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滨松:成就更好的LiDAR技术,核心光电器件该如何发展?
发布时间:2019-12-09

近年来,面向智能驾驶的激光雷达(LiDAR)十分火热,滨松作为为数不多的能为该应用提供全套核心光电器件的厂商,经常会被问到这样的问题:作为核心器件厂商,如何去理解LiDAR?LiDAR的核心器件该如何发展?对新探测技术的看法,如SiPM?如何看待激光雷达的各技术路线?滨松的优势是什么,面临的挑战是什么?近期,滨松接受了麦姆斯咨询的采访,针对以上几个问题,基于这些年在激光雷达领域的深入工作,做了较以前更加集中、详细的解答。


受访人:滨松激光雷达项目技术负责人 鲍泽宇;滨松激光雷达项目市场负责人 张杰


Q1 核心光电器件厂商角度,对激光雷达应用及业务的理解 激光雷达(LiDAR)是一种光学测距的应用技术。


最近几年激光雷达伴随着智能网联汽车与无人驾驶应用的强劲势头而兴起。目前,在北京、深圳、上海、长沙、武汉、广州等地都建立了自动驾驶测试区,作为车的“眼睛”,激光雷达起到了实时发现和定位周边物体的功能。滨松在激光测距的应用可以追溯到早期的单线防撞雷达。该雷达一般搭载在汽车前方,用于前向碰撞的规避,其内置了激光器和探测器对,实现光的高速发收。到现在我们耳熟能详的多线激光雷达,可以说是一种升级,通过多线扫描实现了3D场景的点云探测,从而真正获得纵深方向的高分辨率目标感知能力。


滨松在开展激光雷达业务的过程中,基本上是既有技术应用的升级,从产品经验和可塑性来讲应该是颇具优势的。在开发市场的过程中,我们遇到的问题是,既有的团队无法满足爆发性的需求。从2016年开始,我们针对激光雷达的咨询和产品的诉求就一直不断,在2018年初到达顶峰,到目前2019年相对稳定。这其中我们通过协同日本总部,强化国内团队,逐步找到了节奏,满足了客户一个又一个基于滨松器件的诉求。


整个过程中,我们感受到激光雷达行业的巨大潜力和市场前进速度的特点。尤其是在中国地区,我们在没有传统强势Tier-1公司的生态环境下,BATH(阿里巴巴、腾讯、百度、华为)等公司联合整车厂的入局起到了资源整合的决定性作用,加速了中国的激光雷达技术和自动驾驶技术的应用落地。同时,技术流派从一开始的机械旋转式入局,到新的固态激光雷达的研发和推出,也仅仅发生在短短几年间,对探测器和光源产品的诉求也从一开始的针对产品参数到产品的封装、定制及车规等诉求进行转化。我们相信,在未来的应用落地中,滨松的产品一定可以从各方面为客户提供长期稳定的可信赖支持,滨松团队也一直尽最大努力帮助用户,与客户一同成长。


Q2 滨松在激光雷达应用中的全线产品


产品主要包含了光电收发的核心元器件:


发射端:可提供21W~120W的905nm激光器、4通道车规级905nm激光器、高功率940nm VCSEL(垂直腔面发射激光器)、同时可以提供TO、陶瓷等多种自有封装工序。


探测端:可提供PD(光电二极管)、PIN-PD(PIN光电二极管)、APD(雪崩光电二极管)、MPPC/SiPM(硅光电倍增管,滨松根据其原理,将其称为MPPC)以及基于上述探测器的阵列化产品。此外PD、APD产品上,还可以提供InGaAs(铟镓砷)材料的产品。针对探测器的集成化方向,目前可以提供内置TIA(跨阻放大器)、TDC(时间数字转换器)等集成功能型器件。


光学组件: 可提供MEMS微镜、BPF(带通滤光片)、FAC-LENS(快轴准直透镜)等产品。当然针对BPF和FAC-LENS,目前主要是提供定制品,考虑到成本和量产,暂时还没有对外供应标准品的计划。


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滨松为激光雷达提供的主要光电元器件


Q3 基于硅(Si)和铟镓砷(InGaAs)衬底材料的探测器的差异,以及在激光雷达的应用前景


目前主要的差异是适用的光谱不同。从应用角度而言,原理上没有太大差别。探测器是配合光源使用的,硅基探测器配合最多的是850nm、870nm、905nm、940nm等波段光源。同时作为第一代半导体,硅材料晶圆更加成熟,从成本和可获得性来讲是大范围应用的必然选择。相比之下,作为化合物半导体的InGaAs材料由于工艺难度、晶圆尺寸和使用场景的限制,远没有硅的整体成熟度高。但滨松仍然致力于InGaAs APD的性能和成本优化,配合其使用的光源在人眼安全、阳光背景噪声等方面的优势,在更远距离的测量方面优势更明显。2018年,滨松成立了专门的“化合物材料中心”,也在红外材料的研发上进行了大量投入。


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滨松化合物材料中心


Q4 谈谈新型探测器SPAD和SiPM/MPPC,以及在应用中存在的问题和解决办法


目前,APD基于既有的多元化业务场景,目前是使用最为广泛的光电探测器件。而SPAD和SiPM/MPPC主要是为了解决两个问题而存在。第一个问题是增益能力。目前APD的典型增益是100倍,而在远距离测试的时候,需大幅提高光源光强才能确保APD有信号,而SPAD或者SiPM/MPPC是工作在盖革模式下的APD,理论上,增益可是APD的一百万倍以上;第二个问题是大尺寸阵列的实现。SiPM/MPPC是多个SPAD的阵列形式,可通过多个SPAD获得更高的可探测范围以及配合阵列光源使用,更容易集成CMOS技术。


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SiPM/MPPC:多个SPAD的阵列形式


针对SiPM/MPPC,目前遇到的诉求最多的是PDE(光子探测效率)的提升问题。为此,滨松制定了三步战略:第一步:实现从7%到10%的提高,第二步从10%提高到15%,第三步从15%提高到30%。并与用户建立紧密联系,从实际的产品应用中,不断完善产品性能。


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滨松MPPC产品


Q5 车载激光雷达对激光光源的要求和发展趋势,以及滨松的布局


针对光源的要求,我们的观点概括为以下几点:


1、小尺寸+高输出(高电光转换效率)。这样多线激光雷达功耗就会比较低,同时尺寸会随之降低,能对角分辨率有一定的提升。当然这个方向是通用性的,合理的性价比也需要考虑;

2、高品质的光束质量。比如NFP(近场光斑)的光斑功率均匀度、出光功率的温度稳定性以及中心波长的漂移特性,都会影响最终激光雷达产品的工作环境可靠性,滨松的激光器产品在这几个特性上优势明显;

3、高封装规格,通过AEC认证的可靠性高封装产品。滨松已经针对车规级封装的产品线完成了布局,针对未来的车用产品,封装方式会和目前产品有所区别。滨松开始了针对特定产品的AEC认证工作,预计2020年会发布相关信息;

4、阵列化光源。包括线阵4ch(四通道)PLD、以及高功率面阵VCSEL产品。目前滨松已经确定将在2019年12月正式发售4ch PLD,同时会在2020年初发售高功率VCSEL;

5、高集成度和定制化。针对特殊的激光器光源阵列需要进行完全不一样的定制化,以满足特定的要求。由于滨松具备晶圆级全流程生产制造技术,定制化业务一直是我们的优势所在。


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滨松陶瓷封装的4ch PLD


Q6 对激光雷达的各技术路线的看待


滨松作为器件级别的核心供应商,并不会决定激光雷达技术路线,与其说看好哪些路线,不如说看哪些路线能更加适应自己的应用场景落地,并推动该应用场景的持续进步。机械式激光雷达虽然被诟病“贵、大、过车规难”等等,但是我们也看到当前市面上的路测均需要360°可探测范围的事实,以及两年来该类激光雷达价格的明显下降。同样,未来的多传感器融合的概念既有激光雷达和其他方法,也有多种方法的激光雷达集成在一辆车的趋势。


Q7 滨松光电器件在其他领域的成功,为开拓激光雷达的光电探测市场带来的优势,以及存在的差异和挑战


目前滨松的APD、MPPC/SiPM在高端精密医疗诊断领域的应用十分广泛,如PET-MR或者PET-CT设备(SiPM/MPPC)、高端血液诊断设备(APD、PD)等。我们认为,PET对单光子计数的探测器能力的高要求,血液诊断装置对APD、PD的高探测能力的和信噪比的要求,加上持续稳定的价值服务,是成功的核心原因。这些研发过程都使滨松在MPPC和APD弱光探测应用上积累了宝贵的成功经验。而激光雷达探测远距离的回波光是十分微弱的,在这种场景中,产品优势不言而喻。当然,应用场景不同,对我们在近红外探测灵敏度、性能一致性水平、车规级别的工作环境、器件集成化程度等各个方面提出了不少改良和调整的要求。这方面的应对,需要与客户保持持续高效的联系和沟通。


Q8 滨松的光电产品享誉世界的原因


相信每一个企业,基于其核心技术和能力,为其用户提供满意的产品和服务都是事业成功的重要基点。这里可以分享一个小故事:滨松在初入美国市场时,曾收到一家高精密分析仪器公司的产品诉求,但在当时,包括滨松在内,市面上并没有合适的产品,而开发也面临许多难点。 但通过和客户前期密切沟通,充分理解客户的诉求及背后缘由后,滨松在当时社长的带领下,克服时差、语言、技术瓶颈等多重障碍,和客户工作在一起。最终在经历了多次试制、测试、改良环节后定型并小批量试产,最终逐步走向了批量交付。帮助客户的产品拥有了极高探测精度和动态范围,也获得了巨大的商业利益。而这款产品历久弥新,到今天,其改良款依旧活跃在高端分析仪器的市场上。


这里想表达的是,支持我们事业的基础在于几方面:1、高专业度,十多年来一直致力于光子技术的探索;2、技术优先,坚信技术要先于应用机会,崇尚匠人般的钻研精神;3、用户满意,和客户共同工作,提供增量价值服务;4、稳定的产品品质和持续的供货能力;5、靠谱的团队文化。


Q9 近两年的针对激光雷达应用的新品计划


具体的新品将会在接下来的一系列线下活动报告中披露,这里来简单谈一下我们进入2020年的准备:


1、车规级器件。目前随着诉求向封装和可靠性转换,滨松将会列举最新封装技术的产品给用户;

2、高性能。针对电光效率、高灵敏度、抗串扰、高PDE等不同器件的核心参数都有一定程度的提高;

3、高稳定性。随着批量业务的增加,很多实验阶段、小规模阶段客户向批量阶段转移过程中都会遇到各种各样的问题,批次一致性会给客户快速转产提出挑战,我们改善后的新生产技术可以在制造过程中提升产品的一致性,同时可以支持关键客户的失效分析等售后服务。

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