光電探測(cè)器是將光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的元器件，在LiDAR系統(tǒng)中充當(dāng)“眼睛”的角色，是關(guān)鍵的傳感器。目前主要的光電探測(cè)器有雪崩光電二極管（Avalanche PhotonDiode，簡(jiǎn)稱APD）/單光子雪崩二極管（SinglePhoton Avalanche Diode，簡(jiǎn)稱SPAD）、硅光電倍增管（MPPC）和PIN光電二極管。

APD的工作模式分為線性模式和蓋革模式兩種。當(dāng)APD的偏置電壓低于其雪崩電壓時(shí)，對(duì)入射光電子起到線性放大作用，這種工作狀態(tài)稱為線性模式。在線性模式下，反向電壓越高，增益就越大。APD對(duì)輸入的光電子進(jìn)行等增益放大后形成連續(xù)電流，獲得帶有時(shí)間信息的激光連續(xù)回波信號(hào)。當(dāng)偏置電壓高于其雪崩電壓時(shí)，APD增益迅速增加，此時(shí)單個(gè)光子吸收即可使探測(cè)器輸出電流達(dá)到飽和，這種工作狀態(tài)稱為蓋革模式。工作在蓋革模式下的APD又被稱作SPAD。

下圖是2軸MEMS掃描鏡和 SPAD圖像傳感器在混合固態(tài)LiDAR中的應(yīng)用。

APD工作在蓋革模式下，單個(gè)光子即可使其工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)開、關(guān)之間的轉(zhuǎn)換，形成一個(gè)陡峭的回波脈沖信號(hào)，因而具備單光子成像的能力。該種光電探測(cè)器的靈敏度極高，探測(cè)距離理論上可以非常遠(yuǎn)，三千公里都不成問題，若干年前就已在軍事領(lǐng)域（隱形飛機(jī)、導(dǎo)彈系統(tǒng)）大有所為。因此，APD的蓋革模式非常適合用在LiDAR。

下圖對(duì)APD在線性模式和蓋革模式下的光子探測(cè)能力做了比較。

MPPC是一種俗稱硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）的新型光半導(dǎo)體器件，根據(jù)其原理可稱多像素光子計(jì)數(shù)器（Multi-Pixel Photon Counter，MPPC）。其由多個(gè)工作在蓋革模式的APD陣列組成，具有高增益、高探測(cè)效率、快速響應(yīng)、優(yōu)良時(shí)間分辨率和寬光譜響應(yīng)范圍等特點(diǎn)。

當(dāng)MPPC中的一個(gè)像素接收到一個(gè)入射光子時(shí)，就會(huì)輸出一個(gè)幅度一定的脈沖。多個(gè)像素如都接收到入射光子，則每個(gè)像素都會(huì)輸出一個(gè)脈沖，這幾個(gè)脈沖最終會(huì)疊加在一起，由一個(gè)公共輸出端輸出，以此達(dá)到更大的增益。

相比APD，MPPC的增益可達(dá)到10^5~10^6，這樣在理論上，可以在更短的時(shí)間內(nèi)得到更長的距離信息，探測(cè)帶寬也與APD不相上下。另外，擁有小而有效面積、更多像素結(jié)構(gòu)的MPPC不僅具備較快的時(shí)間特性（上升時(shí)間僅1納秒左右），還可利用它獨(dú)特的光子分辨能力，將不同表面反射率的物體識(shí)別出來，從而達(dá)到測(cè)距同時(shí)分辨物體表面特性的目的。從這些性能上來看，MPPC非常適合脈沖測(cè)距法的應(yīng)用，是自動(dòng)駕駛上一維激光雷達(dá)的理想“小伙伴”。

濱松于今年正式發(fā)布了最新的近紅外MPPC研制成果，推出了紅外增強(qiáng)型MPPC S13720系列。其在905納米處具有較高的探測(cè)效率，響應(yīng)速度快，工作溫度范圍寬，適合各種場(chǎng)合下的激光雷達(dá)應(yīng)用，尤其是使用ToF測(cè)距法的長距離測(cè)量。下圖是濱松推出的紅外增強(qiáng)型MPPC（硅光電倍增管）S13720系列。

硅PIN光電二極管成本低，且不易受周圍環(huán)境光的干擾，但相比APD/SPAD和MPPC，探測(cè)距離較短。硅PIN光電二極管的上升和下降時(shí)間非常短（通常為10納秒或更短），因此非常適合于接收25納秒數(shù)量級(jí)的光脈沖。此外，硅PIN光電二極管表現(xiàn)出非常高的線性度，甚至在強(qiáng)光條件下都可以檢測(cè)到非常小的信號(hào)。硅PIN光電二極管可形成一維或二維陣列，可以集成于速度快、無運(yùn)動(dòng)部件的2D或3D傳感器，從而對(duì)物體的存在、位置和速度提供快速且準(zhǔn)確的信息。

下面簡(jiǎn)單介紹幾家混合固態(tài)LiDAR的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)。

（1）LeddarTech

LeddarTech公司總部位于加拿大，專注于為自動(dòng)駕駛汽車和駕駛輔助系統(tǒng)開發(fā)自己的LiDAR技術(shù)。集成在汽車前大燈中的LeddarTech混合固態(tài)LiDAR，視場(chǎng)角60°x20°，探測(cè)距離300米（汽車）、200米（行人）。激光光源通過MEMS掃描鏡發(fā)射后形成行面陣，對(duì)前方物體和路面進(jìn)行掃描，具有高“距離/功率”比、在能見度較低的情況下完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)以及分辨多個(gè)目標(biāo)的能力。下面是LeddarTech混合固態(tài)LiDAR結(jié)構(gòu)示意圖。

（2）Pioneer

日本著名企業(yè)先鋒集團(tuán)（Pioneer），從影碟機(jī)技術(shù)積累轉(zhuǎn)戰(zhàn)LiDAR，從車載娛樂影音、導(dǎo)航延伸到自動(dòng)駕駛。先鋒正在開發(fā)一款高性能、緊湊、低成本的3D LiDAR傳感器。3D LiDAR采用MEMS掃描鏡，具有小孔徑透鏡的特征，并通過優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)，可以被投入到實(shí)際的車載應(yīng)用中。先鋒將向汽車制造商、ICT（信息、通信、技術(shù)）相關(guān)企業(yè)以及日本和海外一些公司提供3D LiDAR樣品，預(yù)計(jì)在2020年投入量產(chǎn)。下圖是先鋒近期發(fā)布的使用MEMS掃描鏡的3D LiDAR。

3）Cepton

Cepton成立于2016年，總部設(shè)在美國硅谷，由四位來自斯坦福大學(xué)背景、并有豐富經(jīng)驗(yàn)的半導(dǎo)體行業(yè)老兵創(chuàng)立。Cepton的技術(shù)比較特殊，團(tuán)隊(duì)成員稱其技術(shù)與MEMS掃描鏡是最相近的，但又不是MEMS掃描鏡，而是采用Micro-motion（微動(dòng)原理），并且自己開發(fā)了微動(dòng)器件。這家公司比較神秘，相關(guān)的專利還未到公開的時(shí)間（專利申請(qǐng)后需18個(gè)月才公開）。Cepton雖然未使用MEMS掃描鏡，但仍然采用微動(dòng)技術(shù)的半導(dǎo)體芯片，依然屬于混合固態(tài)LiDAR大軍。究其具體技術(shù)，或許明年我們就可以揭開神秘的面紗。下圖是CeptonHR系列LiDAR產(chǎn)品。

4）Draper

Draper是一家美國非盈利性研發(fā)組織，總部位于美國馬薩諸塞州的劍橋，其官方名為“The Charles Stark DraperLaboratory, Inc”。該研究組織專長于設(shè)計(jì)、開發(fā)并應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)解決方案，以解決國家安全、太空探索、健康醫(yī)療和能源領(lǐng)域的各種問題。其正在開發(fā)的一款混合固態(tài)LiDAR傳感器采用MEMS掃描鏡技術(shù)，預(yù)計(jì)在規(guī)模量產(chǎn)后，成本僅需50美元。這款LiDAR傳感器將具有300米的探測(cè)距離，角分辨率小于0.1度，掃描速率為20幀/秒。

（5）Spectrolab

Spectrolab是波音公司的全資子公司，是航天器動(dòng)力系統(tǒng)太陽能電池的全球領(lǐng)先供應(yīng)商。其推出的MLS201采用MEMS掃描鏡，1550納米短波紅外激光，探測(cè)距離為20米，適合室內(nèi)外物體的探測(cè)。

目前看來，混合固態(tài)LiDAR系統(tǒng)研發(fā)方面，國外企業(yè)已經(jīng)具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。而國內(nèi)企業(yè)如速騰聚創(chuàng)、鐳神智能、禾賽科技等則處于蓄勢(shì)待發(fā)的狀態(tài)。