固态LiDAR，半固态混合LiDAR，机械LiDAR
固态LiDAR，半固态混合LiDAR，机械LiDAR
1. APD/SPAD
2轴MEMS扫描镜+ SPAD图像传感器在混合固态LiDAR中的应用
APD的工作模式分为线性模式和盖革模式两种。当APD的偏置电压低于其雪崩电压时，对入射光电子起到线性放大作用，这种工作状态称为线性模式。在线性模式下，反向电压越高，增益就越大。APD对输入的光电子进行等增益放大后形成连续电流，获得带有时间信息的激光连续回波信号。当偏置电压高于其雪崩电压时，APD增益迅速增加，此时单个光子吸收即可使探测器输出电流达到饱和，这种工作状态称为盖革模式。工作在盖革模式下的APD又被称作SPAD。
APD工作在盖革模式下，单个光子即可使其工作状态实现开、关之间的转换，形成一个陡峭的回波脉冲信号，因而具备单光子成像的能力。种光电探测器的灵敏度极高，探测距离理论上可以非常远，三千公里都不成问题，若干年前就已在军事领域（隐形飞机、导弹系统）大有所为。APD的盖革模式非常适合用在LiDAR。
APD在线性模式和盖革模式下的光子探测能力比较
2. MPPC
MPPC是一种俗称硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）的新型光半导体器件，根据其原理可称多像素光子计数器（Multi-Pixel Photon Counter，MPPC）。由多个工作在盖革模式的APD阵列组成，具有高增益、高探测效率、快速响应、优良时间分辨率和宽光谱响应范围等特点。
当MPPC中的一个像素接收到一个入射光子时，就会输出一个幅度一定的脉冲。多个像素如都接收到入射光子，则每个像素都会输出一个脉冲，这几个脉冲最终会叠加在一起，由一个公共输出端输出，以此达到更大的增益。
相比APD，MPPC的增益可达到10^5~10^6，这样在理论上，可以在更短的时间内得到更长的距离信息，探测带宽也与APD不相上下。另外，拥有小而有效面积、更多像素结构的MPPC不仅具备较快的时间特性（上升时间仅1纳秒左右），还可利用它独特的光子分辨能力，将不同表面反射率的物体识别出来，从而达到测距同时分辨物体表面特性的目的。从这些性能上来看，MPPC非常适合脉冲测距法的应用，自动驾驶上一维激光雷达的理想“小伙伴”。
滨松正式发布了最新的近红外MPPC研制成果，推出了红外增强型MPPC S13720系列。其在905纳米处具有较高的探测效率，响应速度快，工作温度范围宽，适合各种场合下的激光雷达应用，尤其是使用ToF测距法的长距离测量。
3. PIN光电二极管
硅PIN光电二极管成本低，且不易受周围环境光的干扰，但相比APD/SPAD和MPPC，探测距离较短。硅PIN光电二极管的上升和下降时间非常短（通常为10纳秒或更短），非常适合于接收25纳秒数量级的光脉冲。此外，硅PIN光电二极管表现出非常高的线性度，甚至在强光条件下都可以检测到非常小的信号。硅PIN光电二极管可形成一维或二维阵列，可以集成于速度快、无运动部件的2D或3D传感器，从而对物体的存在、位置和速度提供快速且准确的信息。
混合固态LiDAR的企业和研究机构梳理
（1）LeddarTech
LeddarTech公司总部位于加拿大，专注于为自动驾驶汽车和驾驶辅助系统开发自己的LiDAR技术。集成在汽车前大灯中的LeddarTech混合固态LiDAR，视场角60°x 20°，探测距离300米（汽车）、200米（行人）。激光光源通过MEMS扫描镜发射后形成行面阵，对前方物体和路面进行扫描，具有高“距离/功率”比、在能见度较低的情况下完成对目标的探测以及分辨多个目标的能力。
LeddarTech混合固态LiDAR结构示意图
（2）Pioneer
日本著名企业先锋集团（Pioneer），从影碟机技术积累转战LiDAR，从车载娱乐影音、导航延伸到自动驾驶。先锋正在开发一款高性能、紧凑、低成本的3D LiDAR传感器。3D LiDAR采用MEMS扫描镜，具有小孔径透镜的特征，并通过优化光学设计，可以被投入到实际的车载应用中。先锋将向汽车制造商、ICT（信息、通信、技术）相关企业以及日本和海外一些公司提供3D LiDAR样品，预计在2020年投入量产。
先锋发布的使用MEMS扫描镜的3D LiDAR
（3）Cepton
Cepton成立于2016年，总部设在美国硅谷，由四位来自斯坦福大学背景、并有丰富经验的半导体行业老兵创立。Cepton的技术比较特殊，团队成员称其技术与MEMS扫描镜是最相近的，但又不是MEMS扫描镜，而是采用Micro-motion（微动原理），并且自己开发了微动器件。这家公司比较神秘，相关的专利还未到公开的时间（专利申后需18个月才公开）。不过麦姆斯咨询认为Cepton虽然未使用MEMS扫描镜，但仍然采用微动技术的半导体芯片，依然属于混合固态LiDAR大军。究其具体技术，或许明年就可以揭开神秘的面纱。
Cepton HR系列LiDAR产品
（4）Draper
Draper是一家美国非盈利性研发组织，总部位于美国马萨诸塞州的剑桥，其官方名为“The Charles Stark Draper Laboratory, Inc”。研究组织专长于设计、开发并应用先进技术解决方案，以解决国家安全、太空探索、健康医疗和能源领域的各种问题。其开发的一款混合固态LiDAR传感器采用MEMS扫描镜技术，预计在规模量产后，成本仅需50美元。这款LiDAR传感器将具有300米的探测距离，角分辨率小于0.1度，扫描速率为20帧/秒。
（5）Spectrolab
Spectrolab是波音公司的全资子公司航天器动力系统太阳能电池的全球领先供应商。其推出的MLS 201采用MEMS扫描镜，1550纳米短波红外激光，探测距离为20米，适合室内外物体的探测。
Spectrolab推出的MEMS LiDAR
目前看来，混合固态LiDAR系统研发方面，国外企业已经具有领先优势。而国内企业如速腾聚创、镭神智能、禾赛科技等则处于蓄势待发的状态。
Velodyne在2000年代中期发明了现代3D（三维）LiDAR（激光雷达）扫描仪。但近年来，传统观念认为，Velodyne的设计（将64个激光器安装于一个旋转平台）很快将被新一代固态LiDAR传感器淘汰，这类固态传感器仅使用单个固定激光器进行场景扫描。一家名为Ouster的创业公司正试图挑战这一观点，正以极具竞争力的价格销售类似Velodyne的旋转式机械LiDAR。
与Ouster首席执行官Angus Pacala进行了对话，对旋转式和固态LiDAR之间的优劣权衡有着独到的专业见解，Pacala之前曾是固态LiDAR最著名的创业公司——Quanergy的联合创始人。在谈话中，Pacala拒绝了评价其前任公司。但行动胜于雄辩。可以认为，作为Quanergy的联合创始人，Pacala肯定非常了解固态LiDAR技术的优缺点。而当决定创建另一家LiDAR公司时，决定不再做固态LiDAR，这或许能说明一些问题。“固态LiDAR”实际上是一类涵盖几种非旋转式机械LiDAR设计的总称。
主要可分为三种技术方案：一种为MEMS（微机电系统）方案，采用微型MEMS扫描镜来控制激光束；另一种，采用称为光学相控阵的技术来控制激光束，而无需任何运动部件；第三种，则被称为泛光（Flash）成像LiDAR，无需光束转向，只需一次闪光即可照明整个场景，再通过类似于数码相机的二维阵列图像传感器探测返射回来的光线。Pacala此前创办的Quanergy虽然没有详细公开解释其技术细节，根据报道判断，公司主要采用的是光学相控阵方案。由于很微小或没有移动部件，所有这三种设计方案都可能带来更坚固、更经济的LiDAR传感器。
从长远来看，业内倡导将几乎所有的电子器件（包括激光器本身、光束控制电路、检测器和运算支持）都集成封装在一起。因而，未来消费类产品中的固态LiDAR很可能将不像旋转式机械LiDAR那样，必须突兀地安装在汽车顶部才能正常工作。这在理论上听起来不错，Pacala在2012年联合创立Quanergy公司时大概也是这么认为的。显然改变了想法，第二次LiDAR创业，采用了更传统的旋转式机械LiDAR方案。
旋转式机械LiDAR有其独特优势Pacala指出了传统旋转式机械LiDAR设计的几大优势。其中，最明显的优势是其360°视场。 可以在汽车顶部固定安装一个激光雷达，从而360°地感知汽车周围的情况。相比之下，固态LiDAR需要固定在某些适当的位置（例如车身前后方或四角），视场角一般在120°或以内。自动驾驶汽车采用固态LiDAR传感器，至少需要4台才能达到跟旋转式机械LiDAR一样的覆盖范围。另一个不太明显的优势是，人眼安全法规允许运动的激光源发射比固定激光源更高的功率。
据Pacala介绍，所有1级安全系统的设计必须确保人员不眨眼直视激光设备数秒钟，仍然不会受到伤害。当采用固态扫描单元时，如果人眼处于激光扫描器几英寸的地方，可能会导致100%的激光射入眼内。如果采用旋转式LiDAR传感器时，激光只集中于某个特定的方向，只有360°旋转的一小部分。旋转式LiDAR可以为每个激光脉冲提供更高的功率，而不会造成眼睛损伤。这样可以更容易地检测到返射光，在可预见的未来，旋转式LiDAR单元可能要比固态LiDAR单元具有更大的探测范围优势。
谷歌早期的自动驾驶原型车。车顶有一个巨大的旋转式LiDAR传感器，前翼子板上有个黑色的雷达（共4个），后轮上安装有“车轮编码器”，车内还有视频摄像头。这款原型车装配的各类传感器总价高达15万美元同时，大部分领先的固态LiDAR设计，都面临着“远距离探测”这个显著的挑战。MEMS系统中的微型扫描镜能投射的激光量有限。这使得远处物体反射激光束并被探测的难度很大。光学相控阵方案相对于其它技术，产生的光束发散性更大，很难兼顾长距离、高分辨率和宽视场。
而对于泛光成像LiDAR，每次发射的光线会散布在整个视场内，这意味着只有一小部分激光会投射到某些特定点。此外，光电探测器阵列中的每个像素都必须非常小，限制了它可以捕捉的反射光量。“固态LiDAR方案挑战很大，” Pacala表示。传统旋转式LiDAR技术拥有独特的优势，在接下来的十年将继续保持一定的市场地位，尤其是在高端市场。据Pacala预测，绝大部分LiDAR系统将在未来十年逐步转为固态方案，仍将会有一些具有真正高性能和高价值的旋转式机械LiDAR传感器。Pacala用硬盘市场做了一个有趣的比喻。
15年前左右，固态存储设备越来越受欢迎，特别是在移动设备中。然而，时至今日仍然有大量具有旋转磁盘的传统硬盘驱动器正在销售。这种设计提供了高容量和低成本的完美组合。Pacala预计未来的低端激光雷达设备将大多采用固态设计，就像大部分移动设备都采用固态存储一样。但对于要求最苛刻的应用（包括自动驾驶汽车），预计高端旋转LiDAR还将占据重要的市场位置，提供远距离、高分辨率和更宽广的视野。
Ouster对Velodyne带来了价格压力虽然Ouster采用了与Velodyne相同的基本技术方案，但Ouster提供了透明且激进的定价方案，这可能会让Velodyne略感头疼。
64线OS-1在展会现场的实时演示据麦姆斯咨询此前报道，Ouster目前提供了三种LiDAR型号：一款低端的16线LiDAR传感器OS-1，售价3500美元，一款64线OS-1版本，售价12000美元，以及一款探测距离更长的64线传感器OS-2，售价24000美元。
那Velodyne的产品售价如何？Velodyne的16线LiDAR“传感冰球”的售价为4000美元，这与Ouster的3500美元16线机型大致相当。福布斯报道称，Velodyne老款64线机型的售价仍然高达75000美元，仅比10年前的85000美元略有降幅。当Velodyne总裁Marta Hall被问及Velodyne的HDL-64E与64线OS-1的价格比较时，回答道：“Velodyne的HDL-64E是十年前开发的产品，自那时起，Velodyne已经做出了很多改进。将Ouster 的LiDAR产品跟Velodyne最新的128线LiDAR传感器VLS-128比较才够合理，VLS-128的批量定价将是12000美元或以下。”的确，VLS-128比Ouster的OS-1拥有更惊人的参数规格。Velodyne这款高端LiDAR单元具有更大的探测范围，比Ouster售价24000美元的OS-2更加吸引人。
拥有一台VLS-128的成本将是多少？Hall表示它目前“尚未定价销售。”当然她也没有明确表示大批量客户是否可以拿到12000美元或更低的价格。说到底，LiDAR单元的单价并不重要。所有这些LiDAR厂商的长期目标以数千甚至数百万台为单位出售这些传感器，用于消费级车辆。批量采购LiDAR的汽车制造商，肯定能从单个价格中获得很大折扣。像Ouster那样公布立即交付的具体价格有助于建立信誉。相信Velodyne将会尽一切努力在未来的某个时间点，匹配Ouster打出的12000美元价格牌。
未来要做到这一点，与能够做到这一点并不是一回事，不是吗？LiDAR创业公司Luminar首席执行官Austin Russell对于LiDAR成本问题，也表示：“对于消费级汽车来说，这类LiDAR系统的售价的确需要低至小几千美元或以下”，并承诺价格对Luminar来说不是问题。听Austin Russell的意思，Luminar的LiDAR传感器似乎还没有达到“小几千美元”的价格目标，目前实际上可能要比那个目标数字更高。
总的来说，通过与Ouster首席执行官Pacala的交流，对LiDAR成本很快能够得到大幅降低持谨慎乐观态度。不过，价格确实正在下降，正如Velodyne宣布16线产品降价50%。如果愿意接受探测范围略小、分辨率更低的LiDAR解决方案，可以找到售价几千美元甚至几百美元的LiDAR单元。
市场上最好的LiDAR单元（可能也是唯一能真正支持全自动驾驶汽车的那些LiDAR单元），仍然需要花费数万美元。值得注意的是，另一个LiDAR技术主要竞争厂商Waymo。这家Alphabet（谷歌）子公司近十年一直在研究自动驾驶汽车，已经从使用Velodyne的LiDAR系统转为采用自己生产的LiDAR技术。并且，公司仍在使用相同的传统旋转式机械LiDAR方案，但据报道，Waymo已经研究出如何将LiDAR单元的成本降低10倍。由于市场没有公开Waymo的原始成本数据，无法判断其产品的具体价格，但可以肯定的是，Waymo的LiDAR单元成本不会超过8500美元，并且有可能少于这个数字。如果不是一家像Waymo这样的公司，那自己解决这个问题可能很困难。一款产品再复杂，Velodyne在2000年代中期发明了现代3D（三维）LiDAR（激光雷达）扫描仪。但近年来，传统观念认为，Velodyne的设计（将64个激光器安装于一个旋转平台）很快将被新一代固态LiDAR传感器淘汰，这类固态传感器仅使用单个固定激光器进行场景扫描。一家名为Ouster的创业公司正试图挑战这一观点，正以极具竞争力的价格销售类似Velodyne的旋转式机械LiDAR。
近期，有幸与Ouster首席执行官Angus Pacala进行了对话，对旋转式和固态LiDAR之间的优劣权衡有着独到的专业见解，Pacala之前曾是固态LiDAR最著名的创业公司——Quanergy的联合创始人。在谈话中，Pacala拒绝了评价其前任公司。但行动胜于雄辩。可以认为，作为Quanergy的联合创始人，Pacala肯定非常了解固态LiDAR技术的优缺点。而当决定创建另一家LiDAR公司时，决定不再做固态LiDAR，这或许能说明一些问题。“固态LiDAR”实际上是一类涵盖几种非旋转式机械LiDAR设计的总称。
主要可分为三种技术方案：一种为MEMS（微机电系统）方案，采用微型MEMS扫描镜来控制激光束；另一种，采用称为光学相控阵的技术来控制激光束，而无需任何运动部件；第三种，则被称为泛光（Flash）成像LiDAR，无需光束转向，只需一次闪光即可照明整个场景，再通过类似于数码相机的二维阵列图像传感器探测返射回来的光线。Pacala此前创办的Quanergy虽然没有详细公开解释其技术细节，根据报道判断，公司主要采用的是光学相控阵方案。由于很微小或没有移动部件，所有这三种设计方案都可能带来更坚固、更经济的LiDAR传感器。
从长远来看，业内倡导将几乎所有的电子器件（包括激光器本身、光束控制电路、检测器和运算支持）都集成封装在一起。因而，未来消费类产品中的固态LiDAR很可能将不像旋转式机械LiDAR那样，必须突兀地安装在汽车顶部才能正常工作。这在理论上听起来不错，Pacala在2012年联合创立Quanergy公司时大概也是这么认为的。显然改变了想法，第二次LiDAR创业，采用了更传统的旋转式机械LiDAR方案。
旋转式机械LiDAR有其独特优势Pacala指出了传统旋转式机械LiDAR设计的几大优势。其中，最明显的优势是其360°视场。可以在汽车顶部固定安装一个激光雷达，从而360°地感知汽车周围的情况。相比之下，固态LiDAR需要固定在某些适当的位置（例如车身前后方或四角），视场角一般在120°或以内。自动驾驶汽车采用固态LiDAR传感器，至少需要4台才能达到跟旋转式机械LiDAR一样的覆盖范围。另一个不太明显的优势是，人眼安全法规允许运动的激光源发射比固定激光源更高的功率。
据Pacala介绍，所有1级安全系统的设计必须确保人员不眨眼直视激光设备数秒钟，仍然不会受到伤害。当采用固态扫描单元时，如果人眼处于激光扫描器几英寸的地方，可能会导致100%的激光射入眼内。如果采用旋转式LiDAR传感器时，激光只集中于某个特定的方向，只有360°旋转的一小部分。旋转式LiDAR可以为每个激光脉冲提供更高的功率，而不会造成眼睛损伤。这样可以更容易地检测到返射光，在可预见的未来，旋转式LiDAR单元可能要比固态LiDAR单元具有更大的探测范围优势。
谷歌早期的自动驾驶原型车。车顶有一个巨大的旋转式LiDAR传感器，前翼子板上有个黑色的雷达（共4个），后轮上安装有“车轮编码器”，车内还有视频摄像头。这款原型车装配的各类传感器总价高达15万美元同时，大部分领先的固态LiDAR设计，都面临着“远距离探测”这个显著的挑战。MEMS系统中的微型扫描镜能投射的激光量有限。这使得远处物体反射激光束并被探测的难度很大。光学相控阵方案相对于其它技术，产生的光束发散性更大，很难兼顾长距离、高分辨率和宽视场。
而对于泛光成像LiDAR，每次发射的光线会散布在整个视场内，这意味着只有一小部分激光会投射到某些特定点。此外，光电探测器阵列中的每个像素都必须非常小，限制了它可以捕捉的反射光量。“固态LiDAR方案挑战很大，” Pacala表示。提出，传统旋转式LiDAR技术拥有独特的优势，在接下来的十年将继续保持一定的市场地位，尤其是在高端市场。据Pacala预测，绝大部分LiDAR系统将在未来十年逐步转为固态方案，仍将会有一些具有真正高性能和高价值的旋转式机械LiDAR传感器。Pacala用硬盘市场做了一个有趣的比喻。
15年前左右，固态存储设备越来越受欢迎，特别是在移动设备中。然而，时至今日仍然有大量具有旋转磁盘的传统硬盘驱动器正在销售。这种设计提供了高容量和低成本的完美组合。Pacala预计未来的低端激光雷达设备将大多采用固态设计，就像大部分移动设备都采用固态存储一样。但对于要求最苛刻的应用（包括自动驾驶汽车），预计高端旋转LiDAR还将占据重要的市场位置，提供远距离、高分辨率和更宽广的视野。Ouster对Velodyne带来了价格压力虽然Ouster采用了与Velodyne相同的基本技术方案，但Ouster提供了透明且激进的定价方案，这可能会让Velodyne略感头疼。
64线OS-1在展会现场的实时演示据麦姆斯咨询此前报道，Ouster目前提供了三种LiDAR型号：一款低端的16线LiDAR传感器OS-1，售价3500美元，一款64线OS-1版本，售价12000美元，以及一款探测距离更长的64线传感器OS-2，售价24000美元。
那Velodyne的产品售价如何？Velodyne的16线LiDAR“传感冰球”的售价为4000美元，这与Ouster的3500美元16线机型大致相当。就在12月，福布斯报道称，Velodyne老款64线机型的售价仍然高达75000美元，仅比10年前的85000美元略有降幅。当Velodyne总裁Marta Hall被问及Velodyne的HDL-64E与64线OS-1的价格比较时，她回答道：“Velodyne的HDL-64E是十年前开发的产品，自那时起，Velodyne已经做出了很多改进。将Ouster 的LiDAR产品跟Velodyne最新的128线LiDAR传感器VLS-128比较才够合理，VLS-128的批量定价将是12000美元或以下。”的确，VLS-128比Ouster的OS-1拥有更惊人的参数规格。Velodyne这款高端LiDAR单元具有更大的探测范围，比Ouster售价24000美元的OS-2更加吸引人。
拥有一台VLS-128的成本将是多少？Hall表示它目前“尚未定价销售。”当然她也没有明确表示大批量客户是否可以拿到12000美元或更低的价格。说到底，LiDAR单元的单价并不重要。所有这些LiDAR厂商的长期目标以数千甚至数百万台为单位出售这些传感器，用于消费级车辆。批量采购LiDAR的汽车制造商，肯定能从单个价格中获得很大折扣。像Ouster那样公布立即交付的具体价格有助于建立信誉。相信Velodyne将会尽一切努力在未来的某个时间点，匹配Ouster打出的12000美元价格牌。
未来要做到这一点，与能够做到这一点并不是一回事，不是吗？LiDAR创业公司Luminar首席执行官Austin Russell对于LiDAR成本问题，也表示：“对于消费级汽车来说，这类LiDAR系统的售价的确需要低至小几千美元或以下”，并承诺价格对Luminar来说不是问题。听Austin Russell的意思，Luminar的LiDAR传感器似乎还没有达到“小几千美元”的价格目标，目前实际上可能要比那个目标数字更高。
总的来说，通过与Ouster首席执行官Pacala的交流，使对LiDAR成本很快能够得到大幅降低持谨慎乐观态度。不过，价格确实正在下降，正如Velodyne宣布16线产品降价50%。如果愿意接受探测范围略小、分辨率更低的LiDAR解决方案，可以找到售价几千美元甚至几百美元的LiDAR单元。
市场上最好的LiDAR单元（可能也是唯一能真正支持全自动驾驶汽车的那些LiDAR单元），仍然需要花费数万美元。值得注意的是，另一个LiDAR技术主要竞争厂商Waymo。这家Alphabet（谷歌）子公司近十年一直在研究自动驾驶汽车，已经从使用Velodyne的LiDAR系统转为采用自己生产的LiDAR技术。并且，公司仍在使用相同的传统旋转式机械LiDAR方案，但据报道，Waymo已经研究出如何将LiDAR单元的成本降低10倍。由于市场没有公开Waymo的原始成本数据，无法判断其产品的具体价格，但可以肯
定的是，Waymo的LiDAR单元成本不会超过8500美元，并且有可能少于这个数字。如果不是一家像Waymo这样的公司，那自己解决这个问题可能很困难。一款产品再复杂，只要产量上去了，价格自然会下降。目前，LiDAR传感器的市场需求只是未来五到十年内的一小部分，到了那时无人驾驶出租车公司将开始大举扩大车队规模。随着LiDAR生产规模的扩大，制造技术的不断改进以及规模经济所带来的影响，LiDAR传感器势必会越来越便宜。
混合固态LiDAR
2016年1月的CES消费电子展会上，Velodyne展示了“混合固态超级冰球”（Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto），由此引入了混合固态激光雷达（LiDAR）的概念。可惜的是这款LiDAR的内部结构一直未揭晓，仅仅只是机械式LiDAR的旋转部件小型化还是将板级电路ASIC化，目前不得而知。世面上对于机械式LiDAR、混合固态LiDAR和全固态LiDAR的叫法和定义不甚清晰。那么，麦姆斯咨询是如何定义的呢？
左图：32线混合固态Ultra Puck Auto，右图：16线机械式VLP-16。这款高性能32线Ultra PuckAuto和机械式VLP-16相比，外观上除了颜色略有差异以外，尺寸几乎一样（高为72毫米，底部直径为103毫米），具有体积小、重量轻的特点，可以集成在汽车后视镜的位置
在上一篇文章《LiDAR系列报道（二）：汽车LiDAR的“先行者”——机械式LiDAR》中，谈到了机械式LiDAR，了解到机械式LiDAR在工作时发射系统和接收系统会一直360度地旋转。而混合固态LiDAR工作时，单从外观上是看不到旋转的，巧妙之处是将机械旋转部件做得更加小巧并深深地隐藏在外壳之中。
本文将采用半导体“微动”器件——MEMS扫描镜（代替宏观机械式扫描器）在微观尺度上实现LiDAR发射端的激光扫描方式，定义为“混合固态”。而全固态LiDAR的定义和相关工作原理，将在下一期报道中细细道来。为什么产生“混合固态”的概念呢？MEMS扫描镜是一种硅基半导体元器件，属于固态电子元件；MEMS扫描镜并不“安分”，内部集成了“可动”的微型镜面；由此可见MEMS扫描镜兼具“固态”和“运动”两种属性，故称为“混合固态”。可以说，MEMS扫描镜是传统机械式LiDAR的革新者，引领LiDAR小型化和低成本化。
基于MEMS扫描镜的混合固态LiDAR原理图
Tips：MEMS扫描镜
传统的扫描成像LiDAR系统一般采用双摆镜、双振镜和旋转多面体反射棱镜的扫描方式，由这些具有宏观尺寸的光学元件所构成的扫描系统体积庞大而笨重。而利用MEMS技术可以直接在硅基芯片上集成体积十分精巧的微型扫描镜，并通过MEMS扫描镜来反射激光器的光线，从而实现微米级的运动扫描，那么宏观上便看不到LiDAR中的任何机械旋转部件。
MEMS扫描镜示意图：微型镜面可以转动，从而实现对激光的操控
一款MEMS扫描镜的SEM照片
MEMS扫描镜是指光学偏转角度较大（达到10°以上）的一种微镜类型，主要功能是实现激光的指向偏转、图形化扫描。MEMS扫描镜采用光学MEMS技术制造的，把微光反射镜与MEMS执行器集成在一颗半导体芯片上。MEMS扫描镜的运动方式包括平动和扭转两种机械运动。MEMS扫描镜按原理区分，主要包括四种：静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动。其中前两种技术比较成熟，应用也更广泛。
四种原理的MEMS扫描镜性能比较
目前，技术成熟且量产的MEMS扫描镜企业基本集中在中国大陆地区以外。比如被英飞凌收购的MEMS公司Innoluce、台湾OPUS、美国Mirrorcle的MEMS扫描镜采用的是静电驱动模式；而博世最新推出的全新交互式激光投影微型扫描仪BML050中的MEMS扫描镜、滨松发布的MEMS微镜S12237-03P、意法半导体与美国MicroVision公司合作生产的MEMS扫描镜，均采用电磁驱动原理。而国内如无锡微奥科技、西安知微传感、常州创微电子、上海微技术工研院等企业也是在此领域摩拳擦掌，有望成为后起之秀。
更多MEMS微镜知识，麦姆斯咨询曾经在《走进3D视觉系列（五）：且难且前行的“MEMS微镜”》中详细谈过，不妨复习一下。
探究混合固态LiDAR的革新奥秘，发现竞争优势
与机械式LiDAR相比，混合固态LiDAR具有小型化和低成本的巨大优势。
首先，来看看机械式LiDAR的结构和工作模式。发射光学系统后端藏有N组发射模块，而在接收光学后端有N组与发射模块一一对应的接收模块（下图中背面遮挡不可见）。当LiDAR开始工作时，N组发射模块和N组接收模块在电路的控制下按照一定的时间顺序轮流工作，例如，在时刻1，发射模块1工作，发射激光脉冲，同时接收模块1接收目标反射的发射模块
1发射的激光信号；在时刻2，发射模块2工作，发射激光脉冲，同时接收模块2接收目标反射的发射模块2发射的激光信号；……在时刻N，发射模块N工作，发射激光脉冲，同时接收模块N接收目标反射的发射模块N发射的激光信号。这样的结构，线束与N值对应，16线LiDAR就需要内部布置16组发射模块和接收模块，即使32线LiDAR在结构上优化（据说可以并排，每排16组，从而不增加装置高度），机械式LiDAR想把尺寸再做小的空间也不多了。
混合固态LiDAR采用MEMS扫描镜，仅需要一束激光光源，通过一面MEMS扫描镜来反射激光器的光线，两者采用微秒级的频率协同工作，通过探测器接收后达到对目标3D扫描的目的。与多组芯片组的机械式LiDAR结构相比，混合固态LiDAR采用单组MEMS扫描镜 + 单束激光光源，对体积减小的效果显而易见。
机械式LiDAR（型号：HDL-64E）与混合固态LiDAR（型号：LeddarVu）尺寸对比
从成本角度分析，16线机械式LiDAR就需要16组IC芯片组：跨阻放大器（TIA）、低噪声放大器（LNA）、比较器（Comparator）、模数转换器（ADC）等。麦姆斯咨询估算每组的芯片成本约200美元，仅16组的芯片成本就高达3200美元。Innoluce曾发布一款混合固态LiDAR设计方案，采用MEMS扫描镜，并将各种分立芯片集成设计到一套LiDAR控制芯片组，这样下来LiDAR的成本控制在200美元以内。
16线机械式LiDAR内部芯片组，16组的芯片的成本就高达3200美元
Innoluce采用MEMS扫描镜的混合固态LiDAR设计方案，成本低于200美元
除了体积和成本的巨大优势，混合固态LiDAR还有其它可圈可点的优势：首先，没有宏观的机械转动，不存在机械磨损，可靠性更高；其次，探测距离更远（150米以上），适合远距离汽车环境感知和探测；另外，采用一束激光光源而非多束，功耗更小，更能保障人眼安全。
Tips：光电探测器
光电探测器是将光脉冲转换成电信号的元器件，在LiDAR系统中充当“眼睛”的角色关键的传感器。目前主要的光电探测器有雪崩光电二极管（Avalanche PhotonDiode，简称APD）/单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode，简称SPAD）、硅光电倍增管（MPPC）和PIN光电二极管。
