CES2017-固态激光会转向
如果说去年消费电子展CES2016上激光扫描仪的关键词是固态化，那CES2017更加奠定了这个关键词。并且今年的激光扫描仪加入了更多的固态化技术，甚至引来了多家半导体厂商的百花争艳。我们就来就来聊一聊最新的激光扫描仪固态技术。
接下来由于激光扫描仪/激光雷达的分类比较复杂，因此引用相对权威的行业报告进行具体分析。
↑激光雷达LIDAR的分类及典型产品（来自行业报告IHS）
按照如上定义扫描激光雷达即为激光扫描仪，5个分类中有4个属于固态激光技术。下面就一个个详细看一下
1.机械扫描激光雷达Mechanical Scanning LIDAR
文中介绍的Velodyne即属于这个分类，内含机械旋转的高精度光学镜头组件。这也是其成本相对较高的原因。早期的Quanergy的产品也属于这个类型，直到其如上文提到的推出了第三代的全固态激光扫描仪产品。如下提到的Valeo/Ibeo的激光扫描仪从某种程度上实现了小型化和固态化。但它并不是全固态的。因为虽然外部看不到机械旋转部件，但是内部的光学镜头还是可以机械旋转一定角度的。不过在CES2015上伴随奥迪Autopilot无人驾驶概念车一同面市的时候还是某种程度上震惊了整个业界。
↑奥迪电子电气部工程总监介绍Audi Autopolit 概念车使用的固态激光扫描仪（来自奥迪）
↑装配与Audi Autopilot概念车前保险杠上的固态激光扫描仪（来自Valeo/Ibeo）
↑相关的固态激光扫描仪产品（来自Valeo/Ibeo）
接下来介绍的4中类型都属于固态技术Solid-State Technology
2.非扫描快闪激光雷达Non-Scanning Flash LIDAR
该产品类型有一个特点就是它并不能扫描，而是固定一定的视角。并且它大部分情况下会避免采用直接测量光线发射回波时间ToF的方法。而是多会选用间接方法，比如发射多组激光脉冲（精确控制脉冲时间），然后测量累计的回波光量。使用间接方法测量距离的成本较低，但是实时性较差。因此其成为提供低成本短距离高精度距离测量的一种解决方案。
↑大陆汽车的快闪激光雷达产品
↑沃尔沃Vovlo 60系列车型装配的快闪激光雷达实现CITY SAFETY紧急刹车AEB功能
接下来介绍的两种主要的固态扫描激光雷达（激光扫描仪）类型
3.相控阵激光雷达Phase Array LIDAR
前文提到的Quanergy的最新产品，以及MIT + DARPA的芯片都属于这一类别的产品。由于其使用到了光的衍射效应来控制光束的传播方向，因此相对实现难度还是非常大的。需要极大的半导体技术创新。
CES2016发布的来自Quanergy的“固态”激光扫描仪S3首次引入了全固态激光扫描仪的概念。简单的说，这是一款全“固态”的激光雷达，或者称光学相控阵激光扫描仪。其目标量产成本为250美元。首先如下图一所示，其满足了激光扫描仪小型化的大趋势，整个尺寸只有90mm x 60mm x 60mm。如图二的产品工作原理展示中可以看到内部机构不存在任何的机械旋转部件。所有的激光探测水平和垂直视角都是通过电子方式实现的。因此其名副其实的是全“固态”激光扫描仪产品。由于其创新的全固态概念获得了CES2017创新奖。
↑Quanergy的“固态”激光扫描仪S3
↑Quanergy激光扫描仪S3产品工作原理展示
↑Quanergy由于其创新的全固态概念获得了CES2017创新奖
除了以上对于激光扫描仪成本优化的固态化趋势，DARPA正主导继续与加州Berkeley以及麻省理工MIT进行下一代频率调制连续波FMCW 激光扫描仪芯片的开发。将进一步降低激光扫描仪的成本。
实际上美军方DARPA主导的项目小组，以加利福尼亚大学为核心已经基本完成了原型半导体芯片的开发，并且在IEEE国际电子工程师协会上发布了正式的论文。如果需要从事相关的激光传感器开发或者对激光传感器小型化感兴趣的朋友，可以搜索相关的论文进行进一步的研究。如下是论文原型芯片的示意图，用来给感兴趣的朋友一个大概的总览。下图一为原型芯片的组成示意图，包括左上角的MEMS tunable VCSEL微机械可调谐垂直腔面发射激光器作为发射源和右上角及下方的两组光敏二极管作为接收器件。下图二所示由芯片组成的闭环可控光学频率调制连续波FMCW控制电路。电路显示由三大类的器件组成。该三大类的器件分别分布在三种半导体层上。红色表示的器件为三五价III-IV半导体层。典型代表为砷化镓GaAs或者磷化铟InP半导体工艺。三五价半导体是直接能带半导体，更够发出更强的光，适合制作光学芯片。因此原型芯片的激光发射源和光敏二极管接收单元均由该类型的半导体完成。蓝色部分硅光电子层Silicon Photonics（又称SiP），是基于硅基工艺制作的光学半导体。因此耦合器Coupler和相位测量干扰仪Interferometer由该半导体层制作。黑色部分为传统硅基CMOS层，其他传统的控制单元都有该半导体层制作。下图三为具体的三种类型半导体层的分布情况。
↑原型芯片的组成示意图
↑由芯片组成的闭环可控光学频率调制连续波FMCW
↑三种类型半导体层的分布情况
神奇的是，此概念提出一年以后原型样片真的被做出来并进行了相关的测试。其产学研的扶植力度可见一斑。这也是其深厚技术积淀的一种体现。
↑由麻省理工MIT设计的FMCW激光扫描芯片
↑该芯片的内部结构介绍
↑芯片实物放大图
4.基于微机械的扫描激光雷达MEMS based Scanning LIDAR
这是一种正在兴起的激光扫描仪技术。并且已经掀起了一股行业内的收购大潮。很多具有微机械设计MEMS制造能力的半导体公司都希望加入到相关激光扫描技术的行列当中。因为该技术主要基于光的反射/折射效应，只是依托微机械技术将机械扫描的光学组件集成到芯片级别。相对实现难度降低了不少，有希望基于半导体技术迅速降低激光扫描仪成本。
这边重点提4家公司（1家德国、3家美国）。可见美国公司在其中的占比还是很高的。
a.Innoluce （Infineon英飞凌半导体）（德国）
↑英飞凌Infineon半导体宣布收购总部位于荷兰的Innoluce公司
收购以后，基于Innoluce激光雷达技术加强其在无人驾驶中优势。那么Innoluce掌握的是什么样的激光雷达技术呢？下面我们来看一下它的现有产品。它就是前面提到的基于微机械的电控光束扫描技术。
↑Innoluce的微机械光学产品系列（来自Innoluce）
↑Innoluce激光扫描芯片演示板（来自Innoluce）
↑Innoluce激光扫描芯片演示板实物照片及原理介绍
b.Lemoptix（Intel英特尔半导体）（美国）
同样是公司收购，目前Lemoptix已归属Intel集团。同样是基于芯片机的微机械镜头组，Lemoptix已经在投影仪、智能眼镜和汽车多个领域得到了应用。
↑来自Lemoptix的世界最小激光投影仪（来自Lemoptix）
↑Lemoptix的微机械镜头芯片介绍（从晶圆到芯片在应用于投影仪、手机和汽车应用，来自Lemoptix）
3.TI德州仪器半导体（美国）
TI的微机械光学芯片可以说最早得到应用，不过更多的是在电视机及投影仪上。其DLP技术的光学投影芯片目前应用到了IMAX 3D影院投影机上。目前大家享受的各种大片背后就有这种芯片的贡献。目前该技术在汽车行业的应用还主要是抬头显示HUD功能。是否会应用与激光扫描仪则有待时间检验。
↑TI DLP微机械光学芯片在投影技术中的应用（通过对三色光源的可控反射达到大荧幕投影效果，来自TI半导体）
↑TI DLP微机械光学芯片，放置于手掌心上显得芯片尺寸非常紧凑（来自TI半导体）
↑目前该DLP技术在汽车行业的应用还主要在抬头显示HUD的功能上（来自TI半导体）
4.ADI亚德诺半导体（美国）
同样是收购，ADI目前向Vescent公司购买了其液晶光导Liquid Crystal Waveguide技术。基于该项技术可以电控改变光束的传播方向，实现固态激光扫描。
↑ADI收购Vescent公司的液晶光导Liquid Crystal Waveguide技术（来自Vescent）
↑液晶光导Liquid Crystal Waveguide技术就是通过电信号控制输出光束的转向（来自Vescent）
4.其他other
目前还有很多其他的技术正在引入固态激光扫描的应用。如行业报告中提到的TriLumina公司正在开发基于垂直腔面发射激光器VCSEL技术相关的产品。而外媒报道，ADI正与TriLumina公司合作开发低成本的汽车快闪激光雷达模组。
↑外媒报道ADI正与TriLumina公司合作开发低成本的汽车快闪激光雷达模组（来自雅虎财经）
↑在CES2017演示的ADI/TriLumina合作开发低成本快闪激光雷达模组（来自ADI半导体）
综上所述，CES2017上展示了更多的激光扫描仪固态方案。固态化低成本化已经成为了激光扫描仪发展的必然之路。并且CES2017上出现了更强的信号，更多的技术和半导体厂商加入了进来，使得激光扫描仪固态方案越来越多，也越有希望进一步降低激光扫描仪的成本。从而支持无人驾驶技术的最终量产。