【重點摘要】

1. LiDAR微型化的障礙:

   a. 激光制程效率和自由空間傳輸方面的挑戰(zhàn)。

   b. 傳輸-接收過程效率低和眼睛安全方面的擔(dān)憂。

   c. 激光效率低且對溫度敏感，需要復(fù)雜的封裝。

2. 目前的方法:

   a. 基于固態(tài)技術(shù)的無移動部件視場（FoV）方法。

   b. 使用單一激光脈沖或電子掃描數(shù)組來處理FoV。

   c. 利用半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步來開發(fā)LiDAR。

   d. 提及特定公司及其LiDAR技術(shù)。

LiDAR微型化的障礙

LiDAR微型化的主要障礙在于其所使用的激光技術(shù)。從電子產(chǎn)生稱為光子的光粒子是一個復(fù)雜且效率低的過程。20世紀(jì)90年代，電信革命在將半導(dǎo)體激光器從研究實驗室推進(jìn)到大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)施并將其整合到陸地和海底光纖網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。然而，LiDAR由于需要在自由空間中傳輸激光能量，因此面臨挑戰(zhàn)。

在LiDAR中發(fā)送和接收激光信號的過程效率低下，因為它受到大氣吸收和與傳輸距離有關(guān)的光學(xué)連接損失的影響。實現(xiàn)高分辨率圖像和快速幀率覆蓋廣泛視場（FoV）需要更高的半導(dǎo)體激光功率。這導(dǎo)致采用光學(xué)放大技術(shù)（使用光纖激光器）、使用大型激光數(shù)組（例如VCSELs）或在時間和空間上共享激光能量（通過掃描機(jī)構(gòu)）等技術(shù)。

安全性是一個重要關(guān)注點，尤其是涉及到人眼的情況。一些LiDAR系統(tǒng)使用波長在800-900nm范圍內(nèi)的激光，對于眼睛的安全性有限。使用1,300-1,500nm的激光可以提高安全性，但仍然存在維持特定性能水平所需的最大安全功率密度的限制。設(shè)計安全的解決方案需要笨重的系統(tǒng)封裝和專用光學(xué)組件。

激光系統(tǒng)以其效率低下和對溫度的敏感性而聞名。激光器使用的電能中的大部分（約70-80％）被轉(zhuǎn)化為熱量，需要有效的管理策略。汽車溫度變化帶來額外的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致激光波長變化并進(jìn)一步降低效率。常用于激光器的III-V半導(dǎo)體（例如GaAs或InGaAs）在較高溫度和潮濕環(huán)境中降解更快。為了應(yīng)對這些問題，需要使用主動冷卻和更復(fù)雜的封裝解決方案。

在更廣泛的LiDAR系統(tǒng)背景下，成功的微型化需要使用多種材料進(jìn)行混合集成：復(fù)雜的III-V半導(dǎo)體、基于硅的電子組件、玻璃纖維、大型光學(xué)組件（例如聚焦鏡頭和隔離器）、掃描機(jī)構(gòu)、有效的熱管理和復(fù)雜的封裝方法。

目前的做法

視野（FoV）的問題在于目前的固態(tài)方法中正在解決，這些方法不涉及移動部件。有兩種主要方法來實現(xiàn)這一目標(biāo)：

1. 單脈沖雷射或閃光：在這種方法中，使用單脈沖雷射或閃光來同時定位所有圖像像素。一些采用此方法的公司包括PreAct、TriEye和Ouster。

2. 電子掃描陣列：此方法使用由單晶硅SPAD（單光子雪崩二極管）和GaAs VCSELs（垂直腔面發(fā)射激光器）組成的單片硅電子掃描數(shù)組，以序列方式定位視野中的不同區(qū)域。Opsys和Hesai等公司利用了這項技術(shù)。

VCSEL-SPAD方法得益于智能手機(jī)中ToF（飛行時間）LiDAR的進(jìn)步、商品化和集成，通常在905/940nm波長下運行（確切值可能有所不同且屬專有信息）。另一種技術(shù)涉及通過稱為光學(xué)相位陣列（OPAs）和波長分散的相位調(diào)整天線的組合進(jìn)行光學(xué)掃描。這是在芯片尺寸的硅光子學(xué)平臺上實現(xiàn)的，而Analog Photonics是該領(lǐng)域的一個顯著參與者。該平臺與調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）相干LiDAR兼容，可同時測量距離和徑向速度，并在1,500nm波長范圍內(nèi)運行。

PreAct專注于機(jī)艙內(nèi)和面向道路的短程LiDAR。他們的方法是創(chuàng)新的，使用低成本、現(xiàn)成的CCD數(shù)組和LED光源（而非雷射）來生成基于間接飛行時間（iToF）原則的3D圖像，類似于游戲應(yīng)用程序中使用的原則。他們的TrueSense T30 LiDAR以驚人的高幀率150Hz運作，這對于需要快速反應(yīng)的短程應(yīng)用，如盲點避障和行人安全，至關(guān)重要。該設(shè)備的尺寸包括一個8MP RGB相機(jī)和將可見光和3D影像合并的電子組件。通過消除RGB傳感器，可以進(jìn)一步減小尺寸。

TriEye的SEDAR（光譜增強(qiáng)檢測和測距）是一種閃光LiDAR系統(tǒng)，采用基于1.3Mp CMOS的鍺硅SWIR（短波紅外）探測器陣列和內(nèi)部開發(fā)的、Q開關(guān)、高峰值功率、固態(tài)泵浦二極管激光器來照亮整個視場。使用更高波長可以提高眼睛的安全邊際，從而允許利用更高功率的激光。

Opsys采用的電子可尋址高功率VCSEL和SPAD數(shù)組來實現(xiàn)無可動部件的固態(tài)LiDAR。該系統(tǒng)可以在汽車溫度范圍內(nèi)運作，無需任何形式的主動冷卻或溫度穩(wěn)定。

Hesai正在積極為多個汽車客戶生產(chǎn)AT128長程LiDAR（使用機(jī)械掃描的HFoV）。FT120是一款全固態(tài)LiDAR，采用電子掃描VCSEL和SPAD數(shù)組，針對短程應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化（盲點檢測、機(jī)艙內(nèi)等）。該公司于2023年1月上市，目前處于休整期。這表明他們的LiDAR技術(shù)仍在不斷發(fā)展中。