芯耀
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馬斯克的特斯拉上沒有用激光雷達(dá)，不過馬斯克的龍飛船用了，激光雷達(dá)實(shí)際與傳統(tǒng)的CMOS攝像頭沒有本質(zhì)區(qū)別，二者最大區(qū)別是傳統(tǒng)的CMOS攝像頭是2D，激光雷達(dá)是3D的，特別是Flash激光雷達(dá)，其最初名字就叫3D相機(jī)，它還有一個(gè)名字，就是ToF相機(jī)。龍飛船上用的就是Flash激光雷達(dá)。
Flash激光雷達(dá)最早追溯至1987年，美國(guó)NASA為登陸太陽(yáng)系其他行星設(shè)計(jì)的感知系統(tǒng)，由NASA資助的ASC公司負(fù)責(zé)，2006年NASA設(shè)立自動(dòng)著陸有害障礙物躲避技術(shù)即ALHAT項(xiàng)目，2010年項(xiàng)目通過驗(yàn)收，2009年ASC公司的3D相機(jī)搭載于奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)上并成功發(fā)射，2012年后搭載于龍飛船上，2016年首次龍飛船首次發(fā)射成功，沒錯(cuò)，就是特斯拉CEO馬斯克的龍飛船。ASC為龍飛船制作的3D相機(jī)名為DragonEye，2016年美國(guó)的OSIRIX-REX項(xiàng)目，即 Origins Spectral Interpretation Resource Identification SecurityRegolith Explorer（OSIRIS-REx），這個(gè)項(xiàng)目是發(fā)射一個(gè)航天器采集小行星樣本返回任務(wù)，使用的著陸艙命名為Tiger，ASC為其制作了3D相機(jī)，命名為TigerEye。
ASC稱之為FLC，即Flash Lidar Camera
圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)
TigerEye使用128*128的陣列，有效距離5厘米到1.1公里。
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2010年，ASC在IEEE上發(fā)表論文，ASC's 3D Flash LIDAR™ Camera: The Sciencebehind ASC's 3D Depth Imaging Video Camera，網(wǎng)址：https://ieeexplore.ieee.org/document/7268968。
奮進(jìn)號(hào)的3D激光雷達(dá)相機(jī)
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ASC的Flash激光雷達(dá)相機(jī)用在美軍的武裝直升機(jī)上，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)是1570納米，可穿透濃霧及沙塵，上圖就是其沙漠試驗(yàn)，美軍研發(fā)的無人直升機(jī)的關(guān)鍵元件就是Flash激光雷達(dá)相機(jī)，它將為無人直升機(jī)提供精準(zhǔn)的3D圖像做導(dǎo)航。
TigerEye是不折不扣的Flash激光雷達(dá)，與長(zhǎng)城汽車上用的IBEO的激光雷達(dá)原理上沒有區(qū)別，就連像素?cái)?shù)也很接近，不過ASC是在2008年就做出來了，當(dāng)然ASC的TigerEye價(jià)格很高，約45萬(wàn)美元，畢竟這相機(jī)要用在龍飛船上，太空環(huán)境是很惡劣的。據(jù)說ASC大約賣出了100套TigerEye，主要用于太空和軍事領(lǐng)域，由于這個(gè)市場(chǎng)太小了，ASC在2016年出售給了德國(guó)大陸汽車公司，為其開發(fā)車載的Flash激光雷達(dá)或者說車載的3D相機(jī)，ASC仍然提供太空級(jí)3D相機(jī)，有效距離目前可達(dá)6公里。
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Flash激光雷達(dá)與傳統(tǒng)CMOS相機(jī)非常相似，只不過它是發(fā)射激光，而傳統(tǒng)CMOS相機(jī)是接收自然光的反射。Flash激光雷達(dá)的發(fā)射通常是VCSEL，接收是SPAD陣列，VCSEL它是可尋址的陣列模式，易與SPAD陣列對(duì)應(yīng)。
索尼在2021年9月6日，推出車規(guī)級(jí)激光雷達(dá)用SPAD傳感器IMX459，最大探測(cè)距離300米，在300米處的距離精度仍有15厘米，IMX459有10萬(wàn)像素，而安森美的樣品目前只有4萬(wàn)，ASM的只有1萬(wàn)，目前國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)城汽車即將使用的IBEO的真固態(tài)激光雷達(dá)，其SPAD就是ASM的，像素為10240。
10萬(wàn)像素顯然太低了，佳能于2021年12月初推出了320萬(wàn)像素的SPAD傳感器，并預(yù)計(jì)2022年下半年量產(chǎn)。320萬(wàn)像素通常分辨率是2048*1560，也就是等效于傳統(tǒng)360度旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的1560線。這樣的分辨率和傳統(tǒng)相機(jī)已沒有區(qū)別。佳能在2021年初宣布的100萬(wàn)像素SPAD傳感器擁有每秒24000幀的超高幀率，目前360度旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)幀率僅為10FPS，佳能是其2400倍，是傳統(tǒng)攝像頭的800倍。
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佳能的320萬(wàn)像素SPAD傳感器，尺寸為13.2毫米長(zhǎng)，9.9毫米寬，在佳能川崎晶圓廠制造。
不僅佳能，松下，三星和索尼都在此領(lǐng)域花費(fèi)大量精力研發(fā)，目前佳能遙遙領(lǐng)先，奧地利AMS、松下、索尼和三星處于第二梯隊(duì)，第三梯隊(duì)還有東芝、豐田（電裝）、安森美、濱松、英飛凌、意法半導(dǎo)體、富士膠卷。第四梯隊(duì)則有蘋果、博通、Lumentum。 佳能的320萬(wàn)像素SPAD傳感器可以直接取代傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器，加上VCSEL，就是激光雷達(dá)，1500線的激光雷達(dá)，并且體積和成本與現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器相差不大，這樣的激光雷達(dá)看起來就是個(gè)攝像頭。
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CMOS圖像傳感器與SPAD圖像傳感器對(duì)比，CMOS圖像傳感器內(nèi)部多了兩級(jí)處理，自然光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。當(dāng)電容充滿電荷之后，光子的射入會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部激發(fā)出新的電子空穴對(duì)，與原來充電形成的電子空穴對(duì)進(jìn)行配對(duì)放電，形成光電流，光電流給右側(cè)的電容充電變成一個(gè)電壓輸出，為提高信噪比，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，然后進(jìn)入ADC變換電路，再以數(shù)字形式輸出，噪音會(huì)在模擬信號(hào)放大階段和ADC變換階段產(chǎn)生，同時(shí)模擬信號(hào)放大器有線性范圍，也就是CMOS圖像傳感器有個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。而SPAD不會(huì)有噪音，它是直接光子計(jì)數(shù)，從頭到尾都是數(shù)字信號(hào)，未有任何噪音。
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CMOS圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換效率很低，約為SPAD的百萬(wàn)分之一。所以SPAD特別適合低照度場(chǎng)合。CMOS加大感光面積也可以用于低照度場(chǎng)合，但成本也會(huì)飛漲。
目前城市里光污染嚴(yán)重，肉眼可看到的星星極限大約為四等亮星，這種情況下的環(huán)境照度大約0.01Lux，大城市里即使再黑暗，基本都有0.01lux的照度，SPAD可輕易做到0.002Lux，也就是說任何城市環(huán)境，無論多暗，SPAD都能正常工作，這也是佳能的SPAD圖像傳感器目前還是主打監(jiān)控的原因，SPAD相機(jī)可以取代NIR近紅外相機(jī)，它擁有近紅外相機(jī)的全部能力，卻沒有近紅外相機(jī)的缺點(diǎn)。
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SPAD超高的光電效率也讓其幀率可以超高，SPAD的時(shí)間精度可達(dá)100皮秒，可以做超高速相機(jī)，理論幀率可輕易做到每秒10萬(wàn)幀。
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佳能的SPAD不同于傳統(tǒng)SPAD，開口率達(dá)到100%，因此可以做到超高像素。
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SPAD另一個(gè)益處是讓點(diǎn)云處理下崗，因其可以直接輸出圖像，無需任何后端處理，SPAD就是個(gè)3D相機(jī)。SPAD有兩種輸出，一是光子計(jì)數(shù)器，二是飛行時(shí)間。SPAD因具備高靈敏度，可以檢測(cè)到單一個(gè)光子，因此可做成光子計(jì)數(shù)器，光子計(jì)數(shù)器可以直接轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度圖像，原理類似普通的數(shù)碼相機(jī)，傳統(tǒng)數(shù)碼相機(jī)上的PIN二極管檢測(cè)到自然光反射后的光線，光電變換將光強(qiáng)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，TIA放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)再經(jīng)ADC處理，最終生成圖像。
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典型SPAD D-ToF系統(tǒng)，這里只看飛行時(shí)間，SPAD陣列的每個(gè)Cell利用啟動(dòng)截至?xí)r間可以輕易得到飛行時(shí)間。再加上TDC電路就可以輸出深度圖像了。 TDC的原理這里不再贅述，簡(jiǎn)單說就是將離散的時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直方圖，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。因?yàn)橐獧z測(cè)每個(gè)像素的開關(guān)，因此最佳的做法將TDC電路與像素集成在芯片上。目前多用兩段式TDC法，單段TDC占的面積過大，會(huì)導(dǎo)致成本大增。
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一種典型的集成TDC的SPAD陣列，傳統(tǒng)激光雷達(dá)需要單獨(dú)加一片TDC芯片來處理，集成了TDC的SPAD自然不需要，直接可以輸出深度圖像。當(dāng)然集成TDC的工藝不太好掌握，成本也略高，因此有些SPAD廠家依然選擇外置TDC，不過這樣精度有所降低，功耗自然也有增加。
