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索尼造車的底氣都在傳感器上,加速智能汽車布局


  來源: 車東西 時(shí)間:2022-01-08 編輯:清風(fēng)
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無論是數(shù)碼照相機(jī)還是激光雷達(dá)傳感器,進(jìn)光量都是“底大一級(jí)壓死人”,但車用激光雷達(dá)無論是成本還是體積都非常受限,一味比誰底大并不是最優(yōu)的解決方案。而SPAD方案的興起,讓傳感器廠商找到了進(jìn)光量不足的另一路徑。

如果進(jìn)光量不足,加上有干擾光線進(jìn)入,激光雷達(dá)傳感器所成的像就會(huì)出現(xiàn)噪點(diǎn)。對(duì)于人類而言,一張照片中出現(xiàn)噪點(diǎn),能通過智慧將噪點(diǎn)內(nèi)容“腦補(bǔ)”齊全。因此為激光雷達(dá)傳感器單獨(dú)配備一顆AI芯片,用于噪點(diǎn)、干擾光線處理就是路徑之一。不過,每經(jīng)過一次處理,都會(huì)產(chǎn)生一定時(shí)延,如果低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)被慢慢磨去,自動(dòng)駕駛的安全性就會(huì)降低。

加入AI芯片做信號(hào)預(yù)處理雖然簡(jiǎn)單,但實(shí)際表現(xiàn)可能并不完美。

因此,如果能用微弱的進(jìn)光量“代表”其他光成像,不但能實(shí)現(xiàn)更低的延遲,而且通過成像能得到噪點(diǎn)更少的點(diǎn)云圖。

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院(KIST)新一代半導(dǎo)體研究所所長(zhǎng)張畯然在一篇文章中闡述了SPAD傳感器的工作原理。


▲不同類型圖像傳感器在接受光子照射時(shí)電子放大程度


“當(dāng)在SPAD上施加比擊穿電壓(breakdown voltage)更高的電壓時(shí),會(huì)發(fā)生碰撞電離現(xiàn)象(Impact Ionization),巨大的電場(chǎng)(electric field)使載流子(carrier)加速運(yùn)動(dòng)并與原子碰撞,從而使原子中釋放的自由載流子數(shù)量急速增多。這種現(xiàn)象被稱為雪崩倍增(Avalanche Multiplication),會(huì)導(dǎo)致圖像傳感器點(diǎn)亮的光子產(chǎn)生大量自由載流子?!彼麑懙?。

這就意味著即便激光發(fā)射單元發(fā)射的激光僅有少量反射回來,通過雪崩倍增現(xiàn)象傳感器仍舊能夠?qū)⒐庾哟罅吭黾?,并且識(shí)別為大量的光子。這就意味著,SPAD傳感器具有非常高的信噪比。

同時(shí),SPAD在接收的光子數(shù)量極少的情況下就能完成成像,因此其“快門速度”可以做到非常短,提升感知幀率。


2.雙層芯片架構(gòu) 響應(yīng)速度遠(yuǎn)超現(xiàn)有產(chǎn)品


索尼除了將SPAD技術(shù)逐步推向量產(chǎn)之外,也使用了已經(jīng)打磨多年的一項(xiàng)技術(shù)——雙層圖像傳感器堆疊,這項(xiàng)技術(shù)能夠讓感知響應(yīng)速度更快。

在去年2月的一次演講中,索尼半導(dǎo)體公司高級(jí)經(jīng)理Oichi Kumagai對(duì)SPAD激光雷達(dá)傳感器的技術(shù)路線進(jìn)行了詳細(xì)介紹。


▲索尼IMX459結(jié)構(gòu)和單個(gè)SPAD傳感器


其中,邏輯電路放置在芯片底部,每一個(gè)像素尺寸為10微米*10微米。傳感器表面并非完全平整,索尼將每一個(gè)像素點(diǎn)做成了一個(gè)凸透鏡,從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的光折射率,提升激光的吸收效果。根據(jù)索尼的測(cè)試,這一激光雷達(dá)傳感器在使用905nm波長(zhǎng)的激光光源時(shí),光子檢測(cè)效率能達(dá)到24%。


▲傳統(tǒng)激光雷達(dá)傳感器點(diǎn)云圖(左)SPAD傳感器點(diǎn)云圖(右)


此外,由于每一個(gè)SPAD像素都能與下方邏輯電路通過銅-銅(Cu-Cu)組件連接起來,因此只要光子進(jìn)入SPAD,就能經(jīng)過雪崩進(jìn)入邏輯電路。從感知到光子,到完成數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換,整個(gè)過程只需要6納秒,這一表現(xiàn)非常出色。索尼開發(fā)了數(shù)字時(shí)間轉(zhuǎn)換器(TDC),直接能夠?qū)⒐庾语w行時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)值,不需要二次計(jì)算。


▲索尼IMX459光信號(hào)轉(zhuǎn)換電信號(hào)僅需6ns


國(guó)內(nèi)MEMS激光雷達(dá)廠商一徑科技的一位產(chǎn)品經(jīng)理談到,現(xiàn)在市面上其他技術(shù)路線的激光雷達(dá)接收傳感器的延遲已經(jīng)能做到比較低,從感知到生成深度數(shù)據(jù),基本需要百納秒到幾微秒之間。

然而,索尼的IMX459則是更進(jìn)一步,相比此前最優(yōu)秀的產(chǎn)品,也有大幅提升。

IMX459采用直接飛行時(shí)間(D-ToF)的方式測(cè)距,張畯然在其文章中說道,當(dāng)光子進(jìn)入時(shí),SPAD陣列會(huì)發(fā)射數(shù)字脈沖(Digital Pulse),因此更容易跟蹤光飛時(shí)間。不僅如此,SPAD還能捕捉精確的時(shí)差,因此具有精確的深度分辨率(depth resolution),精確程度甚至可以達(dá)到毫米級(jí)別。


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