VCSEL技术与时俱进，迎接3D视觉黄金时代
2021-09-30 14:48:03   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

『第三十一届“微言大义”研讨会：3D视觉技术及应用』专题报道

——激光雷达和3D摄像头核“芯”器件进展

据麦姆斯咨询报道，无论是激光雷达（LiDAR）还是3D摄像头，都由光源、光束操纵元件和光电探测器构成，实现对目标的测距和成像。光束操纵元件包括MEMS微振镜、衍射光学元件（DOE）、光学相控阵（OPA）芯片等，光源涵盖LED（发光二极管）、EEL（边缘发射激光器）、VCSEL（垂直腔面发射激光器）和光纤激光器，而探测器包括雪崩光电二极管（APD）、单光子雪崩光电二极管（SPAD）、硅光倍增管（SiPM）、CMOS图像传感器、CCD图像传感器等。此外，3D视觉产业的火热，也吸引了3D视觉配套产业链的兴起，如VCSEL测试设备、纳米压印设备、胶粘材料和设备等。

2021年9月16日至17日，由麦姆斯咨询与贺戎博闻主办的『第三十一届“微言大义”研讨会：3D视觉技术及应用』在第23届中国国际光电博览会（2021 CIOE）同期举办。9月17日会议主题为《激光雷达和3D摄像头核“芯”器件》，由特邀嘉宾长光华芯副总经理、激光系统事业部总经理吴真林先生主持，长光华芯、芯视界、微视传感、艾迈斯欧司朗、远方信息、3M、纵慧芯光、老鹰半导体、灵明光子、思特威、炬佑智能、柯泰测试、仟目激光、Lumentum和睿熙科技等国内外激光雷达和3D摄像头核“芯”器件厂商及配套产业链厂商参与并发表了精彩演讲。

9月16日主题为《激光雷达和3D摄像头技术及应用》的研讨会新闻报道：中国3D视觉产业土壤丰沃，量产规模化应用开花结果。

公开版演讲报告下载地址：https://www.memseminar.com/31/

『第三十一届“微言大义”研讨会：3D视觉技术及应用』会场座无虚席

3D视觉核“芯”器件：激光光源

1. 长光华芯《3D传感和激光雷达中的激光芯片》

长光华芯副总经理、激光系统事业部总经理吴真林先生主持并发表开场演讲

作为本场会议的特邀主持人，长光华芯副总经理、激光系统事业部总经理吴真林先生用题为《3D传感和激光雷达中的激光芯片》，提纲挈领地向在场观众展现了3D视觉行业的黄金时代，以及激光器在其中扮演的角色。

吴真林先生提出：下一个十年，3D传感结合5G，人类生活进入“AI + AR”黄金时代，而无论是汽车激光雷达还是智能消费3D视觉终端，VCSEL必将成为下一波科技主流的必需光源。接下来，他重点分析EEL与VCSEL在器件结构、设计、关键工艺流程、性能表现等方面的异同点。VCSEL在二维集成、成本、损伤阈值、温漂系数等方面优势明显，VCSEL在追赶EEL过程中存在的主要门槛在于提升功率密度。

EEL与VCSEL优劣势对比

目前，长光华芯面向激光雷达和3D传感应用已推出了多款EEL和VCSEL产品。包括3结、4结、3结4通道、3结8通道EEL，波长主要有905 nm和940 nm，并可根据客户要求定制；以及面向激光雷达应用的905 nm和940 nm 5结VCSEL，面向3D传感应用的808 nm、850 nm、940 nm VCSEL。吴真林先生表示，长光华芯作为一家IDM公司，VCSEL的定制周期从以前的5~8月缩短到5~8周，量产交付周期从以前的2~3月缩短到2~3周！

长光华芯的VCSEL产品定制流程

最后，吴真林先生表示3D视觉产业链正朝着应用渗透越来越强、市场细分更加明显、资本推手愈发强劲、全国产化势不可挡等方向发展，呼吁到“21世纪是光的世纪，让我们一起拥抱这束光，攻克难关，分工协同，共同培育和迎接更广阔的应用！”

2. 艾迈斯欧司朗《激光雷达激光器应用与市场探讨》

艾迈斯欧司朗高级市场经理梁泽春先生探讨激光雷达激光器应用与市场

艾迈斯欧司朗高级市场经理梁泽春先生首先向在场观众分享了对激光雷达技术路线多样化的理解和看法。一套激光雷达系统涉及激光器的发射波长和类型、扫描方式、测距范围和测距方式、光电探测器的接收波长和类型等诸多方面的选择。梁泽春先生分析了机器人汽车（Robotic vehicles）和消费类高级辅助驾驶系统（ADAS）汽车的自动化发展路径，交通拥堵、自动泊车、高速公路、市内交通和郊区路面等驾驶场景，探讨了不同测距范围和不同驾驶场景决定了对激光雷达的不同要求。因此，未来一台车的激光雷达不会只有一种，而是多种技术路线的激光雷达共同“保驾护航”。

不同场景应用决定了激光雷达形态的多样性

而谈及dToF（直接飞行时间法）激光雷达所选择的激光器，主要分为EEL、VCSEL和光纤激光器。梁泽春先生认为：EEL具有高功率密度和高脉冲峰值功率，非常适合使用APD探测器的激光雷达系统；VCSEL具有很高的吸引力，因为它有可能将2D VCSEL发射器阵列和2D SPAD探测器阵列组合成没有运动部件的激光雷达系统；而光纤激光器的输出功率高、光束质量好、速度快，是高性能系统的理想选择，但显著增加了系统复杂性。因此，结合激光雷达的测距要求和技术路线，通常情况下机械式激光雷达和MEMS激光雷达的光源以EEL为主，分区扫描固态激光雷达以VCSEL为主，而Flash激光雷达可选择VCSEL和EEL。

激光雷达的光源选择

3. 纵慧芯光《VCSEL应用：从消费电子到汽车电子》

纵慧芯光联合创始人兼首席产品官Ryan先简单向在场观众分享了公司的VCSEL产品从消费电子市场向汽车电子市场扩展的动态：2020年VCSEL产品已通过AEC-Q102车规级认证；2021年公司通过IATF 16949质量体系认证，2021年年底实现车规级VCSEL产品量产出货。纵慧芯光因成为华为、魅族等中国头部智能手机厂商的VCSEL供应商而倍受关注，Ryan骄傲地向大家讲到“纵慧芯光在消费电子市场出货已超过3000万颗VCSEL，保持了零失效的记录。”

纵慧芯光为消费电子应用提供的产品

面向汽车激光雷达，纵慧芯光自主设计了世界领先的多结、可寻址、高功率VCSEL。Ryan分析了汽车激光雷达VCSEL的供应链流程，并指出外延工艺是保证VCSEL高性能的关键环节。因此纵慧芯光自购2台MOCVD设备，实现了对外延生产的自主控制，产能达到每月1000片（6英寸），在投产后的短短7个月内实现关键参数PCE从38%向50%的提升。

接着，Ryan分享了如何实现汽车激光雷达所需的高功率密度VCSEL：多结设计，即多个PN结串联在外延结构内。今年，纵慧芯光在5结VCSEL产品上取得了重要突破：光功率密度达到5000 W/mm²，已经接近于传统EEL产品。此外，纵慧芯光在940 nm分区点亮VCSEL阵列、905 nm 5结和7结VCSEL、集成微透镜的背面出光多结VCSEL的产品开发均已取得喜人的进展！

纵慧芯光的5结VCSEL性能表现

4. 老鹰半导体《VCSEL技术进展及其在智能感测和车用激光雷达领域的应用》

老鹰半导体首席科学家莫庆伟先生分享对VCSEL应用的理解

老鹰半导体首席科学家莫庆伟先生先带领现场观众简单回顾了VCSEL的发展历程：从实验室的最初概念到成熟的工业产品。接着，他提出“从应用需求倒推VCSEL芯片要求”的观念，认为“随着VCSEL可以提供的功率越高、探测距离越远，能打开的应用场景则越丰富”：从低功率（小于10 mW）的数据通信、接近传感，到距离在1 m以内、功率在1~3 W范围内的驾驶员监控系统、手机人脸识别，再到更远探测距离和更高功率要求的AVG（自动导引小车）、AMR（自主移动机器人）和汽车激光雷达。他用苹果iPhone 12 Pro系列采用的后置dToF激光雷达模组、Ouster和ibeo选择的“VCSEL发射端 + SPAD接收端”的数字激光雷达方案、法雷奥今年推出的近距离Flash激光雷达作为案例，分析了从消费类到汽车类的应用需求，从而得到VCSEL产品的要求为“高效率、高功率、高速度和高集成”。

VCSEL发展历程

在深刻理解了应用需求后，老鹰半导体则布局了丰富的VCSEL产品。在3D传感领域，提供人脸识别、金融支付、AR/VR（增强现实和虚拟现实）、扫地机器人等的940 nm VCSEL系列；在数据通信领域，提供高速850 nm 10G/25G/50G PAM4 VCSEL；在汽车电子领域，提供针对车外前置激光雷达、补盲激光雷达，以及车内智能座舱、驾驶员疲劳监测、在位监测等应用的VCSEL产品，可以满足客户多样化的需求！

老鹰半导体的VCSEL芯片产品线

5. 圆桌会议《车载和消费类VCSEL技术发展现状及展望》

本场会议的圆桌会议环节以《车载和消费类VCSEL技术发展现状及展望》为主题开展了讨论，邀请柯泰测试总经理张骞先生担任主持人，仟目激光联席首席执行官徐伟先生、Lumentum高级销售总监吉翔先生、纵慧芯光联合创始人兼首席产品官Ryan、睿熙科技联合创始人兼副总经理汪辰杲先生共同参与！

话题一：谈谈这两年公司VCSEL业务发展情况，以及对该产业未来趋势的理解。

柯泰测试张骞：柯泰测试作为VCSEL厂商的测试解决方案提供商，我们的感受是近两年来VCSEL应用越来越丰富，对测试服务的要求也越来越高。VCSEL厂商对测试服务本地化、客制化的要求逐渐显现。希望在未来VCSEL产业链上下游能有更多的合作共赢！

睿熙科技汪辰杲：这两年睿熙科技稳健发展，实现了从VCSEL的研发到销售的全面转变。在消费电子领域，在扫地机、TWS耳机、服务机器人、金融支付等应用的产品已全面进入量产；在数据通信领域，25G VCSEL和25G PD的性能已达到客户要求，已完成可靠性测试；在车载激光雷达领域，已推出适用于全固态面阵激光雷达、补盲激光雷达的VCSEL产品。我们认为，VCSEL的应用领域正处于百花齐放的状态，不仅有意料之中的应用，还看到了不少意料之外的应用。

Lumentum吉翔：目前，Lumentum的VCSEL产品应用还集中在3D传感领域，市场反响非常乐观。Lumentum对车载应用也已布局多年。我们着眼全球范围，投入更多的资源开发产品和应用，将可为中国3D视觉产业所用。

纵慧芯光Ryan：纵慧芯光从2019年开始批量出货，2020年在遇到手机市场低迷的情况下依然保持了千万级VCSEL芯片的出货量，今年出货量还会进一步增加。同时，纵慧芯光也在积极拓展业务，从扫地机等消费电子领域，到医美、汽车激光雷达、光通讯等领域实现多元化发展，持续发力！

仟目激光徐伟：这几年3D视觉行业的发展形态如同过山车，从高峰跌入谷底，现在开始爬坡。3D视觉技术是未来不可或缺的黑科技，在这个特殊时期，VCSEL厂商需要做的是真正理解不同终端应用对发射端的要求，真正从客户需求入手，一起将3D视觉市场做大做好！

话题二：这两年，苹果阵营和安卓阵营对3D视觉技术的热情有哪些变化？作为VCSEL厂商，请谈谈你们的感受。

仟目激光徐伟：3D视觉技术在2017年推出时可谓是“众星捧月”，一度受到苹果阵营和安卓阵营的追捧。这几年，苹果的智能手机和AR眼镜依然在坚持采用3D视觉技术；安卓阵营激情褪去，但并未放弃。

纵慧芯光Ryan：苹果公司对3D视觉的发展前景还是非常坚定的，如今苹果的全系列手机都采用了人脸识别模组，后置dToF激光雷达模组也沿用到iPhone 13。安卓阵营的头部厂商对该技术也是认可，前置3D摄像头模组已经积累了一些客户群体，后置3D摄像头有望从低成本应用开始渗透。

Lumentum吉翔：Lumentum一直坚定地配合全球各手机阵营开发3D视觉方案，无论是结构光方案，还是iToF和dToF方案。我们也在与多家安卓阵营的头部手机厂商合作。在短期内，安卓阵营受困于合适的应用，但长期来讲大家都看好这一方向。

睿熙科技汪辰杲：以我们与手机厂商接触的感受，可以总结为八个字：“积极布局，谨慎投入”。作为器件厂商，确实有点沮丧。不过按照Garnter技术成熟曲线，3D视觉技术已经经过了期望膨胀期和幻想破灭的谷底期，如今进入了稳定爬坡的光明阶段，也大大鼓舞着3D视觉从业者。因此睿熙科技一直在积极地配合手机厂商做好各种3D视觉技术的预研，等待应用的落地和市场的复苏。

话题三：中美贸易战及新冠疫情的大背景下，给Lumentum和纵慧芯光带来了哪些挑战和机遇？车规级VCSEL产品落地商业应用的进展如何？

Lumentum吉翔：目前来看，地缘政治对Lumentum的影响还比较小，对公司的持续经营和供货没有特别明显的影响。新冠疫情对3D视觉所用的VCSEL产品出货影响也不大。Lumentum的车规级VCSEL产品已经落地已久；我们非常看好中国新能源汽车市场，新能源汽车产业推进非常快，对3D视觉技术需求量巨大，将利好VCSEL产业。

纵慧芯光Ryan：这两年，安卓阵营的3D视觉产品布局确实放缓了脚步。但中美贸易战为中国本土元器件企业带来机遇。新冠疫情催生了对3D人脸识别功能具备识别戴口罩用户的新要求，也带来了短暂的冲击。纵慧芯光在两年前开始布局汽车应用，多结VCSEL产品在性能、可靠性、满足车规要求等各方面已经较为成熟。我们已经和国内多家Tier 1厂商合作，预计明年车规级VCSEL进入小批量试生产阶段，这将是非常值得期待的市场。

话题四：睿熙科技和仟目激光推出的VCSEL产品已经应用于哪些3D视觉领域？你们更看好哪些3D视觉领域的发展前景？

睿熙科技汪辰杲：除了我们已经布局的扫地机器人、智能门锁、TWS耳机、服务机器人等消费类应用外，睿熙科技还在重点关注AR & VR应用，这是有望与智能手机市场规模相提并论的应用。在国外，VR头盔和AR眼镜使用3D视觉技术进行手势识别和3D建模，这已是比较明确的方向。但目前中国在AR & VR产品的跟进速度还相对较慢。

仟目激光徐伟：仟目激光在780 nm、808 nm、850 nm、905 nm和940 nm波段VCSEL产品上已经做了深入的技术布局。除了前面嘉宾谈到的应用，仟目激光近两年在车载固态激光雷达做了重点布局。

此外，各位圆桌会议嘉宾还分别就公司运营、产品性能提升、产品品质管理、技术发展趋势、对VCSEL测试服务的需求等方面分享了自己的观点。

延伸阅读：

《传感应用的VCSEL技术及市场-2021版》