光達量產元年, 性價中的妥協

 雷射探測的先天優勢在於分辨率高, 抗干擾能力強且可全天候工作. 光達核心構成包括發射器, 掃描系統 (光束操縱元件), 傳輸與接收光學系統, 光電探測器及信號處理系統. 其中掃描系統, 發射器和光電探測器均存在不同技術路線, 進而導致光達整機技術路線繁多.

根據 Yole 數據預測, 光達整體市場規模到 2026 年有望達到 57 億美元, 2021-2026 年行業 CAGR 為 23%. 其中用於 ADAS 領域的光達市場空間到 2026 年有望達到 23 億美元, 5 年 CAGR 高達 94%, 迎來放量元年.

按照光源波長, 光達可分為近紅外雷射 (880nm/905nm) 和中, 遠紅外雷射 (1350nm/1550nm), 其中近紅外雷射對人眼安全存在風險. 按照掃描系統, 可分為機械式, 混合固態和固態光達, 其中光達創新方案有 MEMS 振鏡方案, 混合固態轉鏡以及雙棱鏡方案等. 

1550nm/MEMS 和 flash 等方案成為趨勢. 根據 Yole 數據, 低成本 905nm 波長搭配 EEL 發射器依然是 OEM 廠商的首選, 1550nm 光達逐漸走向成熟. MEMS和 Flash 光達正在興起, 機械光達被廣泛使用占比 66%.

目前車規級光達產品整體方案設計的發展總體方向為低成本, 高性能, 高集成度, 固態化. 各廠商根據自身技術儲備選擇了不同的技術方案以求達到 OEM 廠商的需求. 光達廠商通過對光達發射系統, 接收系統, 信息處理系統和掃描系統的設計組合形成特色方案. 

掃描方式選擇上, 目前是性價比的競爭, 未來 OPA+FMCW 的掃描方案選擇值得關注. 當前仍處於固態化的轉變期, 並未有完全成熟的車規級光達方案, 混固態是目前可以車規量產的折衷選擇. 混固態下不同方案各有優劣, 性價比的考量以及整車廠的具體需求是競爭的關鍵點.

我們認為採用這兩種波長的產品目前來看短時間將共存. 採用 1550nm 波長的廠商將致力於降低成本, 推動量產, 而採用 905nm 的廠商將致力於在功率限制下獲得更好的性能表現. 未來 1550nm 產業鏈成熟後, 預計會成為主流方案.

半導體雷射方面, 未來隨著 VCSEL 技術發展逐漸成熟, 車規級光達產品預計逐步轉向 VCSEL 發射器. 半導體雷射有 LED, EEL, VCSEL 等, 目前主要是 EEL 和 VCSEL 間的競爭, EEL 能量密度和能效更高, VCSEL 在光束整形, 集成度, 溫漂控制等具備優勢.

探測器需要逐步滿足高敏感, 廣探測範圍, 低干擾和低成本等要求. 因此, 探測系統設計正在從點發射-點接收向面陣式轉變. SiPM 作為 SPAD 的陣列形式, 可通過多個SPAD 獲得更高的可探測範圍以及配合陣列光源使用, 且更容易集成 CMOS 技術.

光學元件在光達中應用廣泛. 發射器中需要雷射晶體, 非線性光學晶體; 探測端需要濾光片, 玻片等; 光路設計中還需要窗口片, 反射鏡, 偏振鏡, 微棱鏡等. 隨著掃描方式固態化,偏振鏡, 微棱鏡, 其他球面/非球面鏡等的應用會減少, 常規光路設計所需元件則仍然是剛性需求.

信息處理系統從 FPGA+ADC 晶片轉向自研 SoC. 光達信息處理系統主要包括主控晶片和類比晶片, 目前主控晶片主要採用 FPGA, 類比晶片主要採用 ADC. 目前市場上以 CMOS 工藝制備的的 FPGA 產品低成本, 高算力, 且提供可編程硬件, 已可以滿足多種技術路線的要求.

光達產業的上游主要包括雷射器, 光學部件, 光電探測器和信號處理電路 (前端處理: 放大器, ADC,  TDC 等, 主控單元: SoC, FPGA). 元器件影響光達產品技術性能與成本控制. 產業中游為光達整機廠商, 主要負責整合與算法. 產業下游主要包括 ADAS, 無人駕駛, 車聯網和服務機器人四大應用領域.