固态光电倍增管或将改变激光雷达（LiDAR）设计模型
2016-06-25 14:01:19   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

微访谈：固态光电倍增管领导者SensL公司

Yole Développement（以下简称Yole）在其《自动驾驶汽车中的传感器和数据管理》和《应用于无人机和机器人的传感器》报告中，强调了LiDAR领域的市场机遇，并指出LiDAR能够利用固态技术获得性能提升。随着机械传感技术新纪元的到来，其中被称为量子或单光子传感的技术或将改变LiDAR传感器的设计模型。我们今天将要重点介绍的产品便是来自SensL公司的固态光电倍增管（solid state photo multipliers, SiPM）。

麦姆斯咨询注释：激光雷达（LiDAR）全称Light Detection And Ranging，其原理为传感器发射激光束并经空气传播到地面或物体表面，再经表面反射，反射能量被传感器接收并记录为一个电信号。如果将发射时刻和接收时刻的时间精确记录，那么激光器至地面或者物体表面的距离（R）就可以通过以下公式计算出来 R=ct/2（c：光速，t：发射时刻和接受时刻的差）。

SensL公司的固态光电倍增管基于单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diodes, SPAD）的捆束阵列，是目前市场上革命性技术的典型案例。我们很高兴有机会采访了SensL公司的Carl Jackson和Wade Appelman先生。在本次采访中，我们希望了解更多关于固态光电倍增管的近期开发状况，以及该技术将如何改变LiDAR。

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Yole：请您介绍一下SensL公司，及其技术和商业模式。

SensL：SensL是一家Fabless半导体公司，主要专注于汽车ADAS系统、消费类机器人和无人机应用的LiDAR。我们将固态光电倍增管应用于医疗影像领域已经有十余年历史，固态光电倍增管的应用使LiDAR成本获得了大幅降低。

我们的核心产品是固态光电倍增管。固态光电倍增管是一种固态传感器，与单光子雪崩二极管密切相关。单光子雪崩二极管简单来讲就是一款二进制光触“开关”。固态光电倍增管由单光子雪崩二极管密堆积阵列外加一个计算输出矩阵组成。组成固态光电倍增管的单光子雪崩二极管阵列计算矩阵，作为一个类似模拟传感器，在大表面上保留单光子感光度。

因为SensL公司采用了Fabless商业模式，所以SensL公司能够专注于新产品的快速开发，并为客户提供强有力的支持，同时能够从高产量制造商的生产周期中获益。因此，SensL公司的固态光电倍增管技术能够提供业界领先的质量、分解均一性和光学响应均一性，由此获得世界级的系统性能和成本竞争优势。该商业模式使SensL公司能够处于固态倍增管开发的前沿，并成为该市场的领导者。到目前为止，已经有超过1000家客户在各种应用中装备了SensL公司的低照度传感器，包括医疗影像、生物光学、危害品探测、LiDAR以及高能物理领域等。

Yole：在LiDAR应用中，固态光电倍增管相比其它传感器技术的主要优势是什么？

SensL：LiDAR系统在历史上，应用过从PiN光电二极管到真空管型光电倍增管的多种类型的传感器。随着ADAS和无人机等应用对性能要求的日益增长，能够满足要求的传感器数量变得越来越有限。通常，每款传感器都会面临装配挑战，但是在一些应用案例中，这些挑战可以通过实际的系统级解决方案而克服。

一款简单的PiN光电二极管不具备内部增益，因此需要外部放大，但是这会限制器件的信噪比和带宽。雪崩光电二极管同样需要外部放大，此外，还会受到来自传感器间的非一致性困扰。因此，信噪比限制了雪崩光电二极管的应用，并且很大程度上使PiN光电二极管只能应用于短距离LiDAR。

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固态光电倍增管具有很高的内部增益，不需要外部放大，因此避免了额外的信号噪音，使得固态光电倍增管相对雪崩光电二极管在许多应用中，具有更好的信噪比。

成功装配基于固态光电倍增管的LiDAR需要认真解决环境光抑制问题，以避免传感器受日光影响，因为固态光电倍增管的单光子感光波长为905 nm。SensL公司通过努力，利用一系列组合技术的系统级解决方案来解决该问题。首先，通过限制光圈来控制传感器视场；其次，通过利用带通光学滤波器抑制外部相应波长的环境光；最后，通过利用人眼安全范围内的短波激光脉冲，提供更高的光学峰值功率。

SensL公司列举了明亮光照条件下运行的远距离LiDAR系统，来说明固态光电倍增管相对雪崩光电二极管的优势。我们制作了一款探测距离超过100m、环境照度为100k lux的ADAS系统模型，相当于明亮的日间环境，且目标反射能力低至5%。应用人眼安全范围内的激光脉冲，在这样的环境下，在距离100m处能够获得10cm的分辨率。我们利用雪崩光电二极管在相同情况下制作了模型，在距离100m处仅能够获得60cm的分辨率。

汽车厂商们应该也已经了解到雪崩光电二极管在远距离LiDAR应用中的劣势。固态光电倍增管相对雪崩光电二极管的高增益，使其获得了单光子灵敏度，同时也是它能够在实际应用环境中，实现远距离应用的关键因素。

Yole：您能否解释一下单次发射测距和直方图飞行时间测距（histogramming ToF ranging）的差异？

SensL：在某些应用中，如短距离测距的反馈信号很强，每次测量只需要进行一次激光脉冲。但是，单次脉冲LiDAR无法满足汽车应用中的远距离（≥100m）要求，因为人眼安全范围内的单次激光脉冲获得的反馈光子数量是有限的。

SensL公司6mm、3mm及1mm固态光电倍增管

距离越远的目标，其反馈的光子数量就越少，信号光子会逐渐湮没在环境光的背景噪音中。直方图飞行时间测距方法揭示了那些有可能湮没在环境光背景噪音中的时间相关光子，并利用这些光子获取距离测量信息。

由于系统工程师们习惯了“单次发射”方法，直方图“多次发射”方法看起来似乎是一种额外的复杂层。不过，SensL公司已经将直方图实时嵌入了现场可编程门阵列，使探测器单元仅输出距离测量信息。

Yole：你们计划如何将该技术投向市场，你们的产品规划路线图是怎样的？

SensL：近期，无人机、机器人和汽车领域对高性能、低成本LiDAR系统的需求强烈。越来越多的ADAS和主动安全系统被开发出来，全自动驾驶汽车将在十年内成为现实。这将给SensL公司带来一段紧张的产品开发期，我们正和我们的客户紧密合作，为这些需求量很大的高要求应用提供最先进的传感器。

第一步，我们先和客户交流以了解他们的需求，然后利用我们复杂的Matlab模型精细地模拟他们的系统。这可以使我们能够快速的洞悉客户提出的系列要求的可行性，并能从一开始就和客户建立沟通。该模型应用范围广泛，能够模拟任何系统，包括用雪崩光电二极管等其它器件替代我们的传感器。该模型还是一款能够演示固态光电倍增管测距应用独特优势的强大工具。

采用卷带包装的批量固态光电倍增管传感器

该模型本身经过我们创建的演示LiDAR系统的验证，我们利用我们标准的固态光电倍增管传感器创建了该演示LiDAR系统。我们测试了系统对明亮光线条件下、低反射率目标的测距性能，并将测距结果和模型预测的结果进行比对。我们还计划创建更多的演示系统来进一步验证该模型。很快，我们将建立一个新的演示系统，该演示系统将利用我们现有的分立固态光电倍增管传感器一维阵列，并且，我们还将为LiDAR市场，应用我们产品路线图上的定制型阵列来创建演示系统。这些定制型阵列包括单片一维和二维固态光电倍增管阵列，以及接下来的，集成CMOS读出电路的固态光电倍增管阵列。