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艾普柯:光电传感“功力深厚”,ToF技术“手到擒来”
2018-07-11 09:58:18   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

近几年,面向火热的3D人脸识别应用,艾普柯新增了ToF传感器及解决方案。随着公司产品线的日益丰富,核心竞争力也越来越强,已发展成为中国大陆排名第一的光电传感器公司。麦姆斯咨询作为艾普柯的老朋友,见证了艾普柯的成长,并于近期特地采访了艾普柯首席执行官李碧洲先生。

微访谈:艾普柯首席执行官李碧洲

采访背景:艾普柯微电子(上海)有限公司(以下简称:艾普柯)是一家专注于为各类应用市场提供光电传感器解决方案的高新技术企业。艾普柯保持着对消费电子市场敏锐的嗅觉,从最初为智能手机和平板电脑提供环境光和距离传感器,到开发出可穿戴设备应用的心率传感器,及推出光电传感器的创新商务模式——半定制。而近几年,面向火热的3D人脸识别应用,艾普柯新增了ToF传感器及解决方案。随着公司产品线的日益丰富,核心竞争力也越来越强,已发展成为中国大陆排名第一的光电传感器公司。麦姆斯咨询作为艾普柯的老朋友,见证了艾普柯的成长,并于近期特地采访了艾普柯首席执行官李碧洲先生。

艾普柯首席执行官李碧洲

艾普柯首席执行官李碧洲

麦姆斯咨询:首先,请您介绍下艾普柯的发展历程及主要产品吧!

李碧洲:艾普柯成立于2011年,2013年首次获得联发科(MTK)平台认证,并随后获得展讯和高通平台认证。2013年底,艾普柯获得奋达科技等公司的战略投资后,公司踏上了高速发展之路。艾普柯提供的光电传感器包括环境光传感器(ALS)、距离传感器(PS)、心率传感器(HRS)、飞行时间(ToF)传感器等,并为客户提供从产品定义、器件设计、晶圆加工、封装和测试、光学结构设计到算法实现等的一站式服务。

艾普柯主要产品及应用

艾普柯主要产品及应用

艾普柯提供的光电传感器(ALS、PS、HRS)外观

艾普柯提供的光电传感器(ALS、PS、HRS)外观

麦姆斯咨询:艾普柯从何时开始研发ToF传感器?当时决定研发ToF传感器的初衷是什么呢?同时又面临着哪些困难或挑战?

李碧洲:艾普柯从2015年开始研发阵列式ToF传感器,当时两方面的原因让我们产生了这个念头:一方面是公司本身就立足光电传感芯片技术,研发ToF传感器有一定的技术传承性;另一方面就是看好ToF传感器市场的发展前景。

艾普柯很早就对单光子雪崩二极管(SPAD)形式的单点ToF技术进行了预研。2015年联想(Lenovo)推出了Tango系列AR手机,PMD为其提供ToF传感器,艾普柯为其提供定制版的距离传感器。在与联想的合作中,我们看到了阵列式ToF传感器的巨大市场潜力,果断放弃了已经研究一段时间的单点SPAD技术路线,转向“CCD+CMOS”的阵列式ToF技术方案。

目前,国际大厂和初创公司都开始看好ToF传感器产品线,并竞相进入ToF技术领域。这说明ToF传感器市场前景非常光明,但同时也加速了同行产品的升级速度。激烈的市场竞争对我们来说,既是机遇,也是挑战!我们需要迅速拿出满足市场需求且令人欣喜的产品。按照艾普柯以往的成功经验,我们一定要认清自己的优劣势,不与国际大厂拼资金和规模,把重点放在与产业链上下游合作实现技术创新方面。针对当前智能手机市场出现的3D视觉机遇,艾普柯瞄准了ToF传感器芯片小型化作为主攻方向。

麦姆斯咨询:ToF传感器芯片小型化是艾普柯ToF解决方向之一,能详细谈谈贵司如何实现芯片小型化?主要难点在哪?目前量产的芯片尺寸是多少?

李碧洲:不同波段(波长)的光穿透半导体材料的深度不一样。对于图像传感器来讲,可见光波长穿透硅材料的深度通常在1um左右。但是,对于ToF传感器,红外光(IR)的穿透硅材料的深度可达10~50um,需要施加能够感应出10~50um深势阱的电压。因此可以看到一些ToF产品需要高压、负压等设计,这带来的结果就是芯片需要很复杂的片外供电系统。另外,由于红外光的穿透深度有10~50um,相邻像素(pixel)会有光生信号的串扰问题。因此ToF芯片的像素尺寸通常比较大,如20um、25um等。另外,ToF芯片的像素又叫解调器,可以看到美国专利局上一些ToF芯片相关专利,直接命名就是“解调器”。其意思为:它是一个解调光生电荷的像素,这是与传统CMOS图像传感器最大的不同。因此,要能够更好地解调出I/Q两路信号,或者说0度、90度、180度、270度信号,就需要大的像素尺寸,即像素尺寸无法减小。最终,以上三点决定了ToF芯片拥有庞大而复杂的片外供电系统,以及大像素尺寸造成的大芯片尺寸。

艾普柯ToF传感器芯片小型化的成果展示

艾普柯ToF传感器芯片小型化的成果展示

但是,艾普柯的ToF芯片通过电路设计(采用片内电路)实现了高压、负压等片外供电系统的效果。另外,艾普柯通过优化像素及像素之间的间隔、改进芯片制造工艺、优化势阱和光生信号的信号流通路,来实现像素尺寸的小型化,进而实现芯片尺寸的小型化。可以说,实现ToF传感器的小型化是电路和工艺设计人员、晶圆代工厂、封装厂和模组厂共同努力的结果!

艾普柯采用“CCD+CMOS”技术方案,使得ToF芯片具有更高集成度

艾普柯采用“CCD+CMOS”技术方案,使得ToF芯片具有更高集成度

因此,正是由于艾普柯多年来在光电传感器领域的经验积累,才具备了实现ToF传感器小型化的能力。艾普柯的芯片设计和工艺,是在CMOS工艺基础上实现了高灵敏度的CCD像素,然后通过上万次的积分得到精确的深度(距离)信息。CCD像素位于晶圆表面,在普通CMOS工艺过程中实现。ToF传感器采用普通电压芯片即可,不需要高压或复杂、高成本的雪崩光电二极管。

麦姆斯咨询:模块小型化是艾普柯ToF解决方向之二,请您分享一下艾普柯如何利用自己的封装技术来实现模块小型化?存在哪些技术要点?

李碧洲:一方面我们利用TSV(硅通孔)技术作为芯片封装方案,减少了封装的横向面积。

另一方面我们在光路设计方面下了比较大的功夫,并且利用注塑成型(Molding)工艺将光学镜头、光源(VCSEL)、ToF芯片等都封装在一起,产品一体成型,最大程度地减小了产品尺寸。

艾普柯整合VCSEL、ToF芯片和镜头,并搭配算法,以提供最优化的3D视觉方案

艾普柯整合VCSEL、ToF芯片和镜头,并搭配算法,以提供最优化的3D视觉方案

麦姆斯咨询:艾普柯有单点ToF方案和阵列ToF方案,这两种方案分别适合于哪些应用场景?他们与市场上主流的方案相比有哪些优势?

李碧洲:艾普柯单点ToF方案通过采用较小分辨率的阵列ToF芯片来实现,与现在市场上主流基于SPAD的单点ToF方案相比,具有测量范围更宽、可覆盖被测物体不在图像中心的情形、对镜头设计要求低等优势。单点ToF方案主要应用场景有:辅助摄像头快速对焦、激光测距仪,以及在一些行业应用中实现物体检测(例如侦测电脑前面有没有人)。我认为未来在倒车应用方面上也有一定的机会。

相比市场上主流的阵列ToF方案,艾普柯阵列ToF方案的优势是降低了整体模组尺寸和减少了标定时间。阵列ToF方案可以用作人脸识别、3D拍摄、AR游戏等,将来的AR智能手机上有很大概率会用上ToF技术。除了智能手机以外,我还很看好其它领域的3D人脸识别市场,包括刷脸支付、人脸识别门禁等。因为,对比目前的2D人脸识别技术,3D人脸识别能带来更高的安全性。

麦姆斯咨询:远距离是艾普柯ToF解决方向之三。限制ToF传感器实现远距离探测的主要因素有哪些?艾普柯如何解决?

李碧洲:我认为远距离探测的主要制约因素是:(1)发射端的光路设计如何确保具有一定能量的光的有效传输。这里还需要考虑到人眼安全规范,不能无限“放大”光源能量,而是需要在安全规范内尽量提高发射端能量;(2)接收端ToF芯片的光电转换效率以及测试准确性。

艾普柯已经与VCSEL制造商等合作伙伴开始深入探讨与合作,我们研发重点将放在光学设计、ToF芯片的光电转换效率和测试准确性方面。

麦姆斯咨询:高精度和低功耗是传感器的追求目标,也是艾普柯ToF解决方向之四。请问贵司产品计划达到的指标是多少?相比市场上主流产品具有多大优势?

李碧洲:艾普柯一开始就把重点放在高精度和低功耗方面,我们并不急于推出高分辨率的产品,更重视“一步一个脚印”稳扎稳打,目前的在研项目已经支持到QVGA分辨率。艾普柯下一代产品会达到8万像素,向国际大厂的ToF产品看齐。

与市场上主流ToF产品相比,我们具有两方面的独特优势:(1)完全独立创新的芯片工艺和封装技术,在产品小型化、高像素、低功耗、远距离等方向做出重要努力;(2)充分利用国内供应链,以更低的成本和更快的响应速度来服务好客户,使客户能快速推出质优价廉的ToF应用产品。

麦姆斯咨询:我们来谈谈3D人脸识别方案吧。iPhone X、荣耀V10的手机配件Jupiter X、小米8探索版都采用了结构光方案。而艾普柯提供的是ToF方案,您可以分析和对比主要3D人脸识别方案的优劣势吗?您能大胆预测下ToF方案进入智能手机3D人脸识别应用的时间点吗?

李碧洲:现阶段,结构光方案的优势是短距离检测精度比较高。但是也存在着一些问题,比如:工艺比较复杂,尤其是对光学器件的要求比较高,限制了量产;专利布局问题;算法比较复杂等。基于上述问题,目前基于结构光方案的产品供货能力还是存在一定的瓶颈。

ToF方案的好处有:(1)专利部分,艾普柯已经做好了充分的布局;(2)生产工艺相对结构光方案来说更简单一点,更容易量产;(3)光学结构比较简单,成本上也会有一定的优势;(4)对ToF技术研究还在继续进行,这项技术不断进步,目前已经有测试精度高于结构光方案的产品面世。

艾普柯目前发布的3D人脸识别方案是基于2D人脸识别技术,并在此基础上增加3D活体检测。这种方案的检测精度可达到很高的水准。随着智能手机3D人脸识别市场被开发出来,ToF方案有机会跟结构光方案并行存在,并由于成本优势,很可能更有机会脱颖而出。

麦姆斯咨询:艾普柯是否已经和智能手机厂商就3D人脸识别应用开展合作?目前进展如何?

李碧洲:艾普柯已经跟一些智能手机客户讨论过3D人脸识别方案的可行性,反馈很好,拥有很大希望。当然,客户最后都是要看传感器测试效果。目前,我们为了优化识别效果,正在加紧研发,以期望达到更优异的测试效果。艾普柯计划在2018年第三季度推出新样品,供客户试用。

麦姆斯咨询:您认为中国大陆3D人脸识别产业链是否成熟?如果否,还有哪些薄弱环节亟待解决?

李碧洲:目前3D人脸识别的产业链还处在起步阶段,从以下几方面来说:

(1)应用方面。3D人脸识别应用还没有完全被开发出来,很多人脸识别应用还停留在2D人脸识别上,需要通过眨眼睛、摇头等辅助动作来配合识别。随着3D人脸识别技术的推出和技术完善,体验感一定会远远超出2D人脸识别。

(2)供应链方面。3D摄像头模组供应量还是受限的,主要因为专利限制和制造工艺难度带来的产量限制。这可能也是3D人脸识别普及比较慢的主要原因之一。另外,智能手机厂家也担心良率和产能问题。

(3)成本方面。3D人脸识别方案仍然昂贵,除了一些旗舰机型,大部分智能手机还用不起3D视觉相关器件和模组。

艾普柯作为光电传感器芯片及方案供应商,从设计端就全面考虑了以上问题,所以在产品定义时就做了一些重要规划。我们目前发布的ToF方案能够做到易于量产,并且成本大幅下降。当然,我们的ToF方案是否能真正与模组厂家的需求完美契合,还需要后续双方进一步沟通与合作。

麦姆斯咨询:请您畅谈艾普柯未来五年发展规划及公司发展愿景吧!

李碧洲:艾普柯目前有三大产品线齐头并进,后续公司会继续利用领先的光电传感技术,寻找光电传感方面的市场机遇。

在产品方面,艾普柯以前立足于研发一些小而美的产品线,但目前已开始调整战略,与一线品牌手机客户开展合作。艾普柯会根据客户的主流产品规格来定义自己的产品,努力做好国外传感器的替代工作,甚至国内传感器的创新引领。

作为国内光电传感器领域的领先公司,我们希望把产品及技术都研究透彻,在技术上达到国际领先水平,同时整合好国内传感器供应链,最终成为全球市场上的主力供应商之一。

麦姆斯咨询:今年,艾普柯将再次出席9月10日在上海举办的『第二十四届“微言大义”研讨会:3D视觉技术及应用』,作为一名“老兵”,您将为大家分享哪些新鲜内容呢?谢谢。

李碧洲:我们将在这次研讨会上谈一谈艾普柯在3D视觉技术上所做的努力,尤其是在产品小型化方面的一些技术进展。非常期待与大家分享和交流!

延伸阅读:

《3D成像和传感-2018版》

《苹果iPhone X的ToF接近传感器和泛光照明器》

《苹果iPhone X红外点阵投影器》

《苹果iPhone X近红外3D摄像头传感器》

《苹果iPhone X中的ams多光谱传感器》

《英特尔RealSense 3D摄像头与意法半导体红外激光发射器》

《联想Phab 2 Pro三维飞行时间(ToF)摄像头》

《英特尔RealSense主动红外立体深度摄像头:D435》

推荐会议: 

2018年9月10日,麦姆斯咨询将再次携手3D视觉产业链的精英企业,在上海隆重举行『第二十四届“微言大义”研讨会:3D视觉技术及应用』(同期展会:2018年中国(上海)传感器技术与应用展览会)。本次研讨会内容涉及3D摄像头模组、3D视觉算法、3D视觉核心元器件的深度技术解析,以及3D视觉应用和市场分析等。已邀请Intel、舜宇光学、ams(艾迈斯半导体)、布勒莱宝光学、瑷镨瑞思(Espros)、炬佑智能、西安知微传感、艾普柯微电子、驭光科技、纵慧芯光、华芯半导体、肖特、睿熙科技等企业进行演讲,如果贵司希望参加演讲或展会,请联系:
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