【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。

   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模生產設施并將其整合到陸地和海底光纖網絡中發揮了關鍵作用。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。

在LiDAR中發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封裝和專用光學組件。

激光系統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，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的，而Analog Photonics是該領域的一個顯著參與者。該平臺與調頻連續波（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。他們的方法是創新的，使用低成本、現成的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，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的、Q開關、高峰值功率、固態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數組來實現無可動部件的固態LiDAR。該系統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LiDAR，采用電子掃描VCSEL和SPAD數組，針對短程應用進行了優化（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技術仍在不斷發展中。