)展脈絡、提升專業(yè)技能。

一、研學技術綜述，打好專業(yè)基礎

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合創(chuàng)始人兼首席技術官劉馬良兩位老師從不同的角度為大家開啟了ToF傳感器基礎知識的研學之旅，以便為后續(xù)課程的學習打下堅實的基礎。

《ToF傳感器技術綜述》由雷述宇老師為大家講授。雷述宇老師擁有20余年研發(fā)和產品設計經驗，憑借其對技術的深度理解和剖析，獲得了本場學員的一致贊譽。雷老師從3D深度視覺的研究背景和基礎知識入手，向大家詳細講解了3D視覺主流技術分類、性能對比以及ToF技術的基本概念。雷述宇老師認為，ToF憑借其優(yōu)秀的性能指標和廣泛的場景適配性，成為最具潛力的3D視覺技術方案。隨后，雷述宇老師又從測距方法、技術原理、關鍵技術指標、關鍵器件、探測模式等方面為大家解析了iToF與dToF的異同，讓大家對ToF傳感器的技術情況有了清晰的認識。接著，雷述宇老師從ToF市場應用及規(guī)模、代表廠商及其產品兩個重要角度，為大家描繪出目前ToF產品的市場情況。課程最后，雷述宇老師對熱門的蘋果dToF方案做了剖析。

劉馬良老師的主要工作方向為高速數據轉換器（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_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技術的代表應用——激光雷達的角度，對SPAD探測器和模擬前端芯片的基礎知識做了綜合性介紹。劉馬良老師首先通過激光雷達的應用、發(fā)展情況及工作原理，引出了目前激光雷達技術發(fā)展的主要瓶頸，并清楚地解析了激光雷達抗干擾技術。隨后，劉馬良老師從設計、評價參數、應用等方面介紹了SPAD探測器以及跨阻放大器（TIA）和模數轉換（ADC）模擬前端芯片。課程最后，在為學員介紹了SPAD QVGA圖像傳感器、動目標監(jiān)測SPAD傳感器、分塊掃描SPAD傳感器、SPAD傳感器醫(yī)學應用后，劉馬良老師對基于SPAD探測器的多種激光雷達研究系統(tǒng)設計做了詳細剖析和對比分析。

二、逐個擊破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ToF傳感器的各種核心元器件進行講解。拜蘋果所賜，基于dToF技術的激光雷達從汽車電子領域躥紅到了消費電子領域，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有限公司創(chuàng)始人、德國海德堡大學研究員沈煒通過網絡講授；《ToF傳感器之光電探測器：APD》課程由中國科學院上海技術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SPAD、APD以及SiPM的基本參數和性能做了對比。接著，賈捷陽老師詳細剖析了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，賈捷陽老師通過iToF與dToF在反射率誤差和MPI誤差對比中，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、3D測繪、AR等移動設備的3D傳感應用中，單點dToF在抗環(huán)境光、能耗、復雜環(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產品等目前已進入實戰(zhàn)的SPAD dToF。賈捷陽老師憑借其活潑風趣的講課風格，以及干貨滿滿的課程內容，贏得了學員的認可。

身在德國的沈煒老師雖遠隔萬里，但通過網絡與大家完成了一場在2020年疫情期間獨有且高質量的網絡授課。作為國際半導體探測器和微電子學專家，沈煒老師憑借在學術界積淀的研究學識，以及在產業(yè)界積累實戰(zhàn)經驗，以常見的PD、APD、SiPM等光電探測器的關鍵性能為開端，引出了本場課程的主角SiPM。沈煒老師表示，SiPM的本質是蓋革雪崩二極管（SPAD）并聯組成的陣列，因此了解SPAD與SiPM的主要區(qū)別對理解SiPM尤為重要。接著，沈偉老師講解了SiPM的相關電子學，并且重點解析SiPM的像素性能與物理特性。沈偉老師表示，暗計數、后脈沖以及光串擾是SiPM/SPAD主要的物理性能缺陷。隨后，沈偉老師分享了SiPM在醫(yī)療領域以及在近紅外和短波紅外領域的應用。課程最后，學員對沈煒老師的“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。

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）和光微機電系統(tǒng)器件的研究工作，首先從雪崩物理機制講起，詳細分析APD工作原理、主要性能參數及影響因素，并分類簡述了線性和蓋革兩種工作模式下的APD，為學員理清了APD的主要性能參數。隨后程正喜老師介紹了單點、線陣和面陣APD探測器及市場上相應的產品，為學員理出一份獨屬APD的激光雷達“地圖”。接著，程正喜老師從關鍵技術（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，程正喜老師為學員介紹了汽車類激光雷達為APD帶來的機遇及挑戰(zhàn)。

郭建平老師在模擬與數模混合集成電路設計以及電源管理及激光雷達集成電路設計頗具經驗，他以“自動駕駛對激光雷達的需求”為切入點，對激光雷達接收電路中的模擬前端芯片進行了詳盡地講解。郭建平老師以脈沖式激光雷達的接收電路為例，詳細介紹了其中模擬前端器件選擇和電路設計，同時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、接收SoC芯片等方面，以國內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，能讓學員在收獲知識的同時，了解“用時該找誰”、“怎么用”。課程最后，郭建平老師憑借自己在中山大學的研究成果，向大家闡述了模擬前端芯片優(yōu)化設計及創(chuàng)新解決方案，為學員們在實際設計過程中提供了值得借鑒的實用經驗。

三、鉆研ToF模組，探究實現特定性能的最小單元

12月5日至12月6日的課程是針對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）光學有限公司現場應用工程師賀若愚講解《iToF模組（3D ToF相機）設計、量產問題及解決方案》課程。同時還邀請到中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員、博士生導師梁偉講授《iToF模組（FMCW激光雷達）設計及核心元器件》課程，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員沈文江傳授《dToF模組（MEMS激光雷達）設計及核心元器件》課程。

梅健老師在3D ToF圖像傳感器芯片、系統(tǒng)設計及解決方案設計等方向具備扎實的理論基礎和豐富的實戰(zhàn)經驗，梅健老師的課程主要從設計角度對iToF模組進行剖析。課程之初，梅健老師首先簡單分析了視覺技術的發(fā)展以及3D視覺技術的爆發(fā)；隨后進入正題，為大家逐一剖析ToF視覺技術方案。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。出身于模擬芯片設計工程師的梅健老師分享道，復雜電路模擬的精髓是構建簡化的結構分析，因此從簡化結構中看，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、ToF圖像傳感器基礎（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剖解了ToF傳感器技術的設計問題以及解決方案。在分析ToF系統(tǒng)和ToF系統(tǒng)方案的構成時，梅健老師利用應用實例為學員講解，并表示：因為與場景強相關，目前ToF系統(tǒng)無論對ToF傳感器創(chuàng)業(yè)公司還是對終端客戶而言，都是很復雜的；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/攝像頭光學系統(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支持工作多年，具備豐富的理論和實踐經驗，賀若愚老師主要從量產的角度解析iToF模組。賀若愚老師的課程是從iToF模組量產遇到的需求和困難入手，直擊iToF模組量產的最核心問題。隨后，賀若愚老師針對iToF模組中DRNU、溫漂、環(huán)境光效應、信號幅度效應等可能產生誤差源的技術點進行了剖析，并根據自己工作中的實際案例，針對上述問題與大家分享了矯正和補償方法。賀若愚老師坦言，對于優(yōu)化終端客戶iToF模組性能的本質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典型故障排除案例，帶領學員自查對本次課程所講內容的消化程度。

梁偉老師師從美國兩院院士半導體激光器發(fā)明人Amnon Yariv，并擁有多篇高影響力論文和多項發(fā)明專利。梁偉老師以對調頻連續(xù)波（FMCW）雷達的發(fā)展歷史和工作原理為開端，對比了FMCW激光雷達與脈沖激光雷達區(qū)別，從而確認了調頻連續(xù)波（FMCW）雷達的關鍵性能參數。梁偉老師相信相比于脈沖式激光雷達，FMCW激光雷達在功率、抗干擾性、測速、靈敏度、動態(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激光雷達系統(tǒng)組成，并著重分析了其中對iToF模組的性能要求。在講解目前FMCW激光雷達的量產難點中，梁偉老師表示，相較于目前脈沖激光雷達性能提升和成本下降較快，FMCW激光雷達技術的不成熟是量產所面臨的最大挑戰(zhàn)。課程后半部分，梁偉老師重點剖析了FMCW激光雷達對線性調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）間的綜合成本是關鍵。梁偉老師在課程最后，為學員介紹目前全球FMCW激光雷達主要供應商及其典型產品，讓大家了解走在行業(yè)前列的標桿。同時梁偉老師總結道：半導體激光是最有可能滿足量產、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激光雷達研發(fā)多年，并且在MEMS微鏡商業(yè)化上具有豐富的經驗，本次課程以MEMS激光雷達設計及其核心元器件MEMS微鏡為主題為學員講授。課程伊始，沈文江老師介紹了MEMS激光雷達的應用發(fā)展和工作原理，并重點介紹了機械旋轉式、Flash式、OPA以及MEMS掃描式等主流激光雷達的優(yōu)劣勢對比。隨后，沈文江老師根據MEMS激光雷達系統(tǒng)情況，詳細分析了對ToF傳感器的要求。在MEMS微鏡針對激光雷達應用的設計和制造的講解中，沈文江老師認為，利用dToF MEMS微鏡實現激光脈沖掃描，有望解決機械旋轉式激光雷達面所臨的問題；而激光雷達對MEMS微鏡的要求主要體現在車載穩(wěn)定性和性能指標兩方面。接著，沈文江老師根據幾項國內外研究綜合介紹了基于MEMS微鏡的激光雷達系統(tǒng)構架。最后，沈文江老師結合自己在開發(fā)車載MEMS微鏡過程中遇到的各類問題及積累的經驗，分析了MEMS激光雷達國內外主要供應商和典型產品。沈文江老師總結道，iPhone 12 Pro搭載了dToF激光雷達，這為智能手機激光雷達開創(chuàng)先例；而MEMS激光雷達在成本與性能平衡的前提下，也有望用于智能手機。

四、結語

麥姆斯咨詢在四年多的不懈努力下，已將“見微知著”系列培訓課程從經典的“MEMS設計、制造、封裝和測試”出發(fā)，逐漸拓展到光學、生物、慣性、聲學等細分應用領域，獲得了業(yè)界廣泛好評。2020年，麥姆斯咨詢不懼新冠疫情，盡己所能為大家創(chuàng)造了線下交流和學習的寶貴平臺；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，為廣大學員帶來更多的精品課程！

原文標題：深挖ToF傳感器核心技術，探究3D傳感熱門應用

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責任編輯：haq