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硅光電倍增管傳感器如何實現(xiàn)激光雷達的大規(guī)模應(yīng)用?

發(fā)布時間:2021-07-01 來源:安森美 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】近年來,激光雷達被越來越多地應(yīng)用于汽車、工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域,因其在探測距離以及角度和深度分辨率等方面都有著明顯的優(yōu)勢,尤其是硅光電倍增管 (SiPM) 技術(shù)發(fā)展勢頭強勁,具備獨特的功能集,已成為廣闊市場深度傳感應(yīng)用的首選傳感器。安森美半導(dǎo)體作為擁有此技術(shù)的市場領(lǐng)袖,提供高性能的硅基單光子探測器,為激光雷達解決更遠(yuǎn)的距離要求、超低目標(biāo)反射率的探測、對環(huán)境光等噪聲的抑制的技術(shù)挑戰(zhàn),同時大幅降低整體成本,有助于實現(xiàn)激光雷達的大規(guī)模應(yīng)用。
 
為何需要深度信息?
 
因為真實場景是3D圖像,而攝像頭呈現(xiàn)的是2D圖像,如果是簡單的實現(xiàn)讓人看場景的功能,其應(yīng)用是足夠的,但對機器視覺系統(tǒng)來說具有挑戰(zhàn)性。深度數(shù)據(jù)消除了圖像的模糊性,有助于區(qū)分場景中的實體并賦予其含義。激光雷達通過發(fā)射激光,計算反射回來的時間,可測算出被測物體的距離,在整個視場內(nèi)通過多次重復(fù)測量,降低環(huán)境光的干擾獲得點云數(shù)據(jù)并可建立強度圖像,從而構(gòu)建出一個立體空間的3D模型。由于激光雷達可以準(zhǔn)確測距,從而降低視覺方案中的算法分析難度。
 
激光雷達功能模塊
 
激光雷達系統(tǒng)由以下6個主要硬件功能塊組成:發(fā)射、接收、波束控制、光學(xué)器件、讀出電路、電源和系統(tǒng)。安森美半導(dǎo)體提供光電探測器,還提供激光系統(tǒng)中符合車規(guī)的驅(qū)動芯片、電源芯片、放大器和讀出芯片等整體系統(tǒng)硬件解決方案。
 
圖1:激光雷達功能模塊
 
單光子雪崩光電二級管(SPAD)和SiPM技術(shù)的優(yōu)勢
 
市場上的光電探測器類型有PIN二級管、線性雪崩光電二極管(APD)、SPAD和SiPM。相比之下,SPAD和SiPM基于蓋革模式,具有高靈敏度、高增益、供電電壓低、一致性極好等優(yōu)勢。SiPM是由多個SPAD 微單元組成,具有很高的動態(tài)范圍,可以用作光子計數(shù)器。SiPM能在明亮的陽光條件下進行長距離測距時提供最佳的信噪比性能。其他優(yōu)勢包括較低的電源偏置和較低的溫度變化敏感性,采用大批量CMOS工藝生產(chǎn),可實現(xiàn)最低的探測器成本。
 
圖2:激光雷達的光電探測器類型
 
SiPM用于汽車激光雷達
 
在汽車領(lǐng)域,激光雷達與圖像傳感器、超聲波雷達等感知模式互補和提供冗余,將不同傳感器對某一目標(biāo)或環(huán)境特征描述的信息互相比對,綜合成統(tǒng)一的特征表達,提高感知的準(zhǔn)確性和精度,從而提升先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和自動駕駛的安全性。
 
汽車應(yīng)用要求能進行遠(yuǎn)距離、廣視角的深度感知,并要求深度感知能應(yīng)對低反射率物體、環(huán)境光噪聲等挑戰(zhàn)。成本是個主要的驅(qū)動因素,影響到對技術(shù)的選擇。深度感知技術(shù)、波長以及傳感器技術(shù)是影響技術(shù)決策的關(guān)鍵因素。
 
目前,深度感知方式主要有直接飛行時間法 (dToF,測量時間差)、間接飛行時間法 (iToF,測量相位差) 和調(diào)頻連續(xù)波法 (FMCW,測量拍頻)。其中,iToF僅適用于短距離測距(<10米),只能檢測到最強的回波。FMCW適用于短距離到長距離,但需要更多的計算能力,獲得點云的時間更長,幀率更低,可以使用便宜的PIN二極管探測器,但由于使用具有良好偏振控制和高規(guī)格輸出的可調(diào)諧激光器,因此總體成本較高。相比之下,dToF優(yōu)勢明顯,適用于短距到長距 (0.1m – 300m),可檢測到多個回波,整個范圍內(nèi)精度高,兼容高功率、短脈沖,保持眼睛安全性。
 
波長選擇方面,主要有近紅外波段如850 nm、905 nm、940 nm和短波紅外波段如1350nm, 1550nm。從可制造性和元器件成本來看,近紅外波段都較短波紅外波段更有優(yōu)勢,且近紅外波段在雨中性能影響不大,而短波紅外波段在雨中吸水會降低性能,更高的激光功率還可能導(dǎo)致散熱問題。
 
安森美半導(dǎo)體重點提供硅基單光子探測器芯片激光雷達 (LiDAR)方案,主攻近紅外處波段,即大力倡導(dǎo)基于SiPM探測器+ 近紅外(NIR)波長 + dToF LiDAR方案。公司在固態(tài)LiDAR領(lǐng)域的多個設(shè)計導(dǎo)入獲驗證,批量付運給LiDAR設(shè)計導(dǎo)入的產(chǎn)品包括已量產(chǎn)的R系列SiPM、1x16/1x12 SiPM 陣列和工程樣品3D ToF SPAD 陣列,并提供評估板、參考設(shè)計和套件以幫助設(shè)計人員快速將產(chǎn)品落地。
 
而且,安森美半導(dǎo)體從一開始就考慮汽車認(rèn)證去設(shè)計光電探測器及其封裝,并采用CMOS工藝,推出全球首款符合車規(guī)AEC-Q102的SiPM光電探測器ArrayRDM-0112A20-QFN,為激光雷達量產(chǎn)化鋪平道路。ArrayRDM-0112A20-QFN是單片1×12 SiPM像素陣列,基于安森美半導(dǎo)體領(lǐng)先市場的RDM工藝,可實現(xiàn)對近紅外光的高靈敏度,從而在905納米(nm)處達到領(lǐng)先業(yè)界的18.5%的光子探測效率 (PDE) 。 SiPM的高內(nèi)部增益使其靈敏度可達到單光子水平,該功能與高PDE結(jié)合使用,可以檢測最微弱的返回信號。因此,即使是低反射目標(biāo),也能探測到更遠(yuǎn)的距離(達300米以上)。更遠(yuǎn)的距離使車輛有更多時間來應(yīng)對意外障礙,從而提升道路安全性。
 
圖3:用于激光雷達的車規(guī)級 SiPM陣列ArrayRDM-0112A20-QFN
 
SiPM用于工業(yè)激光雷達
 
激光雷達在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛,如料位監(jiān)控、存儲檢索、堆高控制、材料厚度測量、占用檢測、物體檢測和分類、空倉檢測、人數(shù)計算/檢測、安保等。安森美半導(dǎo)體推出的SiPM dToF LiDAR 參考平臺 SECO-RANGEFINDER-GEVK是具成本優(yōu)勢的單點dToF激光雷達系統(tǒng),適用于室內(nèi)導(dǎo)航、測距、碰撞檢測和3D制圖,測距范圍0.11 m 到 23 m,可作為評估套件或完整的參考設(shè)計,開箱即用,具有易于使用的圖形用戶界面(GUI),可調(diào)節(jié)系統(tǒng)變量,時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)具有自動校準(zhǔn)功能,軟件可調(diào)設(shè)置適用于各種工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用,符合激光安全標(biāo)準(zhǔn)IEC / EN 60825-1:2014 、21 CFR 1040.10 和1040.11 (Laser Notice No. 56除外),獲美國食品和藥物管理局(FDA)認(rèn)證。
 
圖4:SiPM dToF LiDAR 參考平臺: SECO-RANGEFINDER-GEVK
 
此外,安森美半導(dǎo)體的矩陣型激光雷達評估套件Pandion EVK3 - PAN-400100-A-AI-GEVK3,固態(tài)光源Flash可以感知三米內(nèi)的深度,掃描式的波速控制 (Beam Steering)可感知到100米左右的深度。它可用于評估,由Demo 3和DevWare處理的點云用于可視化,也可作為完整的輸出方案,構(gòu)建到定制的LiDAR傳感器中,由客戶ECU或處理器處理點云數(shù)據(jù),還可作為參考設(shè)計,安森美半導(dǎo)體可提供PCB 電路圖、布板、物料單(BOM)和 FPGA 代碼。
 
總結(jié)
 
LiDAR提供的高分辨率深度數(shù)據(jù)可在充滿挑戰(zhàn)的微光條件下即時準(zhǔn)確地識別物體,正越來越廣泛地應(yīng)用于汽車感知、工業(yè)測距等應(yīng)用領(lǐng)域。SiPM和SPAD是實現(xiàn)激光雷達系統(tǒng)的核心器件,安森美半導(dǎo)體是擁有此技術(shù)的市場領(lǐng)袖,提供業(yè)界最高靈敏度、最佳一致性和低噪聲的產(chǎn)品,致力于實現(xiàn)符合車規(guī)、高增益、低成本、尺寸緊湊的光電探測器,解決行業(yè)挑戰(zhàn),并提供參考設(shè)計和評估套件,幫助設(shè)計人員簡化開發(fā),以加快實現(xiàn)激光雷達的大規(guī)模應(yīng)用。
 
關(guān)于安森美半導(dǎo)體
 
安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor,美國納斯達克上市代號:ON)致力于推動高能效電子創(chuàng)新,使世界更綠、更安全、包容及互聯(lián)。公司已轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛻羰走x的電源、模擬、傳感器及聯(lián)結(jié)方案供應(yīng)商。公司卓越的產(chǎn)品幫助工程師解決他們在汽車、工業(yè)、云電源及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用中最獨特的設(shè)計挑戰(zhàn)。
 
安森美半導(dǎo)體運營反應(yīng)敏銳、可靠的供應(yīng)鏈及品質(zhì)項目,及強大的環(huán)境、社會、公司管治(ESG)計劃。公司總部位于美國亞利桑那州菲尼克斯,在其主要市場運營包括制造廠、銷售辦事處及設(shè)計中心在內(nèi)的全球業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。
 
 
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