無論是數碼照相機還是激光雷達傳感器，進光量都是“底大一級壓死人”，但車用激光雷達無論是成本還是體積都非常受限，一味比誰底大并不是最優(yōu)的解決方案。而SPAD方案的興起，讓傳感器廠商找到了進光量不足的另一路徑。

如果進光量不足，加上有干擾光線進入，激光雷達傳感器所成的像就會出現噪點。對于人類而言，一張照片中出現噪點，能通過智慧將噪點內容“腦補”齊全。因此為激光雷達傳感器單獨配備一顆AI芯片，用于噪點、干擾光線處理就是路徑之一。不過，每經過一次處理，都會產生一定時延，如果低時延的優(yōu)勢被慢慢磨去，自動駕駛的安全性就會降低。

加入AI芯片做信號預處理雖然簡單，但實際表現可能并不完美。

因此，如果能用微弱的進光量“代表”其他光成像，不但能實現更低的延遲，而且通過成像能得到噪點更少的點云圖。

韓國科學技術研究院（KIST）新一代半導體研究所所長張畯然在一篇文章中闡述了SPAD傳感器的工作原理。

▲不同類型圖像傳感器在接受光子照射時電子放大程度

“當在SPAD上施加比擊穿電壓（breakdown voltage）更高的電壓時，會發(fā)生碰撞電離現象（Impact Ionization），巨大的電場（electric field）使載流子（carrier）加速運動并與原子碰撞，從而使原子中釋放的自由載流子數量急速增多。這種現象被稱為雪崩倍增（Avalanche Multiplication），會導致圖像傳感器點亮的光子產生大量自由載流子?！彼麑懙馈?

這就意味著即便激光發(fā)射單元發(fā)射的激光僅有少量反射回來，通過雪崩倍增現象傳感器仍舊能夠將光子大量增加，并且識別為大量的光子。這就意味著，SPAD傳感器具有非常高的信噪比。

同時，SPAD在接收的光子數量極少的情況下就能完成成像，因此其“快門速度”可以做到非常短，提升感知幀率。

2.雙層芯片架構 響應速度遠超現有產品

索尼除了將SPAD技術逐步推向量產之外，也使用了已經打磨多年的一項技術——雙層圖像傳感器堆疊，這項技術能夠讓感知響應速度更快。

在去年2月的一次演講中，索尼半導體公司高級經理Oichi Kumagai對SPAD激光雷達傳感器的技術路線進行了詳細介紹。

▲索尼IMX459結構和單個SPAD傳感器

其中，邏輯電路放置在芯片底部，每一個像素尺寸為10微米*10微米。傳感器表面并非完全平整，索尼將每一個像素點做成了一個凸透鏡，從而能夠實現更高的光折射率，提升激光的吸收效果。根據索尼的測試，這一激光雷達傳感器在使用905nm波長的激光光源時，光子檢測效率能達到24%。

▲傳統激光雷達傳感器點云圖（左）SPAD傳感器點云圖（右）

此外，由于每一個SPAD像素都能與下方邏輯電路通過銅-銅（Cu-Cu）組件連接起來，因此只要光子進入SPAD，就能經過雪崩進入邏輯電路。從感知到光子，到完成數字信號轉換，整個過程只需要6納秒，這一表現非常出色。索尼開發(fā)了數字時間轉換器（TDC），直接能夠將光子飛行時間轉換為數值，不需要二次計算。

▲索尼IMX459光信號轉換電信號僅需6ns

國內MEMS激光雷達廠商一徑科技的一位產品經理談到，現在市面上其他技術路線的激光雷達接收傳感器的延遲已經能做到比較低，從感知到生成深度數據，基本需要百納秒到幾微秒之間。

然而，索尼的IMX459則是更進一步，相比此前最優(yōu)秀的產品，也有大幅提升。

IMX459采用直接飛行時間（D-ToF）的方式測距，張畯然在其文章中說道，當光子進入時，SPAD陣列會發(fā)射數字脈沖（Digital Pulse），因此更容易跟蹤光飛時間。不僅如此，SPAD還能捕捉精確的時差，因此具有精確的深度分辨率（depth resolution），精確程度甚至可以達到毫米級別。