3D图像传感器捕获图像的方式主要分为三种技术：立体视觉、结构光和飞行时间（ToF）。ToF进一步分为两种技术，包括测量相位差的 Indirect ToF（iToF）和测量时间差的Direct ToF（dToF）。

LiDAR系统基于直接飞行时间和间接飞行时间等各种测量技术。射出的超短激光脉冲经过物体反射后被检测到，通过扫描环境和测量激光脉冲的传播时间，可得出三维深度图。结合创建地图等技术，清洁机器人从事室内清洁工作时可以行走自如，工业机器人则可以识别工人，防止有害的交互行为。

直接直接飞行时间 (dToF)

• 红外光源发出符合人眼安全标准的高功率极窄脉冲
• 时间选通器根据信号从反射源返回的时间来计算与物体之间的距离
• 可使用多种探测技术（PIN、APD、SPAD）扫描照明场景
• 分辨率取决于脉冲宽度

间接飞行时间 (iToF)

• 光源发出占空比（脉冲序列）为 50%的连续脉冲
• 漫射器将光束调整均匀照亮目标
• 专用检测器阵列检测出两个相位之间的时间相移
• 检测器测量脉冲序列的延迟和移位，分辨率小于脉冲宽度

结构光

• 红外光源将某种已知光结构投射到环境中（点、条和图形）
• 传感器镜片涂有高分辨率红外带通滤光膜，形成图像点结构
• 对传感器获得的图像形变进行深度分析

两种ToF技术：iToF和dToF

iToF方案并不直接测量飞行时间，通常做法是把发射的光波调制成一定频率的周期性信号，通过测量发射信号和该信号经过被测物反射回来到达接收端时的相位差，间接计算出光的飞行时间。尽管使用现有的光电二极管（PD）组件比较容易实现，但是由于光电探测器的效率低，很难测量到相距几米以上物体的距离。

iToF的优点是原理、集成较简单、技术较成熟；缺点是精度随距离下降严重、功耗大、易受干扰。目前，华为、OPPO、vivo等厂商普遍采用此方案。

dToF方案则是通过发出短脉冲光然后测量发射的光返回所需的时间来检测与物体的距离。相对iToF来，dToF的发射端通常使用纳秒甚至皮秒级的短脉冲激光，此外dToF需要探测器在光子到达时刻立刻做出反应，因此接收端通常选择SPAD（单光子雪崩二极管）或者APD（雪崩光电二极管）这类适合进行事件记录的传感器。

dToF的优点是测量精准、响应快速、低功耗以及多物体同步检测准确；缺点是工艺较复杂，集成难度高。

智能手机中的3D图像传感器的数量显著增加，但它们大部分都安装在手机的背面，因为这样使用应用程序比正面更灵活。安装在背面的3D图像传感器应该能够测量5到10米以上的距离，因此有竞争力的研究基于SPAD的dToF技术非常重要。

dToF：下一代3D图像传感器的关键

LiDAR主要由两部分组成：发射端和接收端。其中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为发射端，向物体发射一束红外光，经反射被 CMOS 图像传感器接收，光束经历的这一段时间就是所谓的“飞行时间（ToF）”。

对于AR体验来说，LiDAR激光雷达扫描仪的加入可谓是至关重要。具体来说，LiDAR激光雷达扫描仪通过测量周围环境深度信息，可以将3D模型精准附着于地面、墙面或者桌面等任何平面上，并分析整个摄像头视野内的空间位置关系来动态调节模型的光照和阴影，从而让体验更加真实，再也不会尴尬的“穿模”了。

dToF核心组件主要有VCSEL、单光子雪崩光电二极管SPAD以及时间数字转换器（TDC）。dToF会在单帧测量时间内发射和接收N次光信号，然后对记录的N次飞行时间做直方图统计，其中出现频率最高的飞行时间ToF用于计算目标距离。

• SPAD（single photon avalanche diode，单光子雪崩二极管）这是一种能在ps级的时间内产生响应电流的器件，其工作原理是采用反向偏压的光电二极管，使其工作在超过击穿电压而尚未击穿的很小的一个电压范围内，此时的二极管处在非常敏感的工作区间，因此只要有微弱的光信号即可引发其产生雪崩电流，相应速度极快。
• TDC（time digtal converter， 时间数字转换电路）通过与发射端的时间同步，接受到的光信号能够在ps级的时间内产生电流并被TDC探测记录，经过N次的发射与接收，TDC能够记录n次（n

dToF的技术难点

在具体的实现上，dToF相较于iToF来说难度要大许多。dToF的难点在于要检测的光信号是一个脉冲信号，因此检测器对于光的敏感度比需要非常高。常见的dToF传感器实现是使用单光子雪崩光电二极管（SPAD）。

当将高于击穿电压的电压施加到SPAD时，发生碰撞电离现象，其中巨大的电场使载流子加速，从而使它们与原子发生碰撞，从而增加了从原子释放的自由载流子的数量。这种现象称为雪崩倍增，会导致由图像传感器照亮的光子产生大量的自由载流子。这意味着它可以放大光子并将其识别为更多的光子，即使由于黑暗的环境或远距离发光而实际捕获的光子数量很少。

另外，由于SPAD阵列在光子进入时会发射数字脉冲，因此更容易跟踪飞行时间。此外，它还可以捕获精确的时间差，因此即使在毫米和厘米的范围内，也可以确定精确的深度分辨率。

从器件角度来看，SPAD的集成度要低于普通的CMOS光传感器，因此dToF传感器的2D分辨率传统上较差。

SPAD的结构与APD类似。两者都有PN结，在高电场区因为碰撞电离而发生载流子倍增或雪崩。将电子或空穴注入高电场区，可以触发雪崩。在注入之前，电子空穴对由光子吸收、热噪声或隧穿引发，后两者是暗计数的来源。

雪崩机制

根据光电二极管的 I-V 特性，可分为太阳能电池模式、光电二极管模式、雪崩模式、盖革模式等几种工作状态，下图是光电二极管分别在明暗条件下的 I-V 曲线。盖革模式下的光电二极管的增益理论上是无穷的，所以经常被用来进行单光子探测，也称作单光子雪崩二极管（SPAD）。

在盖革模式下，雪崩光电二极管吸收光子会产生电子-空穴对，在高反偏电压产生的强电场作用下电子-空穴对被加速，从而获得足够的能量，然后与晶格发生碰撞，形成连锁效应，结果形成大量的电子-空穴对，引发雪崩现象，电流成指数增长。此时 SPAD 的增益理论上是无穷的，单个光子就能够使 SPAD 的光电流达到饱和。

SPAD 的特征参数有很多，主要包括光子探测效率、雪崩倍增因子、响应度、暗计数等。

1）光子探测效率：光子入射 SPAD 后激发雪崩并被检测到的概率称为光子探测效率(Photon Detection Efficiency)，是代表 SPAD 性能的一个重要参数，定义为输出的光生电子-空穴对数目与入射总光子数的比值。

理想情况下的光子探测效率为 1，然而实际上并不是所有的光子都可以引发雪崩并被检测到，SPAD 表面的反射和吸收不完全都会影响到光子探测效率。

光子探测效率η：

其中 P0为入射光功率，IP为光生电子-空穴对形成的光电流，h 为普朗克常量，ν 为

入射光子频率，e 是电子电量。

2）雪崩倍增因子：雪崩倍增因子是指 SPAD 发生雪崩击穿后的电流与雪崩击穿前的电流的比值，即SPAD 的电流增益。雪崩倍增因子在理论上是无穷大的，在雪崩击穿后非常短的时间内电流就能够达到饱和，雪崩倍增因子是由 SPAD 的反向偏压以及结构决定的，实际测试中，通常能达到十万以上。

3）响应度：用来表示入射光产生的光电流和入射光的功率之间的关系，即光电流与入射光的功率的比值。

其中 e 为电子电量，η为光子探测效率，λ 为光子波长，h 为普朗克常量，ν 为入射光子频率，c 为光速。

入射光子波长影响单光子雪崩二极管的响应度，不同材料的半导体对不同波长的光信号有不同的吸收效果，例如，硅的吸收光谱范围是 400nm 到 1100nm，在短波段具有较高的响应度。而 InGaAs 吸收光谱范围是 900 nm 到 1700 nm，在长波段具有较高的响应度。所以在设计 SPAD 时，要根据所探测光子的波段来选择合适的半导体材料，以获得较高的响应度。

4）暗计数：暗计数是指在单光子探测领域，杂散光（非信号光）和电噪声也会有被单光子探测器认为是有效光信号的可能性，在此领域内，这种误判被称作暗计数，是 SPAD 性能的一个重要参数。通常情况下，热噪声和隧穿效应都会产生暗载流子，这是主要的噪声来源，暗载流子同样会引发 SPAD 雪崩，然而检测电路无法将其和入射光引发的雪崩区别开来，从而对他们同样进行计数，因此形成了虚假的光子计数，所以，想办法减少暗计数是 SPAD 设计过程中很重要的一点。

工作环境温度和反偏电压的大小直接影响暗计数， 通常在较低温度的环境下，对SPAD进行测试，来减少由热效应产生的暗载流子。降低偏置电压也能较少暗计数，可是降低偏置电压又会降低探测效率，因此要选择合适的偏置电压，从而在暗计数和探测效率之间折中。

APD和SPAD的主要区别在于雪崩或放电特性。SPAD的反向偏置电压VBIAS超过击穿电压VBD。时就会引发盖革模式。一旦触发，施加在SPAD的VBIAS不变，雪崩持续进行，产生无限的增益，即一个光子引起连续的电流。相比之下，施加于线性模式APD的VBIAS低于VBD。放电一旦开始，就会迅速自淬灭，从而产生有限的电流，因此，APD的增益是有限的。

如上所述，单个入射光子可以激活SPAD，从而产生持续的电流。实际上，光子已将SPAD从截止状态切换为开启状态，或者说是从光敏状态切换为对光不敏感的状态（正在进行放电的SPAD不再对光敏感）。这时相当于光开关，但未来要探测到下一个入射光子，有必要通过增加电阻实现猝灭，再次将SPAD重新设置为截止或光敏状态（见图3）。

图3：左图为SPAD与猝灭电阻串联的偏置电路。右上图是IV特性图，解释了SPAD的工作原理，右下图显示了电阻的电压随时间的变化情况。

图3的左图显示了与电阻R串联的反向偏置SPAD。SPAD处于截止状态：没有电流流过，SPAD两端的电压为VBIAS。SPAD处于亚稳定的光敏状态。IV特性曲线（右上图）上的红点表示此状态。由于没有电流流过，所以电阻上的电压VR = 0。

假设SPAD吸收了一个光子，并在tA触发了盖革模式的放电（见图3的右下图）。电子开始流动，电流迅速增加。根据基尔霍夫电压定律，随着电流增加，电阻两端的电压也增加，而SPAD两端的电压会下降。

一旦SPAD电压下降至0~VBD，PN结上的电场不再持续激发碰撞电离，雪崩停止。当VR达到峰值时发生猝灭。随后，SPAD进入恢复阶段：电流减小，SPAD上的电压增加到VBIAS；SPAD再次恢复光敏状态。

图3右下图中的电压波形实际上是对单个光子（或暗事件）的相应输出。波形不对称，其特点是上升时间非常短（约1-2ns），下降时间相对较长（约数十至数百纳秒）。

SPAD单光子探测器的原理

单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode，SPAD），基于内光电效应，SPAD工作在反向偏置情况下，当PN结反向偏压增大至击穿电压以上时，耗尽区产生极高的电场时，一个被吸收的单光子产生的光电子能够触发自我持续的电离，载流子将被加速到携带足够的动能，通过碰撞电离，将初始的电子-空穴对放大至产生足够大的电流。APD（Avalanche Photodiode）的这种工作模式，被称为盖革模式（Gegger Mode）。

SPAD工作时需要降低工作温度，以减少热噪声造成的暗计数。SPAD在响应光子后，不能自发的停止雪崩，需要将偏压降到击穿电压以下，以响应下一个光子。猝灭过程如图2所示，根据猝灭方式不同，SPAD单光子探测器工作模式主要分为：被动模式、主动模式、门控模式。

图2 猝灭过程

1.被动模式

当SPAD响应光子时，Rq两端电压不断上升，直到二极管两端的压降小于击穿电压，便能够使二极管恢复到雪崩前状态再进入盖哥模式，等待下一次光子到来。图3为被动模式工作等效电路图，可见信号的上升时间为tr=Rs×Cd，Rs为SPAD的等效串联电阻，Cd为SPAD的节电容及分布电容的和，下降时间为tf=Rq×Cd，Rq为猝灭电阻。下降时间即为恢复到下一时刻接收光子的时间，假设Cd=1pF，Rq=100K，则恢复时间至少为100ns，考虑实际分布参数可能更大，该模式限制了探测器的工作速度。

图3 被动模式等效电路图

2.主动模式

主动模式通过电路反馈，在SPAD接收光子产生输出后，主动将SPAD两端电压下降至击穿电压以下。主动模式可以控制死时间，降低后脉冲的影响。目前商用的被动或主动模式的探测器，基本死时间都在1us以上。

3.门控模式

门控模式，如图4所示，门脉冲GATE幅值最高处，电压高于雪崩击穿电压，而在低电压则低于雪崩击穿电压，不会响应光信号。该方案与时间有严格的关系，所以仅适用于知道光子到达的时间的场合，如量子通信，单光子源测试等。优点则是有效降低暗计数和后脉冲。

图4 门控模式

目前市面上也有的成熟产品，如光⼦计数模块SPD_Si，是一款基于Si-APD 的超灵敏光电探测器。探测波段覆盖200 - 1060 nm，可⼯作在线性模式和盖革模式。盖⾰模式下增益超过60 dB。SPD_Si 的⾼性能主动抑制电路，可以实现连续的单光⼦探测，并且可加载任意宽度和周期的探测门。暗计数20 - 2000 cps，死时间小于50 ns。

下面再看一下大话成像对SPAD的主要实现原理分析

SPAD的主要实现原理

CMOS sensor 中的主要感光器件光电二极管(PD)是反向偏置的p-n结。在实际使用中根据反向偏置电压的不同，光电二极管可以工作在三种不同的模式下，即线性模式、比例模式和Geiger模式。下图显示了在不同偏置电压条件下工作的二极管的特性。其中比例模式和Geiger模式合起来就是我们说的雪崩二极管.而Geiger状态就是单电子雪崩模式.而控制这些模式主要是偏置电压的大小

SPAD是PN结工作在Geiger模式下，这种模式下p-n结反向偏置电压在击穿电压(Break Down)之上。当一个光子被半导体的耗尽区吸收时，它会产生一个电子-空穴对，这个电子-空穴对在电场的作用下分裂和加速。如果电子或空穴的能量足够高，撞击电离就会产生更多的电子-空穴对，引发自我维持的雪崩。当电场强度高于材料的临界场时，载流子的撞击电离就会发生这种雪崩现象。在硅中，临界场Ecr≈3×105v /cm。通常一旦雪崩开始一股毫安级的大电流就会流经设备，直到它被摧毁。如下图,因此一般会使用电阻Rq与SPAD串联防止烧毁的情况.这种电阻通常是千欧姆的量级.并行当V-A的阳极电压向过量偏置电压V-EB增加时，它通过将电流降低到小于100 μA 的方式来抑制(quenching )雪崩。抑制(quenching )完成后，开始充电过程，使像素回到空闲模式,进入下一个周期。

抑制和充电电路可以像上面说的只用电阻一样简单。然而，为了提高spad的性能，如死区时间，后脉冲和串扰，一般这部分的设计都是基于有源元件的抑制和充电电路。根据工作模式，猝灭和充电电路基本有四种组合，包括:

Passive quenching, passive recharge(PQPR)

Passive quenching, active recharge(PQAR)

Active quenching, passive recharge(AQPR)

Active quenching, active recharge(AQAR)

在Geiger模式下，光电二极管的光学增益几乎是无限的，只有雪崩中载流子的数目才会增加。因此，一个振幅为几伏特或毫安的大信号可以在短时间内通过单光子探测产生。如果SPAD的输出连接到电压鉴别器，就能产生一个从逻辑‘0’到‘1’的数字信号输出，表示单个光子的到达。通过将这个数字输出信号连接到时间-数字转换器(TDC)，可以直接测量光子到达时间。

SPAD传感器的一个主要优点是CMOS兼容性，即SPAD和电路可以在同一晶片上实现。这使得SPAD传感器能够受益于CMOS技术的缩放，包括阵列大小、功耗、分辨率、低成本和大规模生产。

下图展示了在180 nm CMOS工艺中设计的SPAD示例，该示例已在Piccolo和Ocelot中实现。

虽然SPAD的主要特性有一些是和CMOS sensor类似但是还有些是不一样的特性.接下来主要描述了SPAD的主要特性，以帮助理解开发DTOF成像系统的问题和权衡。

1光子探测能力PDP(PHOTON DETECTION PROBABILITY AND FILL FACTOR)

在传统的CMOS和CCD图像传感器中，检测器的光学灵敏度通常用量子效率(QE)来表示。这简单地表示了入射到产生电子-空穴对的探测器活跃区域的光子的平均百分比。由于光的穿透深度与波长有关.对于SPAD，引起雪崩的光子被视为有效事件。因此，启动概率由两个因素控制，1由QE控制的三角函数载流子的可用性和2由电子-空穴对引发的自维持雪崩的概率，即击穿概率。在SPAD设备中，光子探测概率(PDP)通常用于指示触发雪崩事件的pho- tons的百分比超过在SPAD的多应用区域上照亮的光子数。在一个像素中，我们定义填充因子为检测的交流区域与像素的整体区域的比率。因此，一个术语，光子探测效率(PDE)，通常被定义为触发雪崩事件的光子数比整个SPAD区域被照亮的光子数的百分比，在数学上计算为PDP和填充因子的乘积。

理论上，PDP可以定义为QE与雪崩发生概率的乘积。不同SPAD结构下的PDP随波长的变化如下图所示。

暗计数率(DARK COUNT RATE)

暗计数是指没有入射光子撞击spad时载波触发的雪崩事件。这些载流子的产生可以分为两个因素，包括由于温度的产生和隧道效应产生的。

DCR distribution over a 128 × 512 SPAD array, revealing an average of 1169 cps and a median of 302 cps

然而，由于高偏置电压的作用，这些暗电流可能在光信号回来之前引发雪崩，从而导致暗计数。此外，当系统被提供额外的能量时，如温度的影响，产生更多的暗电流，表明强烈的热关联性。其中一种特殊的热机制是陷阱辅助的载流子生成和复合，其中陷阱是由于晶体缺陷和杂质形成的。如上图所示，给出了用128×512 SPAD阵列测量的DCR分布。下图则是和DCR和温度之间的关系

Dead time

如前文节所述，需要抑制雪崩事件以防止SPAD电流烧毁。抑制操作是通过电阻进行的。在抑制后，一个恢复阶段跟随放电阳极，这使SPAD回到原始的偏置条件下，可以进行下一个光子检测。由于抑制电阻通常为千欧姆，而在抑制节点上看到的电容是在几十飞秒的数量级，放电时间可以从几十纳秒到1歇。因此，在这段时间内，SPAD的光子探测能力大大降低，甚至失效，我们将这段时间定义为死时间。

定时抖动(TIMING JITTER)

SPADs的主要特性之一是有定时响应的抖动。SPAD输出的前缘表示光子到达的时间。对于给定的飞行时间，SPAD到达时间的静态波动被定义为定时抖动或定时分辨率，典型特征是底层高斯分布的半宽全宽(FWHM)，如下图所示。由于雪崩倍增过程，SPAD会输出尖锐的信号，导致一个极小的时间内的抖动。

造成定时抖动的因素包括雪崩过程和定时pick-up 电路。定时抖动的下限由从耗尽区域的产生点开始到倍增区域的载波传输延迟不确定性给出。此外，电离系数与电子和空穴的差异以及雪崩积聚过程的涨落扩大了时序抖动。与PDP类似，定时抖动通常可以通过提高SPAD 偏置电压来改善。同时，定时pick-up 电路在抖动测量中起着重要的作用。

寄生脉冲(AFTERPULSING )

正如在DCR讨论的，陷阱，如在晶格和杂质中的缺陷，会产生不相关的噪声，以及以寄生脉冲形式存在的相关噪声。在SPAD中，当雪崩发生时，大量载流子将流经耗尽区域而其中一些可能被捕获中心捕获。这如果随后的释放发生在死时间之后，就会触发第二次雪崩，产生与前雪崩脉冲相关的寄生脉冲。

由于主脉冲和寄生脉冲之间的相关性，寄生脉冲概率(AP)可以通过测量相邻SPAD事件之间时间来表征。带有后脉冲的SPAD响应的例子如下图所示

CROSSTALK

另一个相关的噪声源是由邻近SPADs触发的雪崩的CROSSTALK。CROSSTALK的机理可以分为电学CROSSTALK和光学CROSSTALK，如下图所示。

电子CROSSTALK是由于载波交换。当载流子在深准中性区域产生时，例如基底，它们可能横向扩散并引发邻近SPAD的雪崩。由于光的穿透深度强烈地依赖于波长，在红光和近红外范围内预期会有较高的电子串扰。通过将SPAD与硅基衬底隔离，可以减少电子串扰。

另外上面一些属性会随着 pixel size和偏置电压的变化.如下面两张图.

在实际使用中需要根据需求进行SPAD属性的balance.

另外，CMOS集成SPAD阵列也被视为最有希望的低成本解决方案之一。

SiPM组件

过去，传统的激光雷达大多数是采用APD（雪崩光电二极管），而单光子雪崩二极管(SPAD)则是工作在击穿电压上的APD。这意味着，对于极弱光学信号的探测，SPAD是更为理想的选择之一。

SiPM 增益能力与 SPAD 相似，由多个独立且带有淬灭电阻的 SPAD 组成，可克 服单个 SPAD 不能同时测量多个光子的不足。SPAD 及 SiPM 可探测 200m、5% 反射率目标，不受明亮阳光影响，分辨率极佳。

而SiPM是由多个带有猝灭电阻的SPAD并联组成，每个单元是独立的，最终输出的信号是多个像素输出信号叠加，有幅度变化；如果照射到SiPM的光子数越多，幅度越大。

在进行远距离探测时，SiPM可实现比其它传感器更高的信噪比，主要优点包括高增益，低电压操作，出色的定时性能，高灵敏度（低至单个光子）和对磁场的抵抗力。

此前，SiPM和SPAD工艺已在医疗影像领域有大量应用。按照安森美的说法，相比于APD技术，采用CMOS工艺，可以达到真正的低成本、低功耗，优化尺寸等优势，可实现激光雷达真正落地。

dToF传感器

此外，从读出电路来看，dToF需要能分辨出非常精细的时间差，通常使用TDC来实现。例如如果需要实现1.5cm的测距精度，则TDC的分辨率需要达到10ps，这一点并不容易。

随着近几年深度传感器和LiDAR的发展，dToF也得到了长足的发展。从光传感器像素来看，dToF目前也可以使用CMOS工艺实现，并且已经可以实现不错的2D分辨率。此外，在TDC电路设计方面，随着电路设计的进步，目前在CMOS电路中的TDC的时间分辨率精度也在逐步提升，这也为dToF的普及铺平了道路。

dToF的热点应用

在车载应用中，dToF的关键指标包括测距距离、距离分辨率、2D分辨率以及抗干扰性。由于车载LiDAR对于测距距离（100m以上）和抗干扰性的要求，相关的ToF传感器基本是dToF占主导。

同时，dToF传感器有望在机器人和无人机等下一代移动性行业的发展中发挥不可或缺的作用。亚马逊的物流机器人和无人机送货服务就是一个很好的例子。dToF传感器在工厂自动化领域也被认为是必不可少的。

另外，一个重要的领域是消费电子。随着AR/VR等新应用的兴起，消费电子领域对于深度传感器的需求也在快速上升。消费电子领域传统上是iToF的天下，然而随着dToF技术，尤其是高集成度CMOS SPAD的发展，我们看到dToF正在从高端进入消费电子市场。

如前面的技术分析，对于消费电子应用来说，使用dToF的主要优势是可以同时实现较远的测距距离和较高的测距精度，因此当需要把测距距离扩展到10米以上时，dToF有可能会成为更好的选择。

此外由于dToF对于环境光干扰较不敏感，所以使用dToF可以让智能设备的深度传感工作在不同光照强度的场景下。此番苹果iPad pro选择使用dToF，除了在测距精度和抗干扰的考量之外，估计也是因为希望能继续扩大测距范围，从而为下一代AR/VR应用铺平道路。

dToF技术的应用有望推动AR内容的完善，加速消费级AR普及。苹果2017年便针对开发者们发布了用于iOS设备上AR应用开发的ARKit开发工具，2020年发布的iPad Pro可视为苹果针对5G时代AR领域的进一步布局。

目前iPad Pro的LiDAR共呈现出三种典型场景的应用。AR测量、AR游戏和AR装修设计。

• AR测量：LiDAR可以快速计算人的身高，并展现垂直和边缘引导线。通过开发者开发的app可实现对物体尺寸、建筑物更精细的测量。
• AR游戏：LiDAR通过对周围真实环境的扫描和快速获得深度信息能力，为AR游戏开辟了更广阔的设计空间。如官网展示的《炽热熔岩 (Hot Lava)》电子游戏，可以把客厅变成一个虚拟的熔岩环境，游戏中的玩家可以跳到家具上以此来避开模拟中的地板熔岩。iPad Pro上市后带动开发者不断丰富iOS平台上AR游戏内容，也使一些原有的AR游戏因为玩法升级而更具有生命力。
• AR装修：iOS上的Shapr3D app，借助LiDAR对房间进行扫描创建3D模型，用户可以对该模型展开编辑或添加新对象，使用AR可以查看实际房间在编辑后的虚拟效果，帮助用户在装修动工前更真切体验设计效果。宜家Place应用同样可以通过扫描一个房间获得与之匹配的家具推荐，然后使用AR查看家具摆放效果。

dToF在iPad Pro上的应用，可以视为苹果打通AR生态硬件基础的第一步。未来苹果 通过技术改进和突破，有望将dToF引入手机端以及更多的AR设备，促进AR硬件设备的发展同时，也激发设计师基于dToF的特性开发如建筑、教育、医疗等更多场景的AR内容应用，推动AR应用生态持续完善。

目前来看，其实dToF在多种领域都已经有广泛应用，像距离检测在扫地机器人上的应用、接近传感在笔记本等大屏幕锁屏解锁的应用、工厂中的安全距离检测、无人机稳定降落以及碰撞检测等等。只要是对于距离有绝对精准测量需求的应用场景，都能用到dToF。同时对于光学元件普遍难题 —— 油污也能够做到很好的抑制，而这对于iToF而言几乎无法解决，dToF则能够将影响降到最低。

dToF与iToF作为ToF技术中的两个分支，各自具有不同的技术特性，在不同的应用场景都将有各自的发挥空间。目前的dToF技术在较远距离有更低的功耗和相对一致的精度值，但的确还存在精度不够，解像度不够和高成本的问题，因此可能会在手机后置上有一定的应用机会。

dToF技术要点

用于3D测距的激光光源分成FPLD（Fabry-Perot Laser Diode）、LED、VCSEL、高输出功率FPLD。这是根据3D感知距离来做切分的。罗姆在解释中提到，FPLD“是一种常用的半导体激光器”。如果不做细致切分，FP激光器应该就是EEL。

有关FPLD与VCSEL

ToF光学测距技术以前我们谈得也比较多了，这里不再赘述。其本质就是要测得ToF模组与场景中某个对象的距离，则由ToF模组的光源向该对象发出光（子）。光在发出后抵达该对象，并反射回到ToF模组的传感器。计量此间“光的飞行时间”，在光速已知的前提下，即可得到距离数据。这是dToF的大致原理，iToF细分cw-iToF、p-iToF等测距原理于此存在差异，但发射端发出光，接收端接收反射都是类似的。

ToF在手机、汽车、工业等领域都有比较多的应用。iPad Pro上的那枚“LiDAR”3D感知、建模就是用的光学ToF技术。从广义上来说，高功率的LiDAR、激光雷达也都属于ToF技术范畴。罗姆这次发布的则是整个ToF光学测距模组中，发射端的激光器部分。

我们现在熟知的iPad Pro后置LiDAR，还有华为、vivo手机前置ToF模组所用的发射端光源较常见的是VCSEL（比如用于3D人脸识别、手势操作识别等；iPhone之上Face ID所用的结构光发射端也是VCSEL），此前我们也谈过ams的VCSEL激光发射器。

发射端的半导体激光器是由半导体材料+光学振腔构成的，激光二极管和一般LED的区别在于，其内部要有两个平行的反射镜面形成光学共振腔——激光在两个反射面之间反复来回激发更多光子，增益大于耗损时，激光束就发射出来。

FP是其中相对简单的一种光腔（所谓的法布里珀罗光腔），由半导体材料劈裂刻面（cleaved facets）形成。这种常见的二极管激光器历史也算是比较悠久。FPLD常见的生产步骤包括外延生长、晶圆加工、facet treatment和封装。具体如下图所示。

来源：Laser Systems and Applications, Cristina Masoller, Research group on Dynamics, Nonlinear Optics and Lasers (DONLL), Universitat Politècnica de Catalunya

光学腔的端侧需要“劈裂”，利用劈裂技术得到高平整的劈裂面和高反射镜面。“从剖面图结构来看有两个透镜，光在这里面不停反射，达到一定能量后会从侧面发射出来。”陈智博说。光从芯片的一侧发射出去，通常是椭圆形状。具体波长可由半导体制造过程来决定。

至于VCSEL，很早之前研究人员就一直期望达成以与器件平面垂直的方式发射光，VCSEL就很好地达成了这一点。VCSEL并没有在光共振腔上采用反射镜面，而是在wafer上用外延层在表面构建反射镜面，中间夹着二极管，“VCSEL在垂直方向不停震荡，从活性层出来。”所以VCSEL和FPLD的光传导路径是不同的，VCSEL发光部是器件的上表面。

有关FLPD和VCSEL各自的优缺点，因为篇幅关系本文不再多谈，这也是个比较大的话题，比如说从测试角度VCSEL测试可以在wafer切片之前进行，且VCSEL主要做贴片封装不需要插件工序......未来有机会我们可做更深入的探讨。从罗姆的规划来看，今年预计也会开始生产940nm波段VCSEL。

边发光激光芯片依靠衬底晶体的解离面作为谐振腔面，在大功率以及高性能要求的芯片上技术已经成熟，但是也存在很多不足，例如激光性能对腔面的要求较高，不能用常规的晶圆切割，比如砂轮刀片、激光切割等。在实际生产中测试环节又特别麻烦，需要解离成bar条才能继续测试，这很消耗切片的能力，而且非费劲切出来，结果测试还不一定过。

Vcsel就省去这些麻烦，它的测试可以参考LED的方式。

最近几年很多人都在研究Vcsel芯片，Vcsel芯片制造过程比边发射芯片简单，合格率也高很多，但是Vcsel也有它的局限性。可以从性能和结构上分析一下。

下图是边发射激光器和Vcsel芯片图。

EEL指边发射激光器，激光震荡腔长不同，EEL芯片长度可以做到上mm量级，而vcsel只有几微米。不镀膜的EEL自身腔面的反射率只有30%左右，而Vcsel可以做到99%，和外延材料性子有关。

举例：

较小的chip结构和正面发光的特点，也增加了vcsel矩阵的可能，通过矩阵chip可以做到更大功率。

二者传输模式的区别。

Laser就是从红色区域发射出去，经过上下两层DBR的震荡，产生更多的激光。

但是我们知道Vcsel多是短波长类的激光，而对于光通信常用的1310&1550等波段则几乎没有该类芯片。

这个的直接原因就是上下DBR的形成条件，

看上面的Vcsel芯片结构，可以看出vcsel的电流需要经过上下两方的DBR才能到达有源层量子阱，而砷化镓和砷化铝膜层的折射率相差较大，根据波导理论，可以通过几层的交叠形成反射率足够大的DBR层。

但是到1.2um波段以上，需要用InP做基底，InP与InGaAsP、InGaAlAs的折射率差的很小，如果要做到高反色率的DBR就需要叠堆很多层才能达到，这样电流要达到量子阱需要走的路程就很长，芯片电阻就会成倍增加，很难达到实际需要。

EEL和Vcsel芯片综合性能对比表：

边发射激光器可以做超大功率激光芯片，而Vcsel想要做大功率还是很有挑战的。

VCSEL的结构与原理

什么是VCSEL？

用于3D测距的激光光源种类有几种，如FPLD（法布里-珀罗激光二极管）、EEL（边发射激光器）、VCSEL等，扫描方式和发射距离有很大不同。

3D测距的激光光源种类

VCSEL即垂直腔面发射激光器，与边缘射出激光的边射型不同，其激光垂直于顶面射出，集高输出功率、高转换效率和高质量光束等优点于一身，相比LED、EEL和旋转式扫描的FPLD，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等方面具有优势。

FPLD与VCSEL的区别

1977年，日本东京工业大学的伊贺健一最初提出VCSEL，1979年首次演示；2014年，消费类产品开始采用基于VCSEL的接近感测和自动对焦功能；2017年，iPhone X 3D传感功能点燃VCSEL芯片市场，直至今日，VCSEL已在蚕食汽车、工业等市场。继GaAs基VCSEL之后，最新的研发成果主要集中在GaN基VCSEL。

VCSEL发展历史

目前，市场上有许多不同的二极管激光器可供选择，根据应用情况，每种激光器都具有特定的优势。

VCSEL：窄带宽（小于1nm），功率范围200mW，可扩展到10W，输出光束圆形，波长随温度锁定；

边缘发射器：窄带宽（小于1nm），功率范围200mW，可扩展至10W，输出光束椭圆形，波长随温度锁定；

FPLD：宽带大于1nm，功率范围200mW，可扩展至10W，输出光束椭圆形，最有效的解决方案。

每种激光器的特点

VCSEL制造不简单

在VCSEL制造方面，用于智能手机前端3D传感的波长可能会随着OLED材料的使用而变化，因为OLED显示器可以透过约1300到1400nm的SWIR（短波红外）光。从940nm到SWIR波长的转变将对组件和供应链产生深远影响。940nm VCSEL由6英寸GaAs晶圆制成；SWIR VCSEL则以InP为基础，InP更难加工，目前的制造是在2英寸和/或3英寸晶圆上完成的。

汽车和出行将改变VCSEL波长

消费市场的智能手机需要超过3.5亿颗VCSEL，远远超过用于汽车激光雷达的VCSEL。为了降低成本并使用相同的VCSEL结构，激光雷达制造商可能需要转换到940nm，而不是使用905nm或更低的VCSEL。此外，在940nm处，其辐照度可能比在940nm低。工业应用主要是走向全自动化及物流需要的传感器，包括相机、雷达、激光雷达等。

工业应用传感器需求

Yole固态照明和显示业务部门经理Pars Mukishasserts表示：“影响不仅限于光源，还包括近红外区域使用硅基SPAD（单光子雪崩二极管）接收器。硅不能再用于SWIR区域。SPAD必须基于InGaAs材料或使用量子点。在这两种情况下，这项技术仍在发展，制造良率低，元件量产有限。这将导致发射器和接收器的组件成本增加。”

他同时指出，只有苹果智能手机有高于1000美元的ASP（活动服务器页面）功能，才能承受这样的技术变革。

红外光谱VCSEL制造典型工艺流程是两个外延生长步骤在一个步骤中完成，封装包括片芯连接和互连、光学和测试。

红外光谱VCSEL制造典型工艺流程

因为VCSEL制造相当复杂，这类组件的低良率很正常，VCSEL的新兴参与者良率都不高。

红外光谱VCSEL制造良率

VCSEL、驱动器和光电探测器之间是什么关系呢？光电探测器、VCSEL和驱动器紧密连接在一个3D模块中。驱动器用处理器指定的信号为VCSEL供电，产生的信号必须符合速度、形状和功率水平方面的要求。图像传感器/光电探测器的性能（SNR）取决于照明，需要通过处理器为驱动器提供反馈来优化。VCSEL负责照明，其效率与时间、温度、功率水平、与驱动器的接近度（由于寄生）等直接相关，驱动（驱动信号、性能和接近度）与VCSEL性能间接相关。

头部企业引领技术

多结技术代表了VCSEL行业的下一个飞跃。多结VCSEL为用户提供了许多明显的好处，其背面发射配置比传统产品有优势，消除导线键合将提高VCSEL性能，并允许使用微透镜来实现更紧凑的封装。

Lumentum多结VCSEL阵列

Lumentum称，其多结VCSEL阵列在低占空比（小于1%）下用短纳秒脉冲驱动，可以达到数百瓦峰值功率，非常适合短、中、长距离激光雷达系统。VCSEL芯片中的多结减少了为每个电子发射多个光子所需的驱动电流，很容易实现每安培4W以上的光功率。其发射器布置紧凑，不仅高功率，而且是高功率密度。

多结VCSEL阵列中一个发射器示意图

Lumentum已经证明，在125℃及0.1%占空比下，每平方毫米片芯面积可超过1kW。

对于短距离，VCSEL芯片可与扩散器配对，以照亮宽视野。在这种情况下，更高的功率密度减少了所需芯片面积。对于较长距离，较小面积的较高功率简化了激光雷达光学设计，因此可以将更多功率准直到较低的发散光束中来扫描场景。

对于激光雷达而言，VCSEL比多结边缘发射激光器更具优势，因为其随温度变化的波长范围较窄，且可以形成可寻址条纹阵列，甚至可以形成矩阵可寻址格式。可寻址性有助于用更坚固的全电子激光雷达扫描取代机械式扫描激光雷达。

Lumentum首席执行官Alan Lowe认为：“明年汽车激光雷达对激光器及光子元件的需求将稳步增长。自动驾驶汽车和运载车辆对激光雷达和3D传感功能的需求为我们提供了巨大的长期市场机遇。我们与广泛的客户紧密接触，包括自动驾驶汽车、运载车辆制造商、主要Tier 1汽车供应商和激光雷达解决方案提供商。在近期，也许（自动）运载车辆可能会最早用上我们的产品。”

2021年3月，Lumentum推出高功率五结和六结VCSEL阵列，用于汽车激光雷达和其他3D传感应用。尺寸为1平方毫米的VCSEL阵列中，单个VCSEL发射器的光功率超过2W，整个阵列的峰值功率超过800W。这些新型多结VCSEL阵列拥有更低的功耗、较高的斜率效能，以及较高的峰值光功率，对于扩展其在高性能全固态中、远程激光雷达中的应用十分重要。多结VCSEL阵列的发射波长为940nm和905nm，与目前用于消费电子市场的量产VCSEL阵列产品采用相同的生产线。

Lumentum正在扩大其广泛的产品组合，以利用这一市场领先的多结技术所带来的高峰值功率和功率密度。除了用于消费电子市场和车内汽车应用的多结VCSEL解决方案外，Lumentum正在开发一系列用于各种3D传感应用的高功率器件，包括用于汽车、消费和工业市场的激光雷达系统。

车内应用940nm VCSEL阵列

Lumentum称，25年来已交付海底通信用半导体激光器1.5万颗，5年交付消费电子用二极管激光器10亿颗，现场故障均为0。目前，工业应用出货量为5万颗/年，消费电子产品2.5亿颗/年，电信50万颗/年。

罗姆（ROHM）也在开发100W大功率VCSEL。以往作为ToF光源的VCSEL和用来驱动光源的MOSFET在电路板上是独立贴装的，器件之间布线长度（寄生电感）会影响光源驱动时间和输出功率，给实现高精度传感所需的短脉冲大功率光源带来了局限性。罗姆的VCSEL模块技术将VCSEL元件和MOSFET集成在1个模块中，尽量缩短元件间布线长度，更大程度地发挥各元件的性能，且不易受阳光的外部干扰，同时实现了短脉冲（10纳秒以内）驱动及高于以往产品约30%的输出功率。

VCSEL模块技术提升输出功率和精度

关于3D传感解决方案测距区，结构光和间接ToF解决方案适用于小于10m的范围；直接飞行时间适用于更长的射程。

结构光：这是第一个用于人脸识别的解决方案，非常适合1米以下的短程飞行。

间接ToF：智能手机正面采用该解决方案进行人脸识别，背面采用该解决方案进行照片增强。

直接飞行时间：这一解决方案最近被苹果公司的iPad用于flash激光雷达。它具有最佳的长距离精度，并将支持新的应用。

3D传感解决方案测距区比较

VCSEL 器件有两种基本结构，一种是顶发射结构：采用MOCVD 技术在n 型GaAs 衬底上生长而成，以DBR 作为激光腔镜，量子阱有源区夹在n－DBR 和p－DBR 之间。另一种是底发射结构，一般用于产生976－1064nm 波段，通常将衬底减薄到150μm 以下以减少衬底吸收损耗，再生长一层增透膜以提高激光光束质量，最后将增益芯片安装在热沉上。

VCSEL有哪些优点？

VCSEL结构独特，具有许多优异的特性，如：

（1）体积小；

（2）阈值电流低，功耗低；

（3）调制带宽高；

（4）圆形光束，易与光纤耦合；

（5）在片测试，降低测试成本；

（6）二维阵列排列；

（7）成本低，等等。

VCSEL有哪些应用？

VCSEL应用非常广泛，如：

（1）数据通讯；

（2）光传感；

（3）面部识别；

（4）激光打印；

（5）激光显示；

（6）激光照明；

（7）汽车电子；

（8）激光加工；

（9）消费电子；

（10）原子传感；

（11）激光雷达等。

PL系列窄脉冲电流源是普赛斯仪表针对大功率激光器（VCSEL激光器、大功率LED、激光器阵列）LIV测试而研制的，具有输出电流脉冲窄、输出脉冲电流大、支持脉冲光功率检测等功能。输出脉冲宽度最小可至100nS，输出最大脉冲电流30A。

VCSEL和其它半导体激光器性能对比

有源层体积极小，从而可以获得极低的工作阈值；

波长和阈值对温度变化相对不太敏感；

腔长量级与波长相近，可实现单纵模出射；

可得到较大的驰豫振荡频率，从而实现较高的调制频率；

出射圆形光斑，易于与光纤耦合；

封装简易，且可以形成二维激光阵列；

预期工作寿命达 10 万小时及以上

DToF应用——纯固态激光雷达

Flash激光雷达

Flash激光雷达采用类似Camera的工作模式，但感光元件与普通相机不同，每个像素点可记录光子飞行时间。由于物体具有三维空间属性，照射到物体不同部位的光具有不同的飞行时间，被焦平面探测器阵列探测，输出为具有深度信息的“三维”图像。根据激光光源的不同，Flash 激光雷达可以分为脉冲式和连续式，脉冲式可实现远距离探测（100米以上），连续式主要用于近距离探测（数十米）。

Flash激光雷达的优势在于能够快速记录整个场景，避免了扫描过程中目标或Lidar自身运动带来的误差。其缺点是探测距离近。

Flash Lidar的工作示意图

（图源：LeddarTech官网）

发射模组：Flash激光雷达采用的是垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser， VCSEL），比其他激光器更小、更轻、更耐用、更快、更易于制造，并且功率效率更高。

接收模组：Flash激光雷达的性能主要取决于焦平面探测器阵列的灵敏度。焦平面探测器阵列可使用PIN型光电探测器，在探测器前端加上透镜单元并采用高性能读出电路，可实现短距离探测。对于远距离探测需求，需要使用到雪崩型光电探测器，其探测的灵敏度高，可实现单光子探测，基于APD的面阵探测器具有远距离单幅成像、易于小型化等优点。

优点：

• 一次性实现全局成像来完成探测，无需考虑运动补偿
• 无扫描器件，成像速度快
• 集成度高，体积小
• 芯片级工艺，适合量产
• 全固态优势，易过车规

缺点：

• 激光功率受限，探测距离近
• 抗干扰能力差
• 角分辨率低

附例索尼的PAD COMS技术光子计数图像传感器

光子计数图像传感器作为一种利用Cu-Cu连接堆叠的感光像素并行数字转换架构，已经引起了业界广泛关注。光子计数是一种数字转换技术，其分辨率为一个光电子单元，可以在不受读出噪声影响的情况下进行图像采集。

图11 左图展示了一款光子计数像素电路示例，通过数字计数器对脉冲计数，可以获得到达的光子数。右图展示了一款采用Cu-Cu连接的光子计数成像传感器配置，在SPAD像素阵列正下方为数字计数器。

图12 展示了光子计数高动态范围（HDR）成像的工作原理。左图：在传统标准CMOS图像传感器多曝光HDR中，HDR图像由长曝光组合而成，以在昏暗区域获得足够的信号，而在光亮区域采用短曝光以避免饱和。由于每次曝光的曝光周期不同，因此，当成像物体移动时，伪影不可避免。右图：光子计数图像传感器，则是立即并行进行数字转换，即便面对运动物体，HDR也不会出现伪影。

因此，尽管目前在高分辨率和功耗方面仍然存在很大的挑战，但基于SPAD的光子计数图像传感器有望成为终极数字成像架构。

测距传感器

另外一种利用SPAD特性的传感器，是测量辐射光传播时间的距离测量传感器。即通过检测光源发出的光被对象物体反射后到达传感器的光的飞行时间（Time of Flight），测定到对象物体距离的距离。凭借索尼的背照式技术，实现了传统图像传感器1.5倍的高精度距离成像。

图13 基于SPAD的直接飞行时间（dToF）距离测量原理

图14 Cu-Cu连接堆叠架构加持下的SPAD测距传感器结构趋势

2021年2月，索尼发布了业界首款采用SPAD像素的堆叠型dToF车载激光雷达（LiDAR）。将SPAD像素与测距处理电路以堆叠方式集成在一颗芯片上，从而能够高精度、高速地以15 cm的间隔测量最大300 m的距离。

基于事件的视觉传感器

基于事件的视觉传感器（EVS）是另一种像素并行数字转换架构，其中，堆叠式Cu-Cu连接是一项重要的突破。EVS是一种检测像素并行中光电流的差分值，并触发事件的传感器。当被摄场景中没有运动时，不发生事件触发，系统以低功耗模式运行，当被摄场景中出现运动时，仅发生变化的像素输出，并以极低的延迟实现快速响应。

图15 基于事件的像素电路配置图和光电流响应特性

图16 由于EVS需要复杂的像素电路，因此采用Cu-Cu连接的像素电路堆叠对于实现高分辨率至关重要，目前已经实现了小于5 µm的像素尺寸。上图下方展示了PROPHESEE基于事件的视觉传感器拍摄的夜间车辆行驶场景。

（整理自网络公开内容。信息推广：号TMTM2M）