CES2017-固態激光會轉向
如果說去年消費電子展CES2016上激光掃描儀的關鍵詞是固態化，那CES2017更加奠定了這個關鍵詞。並且今年的激光掃描儀加入了更多的固態化技術，甚至引來了多家半導體廠商的百花爭艷。我們就來就來聊一聊最新的激光掃描儀固態技術。
接下來由於激光掃描儀/激光雷達的分類比較複雜，因此引用相對權威的行業報告進行具體分析。
按照如上定義掃描激光雷達即為激光掃描儀，5個分類中有4個屬於固態激光技術。下面就一個個詳細看一下
1.機械掃描激光雷達Mechanical Scanning LIDAR
文中介紹的Velodyne即屬於這個分類，內含機械旋轉的高精度光學鏡頭組件。這也是其成本相對較高的原因。早期的Quanergy的產品也屬於這個類型，直到其如上文提到的推出了第三代的全固態激光掃描儀產品。如下提到的Valeo/Ibeo的激光掃描儀從某種程度上實現了小型化和固態化。但它並不是全固態的。因為雖然外部看不到機械旋轉部件，但是內部的光學鏡頭還是可以機械旋轉一定角度的。不過在CES2015上伴隨奧迪Autopilot無人駕駛概念車一同面市的時候還是某種程度上震驚了整個業界。
接下來介紹的4中類型都屬於固態技術Solid-State Technology
2.非掃描快閃激光雷達Non-Scanning Flash LIDAR
該產品類型有一個特點就是它並不能掃描，而是固定一定的視角。並且它大部分情況下會避免採用直接測量光線發射回波時間ToF的方法。而是多會選用間接方法，比如發射多組激光脈衝（精確控制脈衝時間），然後測量累計的回波光量。使用間接方法測量距離的成本較低，但是實時性較差。因此其成為提供低成本短距離高精度距離測量的一種解決方案。
↑大陸汽車的快閃激光雷達產品
接下來介紹的兩種主要的固態掃描激光雷達（激光掃描儀）類型
3.相控陣激光雷達Phase Array LIDAR
前文提到的Quanergy的最新產品，以及MIT + DARPA的晶元都屬於這一類別的產品。由於其使用到了光的衍射效應來控制光束的傳播方向，因此相對實現難度還是非常大的。需要極大的半導體技術創新。
CES2016發布的來自Quanergy的「固態」激光掃描儀S3首次引入了全固態激光掃描儀的概念。簡單的說，這是一款全「固態」的激光雷達，或者稱光學相控陣激光掃描儀。其目標量產成本為250美元。首先如下圖一所示，其滿足了激光掃描儀小型化的大趨勢，整個尺寸只有90mm x 60mm x 60mm。如圖二的產品工作原理展示中可以看到內部機構不存在任何的機械旋轉部件。所有的激光探測水平和垂直視角都是通過電子方式實現的。因此其名副其實的是全「固態」激光掃描儀產品。由於其創新的全固態概念獲得了CES2017創新獎
除了以上對於激光掃描儀成本優化的固態化趨勢，DARPA正主導繼續與加州Berkeley以及麻省理工MIT進行下一代頻率調製連續波FMCW 激光掃描儀晶元的開發。將進一步降低激光掃描儀的成本。
實際上美軍方DARPA主導的項目小組，以加利福尼亞大學為核心已經基本完成了原型半導體晶元的開發，並且在IEEE國際電子工程師協會上發布了正式的論文。如果需要從事相關的激光感測器開發或者對激光感測器小型化感興趣的朋友，可以搜索相關的論文進行進一步的研究。如下是論文原型晶元的示意圖，用來給感興趣的朋友一個大概的總覽。下圖一為原型晶元的組成示意圖，包括左上角的MEMS tunable VCSEL微機械可調諧垂直腔面發射激光器作為發射源和右上角及下方的兩組光敏二極體作為接收器件。下圖二所示由晶元組成的閉環可控光學頻率調製連續波FMCW控制電路。電路顯示由三大類的器件組成。該三大類的器件分別分布在三種半導體層上。紅色表示的器件為三五價III-IV半導體層。典型代表為砷化鎵GaAs或者磷化銦InP半導體工藝。三五價半導體是直接能帶半導體，更夠發出更強的光，適合製作光學晶元。因此原型晶元的激光發射源和光敏二極體接收單元均由該類型的半導體完成。藍色部分硅光電子層Silicon Photonics（又稱SiP），是基於硅基工藝製作的光學半導體。因此耦合器Coupler和相位測量干擾儀Interferometer由該半導體層製作。黑色部分為傳統硅基CMOS層，其他傳統的控制單元都有該半導體層製作。下圖三為具體的三種類型半導體層的分布情況。
神奇的是，此概念提出一年以後原型樣片真的被做出來並進行了相關的測試。其產學研的扶植力度可見一斑。這也是其深厚技術積澱的一種體現。
4.基於微機械的掃描激光雷達MEMS based Scanning LIDAR
這是一種正在興起的激光掃描儀技術。並且已經掀起了一股行業內的收購大潮。很多具有微機械設計MEMS製造能力的半導體公司都希望加入到相關激光掃描技術的行列當中。因為該技術主要基於光的反射/折射效應，只是依託微機械技術將機械掃描的光學組件集成到晶元級別。相對實現難度降低了不少，有希望基於半導體技術迅速降低激光掃描儀成本。
這邊重點提4家公司（1家德國、3家美國）。可見美國公司在其中的佔比還是很高的。
a.Innoluce （Infineon英飛凌半導體）（德國）
收購以後，基於Innoluce激光雷達技術加強其在無人駕駛中優勢。那麼Innoluce掌握的是什麼樣的激光雷達技術呢？下面我們來看一下它的現有產品。它就是前面提到的基於微機械的電控光束掃描技術。
b.Lemoptix（Intel英特爾半導體）（美國）
同樣是公司收購，目前Lemoptix已歸屬Intel集團。同樣是基於晶元機的微機械鏡頭組，Lemoptix已經在投影儀、智能眼鏡和汽車多個領域得到了應用。
3.TI德州儀器半導體（美國）
TI的微機械光學晶元可以說最早得到應用，不過更多的是在電視機及投影儀上。其DLP技術的光學投影晶元目前應用到了IMAX 3D影院投影機上。目前大家享受的各種大片背後就有這種晶元的貢獻。目前該技術在汽車行業的應用還主要是抬頭顯示HUD功能。是否會應用與激光掃描儀則有待時間檢驗。
↑TI DLP微機械光學晶元，放置於手掌心上顯得晶元尺寸非常緊湊（來自TI半導體）
4.ADI亞德諾半導體（美國）
同樣是收購，ADI目前向Vescent公司購買了其液晶光導Liquid Crystal Waveguide技術。基於該項技術可以電控改變光束的傳播方向，實現固態激光掃描。
4.其他other
目前還有很多其他的技術正在引入固態激光掃描的應用。如行業報告中提到的TriLumina公司正在開發基於垂直腔面發射激光器VCSEL技術相關的產品。而外媒報道，ADI正與TriLumina公司合作開發低成本的汽車快閃激光雷達模組。
綜上所述，CES2017上展示了更多的激光掃描儀固態方案。固態化低成本化已經成為了激光掃描儀發展的必然之路。並且CES2017上出現了更強的信號，更多的技術和半導體廠商加入了進來，使得激光掃描儀固態方案越來越多，也越有希望進一步降低激光掃描儀的成本。從而支持無人駕駛技術的最終量產。
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