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MEMS激光雷达被视为最快落地技术的三个原因

2019年04月15日 作者: 暂无评论 248+ 0
在从机械式激光雷达向固态激光雷达的演变过程中,一些企业选择直接进入全固态激光雷达,也有许多企业深耕于混合固态技术路线——MEMS激光雷达。那么,2019年真的会成为MEMS激光雷达技术路线元年吗?

一直以来,MEMS激光雷达都被视为在自动驾驶领域最快落地的商业LiDAR技术路线。2019年才过去四分之一,MEMS激光雷达领域投资的新闻以及各家新品的推出,让我们强烈地感受其落地的脚步声越走越近!

刚刚过去的3月,MEMS激光雷达厂商Innoviz Technologies(与宝马合作,计划在2021年将MEMS激光雷达集成于汽车)宣布完成C轮共计1.32亿美元的融资,投资方除了以色列投资机构以外,也出现了中国投资机构的身影(中国招商局资本、深创投和联新资本)。今年1月在美国拉斯维加斯举办的CES 2019,中国激光雷达领军企业速腾聚创和禾赛科技分别推出自家的MEMS激光雷达:RS-LiDAR-M1和PandarGT 3.0。在此之前,速腾聚创和禾赛科技是机械式激光雷达技术路线的佼佼者。在从机械式激光雷达向固态激光雷达的演变过程中,一些企业选择直接进入全固态激光雷达,也有许多企业深耕于混合固态技术路线——MEMS激光雷达。那么,2019年真的会成为MEMS激光雷达技术路线元年吗?

从Yole最新发布的《汽车和工业应用的激光雷达-2019版》报告中可以看出:MEMS和Flash技术路线更受到激光雷达制造商的青睐

我们知道,机械式激光雷达体积庞大且价格昂贵,如Velodyne 的32线激光雷达HDL-32E需要32组发射光源与32组接收光源进行一一对应调试,对装配要求非常高,量产出货效率堪忧;或者使用旋转镜,在不同方位和下倾角度,以略微不同的倾斜角度来控制单束脉冲激光,如法雷奥SCALA。光学相控阵(OPA)激光雷达作为全固态激光雷达之一,体积大幅减少,装配时间也可控,可靠性高,但受到芯片成熟度不足等各种问题的牵制,离落地还有一段较长的路要走。闪光(Flash)激光雷达暂时无法同时满足远近成像的要求,但随着单光子面阵探测技术的成熟,有望成为未来的激光雷达技术路线方向。

美好的故事开局:酝酿多年的MEMS微振镜

MEMS微振镜也称为MEMS扫描镜、MEMS微镜,本文统一采用MEMS微振镜表达。按原理区分,主要包括四种:静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动。其中前两种技术比较成熟,应用也更广泛。德州仪器(TI)在1996年就将静电驱动的MEMS微振镜成功实现了商业化应用。

MEMS微振镜工作示意图

何为MEMS激光雷达?本文将“采用半导体‘微动’器件——MEMS微振镜(代替宏观机械式扫描器)在微观尺度上实现激光雷达发射端的光束操纵方式”称为“混合固态”。同时,把采用上述光束操纵方式的激光探测和测距系统称为混合固态激光雷达或MEMS激光雷达。那么,为什么产生“混合固态”的概念呢?因为MEMS微振镜是一种硅基半导体元器件,属于固态电子元件;但是MEMS微振镜并不“安分”,内部集成了“可动”的微型镜面;由此可见MEMS微振镜兼具“固态”和“运动”两种属性,故称为“混合固态”。可以说,MEMS微振镜是传统机械式激光雷达的革新者,引领激光雷达的小型化和低成本化。

MEMS激光雷达工作原理图

之所以业界将MEMS激光雷达视为最快落地的技术路线,主要原因来自三个方面:

一是MEMS微振镜帮助激光雷达摆脱了笨重的马达、多棱镜等机械运动装置,毫米级尺寸的微振镜大大减少了激光雷达的尺寸,无论从美观度、车载集成度还是成本角度来讲,其优势都令人惊叹!

第二,MEMS微振镜的引入可以减少激光器和探测器数量,极大地降低成本。传统的机械式激光雷达要实现多少线束,就需要多少组发射模块与接收模块。而采用二维MEMS微振镜,仅需要一束激光光源,通过一面MEMS微振镜来反射激光器的光束,两者采用微秒级的频率协同工作,通过探测器接收后达到对目标物体进行3D扫描的目的。与多组发射/接收芯片组的机械式激光雷达结构相比,MEMS激光雷达对激光器和探测器的数量需求明显减少。从成本角度分析,N线机械式激光雷达需要N组IC芯片组:跨阻放大器(TIA)、低噪声放大器(LNA)、比较器(Comparator)、模数转换器(ADC)等。麦姆斯咨询估算每组的芯片成本约200美元,仅16组的芯片成本就高达3200美元。Innoluce曾发布一款MEMS激光雷达设计方案,采用MEMS微振镜,并将各种分立芯片集成设计到激光雷达控制芯片组,这样下来激光雷达的成本控制在200美元以内。

Innoluce采用MEMS微振镜的MEMS激光雷达设计方案,成本低于200美元

第三,MEMS微振镜并不是为激光雷达而诞生的器件,它已经在投影显示领域商用化应用多年。最成功的应用案例就是德州仪器(TI)的DLP(Digital Light Processing,数字光处理)显示,其核心技术则是德州仪器独有的“黑科技”——采用静电原理的MEMS微振镜组成的阵列,每一面微振镜构成一个单色像素,由微振镜下层的寄存器控制特定镜片在开关状态间的高速切换,将不同颜色的像素糅合在一起。此外,在3D摄像头、条形码扫描、激光打印机、医疗成像、光通讯等领域,MEMS微振镜也不乏成功应用案例。

时至今日,真正车规级的激光雷达只有一款,那就是来自法雷奥的机械式激光雷达SCALA,配置于奥迪2017年发布的Level 3自动驾驶汽车——奥迪A8。SCALA采用直接飞行时间法(Direct Time of Flight,DToF)测距,光束操作单元是旋转扫描镜,光源是高功率激光二极管,探测器是具有三个敏感单元的雪崩光电二极管(APD)阵列。当然,法雷奥还将计划推出采用MEMS微振镜的激光雷达:SCALA 3。那么,为什么MEMS激光雷达充满希望,并且MEMS微振镜技术在其它应用领域已经成熟,但还未出现真正车规级的MEMS激光雷达呢?

曲折的故事情节:MEMS微振镜从消费级走向车规级的鸿沟

首先,就MEMS微振镜本身来讲,技术门槛就很高。德州仪器的DLP技术傲视群雄,背面的故事则是:这项技术在1987年问世,最初仅用于国防,直到1996年才投入商业化应用,整整九年的时间,这家资金雄厚、技术开发能力强大的公司才获得了成功。其难度可窥见一斑。技术成熟且量产的MEMS微振镜企业基本集中在国外,比如被德国英飞凌收购的Innoluce、美国Mirrorcle、日本滨松、瑞士意法半导体、美国MicroVision等。可喜的是,中国MEMS微振镜企业近些年发展迅速,如西安知微传感、台湾Opus、苏州希景科技等。

其次,MEMS微振镜在投影显示等领域的成功无法复制到车载激光雷达。MEMS微振镜属于振动敏感性器件,车载环境下的振动和冲击容易对它的使用寿命和工作稳定性产生不良影响,使得激光雷达的测量性能恶化。因此,有必要对MEMS微振镜的隔离振动技术进行深入研究。激光雷达作为“人命关天”的关键传感器,要符合车规同时满足量产,要逾越的鸿沟尚需技术的提升和时日的堆砌。

再次,相比于用于机械式激光雷达的多棱镜和摆镜,MEMS微振镜尺寸确实大大缩小了,但带来的问题是限制了MEMS激光雷达的光学口径、扫描角度,视场角也会变小。

 

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