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艾普柯李碧洲:ToF产品小型化的机会与极限并存

导读: 艾普柯微电子(上海)有限公司自2011年成立起,时刻保持着对光电传感器解决方案的初心以及对消费电子市场的敏锐嗅觉,凭借超强核心竞争力及日益丰富的产品线,已跃升为中国大陆排名第一的光电传感器公司。

据麦姆斯咨询报道,从最初为智能手机和平板电脑提供环境光和距离传感器,到开发出可穿戴设备应用的心率传感器,再到推出“半定制”的光电传感器创新商务模式,艾普柯微电子(上海)有限公司(以下简称:艾普柯)自2011年成立起,时刻保持着对光电传感器解决方案的初心以及对消费电子市场的敏锐嗅觉,凭借超强核心竞争力及日益丰富的产品线,已跃升为中国大陆排名第一的光电传感器公司。在本次由麦姆斯咨询主办的“第二十四届‘微言大义’研讨会:3D视觉技术及应用”中,艾普柯首席执行官李碧洲带来了关于飞行时间(ToF)产品小型化方案的精彩分享。

艾普柯李碧洲:ToF产品小型化的机会与极限并存

艾普柯首席执行官李碧洲先生发表题为《ToF产品的小型化方案》的演讲

艾普柯是国内最早做ToF的企业之一,自2015年起在与合作伙伴的碰撞火花中开始了ToF传感器的研发。李碧洲先生在一开场就介绍道:“目前多数ToF模组产品的尺寸在几十毫米,这对于终端产品设计来说是非常受限的,大幅减小ToF模组产品的尺寸已是目前主流发展趋势,我们已通过成功完成毫米级ToF小型化方案,提供目前市场上最小的ToF模组产品。”

艾普柯实现毫米级ToF小型化方案的“两部走战略”

第一步:完成ToF传感器芯片小型化

李碧洲先生介绍“ToF传感器采用主动发光检测原理,与我们以前做的距离传感器原理一致。但ToF传感器的线性度非常好,受颜色的影响也不大,因此相比普通距离传感器来说,更具有性能优势,当前的首要课题是要缩小ToF芯片尺寸。”

在李碧洲先生看来,缩小ToF芯片尺寸可以从多方面入手。将发射端,也就是VCSEL芯片尺寸减小是其中重要方向之一。但要将发射端和接收端做到非常小的模组里难度不小,经过多方比较验证后,艾普柯想到以下两种独特的解决方法:

“CCD + CMOS”阵列式ToF技术方案:

在ToF技术方案中,通过采用片内电路的方式可以实现无需庞大复杂的片外供电系统的问题,这一步的解决方法有不少,李碧洲先生剖析到“有些企业会采用CCD特定工艺的方案,但总体成本不菲,可加工的代工厂较少。CMOS的成本相对较低,且代工资源丰富。我们决定采用‘CCD + CMOS’的阵列式ToF技术方案,可有效解决成本、尺寸和灵敏度三重问题。即采用CMOS工艺完成ADC/PLL/Interface/DSP/Memory等功能,结合定制化CCD ToF后端工艺实现高灵敏度像素设计,通过上万次的积分得到精确的深度(距离)信息。这样相当于把两种不同的IC集成到一颗芯片内,也是我们为实现ToF小型化先从芯片着手的第一步。”

艾普柯李碧洲:ToF产品小型化的机会与极限并存

艾普柯创造性地实现了CCD与CMOS两种技术的高度集成

缩小像素设计:

接下来就是像素问题,艾普柯针对这一问题深入研究,经过三年多的研发已将像素缩小到目前的17.5μm,未来还将开发10μm 甚至5μm 的ToF像素,这其中封装技术的选择也非常有学问,李碧洲先生解释说:“TSV封装可有效避免Wire bonding(引线键合)占用面积的问题,在业界非常有竞争力。”

第二步:实现ToF模组小型化

在李碧洲先生看来,实现ToF模组小型化,一方面必须重点从封装技术入手,解决散热、电干扰、光路设计校准及检测等问题,另一方面还要配合高效的算法,才能最终赢得3D ToF模组小型化这场硬仗。“核心部分是透镜,一次注塑成型用的材料精度没有像玻璃那么高,加工时候的难度会非常大,尺寸越小,对精度的要求也越高。我们还有别的方法来减少ToF模组的尺寸,分辨率越高,芯片尺寸就会越大,我们现在的方法是将3D ToF传感器和旁边的2D Camera结合,通过算法实现准确的活体检测。我们在采用算法辅助小型化的方面也做了很多努力,目标是降低尺寸,最终可以应用在手机上。”李碧洲先生也向在场观众展示了艾普柯通过高效算法,抓取1000个ToF深度像素形成的人脸图像(见下图),完全可以应用在活体检测。

艾普柯李碧洲:ToF产品小型化的机会与极限并存

艾普柯的算法辅助ToF产品小型化方案

谈及VCSEL在ToF产品小型化的作用时,李碧洲先生认为“目前的VCSEL还是采用Wire bonding与ToF传感器连接。VCSEL的发射功率越大,尺寸越大。为了实现ToF模组小型化,VCSEL厂商还有很多事情要做。第一要提高发光效率,第二是解决驱动电路位于VCSEL下面的散热问题和效率问题,这些都是关系到ToF模组品质的核心问题。我相信有很多公司已经在做这方面的努力,我们合作的VCSEL的供应商,今天的演讲嘉宾也会往这个方向努力。”

ToF小型化道路机会与极限并存,量产在望

在分享艾普柯ToF小型化的成果和经验后,李碧洲先生总结道“手机、AR眼镜等消费类产品原始设备制造商(OEM)往往开门见山,直接谈ToF模组的尺寸。ToF模组做到足够小,成本降到可接受范围,才有机会用在智能手机上。艾普柯提供的ToF模组尺寸已经具备在手机上广泛应用的基础。目前,索尼已经在高分辨率的3D ToF模组率先取得突破,意法半导体(ST)的单点ToF模组也已经广泛商业化,我们尝试做中等规模分辨率、全球最小尺寸的3D ToF模组,这对我们来讲也是冒险的尝试。但是我们做了,并且已经取得成果,预计2019年就可以到量产阶段。”

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