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中科融合劉欣:從MEMS微振鏡芯片入手,全棧式解決3D機(jī)器視覺挑戰(zhàn)

發(fā)布時(shí)間:2023-06-14 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】5月12日,由中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)IC設(shè)計(jì)分會(huì)(ICCAD)、芯原股份、松山湖管委會(huì)主辦的主題為“AR/VR/XR×元宇宙”的“2023松山湖中國(guó)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(jiǎn)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(bào)告顯示,2019年全球3D傳感模塊市場(chǎng)規(guī)模為20億美元,預(yù)計(jì)到2025年全球3D模塊市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)到81億美元,6年的年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)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(jìn)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(jī)、家庭娛樂(lè)、AR/VR/MR、智能AGV、智能制造等眾多領(lǐng)域。


就技術(shù)方案來(lái)說(shuō),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(dòng)的特性,將點(diǎn)光源變成的線光源放大擴(kuò)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)光圖案,然后通過(guò)攝像頭采集圖像,三維識(shí)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(shí)現(xiàn)投影設(shè)備的微型化,同時(shí)成本也可以進(jìn)一步降低。


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作為國(guó)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(yàn)差的缺陷,要么存在體積大、價(jià)格高的缺陷,而基于MEMS微振鏡的條紋結(jié)構(gòu)光可以達(dá)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(guò)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(chǎng)景的應(yīng)用痛點(diǎn)。


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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(gè)是MEMS微振鏡芯片,主要是替代美國(guó)TI(德州儀器)的DLP芯片進(jìn)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(gè)是自研的3D AI VDPU SoC芯片主要是進(jìn)行光學(xué)數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制。通過(guò)這兩個(gè)芯片形成模組,可以在達(dá)到同類競(jìng)品相同成像效果和體驗(yàn)的情況下,實(shí)現(xiàn)功耗、成本、體積大幅度降低,更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。


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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(jì)和工藝、三維成像算法和智能點(diǎn)云后處理算法的研發(fā)和負(fù)責(zé)光學(xué)信息計(jì)算的SoC設(shè)計(jì)。中科融合則是國(guó)際、國(guó)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(jìn)行跨層級(jí)的深度的垂直整合和優(yōu)化,同時(shí)也擁有更高的技術(shù)壁壘。


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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(dāng)中,光學(xué)MEMS器件可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)光投射,光學(xué)信號(hào)采集傳感器可以負(fù)責(zé)三維信息的采集,光學(xué)MEMS驅(qū)動(dòng)+反饋芯片,可以負(fù)責(zé)MEMS驅(qū)動(dòng)、光源驅(qū)動(dòng)、光機(jī)電信號(hào)反饋等功能。光學(xué)計(jì)算+智能處理芯片,則負(fù)責(zé)三維點(diǎn)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(dòng)方式來(lái)劃分,MEMS微振鏡芯片可以分為靜電驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、電熱驅(qū)動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)四大類,中科融合通過(guò)綜合比較,最終選擇了工藝的成熟度高、FOV視野的大、驅(qū)動(dòng)力大、可靠性的高的電磁驅(qū)動(dòng)作為技術(shù)路線。


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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(shì)。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(guó)內(nèi)外友商相比,中科融合的激光投射模組最大的機(jī)械轉(zhuǎn)角是正負(fù)25度,對(duì)應(yīng)光學(xué)轉(zhuǎn)角是正負(fù)50度,比競(jìng)品角度更大,這將帶來(lái)比較大的性能優(yōu)勢(shì);


2、基于MEMS光學(xué)投射系統(tǒng),光路簡(jiǎn)單,無(wú)需復(fù)雜透鏡,可調(diào)范圍大于100度。


3、抗干擾能力強(qiáng)。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(lán)光光普寬度窄,只有10納米。藍(lán)光光源是70納米,帶寬更窄的濾光片,提高了對(duì)環(huán)境光抗干擾性。


當(dāng)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(diǎn)需要克服:


1、要求比較高的掃描重復(fù)精度。而光機(jī)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(jiǎn)諧度。中科融合的解決方案是自研一套結(jié)合光學(xué)、機(jī)械、電學(xué)、算法的驅(qū)動(dòng)和反饋的系統(tǒng)。


2、要求隨溫度漂移不敏感。因?yàn)橄到y(tǒng)是長(zhǎng)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(gè)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?yàn)橹锌迫诤鲜褂玫氖羌す夤庠?,所以需要?duì)激光光源的散斑進(jìn)行抑制,尤其是在追求高精度、近距離成像。對(duì)此,中科融合采取了散斑抑制系統(tǒng),經(jīng)過(guò)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(jī)電集成、超小型激光投射光機(jī)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(shí),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(hào)采集和光學(xué)MEMS驅(qū)動(dòng)+反饋,后者可以進(jìn)行光學(xué)計(jì)算+智能處理。


劉欣表示,“為了突破性能強(qiáng)、存儲(chǔ)墻、功耗墻,我們?cè)?D專用領(lǐng)域進(jìn)行數(shù)?;旌闲盘?hào)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(jí)光學(xué)測(cè)量與建模的芯片(基于臺(tái)積電40LL工藝)已經(jīng)量產(chǎn),第二代面向中低端嵌入式計(jì)算的芯片(臺(tái)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(jì)也正在研發(fā)中。主要應(yīng)用場(chǎng)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(diǎn)。目前中科融合正在正在進(jìn)行Rester二維MEMS微振鏡芯片的研發(fā),預(yù)計(jì)將在今年年底完成流片。


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3D視覺需要具備全鏈條綜合技術(shù)儲(chǔ)備。劉欣表示,中科融合實(shí)現(xiàn)了自研MEMS芯片設(shè)計(jì)、微納光學(xué)工藝、光機(jī)電集成、超小型激光投射光機(jī)、光學(xué)信號(hào)采集芯片、光學(xué)MEMS驅(qū)動(dòng)+反饋芯片、光學(xué)計(jì)算+智能處理芯片、三維成像算法和智能點(diǎn)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(jī)器人、醫(yī)療美容、XR/元宇宙、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)了對(duì)于進(jìn)口芯片的國(guó)產(chǎn)替代。作為一個(gè)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(shí)現(xiàn)了數(shù)十倍的銷售增長(zhǎng)。中科融合企業(yè)的市場(chǎng)化融資估值,在過(guò)往3年疫情和國(guó)際局勢(shì)的雙重重壓下,獲得了超過(guò)50倍的增長(zhǎng)。



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