車載激光雷達(dá)將逐步成為車載雷達(dá)主力。根據(jù)Yole計(jì)算及預(yù)測(cè),2021年車載雷達(dá)市場(chǎng)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(guó)際電聯(lián)(ITU)預(yù)測(cè),2030年, 歐洲的車載雷達(dá)滲透率將達(dá)到65%,美國(guó)將達(dá)到50%。其中,2021年車載激光雷達(dá)(無人駕駛+ADAS) 市場(chǎng)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(gè)車載雷達(dá)市 場(chǎng)的26%,比2021年高出22個(gè)百分點(diǎn),CAGR高達(dá)66%。乘用車和Robotaxi/Robotruck持續(xù)增長(zhǎng)的需 求成為車載激光雷達(dá)市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)因素。
激光雷達(dá)的分類:從機(jī)械式到固態(tài)化
機(jī)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(jī)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(xiàng)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(xiàng)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(diǎn),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(duì)應(yīng)激光器、探測(cè)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(hào) 到發(fā)射模塊,激光驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(cè)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(duì)認(rèn)為:機(jī)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(cè)距原理的半固態(tài)激光雷達(dá)仍將占據(jù)市場(chǎng)的主要份額,一維、二維或MEMS等掃描方 式的技術(shù)路徑將會(huì)共存;長(zhǎng)期來看,固態(tài)FMCW是未來的技術(shù)路徑。
激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模&原材料BOM拆分
激光雷達(dá)出貨量&市場(chǎng)規(guī)模:根據(jù)沙利文預(yù)測(cè),受無人駕駛車隊(duì)規(guī)模擴(kuò)張、激光雷達(dá)在ADAS中滲透率增加等因 素推動(dòng),激光雷達(dá)整體市場(chǎng)預(yù)計(jì)將呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢(shì),至2025年全球市場(chǎng)規(guī)模為135.4億美元(約合914億元);其中,中國(guó)激光雷達(dá)市場(chǎng)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(jì)22年車載激光雷達(dá)出貨量為15萬臺(tái),23年激光雷達(dá)出貨量規(guī)模 在30~60萬臺(tái)。
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(gè)雷達(dá) $1000 : (1)發(fā)射模組即 VCSEL 加驅(qū)動(dòng)$100-$200,占比 20%;(2)接收端占 30%,對(duì)應(yīng)$300;(3)光學(xué)系統(tǒng)占比15-20%, 對(duì)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(diǎn)云管理、memory 等加起 來占比 30%,對(duì)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(lì)源周期性地驅(qū)動(dòng)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(cè)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(dòng)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(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)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(dòng)
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(duì)稱。VCSEL 主要結(jié)構(gòu)由p型和n型兩個(gè)分布式布拉格 反射鏡(DBR)及中間的有源區(qū)構(gòu)成。 VCSEL腔長(zhǎng)量級(jí)與波長(zhǎng)相近,容易實(shí)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(shì):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(diǎn);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(jiǎn)單,成本優(yōu)勢(shì)明顯。綜合上述優(yōu)勢(shì), VCSEL定會(huì)成為3D傳感市場(chǎng)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(diǎn),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(jí)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(zhǎng)穩(wěn)定性好、可靠性高、閾值電流小、功耗 低等優(yōu)點(diǎn),且易于與光纖耦合,易于單縱模發(fā)射和實(shí)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(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈優(yōu)勢(shì)顯著,壁壘在于質(zhì)量管控&一致性
光學(xué)部分——ONE PAGE SLIDES
國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈優(yōu)勢(shì)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(gè)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(gè)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(fèi)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(shì);(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(zhǎng)波的控制,濾光片、窗口片等產(chǎn)品更具性能優(yōu)勢(shì);并且在光電封裝及光路設(shè)計(jì)方 面優(yōu)勢(shì)更強(qiáng),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(kuò)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(zhǎng)焦鏡頭聚焦光束至光 電探測(cè)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(shí)際上有很多相似之處。激光雷達(dá)中的激光器、探測(cè)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(duì)表現(xiàn)、封裝、可靠性標(biāo)準(zhǔn)、量?jī)r(jià)等多維度對(duì)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)?;?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(duì)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(shí)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(jìng)爭(zhēng)力。
接收模塊:國(guó)內(nèi)廠商走向車規(guī),從APD向SPAD、SiPM進(jìn)階
探測(cè)器——激光雷達(dá)光電探測(cè)器發(fā)展歷程
在激光接收層面,根據(jù)光電探測(cè)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(cè)距。 2. APD技術(shù)較為成熟,是使用最為廣泛的光電探測(cè)器件。 3. SPAD理論增益能力是APD的一百萬倍以上,探測(cè)器效率的提高直接提高了激光雷達(dá)的探測(cè) 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(cè)的Flash激光雷達(dá)。 4. SiPM是多個(gè)SPAD的陣列形式,通過大尺寸陣列獲得更高的可探測(cè)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(jiǎn)單,工作電壓較低,用于高級(jí)激光雷達(dá)。
探測(cè)器——市場(chǎng)規(guī)模
雪崩光電二極管(APD)適用于激光測(cè)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(guó)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(zhǎng)空間。根據(jù)Maximize Market Research,2019年全球雪崩光電二極管(APD)市場(chǎng)估值為13013萬美元,預(yù)計(jì)到2027年將 達(dá)到17598萬美元,年復(fù)合增長(zhǎng)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(cè)距、高能物理、空氣粒子物理、分類和回收、危險(xiǎn)和威脅檢測(cè)、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(jì) 2027年全球SiPM市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1億9080萬美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率為7%。
探測(cè)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(shí)器件內(nèi)部電場(chǎng)極高,單個(gè)光子就可觸發(fā)雪 崩效應(yīng)產(chǎn)生能被外部探測(cè)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(shí)間呈指數(shù)級(jí)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(huì)停止,光生電流在納秒內(nèi)被增加到毫安培量級(jí),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(cè)和高速成像研究領(lǐng)域的熱點(diǎn) 技術(shù)之一。但SPAD芯片技術(shù)難點(diǎn)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(cè)效率(PDE),也涵蓋電路設(shè)計(jì)和制造工藝方面的問題。
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