激光雷達（Light Detection And Ranging，簡稱"LiDAR"）測 量 ， 是 一 種 集 激 光 、 GPS(全 球 定 位 系 統(tǒng))和 IMU （InertialMeasurement Unit，慣性測量裝置）三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM（數(shù)字高程模型）。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準確地定位激光束打在物體上的光斑，測距精度可達厘米級，激光雷達最大的優(yōu)勢就是精準和快速、高效作業(yè)。

激光雷達當前被廣泛用于無人駕駛汽車和機器人領(lǐng)域，被譽為廣義機器人的“眼睛”，是一種通過發(fā)射激光來測量物體與傳感器之間精確距離的主動測量裝置。

激光雷達通過激光器和探測器組成的收發(fā)陣列，結(jié)合光束掃描，可以對廣義機器人所處環(huán)境進行實時感知，獲取周圍物體的精確距離及輪廓信息，以實現(xiàn)避障功能；同時結(jié)合預先采集的高精地圖，機器人在環(huán)境中通過激光雷達的定位精度可達厘米量級，以實現(xiàn)自主導航。

激光雷達可以高精度、高準確度地獲取目標的距離、速度等信息或者實現(xiàn)目標成像。激光雷達工作過原理：激光通過掃描器單元形成光束角度偏轉(zhuǎn)，光束與目標作用形成反射/散射的回波。當接收端工作時，可產(chǎn)生原路返回的回波信號光子到達接收器，接收端通過光電探測器形成信號接收，經(jīng)過信號處理得到目標的距離、速度等信息或?qū)崿F(xiàn)三維成像。

激光雷達由激光發(fā)射、激光接收、信息處理、掃描系統(tǒng)四大基礎(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)成，這四大系統(tǒng)相互協(xié)作，進而短時間內(nèi)獲取大量的位置點信息，并根據(jù)這些信息實現(xiàn)三維建模。其中激光發(fā)射器通過光束控制器控制發(fā)射激光的方向和線數(shù)，最后通過發(fā)射光學系統(tǒng)，將激光發(fā)射至目標物體；激光接收系統(tǒng)為接收光學系統(tǒng)，光電探測器接受目標物體反射回來的激光，產(chǎn)生接收信號；信息處理系統(tǒng)接收信號經(jīng)過放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)由信息處理模塊計算，獲取目標表面形態(tài)、物理屬性等特性，最終建立物體模型；掃描系統(tǒng)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來，實現(xiàn)對所在平面的掃描，并產(chǎn)生實時的平面圖信息。

在激光雷達中，發(fā)射端是價值量最高、壁壘最高的環(huán)節(jié)之一。在發(fā)射端中，隨著國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈崛起以及產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)路線調(diào)整，905nm VCSEL激光芯片等產(chǎn)品有望在市場實現(xiàn)突破。此外，1550nm光源也具備獨特優(yōu)勢，與主流的905nm形成錯位競爭，未來隨著FMCW測距路線的逐步發(fā)展，預計其份額還有進一步增長的空間。發(fā)射端的“心臟”就是光源,光源的選擇制約因素主要有性能、成本、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度、人眼安全四大要素。光源選擇完之后，需要解決光源校準、溫漂、無熱化三大問題。那么為何有905nm與1550nm兩條路線，而不是其他波長？這首先受到激光傳播窗口的限制。大氣吸收譜限制了哪些激光波長能夠在空氣中使用，比如300nm以下的短波會被臭氧吸收，1微米以上的紅外波長又經(jīng)常會被水蒸氣吸收，所以激光器通常只能在少數(shù)特定窗口工作，如下圖白色背景部分（可以注意到很大一部分與可見光波長重合）。白色窗口中又有一大段是可見光，如果直接采用可見光又會對人眼產(chǎn)生視覺干擾，所以剩余的傳播窗口是有限的。圖中四條紅線從左到右分別代表865nm、905nm、1310nm、1550nm波長，均處于白色窗口中，都能在空氣中正常工作。

最終選擇哪個波長還與現(xiàn)存的產(chǎn)業(yè)鏈成熟度有關(guān)。1550nm光纖激光器是光通信領(lǐng)域應用最廣的光源之一，而905則與消費電子共用產(chǎn)業(yè)鏈（手機上的3D ToF傳感器通常使用940nm光源，與905基本屬于同種半導體激光器，可以共用GaAs材料體系），所以都有一定的發(fā)展基礎(chǔ)。1550nm的波長允許的峰值功率高，更具有探測優(yōu)勢，而905nm波長使用的材料體系則更有成本優(yōu)勢。同時由于905nm更接近可見光，視網(wǎng)膜對其更敏感，液態(tài)水對其吸收也更少，因此這種光線更容易直達視網(wǎng)膜。相比而言，1550nm容易被水吸收，因此在抵達視網(wǎng)膜之前已經(jīng)被玻璃體等前部結(jié)構(gòu)進行一輪吸收，抵達視網(wǎng)膜的較少。同時1550nm光折射率更大，即便是抵達視網(wǎng)膜，也不容易聚焦成很小的光點，能量相對分散，進一步減小了損傷。綜上所述，在考慮了人眼限制的因素上，1550nm路線的探測距離優(yōu)勢明顯，而受到材料限制，905nm路線的成本優(yōu)勢也同樣明顯，因此二者構(gòu)成錯位競爭。預計1550nm激光雷達將主要用于以安全性為核心賣點的車輛（如沃爾沃等）、價位和品牌定位較為高檔的車輛（如蔚來、奔馳、上汽飛凡R等）、重卡（剎車距離較長，奔馳重卡采用1550nm激光雷達）等特殊定位的車輛。其余車輛受限于成本，則更適合采用905nm激光雷達。

雖然目前激光雷達領(lǐng)域的光源還是以EEL為主，但在905nm波長上，隨著多結(jié)工藝提升了發(fā)光功率，VCSEL替換EEL的趨勢越來越明顯，國內(nèi)激光芯片企業(yè)迎來發(fā)展機遇。VCSEL取代EEL的首要原因是成本，由于VCSEL是上表面發(fā)光而不是側(cè)面發(fā)光， 不需要在側(cè)面進行太多加工，只需要按照正常的半導體加工工藝批量處理即可。而EEL是側(cè)面發(fā)光，所以在形成晶圓后還需要進行切割，分別對每個激光器的側(cè)表面進行處理、鍍膜，無法按照現(xiàn)有半導體工藝來一次性處理整個晶圓的激光器，成本較高。按照Yole的統(tǒng)計，EEL的后道處理工序成本比VCSEL高了一倍以上。如果再考慮給EEL增加DBR，就需要在EEL側(cè)面沉積多層晶體，成本會進一步提高。VCSEL取代EEL的第二大原因是因為過去VCSEL發(fā)光功率低的問題已經(jīng)被新的“多結(jié)”工藝所解決。半導體激光器本質(zhì)上作為一種二極管，也是PN結(jié)構(gòu)成的，所謂多結(jié)就是多個PN結(jié)。在最初始的LED和激光二極管中，通常只用1個PN結(jié)進行發(fā)光。而隨后為了加大功率，人們開始將一個半導體激光器制作成多層PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，每一個PN結(jié)都能夠發(fā)光，這就大大增加了發(fā)光強度。根據(jù)劉恒等發(fā)布的《用于激光雷達的高性能多結(jié)VCSEL芯片的研究》，下圖49是一個6層結(jié)的VCSEL，圖中“MQW”所指向的區(qū)域就是發(fā)光層，總共有6個，相當于6個PN結(jié)，電流從上到下依次流經(jīng)6個PN結(jié)，就能讓6個PN結(jié)同時發(fā)光，相當于6個串聯(lián)的激光二極管。

近年來結(jié)數(shù)的增多讓905NM的VCSEL發(fā)光功率迅速增大，快速接近EEL。此前由于VCSEL發(fā)展較晚，而且更多用于消費電子，對大功率沒有需求，所以此前大多都是單層結(jié)的，功率較小。而激光雷達的發(fā)展對大功率激光器提出了需求， 做出多層結(jié)的VCSEL并不存在原理上的困難，只是需要時間進行工藝開發(fā)，因此隨著近年來VCSEL結(jié)數(shù)的不斷增加，最后一塊短板已經(jīng)被補齊，在激光雷達領(lǐng)域替代EEL已經(jīng)完全可行。

發(fā)射端如果想要保證持續(xù)可靠的工作，還需要注意的一點就是盡量避免發(fā)熱的影響。如果發(fā)熱得不到有效控制，則溫度上升，不僅會導致激光器溫漂，還會導致其他元件變形，對光路產(chǎn)生影響。由于VCSEL功耗等原因需要進行無熱化設計。所謂無熱化，主要是指補償設計，當溫度發(fā)生改變，光學器件發(fā)生形變，但系統(tǒng)中不同部件的形變效果幾乎恰好抵消，使得光學系統(tǒng)的效果幾乎不受溫度影響。

在激光雷達中，通常主要的發(fā)熱部件就是芯片和激光器，針對芯片，通常采用傳導熱能量快、熱阻低的陶瓷材料封裝，輔以導熱膠或?qū)峁柚畛溥M行充分散熱，以免熱量影響自身以及其他部件工作實現(xiàn)良好的散熱。針對大功率激光器主要是采用熱沉進行散熱，熱沉（heat sink）通常是指一些能夠持續(xù)吸收熱量或者將熱量導走而又保持溫度穩(wěn)定的物體，比如導熱率可達200W/M.K的氮化鋁陶瓷基板。以高效導熱著稱的金剛石熱沉其熱導率更是氮化鋁的50~100倍。陶瓷材料與硅片相近的熱膨脹系數(shù)更其適合于解決芯片封裝中的熱應力失配問題。多年來斯利通一直致力于陶瓷新型材料的電路板制造研發(fā)，目前可批量生產(chǎn)的陶瓷電路板厚度涵括0.1-8.0mm范圍，實現(xiàn)線寬線距40um的微電子技術(shù)。

在自動化駕駛的 5 級標準中，L3 級標準下的 ADAS 高級輔助駕駛市場與L4、L5 級標準下的無人駕駛市場都對激光雷達技術(shù)產(chǎn)品擁有著較高的需求，隨著中國自動駕駛領(lǐng)域的政策和規(guī)范的不斷成熟，激光雷達行業(yè)也將迎來廣闊的發(fā)展空間。

審核編輯黃宇