豐田汽車在日本推出新款Mirai和雷克薩斯新款LS

本月，豐田汽車在日本市場推出豐田新款Mirai和雷克薩斯新款LS，新車配備Advanced Drive系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備L2級自動(dòng)駕駛技術(shù)。前者起售價(jià)格為860萬日元（約合人民幣51.5萬元），后者起售價(jià)格為1794萬日元（約合人民幣107.5萬元）。

之前本田曾經(jīng)推出全球第一臺(tái)L3車，實(shí)際是只生產(chǎn)100輛，只租不賣。不過豐田的價(jià)格也是夠高的了，估計(jì)銷量也不會(huì)高。

豐田這套自動(dòng)駕駛系統(tǒng)完全達(dá)到L4級別，Advanced Drive系統(tǒng)包括一個(gè)定位用攝像頭，一個(gè)前向主激光雷達(dá)，兩個(gè)側(cè)向激光雷達(dá)。還有3個(gè)ECU，分別是用英偉達(dá)Xavier的ADX，可能是瑞薩V3U的主計(jì)算ECU即ADS，英偉達(dá)的是做冗余系統(tǒng)，是失效時(shí)替代ADS的。還有一個(gè)專用于定位的ECU，稱之為SIS。

這一套大約增加了66萬日元硬件成本，也就是大約4萬人民幣的成本，未來或許豐田車可以選裝，選裝價(jià)格估計(jì)得20萬人民幣。加上雷克薩斯LS500H本來就標(biāo)配的雙目系統(tǒng)，構(gòu)成完整的L4級自動(dòng)駕駛。這一套系統(tǒng)中前向主激光雷達(dá)成本估計(jì)最高，大約1-1.5萬人民幣，兩個(gè)側(cè)向激光雷達(dá)合計(jì)大約5-8千人民幣，3個(gè)ECU估計(jì)要1.2-1.4萬人民幣。軟件成本無法估算，要看多少銷量了。

豐田自動(dòng)駕駛框架圖

兩個(gè)側(cè)向激光雷達(dá)是德國大陸汽車的Flash激光雷達(dá)，即HFL-110。

HFL-110的有效距離大約30-50米，用在側(cè)向是綽綽有余。

本文的主角是前向主激光雷達(dá)，由豐田控股公司電裝開發(fā)，電裝開發(fā)激光雷達(dá)的歷史超過40年。在25年前，人們最早是寄希望于激光雷達(dá)的，當(dāng)時(shí)毫米波雷達(dá)價(jià)格高達(dá)數(shù)萬人民幣，性能卻很差，日本有不少企業(yè)都在努力開發(fā)激光雷達(dá)，雖然價(jià)格很高，但性能足以碾壓毫米波雷達(dá)，在1995年電裝開發(fā)了全球最早的量產(chǎn)車激光雷達(dá)，沒錯(cuò)，就是1995年。

但是毫米波雷達(dá)價(jià)格持續(xù)下滑，在2005年，激光雷達(dá)就被徹底趕出市場。但電裝并沒有放棄，這次用在雷克薩斯LS500H的激光雷達(dá)，電裝稱之為第六代激光雷達(dá)，時(shí)間跨度超過20年。盡管過了25年，激光雷達(dá)成本也沒降低多少。

一向謙虛低調(diào)的電裝對這個(gè)激光雷達(dá)用詞令人驚訝，電裝絲毫不在意法雷奧的Scala激光雷達(dá)的感受，宣稱自己是全球車輛檢測距離最遠(yuǎn)的激光雷達(dá)，可達(dá)200米，同樣宣稱水平視場角（FOV）是120°，也是世界最高水平。

實(shí)際電裝與Scala的設(shè)計(jì)如出一轍，只是巧妙地將單向變雙向。同時(shí)電裝可能是二代Scala的水準(zhǔn)，也是16線設(shè)計(jì)，但也有可能更高，32線的設(shè)計(jì)。剖析電裝的激光雷達(dá)，還是從專利入手，電裝剛剛為自己的激光雷達(dá)設(shè)計(jì)申請了專利。

成品與專利圖上的樣子非常接近。

與Scala一樣的設(shè)計(jì)，只是Scala只有一側(cè)的激光發(fā)射器，電裝是兩側(cè)。華為的第一代激光雷達(dá)也是這樣的設(shè)計(jì)，當(dāng)然，細(xì)節(jié)上會(huì)有所不同，否則有專利糾紛，華為的第二代激光雷達(dá)可能會(huì)是MEMS電磁振鏡激光雷達(dá)。

上圖是內(nèi)部示意圖。電裝將激光雷達(dá)分為5個(gè)部分，分別是10代表發(fā)射部分、20代表旋轉(zhuǎn)鏡掃描部分、30代表接收部分、40代表框架、50系列代表光接收板。

10部分包括11和12兩個(gè)激光源，13和14是激光發(fā)射透鏡，15是激光偏轉(zhuǎn)透鏡。

上圖是俯視圖

這是法雷奧Scala的俯視圖。法雷奧Scala的鏡子是弧面的單面鏡，電裝是雙面的平面鏡。20a發(fā)射偏轉(zhuǎn)鏡。21是轉(zhuǎn)鏡模塊，23是電機(jī)，22是分區(qū)盤partition plate。

21又包括211、212和213。211和212是兩面鏡子，貼在213上，這樣無論鏡子朝哪個(gè)方向轉(zhuǎn)，都可以反射光，而不是像Scala那樣是單向的。第一代Scala為什么不這么做呢？很簡單，這樣多了激光發(fā)射單元，成本就增加了。

這種設(shè)計(jì)確實(shí)沒太多可說的，各方面都很成熟，性能也可以，特別是如果32線的話，就是成本降不下來。不過L3/L4就是成本高，就算降低了激光雷達(dá)的成本，其他成本也高。

豐田或者說電裝的下一代激光雷達(dá)很可能是Flash激光雷達(dá)，目前豐田在側(cè)向用了德國大陸汽車的Flash激光雷達(dá)，未來可能前向也是如此。早在2016年4月，電裝投資了一家VCSEL公司，即TriLumina。目前Flash主要瓶頸就是VCSEL陣列功率密度不足，大約只有傳統(tǒng)激光二極管功率的1/8-1/10。

TriLumina開發(fā)了一種獨(dú)特的構(gòu)架用于二維VCSEL陣列，使其同時(shí)具備高能量輸出和高帶寬調(diào)制。陣列使用集成的微透鏡來進(jìn)行光束整形和控制，并且使其可以對不連貫光束進(jìn)行整流，以產(chǎn)生緊湊、高亮度、低噪聲的信息源。再有就是倒裝，傳統(tǒng)VCSEL陣列都安裝在基座上，并利用鍵合線進(jìn)行電氣連接。

TriLumina的板載VCSEL器件結(jié)構(gòu)緊湊，由單個(gè)VCSEL陣列芯片組成，可通過標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝技術(shù)倒裝焊到印刷電路板上，無需用于VCSEL芯片的基座載具。TriLumina的VCSEL器件使用了帶有焊料凸點(diǎn)的銅柱，并使用標(biāo)準(zhǔn)的無鉛表面貼裝技術(shù)直接安裝到PCB上，憑借TriLumina獨(dú)特的背發(fā)射結(jié)構(gòu)，使其VCSEL具有優(yōu)秀的內(nèi)置氣密性和出色的熱性能。

TriLumina在2019年宣布推出業(yè)界首款獲得汽車AEC-Q102一級認(rèn)證的VCSEL陣列，意味著TriLumina的VCSEL陣列能夠在-40℃至125℃之間可靠運(yùn)行，滿足極其嚴(yán)格的汽車運(yùn)行條件。在2020年11月，全球第一大VCSEL廠家Lumentum收購了TriLumina的部分技術(shù)，即倒裝芯片（flip-chip）和背發(fā)射VCSEL陣列。

Flash激光雷達(dá)又可看作是遠(yuǎn)距離的ToF相機(jī)，電裝也申請了Flash激光雷達(dá)的專利，沒有稱其為激光雷達(dá)，而是叫ToF測距裝置，實(shí)際是一個(gè)意思。電裝申請了ToF激光雷達(dá)專利，這份專利目前只有日文版本。

這是一個(gè)典型的多級multi segment的Flash激光雷達(dá)。

反射率不同的物體，在激光雷達(dá)上表現(xiàn)差異很大。反射率很高的物體在激光雷達(dá)上表現(xiàn)比較突出，反射率低的物體，有時(shí)可能無法探測到。此外，遠(yuǎn)距離和近距離也會(huì)導(dǎo)致激光雷達(dá)的表現(xiàn)差異較大。

Flash激光雷達(dá)功率密度低，這就導(dǎo)致Flash激光雷達(dá)的有效距離很短，遇到低反射率的物體可可能無法探測到。電裝的專利設(shè)計(jì)針對遠(yuǎn)近距離設(shè)計(jì)了兩種發(fā)光策略。

這就是在近距離使用均一光，即全局快門。遠(yuǎn)距離使用集中光，即強(qiáng)發(fā)光。

個(gè)人也認(rèn)為Flash是激光雷達(dá)的最終技術(shù)類型。Flash激光雷達(dá)最容易通過嚴(yán)格車規(guī)，體積最小、安裝位置最靈活、全芯片化、成本最低（單價(jià)可輕松做到100美元以下）、性能挖掘潛力最大（深度相機(jī)近似于當(dāng)年剛剛萌芽的CMOS圖像傳感器，最終取代了CCD），全球科技界在全局Flash領(lǐng)域的研發(fā)投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的激光雷達(dá)，全部都是超級巨頭，包括博通、索尼、三星、蘋果、意法半導(dǎo)體、英飛凌、AMS、Lumentum、東芝、松下、佳能、濱松、安森美、電裝、豐田都在開發(fā)Flash車載激光雷達(dá)。

在光電領(lǐng)域，無論是SPIE國際光電工程學(xué)會(huì)，OSA美國光學(xué)學(xué)會(huì)，ISSCC國際固態(tài)電路協(xié)會(huì)幾乎所有的論文都是有關(guān)Flash激光雷達(dá)關(guān)鍵部件SPAD或VCSEL的，傳統(tǒng)的激光雷達(dá)論文完全沒有。日本在CCD領(lǐng)域累積了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在SPAD領(lǐng)域擁有壓倒性優(yōu)勢。

佳能、松下和索尼都開發(fā)出100萬像素的SPAD，性能足以超越目前所有的激光雷達(dá)接收器件性能數(shù)倍乃至數(shù)十倍。三星在2020年底的國際固態(tài)電路研討會(huì)上發(fā)表了A 4-tap 3.5μm 1.2Mpixel Indirect Time-of-Flight CMOS Image Sensor with Peak Current Mitigation and Multi-User Interference Cancellation的論文，提出了120萬像素的ToF傳感器（即SPAD）。

編輯：jq