激光雷达技术路线逐渐清晰，专家深度剖析技术难点与市场前景

2020年成为激光雷达企业的上市元年。2020年，五家国外激光雷达企业（Velodyne、Luminar、Innoviz、Aeva和Ouster）纷纷宣布在美国借壳上市；2021年年初，中国领先的激光雷达厂商禾赛科技、美国真彩激光雷达创业公司Aeye的上市计划也先后对外发布，在业界引起了巨大反响。与此同时，许多新造车势力纷纷发布了量产车型辆搭载激光雷达的计划：蔚来ET7毫无悬念地选择了其投资的激光雷达初创企业Innovusion；小鹏汽车将在2021年推出的全新量产车型上使用小鹏定制版车规级激光雷达，大疆创新旗下的览沃（Livox）则是其激光雷达领域的首家合作伙伴；华为车规级前装激光雷达发布……

全球激光雷达企业上市进展（麦姆斯咨询总结）

2021年4月下旬，第十九届上海国际汽车工业展览会如期举办，激光雷达技术成为各家整车厂自动驾驶蓝图上最亮眼的一笔。就在同期的4月23日至4月25日，由麦姆斯咨询主办的《第32期“见微知著”培训课程：激光雷达核心技术》也吸引了激光雷达产业链上下游企业、相关领域的高校和研究机构、投资机构的众多学员，在无锡一起深入学习车规级激光雷达及其核心元器件相关技术知识。

激光雷达技术路线逐渐清晰，专家深度剖析技术难点与市场前景

培训第一天上午，由深圳力策科技有限公司创始人兼CEO张忠祥为学员带来半天的《激光雷达技术综述》，他对激光雷达的基本概念进行详细梳理，旨在为学员们理解后续进阶课程打下坚实的基础。从激光雷达产业界的大事件开始，张忠祥老师指出，从2017年的产业过热期，到2019年的谷底期，2020年激光雷达产业又开始爬坡，业界对于激光雷达技术的理解和认识也越来越清晰。张忠祥老师在为学员们理清了激光雷达发展历史、各项参数的定义和意义、测距和成像原理等基本概念后，用各家激光雷达厂商或研究机构推出的激光雷达产品作为案例，逐一分析机械式、MEMS、OPA、Flash、FMCW等各种激光雷达技术路线的工作原理、代表产品及其性能参数、技术成熟度、优劣势等。在课程最后，张忠祥老师就飞行时间法（ToF）和调频连续波（FMCW）、1550nm器件（光源和探测器）、扫描发射+面阵接收、人眼安全等技术热点进行了探讨和观点输出。张忠祥老师准备了内容丰富的讲义，在授课过程中体现的专业度获得了学员们的一致赞誉！

培训第一天下午，西北工业大学教授乔大勇为学员讲解了MEMS激光雷达及其核心元器件——MEMS微镜等相关知识。乔大勇老师用几个生动形象的视频展示了机械式激光雷达、MEMS激光雷达和Flash激光雷达的结构和工作方式后，用业界对MEMS激光雷达的质疑启发学员思考“为什么选择MEMS微镜作为激光雷达扫描装置”？结合机械式激光雷达厂商公示的专利，乔大勇老师给出了自己的理解“虽然机械振镜也能实现二维扫描，接收孔径大，但摆动或转动频率很难做高，线数提升的潜力比较有限。而MEMS微镜的谐振频率做到1kHz甚至10kHz，线数提升空间更大。”接着，他讲解了MEMS激光雷达的架构设计，给出了MEMS激光雷达增加收发对的原因。在关于MEMS微镜相关知识部分，乔大勇老师从MEMS微镜的工作原理、主要技术指标、设计、制造、封测和可靠性认证等多个方面做了全方面讲解。乔大勇老师表示，现有的AEC等机构发布的电子元件可靠性标准都无法直接套用于MEMS微镜，需要针对性地设计可靠性实验项目，他目前正在致力于这项工作，并呼吁使用MEMS微镜的用户加入，合作出台适用于MEMS微镜的车规级标准。

第二天上午，华中科技大学副教授黄庆忠从主动微光学关键元器件的类型和作用讲起，引出被业界视为全固态化、低成本化和小型化激光雷达的关键元器件——光学相控阵（OPA）。光源无需任何移动，只需改变其相位，就能产生任意角度的光束，这是OPA吸引激光雷达厂商的特点。黄庆忠老师讲解了MEMS OPA、液晶OPA、砷化镓/铝镓砷波导OPA、SOI波导OPA等的结构和性能对比，同时分享了近十年国内外集成OPA的研究情况。接着，他讲解了一维OPA和二维OPA的电路设计，并以二维OPA为例分析了发射天线阵列、阵列波导、光功分器等的设计理论和制备流程。对于OPA设计中的不同参数，如阵列单元数量、单元宽度、单元间距对归一化光强的影响，黄庆忠老师用大量数据和图表进行了展示。最后，黄庆忠老师总结到“国产激光雷达要攻关。新的技术方案也在出现，激光雷达正往固态化方向发展，比如：MEMS激光雷达、OPA激光雷达，在新赛道上，国内可与国外同行站上同一起跑线。”

尽管闪光式（Flash）激光雷达是全固态的真正无扫描部件的激光雷达技术，但是探测距离短、光源功耗高等“顽疾”根深于大众的思想之中。宁波飞芯电子科技有限公司CEO雷述宇在培训第二天用了三个半小时，纠正大家的这一偏见。在详细剖析直接飞行时间（dToF）和间接飞行时间（iToF）的工作原理后，提出了大家对传统Flash激光雷达的误解：（1）通过小的改进就可以满足车载需求；（2）任何点探测的机理通过做成阵列芯片就可以成为Flash激光雷达的接收端方案，针对上述误解，他给出了非常详尽的解释。随后，雷述宇老师从dToF读出电路、iToF读出电路、iToF像素器件及电路、dToF像素电路、VCSEL、微透镜、超透镜、ToF模组组装和测试等关键技术深入分析，展示了Flash激光雷达核心元器件ToF图像传感器的技术重点、难点以及解决方案。雷述宇老师对技术的剖析深入浅出，创新性解决方案为学员打开了思路，整个课堂讨论氛围热烈，碰撞出诸多思想火花！

FMCW激光雷达被认为具有灵敏度高、不易受电磁干扰、发射功率低、适合芯片化、系统结构简单、体积较小、成本较低等诸多优点，但是落地时间点却最远。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员梁伟在《FMCW激光雷达及核心元器件》课程中则讲解了其中的技术难题和成本问题。FMCW激光雷达由激光源、干涉系统、扫描系统、探测系统、信号处理系统组成。其中，激光源采用线性调频窄线宽激光，价格在数万元级别，非常高昂；干涉系统采用光纤或分立元件模块或硅光芯片；扫描系统的选择虽然不受限，但MEMS振镜的平整度难以满足要求，OPA是非常棒的“搭档”；探测系统采用平衡光电检测器；处理芯片采用FPGA SoC或ASIC，价格也在几千到万元。因此，FMCW激光雷达用于自动驾驶，尚处于发展早期阶段，技术不成熟，还没有成熟的器件供应，价格相比脉冲激光雷达贵。梁伟老师通过FMCW激光雷达厂商发布的产品参数、专利布局为学员们深入分析了这一技术，并呼吁大家一起合作，加速FMCW激光雷达上路进度！

激光雷达关键元器件发力，讲师授课水平更给力

激光雷达的镜头分为发射端镜头和接收端镜头。宁波舜宇车载光学技术有限公司副总经理谷春燕就为学员分享了车载镜头以及其它光学部件在汽车中的作用及性能要求。发射端镜头的准直性、亮度均匀性、特殊的角度分布、与激光器的配合会直接影响到探测物体的光线能量的大小及均匀性；接收端镜头的入瞳直径、FNO、包围能量、弥散斑、镜头角分辨率会直接影响到芯片接收到的能量大小、探测距离及细节信息探测。接下来，谷春燕老师结合实战经验，分享了机械式激光雷达、MEMS激光雷达、Flash激光雷达、OPA激光雷达对镜头的要求。在“加餐”环节，谷春燕老师还讲解了汽车激光雷达对保护外罩的要求（如防水、高低温湿环境下的稳定性、热冲击、防爆等）、内置光学件的性能要求（如激光损失阈值、相位管控等）。

VCSEL在数据通信、智能手机等获得成功应用后，已成为汽车激光雷达最具潜力的光源之一。常州纵慧芯光半导体科技有限公司联合创始人Ryan则为学员分享了VCSEL在汽车应用上的技术进展。对于业界质疑的VCSEL功率问题，Ryan给出了当前的技术方向：多结、可寻址。相同的驱动电流下，多结VCSEL技术可以通过增加发光量子层部分来提升单位电流下的光功率，从而提高器件的光功率密度。以纵慧芯光推出的五结VCSEL为例，PCE超过50%，光功率密度达到5000W/mm²。可寻址VCSEL使得激光雷达可采用稳定可靠的电子扫描取代机械扫描。在课程中，Ryan对上述两种最新VCSEL技术的设计、制造、测试等难点及管控方式进行了详细讲解。

本期培训的“压轴”课程，由深圳市灵明光子科技有限公司联合创始人兼总裁贾捷阳讲授单光子探测技术。贾捷阳老师分析了单光子技术作为激光雷达接收端的优势，如灵敏度高、响应速度达到皮秒级、理论上（DC）噪声为零。将SPAD并联，共用输出端口，产生了激光雷达的光电探测器——硅光子倍增管（SiPM）；而每个SPAD配置独立读取电路，就是消费电子3D成像的探测器——单光子成像传感器（SPADIS）。就汽车激光雷达接收端器件而言，正在经历着四次迭代，贾捷阳老师认为，在2021年SiPM和SPAD阵列淘汰传统APD已经是大势所趋。接下来，他分享了团队在产品开发过程中的心得和经验、基于单光子计数的dToF芯片的像素设计和计数电路设计。最后，贾捷阳老师还为学员深入分析了未来单光子技术在固态激光雷达实用化的方式。贾捷阳老师启发式的提问与互动，风趣的教学风格，让学员们完全没有打盹的机会，一个半小时的时间在他妙语连珠的讲课中匆匆而过，学员们表示茅塞顿开、意犹未尽。

在2019年10月，麦姆斯咨询曾举办了同主题的培训课程，当时业界对激光雷达的技术理解还处于“混沌”时期，对激光雷达的落地也心存疑虑。时隔一年半，激光雷达技术已经被业界理性认知并认可，讲师授课也更有底气，干货更足，学员提问也愈加专业。本期课程一经推出，就受到学员的积极咨询和报名。为保证教学效果，名额有限，很多学员遗憾地没有获得上课名额。在今后的日子，麦姆斯咨询将继续挖掘激光雷达产业链的优质讲师，在2022年再次为大家献上更加丰富的激光雷达培训课程！

责任编辑：lq