無(wú)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(wú)論是成本還是體積都非常受限，一味比誰(shuí)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(guò)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(guò)，每經(jīng)過(guò)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(guò)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。”他寫道。

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(lái)，通過(guò)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(guò)銅-銅（Cu-Cu）組件連接起來(lái)，因此只要光子進(jìn)入SPAD，就能經(jīng)過(guò)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(guò)程只需要6納秒，這一表現(xiàn)非常出色。索尼開(kāi)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(shuō)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。