安森美半導(dǎo)體和艾邁斯半導(dǎo)體都用紅外技術(shù)和dToF測(cè)距；而Sense和艾邁斯半導(dǎo)體又不約而同采用了VCSEL；三家公司都采用面陣閃光；只有SiPM是個(gè)唯一，那就是安森美半導(dǎo)體。值得一提的是，安森美半導(dǎo)體的激光雷達(dá)探測(cè)器單點(diǎn)、線陣和面陣都有，客戶可以各取所需。

別以為特斯拉要上激光雷達(dá)。

前不久，佛羅里達(dá)州棕櫚灘，一輛特斯拉Model Y車(chē)頂架上了Luminar激光雷達(dá)，使后者股票一度上漲。據(jù)推測(cè)，原因之一是特斯拉在對(duì)基于視覺(jué)的全自動(dòng)駕駛方法進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。而最近從特斯拉離職的法律副總裁Al Prescott正是去了Luminar。

不過(guò)，今天要聊的還不是這家由95后Austin Russell在2012年創(chuàng)辦的公司，因?yàn)槲也⒉豢春眠@個(gè)根本沒(méi)有量產(chǎn)，只靠炒作固態(tài)激光雷達(dá)，卻頂多是個(gè)半固態(tài)的上市公司。事實(shí)上，激光雷達(dá)公司背后都有半導(dǎo)體廠商的身影，合作正在加快激光雷達(dá)的商用落地。

激光雷達(dá)之于汽車(chē)應(yīng)用

在汽車(chē)應(yīng)用中，激光雷達(dá)可改善安全和駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），包括車(chē)道保持和交通堵塞輔助功能，還可用于全自動(dòng)駕駛駕駛，如無(wú)人運(yùn)輸，實(shí)時(shí)安全地實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，汽車(chē)應(yīng)用預(yù)計(jì)將成為激光雷達(dá)的重要驅(qū)動(dòng)力，2019年至2025年期間將實(shí)現(xiàn)18億美元的增長(zhǎng)。

近年來(lái)，激光雷達(dá)在汽車(chē)應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎，一些更穩(wěn)定成熟的低成本車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品正逐漸形成量產(chǎn)規(guī)模。

艾邁斯半導(dǎo)體（ams）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師Spencer Bai表示：“讓汽車(chē)能夠‘看到’環(huán)境非常關(guān)鍵，L3以上需要用激光雷達(dá)。當(dāng)前的駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）依賴攝像頭、雷達(dá)或兩者的組合，沒(méi)有一種單獨(dú)或組合能夠?yàn)樽詣?dòng)駕駛提供令人滿意的性能。”

他認(rèn)為，未來(lái)人的監(jiān)督要由傳感器冗余來(lái)接管。激光雷達(dá)的引入將使全自動(dòng)駕駛成為可能，因?yàn)樗俏ㄒ灰环N能夠精確確定車(chē)輛在地圖上位置、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別的技術(shù)。激光雷達(dá)與攝像頭、雷達(dá)及V2X融合才能有足夠的冗余。

安森美半導(dǎo)體智能感知部中國(guó)區(qū)圖像應(yīng)用工程主管錢(qián)團(tuán)結(jié)博士認(rèn)為，相比其他傳感器，激光雷達(dá)在探測(cè)距離及角度和深度分辨率等方面優(yōu)勢(shì)明顯。這些優(yōu)勢(shì)源于激光雷達(dá)核心組件技術(shù)的進(jìn)步，芯片效率的大幅度提升可以節(jié)省更多發(fā)射功率或探測(cè)更遠(yuǎn)距離，配合先進(jìn)的高功率、高效率光源發(fā)射器以及后端信號(hào)處理電路及成熟算法，在自身尺寸變小的同時(shí)，激光雷達(dá)整體性能也在大幅度提升，更能適應(yīng)車(chē)載環(huán)境的實(shí)際應(yīng)用。

他表示，近年來(lái)，SiPM技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，由于具有功能獨(dú)特，已成為市場(chǎng)上深度感知應(yīng)用的首選技術(shù)。SiPM能在明亮陽(yáng)光條件下長(zhǎng)距離提供最佳信噪比。其他優(yōu)勢(shì)包括較低的電源偏置和溫度變化敏感性，是使用傳統(tǒng)APD的系統(tǒng)的理想升級(jí)選擇。

Sense Photonics首席技術(shù)官Hod Finkelstein則表示，激光雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)L3-L5自動(dòng)駕駛所需傳感器融合的關(guān)鍵組件。激光雷達(dá)可提供高分辨率深度數(shù)據(jù)，提升目標(biāo)識(shí)別能力，這是單獨(dú)的雷達(dá)或相機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的。

他認(rèn)為，汽車(chē)中實(shí)際使用的旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)會(huì)因內(nèi)部軸承問(wèn)題頻繁出現(xiàn)故障，必須翻新或更換。此外，無(wú)論是旋轉(zhuǎn)還是基于MEMS的產(chǎn)品，在高振幅振動(dòng)脈沖（車(chē)輛使用）中都難以保持深度精度。因此，只有完全不需要掃描的架構(gòu)才是實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)市場(chǎng)的最佳長(zhǎng)期架構(gòu)。過(guò)去，為了擴(kuò)展ADAS和AV的小眾汽車(chē)研發(fā)項(xiàng)目，激光雷達(dá)難以滿足汽車(chē)可接受的系統(tǒng)成本、封裝和可靠性要求，現(xiàn)在情況已經(jīng)改觀。

安森美半導(dǎo)體技術(shù)多位一體

為了滿足激光雷達(dá)更遠(yuǎn)距離要求，實(shí)現(xiàn)超低目標(biāo)反射率探測(cè)，抑制環(huán)境光等噪聲，同時(shí)大幅度降低整體成本，安森美半導(dǎo)體基于硅基單光子探測(cè)器芯片，大力推廣基于硅光電倍增管（SiPM）探測(cè)器+近紅外（NIR）波長(zhǎng)+直接飛行時(shí)間（dToF）的激光雷達(dá)方案。

dToF測(cè)距原理框圖

SiPM和SPAD（單光子雪崩二極管）探測(cè)器是2018年收購(gòu)SensL所得。SiPM是一種建立在SPAD上的探測(cè)器，對(duì)單個(gè)光子非常敏感，能夠在陽(yáng)光直射環(huán)境條件下工作，有助于系統(tǒng)探測(cè)到最遠(yuǎn)的物體，即使反射率最小。基于SPAD陣列的飛行時(shí)間圖像傳感器可以實(shí)現(xiàn)高分辨率4D成像，從場(chǎng)景中的所有點(diǎn)同時(shí)捕獲深度數(shù)據(jù)和強(qiáng)度。

目前，SiPM和SPAD技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)系統(tǒng)中接收器功能的關(guān)鍵，這兩種光電探測(cè)器類型均基于蓋革模式（Geiger mode，只適用于單光子計(jì)數(shù)的模式），有助于實(shí)現(xiàn)符合車(chē)規(guī)、高增益、低成本、尺寸緊湊的傳感器，適用于汽車(chē)長(zhǎng)距離激光雷達(dá)的微光探測(cè)場(chǎng)景，提供業(yè)界最高靈敏度、最佳一致性和低噪聲的產(chǎn)品。

通過(guò)對(duì)比可以看到，PIN二極管、APD陣列、SPAD陣列、SiPM陣列還是有很大不同。

與已有APD產(chǎn)品相比，SiPM和SPAD技術(shù)具有高靈敏度（2000倍）、更高增益（1萬(wàn)倍）、更低供電電壓（約32V）及最佳一致性等優(yōu)勢(shì)。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是一開(kāi)始就從汽車(chē)認(rèn)證入手設(shè)計(jì)光電探測(cè)器及其封裝，并采用主流大批量CMOS工藝制造，成本低，可靠性高。除了光電探測(cè)器以外，安森美半導(dǎo)體還提供激光系統(tǒng)中符合車(chē)規(guī)的驅(qū)動(dòng)芯片、電源芯片、放大器和讀出芯片等整體系統(tǒng)硬件方案，以及經(jīng)驗(yàn)證的激光雷達(dá)模型仿真數(shù)據(jù)等，有助于客戶掌握新技術(shù)，讓產(chǎn)品快速落地。

3月，安森美半導(dǎo)體發(fā)布了用于激光雷達(dá)應(yīng)用的全球首款車(chē)規(guī)認(rèn)證SiPM陣列ArrayRDM-0112A20-QFN，為激光雷達(dá)量產(chǎn)鋪平了道路。它是一款單片1×12 SiPM像素陣列，可實(shí)現(xiàn)NIR高靈敏度，在905nm達(dá)到領(lǐng)先業(yè)界的18.5％的光子探測(cè)效率（PDE）。SiPM的高內(nèi)部增益使其靈敏度可達(dá)到單光子水平，與高PDE結(jié)合可以檢測(cè)最微弱的返回信號(hào)。即使是低反射率目標(biāo)，也能探測(cè)到更遠(yuǎn)的距離（300米以上），為車(chē)輛贏得更多應(yīng)對(duì)意外障礙的時(shí)間。

錢(qián)博士解釋說(shuō)，ArrayRDM-0112A20-QFN是單片線陣SiPM探測(cè)器，曝光采用的是全局快門(mén)方式，12個(gè)點(diǎn)完全獨(dú)立，可以在給定時(shí)間里各自接受自己區(qū)域的光子后輸出脈沖。

據(jù)介紹，目前，一些主流激光雷達(dá)廠家都在積極引入采用SiPM探測(cè)器的激光雷達(dá)，已經(jīng)有部分廠家開(kāi)始量產(chǎn)。采用ArrayRDM-0112A20-QFN線陣芯片的激光雷達(dá)也將于今年量產(chǎn)。

安森美半導(dǎo)體還有一款400×100像素SPAD面陣陣列芯片Pandion，采用卷簾快門(mén)讀出，不僅有圖像信息，還可提供點(diǎn)云信息。全球包括中國(guó)知名激光雷達(dá)公司都在用這款器件開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，今年會(huì)有一些量產(chǎn)激光雷達(dá)上車(chē)。

Sense的“照明”模式很獨(dú)特

年初，Sense Photonics展示了適于大眾市場(chǎng)汽車(chē)應(yīng)用的全球首款940nm全局快門(mén)閃光（像照明）激光雷達(dá)。Hod Finkelstein說(shuō)：“我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了業(yè)內(nèi)專家一度認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，并通過(guò)Sense Illuminator、Sense Silicon和我們最先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)創(chuàng)造了一個(gè)革命性的新架構(gòu)，使數(shù)據(jù)輸出小型化，一舉解決了主機(jī)廠、Tier 1和Robotaxi公司一直以來(lái)?yè)?dān)心的激光雷達(dá)功能不足的問(wèn)題。”

Sense的所謂“照明”是讓15000個(gè)VCSEL陣列同時(shí)閃光，照亮其SPAD接收器上的140000像素。安裝在曲面上的VCSEL可擴(kuò)大視野，30度水平場(chǎng)最大200米射程采用表面貼裝扁平芯片實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)激光雷達(dá)是使用現(xiàn)成的激光組件，用紅外線照亮一列或一排光點(diǎn)，然后以機(jī)械方式掃描場(chǎng)景，以覆蓋所需的全部視野（FOV）。由于不能捕獲全幀數(shù)據(jù)，必須跟蹤每幀返回的每個(gè)像素的時(shí)間戳。如果高速車(chē)輛在該幀內(nèi)移動(dòng)，還要使用該信息來(lái)校正運(yùn)動(dòng)模糊。

傳統(tǒng)方法掃描的不是所需視場(chǎng)，必須將激光光點(diǎn)移到整個(gè)視場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)全覆蓋。這會(huì)導(dǎo)致射程、分辨率、幀速率和視野之間的取舍，還增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和昂貴的光學(xué)元件，在裝配過(guò)程中需要繁瑣的校準(zhǔn)。因此，它高成本傳感器的方案，還存在許多潛在故障點(diǎn)。

傳統(tǒng)技術(shù)是依賴低效的邊緣發(fā)射激光二極管或高成本光纖激光器，Sense的晶圓級(jí)制造的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）陣列可將每個(gè)芯片尺寸縮小到小于頭發(fā)絲的寬度。其閃光架構(gòu)無(wú)需在發(fā)射器與接收器之間進(jìn)行精細(xì)對(duì)準(zhǔn)，可在振動(dòng)條件下保持傳感器校準(zhǔn)和深度精度。只需簡(jiǎn)單改變光學(xué)器件就能按需調(diào)節(jié)平臺(tái)，是第一款能夠以同一架構(gòu)提供短距離和長(zhǎng)距離功能的平臺(tái)。

看看這些陣列是怎么構(gòu)建的，首先在晶圓上生長(zhǎng)數(shù)百萬(wàn)個(gè)VCSEL，然后使用微轉(zhuǎn)移打印（MTP）專利技術(shù)在熱傳導(dǎo)柔性基板上一次“印刷”數(shù)千個(gè)VCSEL，能夠輸出千瓦的峰值光功率，同時(shí)保持Class 1眼睛安全，消耗平均功率非常小。

Illuminator還具有獨(dú)特靈活屬性，可通過(guò)控制其彎曲量來(lái)定制水平視野。陣列上每個(gè)芯片工作波長(zhǎng)為940nm，其太陽(yáng)通量輸出非常小，可消除來(lái)陽(yáng)光干擾。

據(jù)介紹，一些主機(jī)廠和Tier 1正在評(píng)估Sense的系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2021年中可以上市，2024年底開(kāi)始量產(chǎn)，估計(jì)產(chǎn)品成本為數(shù)百美元。

艾邁斯半導(dǎo)體VCSEL+SPAD組合

今年5月，長(zhǎng)城汽車(chē)開(kāi)始搭載ibeoNEXT固態(tài)激光雷達(dá)，其核心組成部分特定光源VCSEL是艾邁斯半導(dǎo)體的技術(shù)。128×80的VCSEL陣列（10240個(gè)）利用閃光平行生成垂直線掃描，由光學(xué)透鏡組件調(diào)整視野和范圍，最長(zhǎng)距離250米，涵蓋狹窄的12度水平視野，最寬視場(chǎng)為60度。

專門(mén)優(yōu)化的VCSEL陣列具備出色的功率密度、轉(zhuǎn)換效率和間距。通過(guò)集成功能性安全標(biāo)準(zhǔn)提供增強(qiáng)功能和護(hù)眼功能，實(shí)現(xiàn)高可靠性。VCSEL為布局設(shè)計(jì)留有極大的靈活性，包括像素大小、尺寸和間距，以及特定的可尋址功能。

據(jù)介紹，在掃描式和泛光面陣式激光雷達(dá)應(yīng)用中，大功率VCSEL不易受單個(gè)發(fā)射器故障的影響，在工作溫度范圍內(nèi)更加穩(wěn)定，且易于集成。

VCSEL技術(shù)原理

艾邁斯半導(dǎo)體的VCSEL比其他類型光源具有特殊優(yōu)勢(shì)，其較窄的波長(zhǎng)帶寬（特別是溫度）可在接收器處進(jìn)行更有效濾波，提高信噪比。由于發(fā)射的是垂直圓柱形光束，集成到系統(tǒng)中更加簡(jiǎn)單。VCSEL陣列通常由50-10k單個(gè)發(fā)射器組成，與只有1-3個(gè)發(fā)射器的典型EEL（邊緣發(fā)射器）相比，單個(gè)發(fā)射器故障的影響非常有限。

他承認(rèn)，由于激光雷達(dá)是一項(xiàng)新興技術(shù)，其成熟度、成本和體積仍有待改進(jìn)，但VCSEL組合有助于客戶在三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)階躍功能改進(jìn)。

與其他類型激光器相比，VCSEL有許多優(yōu)點(diǎn)：

表面發(fā)射（非邊緣發(fā)射），在可尋址陣列中提供設(shè)計(jì)靈活性

解決激光波長(zhǎng)的低溫依賴性

優(yōu)異的可靠性

晶圓級(jí)制造工藝

艾邁斯半導(dǎo)體VCSEL技術(shù)包括外延結(jié)構(gòu)和芯片設(shè)計(jì)、外延生長(zhǎng)、前端和后端處理、封裝以及高級(jí)測(cè)試和模擬。

艾邁斯半導(dǎo)體采用dToF感測(cè)技術(shù)，利用光源和接收器進(jìn)行遠(yuǎn)程目標(biāo)探測(cè)和測(cè)距，計(jì)算發(fā)送和接收的光脈沖之間的時(shí)間即可得出距離。這方面與安森美半導(dǎo)體的方案相仿。

dToF傳感器基于SPAD像素設(shè)計(jì)和具有極窄脈沖寬度的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器（TDC），實(shí)時(shí)測(cè)量VCSEL發(fā)射并從物體反射的紅外射線的飛行時(shí)間。低功耗飛行時(shí)間傳感技術(shù)有助于主機(jī)系統(tǒng)精確、高速地測(cè)量距離。

艾邁斯半導(dǎo)體還開(kāi)發(fā)了一種復(fù)雜直方圖數(shù)據(jù)和智能軟件算法，可以使ToF傳感器檢測(cè)并抵消覆蓋玻璃反射的影響，包括污漬引起的串?dāng)_，也可以容納較大的氣隙；可以獨(dú)立于對(duì)象顏色、反射率和紋理實(shí)現(xiàn)精確距離檢測(cè)；還可以測(cè)量視野中多個(gè)物體間的距離。

技術(shù)開(kāi)始趨同

雖然這幾家公司在激光照射模式方面各有千秋，但接收器芯片技術(shù)方面如出一轍，都采用了SPAD；安森美半導(dǎo)體和艾邁斯半導(dǎo)體都用紅外技術(shù)和dToF測(cè)距；而Sense和艾邁斯半導(dǎo)體又不約而同采用了VCSEL；三家公司都采用面陣閃光；只有SiPM是個(gè)唯一，那就是安森美半導(dǎo)體。值得一提的是，安森美半導(dǎo)體的激光雷達(dá)探測(cè)器單點(diǎn)、線陣和面陣都有，客戶可以各取所需。

編輯：jq