激光雷達領域的新秀利器—SPAD23

激光雷達（LiDAR）技術以其精準的距離測量和三維建模成像能力，在多個行業中發揮著重要作用。這項技術主要通過發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據。不僅能夠進行測距還能進行復雜場景的計算成像等等。

激光雷達技術已廣泛應用于以下行業：地理空間測繪、考古學、自動駕駛車輛、農業、林業管理、城市規劃、災害管理、建筑和建筑管理、交互式媒體和藝術、太陽能和風能項目、軍事和國防、礦業和地質學、基礎設施和建設、大氣研究、機器人技術、制造業、能源行業等等

時間飛行（ToF）技術是一種測量物體距離的方法，它通過計算光波從發射到反射回傳感器所需的時間來確定空間信息。ToF系統通常包括發射器（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）：這種方式則發射連續調制的光波，通過測量發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系到回波光子是否能夠被成功的捕獲到，從有足夠的數據支撐zui終結果的測算。

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生的光電流來實現單光子檢測。這種探測器在被觸發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重要的作用

• 增強距離測量能力：在激光雷達系統中，距離的測量依賴于精確地檢測發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量有限，降低了系統的整體性能，

  
  

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

  
  

• 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。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單光子計數器（TDC）來使用，這就意味著會大大增加激光雷達系統的體積，但是激光雷達系統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，改善了傳統單點SPAD面積小的限制。并且突破了陣列探測器中絕大多數都無法突破的技術難題：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的內部內置了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，這遠比傳統形式的SPAD＋多通道計數器的組合體積更小許多。

針對其實際表現，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據精細計算，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域的新秀力量。

如您對設備的實際表現感興趣，可聯系我司的相關負責人，申請設備現場Demo。

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