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大部分人都將激光雷達(dá)與純視覺對立起來，實際上Flash固態(tài)激光雷達(dá)可以視為純視覺的一種，它還有另外一個名字，就是3D 相機(jī)，只不過相對傳統(tǒng)攝像機(jī)，它的像素過于稀疏了。激光雷達(dá)也可以是純視覺系統(tǒng)中傳感器的一員，F(xiàn)lash激光雷達(dá)一般是全局快門型，與傳統(tǒng)攝像頭的區(qū)別是，它主動發(fā)射激光，接收反射回來的光，可以用TDC得到點云，也可以根據(jù)光強(qiáng)得到強(qiáng)度信息即灰度圖像，也可以是帶深度信息的3D圖像。
來源：靈明光子
比如光鑒科技的3D相機(jī)，使用靈明光子的SPAD。
圖片來源：靈明光子
它可以輸出四種模式，Range就是激光雷達(dá)點云、灰度模式（近似傳統(tǒng)相機(jī)）、ECHO和直方圖，這種嚴(yán)格叫DTOF相機(jī)，最大特色是精度不隨距離而變化。
傳統(tǒng)攝像頭接收自然光線到達(dá)物體反射回來的光線，光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電流再調(diào)制為電壓信號，再用ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字灰度圖像，用插值獲得色彩，二者本質(zhì)上并無區(qū)別，只不過一個包含了深度信息，一個只有2D信息。
圖片來源：速騰聚創(chuàng)
速騰聚創(chuàng)的Flash激光雷達(dá)E1，置于車側(cè)，與角毫米波雷達(dá)競爭，體積和傳統(tǒng)雙目攝像頭差不多，外觀也差不多，如果不是業(yè)內(nèi)人士，在大眾看來就是個攝像頭。它是全芯片設(shè)計，完全無轉(zhuǎn)動機(jī)械，絕對純固態(tài)。
圖片來源：速騰聚創(chuàng)
相比毫米波雷達(dá)，F(xiàn)lash激光雷達(dá)好處是垂直FOV比毫米波雷達(dá)略高，毫米波雷達(dá)探測一般是75°，但價格還是比毫米波雷達(dá)高，因此市場還沒打開。
Flash激光雷達(dá)最大缺點是有效距離太近，無法做遠(yuǎn)距離應(yīng)用，不過近來VCSEL技術(shù)持續(xù)演進(jìn)，這個缺點有望在2-3年內(nèi)克服，屆時我們將看到幾乎和攝像頭完全一樣的激光雷達(dá)，當(dāng)然也可稱之為3D攝像頭。馬斯克的SpaceX就使用大功率激光雷達(dá)（3D相機(jī)）為飛船降落火星或其他行星表面時提供3D圖像，有效距離有幾十公里。
圖片來源：歐司朗
Flash激光雷達(dá)非常簡單，分激光發(fā)射陣列和接受陣列兩部分，其中發(fā)射陣列主流是VCSEL，接收陣列一般是SPAD陣列，光源配合良好的情況下，SPAD陣列可以輕易做到數(shù)公里乃至幾十公里有效距離，像素數(shù)目前很低，一般是索尼的IMX459，大概10萬像素，不過佳能最高可以做到320萬像素，當(dāng)然成本太高，還無法用于汽車上。
法雷奧和華為都使用索尼的IMX459做激光雷達(dá)。
問題不在SPAD上，問題在VCSEL上，影響激光雷達(dá)探測距離的主要因素，除了探測器靈敏度，在光學(xué)透鏡大小固定的前提下，發(fā)射端的因素主要來源于激光器的功率（Power），功率密度（Power density），亮度（Brightness）。VCSEL之所以不支持遠(yuǎn)距離Flash激光雷達(dá)，一是功率不足，二是成像質(zhì)量較差，BPP值太高，即使勉強(qiáng)做了遠(yuǎn)距離，信噪比也太低，和傳統(tǒng)激光雷達(dá)比沒有優(yōu)勢。回顧歷史，第一代商用車載激光雷達(dá)比較自然的采用了當(dāng)時比較成熟的1550 fiber laser或者905 EEL等大功率激光器，因為技術(shù)成熟且天然功率高，功率密度大，亮度大。但它們各自有很難克服的缺點，比如fiber laser體積大，成本貴；EEL溫度穩(wěn)定性差，光斑是橢圓需要額外整形，可靠性風(fēng)險也較大。這些都成為限制激光雷達(dá)性能和成本的瓶頸，在今天同時卷技術(shù)和價格的時代，已經(jīng)無法滿足要求。
VCSEL在手機(jī)等消費電子產(chǎn)品成功大規(guī)模應(yīng)用后，也開始挺進(jìn)車載激光雷達(dá)應(yīng)用。其溫度穩(wěn)定性好，可靠性冗余高，光斑圓形，成本低等優(yōu)點，開始受到了主流激光雷達(dá)廠商的青睞。目前主流車載激光雷達(dá)都是用VCSEL。
2024年2月，常州縱慧芯光在Nature Communications發(fā)表了一篇文章“Antireflective vertical-cavity surface-emitting laser for LiDAR”，論文鏈接https://www.nature.com/articles/s41467-024-51975-6即增透腔面發(fā)射激光器（AR-VCSEL），這也是國內(nèi)激光領(lǐng)域商業(yè)公司在nature上首發(fā)論文，應(yīng)該也是nature上首篇有關(guān)Flash激光雷達(dá)的論文。該文提出了全新的增透腔概念，顛覆了傳統(tǒng)的面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，并在實驗上取得了巨大成功。AR-VCSEL大幅刷新了VCSEL小發(fā)散角，亮度和單模功率的世界記錄，大幅甚至數(shù)倍領(lǐng)先國際頂尖廠商性能，克服了傳統(tǒng)VCSEL亮度的不足，為VCSEL在全距離特別是遠(yuǎn)距離車載雷達(dá)中的應(yīng)用掃清了障礙。
圖片來源：常州縱慧芯光
AR-VCSEL探測距離在200米以上，國內(nèi)大部分車型搭載前向主毫米波雷達(dá)的都是博世的MRR毫米波雷達(dá)，有效距離不過175米。
圖片來源：常州縱慧芯光
AR-VCSEL是對VCSEL一維駐波電場基本結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，通過引入增透區(qū)和儲光區(qū)，突破了多年來行業(yè)默認(rèn)的VCSEL結(jié)構(gòu)，擺脫了傳統(tǒng)長腔VCSEL多縱模問題的困擾。在不增加諧振腔的總長度情況下可以大幅降低了氧化限制因子，確保了單縱模的同時大幅降低發(fā)散角，可以達(dá)到氧化孔的衍射極限。亮度實現(xiàn)數(shù)倍甚至一個數(shù)量級的增加。基于AR-VCSEL的激光雷達(dá)可以輕松突破300 m探測距離，且仍然有較大上升空間。AR-VCSEL一問世就創(chuàng)造了VCSEL領(lǐng)域多項世界紀(jì)錄，包括小發(fā)散角（4.1° in FWHM or 8.0° in D86 full angle）、高亮度（> 40 kW·mm-2sr-1）和單橫模光功率（28.4 mW）等，顯著提高了VCSEL-based LiDAR的探測距離和分辨率。
圖片來源：常州縱慧芯光
BPP是激光領(lǐng)域核心指標(biāo)，BPP定義：焦點處光束半徑和遠(yuǎn)場發(fā)散角的乘積。激光光束的光束參量乘積（BPP）是光束半徑（束腰處）與半發(fā)散角（遠(yuǎn)場）的乘積。常用單位為 mm mrad（毫米乘以毫弧度）。BPP通常用來表征激光光束的光束質(zhì)量：光束參量乘積越大，光束質(zhì)量越差。若定義非高斯光束的BPP需要重新定義光束半徑和發(fā)散角。衍射極限高斯光束能達(dá)到的最小光束參量乘積為λ?/?π。
BPP和波長無關(guān)，簡單地說，BPP值越大，意味著發(fā)散角越大，不夠聚焦。BPP值越小，發(fā)散角越小，激光質(zhì)量越高。
D是發(fā)射鏡transmitting lens的直徑，R是到目標(biāo)的距離，X是精度，值越小越好，比如你要在200米距離上，空間精度依然達(dá)到10厘米，即0.03的角分辨率，那么BPP值要低于6.25。
VCSEL發(fā)展趨勢
圖片來源：Waymo
Waymo對Flash激光雷達(dá)也頗感興趣，上圖是Waymo的預(yù)測。
圖片來源：Waymo
目前Robotaxi仍然使用傳統(tǒng)360機(jī)械激光雷達(dá)，并沒有使用目前量產(chǎn)車使用的激光雷達(dá)，因為量產(chǎn)車首先考慮成本，其次才是性能，所以光源一般都選擇VCSEL或選擇數(shù)量較少的EEL激光LD（laser diode），從圖上我們也能看出傳統(tǒng)360機(jī)械激光雷達(dá)用的EEL功率和BPP都更好，Robotaxi更在意性能而非成本，所以沒有使用VCSEL，但隨著AR-VCSEL的普及，未來Robotaxi也很大可能使用VCSEL作為光源。
圖片來源：Waymo
?BPP值太高，光束發(fā)散性強(qiáng)，不夠聚焦，表現(xiàn)之一就是出現(xiàn)強(qiáng)光污染窗口。
AR-VCSEL的出現(xiàn)，讓激光雷達(dá)領(lǐng)域可能出現(xiàn)革命性的轉(zhuǎn)變，一個是目前量產(chǎn)的L2級激光雷達(dá)性能大幅度提升，達(dá)到L4或者Robotaxi級別；另一個是讓遠(yuǎn)距離Flash激光雷達(dá)成為可能，VCSEL和SPAD都是半導(dǎo)體制造工藝，一旦量產(chǎn)，成本可以大幅度下降，100美元的高質(zhì)量激光雷達(dá)有可能問世。此外，隨著SPAD像素數(shù)的增加，激光雷達(dá)更接近攝像頭的稠密圖像特征，這讓兩者融合會更加有效率，性能可顯著提升，即便是強(qiáng)調(diào)純視覺的特斯拉也有可能使用激光雷達(dá)。
激光雷達(dá)漫長的低谷期讓國外的激光雷達(dá)廠家?guī)缀跞筷囃?，速騰聚創(chuàng)和禾賽成為激光雷達(dá)雙雄，而自動駕駛亦是如此，國外的自動駕駛研究差不多都處于停滯狀態(tài)，唯有中國還是異?；馃幔?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E5%8A%A8%E8%BD%A6/">電動車和自動駕駛都將是中國人處于霸主地位。
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