本文介绍常见的激光雷达扫描方案，纯固态电光扫描基本原理和优势，主要挑战，以及阜时科技的解决方案和展望。

01

传统激光雷达扫描方案

1. 扫描类型

从扫描方案的角度来区分，激光雷达一般会分为机械式、半固态和纯固态三种类型。

在车载领域，前向主雷达同时需要超过200m的检测距离，以及水平120°的FOV，因此，目前主要是以半固态激光雷达为主，扫描机构通常是以转镜、摆镜和MEMS振镜为核心的机械机构。

1）一维转镜的扫描方案

该方案的典型代表是禾赛AT128：

图片来源：Yole

禾赛AT128的转镜：

2）转镜+摆镜二维扫描方案

图达通Falcon激光雷达采用该方案：

图片来源：Yole

图达通Falcon激光雷达的转镜和摆镜：

3）MEMS微振镜扫描方案

例如速腾M系列均采用MEMS振镜方案，其中M1的系统架构如下：

图片来源：Yole

速腾M系列最新产品MX的MEMS振镜：

2. Flash激光雷达的局限

从激光雷达的演进历程来看，正在从机械式到半固态，再到纯固态的方向演进。

纯固态激光雷达完全没有机械部件，结构简单，体积小，可靠性高，降本潜力大，通常被认为是激光雷达的最终形态。

目前，纯固态激光雷达主要采用Flash方案，Flash激光雷达通过发射不同角度的激光束，来实现不同角度的探测：

然而，受限于发光功率和器件灵敏度等原因，Flash激光雷达往往无法同时兼顾远距离和大角度。

因此，目前Flash激光雷达一般做大角度近距离的补盲激光雷达，例如速腾聚创的E1，其检测距离是30m@10%，FOV为120°*90°。

或者，Flash激光雷达也可以做小角度长距激光雷达，用于车辆前方远距离小目标检测。例如华为Limera，其检测距离是200m，不过FOV只有30°*17°。

华为Limera：

因此，假如有一种纯固态的扫描方案，可以同时满足激光雷达的长距离和大角度检测，将会使得长距主激光雷达的纯固态化成为可能。

02

纯固态光扫描技术

1. 电光偏转器

在外加电场作用下，各向同性的晶体介质变为各向异性，从而产生折射率变化的现象，被称为电光效应。

电光偏转器（Electro-Optic Deflector，EOD）就是利用电光效应，通过电场作用下的材料折射率变化，使得激光束发生偏转。

在早期，EOD常采用基于光学棱镜界面的折射方案。棱镜可以使光发生折射，将电光晶体作为棱镜材料，通过电压控制棱镜与周围材料的折射率差，进而改变输出光束的偏转角度。方案如下图所示。

图片来源：福晶科技

该方案可实现激光束快速的偏转，但由于偏转只发生在两种材料的界面，偏转角度很小。要获得更大的偏转角度，需要利用多个棱镜组成阵列，此时会导致器件尺寸大、结构复杂，且需要较高的驱动电压，应用受到很大的限制。

该方案采用特殊形状的电极，在晶体内部制造梯度电场，在电光效应的作用下，在垂直于光束传播方向上形成梯度折射率分布，光束会向折射率梯度增加的方向偏转。结构示意图：

图片来源：Nakamura K等，low-voltage electro-optic beam deflection based on space-charge-controlled mode of electrical conduction in KTa1-xNbxO3

偏转过程示意图：

图片来源：福晶科技

该方案的偏转角度可通过外加电压控制，控制比较灵活，响应快速，器件尺寸也更小。

在该方案中，目前常用的材料是钽铌酸钾（KTa1−xNbxO3，简称KTN），该材料在特定温度下表现出很强的电光效应，可以实现较大的偏转角和偏转速度。

2. 声光偏转器

声波在光学透明材料（如SiO2、TeO2或PbMoO4）中传播时，会引起材料折射率的周期性变化，从而形成“光栅”，激光束通过时将发生衍射偏转。

图片来源：福晶科技

3. 液晶偏转器

液晶分子的取向在外加电场作用下会发生可逆变化，从而改变其折射率分布。

液晶偏转器（Liquid Crystal Optic Deflector，LCOD）利用该原理，通过控制电场，进而改变光波在液晶层中传播时的光程长度，实现光波指向的连续可调。

图片来源：福晶科技

用于LCOD的液晶材料主要是：向列型液晶（Nematic LC）、聚合物分散液晶（PDLC）、蓝相液晶（Blue Phase LC）、液晶硅（LCoS, Liquid Crystal on Silicon）等。

4. 热光偏转器

许多光学材料的折射率会随温度的变化而变化，热光偏转器（Thermo-Optic Deflector，TOD）通过在光波导或光学介质上引入局部加热结构，改变光在该区域的传播速度，从而实现光程的精确控制。

图片来源：Eun-Su Lee等，Frequency Response of Thermo-Optic Phase Modulators Based on Fluorinated Polyimide Polymer Waveguide

相对于EOD和AOD，TOD的优点在于结构简单、工艺成熟、易于与硅光子平台兼容，并具备较好的调制稳定性，但是光电转换效率比较低。目前TOD主流的技术路线有：硅基热光相位调制（Si Photonics）、氮化硅（SiN）、聚合物与新型高热光系数材料、混合集成与异质集成技术等。

5. 超表面偏转

超表面偏转（Metasurface-Optic Deflector，MOD）通过在纳米尺度上设计周期性或准周期性结构单元（meta-atoms），利用局域共振效应或波前调控效应来改变光的相位、振幅与偏振。

图片来源：Bo Xiong等，Controlling the degrees of freedom in metasurface designs for multi-functional optical devices

与传统透镜或光学元件不同，超表面能够在超薄的二维结构上实现复杂的光学功能，因而具有高集成度、轻量化和功能可编程等优势。目前MOD主要的技术路线包括：静态超表面、电控可调超表面、热控与相变超表面等。

03

电光偏转器在车载的应用

1. 主要优势

电光偏转器EOD由于响应速度快、角度控制方便，是目前固态偏转器的研究热点。

使用EOD固态扫描系统的激光雷达参考架构如下：

1）扫描角度非常灵活

机械式扫描机构受限于反射镜的物理运动，只能进行角度的连续扫描，角度无法跳变。

这就使得激光雷达的扫描变得非常灵活，可以实现多区、动态的ROI。

2）体积更小、可靠性更高、系统成本更低

这些优势主要来自两方面：

a）彻底消除机械结构，同时大幅简化激光发射接收的光学镜片数量。

b）电光偏转器可以同时实现水平角度和垂直角度的偏转，也就是说，是一个二维扫描单元。扫描的维度越高，所需要的激光雷达发射单元和接收单元就越少，成本就越低。

2. 主要挑战

由于通常电光偏转器的偏转角度小、光利用率低、偏转分辨率低等原因，在车载激光雷达领域，还没有工程化落地的成功案例。

1）偏转角小

最大偏转角决定激光的扫描范围，最终决定激光雷达的FOV。

基于空间电荷控制的电光偏转，其偏转角度取决于外加电压、介电常数、空间电荷密度和通光长度等。NTT公司曾在厚度为0.5mm、长度为5mm的晶体上施加±250V的电压，但是仅获得了±7.16°的偏转。

提高KTN电光偏转器偏转角度的主要方法有：增加通光距离、增加偏转电压，以及提升材料本身性能（提高二次光电系数）等。

增加通光距离意味着增加晶体长度，可能会降低光斑质量：

图片来源：福晶科技

增加的偏转电压也有上限，通常不超过600V/mm。

最优的方案是提升材料本身性能，即通过提高二次光电系数，来增大偏转角度。

2）偏转分辨率低

偏转分辨率即最大可分辨点数，定义为偏转角度与光束发散角的比值，该指标决定了光扫描的角分辨率。如下所示：

图片来源：Naganuma K, MiyazuJ,Yagi S. High-resolution KTN optical beam scanner

KTN偏转器的最大可分辨点数通常只能做到20左右，而传统的振镜、转镜和MEMS等机械偏转器件的最大可分辨点数较高，通常可以很容易超过1000。

一般是通过减少光束发散角，来提高分辨率。

3）光利用效率低

光利用效率是偏转出射光强和入射光强的比值，该指标反映了光偏转器的光能利用能力。

通常电光偏转器的光利用效率大概为10%，也就是有90%的光源能量被浪费了。

4）损伤阈值小

损伤阈值是指对于入射光功率的耐受度，大于此阈值后，材料就会发生不可逆的损伤。损伤主要是由激光导致的热效应引起，损伤阈值和材料吸收能量的效率有关。

KTN-EOD的损伤阈值仅0.26 MW/cm2，较小的损伤阈值会限制激光功率密度的提升，从而影响检测性能。

04

阜时科技“万向光控™”技术

阜时科技通过多年的技术攻关，开发了适用于车载激光雷达的EOD产品，偏转器平均响应时间小于100us，扫描范围达到120°，光利用效率达到80%。

如下是阜时科技自研的全固态光扫描方案样机：

1. 前级光处理透镜：主要是偏振透镜，将普通光转变为偏振光。使用偏振光能够提升光扫描模块的光利用率，且减少杂散光的互干扰损耗。
2. 电光偏转器：完成激光束的偏转。

电光偏转器是整个系统的核心。

1. 主要特点

1）相位调制精准

阜时科技采用了特殊的电光材料，实现了高精度且快速的光相位调制。

• 采用分段电压，进行精准的相位调制，使得偏转光束会聚且集中。在120° 的光偏转角度内，光的指向精度可达0.025°。相位控制越精准，杂散光的抑制效果也越好。

• 阜时科技设计的偏转器平均响应时间小于100us。即，假设激光雷达100ms内扫描120°的角度范围，一共可以扫描超过1000次，两次扫描的间隔小于0.12°。

2）偏转角度大

基于波动光学和数值仿真，阜时科技设计了特殊的微纳光学材料腔体，实现激光的透射偏转。同时，还使用微纳超表面透镜（Metalens），利用其半波干涉原理，进一步改变光的方向。

通过这些设计，阜时科技将电光偏转器的扫描角度提升到120°，且在大角度下仍然能保持较好的光效率。

3）光利用率高

阜时科技对电光偏转器模组进行了工程创新，减小了不同入射光条件与偏转器结构的匹配关系，减少了入射光损耗，将偏转模块的光利用率从10%提升到80%以上，达到世界领先的水平。

阜时科技全固态“万向光控™”光扫描功能演示：

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2. 全固态长距宽角激光雷达

基于“万向光控™”技术，阜时科技开发了全固态长距宽角激光雷达原型机，如下：

该样机的测距能力超过200m，FOV达到120°×20°，全域角分辨率0.1°×0.1°，点频密度可以达到 276万点/秒。

对于静态目标的扫描效果如下：

对于动态目标的扫描效果如下：

完整演示视频：

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05

结语

近些年来，激光雷达在自动驾驶和具身智能等领域广泛应用，市场规模不断提升。

根据灼识咨询的统计，全球激光雷达市场规模于2024年已达19 亿美元，并预计将由2025 年的35亿美元增加至2030年的413亿美元，复合年增长率为63.7%。

数据来源：灼识咨询、国际汽车制造商协会(OICA)、中国汽车流通协会乘用车市场信息联席分会(CPCA)，图达通招股书

伴随着市场规模的不断增加，激光雷达的技术革新层出不穷。新技术的不断应用，推动激光雷达产品的性能不断提升，体积逐渐缩小，价格持续降低。

以电光扫描为代表的纯固态激光扫描方案，由于扫描方案灵活、可以实现整机纯固态化、成本降低空间更大，未来在激光雷达的应用中，想象空间巨大。

据了解，使用阜时科技纯固态光扫描技术的激光雷达已经在开发中，将在2026年的年中，在智能割草机器人上正式量产。

一旦该技术成熟，纯固态方案将全面取代半固态方案，从而给激光雷达的产品形态带来巨大变化，对于整个激光雷达行业，也将产生深远影响。

文章转载自公众号：雪岭飞花

作者：雪岭飞花

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/6YtALJUd8jOlMSczkTAfGg