濱松:成就更好的LiDAR技術,核心光電器件該如何發展?
發布時間:2019-12-09

近年來,面向智能駕駛的激光雷達(LiDAR)十分火熱,濱松作為為數不多的能為該應用提供全套核心光電器件的廠商,經常會被問到這樣的問題:作為核心器件廠商,如何去理解LiDAR?LiDAR的核心器件該如何發展?對新探測技術的看法,如SiPM?如何看待激光雷達的各技術路線?濱松的優勢是什么,面臨的挑戰是什么?近期,濱松接受了麥姆斯咨詢的采訪,針對以上幾個問題,基于這些年在激光雷達領域的深入工作,做了較以前更加集中、詳細的解答。


受訪人:濱松激光雷達項目技術負責人 鮑澤宇;濱松激光雷達項目市場負責人 張杰


Q1 核心光電器件廠商角度,對激光雷達應用及業務的理解 激光雷達(LiDAR)是一種光學測距的應用技術。


最近幾年激光雷達伴隨著智能網聯汽車與無人駕駛應用的強勁勢頭而興起。目前,在北京、深圳、上海、長沙、武漢、廣州等地都建立了自動駕駛測試區,作為車的“眼睛”,激光雷達起到了實時發現和定位周邊物體的功能。濱松在激光測距的應用可以追溯到早期的單線防撞雷達。該雷達一般搭載在汽車前方,用于前向碰撞的規避,其內置了激光器和探測器對,實現光的高速發收。到現在我們耳熟能詳的多線激光雷達,可以說是一種升級,通過多線掃描實現了3D場景的點云探測,從而真正獲得縱深方向的高分辨率目標感知能力。


濱松在開展激光雷達業務的過程中,基本上是既有技術應用的升級,從產品經驗和可塑性來講應該是頗具優勢的。在開發市場的過程中,我們遇到的問題是,既有的團隊無法滿足爆發性的需求。從2016年開始,我們針對激光雷達的咨詢和產品的訴求就一直不斷,在2018年初到達頂峰,到目前2019年相對穩定。這其中我們通過協同日本總部,強化國內團隊,逐步找到了節奏,滿足了客戶一個又一個基于濱松器件的訴求。


整個過程中,我們感受到激光雷達行業的巨大潛力和市場前進速度的特點。尤其是在中國地區,我們在沒有傳統強勢Tier-1公司的生態環境下,BATH(阿里巴巴、騰訊、百度、華為)等公司聯合整車廠的入局起到了資源整合的決定性作用,加速了中國的激光雷達技術和自動駕駛技術的應用落地。同時,技術流派從一開始的機械旋轉式入局,到新的固態激光雷達的研發和推出,也僅僅發生在短短幾年間,對探測器和光源產品的訴求也從一開始的針對產品參數到產品的封裝、定制及車規等訴求進行轉化。我們相信,在未來的應用落地中,濱松的產品一定可以從各方面為客戶提供長期穩定的可信賴支持,濱松團隊也一直盡最大努力幫助用戶,與客戶一同成長。


Q2 濱松在激光雷達應用中的全線產品


產品主要包含了光電收發的核心元器件:


發射端:可提供21W~120W的905nm激光器、4通道車規級905nm激光器、高功率940nm VCSEL(垂直腔面發射激光器)、同時可以提供TO、陶瓷等多種自有封裝工序。


探測端:可提供PD(光電二極管)、PIN-PD(PIN光電二極管)、APD(雪崩光電二極管)、MPPC/SiPM(硅光電倍增管,濱松根據其原理,將其稱為MPPC)以及基于上述探測器的陣列化產品。此外PD、APD產品上,還可以提供InGaAs(銦鎵砷)材料的產品。針對探測器的集成化方向,目前可以提供內置TIA(跨阻放大器)、TDC(時間數字轉換器)等集成功能型器件。


光學組件: 可提供MEMS微鏡、BPF(帶通濾光片)、FAC-LENS(快軸準直透鏡)等產品。當然針對BPF和FAC-LENS,目前主要是提供定制品,考慮到成本和量產,暫時還沒有對外供應標準品的計劃。


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濱松為激光雷達提供的主要光電元器件


Q3 基于硅(Si)和銦鎵砷(InGaAs)襯底材料的探測器的差異,以及在激光雷達的應用前景


目前主要的差異是適用的光譜不同。從應用角度而言,原理上沒有太大差別。探測器是配合光源使用的,硅基探測器配合最多的是850nm、870nm、905nm、940nm等波段光源。同時作為第一代半導體,硅材料晶圓更加成熟,從成本和可獲得性來講是大范圍應用的必然選擇。相比之下,作為化合物半導體的InGaAs材料由于工藝難度、晶圓尺寸和使用場景的限制,遠沒有硅的整體成熟度高。但濱松仍然致力于InGaAs APD的性能和成本優化,配合其使用的光源在人眼安全、陽光背景噪聲等方面的優勢,在更遠距離的測量方面優勢更明顯。2018年,濱松成立了專門的“化合物材料中心”,也在紅外材料的研發上進行了大量投入。


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濱松化合物材料中心


Q4 談談新型探測器SPAD和SiPM/MPPC,以及在應用中存在的問題和解決辦法


目前,APD基于既有的多元化業務場景,目前是使用最為廣泛的光電探測器件。而SPAD和SiPM/MPPC主要是為了解決兩個問題而存在。第一個問題是增益能力。目前APD的典型增益是100倍,而在遠距離測試的時候,需大幅提高光源光強才能確保APD有信號,而SPAD或者SiPM/MPPC是工作在蓋革模式下的APD,理論上,增益可是APD的一百萬倍以上;第二個問題是大尺寸陣列的實現。SiPM/MPPC是多個SPAD的陣列形式,可通過多個SPAD獲得更高的可探測范圍以及配合陣列光源使用,更容易集成CMOS技術。


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SiPM/MPPC:多個SPAD的陣列形式


針對SiPM/MPPC,目前遇到的訴求最多的是PDE(富二代精品短视频在线_99视频精品全部 国产探測效率)的提升問題。為此,濱松制定了三步戰略:第一步:實現從7%到10%的提高,第二步從10%提高到15%,第三步從15%提高到30%。并與用戶建立緊密聯系,從實際的產品應用中,不斷完善產品性能。


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濱松MPPC產品


Q5 車載激光雷達對激光光源的要求和發展趨勢,以及濱松的布局


針對光源的要求,我們的觀點概括為以下幾點:


1、小尺寸+高輸出(高電光轉換效率)。這樣多線激光雷達功耗就會比較低,同時尺寸會隨之降低,能對角分辨率有一定的提升。當然這個方向是通用性的,合理的性價比也需要考慮;

2、高品質的光束質量。比如NFP(近場光斑)的光斑功率均勻度、出光功率的溫度穩定性以及中心波長的漂移特性,都會影響最終激光雷達產品的工作環境可靠性,濱松的激光器產品在這幾個特性上優勢明顯;

3、高封裝規格,通過AEC認證的可靠性高封裝產品。濱松已經針對車規級封裝的產品線完成了布局,針對未來的車用產品,封裝方式會和目前產品有所區別。濱松開始了針對特定產品的AEC認證工作,預計2020年會發布相關信息;

4、陣列化光源。包括線陣4ch(四通道)PLD、以及高功率面陣VCSEL產品。目前濱松已經確定將在2019年12月正式發售4ch PLD,同時會在2020年初發售高功率VCSEL;

5、高集成度和定制化。針對特殊的激光器光源陣列需要進行完全不一樣的定制化,以滿足特定的要求。由于濱松具備晶圓級全流程生產制造技術,定制化業務一直是我們的優勢所在。


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濱松陶瓷封裝的4ch PLD


Q6 對激光雷達的各技術路線的看待


濱松作為器件級別的核心供應商,并不會決定激光雷達技術路線,與其說看好哪些路線,不如說看哪些路線能更加適應自己的應用場景落地,并推動該應用場景的持續進步。機械式激光雷達雖然被詬病“貴、大、過車規難”等等,但是我們也看到當前市面上的路測均需要360°可探測范圍的事實,以及兩年來該類激光雷達價格的明顯下降。同樣,未來的多傳感器融合的概念既有激光雷達和其他方法,也有多種方法的激光雷達集成在一輛車的趨勢。


Q7 濱松光電器件在其他領域的成功,為開拓激光雷達的光電探測市場帶來的優勢,以及存在的差異和挑戰


目前濱松的APD、MPPC/SiPM在高端精密醫療診斷領域的應用十分廣泛,如PET-MR或者PET-CT設備(SiPM/MPPC)、高端血液診斷設備(APD、PD)等。我們認為,PET對單富二代精品短视频在线_99视频精品全部 国产計數的探測器能力的高要求,血液診斷裝置對APD、PD的高探測能力的和信噪比的要求,加上持續穩定的價值服務,是成功的核心原因。這些研發過程都使濱松在MPPC和APD弱光探測應用上積累了寶貴的成功經驗。而激光雷達探測遠距離的回波光是十分微弱的,在這種場景中,產品優勢不言而喻。當然,應用場景不同,對我們在近紅外探測靈敏度、性能一致性水平、車規級別的工作環境、器件集成化程度等各個方面提出了不少改良和調整的要求。這方面的應對,需要與客戶保持持續高效的聯系和溝通。


Q8 濱松的光電產品享譽世界的原因


相信每一個企業,基于其核心技術和能力,為其用戶提供滿意的產品和服務都是事業成功的重要基點。這里可以分享一個小故事:濱松在初入美國市場時,曾收到一家高精密分析儀器公司的產品訴求,但在當時,包括濱松在內,市面上并沒有合適的產品,而開發也面臨許多難點。 但通過和客戶前期密切溝通,充分理解客戶的訴求及背后緣由后,濱松在當時社長的帶領下,克服時差、語言、技術瓶頸等多重障礙,和客戶工作在一起。最終在經歷了多次試制、測試、改良環節后定型并小批量試產,最終逐步走向了批量交付。幫助客戶的產品擁有了極高探測精度和動態范圍,也獲得了巨大的商業利益。而這款產品歷久彌新,到今天,其改良款依舊活躍在高端分析儀器的市場上。


這里想表達的是,支持我們事業的基礎在于幾方面:1、高專業度,十多年來一直致力于富二代精品短视频在线_99视频精品全部 国产技術的探索;2、技術優先,堅信技術要先于應用機會,崇尚匠人般的鉆研精神;3、用戶滿意,和客戶共同工作,提供增量價值服務;4、穩定的產品品質和持續的供貨能力;5、靠譜的團隊文化。


Q9 近兩年的針對激光雷達應用的新品計劃


具體的新品將會在接下來的一系列線下活動報告中披露,這里來簡單談一下我們進入2020年的準備:


1、車規級器件。目前隨著訴求向封裝和可靠性轉換,濱松將會列舉最新封裝技術的產品給用戶;

2、高性能。針對電光效率、高靈敏度、抗串擾、高PDE等不同器件的核心參數都有一定程度的提高;

3、高穩定性。隨著批量業務的增加,很多實驗階段、小規模階段客戶向批量階段轉移過程中都會遇到各種各樣的問題,批次一致性會給客戶快速轉產提出挑戰,我們改善后的新生產技術可以在制造過程中提升產品的一致性,同時可以支持關鍵客戶的失效分析等售后服務。

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