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[導讀]安森美半導體和艾邁斯半導體都用紅外技術和dToF測距;而Sense和艾邁斯半導體又不約而同采用了VCSEL;三家公司都采用面陣閃光;只有SiPM是個唯一,那就是安森美半導體。值得一提的是,安森美半導體的激光雷達探測器單點、線陣和面陣都有,客戶可以各取所需。

安森美半導體和艾邁斯半導體都用紅外技術和dToF測距;而Sense和艾邁斯半導體又不約而同采用了VCSEL;三家公司都采用面陣閃光;只有SiPM是個唯一,那就是安森美半導體。值得一提的是,安森美半導體的激光雷達探測器單點、線陣和面陣都有,客戶可以各取所需。

別以為特斯拉要上激光雷達。

前不久,佛羅里達州棕櫚灘,一輛特斯拉Model Y車頂架上了Luminar激光雷達,使后者股票一度上漲。據(jù)推測,原因之一是特斯拉在對基于視覺的全自動駕駛方法進行基準測試。而最近從特斯拉離職的法律副總裁Al Prescott正是去了Luminar。

不過,今天要聊的還不是這家由95后Austin Russell在2012年創(chuàng)辦的公司,因為我并不看好這個根本沒有量產(chǎn),只靠炒作固態(tài)激光雷達,卻頂多是個半固態(tài)的上市公司。事實上,激光雷達公司背后都有半導體廠商的身影,合作正在加快激光雷達的商用落地。

激光雷達之于汽車應用

在汽車應用中,激光雷達可改善安全和駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS),包括車道保持和交通堵塞輔助功能,還可用于全自動駕駛駕駛,如無人運輸,實時安全地實現(xiàn)導航。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù),汽車應用預計將成為激光雷達的重要驅動力,2019年至2025年期間將實現(xiàn)18億美元的增長。

近年來,激光雷達在汽車應用中越來越受歡迎,一些更穩(wěn)定成熟的低成本車規(guī)級產(chǎn)品正逐漸形成量產(chǎn)規(guī)模。

艾邁斯半導體(ams)現(xiàn)場應用工程師Spencer Bai表示:“讓汽車能夠‘看到’環(huán)境非常關鍵,L3以上需要用激光雷達。當前的駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)依賴攝像頭、雷達或兩者的組合,沒有一種單獨或組合能夠為自動駕駛提供令人滿意的性能?!?

Spencer Bai

他認為,未來人的監(jiān)督要由傳感器冗余來接管。激光雷達的引入將使全自動駕駛成為可能,因為它是唯一一種能夠精確確定車輛在地圖上位置、實現(xiàn)遠程目標檢測和識別的技術。激光雷達與攝像頭、雷達及V2X融合才能有足夠的冗余。

各種傳感器的比較

安森美半導體智能感知部中國區(qū)圖像應用工程主管錢團結博士認為,相比其他傳感器,激光雷達在探測距離及角度和深度分辨率等方面優(yōu)勢明顯。這些優(yōu)勢源于激光雷達核心組件技術的進步,芯片效率的大幅度提升可以節(jié)省更多發(fā)射功率或探測更遠距離,配合先進的高功率、高效率光源發(fā)射器以及后端信號處理電路及成熟算法,在自身尺寸變小的同時,激光雷達整體性能也在大幅度提升,更能適應車載環(huán)境的實際應用。

錢團結博士

他表示,近年來,SiPM技術發(fā)展勢頭強勁,由于具有功能獨特,已成為市場上深度感知應用的首選技術。SiPM能在明亮陽光條件下長距離提供最佳信噪比。其他優(yōu)勢包括較低的電源偏置和溫度變化敏感性,是使用傳統(tǒng)APD的系統(tǒng)的理想升級選擇。

Sense Photonics首席技術官Hod Finkelstein則表示,激光雷達是實現(xiàn)L3-L5自動駕駛所需傳感器融合的關鍵組件。激光雷達可提供高分辨率深度數(shù)據(jù),提升目標識別能力,這是單獨的雷達或相機不可能實現(xiàn)的。

Hod Finkelstein

他認為,汽車中實際使用的旋轉式激光雷達會因內(nèi)部軸承問題頻繁出現(xiàn)故障,必須翻新或更換。此外,無論是旋轉還是基于MEMS的產(chǎn)品,在高振幅振動脈沖(車輛使用)中都難以保持深度精度。因此,只有完全不需要掃描的架構才是實現(xiàn)量產(chǎn)市場的最佳長期架構。過去,為了擴展ADAS和AV的小眾汽車研發(fā)項目,激光雷達難以滿足汽車可接受的系統(tǒng)成本、封裝和可靠性要求,現(xiàn)在情況已經(jīng)改觀。

安森美半導體技術多位一體

為了滿足激光雷達更遠距離要求,實現(xiàn)超低目標反射率探測,抑制環(huán)境光等噪聲,同時大幅度降低整體成本,安森美半導體基于硅基單光子探測器芯片,大力推廣基于硅光電倍增管(SiPM)探測器+近紅外(NIR)波長+直接飛行時間(dToF)的激光雷達方案。

dToF測距原理框圖

SiPM和SPAD(單光子雪崩二極管)探測器是2018年收購SensL所得。SiPM是一種建立在SPAD上的探測器,對單個光子非常敏感,能夠在陽光直射環(huán)境條件下工作,有助于系統(tǒng)探測到最遠的物體,即使反射率最小?;赟PAD陣列的飛行時間圖像傳感器可以實現(xiàn)高分辨率4D成像,從場景中的所有點同時捕獲深度數(shù)據(jù)和強度。

目前,SiPM和SPAD技術已成為實現(xiàn)激光雷達系統(tǒng)中接收器功能的關鍵,這兩種光電探測器類型均基于蓋革模式(Geiger mode,只適用于單光子計數(shù)的模式),有助于實現(xiàn)符合車規(guī)、高增益、低成本、尺寸緊湊的傳感器,適用于汽車長距離激光雷達的微光探測場景,提供業(yè)界最高靈敏度、最佳一致性和低噪聲的產(chǎn)品。

通過對比可以看到,PIN二極管、APD陣列、SPAD陣列、SiPM陣列還是有很大不同。

激光雷達接收器功能比較

與已有APD產(chǎn)品相比,SiPM和SPAD技術具有高靈敏度(2000倍)、更高增益(1萬倍)、更低供電電壓(約32V)及最佳一致性等優(yōu)勢。另一個優(yōu)勢是一開始就從汽車認證入手設計光電探測器及其封裝,并采用主流大批量CMOS工藝制造,成本低,可靠性高。除了光電探測器以外,安森美半導體還提供激光系統(tǒng)中符合車規(guī)的驅動芯片、電源芯片、放大器和讀出芯片等整體系統(tǒng)硬件方案,以及經(jīng)驗證的激光雷達模型仿真數(shù)據(jù)等,有助于客戶掌握新技術,讓產(chǎn)品快速落地。

3月,安森美半導體發(fā)布了用于激光雷達應用的全球首款車規(guī)認證SiPM陣列ArrayRDM-0112A20-QFN,為激光雷達量產(chǎn)鋪平了道路。它是一款單片1×12 SiPM像素陣列,可實現(xiàn)NIR高靈敏度,在905nm達到領先業(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,與高PDE結合可以檢測最微弱的返回信號。即使是低反射率目標,也能探測到更遠的距離(300米以上),為車輛贏得更多應對意外障礙的時間。

錢博士解釋說,ArrayRDM-0112A20-QFN是單片線陣SiPM探測器,曝光采用的是全局快門方式,12個點完全獨立,可以在給定時間里各自接受自己區(qū)域的光子后輸出脈沖。

車規(guī)激光雷達芯片及評估板

據(jù)介紹,目前,一些主流激光雷達廠家都在積極引入采用SiPM探測器的激光雷達,已經(jīng)有部分廠家開始量產(chǎn)。采用ArrayRDM-0112A20-QFN線陣芯片的激光雷達也將于今年量產(chǎn)。

安森美半導體還有一款400×100像素SPAD面陣陣列芯片Pandion,采用卷簾快門讀出,不僅有圖像信息,還可提供點云信息。全球包括中國知名激光雷達公司都在用這款器件開發(fā)產(chǎn)品,今年會有一些量產(chǎn)激光雷達上車。

Sense的“照明”模式很獨特

年初,Sense Photonics展示了適于大眾市場汽車應用的全球首款940nm全局快門閃光(像照明)激光雷達。Hod Finkelstein說:“我們已經(jīng)實現(xiàn)了業(yè)內(nèi)專家一度認為不可能實現(xiàn)的目標,并通過Sense Illuminator、Sense Silicon和我們最先進的信號處理技術創(chuàng)造了一個革命性的新架構,使數(shù)據(jù)輸出小型化,一舉解決了主機廠、Tier 1和Robotaxi公司一直以來擔心的激光雷達功能不足的問題?!?

Sense的所謂“照明”是讓15000個VCSEL陣列同時閃光,照亮其SPAD接收器上的140000像素。安裝在曲面上的VCSEL可擴大視野,30度水平場最大200米射程采用表面貼裝扁平芯片實現(xiàn)。

Sense的芯片和VCSEL陣列

傳統(tǒng)激光雷達是使用現(xiàn)成的激光組件,用紅外線照亮一列或一排光點,然后以機械方式掃描場景,以覆蓋所需的全部視野(FOV)。由于不能捕獲全幀數(shù)據(jù),必須跟蹤每幀返回的每個像素的時間戳。如果高速車輛在該幀內(nèi)移動,還要使用該信息來校正運動模糊。

傳統(tǒng)方法掃描的不是所需視場,必須將激光光點移到整個視場以實現(xiàn)全覆蓋。這會導致射程、分辨率、幀速率和視野之間的取舍,還增加了系統(tǒng)復雜性和昂貴的光學元件,在裝配過程中需要繁瑣的校準。因此,它高成本傳感器的方案,還存在許多潛在故障點。

傳統(tǒng)技術是依賴低效的邊緣發(fā)射激光二極管或高成本光纖激光器,Sense的晶圓級制造的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列可將每個芯片尺寸縮小到小于頭發(fā)絲的寬度。其閃光架構無需在發(fā)射器與接收器之間進行精細對準,可在振動條件下保持傳感器校準和深度精度。只需簡單改變光學器件就能按需調(diào)節(jié)平臺,是第一款能夠以同一架構提供短距離和長距離功能的平臺。

看看這些陣列是怎么構建的,首先在晶圓上生長數(shù)百萬個VCSEL,然后使用微轉移打?。∕TP)專利技術在熱傳導柔性基板上一次“印刷”數(shù)千個VCSEL,能夠輸出千瓦的峰值光功率,同時保持Class 1眼睛安全,消耗平均功率非常小。

Illuminator還具有獨特靈活屬性,可通過控制其彎曲量來定制水平視野。陣列上每個芯片工作波長為940nm,其太陽通量輸出非常小,可消除來陽光干擾。

據(jù)介紹,一些主機廠和Tier 1正在評估Sense的系統(tǒng),預計2021年中可以上市,2024年底開始量產(chǎn),估計產(chǎn)品成本為數(shù)百美元。

艾邁斯半導體VCSEL+SPAD組合

今年5月,長城汽車開始搭載ibeoNEXT固態(tài)激光雷達,其核心組成部分特定光源VCSEL是艾邁斯半導體的技術。128×80的VCSEL陣列(10240個)利用閃光平行生成垂直線掃描,由光學透鏡組件調(diào)整視野和范圍,最長距離250米,涵蓋狹窄的12度水平視野,最寬視場為60度。

專門優(yōu)化的VCSEL陣列具備出色的功率密度、轉換效率和間距。通過集成功能性安全標準提供增強功能和護眼功能,實現(xiàn)高可靠性。VCSEL為布局設計留有極大的靈活性,包括像素大小、尺寸和間距,以及特定的可尋址功能。

據(jù)介紹,在掃描式和泛光面陣式激光雷達應用中,大功率VCSEL不易受單個發(fā)射器故障的影響,在工作溫度范圍內(nèi)更加穩(wěn)定,且易于集成。

VCSEL技術原理

艾邁斯半導體的VCSEL比其他類型光源具有特殊優(yōu)勢,其較窄的波長帶寬(特別是溫度)可在接收器處進行更有效濾波,提高信噪比。由于發(fā)射的是垂直圓柱形光束,集成到系統(tǒng)中更加簡單。VCSEL陣列通常由50-10k單個發(fā)射器組成,與只有1-3個發(fā)射器的典型EEL(邊緣發(fā)射器)相比,單個發(fā)射器故障的影響非常有限。

他承認,由于激光雷達是一項新興技術,其成熟度、成本和體積仍有待改進,但VCSEL組合有助于客戶在三個方面實現(xiàn)階躍功能改進。

與其他類型激光器相比,VCSEL有許多優(yōu)點:

  • 表面發(fā)射(非邊緣發(fā)射),在可尋址陣列中提供設計靈活性

  • 解決激光波長的低溫依賴性

  • 優(yōu)異的可靠性

  • 晶圓級制造工藝

艾邁斯半導體VCSEL技術包括外延結構和芯片設計、外延生長、前端和后端處理、封裝以及高級測試和模擬。

艾邁斯半導體采用dToF感測技術,利用光源和接收器進行遠程目標探測和測距,計算發(fā)送和接收的光脈沖之間的時間即可得出距離。這方面與安森美半導體的方案相仿。

dToF傳感器基于SPAD像素設計和具有極窄脈沖寬度的時間數(shù)字轉換轉換器(TDC),實時測量VCSEL發(fā)射并從物體反射的紅外射線的飛行時間。低功耗飛行時間傳感技術有助于主機系統(tǒng)精確、高速地測量距離。

dToF傳感器

艾邁斯半導體還開發(fā)了一種復雜直方圖數(shù)據(jù)和智能軟件算法,可以使ToF傳感器檢測并抵消覆蓋玻璃反射的影響,包括污漬引起的串擾,也可以容納較大的氣隙;可以獨立于對象顏色、反射率和紋理實現(xiàn)精確距離檢測;還可以測量視野中多個物體間的距離。

直方圖架構

技術開始趨同

雖然這幾家公司在激光照射模式方面各有千秋,但接收器芯片技術方面如出一轍,都采用了SPAD;安森美半導體和艾邁斯半導體都用紅外技術和dToF測距;而Sense和艾邁斯半導體又不約而同采用了VCSEL;三家公司都采用面陣閃光;只有SiPM是個唯一,那就是安森美半導體。值得一提的是,安森美半導體的激光雷達探測器單點、線陣和面陣都有,客戶可以各取所需。

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