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探访滨松:“光”如何加速汽车行业进入智能汽车时代
发布时间:2018-11-21
本文转自雷锋网报道,原题目《探访日本滨松光子:“光”如何加速汽车行业进入智能汽车时代》。

距日本名古屋东南方向 120 公里之外的滨松,虽是一座人口不到百万的沿海城市,却创造了两个令当地人引以为豪的记录:它既是日本摩托车诞生地,又是日本电视机诞生地。

作为日本代表性的产业都市,雅马哈、本田、铃木、河合、丰田这样的知名企业与滨松及其周边地区有着深远的渊源。而在当地,作为和以上这些公司同样知名的,还有一个特别的企业——「滨松光子学株式会社」(Hamamatsu Photonics K.K.,以下简称滨松)。

滨松是一家已有60余年历史的光电企业,拥有电子管、固体、系统、激光四大事业部,以及以基础技术研发为目的的中央研究所,是目前全球光电传感器领域产品线最为丰富的厂商:4800 多种产品,近 4 万种标准产品型号。其在诸多领域有着极高的市场占有率。以光电倍增管为例,它在全球占高达 90% 的市场份额。因而行业里流传这样一种说法:滨松就是光电倍增管的代名词。

滨松部分产品一览

高市场占率的背后,与研发密不可分——滨松每年拿出销售额的10%左右投入到科研经费中。而其也在每五年举办一场技术展览会「PHOTON FAIR」(滨松光子展),来展示最新的技术成果。如果你去参观滨松的中央研究所,了解到数百名顶尖科学家持续在研发未来 5 到 10 年的新技术时,就会明白展览为什么会是五年一届了。

今年是滨松举办的第 13 届 PHOTON FAIR,主题为「Journey to the future of Photonics with Hamamatsu」(与滨松一起走向光子的未来)。这届展会也是滨松成立 65年以来首次大规模向海外客户和合作伙伴发出参观邀请,展示目前最新的光子技术。


 
PHOTON FAIR全景式展示这家公司最先进的产品、技术和对未来的愿景。滨松过去65年的沉淀,以及近5 年的最新成果均一一在这里展现,从汽车、医疗、制造、环境等领域,展示了滨松的光子技术无处不在。用滨松一位工作人员的话说,在 PHOTON FAIR,你可以体验光子技术带来的无限可能性。


本届PHOTON FAIR划分为六大应用展区:汽车、生活、医疗与生命科学、科学研究、制造、环境。

在滨松看来,其产品的通用性非常强,因为光子技术是相通的:在某个应用领域,可能突出的是某个参数;在另一领域突出的是另几个参数,产品的性能可能会根据不同应用而有所加强。但无论应用在哪个领域,滨松产品的全流程生产工序、自动化控制等都完全一致。

滨松的光电器件在诸多产业中扮演了核心的角色,其性能会直接影响上层产品的质量。因此滨松光子学株式会社社长兼 CEO 昼马明将光子技术称为「Key Enabling Technology」(关键使能技术)。

如果我们将具体应用聚焦在汽车领域,滨松并非新兵,其向车载市场供应专用光电元件已有超过 40 年的历史,而且丰田还是滨松的最大股东。

滨松半导体产品在汽车领域的应用

滨松车载用产品主要由其固体和激光事业部提供,主要为光电半导体及半导体激光光源。固体事业部营业推进产品企划负责人砂子有矢在接受雷锋网的采访时介绍道,滨松的产品不直接供给汽车制造商,而是供给Tier-1或Tier-2等汽车零部件制造商,所以很少被一般消费者所了解。其之前提供的光电元器件产品主要是用于提高汽车的舒适性,例如,用于调节空调风量的日照传感器、用于自动大灯的光亮传感器、用于自动雨刷的光源及配套二极管、用于汽车 MOST 网络通信的光 IC 等。

随着AI、自动驾驶的火热,在保证传统业务增长的同时,滨松也在探索新的增长点:「光」如何帮助汽车行业转型,加速进入智能汽车时代?

这里的门道值得探究。

与往届 PHOTON FAIR 不同,今年光子展主要以行业应用为主。汽车应用作为一个独立的展区,集中展示了滨松在这一领域的扫描技术、测距技术、光感技术与整体封装制造技术。而其中最为醒目的则是「激光雷达」。

激光雷达是自动驾驶非常关键的传感器,是汽车了解周围世界的可靠线索。如果我们观察在美国加州拿到DMV 自动驾驶路测牌照的62 家公司,95%的公司认为高分辨率的激光雷达必不可少。这足以说明,在自动驾驶中激光雷达不可或缺。

而滨松在这里扮演的角色,是为自动驾驶的「眼睛」提供关键元器件:光源和探测器。

砂子有矢向雷锋网介绍,目前滨松正在大力发展的,是为激光雷达厂商提供 Flash、扫描式等车载激光雷达技术所需的发光元件(激光器)和感光元件(检测来自对象物的反射光)。

脉冲激光二极管作为激光雷达上的光源,不仅需要高功率输出,还要兼具长距离探测、高分辨率。而为了配套光源的特性,高灵敏度的感光元件不容忽视。

为了满足上述特性,滨松提供的高功率陶瓷封装脉冲激光二极管,高灵敏度 APD(雪崩二极管)、MPPC(硅光电倍增管)等产品,可以分别满足激光雷达所需的高量子效率,高峰值功率,高可靠性和长波长的需要。

*滨松用于车载激光雷达的各类探测器特点对比
雷锋网注:MPPC(硅光电倍增管)、SPAD(单光子雪崩二极管)、APD(雪崩二极管)
 

 
展区中全面展示了滨松用于自动驾驶激光雷达各技术路线的多类光电半导体及激光二极管产品

最引人注目的,当然是新品了。滨松在光子展中展出了面阵与线阵的最新研发产品做成的激光雷达模块DEMO,用于展示产品的性能。其中,面阵产品(产品在研,尚未正式推出,本次仅为技术展示)内置了滨松最新的 SPAD Array(单光子雪崩二极管阵列),所涉及的应用场景是中距离、高精度的探测。

MEMS Mirror在扫描雷达中的应用DEMO

线阵产品则是通过滨松的 MEMS Mirror,激光器将其扫描成线阵光束,遇到障碍物反射之后通过阵列式的探测器(内置滨松的MPPC)能够实现 100 到 150 米的远距离探测。

1D线阵、2D线阵、2D栅式扫描(raster MEMS Mirror)MEMS振镜

总结来说,面阵产品用于中距离的高精度捕捉,更多是组合应用;线阵产品用于远距离探测(理论上到达 150 米以上),未来可用于 L3/L4 级别自动驾驶激光雷达系统中。


 
除此之外,包括单点和阵列APD、高速 APD、具有单光子探测能力的 MPPC 和 SPAD系列产品整体露面。它们可根据增益、探测距离和信噪比不同,应用在不同激光雷达产品上。

其中MPPC作为一种新型的光电半导体探测器被寄予厚望,与APD相比,增益大、工作电压低。据滨松的工程师介绍,MPPC既可以用于测距,也可以利用它独有的光子分辨能力,将不同表面反射率的物体进行识别。


ASIC自主研发和内置是汽车展区的另一个亮点。滨松将自研的 ASIC 匹配上自研的 MPPC,可以解决噪声与封装问题,同时缩小体积并大幅降低成本。


而跨阻放大器(TIA)的硅 APD (如上图)产品,滨松对其进行改良,将跨阻放大器和 APD 阵列的距离进行极限缩短,保证从有效信号到噪声的降低。

滨松还通过对硅技术的红外增强,实现对 905 nm探测器的最优化。为什么这么做?首先是硅产品的成本低廉,而905 nm的探测器是行业应用点。「我们将低成本化与可应用结合在一起。未来与汽车相关的产品一定是属于量大可应用的产品。」滨松工程师表示。

除了「技术」,「产能」也是一个重要的话题。近年来滨松相继成立了半导体产品后加工的新工厂、用于激光器的化合物半导体的前加工的工厂,目前也正在筹备生产光半导体模块的新工厂的建设。而值得一提的是,全球范围内许多光电半导体、光电子器件产品的设计和制造都是分离的,而滨松出产的一系列激光雷达探测器,从设计到半导体晶片加工、组装、检查,整体流程都在公司内完成。

2017年建成的滨松都田制作所第3栋,专门用于化合物半导体的研发和生产

「材料技术、封装技术、模块技术、电路技术和模拟试验技术等能够保证滨松的产品从头到尾有根可寻,有据可查。所有与汽车相关的产品,一定要有稳定性。通过检测设备,保证滨松出品的所有产品可靠、退货率降低为零,整体上能够保证产品在车载应用的可能性。」在谈到为什么所有工序都要在自家工厂完成时,滨松的工程师这样向雷锋网介绍。

 
车用半导体制造技术的展示

「我们也将继续采用这样的制造方式,保证滨松可以快速灵活地进行各种试作、实验、评价等工作。为了保证车载产品所要求的高品质,必须迅速反馈客户的诉求,进行规格参数和制造工序的变更、改善。正是由于我司是从开发到制造都在社内完成,才能够更加被客户信赖。」砂子有矢在谈到这个问题时说道。

激光雷达作为占据自动驾驶「半壁江山」的传感器,「量产和交付」是所有激光雷达公司在激烈竞争中安身立命的根本,也是滨松进入这一充满前景和想象空间的赛道上,助力激光雷达公司的产品量产与落地的关键因素之一。

近年,中国自动驾驶激光雷达市场也呈现出迅速发展的态势。砂子有矢说道:「中国客户的开发速度比其他地区快得多。我们也在努力,尽早地向中国客户提供我们最新的产品,以满足持续增长的需求。」

很多面向车载的产品都是根据客户要求定制的,为了快速满足这样的要求,滨松会定期对中国子公司——滨松光子学商贸(中国)有限公司(以下简称滨松中国)的工程师以及相关业务人员,进行新产品和开发品等产品和技术相关的培训,同时直接派出日本工程师进行客户访问等。

目前滨松中国拥有自己完整的销售、市场、产品技术的团队,总部设于北京,并在上海、深圳设有分公司,为中国客户提供快速、优质的服务。

PHOTONFAIR 汽车展区有一面展示墙:以「光技术和未来汽车」作为主题,上面写满了滨松内部员工理想中的自动驾驶汽车究竟是怎样的:安全环保、与 AI 融合语音控制汽车、通过自动驾驶解放人类双手,能有更多娱乐时间等等。


这些心声间接反映了滨松的愿景。正如在 PC 时代,每家电脑公司生产的电脑上面都印有「Intel Inside」。在智能汽车时代,滨松也希望以「Hamamatsu Inside」来促成更好出行方式的实现。在汽车智能化和电动化的潮流中,作为「关键使能技术」,滨松通过在最为基础光电技术的输出,最终落地在代表未来汽车应用的抬头显示(HUD)、测距(激光雷达)和整体车载相关(如用于车载网络光纤高速通信的光收发器)产品上,让更多人享受到光子这项技术带来的无限可能性。