丰田汽车在日本推出新款Mirai和雷克萨斯新款LS

本月，丰田汽车在日本市场推出丰田新款Mirai和雷克萨斯新款LS，新车配备Advanced Drive系统，该系统具备L2级自动驾驶技术。前者起售价格为860万日元（约合人民币51.5万元），后者起售价格为1794万日元（约合人民币107.5万元）。

之前本田曾经推出全球第一台L3车，实际是只生产100辆，只租不卖。不过丰田的价格也是够高的了，估计销量也不会高。

丰田这套自动驾驶系统完全达到L4级别，Advanced Drive系统包括一个定位用摄像头，一个前向主激光雷达，两个侧向激光雷达。还有3个ECU，分别是用英伟达Xavier的ADX，可能是瑞萨V3U的主计算ECU即ADS，英伟达的是做冗余系统，是失效时替代ADS的。还有一个专用于定位的ECU，称之为SIS。

这一套大约增加了66万日元硬件成本，也就是大约4万人民币的成本，未来或许丰田车可以选装，选装价格估计得20万人民币。加上雷克萨斯LS500H本来就标配的双目系统，构成完整的L4级自动驾驶。这一套系统中前向主激光雷达成本估计最高，大约1-1.5万人民币，两个侧向激光雷达合计大约5-8千人民币，3个ECU估计要1.2-1.4万人民币。软件成本无法估算，要看多少销量了。

丰田自动驾驶框架图

两个侧向激光雷达是德国大陆汽车的Flash激光雷达，即HFL-110。

HFL-110的有效距离大约30-50米，用在侧向是绰绰有余。

本文的主角是前向主激光雷达，由丰田控股公司电装开发，电装开发激光雷达的历史超过40年。在25年前，人们最早是寄希望于激光雷达的，当时毫米波雷达价格高达数万人民币，性能却很差，日本有不少企业都在努力开发激光雷达，虽然价格很高，但性能足以碾压毫米波雷达，在1995年电装开发了全球最早的量产车激光雷达，没错，就是1995年。

但是毫米波雷达价格持续下滑，在2005年，激光雷达就被彻底赶出市场。但电装并没有放弃，这次用在雷克萨斯LS500H的激光雷达，电装称之为第六代激光雷达，时间跨度超过20年。尽管过了25年，激光雷达成本也没降低多少。

一向谦虚低调的电装对这个激光雷达用词令人惊讶，电装丝毫不在意法雷奥的Scala激光雷达的感受，宣称自己是全球车辆检测距离最远的激光雷达，可达200米，同样宣称水平视场角（FOV）是120°，也是世界最高水平。

实际电装与Scala的设计如出一辙，只是巧妙地将单向变双向。同时电装可能是二代Scala的水准，也是16线设计，但也有可能更高，32线的设计。剖析电装的激光雷达，还是从专利入手，电装刚刚为自己的激光雷达设计申请了专利。

成品与专利图上的样子非常接近。

与Scala一样的设计，只是Scala只有一侧的激光发射器，电装是两侧。华为的第一代激光雷达也是这样的设计，当然，细节上会有所不同，否则有专利纠纷，华为的第二代激光雷达可能会是MEMS电磁振镜激光雷达。

上图是内部示意图。电装将激光雷达分为5个部分，分别是10代表发射部分、20代表旋转镜扫描部分、30代表接收部分、40代表框架、50系列代表光接收板。

10部分包括11和12两个激光源，13和14是激光发射透镜，15是激光偏转透镜。

上图是俯视图

这是法雷奥Scala的俯视图。法雷奥Scala的镜子是弧面的单面镜，电装是双面的平面镜。20a发射偏转镜。21是转镜模块，23是电机，22是分区盘partition plate。

21又包括211、212和213。211和212是两面镜子，贴在213上，这样无论镜子朝哪个方向转，都可以反射光，而不是像Scala那样是单向的。第一代Scala为什么不这么做呢？很简单，这样多了激光发射单元，成本就增加了。

这种设计确实没太多可说的，各方面都很成熟，性能也可以，特别是如果32线的话，就是成本降不下来。不过L3/L4就是成本高，就算降低了激光雷达的成本，其他成本也高。

丰田或者说电装的下一代激光雷达很可能是Flash激光雷达，目前丰田在侧向用了德国大陆汽车的Flash激光雷达，未来可能前向也是如此。早在2016年4月，电装投资了一家VCSEL公司，即TriLumina。目前Flash主要瓶颈就是VCSEL阵列功率密度不足，大约只有传统激光二极管功率的1/8-1/10。

TriLumina开发了一种独特的构架用于二维VCSEL阵列，使其同时具备高能量输出和高带宽调制。阵列使用集成的微透镜来进行光束整形和控制，并且使其可以对不连贯光束进行整流，以产生紧凑、高亮度、低噪声的信息源。再有就是倒装，传统VCSEL阵列都安装在基座上，并利用键合线进行电气连接。

TriLumina的板载VCSEL器件结构紧凑，由单个VCSEL阵列芯片组成，可通过标准的表面贴装技术倒装焊到印刷电路板上，无需用于VCSEL芯片的基座载具。TriLumina的VCSEL器件使用了带有焊料凸点的铜柱，并使用标准的无铅表面贴装技术直接安装到PCB上，凭借TriLumina独特的背发射结构，使其VCSEL具有优秀的内置气密性和出色的热性能。

TriLumina在2019年宣布推出业界首款获得汽车AEC-Q102一级认证的VCSEL阵列，意味着TriLumina的VCSEL阵列能够在-40℃至125℃之间可靠运行，满足极其严格的汽车运行条件。在2020年11月，全球第一大VCSEL厂家Lumentum收购了TriLumina的部分技术，即倒装芯片（flip-chip）和背发射VCSEL阵列。

Flash激光雷达又可看作是远距离的ToF相机，电装也申请了Flash激光雷达的专利，没有称其为激光雷达，而是叫ToF测距装置，实际是一个意思。电装申请了ToF激光雷达专利，这份专利目前只有日文版本。

这是一个典型的多级multi segment的Flash激光雷达。

反射率不同的物体，在激光雷达上表现差异很大。反射率很高的物体在激光雷达上表现比较突出，反射率低的物体，有时可能无法探测到。此外，远距离和近距离也会导致激光雷达的表现差异较大。

Flash激光雷达功率密度低，这就导致Flash激光雷达的有效距离很短，遇到低反射率的物体可可能无法探测到。电装的专利设计针对远近距离设计了两种发光策略。

这就是在近距离使用均一光，即全局快门。远距离使用集中光，即强发光。

个人也认为Flash是激光雷达的最终技术类型。Flash激光雷达最容易通过严格车规，体积最小、安装位置最灵活、全芯片化、成本最低（单价可轻松做到100美元以下）、性能挖掘潜力最大（深度相机近似于当年刚刚萌芽的CMOS图像传感器，最终取代了CCD），全球科技界在全局Flash领域的研发投入远远高于其他类型的激光雷达，全部都是超级巨头，包括博通、索尼、三星、苹果、意法半导体、英飞凌、AMS、Lumentum、东芝、松下、佳能、滨松、安森美、电装、丰田都在开发Flash车载激光雷达。

在光电领域，无论是SPIE国际光电工程学会，OSA美国光学学会，ISSCC国际固态电路协会几乎所有的论文都是有关Flash激光雷达关键部件SPAD或VCSEL的，传统的激光雷达论文完全没有。日本在CCD领域累积了丰富的经验，在SPAD领域拥有压倒性优势。

佳能、松下和索尼都开发出100万像素的SPAD，性能足以超越目前所有的激光雷达接收器件性能数倍乃至数十倍。三星在2020年底的国际固态电路研讨会上发表了A 4-tap 3.5μm 1.2Mpixel Indirect Time-of-Flight CMOS Image Sensor with Peak Current Mitigation and Multi-User Interference Cancellation的论文，提出了120万像素的ToF传感器（即SPAD）。

编辑：jq