Luminar激光雷達(dá)設(shè)計(jì)的詳細(xì)介紹

Luminar是目前市值最高的激光雷達(dá)公司，巔峰期市值大約120億美元，目前市值在90億美元上下，是老牌激光雷達(dá)廠家Velodyne市值的4倍左右，而Luminar沒(méi)有量產(chǎn)產(chǎn)品。Luminar高估值的原因一是其性能是目前最好的，二是市場(chǎng)憧憬蘋(píng)果采用Luminar的激光雷達(dá)造車。

剖析Luminar激光雷達(dá)設(shè)計(jì)還是從專利入手，2020年9月Luminar公布一項(xiàng)專利，可以看作對(duì)其激光雷達(dá)設(shè)計(jì)的詳細(xì)介紹。

Luminar獨(dú)家采用光纖激光設(shè)計(jì)，光纖激光已經(jīng)成熟應(yīng)用二十年以上，其功率高，用光纖傳遞激光，一個(gè)激光源可以對(duì)應(yīng)多個(gè)激光雷達(dá)，激光源可以放在車內(nèi)任何地方，讓激光雷達(dá)布局非常靈活，體積也可以大大縮小。如上圖所示，404是光纖激光源，可以布局7個(gè)激光雷達(dá)。 要提高激光雷達(dá)性能最簡(jiǎn)單有效的辦法就是提高激光發(fā)射功率。Luminar采用光纖激光放大方式，功率大約是傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光二極管的40倍。這也使其成為性能最強(qiáng)的激光雷達(dá)。

要提升功率，就不得不考慮人眼安全，對(duì)于常用的905納米來(lái)說(shuō)是不合適的，只有1550納米的InGaAs，它和905納米的硅光電探測(cè)器比要安全太多，可以放心地加大激光器的功率。Luminar就是以使用1550納米的InGaAs為特色的，其使用的激光器的功率是傳統(tǒng)硅光電系統(tǒng)的40倍，不僅提高信噪比，減小脈沖寬度至20納秒以下，脈沖重復(fù)頻率低于100MHz，占空比低于1%。同時(shí)提升了有效距離，而且1550納米也是全天候的，在雨雪霧天，都基本沒(méi)影響，Luminar強(qiáng)調(diào)即使10%反射率的物體，有效距離也可以達(dá)200米，理論最遠(yuǎn)距離高達(dá)1公里。 關(guān)于激光功率的放大，Luminar申請(qǐng)了專利。其專利是用二級(jí)大模場(chǎng)摻鉺光纖（EDFA）放大器將一個(gè)種子源激光調(diào)制為一個(gè)脈沖寬度至20納秒以下，脈沖重復(fù)頻率低于100MHz，占空比低于1%的脈沖激光系統(tǒng)。Luminar的專利核心一個(gè)種子源激光，另一個(gè)是摻鉺光纖放大器。

Luminar的種子源激光器內(nèi)部構(gòu)成

Luminar的放大器內(nèi)部構(gòu)成

Luminar激光雷達(dá)內(nèi)部框架

與其他激光雷達(dá)不同，Luminar是特殊的雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這也是光纖激光的特色，即WDM，波分復(fù)用技術(shù)（wavelength-division multiplexing，WDM）是將一系列載有信息、但波長(zhǎng)不同的光信號(hào)合成一束，沿著單根光纖傳輸；在接收端再用某種方法，將各個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)的通信技術(shù)。這種技術(shù)可以同時(shí)在一根光纖上傳輸多路信號(hào)，每一路信號(hào)都由某種特定波長(zhǎng)的光來(lái)傳送，這就是一個(gè)波長(zhǎng)信道。因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的激光性能不同，905納米的波長(zhǎng)受陽(yáng)光干擾最小，1550納米則最大，接收元件增益越高，干擾就越明顯，干擾通?？煽醋魇翘撓?，這也是1550納米激光雷達(dá)很難解決的問(wèn)題。Luminar可以采用雙波長(zhǎng)設(shè)計(jì)，一套1550納米、一套905納米，兩套配合，剔除掉虛像。也可以采用單波長(zhǎng)設(shè)計(jì)，兩套系統(tǒng)互相做差分糾正，防止出現(xiàn)虛像。再有就是兩套系統(tǒng)的FOV不同，通常FOV大就意味著分辨率低，小FOV意味著分辨率高。先用一個(gè)大的FOV用來(lái)搜索目標(biāo)，搜索到目標(biāo)后得到ROI區(qū)域，再用小FOV系統(tǒng)對(duì)應(yīng)。 光源122A接收來(lái)自光纖的激光，發(fā)射激光150A到掃描器11，掃描器將激光做水平和垂直掃描，激光到達(dá)目標(biāo)160后反射光164A返回到重疊反射鏡124A上，124A將光線轉(zhuǎn)向接收聚焦鏡170A，光線穿過(guò)170A到達(dá)接收模塊128A，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息145A傳給控制器130。136是掃描器、控制器與光源之間的接口。

Luminar激光雷達(dá)內(nèi)部解剖圖

核心元件是兩個(gè)掃描器，一個(gè)是水平掃描器12，它包含一個(gè)矩形立方體16，有18、20、22、24四個(gè)反射面，也就是多面體掃描鏡，也叫多邊形棱鏡，29為支架，30為電機(jī)主軸，32為電機(jī)。56、58、60是外殼，44是接收模塊，80是接收聚焦鏡，即上文的170的一部分。14為垂直掃描器，64為垂直掃描器電機(jī)。46是DOE，即衍射光學(xué)元件，衍射光學(xué)元件（Difractive Optical Element，DOE）是相位元件，它使用嵌入在元件中的薄微結(jié)構(gòu)將輸入激光束控制為各種輸出輪廓和形狀。衍射光學(xué)器件可實(shí)現(xiàn)許多功能和光操作，而這在標(biāo)準(zhǔn)折射光學(xué)器件中是不可行的。DOE可適用于多種類型的輸入激光（如單模高斯激光、多模激光等），在激光焦面上形成指定的光斑形狀和光強(qiáng)分布，還可以實(shí)現(xiàn)在激光傳播方向特定的光強(qiáng)分布。 多邊形棱鏡（Polygon Mirror）在激光打印機(jī)中早已大量使用，技術(shù)非常成熟，全球激光打印機(jī)用多邊形棱鏡掃描系統(tǒng)被日本電產(chǎn)公司壟斷，因?yàn)樵摴疽彩侨蜃铐敿?jí)的精密電機(jī)廠家，電機(jī)領(lǐng)域技術(shù)門(mén)檻最高的硬盤(pán)電機(jī)就是由該公司壟斷，之前美蓓亞還有10%的市場(chǎng)占有率，但被三美電機(jī)收購(gòu)后，就基本由日本電產(chǎn)壟斷。 國(guó)內(nèi)蔚來(lái)使用Innovusion圖達(dá)通的激光雷達(dá)，也是這種多邊形棱鏡設(shè)計(jì)。

Innovusion圖達(dá)通激光雷達(dá)的掃描器專利解說(shuō)圖

Innovusion圖達(dá)通激光雷達(dá)的掃描器主要由多邊形棱鏡702和電流掃描振鏡704組成，706是激光源，712是激光反射接收光電二極管，710是反射接收聚焦透鏡。702做水平掃描，704做垂直掃描。 電產(chǎn)基本壟斷激光雷達(dá)用多邊形棱鏡市場(chǎng)，通常是六邊形，Luminar這一代還是采用電產(chǎn)的常規(guī)產(chǎn)品，下一代采用訂做的四邊形棱鏡，Innovusion圖達(dá)通應(yīng)該也是六邊形多棱鏡掃描器。 它也不是嚴(yán)格的四面體。具體形狀如下圖。

看完水平掃描器，來(lái)看垂直掃描器。

垂直掃描器如上圖，64為電機(jī)，這是一種特殊FAULHABER直流無(wú)刷電機(jī)，與傳統(tǒng)鐵芯直流電機(jī)的區(qū)別在于轉(zhuǎn)子特有的空芯杯斜繞組的自承式銅線圈。這一開(kāi)創(chuàng)性設(shè)計(jì)的固有特性包括非常低的轉(zhuǎn)子慣量、無(wú)齒滯或轉(zhuǎn)子位置。這些特性決定了電機(jī)具備獨(dú)特的高功率密度和高動(dòng)態(tài)性能。最初由 Fritz Faulhaber Sr. 博士發(fā)明，并在1958年注冊(cè)，體積很小，使用最高級(jí)的釹鐵硼磁體，價(jià)格昂貴。74為皮帶，66、68、70是滑輪組，72是編碼器，72與64通過(guò)齒輪連接。54是反射板。

54上貼著三角形反射鏡52，與水平掃描器12互相配合。三角形最長(zhǎng)的一邊長(zhǎng)度與水平掃描器的一邊長(zhǎng)度相同。

77為準(zhǔn)直透鏡（實(shí)際是包含了兩個(gè)透鏡），激光器124發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡從點(diǎn)球狀變?yōu)槠叫泄馐俳?jīng)過(guò)重疊環(huán)形鏡79發(fā)射，82為入射光，83為反射光。79的反射部分就是上文說(shuō)的124。

Luminar的接收雪崩二極管圖

1550納米的激光必須配合InGaAs或InGaAsP的吸收層。典型1550納米激光二極管是四層結(jié)構(gòu)，如上圖，底層是InP基板，中層是InGaAs或InGaAsP的吸收層，又叫量子陷阱有源層，上層是InP雪崩層，最上層是p型InP，即光柵層。這種就是傳統(tǒng)dfb外延，這種結(jié)構(gòu)中光柵在p型層，這會(huì)導(dǎo)致寄生電阻和寄生電容增加，影響了dfb激光的調(diào)制速，p光柵由于激射閾值和寄生電阻的限制，其工作溫度范圍較窄，這也是除了昂貴外很多廠家不用1550納米激光二極管的主要原因，為了提高dfb激光器的溫度范圍，一個(gè)可行的辦法是光柵位于n型層，由于n型半導(dǎo)體材料中，傳輸電流的載流子是電子，其具有比p型半導(dǎo)體載流子空穴更長(zhǎng)的載流子壽命和輸運(yùn)長(zhǎng)度，可以彌補(bǔ)光柵過(guò)厚對(duì)激光器電性能的影響。

然后在n型半導(dǎo)體材料中生長(zhǎng)光柵，意味著有源區(qū)需要在光柵制作完畢后生長(zhǎng)，而量子阱有源區(qū)與光柵的間距小于100nm，在如此小的厚度上，需要掩埋光柵并獲得平整的量子阱界面，難度極大。 Luminar認(rèn)為垂直掃描器轉(zhuǎn)動(dòng)就像一個(gè)風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動(dòng)，有助于散熱，不過(guò)如果是完全封閉外殼，這樣散熱效率也不高，如果開(kāi)放式，那么防塵處理將非常困難。 1550納米激光二極管的制造屬于光通信領(lǐng)域，這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展了30年，沒(méi)有什么挖掘潛力了，以Luminar一個(gè)光通信局外人的公司不可能有所突破，也不可能降低1550納米激光二極管的成本，1550納米激光二極管的制造過(guò)程類似于LED芯片或SiC芯片，即采購(gòu)?fù)庋悠龌澹肕OCVD機(jī)臺(tái)蒸鍍有源層。InGaAs或InGaAsP外延片全球主要是三家，日本的三菱電機(jī)、昭和電工和美國(guó)的MACOM。目前外延片最大為6英寸晶圓。外延片成本占到55%左右，因?yàn)樾枨罅康?，加上沒(méi)什么競(jìng)爭(zhēng)，外延片價(jià)格很難降低。

Luminar與特斯拉如出一轍，那就是完全不考慮什么車規(guī)，只追求最高性能，追求最短時(shí)間內(nèi)出貨，特斯拉新Model S使用功耗超過(guò)200瓦的AMD顯卡，在傳統(tǒng)車企看來(lái)，這是一種不折不扣的瘋狂行為。Luminar也是如此，雙電機(jī)，還有皮帶帶動(dòng)，可能沒(méi)考慮防塵，光接收峰值功率與接收器孔徑面積成正比，這樣做是為了比較容易形成大的接收器孔徑面積，這是近乎瘋狂的設(shè)計(jì)。溫度適應(yīng)性和可靠性幾乎都沒(méi)有考慮。不過(guò)這個(gè)時(shí)代，不是產(chǎn)品說(shuō)了算，而是資本說(shuō)了算，再好的產(chǎn)品，沒(méi)有資本捧場(chǎng)跟廢品沒(méi)區(qū)別。

原文標(biāo)題：剖析市值最高激光雷達(dá)公司Luminar那近乎瘋狂的設(shè)計(jì)

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