揭秘激光雷达的“硬科技”,探寻新兴技术的进化方向!

秋日园景胜春色,稻花丰实赢春华,最是一年秋好处,满载收获孕新春!由麦姆斯咨询和无锡物联网创新促进中心共同主办,上海传感信息科技有限公司和华强电子网协办的《激光雷达核心技术培训课程》,于2019年10月25日至10月27日在无锡市传感网国际创新园“创星咖啡”圆满举办!

《激光雷达核心技术培训课程》师生合影留念
《激光雷达核心技术培训课程》师生合影留念

自动驾驶的浪潮带来了激光雷达(LiDAR)产业化的热潮,资本竞相追逐,技术五花八门,都让“激光雷达”登上2019年度热搜词排行榜,但真正量产的车规级激光雷达却是凤毛麟角。究竟这项新兴技术发展的难点在哪里?未来的技术路线走向何方?从技术研发到产业化还存在哪些鸿沟?为此,麦姆斯咨询特开办《激光雷达核心技术培训课程》,为您解答!本课程共邀请九位和拥有丰富产业化经验的企业高层负责人员和学术界的一线技术研究人员,为大家深入解读激光雷达核心“硬技术”,课程内容涵盖激光雷达的“光源”、“光束操纵”和“探测器”,其中包括:激光雷达技术综述,机械式激光雷达、光学相控阵(OPA)激光雷达、微机电系统(MEMS)激光雷达、面阵(Flash)激光雷达和调频连续波(FMCW)激光雷达核心技术,脉冲式激光雷达接收与发射驱动芯片,高功率边缘发射激光器(EEL)/垂直腔面发射激光器(VCSEL)与1550nm光纤激光器等光源,以及APD(雪崩光电二极管)/SPAD(单光子雪崩二极管)等光电探测器。

精准的课程设计,覆盖产业热点!专业的课程内容,直击技术痛点!

课程前半程:激光雷达热门技术竞相展现——各有优劣,针锋相对

10月25日上午,来自深圳力策科技有限公司的总经理张忠祥为大家带来了《激光雷达技术综述》和《机械式激光雷达和OPA激光雷达核心技术》。在《激光雷达技术综述》课程中,张忠祥老师以激光雷达的发展历史与技术演化开启了此次课程之旅。在简单介绍近年激光雷达的技术发展趋势后,张老师详细分析了车用激光雷达探测距离、角分辨率、视场角(FOV)、帧率等主要性能指标和所面临的挑战,并强调“传感器融合实现优势互补”才能逐步解决目前的挑战。随后,张忠祥老师为大家剖析了激光雷达的基本构架、测距和成像方式。张老师认为,从成像方式来看“机械微型化、固态化”是目前技术的发展趋势。同时,张老师又从技术要点、主要厂商、重点案例等几方面解析了MEMS和Flash激光雷达。而后,张忠祥老师又针对目前激光雷达的技术热点,如调频连续波(FMCW)激光雷达、1550nm光纤激光器、当前市场上有争议的激光雷达技术以及激光雷达串扰与人眼安全等问题,与大家分享了他的观点。

在对机械式激光雷达核心技术的讲解中,张忠祥老师首先为大家讲解了激光雷达的关键组成器件——光源和探测器。从光源特点的角度解析了机械式激光雷达对EEL、VCSEL、光纤激光、DFB激光器等光源的选择,同时分析了PD、APD和SPAD三种主流光电探测器的器件特点和探测原理。随后,张老师通过分析多家主流厂商的机械式激光雷达为学员展示了机械式激光雷达的系统设计、器件设计以及所面临的困难。在对OPA激光雷达核心技术的讲解中,张忠祥老师从OPA的基本原理入手,详细分析了该技术的优势及实现路线,然后通过分析多家主流厂商不同实现方式的OPA技术为学员们呈现出目前OPA激光雷达核心技术的全貌。课程最后,张老师总结道:“OPA方案的实用化仍需时日,但是技术的突破不会太远;OPA与Flash两种技术未来将会共存,在不同的领域获得各自应用。”张忠祥老师的课程资料内容丰富,理论重点突出,案例解析详实有趣,获得了学员的高度好评!

深圳力策科技有限公司总经理张忠祥的授课风采
深圳力策科技有限公司总经理张忠祥的授课风采

10月25日下午,《MEMS激光雷达核心技术》由西北工业大学教授、西安知微传感技术有限公司董事长乔大勇为大家讲解。乔大勇老师首先从激光雷达发射、扫描和接收三大核心器件入手,以及扫描方式和光路为重点,为大家理清了MEMS激光雷达的工作原理和系统组成,乔老师认为,“MEMS微镜本身具备两个维度的运动自由度,可以实现一维(单轴)和二维(双轴)扫描”,就是MEMS激光雷达最具特色的地方。在谈到车载MEMS激光雷达面临的困难与挑战时,乔老师介绍了目前影响车载器件的两大“规则”IATF 16949: 2016与AEC-Q二者间的相互关系和侧重点,并分析了满足车载MEMS激光雷达关键指标的困境与解决思路。乔老师通过视频生动地展现了目前国内外五大MEMS激光雷达主要供应商的产品特点。接着,乔老师利用案例与特点解析相结合的方式,为大家重点剖析了静电、电磁、压电三大同驱动方式的MEMS微镜的结构与工作原理,同时向大家说明:由于制造工艺的污染原因,目前电磁驱动的微镜最难寻找代工厂。在对MEMS微镜主要技术指标以及设计、制造、封装流程及关键技术的讲解中,乔老师为学员提供了许多有启发的建议和经验。课程最后,乔老师为学员详细解析了MEMS微镜产业链主要供应商的典型产品,为学员勾勒出一幅完整的MEMS激光雷达技术和产业全景图。乔大勇老师曾在2018年“见微知著”系列课程中被评为“最受欢迎讲师”,本次课程更是凭借着独树一帜的讲课风格和多年深耕MEMS微镜领域的研究与实战经验赢得了大批粉丝!

西北工业大学教授乔大勇的授课风采
西北工业大学教授乔大勇的授课风采

10月26日上午,首先由北醒(北京)光子科技有限公司首席执行官李远为大家带来《面阵闪光(Flash)激光雷达核心技术综述》。李远老师先从不同职业、不同角色的人对面阵Flash激光雷达的错误理解入手,为大家解释清楚“面阵Flash”的本质概念,即为一种并行探测的测角技术。随后,李远老师绘声绘色地介绍了激光雷达体系中测距、测角及其他主要参数的基本概念,为大家树立起激光雷达的整体“形象”。李远老师认为,激光雷达的大趋势就是集中发展距离测量和像素提升。接着,李远老师从“质”和“量”两个角度解读了激光雷达的进化:“质”的发展就是激光雷达在距离和高清两方面的蜕变,“并行探测”(面阵探测的本质)是高清的必要条件,因此面阵激光雷达的是未来激光雷达发展的必然方向,IC化则是其发展的必然趋势;而“量”与“成本”之间则属于相互影响的关系,量的增加和成本的降低必然是以技术创新为推动力。最后,李远老师结合自身在Flash激光雷达量产过程中遇到的多个真实案例,与大家分享了现阶段面阵探测所面临的问题和挑战:多次反射、对射干扰、大视场角等,并以自己独特的视角为大家提供了相应的解决方向。

北醒(北京)光子科技有限公司首席执行官李远的授课风采
北醒(北京)光子科技有限公司首席执行官李远的授课风采

当天上午第二节课《面阵闪光(Flash)激光雷达核心技术之“ToF图像传感器”》由上海炬佑智能科技有限公司系统解决方案部总监梅健为大家讲解。梅健老师在ToF图像传感器芯片、系统设计及解决方案设计方向具有扎实的理论基础和丰富的实战经验。课程伊始,即结合视觉技术的发展带来了3D视觉技术的爆发、三大3D视觉技术方案的对比分析,为大家呈现出激光雷达视觉技术方案的全貌。接着,梅健老师分析了CW ToF(连续波ToF)与Pulse ToF(脉冲ToF)的原理,并重点结合炬佑智能的方案讲解了Flash激光雷达所用的Pulse ToF图像传感器的成像原理。梅健老师解释道,自己是模拟芯片设计工程师出身,在做复杂的电路模拟时一定要在脑中勾勒出简化的结构分析,因此从简化结构上看,Pulse ToF属于直接测量(dTof),CW ToF属于间接测量(iToF)。接着,梅健老师分别从ToF传感器的基本构架、封装和测试详解了ToF传感器技术,并总结出ToF图像传感器具有高感光、像素结构优化、快门时间极快、低噪声及低功耗等特点。梅健老师的讲解非常全面,随后又利用应用实例为学员分析了ToF系统和ToF系统方案的构成,并坦言道:“ToF校正是目前整个系统的重大瓶颈,还需要各位研究者利用深入的跨学科知识共同解决。”

上海炬佑智能科技有限公司系统解决方案部总监梅健的授课风采
上海炬佑智能科技有限公司系统解决方案部总监梅健的授课风采

10月26日下午,由苏州镭智传感科技有限公司首席执行官梁伟讲授当天下午第一节课《FMCW激光雷达核心技术》。师从美国两院院士半导体激光器发明人Amnon Yariv的梁伟老师在国际顶尖期刊和会议中发表过多篇高影响力论文,同时拥有多项发明专利。课程开始,梁伟老师首先对调频连续波(FMCW)雷达的发展历史和工作原理做了简短的概述,分析了四种连续波和脉冲的特点与不足。接着,重点对比分析了“脉冲式激光雷达”与“FMCW激光雷达”的主要技术指标,梁伟老师相信相比于脉冲式激光雷达,FMCW激光雷达在功率、抗干扰性、测速、灵敏度、动态范围、人眼安全及硅光芯片集成等多方面均处于优势地位!随后,梁伟老师讲解了FMCW激光雷达系统由线性调频窄线宽激光源、分光干涉系统、扫描系统、平衡光电检测器探测系统和信号处理系统共同组成。梁伟老师认为,相干光源的探测受本振光增强,因此无需使用昂贵的APD,使用目前已量产的PIN即可;同时1550nm FMCW光源也比905nm脉冲光源更适于OPA相控阵。梁老师也表示,目前FMCW激光雷达尚属发展早期,技术还未成熟,这也是目前面临的最大挑战。最后,梁老师无私相授FMCW激光雷达核心元器件相关知识,以及目前主要厂商的相关器件,让大家从多角度认识了神秘的FMCW激光雷达。

苏州镭智传感科技有限公司首席执行官梁伟的授课风采
苏州镭智传感科技有限公司首席执行官梁伟的授课风采

课程后半程:激光雷达核心器件透彻解析——必不可少,统筹兼顾

10月26日下午第二节课由中山大学副教授郭建平带领大家开启了激光雷达核心元器件之旅,讲解《激光雷达核心元器件之驱动芯片:脉冲式激光雷达接收与发射驱动芯片》。郭建平老师以“自动驾驶对激光雷达的要求”为切入点,对激光雷达驱动芯片的讲解非常详尽易懂,从脉冲式激光雷达电路到系统、商用脉冲式激光雷达、再到驱动芯片的研究进展及发展趋势等,面面俱到。在脉冲式激光雷达电路和系统的讲解中,郭老师首先提纲挈领地分析了电路结构,并且告诉我们:“激光雷达电路集成化是主流,拥有体积小、成本低、性能高等优势”。随后详细而全面地介绍了激光脉冲的要求、发射电路、接收电路模拟前端、时间数字转换器(TDC)、模拟转换器和接收SoC芯片,并且针对关键器件对比分析了多家主流厂商的产品,让学员不仅学到了“是什么”,也达到了“用时该找谁”、“怎么用”的目标。接着郭老师为了让学员真正了解商用脉冲式激光雷达电路及芯片,专门自购并拆解了某家商用厂商的激光雷达,并以此为范例详细讲解,让大家真正做到“看到”、“了解”、“理解”、“消化”。郭老师课程中最吸引人的莫过于对激光雷达芯片研究情况和发展趋势的介绍,郭老师将近期的学术研究成果分门别类地整理出来,仔细分析,并据此为学员介绍了关键器件的发展趋势,真正做到有理有据!最后,郭建平老师凭借自己在中山大学的研究成果,向大家阐述了在激光雷达电路优化及创新及解决方案,为学员们在实际设计过程中提供了很多值得借鉴的启发!

中山大学副教授郭建平的授课风采
中山大学副教授郭建平的授课风采

10月27日上午,首先由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员张建伟为大家带来《激光雷达核心元器件之光源:高功率EEL/VCSEL》。张建伟老师深耕VCSEL领域数十年,在窄脉冲、高功率VCSEL激光器以及高温工作VCSEL激光器的外延结构优化及工艺制备方面有着丰富的实用经验和成果。张建伟老师首先介绍了近红外波段半导体激光光源的工作原理,通过分析受激辐射(激光器)与自发辐射(LED)的异同,从而得出相较于LED,EEL及VCSEL激光器的优势所在。接着,张老师讲解了EEL与VCSEL两种技术及对比分析,正是由于二者结构特点相异,在激光雷达中的应用也大有不同。张建伟老师认为,EEL激光器芯片凭借单芯片输出功率高的特点,目前主要应用于机械扫描式激光雷达;而VCSEL激光器在体积、成本、固态化方面优势明显,因此为固态Flash激光雷达所青睐。随后,张老师简单说明了高功率VCSEL技术应用现状,利用典型案例详解了激光雷达适用的高功率VCSEL技术和方案。而后,张建伟老师又重点讲解了高功率VCSEL激光器在台面制备、侧氧化、绝缘介质掩膜、蒸镀电极到解离封装等外延制备、芯片制造、封装工艺中的关键技术难点,为学员全面展现出VCSEL制造工艺的魅力。课程最后,张老师为学员介绍了现阶段VCSEL产业链和主要供应商,并从专利布局的角度对VCSEL市场前景做出预测:VCSEL芯片凭借独特的优势必将在未来激光雷达、手势识别、立体投影等新型智能3D传感领域占领制胜高地,并随着技术的发展成本将迅速降低。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员张建伟的授课风采
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员张建伟的授课风采

当天上午第二节课《激光雷达核心元器件之光源:1550nm光纤激光器》由长春理工大学副教授王蓟为大家讲解。多年从事光纤激光器及放大器方面的研究工作的王蓟老师在课程之初,便列举出激光雷达对现有激光器的需求,并明确表示:“现实需求对于激光器的‘高要求’都非激光器的优势,单纯的半导体光源无法满足要求,需要对半导体光源进行功率放大,而包层泵浦硅基稀土掺杂光纤则是一种能够满足大功率激光光源关键要求的颠覆性技术!”随后,王蓟老师便利用逐点击破、重点举例的方式,详细讲解了1550nm光纤激光器的工作原理:加入放大系统的关键技术、掺镱/铒镱共掺光纤放大器的特点、包层结构和材料,以及不同结构和材料的光纤激光器最终实现的性能参数。在对光纤激光器设计、制造、封装流程及关键技术的讲解中,王蓟老师结合自己多年经验,为学员剖析了实际设计中的易失误处和难点,在许多方面提出了自己的独到见解。课程的最后,王蓟老师将设计流程所涉及的1550nm与1064nm种子激光器、增益光纤、半导体光纤耦合泵浦激光器的常用供应商介绍给大家,并向学员详细介绍了各家供应商的产品特点。

长春理工大学副教授王蓟的授课风采
长春理工大学副教授王蓟的授课风采

10月27日下午,由中国科学院上海技术物理研究所副研究员程正喜为大家带来了此次培训的最后一门课程《激光雷达核心元器件之光电探测器:PIN/APD/SPAD》。常年从事硅光电探测器和光微机电系统器件研究工作的程正喜老师,拥有丰富的研发经验。程正喜老师首先从光电探测器的基础概念讲起,对比分析了PIN/APD/MPPC/SPAD,还介绍了一些如线性模式、盖革模式、单元、线列、集成式以及焦平面等常用的名词,并分类简述了线性和盖革两种模式的APD,为学员理清了光电探测器之路那些熟悉却容易混淆的“绊脚石”。程老师专门根据不同场合的要求,列出了APD、MPPC、制冷型硅光二极管的适用范围,让学员对光电探测器的应用范围了有整体框架。随后,程正喜老师从工作原理、主要参数等角度抽丝拨茧,重点分析了线性APD、SAPD和MPPC三种光电探测器,同时辅以器件的针对性解读。程老师在讲解APD/SPAD设计、制造、封装、应用中常见问题及解决方法时,更是信手拈来,游刃有余。课程最后,程老师在介绍了各类光电探测器的国内外供应商后总结道:焦平面器件是光电探测器的长久发展趋势,而核心探测器的先进程度则决定了车载激光雷达的命运和前途。

中国科学院上海技术物理研究所副研究员程正喜的授课风采
中国科学院上海技术物理研究所副研究员程正喜的授课风采

研讨,解惑专业技术;交流,碰撞思维火花;浓郁的学习氛围,架起座座人脉之桥!

整场培训中,几乎每位学员都积极投身于热烈的课堂氛围,奋笔疾书,记录感想;学员们也时常课后就某个问题,讨论地热火朝天、流连忘返;大家都不愿意“放过”与讲师交流的宝贵机会,讲师每每受到众人“围堵”。其实,在麦姆斯咨询的培训中,不仅有着高质量的讲师,学员更是卧虎藏龙,经常在课程中提出犀利的问题“刁难”讲师,讲师的回答也从不让学员失望。当然,我们坚信,学员通过此次培训一定会加成技术;但我们更希望学员在收获满满知识的同时,获得思想升级、人脉成长!

认真研讨学员们,课后仍不放松,拆解分析激光雷达
认真研讨学员们,课后仍不放松,拆解分析激光雷达

拨开层层迷雾,收获知识;穿过缕缕秋风,开阔眼界;揭开片片书页,寻觅知音!至此,麦姆斯咨询举办的《激光雷达核心技术培训课程》圆满完成!麦姆斯咨询将继续保持专业精神,为广大学员求得贤师;麦姆斯咨询将继续秉承精益求精的精神,不断开拓进取;麦姆斯咨询将持续为大家带来更多的精品课程!

推荐培训:

2019年11月15日至11月17日,麦姆斯咨询在无锡主办《运动(惯性)传感器核心技术培训课程》

2019年12月6日至12月8日,麦姆斯咨询在苏州主办《MEMS制造工艺培训课程》

欢迎来电咨询!

麦姆斯咨询
联系人:赵婷婷
电话:18021192087
E-mail:ZhaoTingting@MEMSConsulting.com

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