【導讀】5月12日，由中國半導體行業協會IC設計分會（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（蘇州工業園區）有限公司（以下簡稱“中科融合”）發布了面向3D視覺領域的自研的MEMS微振鏡投射芯片。
根據Yole Dévelopment的“2020年度3D成像與傳感”報告顯示，2019年全球3D傳感模塊市場規模為20億美元，預計到2025年全球3D模塊市場規模將增長到81億美元，6年的年復合增長率超過了26%。Gartner在2019年發布的新興技術成熟度曲線中，也指出3D傳感技術即將進入成熟期。目前3D視覺技術已經被廣泛的應用于智能手機、家庭娛樂、AR/VR/MR、智能AGV、智能制造等眾多領域。
就技術方案來說，目前3D視覺方面應用比較多的是3D結構光和3D TOF 技術，此外還有基于MEMS微振鏡的條紋結構光技術，該技術主要是借助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結構光圖案，然后通過攝像頭采集圖像，三維識別算法和數據處理，可以獲得高精度的3D圖像信息。由于是基于MEMS技術，所以可實現投影設備的微型化，同時成本也可以進一步降低。
作為國內專注于“AI+3D”自主核心芯片技術廠商，中科融合聯合創始人、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微振鏡的條紋結構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更好解決3D視覺場景的應用痛點。
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數據處理和系統控制。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鏈條中，最為核心是：高精度光學MEMS微振鏡芯片的設計和工藝、三維成像算法和智能點云后處理算法的研發和負責光學信息計算的SoC設計。中科融合則是國際、國內為數不多打通全技術鏈條的公司，只有這樣才可以進行跨層級的深度的垂直整合和優化，同時也擁有更高的技術壁壘。
如上圖所示，中科融合的光學視覺芯片和模組解決方案當中，光學MEMS器件可以進行結構光投射，光學信號采集傳感器可以負責三維信息的采集，光學MEMS驅動＋反饋芯片，可以負責MEMS驅動、光源驅動、光機電信號反饋等功能。光學計算＋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之一的高精度MEMS微振鏡芯片。如果按驅動方式來劃分，MEMS微振鏡芯片可以分為靜電驅動、壓電驅動、電熱驅動和電磁驅動四大類，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、驅動力大、可靠性的高的電磁驅動作為技術路線。
據劉欣介紹，中科融合的基于MEMS微振鏡芯片的激光投射模組，擁有比較多的技術優勢。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，與國內外友商相比，中科融合的激光投射模組最大的機械轉角是正負25度，對應光學轉角是正負50度，比競品角度更大，這將帶來比較大的性能優勢；
2、基于MEMS光學投射系統，光路簡單，無需復雜透鏡，可調范圍大于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難點需要克服：
1、要求比較高的掃描重復精度。而光機掃描的精度受MEMS掃描精度影響，如果是線性微鏡，就需要保證重復精度；如果是諧振態微鏡，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合光學、機械、電學、算法的驅動和反饋的系統。
2、要求隨溫度漂移不敏感。因為系統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，所以需要系統在工作區間內保持比較良好的穩定性。中科融合的解決方案是研發自身的溫控系統，使得其模組在環境溫度變化比較大的一個范圍情況下，系統內部的溫度還可以控制在比較窄的溫度范圍內。
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，經過抑制，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，還擁有微納光學工藝、光機電集成、超小型激光投射光機等全套技術。
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。該芯片在追求高能效同時，可以兼容各主流3D成像技術方案，包括條文結構光、散斑DOE等。包括AiC5x系列和AiC6x/AiC7x系列芯片，前者可以處理光學信號采集和光學MEMS驅動+反饋，后者可以進行光學計算+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專用領域進行數模混合信號鏈的處理，在芯片架構層等做了大量的新工作。目前，第一代面向工業級光學測量與建模的芯片（基于臺積電40LL工藝）已經量產，第二代面向中低端嵌入式計算的芯片（臺積電28HPC＋工藝）正在量產中。”
此外，中科融合基于MEMS微振鏡的激光束掃描（LBS，Laser Beam Scanning）系統的設計也正在研發中。主要應用場景是家用投影儀、抬頭顯示、AR眼鏡投影等。
LBS根據投射模式可以分為Raster Scanning（一軸線形態，另一軸諧振態）和Lissajous Scanning（二軸都為諧振態）兩種方式，這兩種方式各有優缺點。目前中科融合正在正在進行Rester二維MEMS微振鏡芯片的研發，預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儲備。劉欣表示，中科融合實現了自研MEMS芯片設計、微納光學工藝、光機電集成、超小型激光投射光機、光學信號采集芯片、光學MEMS驅動+反饋芯片、光學計算＋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的打通。
據介紹，目前中科融合的“AI+3D”核心技術，廣泛布局于機器人、醫療美容、XR/元宇宙、自動駕駛等領域，實現了對于進口芯片的國產替代。作為一個致力于自研芯片技術的企業，在芯片技術形成產品后，實現了數十倍的銷售增長。中科融合企業的市場化融資估值，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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