車載激光雷達(dá)將逐步成為車載雷達(dá)主力。根據(jù)Yole計算及預(yù)測,2021年車載雷達(dá)市場規(guī)模為58億 美元,2027年將達(dá)到128億美元(約合人民幣856億元),CAGR為14%。國際電聯(lián)(ITU)預(yù)測,2030年, 歐洲的車載雷達(dá)滲透率將達(dá)到65%,美國將達(dá)到50%。其中,2021年車載激光雷達(dá)(無人駕駛+ADAS) 市場規(guī)模為2億美元,2026年將超過28.75億美元(約合人民幣192億元),約占比整個車載雷達(dá)市 場的26%,比2021年高出22個百分點,CAGR高達(dá)66%。乘用車和Robotaxi/Robotruck持續(xù)增長的需 求成為車載激光雷達(dá)市場的驅(qū)動因素。
激光雷達(dá)的分類:從機械式到固態(tài)化
機械式激光雷達(dá)技術(shù)成熟度較高,供應(yīng)鏈成熟,但由于固有缺陷(機械部件壽命短、成本高、 體積大、調(diào)試裝配復(fù)雜等),目前車企宣布的L3量產(chǎn)車項目均選用固態(tài)/混合固態(tài)激光雷達(dá) 方案。 目前混合固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)已初步成熟,各家廠商量產(chǎn)項目陸續(xù)落地。
固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)方案包括光相控陣(OPA)和FLASH兩種,具有數(shù)據(jù)采集速度快、分辨率高、 成本低等特點,但目前技術(shù)成熟度較低。
激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈——上游
激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈上游包含激光發(fā)射、激光接收、掃描系統(tǒng)和信息處理四大部分,分別對應(yīng)激光器、探測器、 掃描器(及其它光學(xué)組件)、芯片等零部件。
激光雷達(dá)工作原理和組成
激光雷達(dá)由發(fā)射模塊、接收模塊、主控模塊以及掃描模塊(如有)構(gòu)成。主控模塊首先發(fā)射信號 到發(fā)射模塊,激光驅(qū)動驅(qū)動激光器(如EEL、VCSEL等)發(fā)射激光脈沖,再通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射激 光,到達(dá)物體返回后接收模塊接收回波,經(jīng)由接收光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)探測器(如APD、SiPM、SPAD等), 最終傳至模擬前端,再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,到達(dá)主控模板。部分激光雷達(dá)擁有掃描模塊,則主控模塊 可直接到達(dá)掃描器或激光器先經(jīng)過掃描器再回到發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)。
激光雷達(dá)革命性技術(shù)架構(gòu)
根據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研和專家交流,招商通信團(tuán)隊認(rèn)為:機械式激光雷達(dá)被普遍認(rèn)為無法達(dá)到上車標(biāo)準(zhǔn)。短期 內(nèi),以TOF方式為測距原理的半固態(tài)激光雷達(dá)仍將占據(jù)市場的主要份額,一維、二維或MEMS等掃描方 式的技術(shù)路徑將會共存;長期來看,固態(tài)FMCW是未來的技術(shù)路徑。
激光雷達(dá)市場規(guī)模&原材料BOM拆分
激光雷達(dá)出貨量&市場規(guī)模:根據(jù)沙利文預(yù)測,受無人駕駛車隊規(guī)模擴張、激光雷達(dá)在ADAS中滲透率增加等因 素推動,激光雷達(dá)整體市場預(yù)計將呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢,至2025年全球市場規(guī)模為135.4億美元(約合914億元);其中,中國激光雷達(dá)市場規(guī)模將達(dá)到43.1億美元(約合291億元); 基于蔚來ET7、小鵬G9等熱款車型的交付,預(yù)計22年車載激光雷達(dá)出貨量為15萬臺,23年激光雷達(dá)出貨量規(guī)模 在30~60萬臺。
Flash 的成本結(jié)構(gòu)按發(fā)射模組、接受模組、光學(xué)系統(tǒng)、核心 IC 分類;根據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研,如果整個雷達(dá) $1000 : (1)發(fā)射模組即 VCSEL 加驅(qū)動$100-$200,占比 20%;(2)接收端占 30%,對應(yīng)$300;(3)光學(xué)系統(tǒng)占比15-20%, 對應(yīng)$150~$200;(4)剩下的一些 IC 部分成本,像 FPGA、跨阻放大器、AD 芯片、點云管理、memory 等加起 來占比 30%,對應(yīng)$300。
發(fā)射模塊:VCSEL逐步取代EEL,905、1550或?qū)⒐泊?/span>
激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈——發(fā)射系統(tǒng)
激光發(fā)射系統(tǒng):系激勵源周期性地驅(qū)動激光器,發(fā)射激光脈沖,激光調(diào)制器通過光束控制器 控制發(fā)射激光的方向和線數(shù),最后通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng),將激光發(fā)射至目標(biāo)物體。激光雷達(dá)發(fā) 射模組:包含激光雷達(dá)面光源和激光雷達(dá)線光源,以激光光源和光學(xué)整形元器件為主要組成 部分,負(fù)責(zé)產(chǎn)生激光雷達(dá)探測所需要的特定形態(tài)和功率的激光光斑。
激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈——發(fā)射系統(tǒng)-激光器
激光的產(chǎn)生來自于激光發(fā)射器,有半導(dǎo)體激光器、固體激光器、光纖激光器和二氧化碳?xì)怏w激光器四種 類型。激光雷達(dá)的光源選擇需要關(guān)注人眼安全問題、 穩(wěn)定性和可靠性、成本、量產(chǎn)的可能性。
無人駕駛大多采用半導(dǎo)體激光器,?從驅(qū)動方式來看主要包括:邊緣發(fā)出的邊緣發(fā)射激光器(EEL)和 激光垂直于頂面的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL);?從光源波長來看主要包括:905nm光源和 1550nm光源。不同光源及發(fā)射形式的選擇影響射出光的能量大小,繼而影響光源可達(dá)到的探測范圍深 度。 目前1550nm激光器一般配備光纖激光器,EEL和VCSEL適合的波長仍為905nm。
激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈——發(fā)射系統(tǒng)-激光器-驅(qū)動
垂 直 腔 面 發(fā) 射 激 光 器 ( VCSEL , Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser):的激光發(fā)射方向垂直于半導(dǎo)體 襯底表面,激光束呈圓形對稱。VCSEL 主要結(jié)構(gòu)由p型和n型兩個分布式布拉格 反射鏡(DBR)及中間的有源區(qū)構(gòu)成。 VCSEL腔長量級與波長相近,容易實現(xiàn) 單縱模激射,并具有出色的光束質(zhì)量, 適用于數(shù)據(jù)通信及各種傳感領(lǐng)域。
激光雷達(dá)廠商有轉(zhuǎn)向VCSEL激光器的優(yōu)勢:VCSEL 相較于傳統(tǒng)的IRLED、EEL半導(dǎo)體芯片而 言,它具有窄光譜、低功耗、低溫漂等特點;采用VCSEL激光器作為面光源的電光轉(zhuǎn)換效率、 集成度和可制造性更高。VCSEL封裝與LED一樣簡單,成本優(yōu)勢明顯。綜合上述優(yōu)勢, VCSEL定會成為3D傳感市場潛力最大的產(chǎn)品。
VCSEL激光器集合了紅外邊發(fā)射激光器的很多優(yōu)點,采用更優(yōu)質(zhì)的激光源,既像紅外LED非常適合大規(guī)模 晶圓級生產(chǎn),工藝和封裝成本較低,又有邊發(fā)射激光器非常好的光譜和較高的光密度特性;它還有溫度漂 移非常低的特征,從低溫到高溫每組VCSEL的典型漂移僅為0.07nm/K。這是其他光源很難做到的,這也是 被蘋果選中作為Face ID光源的重要原因。這是用于VCSEL的架構(gòu)決定了它可以在許多光源的選擇中勝出。
VCSEL芯片具有光電轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)散角小、光束質(zhì)量好、波長穩(wěn)定性好、可靠性高、閾值電流小、功耗 低等優(yōu)點,且易于與光纖耦合,易于單縱模發(fā)射和實現(xiàn)高調(diào)制頻率,加上易于制備二維發(fā)光陣列,大批量 生產(chǎn)成本可控,但輸出功率及電光效率較邊發(fā)射激光芯片低。
光學(xué)系統(tǒng):國內(nèi)供應(yīng)鏈優(yōu)勢顯著,壁壘在于質(zhì)量管控&一致性
光學(xué)部分——ONE PAGE SLIDES
國內(nèi)供應(yīng)鏈優(yōu)勢顯著,壁壘在于質(zhì)量管控&一致性。光學(xué)部分是以發(fā)射和接收這兩個二極管展開的光通道, 包括反射鏡,透鏡,棱鏡還有窗口玻璃等。光學(xué)部分在整個激光雷達(dá)BOM成本的占比在10%~15%左右。其 中,轉(zhuǎn)鏡50%;窗口片:20%;透鏡、準(zhǔn)直鏡、濾光片30%。
光學(xué)部分供應(yīng)商主要有兩類玩家:(1)一類是消費電子光學(xué)廠商(舜宇光學(xué)、永新光學(xué)等),在部分精度 和壁壘不高的光學(xué)元件的量產(chǎn)控本方面有一定優(yōu)勢;(2)另一類是光通信領(lǐng)域的廠商(天孚通信、中際旭 創(chuàng)、騰景科技等),更擅長波的控制,濾光片、窗口片等產(chǎn)品更具性能優(yōu)勢;并且在光電封裝及光路設(shè)計方 面優(yōu)勢更強,產(chǎn)線和技術(shù)均可復(fù)用。
激光雷達(dá)光子傳輸原理
激光雷達(dá)(含掃描模塊)光子傳輸原理為:發(fā)射單元激光器發(fā)射激光束,通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)--激光擴束 器改變光斑的空間形狀分布,分束鏡通過折射分出多束光束,經(jīng)過反光鏡和準(zhǔn)直鏡到達(dá)窗口片并傳輸 光束到目標(biāo)物體上;光束到達(dá)物體返回后由窗口片接收回波,通過掃描器后再次途經(jīng)準(zhǔn)直鏡維持光束 的準(zhǔn)直性,由環(huán)形鏡傳輸?shù)綖V光片(允許特定光纖通過)并進(jìn)入到光闌,通過長焦鏡頭聚焦光束至光 電探測器,最終可由模擬前端芯片或其它主控模塊硬件處理信息。
激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈——光學(xué)組件
車載激光雷達(dá)和光通信-光器件實際上有很多相似之處。激光雷達(dá)中的激光器、探測器和光學(xué) 組件等核心器件與光通信領(lǐng)域中的器件非常相似,除了各自的性能要求和可靠性要求存在一 定的差異外,產(chǎn)品的基本形態(tài)及功能基本一致。根據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研,目前從事激光雷達(dá)領(lǐng)域的研 發(fā)人員有一半來自于光通信領(lǐng)域。通過對表現(xiàn)、封裝、可靠性標(biāo)準(zhǔn)、量價等多維度對比,我 們認(rèn)為車載激光雷達(dá)同早期的光器件比較類似,但發(fā)展前景廣闊。
透鏡和棱鏡等傳統(tǒng)光學(xué)元器件,定制化加規(guī)模化效應(yīng)有望帶來行業(yè)新增量。作為傳統(tǒng)的光學(xué)器件,透 鏡和棱鏡等產(chǎn)品工藝相對成熟。但是客戶側(cè)定制化的需求旺盛,將顯著增加產(chǎn)品附加值,同時大客戶 帶來的出貨規(guī)?;?yīng)將進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本,提升競爭力。
接收模塊:國內(nèi)廠商走向車規(guī),從APD向SPAD、SiPM進(jìn)階
探測器——激光雷達(dá)光電探測器發(fā)展歷程
在激光接收層面,根據(jù)光電探測器性能主要分為PIN PD、APD、SPAD和SiPM四類。 1. PIN PD增益很小、成本更低,適用于存在相干增益且不帶噪聲FMCW測距。 2. APD技術(shù)較為成熟,是使用最為廣泛的光電探測器件。 3. SPAD理論增益能力是APD的一百萬倍以上,探測器效率的提高直接提高了激光雷達(dá)的探測 范圍和分辨率,適合面光源,能量較為發(fā)散,難以到達(dá)遠(yuǎn)距離探測的Flash激光雷達(dá)。 4. SiPM是多個SPAD的陣列形式,通過大尺寸陣列獲得更高的可探測范圍以及配合陣列光源使 用,采用成熟CMOS半導(dǎo)體工藝制造,且電路結(jié)構(gòu)簡單,工作電壓較低,用于高級激光雷達(dá)。
探測器——市場規(guī)模
雪崩光電二極管(APD)適用于激光測距儀、基于aid的控制算法的量子傳感、遠(yuǎn)程光纖通信和 正電子發(fā)射層析成像等,廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天、國防、商業(yè)、電信、醫(yī)療保健等下游領(lǐng) 域。這些領(lǐng)域和技術(shù)的蓬勃發(fā)展,為APD行業(yè)創(chuàng)造了新的增長空間。根據(jù)Maximize Market Research,2019年全球雪崩光電二極管(APD)市場估值為13013萬美元,預(yù)計到2027年將 達(dá)到17598萬美元,年復(fù)合增長率為3.85%。
SiPM采用大批量CMOS工藝生產(chǎn),成本較低。SiPM應(yīng)用領(lǐng)域包括生物光子學(xué)、激光雷達(dá)和3D 測距、高能物理、空氣粒子物理、分類和回收、危險和威脅檢測、熒光光譜、閃爍體、醫(yī)學(xué)成 像等,尤其在汽車激光雷達(dá)和工業(yè)激光雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。根據(jù)kbvresearch,預(yù)計 2027年全球SiPM市場規(guī)模將達(dá)到1億9080萬美元,年復(fù)合增長率為7%。
探測器——單光子雪崩光電二極管(SPAD)
單光子雪崩光電二極管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)是工作在蓋革模式下的 APD,器件兩端的反向偏壓高于其擊穿電壓。此時器件內(nèi)部電場極高,單個光子就可觸發(fā)雪 崩效應(yīng)產(chǎn)生能被外部探測的雪崩電流,因此被稱為單光子雪崩光電二極管。
在雪崩倍增效應(yīng)下,電流隨著時間呈指數(shù)級增加,從而產(chǎn)生雪崩電流脈沖。理論上雪崩倍增 過程一旦被觸發(fā)便不會停止,光生電流在納秒內(nèi)被增加到毫安培量級,因此需要在光生電流 增大到損壞器件之前結(jié)束雪崩。
SPAD以極快的響應(yīng)速度和極高的靈敏度等特性,成為弱光探測和高速成像研究領(lǐng)域的熱點 技術(shù)之一。但SPAD芯片技術(shù)難點較多,既包括器件物理層面的問題,如提升小像素的光子探 測效率(PDE),也涵蓋電路設(shè)計和制造工藝方面的問題。
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