激光雷達領(lǐng)域的新秀利器—SPAD23

激光雷達（LiDAR）技術(shù)以其精準的距離測量和三維建模成像能力，在多個行業(yè)中發(fā)揮著重要作用。這項技術(shù)主要通過發(fā)射激光脈沖并測量這些脈沖與物體碰撞后返回的時間來工作，從而獲得高精度的空間數(shù)據(jù)。不僅能夠進行測距還能進行復雜場景的計算成像等等。

激光雷達技術(shù)已廣泛應用于以下行業(yè)：地理空間測繪、考古學、自動駕駛車輛、農(nóng)業(yè)、林業(yè)管理、城市規(guī)劃、災害管理、建筑和建筑管理、交互式媒體和藝術(shù)、太陽能和風能項目、軍事和國防、礦業(yè)和地質(zhì)學、基礎(chǔ)設施和建設、大氣研究、機器人技術(shù)、制造業(yè)、能源行業(yè)等等

時間飛行（ToF）技術(shù)是一種測量物體距離的方法，它通過計算光波從發(fā)射到反射回傳感器所需的時間來確定空間信息。ToF系統(tǒng)通常包括發(fā)射器（激光光源）和接收器（探測器）及時間記錄裝置（tdc）

ToF有兩種，直接時間飛行（dToF）和間接時間飛行（iToF）

直接時間飛行（dToF）：這種方式通過發(fā)射短脈沖光，并直接測量每個脈沖返回到傳感器的時間來測量空間信息。它使用高靈敏度的單光子雪崩二極管（SPAD）檢測單個光子，適用于構(gòu)建時間的直方圖，從而確定zui可能空間信息

間接時間飛行（iToF）：這種方式則發(fā)射連續(xù)調(diào)制的光波，通過測量發(fā)射光與反射光之間的相位差來計算時間，從而確定空間。iToF通常使用標準的圖像傳感器架構(gòu)來測量隨時間變化的光強                    

相比而言，dToF除成本略高于iToF外，但其能提供更高的測量精度和較低的噪聲干擾，適合長距離和低照明條件下使用。

但是不管是dToF還iToF，其中SPAD的探測性能都會直接的關(guān)系到回波光子是否能夠被成功的捕獲到，從有足夠的數(shù)據(jù)支撐zui終結(jié)果的測算。

單光子雪崩二極管（SPAD）探測器是一種高靈敏度的光電探測器，能夠檢測到單個光子事件。它們在激光雷達（LiDAR）系統(tǒng)中的應用顯著提高了距離測量和圖像捕捉的性能，尤其在要求高分辨率和高精確度的場合。

SPAD探測器通過利用雪崩效應放大入射光子產(chǎn)生的光電流來實現(xiàn)單光子檢測。這種探測器在被觸發(fā)后會快速進入雪崩模式，可以檢測很低光級的信號。這一特性使得SPAD尤其適用于光線較暗的環(huán)境或需要很高靈敏度的應用。這些特性，在激光雷達中起到著如下至關(guān)重要的作用

• 增強距離測量能力：在激光雷達系統(tǒng)中，距離的測量依賴于精確地檢測發(fā)射的激光脈沖被目標反射回來的時間。距離越遠，回波光子打到探測器的概率會越小，SPAD探測器的高靈敏度和高的光電轉(zhuǎn)換效率在遠距離測距時可以大大的提高捕獲珍貴的回波光子的能力

• 提高低光環(huán)境下的性能：由于SPAD探測器對單個光子都非常敏感，它可以在光線非常微弱的情況下工作，這對于夜間或光照條件不佳的環(huán)境中的激光雷達應用尤為重要。

目前所用到的SPAD大多為單點式的，但隨著激光雷達方向的研究不斷深入，對于SPAD的要求也越來越高，單點SPAD的壁壘也越發(fā)明顯，如：

• 單點SPAD通常具有較小的探測面積，意味著其能夠捕獲反射回的光子數(shù)量有限，降低了系統(tǒng)的整體性能，

  
  

• 難以覆蓋較寬的視場角，這限制了激光雷達系統(tǒng)的應用范圍，尤其是在需要廣泛監(jiān)控的場景中

  
  

• 在一些應用中，可能需要將多個SPAD陣列集成在一起以增加探測面積，來提高信號集成，但這會增加系統(tǒng)的復雜度和成本以及體積。

  
  

• SPAD需要一定的“死時間"來恢復到下一個光子可以被探測的狀態(tài)。在此期間，任何到達的光子都無法被檢測到（光子堆積效應），這限制了其在高速應用中的使用。

  
  

• 單點式的SPAD往往需要搭配一個時間相關(guān)單光子計數(shù)器（TDC）來使用，這就意味著會大大增加激光雷達系統(tǒng)的體積，但是激光雷達系統(tǒng)往往會伴隨著小型化的需求。

面日益增長的研究需求與設備性能上限的沖突，Pi Imaging與上海昊量光電推出了單光子陣列探測器—SPAD23。

SPAD23 設備采用了23個六邊形排列的硅基單光子雪崩二極管（SPAD），這種排列方式增加了有效探測面積，改善了傳統(tǒng)單點SPAD面積小的限制。并且突破了陣列探測器中絕大多數(shù)都無法突破的技術(shù)難題：填充因子。該設備的光敏面大小為1.3mm×1.3mm，每個像素的大小為23um，填充因子大于80%，單光子光電轉(zhuǎn)換效率為55%，對于探測面積、光的收集與捕獲能力及探測視場角相較于單點SPAD是指數(shù)級增長的。且其23個探測器獨立工作互不受彼此的死時間的影響，可以大大的少光子堆積效應對實驗結(jié)果的影響。

SPAD23的第二個亮點在于每一個探測器后面均連接一個10ps時間分辨率的TDC，這就意味著SPAD23的內(nèi)部內(nèi)置了23個SPAD探測器 + 23個TDC，僅需要自帶軟件即可一鍵獲得23個探測器的直方圖以及時間戳的信息，但是這種高度集成性并不會帶來額外的體積影響，相反為了響應激光雷達研究小體積需求，其zui終體積僅有半個手機的大小，這遠比傳統(tǒng)形式的SPAD＋多通道計數(shù)器的組合體積更小許多。

針對其實際表現(xiàn)，搭建了一個簡易的激光測距光路來驗證設備本身的性能，該簡易光路的激光器使用的是40MHz重頻的532nm波長的激光器，將綠光打在白板上，陣列探測器與激光器的出光孔在同一水平線上如下圖所示：

快速的搭建好實驗設備后，只需要給SPAD23通入電源及USB連接線，連接好激光器的同步觸發(fā)信號后，設置直方圖的Bin寬為20ps（短為10ps），探測時間為90ms，點擊開始按鈕后，瞬間生成直方圖，通過下圖的直方圖的圖表信息，光子的峰值在3100ps，粗略計算兩者之間的距離為0.93m÷2=0.465m，通過直方圖存儲的可視化數(shù)據(jù)精細計算，峰值所在的時間為第1590個Bin中，也就是3180ps，所以zui終距離為0.477m，這與實際量測結(jié)果相差無幾。

上述的簡易實驗，可以粗略的展示SPAD23的在激光雷達方向的應用能力，憑借著其便攜性、易用性、大面陣、高速率等的特性，已然成為激光雷達領(lǐng)域的新秀力量。

如您對設備的實際表現(xiàn)感興趣，可聯(lián)系我司的相關(guān)負責人，申請設備現(xiàn)場Demo。

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設備有限公司是光電產(chǎn)品專業(yè)代理商，產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器、光學測量設備、光學元件等，涉及應用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學研究、國防、量子光學、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶提供完整的設備安裝，培訓，硬件開發(fā)，軟件開發(fā)，系統(tǒng)集成等服務。