汽车LiDAR的“革新者”——混合固态LiDAR

认识混合固态LiDAR

2016年1月的CES消费电子展会上，Velodyne展示了“混合固态超级冰球”（Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto），由此引入了混合固态激光雷达（LiDAR）的概念。可惜的是这款LiDAR的内部结构一直未揭晓，仅仅只是机械式LiDAR的旋转部件小型化还是将板级电路ASIC化，目前不得而知。世面上对于机械式LiDAR、混合固态LiDAR和全固态LiDAR的叫法和定义不甚清晰。那么，麦姆斯咨询是如何定义的呢？

左图：32线混合固态Ultra Puck Auto，右图：16线机械式VLP-16。这款高性能32线Ultra PuckAuto和机械式VLP-16相比，外观上除了颜色略有差异以外，尺寸几乎一样（高为72毫米，底部直径为103毫米），具有体积小、重量轻的特点，可以集成在汽车后视镜的位置

在上一篇文章《LiDAR系列报道（二）：汽车LiDAR的“先行者”——机械式LiDAR》中，我们谈到了机械式LiDAR，了解到机械式LiDAR在工作时发射系统和接收系统会一直360度地旋转。而混合固态LiDAR工作时，单从外观上是看不到旋转的，巧妙之处是将机械旋转部件做得更加小巧并深深地隐藏在外壳之中。

本文将采用半导体“微动”器件——MEMS扫描镜（代替宏观机械式扫描器）在微观尺度上实现LiDAR发射端的激光扫描方式，定义为“混合固态”。而全固态LiDAR的定义和相关工作原理，我们将在下一期报道中细细道来。为什么产生“混合固态”的概念呢？因为MEMS扫描镜是一种硅基半导体元器件，属于固态电子元件；但是MEMS扫描镜并不“安分”，内部集成了“可动”的微型镜面；由此可见MEMS扫描镜兼具“固态”和“运动”两种属性，故称为“混合固态”。可以说，MEMS扫描镜是传统机械式LiDAR的革新者，引领LiDAR小型化和低成本化。

基于MEMS扫描镜的混合固态LiDAR原理图

Tips：MEMS扫描镜

传统的扫描成像LiDAR系统一般采用双摆镜、双振镜和旋转多面体反射棱镜的扫描方式，由这些具有宏观尺寸的光学元件所构成的扫描系统体积庞大而笨重。而利用MEMS技术可以直接在硅基芯片上集成体积十分精巧的微型扫描镜，并通过MEMS扫描镜来反射激光器的光线，从而实现微米级的运动扫描，那么宏观上便看不到LiDAR中的任何机械旋转部件。

MEMS扫描镜示意图：微型镜面可以转动，从而实现对激光的操控

一款MEMS扫描镜的SEM照片

MEMS扫描镜是指光学偏转角度较大（达到10°以上）的一种微镜类型，主要功能是实现激光的指向偏转、图形化扫描。MEMS扫描镜采用光学MEMS技术制造的，把微光反射镜与MEMS执行器集成在一颗半导体芯片上。MEMS扫描镜的运动方式包括平动和扭转两种机械运动。MEMS扫描镜按原理区分，主要包括四种：静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动。其中前两种技术比较成熟，应用也更广泛。

四种原理的MEMS扫描镜性能比较

目前，技术成熟且量产的MEMS扫描镜企业基本集中在中国大陆地区以外。比如被英飞凌收购的MEMS公司Innoluce、台湾OPUS、美国Mirrorcle的MEMS扫描镜采用的是静电驱动模式；而博世最新推出的全新交互式激光投影微型扫描仪BML050中的MEMS扫描镜、滨松今年发布的MEMS微镜S12237-03P、意法半导体与美国MicroVision公司合作生产的MEMS扫描镜，均采用电磁驱动原理。而国内如无锡微奥科技、西安知微传感、常州创微电子、上海微技术工研院等企业也是在此领域摩拳擦掌，有望成为后起之秀。

更多MEMS微镜知识，麦姆斯咨询曾经在《走进3D视觉系列（五）：且难且前行的“MEMS微镜”》中详细谈过，不妨复习一下。

探究混合固态LiDAR的革新奥秘，发现竞争优势

与机械式LiDAR相比，混合固态LiDAR具有小型化和低成本的巨大优势。

首先，来看看机械式LiDAR的结构和工作模式。发射光学系统后端藏有N组发射模块，而在接收光学后端有N组与发射模块一一对应的接收模块（下图中背面遮挡不可见）。当LiDAR开始工作时，N组发射模块和N组接收模块在电路的控制下按照一定的时间顺序轮流工作，例如，在时刻1，发射模块1工作，发射激光脉冲，同时接收模块1接收目标反射的发射模块1发射的激光信号；在时刻2，发射模块2工作，发射激光脉冲，同时接收模块2接收目标反射的发射模块2发射的激光信号；……在时刻N，发射模块N工作，发射激光脉冲，同时接收模块N接收目标反射的发射模块N发射的激光信号。这样的结构，线束与N值对应，16线LiDAR就需要内部布置16组发射模块和接收模块，即使32线LiDAR在结构上优化（据说可以并排，每排16组，从而不增加装置高度），机械式LiDAR想把尺寸再做小的空间也不多了。

机械式LiDAR的结构示意图

而混合固态LiDAR采用MEMS扫描镜，仅需要一束激光光源，通过一面MEMS扫描镜来反射激光器的光线，两者采用微秒级的频率协同工作，通过探测器接收后达到对目标3D扫描的目的。与多组芯片组的机械式LiDAR结构相比，混合固态LiDAR采用单组MEMS扫描镜 + 单束激光光源，对体积减小的效果显而易见。

机械式LiDAR（型号：HDL-64E）与混合固态LiDAR（型号：LeddarVu）尺寸对比

从成本角度分析，16线机械式LiDAR就需要16组IC芯片组：跨阻放大器（TIA）、低噪声放大器（LNA）、比较器（Comparator）、模数转换器（ADC）等。麦姆斯咨询估算每组的芯片成本约200美元，仅16组的芯片成本就高达3200美元。Innoluce曾发布一款混合固态LiDAR设计方案，采用MEMS扫描镜，并将各种分立芯片集成设计到一套LiDAR控制芯片组，这样下来LiDAR的成本控制在200美元以内。

16线机械式LiDAR内部芯片组，16组的芯片的成本就高达3200美元

Innoluce采用MEMS扫描镜的混合固态LiDAR设计方案，成本低于200美元

除了体积和成本的巨大优势，混合固态LiDAR还有其它可圈可点的优势：首先，因为没有宏观的机械转动，不存在机械磨损，可靠性更高；其次，探测距离更远（150米以上），适合远距离汽车环境感知和探测；另外，采用一束激光光源而非多束，功耗更小，更能保障人眼安全。

Tips：光电探测器

光电探测器是将光脉冲转换成电信号的元器件，在LiDAR系统中充当“眼睛”的角色，是关键的传感器。目前主要的光电探测器有雪崩光电二极管（Avalanche PhotonDiode，简称APD）/单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode，简称SPAD）、硅光电倍增管（MPPC）和PIN光电二极管。

MPPC、APD和PIN光电二极管的比较

1. APD/SPAD

2轴MEMS扫描镜+ SPAD图像传感器在混合固态LiDAR中的应用

APD的工作模式分为线性模式和盖革模式两种。当APD的偏置电压低于其雪崩电压时，对入射光电子起到线性放大作用，这种工作状态称为线性模式。在线性模式下，反向电压越高，增益就越大。APD对输入的光电子进行等增益放大后形成连续电流，获得带有时间信息的激光连续回波信号。当偏置电压高于其雪崩电压时，APD增益迅速增加，此时单个光子吸收即可使探测器输出电流达到饱和，这种工作状态称为盖革模式。工作在盖革模式下的APD又被称作SPAD。

APD工作在盖革模式下，单个光子即可使其工作状态实现开、关之间的转换，形成一个陡峭的回波脉冲信号，因而具备单光子成像的能力。该种光电探测器的灵敏度极高，探测距离理论上可以非常远，三千公里都不成问题，若干年前就已在军事领域（隐形飞机、导弹系统）大有所为。因此，APD的盖革模式非常适合用在LiDAR。

APD在线性模式和盖革模式下的光子探测能力比较

2. MPPC

MPPC是一种俗称硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）的新型光半导体器件，根据其原理可称多像素光子计数器（Multi-Pixel Photon Counter，MPPC）。其由多个工作在盖革模式的APD阵列组成，具有高增益、高探测效率、快速响应、优良时间分辨率和宽光谱响应范围等特点。

当MPPC中的一个像素接收到一个入射光子时，就会输出一个幅度一定的脉冲。多个像素如都接收到入射光子，则每个像素都会输出一个脉冲，这几个脉冲最终会叠加在一起，由一个公共输出端输出，以此达到更大的增益。

相比APD，MPPC的增益可达到10^5~10^6，这样在理论上，可以在更短的时间内得到更长的距离信息，探测带宽也与APD不相上下。另外，拥有小而有效面积、更多像素结构的MPPC不仅具备较快的时间特性（上升时间仅1纳秒左右），还可利用它独特的光子分辨能力，将不同表面反射率的物体识别出来，从而达到测距同时分辨物体表面特性的目的。从这些性能上来看，MPPC非常适合脉冲测距法的应用，是自动驾驶上一维激光雷达的理想“小伙伴”。

滨松于今年正式发布了最新的近红外MPPC研制成果，推出了红外增强型MPPC S13720系列。其在905纳米处具有较高的探测效率，响应速度快，工作温度范围宽，适合各种场合下的激光雷达应用，尤其是使用ToF测距法的长距离测量。

滨松推出的红外增强型MPPC（硅光电倍增管）S13720系列

3. PIN光电二极管

硅PIN光电二极管成本低，且不易受周围环境光的干扰，但相比APD/SPAD和MPPC，探测距离较短。硅PIN光电二极管的上升和下降时间非常短（通常为10纳秒或更短），因此非常适合于接收25纳秒数量级的光脉冲。此外，硅PIN光电二极管表现出非常高的线性度，甚至在强光条件下都可以检测到非常小的信号。硅PIN光电二极管可形成一维或二维阵列，可以集成于速度快、无运动部件的2D或3D传感器，从而对物体的存在、位置和速度提供快速且准确的信息。

混合固态LiDAR的企业和研究机构梳理

（1）LeddarTech

LeddarTech公司总部位于加拿大，专注于为自动驾驶汽车和驾驶辅助系统开发自己的LiDAR技术。集成在汽车前大灯中的LeddarTech混合固态LiDAR，视场角60° x 20°，探测距离300米（汽车）、200米（行人）。激光光源通过MEMS扫描镜发射后形成行面阵，对前方物体和路面进行扫描，具有高“距离/功率”比、在能见度较低的情况下完成对目标的探测以及分辨多个目标的能力。

LeddarTech混合固态LiDAR结构示意图

（2）Pioneer

日本著名企业先锋集团（Pioneer），从影碟机技术积累转战LiDAR，从车载娱乐影音、导航延伸到自动驾驶。先锋正在开发一款高性能、紧凑、低成本的3D LiDAR传感器。3D LiDAR采用MEMS扫描镜，具有小孔径透镜的特征，并通过优化光学设计，可以被投入到实际的车载应用中。先锋将向汽车制造商、ICT（信息、通信、技术）相关企业以及日本和海外一些公司提供3D LiDAR样品，预计在2020年投入量产。

先锋近期发布的使用MEMS扫描镜的3D LiDAR

（3）Cepton

Cepton成立于2016年，总部设在美国硅谷，由四位来自斯坦福大学背景、并有丰富经验的半导体行业老兵创立。Cepton的技术比较特殊，团队成员称其技术与MEMS扫描镜是最相近的，但又不是MEMS扫描镜，而是采用Micro-motion（微动原理），并且自己开发了微动器件。这家公司比较神秘，相关的专利还未到公开的时间（专利申请后需18个月才公开）。不过麦姆斯咨询认为Cepton虽然未使用MEMS扫描镜，但仍然采用微动技术的半导体芯片，依然属于混合固态LiDAR大军。究其具体技术，或许明年我们就可以揭开神秘的面纱。

Cepton HR系列LiDAR产品

（4）Draper

Draper是一家美国非盈利性研发组织，总部位于美国马萨诸塞州的剑桥，其官方名为“The Charles Stark Draper Laboratory， Inc”。该研究组织专长于设计、开发并应用先进技术解决方案，以解决国家安全、太空探索、健康医疗和能源领域的各种问题。其正在开发的一款混合固态LiDAR传感器采用MEMS扫描镜技术，预计在规模量产后，成本仅需50美元。这款LiDAR传感器将具有300米的探测距离，角分辨率小于0.1度，扫描速率为20帧/秒。

（5）Spectrolab

Spectrolab是波音公司的全资子公司，是航天器动力系统太阳能电池的全球领先供应商。其推出的MLS 201采用MEMS扫描镜，1550纳米短波红外激光，探测距离为20米，适合室内外物体的探测。

Spectrolab推出的MEMS LiDAR

目前看来，混合固态LiDAR系统研发方面，国外企业已经具有领先优势。而国内企业如速腾聚创、镭神智能、禾赛科技等则处于蓄势待发的状态。