周彥武

馬斯克的特斯拉上沒有用鐳射雷達，不過馬斯克的龍飛船用了，鐳射雷達實際與傳統的CMOS攝像頭沒有本質區別，二者最大區別是傳統的CMOS攝像頭是2D，鐳射雷達是3D的，特別是Flash鐳射雷達，其最初名字就叫3D相機，它還有一個名字，就是ToF相機。龍飛船上用的就是Flash鐳射雷達。

Flash鐳射雷達最早追溯至1987年，美國NASA為登陸太陽系其他行星設計的感知系統，由NASA資助的ASC公司負責，2006年NASA設立自動著陸有害障礙物躲避技術即ALHAT專案，2010年專案透過驗收，2009年ASC公司的3D相機搭載於奮進號太空梭上併成功發射，2012年後搭載於龍飛船上，2016年首次龍飛船首次發射成功，沒錯，就是特斯拉CEO馬斯克的龍飛船。ASC為龍飛船製作的3D相機名為DragonEye，2016年美國的OSIRIX-REX專案，即 Origins Spectral Interpretation Resource Identification SecurityRegolith Explorer（OSIRIS-REx），這個專案是發射一個航天器採集小行星樣本返回任務，使用的著陸艙命名為Tiger，ASC為其製作了3D相機，命名為TigerEye。

ASC稱之為FLC，即Flash Lidar Camera

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TigerEye使用128*128的陣列，有效距離5釐米到1.1公里。

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2010年，ASC在IEEE上發表論文，ASC's 3D Flash LIDAR Camera: The Sciencebehind ASC's 3D Depth Imaging Video Camera，網址：https://ieeexplore.ieee.org/document/7268968。

奮進號的3D鐳射雷達相機

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ASC的Flash鐳射雷達相機用在美軍的武裝直升機上，因為波長是1570奈米，可穿透濃霧及沙塵，上圖就是其沙漠試驗，美軍研發的無人直升機的關鍵元件就是Flash鐳射雷達相機，它將為無人直升機提供精準的3D影象做導航。

TigerEye是不折不扣的Flash鐳射雷達，與長城汽車上用的IBEO的鐳射雷達原理上沒有區別，就連畫素數也很接近，不過ASC是在2008年就做出來了，當然ASC的TigerEye價格很高，約45萬美元，畢竟這相機要用在龍飛船上，太空環境是很惡劣的。據說ASC大約賣出了100套TigerEye，主要用於太空和軍事領域，由於這個市場太小了，ASC在2016年出售給了德國大陸汽車公司，為其開發車載的Flash鐳射雷達或者說車載的3D相機，ASC仍然提供太空級3D相機，有效距離目前可達6公里。

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Flash鐳射雷達與傳統CMOS相機非常相似，只不過它是發射鐳射，而傳統CMOS相機是接收自然光的反射。Flash鐳射雷達的發射通常是VCSEL，接收是SPAD陣列，VCSEL它是可定址的陣列模式，易與SPAD陣列對應。

索尼在2021年9月6日，推出車規級鐳射雷達用SPAD感測器IMX459，最大探測距離300米，在300米處的距離精度仍有15釐米，IMX459有10萬畫素，而安森美的樣品目前只有4萬，ASM的只有1萬，目前國產長城汽車即將使用的IBEO的真固態鐳射雷達，其SPAD就是ASM的，畫素為10240。

10萬畫素顯然太低了，佳能於2021年12月初推出了320萬畫素的SPAD感測器，並預計2022年下半年量產。320萬畫素通常解析度是2048*1560，也就是等效於傳統360度旋轉式鐳射雷達的1560線。這樣的解析度和傳統相機已沒有區別。佳能在2021年初宣佈的100萬畫素SPAD感測器擁有每秒24000幀的超高幀率，目前360度旋轉鐳射雷達幀率僅為10FPS，佳能是其2400倍，是傳統攝像頭的800倍。

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佳能的320萬畫素SPAD感測器，尺寸為13.2毫米長，9.9毫米寬，在佳能川崎晶圓廠製造。不僅佳能，松下，三星和索尼都在此領域花費大量精力研發，目前佳能遙遙領先，奧地利AMS、松下、索尼和三星處於第二梯隊，第三梯隊還有東芝、豐田（電裝）、安森美、濱松、英飛凌、意法半導體、富士膠捲。第四梯隊則有蘋果、博通、Lumentum。

佳能的320萬畫素SPAD感測器可以直接取代傳統的CMOS影象感測器，加上VCSEL，就是鐳射雷達，1500線的鐳射雷達，並且體積和成本與現有的CMOS影象感測器相差不大，這樣的鐳射雷達看起來就是個攝像頭。

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CMOS影象感測器與SPAD影象感測器對比，CMOS影象感測器內部多了兩級處理，自然光照射畫素陣列，發生光電效應，在畫素單元內產生相應的電荷。當電容充滿電荷之後，光子的射入會導致內部激發出新的電子空穴對，與原來充電形成的電子空穴對進行配對放電，形成光電流，光電流給右側的電容充電變成一個電壓輸出，為提高信噪比，對模擬訊號進行放大，然後進入ADC變換電路，再以數字形式輸出，噪音會在模擬訊號放大階段和ADC變換階段產生，同時模擬訊號放大器有線性範圍，也就是CMOS影象感測器有個動態範圍。而SPAD不會有噪音，它是直接光子計數，從頭到尾都是數字訊號，未有任何噪音。

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CMOS影象感測器的光電轉換效率很低，約為SPAD的百萬分之一。所以SPAD特別適合低照度場合。CMOS加大感光面積也可以用於低照度場合，但成本也會飛漲。

目前城市裡光汙染嚴重，肉眼可看到的星星極限大約為四等亮星，這種情況下的環境照度大約0.01Lux，大城市裡即使再黑暗，基本都有0.01lux的照度，SPAD可輕易做到0.002Lux，也就是說任何城市環境，無論多暗，SPAD都能正常工作，這也是佳能的SPAD影象感測器目前還是主打監控的原因，SPAD相機可以取代NIR近紅外相機，它擁有近紅外相機的全部能力，卻沒有近紅外相機的缺點。

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SPAD超高的光電效率也讓其幀率可以超高，SPAD的時間精度可達100皮秒，可以做超高速相機，理論幀率可輕易做到每秒10萬幀。

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佳能的SPAD不同於傳統SPAD，開口率達到100%，因此可以做到超高畫素。

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SPAD另一個益處是讓點雲處理下崗，因其可以直接輸出影象，無需任何後端處理，SPAD就是個3D相機。SPAD有兩種輸出，一是光子計數器，二是飛行時間。SPAD因具備高靈敏度，可以檢測到單一個光子，因此可做成光子計數器，光子計數器可以直接轉換為強度影象，原理類似普通的數碼相機，傳統數碼相機上的PIN二極體檢測到自然光反射後的光線，光電變換將光強變為電流訊號，TIA放大器將電流訊號轉換為電壓訊號，電壓訊號再經ADC處理，最終生成影象。

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典型SPAD D-ToF系統，這裡只看飛行時間，SPAD陣列的每個Cell利用啟動截至時間可以輕易得到飛行時間。再加上TDC電路就可以輸出深度影象了。

TDC的原理這裡不再贅述，簡單說就是將離散的時間資料轉換為直方圖，再轉換為數字影象。因為要檢測每個畫素的開關，因此最佳的做法將TDC電路與畫素整合在晶片上。目前多用兩段式TDC法，單段TDC佔的面積過大，會導致成本大增。

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一種典型的整合TDC的SPAD陣列，傳統鐳射雷達需要單獨加一片TDC晶片來處理，集成了TDC的SPAD自然不需要，直接可以輸出深度影象。當然整合TDC的工藝不太好掌握，成本也略高，因此有些SPAD廠家依然選擇外接TDC，不過這樣精度有所降低，功耗自然也有增加。

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