激光雷達賽道：成也技術，敗也技術

2022年10月，成立25年的全球激光雷達（lidar）巨頭Ibeo宣告破產(chǎn)。其業(yè)界地位之高有目共睹：技術先進，市場份額全球第四。而先進是要高昂研發(fā)費用去支撐的，長達24年創(chuàng)業(yè)歷程，Ibeo只獲得了兩輪外部融資；2010年，Ibeo就拿到了奧迪訂單，卻花了7年時間才量產(chǎn)交付；直到2020年才拿到第二個項目長城汽車，但已無濟于事。

Ibeo的方案很是激進：4D固態(tài)激光雷達，沒有任何運動部件，傳感器更輕、結構更緊湊，適用于L2-L5級自動駕駛。但其技術價格非常高昂。破產(chǎn)之前Ibeo希望和奧迪合作研發(fā)，但最終以失敗告終。Ibeo超前的全固態(tài)方案具有量產(chǎn)成本高、冗余系統(tǒng)難做、維護成本高等明顯缺點，讓一眾主機廠望而卻步，先進技術也無以為繼。

反觀國內(nèi)激光雷達行業(yè)融資潮持續(xù)火爆，禾賽科技、速騰聚創(chuàng)、鐳神智能、一徑科技、北醒、牧鐳激光、洛微科技、銳馳智光……背后的投資方陣容十分龐大。根據(jù)IDTechEx最新預測，2033年全球自主車輛激光雷達市場將增長至84億美元，市場前景樂觀。

全球激光雷達廠商地區(qū)分布

讓更多的機器看到世界

激光雷達的作用是光探測和測距，在激光發(fā)明后不久即已出現(xiàn)，已廣泛應用于測繪、測量、軍事、考古學、農(nóng)業(yè)和地質(zhì)等領域。光束控制技術的發(fā)明使得激光雷達能夠在擴展使用場景中探測3D空間。

3D激光雷達是一種光學感知技術，使機器能夠看到世界，做出相應決策和導航。目前，使用激光雷達的機器從小型服務機器人到大型自主車輛。不過，快速發(fā)展的激光雷達技術和市場留下了許多不確定的問題，系統(tǒng)中的每一個組件的技術前景都有點雜亂無章的。

汽車激光雷達廠商技術分布（包括已停止運營的公司）

事實上，每個激光雷達廠商和用戶都必須做出四項重要技術選擇：測量過程即激光測距原理、發(fā)射器（激光器）的光源和波長、激光束照亮場景的光束控制機制，以及接收器（光電探測器）測量光線的方法。光束控制機制是最復雜和關鍵的選擇，而發(fā)射器和接收器在未來激光雷達的成本降低和性能進一步提高中起重要作用。

設計或選用3D激光雷達模塊的四個重要技術選擇

通過對關鍵部件和測量方法的眾多技術選擇，可以產(chǎn)生各種技術組合，使廠商的產(chǎn)品與眾不同。

然而，這些選項并不是無限的。某些組件可能與特定技術配合得更好，與邊緣發(fā)射激光器（EEL）相比，例如垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）是3D閃光激光雷達更受歡迎的選擇。由于更多的技術挑戰(zhàn)，MEMS和FMCW的組合較少。

今天所做的技術選擇將對未來激光雷達的性能、價格和可擴展性產(chǎn)生巨大影響。激光雷達市場的現(xiàn)狀是不可持續(xù)的，因為獲勝的技術和廠商的出現(xiàn)將鞏固技術和商業(yè)前景。

特斯拉的唯視vs傳感器融合

作為一家具有代表性的公司，特斯拉站在唯視陣營一邊，而大多數(shù)汽車制造商都在追求傳感器融合，并將激光雷達作為未來的解決方案。冗余需求和對3D信息不斷增長的需求使激光雷達越來越具有吸引力。汽車ADAS和自動駕駛汽車市場的競爭可以為激光雷達提供一個被市場接受的機會，從而降低價格并提高可靠性。從材料供應商到主機廠，激光雷達供應鏈的努力不僅為傳統(tǒng)材料和組件公司提供了創(chuàng)新機會，還為消費者帶來了新的生活方式。

光學3D傳感的常用方法和工藝變化如下：

飛行時間

通過紅外光脈沖從物體反射并由圖像傳感器檢測時測量的飛行時間來計算深度，即直接飛行時間（dToF）法。另一種方法使用調(diào)制（如正弦）紅外光源并根據(jù)反射光中的相位變化計算深度，即間接飛行時間（iToF）方法。

結構光法

通過三角測量來計算深度，即傳感器將投影儀發(fā)射的紅外光的預定義圖案成像到物體上，用來計算3D深度。而通過使用多個圖案（可編程結構光）而不是單個圖案（固定結構光），可以顯著提高深度精度和深度分辨率。

立體視感

也是通過三角測量計算深度，兩個傳感器從不同角度對物體成像，并通過識別圖像中的匹配點來重建3D圖像。這與人類的視覺相似；每個傳感器是一只眼睛。使用被動立體視覺對無紋理物體進行成像是一項挑戰(zhàn)。主動立體視覺方法包括投影儀，可以通過投射紅外光的隨機圖案來添加紋理。

幾個關鍵技術比較

首先看MEMS驅(qū)動，分類包括靜電、電磁、壓電陶瓷和電熱式。需要關注驅(qū)動電壓、驅(qū)動電流、功耗、旋轉(zhuǎn)扭矩、制造復雜性、線性度、光學偏轉(zhuǎn)角（諧振）、光學偏轉(zhuǎn)角（非諧振）、速度和特性。

四種類型MEMS驅(qū)動

再看液晶光學相控陣，電子科技大學（UESTC）的研究人員開發(fā)的LC-OPA（液晶光學相控陣）示例。作為一種結合了微波相控陣天線技術與液晶電光特性的新型無機械波束掃描控制器件，它具有驅(qū)動電壓器、功耗低、重量輕、抗振動、抗輻射干擾、大孔徑和性價比高等優(yōu)點，在激光雷達和空間光通信等領域具有重要的應用前景和應用價值，已成為光學相控陣中的研究熱點。

左圖顯示了LC-OPA的結構和相位剖面。線性偏振光入射到兩個玻璃基襯底之間的LC層，當通過周期性電極陣列施加電場時，LC分子旋轉(zhuǎn)，電極陣列通過改變局部折射率產(chǎn)生光柵。入射激光束根據(jù)相移曲線偏轉(zhuǎn)，相移曲線取決于施加在每個電極上的電壓。D為LC層厚度，d為電極周期，Δφ為兩個電極之間的相移。右圖顯示使用2個級聯(lián)LC-OPA形成和控制多波束。

從半導體角度看，這是一種同質(zhì)結和異質(zhì)結器件之間的不同。傳統(tǒng)激光二極管具有下圖上部所示的基本同質(zhì)結設計。摻雜的半導體層在p型層中形成具有額外正電荷（空穴）和在n型層中具有額外負電荷（電子）的p-n結。光學腔位于兩個平面反射器表面之間，光在有源區(qū)中產(chǎn)生并在腔中放大。同質(zhì)結器件需要在低溫下工作，以防止高閾值電流密度造成的損壞。

現(xiàn)代激光二極管通常采用雙異質(zhì)結構（下圖下部），就像“三明治”，可以在室溫下工作。其有源層位于限流層之間并形成p-n結，限流層也稱為包層（cladding）。因為其折射率高于包層且其帶隙小于包層，光子和電荷載流子被限制在有源層中。

至于紅外發(fā)射器，它是發(fā)射IR的器件，移動設備最常見的方式包括發(fā)光二極管（LED）、邊緣發(fā)射激光器（EEL）和垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）。下圖顯示了三者的比較。二極管在電流通過時發(fā)光。IR LED可以發(fā)射IR光。相反，激光器與LED的區(qū)別在于不同的相干性。

Level 3+自動駕駛車輛的激光雷達配置示例

對于傳統(tǒng)EEL，光發(fā)射是通過激光器的切割邊緣，通常是一個接一個地處理，因此難以大量集成。與傳統(tǒng)EEL相反，VCSEL的激光束垂直于頂面發(fā)射，因此可以大量集成。

寫在最后

據(jù)Yole《2022年汽車與工業(yè)領域激光雷達報告》稱，中國在全球汽車激光雷達市場中處于領先地位，中國供應商已成為這一領域的佼佼者。中國和外國激光雷達公司之間存在著重要差異：國外激光雷達公司依賴于外部制造，而中國的速騰聚創(chuàng)和禾賽擁有自己的制造能力，正在助推中國公司實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

未來，隨著新技術的不斷涌現(xiàn)和專用芯片的應用，激光雷達產(chǎn)品在性能上仍有提升的可能，在成本上也有降低的空間，激光雷達有望迎來更強勁增長。