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馬斯克的特斯拉上沒有用激光雷達，不過馬斯克的龍飛船用了，激光雷達實際與傳統(tǒng)的CMOS 攝像頭沒有本質區(qū)別，二者最大區(qū)別是傳統(tǒng)的CMOS攝像頭是2D，激光雷達是3D的，特別是Flash激光雷達，其最初名字就叫3D相機，它還有一個名字，就是ToF相機。龍飛船上用的就是Flash激光雷達。

Flash激光雷達最早追溯至1987年，美國NASA為登陸太陽系其他行星設計的感知系統(tǒng)，由NASA資助的ASC公司負責，2006年NASA設立自動著陸有害障礙物躲避技術即ALHAT項目，2010年項目通過驗收，2009年ASC公司的3D相機搭載于奮進號航天飛機上并成功發(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，就是特斯拉CEO馬斯克的龍飛船。ASC為龍飛船制作的3D相機名為DragonEye，2016年美國的OSIRIX-REX項目，即 Origins Spectral Interpretation Resource Identification SecurityRegolith Explorer（OSIRIS-REx），這個項目是發(fā)射一個航天器采集小行星樣本返回任務，使用的著陸艙命名為Tiger，ASC為其制作了3D相機，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。

奮進號的3D激光雷達相機

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ASC的Flash激光雷達相機用在美軍的武裝直升機上，因為波長是1570納米，可穿透濃霧及沙塵，上圖就是其沙漠試驗，美軍研發(fā)的無人直升機的關鍵元件就是Flash激光雷達相機，它將為無人直升機提供精準的3D圖像做導航。

TigerEye是不折不扣的Flash激光雷達，與長城汽車上用的IBEO的激光雷達原理上沒有區(qū)別，就連像素數(shù)也很接近，不過ASC是在2008年就做出來了，當然ASC的TigerEye價格很高，約45萬美元，畢竟這相機要用在龍飛船上，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域，由于這個市場太小了，ASC在2016年出售給了德國大陸汽車公司，為其開發(fā)車載的Flash激光雷達或者說車載的3D相機，ASC仍然提供太空級3D相機，有效距離目前可達6公里。

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Flash激光雷達與傳統(tǒng)CMOS相機非常相似，只不過它是發(fā)射激光，而傳統(tǒng)CMOS相機是接收自然光的反射。Flash激光雷達的發(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陣列對應。

索尼在2021年9月6日，推出車規(guī)級激光雷達用SPAD傳感器IMX459，最大探測距離300米，在300米處的距離精度仍有15厘米，IMX459有10萬像素，而安森美的樣品目前只有4萬，ASM的只有1萬，目前國產(chǎn)長城汽車即將使用的IBEO的真固態(tài)激光雷達，其SPAD就是ASM的，像素為10240。

10萬像素顯然太低了，佳能于2021年12月初推出了320萬像素的SPAD傳感器，并預計2022年下半年量產(chǎn)。320萬像素通常分辨率是2048*1560，也就是等效于傳統(tǒng)360度旋轉式激光雷達的1560線。這樣的分辨率和傳統(tǒng)相機已沒有區(qū)別。佳能在2021年初宣布的100萬像素SPAD傳感器擁有每秒24000幀的超高幀率，目前360度旋轉激光雷達幀率僅為10FPS，佳能是其2400倍，是傳統(tǒng)攝像頭的800倍。

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佳能的320萬像素SPAD傳感器，尺寸為13.2毫米長，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域花費大量精力研發(fā)，目前佳能遙遙領先，奧地利AMS、松下、索尼和三星處于第二梯隊，第三梯隊還有東芝、豐田（電裝）、安森美、濱松、英飛凌、意法半導體、富士膠卷。第四梯隊則有蘋果、博通、Lumentum。佳能的320萬像素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，1500線的激光雷達，并且體積和成本與現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器相差不大，這樣的激光雷達看起來就是個攝像頭。

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CMOS圖像傳感器與SPAD圖像傳感器對比，CMOS圖像傳感器內(nèi)部多了兩級處理，自然光照射像素陣列，發(fā)生光電效應，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應的電荷。當電容充滿電荷之后，光子的射入會導致內(nèi)部激發(fā)出新的電子空穴對，與原來充電形成的電子空穴對進行配對放電，形成光電流，光電流給右側的電容充電變成一個電壓輸出，為提高信噪比，對模擬信號進行放大，然后進入ADC變換電路，再以數(shù)字形式輸出，噪音會在模擬信號放大階段和ADC變換階段產(chǎn)生，同時模擬信號放大器有線性范圍，也就是CMOS圖像傳感器有個動態(tài)范圍。而SPAD不會有噪音，它是直接光子計數(shù)，從頭到尾都是數(shù)字信號，未有任何噪音。

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CMOS圖像傳感器的光電轉換效率很低，約為SPAD的百萬分之一。所以SPAD特別適合低照度場合。CMOS加大感光面積也可以用于低照度場合，但成本也會飛漲。

目前城市里光污染嚴重，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相機可以取代NIR近紅外相機，它擁有近紅外相機的全部能力，卻沒有近紅外相機的缺點。

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SPAD超高的光電效率也讓其幀率可以超高，SPAD的時間精度可達100皮秒，可以做超高速相機，理論幀率可輕易做到每秒10萬幀。

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佳能的SPAD不同于傳統(tǒng)SPAD，開口率達到100%，因此可以做到超高像素。

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SPAD另一個益處是讓點云處理下崗，因其可以直接輸出圖像，無需任何后端處理，SPAD就是個3D相機。SPAD有兩種輸出，一是光子計數(shù)器，二是飛行時間。SPAD因具備高靈敏度，可以檢測到單一個光子，因此可做成光子計數(shù)器，光子計數(shù)器可以直接轉換為強度圖像，原理類似普通的數(shù)碼相機，傳統(tǒng)數(shù)碼相機上的PIN二極管檢測到自然光反射后的光線，光電變換將光強變?yōu)殡娏餍盘?，TIA放大器將電流信號轉換為電壓信號，電壓信號再經(jīng)ADC處理，最終生成圖像。

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典型SPAD D-ToF系統(tǒng)，這里只看飛行時間，SPAD陣列的每個Cell利用啟動截至時間可以輕易得到飛行時間。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，簡單說就是將離散的時間數(shù)據(jù)轉換為直方圖，再轉換為數(shù)字圖像。因為要檢測每個像素的開關，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，會導致成本大增。