灵明光子发布高精度、低功耗ADS6401 SPAD dToF深度传感芯片

灵明光子ADS6401芯片        

灵明光子ADS6401系列SPAD dToF芯片，是专为消费电子设备设计的低功耗3D深度感知芯片，可以兼容点激光、线激光、面阵激光的投射端，深度感知分辨率最高达到960点。ADS6401可广泛应用于智能手机、MR/AR眼镜、智能摄像头、笔记本电脑、平板电脑、专用设备、扫地机器人、无人机等行业的实时三维测距及建模类应用。

（spot dToF 点云图）

（面阵 dToF 点云图）

单光子雪崩二极管SPAD（Single Photon Avalanche Diode）是支持dToF（direct Time-of-Flight，直接飞行时间深度测量）技术的最前沿感知器件。通过结合SPAD器件与逻辑电路，ADS6401可以计算脉冲光从发射到返回的飞行时间来获取距离信息，实现了极低功耗、极高精准度、高帧率下的实时三维测量。  

3D堆叠传感芯片  3D堆叠技术

 类似于CMOS Image Sensor，3D堆叠传感芯片需要将上下两片晶圆键合在一起。通过将背照式（BSI）的SPAD传感芯片晶圆（上方）和数字逻辑电路晶圆（下方）以Cu-Cu混合金属键合技术进行堆叠，ADS6401实现了从光传感到电传输再到数字电路处理的高效直通。这一设计使得芯片整体面积减小，传感芯片和逻辑电路可以分别采用不同工艺节点下的最优制程，大幅降低芯片功耗。同时探测器效率高，布线容易，也使得芯片面积的使用效率提高。   灵明光子2021年已经成功完成了首次3D堆叠芯片流片，通过多年与业界顶级晶圆厂的工艺深度合作开发，公司3D堆叠技术目前已进入成熟的阶段。灵明光子在SPAD层工艺设计中积累了多年的丰富经验和关键型的知识产权，具有光子捕捉等多种灵明光子专有SPAD技术。BSI SPAD已经应用于灵明光子包括SiPM, SPAD Image Sensor (SPADIS)等多个产品线，其中SPAD的PDE（光子转换效率）在940nm波段达到了25%以上。

  芯 片 性 能      ADS6401   ADS6401

ADS6401是国内首款完成量产验证的3D堆叠dToF传感芯片。在灵明光子已有的成熟设计上，公司专为SPADIS产品线的3D堆叠工艺重新设计和优化了BSI SPAD，针对上下两层芯片的质量控制和量产准备搭建了完整的自动化测试流程。目前已经完成了包括工艺验证、自动化测试、良率提升和可靠性测试等多个步骤的芯片量产准备。

ADS6401 SPAD dToF 深度传感芯片

      ADS6401

芯片参数

ADS6401感光区尺寸为1/6.76，对角线长度为2.6mm，实现有效像素210x160共33600个SPAD像素，像素尺寸10μm，芯片总面积为3.6 x 3.4mm。有效深度输出为240个点/分区，4分区整合下为960个点；芯片支持灰度图和深度图两种方式输出，PDE@940nm14~20%，测距范围支持0-19m。带有片上温度检测和电压检测；芯片通过片上驱动信号，可以输出高频脉冲驱动外部driver，波形可调控；可在主/从两种模式下，利用VSYNC信号和RGB摄像头同步；

ADS6401

技术功能

ADS6401可以匹配多种发光端光学设计，支持点线面等不同的发光模式，在低功耗情况下呈现出色的测距性能。以约500点的散点投射的参考设计方案为例，在0.15m-6m测距距离内的芯片功耗约为80mW，整体系统功耗约为230mW（30FPS下，包含芯片功耗，发射端功耗，以及用户SoC上进行深度计算功耗）；在0.15-6m范围内的近距离测量精度达到了5mm，远距离下精度小于1cm；在8m下的精度可达到1cm即0.125%，最远测距可配置到19m。灵明光子通过优异的系统方案设计，使得ADS6401在室内外均表现出优异的性能，在室外工况下达到了50Klux下测距6m的抗阳光水平。

最远距离及室外抗阳光的实景测试

ADS6401芯片的输出数据为统计直方图形式，配合客户的主控芯片进行计算深度，相比于片上直出深度的模式，能够开放更全面的测距功能。通过客户自定义的统计直方图数据处理方式，可以攻克dToF技术中的一些关键难点，包括盖板串光致盲和pile-up等现象，满足客户对于近距离盲区、测距精度、鲁棒性的基础要求；支持在SoC上做测距置信度的计算和多峰检测等高级信号处理功能；满足客户实现点云滤波、抗玻璃干扰（玻璃检测）、消除多路径干扰等高级需求。并且，统计直方图数据能够供研究者和开发者进行创新应用的开发，包括利用直方图信号对测距滤波，环境光信号分析，以及在医学和医疗方面的荧光寿命测量。SoC侧的算力消耗在30FPS下约为0.5GOPS，适用于CPU、DSP、NPU等多种计算架构，灵明光子可以提供相应的计算加速参考代码。

ADS6401芯片具备高效的多区控制和多区数据直出能力，可以利用4分区实现 120/240 FPS的超高子画幅帧率，为高速影像和AR交互提供支持。同时，通过配合分区/单区不同类型的激光驱动模式，可以实现分区/单区的分别工作调用，在此基础上能够进一步降低全画幅的分辨率要求，最终实现整体系统功耗的进一步降低，将发射端和接收端的总功耗控制在100mW以下。

  应 用 场 景

ADS6401

ADS6401显著增强摄像头的工作能力，实现自动对焦、电影模式、夜景人像、图像处理等高级影像效果；完善了暗光环境中的自动对焦，为短视频拍摄提供“一镜到底”的效果；能做到在多个摄像头之间的无缝线性切换，视场角可在66x54度范围内覆盖；结合RGB的信息可以进行RGBD深度融合，具备生成丰富的焦外虚化和多样的背景特效处理的能力。

灵明光子Adaps已与高通Qualcomm和虹软Arcsoft公司合作，通过ADS6401实现了安卓阵营全球首款的dToF电影模式，并于2022年11月16日在三亚的高通年度骁龙技术峰会上进行了实机展示，搭载ADS6401的高通QRD手机实现了惊艳的手机电影模式效果，得到高通全球副总裁侯明娟和高通产品市场高级总监徐恒的大加赞赏。

dToF传感器可以和RGB摄像头结合，实现相辅相成的完美互补，将点云图从稀疏到稠密的多种类型完全覆盖，从而实现了对各类人体姿态和手势运动的捕捉与追踪。也可以结合IMU，搭建SLAM和3D mesh功能，有利于XR头显设备实现极致的虚实交互功能。同时，灵明光子已开发完善了算法体系，提供基础的RGBD融合、平面检测、手势识别等算法的基础原型，供客户进行二次开发。算法合作方基于ADS6401已经开发了完善的商业级的SLAM、3D mesh网格、RGBD融合、平面锚定、遮挡关系等算法功能，欢迎垂询！

编辑：黄飞