东芝新传感器为廉价激光雷达铺平道路

全自动驾驶汽车的引进已经慢到了爬行的地步。尽管如此，后视摄像头和自动泊车系统等技术的引入，正帮助汽车行业朝着4级自动驾驶方向不断进步，同时也提升了驾驶员辅助功能。

为此，东芝公司开发了一种紧凑、高效的硅光倍增器（silicon photo-multiplier，SiPM），使非同轴激光雷达能够使用现成的相机镜头，从而降低成本，并有助于实现固态、高分辨率的激光雷达。

汽车激光雷达（光探测和测距）通常使用旋转激光360度扫描车辆环境，方法是将激光脉冲从周围物体上反射回来，并测量反射光的返回时间来计算它们的距离和形状。生成的point-cloud地图可与静止图像、雷达数据和GPS结合使用，以创建车辆行驶区域的虚拟3D地图。

然而，高端的激光雷达系统可能很贵，尽管也有便宜的版本，但价格通常在80000美元以上。目前这一领域的领导者是Velodyne，它的激光器安装在车顶的塔架上以机械方式旋转。

Illustration: ToshibaA large number of smaller SiPMs are integrated to create a dense 2D array for high sensitivity scanning, while dual data converters employing combined ADC and TDC circuitry are shrunk in order to deal with increased data load on a smaller device.

具体如何实现呢？

一般来讲，SiPM具有很高的光敏性，因此适于远距离探测。然而，由SiPM组成的光接收电池在被触发后需要一定的恢复时间。

另外在强环境光条件下也需要大量的光接收电池，这是因为它们必须具有备用单元才能及时对反射的激光做出响应。

而东芝SiPM，就是采用单光子雪崩二极管（SPAD）技术的固态光传感器。它包含多个SPAD，每个SPAD由一个淬灭电路（AQC）控制。当SPAD检测到光子时，SPAD阴极电压会降低，但AQC会重置并将SPAD电压重新启动到初始值。

“典型的SiPM恢复时间是10到20纳秒，”东芝技术项目负责人Tuan Thanh Ta说。“通过使用这种强制或主动淬火方法，我们的速度提高了2到4倍。”

这样光接收电池工作效率更高，就意味着所需的电池数量更少，从以往的48个减少到只有2个，从而生产出尺寸仅为「25μm×90μm」的设备。这个尺寸要小得多，这些传感器的小尺寸使东芝能够创建一个高灵敏度的密集二维阵列，这是远程扫描所必需的。

该公司表示：这样比比尺寸为100μm×100μm的标准设备小得多。这些传感器的小尺寸使得东芝能够创建一个密集的二维阵列，以实现高灵敏度，这是远距离扫描的必要条件。

不同于同轴激光雷达系统中使用的一维光子接收器，东芝创建的二维阵列，其二维长宽比与商业相机中使用的光传感器一致。

这就意味着，可以利用现成的普通相机镜头来降低成本，而不是像同轴激光雷达系统那样，使用一个昂贵的定制镜头来传输。

此外，还需要大型多个读出电路通道来读取高分辨率数据，其中包括用于长距离扫描的模拟数字转换器（ADC）和用于短距离的时间数字转换器（TDC）。

东芝通过在单个电路中同时实现ADC和TDC功能来克服了这个问题，与传统的双数据转换器芯片相比，其尺寸减小了80％（减小到50μmx60μm）。

Tuan Thanh Ta表示，东芝这款激光雷达，最大有效探测距离可达200米，达到了自动驾驶L4技术标准，是目前市场上固态激光雷达探测能力的4倍。

澳大利亚昆士兰理工大学机器人中心的跨学科研究者兼副主任Michael Milford表示：“探测范围等因素很重要，尤其是在高速公路等高速环境中。因此，可以看出，这些（东芝的试验结果）在商业关联性方面非常重要的属性。”

Illustration: ToshibaNon-coaxial Lidar uses separate optical paths for sending and receiving light source, enabling a commercial lens to be used with a 2D sensor

由于东芝公司的SiPM采用的是二维阵列，与同轴激光雷达系统中使用的一维光子接收器不同，Ta指出，它的2D宽高比与商用相机中使用的光传感器相当。因此，现成的标准，长焦和广角镜头可以用于特定的应用，有助于进一步降低成本。

相比之下，同轴激光雷达使用相同的光路来发送和接收光源，因此需要一个昂贵的定制透镜来传输和收集接收到的光并将其发送到1D光子接收器，Ta解释道。

但正如Milford所指出的，“如果4级以上的道路自动驾驶成为现实，我们就不太可能有广泛的解决方案和传感器配置。因此，（东芝传感器）的这种灵活性可能更适用于其他领域，如无人机和越野自动驾驶车辆，因为这些领域的可变性更大，使用现有硬件更为重要。”

目前，东芝仍在致力于提升其SiPM性能，计划将于2022财年引入实际应用。东芝高级研究科学家Akihide Sai如此表示，他负责监督SiPM项目。尽管他拒绝回答东芝是与汽车制造商合作，还是将生产自己的固态激光雷达系统，但他表示，东芝将向其他公司提供SiPM设备。

他补充道，“我们还看到它被用于无人机的自动导航和用于基础设施监控的机器人，以及工厂自动化应用中。”

但QUT的Milford指出了这一点。“自主汽车技术和传感技术的许多进步，特别是在成本、体积和功率使用方面，只有在4级以上驾驶的总体挑战得到解决时，才会变得最相关。它们本身并不是促成这种情况发生的关键缺失部分。”