全自動駕駛汽車的引進已經慢到了爬行的地步。盡管如此，后視攝像頭和自動泊車系統等技術的引入，正幫助汽車行業朝著4級自動駕駛方向不斷進步，同時也提升了駕駛員輔助功能。

為此，東芝公司開發了一種緊湊、高效的硅光倍增器（silicon photo-multiplier，SiPM），使非同軸激光雷達能夠使用現成的相機鏡頭，從而降低成本，并有助于實現固態、高分辨率的激光雷達。

汽車激光雷達（光探測和測距）通常使用旋轉激光360度掃描車輛環境，方法是將激光脈沖從周圍物體上反射回來，并測量反射光的返回時間來計算它們的距離和形狀。生成的point-cloud地圖可與靜止圖像、雷達數據和GPS結合使用，以創建車輛行駛區域的虛擬3D地圖。

然而，高端的激光雷達系統可能很貴，盡管也有便宜的版本，但價格通常在80000美元以上。目前這一領域的領導者是Velodyne，它的激光器安裝在車頂的塔架上以機械方式旋轉。

Illustration: ToshibaA large number of smaller SiPMs are integrated to create a dense 2D array for high sensitivity scanning, while dual data converters employing combined ADC and TDC circuitry are shrunk in order to deal with increased data load on a smaller device.

具體如何實現呢？

一般來講，SiPM具有很高的光敏性，因此適于遠距離探測。然而，由SiPM組成的光接收電池在被觸發后需要一定的恢復時間。

另外在強環境光條件下也需要大量的光接收電池，這是因為它們必須具有備用單元才能及時對反射的激光做出響應。

而東芝SiPM，就是采用單光子雪崩二極管（SPAD）技術的固態光傳感器。它包含多個SPAD，每個SPAD由一個淬滅電路（AQC）控制。當SPAD檢測到光子時，SPAD陰極電壓會降低，但AQC會重置并將SPAD電壓重新啟動到初始值。

“典型的SiPM恢復時間是10到20納秒，”東芝技術項目負責人Tuan Thanh Ta說。“通過使用這種強制或主動淬火方法，我們的速度提高了2到4倍。”

這樣光接收電池工作效率更高，就意味著所需的電池數量更少，從以往的48個減少到只有2個，從而生產出尺寸僅為「25μm×90μm」的設備。這個尺寸要小得多，這些傳感器的小尺寸使東芝能夠創建一個高靈敏度的密集二維陣列，這是遠程掃描所必需的。

該公司表示：這樣比比尺寸為100μm×100μm的標準設備小得多。這些傳感器的小尺寸使得東芝能夠創建一個密集的二維陣列，以實現高靈敏度，這是遠距離掃描的必要條件。

不同于同軸激光雷達系統中使用的一維光子接收器，東芝創建的二維陣列，其二維長寬比與商業相機中使用的光傳感器一致。

這就意味著，可以利用現成的普通相機鏡頭來降低成本，而不是像同軸激光雷達系統那樣，使用一個昂貴的定制鏡頭來傳輸。

此外，還需要大型多個讀出電路通道來讀取高分辨率數據，其中包括用于長距離掃描的模擬數字轉換器（ADC）和用于短距離的時間數字轉換器（TDC）。

東芝通過在單個電路中同時實現ADC和TDC功能來克服了這個問題，與傳統的雙數據轉換器芯片相比，其尺寸減小了80％（減小到50μmx60μm）。

Tuan Thanh Ta表示，東芝這款激光雷達，最大有效探測距離可達200米，達到了自動駕駛L4技術標準，是目前市場上固態激光雷達探測能力的4倍。

澳大利亞昆士蘭理工大學機器人中心的跨學科研究者兼副主任Michael Milford表示：“探測范圍等因素很重要，尤其是在高速公路等高速環境中。因此，可以看出，這些（東芝的試驗結果）在商業關聯性方面非常重要的屬性。”

Illustration: ToshibaNon-coaxial Lidar uses separate optical paths for sending and receiving light source, enabling a commercial lens to be used with a 2D sensor

由于東芝公司的SiPM采用的是二維陣列，與同軸激光雷達系統中使用的一維光子接收器不同，Ta指出，它的2D寬高比與商用相機中使用的光傳感器相當。因此，現成的標準，長焦和廣角鏡頭可以用于特定的應用，有助于進一步降低成本。

相比之下，同軸激光雷達使用相同的光路來發送和接收光源，因此需要一個昂貴的定制透鏡來傳輸和收集接收到的光并將其發送到1D光子接收器，Ta解釋道。

但正如Milford所指出的，“如果4級以上的道路自動駕駛成為現實，我們就不太可能有廣泛的解決方案和傳感器配置。因此，（東芝傳感器）的這種靈活性可能更適用于其他領域，如無人機和越野自動駕駛車輛，因為這些領域的可變性更大，使用現有硬件更為重要。”

目前，東芝仍在致力于提升其SiPM性能，計劃將于2022財年引入實際應用。東芝高級研究科學家Akihide Sai如此表示，他負責監督SiPM項目。盡管他拒絕回答東芝是與汽車制造商合作，還是將生產自己的固態激光雷達系統，但他表示，東芝將向其他公司提供SiPM設備。

他補充道，“我們還看到它被用于無人機的自動導航和用于基礎設施監控的機器人，以及工廠自動化應用中。”

但QUT的Milford指出了這一點。“自主汽車技術和傳感技術的許多進步，特別是在成本、體積和功率使用方面，只有在4級以上駕駛的總體挑戰得到解決時，才會變得最相關。它們本身并不是促成這種情況發生的關鍵缺失部分。”