汽车LiDAR的“革新者”——混合固态LiDAR

2017-11-23 11:21

1. APD/SPAD

2轴MEMS扫描镜+ SPAD图像传感器在混合固态LiDAR中的应用

APD的工作模式分为线性模式和盖革模式两种。当APD的偏置电压低于其雪崩电压时，对入射光电子起到线性放大作用，这种工作状态称为线性模式。在线性模式下，反向电压越高，增益就越大。APD对输入的光电子进行等增益放大后形成连续电流，获得带有时间信息的激光连续回波信号。当偏置电压高于其雪崩电压时，APD增益迅速增加，此时单个光子吸收即可使探测器输出电流达到饱和，这种工作状态称为盖革模式。工作在盖革模式下的APD又被称作SPAD。

APD工作在盖革模式下，单个光子即可使其工作状态实现开、关之间的转换，形成一个陡峭的回波脉冲信号，因而具备单光子成像的能力。该种光电探测器的灵敏度极高，探测距离理论上可以非常远，三千公里都不成问题，若干年前就已在军事领域（隐形飞机、导弹系统）大有所为。因此，APD的盖革模式非常适合用在LiDAR。

汽车LiDAR的“革新者”——混合固态LiDAR

APD在线性模式和盖革模式下的光子探测能力比较

2. MPPC

MPPC是一种俗称硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）的新型光半导体器件，根据其原理可称多像素光子计数器（Multi-Pixel Photon Counter，MPPC）。其由多个工作在盖革模式的APD阵列组成，具有高增益、高探测效率、快速响应、优良时间分辨率和宽光谱响应范围等特点。

当MPPC中的一个像素接收到一个入射光子时，就会输出一个幅度一定的脉冲。多个像素如都接收到入射光子，则每个像素都会输出一个脉冲，这几个脉冲最终会叠加在一起，由一个公共输出端输出，以此达到更大的增益。

相比APD，MPPC的增益可达到10^5~10^6，这样在理论上，可以在更短的时间内得到更长的距离信息，探测带宽也与APD不相上下。另外，拥有小而有效面积、更多像素结构的MPPC不仅具备较快的时间特性（上升时间仅1纳秒左右），还可利用它独特的光子分辨能力，将不同表面反射率的物体识别出来，从而达到测距同时分辨物体表面特性的目的。从这些性能上来看，MPPC非常适合脉冲测距法的应用，是自动驾驶上一维激光雷达的理想“小伙伴”。

滨松于今年正式发布了最新的近红外MPPC研制成果，推出了红外增强型MPPC S13720系列。其在905纳米处具有较高的探测效率，响应速度快，工作温度范围宽，适合各种场合下的激光雷达应用，尤其是使用ToF测距法的长距离测量。

汽车LiDAR的“革新者”——混合固态LiDAR