逐个击破ToF传感器核心元器件，探求其中奥秘

天寒日短，勤学苦思更显珍贵；来年生机，冬日贮藏厚积薄发！由麦姆斯咨询主办，上海传感信息科技有限公司和华强电子网协办的《第29期“见微知著”培训课程：ToF传感器技术及应用》，于2020年12月4日至12月6日在无锡圆满完成！

《第29期“见微知著”培训课程：ToF传感器技术及应用》师生合影留念

从“2017年iPhone X首次采用3D人脸识别，引爆消费领域3D视觉市场”起，以ToF、结构光、双目视觉等方案为代表的3D传感技术在四年间不断进化，结合人工智能（AI）改变着我们的工作和生活。除了前置结构光应用于3D人脸识别，iToF模组在安卓智能手机广泛普及、dToF模组在iPhone 12 Pro系列面世后，也拥有了目力可及的广阔应用前景，这些均使得ToF技术成为2020年度业内最受关注的技术之一。在智能手机、自动驾驶、智能家居、人脸支付、智能门锁，甚至炙手可热的增强现实和虚拟现实（AR & VR）等领域，ToF技术都占据着重要地位。因此ToF技术也成为业内人士亟待了解和学习的重要内容。为此，麦姆斯咨询开办《第29期“见微知著”培训课程：ToF传感器技术及应用》，邀请了ToF传感器技术领域的著名专家、学者以及产业界的资深从业人士，从ToF传感器核心元器件、iToF和dToF模组等方面进行深入解析，旨在通过课程帮助ToF传感器产业链上下游厂商相关人员理清技术发展脉络、提升专业技能。

一、研学技术综述，打好专业基础

12月4日上午，由宁波飞芯电子科技有限公司首席执行官雷述宇和宁波芯辉科技有限公司联合创始人兼首席技术官刘马良两位老师从不同的角度为大家开启了ToF传感器基础知识的研学之旅，以便为后续课程的学习打下坚实的基础。

《ToF传感器技术综述》由雷述宇老师为大家讲授。雷述宇老师拥有20余年研发和产品设计经验，凭借其对技术的深度理解和剖析，获得了本场学员的一致赞誉。雷老师从3D深度视觉的研究背景和基础知识入手，向大家详细讲解了3D视觉主流技术分类、性能对比以及ToF技术的基本概念。雷述宇老师认为，ToF凭借其优秀的性能指标和广泛的场景适配性，成为最具潜力的3D视觉技术方案。随后，雷述宇老师又从测距方法、技术原理、关键技术指标、关键器件、探测模式等方面为大家解析了iToF与dToF的异同，让大家对ToF传感器的技术情况有了清晰的认识。接着，雷述宇老师从ToF市场应用及规模、代表厂商及其产品两个重要角度，为大家描绘出目前ToF产品的市场情况。课程最后，雷述宇老师对热门的苹果dToF方案做了剖析。

刘马良老师的主要工作方向为高速数据转换器（ADC/DAC）及模拟前端集成电路、光电探测系统芯片（SPAD和SiPM探测器芯片），为大家带来了《激光雷达SPAD探测器及模拟前端芯片综述》课程。刘马良老师的课程是从ToF技术的代表应用——激光雷达的角度，对SPAD探测器和模拟前端芯片的基础知识做了综合性介绍。刘马良老师首先通过激光雷达的应用、发展情况及工作原理，引出了目前激光雷达技术发展的主要瓶颈，并清楚地解析了激光雷达抗干扰技术。随后，刘马良老师从设计、评价参数、应用等方面介绍了SPAD探测器以及跨阻放大器（TIA）和模数转换（ADC）模拟前端芯片。课程最后，在为学员介绍了SPAD QVGA图像传感器、动目标监测SPAD传感器、分块扫描SPAD传感器、SPAD传感器医学应用后，刘马良老师对基于SPAD探测器的多种激光雷达研究系统设计做了详细剖析和对比分析。

二、逐个击破ToF传感器核心元器件，探求其中奥秘

12月4日下午至12月5日的课程主要针对ToF传感器的各种核心元器件进行讲解。拜苹果所赐，基于dToF技术的激光雷达从汽车电子领域蹿红到了消费电子领域，APD（雪崩光电二极管）、SPAD（单光子雪崩光电二极管）、SiPM（硅光电倍增管）等光电探测器是其中核心元器件。其中《ToF传感器之光电探测器：SPAD》课程邀请到深圳市灵明光子科技有限公司联合创始人兼首席执行官贾捷阳授课；《ToF传感器之光电探测器：SiPM》课程由身在德国的杭州宇称电子技术有限公司创始人、德国海德堡大学研究员沈炜通过网络讲授；《ToF传感器之光电探测器：APD》课程由中国科学院上海技术物理研究所副研究员程正喜带来；另一门《ToF传感器之模拟前端芯片》课程由中山大学副教授郭建平讲解。

贾捷阳老师首先从讲解单光子探测器的器件原理入手，并对SPAD、APD以及SiPM的基本参数和性能做了对比。接着，贾捷阳老师详细剖析了SPAD从前照式（FSI）、背照式（BSI）到“背照式 + 3D堆叠”的工艺迭代，并向大家解释：SPAD工艺迭代的增强方法是光子捕捉，可以显著提升PDP（光子探测概率）。在深入解析基于单光子成像的dToF传感时，贾捷阳老师通过iToF与dToF在反射率误差和MPI误差对比中，让大家了解dToF测距精度明显较高。贾捷阳老师表示，在摄像增强、3D测绘、AR等移动设备的3D传感应用中，单点dToF在抗环境光、能耗、复杂环境精度等方面均具有显著优势。课程最后，贾捷阳分析了iPhone 12 Pro dToF方案，介绍了灵眀光子SPADIS产品等目前已进入实战的SPAD dToF。贾捷阳老师凭借其活泼风趣的讲课风格，以及干货满满的课程内容，赢得了学员的认可。

身在德国的沈炜老师虽远隔万里，但通过网络与大家完成了一场在2020年疫情期间独有且高质量的网络授课。作为国际半导体探测器和微电子学专家，沈炜老师凭借在学术界积淀的研究学识，以及在产业界积累实战经验，以常见的PD、APD、SiPM等光电探测器的关键性能为开端，引出了本场课程的主角SiPM。沈炜老师表示，SiPM的本质是盖革雪崩二极管（SPAD）并联组成的阵列，因此了解SPAD与SiPM的主要区别对理解SiPM尤为重要。接着，沈伟老师讲解了SiPM的相关电子学，并且重点解析SiPM的像素性能与物理特性。沈伟老师表示，暗计数、后脉冲以及光串扰是SiPM/SPAD主要的物理性能缺陷。随后，沈伟老师分享了SiPM在医疗领域以及在近红外和短波红外领域的应用。课程最后，学员对沈炜老师的“为难提问”将课程气氛推向高潮，沈炜老师在连线另一端的精彩解答，为本课程画上了完美的句点。

程正喜老师在课程第二天下午为大家讲解了ToF传感器之光电探测器的另一位重要成员——APD。程正喜老师常年从事硅光电探测器（APD和SPAD）和光微机电系统器件的研究工作，首先从雪崩物理机制讲起，详细分析APD工作原理、主要性能参数及影响因素，并分类简述了线性和盖革两种工作模式下的APD，为学员理清了APD的主要性能参数。随后程正喜老师介绍了单点、线阵和面阵APD探测器及市场上相应的产品，为学员理出一份独属APD的激光雷达“地图”。接着，程正喜老师从关键技术（BiCMOS工艺、HVCMOS工艺）、探测器发展趋势等角度介绍了基于CMOS工艺的APD探测器。程正喜老师认为，提升APD器件性能、阵列尺寸以及可靠性是基于CMOS工艺的APD探测器的发展方向。课程最后，程正喜老师为学员介绍了汽车类激光雷达为APD带来的机遇及挑战。

郭建平老师在模拟与数模混合集成电路设计以及电源管理及激光雷达集成电路设计颇具经验，他以“自动驾驶对激光雷达的需求”为切入点，对激光雷达接收电路中的模拟前端芯片进行了详尽地讲解。郭建平老师以脉冲式激光雷达的接收电路为例，详细介绍了其中模拟前端器件选择和电路设计，同时介绍了接收电路模拟前端芯片主要类型及典型商用芯片。接着，郭建平老师从激光调制方式/ToF方式、工作波长/探测距离、探测精度以及发射电路集成度等方面重点分析了几款主流厂商的高集成度ToF接收芯片。随后，郭建平老师从单通道形式、脉冲式激光雷达、接收SoC芯片等方面，以国内外典型研究为例介绍了目前模拟前端芯片的研究情况及发展趋势。郭建平老师课堂的精彩之处在于，能让学员在收获知识的同时，了解“用时该找谁”、“怎么用”。课程最后，郭建平老师凭借自己在中山大学的研究成果，向大家阐述了模拟前端芯片优化设计及创新解决方案，为学员们在实际设计过程中提供了值得借鉴的实用经验。

三、钻研ToF模组，探究实现特定性能的最小单元

12月5日至12月6日的课程是针对iToF模组的专题讲解。麦姆斯咨询邀请到了上海炬佑智能科技有限公司系统解决方案部总监梅健和瑷镨瑞思（上海）光学有限公司现场应用工程师贺若愚讲解《iToF模组（3D ToF相机）设计、量产问题及解决方案》课程。同时还邀请到中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员、博士生导师梁伟讲授《iToF模组（FMCW激光雷达）设计及核心元器件》课程，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员沈文江传授《dToF模组（MEMS激光雷达）设计及核心元器件》课程。

梅健老师在3D ToF图像传感器芯片、系统设计及解决方案设计等方向具备扎实的理论基础和丰富的实战经验，梅健老师的课程主要从设计角度对iToF模组进行剖析。课程之初，梅健老师首先简单分析了视觉技术的发展以及3D视觉技术的爆发；随后进入正题，为大家逐一剖析ToF视觉技术方案。梅健老师分析了cwToF（连续波ToF）与pToF（脉冲ToF）的原理及二者的优缺点。出身于模拟芯片设计工程师的梅健老师分享道，复杂电路模拟的精髓是构建简化的结构分析，因此从简化结构中看，pToF属于直接测量（dTof），cwToF属于间接测量（iToF）。接着，梅健老师分别从ToF系统架构、ToF图像传感器基础（像素单元、高速ADC、CSI-2 over DPHY）以及ToF传感器的封装和测试等方面逐点剖解了ToF传感器技术的设计问题以及解决方案。在分析ToF系统和ToF系统方案的构成时，梅健老师利用应用实例为学员讲解，并表示：因为与场景强相关，目前ToF系统无论对ToF传感器创业公司还是对终端客户而言，都是很复杂的；譬如，客户所用的处理器差别就非常大。

贺若愚老师从事ToF相机/摄像头光学系统仿真、故障排除与性能优化等ToF传感器芯片及模组的技术支持工作多年，具备丰富的理论和实践经验，贺若愚老师主要从量产的角度解析iToF模组。贺若愚老师的课程是从iToF模组量产遇到的需求和困难入手，直击iToF模组量产的最核心问题。随后，贺若愚老师针对iToF模组中DRNU、温漂、环境光效应、信号幅度效应等可能产生误差源的技术点进行了剖析，并根据自己工作中的实际案例，针对上述问题与大家分享了矫正和补偿方法。贺若愚老师坦言，对于优化终端客户iToF模组性能的本质是更清晰地了解需求，并做好成本与模组规格间的平衡。课程最后，贺若愚老师通过多个典型故障排除案例，带领学员自查对本次课程所讲内容的消化程度。

梁伟老师师从美国两院院士半导体激光器发明人Amnon Yariv，并拥有多篇高影响力论文和多项发明专利。梁伟老师以对调频连续波（FMCW）雷达的发展历史和工作原理为开端，对比了FMCW激光雷达与脉冲激光雷达区别，从而确认了调频连续波（FMCW）雷达的关键性能参数。梁伟老师相信相比于脉冲式激光雷达，FMCW激光雷达在功率、抗干扰性、测速、灵敏度、动态范围、人眼安全及硅光芯片集成等多方面均处于优势地位。随后，梁伟老师讲解了FMCW激光雷达系统组成，并着重分析了其中对iToF模组的性能要求。在讲解目前FMCW激光雷达的量产难点中，梁伟老师表示，相较于目前脉冲激光雷达性能提升和成本下降较快，FMCW激光雷达技术的不成熟是量产所面临的最大挑战。课程后半部分，梁伟老师重点剖析了FMCW激光雷达对线性调频窄线宽激光器与光电平衡探测器两方面的要求，并表示：考虑激光扫频速率（代表测距精度）与平衡探测器带宽（FPGA性能）间的综合成本是关键。梁伟老师在课程最后，为学员介绍目前全球FMCW激光雷达主要供应商及其典型产品，让大家了解走在行业前列的标杆。同时梁伟老师总结道：半导体激光是最有可能满足量产、低成本和车规要求，但性能与成本尺寸之间的平衡还需解决。

沈文江老师深耕MEMS微镜及MEMS激光雷达研发多年，并且在MEMS微镜商业化上具有丰富的经验，本次课程以MEMS激光雷达设计及其核心元器件MEMS微镜为主题为学员讲授。课程伊始，沈文江老师介绍了MEMS激光雷达的应用发展和工作原理，并重点介绍了机械旋转式、Flash式、OPA以及MEMS扫描式等主流激光雷达的优劣势对比。随后，沈文江老师根据MEMS激光雷达系统情况，详细分析了对ToF传感器的要求。在MEMS微镜针对激光雷达应用的设计和制造的讲解中，沈文江老师认为，利用dToF MEMS微镜实现激光脉冲扫描，有望解决机械旋转式激光雷达面所临的问题；而激光雷达对MEMS微镜的要求主要体现在车载稳定性和性能指标两方面。接着，沈文江老师根据几项国内外研究综合介绍了基于MEMS微镜的激光雷达系统构架。最后，沈文江老师结合自己在开发车载MEMS微镜过程中遇到的各类问题及积累的经验，分析了MEMS激光雷达国内外主要供应商和典型产品。沈文江老师总结道，iPhone 12 Pro搭载了dToF激光雷达，这为智能手机激光雷达开创先例；而MEMS激光雷达在成本与性能平衡的前提下，也有望用于智能手机。

四、结语

麦姆斯咨询在四年多的不懈努力下，已将“见微知著”系列培训课程从经典的“MEMS设计、制造、封装和测试”出发，逐渐拓展到光学、生物、惯性、声学等细分应用领域，获得了业界广泛好评。2020年，麦姆斯咨询不惧新冠疫情，尽己所能为大家创造了线下交流和学习的宝贵平台；2021年，麦姆斯咨询还将继续整装出发，秉持一贯的专业精神，为广大学员带来更多的精品课程！

原文标题：深挖ToF传感器核心技术，探究3D传感热门应用

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责任编辑：haq