中科融合刘欣：从MEMS微振镜芯片入手，全栈式解决3D机器视觉挑战
【导读】5月12日，由中国半导体行业协会IC设计分会（ICCAD）、芯原股份、松山湖管委会主办的主题为“AR/VR/XR×元宇宙”的“2023松山湖中国IC创新高峰论坛”正式在广东东莞松山湖召开。中科融合感知智能研究院（苏州工业园区）有限公司（以下简称“中科融合”）发布了面向3D视觉领域的自研的MEMS微振镜投射芯片。
根据Yole Dévelopment的“2020年度3D成像与传感”报告显示，2019年全球3D传感模块市场规模为20亿美元，预计到2025年全球3D模块市场规模将增长到81亿美元，6年的年复合增长率超过了26%。Gartner在2019年发布的新兴技术成熟度曲线中，也指出3D传感技术即将进入成熟期。目前3D视觉技术已经被广泛的应用于智能手机、家庭娱乐、AR/VR/MR、智能AGV、智能制造等众多领域。
就技术方案来说，目前3D视觉方面应用比较多的是3D结构光和3D TOF 技术，此外还有基于MEMS微振镜的条纹结构光技术，该技术主要是借助MEMS微振镜每秒几千次的振动的特性，将点光源变成的线光源放大扩散出去，利用高频激光器的工作原理，控制生成有效的含有编码的正弦性动态结构光图案，然后通过摄像头采集图像，三维识别算法和数据处理，可以获得高精度的3D图像信息。由于是基于MEMS技术，所以可实现投影设备的微型化，同时成本也可以进一步降低。
作为国内专注于“AI+3D”自主核心芯片技术厂商，中科融合联合创始人、CTO刘欣表示，目前主流的3D视觉方案或者存在精度低、体验差的缺陷，要么存在体积大、价格高的缺陷，而基于MEMS微振镜的条纹结构光可以达到更高水平的成像精度和分辨率，并且体积和成本更可控。中科融合希望通过自研的MEMS微振镜投射芯片和模组技术更好解决3D视觉场景的应用痛点。
中科融合的3D视觉解决方案基于两颗自研的核心芯片：一个是MEMS微振镜芯片，主要是替代美国TI（德州仪器）的DLP芯片进行条文光的投射，成本可以降低4倍、功耗降低10倍、体积降低20倍。一个是自研的3D AI VDPU SoC芯片主要是进行光学数据处理和系统控制。通过这两个芯片形成模组，可以在达到同类竞品相同成像效果和体验的情况下，实现功耗、成本、体积大幅度降低，更具市场竞争力。
刘欣表示，在该3D视觉解决方案的全技术链条中，最为核心是：高精度光学MEMS微振镜芯片的设计和工艺、三维成像算法和智能点云后处理算法的研发和负责光学信息计算的SoC设计。中科融合则是国际、国内为数不多打通全技术链条的公司，只有这样才可以进行跨层级的深度的垂直整合和优化，同时也拥有更高的技术壁垒。
如上图所示，中科融合的光学视觉芯片和模组解决方案当中，光学MEMS器件可以进行结构光投射，光学信号采集传感器可以负责三维信息的采集，光学MEMS驱动＋反馈芯片，可以负责MEMS驱动、光源驱动、光机电信号反馈等功能。光学计算＋智能处理芯片，则负责三维点云生成、后处理、图像处理的控制。
在此次论坛上，刘欣着重介绍了中科融合核心技术之一的高精度MEMS微振镜芯片。如果按驱动方式来划分，MEMS微振镜芯片可以分为静电驱动、压电驱动、电热驱动和电磁驱动四大类，中科融合通过综合比较，最终选择了工艺的成熟度高、FOV视野的大、驱动力大、可靠性的高的电磁驱动作为技术路线。
据刘欣介绍，中科融合的基于MEMS微振镜芯片的激光投射模组，拥有比较多的技术优势。比如：
1、体积小、功耗低。在投射器出光功率是1W的情况下，MEMS芯片本身功耗不到100毫瓦。此外，与国内外友商相比，中科融合的激光投射模组最大的机械转角是正负25度，对应光学转角是正负50度，比竞品角度更大，这将带来比较大的性能优势；
2、基于MEMS光学投射系统，光路简单，无需复杂透镜，可调范围大于100度。
3、抗干扰能力强。中科融合的MEMS投射模组，采用边发式激光作为光源，光普比较窄，典型蓝光光普宽度窄，只有10纳米。蓝光光源是70纳米，带宽更窄的滤光片，提高了对环境光抗干扰性。
当然，基于MEMS微振镜芯片的激光投射模组也存在着一些技术难点需要克服：
1、要求比较高的扫描重复精度。而光机扫描的精度受MEMS扫描精度影响，如果是线性微镜，就需要保证重复精度；如果是谐振态微镜，就需要保证振荡的简谐度。中科融合的解决方案是自研一套结合光学、机械、电学、算法的驱动和反馈的系统。
2、要求随温度漂移不敏感。因为系统是长期工作在宽温变的范围下，而MEMS本身受温度影响比较大，所以需要系统在工作区间内保持比较良好的稳定性。中科融合的解决方案是研发自身的温控系统，使得其模组在环境温度变化比较大的一个范围情况下，系统内部的温度还可以控制在比较窄的温度范围内。
3、要求散斑噪声低。因为中科融合使用的是激光光源，所以需要对激光光源的散斑进行抑制，尤其是在追求高精度、近距离成像。对此，中科融合采取了散斑抑制系统，经过抑制，散斑噪声可以得到比较好的消解。
中科融合除了拥有自研的高精度MEMS芯片，还拥有微纳光学工艺、光机电集成、超小型激光投射光机等全套技术。
另外，自研的3D+AI视觉处理VDPU芯片，则是中科融合的另一大核心技术。该芯片在追求高能效同时，可以兼容各主流3D成像技术方案，包括条文结构光、散斑DOE等。包括AiC5x系列和AiC6x/AiC7x系列芯片，前者可以处理光学信号采集和光学MEMS驱动+反馈，后者可以进行光学计算+智能处理。
刘欣表示，“为了突破性能强、存储墙、功耗墙，我们在3D专用领域进行数模混合信号链的处理，在芯片架构层等做了大量的新工作。目前，第一代面向工业级光学测量与建模的芯片（基于台积电40LL工艺）已经量产，第二代面向中低端嵌入式计算的芯片（台积电28HPC＋工艺）正在量产中。”
此外，中科融合基于MEMS微振镜的激光束扫描（LBS，Laser Beam Scanning）系统的设计也正在研发中。主要应用场景是家用投影仪、抬头显示、AR眼镜投影等。
LBS根据投射模式可以分为Raster Scanning（一轴线形态，另一轴谐振态）和Lissajous Scanning（二轴都为谐振态）两种方式，这两种方式各有优缺点。目前中科融合正在正在进行Rester二维MEMS微振镜芯片的研发，预计将在今年年底完成流片。
3D视觉需要具备全链条综合技术储备。刘欣表示，中科融合实现了自研MEMS芯片设计、微纳光学工艺、光机电集成、超小型激光投射光机、光学信号采集芯片、光学MEMS驱动+反馈芯片、光学计算＋智能处理芯片、三维成像算法和智能点云后处理算法等全链条技术的打通。
据介绍，目前中科融合的“AI+3D”核心技术，广泛布局于机器人、医疗美容、XR/元宇宙、自动驾驶等领域，实现了对于进口芯片的国产替代。作为一个致力于自研芯片技术的企业，在芯片技术形成产品后，实现了数十倍的销售增长。中科融合企业的市场化融资估值，在过往3年疫情和国际局势的双重重压下，获得了超过50倍的增长。
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