【導(dǎo)讀】5月12日，由中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會IC設(shè)計分會（ICCAD）、芯原股份、松山湖管委會主辦的主題為“AR/VR/XR×元宇宙”的“2023松山湖中國IC創(chuàng)新高峰論壇”正式在廣東東莞松山湖召開。中科融合感知智能研究院（蘇州工業(yè)園區(qū)）有限公司（以下簡稱“中科融合”）發(fā)布了面向3D視覺領(lǐng)域的自研的MEMS微振鏡投射芯片。
根據(jù)Yole Dévelopment的“2020年度3D成像與傳感”報告顯示，2019年全球3D傳感模塊市場規(guī)模為20億美元，預(yù)計到2025年全球3D模塊市場規(guī)模將增長到81億美元，6年的年復(fù)合增長率超過了26%。Gartner在2019年發(fā)布的新興技術(shù)成熟度曲線中，也指出3D傳感技術(shù)即將進入成熟期。目前3D視覺技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于智能手機、家庭娛樂、AR/VR/MR、智能AGV、智能制造等眾多領(lǐng)域。
就技術(shù)方案來說，目前3D視覺方面應(yīng)用比較多的是3D結(jié)構(gòu)光和3D TOF 技術(shù)，此外還有基于MEMS微振鏡的條紋結(jié)構(gòu)光技術(shù)，該技術(shù)主要是借助MEMS微振鏡每秒幾千次的振動的特性，將點光源變成的線光源放大擴散出去，利用高頻激光器的工作原理，控制生成有效的含有編碼的正弦性動態(tài)結(jié)構(gòu)光圖案，然后通過攝像頭采集圖像，三維識別算法和數(shù)據(jù)處理，可以獲得高精度的3D圖像信息。由于是基于MEMS技術(shù)，所以可實現(xiàn)投影設(shè)備的微型化，同時成本也可以進一步降低。
作為國內(nèi)專注于“AI+3D”自主核心芯片技術(shù)廠商，中科融合聯(lián)合創(chuàng)始人、CTO劉欣表示，目前主流的3D視覺方案或者存在精度低、體驗差的缺陷，要么存在體積大、價格高的缺陷，而基于MEMS微振鏡的條紋結(jié)構(gòu)光可以達到更高水平的成像精度和分辨率，并且體積和成本更可控。中科融合希望通過自研的MEMS微振鏡投射芯片和模組技術(shù)更好解決3D視覺場景的應(yīng)用痛點。
中科融合的3D視覺解決方案基于兩顆自研的核心芯片：一個是MEMS微振鏡芯片，主要是替代美國TI（德州儀器）的DLP芯片進行條文光的投射，成本可以降低4倍、功耗降低10倍、體積降低20倍。一個是自研的3D AI VDPU SoC芯片主要是進行光學(xué)數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制。通過這兩個芯片形成模組，可以在達到同類競品相同成像效果和體驗的情況下，實現(xiàn)功耗、成本、體積大幅度降低，更具市場競爭力。
劉欣表示，在該3D視覺解決方案的全技術(shù)鏈條中，最為核心是：高精度光學(xué)MEMS微振鏡芯片的設(shè)計和工藝、三維成像算法和智能點云后處理算法的研發(fā)和負責光學(xué)信息計算的SoC設(shè)計。中科融合則是國際、國內(nèi)為數(shù)不多打通全技術(shù)鏈條的公司，只有這樣才可以進行跨層級的深度的垂直整合和優(yōu)化，同時也擁有更高的技術(shù)壁壘。
如上圖所示，中科融合的光學(xué)視覺芯片和模組解決方案當中，光學(xué)MEMS器件可以進行結(jié)構(gòu)光投射，光學(xué)信號采集傳感器可以負責三維信息的采集，光學(xué)MEMS驅(qū)動＋反饋芯片，可以負責MEMS驅(qū)動、光源驅(qū)動、光機電信號反饋等功能。光學(xué)計算＋智能處理芯片，則負責三維點云生成、后處理、圖像處理的控制。
在此次論壇上，劉欣著重介紹了中科融合核心技術(shù)之一的高精度MEMS微振鏡芯片。如果按驅(qū)動方式來劃分，MEMS微振鏡芯片可以分為靜電驅(qū)動、壓電驅(qū)動、電熱驅(qū)動和電磁驅(qū)動四大類，中科融合通過綜合比較，最終選擇了工藝的成熟度高、FOV視野的大、驅(qū)動力大、可靠性的高的電磁驅(qū)動作為技術(shù)路線。
據(jù)劉欣介紹，中科融合的基于MEMS微振鏡芯片的激光投射模組，擁有比較多的技術(shù)優(yōu)勢。比如：
1、體積小、功耗低。在投射器出光功率是1W的情況下，MEMS芯片本身功耗不到100毫瓦。此外，與國內(nèi)外友商相比，中科融合的激光投射模組最大的機械轉(zhuǎn)角是正負25度，對應(yīng)光學(xué)轉(zhuǎn)角是正負50度，比競品角度更大，這將帶來比較大的性能優(yōu)勢；
2、基于MEMS光學(xué)投射系統(tǒng)，光路簡單，無需復(fù)雜透鏡，可調(diào)范圍大于100度。
3、抗干擾能力強。中科融合的MEMS投射模組，采用邊發(fā)式激光作為光源，光普比較窄，典型藍光光普寬度窄，只有10納米。藍光光源是70納米，帶寬更窄的濾光片，提高了對環(huán)境光抗干擾性。
當然，基于MEMS微振鏡芯片的激光投射模組也存在著一些技術(shù)難點需要克服：
1、要求比較高的掃描重復(fù)精度。而光機掃描的精度受MEMS掃描精度影響，如果是線性微鏡，就需要保證重復(fù)精度；如果是諧振態(tài)微鏡，就需要保證振蕩的簡諧度。中科融合的解決方案是自研一套結(jié)合光學(xué)、機械、電學(xué)、算法的驅(qū)動和反饋的系統(tǒng)。
2、要求隨溫度漂移不敏感。因為系統(tǒng)是長期工作在寬溫變的范圍下，而MEMS本身受溫度影響比較大，所以需要系統(tǒng)在工作區(qū)間內(nèi)保持比較良好的穩(wěn)定性。中科融合的解決方案是研發(fā)自身的溫控系統(tǒng)，使得其模組在環(huán)境溫度變化比較大的一個范圍情況下，系統(tǒng)內(nèi)部的溫度還可以控制在比較窄的溫度范圍內(nèi)。
3、要求散斑噪聲低。因為中科融合使用的是激光光源，所以需要對激光光源的散斑進行抑制，尤其是在追求高精度、近距離成像。對此，中科融合采取了散斑抑制系統(tǒng)，經(jīng)過抑制，散斑噪聲可以得到比較好的消解。
中科融合除了擁有自研的高精度MEMS芯片，還擁有微納光學(xué)工藝、光機電集成、超小型激光投射光機等全套技術(shù)。
另外，自研的3D+AI視覺處理VDPU芯片，則是中科融合的另一大核心技術(shù)。該芯片在追求高能效同時，可以兼容各主流3D成像技術(shù)方案，包括條文結(jié)構(gòu)光、散斑DOE等。包括AiC5x系列和AiC6x/AiC7x系列芯片，前者可以處理光學(xué)信號采集和光學(xué)MEMS驅(qū)動+反饋，后者可以進行光學(xué)計算+智能處理。
劉欣表示，“為了突破性能強、存儲墻、功耗墻，我們在3D專用領(lǐng)域進行數(shù)模混合信號鏈的處理，在芯片架構(gòu)層等做了大量的新工作。目前，第一代面向工業(yè)級光學(xué)測量與建模的芯片（基于臺積電40LL工藝）已經(jīng)量產(chǎn)，第二代面向中低端嵌入式計算的芯片（臺積電28HPC＋工藝）正在量產(chǎn)中?！?/p>
此外，中科融合基于MEMS微振鏡的激光束掃描（LBS，Laser Beam Scanning）系統(tǒng)的設(shè)計也正在研發(fā)中。主要應(yīng)用場景是家用投影儀、抬頭顯示、AR眼鏡投影等。
LBS根據(jù)投射模式可以分為Raster Scanning（一軸線形態(tài)，另一軸諧振態(tài)）和Lissajous Scanning（二軸都為諧振態(tài)）兩種方式，這兩種方式各有優(yōu)缺點。目前中科融合正在正在進行Rester二維MEMS微振鏡芯片的研發(fā)，預(yù)計將在今年年底完成流片。
3D視覺需要具備全鏈條綜合技術(shù)儲備。劉欣表示，中科融合實現(xiàn)了自研MEMS芯片設(shè)計、微納光學(xué)工藝、光機電集成、超小型激光投射光機、光學(xué)信號采集芯片、光學(xué)MEMS驅(qū)動+反饋芯片、光學(xué)計算＋智能處理芯片、三維成像算法和智能點云后處理算法等全鏈條技術(shù)的打通。
據(jù)介紹，目前中科融合的“AI+3D”核心技術(shù)，廣泛布局于機器人、醫(yī)療美容、XR/元宇宙、自動駕駛等領(lǐng)域，實現(xiàn)了對于進口芯片的國產(chǎn)替代。作為一個致力于自研芯片技術(shù)的企業(yè)，在芯片技術(shù)形成產(chǎn)品后，實現(xiàn)了數(shù)十倍的銷售增長。中科融合企業(yè)的市場化融資估值，在過往3年疫情和國際局勢的雙重重壓下，獲得了超過50倍的增長。
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