光電探測器是將光脈沖轉換成電信號的元器件，在LiDAR系統中充當“眼睛”的角色，是關鍵的傳感器。目前主要的光電探測器有雪崩光電二極管（Avalanche PhotonDiode，簡稱APD）/單光子雪崩二極管（SinglePhoton Avalanche Diode，簡稱SPAD）、硅光電倍增管（MPPC）和PIN光電二極管。

APD的工作模式分為線性模式和蓋革模式兩種。當APD的偏置電壓低于其雪崩電壓時，對入射光電子起到線性放大作用，這種工作狀態(tài)稱為線性模式。在線性模式下，反向電壓越高，增益就越大。APD對輸入的光電子進行等增益放大后形成連續(xù)電流，獲得帶有時間信息的激光連續(xù)回波信號。當偏置電壓高于其雪崩電壓時，APD增益迅速增加，此時單個光子吸收即可使探測器輸出電流達到飽和，這種工作狀態(tài)稱為蓋革模式。工作在蓋革模式下的APD又被稱作SPAD。

下圖是2軸MEMS掃描鏡和 SPAD圖像傳感器在混合固態(tài)LiDAR中的應用。

APD工作在蓋革模式下，單個光子即可使其工作狀態(tài)實現開、關之間的轉換，形成一個陡峭的回波脈沖信號，因而具備單光子成像的能力。該種光電探測器的靈敏度極高，探測距離理論上可以非常遠，三千公里都不成問題，若干年前就已在軍事領域（隱形飛機、導彈系統）大有所為。因此，APD的蓋革模式非常適合用在LiDAR。

下圖對APD在線性模式和蓋革模式下的光子探測能力做了比較。

MPPC是一種俗稱硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）的新型光半導體器件，根據其原理可稱多像素光子計數器（Multi-Pixel Photon Counter，MPPC）。其由多個工作在蓋革模式的APD陣列組成，具有高增益、高探測效率、快速響應、優(yōu)良時間分辨率和寬光譜響應范圍等特點。

當MPPC中的一個像素接收到一個入射光子時，就會輸出一個幅度一定的脈沖。多個像素如都接收到入射光子，則每個像素都會輸出一個脈沖，這幾個脈沖最終會疊加在一起，由一個公共輸出端輸出，以此達到更大的增益。

相比APD，MPPC的增益可達到10^5~10^6，這樣在理論上，可以在更短的時間內得到更長的距離信息，探測帶寬也與APD不相上下。另外，擁有小而有效面積、更多像素結構的MPPC不僅具備較快的時間特性（上升時間僅1納秒左右），還可利用它獨特的光子分辨能力，將不同表面反射率的物體識別出來，從而達到測距同時分辨物體表面特性的目的。從這些性能上來看，MPPC非常適合脈沖測距法的應用，是自動駕駛上一維激光雷達的理想“小伙伴”。

濱松于今年正式發(fā)布了最新的近紅外MPPC研制成果，推出了紅外增強型MPPC S13720系列。其在905納米處具有較高的探測效率，響應速度快，工作溫度范圍寬，適合各種場合下的激光雷達應用，尤其是使用ToF測距法的長距離測量。下圖是濱松推出的紅外增強型MPPC（硅光電倍增管）S13720系列。

硅PIN光電二極管成本低，且不易受周圍環(huán)境光的干擾，但相比APD/SPAD和MPPC，探測距離較短。硅PIN光電二極管的上升和下降時間非常短（通常為10納秒或更短），因此非常適合于接收25納秒數量級的光脈沖。此外，硅PIN光電二極管表現出非常高的線性度，甚至在強光條件下都可以檢測到非常小的信號。硅PIN光電二極管可形成一維或二維陣列，可以集成于速度快、無運動部件的2D或3D傳感器，從而對物體的存在、位置和速度提供快速且準確的信息。

下面簡單介紹幾家混合固態(tài)LiDAR的企業(yè)和研究機構。

（1）LeddarTech

LeddarTech公司總部位于加拿大，專注于為自動駕駛汽車和駕駛輔助系統開發(fā)自己的LiDAR技術。集成在汽車前大燈中的LeddarTech混合固態(tài)LiDAR，視場角60°x20°，探測距離300米（汽車）、200米（行人）。激光光源通過MEMS掃描鏡發(fā)射后形成行面陣，對前方物體和路面進行掃描，具有高“距離/功率”比、在能見度較低的情況下完成對目標的探測以及分辨多個目標的能力。下面是LeddarTech混合固態(tài)LiDAR結構示意圖。

（2）Pioneer

日本著名企業(yè)先鋒集團（Pioneer），從影碟機技術積累轉戰(zhàn)LiDAR，從車載娛樂影音、導航延伸到自動駕駛。先鋒正在開發(fā)一款高性能、緊湊、低成本的3D LiDAR傳感器。3D LiDAR采用MEMS掃描鏡，具有小孔徑透鏡的特征，并通過優(yōu)化光學設計，可以被投入到實際的車載應用中。先鋒將向汽車制造商、ICT（信息、通信、技術）相關企業(yè)以及日本和海外一些公司提供3D LiDAR樣品，預計在2020年投入量產。下圖是先鋒近期發(fā)布的使用MEMS掃描鏡的3D LiDAR。

3）Cepton

Cepton成立于2016年，總部設在美國硅谷，由四位來自斯坦福大學背景、并有豐富經驗的半導體行業(yè)老兵創(chuàng)立。Cepton的技術比較特殊，團隊成員稱其技術與MEMS掃描鏡是最相近的，但又不是MEMS掃描鏡，而是采用Micro-motion（微動原理），并且自己開發(fā)了微動器件。這家公司比較神秘，相關的專利還未到公開的時間（專利申請后需18個月才公開）。Cepton雖然未使用MEMS掃描鏡，但仍然采用微動技術的半導體芯片，依然屬于混合固態(tài)LiDAR大軍。究其具體技術，或許明年我們就可以揭開神秘的面紗。下圖是CeptonHR系列LiDAR產品。

4）Draper

Draper是一家美國非盈利性研發(fā)組織，總部位于美國馬薩諸塞州的劍橋，其官方名為“The Charles Stark DraperLaboratory, Inc”。該研究組織專長于設計、開發(fā)并應用先進技術解決方案，以解決國家安全、太空探索、健康醫(yī)療和能源領域的各種問題。其正在開發(fā)的一款混合固態(tài)LiDAR傳感器采用MEMS掃描鏡技術，預計在規(guī)模量產后，成本僅需50美元。這款LiDAR傳感器將具有300米的探測距離，角分辨率小于0.1度，掃描速率為20幀/秒。

（5）Spectrolab

Spectrolab是波音公司的全資子公司，是航天器動力系統太陽能電池的全球領先供應商。其推出的MLS201采用MEMS掃描鏡，1550納米短波紅外激光，探測距離為20米，適合室內外物體的探測。

目前看來，混合固態(tài)LiDAR系統研發(fā)方面，國外企業(yè)已經具有領先優(yōu)勢。而國內企業(yè)如速騰聚創(chuàng)、鐳神智能、禾賽科技等則處于蓄勢待發(fā)的狀態(tài)。