TOF相機(jī)將碾壓MEMS激光雷達(dá)

TOF 相機(jī)即 Time to Flight 相機(jī)，從原理上講與 Flash 激光雷達(dá)完全一致，沒有任何區(qū)別，TOF 相機(jī)更多時候被稱為深度相機(jī)或 3D 相機(jī)。Flash 激光雷達(dá)又叫焦平面成像激光雷達(dá)。實(shí)際 TOF 相機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械掃描激光雷達(dá)也差不多，傳統(tǒng)機(jī)械掃描激光雷達(dá)是逐點(diǎn)掃描成像，而 TOF 是一次照射成像。
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TOF 相機(jī)與激光雷達(dá)的區(qū)別只是應(yīng)用范圍的差別，目前大多數(shù) TOF 相機(jī)用在手機(jī)等近距離（2 米以內(nèi)）領(lǐng)域，汽車用激光雷達(dá)則在（0.2-250 米之間）。再有就是機(jī)械掃描激光雷達(dá)是 360 度覆蓋的，TOF 相機(jī)一般水平 FOV 為 55 度。與傳統(tǒng)相機(jī)比，TOF 相機(jī)是主動發(fā)射激光，激光到達(dá)物體表面返回，被激光雷達(dá)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(biāo)之間的距離，最終形成深度圖像。傳統(tǒng)相機(jī)是自然光線到達(dá)物體表面返回到傳統(tǒng)相機(jī)傳感器里的光電二極管內(nèi)，根據(jù)反射光的強(qiáng)度最終形成圖像。

TOF 相機(jī)原理與激光雷達(dá)無絲毫區(qū)別

TOF 相機(jī)相比激光雷達(dá)優(yōu)勢非常明顯，最大的優(yōu)勢是體積和成本，TOF 相機(jī)體積可以很小，與普通相機(jī)沒有區(qū)別，TOF 相機(jī)集成度高，可以用半導(dǎo)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(jī)上的 TOF 相機(jī)一樣，不超過 30 美元。

其他優(yōu)點(diǎn)還有：刷新頻率高，線掃描激光雷達(dá)刷新頻率一般是 5-10Hz，F(xiàn)lash 激光雷達(dá)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(yùn)算單元。分辨率高，目前量產(chǎn)的 TOF 相機(jī)，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(diǎn)，而 Velodyne 的 64 線激光雷達(dá)每秒 130 萬點(diǎn)，但這是 360 度掃描的，如果只是 55 度，那么只有大約 20 萬點(diǎn)，遠(yuǎn)低于 TOF 相機(jī)，TOF 相機(jī)相當(dāng)于 960 線激光雷達(dá)。而最新的 TOF 相機(jī)已經(jīng)達(dá)到 100 萬像素，也就是大約 3168 線激光雷達(dá)。

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上圖為松下 TOF 相機(jī)的參數(shù)，松下的 TOF 相機(jī)可以輸出深度圖像、RGB 圖像和 NIR 圖像。不過有效距離應(yīng)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(dá)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(dá)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(jìn)行計數(shù)。利用 TDC（時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，一種積分成像技術(shù)，包含 TAC 和 ADC 兩步）可以直接生成 3D 數(shù)字圖像信號。缺點(diǎn)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(dá)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(xué)，2000 年成立，主要方向測繪領(lǐng)域的單光子激光雷達(dá)，2016 年才開始進(jìn)軍汽車領(lǐng)域。PrincetonLightwave 雖源自普林斯頓大學(xué)，但其技術(shù)來源是 MIT 的林肯實(shí)驗(yàn)室，全球最頂尖的單光子激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室。2014 年林肯實(shí)驗(yàn)室將單光子激光雷達(dá)技術(shù)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(dá)用在美軍下一代直升機(jī)上。
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豐田早在 2010 年就開始研發(fā)單光子激光雷達(dá)，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(guān)單光子激光雷達(dá)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(dá)。

IBEO 的固態(tài)激光雷達(dá)核心也是 VCSEL 和 SPAD。

相對微機(jī)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(dá)也有一定優(yōu)勢。

IBEO 的單光子激光雷達(dá)能輸出點(diǎn)云和反射強(qiáng)度信息，部分 Flash 可能無法輸出反射強(qiáng)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(qiáng)度信息，反射強(qiáng)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(dá)廠商 Ibeo、北京亮道正式簽署了激光雷達(dá)技術(shù)戰(zhàn)略合作協(xié)議，三方合作的產(chǎn)品基礎(chǔ)就是 ibeoNEXT Generic 4D Solid State LiDAR。
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SPAD 不僅擁有遠(yuǎn)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(dá)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(jī)械旋轉(zhuǎn)雷達(dá)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(dá)領(lǐng)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(fù)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(dǎo)致激光雷達(dá)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(qiáng)調(diào)即使 10%反射率的物體，有效距離也可以達(dá) 200 米。

關(guān)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(fù)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(dá)的 Z 軸分辨率取決于脈沖寬度，激光雷達(dá)里有個簡單的公式，激光雷達(dá)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(dá) 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(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)好于大部分激光雷達(dá)。
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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(dá)光路復(fù)雜，光束角都很大，一般是 10mrad 以上，F(xiàn)lash 型激光雷達(dá)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(dá)。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(yuǎn) 250 米，且達(dá) 100 萬像素的 TOF 圖像傳感器。標(biāo)志著單光子激光雷達(dá)最終將一統(tǒng)江湖。?

松下對傳統(tǒng)的 SPAD 進(jìn)行了改進(jìn)，從平面型改為垂直堆疊型，這來自松下早年在 CCD Image Sensor 領(lǐng)域積累的豐富經(jīng)驗(yàn)。改進(jìn)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(shù)，10 米內(nèi)是傳統(tǒng)的非直接 TOF 技術(shù)，即相位檢測，精度可達(dá)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(shù)，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(dǎo)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(dá)，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。