IEC 60825將激光劃分為7類：1類、1M類、2類、2M類、3M類、3R類和4類。數(shù)字越大造成生物組織損傷的可能性越大，1類激光的風(fēng)險非常低，并且“在合理可預(yù)見的使用范圍內(nèi)是安全的”。4類激光在光束內(nèi)觀察以及受到漫反射時都是危險的，它們還可能導(dǎo)致皮膚受傷，并有潛在的火災(zāi)威脅隱患。

IEC60825用不同脈寬的激光器做了MPE實(shí)驗(yàn)，如圖17所示，橫軸代表不同波長的激光，縱軸是人眼安全的MPE閾值，不同顏色的線代表不同脈寬的激光器。

圖17 不同波長激光器的MPE值

從圖中可以看出，任何脈寬的1550nm激光器的MPE值都要比950nm激光器的MPE值高，這意味著人眼能承受更大能量的1550nm激光的照射，這意味著1550nm激光雷達(dá)將擁有更高的發(fā)射功率。

功率高、卻能保證人眼安全的原因是1550nm的激光容易被水吸收，而人眼表面正好又一層水（眼液），所以要想傷我的視網(wǎng)膜，先過了我這層水再說。

發(fā)射功率高帶來的最直接好處就是探測距離將更遠(yuǎn)，不信你看使用一個1550nm激光器的圖達(dá)通的獵鷹靈動版激光雷達(dá)，在10%反射率的前提下，測距能力達(dá)到250m。而使用了905nm激光器的速騰聚創(chuàng)的RS-Lidar-M1激光雷達(dá)，在10%反射率的前提下，測距能力只有150m。

有矛就有盾，1550nm激光雷達(dá)的盾就是雨天，據(jù)部分公司的實(shí)測數(shù)據(jù)顯示：2毫米厚的水層，不對，應(yīng)該叫水薄膜都能將1550nm激光的90%能量吸收掉，這意味這小雨天要慎用、中雨及大雨用不了。

當(dāng)然業(yè)界有一種聲音，覺得如果雨水呈片狀的“水簾”或“水灘”的話，1550nm激光被吸收的概率很大，但是如果是“雨點(diǎn)”的話，基本不具備完全屏蔽1550nm激光的能力。其實(shí)這種聲音忽略了被測物體，無論大雨還是小雨，無論被測物體靜止還是移動，在雨中呆上一段時間后表面都會形成一層水膜，所以你即使能躲避雨滴的吸收，你能躲避得了被測物體上的水膜？

所以矛與盾必然存在，就看廠家如何使用。

03 掃描方式之爭

掃描方式是激光雷達(dá)最早也是最多被拿出來討論的話題，以至于很多人今天再聽到這個話題，都有一種“想吐”的感覺，但這條技術(shù)路線之爭卻是最充滿腥風(fēng)血雨的。

激光器、探測器也存在技術(shù)路線之爭，但是很少聽說因?yàn)檫x了不同類型激光器而導(dǎo)致公司“家徒四壁”，也很少聽說因?yàn)檫x了不同類型探測器而導(dǎo)致公司“衣不蔽體”。

但掃描方式就不一樣，選得好的已經(jīng)是主機(jī)廠的座上賓，而選得不好的，好一點(diǎn)可能是暫時退出車載激光雷達(dá)領(lǐng)域，壞一點(diǎn)已經(jīng)直接破產(chǎn)倒閉。

所以掃描方式還是值得我們濃墨重彩地進(jìn)行介紹。

按照掃描方式，激光雷達(dá)可以分為機(jī)械式、混合固態(tài)和固態(tài)三種。

機(jī)械式激光雷達(dá)實(shí)在沒什么可說的，發(fā)射模塊和接收模塊在電機(jī)帶動下，進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)掃描。

混合固態(tài)激光雷達(dá)包括三條技術(shù)路線：棱鏡、轉(zhuǎn)鏡和MEMS微振鏡。棱鏡和轉(zhuǎn)鏡技術(shù)路線下，發(fā)射模塊和接收模塊固定不動，電機(jī)只帶動一面或幾面“鏡子”旋轉(zhuǎn)。MEMS微振鏡技術(shù)路線更進(jìn)一步，連電機(jī)也取消了，微振鏡在靜電、電磁、電熱或壓電驅(qū)動下往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)掃描。

固態(tài)激光雷達(dá)人如其名，就是內(nèi)部沒有一點(diǎn)機(jī)械運(yùn)動部件，包括光學(xué)相控陣（Optical Phased Array，OPA）和Flash兩種方案。

下文主要對激光雷達(dá)混合固態(tài)和固態(tài)兩種掃描方式進(jìn)行介紹。

一、混合固態(tài)

（1）棱鏡

棱鏡路線的代表人物，也是唯一走這一條修煉道路的激光雷達(dá)廠商是LIVOX。LIVOX的名聲大噪并不是因?yàn)樗哪腹敬蠼畡?chuàng)新在無人機(jī)領(lǐng)域的獨(dú)霸武林，而是因?yàn)樵?020年1月直接推出6499元面向自動駕駛領(lǐng)域的激光雷達(dá)Horizon。

LIVOX獨(dú)創(chuàng)的非重復(fù)掃描技術(shù)，在0.1s的積分時間內(nèi)，掃描覆蓋率與機(jī)械旋轉(zhuǎn)式64線激光雷達(dá)相當(dāng)，而彼時機(jī)械旋轉(zhuǎn)式64線激光雷達(dá)的平均價格還在10萬元人民幣左右。業(yè)界嘩然，質(zhì)疑、嫉妒與殷羨如潮水般涌來，都想弄清楚這到底是一類什么樣的神奇物種？

LIVOX的思路也非常簡單，既然成本主要花在收發(fā)模塊上，那我就從減少他們數(shù)量上著手?？墒菙?shù)量減少，怎么實(shí)現(xiàn)和高線束機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)一樣的點(diǎn)云效果呢？

LIVOX給出的解決方案是采用空間激光通信領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡（或稱旋轉(zhuǎn)雙光楔）方案，如圖所示。在此方案中，半導(dǎo)體激光器PLD和雪崩光電探測器APD固定，雙棱鏡在電機(jī)帶動下進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。通過對光學(xué)參數(shù)進(jìn)行特殊設(shè)計，可以產(chǎn)生不同角度的折射光線，從而實(shí)現(xiàn)視場角范圍內(nèi)更高線束的覆蓋。而隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，會產(chǎn)生出不同的掃描圖案。

圖LIVOX激光雷達(dá)雙棱鏡結(jié)構(gòu)

激光收發(fā)模塊數(shù)量減少了（2021年8月上市的小鵬P5搭載的Livox車規(guī)版激光雷達(dá)HAP只有6組收發(fā)器，但100ms積分時間里可達(dá)到與144線機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)相同的點(diǎn)云效果），成本相應(yīng)就大幅降低。激光收發(fā)模塊固定，電機(jī)只須帶動雙棱鏡旋轉(zhuǎn)，避免了類似傳統(tǒng)機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的多次裝調(diào)問題，量產(chǎn)能力也相應(yīng)得到提高。

剩下就只有車規(guī)這一道關(guān)卡了，因?yàn)橐?組激光收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)與144線機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)相同的點(diǎn)云效果，雙棱鏡在單位時間就必須玩命的轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)6000r/min。要知道過了車規(guī)的Scala電機(jī)轉(zhuǎn)速只有600r/min。

電機(jī)的壽命與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成反比，高轉(zhuǎn)速對軸承及油脂選擇大有講究，這需要大量的耐久試驗(yàn)及超高的工藝水準(zhǔn)，這類基礎(chǔ)工藝也是中國制造業(yè)普遍欠缺的。

如今三年過去了，Horizon已從公司主頁介紹中消失，繼任者HAP在獲得小鵬P5的定點(diǎn)后曾盛極一時，但很快湮滅在競爭對手的鐵蹄下。2023年初，據(jù)宇多田在《一家大廠激光雷達(dá)的暫時“離場”》文章中報道：LIVOX已經(jīng)決定暫時退出車載激光雷達(dá)業(yè)務(wù)線，轉(zhuǎn)向“利潤率傾軋沒那么可怕”的工業(yè)與低速機(jī)器人等業(yè)務(wù)線。

我其實(shí)想不負(fù)責(zé)任的猜測一下：退場的原因不是利潤率，而是棱鏡這條技術(shù)路線適合不了車載領(lǐng)域，遲遲無法讓產(chǎn)品達(dá)到滿足主機(jī)廠要求的可靠穩(wěn)定，會讓研發(fā)陷入暗無天日的忙碌。韜光養(yǎng)晦，我想這是明智的選擇。

（2）轉(zhuǎn)鏡

轉(zhuǎn)鏡賽道就比較熱鬧了，國外的廠商有Valeo、圖達(dá)通，國內(nèi)的有禾賽科技、鐳神智能、華為等。且這一技術(shù)路線是最早誕生過車規(guī)產(chǎn)品的路線，就是Valeo和Ibeo合作研發(fā)的Scala。

2017年量產(chǎn)的第一代4線Scala 1是全球首款通過車規(guī)級認(rèn)證的激光雷達(dá)，同年被首發(fā)搭載在奧迪A8上。2021年量產(chǎn)第二代16線Scala 2車規(guī)級激光雷達(dá)，同年被首發(fā)搭載在全新奔馳S級轎車上，Scala 2實(shí)物如圖1-3所示。第三代Scala 3正在研發(fā)中，預(yù)計在2024年量產(chǎn)。

轉(zhuǎn)鏡方案中激光雷達(dá)收發(fā)模塊不動，電機(jī)帶動掃描鏡圍繞其圓心不斷旋轉(zhuǎn)，從而將激光束反射至空間的一定范圍，其技術(shù)創(chuàng)新方面與機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)類似。在轉(zhuǎn)鏡方案中，存在一面掃描鏡（一維轉(zhuǎn)鏡）、兩面掃描鏡（一縱一橫，二維轉(zhuǎn)鏡）及多面鏡等多種細(xì)分技術(shù)路線。

一維轉(zhuǎn)鏡方案常采用多面體反射鏡，并通過小電機(jī)帶動其旋轉(zhuǎn)，從而將激光反射到不同的方向，此方案激光掃描線束依舊與激光雷達(dá)收發(fā)模塊數(shù)量一致，僅是減少機(jī)械轉(zhuǎn)動部件，比如禾賽科技的AT128。

二維轉(zhuǎn)鏡方案內(nèi)部集成了兩個轉(zhuǎn)鏡，一個多邊棱鏡負(fù)責(zé)橫向旋轉(zhuǎn)，一個負(fù)責(zé)縱向翻轉(zhuǎn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)用一束激光實(shí)現(xiàn)兩個方向維度上的掃描。此方案可以用更少的激光收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)相同線束掃描效果，比如圖達(dá)通的Falcon。

多面鏡通過特殊的鏡面設(shè)計，可以進(jìn)一步減少激光收發(fā)器數(shù)量，在集成難度和成本控制上更有優(yōu)勢。

轉(zhuǎn)鏡方案相比棱鏡方案，電機(jī)的轉(zhuǎn)速明顯下降，最高只有2000r/min。但仍存在高溫耐久穩(wěn)定性、視場角受限，信噪比低等問題。雖然各家推出的產(chǎn)品都說是車規(guī)級，但五年十萬公里入門要求估計還很難達(dá)到，車規(guī)也分三六九等。

（3）MEMS微振鏡

微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）微振鏡本質(zhì)上是一種硅基半導(dǎo)體元器件，其特點(diǎn)是內(nèi)部集成了微型的可繞懸臂梁振動的反射鏡，如所示。

圖MEMS微振鏡

微振鏡被上下左右四個硅懸臂梁掛著，上下短懸臂梁被稱為快軸，左右長懸臂梁被稱為慢軸。在靜電或電磁驅(qū)動下，微振鏡可以在水平和垂直兩個自由度圍繞懸臂梁做往復(fù)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)水平、垂直兩個維度掃描。

也正是因?yàn)閼冶哿簷C(jī)械結(jié)構(gòu)的存在，MEMS微振鏡激光雷達(dá)雖然完全沒有電機(jī)，但還是被劃分在了混合固態(tài)之列。

慢軸的諧振頻率通常為5~30Hz，為了使振動幅度大一些，其一般都做得比較細(xì)長，慢軸變形程度直接與水平視場角關(guān)聯(lián)?？燧S的諧振頻率通常大于1KHz，為了可以實(shí)現(xiàn)這么高的諧振頻率，一般做得又粗又短，快軸變形程度直接與垂直視場角關(guān)聯(lián)。

微振鏡的諧振頻率與掃描頻率正相關(guān)，振動幅度與掃描角度正相關(guān)，而掃描頻率和掃描角度之間負(fù)相關(guān)。以某供應(yīng)商的一款MEMS微振鏡產(chǎn)品舉例，鏡面尺寸4X4.6mm，水平掃描角度為40°，垂直掃描角度為30°。所以一般為了實(shí)現(xiàn)水平120°的視場角，多數(shù)廠家選擇拼接激光器的方案，幾個激光收發(fā)單元共用一組MEMS微振鏡，實(shí)現(xiàn)大視場角掃描。

憑借運(yùn)動部件少、可靠性高、掃描頻率快、半導(dǎo)體規(guī)模化生產(chǎn)帶來的成本較低等優(yōu)勢，2021年底的時候，MEMS微振鏡激光雷達(dá)迎來了自己的高光時刻，國內(nèi)但凡規(guī)劃有量產(chǎn)激光雷達(dá)車型的車企，80%都選擇了國內(nèi)一家供應(yīng)商的MEMS微振鏡激光雷達(dá)產(chǎn)品（主要也是其他技術(shù)路線當(dāng)時沒有能打的對手）。

但是這條技術(shù)路線也不是完美無缺，激光雷達(dá)按照收發(fā)光路來區(qū)分，可以細(xì)分為同軸和非同軸兩種方案。

同軸方案是指激光器發(fā)射出去的激光和探測器接收回來的激光同軸，如圖所示。對于MEMS微振鏡來說，一種典型技術(shù)方案是：激光器發(fā)射出激光，經(jīng)過一面穿孔的反射鏡，入射到微振鏡上，經(jīng)微振鏡反射后打到被測物體后返回，會再次通過微振鏡反射給穿孔的反射鏡，從而被探測器接收。

圖 同軸方案

同軸方案的好處顯而易見，只接收原光路返回的光信號，因而具有較好抗陽光干擾能力；收發(fā)模塊可集成于一處，采用單顆探測器即可，成本相對可控。多個激光器拼接時，可以實(shí)現(xiàn)同時掃描互不干擾。Innoviz，速騰聚創(chuàng)部分產(chǎn)品采用的正是這種方案，其拿下的中國主機(jī)廠定點(diǎn)數(shù)量，恐怕十個指頭數(shù)不過來。

但是同軸方案中MEMS微振鏡尺寸直接與激光雷達(dá)測距能力關(guān)聯(lián)，尺寸小，接收反射回來激光能力就弱，探測距離就短；尺寸大，接收反射回來激光能力強(qiáng)，探測距離長。為了實(shí)現(xiàn)更長的測距能力，激光雷達(dá)廠商普遍選擇了更大尺寸的MEMS微振鏡。

但從加工工藝來說，成熟工藝的硅基MEMS微振鏡鏡面直徑1mm左右，其質(zhì)量非常輕，可靠性是沒問題的。但是當(dāng)前激光雷達(dá)中的MEMS微振鏡鏡面直徑普遍在5mm左右，在如此“負(fù)重”下，慢軸和快軸進(jìn)行高頻次大幅度來回扭轉(zhuǎn)，將會變得更加容易斷裂，這也是為什么MEMS微振鏡激光雷達(dá)理論上容易過車規(guī)，但實(shí)際上卻沒那么容易的原因。

非同軸方案是指激光器發(fā)射出去的激光和探測器接收回來的激光不同軸，如圖21所示。這意味著打到被測物體返回來的激光不用經(jīng)過MEMS微振鏡，而是直接進(jìn)入到探測器中。此種方案中，MEMS微振鏡可以選用更小的尺寸，可靠性會顯著提高。

圖 非同軸方案

但是該方案為了提高抗陽光干擾能力，需要陣列化、性能更優(yōu)的探測器，系統(tǒng)復(fù)雜度升高、體積較大，成本較高，一徑科技的ML30s補(bǔ)忙激光雷達(dá)選用的就是非同軸方案。

溫度是擺在MEMS微振鏡面前另一座大山。采用硅基半導(dǎo)體工藝的MEMS微振鏡，其線圈都很細(xì)地密布在鏡面背后，導(dǎo)熱性較差。與此同時，硅基MEMS微振鏡被封閉在激光雷達(dá)的機(jī)殼里面。工作中的激光雷達(dá)，其MEMS微振鏡的工作溫度將比環(huán)境溫度高至少20°，按照車規(guī)-40℃~85℃的要求，MEMS微振鏡的車規(guī)溫度要求要達(dá)到-40℃~105℃。這個對當(dāng)前供應(yīng)鏈來說確實(shí)有點(diǎn)困難。

二、固態(tài)

固態(tài)激光雷達(dá)則主要有 OPA和 Flash兩種主流技術(shù)路線。

（1）OPA

光學(xué)上，對于頻率（波長）相同、振動方向相同、相位差恒定的兩束光，被稱作相干光。相干光在傳輸時，相互之間會產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉。這種干涉，既可以是相長干涉（如圖左圖），也可以是相消干涉（如圖右圖）。很顯然，相長干涉可以讓光變得更強(qiáng)。

圖22 光的干涉現(xiàn)象

如果有多路光，在沒有相位差（等相位）的情況下，發(fā)生相長干涉，光束的指向垂直于多路光的等相位面向前傳播，如圖最左測圖所示。如果賦予各路光均勻的相位差θ，那么各路光的等相位平面也將發(fā)生偏轉(zhuǎn)θ，滿足等相位的光發(fā)生相長干涉，不滿足等相位的光發(fā)生相消干涉，因此光束的指向也發(fā)生了角度為θ的偏轉(zhuǎn)，這就是一維光學(xué)相控陣的掃描原理。

圖光學(xué)相控陣一維掃描原理

如果將這樣的發(fā)光單元組成二維的光束陣列，那么便可以實(shí)現(xiàn)二維光學(xué)相控陣的掃描。

OPA激光雷達(dá)運(yùn)用的就是光的相干原理，將若干激光發(fā)射單元組成發(fā)射陣列，通過改變加在不同發(fā)射單元上的電壓，改變不同發(fā)射單元發(fā)射光波相位，在設(shè)定方向上產(chǎn)生互相加強(qiáng)的相長干涉，從而合成具有特定方向、高強(qiáng)度的激光主光束。而其它方向上從各個發(fā)射單元射出的光波產(chǎn)生相消干涉，輻射強(qiáng)度接近于零。

OPA激光雷達(dá)的一種典型結(jié)構(gòu)如圖所示，激光光源經(jīng)過分光器后進(jìn)入光波導(dǎo)陣列，在光波導(dǎo)上通過外加電壓，利用光波導(dǎo)間的光波相位差實(shí)現(xiàn)光束的掃描。

圖 OPA激光雷達(dá)的一種典型結(jié)構(gòu)

OPA激光雷達(dá)是真正的純固態(tài)激光雷達(dá)，所以將在可靠性、穩(wěn)定性、成本、集成度、工藝上具有巨大優(yōu)勢。此外，OPA激光雷達(dá)還具有幾個與眾不同的優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以實(shí)現(xiàn)較高的掃描速度，達(dá)到MHz量級以上；

（2）掃描精度較高，可以做到千分之一度量級以上；

（3）可控性很好，在允許的角度范圍內(nèi)可以做到任意指向，所以可以任意設(shè)計感興趣（Region of Interest，ROI）區(qū)域。

但是OPA激光雷達(dá)在封神的道路上還存在一些阻礙：

（1）旁瓣效應(yīng)。OPA激光雷達(dá)形成的主光束稱為主瓣，在主瓣旁邊，由于陣列干擾，還容易形成旁瓣，如圖所示。旁瓣一方面會分散主瓣能量，影響探測距離。另一方面為了區(qū)分出主瓣，通常將旁瓣遮掉，而這又將影響視場角。

圖旁瓣示意圖

（2）工藝要求高、加工難度大。光學(xué)相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個波長，對于905nm波長激光雷達(dá)來說，這就意味著陣列單元的尺寸必須不大于500nm。而且陣列數(shù)越多，陣列單元的尺寸越小，這就對加工精度要求更高；

（3）掃描角度有限。目前相位調(diào)節(jié)只能達(dá)到±60°左右。

OPA激光雷達(dá)的代表人物是美國的Quanergy，公司在2016年就公布了其OPA激光雷達(dá)產(chǎn)品，不過如今已經(jīng)破產(chǎn)。

（2）Flash

前文介紹的幾種掃描方式激光雷達(dá)，無論是轉(zhuǎn)鏡、MEMS還是OPA類型，發(fā)射模塊發(fā)射出來的激光都是線狀的，需要通過掃描模塊的往復(fù)運(yùn)動（分機(jī)械運(yùn)動和非機(jī)械運(yùn)動）把線變成面打在被測物體表面，因此掃描模塊是必須的。

但是Flash激光雷達(dá)人如其名，采用的是快閃的非掃描方式，通過在短時間直接發(fā)射出一大片激光脈沖（面陣光），再通過高度靈敏的探測器接收，完成被測物體三維圖像的構(gòu)建。不嚴(yán)謹(jǐn)點(diǎn)比喻：Flash激光雷達(dá)就是一個會自己發(fā)光的攝像頭。

這個時候再拿出禾賽科技招股書中的那張ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)圖，如圖所示，掃描模塊部分的虛線就不會顯得那么突兀了，掃描模塊后括號里的若有就可以合理解釋了。而Flash激光雷達(dá)就是沒有掃描模塊，只有發(fā)射模塊和接收模塊。

圖 ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)圖

因VCSEL比EEL具備更大的發(fā)光面積，視場角可以做得比較大，更符合泛光成像的特點(diǎn)，因此Flash激光雷達(dá)多選用VCSEL作為激光器；EEL也不是不可以，但需要設(shè)計復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)去擴(kuò)散EEL發(fā)出來的激光，因此很少使用。

但是VCSEL功率密度低的缺陷，成為限制Flash激光雷達(dá)探測距離提升的主要瓶頸。這也是為什么當(dāng)前發(fā)布的Flash激光雷達(dá)產(chǎn)品多以短距為主，但隨著多結(jié)VCSEL激光器技術(shù)的突破，使用VCSEL開發(fā)長距激光雷達(dá)產(chǎn)品將成為可能。

當(dāng)功率密度低遇上泛光成像，從被測物體返回來來的功率密度將更低，而探測器端也被迫選擇了信噪比更高的探測器SPAD。

除了激光器和探測器，F(xiàn)lash激光雷達(dá)的光學(xué)系統(tǒng)和其他類型激光雷達(dá)也有所不同。

其他類型激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)通過對激光器發(fā)射出來的激光進(jìn)行準(zhǔn)直和整形，來使得激光發(fā)散角減小且符合使用要求的形狀，接收光學(xué)系統(tǒng)通過收集反射后的光能量，并將其匯聚到探測器的光敏面上，以提高探測距離。

而Flash激光雷達(dá)要求發(fā)射出去的激光光束盡可能均勻地在整個視場角內(nèi)擴(kuò)散，因此不需要準(zhǔn)直單，二是需要光束擴(kuò)散器，控制發(fā)射激光視場角從而使變得均勻。Flash激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)相比于其他種類激光雷達(dá)需要具備“大相對孔徑”和“照度均勻”的特點(diǎn)，但是三種類型激光雷達(dá)所用光學(xué)元器件沒有太大差異。接收光學(xué)系統(tǒng)的“接收鏡頭組”由多個球面和非球面透鏡組成，多個透鏡會依次改變光束的視場角直至達(dá)到設(shè)計的HFOV和VFOV。

說起Flash激光雷達(dá)廠商，大家首先想到的應(yīng)該是難兄難弟Ibeo和Ouster，但最早開始做Flash激光雷達(dá)的的確是大陸集團(tuán)（2016年3月收購Flash激光雷達(dá)公司Advanced Scientific Concepts后獲得此項(xiàng)魔法），只不過參數(shù)太過樸素罷了。

2017年大陸集團(tuán)發(fā)布第一款Flash激光雷達(dá)SRL121，905nm波長，27°x11°的視場角，10m的探測能力，確實(shí)沒什么姿色。2019年大陸集團(tuán)發(fā)布第二款HFL110，1064nm，120°x30°視場角，22m的探測能力，姿色見漲也使其獲得豐田氫燃料電池汽車Mirai和雷克薩斯LS500的青睞，用作側(cè)向補(bǔ)盲。

第一篇文章中介紹已破產(chǎn)的Ibeo，2019年發(fā)布的距、短距和近距三款固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品，采用的正是Flash技術(shù)路線。

與Ibeo齊名，并與Velodyne已合并的另一家國外激光雷達(dá)企業(yè)Ouster，在2021年也發(fā)布了Flash激光雷達(dá)，同樣包括短、中、長三款，里面將使用自研的SPAD探測器芯片，并計劃在2025年量產(chǎn)上車。

2022年5月13日，亮道智能面向中國市場發(fā)布自研的純固態(tài)Flash激光雷達(dá)——LDSense Satellite。

部分已發(fā)布Flash激光雷達(dá)參數(shù)匯總?cè)缦卤?。

表3 部分Flash激光雷達(dá)參數(shù)

04 探測器之爭

探測器遵循的處世之道：來而不往非禮也，激光器發(fā)射出去的激光、由探測器進(jìn)行回禮接收并轉(zhuǎn)化為電信號。這個處世之道的理論基礎(chǔ)就是光電效應(yīng)，而這個效應(yīng)卻源于一個意外的發(fā)現(xiàn)。

1886年，海因里?！ず掌潱℉einrich Rudolf Hertz），就是那個用實(shí)驗(yàn)證明電磁波存在的男人，就是頻率單位以他名字命名的男人，正在為證實(shí)麥克斯韋的電磁理論而專心致志地做電火花放電試驗(yàn)。

赫茲的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，主要包含電火花發(fā)生器和電火花接收器兩部分組成。在開關(guān)閉合，電壓上升到2萬伏之后，兩個小球之間的空氣就會被擊穿，產(chǎn)生藍(lán)色電火花，同時引發(fā)一個向外傳播的電磁波。而在不遠(yuǎn)處的接收器將感應(yīng)出一個電動勢，同樣也在接收器的小球間產(chǎn)生電火花。

圖 赫茲試驗(yàn)裝置簡圖

證實(shí)了電磁波存在之后，赫茲又開始通過實(shí)驗(yàn)研究起了電磁波的性質(zhì)，一次偶爾的機(jī)會，赫茲用紫外線照射接收器，發(fā)現(xiàn)接收器兩個小球間更容易產(chǎn)生電火花且電火花更亮。1887年，赫茲在《物理學(xué)年鑒》上發(fā)表了題為《論紫外光對放電的影響》的論文，揭開了光電效應(yīng)研究的序幕。

后來這一現(xiàn)象引起了眾多物理學(xué)家的關(guān)注，并在經(jīng)年累月的試驗(yàn)研究后，還原了這一效應(yīng)的本來面目。

激光器章節(jié)我們介紹過，物質(zhì)都是由原子組成，而原子是由原子核和繞核運(yùn)動的電子組成。但這個電子不是一個安分的家伙，在吸收部分能量變得強(qiáng)大之后就會嘗試掙脫原子核的束縛選擇逃逸，逃逸所需的最小能量被稱為逸出功。

所以當(dāng)外界有一個光子經(jīng)過電子時，且光子能量大于電子逃逸所需的逸出功時，電子便有一定概率可以掙脫原子核的束縛，逃逸成為一個光電子，并留下孤獨(dú)的空穴，此過程產(chǎn)生的電子-空穴對被稱為光生載流子，這個過程被稱為碰撞電離。

需要注意的是，當(dāng)經(jīng)過的光子能量恰好等于電子兩能級之差時，電子吃掉光子后會由低能級躍遷到高能級，也就是激光器之爭部分介紹的受激吸收，電子只是發(fā)生能級變化，并不能脫離原子核束縛變成自由電子。

光子的能量由光的頻率決定，能使物質(zhì)中電子逃逸出來的光子頻率稱為該物質(zhì)的截止頻率或極限頻率，所以只有當(dāng)照射物體的光子頻率大于這一極限頻率時，才會發(fā)生光電效應(yīng)。

一、光電二極管

激光探測器正是利用光電效應(yīng)將光轉(zhuǎn)換為電的一種高靈敏度的半導(dǎo)體電子設(shè)備，主要部件就是光電二極管（photodiode，PD）。普通二極管我們比較熟悉，最常見的是由一個PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線及管殼封裝而成，具有單向?qū)щ娦?，加上正向電壓時，二極管導(dǎo)通， 加上反向電壓時，二極管截止。

PD與普通半導(dǎo)體二極管類似，只不過PD工作在反向電壓下，且可以暴露在外，通過窗口或光纖連接進(jìn)行封裝，從而使光到達(dá)器件的感光部分。

與此同時，PD最常使用的不是PN結(jié)，而是PIN結(jié)。PIN結(jié)相比于PN結(jié)，中間多了一個I層，I層是摻雜濃度很低的一層N型半導(dǎo)體，由于濃度低的近乎本征（Intrinsic）半導(dǎo)體，故稱I層。

I層較厚，幾乎占據(jù)了整個耗盡區(qū)。絕大部分的入射光子在I層被吸收并產(chǎn)生電子-空穴對（光生載流子）。在I層兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，P層和N層很薄，吸收入射光子的比例很小，產(chǎn)生少量的光生載流子。

這種結(jié)構(gòu)可以大大加快光電效應(yīng)的響應(yīng)速度，但是過大的耗盡區(qū)寬度將延長光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的漂移時間，反而導(dǎo)致響應(yīng)變慢，因此耗盡區(qū)寬度要合理選擇。通過控制耗盡區(qū)的寬度可以改變PIN結(jié)二極管的響應(yīng)速度。

在實(shí)際使用中，根據(jù)反向偏置電壓的不同，PD可以工作在三種不同的模式下，即線性模式、比例模式和蓋革模式，其中比例模式和蓋革模式合起來就是我們說的雪崩模式。普通PD工作在線性模式下，APD和SPAD工作在雪崩模式，如圖所示。

圖PD三種工作模式

普通PD沒有光照時，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當(dāng)有光照時，光子能量被普通PD中的電子吸收，逃逸出來成為光電子，使反向電流線性增大，如圖所示。

圖 PD結(jié)構(gòu)及工作原理

二、雪崩光電二極管（Avalanche photodiode，APD）

APD工作在雪崩模式下的比例模式，如上面圖3所示，表現(xiàn)出有限的增益。

當(dāng)APD兩端反向偏置電壓高于雪崩電壓小于擊穿電壓VBD時，耗盡區(qū)的電場大小可以使得電子達(dá)到離化的閾值。在合適的光子照射下，I區(qū)電子吸收能量逃逸出來產(chǎn)生光電子，這個光電子在電場作用下移動，會去碰撞其他的原子，從而產(chǎn)生新的電子-空穴對，如此連鎖反應(yīng)，就像是雪崩了一樣，因此被稱為雪崩模式，如圖所示。

圖 PAD結(jié)構(gòu)及工作原理

在雪崩模式下，APD電流與電壓呈比例關(guān)系，具備高增益（1-103倍），在光子照射下電壓很小的變化也會導(dǎo)致電流發(fā)生較大變化。因此APD是一種靈敏的測量光強(qiáng)的方法，但此靈敏度還不足以檢測單個光子。

三、單光子雪崩二極管（Single photon avalanche diode，SPAD）

SPAD工作在雪崩模式下的蓋革模式，如上面圖3所示，此時SPAD表現(xiàn)出無限的增益。

當(dāng)SPAD兩端反向偏置電壓高于擊穿電壓VBD時，耗盡區(qū)的電場大小不僅可以使得耗盡區(qū)電子達(dá)到離化的閾值，而且也將使空穴達(dá)到離化的閾值，這意味著除了光電子能夠移動去碰撞其他原子，產(chǎn)生的空穴也將反向移動去碰撞其他原子，如此循環(huán)反饋，引發(fā)自我維持的雪崩，如圖所示。

圖SPAD結(jié)構(gòu)及工作原理

在蓋革模式下，SPAD理論上增益可以達(dá)到無限大，因此SPAD是一種更靈敏的測量光強(qiáng)的方法，靈敏到可以檢測單個光子。

由SPAD工作原理可知道，上述雪崩過程是自維持的，也就是說若沒有外界干擾，雪崩將會一直持續(xù)下去。那么將產(chǎn)生兩個問題，持續(xù)毫安級的大電流流經(jīng)設(shè)備，會將設(shè)備燒毀；二是無法區(qū)分不同時間間隔到來的光子。

解決上述問題的一個方法就是淬滅電路，最簡單的一種淬滅電路如圖所示，通過在SPAD串聯(lián)一個千歐量級的大電阻。當(dāng)SPAD內(nèi)部發(fā)生雪崩產(chǎn)生大電流后，大電阻的分壓作用將使SPAD兩端的偏壓降級，使其無法繼續(xù)發(fā)生雪崩。

圖 SPAD一種淬滅電路

雪崩過程被終止后，SPAD兩端的偏壓將會以較快的速度開始充電過程，再將電壓提高到可以觸發(fā)雪崩模式的大小，等待下次光子觸發(fā)。如此循環(huán)往復(fù)，形成與光信號對應(yīng)的脈沖信號。如果將SPAD的輸出連接到電壓鑒別器，就能產(chǎn)生一個從邏輯0到0的數(shù)字信號輸出，表示單個光子的到達(dá)。

結(jié)合圖我們再來詳細(xì)說明一下淬滅的過程，給SPAD加載使其處于擊穿態(tài)的偏置電壓VBR，并處于亞穩(wěn)態(tài)A點(diǎn)，在此狀態(tài)下下，當(dāng)有光子照射時，引起雪崩效應(yīng)，從而出現(xiàn)電流脈沖（點(diǎn)A到B）。在淬滅電路作用下，偏置電壓由B復(fù)位到C。而后經(jīng)過充電過程，反向偏置電壓將由C恢復(fù)到A，SPAD再次準(zhǔn)備探測單個光子。