灵明光子发布超高分辨率纯固态激光雷达SPAD芯片ADS6311

MEMS 2023-09-02 00:02

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SPADIS面阵型ADS6311芯片

广泛适用于车载、机器人等纯固态激光雷达领域

作为SPAD dToF行业的一家领军级企业，灵明光子在2023年迎来了众多里程碑式的突破，获得包括成功通过AEC-Q102 Grade 1车规级认证，完成混合固态激光雷达接收端的SiPM芯片产能爬坡和量产出货，被国家工信部认定成为国家级专精特新小巨人企业等众多荣誉。近日，灵明光子又取得了令人十分振奋的研发成果，公司正式发布广泛适用于车载、机器人等纯固态激光雷达领域的SPADIS面阵型ADS6311芯片！

在9月6日即将到来的第24届国际光电博览会（CIOE2023）上，公司将携硅光子倍增管系列（SiPM）、单光子成像阵列芯片（SPADIS）及dToF模组、单点及有限点dToF感知模组三大完备的产品系列亮相展会，并于大会期间参与“麦姆斯微言大义”和“Yole国际论坛”两场演讲发布最新进展。灵明光子诚挚地欢迎并邀请各位产业专家和合作伙伴在展会期间莅临深圳国际会展中心6C65展位参观指导。

ADS6311的产品开发与性能

ADS6311产品的开发过程延续了灵明光子在面阵型SPADIS产品上积累的开发经验和技术壁垒，整体开发过程非常顺利。2023年初芯片设计完成并tape-out，7月回片并同步开发原型机的软硬件系统，目前已经完成Demo搭建，并进行了各种功能及性能验证。ADS6311内所使用的SPAD设计和工艺技术与灵明光子的SiPM工艺平台一致，SiPM是通过对大量SPAD的并联而形成单点或线阵的像素点，目前公司的SiPM产品已经通过AEC-Q102 Grade1车规级可靠性认证并量产，基于同一工艺平台的ADS6311同样可以支持车规级的可靠性。

灵明光子研发团队自2018年以来，孜孜不倦地将面阵产品从小尺寸向大尺度进行迭代开发，产品的开发可以追溯至80 x 60及160 x 120分辨率的初代产品，该系列的前一代产品ADS6303（分辨率240 x 160）在2021年7月成功量产出货。固态激光雷达的SPADIS芯片有着极高的技术壁垒，包括高性能SPAD器件的开发，高速高精度数模混合电路的设计，激光雷达专用DSP的开发，3D堆叠技术及车规级封装方案等。

正因如此，目前全球范围内只有少数几家公司开发出了车规级的SPAD芯片。灵明光子通过持续的技术创新，此次推出的ADS6311芯片达到了该产品线前所未有的分辨率，芯片感光区域配备了768 x 576个SPAD，是IMX459的4.5倍，也是ibeonext的43倍。为了提升抗强光特性及测远能力，每3 x 3个SPAD组成一个超像素，从而实现了256 x 192的点云分辨率，分别是IMX459的4.5倍和ibeonext的4.8倍，在目前市场上ADS6311是分辨率顶级的纯固态激光雷达SPADIS芯片之一。

在开发过程中，ADS6311芯片的冒烟试验和点云出图均是一次成功，其输出的点云图也呈现出高清和稳定的效果，这印证了灵明光子团队在开发过程中付出的孜孜不倦的专注和汗水。自最初设计第一款小尺寸面阵之时，灵明光子团队就立下了产品线的开发目标，将来一定要设计出性能最领先的固态面阵芯片并实现3D传感技术普惠的商业化，让中国技术引领全球激光雷达行业的蓬勃发展，士不可以不弘毅，任重而道远，如今这一目标正在灵明光子全员的努力下变得指日可待。

图1. ADS6311芯片与开发板

灵明光子在ADS6311产品的技术指标规划上完全不逊色于市场中的同类型产品，因为研发团队通过五年磨一剑的持续技术积累，公司在大尺寸的面阵SPADIS产品这个领域内的产品规划与参数定义方面均处于行业内前沿的位置。

表1. ADS6311的详细参数指标

在设计之初，灵明光子对该产品的优势定位是：（1）超高分辨率，保证图像清晰度；（2）经过多代验证的、可量产先进BSI 3D堆叠技术；（3）车规级高性能、高可靠性SPAD；（4）先进的片上DSP算法，保证高精度、高帧率点云输出；（5）易于使用，对激光雷达的主控要求低，兼容FPGA和SOC，有利于激光雷达系统级的成本控制；（6）兼容1D和2D扫描方式；（7）兼容主雷达与补盲避障雷达的不同应用场景。

基于ADS6311，灵明光子同步开发了120度 x 90度的大FOV激光雷达开发评估套件，以方便客户更快、更好地熟悉和使用该款芯片。ADS6311不仅支持大FOV，还可以适配小FOV的光路设计应用于前向的主雷达，以多颗在物理层面拼接视场角的纯固态远距离方案，或以单颗结合各种扫描方式的混合固态远距离方案。通过这样的设计，灵明光子实现了纯固态接收端面阵芯片在应用领域和工况方面的通用性。

ADS6311的市场前景与应用

业界普遍认可的激光雷达发展方向是基于SPADIS面阵+垂直腔表面发射激光器（VCSEL）阵列的纯固态激光雷达。ADS6311产品是灵明光子大面阵SPADIS产品的第二代，主要面向智能乘用车的补盲避障应用，也适用于机器人等任何三维环境中需要实现自主3D传感的应用场景。

作为纯固态激光雷达的核心部件，SPADIS面阵传感器芯片的研发具有定义整机系统性能上限的战略意义。同时，面阵化和固态化是芯片与系统演进的必然方向，3D堆叠的SPADIS芯片是3D摄像头的核芯，它和2D的CIS摄像头的CMOS+镜头的组成结构同理，系统组成仅为SPADIS芯片+镜头。这使得激光雷达从一个有动件的精密仪器进化为一个可大规模量产的器件，SPADIS型的纯固态激光雷达逐步走向摄像头化，与摄像头的结合在软硬件层面上都是一脉相承的架构，从而实现自动驾驶激光雷达的大幅度降本。

相比于混合固态和机械式激光雷达，灵明光子总结了纯固态激光雷达所具备的主要技术优势：

更高的可靠性和稳定性

纯固态激光雷达采用电光调制器实现激光束的扫描，不需要任何机械部件，避免了机械部件的磨损、寿命限制等问题，具有更高的可靠性和稳定性

更高的扫码速度和精度

纯固态激光雷达可以实现更高的激光扫描速度和精度，能够更精准地获取目标的三维信息，从而提高激光雷达在自动驾驶、机器人等领域的应用效果

更小的尺寸和重量

纯固态激光雷达不需要机械部件，可以实现更小的尺寸和重量，方便在车载、机载等应用场景中使用

更低的功耗和发热量

纯固态激光雷达采用电光调制器实现激光扫描，功耗和发热量都较低，能够更好地适应嵌入式、移动设备、车载等低功耗应用场景及散热处理

近年来，在自动驾驶最受关注的城区NOA智能驾驶应用上，ADS6311可以为中低速L2到L4级别的智能驾驶提供服务。当乘用车上搭载一颗到多颗该产品时，智能汽车能够获得强大的盲区高清3D视野支持，实现包括侧向角向的补盲避障，前后向的危险规避，车库和车位的3D环境重建等。补盲避障激光雷达产品解决的正是人们日常用车过程中的高频痛点，是用户最能直观感受到的部分。

大家可以在下图车载实测的场景中看到，点云图的深度信息是来自256 x 192个超像素单元的直接探测，而灰度图的图像信息是由SPADIS面阵的768 x 576个SPAD像素得到的，具有44万像素成像的功能。双重成像的功能使得ADS6311可以在两个维度上，同时匹配监测环境信息，做到更加优质和安全冗余的监控。未来随着灵明光子将像素单元尺寸（Pixel pitch）优化得越来越小，产品将能够提供更大画幅的深度与灰度图像，与RGB图像进行多种融合适配。

车载动图1. 路侧边栏及对向车道

车载动图2. 非机动车道与人行道，地下车库

同时，通过激光雷达和摄像头的BEV transformer 在鸟瞰视野架构组合下，可以实现同一画幅的信息捕捉，使得汽车对道路、车库以及城市级的三维重建成为现实。摄像头提供的是画面贴图的拼接，激光雷达提供的是深度数据的模型，两者的组合犹如表面与框架的融合，我们很有可能通过大量智能汽车的实景扫描来实现人类历史上首次在城市级别上的数字孪生构建。

在路侧端，ADS6311同样可以提供实时高帧率和高精度的人员及车辆的位置监控。基于此类场景的三维重建可以提高城市道路管理的数据质量，同时可能在未来产生依附于城市数字孪生的新兴市场。

路侧动图1. 机动车监控