由于FMCW激光雷達(dá)面臨激光器成本高、窄線寬線性、光波導(dǎo)器件表面公差難控制等一系列問題，我們認(rèn)為3-5年之內(nèi)難以成為實際落地方案，因此在供應(yīng)鏈的探討中，我們只討論TOF激光雷達(dá)，不對FMCW的激光器、調(diào)制器等部件展開論述。

1 發(fā)射端：國產(chǎn)激光芯片從VCSEL開始突破，快慢軸準(zhǔn)直有較高壁壘

在激光雷達(dá)中，發(fā)射端是價值量最高、壁壘最高的環(huán)節(jié)之一。在發(fā)射端中，隨著國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈崛起以及產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)路線調(diào)整，905nm VCSEL激光芯片等產(chǎn)品有望在市場實 現(xiàn)突破。此外，1550nm光源也具備獨(dú)特優(yōu)勢，與主流的905nm形成錯位競爭，未來隨著FMCW測距路線的逐步發(fā)展，預(yù)計其份額還有進(jìn)一步增長的空間。

光源：905nm走向VCSEL大勢所趨，1550nm實現(xiàn)錯位競爭

發(fā)射端的“心臟”就是光源。目前，決定光源技術(shù)路線的主要可以歸納為發(fā)光波長、激光器結(jié)構(gòu)兩大指標(biāo)。按照波長劃分，最主流的是905nm波長和1550nm波長。按照結(jié)構(gòu)來劃分則主要分為EEL（邊發(fā)射激光器）、VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器），以及1550nm使用的光纖激光器。

光源的選擇制約因素主要有性能、成本、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度、人眼安全四大要素。光源選擇完之后，需要解決光源校準(zhǔn)、溫漂、無熱化三大問題。接下來我們將從一些重點(diǎn)關(guān)注的問題出發(fā)，分析不同技術(shù)路線的優(yōu)劣勢與特點(diǎn)，以及對應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的壁壘和價值。

本節(jié)主要回答以下問題。1、為什么激光雷達(dá)會選擇在905nm和1550nm發(fā)光；2、905nm和1550nm各有什么優(yōu)勢，各自的應(yīng)用場景是什么？3、為什么歐司朗在905nmEEL的一家獨(dú)大的局面難以動搖；4、為什么905nm VCSEL會成為產(chǎn)業(yè)趨勢；5、為什么TEC在激光雷達(dá)里不再被需要；6、為什么激光器里需要加快慢軸準(zhǔn)直。

1、為什么是905nm與1550nm？自然傳播窗口與產(chǎn)業(yè)鏈成熟度共同決定

首先，為何有905nm與1550nm兩條路線，而不是其他波長？這首先受到激光傳播窗口的限制。大氣吸收譜限制了哪些激光波長能夠在空氣中使用，比如300nm以下的短波會被臭氧吸收，1微米以上的紅外波長又經(jīng)常會被水蒸氣吸收，所以激光器通常只能在 少數(shù)特定窗口工作，如下圖37白色背景部分（可以注意到很大一部分與可見光波長重合）。白色窗口中又有一大段是可見光，如果直接采用可見光又會對人眼產(chǎn)生視覺干擾，所以剩 余的傳播窗口是有限的。圖中四條紅線從左到右分別代表865nm、905nm、1310nm、1550nm波長，均處于白色窗口中，都能在空氣中正常工作。

在以上諸多個傳播窗口中，為什么選擇了905nm與1550nm？這與現(xiàn)存的產(chǎn)業(yè)鏈成熟 度有關(guān)。1550nm光纖激光器是光通信領(lǐng)域應(yīng)用最廣的光源之一，而905則與消費(fèi)電子共用產(chǎn)業(yè)鏈（手機(jī)上的3D ToF傳感器通常使用940nm光源，與905基本屬于同種半導(dǎo)體激光器，可以共用GaAs材料體系），所以都有一定的發(fā)展基礎(chǔ)。

2、選擇905nm還是1550nm？允許的峰值功率高使得1550nm有探測優(yōu)勢，材料體系使得905nm有成本優(yōu)勢

在905nm與1550nm光源中如何做選擇？主要還是取決于需求。激光雷達(dá)用戶對激 光雷達(dá)的首要需求就是看得遠(yuǎn)（發(fā)光功率大）、看得清（分辨率高，激光器點(diǎn)頻高）。激光雷達(dá)需要看多遠(yuǎn)？主要取決于制動距離。在通常的柏油路面上，120km/h條件下，制動距離接近130米，所以需要確保探測距離在制動距離之上，才能在高速場景下保障安全。

那么是否現(xiàn)有的905nm和1550nm激光雷達(dá)都能做到足夠長的探測距離？其實不然。1550nm激光器由于采用光纖能夠放大激光，因此其功率更大，幾毫瓦功率的種子光源經(jīng)過光纖放大，瞬時發(fā)光功率可達(dá)1kW級別（905nm激光器則只有100W級別）。大功率帶來的好處是探測距離更遠(yuǎn)，根據(jù)目前各家產(chǎn)品參數(shù)，1550nm激光雷達(dá)對10%反射率物體的探測距離通常能夠達(dá)到250m以上（905nm大多在150m@10%左右）。對10%反射率物體具備150m探測距離有些時候是不夠的，其原因在于有大量低反射率物體，比如動物毛皮、輪胎等，這些物體同樣會影響駕駛安全，但激光雷達(dá)對其探測距離往往會大幅縮減，在這種情況下，1550nm激光雷達(dá)會有更高的安全系數(shù)。

既然探測距離主要跟激光的功率有關(guān)，那么905nm激光雷達(dá)為什么不通過增加功率來提升探測距離呢，這里遇到的主要挑戰(zhàn)是人眼安全。所謂人眼安全就是激光雷達(dá)不能明顯加熱人的眼球結(jié)構(gòu)，不能燒壞視網(wǎng)膜、晶狀體、玻璃體、角膜等重要的光學(xué)結(jié)構(gòu)。視網(wǎng)膜是視神經(jīng)的延伸，如果損壞將直接導(dǎo)致視力永久性損失。晶狀體、玻璃體等前部光學(xué)部件如果損壞，則可能導(dǎo)致白內(nèi)障等病癥，同樣會導(dǎo)致視力嚴(yán)重?fù)p失。

而要保證不損傷人眼，需要滿足何種功率限制？這方面ANSI和IEC等權(quán)威組織已經(jīng)有了較為明確的結(jié)論。由于紅外激光對人眼的損傷通常屬于加熱效應(yīng)，因此需要保證激光 照射不導(dǎo)致明顯的溫升。由于發(fā)熱等于功率和時間的乘積，因此要滿足盡量不發(fā)熱，只需要激光照射的時間足夠短，或者連續(xù)照射功率足夠小即可。

由于905nm更接近可見光，視網(wǎng)膜對其更敏感，同時液態(tài)水對其吸收也更少，因此這種光線更容易直達(dá)視網(wǎng)膜。相比而言，1550nm容易被水吸收，因此在抵達(dá)視網(wǎng)膜之前 已經(jīng)被玻璃體等前部結(jié)構(gòu)進(jìn)行一輪吸收，抵達(dá)視網(wǎng)膜的較少。同時1550nm光折射率更大， 即便是抵達(dá)視網(wǎng)膜，也不容易聚焦成很小的光點(diǎn)，能量相對分散，進(jìn)一步減小了損傷。

基于以上原因，在連續(xù)波情況下，1550nm激光的人眼安全功率達(dá)到905nm的10倍（如左下圖所示），如果是瞬間發(fā)光則倍數(shù)更多，如果發(fā)光控制在納秒級別（激光雷達(dá)通常一個脈沖只有幾個納秒），那么 1550nm激光人眼允許的強(qiáng)度可以更高。

所以，905nm激光功率不能再大幅增加的原因在于人眼安全，1550nm的探測距離優(yōu) 勢將繼續(xù)保持。然而，1550nm激光器的短板是其成本更高。

905體系近紅外激光器發(fā)展較早，是基于GaAs材料體系的（其他近紅外激光器如 850/865nm、1064nm等也使用GaAs類材料），最早的LED（半導(dǎo)體發(fā)光二極管）、最早的半導(dǎo)體激光器都是基于GaAs開發(fā)的，可以說產(chǎn)業(yè)十分成熟，成本已經(jīng)很低。

而另一條路線1550所使用的激光器種子光源材料為InGaAsP，需要基于InP體系開發(fā)，一方面其發(fā)展比GaAs要晚一些，另一方面In元素本身也更稀有，成本也更高。根據(jù)Chemical Book網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，銦的地殼豐度只有百萬分之0.05，與銀相近，其稀有性決定 了其價格必然較高。Yole對InP EEL、GaAs VCSEL、GaAs EEL的成本進(jìn)行了對比（由于反射效率、散熱效率等物理層面問題，InP體系目前沒有實用的VCSEL激光器）。橙色部分顯示的是晶圓基片的成本，從中可見，雖然6寸晶圓的面積是4寸晶圓的2.25倍，但是4寸的InP晶圓基片成本卻比6寸GaAs晶圓基片貴3倍多，如果換算成單位面積成本，那么差距就更大了。半導(dǎo)體激光器晶圓還需要在基片上進(jìn)行外延生長（沉積上真正的發(fā)光材料等），這部分成本在圖中體現(xiàn)為黃色，InP晶圓的外延生長成本仍然明顯更高，比6寸GaAs EEL高了數(shù)倍。如果再考慮光纖成本，1550nm激光器成本就更高。

1550nm激光器的成本受到材料因素與激光器類型因素的限制，并非是通過大規(guī)模生產(chǎn)就能夠降低到905nm激光器同一水平的。

綜上所述，受到人眼限制，1550nm路線的探測距離優(yōu)勢明顯，而受到材料限制，905nm路線的成本優(yōu)勢也同樣明顯，因此二者構(gòu)成錯位競爭。預(yù)計1550nm激光雷達(dá)將主要用于以安全性為核心賣點(diǎn)的車輛（如沃爾沃等）、價位和品牌定位較為高檔的車輛（如蔚來、奔馳、上汽飛凡R等）、重卡（剎車距離較長，奔馳重卡采用1550nm激光雷達(dá)）等特殊定位的車輛。其余車輛受限于成本，則更適合采用905nm激光雷達(dá)。

不過1550nm和905nm的功率特性也對其成本有所影響。通常1550路線的激光器較少，一般只需要一個光纖激光器（包含一個泵浦光源和一個種子光源），之后還可以對光纖中的激光進(jìn)行分束，1個激光器就能同時打出多個光點(diǎn)，例如圖達(dá)通falcon采用1分4設(shè)計，1個激光器可同時產(chǎn)生4條光束進(jìn)行掃描。而905nm路線的激光器由于功率有限，通常無法分束，需要的激光器數(shù)量更多，比如速騰M1就采用了5個收發(fā)模組同時發(fā)光，5個激光器同時發(fā)光進(jìn)行掃描。禾賽AT128則配置更為豪華，直接采用128個VCSEL激光器來實現(xiàn)128線掃描?？梢哉f1550nm激光的高功率特性在一定程度上縮小了與905的成本差距。

3、905nm EEL，歐司朗一家獨(dú)大局面暫難改變

905nm路線又分為EEL和VCSEL，目前全球和國內(nèi)的905nm EEL的光芯片基本采用了歐司朗的光芯片。除了有先發(fā)優(yōu)勢外，另一大原因就是歐司朗后來在低溫漂EEL上通過專利構(gòu)筑了自己的優(yōu)勢，而溫漂是激光雷達(dá)的一個很大的挑戰(zhàn)。

如上圖所示，EEL光芯片在溫度發(fā)生變化時光的波長會發(fā)生漂移，大約為0.3nm/C°由于汽車的工作溫寬特別寬（-45°~+85°），因此120度左右的溫寬范圍能造成高達(dá)40nm左右的溫漂，這給接收端帶來了巨大的挑戰(zhàn)，會影響激光雷達(dá)的探測距離和成像質(zhì)量。

歐司朗實現(xiàn)低溫漂EEL的原理并不復(fù)雜，正如VCSEL實現(xiàn)低溫漂的關(guān)鍵在于上下兩層DBR反射鏡，歐司朗的低溫漂EEL其實也是利用了DBR。只不過VCSEL的DBR在上下兩面，而歐司朗將DBR放在了EEL激光器的側(cè)面（圖中130所標(biāo)記的即為DBR）， 與出光面上的鍍膜（圖中125）構(gòu)成諧振腔，利用DBR實現(xiàn)了波長的精確篩選，從而實現(xiàn)低溫漂。

雖然低溫漂EEL原理上并不十分復(fù)雜，但由于歐司朗構(gòu)筑了較強(qiáng)的專利壁壘，因此在EEL領(lǐng)域其市場地位較難動搖。

4、低成本，VCSEL取代EEL大勢所趨

雖然目前激光雷達(dá)領(lǐng)域的光源還是以EEL為主，但在905nm波長上，隨著多結(jié)工藝提升了發(fā)光功率，VCSEL替換EEL的趨勢越來越明顯，國內(nèi)激光芯片企業(yè)迎來發(fā)展機(jī)遇。

VCSEL取代EEL的首要原因是成本，由于VCSEL是上表面發(fā)光而不是側(cè)面發(fā)光， 不需要在側(cè)面進(jìn)行太多加工，只需要按照正常的半導(dǎo)體加工工藝批量處理即可。而EEL是側(cè)面發(fā)光，所以在形成晶圓后還需要進(jìn)行切割，分別對每個激光器的側(cè)表面進(jìn)行處理、鍍膜，無法按照現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝來一次性處理整個晶圓的激光器，成本較高。按照Yole的統(tǒng)計，EEL的后道處理工序成本比VCSEL高了一倍以上。如果再考慮給EEL增加DBR，就需要在EEL側(cè)面沉積多層晶體，成本會進(jìn)一步提高。

VCSEL取代EEL的第二大原因是因為過去VCSEL發(fā)光功率低的問題已經(jīng)被新的“多結(jié)”工藝所解決。半導(dǎo)體激光器本質(zhì)上作為一種二極管，也是PN結(jié)構(gòu)成的，所謂多結(jié)就是多個PN結(jié)。在最初始的LED和激光二極管中，通常只用1個PN結(jié)進(jìn)行發(fā)光。而隨后為了加大功率，人們開始將一個半導(dǎo)體激光器制作成多層PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，每一個PN結(jié)都能夠發(fā)光，這就大大增加了發(fā)光強(qiáng)度。根據(jù)劉恒等發(fā)布的《用于激光雷達(dá)的高性能多結(jié)VCSEL芯片的研究》，下圖49是一個6層結(jié)的VCSEL，圖中“MQW”所指向的區(qū)域就是發(fā)光層，總共有6個，相當(dāng)于6個PN結(jié)，電流從上到下依次流經(jīng)6個PN結(jié)，就能讓6個PN結(jié)同時發(fā)光，相當(dāng)于6個串聯(lián)的激光二極管。我們用多層結(jié)的方式將多個激光器濃縮到一個激光器中，自然就提高了發(fā)光功率。也正是因為近年來結(jié)數(shù)的增多讓VCSEL的發(fā)光功率迅速增大，快速接近EEL。

此前由于VCSEL發(fā)展較晚，而且更多用于消費(fèi)電子，對大功率沒有需求，所以此前的VCSEL大多都是單層結(jié)的，功率較小。而激光雷達(dá)的發(fā)展對大功率激光器提出了需求， 做出多層結(jié)的VCSEL并不存在原理上的困難，只是需要時間進(jìn)行工藝開發(fā)，因此隨著近 年來VCSEL結(jié)數(shù)的不斷增加，最后一塊短板已經(jīng)被補(bǔ)齊，在激光雷達(dá)領(lǐng)域替代EEL已經(jīng)完全可行。

正因以上種種優(yōu)勢，禾賽科技和華為等激光雷達(dá)廠商的方案紛紛走向VCSEL路線，比如禾賽科技在其專利《光發(fā)射模塊、光探測模塊、激光雷達(dá)及其測距方法》（專利申請公布號CN114152933A）中就主要使用了VCSEL芯片組成激光發(fā)射陣列。

我國激光產(chǎn)業(yè)鏈在大功率VCSEL方面與國外公司相比完全不落下風(fēng)，長光華芯、縱慧芯光等公司在此領(lǐng)域具備強(qiáng)勁實力，值得關(guān)注。

5、為什么激光雷達(dá)里不需要加裝TEC

另一種解決溫漂的思路就是主動對激光器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，正如現(xiàn)在的新能源車往往會 對鋰電池進(jìn)行熱管理。但這一思路更加凸顯了VCSEL路線的優(yōu)越性。在需要維持光波長 精確的場合主動進(jìn)行熱管理往往需要增加TEC（半導(dǎo)體制冷器，Thermo-Electric Cooler）。針對激光雷達(dá)進(jìn)行冷卻，然而加裝單個TEC的功耗往往在2-3W的水平，多個激光器這一 功耗水平對于平均功耗只有十幾瓦水平的激光雷達(dá)來說是一個不小的負(fù)擔(dān)。此外，增加TEC本身也會帶來額外的成本開支，由于目前EEL激光器已經(jīng)解決了溫漂問題，VCSEL激光器天然溫漂就比較小，因此與光模塊不同，在激光雷達(dá)里不再需要加裝TEC。

6、快慢軸準(zhǔn)直：單激光器配備1-2個準(zhǔn)直鏡，市場規(guī)模有望媲美手機(jī)鏡頭

發(fā)射端除了光源以外，另一類重要部件就是光學(xué)器件，其中最重要的一類就是用于對 激光器的光路進(jìn)行校準(zhǔn)的器件，在激光雷達(dá)整機(jī)中的價值量通常能夠達(dá)到10-20美金的水平，市場空間也較為廣闊。

為什么需要對激光器發(fā)出的光進(jìn)行校準(zhǔn)？因為真實的激光并不是許多人想象當(dāng)中的筆直的光束，而是存在著發(fā)散角的，尤其是半導(dǎo)體激光器，發(fā)散角非常大。由于半導(dǎo)體激光器體積小，諧振腔小，對光束的篩選作用比較弱，而且發(fā)光面積小，發(fā)出的光線會發(fā)生 衍射，所以對于EEL來說通常射出的都是橢圓錐形光束，如果對著墻面照射則會打出一個橢圓形光斑，其中橢圓形長軸通常稱為快軸，短軸通常稱為慢軸，快軸方向發(fā)散角可能達(dá)到25-50度左右，慢軸方向發(fā)散角也可能有十幾度到二十度。VCSEL激光器的光束也會呈現(xiàn)圓錐形發(fā)散，發(fā)散角可以達(dá)到20度左右。如果采取這樣的光束直接照射，則能量會很快分散殆盡，無法進(jìn)行有效探測。

另外，半導(dǎo)體激光器由于諧振腔的篩選能力不夠強(qiáng)，還存在光束質(zhì)量問題，也就是光 斑的強(qiáng)弱分布不均（存在多橫模），且在主要光斑周圍還有少量剩余能量（拖尾效應(yīng)），所以有時也需要進(jìn)行調(diào)整。針對拖尾問題，經(jīng)常采用光闌將主光斑之外的少量光束舍棄。

針對EEL激光器，通常需要在發(fā)光界面后立刻使用柱面透鏡進(jìn)行快軸準(zhǔn)直，如此可以用最小的透鏡面積節(jié)約成本，例如速騰M1是在每個激光器后緊跟一個快軸準(zhǔn)直。在進(jìn)行快軸準(zhǔn)直后，通常會再進(jìn)行一次慢軸準(zhǔn)直。經(jīng)過兩次準(zhǔn)直后激光將具有較好的直線性。

鐳神智能的一款激光雷達(dá)發(fā)射模組中采用8個EEL激光器，在每個激光器的出光口直接安裝1個快軸準(zhǔn)直鏡，體積更小，僅有亞毫米尺度，肉眼基本無法直接分辨。

而針對光學(xué)校準(zhǔn)，1550nm路線再次展現(xiàn)了其優(yōu)勢。由于1550激光雷達(dá)使用光纖激光器，而光纖（通常使用單模光纖）本身就具有極強(qiáng)的光學(xué)校準(zhǔn)能力，因此1550nm激光器的光束質(zhì)量較高，輸出的幾乎是完美的圓形高斯光斑。同時其發(fā)散角也較小，根據(jù)武漢理工大學(xué)張睛等人的研究，圓光纖的發(fā)散角只有6度多，通常只需要在光纖后加一個普通的球面凸透鏡即可。

此外，對于絕大多數(shù)激光雷達(dá)，在接收光路上通常都需要用凸透鏡進(jìn)行光線匯聚，將從目標(biāo)處反射回來的平行光匯聚在接收器所在的較小面積上。對于部分短距離flash激光雷達(dá)，準(zhǔn)直需求將變?yōu)楣鈭鰪?qiáng)度均勻化以及光束視場角擴(kuò)大的需求，因此會對光場勻化器、光束擴(kuò)散器等光學(xué)元件產(chǎn)生需求。

隨著激光雷達(dá)行業(yè)發(fā)展，預(yù)計對光學(xué)器件的需求將穩(wěn)定持續(xù)增長?？燧S準(zhǔn)直鏡將有較 大需求，此外慢軸準(zhǔn)直鏡、快慢軸準(zhǔn)直一體化透鏡、球面透鏡等也將有較多市場需求。未來若激光雷達(dá)達(dá)到較高滲透率，按照單車1前向2側(cè)向的配置，單臺激光雷達(dá)光學(xué)元件價值按照10美元計算，則全球市場規(guī)模有望超過百億人民幣，與手機(jī)鏡頭相近。

在光學(xué)校準(zhǔn)元件方面，炬光科技、永新光學(xué)、藍(lán)特光學(xué)、福晶科技、騰景科技等一批 國內(nèi)公司都分別在各自擅長的領(lǐng)域具備一定的實力。

散熱與無熱化設(shè)計：避免產(chǎn)生光路變化，保障激光器高點(diǎn)頻

發(fā)射端除了發(fā)光、校準(zhǔn)光之外，還需要保障持續(xù)可靠工作，最主要的就是盡量避免發(fā)熱的影響。如果發(fā)熱得不到有效控制，則溫度上升，不僅會導(dǎo)致激光器溫漂，還會導(dǎo)致其他元件變形，對光路產(chǎn)生影響。由于功耗原因，通常不在激光雷達(dá)中進(jìn)行主動降溫，因此就需要考慮散熱設(shè)計與無熱化設(shè)計。所謂無熱化，主要是指補(bǔ)償設(shè)計，當(dāng)溫度發(fā)生改變，光學(xué)器件發(fā)生形變，但系統(tǒng)中不同部件的形變效果幾乎恰好抵消，使得光學(xué)系統(tǒng)的效果幾乎不受溫度影響。

在激光雷達(dá)中，通常主要的發(fā)熱部件就是芯片和激光器，針對芯片，通常采用導(dǎo)熱膠或?qū)峁柚确绞竭M(jìn)行充分散熱，以免熱量影響自身以及其他部件工作。

實現(xiàn)良好的散熱對于提高激光器點(diǎn)頻具有重要意義，從而能夠打破幀率、分辨率、視野構(gòu)成的不可能三角。針對大功率激光器主要是采用熱沉進(jìn)行散熱，此處熱沉（heat sink）通常是指一些能夠持續(xù)吸收熱量或者將熱量傳導(dǎo)走而又保持溫度穩(wěn)定的物體，在激光器當(dāng)中通常指散熱材料。

無熱化的方法不盡相同，例如可以采取徑向折射率不同的材料制作透鏡來減弱溫度的影響，或者采用帶有記憶特性的材料來讓光學(xué)元件之間產(chǎn)生相對位移，從而抵消形變的影響等。

2 接收端：905nm走向SiPM，1550nm使用APD，PDE與可靠性是關(guān)鍵

目前激光雷達(dá)所用的接收端主要分APD、SPAD/SiPM兩大路線，這兩種路線其實同根同源，都是利用二極管的雪崩擊穿效應(yīng)。

眾所周知，二極管具有單向?qū)щ娦?，在反方向幾乎不?dǎo)電，除非施加較大的反向電壓， 直接強(qiáng)行讓二極管擊穿。雪崩擊穿就是二極管擊穿的一種，想象一塊從山頂滾落的石塊，如果其速度夠快，它就能夠撞碎沿途的樹木和其他石塊，并且這些碎塊將伴隨初始的石塊共同加速滾下山坡，在途中不斷造成更大的破壞，最終越來越多石塊將加入這一過程，造成巨大破壞，這一過程與雪崩極為類似。二極管的雪崩擊穿中，石塊換成了電子，強(qiáng)大的反向電壓導(dǎo)致少量電子高速運(yùn)動，并將其他原子中的電子擊飛出來成為自由電子，這些自 由電子又將更多的電子擊飛成為自由電子，導(dǎo)致反向電流迅速擴(kuò)大，二極管擊穿。

雪崩擊穿與光子探測的關(guān)系就在于，光子能夠激發(fā)電子使其成為自由電子，在合適的條件下能夠誘發(fā)雪崩擊穿。只需探測到二極管反向電流的突然增大，就意味著有光子存在。最初利用光子激發(fā)電子原理的是光電二極管PD（Photo-Diode），光子能夠增大反向電流，但無法導(dǎo)致?lián)舸?，反向電流仍然很小，因此探測靈敏度不高。APD（Avalanche Photo-Diode， 雪崩光電二極管）其實就是光電二極管的升級版，直接給光電二極管加上反向電壓，這個反向電壓十分接近擊穿電壓，如此只需有少量光子就可以誘發(fā)雪崩擊穿，導(dǎo)致電流劇增，真正實現(xiàn)了高靈敏度的光探測。SPAD（Single Photon Avalanche Diode，單光子雪崩二極管）則是在APD的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，直接施加反向電壓使其處于擊穿狀態(tài)，此時甚至只需要1個光子擊中二極管中的電子就能夠誘發(fā)大規(guī)模的雪崩擊穿，所以SPAD能夠?qū)崿F(xiàn)單個光子的探測。由于SPAD的單光子探測功能，光電子大廠濱松也將其稱為SPPC（single pixel photon counter，單光子計數(shù)器）。

PD、APD、SPAD本質(zhì)相同，只是工作于不同的反向電壓下，導(dǎo)致1個光子能夠激發(fā)出的電子數(shù)量不同，探測靈敏度也就隨之產(chǎn)生了極大的差距。

而SiPM（Silicon Photo-Multiplier，硅光電倍增管，濱松也稱為MPPC，多像素光子計數(shù)器）就是一組并聯(lián)的SPAD，用于彌補(bǔ)SPAD對光強(qiáng)感知能力不足的問題。由于SPAD只需1個光子就會發(fā)生雪崩，同時有100個光子入射和1個光子入射并不會帶來什么區(qū)別。為了解決這一問題，直接將大量SPAD并聯(lián)，通過發(fā)生雪崩的SPAD數(shù)量即可判斷光強(qiáng)。如今使用SPAD探測器的激光雷達(dá)通常都會直接使用SiPM，而不是單個的SPAD。

雖然SPAD靈敏度明顯高于APD，但接收端不是僅僅以靈敏度為標(biāo)準(zhǔn)，APD與SPAD各自有其應(yīng)用場景，APD也具有高動態(tài)范圍、高量子效率（無用功更少）等優(yōu)點(diǎn)。

APD：低成本高可靠仍有價值，1550路線需使用APD

早期由于SPAD技術(shù)成熟度不足，激光雷達(dá)通常使用APD作為接收器。本次拆解的較早型號的鐳神CH32，其接收端芯片使用了一列APD。

目前APD與SiPM相比靈敏度上存在較大差距，因此在較新的追求探測距離的905路線激光雷達(dá)上已經(jīng)出現(xiàn)了被替代的趨勢。但APD受自然光和環(huán)境溫度干擾程度更輕， 在強(qiáng)烈陽光等場景下也具有其價值。

展望未來，APD一個較為確定的應(yīng)用場景是1550路線的激光雷達(dá)。由于硅材料的限制，SiPM通常只能探測波長在1100nm以下的光子，對于1550nm的光子力有不逮。探測1550nm的光子通常需要InGaAs/InP系列材料，此類材料內(nèi)部缺陷相對較多，如果制程SPAD，則其暗計數(shù)率（DCR，每秒在無光條件下由于材料內(nèi)部熱載流子自行引發(fā)雪崩的次數(shù)）較高，所以通常采用APD。

目前在1550nmAPD領(lǐng)域，我國已有企業(yè)布局，例如芯思杰為鐳神智能開發(fā)陣列SPAD，也正在和國內(nèi)其余頭部激光雷達(dá)在合作。

SPAD/ SiPM：905nm路線替代APD已成大勢，關(guān)注PDE與可靠性

近年來SiPM技術(shù)成熟度日漸提高，其高靈敏度的特性已經(jīng)得到業(yè)界充分認(rèn)知，越來越多的激光雷達(dá)接收端開始采用SiPM。例如速騰M1的接收端就采用了濱松的SiPM。

SPAD/SiPM路線面臨的一個比較明顯的問題是自然光干擾，尤其是強(qiáng)烈日光的干擾。由于日光是連續(xù)譜，幾乎涵蓋了所有激光雷達(dá)的工作波長，所以僅靠濾光片是無法完全濾除陽光的，強(qiáng)烈的陽光入射會導(dǎo)致SiPM中多個SPAD單元飽和，并且在恢復(fù)初始狀態(tài)前都無法吸收光子，因而有可能漏掉真正的反射信號。

所以在強(qiáng)烈的日光下，使用SPAD/SiPM的激光雷達(dá)經(jīng)常會出現(xiàn)探測距離明顯下降的 問題。雖然目前已有一些算法進(jìn)行日光干擾的處理，但往往效果并不完美，有時還會引入額外噪聲，所以SPAD對自然光的處理仍然是一個難題。

目前SPAD/SiPM領(lǐng)域主要被索尼和濱松占據(jù)，安森美也有一定份額。國際廠商在光子探測效率PDE（Photon Detection Efficiency）、可靠性（包括暗計數(shù)率DCR、后脈沖、串?dāng)_等）方面占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢，其中索尼在PDE和分辨率方面占據(jù)優(yōu)勢，推出了100k像素的IMX459，而濱松在可靠性方面積累深厚，新產(chǎn)品串?dāng)_發(fā)生率只有前代的不到十分之一， 暗計數(shù)也實現(xiàn)了減半。

我國也有一些公司在SPAD/SiPM領(lǐng)域進(jìn)行布局，例如南京芯視界、靈明光子、阜時科技等，但從數(shù)據(jù)上來看，在PDE和DCR指標(biāo)方面都還有進(jìn)步空間。

掃描端：轉(zhuǎn)鏡的核心壁壘在時序控制算法，MEMS 振鏡有較高難度

目前市面上主流的長距離激光雷達(dá)掃描方式為轉(zhuǎn)鏡類和 MEMS 類，我們預(yù)計在短期 內(nèi)這一局面仍將持續(xù)。

轉(zhuǎn)鏡：簡單可靠，目前最容易通過車廠認(rèn)證的路線

轉(zhuǎn)鏡是目前應(yīng)用最廣的路線，包括禾賽、華為、圖達(dá)通、鐳神智能等大多數(shù)廠商都有 采用轉(zhuǎn)鏡路線的產(chǎn)品。轉(zhuǎn)鏡路線的核心要素是電機(jī)以及針對特定波長高反射率的鍍膜反射 鏡，通常轉(zhuǎn)鏡只需保證勻速旋轉(zhuǎn)即可，無需變速或其他特殊控制，整體難度不高。具體方 案上，轉(zhuǎn)鏡可以單獨(dú)工作，也可以搭配振鏡，或采用線光斑掃描等方式。我國市場上，鳴志電器、湘油泵等廠商得益于電機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)，在轉(zhuǎn)鏡領(lǐng)域有一定儲備。

單一轉(zhuǎn)鏡：采用不規(guī)則棱鏡方式實現(xiàn)多線束掃描 單個轉(zhuǎn)鏡是最為簡單的方案，比如鐳神智能的 32 線轉(zhuǎn)鏡雷達(dá)，就是通過 8 個 EEL 激 光器和一個四面傾角略有不同的轉(zhuǎn)鏡來實現(xiàn)的 32 線掃描。從測量數(shù)據(jù)可見，其使用的轉(zhuǎn) 鏡底邊各個棱長略有不同，導(dǎo)致每一面并不是規(guī)整的矩形，四面鏡子存在大小不同的傾角。

轉(zhuǎn)鏡+振鏡掃描：改變振鏡轉(zhuǎn)速與激光器點(diǎn)頻制造 ROI

與單獨(dú)的轉(zhuǎn)鏡方案不同，轉(zhuǎn)鏡+振鏡方案靈活度較高，能夠支持 ROI 設(shè)計（密集掃描 重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，其他區(qū)域保持常規(guī)掃描頻率）。圖達(dá)通的 falcon 激光雷達(dá)采用的就是轉(zhuǎn)鏡+ 振鏡方案，轉(zhuǎn)鏡負(fù)責(zé)水平掃描，振鏡負(fù)責(zé)垂直掃描。

根據(jù)圖達(dá)通發(fā)布的專利《用于 LiDAR 系統(tǒng)的二維操縱系統(tǒng)》，光束從光源射出后打在 振鏡上，并被反射到轉(zhuǎn)鏡上，從轉(zhuǎn)鏡上反射到外界，再從被測物體處原路返回，回到接收 光路中。多個光源呈現(xiàn)略微不同的角度，同時向振鏡發(fā)光，即可實現(xiàn)多線掃描。實際中采 用的是光纖一分四，四線同時掃描。

與專利中的不同在于實際的轉(zhuǎn)鏡采用的是五邊形，這與水平視場角有關(guān)，棱鏡棱數(shù)越 多水平視場角就越小，五邊形能夠達(dá)到其標(biāo)稱的 120 度水平視場角。另外圖中收光透鏡處 呈現(xiàn)綠色是因為振鏡的倒影呈現(xiàn)在透鏡上，振鏡采用了增反膜來增強(qiáng)對 1550nm 光束的反 射率，所以呈現(xiàn)綠色。轉(zhuǎn)鏡上則有一層金屬膜增強(qiáng)反射率。

圖達(dá)通的此種設(shè)計的一大優(yōu)勢在于能夠靈活調(diào)節(jié) ROI。垂直方向上，可以設(shè)定振鏡在 某一角度區(qū)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)較慢，則對應(yīng)的范圍內(nèi)掃描點(diǎn)將會更密集。同時在一個特定的水平視 場角內(nèi)也可以設(shè)定 ROI，這是通過改變激光器點(diǎn)頻來實現(xiàn)的，由于轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)速是恒定不變 的，因此只需周期性提升激光器點(diǎn)頻。

轉(zhuǎn)鏡+線光源：華為/禾賽的新路線

轉(zhuǎn)鏡與線光斑的組合是一種較新的組合。華為在其新款激光雷達(dá)上采用該路線，由 8 個半導(dǎo)體激光器充當(dāng)光源，并經(jīng)過光學(xué)器件的整型成為均勻的線光斑。根據(jù)禾賽科技招股 說明書，其芯片化 V1.5 方案與當(dāng)前的 AT128 較為相似，而芯片化 V2.0 產(chǎn)品采用的是轉(zhuǎn) 鏡+線光源方案，意味著禾賽科技也有意向開發(fā)線光斑產(chǎn)品。

線光斑路線的優(yōu)勢在于發(fā)射的是連續(xù)的線光斑，因此垂直方向的分辨率非常高，而且 如果需要進(jìn)一步增加垂直分辨率，只需增加接收端的分辨率，無需增加激光器（發(fā)射端分 辨率約等于無限），升級成本更低。

線光斑路線的挑戰(zhàn)在于，一方面需要全新的光學(xué)設(shè)計和算法設(shè)計，另一方面線光斑要 求較大的出入光窗口，因此受到外界自然光的干擾也相對強(qiáng)烈一些。由于光路的可逆性， 點(diǎn)光源路線的激光雷達(dá)，只有與當(dāng)前發(fā)射光線角度近乎完全相同的外界光線才能進(jìn)入接收 端，而對線光源激光雷達(dá)而言，當(dāng)前掃描到的一條豎線上的外界光線都可以進(jìn)入接收端， 顯然干擾光的數(shù)量遠(yuǎn)多于點(diǎn)光源路線。而且由于線光斑的能力更為均勻，也就更為分散， 因此接收端往往也需要使用更為靈敏的 SPAD/SiPM，受到陽光的干擾也就更為嚴(yán)重，會 出現(xiàn)強(qiáng)光下探測距離下降的情況。

MEMS 振鏡：尺寸較小，平衡性能與體積

MEMS 振鏡是另一種主流路線，具備體積較小的優(yōu)勢。按照驅(qū)動方式，MEMS 可以 分為靜電式、電磁式、電熱式、壓電式，但目前市面上主要只有靜電式和電磁式兩類，后 兩類屬于實驗室產(chǎn)品。在這兩類之中，電磁式無需高電壓驅(qū)動，無需升壓電路，而且驅(qū)動 力明顯大于靜電式（可以驅(qū)動更大的鏡片，使激光束可以始終完全擊中大幅擺動的鏡片）， 掃描范圍也明顯更大，所以目前電磁式 MEMS 是激光雷達(dá)的主流。

速騰 M1 是采用 MEMS 掃描模式的代表。其整機(jī)具備 5 個激光收發(fā)模組，與收發(fā)模組 一一對應(yīng)的是 5 個固定反射鏡，這 5 個固定反射鏡將激光器的光束反射到中央的 MEMS 振鏡上，并隨著 MEMS 振鏡的不斷振動實現(xiàn) 5 條光束的同時掃描。

由于 MEMS 振鏡振動的角度范圍比較有限，通常只有 10 余度，帶動光線掃過的角度 也只有二十幾度，所以需要 5 個激光器各自負(fù)責(zé) 20 多度的一個扇區(qū)，拼合起來實現(xiàn)與轉(zhuǎn) 鏡路線相同的水平視場角。

拆開來看，速騰 M1 的 MEMS 模組后側(cè)是強(qiáng)力永磁體，長軸長度 7 毫米的振鏡靠極為 纖細(xì)的金屬絲（直徑僅有大約 0.1 毫米）固定在線圈上，線圈通電則能夠帶動振鏡振動。

MEMS 領(lǐng)域，國內(nèi)希景科技、英唐智控、知微傳感等公司都有產(chǎn)品發(fā)布。國際上諸如 濱松、Mirrorcle，以及被英飛凌收購的 innoluce 等都有產(chǎn)品發(fā)布，但濱松的產(chǎn)品直徑較小， 頻率較高，并非直接面向激光雷達(dá)場景，innoluce 產(chǎn)品也是小直徑高頻率的類型，Mirrorcle 則主要擅長靜電驅(qū)動型 MEMS。國內(nèi)廠商中，希景科技是速騰的全資子公司，也是其產(chǎn)品 提供方，根據(jù)我們的現(xiàn)場測量，其產(chǎn)品長軸直徑達(dá)到 7 毫米，官網(wǎng)顯示其快軸頻率為 1.2-1.3kHz，抗 50 個 g 以上的沖擊，較為適合激光雷達(dá)的需求。

雙楔形棱鏡：低成本設(shè)計，最有利于低價的方案

雙楔形棱鏡是大疆主要采用的掃描方案，其由兩塊同軸放置的楔形棱鏡組成，隨著兩 個棱鏡以不同速度旋轉(zhuǎn)，將在前方掃出類似菊花的圖樣，其原理類似萬花筒。這一方案最 大的優(yōu)勢在于成本低、節(jié)約激光器和接收器，Livox Mid-40 官網(wǎng)售價僅 599 美金，而其最 大的劣勢在于幀率不足，外圈掃描點(diǎn)數(shù)不足。大疆新推出的高端車載產(chǎn)品 Livox HAP（官 網(wǎng)售價 1389/1599 美金）仍采用這一原理，不同點(diǎn)在于水平方向的掃描寬度明顯增加了。

在大疆的新款激光雷達(dá)上，雙楔形棱鏡原理仍然沒有改變，但不同在于，新款利用菲 涅爾原理，去掉了棱鏡上不發(fā)揮作用的部分，肉眼可見，新的棱鏡每一片都可以分成兩截， 實現(xiàn)了減重以及體積收縮，更適合汽車場景。

信號處理：LD 驅(qū)動與 TIA 屬必需品，FPGA 主要進(jìn)行時序控制和算法

與信號相關(guān)的部件主要包括激光驅(qū)動芯片、跨阻放大器（用來將光電傳感器的電流放 大成較大的電壓）、ADC/TDC、FPGA 等。在這些領(lǐng)域，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)的較少，但其仍然具 備相當(dāng)?shù)膬r值量，也為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)升級提供了市場空間。

LD Driver：越快越好，最大化利用瞬時功率的選擇 LD Driver 即激光器驅(qū)動芯片，它負(fù)責(zé)在接收到主控芯片的“發(fā)光”指令后，給激光 器產(chǎn)生一個具體的控制信號。對于這個控制信號的主要要求就是足夠快，有足夠陡峭的上 升沿。通常在低速信號電路中，信號從 0 變成 1 可以看成是瞬間完成的，但在高速電路中， 從 0 跳到 1 的時間消耗就無法忽略了，所謂上升沿指的就是這個從 0 到 1 的過程，反之下 降沿就是從 1 到 0 的過程。

為什么對上升沿有較高要求？如前文所屬，激光雷達(dá)功率上限受到人眼約束，然而與 探測相關(guān)的主要是瞬時功率，因此如果能夠?qū)⑺矔r功率做高，同時讓發(fā)光時間變短，那么 就能夠提高探測距離。同時，縮短發(fā)光脈沖時間對于提高激光器點(diǎn)頻也有所幫助。因此， 盡可能縮短上升沿和下降沿時間就成為了有必要的選擇。

同時激光器要達(dá)到高功率短脈沖，不僅需要快速的 LD 驅(qū)動，還需要一個能夠快速響 應(yīng) LD 驅(qū)動的大功率電流源，通常是一個 GaNFET。

根據(jù)禾賽科技招股說明書，其自研的激光驅(qū)動芯片實現(xiàn)了超快上升沿和下降沿，且單 芯片能夠驅(qū)動 4個通道（也就是 1個 LD驅(qū)動芯片可以配合 4個 GaNFET 和 4個 LD使用）， 性能較為優(yōu)秀。

TIA：高速運(yùn)放，SiPM 仍需使用

在接收端，APD 或 SiPM 接收到光子后產(chǎn)生電流，理論上通過這個電流即可獲知光強(qiáng)， 然而實際上盡管反射光信號已經(jīng)經(jīng)過了 SiPM 或 APD 的放大，卻仍然較小，通常需要再次 放大。而且光電傳感器輸出的是電流信號，不利于與數(shù)字電路相融合，如果將其轉(zhuǎn)化為電 壓信號，則一方面方便數(shù)字電路處理，另一方面也能夠減小功耗。完成放大和電流轉(zhuǎn)電壓 （“跨阻抗”或“跨阻”的由來）任務(wù)的就是跨阻放大器 TIA（trans impedance amplifier）， 屬于高速運(yùn)放的一種。

目前高速運(yùn)放領(lǐng)域主要被 TI、ADI 等國外廠商占據(jù)，但國內(nèi)激光雷達(dá)廠商表現(xiàn)出一些 自研的趨勢，例如鐳神智能與禾賽科技等公司都在自研 TIA。根據(jù)禾賽科技招股說明書， 其自研的 TIA 在通道數(shù)、功耗、展寬、通道隔離度方面都比 ADI 的產(chǎn)品占據(jù)優(yōu)勢。

TDC、ADC：TDC 適合低成本場景，ADC 支持更精密測量

由于反射光以及光電探測器通常輸出的都是模擬信號，往往需要將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號 才便于核心處理器進(jìn)行處理及運(yùn)行后續(xù)的算法。

TDC（時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器）主要發(fā)揮計時器功能，通常用于低功耗、低成本、環(huán)境簡單 的系統(tǒng)（如左下圖 85），此時只 TDC 需要連接到主控芯片（通常 MCU 即可）和光接收器 之間，當(dāng)主控芯片發(fā)出發(fā)光信號時，也同步給 TDC 一個開始計時的信號，隨后反射回來 的光經(jīng)過 TIA 轉(zhuǎn)換成放大的電壓，再經(jīng)過比較器與參考電壓比較，判斷是否有光入射，TDC 則將比較器的輸出當(dāng)做結(jié)束信號，完成計時，并將時間信息送回主控芯片。

ADC 通常用于更復(fù)雜的系統(tǒng)（如右下圖 86），ADC 對反射光信號進(jìn)行持續(xù)采樣，轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號，并由控制芯片進(jìn)行波形處理、計時等工作。

目前高速 ADC 主要由國外廠商生產(chǎn)，但國產(chǎn)也有望在未來進(jìn)行替代。根據(jù)禾賽科技 招股說明書，其自研的高速 ADC 芯片性能超越 TI 的同類產(chǎn)品，在采樣率不變的前提下， 分辨率、功耗、信噪比都有改善，并且還內(nèi)置了 PLL 鎖相環(huán)。

FPGA：適應(yīng)算法快速迭代，專用電路設(shè)計比 CPU 高效率

FPGA 通常在激光雷達(dá)中充當(dāng)主控芯片。為什么不采用 CPU 作為主控？因為激光雷 達(dá)需要進(jìn)行大量的信號處理、電機(jī)時序控制等，CPU 雖然也能做，但如果采用專用的算法 以及為算法專門優(yōu)化設(shè)計的電路，其效率會高得多。而作為汽車領(lǐng)域的新生事物，從 2007 年 Velodyne 激光雷達(dá)首次被用于 DARPA 挑戰(zhàn)賽至今，其上車的歷史也不過十五年，還 有許多硬件/算法設(shè)計尚處在探索階段，因此采用 FPGA 有利于反復(fù)迭代修改，同時還滿 足了專用電路的高效性。

舉例來說，僅僅反射波的波形處理就需要消耗大量算力，而且每一束反射光都需要進(jìn) 行處理，使用 CPU 既難以滿足算力需求，又浪費(fèi) CPU 的通用能力，因此往往需要專門的 電路進(jìn)行處理。波形需要什么處理？實際中的情形比理論中復(fù)雜許多，雖然發(fā)射端發(fā)射的 是一個短促的脈沖，但由于光束的擴(kuò)散，飛行過程中會遇到多個障礙物，產(chǎn)生多個反射波。如果是樹木等物體，其反射波將更復(fù)雜（如右下圖 88 所示，反射波是一長串連續(xù)波）。在此情況下，我們?nèi)绾闻袛喾瓷涔獾姆祷貢r間，如何判斷反射率，都需要算法處理。

目前全球最主要的兩大 FPGA 廠家是 AMD 收購的 Xilinx，Intel 收購的 Altera，還有 Lattice 等規(guī)模稍小的廠商。大疆 Livox HAP 采用的就是 Xilinx 的 FPGA。

審核編輯：郭婷