本文来源：智车科技

／ 导读 ／

据市场分析公司Yole预测，汽车领域的激光雷达（LiDAR）将是继苹果几年前引爆移动应用激光雷达市场之后，VCSEL（垂直腔面发射激光器）的下一个典型应用场景。Yole《VCSEL——2021年技术和市场趋势》报告指出，尽管目前VCSEL最大的市场是手机和消费电子，其全球市场将在2026年达到24亿美元，年复合增长率为13．6％，但汽车领域的应用正在加速，并有可能成为VCSEL应用的下一次飞跃。

VCSEL是啥？

VCSEL是一种半导体器件，其激光垂直于顶面发射，与一般切开式独立芯片工艺的边缘射出型激光器不同。由于VCSEL激光垂直于反应区，与边射型激光平行于反应区相反，所以可以在3英寸大小的砷化镓芯片上制造出数以万计的VCSEL，密度之大可想而知。

激光器从边射型到现在的VCSEL走了很长一段路，早在2000年，就有了VCSEL公司，不过它已不复存在；直到苹果在iPhone12 Pro和iPad Pro上增加了一个激光雷达传感器，才掀起了VCSEL进入消费产品的风潮，让VCSEL从“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”，也让VCSEL再次获得了关注。

iPhone12 Pro激光雷达传感器

当然，VCSEL具有光电转换效率高、光束质量好、发散角小、波长稳定、可靠性高、阈值电流小、功耗低等优点，易于与光纤耦合，可以单纵模发射和实现高调制频率；而且在大批量生产方面成本可控。这是不少厂商对其不断投入的重要理由。

为什么是VCSEL加SPAD架构？

目前，自动驾驶少不了激光雷达已是行业共识，尽管特斯拉CEO埃隆·马斯克对其嗤之以鼻，但绝大多数主机厂都还是以搭载激光雷达为荣，一方面是因为性能，另一方面搭载激光雷达确实也给品牌提气。

现在，激光雷达还存在很多技术路线之争，而基于VCSEL和SPAD（单光子阵列）的紧凑型全固态解决方案是众多方案之一，Apple的激光雷达扫描仪就是采用这样的搭配，很多人对这个方案抱有极大的希望。

理由很简单，VCSEL加SPAD架构基于纯芯片，没有移动机械结构，且只有纯芯片方案才能够受益于摩尔定律的发展。VCSEL和半导体晶圆工艺非常吻合，摩尔定律的每一步都伴随半导体芯片的发展，会让VCSEL加SPAD的生态方案一起发展。当然，现在的竞争者还有905nm、1500nm和MEMS等，所使用的半导体材料各不不同，性能各有利弊。

VCSEL加SPAD架构

过去几年，VCSEL进一步渗透汽车激光雷达市场，在性能、可靠性和成本方面显示出一定优势，在视野、发射角度、探测范围和对象分类方面效果很好。现在的问题在于，相比发射范围仅为10m的消费类产品，自动驾驶车辆激光雷达的发射范围至少需要200m，功率也必须大幅提高。

车载应用的几个要求

此外，为了大规模商用落地，还要解决目前VCSEL和激光雷达缺乏相关标准，只能根据客户要求进行定制，厂商各自为政的问题，通过应用厂商和上下游生产厂商的更多合作，尽量达成共识，提升VCSEL的使用量，实现应用的市场化和规模化。

用到的感测模式有哪些？

VCSEL的应用场景绝大多数与3D感测有关，汽车应用也是。3D感测模式包括：被动双目、主动双目、结构光和飞行时间，几乎涵盖了现在VCSEL 3D感测的应用场景。

被动双目：使用两个摄像头模拟人眼，从两个点看同一个物体，然后经大脑进行简单几何运算，用VCSEL或算法也可以实现。

3D感测应用场景

主动双目：用两个摄像头加上投影仪主动投射光斑，由两个摄像头接收这些光斑，再进行计算。

结构光：只保留一个摄像头，用投影仪投射光斑，以摄像头接收光斑。苹果Face ID采用的就是这个原理。

飞行时间：包括直接飞行时间（dToF）和间接飞行时间（iToF），是汽车激光雷达主要采用的基本原理。

根据不同应用场景，以上三种结构有不同优势，结构光在短距离时非常精确，超过一定距离（1米左右）精度就会下降，因为是刷脸，苹果Face ID用的是结构光。

iToF是监测发射光和接收光之间的相位差，开始时精度不如结构光，超过1米后就优于结构光了，所以很多远距离应用经常采用。dToF是计算飞出去返回来的时间，对距离不太敏感，特别是长距离非常有优势，超过10米精度很好，所以汽车激光雷达用dToF比较多，这也是苹果激光雷达扫描仪选中它构建外界3D VR环境的原因。

以上VCSEL采用的几个方案并不是相互竞争的，而会在不同场景下有不同的选择，而VCSEL都可以扮演很重要角色。

哪些厂商在用VCSEL加SPAD？

选择VCSEL加SPAD的厂商不少，这里介绍几家。

Ouster

该公司主要研发紧凑型固态激光雷达，其车载激光雷达与iPad Pro的方案极其相似，使用其自研的L2X数字激光雷达芯片，实现了对机械旋转系列激光雷达处理能力和输出数据量的加倍。

L2X芯片处理能力翻番，体积却没有变。它包括信号处理、SPAD探测器和微光学系统三个部分，信号处理采用双回波方式，每秒输出高达520万点；SPAD探测器具有高度灵敏，每秒可计数高达1万亿个光子；其获得专利的微光学系统可过滤干扰并提升50％探测距离。它看上去比苹果的方案复杂一些。

L2X：①信号处理；②SPAD探测器；③微光学系统

Ouster称其是业界第一家在数字激光雷达上实现摩尔定律的公司，走的是摩尔定律的提升路径。L2X摈弃了传统模拟激光雷达的复杂结构。正如那些已经普遍应用的技术，如计算处理器和数码相机，均按照摩尔定律实现了指数级提升。随着时间的推移，数字激光雷达的性能将不断提升，成本也将不断下降。

值得一提的是，Ouster采用850nm工作波长，据说850nm波长处的太阳光比传统激光雷达系统的工作波长905nm、940nm、1550nm分别高约2倍、10倍和3倍，因此有助于激光器克服环境光，“看”清障碍物。

经过了几年的迭代，Ouster首先通过L2芯片将激光雷达的分辨率提高了一倍，推出了市场上分辨率最高的数字激光雷达；按照其芯片规划，现在推出的L2X芯片再次使数字激光雷达的性能翻倍，展示了不断优化的性能和成本，这将帮助客户实现激光雷达的广泛应用。

Ouster的芯片迭代

Ouster目前的产品包括：超广视场角的OSO（50m探测距离，90°垂直视场角）、全方位表现的OS1和（45°垂直视场角，120m探测距离）以及长距离探测的OS2（22．5°垂直视场角，240m探测距离），均搭载了L2X芯片。

Ouster的产品

Ouster的方案基于dToF原理，相比iToF技术，dToF具备低功耗、抗干扰等优势，适用于对测距精度要求高的较远距离测距场景。

类似的扫描图

Ouster创始人Angus Pacala对其背后的逻辑这样解释：“之所以选择VCSEL加SPAD，因为这才是全固态数字激光雷达。”

Ibeo

它也有类似Ouster的解决方案，产品（ibeoNEXT）基于艾迈斯欧司朗的VCSEL阵列加SPAD阵列，没有任何移动机械转动，开发的二维扫描的非常小的激光雷达解决方案，其大小和社保卡差不多，已用在长城摩卡SUV上。这个方案已不只是实验室的一个概念，而是用到了量产车型上，让整个业界对其充满了期待。

2020年7月三方签约

Ibeo的产品有两个系列：ibeoNEXT Generic和ibeo LUX。ibeoNEXT固态激光雷达具有大探测范围、高分辨率和大垂直角，Ibeo称其4D激光雷达传感器的开发是全自动驾驶道路上的一个里程碑。

ibeoNEXT Generic

Ibeo开发的4D传感器系统可以根据应用情况，选择11．2度或60度光学系统（目前正在开发32度和120度光学系统）。通过使用多个传感器并在ECU上运行的软件包中融合数据，以实现对车辆周围环境的360度检测。ibeoNEXT通用固态激光雷达可用于从交通堵塞辅助到自动驾驶的汽车应用。其批量生产准备度达70％－90％。该系统包括iBeNext通用模块和集中处理单元（LDE），可用于：低电平（原始数据）传感器融合、3D目标跟踪、对象分类、静态环境表示和强度图像（第四维度）。

穿梭巴士的可能设置

不过，ibeo LUX却不是一个真正固态的产品，何以见得？产品介绍中写着：“ibeo LUX通过传感器内反射镜的连续旋转，结合激光束，生成传感器范围内环境的完整图像。ibeo LUX的扫描数据包括距离、角度和回波脉冲宽度，可在110度的视野和200米的距离内检测环境。传感器的另一个特点是时间和移动的反射镜同步。传感器的时间与外部参考时间同步，而反射镜的旋转频率通过周期性外部信号进行调整。”这个多次提及的“反射镜”分明是一种MEMS激光雷达结构。由于激光雷达技术的多样性和不确定性，厂商“脚踩两只船”也是情有可原。

Sense Photonics

2021年7月，该公司推出基于VCSEL＋SPAD的Flash（闪光）激光雷达量产平台。联合创始人兼CEO Scott Burroughs说：“从安全角度看，当车辆以高速行驶时，运动模糊和响应时间非常关键。自动驾驶系统需要精确的实时深度数据来感知车辆周围环境，尤其是在高速动态环境中。传统扫描式激光雷达系统中存在的数据丢失增加漏判小尺寸物体、停车场大门甚至道路上碎片障碍物的可能性。只有真正的固态Flash激光雷达才能在整个视场内提供均匀的高分辨率信息。”

Sense Photonics产品

Sense Photonics的传感照明器是定制的VCSEL片（tile）阵列；光学扩散器为扩散透镜传播VCSEL tile光（对准后）均匀地照射给定场景；接收器镜头光学组件收集场景的光线；由Sense Silicon（感测硅芯片）SPAD图像传感器获取高分辨率深度图像并生成点云。

Sense Photonics结构

Sense Photonics传感系统利用该公司专有的发射器和SPAD传感器技术。Sense Silicon是一种背面照明CMOS SPAD器件，有140000多个像素，可与Sense Illuminator无缝配合。后者是一种分布式940nm激光阵列，包含15000多个VCSEL。共同构成的Sense相机式架构核心构件可实现高分辨率、人眼安全的全局快门闪光激光雷达，在200米范围内检测10％的反射目标，全光照每秒输出数千万个点。

Sense Illuminator和Sense Silicon

需要注意的是，Sense Photonic的SPAD器件是CMOS工艺制造的，因此可以断定用的是锗衬底，而非砷化镓衬底。锗衬底是单原子结构，缺陷率比砷化镓低，器件也可以达到更高的功率和可靠性。另外，锗衬底兼容CMOS工艺，可以直接制作电路，满足在芯片上集成激光雷达的期望。

VCSEL后继有人，应用日趋丰富

从Apple刷脸到激光雷达，VCSEL正逐步从消费电子走进汽车。法国Tier 1法雷奥（Valeo）也在利用VCSEL加SPAD技术开发近场应用激光雷达，以代替现在的毫米波或超声波雷达，实现防撞避障、倒车等功能。由于其体积小巧，可以将激光雷达集成在后视镜中，这是VCSEL加SPAD的又一个重要优势。

以色列公司Mobileye（2017年被英特尔溢价60倍收购）也发布了最新器件，利用英特尔的硅制造技术，将激光雷达的有源和无源元件都放在一个芯片上，既节省大量成本，又能简化激光雷达制造。

总之，汽车不同的应用场景都在要求VCSEL变得更快、更高效、更集成、光密度更高、性能更强。整个VCSEL业界也都在将资源投到这几个方向，不断推出一些更加激动人心的技术。一些发布随尚无更多细节，但的确值得期待！

－ End －