近年來，隨著自動駕駛、機器人等熱門行業興起，推動了核心感知傳感器的迅猛發展。其中，激光雷達因測量精度遠高于毫米波雷達以及其他標準雷達，且具有使用環境限制較小等優勢，成為了谷歌、百度、寶馬產品的傳感器首選。本文中，筆者以中國專利文摘數據庫（CNABS）和外文數據庫（VEN）已公開的專利文獻（檢索日期為2017年5月16日）為基礎，對激光雷達的專利申請進行統計分析，以期為國產新型激光雷達的研發提供參考。
國內專利申請后來居上
筆者通過專利檢索后發現，關于激光雷達的國外專利申請始于1959年，申請人來自德國，該專利申請用于軍事領域中的反坦克武器系統。直到20世紀初，該技術的發展一直較緩。從2001年起，國外激光雷達的專利申請量開始迅猛增長，每年申請量均在220件以上，2013年至2015年的申請量分別達到312件、395件以及344件。相比之下，國內激光雷達的專利申請量在2007年以前均未破百，但從2007年開始，專利申請量直線上升，2015年以及2016年達到高峰，分別為607件、776件。由此可見，近幾年該技術的國內申請量超過國外申請量，這在一定程度上反映了國內各企業、科研機構在激光雷達技術方面進行了大量研發。
從申請人分布來看，提交專利申請最多的申請人是日產，其次是三菱電子、電裝株式會社、博世、歐姆龍等，均是全球知名的自動化控制、汽車電子設備制造廠商，提交的專利申請多偏向于基礎專利。可以說基于這些企業較為完備的專利布局，目前激光雷達技術在一定程度上已經相當成熟，這給國內企業造成了一定的技術壁壘。另外，雖然申請量排名靠前的均是日本車企，但是美國車企和德國車企（如Velodyne，Quanergy、通用、lbeo等）也擁有不容小覷的技術實力。筆者分析發現，國內申請人主要集中在高校以及研發機構，其中中國科學院上海光學精密機械研究所、哈爾濱工業大學、武漢大學、中國科技大學，以及一些新創企業如深圳市鐳神智能系統有限公司、上海思嵐科技有限公司均是激光雷達技術的主力研發主體。
研究成果還需市場檢驗
筆者分析發現，直到2004年，國外專利申請中涉及的激光雷達大多是單線束或者多線束機械旋轉式結構，其主要通過機械旋轉部件，帶動激光發射、接收一起繞軸旋轉，每束激光掃描一個平面來實現全方位角度的探測。其中，線束數量越多，激光雷達的測量精度以及分辨率就越高，但同時體積也越大，價格也更高。從市場角度來看，價格高、體積大這一劣勢導致了激光雷達無法大規模應用。正因如此，低成本、小型化是目前新型激光雷達的重點研發方向。
通過梳理激光雷達專利申請，筆者總結了目前實現低成本、小型化目標的3種方式：
其一，利用微機電系統，即MEMS微振鏡，把所有的機械部件都集成到單個芯片中，通過微鏡驅動電路來帶動MEMS微鏡偏轉以實現激光掃描。利用半導體工藝生產，使得整個激光雷達的結構簡單，相比于傳統的機械式轉動平臺驅動的激光雷達，MEMS微鏡更易于精確地驅動與控制，也擁有更小的體積和重量、更低的功耗及成本。例如，豐田中央研究院于2008年提交的專利申請“光學掃描裝置以及機載激光雷達設備”，通過驅動反射鏡以及MESMS微鏡，使得激光光源陣列的發射光束能夠以預設的角度相對于光軸偏轉，這種光學掃描方式使得車輛四周的障礙物相對于車輛的距離能夠得以準確測定。又如哈爾濱工業大學于2014年提交的專利申請“基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學系統”，主要是利用MESM微鏡結合擴角系統，來實現波長為1550納米、入射光斑大小為1～2毫米的激光束對100米左右距離的目標進行60°大視場角掃描，具有掃描速度快、目標上光斑分辨率高等優點。
其二，采用光學相控陣技術，即通過電信號來控制光發射陣列中每個發射單元的相位差，進而改變激光的出射角度。相比于傳統機械掃描技術，由于激光光束完全由電信號控制，所以在允許的角度范圍內可以做到任意指向，可以在目標區域進行有選擇性的高密度掃描或者稀疏掃描，這對于駕駛環境的感知尤其有效。同時，其掃描精度或指向精度高，可做到1/1000度量級以上。例如，美國Quanergy公司于2015年提交的“平面波束的形成以及光學相控陣芯片”，采用了其核心的相控陣技術的全固態激光雷達，能夠實時三維測繪以及物體的跟蹤識別。目前，該全固態激光雷達已經進入產品化階段，可以說在相控激光雷達領域占據了絕對的壟斷優勢。又如大連樓蘭科技股份有限公司于2015年提交的專利申請“基于車載激光雷達的光波導光學相控陣掃描系統”，利用光波導電光效應，對波導芯層加載電壓，使得波束在波導真元輸出截面光場具有不同的相位差，進而引起光束的偏轉，實現光束的掃描。再如中國科學院上海光學精密機械研究所于2008年提交的專利申請“電光控制二維激光光束掃描陣列”，該技術采用10個鈮酸鋰晶體光電開關單元串聯結構，每個單元在電場控制下對光束方向90°偏轉，以實現分束和定向。同一列的每個光開關單元發射角度是唯一確定的，通過改變出射面傾角的設置，實現不同光束出射角度，可以靈活改變掃描范圍。
其三，混合固態激雷達技術，即在垂直于水平面方向均采用電子掃描技術，在水平方向則采用機械360°旋轉掃描。該技術主要具有掃描速度快、接收視場小、可承受高的激光功率等優點。目前，美國Velodyne公司以及Quanergy公司已經在市場上推出了相應的半固態旋轉激光雷達，這類產品在激光雷達的小型化、降低成本方面都取得了很大的進展。
總體而言，我國相關科研院校以及企業已經意識到激光雷達的小型化、低成本化是未來的發展趨勢，且已經投入到新型化激光雷達的研制中。但是相比于國外專利申請，國內科研院校以及企業的專利申請多偏重于理論性研究，距走向大眾市場還有一定距離。所以，將科研成果產業化是國產化新型激光雷達所需要解決的問題。
國內專利申請后來居上
筆者通過專利檢索后發現，關于激光雷達的國外專利申請始于1959年，申請人來自德國，該專利申請用于軍事領域中的反坦克武器系統。直到20世紀初，該技術的發展一直較緩。從2001年起，國外激光雷達的專利申請量開始迅猛增長，每年申請量均在220件以上，2013年至2015年的申請量分別達到312件、395件以及344件。相比之下，國內激光雷達的專利申請量在2007年以前均未破百，但從2007年開始，專利申請量直線上升，2015年以及2016年達到高峰，分別為607件、776件。由此可見，近幾年該技術的國內申請量超過國外申請量，這在一定程度上反映了國內各企業、科研機構在激光雷達技術方面進行了大量研發。
從申請人分布來看，提交專利申請最多的申請人是日產，其次是三菱電子、電裝株式會社、博世、歐姆龍等，均是全球知名的自動化控制、汽車電子設備制造廠商，提交的專利申請多偏向于基礎專利。可以說基于這些企業較為完備的專利布局，目前激光雷達技術在一定程度上已經相當成熟，這給國內企業造成了一定的技術壁壘。另外，雖然申請量排名靠前的均是日本車企，但是美國車企和德國車企（如Velodyne，Quanergy、通用、lbeo等）也擁有不容小覷的技術實力。筆者分析發現，國內申請人主要集中在高校以及研發機構，其中中國科學院上海光學精密機械研究所、哈爾濱工業大學、武漢大學、中國科技大學，以及一些新創企業如深圳市鐳神智能系統有限公司、上海思嵐科技有限公司均是激光雷達技術的主力研發主體。
研究成果還需市場檢驗
筆者分析發現，直到2004年，國外專利申請中涉及的激光雷達大多是單線束或者多線束機械旋轉式結構，其主要通過機械旋轉部件，帶動激光發射、接收一起繞軸旋轉，每束激光掃描一個平面來實現全方位角度的探測。其中，線束數量越多，激光雷達的測量精度以及分辨率就越高，但同時體積也越大，價格也更高。從市場角度來看，價格高、體積大這一劣勢導致了激光雷達無法大規模應用。正因如此，低成本、小型化是目前新型激光雷達的重點研發方向。
通過梳理激光雷達專利申請，筆者總結了目前實現低成本、小型化目標的3種方式：
其一，利用微機電系統，即MEMS微振鏡，把所有的機械部件都集成到單個芯片中，通過微鏡驅動電路來帶動MEMS微鏡偏轉以實現激光掃描。利用半導體工藝生產，使得整個激光雷達的結構簡單，相比于傳統的機械式轉動平臺驅動的激光雷達，MEMS微鏡更易于精確地驅動與控制，也擁有更小的體積和重量、更低的功耗及成本。例如，豐田中央研究院于2008年提交的專利申請“光學掃描裝置以及機載激光雷達設備”，通過驅動反射鏡以及MESMS微鏡，使得激光光源陣列的發射光束能夠以預設的角度相對于光軸偏轉，這種光學掃描方式使得車輛四周的障礙物相對于車輛的距離能夠得以準確測定。又如哈爾濱工業大學于2014年提交的專利申請“基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學系統”，主要是利用MESM微鏡結合擴角系統，來實現波長為1550納米、入射光斑大小為1～2毫米的激光束對100米左右距離的目標進行60°大視場角掃描，具有掃描速度快、目標上光斑分辨率高等優點。
其二，采用光學相控陣技術，即通過電信號來控制光發射陣列中每個發射單元的相位差，進而改變激光的出射角度。相比于傳統機械掃描技術，由于激光光束完全由電信號控制，所以在允許的角度范圍內可以做到任意指向，可以在目標區域進行有選擇性的高密度掃描或者稀疏掃描，這對于駕駛環境的感知尤其有效。同時，其掃描精度或指向精度高，可做到1/1000度量級以上。例如，美國Quanergy公司于2015年提交的“平面波束的形成以及光學相控陣芯片”，采用了其核心的相控陣技術的全固態激光雷達，能夠實時三維測繪以及物體的跟蹤識別。目前，該全固態激光雷達已經進入產品化階段，可以說在相控激光雷達領域占據了絕對的壟斷優勢。又如大連樓蘭科技股份有限公司于2015年提交的專利申請“基于車載激光雷達的光波導光學相控陣掃描系統”，利用光波導電光效應，對波導芯層加載電壓，使得波束在波導真元輸出截面光場具有不同的相位差，進而引起光束的偏轉，實現光束的掃描。再如中國科學院上海光學精密機械研究所于2008年提交的專利申請“電光控制二維激光光束掃描陣列”，該技術采用10個鈮酸鋰晶體光電開關單元串聯結構，每個單元在電場控制下對光束方向90°偏轉，以實現分束和定向。同一列的每個光開關單元發射角度是唯一確定的，通過改變出射面傾角的設置，實現不同光束出射角度，可以靈活改變掃描范圍。
其三，混合固態激雷達技術，即在垂直于水平面方向均采用電子掃描技術，在水平方向則采用機械360°旋轉掃描。該技術主要具有掃描速度快、接收視場小、可承受高的激光功率等優點。目前，美國Velodyne公司以及Quanergy公司已經在市場上推出了相應的半固態旋轉激光雷達，這類產品在激光雷達的小型化、降低成本方面都取得了很大的進展。
總體而言，我國相關科研院校以及企業已經意識到激光雷達的小型化、低成本化是未來的發展趨勢，且已經投入到新型化激光雷達的研制中。但是相比于國外專利申請，國內科研院校以及企業的專利申請多偏重于理論性研究，距走向大眾市場還有一定距離。所以，將科研成果產業化是國產化新型激光雷達所需要解決的問題。
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