INDUSTRIAL
图像传感器
May 9, 2023
为了消除由于机动车造成的事故，移动出行领域正在尝试各种措施。其中备受关注的就是“自动驾驶”。虽然一言概括为“自动驾驶”，但实际上，它是各类企业多项技术的复合产品。其中发挥重要作用的感知技术，可以说是索尼半导体解决方案公司（SSS）的看家本领。此次，我们向SSS车载事业部的成员——开发车载LiDAR用SPAD ToF（Time of Flight）式距离传感器的刘玉清与负责客户业务支持等的Théophile Seijiro Mascia了解了SSS感知技术的现状。
劉玉清（Liu Yuqing）
Sony Semiconductor Solutions Corporation
Automotive Business Div.
2021年入职索尼半导体解决方案公司。负责SPAD ToF式距离传感器的电路设计、信号处理模型与系统模拟器的开发。2022年负责车载LiDAR用SPAD ToF式距离传感器模拟电路的设计与验证，设计了SPAD像素下电路与周边电路，并于2023年担任传感器电路的测定评价工作。
Mascia Théophile Seijiro
Sony Semiconductor Solutions Corporation
Automotive Business Div.
2021年入职索尼半导体解决方案公司。负责扩展用于车载LiDAR用SPAD ToF式距离传感器的业务。参与确立美国SPAD距离传感器事业，目前在与日本团队、当地客户团队合作，推进与多家客户与合作企业的商谈。现在，他还发挥在负责美国市场时积累的知识经验，负责在中国市场、欧洲市场的业务。
2022年交通事故的死亡人数为2610人（比上一年减少26人），连续6年创下新低。但是要达成政府提出的“到2025年底降至2000人以下”的目标，显然还有许多课题需要解决。
交通事故大部分是因驾驶员的驾驶操作失误等人为因素而导致的。比如，踩错了刹车和油门，以至于撞上行人，或因疲劳驾驶导致协调能力，反应能力变差，结果与对向来车正面相撞等。
于是，如今日本正举全国之力推进“自动驾驶”在全社会的普及与高度化。这项技术可以让汽车在没有驾驶员的驾驶操作时，也能安心、安全地行进。作为实现零交通事故的“救世主”，自动驾驶越来越受到人们的期待。
那么，自动驾驶具体是一种怎样的技术呢？日本采用美国“汽车技术协会”（SAE）提出的标准，共将自动驾驶等级分为从0到5的6个等级。
0级：驾驶未自动化
1级：辅助驾驶
2级：部分驾驶自动化
3级：有条件的驾驶自动化
4级：高度驾驶自动化
5级：完全驾驶自动化
随着各大汽车制造商在电视等各类广告中的宣传，自动驾驶获得了公众越来越多的理解，自动刹车、前车跟随等自动驾驶技术的实际应用得到了发展。
但是，到达理想实现的道路还很漫长，这是当下正身处且从事于移动出行领域两人的一致认识。
（刘）
“现在的技术水平，已经达到了3级自动驾驶，但仍存在一些课题，比如在雨天、雾天、雪天等状况下，汽车能否准确检测周围的障碍物等。要实现无需驾驶员操作的5级自动驾驶，我们还面临着众多需要解决的课题。”
（Mascia）
“美国和中国等国家的网约车服务中使用的一部分汽车，搭载了高度的自动驾驶技术，实际乘坐后，能感觉到其技术的先进性。但是，要将这些技术普及到一般的家用车上还很困难。”
阻碍自动驾驶技术向大众普及的一个壁垒，就是自动驾驶技术不可或缺的车载LiDAR（Light Detection and Ranging/利用光的检测与测距）的成本和电力消耗。LiDAR是一项对汽车行进的道路状况、周围车辆、行人位置、形状等进行检测与识别的感知技术。要获取更高精度的数据，就必须增加汽车搭载的传感器数量，但是相应的，成本与电力消耗也会增加。
为解决这一课题，SSS开发了“用于车载LiDAR用SPAD ToF式距离传感器”。
SPAD是Single Photon Avalanche Diode的缩写。其特点是采用了利用“雪崩倍增效应”的像素结构，增强1个入射光子产生的电子，就算在微弱的光线下，也能实现纳秒级的检测精度。将SPAD用作LiDAR测距方式中“dToF方式”的受光元件，通过检测从光源到反射回对象物的光飞行时间（时间差）来测量距离，就能实现长距离且高精度的测距。
这款用于车载LiDAR用SPAD ToF式距离传感器展示了SSS的多种先进技术。“堆栈式结构”就是其中之一。
（刘）
“这款传感器采用了突破性的Cu-Cu（铜-铜）连接堆栈结构，在各堆栈面分别构建了像素芯片与逻辑电路芯片。这使它不仅比其他传感器更加小巧，而且可以在相同面积中集成更多电路，像素本身的面积也更大，因此，可实现更高的感光度。”
Mascia还从业务角度出发，做了如下补充。
（Mascia）
“因为这款传感器的高感光度特性，它可以识别更远处的物体，也能检测出像汽车轮胎橡胶那样的低反射率的物体。这成为了LiDAR规格中的一项巨大优势，客户对此非常关注。另外，堆栈结构还有助于简化LiDAR的开发、降低成本。”
SPAD ToF式距离传感器的堆栈式结构
（顶部：SPAD像素，底部：测距处理电路）
除了采用这种突破性技术，SSS还竭尽全力确保硬件的安心与安全。
（刘）
“我们必须考虑设计的车载芯片能在未来10年、20年后也能安全使用。比如，在超过100度的高温环境下，即使持续使用10年、20年以上，也必须保证传感器继续正常运行。同时也需要保证就算在零下几十度的环境中，传感器也同样能持续运行。另外，还必须能承受高负荷。传感器必须能在全速运行的状态下持续使用20年。”
刘肯定地表示，这是与手机用图像传感器等SSS其他传感器的开发截然不同的一条研发之路。
（刘）
“如果汽车的传感器停止运行，就会有冲撞其他汽车或行人的危险，危及人身安全。它所需要的安全级别不同于其他传感器，为此，我们必须在设计中满足各项严格要求。”这种严格的品质检查还会带来衍生的优势。
（Mascia）
“有客户曾提出希望把这款传感器用于车载以外的用途，比如用于工厂。他们认为只要品质能达到车载用途，就能保证在各种状况下放心使用。”
出于安心、安全的角度，SSS的研发人员还考虑了传感器激光的安全问题。
（刘）
“我们充分考虑了当汽车正前方有行人时，激光直接射入行人眼睛的情况。用于车载LiDAR用SPAD ToF式距离传感器采用了弱光设计，其产生的光线就算直接射入眼睛，也不会产生不良影响。”
（Mascia）
“就算是微弱的返回信号，SPAD也能由此准确地检测到障碍物，这将为移动出行领域带来巨大变革。我认为它一定能为LiDAR的普及与自动驾驶的发展做出贡献。”
Mascia对此表现出了信心。
搭载SPAD ToF式距离传感器的 LiDAR 成像示例
（顶部：点云，底部：距离强度图像）
SSS的研发人员并没有因追求品质而一味地盲目开发。这是因为如果忽视成本，研发成果就无法实现商用。开发是一个反复摸索、不断改善的过程，正如上文描述，客户对降低电力消耗有很高的要求。
（刘）
“我负责的是模拟电路设计，模拟电路的电力消耗远低于逻辑电路。但即便如此，公司还是要求我进一步削减电力消耗。我不断试错与改进，甚至在晶体管不运行时也要尽可能降低其电力消耗。”虽然这些尝试是吹毛求疵，但是目前还没有关键技术能一举大幅削减电力消耗。因此，即使是微小的改善，也需要要一步步地积累。
市场还提出了其他需求。那就是“速度”。车载LiDAR市场还尚未成熟，因此，即便在1年时间内，对LiDAR的要求也会显著变化。刘表示开发速度是必须满足的要求。
（刘）
“当客户提出新要求时，我们必须立即仔细讨论要设计怎样的电路。这是因为实际的芯片设计、验证、评估需要约1年的时间，如果最后完成的芯片性能无法达到客户的评价标准，那就会带来严重的问题。我们必须时刻准确把握世界的趋势，在开发中保持速度感。”
但是，车载LiDAR还是一个刚形成不久的小规模市场，客户方面也没有明确的标准。目前，在没有标准的情况下，SSS正积极与客户相互沟通，共同制定标准。
（Mascia）
“LiDAR市场还不太成熟。SPAD尤其如此。客户经常会问我们‘这是什么？有什么用？’。在这样的情况下，我们必须正确引导客户，告知他们我们能提供什么样的解决方案。”
包括SSS在内的半导体企业开发的LiDAR各具特色。Mascia认为，在标准尚未问世的情况下，短期之内行业内会涌现出各种类型的LiDAR。
正如上面所介绍的，SSS是从感知技术的角度出发，为汽车的安心与安全提供助力。移动出行领域往往被认为是由汽车制造商主导的，但也有一些技术是只有半导体制造商才能实现的。
（刘）
“汽车制造商向半导体制造商购买零部件，并进行组装。这样一来，零部件本身就被看作一个黑匣子。我从事半导体的工作是因为想要详细了解零部件内部的原理并自主设计，进一步提升其性能。另外，对汽车制造商来说，用户仅限于自己公司的客户，但如果我们能设计出性能优越的半导体，我们的产品将会被各种汽车制造商采用，最终，相关用户的数量也会显著增加。”
（Mascia）
“汽车行业正处于百年一遇的巨大变革时期。但是实现自动驾驶不是仅依靠汽车制造商的一己之力，而是需要通过与各种参与者合作，这项技术才能最终投入市场。在这个过程中，真正的技术革命源自哪里，平心而论，我认为在其中发挥重要作用的是负责汽车控制系统与感知技术的半导体制造商，而非汽车制造商。”
以自动驾驶为核心，SSS为实现即将到来的移动出行社会而奋力向前。其背后是年轻员工们为挑战技术创新改革而奋勇拼搏的身姿。
