WNEVC 2022 | 灵明光子臧凯：SPAD dToF构建数字化慧眼助力汽车与消费传感相辅相成

由中国科学技术协会、北京市人民政府、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局联合主办的第四届世界新能源汽车大会（WNEVC 2022）于8月26-28日在北京、海南两地以线上、线下相结合的方式召开。其中，北京会场位于北京经济技术开发区的亦创国际会展中心。

大会由中国汽车工程学会等单位承办，将以“碳中和愿景下的全面电动化与全球合作”为主题，邀请全球各国政产学研界代表展开研讨。本次大会将包含20多场会议、13,000平米技术展览及多场同期活动，200多名政府高层领导、海外机构官员、全球企业领袖、院士及行业专家等出席大会发表演讲。

其中，在8月26日下午举办的技术研讨论坛“车规级芯片技术突破与产业化发展”上，灵明光子CEO臧凯发表精彩演讲。

以下内容为现场演讲实录：

大家好，今天很荣幸受邀分享灵明光子的进展。我们汇报主要的话题就是SPAD dToF的测量方法，是未来数字化社会的慧眼。在这里我们将聚焦于分析这个测距的方法是如何助力汽车与消费传感的相辅相成。

首先，我们先给大家介绍一下dToF。dToF是一种深度测量的方式，相比于超声波和毫米波来说，这是汽车上特别广泛使用的测距方式。但是这两种方法它的波长比较长，所以很难做到物体精确的建模。真正想要知道精确的情况和距离或者定位的时候，我们需要光学的波段。在这里有几种不同方法，其中一个是采用类似人眼和动物视眼，它的连接非常简单，但是往往只能测，只能识别前后测距，非常难以实现精准的测距。对于结构光来说，最早应用在苹果手机的FaceID上，它现在用于人脸识别和智能解锁。真正能够实现平常说的3D成像，方方面面其中包括测距、定位和建模，这就是我们常说的飞行时间法，它具体分成两种方式，一种方式是间接飞行时间法，被称为iToF，还有一种方式被称为直接飞行时间法，被称为dToF。间接飞行时间法的工作原理接近于摄像头，发出了连续波，采用的是识别波发射和接收之后相位差，从而间接推算出物体距离。但是直接飞行时间法，方法是比较简单粗暴，发出的是广的脉冲光，接受的也是脉冲光，从而计算光在飞行中的时间。所以说相对于iToF来说，dToF的方法更直接，当然它所带来的技术挑战也更难。

从业界来说，其实dToF目前是最尖端的技术趋势，首先在苹果手机和iPad、iPhone12、iPhone13Pro和Pro Max系列，搭载了基于SPAD dToF芯片，包括手机，包括未来的AR、VR、虚拟现实、增强现实等等应用。另外一点，单光子的奇迹，相对于MOSFET的激光雷达也逐渐推向了市场，索尼采用3D堆叠技术，从而实现了低成本、高性能的远距离车载固态激光。我们可以看到对于行业的领头公司来说，无论是苹果还是索尼，分别都在以消费类和汽车为代表进行布局。

这里我们简单介绍一下SPAD和dToF直接飞行法的工作原理，一般来说，传统的探测器受到一个光脉冲，电学信号和光学信号是一致的，或者比较接近的。但是单光子的探测器工作原理不是这样，对于单光子来说如苹果手机，任何一个测量象素距离，需要打出20万次光脉冲，在每个周期里，所打出的光脉冲里接收的时候，周期里只出发一次。但是每次出发，我们都会把出发时间和真正位置记录下来，我们称为时间冲。当重复20万次之后，逐渐把脉冲时间作直方图，这个图其实体现的是接收端所接收到的光学信号。从这里可以看到，单光子的任何一个信号技术是非常大的，可以说在任何一个像素成为统计直方图，就需要20万个18比特或者更高的比特数，所以它实际的数据量是iToF或者其他SAS摄像头的100倍-1000倍乃至上万倍左右。但是，这种统计直方图给我们带来很大的统计，所以我们不光知道目标物体的飞行时间在哪里，同时我们也知道在物体之前是否存在透明物体。比如说像手机上的玻璃改版或者激光雷达的玻璃保护壳，也同时知道镜头是否有脏污。同时，我们也知道在视野范围之内，像素之内有其他的干扰，同时我们也能精确知道环境光的噪声是多少。

所以，在这里我们希望做简单的举例，比如这里采用商用的对iToF和dToF里芯片，首先我们工程师出一张纸，旨意棋盘格的时候，按道理来说应该是平面，成dToF展示，但是iToF上会出现棋盘图的效应，体现在这个纸面上高起伏，所以这点对实际物体的测量有一定影响。同时刚才也提到多路径干扰的问题，在右侧的实验里，我们所展示的就是iToF放在桌子上，工程师的物质从来没有发生变化，但是把黑纸抽走的时候，由于iToF受到多路径的干扰，测量到工程师的位置发生了巨大变化，但是对于dToF来说就没有这个问题。所以从这个角度来说，dToF可以比iToF具有更准确的测量效果。

那么在这里，不管对于何种的测试方式，不管对于单点或者散点或者大面阵或者扫描成像的介质，dToF都是可以兼顾。基于刚才的展示和工作原理的介绍，我们对iToF和dToF做了一些简单的对比，其中，dToF代表功耗低、标准高的特点，同时，因为它对微弱信号非常敏感，在室外强光下，可以做到更好的户外测距。刚才也展示了，iToF受到多路径干扰，所以在这几点dToF相比iToF来说更准确测量外界据点。但是这也就意味一旦任何一家公司突破了这些系统和芯片上的技术护城河，就意味着有非常大的技术壁垒。我们灵明光子也希望成为dToF的领导者，对iToF来说技术发展成熟，和摄像头比较结合，所以索尼是占据了市面上大部分的占有率。

在这里，我们也想介绍一下刚才提到了以索尼为代表的各个芯片厂商，在积极利用SPAD技术在激光雷达上。dToF在车上到底有什么应用？这里做了一个简单的概括，其中激光雷达方面，我们认为室外的包括两个维度，既包括能够看到150米-600米远距离的激光雷达，也包括近距离周围的360环视的激光雷达。在车内，提到驾驶员监控系统或者智能交互是不是识别的，这些都是dToF大面阵的传感器所能够给予市场的。

在这里，我们也针对车上激光雷达做了简单的概括，首先典型的后装的LiDar布局，由于对于日常公司运营来说，安全事故是非常重要的考核标准，一定尽可能避免任何安全问题。所以这样的公司采用的激光雷达方案是机械旋转的360激光雷达，需要的要求是能看到越远越好，对应的车周围的一圈激光，就要求比较低，要求10米以上或者用摄像头能监视就好。对于国产的乘用车来说，可以说它的前装激光雷达的布局不是完全一样的思路，首先针对远距离的激光雷达，那么它的实际应用距离对于国产乘用车来说，一般是大概是在150m-300m范围。那么对于车周围来说，同样也要有一圈360激光雷达，以测向冲撞雷达。

我们对于激光雷达的不同场景做了分类，对实际使用场景中堵车环节下，朝前看的激光雷达，以及在智能泊车周围360的障碍雷达，和市内交通内出现的拐弯，防止外卖小哥冲撞的情况，方方面面在考验车的远距离激光雷达和周围360障碍雷达匹配。还有几种情况，自然就是以远距离激光雷达为主，同时侧向激光雷达并道和并线。郊区路面是更复杂的环境，可以看到基于dToF的激光雷达，不管是高速应用场景还是中低速的应用场景，都可以帮助智能汽车做的更加智能。

所以，未来不管是电动车还有汽油车，整体朝向智能驾驶、自动驾驶的领域或者辅助驾驶的领域，我们会认为车载雷达会实现3个。FMCW方式基于150的波段，往往能够看到更远，比如远距离看到300m-600m左右。在这种使用场景下，成本也相对来说更高，所以高成本对应高性能。我们的看法是基于FMCW的激光雷达，最后其实是一个是针对欧美高速无限速的使用。另外一个是基于大型的卡车，因为刹车更强，对安全性的要求更高，在这种情况下进行使用，当然它的成本也相对来说要更高很多，对应体现的是把混合固态雷达，有两种是SiPM-MEMS旋转镜为主的，类似宝马的方案，但是不管哪种方案，半固态激光雷达的方案，我们认为在中短期国产乘用车远距离方案，距离是1维和2维，扫描整个市场，同时接受器是单光子，工作原理也是基于iToF的原理。

对于纯固态的方案来说，这里不存在任何扫描器件，发射端是SPADIS-VCSEL方案，在这种情况，我们认为纯固态的使用场景下固然可以会实现200m以上测距，但是主要的距离还是在30-50m左右。所以对国产乘用车来说，远距离激光雷达是基于半固态旋转镜+MEMES的方案。对于纯固态的方案来说，更适合做360防避障激光雷达的事情。当然，大家可以可能会说对车载激光雷达从一个产品的想法，到最后能够实现量产车需要两年时间。在这个过程中对于任何一个创业公司或者对于任何一个团队来说都是巨大的考验。但是我们可以说，针对基于单光子的dToF，除了车载激光雷达领域在很多领域有应用。其中刚才提到的激光雷达、智能座舱之外，在工业类、物流以及消费类场景中也同样应用。其中，单大面阵所呈现的3D直接的影像、抗强环境光的能力，除了帮助智能制造、工业制造，从而推动现在的XR、VR虚拟现实的融合。因为在未来的消费类领域，也越来越多的需要进行3D数据采集，从而实现3D直播或者更多3D世界的人机交互。

在这里，我们也想介绍一下灵明光子，我们是一家之乐于用先进的单光子SPAD技术，为手机和激光雷达开发高性能dToF3D传感器芯片。到目前为止已经成立了4年多时间，总部在深圳，在上海张江有办公室，有100名员工。

刚才介绍了基于SPAD+芯片在车上方方面面应用，在这里我们也希望介绍一下灵明光子的三大产品线，灵明光子最知名的3D堆叠SPAD芯片，我们是在去年7月份推出国内首款3D芯片，到目前也是国内唯一一家将该芯片送给客户进行评测以及使用的公司。对于这个芯片方案，它一方面是向类似于苹果手机消费类需要的，同时也是索尼的激光雷达为代表的远距离包括近距离避障的方案，这个是3D堆叠的方案，这是灵明光子提供的。同时，基于这套方案，也就是刚才给各位介绍的远距离激光雷达，产品形态是硅光子SIPM倍增管，这个性能是全球领先的，而且预计应该在今年年初完成车规认证，从而供给激光雷达公司。除了这两个产品线之外，还有第三个产品线，主要的应用是有限点的dToF芯片，对这个芯片来说，苹果在7Plus开始使用了，这更多像国产替代采用，我们希望能做到更好的状态。

在这里也简单介绍一下灵明光子的产品状态，首先我们推出了全球最高的PDE，达20%，超低Crosstalk，一般工况仅5%左右，预计通过AEC-Q102的车规认证。在这里，我们也简单对比一下，灵明光子的第五代最好的性能是全面超越日本滨松，同时我们在大范围之内，所体现出的性能系数也好过国际上的竞品。它要使用在车机里，也可以通过AEC-Q102认证的，同时也会交给第三方认证。

第二个产品是3D堆叠的SPADI大面阵，这里是分辨率SK微接的，这是第一代芯片，也是目前国际上最好的产品。在这里，我们针对中间距离成像，成像出的状态以及针对人像可以看到清晰换原人脸。在这里，我们也把它用在物流的使用场景，可以看到，它可以在货箱之内测量物理的体积，从而帮助货车来估算，还能预装多少额外的货物。

第三个产品其实相对来说，它也是适用于智能手机自动对焦、灵性感应以及各种各样的家居类的应用。

所以，总体来说，灵明光子的战略愿景是分成不同阶段，我们认为基于SPAD dToF单光子探测器、dToF的工作原理，它的整个行业发展分成三个阶段。阶段1：蓄力，这个阶段进行更多的基础积淀。阶段2：角力，在这个阶段我们希望以产品作为载体，积极稳健地进行市场开拓。阶段3：取胜，在2026年无论是汽车手机还是智能眼镜，将会得到极大的普及，在这个阶段希望除了具有技术壁垒、产品壁垒，也同时打造商业与市场的壁垒，从而真正让灵明光子成为3D传感领域的世界级龙头。

这就是我这次向各位的汇报，也感谢您的倾听，非常感谢。

（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）