全自動駕駛汽車的引進已經(jīng)慢到了爬行的地步。盡管如此，后視攝像頭和自動泊車系統(tǒng)等技術(shù)的引入，正幫助汽車行業(yè)朝著4級自動駕駛方向不斷進步，同時也提升了駕駛員輔助功能。

為此，東芝公司開發(fā)了一種緊湊、高效的硅光倍增器（silicon photo-multiplier，SiPM），使非同軸激光雷達能夠使用現(xiàn)成的相機鏡頭，從而降低成本，并有助于實現(xiàn)固態(tài)、高分辨率的激光雷達。

汽車激光雷達（光探測和測距）通常使用旋轉(zhuǎn)激光360度掃描車輛環(huán)境，方法是將激光脈沖從周圍物體上反射回來，并測量反射光的返回時間來計算它們的距離和形狀。生成的point-cloud地圖可與靜止圖像、雷達數(shù)據(jù)和GPS結(jié)合使用，以創(chuàng)建車輛行駛區(qū)域的虛擬3D地圖。

然而，高端的激光雷達系統(tǒng)可能很貴，盡管也有便宜的版本，但價格通常在80000美元以上。目前這一領(lǐng)域的領(lǐng)導者是Velodyne，它的激光器安裝在車頂?shù)乃苌弦?a href="http://m.greenbey.cn/v/tag/1472/" target="_blank">機械方式旋轉(zhuǎn)。

Illustration: ToshibaA large number of smaller SiPMs are integrated to create a dense 2D array for high sensitivity scanning, while dual data converters employing combined ADC and TDC circuitry are shrunk in order to deal with increased data load on a smaller device.

具體如何實現(xiàn)呢？

一般來講，SiPM具有很高的光敏性，因此適于遠距離探測。然而，由SiPM組成的光接收電池在被觸發(fā)后需要一定的恢復時間。

另外在強環(huán)境光條件下也需要大量的光接收電池，這是因為它們必須具有備用單元才能及時對反射的激光做出響應(yīng)。

而東芝SiPM，就是采用單光子雪崩二極管（SPAD）技術(shù)的固態(tài)光傳感器。它包含多個SPAD，每個SPAD由一個淬滅電路（AQC）控制。當SPAD檢測到光子時，SPAD陰極電壓會降低，但AQC會重置并將SPAD電壓重新啟動到初始值。

“典型的SiPM恢復時間是10到20納秒，”東芝技術(shù)項目負責人Tuan Thanh Ta說?！巴ㄟ^使用這種強制或主動淬火方法，我們的速度提高了2到4倍?！?/p>

這樣光接收電池工作效率更高，就意味著所需的電池數(shù)量更少，從以往的48個減少到只有2個，從而生產(chǎn)出尺寸僅為「25μm×90μm」的設(shè)備。這個尺寸要小得多，這些傳感器的小尺寸使東芝能夠創(chuàng)建一個高靈敏度的密集二維陣列，這是遠程掃描所必需的。

該公司表示：這樣比比尺寸為100μm×100μm的標準設(shè)備小得多。這些傳感器的小尺寸使得東芝能夠創(chuàng)建一個密集的二維陣列，以實現(xiàn)高靈敏度，這是遠距離掃描的必要條件。

不同于同軸激光雷達系統(tǒng)中使用的一維光子接收器，東芝創(chuàng)建的二維陣列，其二維長寬比與商業(yè)相機中使用的光傳感器一致。

這就意味著，可以利用現(xiàn)成的普通相機鏡頭來降低成本，而不是像同軸激光雷達系統(tǒng)那樣，使用一個昂貴的定制鏡頭來傳輸。

此外，還需要大型多個讀出電路通道來讀取高分辨率數(shù)據(jù)，其中包括用于長距離掃描的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）和用于短距離的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）。

東芝通過在單個電路中同時實現(xiàn)ADC和TDC功能來克服了這個問題，與傳統(tǒng)的雙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器芯片相比，其尺寸減小了80％（減小到50μmx60μm）。

Tuan Thanh Ta表示，東芝這款激光雷達，最大有效探測距離可達200米，達到了自動駕駛L4技術(shù)標準，是目前市場上固態(tài)激光雷達探測能力的4倍。

澳大利亞昆士蘭理工大學機器人中心的跨學科研究者兼副主任Michael Milford表示：“探測范圍等因素很重要，尤其是在高速公路等高速環(huán)境中。因此，可以看出，這些（東芝的試驗結(jié)果）在商業(yè)關(guān)聯(lián)性方面非常重要的屬性?！?/p>

Illustration: ToshibaNon-coaxial Lidar uses separate optical paths for sending and receiving light source, enabling a commercial lens to be used with a 2D sensor

由于東芝公司的SiPM采用的是二維陣列，與同軸激光雷達系統(tǒng)中使用的一維光子接收器不同，Ta指出，它的2D寬高比與商用相機中使用的光傳感器相當。因此，現(xiàn)成的標準，長焦和廣角鏡頭可以用于特定的應(yīng)用，有助于進一步降低成本。

相比之下，同軸激光雷達使用相同的光路來發(fā)送和接收光源，因此需要一個昂貴的定制透鏡來傳輸和收集接收到的光并將其發(fā)送到1D光子接收器，Ta解釋道。

但正如Milford所指出的，“如果4級以上的道路自動駕駛成為現(xiàn)實，我們就不太可能有廣泛的解決方案和傳感器配置。因此，（東芝傳感器）的這種靈活性可能更適用于其他領(lǐng)域，如無人機和越野自動駕駛車輛，因為這些領(lǐng)域的可變性更大，使用現(xiàn)有硬件更為重要。”

目前，東芝仍在致力于提升其SiPM性能，計劃將于2022財年引入實際應(yīng)用。東芝高級研究科學家Akihide Sai如此表示，他負責監(jiān)督SiPM項目。盡管他拒絕回答東芝是與汽車制造商合作，還是將生產(chǎn)自己的固態(tài)激光雷達系統(tǒng)，但他表示，東芝將向其他公司提供SiPM設(shè)備。

他補充道，“我們還看到它被用于無人機的自動導航和用于基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控的機器人，以及工廠自動化應(yīng)用中?！?/p>

但QUT的Milford指出了這一點?！白灾髌嚰夹g(shù)和傳感技術(shù)的許多進步，特別是在成本、體積和功率使用方面，只有在4級以上駕駛的總體挑戰(zhàn)得到解決時，才會變得最相關(guān)。它們本身并不是促成這種情況發(fā)生的關(guān)鍵缺失部分?！?/p>