Zložena konfiguracija senzorja SPAD ToF (Zgoraj slikovne pike SPAD, spodaj vezje za obdelavo meritev razdalje)

Primer upodobitve

Referenčna zasnova sistema LiDAR z mehanskim skeniranjem

Atsugi, Japonska – Družba Sony Semiconductor Solutions Corporation je včeraj najavila zloženi senzor globine IMX459 za uporabo na področju avtomobilskih sistemov LiDAR, ki kot prvi na tem področju*1 uporablja metodo "direct Time-of-flight" (dToF). Izdelek na enem samem čipu vsebuje majhne kvadratne slikovne pike SPAD (ang. single-photon avalanche diode) velikosti 10 μm in vezje za obdelavo meritve razdalje. S tem dosega kompaktno velikost tipa 1/2,9 ter zagotavlja visoko natančnost in hitrost merjenja razdalje.

Novi senzor bo s tem prispeval k varnejši mobilnosti prihodnosti, saj bo pri sistemih LiDAR izboljšal zmogljivosti zaznavanja in prepoznavanja, ki sta nujni za doseganje večje razširjenosti naprednih vozniških asistenčnih sistemov (ang. advanced driver assistance systems, ADAS) in sistemov avtonomne vožnje (ang. autonomous driving, AD).

Poleg naprav za zaznavanje, kot so avtomobilske kamere in radar z milimetrsko valovno dolžino, postaja vse pomembnejši tudi LiDAR, ki omogoča visoko natančno zaznavanje in prepoznavanje razmer na cesti ter lokacije in oblike objektov, kot so avtomobili in pešci. Toda da bi se uporaba LiDAR-ja lahko razširila in prodrla na trg, je treba rešiti še nekatere tehnološke izzive, ki med drugim vključujejo:
- dodatno izboljšanje zmogljivosti merjenja razdalje;
- zagotavljanje večje varnosti in zanesljivosti ne glede na okoljske razmere;
- prehod na zasnovo brez premičnih delov*4, s čimer bo mogoče doseči tudi kompaktnejšo obliko in nižjo ceno.

Z reševanjem naštetih izzivov se že ukvarjajo različne iniciative. Med različnimi načini, ki se uporabljajo za merjenje razdalje z LiDAR-jem, se slikovne pike SPAD uporabljajo kot vrsta detektorja v senzorju dToF, ki meri razdaljo do objekta tako, da zaznava čas potovanja (ang. time of flight) oziroma razliko v času od trenutka, ko vir odda svetlobo pa do trenutka, ko se ta z odbojem od objekta vrne do senzorja. Sony je z razvojem slikovnih senzorjev CMOS, ki se uporabljajo v fotoaparatih in videokamerah, razvil tudi tehnologije, kot so od zadaj osvetljena struktura pik, zložena (ang. stacked) konfiguracija in povezave Cu-Cu*5. Vse te tehnologije, znanje in izkušnje je zdaj uporabil tudi pri izdelavi edinstvene zasnove naprave, ki na enem čipu vsebuje tako slikovne pike SPAD kot tudi vezje za obdelavo meritev razdalje.

S takšno zasnovo je Sonyjevim inženirjem uspelo doseči majhno dimenzijo posamezne slikovne pike (10 μm), to pa je omogočilo izdelavo kompaktne naprave z visoko ločljivostjo približno 100.000 efektivnih pik v formatu tipa 1/2,9. Poleg tega izdelek prinaša tudi izboljšano učinkovitost zaznavanja fotonov ter izboljšano odzivnost, kar zagotavlja visoko hitrost in natančnost merjenja razdalje v 15-centimetrski ločljivosti, in sicer na dolge in kratke razdalje. Izdelek je skladen s funkcionalnimi varnostnimi standardi za uporabo v avtomobilski industriji, kar bo pomagalo izboljšati zanesljivost sistemov LiDAR, hkrati pa bo zasnova na enem čipu prispevala h kompaktnejšim in cenejšim sistemom LiDAR.

Glavne lastnosti
Visoka hitrost in visoka natančnost merjenja razdalje zahvaljujoč zloženi konfiguraciji z 10 μm kvadratnimi pikami SPAD in vezjem za obdelavo meritev razdalje. Izdelek uporablja zloženo konfiguracijo, kjer je za doseganje prevodnosti med od zadaj osvetljenim čipom s slikovnimi pikami SPAD (zgornji čip) in logičnim čipom z vezjem za obdelavo meritev razdalje (spodnji čip) za vsako slikovno piko uporabljena povezava Cu-Cu. To omogoča izvedbo konfiguracije z vezjem, nameščenim pod čipom s slikovnimi pikami, s čimer se ohrani visoko razmerje zaslonke ter doseže majhno velikost kvadratne pike, ki meri 10 μm.

Izdelek uporablja tudi ploščo za zajem vpadne svetlobe, ki ima na površini nepravilnosti. Te razpršijo vpadno svetlobo in izboljšajo stopnjo absorpcije. Rezultat vsega tega je visoka, 24-odstotna učinkovitost zaznavanja fotonov z valovno dolžino 905 nm, ki jih običajno oddaja vir laserske svetlobe v avtomobilskih sistemih LiDAR. Tako je na primer mogoče v visoki ločljivosti ter z visoko ločljivostjo razdalje zaznati zelo oddaljene objekte z nizko stopnjo odbojnosti. Dodatno se na delu z vezjem nahaja tudi aktivno vezje za polnjenje, ki je z vsako piko povezano prek povezave Cu-Cu, kar pri normalnem delovanju zagotavlja odzivni čas približno 6 nanosekund*7 za vsak foton.

Ta edinstvena zložena konstrukcija omogoča merjenje razdalje z visoko hitrostjo in visoko natančnostjo ter 15-centimetrsko ločljivostjo na dolge in kratke razdalje, s čimer prispeva k izboljšanju zmogljivosti zaznavanja in prepoznavanja v sistemih LiDAR za avtomobile. Skladnost s funkcionalnimi varnostnimi standardi za uporabo v avtomobilski industriji pomaga izboljšati zanesljivost sistema LiDA. Izdelek bo certificiran ter bo izpolnjeval zahteve testov zanesljivosti za elektronske komponente v avtomobilih AEC-Q100 stopnje 2. Poleg tega je Sony uvedel razvojni postopek, ki je skladen s funkcionalnimi varnostnimi standardi za avtomobile ISO 26262, ter podpira zahteve funkcionalne varnosti ravni ASIL-B(D) za funkcionalnosti, kot so zaznavanje okvar, obveščanje in upravljanje. Vse to prispeva k izboljšani zanesljivosti sistema LiDAR.

Referenčna zasnova sistema LiDAR z mehanskim skeniranjem
Sony je razvil tudi referenčno zasnovo sistema LiDAR z mehanskim skeniranjem*8, opremljenega z novim zloženim senzorjem globine SPAD. Ta referenčna zasnova je zdaj na voljo tudi strankam in partnerjem, ki jim bo pomagala prihraniti delovne ure v postopku razvoja sistema LiDAR ter znižati stroške z optimizacijo izbire naprave.

*1: Kot zloženi senzor globine SPAD za uporabo na področju avtomobilskih sistemov LiDAR. Podatek z dne 6. septembra 2021.
*2: Struktura slikovne pike, ki uporablja plazovno množenje za ojačitev elektronov iz posameznega fotona, kar povzroči kaskadni učinek, podoben plazu.
*3: Na podlagi metode določanja efektivnih slikovnih pik slikovnega senzorja.
*4: Elektronske komponente in naprave brez mehansko premikajočih se delov, ki uporabljajo polprevodniško tehnologijo.
*5: Tehnologija, ki pri zlaganju zgornjega čipa (dela, ki vsebuje slikovne pike) in spodnjega čipa (dela, ki vsebuje logična vezja) zagotavlja električno povezavo prek bakrenih (Cu) ploščic. V primerjavi s povezovanjem skozi silicij (TSV) kjer je povezava izvedena z elektrodami, ki prodirajo skozi silicij na obodu pik, novi način prinaša večjo svobodo pri zasnovi, izboljšuje produktivnost, omogoča kompaktnejše mere ter povečuje zmogljivost.
*6: Razmerje predela zaslonke (predela, ki ni predel za blokiranje svetlobe) pri pogledu s strani vpadne svetlobe na slikovno piko.
*7: V okolju s temperaturo 85 °C.
*8: Način, ki z visoko hitrostjo vrtenja poligonskega zrcala zagotavlja vodoravno skeniranje z laserskim žarkom, ki ga oddaja laserska dioda.
**: Na dan 8. 9. 2021.