當(dāng)下，車載激光雷達(dá)在跨越鴻溝的商業(yè)路徑上越走越快，很多從業(yè)者對905/940 nm下TOF方案的探測器選擇上出現(xiàn)了一些共性討論，話題主要集中在“SiPM” 和 “SPAD”這兩個常見的稱呼上。作為兩者均有產(chǎn)品布局的濱松中國，我們也收到很多關(guān)于這兩個器件技術(shù)底層差異辨析的咨詢，不僅激光雷達(dá)行業(yè)的從業(yè)者，連主機(jī)廠或Tier1的用戶也紛紛提出了疑問。這些問題包含不限于以下幾個方向：

問題提問的角度不同，但是聚焦的核心無非就是：SiPM和SPAD是什么，它們倆的使用區(qū)別以及基于兩種產(chǎn)品研發(fā)出來的雷達(dá)模塊的差異。進(jìn)一步就是要做激光雷達(dá)，我要做什么樣子的路線選擇，要選擇使用激光雷達(dá)，面對兩種主流方案，我該怎么選擇的問題。

為了幫助行業(yè)朋友更好的理解這兩個器件，我們決定出一篇較為詳細(xì)的對比文字，期待可以為行業(yè)同仁更清楚的理解這兩個產(chǎn)品類型，做出一點(diǎn)點(diǎn)貢獻(xiàn)。

本文的目標(biāo)受眾是，對SiPM和SPAD之間的差異還有疑惑，或者對它們雙方的差異到底是哪里不甚明了的朋友。芯片行業(yè)專家和同行可以快速瀏覽或直接略過。畢竟，在當(dāng)下的環(huán)境，用有限的時間投入到自身差異化競爭策略，進(jìn)一步爭取做出非同質(zhì)（不內(nèi)卷）技術(shù)和產(chǎn)品才是每一家企業(yè)發(fā)展的王道。那么，請跟我們一起去探求SiPM和SPAD的差異吧。

要論證SiPM和SPAD這兩種器件，我們需要從定義入手，認(rèn)知事物最直接的路徑往往都需要從定義入手。很多問題，當(dāng)我們逐字不落地通讀之后就發(fā)現(xiàn)自己的理解進(jìn)了一步。SiPM的定義和結(jié)構(gòu)

SiPM：全稱Silicon Photomultiplier，這個名字最早從哪里出來的呢？作為單光子探測器的鼻祖產(chǎn)品，光電倍增管(Photomultiplier簡稱PMT)可謂是一個劃時代的標(biāo)志。這個產(chǎn)品是基于真空光電子技術(shù)，通過光電陰極的光電轉(zhuǎn)換疊加后續(xù)倍增級放大，實(shí)現(xiàn)單光子事件檢出的一個光電探測器產(chǎn)品。隨著Si半導(dǎo)體技術(shù)和材料的演進(jìn)，半導(dǎo)體器件也逐步具備了這個單光子級別的檢出限，為了在大型醫(yī)療診斷裝置-PET（Positron Emission Tomography ，即正電子發(fā)射斷層掃描儀）對光電倍增管(photomultiplier)形成沖擊和替換，就形成了硅基（Si）光電倍增管（PM）的名稱。它的形態(tài)就是在蓋革模式下運(yùn)行的多個雪崩光電二極管(APD) 像素的陣列集合。從左到右，逐級分解的樣子如下，它是多個蓋革模式APD的并聯(lián)集合，由于每一個蓋革APD都具備光子檢出能力，同時多個并聯(lián)就具備的同時檢出多光子幅度的檢出能力（也可以理解為動態(tài)范圍，同時間檢出多少個光子量的能力）。

圖1 上述圖例來源：濱松S15639-1325PS，COB封裝1通道SiPM，左圖=實(shí)物產(chǎn)品圖片，中間=放大版結(jié)構(gòu)圖，每一個點(diǎn)都是蓋革模式APD，右圖=等效的結(jié)構(gòu)；簡單來說，S15639-1325PS作為單通道SiPM，它內(nèi)部并聯(lián)了2120個蓋革模式的APD，并匯總到一路進(jìn)行輸出

SPAD的定義和結(jié)構(gòu)

SPAD：Single Photon Avalanche Diode，它是一個工作在蓋革模式下的雪崩光電二激管APD（Avalanche Photo Diode）；從名稱上看，1個SPAD=1個APD進(jìn)入蓋革工作區(qū)域，單獨(dú)1個SPAD僅僅輸出的結(jié)果就是“無光子=0”或者“有光子=1”，如果1個SPAD進(jìn)入2個或者多個光子，它也只能輸出“有光子=1”的結(jié)果。但是自然界的光有強(qiáng)弱，強(qiáng)光環(huán)境下，為了獲得多光子事件的信息，一般會把多個SPAD分成小組（binning），比如3*3（3橫3縱）9個SPAD 作為一組進(jìn)行使用，這樣一個小組就具備了0-9的輸出的組動態(tài)范圍。

圖2 上述圖例來源 日本SONY公司開發(fā)的SPAD SOC產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和DEMO點(diǎn)云展示圖

圖3 IMX459芯片簡要規(guī)格書比如我們拿市面上較為有代表性的SONY索尼發(fā)布的IMX459 TOF-SPAD傳感器為例，純SPAD是指代的紅框部的物理層，它的直接感光區(qū)域構(gòu)成，是一個由Vertical垂直方向168個SPADs，Horizontal水平方向上597個SPADs構(gòu)成的陣列。597按照3*3一組使用，可以出199組數(shù)據(jù)，去掉部分邊緣像素，再調(diào)轉(zhuǎn)90°使用，這也是為什么目前出現(xiàn)了清一色的192線激光雷達(dá)的原因。如果按照6*6一組使用，則可以出現(xiàn)99.5組數(shù)據(jù)，這也是為什么出現(xiàn)了96線激光雷達(dá)的原因。（我們這里就清楚了，作為我們常說的SPAD方案，同一個sensor可以通過分bin模式改變等效線束）。

圖4  上圖每個顏色所代表的3*3都是基于SPAD的工作組，黑色中心表示輸出電極，輸出電極和SPAD像素?cái)?shù)量一一對應(yīng)。假設(shè)把3*3的一個區(qū)域可輸出的信號合成1個統(tǒng)一讀出，那它本質(zhì)上等同于由9個SPAD構(gòu)成的單通道SiPM。SPAD和SiPM的結(jié)構(gòu)關(guān)系可以參考下圖。

圖5 SPAD 和 SiPM的結(jié)構(gòu)關(guān)系
至此，我們可以明確地知道，SiPM和SPAD的最小的感光單元，都是單通道的蓋革模式的雪崩二極管，從物理層面上完全是同樣的東西。而SiPM是將成百數(shù)千個蓋革雪崩二極管放在一起并起來，最后內(nèi)置1個電極輸出帶有動態(tài)幅度分辨能力的模擬信號。而SPAD是將固定比例的N*N（一般都是3*3 =9個or 6*6=36個 ）的蓋革雪崩二極管的通過電子學(xué)后的3*3 or 6*6 路的輸出合并在一路以數(shù)字信號進(jìn)行解析。SiPM和SPAD更多的區(qū)別在于使用“前融合模擬量”還是用“后融合數(shù)字量”去獲得有效信號。故此，SiPM更好還是SPADs（為了體現(xiàn)分組使用這個特點(diǎn)，筆者增加了一個小s代表多個SPAD一定分組使用）更好，更多的是取決于用戶希望得到什么階段程度的信息量，或者希望在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，對什么信息施加什么類型的影響。那么這句話，如何更好的理解呢？

SiPM和SPAD對信號處理的過程

我們進(jìn)一步看一下SiPM和SPADs對信號處理的過程。

圖6  SPAD和SiPM 感光層和電子學(xué)對應(yīng)關(guān)系圖從左側(cè)圖可以看出，每個單獨(dú)的電子學(xué)pad需要1對1的分布在每個SPAD的下方，同時電子學(xué)物理Size需要在SPAD Pixel尺寸以內(nèi)，ASIC工藝節(jié)點(diǎn)也需要較為先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)（成本較高）去支撐小尺寸的SPAD 陣列。從右圖可以看出，SiPM直接連接到1個Pad上，單個SiPM的電子學(xué)ASIC功能可以不受單個SPAD像素尺寸的制約，工藝節(jié)點(diǎn)上相對成本更低。從使用角度看，如何獲得真實(shí)被測物體的反射光，并進(jìn)一步解析呢？

圖6中左側(cè)的SPADs依靠出廠配置好的電子學(xué)部分的處理能力，由于單獨(dú)1個SPAD被激發(fā)有可能是噪聲干擾，需要在一個組內(nèi)識別至少2個像素以上（可以更多）的SPAD被同時激發(fā)的時候才可以被認(rèn)為的真的信號。

① 3路SPAD比較器分別識別該路SPAD是否接到回波光。通過內(nèi)置的時間校正電路將接收到回波信號時間與相鄰信道進(jìn)行比較。當(dāng)同時多個SPAD產(chǎn)生信號的時候，被認(rèn)為是有真實(shí)的信號，時間校正電路中同時被激發(fā)SPAD數(shù)量可配置。

② 當(dāng)多個SPAD在同一時間檢測信號時，這些信號視為信號。從其他通道延遲的信號被認(rèn)為是噪聲；

③ 信號的時間用高精度TDC來測量。

圖7 SPADs信號讀出原理結(jié)構(gòu)
圖6中右側(cè)的SiPM方案，由于內(nèi)置了多個SPADs并聯(lián)接入到一個電子學(xué)通路中，SiPM方案天然可以同時接到等效于SPADs數(shù)量的光子量，從輸出的脈沖幅值高度可以判定反射光強(qiáng)度信息，依靠基于可配置的多路比較器，在模擬量階段，最大限度卡掉可能造成誤判的噪聲來獲得信號。① 比較器的閾值可以區(qū)分模擬量的輸出值。低于比較器閾值的輸出為噪聲，高于該閾值的值為信號。② 信號的時間用高精度TDC來測量。

圖8 SiPM信號讀出原理圖

故此，是依靠時間相關(guān)矯正電路去區(qū)分信號和噪聲，還是依靠可配置多路比較器的閾值篩選信號和噪聲，就是SPADs方案和SiPM方案獲得有效信號方式之間的關(guān)鍵區(qū)別。進(jìn)一步解讀，就是SPADs方案下，誰定義了電子學(xué)算法，誰可以決定激光雷達(dá)輸出的原始結(jié)果。SiPM方案則是誰能更好對模擬量進(jìn)行基于多路比較器的配置讀出，誰可以定義激光雷達(dá)的輸出的原始結(jié)果。那么在如何選擇的問題上，可以通過詢問自己“要獲得的是芯片直接處理完畢的距離信息（SPADs）”or“要獲得的是用戶自己對距離信息獲取過程的定義權(quán)（SiPM）”這兩個的問題進(jìn)行區(qū)分。這就是在兩種方案之間做選擇的金標(biāo)準(zhǔn)。
SiPM和SPAD各項(xiàng)參數(shù)對比

現(xiàn)在我們理解了SiPM和SPADs之間物理層和使用層之間的核心差異后，我們總結(jié)了如下簡要的結(jié)論對比：表1 SiPM和SPAD各項(xiàng)參數(shù)對比

常見的疑惑和解惑

進(jìn)一步我們回過頭來，看看那些讓人經(jīng)常誤解或者不清楚的問題。

常見問題1： 恢復(fù)時間（Recovery time）

疑惑：SPADs相對SiPM恢復(fù)時間更快？恢復(fù)時間越快越好？

解惑：如下

 圖9 左側(cè)是SiPM方案典型電路構(gòu)成，右側(cè)是SPADs方案典型電路構(gòu)成

• 從電子學(xué)電路角度，SPADs和SiPM在使用方式上，最本質(zhì)的區(qū)別在于從一定數(shù)量的SPAD像素中收集到的信號是以數(shù)字的方式進(jìn)行合并，還是以模擬的方式進(jìn)行合并，沒錯，這就是用法上唯一的區(qū)別；

• 單通道SPAD=1ch蓋革模式的APD的構(gòu)造一模一樣；

• 如果增益Gain是一樣的，那么恢復(fù)時間Recovery Time本身就是一樣的；而不是說天然的SPADs本身就比SiPM具有更好的恢復(fù)時間。從參數(shù)上看，等增益的SiPM和SPADs的恢復(fù)時間是一樣的。

那么恢復(fù)時間是不是越快越好？理論上是，但是實(shí)際上我們會遇到一個Latching問題。

從物理公式上看，Recovery time 取決于Cj x Rq time constant. Cj取決于單個SPAD尺寸和耗盡層厚度，是一個隨著工藝的固定量，故此Rq的參量需要謹(jǐn)慎配置，以保證足夠的增益下能恢復(fù)且不發(fā)生Latching問題。何為Latching現(xiàn)象？信號Latching是指在SPADs（蓋革模式APD）中，一旦檢測到光子，探測器會進(jìn)入一種持續(xù)的高電平狀態(tài)，直到被外部信號復(fù)位。這種現(xiàn)象通常是由于探測器內(nèi)部過強(qiáng)的雪崩效應(yīng)導(dǎo)致的，即使光子事件已經(jīng)結(jié)束，探測器仍然保持激活狀態(tài)。Latching會影響探測器的正常工作，因?yàn)樗鼤?dǎo)致探測器在一段時間內(nèi)無法響應(yīng)新的光子事件。在激光雷達(dá)應(yīng)用上，Latching現(xiàn)象可能導(dǎo)致錯誤的探測結(jié)果，增加虛警率。因此，理解和控制Latching對于提高探測系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。

圖10 不同Cj Rq參數(shù)配置下的輸出結(jié)果

• 當(dāng)恢復(fù)時間過快，很容易引發(fā)圖10中右側(cè)的問題，導(dǎo)致蓋革狀態(tài)無法猝滅或解除。持續(xù)有電流輸出，同時節(jié)溫升高，導(dǎo)致Vbr和Vex改變。

• 故SPAD中的Rq的配置需要考慮到Latching問題。故此恢復(fù)時間不一定越快越好，過快則發(fā)生Latching問題的概率也就越大。如何配置考驗(yàn)每個廠家的設(shè)計(jì)思路和對自己器件的理解。

常見問題2：SPAD的尺寸在恢復(fù)時間中的角色

疑惑：恢復(fù)時間的關(guān)系和SPAD的尺寸有強(qiáng)相關(guān)性？

解惑：是的！

圖11 SPAD尺寸和恢復(fù)時間的關(guān)系而其背后的邏輯還是回到Gain增益這個參數(shù)；SPAD SIZE越小→Gain越小→恢復(fù)時間越快。（復(fù)習(xí)，恢復(fù)時間僅和Gain增益相關(guān)）。濱松S15639 系列實(shí)測數(shù)據(jù)為例，25μm SPAD：46 ns 15μm SPAD：23 ns 10μm SPAD：10 ns（2024年12月工程樣品） 恢復(fù)時間的定義：90%下降到10%的Slow Pulse的時間（如圖11右側(cè)圖例所示）

常見問題3：探測器死時間 “Dead Time”

疑團(tuán)：恢復(fù)時間≠死時間，恢復(fù)時間=死時間？ 

解惑：如下

圖12 SPAD SiPM時間特性對比簡單而言，由于使用方式的不同，1ch SiPM內(nèi)置了多數(shù)的SPAD，針對單SPAD而言，Recovery time = Dead time這對單SiPM而言，Recovery time ＞Dead time

常見問題4：SPADs和SiPM對雜散光和信號光的分離能力 

疑惑：為什么SPADs在近距離盲區(qū)檢測上容易出現(xiàn)不準(zhǔn)的情況？ 

解惑：如下

我們拿典型的SPADs電路進(jìn)行模擬，下圖中的電子學(xué)的優(yōu)勢是信號壓縮，高解析分辨。同時帶來的劣勢是OR部分的門控約束，導(dǎo)致光強(qiáng)度信息的丟失，由于強(qiáng)度信息丟失，導(dǎo)致真實(shí)信號和噪聲信號的分辨無法瞬間獲得，此情況需要后續(xù)histogram統(tǒng)計(jì)直方圖尋峰解決。

圖13 SPAD電子學(xué)信號獲取邏輯同時，如果同等光強(qiáng)下，進(jìn)行遠(yuǎn)近距離切換，容易導(dǎo)致單組（3*3 or 6*6）SPADs動態(tài)范圍不足。近距離出現(xiàn)的高反物體連續(xù)輸入強(qiáng)光導(dǎo)致SPADs更容易被瞬態(tài)充滿進(jìn)而無法使用。這也是在室外測試激光雷達(dá)的時候，拿一個高反板在工作中的雷達(dá)窗口前遮擋，SPADs方案更容易出現(xiàn)信號失真的問題所在。同樣的情況下，我們看看基于SiPM方案的邏輯下是如何配置的？由于SiPM天然具有信號幅度信息和基于信號幅度的信噪?yún)^(qū)分能力，通過多比較器和波形可以更快地獲得有用的信號，當(dāng)然難題是恰當(dāng)?shù)嘏渲瞄撝档倪m配能力還有對脈沖幅度信息和脈寬信息的深度解讀能力。

圖14 SiPM電子學(xué)信號獲取邏輯

常見問題5：SPADs和SiPM集成度 

疑惑：SPADs的產(chǎn)品形態(tài)是SOC集成度高的模式，比SiPM更高集成。 

解惑：從一般使用模式上看，是對的！對深度SiPM玩家，不一定。

一般使用SiPM的時候需要配置TIA，多閾值比較器，和FPGA的模式，這個構(gòu)成在離散性上會高一些。但是這個并不意味著SiPM的集成度天然的就低于SPADs SOC，最近大家看蔚來汽車和小鵬汽車發(fā)布會的時候，可能會注意到兩家當(dāng)家人都在發(fā)布會從兜兜里掏出來一個芯片，量產(chǎn)流片這個事兒其實(shí)也可以等效的放在激光雷達(dá)廠家這個層面，替換掉FPGA而取而代之自流片ASIC，將SiPM和ASIC進(jìn)行合封使用，也能實(shí)現(xiàn)最佳的集成度和規(guī)模下的低成本。企業(yè)自主開發(fā)ASIC（專用芯片），有兩個核心要素，缺一不可。第一點(diǎn)，錢！流片費(fèi)用是一次性大額開支，沒有足夠的產(chǎn)品出貨是無法在經(jīng)濟(jì)上攤銷這筆花費(fèi)的。第二點(diǎn)，積累用戶經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，簡單而言，對SiPM信號處理和針對不同的光事件下的特征信號的解析和判定都需要較深度的理解才可能定義清楚自己需要的AISC的功能。沒有SiPM深度使用經(jīng)驗(yàn)的公司是無法實(shí)現(xiàn)這個定義的。濱松認(rèn)為SiPM+AISC的模式是SiPM方向下最可以做出壁壘和差異化的方式，故此作為引子產(chǎn)品，濱松會在2024年10月份提供16通道的SiPM+ASIC標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。適配物流低速簡易場景的激光雷達(dá)開發(fā)。為什么這么定義一款16通道SiPM+ASIC的產(chǎn)品，因?yàn)闉I松作為一家傳感器公司，沒有足夠的應(yīng)用案例和對Corner Case的數(shù)據(jù)累計(jì)（這是激光雷達(dá)廠家的knowhow）。

圖15 濱松SiPM ASIC S15022系列特征

圖16 濱松SiPM ASIC S15022系列結(jié)構(gòu)

常見問題6：SPADs和SiPM對用戶使用價值 

疑惑：SPADs的產(chǎn)品形式，比SiPM更對用戶友好？ 

解惑：適合不同的體量的公司，以及商業(yè)模式壁壘不同。

SPADs：SPADs感光和ASIC需要成套使用，用戶不用考慮內(nèi)置細(xì)節(jié)的信號處理過程，更加容易上手。直接獲得距離信息，并使用距離信息。得到的距離做后期的計(jì)算處理或改善。無法對內(nèi)部處理過程的黑匣子干預(yù)，用戶無法改變預(yù)埋的信號處理方法，也無法根據(jù)應(yīng)用特征和不同，對處理方法進(jìn)行優(yōu)化適配。適合以多傳感系統(tǒng)集成為賣點(diǎn)的公司，激光雷達(dá)本身的信號缺陷可以通過其他方式補(bǔ)齊，以整體解決方案成套打包為常見的業(yè)務(wù)商業(yè)模式，而商業(yè)壁壘不靠激光雷達(dá)這個模組本身的性能和參數(shù)指標(biāo)。 SiPM：SiPM作為單獨(dú)的傳感器，不和ASIC深度捆綁。用戶需要構(gòu)建一種適配主流應(yīng)用的模擬信號處理方法。如基于不同場景下高頻和corner case，充分理解模擬信號的特性并設(shè)計(jì)出處理電路ASIC。適合追求激光雷達(dá)極限性能參數(shù)壁壘并有能力針對不同用途適配最佳方案的雷達(dá)公司，車載激光雷達(dá)是其中一個重要的應(yīng)用場景和產(chǎn)品類別，以激光雷達(dá)本身性能優(yōu)勢和基于場景的適配算法作為主力產(chǎn)品的商業(yè)模式居多。

參考資料： 

Sony to Release a Stacked SPAD Depth Sensorfor Automotive LiDAR Applications, an Industry First*1Contributing to the Safety and Security of Future Mobility with Enhanced Detection and｜News Releases｜Sony Semiconductor Solutions Group (sony-semicon.com) ADAS-Lidar|索尼車載IMX459激光雷達(dá)芯片論文解析 - ADAS之眼 (jokereyeadas.github.io) 看懂這顆激光雷達(dá)芯片，就看懂了索尼汽車 (qq.com)

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