2022年10月，成立25年的全球激光雷達(dá)（lidar）巨頭Ibeo宣告破產(chǎn)。其業(yè)界地位之高有目共睹：技術(shù)先進(jìn)，市場份額全球第四。而先進(jìn)是要高昂研發(fā)費(fèi)用去支撐的，長達(dá)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(shí)間才量產(chǎn)交付；直到2020年才拿到第二個(gè)項(xiàng)目長城汽車，但已無濟(jì)于事。

Ibeo的方案很是激進(jìn)：4D固態(tài)激光雷達(dá)，沒有任何運(yùn)動(dòng)部件，傳感器更輕、結(jié)構(gòu)更緊湊，適用于L2-L5級自動(dòng)駕駛。但其技術(shù)價(jià)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(hù)成本高等明顯缺點(diǎn)，讓一眾主機(jī)廠望而卻步，先進(jìn)技術(shù)也無以為繼。

反觀國內(nèi)激光雷達(dá)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(yù)測，2033年全球自主車輛激光雷達(dá)市場將增長至84億美元，市場前景樂觀。

全球激光雷達(dá)廠商地區(qū)分布

讓更多的機(jī)器看到世界

激光雷達(dá)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(yīng)用于測繪、測量、軍事、考古學(xué)、農(nóng)業(yè)和地質(zhì)等領(lǐng)域。光束控制技術(shù)的發(fā)明使得激光雷達(dá)能夠在擴(kuò)展使用場景中探測3D空間。

3D激光雷達(dá)是一種光學(xué)感知技術(shù)，使機(jī)器能夠看到世界，做出相應(yīng)決策和導(dǎo)航。目前，使用激光雷達(dá)的機(jī)器從小型服務(wù)機(jī)器人到大型自主車輛。不過，快速發(fā)展的激光雷達(dá)技術(shù)和市場留下了許多不確定的問題，系統(tǒng)中的每一個(gè)組件的技術(shù)前景都有點(diǎn)雜亂無章的。

汽車激光雷達(dá)廠商技術(shù)分布（包括已停止運(yùn)營的公司）

事實(shí)上，每個(gè)激光雷達(dá)廠商和用戶都必須做出四項(xiàng)重要技術(shù)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(jī)制，以及接收器（光電探測器）測量光線的方法。光束控制機(jī)制是最復(fù)雜和關(guān)鍵的選擇，而發(fā)射器和接收器在未來激光雷達(dá)的成本降低和性能進(jìn)一步提高中起重要作用。

設(shè)計(jì)或選用3D激光雷達(dá)模塊的四個(gè)重要技術(shù)選擇

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

然而，這些選項(xiàng)并不是無限的。某些組件可能與特定技術(shù)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(dá)更受歡迎的選擇。由于更多的技術(shù)挑戰(zhàn)，MEMS和FMCW的組合較少。

今天所做的技術(shù)選擇將對未來激光雷達(dá)的性能、價(jià)格和可擴(kuò)展性產(chǎn)生巨大影響。激光雷達(dá)市場的現(xiàn)狀是不可持續(xù)的，因?yàn)楂@勝的技術(shù)和廠商的出現(xiàn)將鞏固技術(shù)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(dá)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(dá)越來越具有吸引力。汽車ADAS和自動(dòng)駕駛汽車市場的競爭可以為激光雷達(dá)提供一個(gè)被市場接受的機(jī)會，從而降低價(jià)格并提高可靠性。從材料供應(yīng)商到主機(jī)廠，激光雷達(dá)供應(yīng)鏈的努力不僅為傳統(tǒng)材料和組件公司提供了創(chuàng)新機(jī)會，還為消費(fèi)者帶來了新的生活方式。

光學(xué)3D傳感的常用方法和工藝變化如下：

飛行時(shí)間

通過紅外光脈沖從物體反射并由圖像傳感器檢測時(shí)測量的飛行時(shí)間來計(jì)算深度，即直接飛行時(shí)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(jì)算深度，即間接飛行時(shí)間（iToF）方法。

結(jié)構(gòu)光法

通過三角測量來計(jì)算深度，即傳感器將投影儀發(fā)射的紅外光的預(yù)定義圖案成像到物體上，用來計(jì)算3D深度。而通過使用多個(gè)圖案（可編程結(jié)構(gòu)光）而不是單個(gè)圖案（固定結(jié)構(gòu)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(jì)算深度，兩個(gè)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(diǎn)來重建3D圖像。這與人類的視覺相似；每個(gè)傳感器是一只眼睛。使用被動(dòng)立體視覺對無紋理物體進(jìn)行成像是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。主動(dòng)立體視覺方法包括投影儀，可以通過投射紅外光的隨機(jī)圖案來添加紋理。

幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)比較

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

四種類型MEMS驅(qū)動(dòng)

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

左圖顯示了LC-OPA的結(jié)構(gòu)和相位剖面。線性偏振光入射到兩個(gè)玻璃基襯底之間的LC層，當(dāng)通過周期性電極陣列施加電場時(shí)，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(gè)電極上的電壓。D為LC層厚度，d為電極周期，Δφ為兩個(gè)電極之間的相移。右圖顯示使用2個(gè)級聯(lián)LC-OPA形成和控制多波束。

從半導(dǎo)體角度看，這是一種同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)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(jié)設(shè)計(jì)。摻雜的半導(dǎo)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(fù)電荷（電子）的p-n結(jié)。光學(xué)腔位于兩個(gè)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(jié)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(jié)構(gòu)（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(jié)，限流層也稱為包層（cladding）。因?yàn)槠湔凵渎矢哂诎鼘忧移鋷缎∮诎鼘?，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(dòng)設(shè)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(shí)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(dòng)駕駛車輛的激光雷達(dá)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(gè)接一個(gè)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(lǐng)域激光雷達(dá)報(bào)告》稱，中國在全球汽車激光雷達(dá)市場中處于領(lǐng)先地位，中國供應(yīng)商已成為這一領(lǐng)域的佼佼者。中國和外國激光雷達(dá)公司之間存在著重要差異：國外激光雷達(dá)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(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

未來，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和專用芯片的應(yīng)用，激光雷達(dá)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(dá)有望迎來更強(qiáng)勁增長。