謝文峰 歐司朗光電半導體事業部大中華區及日本銷售副總裁
在自動駕駛技術的探索歷程中,對不同傳感器進行融合以及對光學激光系統進行集成用于環境檢測的技術已成為核心趨勢。汽車產業正經歷著技術變革和轉型。在此發展背景下，其中最熱議的話題之一就是向自動駕駛技術方向發展。汽車制造商或系統供應商能否在市場上長期站穩腳跟可能將成為決定性的標準。因此，這對于制造商而言不僅意味著挑戰，同時也為適應未來發展創造自我定位的機會。目前存在兩種不同的形勢或策略。
一方面，傳統汽車制造商不斷將駕駛輔助系統的功能逐步擴展為半自動駕駛技術。這一趨勢已充分考慮大眾市場的市場條件。在大眾市場可迎合全自動駕駛的最終擴展階段之前，肯定還需要經過幾年的市場發展時間。因為在公共道路上投入使用之前，除了必須獲得必要的認證之外，還必須充分考慮法律形勢以及公眾的接受程度。德國信息技術、電信和新媒體協會 (Bitkom) 的一項研究表明：雖然公眾對自動駕駛汽車充滿期待，但仍有超過 70% 以上的受訪者對安全問題有所顧慮。 在自動駕駛技術的探索歷程中,對不同傳感器進行融合以及對光學激光系統進行集成用于環境檢測的技術已成為核心趨勢。
在中國，自動駕駛的利好已經來臨，3月9日，中國工信部官網公示了《汽車駕駛自動化分級》推薦性國家標準報批稿，擬于2021年1月1日開始實施。此版分級標準基于駕駛自動化系統能夠執行動態駕駛任務的程度，根據在執行動態駕駛任務中的角色分配以及有無設計運行條件限制，將駕駛自動化分成 0～5 級。業內認為，對于自動駕駛技術的發展和大規模應用落地而言，國家標準的出臺是關鍵的前置條件，明確的分級標準將有助于促進各類自動駕駛汽車的量產與落地進程。
要實現L4，必須有激光雷達、高精度地圖、環境感知等一系列技術的介入，復雜程度要比L3級高很多。依靠高精度、高可靠性的探測能力，激光雷達基本上被認為是L3～L5級自動駕駛汽車必需的核心傳感器。
根據MarketsandMarkets預計，自動駕駛等所用激光雷達市場規模預計將從2019年的8.44億美元增長到2024年的22.73億美元，2019年-2024年的復合年增長率為18.5%。面對如此誘人的巨大蛋糕，各路激光雷達大廠的目標與野心已顯示無疑：開發可應用于L3/L4的激光雷達，并追求更高的可靠性與安全性，盡快先手搶占市場。
傳感器融合實現必要的安全性
ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) 為復雜的駕駛輔助系統。該系統中有許多必須相互作用的模塊功能。目前，關于哪些系統中的哪些組件可用于實現自動駕駛技術方面正作出突破性的決定。例如自動駕駛需要對其周圍環境構造出全面的 3D 視圖，因此算法系統才可確定汽車的下一步動作。對周圍環境構造視圖時，攝像系統、雷達和 LiDAR（光探測和測距）是最核心的傳感器技術。目前通常將 LiDAR 系統視為攝像系統或雷達系統的競爭解決方案。如今，幾乎所有的專家和制造商都一致認為，不應該用“非此即彼”的觀念使用這些不同的系統，而是應該“兼而有之”。因為只有將 LiDAR 系統、雷達系統和攝像系統進行傳感器融合時，才可實現全自動駕駛的基本安全性。
其中的每項技術在不同的駕駛情況中均各有優劣。這些系統的協調性越好，越能提高車輛在交通情況中的安全性。通過結合以上所使用三種技術的優勢，即使在 250 米的距離中，自動駕駛車輛也能可靠地檢測到行人，并判斷橫穿馬路的物體是物體或者行人。從而以最佳的方式逐步組合各個系統，用于最大化地實現全面的功能并提高安全性。
LiDAR 技術正成為發展趨勢
使用 LiDAR 技術可最佳彌補其他兩項技術的優勢，用于提高駕駛輔助系統的可靠性并從整體上優化自動駕駛。市場已意識到這一發展趨勢，這不僅體現在近期傳感器制造商收購 LiDAR 技術的策略，同時也體現在目前諸如“LiDAR 成為 2019 年的汽車和工業應用”等。根據Marketandmarket 報告，配備先進駕駛輔助系統(ADAS)的高檔車數量每年都在增加。市場預測，預計至 2030 年，ADAS 汽車中的 LiDAR 技術的市場價值將提高至 110 億美元。
與雷達傳感器相比，LiDAR 系統更具突出優勢，可遠距離實時生成高分辨率的 3D 視圖信息。現代化系統會產生數以萬計的數據點。相比于高分辨率的攝像系統，三維“視圖”和可直接測量與物體的間距功能也具有決定性的優勢。因此安防系統利用 LiDAR 技術來檢測影子與空間物體之間的差異。LiDAR 在黑暗的使用環境中也具有突出優勢，即使在逆光條件下仍可提供有用的數據。
自動反應的駕駛汽車不僅要可靠地探測前方的開闊“視線”（即最大距離為 250 m 的“遠距離 LiDAR”），同時還必須可靠地檢測出汽車的周圍環境。這種所謂的短距離或中距離 LiDAR（最大距離約 90 m）可滿足傳統的交通狀況，例如高速公路或城市交通中的超車操作。
五大技術領域的探索和成果
進一步開發輔助系統和使用 LiDAR 技術過程中的最大挑戰在于，目前眾多制造商正在測試的概念和系統架構組成具有多樣性。例如可將 LiDAR 集成在車前燈中或作為緊裝式模塊嵌入散熱器格柵后側。
在實現標準化并使得 LiDAR 技術適用于大眾市場之前，技術供應商必須為每個可能的組合提供合適的組件。
除了這一挑戰之外，近幾年也已在 LiDAR 的一般技術性能方面取得顯著進展。
提高性能和射程：
由于真實駕駛環境十分復雜，例如高速公路與城市道路的不同場景，或者車型大小不同會造成制動距離不同，往往要求傳感器必須能覆蓋短距至中長距離。例如，目前國內外用于自動駕駛的激光雷達探測距離規格大多是200米，在雨雪、霧霾等天氣條件下，探測距離會衰減為數十米。此外，針對干線運輸的自動駕駛卡車，激光雷達的探測距離需要達到500米以上，才能給剎車距離較長的卡車以充足的決策時間，從而提高安全性、降低油耗。
另外能耗方面，若激光雷達系統的能耗降低，能提高車輛的續航能力與駕駛體驗，甚至降低運行溫度，提高激光雷達的使用壽命--對于私人車輛而言，要求即使投入運營多年后系統也能無故障運營。
大約 15 年前，歐司朗光電半導體有限公司 (Osram Opto Semiconductor) 首次推出第一款用于 LiDAR 的激光二極管。當時該產品型號在電流為 30 安培時可輸出 75 瓦的光學性能。隨著技術的不斷發展，尤其是對芯片設計和外殼的優化，在運行極限范圍內顯著提高了性能。因此也明顯優化了脈沖長度等其他參數。在如今的通道脈沖激光器 SPL S1L90A_3 A01 等產品型號中，電流為 40 安培時可達到 125 瓦的性能。不僅提高了約 30% 的效率，同時還降低了系統運行的總成本。由于低感應率和新型的 GaN （氮化鎵）場效晶體管技術，目前已可實現 2-4 ns 的短脈沖。
發射寬度和分辨率：
激光系統在每個立體角中檢測出的點越多，區分度將越精確--類似于攝像系統中的像素。最早用于制動輔助系統的激光系統已經可提前遠距離檢測前方路況。然而該系統的“像素”相對較低并且檢測范圍或立體角存在限制。
目前的 SPL DP90_3 等型號 LiDAR 激光芯片尺寸為 120 ?m 并且發射寬度更窄。這一部件在電流為 20 A 時達到 65 W 的光學性能，這不僅將成為市場銷售的獨特亮點，同時也適用于檢測汽車的周圍環境并為下游系統提供高分辨率的圖像。
部件微型化：
由于輔助系統越來越呈現復雜化，因此必須在越來越小的面積內安裝更多的部件。因此組件的微型化往往成為關注的焦點。這一點在外殼的小型化上體現得尤為明顯。
第一代標準化的 TO-metalcan 外殼直徑通常為 5.6 mm。現在通用的 SMD 外殼不僅由于表面裝配技術 (SMT) 而具有簡易組裝的優勢，而且 2mm x 2.3mm 的尺寸也更加緊湊。
.除了配備外殼的組件之外，當系統設計者追求極深的集成度時，也需要對尺寸極小的芯片也進行微型化。目前的 SPL DP90_3 型號不僅具備光束質量優化的亮點，而且由于尺寸特別緊湊而受歡迎。由于節省空間的芯片安裝面積僅為 0.3 mm x 0.6 mm，因此系統制造商可以實現極為緊湊的設計。歐司朗光電半導體有限公司 (Osram Opto Semiconductor) 是第一家為各種系統方案提供完整產品組合的制造商，多年來該公司研發出了如今通用的 905 nm 波長。
新型組件降低系統復雜性
另一項挑戰是如何將 LiDAR 組件集成在生產線中。技術開發人員正致力于為表面裝配技術提供 SMD 部件，可將該部件集成在標準生產工序中。此外，如何降低系統復雜性也是一個重要的目標，安裝用于 ADAS 的每一個組件和傳感器將提高系統的復雜性。這要取決于系統供應商想實現的集成度。系統供應商也可將芯片完全集成至系統中，以最大化實現設計靈活性。
歐司朗公司在 2019 年秋季推出了第一款用于 LiDAR 應用的 SPL S4L90A 型號的自動化 (AEC-Q102) 四通道脈沖激光器。四通道型式配備一個帶有四個發射范圍的芯片，功率為 480 瓦特時可達到最佳的光學性能。規格僅為 3.35 mm x 2.45 mm x 0.65 mm 部件在應用中可實現全面的檢測范圍，尺寸與單通道型式的產品 (2.0 mm x 2.3 mm x 0.65 mm) 差別不大。另一個優勢在于，即使在高電流中也可簡單地將熱能從部件中傳導出。特制的 SMT 外殼顯著簡化了系統開發人員對高性能激光器的系統集成。
邊緣和表面發射器
邊緣發射激光器 (EEL) 二極管通過較小的發射面在較小的空間內提供較大的光量，因此在功率、射程和較小的外形尺寸上都具備優勢。特別是在 LiDAR 應用方面，EEL 技術已日趨完善。多年來，經過不斷的改進滿足了汽車行業的高要求。然而，另一種照明技術也隨著 LiDAR 的發展而被應用：垂直腔面發射激光器 (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，簡稱：VCSEL。該激光器結合了兩種照明技術的特性--高功率密度和紅外 LED（IRED）的簡單封裝特點，光譜寬度和速度卻與激光相同。雖然 VCSEL 技術所需的封裝空間比 EEL 發射器稍大，但 VCSEL 技術在特殊領域應用中可能具有潛在優勢。其中的突出優勢在于其在溫度升高時的波長穩定性。目前 VCSEL 技術已經率先在工業應用、機器人技術和物流汽車等領域得到了應用。雖然該技術還未獲得汽車應用的認證，但這將是下一個必然目標。與雷達、攝像系統或 LiDAR 技術相同，EEL 和 VCSEL 不應該被看作是相互競爭的技術，而應將其視為優勢互補的組合，以提高道路駕駛安全性。然而，特別是在性能方面必須進一步發展 VCSEL 技術領域，以滿足 LiDAR 系統制造商的期望。
歐司朗公司除了提供用于邊緣發射激光器的全面產品組合之外，還致力于在 VCSEL 的基礎上研發新型解決方案。對此類組件的技術特性進行優化時，將重點放在性能、效率、穩定性、緊湊性以及簡化集成安裝方面。歐司朗公司最新研發的產品包括 10-W-VCSEL 芯片，幫助 3D 傳感器領域的客戶實現更高性能和更優效率。該公司在 2020 年 2 月的 Photonics West 美國西部光電展展會上展出了波長為 940 nm 的芯片。單芯片的設計使得整體尺寸更小并且成本更低。該芯片是地圖繪制、無人駕駛交通系統和移動機器人等工業應用的理想選擇。
結語
目前 LiDAR 市場的主要參與者都在對未來的業務發展方向進行基本考慮。根據這些評估結果，相應的行業調整將對新應用的推廣速度和范圍產生巨大影響。第二個決定性因素為終端客戶對汽車行業新推出的創新產品的接受程度。
而在這之前，組件開發者的創新成就一方面在于為所有可能的應用提供解決方案，另一方面在于將模塊設計為大眾市場可接受的尺寸和成本效益。像歐司朗這樣在汽車和工業化領域具備相關經驗的供應商具有決定性的優勢，因為汽車行業對質量和堅固性的要求非常高。雖然可定期維護和校準 Robotaxi 車型系列，但對于私人系列生產的車輛而言，即使投入運營多年后系統也仍需無故障運行。到目前為止，只有少數供應商能保證這一點。歐司朗光電半導體有限公司 (Osram Opto Semiconductor) 已投入使用一千萬個用于 LiDAR 的芯片并且不存在任何故障。未來可能在系統設計上為客戶帶來性能方面的進一步飛躍和簡化。
【作者介紹】
謝文峰 (Alvin Tse）
歐司朗光電半導體事業部大中華區及日本銷售副總裁
謝文峰先生于2020年7月加入歐司朗，任歐司朗光電半導體事業部大中華區及日本銷售副總裁，負責制定與執行中國大陸、香港、臺灣地區及日本的銷售戰略及計劃，管理區域內重大銷售項目、市場活動、商務拓展及銷路管理。
謝文峰先生是LED行業資深人士，擁有25年以上亞太區產品開發、銷售及市場推廣的經歷，涉及領域包括傳統照明、固態照明及LED元器件。另外，他還為固態照明、移動閃存、電視及顯示屏背光、汽車等領域提供LED解決方案并擔任執行管理人員。
