據外媒報道，日前，索尼宣布開發(fā)出一款堆疊式直接飛行時間（dToF）深度傳感器，采用單光子雪崩二極管（SPAD）像素，適用于汽車激光雷達。

（圖片來源：索尼）

除了攝像頭和毫米波雷達等傳感設備外，激光雷達作為高精度檢測和識別道路狀況以及車輛和行人等物體的位置和形狀的一種方法，變得越來越重要。ADAS的普及和自動駕駛技術需求推動了這一趨勢。

SPAD是一種像素結構，可利用雪崩倍增技術，將單個入射光子的電子放大，從而形成雪崩式疊加，即使是微弱的光線也能檢測到。dToF傳感器根據光源發(fā)射的光被物體反射后返回到傳感器的飛行時間（時間差），來測量與物體之間的距離，將SPAD用作dToF傳感器中的探測器，可實現遠距離、高精度的距離測量。

索尼利用在CMOS圖像傳感器開發(fā)過程中積累的背照式像素結構、堆疊結構、Cu-Cu連接等技術，在單個芯片上實現SPAD像素和測距處理電路，開發(fā)出一款緊湊的高分辨率傳感器，能以15厘米的距離分辨率實現高精度、高速度的測量，測距可達300米。這項新技術還有助于實現各種溫度和天氣等惡劣條件下的檢測和識別，提高激光雷達的可靠性，這對于汽車設備而言至關重要。同時，單芯片結構還有助于降低激光雷達的成本。此外，索尼還開發(fā)了配備該項新技術的MEMS（微電子機械系統(tǒng)）激光雷達系統(tǒng)，以用于評估。目前，索尼已向客戶和合作伙伴提供該系統(tǒng)。

SPAD像素原理

在dToF深度/距離傳感器中，SPAD能夠檢測單個光子。將擊穿電壓施加到SPAD像素的電極上，并讓大于擊穿電壓的超額偏壓 （VEX）中的光子進入，雪崩倍增效應會放大光電轉換中產生的電子。當電極間的電壓降至擊穿電壓值時，雪崩倍增會停止。當雪崩倍增產生的電子被放電，并回到擊穿電壓后（淬滅作用），電極間的電壓再次被設定為超額偏壓，以便能夠檢測到下一個光子（再充電作用）。這種由光子的到達而觸發(fā)的電子倍增作用被稱為蓋革模式（Geiger mode）。

主要特點

1. 高精度測量，15厘米距離分辨率，測距可達300米

新技術采用背照式SPAD像素結構，利用Cu-Cu連接方式，在像素芯片（頂部）和配備測距處理器電路的邏輯芯片（底部）之間實現各像素的導通。此種方式可將除光整合像素以外的所有電路都放在底部，從而實現高開口率和22%的高光子檢測效率。即使是小型芯片，也能在像素大小為10 μm的情況下，實現約11萬有效像素（189×600像素）的高分辨率。這就可以以15厘米為單位間隔進行高精度測量，測距最遠可達300米，從而有助于提高激光雷達的檢測和識別性能。

2. 使用索尼獨創(chuàng)的時間數字轉換器（TDC）和無源淬滅/充電電路，實現高速響應

索尼開發(fā)了時間數字轉換器（TDC）和無源淬滅/充電電路，可將檢測到的光子飛行時間轉換為數字值，并將其與每個像素的Cu-Cu連接在一起，使每個光子在正常情況下的響應速度提高至6納秒。高速測距處理通過實時檢測和識別周圍的情況，從而提升駕駛安全。

3. 惡劣條件下穩(wěn)定的光子檢測效率和響應速度

索尼獨創(chuàng)的SPAD像素結構，即使在-40℃至125℃的惡劣條件下，也能實現穩(wěn)定的光子探測效率和響應速度，有助于提高激光雷達的可靠性。