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一、課題來源與背景
3D成像是未來所有智能設(shè)備所必須的三維視覺感知技術(shù)，可以使設(shè)備實(shí)時(shí)獲取周圍環(huán)境物體的三維尺寸和深度信息，更智能更全面的看懂世界。
3D成像技術(shù)主要包括結(jié)構(gòu)光、雙目和TOF三種主流技術(shù)路線。其中，結(jié)構(gòu)光技術(shù)精度高、測量距離短，主要應(yīng)用于近距人臉識(shí)別領(lǐng)域；雙目技術(shù)測量距離短，抗環(huán)境光干擾能力弱，對(duì)目標(biāo)物的紋理特征要求高，且成本高。TOF技術(shù)測量距離遠(yuǎn)、精度高、抗環(huán)境光干擾能力強(qiáng)，是目前3D成像領(lǐng)域中的主要研究熱點(diǎn)。
為滿足未來市場對(duì)高分辨率、高精度、低功耗等性能的需求，本項(xiàng)目集中攻關(guān)立項(xiàng)，聚焦于百萬級(jí)像素iToF 3D成像領(lǐng)域，針對(duì)iToF系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究中所涉及到iToF圖像傳感器芯片、3D成像光學(xué)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)、系統(tǒng)標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)展開研究。通過相關(guān)研究內(nèi)容中的基礎(chǔ)理論模型、工作機(jī)理等內(nèi)容，為百萬級(jí)像素高分辨率3D成像系統(tǒng)的研究提供重要的科學(xué)依據(jù)和研究基礎(chǔ)。通過整個(gè)項(xiàng)目的研究，最終掌握該領(lǐng)域的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，解決國內(nèi)在該領(lǐng)域額“卡脖子”技術(shù)，填補(bǔ)國內(nèi)空白，培育相關(guān)人才，提高國內(nèi)在該領(lǐng)域的整體科學(xué)研究能力和技術(shù)水平，后續(xù)有望廣泛應(yīng)用于手機(jī)、智能電視、智慧家居、機(jī)器人和安防監(jiān)控等諸多領(lǐng)域。
二、技術(shù)原理及性能指標(biāo)
項(xiàng)目主要針對(duì)百萬級(jí)像素iToF 3D成像機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)展開研究，通過基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究與突破，最終研究出百萬級(jí)像素分辨率的高性能iToF 3D成像系統(tǒng)，主要包含對(duì)iToF圖像傳感器芯片、3D成像光學(xué)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)級(jí)標(biāo)定模型等關(guān)鍵技術(shù)展開研究。本項(xiàng)目產(chǎn)品達(dá)到的性能指標(biāo)如下：
（1）像素尺寸：5um×5um；
（2）量子效率：20.2435%@940nm；
（3）像素內(nèi)的光電子傳輸：＜1.5ns；
（4）3D傳感器分辨率：640 x 480；
（5）幀頻：60fps；
（6）讀數(shù)噪聲：4.1583e-；
（7）對(duì)角FOV ：77.62°；
（8）測量范圍：72mm~8765mm；
（9）測量距離/精度≤0.153%@500mm~8000mm；
（10）AC調(diào)制對(duì)比度≥0.8。
三、技術(shù)的創(chuàng)造性與先進(jìn)性
本項(xiàng)目針對(duì)高性能iToF感光芯片及其視覺傳感器研發(fā)及應(yīng)用成像機(jī)理展開研究，并對(duì)其產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)工藝進(jìn)行攻克，項(xiàng)目技術(shù)的創(chuàng)造性與先進(jìn)性主要體現(xiàn)在：
（1）提出一種三相位法的CW和PM混合式iToF調(diào)制解調(diào)的數(shù)學(xué)模型；
（2）提出了一種輪轉(zhuǎn)電路的工作模型降低ADC陣列之間的讀出偏差；
（3）提出了一種基于散斑光源模型與機(jī)理來解決iToF系統(tǒng)多路徑干擾的方法；
（4）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)級(jí)標(biāo)定模型對(duì)3D成像誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。
四、技術(shù)的成熟程度，適用范圍和安全性
本項(xiàng)目通過開展應(yīng)用研究，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、iToF感光芯片設(shè)計(jì)、iToF深度引擎算法(ISP)、量產(chǎn)標(biāo)定及制造四個(gè)核心技術(shù)難題進(jìn)行了攻克研發(fā)，iToF技術(shù)方案已完成商用、核心iToF感光芯片已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)條件。2020年，原創(chuàng)ToF系統(tǒng)解決方案為魅族17Pro采用，為新品帶來了優(yōu)化的3D深感探測性能?；诖朔桨?，新品實(shí)現(xiàn)了手機(jī)漸進(jìn)式拍照背景虛化、實(shí)時(shí)低功耗的視頻背景虛化，以及精準(zhǔn)的AR體驗(yàn)；2021年，新一代ToF一站式量產(chǎn)方案為魅族18 Pro采用，包括屏下3D視覺解決方案、增強(qiáng)型ToF方案等，并“端到端” 解決從硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、量產(chǎn)制造到應(yīng)用開發(fā)與落地的一系列難題。
通過對(duì)本項(xiàng)目的原理研究及應(yīng)用攻關(guān)攻克，在獲得以色列芯片巨頭TowerJazz公司先進(jìn)工藝的支持下。2020年，本項(xiàng)目創(chuàng)新研發(fā)出了基于BSI+3D Stacking堆棧式工藝的iToF感光芯片（Pleco），并已完成流片，完成模組樣機(jī)開發(fā)。公司成為全球范圍內(nèi)首家在工藝流程上實(shí)現(xiàn)基于BSI+3D Stacking堆棧式的先進(jìn)工藝制程，使得芯片性能在調(diào)制頻率、噪聲、暗電流以及精度等方面相較于國內(nèi)外競爭對(duì)手同等分辨率產(chǎn)品處于領(lǐng)先位置。