Luminar是目前市值最高的激光雷達公司，巔峰期市值大約120億美元，目前市值在90億美元上下，是老牌激光雷達廠家Velodyne市值的4倍左右，而Luminar沒有量產(chǎn)產(chǎn)品。Luminar高估值的原因一是其性能是目前最好的，二是市場憧憬蘋果采用Luminar的激光雷達造車。

剖析Luminar激光雷達設(shè)計還是從專利入手，2020年9月Luminar公布一項專利，可以看作對其激光雷達設(shè)計的詳細介紹。

Luminar獨家采用光纖激光設(shè)計，光纖激光已經(jīng)成熟應(yīng)用二十年以上，其功率高，用光纖傳遞激光，一個激光源可以對應(yīng)多個激光雷達，激光源可以放在車內(nèi)任何地方，讓激光雷達布局非常靈活，體積也可以大大縮小。如上圖所示，404是光纖激光源，可以布局7個激光雷達。 要提高激光雷達性能最簡單有效的辦法就是提高激光發(fā)射功率。Luminar采用光纖激光放大方式，功率大約是傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光二極管的40倍。這也使其成為性能最強的激光雷達。

要提升功率，就不得不考慮人眼安全，對于常用的905納米來說是不合適的，只有1550納米的InGaAs，它和905納米的硅光電探測器比要安全太多，可以放心地加大激光器的功率。Luminar就是以使用1550納米的InGaAs為特色的，其使用的激光器的功率是傳統(tǒng)硅光電系統(tǒng)的40倍，不僅提高信噪比，減小脈沖寬度至20納秒以下，脈沖重復(fù)頻率低于100MHz，占空比低于1%。同時提升了有效距離，而且1550納米也是全天候的，在雨雪霧天，都基本沒影響，Luminar強調(diào)即使10%反射率的物體，有效距離也可以達200米，理論最遠距離高達1公里。 關(guān)于激光功率的放大，Luminar申請了專利。其專利是用二級大模場摻鉺光纖（EDFA）放大器將一個種子源激光調(diào)制為一個脈沖寬度至20納秒以下，脈沖重復(fù)頻率低于100MHz，占空比低于1%的脈沖激光系統(tǒng)。Luminar的專利核心一個種子源激光，另一個是摻鉺光纖放大器。

Luminar的種子源激光器內(nèi)部構(gòu)成

Luminar的放大器內(nèi)部構(gòu)成

Luminar激光雷達內(nèi)部框架

與其他激光雷達不同，Luminar是特殊的雙系統(tǒng)設(shè)計，這也是光纖激光的特色，即WDM，波分復(fù)用技術(shù)（wavelength-division multiplexing，WDM）是將一系列載有信息、但波長不同的光信號合成一束，沿著單根光纖傳輸；在接收端再用某種方法，將各個不同波長的光信號分開的通信技術(shù)。這種技術(shù)可以同時在一根光纖上傳輸多路信號，每一路信號都由某種特定波長的光來傳送，這就是一個波長信道。因為不同波長的激光性能不同，905納米的波長受陽光干擾最小，1550納米則最大，接收元件增益越高，干擾就越明顯，干擾通?？煽醋魇翘撓瘢@也是1550納米激光雷達很難解決的問題。Luminar可以采用雙波長設(shè)計，一套1550納米、一套905納米，兩套配合，剔除掉虛像。也可以采用單波長設(shè)計，兩套系統(tǒng)互相做差分糾正，防止出現(xiàn)虛像。再有就是兩套系統(tǒng)的FOV不同，通常FOV大就意味著分辨率低，小FOV意味著分辨率高。先用一個大的FOV用來搜索目標，搜索到目標后得到ROI區(qū)域，再用小FOV系統(tǒng)對應(yīng)。 光源122A接收來自光纖的激光，發(fā)射激光150A到掃描器11，掃描器將激光做水平和垂直掃描，激光到達目標160后反射光164A返回到重疊反射鏡124A上，124A將光線轉(zhuǎn)向接收聚焦鏡170A，光線穿過170A到達接收模塊128A，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息145A傳給控制器130。136是掃描器、控制器與光源之間的接口。

Luminar激光雷達內(nèi)部解剖圖

核心元件是兩個掃描器，一個是水平掃描器12，它包含一個矩形立方體16，有18、20、22、24四個反射面，也就是多面體掃描鏡，也叫多邊形棱鏡，29為支架，30為電機主軸，32為電機。56、58、60是外殼，44是接收模塊，80是接收聚焦鏡，即上文的170的一部分。14為垂直掃描器，64為垂直掃描器電機。46是DOE，即衍射光學(xué)元件，衍射光學(xué)元件（Difractive Optical Element，DOE）是相位元件，它使用嵌入在元件中的薄微結(jié)構(gòu)將輸入激光束控制為各種輸出輪廓和形狀。衍射光學(xué)器件可實現(xiàn)許多功能和光操作，而這在標準折射光學(xué)器件中是不可行的。DOE可適用于多種類型的輸入激光（如單模高斯激光、多模激光等），在激光焦面上形成指定的光斑形狀和光強分布，還可以實現(xiàn)在激光傳播方向特定的光強分布。 多邊形棱鏡（Polygon Mirror）在激光打印機中早已大量使用，技術(shù)非常成熟，全球激光打印機用多邊形棱鏡掃描系統(tǒng)被日本電產(chǎn)公司壟斷，因為該公司也是全球最頂級的精密電機廠家，電機領(lǐng)域技術(shù)門檻最高的硬盤電機就是由該公司壟斷，之前美蓓亞還有10%的市場占有率，但被三美電機收購后，就基本由日本電產(chǎn)壟斷。 國內(nèi)蔚來使用Innovusion圖達通的激光雷達，也是這種多邊形棱鏡設(shè)計。

Innovusion圖達通激光雷達的掃描器專利解說圖

Innovusion圖達通激光雷達的掃描器主要由多邊形棱鏡702和電流掃描振鏡704組成，706是激光源，712是激光反射接收光電二極管，710是反射接收聚焦透鏡。702做水平掃描，704做垂直掃描。 電產(chǎn)基本壟斷激光雷達用多邊形棱鏡市場，通常是六邊形，Luminar這一代還是采用電產(chǎn)的常規(guī)產(chǎn)品，下一代采用訂做的四邊形棱鏡，Innovusion圖達通應(yīng)該也是六邊形多棱鏡掃描器。 它也不是嚴格的四面體。具體形狀如下圖。

看完水平掃描器，來看垂直掃描器。

垂直掃描器如上圖，64為電機，這是一種特殊FAULHABER直流無刷電機，與傳統(tǒng)鐵芯直流電機的區(qū)別在于轉(zhuǎn)子特有的空芯杯斜繞組的自承式銅線圈。這一開創(chuàng)性設(shè)計的固有特性包括非常低的轉(zhuǎn)子慣量、無齒滯或轉(zhuǎn)子位置。這些特性決定了電機具備獨特的高功率密度和高動態(tài)性能。最初由 Fritz Faulhaber Sr. 博士發(fā)明，并在1958年注冊，體積很小，使用最高級的釹鐵硼磁體，價格昂貴。74為皮帶，66、68、70是滑輪組，72是編碼器，72與64通過齒輪連接。54是反射板。

54上貼著三角形反射鏡52，與水平掃描器12互相配合。三角形最長的一邊長度與水平掃描器的一邊長度相同。

77為準直透鏡（實際是包含了兩個透鏡），激光器124發(fā)射的激光經(jīng)過準直透鏡從點球狀變?yōu)槠叫泄馐?，再?jīng)過重疊環(huán)形鏡79發(fā)射，82為入射光，83為反射光。79的反射部分就是上文說的124。

Luminar的接收雪崩二極管圖

1550納米的激光必須配合InGaAs或InGaAsP的吸收層。典型1550納米激光二極管是四層結(jié)構(gòu)，如上圖，底層是InP基板，中層是InGaAs或InGaAsP的吸收層，又叫量子陷阱有源層，上層是InP雪崩層，最上層是p型InP，即光柵層。這種就是傳統(tǒng)dfb外延，這種結(jié)構(gòu)中光柵在p型層，這會導(dǎo)致寄生電阻和寄生電容增加，影響了dfb激光的調(diào)制速，p光柵由于激射閾值和寄生電阻的限制，其工作溫度范圍較窄，這也是除了昂貴外很多廠家不用1550納米激光二極管的主要原因，為了提高dfb激光器的溫度范圍，一個可行的辦法是光柵位于n型層，由于n型半導(dǎo)體材料中，傳輸電流的載流子是電子，其具有比p型半導(dǎo)體載流子空穴更長的載流子壽命和輸運長度，可以彌補光柵過厚對激光器電性能的影響。

然后在n型半導(dǎo)體材料中生長光柵，意味著有源區(qū)需要在光柵制作完畢后生長，而量子阱有源區(qū)與光柵的間距小于100nm，在如此小的厚度上，需要掩埋光柵并獲得平整的量子阱界面，難度極大。 Luminar認為垂直掃描器轉(zhuǎn)動就像一個風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動，有助于散熱，不過如果是完全封閉外殼，這樣散熱效率也不高，如果開放式，那么防塵處理將非常困難。 1550納米激光二極管的制造屬于光通信領(lǐng)域，這個領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展了30年，沒有什么挖掘潛力了，以Luminar一個光通信局外人的公司不可能有所突破，也不可能降低1550納米激光二極管的成本，1550納米激光二極管的制造過程類似于LED芯片或SiC芯片，即采購?fù)庋悠龌?，用MOCVD機臺蒸鍍有源層。InGaAs或InGaAsP外延片全球主要是三家，日本的三菱電機、昭和電工和美國的MACOM。目前外延片最大為6英寸晶圓。外延片成本占到55%左右，因為需求量低，加上沒什么競爭，外延片價格很難降低。

Luminar與特斯拉如出一轍，那就是完全不考慮什么車規(guī)，只追求最高性能，追求最短時間內(nèi)出貨，特斯拉新Model S使用功耗超過200瓦的AMD顯卡，在傳統(tǒng)車企看來，這是一種不折不扣的瘋狂行為。Luminar也是如此，雙電機，還有皮帶帶動，可能沒考慮防塵，光接收峰值功率與接收器孔徑面積成正比，這樣做是為了比較容易形成大的接收器孔徑面積，這是近乎瘋狂的設(shè)計。溫度適應(yīng)性和可靠性幾乎都沒有考慮。不過這個時代，不是產(chǎn)品說了算，而是資本說了算，再好的產(chǎn)品，沒有資本捧場跟廢品沒區(qū)別。

原文標題：剖析市值最高激光雷達公司Luminar那近乎瘋狂的設(shè)計

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