《西安电子科技大学dToF SPAD激光雷达传感器芯片取得突破进展》

  • 来源专题:集成电路
  • 编译者: shenxiang
  • 发布时间:2020-06-18
  • dToF单光子雪崩二极管(SPAD)传感器技术是未来实现激光雷达(LiDAR)小型化、低成本、可量产的核心技术,其对光子飞行时间进行直接测量,进而转换成光子飞行距离。相比于iToF,dToF主要通过像素的脉冲输出直接进行简单的模数转换就可以得到反射回传感器的光子时间和数量,减少了功耗和运算量;并且通过调整脉冲频率和能量,可以达到比iToF更远的测量范围。dToF SPAD技术将会成为未来3D探测的主流技术,成为智能化无人系统的眼睛。

    针对国家重大工程、航空航天、无人系统、消费电子等应用对远距离三维感知的需求,西安电子科技大学朱樟明、杨银堂教授研究团队发布了dToF SPAD激光雷达传感器芯片,单芯片上集成了核心感光器件SPAD 整理及精准测距电路、多种测距精度优化和抗背景光干扰算法等功能,具有32×32×4分辨率、超30fps的刷新率,在200mW功耗下可以实现12-15米的远距离高精度探测,是目前报道中最远的dToF SPAD探测距离。

    该dToF SPAD激光雷达传感器芯片由刘马良教授负责,西安电子科技大学和宁波芯辉科技有限公司联合研制,是国内首个没有国外相关人员参与的情形下,实现了dToF SPAD激光雷达传感器的全流程突破。

    当前严峻的国际局势对芯片全流程国产化提出了更高的要求,西安电子科技大学杨银堂、朱樟明教授团队始终坚持立足国内自主可控,面向国家重大工程、重点行业应用需求,团队在模拟和模拟信号集成电路方向取得了系统性的创新成果,获得了2019年国家技术发明二等奖和2016年国家技术进步二等奖。

    团队已经掌握了全集成线性模式和单光子模式激光雷达的传感器、混合信号电路、系统架构、定制化工艺等全流程核心关键技术,在dToF SPAD、Si-PM、高动态TIA等方面处于业界领先位置,并在IEEE TCAS-I、IEEE TCAS-II、IEEE Sensors J、IEEE TI&M等期刊发表了10多篇激光雷达传感器论文,是近年来国际上发表激光雷达IEEE期刊论文最多的团队。

    团队技术负责人刘马良教授介绍:“整个dToF SPAD激光雷达传感器芯片立足国内自主可控工艺、团队主要成员均由国内的博士和硕士构成,团队从2014年就开始专注于芯片化激光雷达技术的研究,现在团队已经掌握整个芯片化激光雷达全流程核心技术,能够根据系统需求,结合芯片设计,全定制化面阵激光雷达芯片,技术水平完全不输于国外最先进水平。2020年第四季度,还将推出QVGA分辨率的dToF SPAD激光雷达传感器芯片。未来将向市场提供包括传感器芯片、激光器驱动芯片、自动化标定系统及三维图像算法的一站式解决方案。”

    高性能全集成激光雷达芯片获得了2017年第三届全国“互联网+”大赛金奖、2019年陕西省科技工作者创新创业大赛金奖,已经孵化了宁波芯辉科技有限公司,并获得了千万级天使投资。

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    • 编译者:husisi
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    • 近日,加州大学伯克利分校(以下简称UC Berkeley)的Ming Wu教授团队开发出一种新型高分辨率激光雷达芯片,该芯片可装载于一系列设备,大到自动驾驶汽车,小到智能手机等。研究人员利用带有MEMS(微电子机械系统)开关的焦平面开关阵列FPSA,这是一种基于半导体的天线矩阵,可以像数码相机中的传感器一样收集光线,并将16384个像素点嵌入在1 cm2大小的芯片上。 基于FPSA的固态激光雷达传感器可以进行三维电子扫描,且不依赖任何笨重的机械零件。遗憾的是,之前报道的传感器分辨率均小于512像素。与固态激光雷达相比,机械激光雷达拥有强大的激光器,能够可视化数百码远的物体(1 码 ≈ 0.9144 米),并且生成高分辨率的3D图像,而如何芯片化这种激光器已困扰了研究人员十余年。 “我们希望有一个非常大的照明区域,但这样牺牲了光线强度,激光无法照射到足够远的地方。”Ming Wu教授说,“因此,为了权衡足够的光强,我们计划减少激光照射区域。” 图1 激光雷达芯片原理图。光学天线与微型MEMS开关连接,并发射出激光。反射光由同一天线接收,并依次打开阵列开关生成3D图像。UC Berkeley的工程师使用MEMS开关显著提高了激光雷达芯片传感器的分辨率 FPSAs使用类似数码相机的光学系统,将视野中的各个角度映射到成像镜头后焦面的像素点上。不同于相机集成在像素点的测距单元不一样,FPSA中的光开关网格允许所有像素共享一个或多个测距单元。由于每个像素点仅由一个光学天线和一个开关组成,大型阵列可以集成在单个芯片上,而实际激光功率由信号通过天线的时间决定。 硅基激光雷达系统通常利用热光开关将激光从一个波导重新定向到另一波导。UC Berkeley团队选择使用MEMS开关,能够在实空间中移动激光雷达系统中波导的位置。 “这种架构非常像高速公路立交桥。”Ming Wu教授说,“想象一下,如果你是一束光,要从东边跑到西边,我们可以人为地改变地面方向,使其逆时针旋转90°,这样你就可以从北边跑到南边。” 除了比热电开关更微型、更节能的优点外,MEMS的开关速度更快,光损耗更低,大规模使用光开关的光通信网络也验证了以上优点。研究人员说,通过调研,他们的团队是在激光雷达中嵌入MEMS开关的第一人。 该团队在10×11 mm2的硅光子芯片上集成了128×128个FPSA的阵列元,一个阵列元包括一个光学天线和MEMS开关(如图2)。在实验中,研究人员利用调频连续波(FMCW)确定物体距离,实现了空间分辨率为1.7 cm的三维成像。 此外,该系统利用焦距为5 mm的复合透镜,在70°×70°的视角场中(人类双眼的水平视野约为120° - 140°),引导激光束随机向16384(128×128)个方向照射,每个像素在视场的分辨率为0.6°。并且该系统将FPSA与FMCW测距相结合,进一步实现3D成像。CMOS(互补金属氧化物半导体)技术已经用于制造计算机处理器,利用CMOS技术设计FPSA,可使像素大小扩展至百万量级。 通过激光在阵列中迅速循环,FPSA构建了环境的3D成像。而若干FPSAs排列成圆环型,使设备360°无死角地观察周围环境。 在该系统商业化生产前,Wu教授团队计划进一步提高FPSA的分辨率和射程:“虽然光学天线很难再缩小,并且微型开关是最大部件,但是我们有信心能把它们做的更小。” 目前,该系统的射程已达到10 m,还有希望继续增加。Wu教授说:“我们确信射程能达到100 m,并且通过我们不断的改进,甚至能够达到300 m。” 图2 激光雷达芯片上光学天线的扫描电子显微镜图像 通过上述改进,加上利用传统CMOS技术批量生产FPSA,降低生产成本,芯片化的激光雷达能够用于各个方面,为自动驾驶汽车、无人机、机器人以及智能手机等提供新一代低成本、节能型3D传感器。此外,需要控制光束的应用也可以考虑FPSA,如自由空间光通信(FSO)和基于离子阱的量子计算。 “看看我们如何使用‘摄像头’。”Wu教授说,“它们被嵌入到交通工具、机器人、吸尘器、监控设备、生物特征识别系统和防盗门上。若我们把激光雷达缩小到智能手机摄像头大小,它将会有更广阔的应用前景。” 近日,Ming Wu教授就任英特尔研究院新成立的集成光电研究中心的研究员,该中心便于英特尔加速数据中心互连。其中,他参与的项目“硅光子晶圆级光包装”将促进集成波导透镜的发展,该透镜有望实现光纤阵列的低损耗和高容差非接触式光学封装。
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