光電探測(cè)器是將光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的元器件，在LiDAR系統(tǒng)中充當(dāng)眼睛的角色，是關(guān)鍵的傳感器。目前主要的光電探測(cè)器有雪崩光電二極管（Avalanche PhotonDiode，簡(jiǎn)光電探測(cè)器是將光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的元器件，在LiDAR系統(tǒng)中充當(dāng)“眼睛”的角色，是關(guān)鍵的傳感器。目前主要的光電探測(cè)器有雪崩光電二極管（Avalanche PhotonDiode，簡(jiǎn)稱(chēng)APD）/單光子雪崩二極管（SinglePhoton Avalanche Diode，簡(jiǎn)稱(chēng)SPAD）、硅光電倍增管（MPPC）和PIN光電二極管。
APD的工作模式分為線(xiàn)性模式和蓋革模式兩種。當(dāng)APD的偏置電壓低于其雪崩電壓時(shí)，對(duì)入射光電子起到線(xiàn)性放大作用，這種工作狀態(tài)稱(chēng)為線(xiàn)性模式。在線(xiàn)性模式下，反向電壓越高，增益就越大。APD對(duì)輸入的光電子進(jìn)行等增益放大后形成連續(xù)電流，獲得帶有時(shí)間信息的激光連續(xù)回波信號(hào)。當(dāng)偏置電壓高于其雪崩電壓時(shí)，APD增益迅速增加，此時(shí)單個(gè)光子吸收即可使探測(cè)器輸出電流達(dá)到飽和，這種工作狀態(tài)稱(chēng)為蓋革模式。工作在蓋革模式下的APD又被稱(chēng)作SPAD。
下圖是2軸MEMS掃描鏡和 SPAD圖像傳感器在混合固態(tài)LiDAR中的應(yīng)用。
APD工作在蓋革模式下，單個(gè)光子即可使其工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)開(kāi)、關(guān)之間的轉(zhuǎn)換，形成一個(gè)陡峭的回波脈沖信號(hào)，因而具備單光子成像的能力。該種光電探測(cè)器的靈敏度極高，探測(cè)距離理論上可以非常遠(yuǎn)，三千公里都不成問(wèn)題，若干年前就已在軍事領(lǐng)域（隱形飛機(jī)、導(dǎo)彈系統(tǒng)）大有所為。因此，APD的蓋革模式非常適合用在LiDAR。
下圖對(duì)APD在線(xiàn)性模式和蓋革模式下的光子探測(cè)能力做了比較。
MPPC是一種俗稱(chēng)硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）的新型光半導(dǎo)體器件，根據(jù)其原理可稱(chēng)多像素光子計(jì)數(shù)器（Multi-Pixel Photon Counter，MPPC）。其由多個(gè)工作在蓋革模式的APD陣列組成，具有高增益、高探測(cè)效率、快速響應(yīng)、優(yōu)良時(shí)間分辨率和寬光譜響應(yīng)范圍等特點(diǎn)。
當(dāng)MPPC中的一個(gè)像素接收到一個(gè)入射光子時(shí)，就會(huì)輸出一個(gè)幅度一定的脈沖。多個(gè)像素如都接收到入射光子，則每個(gè)像素都會(huì)輸出一個(gè)脈沖，這幾個(gè)脈沖最終會(huì)疊加在一起，由一個(gè)公共輸出端輸出，以此達(dá)到更大的增益。
相比APD，MPPC的增益可達(dá)到10^5~10^6，這樣在理論上，可以在更短的時(shí)間內(nèi)得到更長(zhǎng)的距離信息，探測(cè)帶寬也與APD不相上下。另外，擁有小而有效面積、更多像素結(jié)構(gòu)的MPPC不僅具備較快的時(shí)間特性（上升時(shí)間僅1納秒左右），還可利用它獨(dú)特的光子分辨能力，將不同表面反射率的物體識(shí)別出來(lái)，從而達(dá)到測(cè)距同時(shí)分辨物體表面特性的目的。從這些性能上來(lái)看，MPPC非常適合脈沖測(cè)距法的應(yīng)用，是自動(dòng)駕駛上一維激光雷達(dá)的理想“小伙伴”。
濱松于今年正式發(fā)布了最新的近紅外MPPC研制成果，推出了紅外增強(qiáng)型MPPC S13720系列。其在905納米處具有較高的探測(cè)效率，響應(yīng)速度快，工作溫度范圍寬，適合各種場(chǎng)合下的激光雷達(dá)應(yīng)用，尤其是使用ToF測(cè)距法的長(zhǎng)距離測(cè)量。下圖是濱松推出的紅外增強(qiáng)型MPPC（硅光電倍增管）S13720系列。
硅PIN光電二極管成本低，且不易受周?chē)h(huán)境光的干擾，但相比APD/SPAD和MPPC，探測(cè)距離較短。硅PIN光電二極管的上升和下降時(shí)間非常短（通常為10納秒或更短），因此非常適合于接收25納秒數(shù)量級(jí)的光脈沖。此外，硅PIN光電二極管表現(xiàn)出非常高的線(xiàn)性度，甚至在強(qiáng)光條件下都可以檢測(cè)到非常小的信號(hào)。硅PIN光電二極管可形成一維或二維陣列，可以集成于速度快、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的2D或3D傳感器，從而對(duì)物體的存在、位置和速度提供快速且準(zhǔn)確的信息。
下面簡(jiǎn)單介紹幾家混合固態(tài)LiDAR的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)。
（1）LeddarTech
