Sony präsentiert den branchenweit ersten Stacked SPAD-Tiefensensor für LiDAR-Anwendungen in Fahrzeugen

(Auszug aus der Pressemitteilung)

Atsugi, Japan, 06. September 2021. Die Sony Semiconductor Solutions Corporation kündigte heute die bevorstehende Markteinführung des Stacked SPAD-Tiefensensors IMX459 für LiDAR-Anwendungen in Fahrzeugen an. Der IMX459 nutzt das DToF (Direct Time of Flight)-Verfahren und ist der branchenweit erste Sensor seiner Art.1

Bei diesem Produkt sind die nur 10 μm großen, quadratischen SPAD (Single-Photon Avalanche Diode)-Pixel2 und die Verarbeitungsschaltung zur Abstandsmessung auf einem einzigen Chip untergebracht. Dies ermöglicht die Herstellung eines Sensors im kompakten Formfaktor 1/2,9″, der hochpräzise und schnelle Abstandsmessungen gewährleistet. Der neue Sensor verbessert die Erkennungsleistung von LiDAR-Systemen in Fahrzeugen, was erforderlich ist, um Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und autonomes Fahren (AD) großflächig einführen zu können. Damit leistet der Sensor einen Beitrag zur sicheren Mobilität der Zukunft.

LiDAR wird nicht nur für Sensorgeräte wie Fahrzeugkameras und Millimeterwellenradar-Systeme genutzt, sondern gewinnt auch zunehmend Bedeutung als ein Verfahren, mit dem sich der Straßenzustand äußerst präzise erkennen lässt, ebenso wie die Position und Form von Objekten, beispielsweise Autos und Fußgänger. Allerdings müssen noch einige technische Hürden genommen werden, bis LiDAR an Fahrt gewinnen und sich auf dem Markt durchsetzen kann. Nötig sind etwa weitere Verbesserungen bei der Abstandsmessungsleistung; höhere Sicherheit und Zuverlässigkeit unabhängig von der Einsatzumgebung und den Einsatzbedingungen; sowie die Umstellung auf ein Solid-State-Design4, um eine kompaktere Bauweise zu erreichen und die Kosten zu senken. Eine Reihe von Initiativen ist im Gang, um diese Herausforderungen zu bewältigen.

Bei der Abstandsmessung nach dem LiDAR-Prinzip gibt es verschiedene Verfahren. Der IMX459 nutzt SPAD-Pixel als eine Art Detektor in einem DToF-Sensor, der die Entfernung zu einem Objekt misst, indem er den Laufzeitunterschied (die Zeitdifferenz) zwischen dem Aussenden eines Lichtimpulses von einer Quelle und der ankommenden Reflexion ermittelt. Durch den Einsatz von Technologien, die Sony im Zusammenhang mit seinen CMOS-Bildsensoren entwickelt hat – wie etwa rückwärtig beleuchtete Pixelstrukturen, Stapel-Anordnungen und Cu-Cu-Verbindungen5 –, ist Sony die Konstruktion einer einzigartigen Komponente gelungen, die die SPAD-Pixel und die Verarbeitungsschaltung zur Abstandsmessung auf einem einzigen Chip vereint. Dieses Design trägt dazu bei, dass die quadratischen Pixel nur 10 μm messen, was wiederum ein kompaktes Format und eine hohe Auflösung von ca. 100.000 effektiven Pixeln bei einem Formfaktor von 1/2,9″ ermöglicht. Darüber hinaus bietet der Chip eine verbesserte Photonen-Detektionseffizienz und ein besseres Ansprechverhalten für eine schnelle und hochpräzise Abstandsmessung mit einer Entfernungsauflösung von 15 Zentimetern bei großen wie auch kleinen Entfernungen. Das Produkt entspricht den funktionalen Sicherheitsstandards für Automobilanwendungen und macht damit zuverlässigere LiDAR-Systeme möglich, während die Single-Chip-Konstruktion zu kompakteren und kostengünstigeren LiDAR-Anwendungen beitragen kann.

Ein Video zum SPAD-Tiefensensor gibt es hier zu sehen:

Hauptmerkmale

Schnelle, hochpräzise Abstandsmessung dank gestapelter Anordnung mit 10 μm großen quadratischen SPAD-Pixeln und Verarbeitungsschaltung zur Abstandsmessung
Dieses Produkt hat einen gestapelten Aufbau, bei dem der rückseitig beleuchtete SPAD-Pixelchip (oben) und der Logikchip mit der Verarbeitungsschaltung zur Abstandsmessung (unten) für jedes Pixel über eine Cu-Cu-Verbindung verbunden sind. Dies ermöglicht eine Anordnung, bei der die Schaltung auf der Unterseite des Pixelchips platziert ist, was zu einem hohen Öffnungsverhältnis6 bei kleiner Größe der quadratischen Pixel (10 μm) führt. Außerdem verwendet das Produkt eine Lichteinfallsebene mit Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche, die das einfallende Licht brechen, um die Absorptionsrate zu erhöhen. Diese Eigenschaften bewirken eine hohe Photonen-Detektionseffizienz von 24 % bei der Wellenlänge von 905 nm, die üblicherweise in LiDAR-Laserlichtquellen für Fahrzeuge verwendet wird. Dadurch ist es beispielsweise möglich, weit entfernte Objekte mit niedriger Reflexionsrate in hoher Auflösung und Entfernungsauflösung zu erkennen. Darüber hinaus ist auf dem Schaltungsteil eine aktive Ladeschaltung mit einer Cu-Cu-Verbindung für jedes Pixel angebracht, was im Normalbetrieb eine Reaktionsgeschwindigkeit von ca. 6 Nanosekunden7 für jedes Photon ermöglicht.
Dieser einzigartige gestapelte Aufbau erlaubt eine schnelle, hochpräzise Abstandsmessung mit einer Entfernungsauflösung von 15 Zentimetern sowohl im Nah- als auch im Fernbereich. Dies trägt zu einer besseren Erkennungsleistung von LiDAR-Anwendungen in Fahrzeugen bei.

Sony IMX459 Bildbeispiel (Punktewolke)

Die Einhaltung funktionaler Sicherheitsstandards für Automobilanwendungen trägt zu höherer Zuverlässigkeit von LiDAR-Anwendungen bei
Das Produkt erfüllt die Anforderungen der Zuverlässigkeitstests für elektronische Bauelemente in Fahrzeugen nach AEC-Q100 Grade 2 und soll entsprechend zertifiziert werden. Zudem hat Sony einen Entwicklungsprozess eingeführt, der mit den Automobil-Standards für funktionale Sicherheit ISO 26262 konform ist und den Sicherheitsanforderungen nach ASIL-B(D) für Funktionen wie Fehlererkennung, Benachrichtigung und Kontrolle genügt. All dies wird zu einer erhöhten Zuverlässigkeit von LiDAR-Systemen beitragen.

Technische Daten

LiDAR-Referenzdesign mit mechanischer Abtastung
Sony hat außerdem ein LiDAR-Referenzdesign mit mechanischer Abtastung8 entwickelt, das mit diesem neuen Produkt ausgestattet ist und jetzt Kunden und Partnern angeboten wird. Mithilfe dieses Designs können die Kunden und Partner im LiDAR-Entwicklungsprozess Arbeitsstunden einsparen und durch die Optimierung der Geräteauswahl die Kosten senken.

1 Als Stacked SPAD-Tiefensensor für LiDAR-Anwendungen in Fahrzeugen. Zum Zeitpunkt dieser Ankündigung am 6. September 2021.
2 Eine Pixelstruktur, die die Lawinenvervielfachung nutzt, um Elektronen aus einem Einzelphoton zu verstärken und so eine lawinenartige Kaskade zu erzeugen.
3 Basierend auf der Methode zur Angabe der effektiven Pixelzahl von Bildsensoren.
4 Elektronische Bauteile und Geräte ohne mechanisch bewegliche Teile, die auf Halbleitertechnologie basieren.
5 Eine Technologie, die beim Stapeln der Pixelfläche (oberer Chip) und der Logikschaltungen (unterer Chip) die elektrische Durchgängigkeit durch verbundene Cu (Kupfer)-Pads gewährleistet. Im Vergleich zu Durchkontaktierungen (TSV), bei denen die Verbindung durch Elektroden am Umfang der Pixelfläche hergestellt wird, bietet dieses Verfahren mehr Flexibilität beim Design, verbessert die Produktivität, ermöglicht eine kompaktere Größe und steigert die Leistung.
6 Fläche (im lichtdurchlässigen Bereich) von der Lichteinfallsseite pro Pixel betrachtet.
7 Bei einer Umgebungstemperatur von 85 °C.
8 Ein Verfahren, das es ermöglicht, einen von einer Laserdiode ausgesandten Laserstrahl durch Rotation eines Polygonspiegels in hoher Geschwindigkeit horizontal abzutasten.