TOF相機將碾壓MEMS激光雷達

TOF 相機即 Time to Flight 相機，從原理上講與 Flash 激光雷達完全一致，沒有任何區(qū)別，TOF 相機更多時候被稱為深度相機或 3D 相機。Flash 激光雷達又叫焦平面成像激光雷達。實際 TOF 相機與傳統(tǒng)機械掃描激光雷達也差不多，傳統(tǒng)機械掃描激光雷達是逐點掃描成像，而 TOF 是一次照射成像。
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TOF 相機與激光雷達的區(qū)別只是應用范圍的差別，目前大多數(shù) TOF 相機用在手機等近距離（2 米以內(nèi)）領域，汽車用激光雷達則在（0.2-250 米之間）。再有就是機械掃描激光雷達是 360 度覆蓋的，TOF 相機一般水平 FOV 為 55 度。與傳統(tǒng)相機比，TOF 相機是主動發(fā)射激光，激光到達物體表面返回，被激光雷達的光電接收二極管接收到。根據(jù)光速或相位計算光源與目標之間的距離，最終形成深度圖像。傳統(tǒng)相機是自然光線到達物體表面返回到傳統(tǒng)相機傳感器里的光電二極管內(nèi)，根據(jù)反射光的強度最終形成圖像。

TOF 相機原理與激光雷達無絲毫區(qū)別

TOF 相機相比激光雷達優(yōu)勢非常明顯，最大的優(yōu)勢是體積和成本，TOF 相機體積可以很小，與普通相機沒有區(qū)別，TOF 相機集成度高，可以用半導體工藝制造，在芯片上集成圖像傳感器陣列（Image Sensor Array）、讀出電路（Read-Out）和鏡頭。再配合 VCSEL 發(fā)射激光，整套系統(tǒng)理論成本和手機上的 TOF 相機一樣，不超過 30 美元。

其他優(yōu)點還有：刷新頻率高，線掃描激光雷達刷新頻率一般是 5-10Hz，F(xiàn)lash 激光雷達可以輕易做到 KHz。讀出電路簡單（就是一個積分電路可集成在傳感器新品內(nèi)），算力需求極低，無需昂貴的 GPU 或 FPGA 做運算單元。分辨率高，目前量產(chǎn)的 TOF 相機，如松下的像素為 640*480，水平 FOV 為 55 度，垂直 FOV 為 41 度，10Hz 的話也就是每秒 300 萬點，而 Velodyne 的 64 線激光雷達每秒 130 萬點，但這是 360 度掃描的，如果只是 55 度，那么只有大約 20 萬點，遠低于 TOF 相機，TOF 相機相當于 960 線激光雷達。而最新的 TOF 相機已經(jīng)達到 100 萬像素，也就是大約 3168 線激光雷達。

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上圖為松下 TOF 相機的參數(shù)，松下的 TOF 相機可以輸出深度圖像、RGB 圖像和 NIR 圖像。不過有效距離應該不超過 4.5 米。
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傳統(tǒng)解決有效距離的方法是使用單光子接收光電二極管，傳統(tǒng)激光雷達接收光電二極管是 APD。APD 即雪崩二極管有兩種工作模式，一種是雪崩模式，或者叫線性模式，另一種叫蓋革模式，也就是單光子探測模式（Single Photon Diode SPD）。在蓋革模式下，雪崩二極管接收到一個光子的話,就會發(fā)生雪崩現(xiàn)象，使電流達到最大值，這個過程一般是瞬態(tài)的(一般不到 1ps)，這樣就可以在極短的時間內(nèi)對光子進行計數(shù)。利用 TDC（時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，一種積分成像技術，包含 TAC 和 ADC 兩步）可以直接生成 3D 數(shù)字圖像信號。缺點是高功率的 SPAD 一般需要用 1550 納米的 InGaAs/InP 工藝的 APD，而這種 APD 成本比較高。不過擁躉依然不少，典型代表是德國大陸汽車、IBEO ZF、Ouster、Argo 和豐田。
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2016 年 9 月，前 Google 員工 Salesky 和前 Uber 員工 Peter Rander 聯(lián)合創(chuàng)辦了 Argo AI。2017 年 2 月，福特公司 10 億美元注資 Argo AI。Argo 得到福特資金支持后，立刻展開收購，2017 年 10 月，ArgoAI 收購了激光雷達初創(chuàng)公司 Princeton Lightwave，具體交易額不詳，估計在 1 億美元上下。PrincetonLightwave 源自知名的普林斯頓大學，2000 年成立，主要方向測繪領域的單光子激光雷達，2016 年才開始進軍汽車領域。PrincetonLightwave 雖源自普林斯頓大學，但其技術來源是 MIT 的林肯實驗室，全球最頂尖的單光子激光雷達實驗室。2014 年林肯實驗室將單光子激光雷達技術授權(quán)給兩家公司，一家是波音旗下的 Spectrolab，另一家就是 Princeton Lightwave。波音 - 西科斯基將單光子激光雷達用在美軍下一代直升機上。
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豐田早在 2010 年就開始研發(fā)單光子激光雷達，2014 年和 2015 年均有產(chǎn)品問世。

盡管在 2017 年豐田 TRI 投資了 Luminar，但這并不意味著豐田放棄了單光子，在 2017 年底，豐田中央研究院發(fā)表了有關單光子激光雷達的論文 SPAD DCNN: Localization with Small Imaging LIDAR andDCNN，文中低調(diào)地提到了豐田的第三代單光子激光雷達。

IBEO 的固態(tài)激光雷達核心也是 VCSEL 和 SPAD。

相對微機械和 MEMS，IBEO 的可靠性和靈活性要高得多，相對無法掃描的 Flash 激光雷達也有一定優(yōu)勢。

IBEO 的單光子激光雷達能輸出點云和反射強度信息，部分 Flash 可能無法輸出反射強度信息。

IBEO 稱之為 ibeoNEXT Generic 4D Solid State LiDAR。水平 FOV 可選擇 11.2 度、60 度和 120 度。稱之 4D 是反射強度信息，反射強度信息近似于傳統(tǒng)攝像頭的灰度圖像，可以用傳統(tǒng)的圖像識別算法分類。
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2019 年 8 月 27 日，WEY 品牌母公司長城汽車與激光雷達廠商 Ibeo、北京亮道正式簽署了激光雷達技術戰(zhàn)略合作協(xié)議，三方合作的產(chǎn)品基礎就是 ibeoNEXT Generic 4D Solid State LiDAR。
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SPAD 不僅擁有遠距離，還擁有高信噪比、高人眼安全和高分辨率優(yōu)勢。對于傳感器來說，信噪比是最重要的參數(shù)之一。非相干激光雷達的信噪比 SNR 方程可以表示為：

從上面公式可以看出，要提高信噪比，最簡單有效的方法是提高接收信號光功率和量子效率。單光子或者說蓋革模式下的的 APD 其量子效率是機械旋轉(zhuǎn)雷達用的硅 PIN 二極管的數(shù)百乃至上千倍。

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要提升功率，就不得不考慮人眼安全，對于常用的 905 納米來說是不合適的，只有 1550 納米的 InGaAs，和 905 納米的硅光電探測器相比，要安全上千倍，，可以毫無顧慮地加大激光器的功率。固態(tài)激光雷達領域知名的 Luminar 就是以使用 1550 納米的 InGaAs 為特色的，其使用的激光器的功率是傳統(tǒng)硅光電系統(tǒng)的 40 倍，不僅提高信噪比，減小脈沖寬度至 20 納秒以下，脈沖重復頻率低于 100MHz，占空比低于 1%。同時提升了有效距離，在雨雪霧天，物體的反射率會降低，導致激光雷達有效距離縮短，不過加大功率，就可以解決這個問題，Luminar 就是這么做的，Luminar 強調(diào)即使 10%反射率的物體，有效距離也可以達 200 米。

關于激光功率的放大，Luminar 申請了專利。其專利是用二級大模場摻鉺光纖（EDFA）放大器將一個種子源激光調(diào)制為一個脈沖寬度至 20 納秒以下，脈沖重復頻率低于 100MHz，占空比低于 1%的脈沖激光系統(tǒng)。Luminar 的專利核心一個是種子源激光，另一個是摻餌光纖放大器。
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激光雷達的 Z 軸分辨率取決于脈沖寬度，激光雷達里有個簡單的公式，激光雷達的 Z 軸分辨率是脈沖寬度的 1/6，10 納秒的脈沖寬度分辨率大約就是 1.6 米。Velodyne 的 64 線激光雷達 HDL-64E 早期的脈沖寬度是 10 納秒，據(jù)說改為雙反射后提高到 5 納秒。大部分固態(tài)激光雷達一般是 50-150 納秒，單光子可以輕易做到 1 納秒甚至是幾十皮秒。遠遠好于大部分激光雷達。
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再來說光束角，光束角也在一定程度上決定有效距離，使用 MEMS 的激光雷達光路復雜，光束角都很大，一般是 10mrad 以上，F(xiàn)lash 型激光雷達一次成像，光路簡單，光束角比較小，可以做到 1mrad，單光子也是一種 Flash 型激光雷達。Velodyne HDL-64 的光束角為 8mrad。

2020 年 2 月，松下在國際固態(tài)電路 Solid-State Circuits Conference 宣布開發(fā)了有效距離 100 米最遠 250 米，且達 100 萬像素的 TOF 圖像傳感器。標志著單光子激光雷達最終將一統(tǒng)江湖。?

松下對傳統(tǒng)的 SPAD 進行了改進，從平面型改為垂直堆疊型，這來自松下早年在 CCD Image Sensor 領域積累的豐富經(jīng)驗。改進后每個像素元的尺寸大大縮小，意味著像素可以更高。

為提高精度各距離范圍內(nèi)采用不同的技術，10 米內(nèi)是傳統(tǒng)的非直接 TOF 技術，即相位檢測，精度可達毫米級。10 米到 100 米內(nèi)采用光子累加和時域非直接 TOF 技術，精度為厘米級。超過 100 米采用直接 DOF，精度為 1.5 米。不僅是松下，三星、索尼、意法半導體、Omnivision、還有收購了愛爾蘭 Sensl 的安森美都在開發(fā)類似的 TOF 圖像傳感器。

三星 TOF 圖像傳感器芯片截面分析

這種傳感器一旦量產(chǎn)，將碾壓現(xiàn)有任何非 360 度旋轉(zhuǎn)型激光雷達，無論功耗、刷新率、成本、性能、體積、車規(guī)，都具備壓倒性的優(yōu)勢。