第462期|打破歐美PET-CT技術壟斷，單光子探測車載雷達再破局

本期大咖

許鶴松

宇稱電子CTO

意大利特倫托大學博士，曾任意大利FBK研究所研究員，后入職艾邁斯（AMS）瑞士分部，負責SPAD dToF消費產品開發。

宇稱電子于2017年在中國杭州成立，并在歐洲等海外地區設立半導體研發中心，是全球領先的單光子探測集成電路科技企業，公司主要從事單光子敏感（Single Photon Sensitive）探測器SiPM & SPAD、高精度單光子信號處理芯片ASIC 以及基于單光子飛行時間成像系統（Single Photon Time-of-Flight Imaging System）的研發與設計。公司產品已廣泛應用于激光雷達、工業及醫療設備、消費電子等多個領域。

各位芯片揭秘的朋友，您是否了解，當醫生借助PET-CT為癌癥患者進行檢查時，設備中內置了一臺能夠 “數算光粒子” 的精密儀器 —— 它可捕捉人體細胞釋放的萬億分之一瓦微弱信號，其靈敏度堪比在體育場內分辨一根針落地的聲響。五年前，這類 “光粒子計數器” 幾乎完全依賴進口，致使一臺 PET-CT 設備售價高達上千萬元，許多基層醫院難以承擔。

而如今，一家中國企業成功研發出了這一 “神器”，不僅使國產設備成本降低三成，更在市場競爭中擊敗博通等國際巨頭，斬獲工業與醫療領域的大額訂單。這家企業便是宇稱電子，其研發的芯片究竟如何推動高端醫療設備價格下降？單光子探測技術除了應用于醫療診斷，還能助力自動駕駛汽車在霧天 “看清” 路況，甚至破解隱形戰機的隱身技術？

本期，我們特別邀請到宇稱電子的 CTO 許鶴松博士 —— 這位曾任職于瑞士艾邁斯半導體、后回國創業的技術專家，將為我們揭開單光子探測技術的神秘面紗。

單光子探測技術的“雨滴級解碼”

幻實：本期我們邀請到了一家專注于單光子敏感器件及讀出電路設計的企業——杭州宇稱電子技術有限公司（以下簡稱：宇稱電子），現在坐在我旁邊的，就是宇稱電子的CTO許鶴松博士。我了解到宇稱電子的產品特別有意思，打一個比喻，如果雨滴一滴一滴地落下來，如何用技術把這一滴滴的雨滴落下來探測清楚、識別清楚。宇稱電子正是做這樣的一個探測技術叫單光子探測技術，并在國內實現了多場景應用落地，斬獲了很多大單，同時在國際競爭中展現出顯著優勢。本期我要跟許博士好好請教一下，借此機會為我們科普單光子探測技術的原理，以及其核心芯片的技術門檻。

芯片揭秘 主播幻實（左）對話 杭州宇稱電子CTO 許鶴松（右）

許鶴松：我們目前通過芯片設計，已經形成了一些大規模量產的產品，包括在醫療、消費電子、汽車自動駕駛行業。我們的主要目標是推動單光子技術的產品化，通過這些產品為我們整個行業進行服務。因為傳統圖像傳感器的工作原理無法分辨單個光子，只能夠通過光線明暗的變化間接感知光子的數量多少，沒有辦法探測到單個光子。

幻實：傳統的方法是無法探測到單個光子的嗎？

許鶴松：對，光具有波粒二象性，其中粒子性是單光子探測的基礎。所以傳統技術難以實現單光子探測，我們基于一種新的技術叫作單光子傳感技術，其實是基于一種新型的關鍵器件，叫作單光子雪崩二極管，通過可控雪崩效應把它的增益變大，將單個光子轉化為可測量的強電流信號，形成一個數字化的輸出，就很容易被探測到。

波粒二象性：是微觀粒子（如電子、光子等）既表現出粒子性，又表現出波動性的雙重特性。這一概念是量子力學中的基本屬性之一，挑戰了經典物理學中“波”與“粒子”二元對立的傳統觀念。

幻實：這個技術有一定的門檻，否則這幾年來不會成為行業應用焦點。那單光子探測的核心難點究竟體現在哪些方面呢？

許鶴松：其實技術難點主要體現在技術層面與大規模量產層面。單光子探測技術在20世紀70年代的時候就被發現了，但是在大規模應用上仍面臨諸多挑戰。第一，當雨點打過來時是不是所有的雨點都能被檢測到，這就涉及到探測的問題。第二，在沒有雨點時，探測器自身有時也會發出噪聲，我們叫作背景噪聲。多年來，技術發展主要圍繞這兩個問題進行突破，一方面提升探測效率；另一方面降低噪聲水平，這也是主要的技術難點。此外，大規模制造和生產也是關鍵難點，在半導體行業及芯片設計領域，通過大規模量產平攤成本是核心要素。之前由于探測技術的市場規模有限，而近年來隨著自動駕駛、激光雷達等應用場景的拓展，百萬級或千萬級，甚至是億級的量產規模得以實現，從而將芯片設計前期研發的投入成本有效平攤。因此從技術研發和產品量產來說，這是兩個主要的難點。

宇稱電子車載激光雷達ASIC芯片MPA2083(圖源：宇稱電子）

幻實：所以說技術并非唯一的關鍵，商業化落地和成本控制往往是決定技術轉化的重要維度。那您提到該技術能實現單光子級探測，那么在其被發現初期，業界曾有哪些前瞻性構想？結合這么多年的市場化實踐，哪些場景最適合應用該技術？它又有什么獨特的探測手段和核心優勢呢？

SPAD與SiPM 的“場景化分工”

許鶴松：與傳統設想相比，單光子探測技術主要開辟了兩類創新應用場景：第一個為暗光探測場景，傳統成像技術在微光條件下是難以清晰成像的，因為它無法探測單個光子，但是基于新型探測技術，可實現星光級探測。以光照強度為例：太陽光下光照度約為100kLux（照度單位），夜間路燈環境下約1-10 Lux，郊外無燈環境下約1 Lux，在郊外有月亮時，大約0.1-0.01 Lux。如果無月光環境下僅可達到10?3-10??Lux。首先在沒有月亮的情況下，傳統的攝像頭很難探測到整個場景，而單光子探測技術仍能實現清晰成像。若在10?3-10??Lux的超低光照條件下，技術可達到與傳統攝像頭在常規光照下同等的探測效果。這在大場景尤其是在高速駕駛場景中具有重要意義。例如在夜間高速行駛時，傳統攝像頭依賴補光光源，如閃光燈，但補光瞬間易對駕駛員造成視覺干擾；而單光子探測技術無需補光光源，可直接實現環境探測。

幻實：這樣閃光燈的亮度需求就能降低了。

許鶴松：從應用的角度來說，該系統對駕駛員提供了更可靠的安全保障。其次，第二類的核心應用在于精確探測到單個光子的到達時間，可以用來進行距離探測。當前最典型的商業化落地就是汽車激光雷達，通過實時探測周圍環境距離信息構建三維空間模型。

幻實：所以我們早期提及的夜視技術開發。本質與當前場景也屬于夜視范圍。傳統手段僅能探測具備生命體征的物體，若沒有生命體征且采用紅外等方式探測會失效，就需要尋求新的方案。傳統思路是通過補光實現探測，而我們追求的是在無補光條件下仍能清晰觀測。

許鶴松：對，在特定場景下無法進行補光操作，否則會被探測對象察覺，因此無補光探測技術至關重要。

幻實：像這類成像數據的應用邏輯是怎么樣的呢？是直接服務于駕駛者，還是作為決策系統輸入？

許鶴松：在自動駕駛與高速安防應用中，單光子探測器輸出的數據需與激光雷達、傳統攝像頭、毫米波雷達等多源數據，通過中央處理單元進行融合分析。以車載系統為例，其運行邏輯類似于“域控大腦”：先由單光子芯片實現場景信息的 100% 真實還原，再通過傳感器融合算法整合至域控系統，最終生成決策依據 ，這是我們探測器單光子芯片的一個技術難點，也是一個核心挑戰。

幻實：成像質量和效率的平衡確實是技術難點，除了雪崩二極管，硅光電倍增管技術有沒有涉足呢？二者屬于不同的產品線嗎？

宇稱電子激光雷達專用ASIC MPT2042(圖源：宇稱電子）

許鶴松：所有核心技術都是基于單光子雪崩二極管這一基本單位，但通過不同的連接方式，例如并聯或串聯的方式，可以衍生出一些不同的產品。那么硅光電倍增二極管就是把大量微小的像素進行并聯起來，形成一個更大的感光區域。當光信號很強時，單個像素容易飽和，并聯更多單元可以提升探測能力，這時候我們就需要用到硅光電倍增二極管。基于不同場景，硅光電倍增二極管的尺寸會根據場景的大小進行調整，例如車載應用做得比較小，但是在醫療應用中則可能需要幾個毫米的器件。

幻實：這兩種呈現方式的產品在什么應用場景上使用量會更多？各有特色，還是硅光電倍增二極管的用量更多？

宇稱電子光子計數探測器MPI501(圖源：宇稱電子）

許鶴松：這兩個最終產品確實有細小的差別。在醫療或車載領域，硅光電倍增二極管應用相對廣泛。因為它可以形成一個較大的感光面積，探測效率就會隨之提高。而在醫療領域中，對于精度的要求非常高，需要盡可能收集到每一個入射光子。硅光電倍增二極管本身是一個模擬器件，需要配合一顆專門的讀出芯片協同工作，相當于是一個探測器，以便記錄光子的能量和時間信息。所以，在醫療領域和車載遠距離激光雷達中應用得較多。而單光子雪崩二極管也能夠形成數字化的陣列，這種形態更偏向于我們傳統的攝像頭，像素規?？梢宰龅胶艽?。所以這兩種形態在應用形式上會有區別，像大的數字化陣列會應用于在汽車中，例如在汽車中用于補盲激光雷達，因為它需要一個相對較大的視場角和較高的分辨率，以便識別到錐體或者兒童這類目標。

從醫療 PET-CT 壟斷突圍到車載激光雷達量產

幻實：您剛剛提到醫療行業，我也很想了解目前用在哪些類型的醫療檢測設備上？

許鶴松：目前我們應用于醫療設備領域，如PET-CT系統。這類設備價值較高。全身掃描機型進口設備約一個億，國產化后已降至2000萬-3000萬元。它是一個非常高端的醫療設備，之前在國外長期被GE、飛利浦和西門子壟斷。我們最開始研發芯片的初衷也是為了打破高端醫療的技術壁壘。

幻實：確實價格不菲，我安排家里人做過檢查，單次費用就要好幾千元。拍攝費用會讓很多人望而卻步。

許鶴松：對，因為拍攝一次費用較高，之前需要1萬多元，目前浙江省已經納入醫保，報銷一半費用，剩下一半費用仍需自費。這種設備在癌癥診斷中具有“金標準”。以往癌癥只能在術前，即發現癌癥的中期或晚期需要手術時，才能拍片確定癌細胞位置。而基于我們最新的探測技術，可用于初期篩查或體檢，能非常早期地篩查出癌癥。所以能夠降低整體PET-CT 的價格。

幻實：那PET-CT國產化是否可以理解為卡在這個關鍵環節上？

許鶴松：是的，之前國產化主要卡在探測器環節，因為過去相關物料、材料及芯片基本依賴國外采購。但目前國產化趨勢十分顯著，我們致力于為中國醫療設備發展做出自己的貢獻。當時我們與國外廠家進行競爭贏得訂單，同時將最新的醫療設備的技術指標做到全球領先，我很自豪。

杭州宇稱電子CTO 許鶴松

幻實：終于打破海外三家對我們的技術封鎖，所以我們首先在醫療領域取得突破，接下來轉向汽車領域。那做汽車領域是否會比研發醫療設備容易一些呢？

許鶴松：兩個領域各有特點，醫療領域對精度和技術指標要求更高，附加值也更高，但市場規模相對較小。

幻實：確實，沒有幾個客戶會采購大量這類設備，所以在車載領域的呈現方式是做成激光雷達？

許鶴松：是的，因為設備成本仍然較高，盡管我國正在推廣各類醫療設備，但需要一個過程。車載領域的要求不同，由于需要確保完全的安全，所以在車規認證和系統性認證方面需要做更多工作。我們主要芯片客戶是激光雷達，我們專注于探測器研發，客戶會結合發光、光學、掃描及其他部件組成激光雷達產品。

幻實：對，提到激光雷達就知道國內從事車規級激光雷達研發的公司十分艱辛，我國應該是全球激光雷達行業競爭最為激烈的市場了。

許鶴松：對，這也是因為客戶的客戶在市場中面臨激烈競爭。

激光雷達技術路線迭代中的 “中國解法”

幻實：想請教一下許博士，你如何看待激光雷達的幾個技術路線，例如混合固態、全固態以及 FLASH等技術方向？你們在其中選擇了怎樣的技術路徑？

許鶴松：在技術路線的選擇上，三年前行業還處于路線之爭的激烈競爭狀態。各家企業的技術路線差異顯著，但三年后的今天，盡管激光雷達的價格已降至較低水平——此前價格可能在3000元到5000元，如今行業已在探索 1000 元以下的成本控制。因為只有價格足夠親民，才能夠讓更多用戶享受到激光雷達的便利和自動駕駛的優勢。隨著價格下降，技術路線也逐漸明朗：在L2級自動駕駛場景中，僅需要一顆主視激光雷達，采用一維掃描的方式即可滿足需求了。

ASIC芯片MPT2022(圖源：宇稱電子官網）

許鶴松：若要實現L3級自動駕駛，無論如何都需要再增加幾顆補盲激光雷達，這就需要采用純固態技術方案。目前掃描方式已基本確定，但價格方面大家仍在探索進一步降低的空間。

幻實：所以固態技術已成定局，接下來就是成本競爭。您認為像特斯拉這樣的車企，未來是否會采用中國的激光雷達技術路線，而非全視覺攝像頭？

許鶴松：這涉及場景和價格兩方面的原因，國外駕駛場景相對比較單一、簡單。但國內場景非常復雜，包括電動車、行人、護欄等各種路況，所以純視覺方案無法百分百解決所有特殊情況。因此在中國市場，必須采用多傳感器融合，尤其激光雷達、毫米波和攝像頭的協同，才能做出最終決策。而且之前設備價格過高，但目前價格已降至相對合理的水平。

幻實：正是基于價格的因素，所以你們不會直接推出激光雷達產品，而是推出其中的探測芯片。

許鶴松：對，我們始終聚焦于研發最核心的探測器芯片。

激光雷達系統架構(圖源：宇稱電子官網）

幻實：所以激光雷達企業完全可以與你們開展業務合作，采用你們的芯片能夠有效降低其生產成本。還想請教您，您之前在瑞士大名鼎鼎的AMS工作，之后回國創辦本土企業，能否分享一下您的感受？我們剛剛交流時提到您是2021年回國，這幾年正處于創業初期，想必經歷了不少挑戰。您能否談談海外工作與國內創業的差異，以及您對中國行業現狀的看法？此外，對于正在創業的同仁們，您有哪些建議可以跟我們分享？

AMS：領先全球的先進傳感器解決方案與模擬IC設計和制造廠商，該公司專注于智能傳感器、光發射器及集成電路的研發與生產，產品涵蓋LED、激光器、光學傳感器、CMOS芯片等，廣泛應用于汽車照明、工業自動化、醫療成像及消費電子等領域。

許鶴松：之前在國外工作時，歐洲市場的競爭節奏相對舒緩。工作模式更傾向于長遠規劃，產品定義與技術迭代的周期通常為3～5年，但是對于中國市場來說，變化速度是截然不同的。以車載領域為例，過去產品迭代周期為1～2年，如今已縮短至每半年一次，這要求企業持續自我革新。此外，創業過程中不能僅聚焦技術和產品，更要緊貼市場和客戶需求，因為只有市場和客戶驗證的產品定義，才能以應用場景為導向，反向推動我們的產品設計與技術研發的迭代升級。

幻實：這確實是很多海外人才猶豫是否回國的關鍵因素，擔心無法適應國內的快節奏。最后想請您展望一下，如今公司初步布局已經成型了，且有優質客戶支撐，未來5年的發展規劃是怎么樣的呢？

許鶴松：從單光子技術的發展路線來看，20多年前已在醫療領域確立應用，10年前拓展至消費電子領域，近5年則在激光雷達市場站穩腳跟。我們在展望以后所有的場景時，我們也能夠看到單光子技術在其他領域也迎來一些新突破，一是在高能物理應用領域，重點布局粒子探測方向、推動相關科研設備的技術升級；二是在光譜拓展方面，目前技術聚焦于905/940nm波段，未來將向1350或者1550nm波段等非可見光波段延伸，開拓環境監測、量子通信等前沿場景。從應用場景來看，除車載激光雷達外，集成智能機器人、無人機等領域也會迎來爆發式增長，無人機也會慢慢用起激光雷達，來做更多的探測感知并進行決策。

幻實：所以單光子探測技術的應用前景值得期待。未來有望在更多領域看到雪崩二極管與單光子探測技術的展現。非常感謝許博士專業的科普，也祝愿貴公司發展蒸蒸日上，您當年回國創業的夢想能在商業化進程中早日實現。