激光雷达|日本东芝开发出世界上最小尺寸和最高分辨率的激光雷达LiDAR 东芝

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日本东芝11日宣布，已开发出一种小型传感器装置，可为自动驾驶汽车和基础设施监控发挥“眼睛”的作用。其新开发的光接收技术和安装技术将导致实现“世界上最小尺寸和世界上最高分辨率”的固态 LiDAR（激光雷达）。通过该公司于2020年7月宣布的“硅光电倍增管（SiPM）”的进一步灵敏度改进和小型化，可以开发体积为350cc、分辨率为1200×84像素、视角为24x12度的激光雷达。据说它是世界上最小的类型，最多可以抓取200米处的景物。
容易产生死角的前一代大型LiDAR
日本东芝曾于2020年7月宣布，在投光和受光时激光所走过的路径不同的“非同轴型”固态LiDAR中，开发出了一种即使距离200米也能扫描物体的受光技术。通过在LiDAR的受光系统中使用的SiPM上组合安装作为高灵敏度元件的受光单元和使其恢复为可受光状态的晶体管，实现了小型化和高分辨率化。搭载该技术的LiDAR的试制品容积是1600cc ，分辨率是300×80px ，视角达到7×7度。
只是，如果考虑到实际社会应用的话，这些性能并不是很好。东芝研究开发中心的首席研究员崔明秀说：“本公司开发的这个技术，与投光时和受光时激光通过不同路径的同轴型LiDAR相比，成本和尺寸都更优秀，而且镜头的更换也更容易，大型LiDAR具有灵活性，这是我们公司开发的最大优点。但是，如果假定在监视道路凹凸信息来察觉危险的基础设施系统中运用的话，不仅分辨率低，而且视角小，容易产生死角，有发现不了危险情况的危险性。并且机器体积也很大，可能会对安装条件产生制约” 。
混载高耐压和低耐压晶体管
因此，日本东芝新开发了除了实现固态LiDAR的高分辨率化和小型化、宽视角化的“混合型SiPM”之外，还提高了耐环境性的“自动温度校正技术”等。通过使用这些技术，可以保持测距距离200m ，分辨率1200×84像素，实现开发视角为24×12度的LiDAR 。
混合型SiPM通过搭载高耐压和低耐压晶体管，实现SiPM的小型化。以往，为了使SiPM小型化，需要缩小受光单元和晶体管部分。但是，如果只将受光单元小型化，则不能受光的晶体管部分在基板上的面积相对变大，因此受光区域变窄，灵敏度有可能劣化。
为了解决这样的课题而开发的是搭载高耐压和低耐压两种晶体管的混合型SiPM 。在与受光单元的接口部分配置几个高耐压晶体管，在其旁边配置几十个低耐压晶体管。高耐压晶体管的面积虽然很大，但是和小的低耐压晶体管组合在一起就保持了平衡。与只搭载中耐压晶体管的SiPM相比，可以施加高电压，实现了比以往高1.5倍的灵敏度和4倍的高灵敏度化。
至于缓冲层，通过新引入一个“绝缘沟槽” ，将整个 SiPM 的尺寸缩小到传统尺寸的四分之一。此外，通过将 2D SiPM 阵列的芯片面积增加一倍，可以安装更多的单元，并且视角比传统的提高了 6 倍。
适应性强的LiDAR
自动温度校正技术通过在安装有SiPM的芯片上直接评估灵敏度，从而能够根据温度进行供给到受光单元的电压控制。
SiPM对温度的灵敏度高，因此使用时需要进行温度校正。以前采用的是测量温度后用热敏电阻等间接调整SiPM灵敏度的方法，这次东芝在芯片上导入了独自技术，将逻辑电路与SiPM一起混载在一起，根据温度调整芯片上的灵敏度。此外，通过在基板上以高密度安装SiPM的技术、在投影系统单元内部安装超小型多边形镜，能够开发出对温度等环境变化具有高适应性的LiDAR 。在搭载了这些技术的LiDAR上进行PoC（概念证实）的结果是，即使在阳光强烈的烈日下，距离200米的物体的测距也几乎100%成功。
【激光雷达|日本东芝开发出世界上最小尺寸和最高分辨率的激光雷达LiDAR】东芝的目标是在2022年投入实际使用，它将用于基础设施监控，安装在路边，用于检测坠落物体。