図1： インフラ監視に活かされるLiDARの特長
東芝は６月１１日、自動運転や社会インフラ監視に不可欠な「目」の役割を担う距離センシング技術「ＬｉＤＡＲ」 において、「ソリッドステート式ＬｉＤＡＲ」向けに、最長測定距離２００mを保ったまま、世界最小のサイズと世界最高の解像度を実現する受光技術および実装技術を開発したと発表した。
図5：試作したLiDARモジュール（350cc以下）
概要
この技術の採用により同社従来比で１/３のサイズとなる約３５０cc、および、４倍の解像度となる１２００×８０画素を実現した。さらに独自のデバイス温度補正技術を組み合わせることにより、振動・風圧・気温変化などが厳しい環境においても高い性能を維持できることを確認した。集中豪雨時の斜面崩壊や道路等への土砂流入、突風による道路等への落下物、大雪による積雪等の迅速な検知など、屋外への常時設置が必要となるインフラ監視への適用も可能となるとしている。
開発の背景
ＬｉＤＡＲは、レーザ光を物体に反射させ、戻ってくるまでの時間を計測して距離を測る技術。物体までの距離を直接測るため、周辺環境の立体構造を瞬時に高精度に観測することができ、自動運転システムにおける活用のみならず、高精度なインフラ監視を実現する技術としても期待が寄せられている。例えば、ＬｉＤＡＲを用いることで、道路や建物内等様々な場所における落下物を監視することができ、災害発生時等における迅速な状況把握や通行可否の判断につなげることができる。ＬｉＤＡＲはレーザ光を用いることから、一般的なカメラと異なり、暗闇、霧、雪など視界不良の状況にも強く、長距離の監視が可能。ＬｉＤＡＲの市場規模は急速に拡大しており、２０３０年には車載用のみで４，２００万台/年の市場規模が予想されている。
東芝は、２０２０年７月、従来の機械式ＬｉＤＡＲと比べて小型化・低コスト化が期待できるソリッドステート式ＬｉＤＡＲにおいて、課題とされていた長距離測定・高解像度の両立を可能にする２次元受光デバイスＳｉＰＭを開発。しかし、高度な自動運転と高精度な社会インフラの監視を実現するには、画角・解像度・サイズにおいて、さらなる進化が必要だった。広画角・高解像度なＬｉＤＡＲは、死角が少なく小さな危険物まで検知することができる。また、インフラ監視への適用時は振動や風圧の影響が大きい場所や、急斜面の近くなど厳しい環境下の常時設置・稼働が必要となるため、耐震・耐風補強等が容易な小型・軽量化が求められる。加えて、温度変化が大きい環境下でも性能が低下しないことも重要となる。
図2： インフラ監視におけるLiDARの広画角化・高解像化（上）、小型化（下）の重要性
技術の特徴
そこで東芝は、ソリッドステート式ＬｉＤＡＲの性能のさらなる向上に向け、受光デバイスＳｉＰＭの感度の向上と小型化の両立を実現する受光技術を開発した。
ＳｉＰＭは、受光セルとその受光セルを制御する複数のトランジスタ回路から構成される。搭載するトランジスタ回路のうち、コア部分を微細化したトランジスタ回路に変更することで小型化した。また、受光セルとコア回路の間に高耐圧トランジスタによる高耐圧部を設け、ＳｉＰＭの感度向上に重要な受光セルへ高電圧（ＶＥＸ）を供給することで、受光デバイスＳｉＰＭの感度の向上と小型化の両立に成功した。さらに、新たに開発した絶縁トレンチをトランジスタと受光セルの境界面に挟むことで、これまでトランジスタの保護に必要だった幅の広いバッファ層が不要となり、さらなる小型化を実現した。新規開発したＳｉＰＭは、２０２０年の開発時から、サイズを１/４に縮小しつつ、感度を１．５倍に高めた。東芝は、このＳｉＰＭを採用し、さらに、長年培った基板設計とモジュール実装の技術でＬｉＤＡＲモジュールの高密度実装を実現し、従来に比べ、ＬｉＤＡＲの解像度を４倍に高めるとともに、ＬｉＤＡＲ全体の容積を世界最小の３５０cc以下に抑えることに成功した。
また、ＳｉＰＭの温度にあわせて受光セルに供給する電圧を適切に調整する自動温度補正技術により、外部の温度変化によらず高い性能を維持することが可能。振動・風圧にさらされるＬｉＤＡＲを小型・軽量化することで、ＬｉＤＡＲの設置条件を緩和し、アプリケーションの拡大に貢献するとしている。
図3：今回開発したトランジスタ混載SiPM
図4： 絶縁トレンチ導入による従来のSiPMの小型化
図6：試作したLiDARによる日中での障害物検知(*6)
今後の展望
東芝では、今後も、ＬｉＤＡＲの更なる高性能化（長距離測距性能、高解像度、小型化）を進め、高度な自動運転と高精度なインフラ監視の実現を目指し、また、ロボティクス・ドローンやセキュリティ等の他分野にも横展開できるよう、ソリッドステートＬｉＤＡＲの開発を進め、より安心・安全な社会の構築に貢献するとしている。