集成式激光雷达能否将机器人之眼带入2.0时代？
激光雷达当前被广泛用于无人驾驶汽车和机器人领域，和视觉一起被誉为广义机器人的“眼睛”。作为移动机器人和自动驾驶车辆的关键传感器，激光雷达赛道近年来热闹非凡，过去一年，激光雷达迎来资本市场和商业化应用的双重利好。
2020年下半年，国内就有超过200家激光雷达厂商，除一众创业公司外，大疆、华为、科沃斯等各领域巨头也已相继入局，国内的激光雷达厂商禾赛科技已经提交了科创板招股书，其估值达到133亿元人民币。而在国外，Velodyne和Luminar则先后登陆美股，后者市值已经高达百亿美元；Aeva、Innoviz和Ouster三家也正在SPAC上市的进程中。
激光雷达的市场也确实有非常大的利润空间。于 2020 年 9 月完成 NASDAQ 上市的Velodyne 作为激光雷达行业龙头，预计 2020 财年营收0.94 亿美元，市值 40 亿美元左右；在营收规模方面，禾赛科技 2019 年营收增长率为 162.3%，达到3.48 亿元，2020 前三季度达到 2.53 亿元。在毛利率方面，禾赛科技的毛利率2017-2019也均高于 70%。
广阔的市场空间
下游市场的膨胀是促进激光雷达这个细分领域被资本密切关注并蓬勃发展的基本原因。
根据应用分类，激光雷达将分别应用于自动驾驶汽车、工业、无人机、机器人和 3D 绘图等终端市场之中。其中，自动驾驶领域的市场规模占比最大，预计2022 年将达到72 亿美元，占比约为 60.5%，而激光雷达是高级别无人驾驶技术实现的关键。
服务型机器人也是激光雷达使用的主要领域，目前主要应用范围包括无人配送、无人清扫、无人仓储、无人巡检等。机器人需求爆发，是2020年激光雷达应用场景的一大亮点。
目前机器人装载激光雷达的应用主要出于2方面考虑：
1)需要避障功能。例如AGV多采用磁轨导航技术，无法自主避障，而激光雷达可解决该短板。
2)导航视觉方案需优化。激光雷达可实现路径规划，不用额外安装反光板，定位精度、路径柔性高。据公开数据显示，激光雷达在工业领域持续放量，2020年AGV市场规模将较上年增长20%。
同时，激光雷达在C端应用场景需求一路走高。其中，扫地机器人销量暴增，据京东(JD.US)数据，1-9月扫地机器人销量同比增长91%。科沃斯、小米(01810)、美的、云鲸等激光导航式扫地机，主流都采用EAI激光雷达方案。
2020年，随着机器人应用持续起量，激光雷达逐渐从自动驾驶的“神坛“，走向更大众化应用场景，需求快速攀升，同时，部分车型自动驾驶方案落地，也为该赛道带来进一步利好。
难点与困境
但市场飞速发展下，有三点原因却依然是主机厂、自动驾驶公司、机器人、投资人公认的共同烦恼。这几个原因也导致行业无法快速进步，使得工程师们无法充分探索下游市场的应用技术和场景开拓。
1、价格，激光雷达动辄数万数十万的价格。
2、车规级和寿命问题。激光雷达产品达到车规级，需通过3个标准认证，进行车规振动、冲击、温度循环等试验。
3、性价比，满足车规级的同时要满足上百线数、数百万点频、百元美金级。
其中，成本是激光雷达最大痛点，因为成本直接影响了量产。早在2007年，Velodyne就推出64线机械式激光雷达，但售价高达8万美元，主要因为机械式的结构复杂、精密光学元件多，成本高昂，2019年，Velodyne宣布退出中国市场。
而车规级的认证限制也非常明显，激光雷达由于其应用范围的广泛与技术结构的复杂性，在实际应用中有着多种分类方式，按照功能用途、工作体制、载荷平台、工作介质、探测技术等分类方式均可得到不同的结果。虽然全球激光雷达多种多样，但过车规级的只有转镜式SCALA一种。
从技术上来看，OPA技术难度大，成本高昂，多用于航空、军工领域，商业化难度较大；成像式激光雷达的关键是面阵发射或探测芯片，其中被最多提及的flash方案探测距离受限、视场角和点频不足。混合固态激光雷达多数以牺牲分立模组旋转式的水平视场角，点频等性能参数，来换取成本降低和体积与重量等参数的优化。
要解决这些问题，满足大规模前装量产的要求，激光雷达新老玩家“同场竞技”，技术、量产是未来行业公认的2大竞争力。材料、工艺、光源集成这3大要素，依然是目前全球硅光技术普遍面临的难点。
但要快速实现应用推动，最快速的解决办法则是做到集成化。
集成为激光雷达带来什么？
为什么说集成化将会带来这么大的优势呢？回顾很多产品的发展历史来看，集成是改变产品发展路径的可行方法。
当前时代，芯片已经无处不在，利用半导体技术将分立芯片进行高度集成，不但使得很多早已存在的产品有了全新的形态，也直接催化诞生了很多颠覆性的新产品。纵观计算机、照相机、收音机等科技产品，集成化都是从初代产品迈向次世代产品的关键进化。
集成化使得企业更注重对材料体系、集成工艺、流片工艺、封装工艺等全流程的把控能力，快速打通产业链、技术水准壁垒、技术创新壁垒。激光雷达也必将迈向集成化。
然而在激光雷达行业，并不是所有的芯片化集成技术都能给激光雷达带来大幅度的性能提升和成本下降，只有将分立光学芯片及其配套元器件高度集成，才能带来产品形态及生产工艺的跃迁、大幅度降低生产成本、快速扩充产能，才能完成从分立式激光雷达向集成式激光雷达的进化。
激光雷达从1.0时代跨进2.0时代，真正的进入大规模商业应用的黄金时代，最关键的路径是光学芯片层面的集成化。
（计算机晶体管分立电路板与个人计算机集成电路）
(收音机半导体分立器件电路版与收音机集成电路)
(激光雷达分立器件与激光雷达集成电路)
从激光雷达的核心构造说起，本质上，激光雷达是一个由很多部件构成的光机电系统。其中，光电系统成本约占激光雷达整机成本的七成。光电系统由激光雷达发射模组、激光雷达接收模组，测时模组（TDC、ADC）、控制模组四部分构成。
其中，在光电系统中，测时模组与控制模组的占比，无论从体积、成本还是重量上来看，都是极小的部分，驱动、测时、控制模块这些辅助光学芯片工作的模组，其占据成本的比例很小，而光学芯片属性的集成激光发射芯片模组及接收芯片模组无论在成本还是体积、重量等维度上都起着至关重要的作用。
(以上数据均整理自64线激光雷达产品公开数据)
简单芯片化无法带来激光雷达产品形态和成本的质变，激光雷达最核心的是光学芯片。因此，业界也大多数人认为，下一个阶段激光雷达要实现小型化、轻量化、满足车规要求，并且推动降本，不仅仅是要实现测时模组和控制模组的芯片化，更重要的是要实现光学芯片的集成化，只有对光学芯片进行了集成的激光雷达，才可以称为是集成式激光雷达。
再将光学芯片的集成化细分来看，人工其实是原先激光雷达成本居高不下的原因之一，要想降本增效，要求产品内部模块在设计时，需考虑适应量产的模块，减少人工介入环节，并在后期大批量生产的供应链上，做好储备。
相较于传统分立式激光雷达，搭载集成激光收、发模组的集成式激光雷达，在生产工艺上，是通过光刻机直接将数十个光学通道在集成芯片上精确光刻而成，这替代60%以上的分立器件模组成本，同时不用人工胶粘逐线进行光学校准，节省掉原先占比25%的高额人工调试成本，同时由于减少了人力的因素，也能提高产品的稳定性、可靠性、一致性。
在产品形态上，通过芯片高度集成化，还减少了60%以上的非机械部分的体积和重量。这意味着随着激光雷达线数的增加，光学芯片集成带来的优势会更加明显。因为大幅度降本提质解决了当前激光雷达面临价格高、可靠性差、产能低下的核心痛点。
同时，集成激光雷达的体积、重量、光电系统成本远远小于传统分立式激光雷达，并且线数提升时保持不变或者小幅提升。因为集成激光雷达不论多少线数只需1-2次调试，占成本1%左右，这克服了原先传统分立式激光雷达随线数增加调试成本、调试难度和调试时间剧增的痛点。
疫情期间出现一个特殊现象，部分激光雷达价格上涨，导致下游应用产品成本波动，这是由于线数指数波动、供货周期变长导致。而由于集成激光雷达价格随着线数增加增幅不大，解决了分立式激光雷达价格随线数指数上升的问题，因而集成激光雷达能满足真正能实现高的性价比。
这些优势同时也会带来产能优势，迅速增加产能。在去年9月，锐驰智光（曾用名饮冰科技）就已经成功实现32线的集成收发芯片量产，其集成式激光雷达系列产品也将在近期推出，这可能是现阶段业内唯一的集成式激光雷达产品。
锐驰智光在生产过程中发现，集成多线激光雷达的生产甚至比工业级单线还要简单，这也是锐驰智光能够快速实现量产的主要原因。据了解，锐驰智光发现，因为芯片层面的集成使得零部件大量减少，调试工作减少，组装简单，因而十万台百万台级别的扩产对于集成式激光雷达来说也不再是难事。而随着后续技术创新及成本的大幅下降，也必将带来价格下降，解决激光雷达动辄数万数十万的价格问题。
锐驰智光集成模组：左一上一元硬币及32元线阵集成发射芯片左一下为32元线阵集成发射芯片 左二上为16线集成激光发射模组，左二下为16线集成激光接收模组 左三为64线集成激光发射模组，左三下为64线集成激光接收模组
车规级与寿命密码
集成解决了最大的成本问题，那么集成式激光雷达能否解决车规级和寿命问题呢？答案也是必然的。
提到车规级和寿命问题就不得不提一下激光雷达的分类，市场对于激光雷达的分类纷繁复杂，目前主流的激光雷达分类标准大致有光束扫描方法（机械装置部分运动维度）、测距原理及激光波长三种。
现阶段，分立模组旋转式、MEMS、转镜式、棱镜式等技术路线百花齐放，可谓激光雷达1.0时代机械装置层面的进步，但却无法带来本质性的质量提升和大幅度的成本下降，集成式激光雷达通过将光学芯片集成大幅降低了产品运动部分重量和体积（解决分立旋转式轴承受力过大问题），提升寿命；基于光学芯片集成的收发模组可应用旋转式、多种镜子式激光雷达，解决车规级问题。
不仅于此，集成式激光雷达还包含集成旋转式激光雷达、多种反射镜集成激光雷达，可解决车规级问题，同时线数和点频增加时，价格波动幅度不大，因而可以解决高性能高性价比车规级产品问题。
结语
作为移动机器人和自动驾驶车辆的关键传感器，激光雷达无疑已经进入了发展的快车道，而移动机器人与特定场景下的自动驾驶也是目前新战略的两大业务中心。
随着智能服务机器人技术的成熟，拥有低成本高性价比的激光雷达业务范围和辐射半径必然将不断增强，无人运送、无人清扫、无人巡检机器人在运营成本降低及服务效率提升等方面的优势将得以显现，对此类设备的需求也将不断提升。
根据沙利文的统计及预测，伴随全球服务型机器人出货量的增长以及激光雷达在服务型机器人领域渗透率的提升，至 2025 年激光雷达在机器人领域的细分市场预计达到 7 亿美元市场规模，2019 年至 2025 年的复合增长率为 57.9%。
同时，受无人驾驶车队规模扩张、激光雷达在高级辅助驾驶中渗透率增加、以及服务型机器人及智能交通建设等领域需求的推动，激光雷达整体市场预计将呈现高速发展态势，至 2025年全球市场规模为135.4 亿美元，较 2019 年可实现 64.5%的年均复合增长率。
政策层面，激光雷达是自动驾驶技术实现的关键技术设备，国家在自动驾驶领域颁布的规范化扶持政策，也助力国内激光雷达市场进一步扩张。未来，在系列移动机器人平台之外，新战略还将会以“园区无人驾驶”微信公众号和“无人驾驶网”这两大平台为载体，聚焦无人驾驶在园区、矿区、景区、港口、楼宇及机场等半封闭场景的落地应用及相关产业链的发展现状。
可以说，集成激光雷达通过光学芯片等集成，将激光雷达带入2.0时代。
作为一类高性能传感器，在无人驾驶的浪潮下，激光雷达无疑迎来了历史性的巨大发展机遇。激光雷达的代表企业锐驰智光在光学芯片等芯片设计和集成方面已经布局和研发了十余年，2020年5月在苏州完成了规模化生产工厂建设，并于2020年9月成功量产了32元集成激光收发芯片，锐驰智光的集成激光雷达系列产品将于近期陆续推出，这或许又是一个革命性改变的开始。
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