上海車展在即。

今年，小鵬、蔚來、極狐、R 汽車等多家汽車品牌都將帶來搭載激光雷達的自動駕駛量產(chan) 車型。

自動駕駛這件事上，中國車企這次集體(ti) 站在了特斯拉的對立麵。

特斯拉認為(wei) ，純視覺可以實現完全自動駕駛。

今天主流的中國車企，則開始量產(chan) 帶激光雷達的自動駕駛方案。

為(wei) 什麽(me) 說激光雷達是 L3 級智能駕駛必備的傳(chuan) 感器？

自動駕駛的感知任務就是去實時建立一個(ge) 準確的 3D 環境模型。

深度學習(xi) 加單目、三目視覺是無法完成這個(ge) 任務的。

單目/三目攝像頭的致命缺陷就是這類係統必須先識別才能探測得知目標的信息，目標識別（分類）和探測（Detection）是一體(ti) 無法分割的。

深度學習(xi) 算法的認知範圍來源於(yu) 數據集的廣度和豐(feng) 富性，而數據集永遠是有限的，因此深度學習(xi) 算法肯定會(hui) 出現漏檢。

如果無法識別目標，係統會(hui) 認為(wei) 前方不存在障礙物。特斯拉多次事故大多都是這個(ge) 原因。

以上，也就是說單目/三目的係統漏檢是無法避免的，因此它隻能用於(yu) L2 的係統。

L2 以上，則必須要有激光雷達，激光雷達將帶來壓倒性的安全優(you) 勢。

某種意義(yi) 上，激光雷達廠商的角色可以算是係統集成商。

傳(chuan) 統激光行業(ye) 可以提供包括激光發射與(yu) 接收部分的成熟零組件，行業(ye) 內(nei) 這些零組件都有超過 15 年的技術沉澱，像 1550 納米的激光接收二極管。

激光雷達公司們(men) 在激光二極管領域的技術沉澱最多也不會(hui) 超過 3 年，因此它們(men) 的主要工作是設計掃描器。

掃描器也可以采購現成的產(chan) 品。

如日本 Nidec 的多邊形掃描器，Mirrorcle 的 MEMS 振鏡。

一定程度上，研發激光雷達產(chan) 品的門檻沒有那麽(me) 高。

激光雷達廠家要想掌握核心技術，就是自研自產(chan) 掃描器。

1、理想與(yu) 現實的碰撞：當下激光雷達量產(chan) 的最優(you) 解

理想的激光雷達技術非Flash 莫屬。

無論從(cong) 性能、生態、成本、體(ti) 積、車規來考慮，Flash 激光雷達都是幾乎完美的。

但是目前 Flash 激光雷達的瓶頸是性能太差，這主要是 Flash 激光雷達的激光發射端是 VCSEL 陣列。

而 VCSEL 陣列的功率密度遠不能和傳(chuan) 統的激光二極管比，一旦突破這個(ge) 瓶頸，Flash 激光雷達即可橫掃市場。

但目前來看，Flash 激光雷達要實現量產(chan) 突破至少還要 5 年時間。

另一個(ge) 技術路線是矽光電的 FMCW 激光雷達，技術成熟度還低於(yu) Flash，並且即便技術成熟，價(jia) 格也要比 Flash 激光雷達要高。

FMCW 激光雷達需要昂貴的飛秒級激光發生器，調諧器工作在太赫茲(zi) 頻段，即便大規模量產(chan) ，成本也要遠高於(yu) Flash 激光雷達。

目前激光雷達掃描器可以分為(wei) 機械式與(yu) 光學式兩(liang) 大類，機械類再可分為(wei) 微機械、MEMS和 SLAM。

SLAM 比較罕見，目前市麵主要看到的產(chan) 品就是微機械和 MEMS。

微機械再可分為(wei) 四小類，分別是旋轉式（包括旋轉鏡和多邊形掃描）、電流計式（Velarray）、多棱鏡和音圈式。

MEMS 分為(wei)  MEMS 振鏡和 DMD 微鏡兩(liang) 大類。

MEMS 振鏡再可分為(wei) 壓電、電磁和靜電三大類。

2、MEMS 路線為(wei) 什麽(me) 異軍(jun) 突起？巨大的成本優(you) 勢

激光雷達的發展方向是朝 Flash 的全固態發展。

法雷奧是目前唯一有量產(chan) 客戶的激光雷達廠家，長距離車規級產(chan) 品 SCALA 采用轉鏡式設計，短距離的產(chan) 品采用 Flash。

然而，法雷奧的下一代長距離的 SCALA 卻是 MEMS 激光雷達，這是為(wei) 何？

法雷奧激光雷達發展路線圖

法雷奧是車規級轉鏡激光雷達鼻祖，也最清楚轉鏡式激光雷達的缺點，那就是成本下降空間有限。

當下法雷奧在售的 SCALA 第二代轉鏡式激光雷達，成本恐難低於(yu) 400 美元。

這裏，我們(men) 來分析一下激光雷達的成本結構。

激光雷達成本可以分為(wei)  BOM 成本、生產(chan) 成本和研發成本。

先來看 BOM 成本。

以 Velodyne 的 Puck VLP-16 16 線激光雷達為(wei) 例， 其零售價(jia) 為(wei) 3800 美元，BOM 成本大約 1000 美元。

這當中主要是激光發射二極管和激光接收二極管，16 線需要 16 個(ge) 發射，16 個(ge) 接收。

發射二極管的價(jia) 格一般是 20-25 美元，典型的如 Excelitas 的 TPGEW1S09H，905 納米，峰值光功率 70 瓦，輸入 12V，峰值電流 30A。

1550 納米激光二極管價(jia) 格大約是 905 納米矽激光二極管價(jia) 格的 3-5 倍，但其光功率很低，通常用在激光通信領域。

在激光雷達中需要選用到成本更高的 1550 納米光纖激光器才能達到瓦級光功率，合計大約 580-740 美元。

電機和外殼以及結構件大約 50 美元，電路板大約 100 美元，光學鏡頭、濾光片和保護罩等光學器件也需要 100 美金以上。

這樣的機械旋轉式激光雷達合計 BOM 成本大約 830 - 990 美元。

資料來源：techinsights

在主要的元件中，兩(liang) 個(ge) 芯片比較貴。

一個(ge) 是德州儀(yi) 器的 ADC08500，這是個(ge) 高速 ADC，高達 500MSPS，因此價(jia) 格比較昂貴，千顆以上采購規模要 30 美元一片，這是德州儀(yi) 器收購國際半導體(ti) 所帶來的產(chan) 品線。

另外一個(ge) 是英特爾收購的 Altera 的 FPGA，型號為(wei) EP3C16U256C7N，價(jia) 格大約 14美元。

資料來源：techinsights

背麵主要是三顆芯片，主數據處理芯片 Altera的FPGA，型號為(wei) EP3C25F324I7，價(jia) 格大約 22 美元。

還有兩(liang) 片存儲(chu) 器，價(jia) 格估計隻有 5 美元。

還有一些比較貴的高精度晶振，激光雷達是納秒級產(chan) 品，時鍾精度要求極高。用的元件精度普遍都要很高。

芯片及主動元件大約占 80 美元，被動元件占 15 美元，PCB 大約 5 美元。

上圖是法雷奧的 SCALA 這樣的旋轉鏡激光雷達成本結構，年產(chan) 量達十萬(wan) 級。

其 BOM 成本大約 300 美元，16 線需要增加 12 套發射與(yu) 接收，也就是大約 400 美元。

這已經是年產(chan) 量十萬(wan) 級的規模。

這個(ge) 價(jia) 格顯然有點高了。

對於(yu) MEMS 激光雷達，發射和接收激光器大幅度減少，即使做到等效上百線，有些隻有幾個(ge) 發射，接收可以用單線的 SiPM，也可以用陣列，比較靈活。

BOM 成本大幅度降低，其主要成本集中在 MEMS 振鏡上，大規模量產(chan) MEMS 振鏡可以降低到 30 到 50 美元，目前從(cong) 外采購則是 1000 美元上下。

基於(yu) 振鏡和光源不同，MEMS 激光雷達 BOM 成本目前大約 450 到 1200 美元。

對於(yu) Flash 激光雷達，沒有掃描器，高功率 VCSEL 和高性能 SPAD 都處於(yu) 萌芽階段，目前價(jia) 格都很高，萬(wan) 級像素的 Flash 激光雷達 BOM 大約 700-1000 美元左右。

未來大規模生產(chan) 可以輕鬆降低到 100 美元以下。

那麽(me) MEMS 的缺點是什麽(me) ？

缺點就是信噪比和有效距離及FOV 太窄。

因為(wei) MEMS 隻用一組發射激光和接收裝置，那麽(me) 信號光功率必定遠低於(yu) 機械激光雷達。

同時 MEMS 激光雷達接收端的收光孔徑非常小，遠低於(yu) 機械激光雷達，而光接收峰值功率與(yu) 接收器孔徑麵積成正比，這導致功率進一步下降。

這就意味著最小信號探測能力的降低，同時也意味著有效距離的縮短。

掃描係統分辨率由鏡麵尺寸與(yu) 最大偏轉角度的乘積共同決(jue) 定，鏡麵尺寸與(yu) 偏轉角度是矛盾的，鏡麵尺寸越大，偏轉角度就越小。

最後 MEMS 振鏡的成本和尺寸也是正比，目前 MEMS 振鏡最大尺寸是 Mirrorcle，可達 7.5 毫米，售價(jia) 高達1199 美元。

速騰聚創投資的希景科技開發的 MEMS 微振鏡鏡麵直徑為(wei) 5mm，已經進入量產(chan) 階段。

禾賽科技的 PandarGT 3.0 中用到的 MEMS 微振鏡則是由自研團隊提供。

英飛淩收購的 Innoluce 也能自研 MEMS 振鏡。

MEMS 振鏡主要供應商 Mirrorcle 的產(chan) 品一覽，很明顯，尺寸越大，角度越小。

3、電磁式 MEMS 振鏡：激光雷達最佳選擇

怎麽(me) 解決(jue) 或者改善這個(ge) 問題，那就是電磁振鏡。

按照驅動方式的不同，MEMS掃描鏡可以分為(wei) 靜電驅動、電磁驅動、壓電驅動和電熱驅動四種驅動方式。

電熱驅動是利用電能轉換為(wei) 熱能，再轉換為(wei) 機械能驅動，其優(you) 點是驅動力和驅動位移較大，但是響應速度較慢。

壓電驅動是利用壓電材料的壓電效應實現驅動，具有驅動力大、響應速度快等優(you) 點，但是壓電材料存在遲滯現象。

電磁驅動是利用電磁或者永磁體(ti) 實現驅動，具有較大的驅動力力和驅動位移，缺點是可能會(hui) 受到電磁幹擾。

靜電驅動是利用帶電導體(ti) 間的靜電作用力實現驅動，具有功耗低、速度快、兼容性好等優(you) 點。是目前使用廣泛的驅動方式。

靜電驅動是比較成熟的方式，上述 Mirrorcle 還有某以色列廠家都是采用靜電驅動。

靜電式 MEMS 振鏡原理圖

靜電驅動 MEMS 掃描鏡采用單晶矽製造，工藝簡單、成熟、成本低，芯片尺寸非常小，驅動功耗極低，封裝也比較簡單，屬電壓驅動型器件。

缺點是力也有點小，且是非線性的，此外存在吸合現象。

電磁式MEMS振鏡

電磁驅動的力密度大，電磁驅動 MEMS 掃描鏡也獲得廣泛的應用，其掃描角度大，可以實現線性掃描。

電磁驅動器件工藝涉及數十微米厚度的電磁線圈的製造，封裝需要配置永磁鐵，器件模塊尺寸稍大些。

該器件屬電流驅動型器件，驅動電流達數十毫安，驅動功耗較高。

器件既可工作於(yu) 諧振狀態，也可以工作於(yu) 非諧振狀態，當工作與(yu) 諧振狀態時，驅動功耗可以大幅度降低。

電磁式的缺點是工藝複雜，門檻高，成本略高，體(ti) 積略大，響應速度略慢於(yu) 靜電，響應速度這點倒不成問題.

因為(wei) 目前後端的數據處理能力有限，現在激光雷達數據處理除傳(chuan) 統算法外基本都采用了深度學習(xi) 算法，也用激光雷達識別目標，與(yu) 視覺傳(chuan) 感器融合.

不過，由於(yu) 數據量巨大，一般隻能承受 10-15Hz 的幀率，電磁式可以做到 30Hz，靜電式更高，但意義(yi) 不大。

另一個(ge) 電磁幹擾問題很容易解決(jue) ，那就是增加磁屏蔽和加大磁場密度：采用目前最強的磁體(ti) NdFeB，即釹鐵硼。

至於(yu) 退磁問題，燒結釹鐵硼的居裏溫度點是 312 攝氏度，居裏溫度越高，磁材的工作溫度也相對越高，並且溫度穩定性更好。

燒結釹鐵硼原料中加入鈷、鋱、鏑等元素可提高其居裏溫度。

EH 牌號的釹鐵硼工作溫度可達 200 攝氏度，較低的 H 牌號也可以達 120 攝氏度，足以適應車載環境。

MEMS 振鏡的可靠性一直被拿來作為(wei) 攻擊標靶，說 MEMS 振鏡像薯片一樣脆薄。

靜電式或許真有點如此，但電磁式就不同了，其體(ti) 積大，懸臂可以做的強度更高，電磁振鏡可以做到 300G 以上的抗衝(chong) 擊，遠超車規要求的 50G。

在軍(jun) 用及航天中的慣性製導係統普遍采用 MEMS 技術，能夠承受超過 500g 的過載加速度。

該應用領域時限已經超過 30 年，而技術也逐步由軍(jun) 工轉向民用，並非新技術。

相比之下，機械式激光雷達使用的旋轉電機，達到 50G 抗衝(chong) 擊也有困難。

實際在車上已經有不少 MEMS 產(chan) 品，包括陀螺儀(yi) 、加速度計、壓力傳(chuan) 感器、MEMS 矽麥克風、AR-HUD 和大燈用的 DMD 振鏡。

DMD 振鏡是德州儀(yi) 器獨家供應，即 DLP 技術，DLP 技術已經使用超過 20 年，可靠性毋容置疑。

林肯大陸和導航員使用的是德州儀(yi) 器早期 DMD 芯片 DLP3030，隻有 40 萬(wan) 像素。

奔馳 AR HUD 使用德州儀(yi) 器最新的 DMD 芯片 DLP5531（2018年下半年才量產(chan) ，所以林肯沒用上）有 130 萬(wan) 像素，FOV 為(wei) 10X5°，VID 距離為(wei) 33 英尺即 10 米，奔馳稱這相當於(yu) 77 英寸顯示器。

不僅(jin) 在 HUD 上使用了 DLP 投影，在車大燈上，奔馳還極盡奢華使用了 DLP 投影，也是 DLP5531。

使用 MEMS 微鏡的投影大燈

溫度方麵由溫度超高的 DLP 投影背書(shu) ，自然不成問題，實際 MEMS 振鏡可以看成一個(ge) 半導體(ti) 芯片。矽基半導體(ti) 的溫度範圍可輕易做到攝氏零下 40 到 125 度。

機械式激光雷達使用的旋轉電機因為(wei) 潤滑油的原因：

低溫狀態下油凝結成脂，出現難以啟動或者無法啟動的現象。

高溫狀態下，油會(hui) 揮發到鏡麵上，循環往複次數多了，會(hui) 累積成油滴幹擾光路。

這兩(liang) 個(ge) 問題在目前機械式雷達中普遍存在。法雷奧特別增加了 PTC 加熱和冷卻設施。

對傳(chuan) 統車廠來說，車規比性能重要，因此近距離選擇 Flash 激光雷達。

對新興(xing) 車廠來說，性能比車規重要，因此選擇 Luminar，而介於(yu) 兩(liang) 者之間的廠家多選擇 MEMS，如寶馬，盡管 Innoviz 諸多不順，但寶馬並未放棄 MEMS 路線。

因為(wei) 交期問題，Innoviz 不得已在初期選擇靜電振鏡，但正在轉向電磁振鏡。

綜合考慮性能、車規、成本、體(ti) 積、生態，MEMS 電磁振鏡激光雷達恐怕是這 5 年內(nei) 大多數廠家最好的選擇。