一、激光雷达简介

早在1960年激光雷达概念就已提出，近些年来激光雷达才进入迅速发展时期，学术界和产业界一致认为激光雷达是无人驾驶（包括自动驾驶车辆，AGV，UAV等）不可或缺的探测和传感部件。激光雷达可用于物体探测与规避，物体识别与跟踪，即时定位与地图构建等。随着无人驾驶的快速发展，对于激光雷达的需求日益增长。根据 ReportLinker研究估计，2025 年全球包括运送乘客和货物在内的 L4/L5级无人驾驶车辆数目将达到 53.5 万辆。随着无人驾驶商业模式的逐步确立，该领域的全球激光雷达市场也将随之实现高速增长，据沙利文测算，至 2025 年该领域激光雷达市场规模预计达到 35 亿美元，2019 年至 2025 年的年均复合增长率达 80.9%。

根据 Yole 的研究报告，至 2025 年全球乘用车新车市场 L3 级自动驾驶的渗透率将达6%，即每年将近 600 万辆新车将搭载激光雷达。激光雷达在高级辅助驾驶领域的市场规模将在未来5年里保持高速增长，按照沙利文预计，2025 年激光雷达市场规模预计将达到46.1亿美元，2019年至2025年复合增长率达 83.7%。

伴随全球服务型机器人出货量的增长以及激光雷达在服务型机器人领域渗透率的提升，至 2025 年激光雷达在该细分市场预计达到 7 亿美元市场规模，2019 年至 2025 年的复合增长率为 57.9%。

另一方面，随着智能城市、智能交通项目的落地，未来该市场对激光雷达的需求将呈现稳定增长态势。至2025年，全球激光雷达在该领域的市场规模将超过 45 亿美元，2019 年至 2025年复合增长率为 48.48%。

从技术选择路径和目标市场来看，Luminar、Aeva、Innoviz、Ibeo 主要面向无人驾驶和量产乘用车 ADAS 市场，开发相应的（半）固态激光雷达，其技术特点各有不同。

Luminar 选用 1550nm 光源和探测器而非市场主流的 905nm 光源和探测器，Aeva 选择 FMCW 而非市场主流的飞行时间法，Innoviz 通过采用MEMS 二维微振镜来实现激光扫描和接收，通过减少激光器和探测器数量来降低成本，Ibeo 则选用 VCSEL 和 SPAD 面阵的纯固态激光雷达方案。

机械旋转多线激光雷达的主要供应商有 Velodyne、Ouster、禾赛、速腾聚创，产品主要面向无人驾驶和服务型机器人市场。

调制激光可以用于距离探测和测量，但传统的激光测距仪（laser rangefinder）仅能测量瞬时视场范围内的距离。为了形成更大视场范围内的3D形貌识别与模型构建，必须在既定的视场范围内实现激光光束的偏转和全局扫描。

二、MEMS激光雷达简介

MEMS，微机电系统，尺寸在毫米级或者更小的传感器、执行器或者微型系统。常见产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、陀螺仪、微马达、微泵、MEMS振镜及其集成产品。

MEMS振镜（MEMS mirror）属于一种光学MEMS执行器芯片，可以在驱动作用下对激光光束进行偏转、调制、开启闭合及相位控制。目前广泛应用于投影、显示、光通信等场景中。

MEMS LiDAR，采用MEMS振镜作为激光光束扫描元件，具有体积小、宏观结构简单、可靠性高、功耗低等优势，是目前激光雷达实现落地应用的最合适的技术路径。

三、MEMS振镜及其选型参数

1、MEMS激光雷达振镜技术指标及选型

单轴和双轴MEMS振镜均可根据工作模式划分为谐振状态、非谐振状态和半谐振状态。

按照 MEMS振镜的驱动方式不同，可划分为静电驱动（ES），电磁驱动（EM），电热驱动（ET）以及压电驱动（PE）四种。

业内部分知名学者对于激光雷达的MEMS振镜选型及参考指标做了指引性的讨论，具体如下：

（1）FoV视场角

激光雷达的扫描角度，包括水平和竖直方向，对于自动驾驶激光雷达，更大的扫描角度意味着更大的视场角。

（2）Optical Aperture光学孔径

MEMS振镜的光学特性与激光雷达的空间分辨率、探测距离等参数息息相关。

其中空间分辨率与激光波长、激光光束质量正相关，与激光光斑大小负相关，市场期望激光雷达的角分辨率尽可能小于1mrad，因此有着较好的激光光束质量时，MEMS振镜的直径应不小于1mm。

探测距离则与发射激光功率、透射效率、障碍物发射率、接收端半径等参数相关。

（3）Scanning speed and Frequency扫描速度及谐振频率

对于自动驾驶应用的双轴MEMS激光雷达，MEMS振镜的横轴（水平方向，快轴）扫描频率应在0.5-2KHz之间，纵轴（垂直方向，慢轴）扫描频率应在10-30Hz之间。

此外，若选用的MEMS振镜的谐振频率较高，激光雷达的分辨率、帧率及鲁棒性均更佳。

（4）Mirror Size and Weight振镜尺寸及重量

MEMS激光雷达得到产业界青睐的原因之一便是体积小、便于集成。因此在满足OpticalAperture和谐振频率的前提下，MEMS的尺寸应尽可能优化。

（5）FoM (Figure of Merit)品质因数

以上参数均为MEMS振镜的本征参数。FoM(figure of merit)则是将以上重要参数融合后形成的描述激光雷达性能的综合指标。根据行业经验，激光雷达为获得良好性能，所选用的MEMS振镜的FoM值应更高，针对自动驾驶的激光雷达，FoM值至少为0.7。FoM值来源具体如下：

FoM=θe ·de ·fe

其中，θe 是激光雷达视场方向的有效光学扫描角，单位为rad；

de 是MEMS振镜有效尺寸，单位为mm；

fe 是MEMS振镜的有效谐振频率，单位为kHz。

2、多种用途激光雷达的MEMS振镜参考

总体而言，MEMS振镜的FoM值越大，越利于激光雷达性能提升。相较而言，单轴MEMS振镜因整体结构更为简便，所以更容易得到更大的扫描角度，更大的光学孔径和更高的谐振频率。

美国佛罗里达大学的谢会开教授团队针对多用途的激光雷达的MEMS振镜选型给出基础要求，如表-1所示。

表-1 不同应用的激光雷达对于MEMS振镜技术参数的最低要求

四 、基于双轴MEMS振镜的激光雷达

双轴MEMS振镜的激光雷达以“点”扫“面”

双轴MEMS振镜因其具有两个转动轴，因此有三种扫描模式：双轴谐振、单轴谐振/单轴非谐振、双轴均非谐振。

因双轴MEMS振镜结构及工艺较为繁杂，其扫描角度一般较小，图中所示的双轴振镜其扫描角度约为15°×11°，一般需要配合外围光学器件才可将FoV扩展到45°×11°。

美国佛罗里达大学的谢会开教授领导的研究团队对市面上34款不同规格的双轴MEMS振镜的本征参数和FoM值进行了深入的研究和计算，其中仅有6款MEMS振镜的FoM值大于0.7，其余28款MEMS振镜的FoM均小于0.7。

五、基于单轴MEMS振镜的激光雷达

单轴MEMS振镜的激光雷达以“线”扫“面”

基于单轴振镜的MEMS激光雷达中，单轴MEMS振镜配合配合激光扩束透镜，可以使得一维MEMS振镜实现激光光束在水平方向和竖直方向的同步扫描。上图为Infineon开发的基于单轴振镜的MEMS激光雷达的原理图。单轴MEMS振镜的激光雷达工作状态分为谐振式和非谐振式两种。

另外，也有部分厂商将单轴MEMS振镜放置在旋转电机上，以实现二维扫描。

放置于旋转电机上单轴MEMS振镜

同样，美国佛罗里达大学的谢会开教授领导的研究团队也对市面上二十余款不同规格的单轴MEMS振镜的本征参数和FoM值进行了深入的研究和计算，其中FoM值大于1的MEMS振镜超过50%，FoM大于0.7的超过14款，且单轴MEMS振镜的激光雷达以“线”扫“面”，天然上拥有更高的帧率。

六、MEMS激光雷达扫描镜的驱动技术

MEMS激光雷达扫描镜的驱动技术有四种，即静电驱动、电磁驱动、压电驱动和电热驱动，其中前两种技术比较成熟，应用也更广泛。

MEMS扫描镜的尺寸很小，其反射镜面直径通常为数毫米，镜面厚度、支撑悬臂梁的厚度/宽度仅为数十微米至数百微米。MEMS扫描镜面采用金属反射薄膜，可以承受的激光功率可达到瓦级以上，因此可以满足信息激光应用的要求。

从MEMS扫描镜的技术参数看，发展趋势是大尺寸镜面、大扫描角度，对MEMS三维激光雷达应用;MEMS扫描镜的直径数毫米，水平光学扫描角度高达110°，垂直光学扫描角度25~40°，谐振频率高达数十kHz。从MEMS扫描镜的轴数看，双轴扫描镜是技术发展趋势，这样能大幅度降低封装成本。从MEMS扫描镜的扫描角度精度看，发展趋势是扫描镜集成制造角度传感器，采用闭环控制方法实现对扫描微镜的精确控制。从MEMS扫描镜的驱动方式看，由于压电驱动具有更高的力密度，压电驱动MEMS扫描镜将可能成为技术新方向。

七、部分相关激光雷达MEMS振镜的厂家

1、美国Velodyne Lidar

Velodyne始创于1983年，总部位于硅谷，是一家以实时三维激光雷达计算和软件平台闻名世界的技术公司。2005年，自公司创始人 David Hall 成功研发出了一种全新 HDL-64 固态混合激光雷达传感器后，Velodyne Lidar, Inc.得到了迅猛的发展，并一举跻身为实时三维视觉系统领域无可匹敌的市场领导者。这一系统可广泛应用于包括自动驾驶汽车、车辆安全系统、移动地图、航空地图和安全等多种商业用途。公司产品包括Ultra-Puck™ VLP-32 高性能环绕视图传感器、HDL-32/64 经典型传感器、VLP-16经济型传感器、VLS-128 新型传感器，以及即将推出的Velarray™隐藏式传感器。种类丰富的感知软件和算法是构建感知系统的关键要素。Velodyne目前在圣何塞、底特律、法兰克福和北京等地均设有代表处，致力于为全球客户提供一流服务。如需了解更多详情，请访问。

Velodyne 创始人 David Hall

Velodyne Lidar宣布推出一款创新型固态激光雷达传感器 Velarray M1600

从 2010 年至今，Velodyne 在全球范围内拥有 300多个客户，累计售出超过 4 万台激光雷达，获得超过 5.7 亿美元收入。在收入层面，Velodyne 预计到 2024 年，包括硬件和软件在内的销售收入将达到 8 亿美元。

2019年底，作为激光雷达鼻祖的Velodyne，正式决定裁掉中国北京的办公室超过20名员工，包括直销团队和部分技术支持，并且将其销售模式，从直销模式恢复到刚进入中国的“代理模式”。

2021年02月18日Velodyne LiDAR宣布，其无人驾驶用16线激光雷达现在可以面向全球客户成本将降低高达50％，目前价格定在3999美元。

2、美国Quanergy

Quanergy成立于2012年，总部位于美国加州，是一家开发小型固态廉价 LiDAR 传感器的公司。Quanergy提供的LiDAR传感器和软件能够实时捕捉和处理高清3D地图数据，并对物体进行检测、跟踪和分类，其应用领域包括交通运输、安全、地图勘测和工业自动化。

Quanergy 创始人 Louay Eldada

3、上海禾赛科技

禾赛科技是全球3D传感器（激光雷达）制造商之一。2014年成立于上海，禾赛依靠800多人的团队打造出一系列创新型传感器解决方案，兼顾业内优秀的产品性能、可量产的设计以及出众的可靠性。禾赛凭借自主研发的微振镜和波形加密技术，助力传感器创新的发展方向，目前已布局400多项专利，客户遍布全球20个国家和地区的70座城市。迄今为止，禾赛已完成累计超过2.3亿美元融资，投资方包括德国博世集团、光速、百度等全球知名的行业企业和投资机构。

禾赛 CEO 李一帆

成立六年时间，禾赛科技站上中国激光雷达第一股。

2021年1月7日晚间，上海证券交易所对外公布了激光雷达公司禾赛科技提交的科创板上市招股书。

根据招股书披露，禾赛科技拟发行 6360万股，禾赛此次拟融资约 20 亿元，募集资金将用于建造智能制造中心、推进激光雷达核心芯片和算法相关研发。拟发行股本不超过 6360 万股，每股面值1人民币，该股本占发行后总股本的不超过 15.01%，按此计算，禾赛的估值约为133 亿元。2019年激光雷达销售 2890套，实现营业收入 3.28亿元，前 5大客户包括全球 tier1龙头博世、Robotaxi 领先企业百度、文远知行。

4、西安知微传感

西安知微传感技术有限公司，2016年成立于古都西安。其研发团队在MEMS领域、硬件设计以及光学设计等方面都有着十余年的经验，公司在成立之初即获得了投资者和政府的青睐与支持。

知微传感以打造三维视觉硬科技为切入点，紧跟前沿技术开发了高精度3D相机——Argus系列3D相机。该系列3D相机是一款可提供亚毫米级别精度的微型化深度传感设备。现产品已广泛应用于三维扫描、工业检测、物流分拣、尺寸测量、三维人脸识别、机器视觉等领域。

凭借MEMS微振镜技术，知微传感还开发面向MEMS固态激光雷达所需的扫描模组，并实现传统导航激光雷达中的旋转装置芯片化。该产品具有高分辨率，高可靠性、低成本，小尺寸、易集成等优点，在机器视觉、主动避障以及自动驾驶方面有着广泛应用。

知微传感创始人乔大勇教授

知微传感C系列MEMS振镜

知微传感是国内MEMS振镜领域内的领军企业，在静电驱动、电磁驱动两种驱动技术，以及光学反馈和电容反馈两种检测技术上均有深厚的技术积累和布局。目前有4款C系列MEMS芯片已完成量产工艺导入，支持批量交付，其部分本征参数及FoM值如表-2所示。FoM值均大于0.7，适用于自动驾驶、盲区监测、人机交互、MAVs、机器人等激光雷达应用领域。

5、深圳速腾聚创

深圳市速腾聚创科技有限公司RoboSense是全球领先的智能激光雷达系统（Smart LiDAR Sensor System）科技企业。RoboSense通过激光雷达硬件、AI算法与芯片三大核心技术闭环，为市场提供具有信息理解能力的智能激光雷达系统，颠覆传统激光雷达硬件纯信息收集的定义，赋予机器人和车辆超越人类眼睛的感知能力，守护智能驾驶的安全。RoboSense总部位于深圳，拥有来自全球顶尖企业和科研机构的人才团队，为RoboSense提供源源不断的创新能力。截止2019年，RoboSense获得超过500项专利。RoboSense产品技术的领先建立在多学科多层级的技术积累之上。

速腾聚创以市场为导向，为客户提供多种的智能激光雷达系统解决方案，产品技术包括：MEMS与机械式激光雷达硬件，硬件融合技术，AI感知算法等。作为AutoSens Award、Audi innovation lab champion和两届CES innovation Award得主，RoboSense在市场上已经获得成功的基础：合作伙伴覆盖全球各大自动驾驶科技公司、车企、一级供应商等，产品技术已广泛应用于自动驾驶及高级辅助驾驶乘用车、商用车，物流车，机器人，RoboTaxi，RoboTruck，RoboBus, 车路协同等场景。

速腾聚创（Robosense）创始人、CEO邱纯鑫

八、激光雷达的未来趋势

Velodyne 和 Quanergy，这两家全球估值最高的激光雷达独角兽公司，在今年 1 月先后将 CEO 的大棒交给职业经理人，至少在一定程度上反映了两个问题：

一方面，机械式旋转激光雷达无法在车规级、体积大小、成本、自动化生产和车身集成度上展现出优势。

另一方面，激光雷达仍然是一个相对小众的业务，成本下降并不容易；让激光雷达成为数百万辆汽车的标准组件，还需要整个行业的共同努力。

激光雷达未来的出路在哪里？两个头部玩家已经做出了尝试。如何「守成」、「除旧」和「布新」也成了新任 CEO 的新课题。

最近两三年，我们也看到诸如新的变量加入：ICT 巨头华为、全球顶级的汽车零部件供应商博世以及无人机巨头大疆孵化的 Livox 。

未来，围绕激光雷达在汽车与自动驾驶的「战事」肯定会愈演愈烈。2020 年，期待激光雷达行业的一出好戏上演。

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