车载LiDAR用SPAD dToF方式距离传感器

概述

为了普及高级辅助驾驶系统（ADAS）、实现自动驾驶，能够对道路状况及车辆、行人等对象物体的位置及形状进行高精度检测/识别的车载LiDAR（Light Detection and Ranging：光探测和测距）的重要性日益凸显。
SPAD（Single Photon Avalanche Diode：单光子雪崩二极管）是一种利用了“雪崩倍增”原理的像素结构，它从入射的1个光子着手，使电子如雪崩一般增长，因此在微弱光线下也能进行检测是其一大特长。通过将其作为SPAD dToF方式距离传感器的受光元件，可以检测到从光源发出后被对象物体反射的光到达图像传感器的光飞行时间（时间差），从而测量出与对象物之间的距离，即可实现长距离而且高精度的距离测量。

本产品通过有效利用索尼半导体解决方案公司(下称、”SSS"）在CMOS图像传感器开发过程中培育而成的背照式、堆栈式、Cu-Cu（铜-铜）连接^*1等技术，将SPAD像素与测距处理电路集成在1个芯片上，实现了小型化且高分辨率。凭借这款产品，能够以15cm的间隔^*2、高精度而且高速地测量最大达300m的距离。另外，在各种温度环境和天气状况等车载用途所要求的苛刻条件下，也能提高检测的可靠性，而单芯片化则非常有助于降低LiDAR的成本。

IMX459通过实现高分辨率，可在更长300米的距离内，以15厘米为间隔^*2进行高精度和高速测量。此外，还能应对多样化的温度环境和天气等，在车载用途所要求的严苛条件下提升了可靠性，同时，通过单芯片化还降低了LiDAR的成本。

IMX479将新研发的测距处理电路与SPAD像素整合到同一芯片中，不仅实现了10μm的微小像素尺寸，还在拥有520dToF像素高分辨率的情况下达到了20fps的高速帧率。

*1）是指对像素芯片（上部）与逻辑芯片（下部）进行积层堆叠时，通过两个Cu（铜）片之间的连接而导通电流的技术。与通过像素区域外周的贯通电极进行上下芯片连接的TSV（硅贯通电极）相比，可提高设计自由度和生产效率，还能够实现小型化、高性能化等。
*2）在白天阴天条件下，以6像素（H）×6像素（V）的加算模式测量高度1米、反射率10%的对象物时。

特点

[IMX459]

以15cm的间隔高精度测量上限300米的距离

利用Cu-Cu连接，实现了采用背照式SPAD像素结构的像素芯片（上部）与搭载测距处理电路等的逻辑芯片（下部）的各个像素的导通。这样，将受光像素以外的电路部配置在下部后就可以提高开口率^*3，实现24%的高光子检测效率，此外，虽然芯片尺寸较小，但10μm的像素尺寸可达到约11万的有效像素数（189像素x600像素），实现了高分辨率。以15cm的间隔可高精度地测量上限300米的距离，有助于LiDAR检测、识别性能的提升。

*3) 平均每个像素的从光入射面一侧看到的开口部分（遮光部以外）与像素面积的比例。

[IMX479]

同时实现高精度和高速测距

IMX479为提升线扫描方式的精度，将下限3×3（水平×垂直）的SPAD像素组合作为一个dToF像素使用。同时，凭借自研的元器件结构设计，使其在520 dToF像素高分辨率⁠^*4SPAD距离传感器中实现了更快⁠^*4可高达20fps的帧率⁠^*5。
将通过实现车载LiDAR的高分辨率和高速测距性能，满足先进驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶（AD）的普及需求，并为实现安全、安心的未来移动出行贡献力量。

*4) 根据SSS调查（截至2025年6月10日新闻发布时）。
*5) 帧率会因水平方向的FoV（Field of View）或分辨率的不同而有所变化。

520dToF像素SPAD深度传感器实现最高^*4达20fps的帧率

IMX479通过使用Cu-Cu连接的堆栈结构，将背照式dToF像素芯片（上层）和搭载新开发的测距处理电路等的逻辑芯片（下层）封装在单个芯片上。由此，在保持10平方微米的小像素尺寸下，实现了520dToF像素的高分辨率。此外，此次新开发的测距处理电路可以并行处理多个任务，提高了传感器的处理速度。
凭借在上述技术，520dToF像素SPAD深度传感器实现了更快^*4达20fps的帧率输出。同时，在垂直方向上实现了相当于0.05度的角分辨率，使垂直方向的检测精度相比传统产品^*5提高了约2.7倍^*6。在车载激光雷达关键的三维目标监测中，可以准确识别250米外、仅25厘米高的物体（如掉落在道路上的轮胎）。

*6) 与本公司的1/2.9型、有效像素约为10万的车载LiDAR用堆栈式SPAD dToF方式距离传感器“IMX459”比较。

实现5厘米间隔的高距离分辨率

新产品的测距处理电路可独立处理每个SPAD像素的数据并计算距离，使激光雷达的距离分辨率提高到了5厘米间隔。

37％的高光子探测效率，上限最远可探测300米外的目标

IMX479对像素的光入射面和底面进行了不规则设计，并优化了透镜形状。通过折射入射光来提高吸收率，使车载激光雷达光源常用的940纳米波长达到了37％的光子探测效率。因此，即使在100,000lux以上的强光背景光环境下，也可以高精度地探测和识别上限300米外的目标物体。

IMX459, IMX479

什么是direct Time of Flight方式（dToF）？

是距离测量方式之一，该方式是通过对从光源发出并被对象物体反射的光线到达图像传感器为止的飞行时间（时间差）进行检测，进而测量出与对象物体之间的距离。
在采用dToF方式的距离传感器中，使用了对单一光子进行检测的SPAD像素，可实现长距离而且高精度的距离测量。

SPAD（Single Photon Avalanche Diode）像素的原理

在采用dToF方式的测距传感器中，使用了对单一光子进行检测的SPAD像素。通过对SPAD像素内的电极施加击穿电压（VBD）^*7，然后再设定超过该击穿电压的超额偏压（VEX）^*8，并在这一状态下射入光子，经由光电转换产生的电子将会凭借雪崩倍增效应而大幅增加。之后，如果电极间的电压降至击穿电压的水平，雪崩倍增就会停止。通过雪崩倍增效应产生的电子将被释放，直至恢复到击穿电压的水平（淬灭处理），然后再次将电极间的电压设定为超额偏压后，就将恢复到可检测光子的状态（充电处理）。像这样，以光子的到来时刻为开始点的电子倍增处理被称为“盖革模式”。

*7) 开始发生雪崩倍增的电压。
*8) 超过击穿电压（VBD）的电压。

遵循车载用途所要求的功能安全标准，为提高LiDAR的可靠性做出贡献

IMX459与IMX479都穫得了汽车电子零部件可靠性试验标准“AEC‑Q100”的“Grade 2”的认证。并导入而且，还导入了符合汽车功能安全标准“ISO 26262”的开发流程，在故障检测、通知、控制等方面可以满足等级“ASIL-B(D)”的功能安全要求。通过这些措施，为提高LiDAR的可靠性做出贡献。

产品阵容

Product	Number of effective pixels	Image Size [Type]	Pixel Size V=H[μm]	Dead Time [ns]	PDE (Photon Detection Efficiency) [%]	I/F
New IMX479	164K	1	10.08	Approx. 6 ns	37 λ=940nm	MIPI CSI-2
IMX459	100K	1/2.9	10.08	TBD	24 λ=905nm	MIPI CSI-2

规格

Product Specifications
Model name	New IMX479	IMX459
Number of effective pixels	105(H) x 1560(V) 164K SPAD pixels	597(H) x 168(V) 100K SPAD pixels
Vertical effective dToF pixel count	520 dToF pixels	192 dToF pixels
Element size	3(H) x 3(V) SPAD pixels	3(H) x 3(V) SPAD pixels
Image size	Diagonal 15.8 mm (Type 1)	Diagonal 6.25 mm (Type 1/2.9)
Unit cell size	10.08 µm(H) x 10.08 µm(V)	10.08 µm(H) x 10.08 µm(V)
Substrate material	Silicon	Silicon
Operation mode	Line mode	Line mode / Array mode

技术

ToF（Time of Flight）

单击此处了解有关本产品組中安装的ToF（Time of Flight）的技术信息。

应用

车载摄像头/LiDAR

该产品被广泛用于车载摄像头/LiDAR。

车载LiDAR用
SPAD dToF方式距离传感器

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