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沒有量產產品。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計的詳細介紹。

Luminar獨家采用光纖激光設計，光纖激光已經成熟應用二十年以上，其功率高，用光纖傳遞激光，一個激光源可以對應多個激光雷達，激光源可以放在車內任何地方，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射功率。Luminar采用光纖激光放大方式，功率大約是傳統半導體激光二極管的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硅光電系統的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制為一個脈沖寬度至20納秒以下，脈沖重復頻率低于100MHz，占空比低于1%的脈沖激光系統。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的種子源激光器內部構成

Luminar的放大器內部構成

Luminar激光雷達內部框架

與其他激光雷達不同，Luminar是特殊的雙系統設計，這也是光纖激光的特色，即WDM，波分復用技術（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。這種技術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，干擾通常可看作是虛像，這也是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計，兩套系統互相做差分糾正，防止出現虛像。再有就是兩套系統的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區域，再用小FOV系統對應。 光源122A接收來自光纖的激光，發射激光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將光線轉向接收聚焦鏡170A，光線穿過170A到達接收模塊128A，產生的數據信息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，即衍射光學元件，衍射光學元件（Difractive Optical Element，DOE）是相位元件，它使用嵌入在元件中的薄微結構將輸入激光束控制為各種輸出輪廓和形狀。衍射光學器件可實現許多功能和光操作，而這在標準折射光學器件中是不可行的。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，技術非常成熟，全球激光打印機用多邊形棱鏡掃描系統被日本電產公司壟斷，因為該公司也是全球最頂級的精密電機廠家，電機領域技術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，就基本由日本電產壟斷。 國內蔚來使用Innovusion圖達通的激光雷達，也是這種多邊形棱鏡設計。

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的常規產品，下一代采用訂做的四邊形棱鏡，Innovusion圖達通應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，與傳統鐵芯直流電機的區別在于轉子特有的空芯杯斜繞組的自承式銅線圈。這一開創性設計的固有特性包括非常低的轉子慣量、無齒滯或轉子位置。這些特性決定了電機具備獨特的高功率密度和高動態性能。最初由 Fritz Faulhaber Sr. 博士發明，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發射的激光經過準直透鏡從點球狀變為平行光束，再經過重疊環形鏡79發射，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構，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dfb外延，這種結構中光柵在p型層，這會導致寄生電阻和寄生電容增加，影響了dfb激光的調制速，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型半導體材料中，傳輸電流的載流子是電子，其具有比p型半導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型半導體材料中生長光柵，意味著有源區需要在光柵制作完畢后生長，而量子阱有源區與光柵的間距小于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認為垂直掃描器轉動就像一個風扇在轉動，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域，這個領域已經發展了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，即采購外延片做基板，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，只追求最高性能，追求最短時間內出貨，特斯拉新Model S使用功耗超過200瓦的AMD顯卡，在傳統車企看來，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，這是近乎瘋狂的設計。溫度適應性和可靠性幾乎都沒有考慮。不過這個時代，不是產品說了算，而是資本說了算，再好的產品，沒有資本捧場跟廢品沒區別。

原文標題：剖析市值最高激光雷達公司Luminar那近乎瘋狂的設計

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