激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging，簡(jiǎn)稱"LiDAR"）測(cè) 量 ， 是 一 種 集 激 光 、 GPS(全 球 定 位 系 統(tǒng))和 IMU （InertialMeasurement Unit，慣性測(cè)量裝置）三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM（數(shù)字高程模型）。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準(zhǔn)確地定位激光束打在物體上的光斑，測(cè)距精度可達(dá)厘米級(jí)，激光雷達(dá)最大的優(yōu)勢(shì)就是精準(zhǔn)和快速、高效作業(yè)。

激光雷達(dá)當(dāng)前被廣泛用于無(wú)人駕駛汽車和機(jī)器人領(lǐng)域，被譽(yù)為廣義機(jī)器人的“眼睛”，是一種通過(guò)發(fā)射激光來(lái)測(cè)量物體與傳感器之間精確距離的主動(dòng)測(cè)量裝置。

激光雷達(dá)通過(guò)激光器和探測(cè)器組成的收發(fā)陣列，結(jié)合光束掃描，可以對(duì)廣義機(jī)器人所處環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，獲取周圍物體的精確距離及輪廓信息，以實(shí)現(xiàn)避障功能；同時(shí)結(jié)合預(yù)先采集的高精地圖，機(jī)器人在環(huán)境中通過(guò)激光雷達(dá)的定位精度可達(dá)厘米量級(jí)，以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。

激光雷達(dá)可以高精度、高準(zhǔn)確度地獲取目標(biāo)的距離、速度等信息或者實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像。激光雷達(dá)工作過(guò)原理：激光通過(guò)掃描器單元形成光束角度偏轉(zhuǎn)，光束與目標(biāo)作用形成反射/散射的回波。當(dāng)接收端工作時(shí)，可產(chǎn)生原路返回的回波信號(hào)光子到達(dá)接收器，接收端通過(guò)光電探測(cè)器形成信號(hào)接收，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理得到目標(biāo)的距離、速度等信息或?qū)崿F(xiàn)三維成像。

激光雷達(dá)由激光發(fā)射、激光接收、信息處理、掃描系統(tǒng)四大基礎(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)成，這四大系統(tǒng)相互協(xié)作，進(jìn)而短時(shí)間內(nèi)獲取大量的位置點(diǎn)信息，并根據(jù)這些信息實(shí)現(xiàn)三維建模。其中激光發(fā)射器通過(guò)光束控制器控制發(fā)射激光的方向和線數(shù)，最后通過(guò)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，將激光發(fā)射至目標(biāo)物體；激光接收系統(tǒng)為接收光學(xué)系統(tǒng)，光電探測(cè)器接受目標(biāo)物體反射回來(lái)的激光，產(chǎn)生接收信號(hào)；信息處理系統(tǒng)接收信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)由信息處理模塊計(jì)算，獲取目標(biāo)表面形態(tài)、物理屬性等特性，最終建立物體模型；掃描系統(tǒng)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所在平面的掃描，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)的平面圖信息。

在激光雷達(dá)中，發(fā)射端是價(jià)值量最高、壁壘最高的環(huán)節(jié)之一。在發(fā)射端中，隨著國(guó)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(chǎng)實(shí)現(xiàn)突破。此外，1550nm光源也具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，與主流的905nm形成錯(cuò)位競(jìng)爭(zhēng)，未來(lái)隨著FMCW測(cè)距路線的逐步發(fā)展，預(yù)計(jì)其份額還有進(jìn)一步增長(zhǎng)的空間。發(fā)射端的“心臟”就是光源,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(wú)熱化三大問(wèn)題。那么為何有905nm與1550nm兩條路線，而不是其他波長(zhǎng)？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(zhǎng)能夠在空氣中使用，比如300nm以下的短波會(huì)被臭氧吸收，1微米以上的紅外波長(zhǎng)又經(jīng)常會(huì)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，如下圖白色背景部分（可以注意到很大一部分與可見(jiàn)光波長(zhǎng)重合）。白色窗口中又有一大段是可見(jiàn)光，如果直接采用可見(jiàn)光又會(huì)對(duì)人眼產(chǎn)生視覺(jué)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(zhǎng)，均處于白色窗口中，都能在空氣中正常工作。

最終選擇哪個(gè)波長(zhǎng)還與現(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)。1550nm的波長(zhǎng)允許的峰值功率高，更具有探測(cè)優(yōu)勢(shì)，而905nm波長(zhǎng)使用的材料體系則更有成本優(yōu)勢(shì)。同時(shí)由于905nm更接近可見(jiàn)光，視網(wǎng)膜對(duì)其更敏感，液態(tài)水對(duì)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(shí)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(duì)分散，進(jìn)一步減小了損傷。綜上所述，在考慮了人眼限制的因素上，1550nm路線的探測(cè)距離優(yōu)勢(shì)明顯，而受到材料限制，905nm路線的成本優(yōu)勢(shì)也同樣明顯，因此二者構(gòu)成錯(cuò)位競(jìng)爭(zhēng)。預(yù)計(jì)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(jià)位和品牌定位較為高檔的車輛（如蔚來(lái)、奔馳、上汽飛凡R等）、重卡（剎車距離較長(zhǎng)，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)。

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(zhǎng)上，隨著多結(jié)工藝提升了發(fā)光功率，VCSEL替換EEL的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，國(guó)內(nèi)激光芯片企業(yè)迎來(lái)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(duì)每個(gè)激光器的側(cè)表面進(jìn)行處理、鍍膜，無(wú)法按照現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝來(lái)一次性處理整個(gè)晶圓的激光器，成本較高。按照Yole的統(tǒng)計(jì)，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(huì)進(jìn)一步提高。VCSEL取代EEL的第二大原因是因?yàn)檫^(guò)去VCSEL發(fā)光功率低的問(wèn)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(gè)PN結(jié)。在最初始的LED和激光二極管中，通常只用1個(gè)PN結(jié)進(jìn)行發(fā)光。而隨后為了加大功率，人們開(kāi)始將一個(gè)半導(dǎo)體激光器制作成多層PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，每一個(gè)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(gè)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(gè)，相當(dāng)于6個(gè)PN結(jié)，電流從上到下依次流經(jīng)6個(gè)PN結(jié)，就能讓6個(gè)PN結(jié)同時(shí)發(fā)光，相當(dāng)于6個(gè)串聯(lián)的激光二極管。

近年來(lái)結(jié)數(shù)的增多讓905NM的VCSEL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(duì)大功率沒(méi)有需求，所以此前大多都是單層結(jié)的，功率較小。而激光雷達(dá)的發(fā)展對(duì)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(shí)間進(jìn)行工藝開(kāi)發(fā)，因此隨著近年來(lái)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。

發(fā)射端如果想要保證持續(xù)可靠的工作，還需要注意的一點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致激光器溫漂，還會(huì)導(dǎo)致其他元件變形，對(duì)光路產(chǎn)生影響。由于VCSEL功耗等原因需要進(jìn)行無(wú)熱化設(shè)計(jì)。所謂無(wú)熱化，主要是指補(bǔ)償設(shè)計(jì)，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(duì)芯片，通常采用傳導(dǎo)熱能量快、熱阻低的陶瓷材料封裝，輔以導(dǎo)熱膠或?qū)峁柚畛溥M(jìn)行充分散熱，以免熱量影響自身以及其他部件工作實(shí)現(xiàn)良好的散熱。針對(duì)大功率激光器主要是采用熱沉進(jìn)行散熱，熱沉（heat sink）通常是指一些能夠持續(xù)吸收熱量或者將熱量導(dǎo)走而又保持溫度穩(wěn)定的物體，比如導(dǎo)熱率可達(dá)200W/M.K的氮化鋁陶瓷基板。以高效導(dǎo)熱著稱的金剛石熱沉其熱導(dǎo)率更是氮化鋁的50~100倍。陶瓷材料與硅片相近的熱膨脹系數(shù)更其適合于解決芯片封裝中的熱應(yīng)力失配問(wèn)題。多年來(lái)斯利通一直致力于陶瓷新型材料的電路板制造研發(fā)，目前可批量生產(chǎn)的陶瓷電路板厚度涵括0.1-8.0mm范圍，實(shí)現(xiàn)線寬線距40um的微電子技術(shù)。

在自動(dòng)化駕駛的 5 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中，L3 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下的 ADAS 高級(jí)輔助駕駛市場(chǎng)與L4、L5 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下的無(wú)人駕駛市場(chǎng)都對(duì)激光雷達(dá)技術(shù)產(chǎn)品擁有著較高的需求，隨著中國(guó)自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的政策和規(guī)范的不斷成熟，激光雷達(dá)行業(yè)也將迎來(lái)廣闊的發(fā)展空間。

審核編輯黃宇