2020年對于激光雷達(dá)行業(yè)來說,可以稱得上拐點(diǎn)之年。而2021年將是激光雷達(dá)行業(yè)“百花齊放”周期的開始。
去年,首次引入蘋果iPhone 12的消費(fèi)級激光雷達(dá),不僅為手機(jī)端帶來增強(qiáng)拍攝能力,更強(qiáng)大的3D建模及AR應(yīng)用,更是讓車載激光雷達(dá)行業(yè)看到了希望。
進(jìn)入2021年,隨著蘋果造車消息的進(jìn)一步披露,該公司近日被爆出正在與多家汽車激光雷達(dá)供應(yīng)商進(jìn)行談判,作為自動駕駛汽車的外部配套硬件合作伙伴。
知情人士透露,蘋果公司同時也在考慮不同的技術(shù)方案設(shè)計(jì),以滿足其獨(dú)特的需求。按照計(jì)劃,蘋果正在推進(jìn)其自動駕駛汽車項(xiàng)目,最早在2024年量產(chǎn)下線。
另一則消息同樣備受關(guān)注,在去年10月蘋果公司的一項(xiàng)涉及dToF(直接飛行時間)無掃描激光雷達(dá)技術(shù)專利曝光,同時,索尼公司被曝出與蘋果公司簽訂了為期3年的合同,提供新一代近紅外(NIR)+單光子雪崩二極管(SPAD)模組的dToF激光雷達(dá)。
有消息稱,安卓手機(jī)陣營的幾家大廠預(yù)計(jì)也將在未來兩到三年進(jìn)入激光雷達(dá)的量產(chǎn)導(dǎo)入,這意味著包括VCSEL芯片、SPAD等核心部件持續(xù)受益于規(guī)模效應(yīng)實(shí)現(xiàn)成本的快速下降。
這是過去數(shù)年,汽車激光雷達(dá)行業(yè)希望看到的一幕。除了下游需求的釋放(目前,數(shù)家汽車制造商已經(jīng)宣布數(shù)款搭載激光雷達(dá)的新車計(jì)劃),上游供應(yīng)鏈的完善以及規(guī)?;a(chǎn)能釋放有助于幫助大幅降低成本。
一、備戰(zhàn)低成本
如今,索尼更進(jìn)一步,趁勢“殺入”汽車激光雷達(dá)行業(yè)。
事實(shí)上,在去年CES展上,該公司發(fā)布的首款純電動概念車型(VISION-S)上就亮相了一系列基于索尼的成像與傳感創(chuàng)新技術(shù),其中就包括自主研發(fā)的固態(tài)激光雷達(dá)。
近日,索尼在國際固態(tài)電路大會(ISSCC)上發(fā)布了首款基于SPAD的dToF汽車遠(yuǎn)程激光雷達(dá)方案。這套方案的創(chuàng)新之處,在于利用CMOS圖像傳感器開發(fā)的堆疊結(jié)構(gòu)、銅-銅連接、MEMS(905nm波長)等技術(shù),在上下兩層芯片上實(shí)現(xiàn)了SPAD時序和測距處理電路架構(gòu)。
比如,在SPAD(上層芯片)和邏輯電路(下層芯片)堆疊時,通過連接的Cu(銅)焊盤而不是嵌入電極實(shí)現(xiàn)連接的TSV(硅穿孔)布線,這種方法可以提高設(shè)計(jì)的自由度,提高生產(chǎn)效率,實(shí)現(xiàn)更緊湊的尺寸,同時提高性能。
在SPAD效率指數(shù)方面,索尼通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了對于940nm近紅外光的PDE(光子檢測效率)提高到14.2%的水平,是傳統(tǒng)SPAD的3至4倍。
此外,更為關(guān)鍵的是,索尼首次引入了直接測距法(directToF,dToF),直接計(jì)算被物體反射并返回所需的時間來測量距離,好處是可以實(shí)現(xiàn)300米的測距,適用于遠(yuǎn)程激光雷達(dá)方案。
同時,即使是小型的芯片,也能在10μm的像素尺寸下實(shí)現(xiàn)約11萬有效像素(189×600像素)的高分辨率。這就可以實(shí)現(xiàn)以15厘米為單位間隔進(jìn)行高精度測量,測距最遠(yuǎn)可達(dá)300米,從而有助于提高激光雷達(dá)的檢測和識別性能。
同時,索尼通過光子飛行時間轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)和無源淬滅/電路,使每個光子在正常情況下的響應(yīng)速度提高到6ns,滿足高速測距要求。
在車規(guī)級方面,這套獨(dú)創(chuàng)的SPAD像素結(jié)構(gòu),即使在-40℃至125℃的惡劣條件下,也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光子探測效率和響應(yīng)速度,有助于提高激光雷達(dá)的可靠性。
一直以來,業(yè)內(nèi)達(dá)成共識的是,低成本的固態(tài)激光雷達(dá)解決方案對于L3級及以上自動駕駛來說至關(guān)重要。CMOS集成SPAD陣列也被視為最有希望的低成本解決方案之一。
作為全球CMOS感知技術(shù)的另一家巨頭,安森美半導(dǎo)體在三年前宣布收購SensL Technologies,這是一家專為汽車、醫(yī)療、工業(yè)和消費(fèi)市場提供SiPM、SPAD和LiDAR感測產(chǎn)品的公司。
過去十幾年時間,SensL公司一直是全球深度傳感技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者,基于CMOS工藝為高性價比固態(tài)激光雷達(dá)方案提供規(guī)模效益的可能性,此次收購也是安森美強(qiáng)化ADAS及自動駕駛感知領(lǐng)域市場競爭力的戰(zhàn)略布局之一。
二、供應(yīng)鏈“助力”
過去,傳統(tǒng)的激光雷達(dá)大多數(shù)是采用APD(雪崩光電二極管),而單光子雪崩二極管(SPAD)則是工作在擊穿電壓上的APD。這意味著,對于極弱光學(xué)信號的探測,SPAD是更為理想的選擇之一。
而SiPM是由多個帶有猝滅電阻的SPAD并聯(lián)組成,每個單元是獨(dú)立的,最終輸出的信號是多個像素輸出信號疊加,有幅度變化;如果照射到SiPM的光子數(shù)越多,幅度越大。
在進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測時,SiPM可實(shí)現(xiàn)比其它傳感器更高的信噪比,主要優(yōu)點(diǎn)包括高增益,低電壓操作,出色的定時性能,高靈敏度(低至單個光子)和對磁場的抵抗力。
此前,SiPM和SPAD工藝已在醫(yī)療影像領(lǐng)域有大量應(yīng)用。按照安森美的說法,相比于APD技術(shù),采用CMOS工藝,可以達(dá)到真正的低成本、低功耗,優(yōu)化尺寸等優(yōu)勢,可實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)真正落地。
目前,在全球已經(jīng)有數(shù)家激光雷達(dá)公司采用了安森美公司研發(fā)的基于SPAD的硅光電倍增管(SiPM)技術(shù),“在近紅外(NIR)、905nm波長的固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)上,SiPMs正在迅速取代APDs?!?/p>
此外,蘋果使用的是基于SPAD(單光子雪崩二極管)的dToF技術(shù),而目前市面上還主要是基于普通CMOSPD的iToF技術(shù),兩者存在著非常大的差別,是一次全新的技術(shù)升級革命。
兩年前,索尼公司決定將其半導(dǎo)體部門更名為“成像與傳感”(Imaging & Sensing),其中傳感部分主要面向工業(yè)(包括汽車)機(jī)器視覺圖像傳感器,這是一個高端利基市場。
隨后,索尼拿下了華為和三星的iToF傳感器訂單,其次就是蘋果的dToF激光雷達(dá)訂單,去年該公司傳感業(yè)務(wù)收入預(yù)計(jì)超過10億美元,整個市場規(guī)模預(yù)計(jì)未來幾年將超過100億美元。
上游供應(yīng)鏈的逐步起量(尤其是巨頭的不斷加碼),也在帶動越來越多的激光雷達(dá)公司推出性能更強(qiáng)的產(chǎn)品。一家名為Sense Photonics的公司近日宣布,一款基于CMOS SPAD(像素超過14萬)+VSCELs(940nm)的Flash激光雷達(dá)正式亮相,實(shí)現(xiàn)200米中遠(yuǎn)程探測。
該公司表示,這款全新的技術(shù)方案可以消除復(fù)雜的運(yùn)動模糊校正,同時允許像素級,逐幀融合RGB相機(jī)數(shù)據(jù)。首批樣品將于今年年中交付客戶,計(jì)劃于2024年底投產(chǎn)。
在高工智能汽車研究院看來,隨著近年來激光雷達(dá)核心部件供應(yīng)商逐步開始啟動產(chǎn)能釋放以及對消費(fèi)級、工業(yè)級、汽車級幾大市場的樂觀預(yù)期,未來幾年快速降本的趨勢已經(jīng)非常明確。
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