無論是數(shù)碼照相機還是激光雷達傳感器，進光量都是“底大一級壓死人”，但車用激光雷達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光量不足的另一路徑。

如果進光量不足，加上有干擾光線進入，激光雷達傳感器所成的像就會出現(xiàn)噪點。對于人類而言，一張照片中出現(xiàn)噪點，能通過智慧將噪點內(nèi)容“腦補”齊全。因此為激光雷達傳感器單獨配備一顆AI芯片，用于噪點、干擾光線處理就是路徑之一。不過，每經(jīng)過一次處理，都會產(chǎn)生一定時延，如果低時延的優(yōu)勢被慢慢磨去，自動駕駛的安全性就會降低。

加入AI芯片做信號預處理雖然簡單，但實際表現(xiàn)可能并不完美。

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

韓國科學技術(shù)研究院（KIST）新一代半導體研究所所長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電子放大程度

“當在SPAD上施加比擊穿電壓（breakdown voltage）更高的電壓時，會發(fā)生碰撞電離現(xiàn)象（Impact Ionization），巨大的電場（electric field）使載流子（carrier）加速運動并與原子碰撞，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），會導致圖像傳感器點亮的光子產(chǎn)生大量自由載流子?！彼麑懙馈?

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，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) 響應速度遠超現(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)打磨多年的一項技術(shù)——雙層圖像傳感器堆疊，這項技術(shù)能夠讓感知響應速度更快。

在去年2月的一次演講中，索尼半導體公司高級經(jīng)理Oichi Kumagai對SPAD激光雷達傳感器的技術(shù)路線進行了詳細介紹。

▲索尼IMX459結(jié)構(gòu)和單個SPAD傳感器

其中，邏輯電路放置在芯片底部，每一個像素尺寸為10微米*10微米。傳感器表面并非完全平整，索尼將每一個像素點做成了一個凸透鏡，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)索尼的測試，這一激光雷達傳感器在使用905nm波長的激光光源時，光子檢測效率能達到24%。

▲傳統(tǒng)激光雷達傳感器點云圖（左）SPAD傳感器點云圖（右）

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

▲索尼IMX459光信號轉(zhuǎn)換電信號僅需6ns

國內(nèi)MEMS激光雷達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采用直接飛行時間（D-ToF）的方式測距，張畯然在其文章中說道，當光子進入時，SPAD陣列會發(fā)射數(shù)字脈沖（Digital Pulse），因此更容易跟蹤光飛時間。不僅如此，SPAD還能捕捉精確的時差，因此具有精確的深度分辨率（depth resolution），精確程度甚至可以達到毫米級別。