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所在位置:中国自动化行业动态新闻 -- ESPROS飞行时间(ToF)传感技术助推3D视觉应用

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ESPROS飞行时间(ToF)传感技术助推3D视觉应用

  发布中国自动化行业动态新闻

发表评论(0)    来源:上海璞誉电子科技有限公司    2017年8月17日  

    为了探秘3D摄像头的核心技术及器件,麦姆斯咨询特地采访了全球领先的飞行时间(ToF)传感器供应商——瑷镨瑞思(ESPROS)中国区市场和技术支持主管金丰先生。
    微访谈:瑷镨瑞思(ESPROS)中国区市场和技术支持主管金丰
    采访背景:3D摄像头好似给机器或电子设备安装了“人眼”,让其能够根据人的动作做出相应的反馈,并赋予“思维”、“感知”的能力。目前,3D摄像头正在成为智能设备的一个关键入口,掀起一轮“3D视觉”革命浪潮,全球各大科技企业如苹果、谷歌、英特尔、微软等都为此精心布局。为了探秘3D摄像头的核心技术及器件,麦姆斯咨询特地采访了全球领先的飞行时间(ToF)传感器供应商——瑷镨瑞思(ESPROS)中国区市场和技术支持主管金丰先生。
    麦姆斯咨询:请您先介绍下ESPROS公司发展历程、主要产品及服务。
    金丰:ESPROS公司是一家芯片设计、集成与制造商。公司于2006年由Beat De Coi先生创建,总部设在瑞士,并在中国上海设有专门的芯片设计中心及技术支持部门。
    ESPROS公司凭借其独有的光学工艺技术,能够为客户提供芯片定制服务以及高性能光电传感器。
    我们围绕自己的核心工艺技术,提供个性化的TDI芯片、CCD图像传感器芯片以及ToF芯片等定制服务,能够为客户完成芯片的设计、制作、实验检测及量产制造,提供完整的芯片定制解决方案。
    与此同时,我们也提供高性能光电传感器,包括ToF传感器、CCD线阵传感器、光谱分析传感器以及光电管等产品。
    以ToF系列产品为例,借助过去十多年的ToF技术研究成果,我们开发了从单点传感器到QVGA面阵的完整产品线,能够为客户提供全方位的3D ToF解决方案。
    麦姆斯咨询: ESPROS公司的核心技术优势是什么?如何在近红外(NIR)传感领域保持产品竞争力?
    金丰:ESPROS公司通过其独有的工艺技术,使得背照式CCD/CMOS工艺相融合,可在非常宽的光频谱范围内达到很高的光电效应,进而实现具有更高性能的光学传感器。
    目前市面上,图像传感器的制造常常受到各种工艺的限制。一方面,CCD技术可提供非常好的电荷处理能力,但是对于高密度的CMOS数据处理却很难。另一方面,特别是在近红外线(NIR)中的检测中,PIN光电二极管以其优异的吸收特性和高速响应的能力而被广泛接受,但它们都是分立器件。与此同时,绝大多数成像传感器都是使用稍微修改的CMOS工艺制成的,从而只能达到一般的光学性能参数,比如量子效率(QE)不高。而我们的工艺技术能够突破现有工艺制程限制,无缝地融合了CCD和CMOS两种技术,从而具有CCD的高电荷处理能力以及CMOS的高集成度与低功耗等优点,进而使其更适用于广泛的光学传感器系统。
    ESPROS公司独有的CMOS/CCD融合技术
    ESPROS公司独有的CMOS/CCD融合技术
    此外,ESPROS图像传感器在NIR范围内的灵敏度显著高于传统的标准CMOS工艺制成的传感器。由于波长的不同,近红外光在吸收转换为电子前,需要在硅中传播几十微米,然而标准的CMOS图像传感器只有3~5微米厚度的感光材料,所有穿透这个深度材质的光子都会丢失并且无法产生有用电信号。针对NIR波段光谱,ESPROS公司对晶圆工艺进行了专门的设计,使其具有50微米的光敏硅材料。在此基础上,ESPROS图像传感器可提供更多的NIR光电信号。
    因此,ESPROS图像传感器非常适用于超快速图像采集,高灵敏度ToF 3D相机和TDI相机,以及基于硅的广域光谱传感器。
    ESPROS公司独有的图像传感器芯片结构
    ESPROS公司独有的图像传感器芯片结构
    麦姆斯咨询:ESPROS公司的ToF传感器系列产品的主要应用领域有哪些?能否列举一些典型客户案例?
    金丰:目前基于ESPROS公司的ToF传感器的产品已成功应用于无人机定高、人数统计、AGV导航避障、机器人定位和智能导航、安防监控及门禁系统。
    随着我们ToF产品线的进一步完善,应用领域将拓展至无人驾驶汽车、智能家居、工业智能化检测等领域。
    ESPROS公司3D ToF 应⽤市场
    ESPROS公司3D ToF 应用市场
    ESPROS公司早在多年前就开展了ToF解决方案的研发及应用合作,比如同CEDES公司的合作。 CEDES公司是一家全球重要的电梯配件制造商以及光幕制造商,其采用了基于ESPROS公司的ToF芯片的解决方案,如下图所示,装有3D ToF相机以后使得电梯门禁系统的控制变得更先进,并能实现更多智能的应用功能,例如人数统计、人流检测、预警判断等。
    基于ESPROS公司ToF⽅案的智能电梯解决⽅案
    基于ESPROS公司ToF⽅案的智能电梯解决⽅案
    同时,ESPROS公司正全力拓展广阔的中国市场,在国内我司也同非常具有3D视觉研发和量产能力的方案商深度合作,提供各个行业的整体解决方案。相信很快就会在市面上能够看到更多的成熟产品。
    麦姆斯咨询:ESPROS公司如何解决室外环境光对ToF测距的影响,测量距离有多远?以及黑色物体反射光微弱造成无法测距的问题?
    金丰:借助我司在ToF技术上十多年的研究成果,针对ToF技术在室外容易受到环境光的影响,ESPROS公司在芯片的像元(Pixel)结构上做了很多的研究以及特殊的设计,使得在室外光较强的情况下,不仅能够很好对的环境光进行抑制,并且还能有效地从中提取ToF信号,使得整个传感器系统能够在全光谱(130Klux)范围内工作。
    对于测量距离,目前基于我司的CW-ToF(Continues wavelength ToF)系列芯片在适宜的光学系统下可支持最远达240米的探测范围。
    针对黑色物体反射光较少而导致无法测距的问题,如我们所知,在测量低反射率物体的时候,由于ToF传感器发射出去的光碰到物体后只有部分微弱的光子被反射回来,进而造成接收端只能收集到较少的有用信号,使得信噪比低,最终导致系统无法测距或精度较差的情况发生。
    应对该情况,往往需要进一步增强发射端光源、增加镜头通光量、增加芯片的灵敏度,进而使得收到的信号增多。但在实际的产品设计中,增强光源不仅会带来更多的功耗、体积、散热等问题,成本也往往会占很大的比重;另外,加大镜头的通光量能使得有用的ToF信号增加,但同时环境光也会成相同比例的进来,进而导致室外使用受到影响。
    因此,增加芯片的灵敏度此时变为解决该问题的核心,这也是ESPROS公司多年研究特殊工艺进而提高传感器灵敏度的目的。使得即便在反射光较弱的情况下,通过芯片本身的高灵敏度,能够收到更多的有用ToF信号,进而依然能够输出稳定、可靠的3D ToF距离信息。
    麦姆斯咨询:您认为中国3DToF视觉应用领域的发展状况如何?ESPROS公司如何在中国市场上布局?
    金丰:目前,国内厂商的3D ToF应用领域已从前几年的起步阶段进入了快速发展阶段;并且近两年,可以明显感受到国内3D ToF市场的节奏变化以及客户研发能力的快速上升。
    但同时我们依然要认识到,3D ToF技术门槛还是比较高的,特别是光学设计能力以及模组量产能力依然有待加强,并且目前能提供完整解决方案的厂商并不多,相关产品也并没有形成主流的品牌,导致客户在设备和方案选型时找不到参照的行业标杆。
    针对中国市场,一方面,我们会联合优质的代理商/方案商一起拓展客户;另一方面,我们也会推出演示模组、应用模组、开发套件及软件源码/算法,帮助中国客户大大缩短研发时间,加速产品的上市。
    麦姆斯咨询:3D视觉方案主要有三种:飞行时间法、结构光法、双目立体视觉法,您认为这三种方案的优缺点是什么?分别适合哪些应用领域?
    金丰:这三种深度摄像头方案在检测距离、精度、速度、成本上都具有各自的优势以及劣势,区别在于:
    双目只需使用两颗普通的摄像头,并不涉及复杂的光学系统,成本相对另外两种方案最低,但深度信息需要软件算法得出,算法复杂度高,难度大,处理芯片需要很高的计算性能;并且在特征不明显以及光线较暗情况下并不适用。
    结构光方案优势在于深度图像分辨率可以做得较高,硬件成本及算法开发难度适中;但容易受光照影响,室外环境很难使用,以及只适应短距离应用。
    ToF方案优势在于受环境影响小,测量帧率高,算法开发难度低,因此在技术性能上相对其他两种方案具有很大的优势;不过由于前些年核心传感器芯片技术不够成熟,模组光学设计较复杂,实现量产困难,成本较高,因此基于ToF方案的成熟产品在市场上并不多见。
    但随着核心传感器半导体器件的瓶颈逐步被解决,我们看到近年来越来越多的厂商相继推出基于ToF原理的解决方案,该趋势将会进一步发挥出ToF技术本身的优势,使得ToF相机将在将来的应用中占有一席之地。
    麦姆斯咨询:ESPROS公司今年将有哪些新产品发布计划?以扩大3D视觉应用领域。
    金丰:今年年初我们刚刚推出了一款新的ToF面阵产品epc635芯片(160x60Pixel),并已成功进入量产阶段。该产品进一步完善了我司面阵ToF产品线,其兼容于去年发布的QVGA面阵ToF产品epc660芯片(320x240Pixel)开发平台,使得客户能够基于同一开发平台,根据不同的实际应用需求,便捷地选择合适的ToF芯片及方案。
    另外该产品的推出,使得对传感器体积以及成本有较高要求的应用得以满足,例如消费类无人机、机器人视觉导航和避障、VR/AR、智能物联等市场。
    今年5月份我们还会推出epc611芯片(8x8Pixel),该产品主要在现有的epc600(1Pixel)和epc610(8x8Pixel)基础上大大地提高了测量速率,能够更好的满足于扫地机导航、SLAM、机器人壁障、汽车电子等应用需求。
    另外,我们对正在开发中的产品感到非常兴奋,今年年底我司还会推出首款芯片级的PToF(Pulse-ToF)面阵图像传感器,其将主要应用于未来的无人驾驶汽车市场。
    我们今后还将继续保持快速新产品的开发节奏,同时我们也会进一步完善产业链,使我们的产能获得提升以及缩短产品交付周期。
    ESPROS公司的3D ToF解决⽅案
    ESPROS公司的3D ToF解决⽅案
    麦姆斯咨询:基于ESPROS公司 的ToF方案有何特点?
    金丰:如上述所谈到的,基于我司独有的CCD/CMOS相结合工艺,以及在NIR波段具有90%以上的量子效益(QE),使得我们的方案具有更好的信噪比以及更高的灵敏度,具体性能表现如下:
    (1)目前唯一能够提供单芯片级3D ToF测距的解决方案;
    (2)达到毫米级的精度以及高帧率;
    (3)高灵敏度提升传感器的成像质量,同时也降低对光源的要求,进而降低整体模组的系统成本;
    (4)全光谱室外环境光抑制;
    (5)非常具有竞争性的价格。
    麦姆斯咨询:ESPROS公司今后五年的计划是什么?更长远目标是什么?
    金丰:关于ESPROS公司未来几年的规划,在ToF系列产品线上,我们一方面会根据市场需求的不断变化,推出更多新的高性价比ToF产品来进一步提升产品的相关性能以满足市场。另一方面,我们将继续研发和生产基于我司独有工艺的新ToF产品(PToF),将基于ToF产品的应用能够延伸到更多的领域,例如未来的无人驾驶汽车以及工业控制领域。做到能够提供跨应用领域的全方位ToF传感器解决方案商。
    另外在光谱传感器领域也将会是我司的一个市场方向,结合年初ESPROS Photonics公司和Viavi Solutions公司在2017美国西部光电展上发布并展示了一款微型光谱传感系统级芯片,其尺寸和预计成本,可使复杂的波长分析和短波近红外光谱分析集成进入智能手机等移动设备。在移动应用领域,该传感器有潜力帮助消费者分析食品、饮料和药品的成分。
    与此同时,我们将进一步扩大工厂以及增加相关设备,使我们的产能获得提升。
 

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