第462期|打破欧美PET-CT技术垄断，单光子探测车载雷达再破局

本期大咖

许鹤松

宇称电子CTO

意大利特伦托大学博士，曾任意大利FBK研究所研究员，后入职艾迈斯（AMS）瑞士分部，负责SPAD dToF消费产品开发。

宇称电子于2017年在中国杭州成立，并在欧洲等海外地区设立半导体研发中心，是全球领先的单光子探测集成电路科技企业，公司主要从事单光子敏感（Single Photon Sensitive）探测器SiPM & SPAD、高精度单光子信号处理芯片ASIC 以及基于单光子飞行时间成像系统（Single Photon Time-of-Flight Imaging System）的研发与设计。公司产品已广泛应用于激光雷达、工业及医疗设备、消费电子等多个领域。

各位芯片揭秘的朋友，您是否了解，当医生借助PET-CT为癌症患者进行检查时，设备中内置了一台能够 “数算光粒子” 的精密仪器 —— 它可捕捉人体细胞释放的万亿分之一瓦微弱信号，其灵敏度堪比在体育场内分辨一根针落地的声响。五年前，这类 “光粒子计数器” 几乎完全依赖进口，致使一台 PET-CT 设备售价高达上千万元，许多基层医院难以承担。

而如今，一家中国企业成功研发出了这一 “神器”，不仅使国产设备成本降低三成，更在市场竞争中击败博通等国际巨头，斩获工业与医疗领域的大额订单。这家企业便是宇称电子，其研发的芯片究竟如何推动高端医疗设备价格下降？单光子探测技术除了应用于医疗诊断，还能助力自动驾驶汽车在雾天 “看清” 路况，甚至破解隐形战机的隐身技术？

本期，我们特别邀请到宇称电子的 CTO 许鹤松博士 —— 这位曾任职于瑞士艾迈斯半导体、后回国创业的技术专家，将为我们揭开单光子探测技术的神秘面纱。

单光子探测技术的“雨滴级解码”

幻实：本期我们邀请到了一家专注于单光子敏感器件及读出电路设计的企业——杭州宇称电子技术有限公司（以下简称：宇称电子），现在坐在我旁边的，就是宇称电子的CTO许鹤松博士。我了解到宇称电子的产品特别有意思，打一个比喻，如果雨滴一滴一滴地落下来，如何用技术把这一滴滴的雨滴落下来探测清楚、识别清楚。宇称电子正是做这样的一个探测技术叫单光子探测技术，并在国内实现了多场景应用落地，斩获了很多大单，同时在国际竞争中展现出显著优势。本期我要跟许博士好好请教一下，借此机会为我们科普单光子探测技术的原理，以及其核心芯片的技术门槛。

芯片揭秘 主播幻实（左）对话 杭州宇称电子CTO 许鹤松（右）

许鹤松：我们目前通过芯片设计，已经形成了一些大规模量产的产品，包括在医疗、消费电子、汽车自动驾驶行业。我们的主要目标是推动单光子技术的产品化，通过这些产品为我们整个行业进行服务。因为传统图像传感器的工作原理无法分辨单个光子，只能够通过光线明暗的变化间接感知光子的数量多少，没有办法探测到单个光子。

幻实：传统的方法是无法探测到单个光子的吗？

许鹤松：对，光具有波粒二象性，其中粒子性是单光子探测的基础。所以传统技术难以实现单光子探测，我们基于一种新的技术叫作单光子传感技术，其实是基于一种新型的关键器件，叫作单光子雪崩二极管，通过可控雪崩效应把它的增益变大，将单个光子转化为可测量的强电流信号，形成一个数字化的输出，就很容易被探测到。

波粒二象性：是微观粒子（如电子、光子等）既表现出粒子性，又表现出波动性的双重特性。这一概念是量子力学中的基本属性之一，挑战了经典物理学中“波”与“粒子”二元对立的传统观念。

幻实：这个技术有一定的门槛，否则这几年来不会成为行业应用焦点。那单光子探测的核心难点究竟体现在哪些方面呢？

许鹤松：其实技术难点主要体现在技术层面与大规模量产层面。单光子探测技术在20世纪70年代的时候就被发现了，但是在大规模应用上仍面临诸多挑战。第一，当雨点打过来时是不是所有的雨点都能被检测到，这就涉及到探测的问题。第二，在没有雨点时，探测器自身有时也会发出噪声，我们叫作背景噪声。多年来，技术发展主要围绕这两个问题进行突破，一方面提升探测效率；另一方面降低噪声水平，这也是主要的技术难点。此外，大规模制造和生产也是关键难点，在半导体行业及芯片设计领域，通过大规模量产平摊成本是核心要素。之前由于探测技术的市场规模有限，而近年来随着自动驾驶、激光雷达等应用场景的拓展，百万级或千万级，甚至是亿级的量产规模得以实现，从而将芯片设计前期研发的投入成本有效平摊。因此从技术研发和产品量产来说，这是两个主要的难点。

宇称电子车载激光雷达ASIC芯片MPA2083(图源：宇称电子）

幻实：所以说技术并非唯一的关键，商业化落地和成本控制往往是决定技术转化的重要维度。那您提到该技术能实现单光子级探测，那么在其被发现初期，业界曾有哪些前瞻性构想？结合这么多年的市场化实践，哪些场景最适合应用该技术？它又有什么独特的探测手段和核心优势呢？

SPAD与SiPM 的“场景化分工”

许鹤松：与传统设想相比，单光子探测技术主要开辟了两类创新应用场景：第一个为暗光探测场景，传统成像技术在微光条件下是难以清晰成像的，因为它无法探测单个光子，但是基于新型探测技术，可实现星光级探测。以光照强度为例：太阳光下光照度约为100kLux（照度单位），夜间路灯环境下约1-10 Lux，郊外无灯环境下约1 Lux，在郊外有月亮时，大约0.1-0.01 Lux。如果无月光环境下仅可达到10⁻³-10⁻⁴Lux。首先在没有月亮的情况下，传统的摄像头很难探测到整个场景，而单光子探测技术仍能实现清晰成像。若在10⁻³-10⁻⁴Lux的超低光照条件下，技术可达到与传统摄像头在常规光照下同等的探测效果。这在大场景尤其是在高速驾驶场景中具有重要意义。例如在夜间高速行驶时，传统摄像头依赖补光光源，如闪光灯，但补光瞬间易对驾驶员造成视觉干扰；而单光子探测技术无需补光光源，可直接实现环境探测。

幻实：这样闪光灯的亮度需求就能降低了。

许鹤松：从应用的角度来说，该系统对驾驶员提供了更可靠的安全保障。其次，第二类的核心应用在于精确探测到单个光子的到达时间，可以用来进行距离探测。当前最典型的商业化落地就是汽车激光雷达，通过实时探测周围环境距离信息构建三维空间模型。

幻实：所以我们早期提及的夜视技术开发。本质与当前场景也属于夜视范围。传统手段仅能探测具备生命体征的物体，若没有生命体征且采用红外等方式探测会失效，就需要寻求新的方案。传统思路是通过补光实现探测，而我们追求的是在无补光条件下仍能清晰观测。

许鹤松：对，在特定场景下无法进行补光操作，否则会被探测对象察觉，因此无补光探测技术至关重要。

幻实：像这类成像数据的应用逻辑是怎么样的呢？是直接服务于驾驶者，还是作为决策系统输入？

许鹤松：在自动驾驶与高速安防应用中，单光子探测器输出的数据需与激光雷达、传统摄像头、毫米波雷达等多源数据，通过中央处理单元进行融合分析。以车载系统为例，其运行逻辑类似于“域控大脑”：先由单光子芯片实现场景信息的 100% 真实还原，再通过传感器融合算法整合至域控系统，最终生成决策依据 ，这是我们探测器单光子芯片的一个技术难点，也是一个核心挑战。

幻实：成像质量和效率的平衡确实是技术难点，除了雪崩二极管，硅光电倍增管技术有没有涉足呢？二者属于不同的产品线吗？

宇称电子激光雷达专用ASIC MPT2042(图源：宇称电子）

许鹤松：所有核心技术都是基于单光子雪崩二极管这一基本单位，但通过不同的连接方式，例如并联或串联的方式，可以衍生出一些不同的产品。那么硅光电倍增二极管就是把大量微小的像素进行并联起来，形成一个更大的感光区域。当光信号很强时，单个像素容易饱和，并联更多单元可以提升探测能力，这时候我们就需要用到硅光电倍增二极管。基于不同场景，硅光电倍增二极管的尺寸会根据场景的大小进行调整，例如车载应用做得比较小，但是在医疗应用中则可能需要几个毫米的器件。

幻实：这两种呈现方式的产品在什么应用场景上使用量会更多？各有特色，还是硅光电倍增二极管的用量更多？

宇称电子光子计数探测器MPI501(图源：宇称电子）

许鹤松：这两个最终产品确实有细小的差别。在医疗或车载领域，硅光电倍增二极管应用相对广泛。因为它可以形成一个较大的感光面积，探测效率就会随之提高。而在医疗领域中，对于精度的要求非常高，需要尽可能收集到每一个入射光子。硅光电倍增二极管本身是一个模拟器件，需要配合一颗专门的读出芯片协同工作，相当于是一个探测器，以便记录光子的能量和时间信息。所以，在医疗领域和车载远距离激光雷达中应用得较多。而单光子雪崩二极管也能够形成数字化的阵列，这种形态更偏向于我们传统的摄像头，像素规模可以做到很大。所以这两种形态在应用形式上会有区别，像大的数字化阵列会应用于在汽车中，例如在汽车中用于补盲激光雷达，因为它需要一个相对较大的视场角和较高的分辨率，以便识别到锥体或者儿童这类目标。

从医疗 PET-CT 垄断突围到车载激光雷达量产

幻实：您刚刚提到医疗行业，我也很想了解目前用在哪些类型的医疗检测设备上？

许鹤松：目前我们应用于医疗设备领域，如PET-CT系统。这类设备价值较高。全身扫描机型进口设备约一个亿，国产化后已降至2000万-3000万元。它是一个非常高端的医疗设备，之前在国外长期被GE、飞利浦和西门子垄断。我们最开始研发芯片的初衷也是为了打破高端医疗的技术壁垒。

幻实：确实价格不菲，我安排家里人做过检查，单次费用就要好几千元。拍摄费用会让很多人望而却步。

许鹤松：对，因为拍摄一次费用较高，之前需要1万多元，目前浙江省已经纳入医保，报销一半费用，剩下一半费用仍需自费。这种设备在癌症诊断中具有“金标准”。以往癌症只能在术前，即发现癌症的中期或晚期需要手术时，才能拍片确定癌细胞位置。而基于我们最新的探测技术，可用于初期筛查或体检，能非常早期地筛查出癌症。所以能够降低整体PET-CT 的价格。

幻实：那PET-CT国产化是否可以理解为卡在这个关键环节上？

许鹤松：是的，之前国产化主要卡在探测器环节，因为过去相关物料、材料及芯片基本依赖国外采购。但目前国产化趋势十分显著，我们致力于为中国医疗设备发展做出自己的贡献。当时我们与国外厂家进行竞争赢得订单，同时将最新的医疗设备的技术指标做到全球领先，我很自豪。

杭州宇称电子CTO 许鹤松

幻实：终于打破海外三家对我们的技术封锁，所以我们首先在医疗领域取得突破，接下来转向汽车领域。那做汽车领域是否会比研发医疗设备容易一些呢？

许鹤松：两个领域各有特点，医疗领域对精度和技术指标要求更高，附加值也更高，但市场规模相对较小。

幻实：确实，没有几个客户会采购大量这类设备，所以在车载领域的呈现方式是做成激光雷达？

许鹤松：是的，因为设备成本仍然较高，尽管我国正在推广各类医疗设备，但需要一个过程。车载领域的要求不同，由于需要确保完全的安全，所以在车规认证和系统性认证方面需要做更多工作。我们主要芯片客户是激光雷达，我们专注于探测器研发，客户会结合发光、光学、扫描及其他部件组成激光雷达产品。

幻实：对，提到激光雷达就知道国内从事车规级激光雷达研发的公司十分艰辛，我国应该是全球激光雷达行业竞争最为激烈的市场了。

许鹤松：对，这也是因为客户的客户在市场中面临激烈竞争。

激光雷达技术路线迭代中的 “中国解法”

幻实：想请教一下许博士，你如何看待激光雷达的几个技术路线，例如混合固态、全固态以及 FLASH等技术方向？你们在其中选择了怎样的技术路径？

许鹤松：在技术路线的选择上，三年前行业还处于路线之争的激烈竞争状态。各家企业的技术路线差异显著，但三年后的今天，尽管激光雷达的价格已降至较低水平——此前价格可能在3000元到5000元，如今行业已在探索 1000 元以下的成本控制。因为只有价格足够亲民，才能够让更多用户享受到激光雷达的便利和自动驾驶的优势。随着价格下降，技术路线也逐渐明朗：在L2级自动驾驶场景中，仅需要一颗主视激光雷达，采用一维扫描的方式即可满足需求了。

ASIC芯片MPT2022(图源：宇称电子官网）

许鹤松：若要实现L3级自动驾驶，无论如何都需要再增加几颗补盲激光雷达，这就需要采用纯固态技术方案。目前扫描方式已基本确定，但价格方面大家仍在探索进一步降低的空间。

幻实：所以固态技术已成定局，接下来就是成本竞争。您认为像特斯拉这样的车企，未来是否会采用中国的激光雷达技术路线，而非全视觉摄像头？

许鹤松：这涉及场景和价格两方面的原因，国外驾驶场景相对比较单一、简单。但国内场景非常复杂，包括电动车、行人、护栏等各种路况，所以纯视觉方案无法百分百解决所有特殊情况。因此在中国市场，必须采用多传感器融合，尤其激光雷达、毫米波和摄像头的协同，才能做出最终决策。而且之前设备价格过高，但目前价格已降至相对合理的水平。

幻实：正是基于价格的因素，所以你们不会直接推出激光雷达产品，而是推出其中的探测芯片。

许鹤松：对，我们始终聚焦于研发最核心的探测器芯片。

激光雷达系统架构(图源：宇称电子官网）

幻实：所以激光雷达企业完全可以与你们开展业务合作，采用你们的芯片能够有效降低其生产成本。还想请教您，您之前在瑞士大名鼎鼎的AMS工作，之后回国创办本土企业，能否分享一下您的感受？我们刚刚交流时提到您是2021年回国，这几年正处于创业初期，想必经历了不少挑战。您能否谈谈海外工作与国内创业的差异，以及您对中国行业现状的看法？此外，对于正在创业的同仁们，您有哪些建议可以跟我们分享？

AMS：领先全球的先进传感器解决方案与模拟IC设计和制造厂商，该公司专注于智能传感器、光发射器及集成电路的研发与生产，产品涵盖LED、激光器、光学传感器、CMOS芯片等，广泛应用于汽车照明、工业自动化、医疗成像及消费电子等领域。

许鹤松：之前在国外工作时，欧洲市场的竞争节奏相对舒缓。工作模式更倾向于长远规划，产品定义与技术迭代的周期通常为3～5年，但是对于中国市场来说，变化速度是截然不同的。以车载领域为例，过去产品迭代周期为1～2年，如今已缩短至每半年一次，这要求企业持续自我革新。此外，创业过程中不能仅聚焦技术和产品，更要紧贴市场和客户需求，因为只有市场和客户验证的产品定义，才能以应用场景为导向，反向推动我们的产品设计与技术研发的迭代升级。

幻实：这确实是很多海外人才犹豫是否回国的关键因素，担心无法适应国内的快节奏。最后想请您展望一下，如今公司初步布局已经成型了，且有优质客户支撑，未来5年的发展规划是怎么样的呢？

许鹤松：从单光子技术的发展路线来看，20多年前已在医疗领域确立应用，10年前拓展至消费电子领域，近5年则在激光雷达市场站稳脚跟。我们在展望以后所有的场景时，我们也能够看到单光子技术在其他领域也迎来一些新突破，一是在高能物理应用领域，重点布局粒子探测方向、推动相关科研设备的技术升级；二是在光谱拓展方面，目前技术聚焦于905/940nm波段，未来将向1350或者1550nm波段等非可见光波段延伸，开拓环境监测、量子通信等前沿场景。从应用场景来看，除车载激光雷达外，集成智能机器人、无人机等领域也会迎来爆发式增长，无人机也会慢慢用起激光雷达，来做更多的探测感知并进行决策。

幻实：所以单光子探测技术的应用前景值得期待。未来有望在更多领域看到雪崩二极管与单光子探测技术的展现。非常感谢许博士专业的科普，也祝愿贵公司发展蒸蒸日上，您当年回国创业的梦想能在商业化进程中早日实现。