索尼造車(chē)的秘密武器，藏在這顆傳感器里

作者 |  James
編輯 |  曉寒索尼真要造車(chē)了？在CES 2022發(fā)布會(huì )末尾，索尼一口氣展出了兩款概念車(chē)。索尼CEO吉田憲一郎還表示會(huì )在2022年春季成立索尼出行公司（Sony Mobility），專(zhuān)注于“探索電動(dòng)汽車(chē)業(yè)務(wù)的商業(yè)化”。這些表現預示著(zhù)，索尼的汽車(chē)業(yè)務(wù)已是箭在弦上。

作為全球消費電子和娛樂(lè )領(lǐng)域巨頭，索尼的影響力和地位有目共睹。但一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，索尼造車(chē)的底氣究竟在哪？答案是傳感器。早在2021年CES期間，索尼談到Vision-S時(shí)就表示，希望通過(guò)自身的CMOS傳感器、固態(tài)激光雷達、傳感器融合等成像、感知技術(shù)為消費者帶來(lái)安全、可靠、舒適的出行體驗。2021年CES展出的Vision-S上有33個(gè)傳感器，其中大部分是索尼自研或使用了索尼的技術(shù)。今年CES上，傳感器數量升級到了40個(gè)。這其中有一顆名為IMX459的SPAD（單光子雪崩二極管）激光雷達傳感器（激光接收芯片）。依托索尼的雙層圖像傳感器堆疊技術(shù)，激光雷達企業(yè)可以基于IMX459造出等效線(xiàn)數上千的超高清雷達，讓汽車(chē)看得更遠、更清楚（300米的感知精度為15cm），并且還能以更快的速度計算出距離信息，生成3D點(diǎn)云圖像。

近幾年，激光雷達行業(yè)技術(shù)革新很快、雙棱鏡、MEMS、OPA、Flash、FMCW等各種技術(shù)路線(xiàn)不斷涌現，新產(chǎn)品層出不窮，但很多都還是圍繞光路設計做優(yōu)化——沒(méi)有從本質(zhì)上進(jìn)行升級。索尼的IMX459顯然就突破了現在的創(chuàng )新困境，從最底層的激光接收和信號處理層面進(jìn)行徹底改變，為激光雷達行業(yè)發(fā)展提供了新的基礎。IMX459只是索尼概念車(chē)上的1/40，如果其它39個(gè)傳感器也擁有類(lèi)似的底層創(chuàng )新，再加上索尼在感知和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的投資布局，“****”想造出來(lái)一臺智能電動(dòng)汽車(chē)根本不是問(wèn)題。可以說(shuō)，看懂了IMX459，你就看懂了索尼造車(chē)的底氣。
采用SPAD技術(shù) 打造11萬(wàn)像素激光傳感器

激光雷達即將迎來(lái)大規模量產(chǎn)上車(chē)之時(shí)，索尼公布了首顆車(chē)規級激光雷達接收傳感器IMX459。這顆傳感器最亮眼之處有兩點(diǎn)，其一是采用對光感知更敏感的SPAD（單光子雪崩二極管）技術(shù)，其二是這顆傳感器的像素數量達到了11萬(wàn)，這是當前量產(chǎn)產(chǎn)品難以比擬的。從結構上看，這顆激光雷達接收傳感器共有兩層，上層采用了SPAD（單光子雪崩二極管）技術(shù)，用于感知反射進(jìn)傳感器的激光；下層則是邏輯芯片，使用直接飛行時(shí)間（D-ToF）技術(shù)，就能實(shí)現測距。在性能上，索尼在1/2.9英寸的傳感器面積下放進(jìn)了11萬(wàn)個(gè)SPAD像素，其分辨率為189x600，呈現出一個(gè)矩形區域。而每一個(gè)SPAD像素的尺寸僅為10微米x10微米。

說(shuō)到索尼IMX459的王牌，就是那11萬(wàn)像素的SPAD傳感器，它相較于傳統激光雷達傳感器共有兩大優(yōu)勢。其一是感光能力更強，也就是在使用相同激光****端的情況下，SPAD傳感器能感知到更微弱的光，感知距離更遠；其二是計算距離的延遲更低，索尼做到了6納秒。要理解SPAD感光的邏輯，不得不提到照相機。數碼照相機CMOS上的一個(gè)個(gè)像素，通過(guò)接收大量光子，感知到光線(xiàn)強度，通過(guò)控制光子進(jìn)入的數量，最終實(shí)現正確的曝光并成像。激光雷達傳感器的感光元件和數碼相機近似，每一個(gè)像素點(diǎn)需要進(jìn)入特定波長(cháng)的大量光子，才能形成激光雷達圖像，然后通過(guò)一顆計算芯片算出感知距離。無(wú)論是數碼照相機還是激光雷達傳感器，進(jìn)光量都是“底大一級壓死人”，但車(chē)用激光雷達無(wú)論是成本還是體積都非常受限，一味比誰(shuí)底大并不是最優(yōu)的解決方案。而SPAD方案的興起，讓傳感器廠(chǎng)商找到了進(jìn)光量不足的另一路徑。如果進(jìn)光量不足，加上有干擾光線(xiàn)進(jìn)入，激光雷達傳感器所成的像就會(huì )出現噪點(diǎn)。對于人類(lèi)而言，一張照片中出現噪點(diǎn)，能通過(guò)智慧將噪點(diǎn)內容“腦補”齊全。因此為激光雷達傳感器單獨配備一顆AI芯片，用于噪點(diǎn)、干擾光線(xiàn)處理就是路徑之一。不過(guò)，每經(jīng)過(guò)一次處理，都會(huì )產(chǎn)生一定時(shí)延，如果低時(shí)延的優(yōu)勢被慢慢磨去，自動(dòng)駕駛的安全性就會(huì )降低。加入AI芯片做信號預處理雖然簡(jiǎn)單，但實(shí)際表現可能并不完美。因此，如果能用微弱的進(jìn)光量“代表”其他光成像，不但能實(shí)現更低的延遲，而且通過(guò)成像能得到噪點(diǎn)更少的點(diǎn)云圖。韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）新一代半導體研究所所長(cháng)張畯然在一篇文章中闡述了SPAD傳感器的工作原理。

“當在SPAD上施加比擊穿電壓（breakdown voltage）更高的電壓時(shí)，會(huì )發(fā)生碰撞電離現象（Impact Ionization），巨大的電場(chǎng)（electric field）使載流子（carrier）加速運動(dòng)并與原子碰撞，從而使原子中釋放的自由載流子數量急速增多。這種現象被稱(chēng)為雪崩倍增（Avalanche Multiplication），會(huì )導致圖像傳感器點(diǎn)亮的光子產(chǎn)生大量自由載流子?！彼麑?xiě)道。這就意味著(zhù)即便激光****單元****的激光僅有少量反射回來(lái)，通過(guò)雪崩倍增現象傳感器仍舊能夠將光子大量增加，并且識別為大量的光子。這就意味著(zhù)，SPAD傳感器具有非常高的信噪比。同時(shí)，SPAD在接收的光子數量極少的情況下就能完成成像，因此其“快門(mén)速度”可以做到非常短，提升感知幀率。

雙層芯片架構 響應速度遠超現有產(chǎn)品

索尼除了將SPAD技術(shù)逐步推向量產(chǎn)之外，也使用了已經(jīng)打磨多年的一項技術(shù)——雙層圖像傳感器堆疊，這項技術(shù)能夠讓感知響應速度更快。在去年2月的一次演講中，索尼半導體公司高級經(jīng)理Oichi Kumagai對SPAD激光雷達傳感器的技術(shù)路線(xiàn)進(jìn)行了詳細介紹。

其中，邏輯電路放置在芯片底部，每一個(gè)像素尺寸為10微米*10微米。傳感器表面并非完全平整，索尼將每一個(gè)像素點(diǎn)做成了一個(gè)凸透鏡，從而能夠實(shí)現更高的光折射率，提升激光的吸收效果。根據索尼的測試，這一激光雷達傳感器在使用905nm波長(cháng)的激光光源時(shí)，光子檢測效率能達到24%。

此外，由于每一個(gè)SPAD像素都能與下方邏輯電路通過(guò)銅-銅（Cu-Cu）組件連接起來(lái)，因此只要光子進(jìn)入SPAD，就能經(jīng)過(guò)雪崩進(jìn)入邏輯電路。從感知到光子，到完成數字信號轉換，整個(gè)過(guò)程只需要6納秒，這一表現非常出色。索尼開(kāi)發(fā)了數字時(shí)間轉換器（TDC），直接能夠將光子飛行時(shí)間轉換為數值，不需要二次計算。

國內MEMS激光雷達廠(chǎng)商一徑科技的一位產(chǎn)品經(jīng)理談到，現在市面上其他技術(shù)路線(xiàn)的激光雷達接收傳感器的延遲已經(jīng)能做到比較低，從感知到生成深度數據，基本需要百納秒到幾微秒之間。然而，索尼的IMX459則是更進(jìn)一步，相比此前最優(yōu)秀的產(chǎn)品，也有大幅提升。IMX459采用直接飛行時(shí)間（D-ToF）的方式測距，張畯然在其文章中說(shuō)道，當光子進(jìn)入時(shí)，SPAD陣列會(huì )****數字脈沖（Digital Pulse），因此更容易跟蹤光飛時(shí)間。不僅如此，SPAD還能捕捉精確的時(shí)差，因此具有精確的深度分辨率（depth resolution），精確程度甚至可以達到毫米級別。

然而，采用D-ToF方式測距帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題，那就是感知距離短。例如，近兩年在iPhone和iPad上采用的激光雷達，就采用D-ToF方式測距，其感知距離大概僅有5米。對一款移動(dòng)設備來(lái)說(shuō)，5米的感知距離絕對夠用，但對自動(dòng)駕駛來(lái)說(shuō)5米不可用。SPAD技術(shù)再一次體現了它的優(yōu)勢，在同樣的激光****功率下，SPAD傳感器僅需微弱的光，也能完成成像，并且其效率不輸傳統傳感器硬件。

索尼還公布了其產(chǎn)品在不同溫度環(huán)境下的性能，其中光子探測效率在-40攝氏度時(shí)為14%，隨著(zhù)溫度增加探測效率不斷上升，超過(guò)50攝氏度后能達到20%以上，當溫度達到125攝氏度時(shí)，探測效率有所下降。響應時(shí)間上的表現更出色，當在-25攝氏度時(shí)，響應時(shí)間為7納秒，為最慢響應時(shí)間，其他溫度條件下的響應時(shí)間還要更快。
上千線(xiàn)激光雷達不是夢(mèng) 行業(yè)已有先行者

對于激光雷達行業(yè)來(lái)說(shuō)，SPAD技術(shù)可以說(shuō)是革命性的。主要體現在兩點(diǎn)，第一是激光雷達等效線(xiàn)數能夠實(shí)現大幅度提升，第二是點(diǎn)云處理的步驟可以逐漸淡化。目前，業(yè)內主流傳感器方案是APD（雪崩光電二極管），隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展，SiPM（硅光電倍增管）和SPAD正在進(jìn)入激光雷達領(lǐng)域。

在相機行業(yè)中，佳能已經(jīng)能做到100萬(wàn)像素的SPAD傳感器，并且利用SPAD響應更快的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現精準的距離測量。未來(lái)，激光雷達接收傳感器能夠像相機一樣，實(shí)現“像素”數量不斷增加。一旦像素數量倍增，激光****端可以做更高的線(xiàn)數，從而實(shí)現更精準的深度信息感知

這樣的提升將是APD、SiPM等技術(shù)路線(xiàn)難以匹敵的。激光雷達還有一大難點(diǎn)就是點(diǎn)云處理，傳統點(diǎn)云處理需要一顆芯片實(shí)時(shí)處理計算。隨著(zhù)線(xiàn)數、頻率、角分辨率的提升，計算設備所需算力越來(lái)越大，此時(shí)還想保證低延遲輸出，并且和視覺(jué)傳感器融合就會(huì )愈加困難。然而，SPAD傳感器能夠直接輸出光子計數，并且輸出飛行時(shí)間，能夠輕松輸出深度圖像。正因為這兩點(diǎn)原因，索尼等SPAD傳感器供應商如果能實(shí)現高像素SPAD傳感器量產(chǎn)，就能夠改變整個(gè)行業(yè)。實(shí)際上，索尼并非業(yè)內首家使用SPAD技術(shù)的傳感器廠(chǎng)商。已經(jīng)實(shí)現量產(chǎn)，明年即將上車(chē)的ibeoNEXT激光雷達，其傳感器就采用了SPAD技術(shù)。

與ibeo公司合作并推動(dòng)激光雷達量產(chǎn)上車(chē)的亮道智能，對這顆傳感器有深刻理解。亮道智能一位資深工程師認為，SPAD技術(shù)是純固態(tài)激光雷達技術(shù)路線(xiàn)上非常重要的技術(shù)架構之一。與此同時(shí)，行業(yè)內還有多種測距技術(shù)路線(xiàn)，但這些技術(shù)短期內還無(wú)法達到量產(chǎn)節點(diǎn)。據了解，ibeoNEXT除了能夠輸出X、Y、Z的三維坐標信息，還能夠利用能量信息顯示環(huán)境圖像。這個(gè)能量信息圖與人們常見(jiàn)的黑白照片/視頻類(lèi)似，可以和激光雷達的點(diǎn)云信息配合同步輸出。最后，配合車(chē)上的攝像頭等其他傳感器，就能夠形成信息冗余。不過(guò)，ibeoNEXT的像素點(diǎn)僅有10240個(gè)，相比索尼IMX459的11萬(wàn)相差很遠。即便索尼用3*3進(jìn)行感知，其分辨率仍然更高。根據前文的分析，像素數量越多，所成的像越清晰，也就是索尼IMX459能實(shí)現更清晰的成像，這才是激光雷達更重要的意義。實(shí)際上，除了索尼基于SPAD做激光雷達傳感器之外，相機廠(chǎng)商佳能也正在布局SPAD傳感器，并且做出了100萬(wàn)像素的CMOS產(chǎn)品。
結語(yǔ)：索尼加速智能汽車(chē)布局

2020年的CES消費電子展上，索尼推出了其電動(dòng)汽車(chē)Vision S，標志著(zhù)索尼開(kāi)始布局智能電動(dòng)汽車(chē)。2022年CES上，索尼推出Vision S-02，進(jìn)一步加碼智能電動(dòng)汽車(chē)。同時(shí)，索尼多年來(lái)影像傳感器、娛樂(lè )系統、聲學(xué)等領(lǐng)域的布局，在智能汽車(chē)時(shí)代將有更廣闊的發(fā)展前景。索尼在此時(shí)布局智能汽車(chē)正當其時(shí)，正在加速汽車(chē)智能化實(shí)現。