据外媒报道，日前，索尼宣布开发出一款堆叠式直接飞行时间（dToF）深度传感器，采用单光子雪崩二极管（SPAD）像素，适用于汽车激光雷达。

（图片来源：索尼）

除了摄像头和毫米波雷达等传感设备外，激光雷达作为高精度检测和识别道路状况以及车辆和行人等物体的位置和形状的一种方法，变得越来越重要。ADAS的普及和自动驾驶技术需求推动了这一趋势。

SPAD是一种像素结构，可利用雪崩倍增技术，将单个入射光子的电子放大，从而形成雪崩式叠加，即使是微弱的光线也能检测到。dToF传感器根据光源发射的光被物体反射后返回到传感器的飞行时间（时间差），来测量与物体之间的距离，将SPAD用作dToF传感器中的探测器，可实现远距离、高精度的距离测量。

索尼利用在CMOS图像传感器开发过程中积累的背照式像素结构、堆叠结构、Cu-Cu连接等技术，在单个芯片上实现SPAD像素和测距处理电路，开发出一款紧凑的高分辨率传感器，能以15厘米的距离分辨率实现高精度、高速度的测量，测距可达300米。这项新技术还有助于实现各种温度和天气等恶劣条件下的检测和识别，提高激光雷达的可靠性，这对于汽车设备而言至关重要。同时，单芯片结构还有助于降低激光雷达的成本。此外，索尼还开发了配备该项新技术的MEMS（微电子机械系统）激光雷达系统，以用于评估。目前，索尼已向客户和合作伙伴提供该系统。

SPAD像素原理

在dToF深度/距离传感器中，SPAD能够检测单个光子。将击穿电压施加到SPAD像素的电极上，并让大于击穿电压的超额偏压 （VEX）中的光子进入，雪崩倍增效应会放大光电转换中产生的电子。当电极间的电压降至击穿电压值时，雪崩倍增会停止。当雪崩倍增产生的电子被放电，并回到击穿电压后（淬灭作用），电极间的电压再次被设定为超额偏压，以便能够检测到下一个光子（再充电作用）。这种由光子的到达而触发的电子倍增作用被称为盖革模式（Geiger mode）。

主要特点

1. 高精度测量，15厘米距离分辨率，测距可达300米

新技术采用背照式SPAD像素结构，利用Cu-Cu连接方式，在像素芯片（顶部）和配备测距处理器电路的逻辑芯片（底部）之间实现各像素的导通。此种方式可将除光整合像素以外的所有电路都放在底部，从而实现高开口率和22%的高光子检测效率。即使是小型芯片，也能在像素大小为10 μm的情况下，实现约11万有效像素（189×600像素）的高分辨率。这就可以以15厘米为单位间隔进行高精度测量，测距最远可达300米，从而有助于提高激光雷达的检测和识别性能。

2. 使用索尼独创的时间数字转换器（TDC）和无源淬灭/充电电路，实现高速响应

索尼开发了时间数字转换器（TDC）和无源淬灭/充电电路，可将检测到的光子飞行时间转换为数字值，并将其与每个像素的Cu-Cu连接在一起，使每个光子在正常情况下的响应速度提高至6纳秒。高速测距处理通过实时检测和识别周围的情况，从而提升驾驶安全。

3. 恶劣条件下稳定的光子检测效率和响应速度

索尼独创的SPAD像素结构，即使在-40℃至125℃的恶劣条件下，也能实现稳定的光子探测效率和响应速度，有助于提高激光雷达的可靠性。