索尼“踏足”汽车激光雷达

2020年对于激光雷达行业来说，可以称得上拐点之年。而2021年将是激光雷达行业“百花齐放”周期的开始。

去年，首次引入苹果iPhone 12的消费级激光雷达，不仅为手机端带来增强拍摄能力，更强大的3D建模及AR应用，更是让车载激光雷达行业看到了希望。

进入2021年，随着苹果造车消息的进一步披露，该公司近日被爆出正在与多家汽车激光雷达供应商进行谈判，作为自动驾驶汽车的外部配套硬件合作伙伴。

知情人士透露，苹果公司同时也在考虑不同的技术方案设计，以满足其独特的需求。按照计划，苹果正在推进其自动驾驶汽车项目，最早在2024年量产下线。

另一则消息同样备受关注，在去年10月苹果公司的一项涉及dToF（直接飞行时间）无扫描激光雷达技术专利曝光，同时，索尼公司被曝出与苹果公司签订了为期3年的合同，提供新一代近红外(NIR)+单光子雪崩二极管(SPAD)模组的dToF激光雷达。

有消息称，安卓手机阵营的几家大厂预计也将在未来两到三年进入激光雷达的量产导入，这意味着包括VCSEL芯片、SPAD等核心部件持续受益于规模效应实现成本的快速下降。

这是过去数年，汽车激光雷达行业希望看到的一幕。除了下游需求的释放（目前，数家汽车制造商已经宣布数款搭载激光雷达的新车计划），上游供应链的完善以及规模化产能释放有助于帮助大幅降低成本。

一、备战低成本

如今，索尼更进一步，趁势“杀入”汽车激光雷达行业。

事实上，在去年CES展上，该公司发布的首款纯电动概念车型（VISION-S）上就亮相了一系列基于索尼的成像与传感创新技术，其中就包括自主研发的固态激光雷达。

近日，索尼在国际固态电路大会（ISSCC）上发布了首款基于SPAD的dToF汽车远程激光雷达方案。这套方案的创新之处，在于利用CMOS图像传感器开发的堆叠结构、铜-铜连接、MEMS（905nm波长）等技术，在上下两层芯片上实现了SPAD时序和测距处理电路架构。

比如，在SPAD（上层芯片）和逻辑电路（下层芯片）堆叠时，通过连接的Cu（铜）焊盘而不是嵌入电极实现连接的TSV（硅穿孔）布线，这种方法可以提高设计的自由度，提高生产效率，实现更紧凑的尺寸，同时提高性能。

在SPAD效率指数方面，索尼通过技术创新实现了对于940nm近红外光的PDE（光子检测效率）提高到14.2％的水平，是传统SPAD的3至4倍。

此外，更为关键的是，索尼首次引入了直接测距法（directToF，dToF），直接计算被物体反射并返回所需的时间来测量距离，好处是可以实现300米的测距，适用于远程激光雷达方案。

同时，即使是小型的芯片，也能在10μm的像素尺寸下实现约11万有效像素（189×600像素）的高分辨率。这就可以实现以15厘米为单位间隔进行高精度测量，测距最远可达300米，从而有助于提高激光雷达的检测和识别性能。

同时，索尼通过光子飞行时间转换为数字值的时间数字转换器（TDC）和无源淬灭/电路，使每个光子在正常情况下的响应速度提高到6ns，满足高速测距要求。

在车规级方面，这套独创的SPAD像素结构，即使在-40℃至125℃的恶劣条件下，也能实现稳定的光子探测效率和响应速度，有助于提高激光雷达的可靠性。

一直以来，业内达成共识的是，低成本的固态激光雷达解决方案对于L3级及以上自动驾驶来说至关重要。CMOS集成SPAD阵列也被视为最有希望的低成本解决方案之一。

作为全球CMOS感知技术的另一家巨头，安森美半导体在三年前宣布收购SensL Technologies，这是一家专为汽车、医疗、工业和消费市场提供SiPM、SPAD和LiDAR感测产品的公司。

过去十几年时间，SensL公司一直是全球深度传感技术的领导者，基于CMOS工艺为高性价比固态激光雷达方案提供规模效益的可能性，此次收购也是安森美强化ADAS及自动驾驶感知领域市场竞争力的战略布局之一。

过去，传统的激光雷达大多数是采用APD（雪崩光电二极管），而单光子雪崩二极管(SPAD)则是工作在击穿电压上的APD。这意味着，对于极弱光学信号的探测，SPAD是更为理想的选择之一。

而SiPM是由多个带有猝灭电阻的SPAD并联组成，每个单元是独立的，最终输出的信号是多个像素输出信号叠加，有幅度变化；如果照射到SiPM的光子数越多，幅度越大。

在进行远距离探测时，SiPM可实现比其它传感器更高的信噪比，主要优点包括高增益，低电压操作，出色的定时性能，高灵敏度（低至单个光子）和对磁场的抵抗力。

此前，SiPM和SPAD工艺已在医疗影像领域有大量应用。按照安森美的说法，相比于APD技术，采用CMOS工艺，可以达到真正的低成本、低功耗，优化尺寸等优势，可实现激光雷达真正落地。

目前，在全球已经有数家激光雷达公司采用了安森美公司研发的基于SPAD的硅光电倍增管（SiPM）技术，“在近红外(NIR)、905nm波长的固态激光雷达系统方案设计上，SiPMs正在迅速取代APDs。”

此外，苹果使用的是基于SPAD（单光子雪崩二极管）的dToF技术，而目前市面上还主要是基于普通CMOSPD的iToF技术，两者存在着非常大的差别，是一次全新的技术升级革命。

两年前，索尼公司决定将其半导体部门更名为“成像与传感”（Imaging & Sensing），其中传感部分主要面向工业（包括汽车）机器视觉图像传感器，这是一个高端利基市场。

随后，索尼拿下了华为和三星的iToF传感器订单，其次就是苹果的dToF激光雷达订单，去年该公司传感业务收入预计超过10亿美元，整个市场规模预计未来几年将超过100亿美元。

上游供应链的逐步起量（尤其是巨头的不断加码），也在带动越来越多的激光雷达公司推出性能更强的产品。一家名为Sense Photonics的公司近日宣布，一款基于CMOS SPAD（像素超过14万）+VSCELs（940nm）的Flash激光雷达正式亮相，实现200米中远程探测。

该公司表示，这款全新的技术方案可以消除复杂的运动模糊校正，同时允许像素级，逐帧融合RGB相机数据。首批样品将于今年年中交付客户，计划于2024年底投产。

在高工智能汽车研究院看来，随着近年来激光雷达核心部件供应商逐步开始启动产能释放以及对消费级、工业级、汽车级几大市场的乐观预期，未来几年快速降本的趋势已经非常明确。