Flash激光雷达的五个核心问题

录

1.Flash激光雷达的原理和进展......................6

2.问题一：怎样才算是性能优异的Flash激光雷达？....8

3.问题二：发射端为什么要用VCSEL?..........................12

4.问题三：为什么Flash激光雷达要用SPAD?.............16

5.问题四：Flash激光雷达的光学系统有什么变化？………21

6.问题五：Flash激光雷达什么时候能够普及？.......23

7.Flash激光雷达产业链相关重点公司...............27

图表目录

图1：激光雷达技术路线分类...............................................6

图2:Flash激光雷达的内部结构非常简单，没有扫描模块...................6

图3:Ouster纯固态Flash激光雷达DF系列产品路线图...................7

图4:Ouster用于DF系列Flash激光雷达的SPAD芯片....................8

图5:Ouster用于OS系列机械旋转激光雷达的SPAD芯片（集成数字信号处理系统）

.......................................................................................................................8

图6:Flash激光雷达的三大性能以及影响三大性能的主要因素汇总...........9

图7:影响激光雷达探测距离的主要因素及其关系分析......................10

图8:Flash激光雷达角分辨率和视场角对激光雷达有效探测距离的影响.....11

图9:各类型激光雷达所应该选择的激光光源类型（饼图深色部分代表了合适程度）

......................................................................................................................12

图10：长光华芯激光雷达专用VCSEL芯片功率密度约1000-1200W/mm2.13

图11:欧司朗激光雷达专用EEL芯片功率密度最高可达60000W/mm2……-14

图12:提高VCSEL输出功率的三种方式分析...............................15

图13:2017-2019年全球VSCEL市场份额...............................16

图14:各类型光电探测器的特征比较......................................17

图15:增益越高，信噪比越大，光电探测器的探测效果越好................17

图16:SPAD的单位面积像素数远高于SiPM......................................18

图17:SiPM（MPPC）的光强识别能力更高，信号提取速度更快，所以时间分辨率更

高.......................................................................18

图18：不同探测器在时间分辨率、灵敏度和像素数上的差异................19

图19:从2013年至今用于激光雷达的已上市商用SPAD产品.............20

图20:Flash激光雷达的发射和接收光学系统核心元器件..................21

图21:点扫描式激光雷达收发光学系统核心元器件.........................22

图22:线扫描式激光雷达收发光学系统核心元器件.........................23

图23:滨松光子计划将SPAD/SiPM的PDE从2019年的7%在2023年提升至20%

以上......................................................................25

图24:以Ibe。长距离Flash激光雷达为基准，假设视场角不变，VCSEL和SPAD性

能提升对探测距离影响的敏感性分析........................................25

图25:Flash激光雷达BOM原材料成本拆分估算.........................26

图26:机械旋转激光雷达原材料BOM成本构成............................26

图27:Flash产线自动化程度高，成本结构接近一般汽车电子产品.........26

图28:LeddarTech的核心产品是Flash激光雷达信号处理SoC和信号处理软件

...........................................................................................................................28

图29:炬光供给大陆集团的VCSEL激光雷达面光源单价变化趋势..........30

表1：主流Flash激光雷达厂商所发布的产品性能参数.......................7

表2:EEL和VCSEL特性对比.............................................13

表3:Lumentum在2022年新发布的专用于激光雷达的VCSEL阵列详细参数14

表4:主流专用于车载激光雷达的商用SiPM性能参数......................20

表5:目前主流激光雷达专用SPAD性能参数..............................20

表6:各类型激光雷达所需要用到的核心光学组件..........................22

表7:主流前装上车的前向激光雷达产品参数..............................24

表8:炬光科技已经推出的激光雷达发射模组产品参数......................30

表9:激光雷达行业重点公司估值表.......................................

OusterDigitalLidarArchitecture25眸2lenses

VCSEL发射阵列

*Fullcustomhi(hHlk>encyvcrtiolcivilysurfaceemittinthw(VCS£U

Eige<0ee<，ME8co\$><*g

SPAD接收芯片+ASIC处理模块

■ProphetAiyac(|«photonCOum»ng(SPAD)architYur*>odproc^uin(

ComZKgHWidandcoMrolk>fk>cn4lprocewnf.occhip

memory^ndph.array

SourcedfromflobilleaderinSPADf^xkMion

光学模组

PtteotedmkroopticalsyVn2«Me$d，皿IMrptHomwwg

ord«rtofm*(n)tud«over

Ouster,申万宏源研究

大陆集团已经推出两代短距固态Flash激光雷达：短距激光雷达SRL121（探测距离

1-10米）、固态短距激光雷达HFL110（50米以内）.HFL-110客户主要是丰田，搭载

至新款Mirai和雷克萨斯新款LS500系列车型中，用作侧向补盲激光雷达，单价大约

5000-8000元人民币，已经在2020年量产.（备注：大陆隼团的Flash激光雷达技术主

要源于大陆集团在2016年收购的Flash激光雷达公司AdvancedScientificConcepts）

德国Ibeo公司推出了Flash激光雷达ibeoNEXT:采用了AMS的VCSEL,最先将

在长城WEY摩卡上量产（原计划2021年量产，目前预计推迟至2022年）。采埃孚收购

了Ibeo大约40%股权,Ibeo激光雷达的生产制造由采埃孚承担。

表1：主流Flash激光雷达厂商所发布的产品性能参数

型号SRL121HFL110ibeoNEXT(长距)ibeoNEXT(短距)ibeoNEXT(近距)

厂商大陆集团大陆集团IbeoIbeoIbeo

发布年份2017年2019铝11月2021年2021年2021年

波长905nm1064nm885nm885nm885nm

探测距离10m22m@10%反射率140nl@10%反射率40m@10%反射率25m@10%反射率

水平视为角27。120°11.2°60°120°

垂直视场角11°30°5.6°30°60°

像素数量N/A128x32(4096)像素128x80(10240)像素128x80(10240)像素128x80(10240)像素

角分辨率N/A0.94。/像素0.09°x0.07°0.47°x0.38°0.94°>0.75°

帧率100Hz25Hz25Hz25Hz25Hz

大陆集团官网，Ibeo官网，申万宏源研究

美国Ouster公司推出的DF系列激光雷达即Flash激光雷达DF系列一共有短、中、

远三个类型.2022Q1已经把第一批DF系列A样发给车厂，并计划向另外30多家OEM

和1家Tierl送出升级版A样，最快预计2025年量产。Ouster预计其推出的DF系列可

以在车上安装5个（1个前向Flash激光雷达+4个侧向激光雷达），5个激光雷达总价可

控制在1000美元以内。

图3:Ouster纯固态Flash激光雷达DF系列产品路线图

DFsolkJ-statesensorroadmap

2025

PrototypeDetailedDesignVerificationProduct&ProcessValidationProductionRampProduction

A-SAMPLEB-SAMPLEC-SAMPLESTARTOF

PRODUCTION

OngoingSensor,Firmware,Software&AlgorithmsDevelopment

ProcessValuation

Ouster官网，申万宏源研究

和其他Flash激光雷达厂商不同的是Ouster还自研了SPAD芯片：2022年3月

Ouster发布了Chronos芯片，计划在2022年底完成Chronos芯片流片，并在2023年

将该芯片集成到DF系列首批样品中。

图4Ouster用于DF系列Flash激光雷达的SPAD图5:Ouster用于OS系列机械旋转激光雷达的

芯片SPAD芯片（集成数字信号处理系统）

OSSERIES

SYSTEM-ON-A-CHIPPROGRESSION

130nm40nm40nmXXnm

GodzillaChronos

2017201920212022

20212023

Ouster官网，申万宏源研究Ouster官网，申万宏源研究

2.问题一：怎样才算是性能优异的Flash激光雷

达？

对于用于前向远距离探测的激光雷达，如果能够同时实现“看得远"、“看得清"、

“看得广”即为性能优异。"看得远”指探测距离远，探测距离至少达到150m@10%反

射率，最好能够探测到250米处的目标物体.“看得清"一方面指角分辨率低，即要求能

够看清楚150~200米范围内的行人、车辆等其他尺寸较小的障碍物；另一方面指帧率高，

即能够在1秒内获取张数尽可能多的点云图像，表1中的大部分Flash激光雷达的帧率为

25Hz。"看得广”指视场角FOV足够大，以拿到前装定点项目最多的速腾聚创Ml为例，

其水平FOV为120°,垂直FOV为25。，可以推测能够作为乘用车前装前雷达的激光雷达

FOV也应该满足上述水平。

图3:Flash激光雷达的三大性能以及影响三大性能的主要因素汇总

光学系统激光脓冲频率

视场角

探测彳

像素数量像素数量

尺寸

角分辨率

角分辨率

看得远一一探测距离Flash激光雷达的探测距离主要受VCSEL激光发射功率、SPAD

最小可探测功率、激光发散角三个因素影响。

(1)激光发射功率越高，探测距离越远；激光发射功率的提高主要取决于激光芯片的

光功率密度。若发射功率提高1倍，则激光雷达探测距离将提升19%,而激光芯片的发射

功率是"激光芯片功率密度"和"发光面积”两者的乘积，发光面积由于激光雷达体积、

激光芯片技术、成本、光学系统设计难易程度四个方面原因的制约，提升空间有限；所以

激光芯片的光功率密度成为提高激光发射功率从而提升激光雷达探测距离的关键指标。

(2)光电探测器最小可探测功率越小，探测距离越远；最小可探测功率取决于PDE

和暗计数。若PDE提高1倍，即最小可探测功率减小50%,则激光雷达探测距离将提升

19%。光电探测器的基本功能是把入射光功率转化为相应的光电流。最小可探测功率表示

APD、SPAD、SiPM等光电探测器所能探测到的最小入射光功率，入射光灯率低于这个值

则将被噪声淹没无法被探测器探测到；NEP代表在信噪比为1时所需要的最小输入光信号

功率，所以NEP代表了最小可探测功率。根据下图中的公式，光子探测效率PDE越高，

暗计数越低,NEP越低——其中PDE指SPAD吸收并触发雪崩的光子数和入射光子总数

的百分比；"暗计数率”是指在没有光子射入时，由于热运动或者其他干扰等条件导致的

一次电子雪崩，被错误的记录下来，可以简单理解为“噪声"。因此PDE和暗计数成为衡

量SPAD光电探测器灵敏度最重要的指标（APD对应的该指标名称为量子效率）。由此可

计算若PDE提高1倍最小可探测功率将降低50%从而激光雷达探测距离将提升19%。

（3）激光发散角越小，探测距离越远；激光发散角取决于发射光学系统的准直性能。

若发散角减小50%,则激光雷达探测距离将提升41%。不论VCSEL还是EEL,激光从激

光芯片发射巴来都存在一定的发散角e，发散角直接影响了激光发射到目标物体表面的光斑

面积（=n*（R*tan9）2）从而影响了激光打在目标物体上的光功率密度，最终影响从目标

物体表面反射回探测器表面的入射光功率。激光雷达的发射光学系统中一般有准直镜和扩

束镜，能够减小激光的发散角。但是即使光学系统的准直性能再好，激光光束也不可能完

全准直到0,始终存在一定的发散角，不可能完全是平行光，光学系统只可能尽可能减小发

散角。VCSEL的远场发散角一般为25°,如果不进行准直，传播到100米处时光斑的半径

就会变成47米，由此可见通过准直减小光束发散角的重要性。

图4:影响激光雷达探测距离的主要因素及其关系分析

激光雷达测距公式激光发射功率匕激光芯片光功率空度x发光面积

2PlT2AAKK

4srs玄光缶达（WRPWW,从而对激光

R=发射姻大小也杓限制

2

7TPr0^

R—激光雷达探测距离最小可探测功率匕噪声等效功率NEP（信噪比=1）

因一激光发射功率八目标面积

hv(>

暗计廷越侬仔NEP=77777：\/2x暗计数

岸一最小可探测功率■r一接收天线面积

的版⑶的POE”值拄好PDE——光子探测效率

『一大气投射率\KS——目标反射率h—常数

v—入射光子脓率

从酗丛雪上、乂角支止E光堂险曷黑=救体侦测器》，申万宏源研究

看得广一一视场角：Flash激光雷达的视场角FOV主要取决于焦距和SPAD尺寸，

原理可类比于摄像头，摄像头的视场角主要取决于焦距和CMOS尺寸。Flash激光雷达成

像原理和摄像头非常相似，在接收视场角的影响因素上也可以借助费像头类比来帮助理解：

对于摄像头，焦距越长（由聚焦透镜进行调节），图像传感器CMOS尺寸半径拥有的像素

数越低，视场角FOV越小；对于Flash激光雷达，焦距越长，光电探测器SPAD尺寸半径

所拥有的像素数越低，FOV越小。

看得清——角分辨率和帧率：Flash激光雷达的角分辨率由视场角和像素数决定，角

分辨率越低越好周此可以通过缩小视场角和提高SPAD像素数量两种方式缩小角分辨率。

（1）角分辨率：激光雷达输出的图像也被称为"点云"图像，相邻两个点之间的夹角就是

角分辨率。Flash激光雷达的角分辨率二视场角/像素数量。角分辨率的数值越小越好，因此

为了减少数值提升角分辨率能力，需要减小视场角，增加探测器阵列的像素数量。（2）帧

率：一幅点云图像代表一帧，对于机械旋转/半固态激光雷达，帧率即代表一秒钟内激光雷

达电机旋转的圈数，也就是每秒钟完成一圈扫描的次数；对于Flash激光雷达，帧率代表

每秒激光雷达获取前方点云图像的次数，所以帧率可以理解为激光雷达在时间维度上的分

辨率，帧率越高，实时性越强。

但是在设计Flash激光雷达视场角大小的时候更多是由“看得清"即“角分辨率”所

决定的角分辨率决定了Flash激光雷达的有效探测距离如果要看清楚200米处的小狗、

车辆、行人，则垂直角分辨率应该低于。」7像素。激光雷达能测出远方某个物体要解决两

个方面的问题一先"覆盖到"，后"探测到"。角分辨率解决的是“覆盖到"的问题，

一个物体先要被发射的激光"覆盖到"，然后才能探讨是不是能被“探测到"，探测到也

就是“看得远"那一段文字所论述的问题。根据下图表格中的计算数据，以角分辨率0.9°

为例，激光扩散到前方20米处，由于光束之间的垂直高度大约为0.米，大于马路牙子

的高度0.15米，所以在20米处就检测不到马路牙子了；同理在50米处会探测不到小狗，

在100米处会探测不到车辆，在200米处就检测不到行人了。角分辨率越低，就能在越远

的距离看到越矮的目标物体。如果漏检车辆和行人，将容易发生交通事故。所以由于SPAD

像素数量有限，目前技术水平有限只能做出较低像素数量的SPAD等光电探测器，因此只

有通过“牺牲广度"，即通过压缩视场角来缩小角分辨率，从而提升有效探测距离。

图8:Flash激光雷达角分辨率和视场角对激光雷达有效探测距离的影响

CMOS区域半径厉拥有的像素数

摄像头探测距离

/mW--t.ana）

+=SP/1D区域半径所拥有的像素数

激光雷达探测距离视场角焦距=-----------------------------

tarw

（F山。itt光曾达角分将率决定了、户数":100.010.050.1■0.20.30.40.50.70.91

"激光的问0,从100.000.010.020030.050070090.120160.17

力决定了有次探出feat

200.000.020.030.070.100.140.170240.310.35

500.010.040.090.170260.350440.610.790.87

接收光学系统1000.020.090.170.350.520.700.871221.571.75

1S00.030.130260.520.791.051.311332.362.62

2000.030170.350.701.051.401.752.443143.49

楠M不到“曲力叫人到上睛

e角分部率

资料来源：申万宏源研究O.35m0.45m1.75m

但是从表1的归纳中我们可以发现，目前主流Flash激光雷达有两种配置：（1）大

FOV,中短距探测：要求光源具备大发散角和非常高的功率。（2）小FOV,长距离探测：

要求光源发散角要小，中等高功率即可。

上述配置说明：目前Flash激光雷达无法同时满足上述“看得远"、"看得清”、“看

得广”3个住能，作为前雷达还需要上游关键电子元器件性能成熟。其中,Flash激光雷达

最关键的两大电子元器件是VCSEL激光芯片和SPAD光电探测器一一以下篇幅我们将对

VCSEL和SPAD这两大关键元器件所需突破的瓶颈进行详细分析。

3.问题二：发射端为什么要用VCSEL?

机械旋转和MEMS激光雷达选择EEL更适合，原因在于：EEL光功率密度更大，能探

测更远的距离；相较之下VCSEL用在机械旋转和半固态等激光雷达有一个最大的问题是光

学设计会复杂很多以及光功率密度比较低。（1）机械旋转激光雷达：多线激光雷达都需要

把激光准直到比较小的发散角度（比如0.1~0.2。），但是VCSEL这么大的发光面积比较难

实现。（2）MEMS激光雷达：EEL占主导优势是因为MEMS激光雷达本身体积就不大，

MEMS振镜直径大约l-2mm,想用VCSEL这么大的发光面积（一颗250|jm*250|jm,

有点光源和线光源两种形式），把光线准直到这么小的MEMS面积上面（大约l-4mm2）,

整个光学系统会比较难实现。而EEL整个发光面积比较小（一颗200pm*10|jm）,更容

易准直。

Flash激光雷达更适合用VCSEL主要原因在于VCSEL相较于EEL具备更大的发光面

积，FOV可以做得比较大；如果把EEL用在Flash上则光学设计会很复杂，需要好的光学

设计去扩散EEL发出来的光。

图9:各类型激光雷达所应该选择的激光光源类型（饼图深色部分代表了合适程度）

短距中距长距

0m-40m1m-90m1m-250m

CityTraffic.CityTraffic.Freewaylongdistanceview

FreewaylanechangeInterurbanroadcrossing

Freewayrearview

全覆盖固态LiDARwEELWEEL

。VCSEL❶VCSEL

OVCSELSVCSEL

分区修盖固态LIDAR。VCSEL

•EEL

MEMS和梭镣式LiDAREELQEEL

。1

EEL

机械旋转式.。EELwEEL

LiDARBVCSELSVCSEL

版司朗前$申万宏源研究VCSEL

EEL和VCSEL特性主要区别在于光功率密度&发光面积、温漂、光束质量上有明显差

异：

（1）光功率密度&发光面积（EEL明显好于VCSEL）:光功率密度表示单位时间内，

激光辐照在其位面积靶材上的能量大小。EEL的光功率密度一般是60000W/mm2，而现在

功率密度最高的五结VCSEL大约1000W/mm2（全球VCSEL头部厂商Lumentum发布

的五/六层结VCSEL最高功率密度能达到1400W/mm2，国内VCSEL芯片头部厂商长光华

芯目前5层结VCSEL芯片光功率密度最高能达到1200W/mm2）.造成上述差异主要在

于VCSEL的发光面积远大于EEL,由于VCSEL是面发光，VCSEL芯片本身是由几十个甚

至上百个发光点所组成的发光面，一般考虑通过增加发光面积（增加发光点或者增加单孔

发光孔径）夹提升光功率"旦是EEL谐振腔平行于衬底，因此只要激光器越长，那么单孔

功率就越大。从Lumentum,长光华芯和欧司朗公布的数据中可以看出，VCSEL发光面

积（250Hm*250pm）远大于EEL发光面积：220口m*10pm）。

（2）温漂（VCSEL好于EEL）:温漂指波长随温度变化而漂移，由于车规工作温度

范围是在-40~+105℃之间，范围很大，因比温漂越低越好从而保证工作波长的稳定性。

VCSEL的温漂性能要比EEL好很多,VCSEL只有0.07nm/℃,而EEL是0.3nm/℃。

（3）光束质量（EEL慢轴好于VCSEL）:EEL是椭圆形光斑，长的对称线是快轴和短

的对称线是慢轴，EEL光束的慢轴远场发散角只有10°,光束质量很高；而VCSEL是堆成

的圆形光斑，光束远场发散角大约20°,准直系统设计相对EEL会更困难一些。

表2:EEL和VCSEL特性对比

类型EELVCSEL

Laser技术InGaAs/GaAsGaAs

波长905nm905nm/940nm

发射结构边发射垂直表面发射

光谱宽度7nm1nm

光功率由腔体长度调节由面积调节

功率密度125W@0.0022mm21000W@1mm2

-60000W/mm2-1000W/mm2

光束发散角10°x25°20°

光束质量非对称/中发散度对解低发散度

波长漂移O.3nm/K-xO.O7nm/K0.07nm/K

功率下降与温度-0.25%/K-0.15%/K

温度范围-40-+125℃-40~+125℃

上升和下降沿时间<1ns<1ns

欧司朗，申万宏源研究

图10:长光华芯激光雷达专用VCSEL芯片功率密度约1000-1200W/mm2

发光面积

长光华芯激光雷达专用VCSE出片参数

参数单位figfigI

发光点数个10813254

工作电流A15187

工作电压V202011

峰值波长nm940/905940/905940/905

峰值输出功率W657525

*250um

远场发触角（水平）232323

阈值电源A0.10.130.05・波长905/940±6nmI客户定制）

发光区宽度pm250250375•5个PN结wddddsasccc

发光区高度pm25025065•功率超过75W

温漂系数

功率密度W/mm2104012001026•0.07n"C

资料来源：长光华芯，申万宏源研究

图11:欧司朗激光雷达专用EEL芯片功率密度最高可达60000W/mm2

欧司蚪送光雷达专用EE3片参数

・型号单位SPLDP903SPLDS90A3SPtS1L9OA3SPLS4190A

厂商K3KH司的京司的

关SEELEEL旭rtl■

书信数333x3x