靈明光子ADS6401 芯片

靈明光子ADS6401系列SPAD dToF芯片，是專為消費(fèi)電子設(shè)備設(shè)計的低功耗3D深度感知芯片，可以兼容點激光、線激光、面陣激光的投射端，深度感知分辨率最高達(dá)到960點。ADS6401可廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、MR/AR眼鏡、智能攝像頭、筆記本電腦、平板電腦、專用設(shè)備、掃地機(jī)器人、無人機(jī)等行業(yè)的實時三維測距及建模類應(yīng)用。

（spot dToF 點云圖）

（面陣 dToF 點云圖）

單光子雪崩二極管SPAD（Single Photon Avalanche Diode）是支持dToF（direct Time-of-Flight，直接飛行時間深度測量）技術(shù)的最前沿感知器件。通過結(jié)合SPAD器件與邏輯電路，ADS6401可以計算脈沖光從發(fā)射到返回的飛行時間來獲取距離信息，實現(xiàn)了極低功耗、極高精準(zhǔn)度、高幀率下的實時三維測量。

3D堆疊傳感芯片3D堆疊技術(shù)類似于CMOS Image Sensor，3D堆疊傳感芯片需要將上下兩片晶圓鍵合在一起。通過將BSI背照式的SPAD傳感芯片晶圓（上方）和數(shù)字邏輯電路晶圓（下方）以Cu-Cu混合金屬鍵合技術(shù)進(jìn)行堆疊，ADS6401實現(xiàn)了從光傳感到電傳輸再到數(shù)字電路處理的高效直通。這一設(shè)計使得芯片整體面積減小，傳感器和邏輯電路可以分別采用不同工藝節(jié)點下的最優(yōu)制程，大幅降低芯片功耗。同時探測器效率高，布線容易，也使得芯片面積的使用效率提高。 靈明光子2021年已經(jīng)成功完成了首次3D堆疊芯片流片，通過多年與業(yè)界頂級晶圓廠的工藝深度合作開發(fā)，公司3D堆疊技術(shù)目前已進(jìn)入成熟的階段。靈明光子在SPAD層工藝設(shè)計中積累了多年的豐富經(jīng)驗和關(guān)鍵型的知識產(chǎn)權(quán)，具有光子捕捉等多種靈明光子專有SPAD技術(shù)。BSI SPAD已經(jīng)應(yīng)用于靈明光子包括SiPM, SPAD Image Sensor (SPADIS)等多個產(chǎn)品線，其中SPAD的PDE（光子轉(zhuǎn)換效率）在940nm波段達(dá)到了25%以上。

芯 片 性 能 ADS6401 ADS6401

ADS6401是國內(nèi)首款完成量產(chǎn)驗證的3D堆疊dToF傳感芯片。在靈明光子已有的成熟設(shè)計上，公司專為SPADIS產(chǎn)品線的3D堆疊工藝重新設(shè)計和優(yōu)化了BSI SPAD，針對上下兩層芯片的質(zhì)量控制和量產(chǎn)準(zhǔn)備搭建了完整的自動化測試流程。目前已經(jīng)完成了包括工藝驗證、自動化測試、良率提升和可靠性測試等多個步驟的芯片量產(chǎn)準(zhǔn)備。

ADS6401 SPAD dToF 深度傳感芯片

ADS6401

芯片參數(shù)

ADS6401感光區(qū)尺寸為1/6.76，對角線長度為2.6mm，實現(xiàn)有效像素210x160共33600個SPAD像素，像素尺寸10μm，芯片總面積為3.6 x3.4mm。有效深度輸出為240個點/分區(qū)，4分區(qū)整合下為960個點；芯片支持灰度圖和深度圖兩種方式輸出，PDE@940nm14~20%，測距范圍支持0-19m。帶有片上溫度檢測和電壓檢測；芯片通過片上驅(qū)動信號，可以輸出高頻脈沖驅(qū)動外部driver，波形可調(diào)控；可在主/從兩種模式下，利用VSYNC信號和RGB攝像頭同步；

ADS6401

技術(shù)功能

ADS6401可以匹配多種發(fā)光端光學(xué)設(shè)計，支持點線面等不同的發(fā)光模式，在低功耗情況下呈現(xiàn)出色的測距性能。以約500點的散點投射的參考設(shè)計方案為例，在0.15m-6m測距距離內(nèi)的芯片功耗約為80mW，整體系統(tǒng)功耗約為230mW（30FPS下，包含芯片功耗，發(fā)射端功耗，以及用戶SoC上進(jìn)行深度計算功耗）；在0.15-6m范圍內(nèi)的近距離測量精度達(dá)到了5mm，遠(yuǎn)距離下精度小于1cm；在8m下的精度可達(dá)到1cm即0.125%，最遠(yuǎn)測距可配置到19m。靈明光子通過優(yōu)異的系統(tǒng)方案設(shè)計，使得ADS6401在室內(nèi)外均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，在室外工況下達(dá)到了50Klux下測距6m的抗陽光水平。

最遠(yuǎn)距離及室外抗陽光的實景測試

ADS6401芯片的輸出數(shù)據(jù)為統(tǒng)計直方圖形式，配合客戶的主控芯片進(jìn)行計算深度，相比于片上直出深度的模式，能夠開放更全面的測距功能。通過客戶自定義的統(tǒng)計直方圖數(shù)據(jù)處理方式，可以攻克dToF技術(shù)中的一些關(guān)鍵難點，包括蓋板串光致盲和pile-up等現(xiàn)象，滿足客戶對于近距離盲區(qū)、測距精度、魯棒性的基礎(chǔ)要求；支持在SoC上做測距置信度的計算和多峰檢測等高級信號處理功能；滿足客戶實現(xiàn)點云濾波、抗玻璃干擾（玻璃檢測）、消除多路徑干擾等高級需求。并且，統(tǒng)計直方圖數(shù)據(jù)能夠供研究者和開發(fā)者進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用的開發(fā)，包括利用直方圖信號對測距濾波，環(huán)境光信號分析，以及在醫(yī)學(xué)和醫(yī)療方面的熒光壽命測量。SoC側(cè)的算力消耗在30FPS下約為0.5GOPS，適用于CPU、DSP、NPU等多種計算架構(gòu)，靈明光子可以提供相應(yīng)的計算加速參考代碼。

ADS6401芯片具備高效的多區(qū)控制和多區(qū)數(shù)據(jù)直出能力，可以利用4分區(qū)實現(xiàn) 120/240 FPS的超高子畫幅幀率，為高速影像和AR交互提供支持。同時，通過配合分區(qū)/單區(qū)不同類型的激光驅(qū)動模式，可以實現(xiàn)分區(qū)/單區(qū)的分別工作調(diào)用，在此基礎(chǔ)上能夠進(jìn)一步降低全畫幅的分辨率要求，最終實現(xiàn)整體系統(tǒng)功耗的進(jìn)一步降低，將發(fā)射端和接收端的總功耗控制在100mW以下。

應(yīng) 用 場 景

ADS6401

ADS6401顯著增強(qiáng)攝像頭的工作能力，實現(xiàn)自動對焦、電影模式、夜景人像、圖像處理等高級影像效果；完善了暗光環(huán)境中的自動對焦，為短視頻拍攝提供“一鏡到底”的效果；能做到在多個攝像頭之間的無縫線性切換，視場角可在66x54度范圍內(nèi)覆蓋；結(jié)合RGB的信息可以進(jìn)行RGBD深度融合，具備生成豐富的焦外虛化和多樣的背景特效處理的能力。

靈明光子Adaps已與高通Qualcomm和虹軟Arcsoft公司合作，通過ADS6401實現(xiàn)了安卓陣營全球首款的dToF電影模式，并于2022年11月16日在三亞的高通年度驍龍技術(shù)峰會上進(jìn)行了實機(jī)展示，搭載ADS6401的高通QRD手機(jī)實現(xiàn)了驚艷的手機(jī)電影模式效果，得到高通全球副總裁侯明娟和高通產(chǎn)品市場高級總監(jiān)徐恒的大加贊賞。

dToF傳感器可以和RGB攝像頭結(jié)合，實現(xiàn)相輔相成的完美互補(bǔ)，將點云圖從稀疏到稠密的多種類型完全覆蓋，從而實現(xiàn)了對各類人體姿態(tài)和手勢運(yùn)動的捕捉與追蹤。也可以結(jié)合IMU，搭建SLAM和3D mesh功能，有利于XR頭顯設(shè)備實現(xiàn)極致的虛實交互功能。同時，靈明光子已開發(fā)完善了算法體系，提供基礎(chǔ)的RGBD融合、平面檢測、手勢識別等算法的基礎(chǔ)原型，供客戶進(jìn)行二次開發(fā)。算法合作方基于ADS6401已經(jīng)開發(fā)了完善的商業(yè)級的SLAM、3D mesh網(wǎng)格、RGBD融合、平面錨定、遮擋關(guān)系等算法功能，歡迎垂詢！

審核編輯 ：李倩