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2021年2月18日【エレクトロニクス器機】

ソニー、車載LiDAR向けSPAD画素の測距センサー開発

NEXT MOBILITY編集部

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ソニーは2月18日、業界初(※車載LiDAR向け積層型測距センサーとして。2021年2月18日広報発表時点)となるSPAD(Single Photon Avalanche Diode)画素を用いた車載LiDAR(ライダー)向け積層型直接Time of Flight(dToF)方式の測距センサーを開発したと伝えた。

 

 

この成果は、2021年2月13日(土)から開催されているISSCC(国際固体素子回路会議)において発表されている。

 

 

先進運転支援システム(ADAS)の普及や自動運転(AD)の実現に向けて、カメラやミリ波レーダーなどのセンシングデバイスに加え、道路状況や、車両、歩行者など対象物の位置や形状を、高精度で検知・認識が可能なLiDARの重要性が高まっている。

 

 

SPADとは、入射した1つの光子(フォトン)から、雪崩のように電子を増幅させる「アバランシェ増倍」を利用する画素構造のことで、弱い光でも検出することができる。光源から発し対象物で反射した光が、センサーに届くまでの光の飛行時間(時間差)を検出し、対象物までの距離を測定するdToF方式の受光素子として用いることで、長距離かつ高精度な距離測定が可能となる。

 

 

同開発品は、ソニーがCMOSイメージセンサー開発で培ってきた裏面照射型、積層型、Cu-Cu(カッパー・カッパー)接続などの技術を活用することにより、SPAD画素と測距処理回路を1チップ化し、小型ながら高解像度を実現したもの。

 

 

これにより、最大300mの距離を15cm間隔で、高精度かつ高速に測定できる。また、さまざまな温度環境や天候など、車載用途に求められる厳しい条件下での検知・認識による信頼性の向上や、1チップ化することによるLiDARの低コスト化に貢献するとのことだ。

 

 

なお、Cu-Cu(カッパー・カッパー)接続は、画素チップ(上部)とロジックチップ(下部)を積層する際に、Cu(銅)のパッド同士を接続することで電気的導通を図る技術。画素領域の外周の貫通電極により、上下のチップを接続するTSV(シリコン貫通電極)に比べて、設計自由度や生産性の向上、小型化、高性能化などが可能といわれている。

 

 

ソニーでは、同開発品を搭載したMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)方式(※光源から発した光をMEMSミラーで走査する方式)のLiDARも評価用として開発し、顧客やパートナーに向けてすでに提供を開始している。

 

 

 

 

以下、今回発表された開発品についての詳細となる。

 

 

◾️ SPAD画素の原理

 

 

dToF方式を用いた測距センサーでは、単一光子の検出を行うSPAD画素が用いられる。SPAD画素内の電極にブレークダウン電圧(VBD)を印加し、その電圧を超える過剰エクセスバイアス電圧(VEX)に設定した状態で光子を入射させることで、光電変換により発生した電子がアバランシェ増倍によって増幅する。電極間の電圧がブレークダウン電圧まで低くなると、アバランシェ増倍は停止する。アバランシェ増倍により発生した電子が放電され、ブレークダウン電圧まで戻った後(クエンチング動作)、再び電極間の電圧を過剰エクセスバイアス電圧に設定すると、光子が検出できる状態に戻る(リチャージ動作)。このように、光子の到来時刻を開始点とする電子の増倍動作は、ガイガーモードと呼ばれている。

 

 

 

 

◾️ 開発品の主な特徴

 

1)最大300mの距離を15cm間隔で高精度に測距

 

 

裏面照射型のSPAD画素構造を用いた画素チップ(上部)と、測距処理回路などを搭載したロジックチップ(下部)を、Cu-Cu接続を用いて一画素ごとに導通している。これにより、光を取り込む画素以外の回路部を下部に配置することで、開口率(※ 1画素当たりに光入射面側からみた遮光部以外の開口部分の割合)を高め、22%の高い光子検出効率を実現したのに加え、チップサイズは小型ながら、10μm画素サイズで有効画素数約11万(189画素×600画素)の高解像度化を図った。最大300mの距離を、15cm間隔で高精度に測距することが可能になり、LiDARの検知・認識性能の向上を支える。

 

 

光子検出効率と波長

 

 

 

 

2)独自のTime to Digital Converter(TDC)とパッシブ型クエンチング/リチャージ回路を活用した高速な応答速度

 

 

検出した光子の飛行時間をデジタル値に変換するTime to Digital Converter(TDC)とパッシブ型クエンチング/リチャージ回路を独自に開発し、画素ごとにCu-Cu接続することにより、一光子あたりの応答速度を通常時6ナノ秒(※温度環境60℃の場合)に高めることが可能となる。

 

 

3)厳しい条件下での安定した光子検出効率および応答速度

 

 

独自のSPAD画素構造により、-40℃から125℃の厳しい条件下においても、安定的な光子検出効率および応答速度を実現。

 

 

 

 

◾️ 主な仕様

 

 

SPAD画素数    :189画素(H)×600画素(V) 約11万画素
イメージサイズ :対角6.25mm(1/2.9型)
推奨光源波長   :905nm
SPADユニットセルサイズ :10µm×10µm
エレメントサイズ(ToF画素単位) :3画素(H)×3画素(V)
消費電力 :1,192mW
光子検出効率 :22%
応答速度 :6ns
飽和信号量(最大カウントレート) :60,000,000cps
最大検知距離 :300m
300m測距時の距離精度 :
3画素(H)×3画素(V)加算モード:30cm
6画素(H)×6画素(V)加算モード:15cm

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坂上 賢治

NEXT MOBILITY&MOTOR CARS編集長。日刊自動車新聞を振り出しに自動車産業全域での取材活動を開始。同社の出版局へ移籍して以降は、コンシューマー向け媒体(発行45万部)を筆頭に、日本国内初の自動車環境ビジネス媒体・アフターマーケット事業の専門誌など多様な読者を対象とした創刊誌を手掛けた。独立後は、ビジネス戦略学やマーケティング分野で教鞭を執りつつ、自動車専門誌や一般誌の他、Web媒体などを介したジャーナリスト活動が30年半ば。2015年より自動車情報媒体のMOTOR CARS編集長、2017年より自動車ビジネス誌×WebメディアのNEXT MOBILITY 編集長。

松下次男

1975年日刊自動車新聞社入社。編集局記者として国会担当を皮切りに自動車販売・部品産業など幅広く取材。その後、長野支局長、編集局総合デスク、自動車ビジネス誌MOBI21編集長、出版局長を経て2010年論説委員。2011年から特別編集委員。自動車産業を取り巻く経済展望、環境政策、自動運転等の次世代自動車技術を取材。2016年独立し自動車産業政策を中心に取材・執筆活動中。

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1975年日刊自動車新聞社入社。部品産業をはじめ、自動車販売など幅広く取材。また自動車リサイクル法成立時の電炉業界から解体現場までをルポ。その後、同社の広告営業、新聞販売、印刷部門を担当、2006年に中部支社長、2009年執行役員編集局長に就き、2013年から特別編集委員として輸送分野を担当。2018年春から独立、NEXT MOBILITY誌の編集顧問。

片山 雅美

日刊自動車新聞社で取材活動のスタートを切る。同紙記者を皮切りに社長室支社統括部長を経て、全石連発行の機関紙ぜんせきの取材記者としても活躍。自動車流通から交通インフラ、エネルギー分野に至る幅広い領域で実績を残す。2017年以降は、佃モビリティ総研を拠点に蓄積した取材人脈を糧に執筆活動を展開中。

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(中島南事務所/東京都文京区)1963年・愛知県生まれ。新聞、週刊誌、総合月刊誌記者(月刊文藝春秋)を経て独立。規制改革や行政システムを視点とした社会問題を取材テーマとするジャーナリスト。

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経済誌「財界」で自動車、エネルギー、化学、紙パルプ産業の専任記者を皮切りに報道分野に進出。2000年からは産業界・官界・財界での豊富な人脈を基に経済ジャーナリストとして国内外の経済誌で執筆。近年はビジネス誌、オピニオン誌、経済団体誌、Web媒体等、多様な産業を股に掛けて活動中。

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1970年日刊自動車新聞社入社。編集局記者として自動車全分野を網羅して担当。2000年出版局長として「Mobi21」誌を創刊。取締役、常務、専務主筆・編集局長、代表取締役社長を歴任。2014年に独立し、佃モビリティ総研を開設。自動車関連著書に「トヨタの野望、日産の決断」(ダイヤモンド社)など。執筆活動に加え講演活動も。

熊澤啓三

株式会社アーサメジャープロ エグゼクティブコンサルタント。PR/危機管理コミュニケーションコンサルタント、メディアトレーナー。自動車業界他の大手企業をクライアントに持つ。日産自動車、グローバルPR会社のフライシュマン・ヒラード・ジャパン、エデルマン・ジャパンを経て、2010年にアーサメジャープロを創業。東京大学理学部卒。

福田 俊之

1952年東京生まれ。産業専門紙記者、経済誌編集長を経て、99年に独立。自動車業界を中心に取材、執筆活動中。著書に「最強トヨタの自己改革」(角川書店)、共著に「トヨタ式仕事の教科書」(プレジデント社)、「スズキパワー現場のものづくり」(講談社ピーシー)など。