さまざまなカーゲージライダーの背後にある技術サポートの謎を解き明かす

ON Semiconductorとamsはどちらも、距離測定に赤外線技術とdToFを使用しています。Senseとamsも偶然にVCSELを使用しています。3社すべてがエリアアレイフラッシュを使用しています。SiPMのみが唯一のONSemiconductorです。 オン・セミコンダクターのLIDAR検出器は、シングルポイント、リニア、エリアアレイで利用でき、顧客は必要なものを選択できます。

テスラがLidarを手に入れるとは思わないでください。

少し前、フロリダ州パームビーチで、テスラモデルYがルーフラックのルミナールライダーに取り付けられ、しばらくの間、ルミナールの在庫が増加しました。おそらく、その理由の1つは、テスラがビジョンベースの完全自動運転方法のベンチマークを行っていることです。そして、最近テスラを辞任した法務担当副社長のアル・プレスコットは、ルミナールに行きました。

しかし、今日お話しするのは、この会社が大量生産されていないことを楽観視していないため、2012年に95年以降のオースティンラッセルによって設立されたこの会社ではありません。しかし、せいぜい半堅実な上場企業です。実際、LIDAR企業の背後には半導体メーカーがあり、協力によりLIDARの商用上陸が加速しています。

自動車用Lidar

自動車用途では、LIDARは、車線維持や渋滞支援機能などの安全運転支援システム（ADAS）を改善できます。また、無人輸送などの完全自動運転に使用して、リアルタイムで安全なナビゲーションを実現できます。 Yoleのデータによると、自動車アプリケーションは、2019年から2025年の間に18億米ドルの成長を遂げ、LIDARの重要な推進力になると予想されています。

近年、Lidarは自動車用途でますます人気が高まっており、より安定した成熟した低コストの自動車グレード製品が徐々に大量生産規模を形成しています。

amsのフィールドアプリケーションエンジニアであるSpencerBai氏は、次のように述べています。「車が環境を「見る」ことは非常に重要です。L3以降にはLIDARが必要です。現在の運転支援システム（ADAS）は、カメラ、レーダー、またはその両方に依存しています。組み合わせ、単一または組み合わせは、自律運転に満足のいく性能を提供することはできません。」

彼は、将来、人間の監視がセンサーの冗長性に引き継がれると信じています。 LIDARの導入により、地図上の車両の位置を正確に特定し、リモートターゲットの検出と認識を実現できる唯一のテクノロジーであるため、完全自動運転が可能になります。 LIDARをカメラ、レーダー、V2Xと統合すると、十分な冗長性が得られます。

オン・セミコンダクターのインテリジェント知覚部門の画像アプリケーションエンジニアリングのディレクターであるQian Tuanjie博士は、他のセンサーと比較して、LIDARには検出範囲、角度、深度分解能において明らかな利点があると考えています。これらの利点は、Lidarコアコンポーネントテクノロジーの進歩に由来します。チップ効率の大幅な向上により、より多くの送信電力を節約したり、より長い距離を検出したりできます。また、高度な高出力、高効率の光源送信機、バックエンド信号で使用できます。処理回路と成熟したアルゴリズム。、それ自体のサイズは小さくなっていますが、LIDARの全体的なパフォーマンスも大幅に向上しており、車両環境での実際のアプリケーションにより適しています。

近年、SiPM技術の開発は強力であり、その独自の機能により、市場での奥行き知覚アプリケーションに好まれる技術になっていると彼は語った。 SiPMは、明るい日光の下で長距離にわたって最高の信号対雑音比を提供できます。その他の利点には、電源バイアスと温度変化感度が低いことが含まれるため、従来のAPDを使用するシステムのアップグレードに最適です。

SensePhotonicsの最高技術責任者であるHodFinkelstein氏は、LIDARはL3-L5自動運転に必要なセンサーフュージョンの重要なコンポーネントであると述べました。 Lidarは、高解像度の深度データを提供し、単一のレーダーやカメラでは不可能なターゲット認識機能を向上させることができます。

彼は、実際に自動車に使用されている回転ライダーは、内部ベアリングの問題のために頻繁に故障するため、修理または交換する必要があると考えています。さらに、回転製品であろうとMEMSベースの製品であろうと、高振幅の振動パルス（車両用）で深度精度を維持することは困難です。したがって、スキャンをまったく必要としないアーキテクチャのみが、大量生産市場に最適な長期アーキテクチャです。これまで、ADASとAVのニッチな自動車研究開発プロジェクトを拡大するために、LIDARが自動車の許容可能なシステムコスト、パッケージング、および信頼性の要件を満たすことは困難でしたが、現在は状況が変化しています。

オン・セミコンダクターのテクノロジーオールインワン

ON Semiconductorは、長距離のLIDARの要件を満たし、超低ターゲット反射率検出を実現し、周囲光などのノイズを抑制し、全体的なコストを大幅に削減するために、シリコンベースの単一光電子検出器チップをベースにしており、シリコンを積極的に推進しています。ベースの光電子増倍管（SiPM）検出器+近赤外（NIR）波長+直接飛行時間（dToF）ライダーソリューション。

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dToFレンジング原理ブロック図

SiPMおよびSPAD（単一光子アバランシェダイオード）検出器は、2018年にSensLから取得されました。 SiPMは、SPAD上に構築された検出器であり、単一光子に非常に敏感であり、直射日光の下で機能します。これは、システムが最小の反射率でも最も遠い物体を検出するのに役立ちます。 SPADアレイに基づく飛行時間型イメージセンサーは、高解像度の4Dイメージングを実現し、シーン内のすべてのポイントから深度データと強度を同時にキャプチャします。

現在、SiPMとSPAD技術がLIDARシステムのレシーバー機能を実現するための鍵となっています。これら2つの光検出器タイプは、コンプライアンスの達成に役立つガイガーモード（ガイガーモード、単一光子計数モードにのみ適しています）に基づいています。ゲージ、高ゲイン、低コスト、コンパクトサイズのセンサーは、自動車の長距離ライダーの低光検出シナリオに適しており、業界最高の感度、最高の一貫性、低ノイズの製品を提供します。

比較すると、PINダイオード、APDアレイ、SPADアレイ、およびSiPMアレイは依然として非常に異なっていることがわかります。

既存のAPD製品と比較して、SiPMおよびSPADテクノロジーには、高感度（2000倍）、高ゲイン（10,000倍）、低電源電圧（約32V）、および最高の一貫性という利点があります。もう1つの利点は、光検出器とそのパッケージが自動車認証の最初から設計され、主流の大容量CMOSプロセスによって製造され、低コストと高信頼性を備えていることです。オン・セミコンダクターは、光検出器に加えて、車両規制に準拠したレーザーシステムのドライブチップ、パワーチップ、アンプ、読み出しチップなどのシステム全体のハードウェアソリューション、および検証済みのLidarモデルシミュレーションデータも提供します。技術、製品をすばやく着陸させます。

オン・セミコンダクターは3月に、LIDARアプリケーション向けの世界初の自動車認定SiPMアレイArrayRDM-0112A20-QFNをリリースし、LIDARの大量生産への道を開きました。これはモノリシック1×12SiPMピクセルアレイであり、高いNIR感度を達成し、905nmで18.5％の業界をリードする光子検出効率（PDE）を達成できます。 SiPMの高い内部ゲインにより、感度が単一光子レベルに到達し、高いPDEの組み合わせにより、最も弱いリターン信号を検出できます。反射率の低いターゲットでも、より長い距離（300メートル以上）を検出できるため、車両は予期しない障害物に対処するための時間を増やすことができます。

Qian博士は、ArrayRDM-0112A20-QFNはシングルチップリニアアレイSiPM検出器であり、露光はグローバルシャッター方式を採用していると説明しました。12ポイントは完全に独立しており、所定の時間内にそれぞれの領域で光子を受信した後、パルスを出力できます。

報告によると、現在、一部の主流のLIDARメーカーは、SiPM検出器を使用したLIDARを積極的に導入しており、一部のメーカーは量産を開始しています。 ArrayRDM-0112A20-QFNリニアアレイチップを使用したライダーも今年大量生産されます。

オン・セミコンダクターには、400×100ピクセルのSPADエリアアレイチップパンディオンも搭載されており、ローリングシャッターを採用して画像情報だけでなく点群情報も読み取ることができます。中国を含む世界的に有名なLIDAR企業がこのデバイスを使用して製品を開発しており、今年はいくつかの大量生産されたLIDARが発売されます。

Senseの「照明」モードはユニークです

今年の初めに、Sense Photonicsは、マスマーケットの自動車用途に適した世界初の940nmグローバルシャッターフラッシュ（画像照明）ライダーを実証しました。 Hod Finkelstein氏は次のように述べています。「業界の専門家がかつて不可能だと考えていたものを実現しました。SenseIlluminator、Sense Silicon、および最先端の信号処理技術により、データ出力を一挙に小型化する革新的な新しいアーキテクチャを作成しました。 OEM、Tier 1、Robotaxiが懸念している不十分なリダー機能の問題。」

Senseのいわゆる「照明」は、15,000個のVCSELアレイを同時に点滅させ、SPADレシーバーの140,000ピクセルを照明することです。曲面に取り付けられたVCSELは視野を広げることができ、30度の水平視野は表面に取り付けられたフラットチップを使用して最大200メートルの範囲を持ちます。

従来のLIDARは、既製のレーザーコンポーネントを使用して、光スポットの列または行を赤外線で照らし、シーンを機械的にスキャンして、必要な視野（FOV）全体をカバーします。データのフレーム全体をキャプチャできないため、各フレームで返される各ピクセルのタイムスタンプを追跡する必要があります。高速車両がフレーム内を移動する場合、この情報はモーションブラーを修正するためにも使用されます。

従来の方法では必要な視野をスキャンせず、完全なカバレッジを実現するには、レーザースポットを視野全体に移動する必要があります。これは、範囲、解像度、フレームレート、および視野の間のトレードオフにつながります。また、システムの複雑さと高価な光学コンポーネントが増加し、組み立て中に面倒なキャリブレーションが必要になります。したがって、その高コストのセンサーソリューションには、依然として多くの潜在的な障害点があります。

従来の技術は、非効率的なエッジ発光レーザーダイオードまたは高コストのファイバーレーザーに依存しています。Senseのウェーハレベル製造垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）アレイは、各チップのサイズを髪の幅よりも小さくすることができます。そのフラッシュアーキテクチャは、送信機と受信機の間の微調整を必要とせず、振動条件下でセンサーのキャリブレーションと深度精度を維持できます。プラットフォームは、光学系を変更するだけで必要に応じて調整でき、同じアーキテクチャで短距離と長距離の機能を提供できる最初のプラットフォームです。

これらのアレイがどのように構築されているかを見てください。最初に、数百万のVCSELがウェーハ上で成長し、次に数千のVCSELが、キロワットを出力できる特許取得済みのマイクロトランスファー印刷（MTP）テクノロジーを使用して、熱伝導性のフレキシブル基板に「印刷」されます。クラス1の目の安全性を維持しながら、平均消費電力は非常に小さいです。

イルミネーターには、曲げの量を制御することで水平方向の視野をカスタマイズできる独自の柔軟なプロパティもあります。アレイ上の各チップの動作波長は940nmであり、その太陽フラックス出力は非常に小さいため、太陽光の干渉を排除できます。

報告によると、一部のOEMとTier 1はSenseシステムを評価しています。これは、2021年半ばに利用可能になり、2024年末に量産が開始される予定です。推定製品コストは数百ドルです。

Ams VCSEL + SPADの組み合わせ

今年の5月、長城汽車はibeoNEXTソリッドステートライダーの搭載を開始しました。特定の光源VCSELのコアコンポーネントは、ams半導体の技術です。 128×80VCSELアレイ（10,240）は、フラッシュパラレルを使用して垂直ラインスキャンを生成します。視野と範囲は光学レンズコンポーネントによって調整されます。最長距離は250メートルで、狭い12度の水平視野をカバーします。最も広い視野は60度です。

特別に最適化されたVCSELアレイは、優れた電力密度、変換効率、および間隔を備えています。機能安全基準を統合して高い信頼性を実現することにより、強化された機能と目の保護を提供します。 VCSELは、ピクセルサイズ、サイズ、ピッチ、および特定のアドレス指定可能な機能など、レイアウト設計に大きな柔軟性を残します。

報告によると、スキャンおよびフラッディングエリアアレイライダーアプリケーションでは、高出力VCSELは単一の送信機の故障の影響を受けにくく、動作温度範囲でより安定しており、統合が容易です。

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VCSEL技術の原則

AmsのVCSELには、他のタイプの光源に比べて特別な利点があります。その狭い波長帯域幅（特に温度）は、受信機でより効果的にフィルタリングし、信号対雑音比を向上させることができます。垂直の円筒形ビームを放射するため、システムへの統合が容易です。 VCSELアレイは通常50〜10kの単一エミッターで構成されています.1〜3個のエミッターしかない一般的なEEL（エッジエミッター）と比較すると、単一エミッターの障害による影響は非常に限られています。

彼は、LIDARは新しいテクノロジーであるため、成熟度、コスト、およびボリュームを改善する必要があることを認めましたが、VCSELの組み合わせは、顧客が3つの領域で段階的な機能改善を達成するのに役立ちます。

他のタイプのレーザーと比較して、VCSELには多くの利点があります。

表面放射（非エッジ放射）、アドレス指定可能なアレイの設計の柔軟性を提供します

レーザー波長の低温依存性を解く

優れた信頼性

ウェーハレベルの製造プロセス

Ams VCSELテクノロジーには、エピタキシャル構造とチップ設計、エピタキシャル成長、フロントエンドとバックエンドの処理、パッケージング、高度なテストとシミュレーションが含まれます。

Amsは、dToFセンシング技術を使用して、リモートターゲットの検出と測距に光源と受信機を使用します。距離は、送信された光パルスと受信された光パルスの間の時間を計算することで取得できます。この点は、オン・セミコンダクターの計画に似ています。

dToFセンサーは、SPADピクセル設計と、パルス幅が非常に狭いTime-to-Digital Converter（TDC）に基づいており、VCSELから放出され、オブジェクトからリアルタイムで反射される赤外線の飛行時間を測定します。低電力の飛行時間検知技術は、ホストシステムが距離を正確かつ高速に測定するのに役立ちます。

Amsはまた、複雑なヒストグラムデータとインテリジェントなソフトウェアアルゴリズムを開発しました。これにより、ToFセンサーは、汚れによるクロストークなど、カバーガラスの反射の影響を検出して相殺し、大きなエアギャップに対応できます。オブジェクトに依存しない色、反射率とテクスチャーにより、正確な距離検出が実現します。また、視野内の複数のオブジェクト間の距離を測定することもできます。

テクノロジーが収束し始める

これらの企業はレーザー照射モードで独自の利点を持っていますが、レシーバーチップ技術は同じであり、すべてSPADを使用しています。ONSemiconductorとamsは両方とも距離測定に赤外線技術とdToFを使用し、SenseとamsもSPADを使用しています。VCSELは偶然に採用された; 3社すべてがエリアアレイフラッシュを採用した; SiPMだけが唯一のものであり、それはオンセミコンダクターでした。オン・セミコンダクターのLIDAR検出器は、シングルポイント、リニア、エリアアレイで利用でき、顧客は必要なものを選択できます。

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