LiDAR（光検出と測距）技術の成熟に伴い、製品の価格も比較的手頃になり、ナビゲーション、距離測定、衝突検知、3Dマッピングなどの分野で広く使用されるようになりました。この記事では、onsemiが発表したSiPM Direct Time of Flight (dToF) LiDARの製品機能とアプリケーションを紹介します。
従来の深度検知技術は精度が低く、距離も短い
現在、産業、民生、自動車、その他の関連製品を含む市場の多くのアプリケーションでは、正確な深度検知測定が求められています。深度検知には、ステレオ三角測量、位相検出ピクセル、標準CMOSイメージ センサーを使用した構造化光測定など、さまざまな方法があります。
ステレオ三角測量の方法は、2台の異なるカメラから受信した光を三角測量して距離を検出する方法です。カメラで撮影した画像間の物体の位置の差を比較することで、カメラと物体間の距離を計算できます。この方式の利点は、パッシブ方式と標準画像センサーを採用していることですが、欠点は2台のカメラが必要になることです。最大検出距離はカメラ間の距離に依存し、照明条件に大きく依存し、計算コストが必要になります。低コストの深度カメラや屋内の短距離アプリケーションに適しています。
単一のカメラを使用してシーンのポイントからの距離を取得する場合は、位相検出ピクセル テクノロジを使用する必要があります。イメージセンサーは、異なるピクセルレベルの位置にあるライトシールドを備えたピクセルのペアによって受信光の位相差を計算したり、同じマイクロレンズの下の複数のフォトダイオードを使用して深度を計算したりすることができます。この方法は、パッシブ方式と標準画像センサーの利点を備えていますが、深度解像度が低い、照明条件に大きく依存する、計算コストが高い、測定距離が短いなどの欠点があり、スマートフォンのオートフォーカスに適しています。
構造化光のもう1つの方法は、従来のCMOSイメージ センサーを備えたカメラを使用して受信した赤外線パターンを分析し、歪みを使用してシーンの深度を計算することです。歪んだパターンを使用して、オブジェクトの3D形状を取得できます。短距離測定に適しているという利点がありますが、アクティブ方式を使用しているため周囲の光の影響を受けやすいという欠点があります。距離が増すにつれて深度誤差が大きくなるため、長距離には適さず、主に顔認識に使用されます。
LiDAR技術は高精度と長距離を実現
この記事で紹介したLiDARテクノロジーは、深度と角度の解像度が高く、赤外線送信機と受信機を使用するアクティブな方法を採用しているため、あらゆる照明条件下で動作し、上記の代替方法よりも優れた深度検知を提供できます。LiDARはさまざまな市場で広く導入されており、自動車、産業、ロボット、消費者向けの拡張現実や仮想現実 (AR/VR) アプリケーションなど、さまざまなアプリケーションやユースケースに適しています。
一般的に、LiDARは、送信された信号とそのエコー間の時間遅延を計算する直接飛行時間 (dToF) 測定技術を採用しています。もう1つの方法は間接飛行時間 (iToF) で、どちらもパルス変調または連続変調を使用できます。
iToFは、イメージ センサー ピクセルの変調を使用して、限られた数のビン (通常は2つ) に多数の光パルスを統合し、異なるビンの電荷を測定することで戻りパルスのタイミングを決定します。iToFは、短距離深度検知アプリケーションに適しており、屋内やセンサーが直射日光にさらされない環境で使用されます。
dToFは、短距離および長距離の深度検知アプリケーションに適しています。より高速な取得速度と複数のエコーを測定する機能を提供し、戻り経路で複数のオブジェクトを検出します。この方法は、単一の測定、または各読み取りごとに蓄積された複数の測定によって実現できます。
高感度センサーは、LiDARシステムのパフォーマンスにとって非常に重要です。dToF LiDARシステムで使用される一般的なセンサーには、PINダイオードやアバランシェフォトダイオード (APD) などの線形モード検出器が含まれます。これらの従来の検出器は、シリコン光電子増倍管 (SiPM)、SiPMアレイ、単一光子アバランシェフォトダイオード (SPAD) アレイなどの高性能センサーに急速に置き換えられています。これらのセンサーはCMOSプロセスで製造されており、部品間の厳密な均一性、低電圧動作、非常に高いゲイン特性を提供できるため、低コストで高性能なLiDARの大量生産に最適です。
SiPM dToF LiDARは低消費電力で正確な距離測定を実現
モノのインターネット (IoT)、自動車、産業用アプリケーションでは、低消費電力と高性能のSiPMテクノロジの恩恵を受けることが期待される距離測定およびセンシング アプリケーションがますます増えています。特に、自動車のADAS（先進運転支援システム）、3D深度マップ、モバイル、民生用、産業用の測距など、人間の目に安全な近赤外線（NIR）波長を使用するLiDARアプリケーションです。
SiPMセンサーの高ゲインと帯域幅を活用するために、dToFテクノロジを使用して、最小の電力予算で正確な距離測定を行うことができます。光子が戻ってくると、LiDARシステムのシグナル チェーンは、アナログ/デジタル コンバーター (ADC) または時間/デジタル コンバーター (TDC) を使用して、検出されたレーザー エコーをデジタル化できます。ADCベースのシステムでは、完全なパルスのデジタル化が可能になり、パルス形状から推測される反射率など、ターゲットに関する追加情報が提供されます。ただし、TDCベースの方法は、識別回路の実装が比較的簡単であり、狭いパルス幅のレーザーと互換性があるため、コストと電力の面で利点があります。これは、目の安全限界に影響を与えることなく、各パルスにより高いピーク電力を使用できることを意味します。
コスト最適化された産業および商業用シングルポイント距離計開発キット
onsemiが発表したSECO-RANGEFINDER-GEVKは、コスト最適化された産業および商業アプリケーション向けの完全なシングルポイント距離測定開発キットであるSiPM dToF LiDARプラットフォームです。このキットは、onsemiの最新のNIR SiPM (RBシリーズ) をベースにしています。レーザーおよび基準回路 (Tx)、受信回路 (Rx)、電源管理システム、コアFPGA、UART通信など、アプリケーションに必要なすべての重要なサブシステムを統合しています。
SiPMは、高密度に詰め込まれたSPADセンサーと統合されたクエンチ抵抗器の合計アレイで構成される単一の感光性高性能ソリッド ステート センサーであり、高いゲイン (約1x106)、高い検出効率 (> 50%)、および高速タイミング (ナノ秒未満の立ち上がり時間) を備えています。このキットはFDAの認証を受けており、多機能GUIが含まれています。これにより、距離計の性能を総合的に評価し、バッファパルス数やSiPM-RB光電子増倍管のバイアス電圧などのシステム変数を調整できます。
SECO-RANGEFINDER-GEVKは、0.11 mから23 mまでの検出範囲をサポートし、すぐに使用できる操作性、ユーザーフレンドリーなGUI、調整可能なシステム変数を備え、システムコストを最適化でき、TDCを内蔵し、FPGA (ice3) に基づいており、ビン幅は約85 psで、自動TDCキャリブレーション (FPGAリファレンス クロック) を実行でき、USB (5V) やPMODコネクタ (3.3V) などのさまざまな電源オプションをサポートし、RBシリーズSiPM検出器を採用しています。これは、距離計を最大限に活用できる、650-1050nmでコーティングされたBK7平凸レンズを備えた905nmレーザー ダイオード トランスミッターです。905± 5nmバンドパス光学フィルタ（FWHM: 30± RX用のオンセミSiPM (5nm) は、選択したスペクトルで最高の感度を得ることができ、レーザー安全規格IEC/EN 60825-1:2014、21 CFR 1040.10、1040.11を満たしています (Laser Notice No.56に準拠した逸脱を除く)。オンセミSiPMの高感度により、低出力レーザーを使用して目の安全性を向上させることができます。
SECO-RANGEFINDER-GEVKは、さまざまな産業およびIoTアプリケーションに適したソフトウェア調整可能な設定と、FPGAベースのTDC、読み出し、通信インターフェイス、および2つの調整されたバイアス電源の制御を提供します。onsemiは、さまざまな入力条件下でのシステム パフォーマンスを正確に判断できるソフトウェア モデルを作成しました。SiPMセンサーを備えたハードウェア距離測定プラットフォームは、開発者が基盤となるテクノロジーと必要なすべての構成要素に精通するのに役立ちます。
さらに、このキットは、SiPMセンサーなどのシステムのコア コンポーネントの評価にも役立ちます。ハードウェア上に提供されるテスト ポイントと、GUI上のさまざまな機能および構成可能なパラメーターを通じて、開発者はキットを迅速かつユーザー フレンドリーな方法で評価し、アプリケーションの速度を加速することができます。さらに、このキットはBluetoothによる拡張可能なシステムもサポートしています。® 開発キット（BDK-GEVK）やその他のセンサーやアクチュエーターなどがあり、屋内ナビゲーションや距離測定、衝突検知、3Dマッピングなどの分野に適用できます。
結論
SiPM dToF LiDARは、高いゲインと帯域幅を特徴とし、最小の電力予算で正確な距離測定を提供し、産業用および商用アプリケーションの距離測定のニーズを満たします。onsemiのSiPM dToF LiDAR開発プラットフォームは、ソフトウェアとハードウェアの完全な組み合わせを提供し、製品の開発をスピードアップし、距離測定アプリケーションへの投資を考えているメーカーによる深い理解と採用に値します。