【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憂。

   c. 激光效率低且對溫度敏感，需要復雜的封裝。

2. 目前的方法:

   a. 基于固態(tài)技術的無移動部件視場（FoV）方法。

   b. 使用單一激光脈沖或電子掃描數組來處理FoV。

   c. 利用半導體技術的進步來開發(fā)LiDAR。

   d. 提及特定公司及其LiDAR技術。

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。從電子產生稱為光子的光粒子是一個復雜且效率低的過程。20世紀90年代，電信革命在將半導體激光器從研究實驗室推進到大規(guī)模生產設施并將其整合到陸地和海底光纖網絡中發(fā)揮了關鍵作用。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的光學連接損失的影響。實現(xiàn)高分辨率圖像和快速幀率覆蓋廣泛視場（FoV）需要更高的半導體激光功率。這導致采用光學放大技術（使用光纖激光器）、使用大型激光數組（例如VCSELs）或在時間和空間上共享激光能量（通過掃描機構）等技術。

安全性是一個重要關注點，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。設計安全的解決方案需要笨重的系統(tǒng)封裝和專用光學組件。

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)，導致激光波長變化并進一步降低效率。常用于激光器的III-V半導體（例如GaAs或InGaAs）在較高溫度和潮濕環(huán)境中降解更快。為了應對這些問題，需要使用主動冷卻和更復雜的封裝解決方案。

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行混合集成：復雜的III-V半導體、基于硅的電子組件、玻璃纖維、大型光學組件（例如聚焦鏡頭和隔離器）、掃描機構、有效的熱管理和復雜的封裝方法。

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：

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。

VCSEL-SPAD方法得益于智能手機中ToF（飛行時間）LiDAR的進步、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）。另一種技術涉及通過稱為光學相位陣列（OPAs）和波長分散的相位調整天線的組合進行光學掃描。這是在芯片尺寸的硅光子學平臺上實現(xiàn)的，而Analog Photonics是該領域的一個顯著參與者。該平臺與調頻連續(xù)波（FMCW）相干LiDAR兼容，可同時測量距離和徑向速度，并在1,500nm波長范圍內運行。

PreAct專注于機艙內和面向道路的短程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的短程應用，如盲點避障和行人安全，至關重要。該設備的尺寸包括一個8MP RGB相機和將可見光和3D影像合并的電子組件。通過消除RGB傳感器，可以進一步減小尺寸。

TriEye的SEDAR（光譜增強檢測和測距）是一種閃光LiDAR系統(tǒng)，采用基于1.3Mp CMOS的鍺硅SWIR（短波紅外）探測器陣列和內部開發(fā)的、Q開關、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AT128長程LiDAR（使用機械掃描的HFoV）。FT120是一款全固態(tài)LiDAR，采用電子掃描VCSEL和SPAD數組，針對短程應用進行了優(yōu)化（盲點檢測、機艙內等）。該公司于2023年1月上市，目前處于休整期。這表明他們的LiDAR技術仍在不斷發(fā)展中。