激光雷達(dá)技術(shù)路線逐漸清晰，專家深度剖析技術(shù)難點與市場前景

2020年成為激光雷達(dá)企業(yè)的上市元年。2020年，五家國外激光雷達(dá)企業(yè)（Velodyne、Luminar、Innoviz、Aeva和Ouster）紛紛宣布在美國借殼上市；2021年年初，中國領(lǐng)先的激光雷達(dá)廠商禾賽科技、美國真彩激光雷達(dá)創(chuàng)業(yè)公司Aeye的上市計劃也先后對外發(fā)布，在業(yè)界引起了巨大反響。與此同時，許多新造車勢力紛紛發(fā)布了量產(chǎn)車型輛搭載激光雷達(dá)的計劃：蔚來ET7毫無懸念地選擇了其投資的激光雷達(dá)初創(chuàng)企業(yè)Innovusion；小鵬汽車將在2021年推出的全新量產(chǎn)車型上使用小鵬定制版車規(guī)級激光雷達(dá)，大疆創(chuàng)新旗下的覽沃（Livox）則是其激光雷達(dá)領(lǐng)域的首家合作伙伴；華為車規(guī)級前裝激光雷達(dá)發(fā)布……

全球激光雷達(dá)企業(yè)上市進(jìn)展（麥姆斯咨詢總結(jié)）

2021年4月下旬，第十九屆上海國際汽車工業(yè)展覽會如期舉辦，激光雷達(dá)技術(shù)成為各家整車廠自動駕駛藍(lán)圖上最亮眼的一筆。就在同期的4月23日至4月25日，由麥姆斯咨詢主辦的《第32期“見微知著”培訓(xùn)課程：激光雷達(dá)核心技術(shù)》也吸引了激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)、相關(guān)領(lǐng)域的高校和研究機(jī)構(gòu)、投資機(jī)構(gòu)的眾多學(xué)員，在無錫一起深入學(xué)習(xí)車規(guī)級激光雷達(dá)及其核心元器件相關(guān)技術(shù)知識。

激光雷達(dá)技術(shù)路線逐漸清晰，專家深度剖析技術(shù)難點與市場前景

培訓(xùn)第一天上午，由深圳力策科技有限公司創(chuàng)始人兼CEO張忠祥為學(xué)員帶來半天的《激光雷達(dá)技術(shù)綜述》，他對激光雷達(dá)的基本概念進(jìn)行詳細(xì)梳理，旨在為學(xué)員們理解后續(xù)進(jìn)階課程打下堅實的基礎(chǔ)。從激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)界的大事件開始，張忠祥老師指出，從2017年的產(chǎn)業(yè)過熱期，到2019年的谷底期，2020年激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)又開始爬坡，業(yè)界對于激光雷達(dá)技術(shù)的理解和認(rèn)識也越來越清晰。張忠祥老師在為學(xué)員們理清了激光雷達(dá)發(fā)展歷史、各項參數(shù)的定義和意義、測距和成像原理等基本概念后，用各家激光雷達(dá)廠商或研究機(jī)構(gòu)推出的激光雷達(dá)產(chǎn)品作為案例，逐一分析機(jī)械式、MEMS、OPA、Flash、FMCW等各種激光雷達(dá)技術(shù)路線的工作原理、代表產(chǎn)品及其性能參數(shù)、技術(shù)成熟度、優(yōu)劣勢等。在課程最后，張忠祥老師就飛行時間法（ToF）和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）、1550nm器件（光源和探測器）、掃描發(fā)射+面陣接收、人眼安全等技術(shù)熱點進(jìn)行了探討和觀點輸出。張忠祥老師準(zhǔn)備了內(nèi)容豐富的講義，在授課過程中體現(xiàn)的專業(yè)度獲得了學(xué)員們的一致贊譽(yù)！

培訓(xùn)第一天下午，西北工業(yè)大學(xué)教授喬大勇為學(xué)員講解了MEMS激光雷達(dá)及其核心元器件——MEMS微鏡等相關(guān)知識。喬大勇老師用幾個生動形象的視頻展示了機(jī)械式激光雷達(dá)、MEMS激光雷達(dá)和Flash激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)和工作方式后，用業(yè)界對MEMS激光雷達(dá)的質(zhì)疑啟發(fā)學(xué)員思考“為什么選擇MEMS微鏡作為激光雷達(dá)掃描裝置”？結(jié)合機(jī)械式激光雷達(dá)廠商公示的專利，喬大勇老師給出了自己的理解“雖然機(jī)械振鏡也能實現(xiàn)二維掃描，接收孔徑大，但擺動或轉(zhuǎn)動頻率很難做高，線數(shù)提升的潛力比較有限。而MEMS微鏡的諧振頻率做到1kHz甚至10kHz，線數(shù)提升空間更大?！苯又?，他講解了MEMS激光雷達(dá)的架構(gòu)設(shè)計，給出了MEMS激光雷達(dá)增加收發(fā)對的原因。在關(guān)于MEMS微鏡相關(guān)知識部分，喬大勇老師從MEMS微鏡的工作原理、主要技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計、制造、封測和可靠性認(rèn)證等多個方面做了全方面講解。喬大勇老師表示，現(xiàn)有的AEC等機(jī)構(gòu)發(fā)布的電子元件可靠性標(biāo)準(zhǔn)都無法直接套用于MEMS微鏡，需要針對性地設(shè)計可靠性實驗項目，他目前正在致力于這項工作，并呼吁使用MEMS微鏡的用戶加入，合作出臺適用于MEMS微鏡的車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)。

第二天上午，華中科技大學(xué)副教授黃慶忠從主動微光學(xué)關(guān)鍵元器件的類型和作用講起，引出被業(yè)界視為全固態(tài)化、低成本化和小型化激光雷達(dá)的關(guān)鍵元器件——光學(xué)相控陣（OPA）。光源無需任何移動，只需改變其相位，就能產(chǎn)生任意角度的光束，這是OPA吸引激光雷達(dá)廠商的特點。黃慶忠老師講解了MEMS OPA、液晶OPA、砷化鎵/鋁鎵砷波導(dǎo)OPA、SOI波導(dǎo)OPA等的結(jié)構(gòu)和性能對比，同時分享了近十年國內(nèi)外集成OPA的研究情況。接著，他講解了一維OPA和二維OPA的電路設(shè)計，并以二維OPA為例分析了發(fā)射天線陣列、陣列波導(dǎo)、光功分器等的設(shè)計理論和制備流程。對于OPA設(shè)計中的不同參數(shù)，如陣列單元數(shù)量、單元寬度、單元間距對歸一化光強(qiáng)的影響，黃慶忠老師用大量數(shù)據(jù)和圖表進(jìn)行了展示。最后，黃慶忠老師總結(jié)到“國產(chǎn)激光雷達(dá)要攻關(guān)。新的技術(shù)方案也在出現(xiàn)，激光雷達(dá)正往固態(tài)化方向發(fā)展，比如：MEMS激光雷達(dá)、OPA激光雷達(dá)，在新賽道上，國內(nèi)可與國外同行站上同一起跑線。”

盡管閃光式（Flash）激光雷達(dá)是全固態(tài)的真正無掃描部件的激光雷達(dá)技術(shù)，但是探測距離短、光源功耗高等“頑疾”根深于大眾的思想之中。寧波飛芯電子科技有限公司CEO雷述宇在培訓(xùn)第二天用了三個半小時，糾正大家的這一偏見。在詳細(xì)剖析直接飛行時間（dToF）和間接飛行時間（iToF）的工作原理后，提出了大家對傳統(tǒng)Flash激光雷達(dá)的誤解：（1）通過小的改進(jìn)就可以滿足車載需求；（2）任何點探測的機(jī)理通過做成陣列芯片就可以成為Flash激光雷達(dá)的接收端方案，針對上述誤解，他給出了非常詳盡的解釋。隨后，雷述宇老師從dToF讀出電路、iToF讀出電路、iToF像素器件及電路、dToF像素電路、VCSEL、微透鏡、超透鏡、ToF模組組裝和測試等關(guān)鍵技術(shù)深入分析，展示了Flash激光雷達(dá)核心元器件ToF圖像傳感器的技術(shù)重點、難點以及解決方案。雷述宇老師對技術(shù)的剖析深入淺出，創(chuàng)新性解決方案為學(xué)員打開了思路，整個課堂討論氛圍熱烈，碰撞出諸多思想火花！

FMCW激光雷達(dá)被認(rèn)為具有靈敏度高、不易受電磁干擾、發(fā)射功率低、適合芯片化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、成本較低等諸多優(yōu)點，但是落地時間點卻最遠(yuǎn)。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員梁偉在《FMCW激光雷達(dá)及核心元器件》課程中則講解了其中的技術(shù)難題和成本問題。FMCW激光雷達(dá)由激光源、干涉系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)組成。其中，激光源采用線性調(diào)頻窄線寬激光，價格在數(shù)萬元級別，非常高昂；干涉系統(tǒng)采用光纖或分立元件模塊或硅光芯片；掃描系統(tǒng)的選擇雖然不受限，但MEMS振鏡的平整度難以滿足要求，OPA是非常棒的“搭檔”；探測系統(tǒng)采用平衡光電檢測器；處理芯片采用FPGA SoC或ASIC，價格也在幾千到萬元。因此，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)用于自動駕駛，尚處于發(fā)展早期階段，技術(shù)不成熟，還沒有成熟的器件供應(yīng)，價格相比脈沖激光雷達(dá)貴。梁偉老師通過FMCW激光雷達(dá)廠商發(fā)布的產(chǎn)品參數(shù)、專利布局為學(xué)員們深入分析了這一技術(shù)，并呼吁大家一起合作，加速FMCW激光雷達(dá)上路進(jìn)度！

激光雷達(dá)關(guān)鍵元器件發(fā)力，講師授課水平更給力

激光雷達(dá)的鏡頭分為發(fā)射端鏡頭和接收端鏡頭。寧波舜宇車載光學(xué)技術(shù)有限公司副總經(jīng)理谷春燕就為學(xué)員分享了車載鏡頭以及其它光學(xué)部件在汽車中的作用及性能要求。發(fā)射端鏡頭的準(zhǔn)直性、亮度均勻性、特殊的角度分布、與激光器的配合會直接影響到探測物體的光線能量的大小及均勻性；接收端鏡頭的入瞳直徑、FNO、包圍能量、彌散斑、鏡頭角分辨率會直接影響到芯片接收到的能量大小、探測距離及細(xì)節(jié)信息探測。接下來，谷春燕老師結(jié)合實戰(zhàn)經(jīng)驗，分享了機(jī)械式激光雷達(dá)、MEMS激光雷達(dá)、Flash激光雷達(dá)、OPA激光雷達(dá)對鏡頭的要求。在“加餐”環(huán)節(jié)，谷春燕老師還講解了汽車激光雷達(dá)對保護(hù)外罩的要求（如防水、高低溫濕環(huán)境下的穩(wěn)定性、熱沖擊、防爆等）、內(nèi)置光學(xué)件的性能要求（如激光損失閾值、相位管控等）。

VCSEL在數(shù)據(jù)通信、智能手機(jī)等獲得成功應(yīng)用后，已成為汽車激光雷達(dá)最具潛力的光源之一。常州縱慧芯光半導(dǎo)體科技有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人Ryan則為學(xué)員分享了VCSEL在汽車應(yīng)用上的技術(shù)進(jìn)展。對于業(yè)界質(zhì)疑的VCSEL功率問題，Ryan給出了當(dāng)前的技術(shù)方向：多結(jié)、可尋址。相同的驅(qū)動電流下，多結(jié)VCSEL技術(shù)可以通過增加發(fā)光量子層部分來提升單位電流下的光功率，從而提高器件的光功率密度。以縱慧芯光推出的五結(jié)VCSEL為例，PCE超過50%，光功率密度達(dá)到5000W/mm2?？蓪ぶ稸CSEL使得激光雷達(dá)可采用穩(wěn)定可靠的電子掃描取代機(jī)械掃描。在課程中，Ryan對上述兩種最新VCSEL技術(shù)的設(shè)計、制造、測試等難點及管控方式進(jìn)行了詳細(xì)講解。

本期培訓(xùn)的“壓軸”課程，由深圳市靈明光子科技有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼總裁賈捷陽講授單光子探測技術(shù)。賈捷陽老師分析了單光子技術(shù)作為激光雷達(dá)接收端的優(yōu)勢，如靈敏度高、響應(yīng)速度達(dá)到皮秒級、理論上（DC）噪聲為零。將SPAD并聯(lián)，共用輸出端口，產(chǎn)生了激光雷達(dá)的光電探測器——硅光子倍增管（SiPM）；而每個SPAD配置獨立讀取電路，就是消費電子3D成像的探測器——單光子成像傳感器（SPADIS）。就汽車激光雷達(dá)接收端器件而言，正在經(jīng)歷著四次迭代，賈捷陽老師認(rèn)為，在2021年SiPM和SPAD陣列淘汰傳統(tǒng)APD已經(jīng)是大勢所趨。接下來，他分享了團(tuán)隊在產(chǎn)品開發(fā)過程中的心得和經(jīng)驗、基于單光子計數(shù)的dToF芯片的像素設(shè)計和計數(shù)電路設(shè)計。最后，賈捷陽老師還為學(xué)員深入分析了未來單光子技術(shù)在固態(tài)激光雷達(dá)實用化的方式。賈捷陽老師啟發(fā)式的提問與互動，風(fēng)趣的教學(xué)風(fēng)格，讓學(xué)員們完全沒有打盹的機(jī)會，一個半小時的時間在他妙語連珠的講課中匆匆而過，學(xué)員們表示茅塞頓開、意猶未盡。

在2019年10月，麥姆斯咨詢曾舉辦了同主題的培訓(xùn)課程，當(dāng)時業(yè)界對激光雷達(dá)的技術(shù)理解還處于“混沌”時期，對激光雷達(dá)的落地也心存疑慮。時隔一年半，激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)被業(yè)界理性認(rèn)知并認(rèn)可，講師授課也更有底氣，干貨更足，學(xué)員提問也愈加專業(yè)。本期課程一經(jīng)推出，就受到學(xué)員的積極咨詢和報名。為保證教學(xué)效果，名額有限，很多學(xué)員遺憾地沒有獲得上課名額。在今后的日子，麥姆斯咨詢將繼續(xù)挖掘激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)質(zhì)講師，在2022年再次為大家獻(xiàn)上更加豐富的激光雷達(dá)培訓(xùn)課程！

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