01. 采用 SPAD 技术 打造 11 万像素激光传感器激光雷达即将迎来大规模量产上车之时,索尼公布了首颗车规级激光雷达接收传感器 IMX459。这颗传感器最亮眼之处有两点,其一是采用对光感知更敏感的 SPAD(单光子雪崩二极管)技术,其二是这颗传感器的像素数量达到了 11 万,这是当前量产产品难以比拟的。
从结构上看,这颗激光雷达接收传感器共有两层,上层采用了 SPAD(单光子雪崩二极管)技术,用于感知反射进传感器的激光;下层则是逻辑芯片,使用直接飞行时间(D-ToF)技术,就能实现测距。在性能上,索尼在 1/2.9 英寸的传感器面积下放进了 11 万个 SPAD 像素,其分辨率为 189x600,呈现出一个矩形区域。而每一个 SPAD 像素的尺寸仅为 10 微米 x10 微米。
▲ IMX459 分为上下两层
说到索尼 IMX459 的王牌,就是那 11 万像素的 SPAD 传感器,它相较于传统激光雷达传感器共有两大优势。其一是感光能力更强,也就是在使用相同激光发射端的情况下,SPAD 传感器能感知到更微弱的光,感知距离更远;其二是计算距离的延迟更低,索尼做到了 6 纳秒。
要理解 SPAD 感光的逻辑,不得不提到照相机。数码照相机 CMOS 上的一个个像素,通过接收大量光子,感知到光线强度,通过控制光子进入的数量,最终实现正确的曝光并成像。
激光雷达传感器的感光元件和数码相机近似,每一个像素点需要进入特定波长的大量光子,才能形成激光雷达图像,然后通过一颗计算芯片算出感知距离。
无论是数码照相机还是激光雷达传感器,进光量都是“底大一级压死人”,但车用激光雷达无论是成本还是体积都非常受限,一味比谁底大并不是最优的解决方案。而 SPAD 方案的兴起,让传感器厂商找到了进光量不足的另一路径。
如果进光量不足,加上有干扰光线进入,激光雷达传感器所成的像就会出现噪点。对于人类而言,一张照片中出现噪点,能通过智慧将噪点内容“脑补”齐全。因此为激光雷达传感器单独配备一颗 AI 芯片,用于噪点、干扰光线处理就是路径之一。不过,每经过一次处理,都会产生一定时延,如果低时延的优势被慢慢磨去,自动驾驶的安全性就会降低。
加入 AI 芯片做信号预处理虽然简单,但实际表现可能并不完美。
因此,如果能用微弱的进光量“代表”其他光成像,不但能实现更低的延迟,而且通过成像能得到噪点更少的点云图。
韩国科学技术研究院(KIST)新一代半导体研究所所长张畯然在一篇文章中阐述了 SPAD 传感器的工作原理。
▲ 不同类型图像传感器在接受光子照射时电子放大程度
“当在 SPAD 上施加比击穿电压(breakdown voltage)更高的电压时,会发生碰撞电离现象(Impact Ionization),巨大的电场(electric field)使载流子(carrier)加速运动并与原子碰撞,从而使原子中释放的自由载流子数量急速增多。这种现象被称为雪崩倍增(Avalanche Multiplication),会导致图像传感器点亮的光子产生大量自由载流子。”他写道。
这就意味着即便激光发射单元发射的激光仅有少量反射回来,通过雪崩倍增现象传感器仍旧能够将光子大量增加,并且识别为大量的光子。这就意味着,SPAD 传感器具有非常高的信噪比。
同时,SPAD 在接收的光子数量极少的情况下就能完成成像,因此其“快门速度”可以做到非常短,提升感知帧率。