LiDAR (光検出と測距) は、モバイル測距、自動車のADAS (先進運転支援システム)、ジェスチャー認識、3Dマッピングなどのアプリケーションでますます使用されている測距技術であり、市場開発に大きな可能性を秘めています。この記事では、LiDARのトレンドと、onsemiが発表したシリコン光電子増倍管 (SiPM) ダイレクト タイム オブ フライト (dToF) LiDARプラットフォーム開発キットを紹介します。
LiDARは測距にToF技術を使用する
LiDARは、使用される光源がレーザーではなかったため、もともと光レーダーと呼ばれていましたが、レーザーの登場以来、レーザーは高輝度、低発散のコヒーレント光源として特に適しているため、光レーダーはレーザーを光源として使用しています。総称してレーザーレーダーと呼ばれます。
LiDARは、レーザー、全地球測位システム (GPS)、慣性航法システム (INS) を統合したシステムで、点群データを取得して正確なデジタル3次元モデルを生成するために使用されます。これら3つの技術を組み合わせることで、一貫した絶対測定ポイントの条件下で周囲の3次元の実際のシーンを取得できます。
LiDARシステムは主に、レーザー、フェーズドアレイ、MEMS (微小電気機械ミラー)、スキャナーおよび光学部品、光検出器および受信機の電子デバイス、位置決めおよびナビゲーション システム、センサーなどの主要コンポーネントで構成されています。さまざまな設計コンセプトに応じて、方向ベース、スキャンメカニズムベース、プラットフォームベースなどのさまざまなタイプに分類できます。
LiDARは、物質、粒子、または波 (音波または電磁波) が媒体内を移動するのに必要な時間を測定することで、距離を測定するために飛行時間 (ToF) 技術を使用します。移動物体を直接的に検出する直接飛行時間 (dToF) 方式と、間接散乱光で測定する間接飛行時間 (iToF) 方式があり、送信信号とそのエコー間の時間遅延を計算して距離を算出します。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は短距離と長距離の両方の深度検知アプリケーションに適しています。
SiPMセンサーはLiDARに必要な性能を備えている
SiPMは、従来のシリコン基板に実装された単一光子アバランシェ ダイオード (SPAD) に基づく固体単一光子感度デバイスであるセンサーであり、単一光子レベルまでの低光信号の検知、タイミング、定量化の課題に対応できます。従来は光電子増倍管 (PMT) の分野に属していたSiPMは、現在ではPMTの低光量検出機能とソリッドステート センサーのすべての利点を兼ね備えた魅力的な代替手段を提供しています。SiPMは、低電圧動作、磁場に対する鈍感性、機械的剛性、優れた応答均一性が特徴です。これらの特性により、SiPMは医療用画像処理、危険および脅威の検出、バイオフォトニクス、高エネルギー物理学、LiDARの分野で実証済みのパフォーマンスを急速に達成しました。
SiPMを光電センサーとして使用すると、特にモバイル製品や大量生産製品の場合、APD、PINダイオード、PMTなどの代替センサー技術に比べて多くの利点があります。SiPMは、クエンチ抵抗が統合されたSPADセンサーが密集して配置された単一の感光性、高性能のソリッド ステート センサーです。高ゲイン（約1x106）、高検出効率（> 50%）、高速タイミング（ナノ秒未満の立ち上がり時間）を特徴としています。
光電子ゲインは一般に従来のPMTよりも明確であり、過剰ノイズ係数が非常に低くなるか無視できるほどになります。検出された光子の数が固定されている場合、SNR (信号対雑音比) はPMTよりも高くなります。対照的に、PMTのランダム ゲインでは通常、同じSNRを得るためにより多くの光子を検出する必要があります。多数のSPADを配置すると、ダイナミック レンジはPMTよりも数桁大きくなり、飽和することなく、より高速なイメージング レートやより高いSNRを実現できます。さらに、シリコンエレクトロニクスの大量生産により、SiPMの製造コストは真空管よりも低くなります。
高ゲイン、高帯域幅のSiPMセンサー
モノのインターネット (IoT) 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測距およびセンシング アプリケーションが増加しています。特に、自動車向けADAS、3D深度マッピング、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を使用すると、最小の電力予算で正確な測距を実現できます。OnsemiのSiPMは感度が高いため、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。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 モデルと、SiPMセンサーを備えたハードウェア測距プラットフォームを作成しました。SiPMセンサーの高ゲインと帯域幅を活用するために、dToFを使用すると、バッテリー寿命に影響を与えずに最大23メートルの正確な測距を実現できます。
Onsemiが発表したSiPMセンサーは、250 nmから1,100 nmまでの単一光子検出機能を備え、低電圧をサポートしてシステム要件を簡単に実装でき、低電力特性を備え、より低い動作電圧とシンプルな読み出し電子機器による低電力設計が可能で、高帯域幅と高速応答時間を備え、測距測定時間を最小限に抑え、低レーザー電力dToF測距技術を活用し、低ノイズと高ゲイン特性を備え、SNRが良好で、標準CMOS製造プロセスを採用し、低コストで、非常に均一かつスケーラブルな生産が可能で、小型サイドSMTパッケージを使用してわずか1 mmのセンサーを提供します。
SiPM dToF LiDARプラットフォーム開発キット
Onsemiが発表したSiPM dToF LiDARプラットフォーム開発キットは、完全な測距アプリケーションを示しており、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を理解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、アプリケーション開発を加速できます。
この高度に統合されたSECO-RANGEFINDER-GEVK開発キットは、SiPM dToFを使用するLiDARプラットフォームです。開発ボードはプラグアンドプレイ機能を提供します。これは、SiPM、単一の感光性、高性能、ソリッドステート センサー、およびシングルポイント距離計アプリケーション用の完全な開発キットで構成されており、コスト最適化を必要とする産業および商業アプリケーションに適しています。
この開発キットは、オンセミコンダクター社の最新のNIR SiPM (RBシリーズ) をベースにしており、レーザーとリファレンス回路 (Tx)、受信回路 (Rx)、電源管理システム、コアFPGAおよびUART通信を含むアプリケーションに不可欠なサブシステムなど、必要なすべてのシステム コンポーネントを統合しています。このキットには、距離測定性能の完全な評価と、SiPM-RB光電子増倍管のバッファパルス数やバイアス電圧などのシステム変数の調整を可能にする多機能GUIが含まれています。
SECO-RANGEFINDER-GEVK開発キットは、シングルポイント アプリケーションのdToF操作に使用でき、検出範囲は0.11 mから23 mです。調整可能なシステム変数と最適化されたシステム コストを備えた専用のユーザー フレンドリーなGUIにより、すぐに操作できます。内蔵のタイムツーデジタルコンバーター (TDC)、FPGA (ice3) に基づく約85psのビン幅、自動TDCキャリブレーション (FPGAリファレンス クロック)、USB (5V) やPMODコネクタ (3.3 V) などのさまざまな電源オプションのサポート、最適化されたシステム コストを備えています。
キットに使用されているレーザーおよび光学デバイスには、RBシリーズSiPMセンサー、905nmレーザーダイオードトランスミッター、650-1050nmコーティングされたBK7平凸レンズ（測定距離を最大化）、905± 5nmバンドパス光学フィルタ（FWHM: 30±選択されたスペクトルで最高の感度を達成できるRx用の5 nmの波長範囲を持つレーザー モジュールは、通常の動作条件および単一障害条件でのクラス1レーザー製品に対するBS EN 60825 1:2014の電力要件、およびレーザー安全規格IEC/EN 60825-1:2014と21 CFR 1040.10および1040.11 (レーザー通知番号56による逸脱を除く) に準拠しており、FDA認定を受けています。
この開発プラットフォームには、Bluetoothを備えたスケーラブルなシステムも含まれています。® 開発キット（BDK−GEVK）やその他のさまざまなセンサーやアクチュエーターを備え、さまざまな産業用および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や、FPGAベースのTDC、読み出し、通信インターフェース、2つの安定化バイアス電源の制御など、さまざまなソフトウェアを提供します。この開発プラットフォームは、屋内ナビゲーションおよび測距（検出距離最大23 m）、衝突検出、3Dマッピングなどのアプリケーションに使用できます。
結論
LiDAR関連技術が徐々に成熟するにつれて、コストは市場で許容できるレベルまで徐々に低下してきました。自動運転技術の発展と相まって、より多くの車が距離を検出し、衝突を回避し、3Dマッピングを作成するためにLiDARシステムを使用し始めています。さらに、消費者向け製品市場では、掃除ロボットやドローンなどの製品もLiDARの重要な応用分野であり、将来的に大きな市場の可能性を秘めています。関心のあるメーカーは、関連製品の開発への投資を加速し、市場機会をつかむ価値があります。