MEMS激光雷達被視為最快落地技術的三個原因

來源:微迷網    關鍵詞:MEMS, 激光雷達, 微振鏡,    發布時間:2019-06-19

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在從機械式激光雷達向固態激光雷達的演變過程中,一些企業選擇直接進入全固態激光雷達,也有許多企業深耕于混合固態技術路線——MEMS激光雷達。那么,2019年真的會成為MEMS激光雷達技術路線元年嗎?

一直以來,MEMS激光雷達都被視為在自動駕駛領域最快落地的商業LiDAR技術路線。2019年才過去四分之一,MEMS激光雷達領域投資的新聞以及各家新品的推出,讓我們強烈地感受其落地的腳步聲越走越近!


剛剛過去的3月,MEMS激光雷達廠商Innoviz Technologies(與寶馬合作,計劃在2021年將MEMS激光雷達集成于汽車)宣布完成C輪共計1.32億美元的融資,投資方除了以色列投資機構以外,也出現了中國投資機構的身影(中國招商局資本、深創投和聯新資本)。今年1月在美國拉斯維加斯舉辦的CES 2019,中國激光雷達領軍企業速騰聚創和禾賽科技分別推出自家的MEMS激光雷達:RS-LiDAR-M1和PandarGT 3.0。在此之前,速騰聚創和禾賽科技是機械式激光雷達技術路線的佼佼者。在從機械式激光雷達向固態激光雷達的演變過程中,一些企業選擇直接進入全固態激光雷達,也有許多企業深耕于混合固態技術路線——MEMS激光雷達。那么,2019年真的會成為MEMS激光雷達技術路線元年嗎?


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從Yole最新發布的《汽車和工業應用的激光雷達-2019版》報告中可以看出:MEMS和Flash技術路線更受到激光雷達制造商的青睞

我們知道,機械式激光雷達體積龐大且價格昂貴,如Velodyne 的32線激光雷達HDL-32E需要32組發射光源與32組接收光源進行一一對應調試,對裝配要求非常高,量產出貨效率堪憂;或者使用旋轉鏡,在不同方位和下傾角度,以略微不同的傾斜角度來控制單束脈沖激光,如法雷奧SCALA。光學相控陣(OPA)激光雷達作為全固態激光雷達之一,體積大幅減少,裝配時間也可控,可靠性高,但受到芯片成熟度不足等各種問題的牽制,離落地還有一段較長的路要走。閃光(Flash)激光雷達暫時無法同時滿足遠近成像的要求,但隨著單光子面陣探測技術的成熟,有望成為未來的激光雷達技術路線方向。


美好的故事開局:醞釀多年的MEMS微振鏡

MEMS微振鏡也稱為MEMS掃描鏡、MEMS微鏡,本文統一采用MEMS微振鏡表達。按原理區分,主要包括四種:靜電驅動、電磁驅動、電熱驅動、壓電驅動。其中前兩種技術比較成熟,應用也更廣泛。德州儀器(TI)在1996年就將靜電驅動的MEMS微振鏡成功實現了商業化應用。

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MEMS微振鏡工作示意圖

何為MEMS激光雷達?本文將“采用半導體‘微動’器件——MEMS微振鏡(代替宏觀機械式掃描器)在微觀尺度上實現激光雷達發射端的光束操縱方式”稱為“混合固態”。同時,把采用上述光束操縱方式的激光探測和測距系統稱為混合固態激光雷達或MEMS激光雷達。那么,為什么產生“混合固態”的概念呢?因為MEMS微振鏡是一種硅基半導體元器件,屬于固態電子元件;但是MEMS微振鏡并不“安分”,內部集成了“可動”的微型鏡面;由此可見MEMS微振鏡兼具“固態”和“運動”兩種屬性,故稱為“混合固態”。可以說,MEMS微振鏡是傳統機械式激光雷達的革新者,引領激光雷達的小型化和低成本化。

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MEMS激光雷達工作原理圖

之所以業界將MEMS激光雷達視為最快落地的技術路線,主要原因來自三個方面:

一是MEMS微振鏡幫助激光雷達擺脫了笨重的馬達、多棱鏡等機械運動裝置,毫米級尺寸的微振鏡大大減少了激光雷達的尺寸,無論從美觀度、車載集成度還是成本角度來講,其優勢都令人驚嘆!

第二,MEMS微振鏡的引入可以減少激光器和探測器數量,極大地降低成本。傳統的機械式激光雷達要實現多少線束,就需要多少組發射模塊與接收模塊。而采用二維MEMS微振鏡,僅需要一束激光光源,通過一面MEMS微振鏡來反射激光器的光束,兩者采用微秒級的頻率協同工作,通過探測器接收后達到對目標物體進行3D掃描的目的。與多組發射/接收芯片組的機械式激光雷達結構相比,MEMS激光雷達對激光器和探測器的數量需求明顯減少。從成本角度分析,N線機械式激光雷達需要N組IC芯片組:跨阻放大器(TIA)、低噪聲放大器(LNA)、比較器(Comparator)、模數轉換器(ADC)等。麥姆斯咨詢估算每組的芯片成本約200美元,僅16組的芯片成本就高達3200美元。Innoluce曾發布一款MEMS激光雷達設計方案,采用MEMS微振鏡,并將各種分立芯片集成設計到激光雷達控制芯片組,這樣下來激光雷達的成本控制在200美元以內。

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Innoluce采用MEMS微振鏡的MEMS激光雷達設計方案,成本低于200美元

第三,MEMS微振鏡并不是為激光雷達而誕生的器件,它已經在投影顯示領域商用化應用多年。最成功的應用案例就是德州儀器(TI)的DLP(Digital Light Processing,數字光處理)顯示,其核心技術則是德州儀器獨有的“黑科技”——采用靜電原理的MEMS微振鏡組成的陣列,每一面微振鏡構成一個單色像素,由微振鏡下層的寄存器控制特定鏡片在開關狀態間的高速切換,將不同顏色的像素糅合在一起。此外,在3D攝像頭、條形碼掃描、激光打印機、醫療成像、光通訊等領域,MEMS微振鏡也不乏成功應用案例。

時至今日,真正車規級的激光雷達只有一款,那就是來自法雷奧的機械式激光雷達SCALA,配置于奧迪2017年發布的Level 3自動駕駛汽車——奧迪A8。SCALA采用直接飛行時間法(Direct Time of Flight,DToF)測距,光束操作單元是旋轉掃描鏡,光源是高功率激光二極管,探測器是具有三個敏感單元的雪崩光電二極管(APD)陣列。當然,法雷奧還將計劃推出采用MEMS微振鏡的激光雷達:SCALA 3。那么,為什么MEMS激光雷達充滿希望,并且MEMS微振鏡技術在其它應用領域已經成熟,但還未出現真正車規級的MEMS激光雷達呢?

曲折的故事情節:MEMS微振鏡從消費級走向車規級的鴻溝

首先,就MEMS微振鏡本身來講,技術門檻就很高。德州儀器的DLP技術傲視群雄,背面的故事則是:這項技術在1987年問世,最初僅用于國防,直到1996年才投入商業化應用,整整九年的時間,這家資金雄厚、技術開發能力強大的公司才獲得了成功。其難度可窺見一斑。技術成熟且量產的MEMS微振鏡企業基本集中在國外,比如被德國英飛凌收購的Innoluce、美國Mirrorcle、日本濱松、瑞士意法半導體、美國MicroVision等。可喜的是,中國MEMS微振鏡企業近些年發展迅速,如西安知微傳感、臺灣Opus、蘇州希景科技等。

其次,MEMS微振鏡在投影顯示等領域的成功無法復制到車載激光雷達。MEMS微振鏡屬于振動敏感性器件,車載環境下的振動和沖擊容易對它的使用壽命和工作穩定性產生不良影響,使得激光雷達的測量性能惡化。因此,有必要對MEMS微振鏡的隔離振動技術進行深入研究。激光雷達作為“人命關天”的關鍵傳感器,要符合車規同時滿足量產,要逾越的鴻溝尚需技術的提升和時日的堆砌。

再次,相比于用于機械式激光雷達的多棱鏡和擺鏡,MEMS微振鏡尺寸確實大大縮小了,但帶來的問題是限制了MEMS激光雷達的光學口徑、掃描角度,視場角也會變小。

為了獲得最大化的光學口徑,MEMS激光雷達廠商追求大尺寸MEMS鏡面。但集成電路制造的從業人員都知道,芯片尺寸越大,成本越高;同時對缺陷越敏感,同一片晶圓制造出來的芯片良率與單顆芯片尺寸成反比,因此會大大增加制造難度和成本。同時,尺寸大帶來的問題是掃描頻率的降低,可能無法滿足車載激光雷達實時測距和成像的要求,MEMS激光雷達設計人員必然面對權衡尺寸和頻率的難題。

同時,為了獲得較大的掃描角度,需要大偏轉角度的MEMS微振鏡。但是,掃描系統分辨率由鏡面尺寸與最大偏轉角度的乘積共同決定,鏡面尺寸與偏轉角度是一對無法調和的“冤家”。解決該問題的方向有兩個:(1)通過調制驅動電壓頻率,讓MEMS微振鏡處于諧振工作狀態,此時最大偏振角度會被放大;(2)通過光學組件(如透鏡、衍射光學元件、液晶空間調制器)進行擴束,放大最大偏振角度。不過,擴束又會帶來眾多紛繁復雜的技術問題,這里不展開討論。

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機械式激光雷達(左)、MEMS激光雷達(中)和OPA激光雷達(右)掃描方式對比,受限于MEMS微振鏡的鏡面尺寸和偏轉角度,MEMS激光雷達掃描角度偏小

目前,美國MEMS微振鏡制造商Mirrorcle通過鍵合的方法,在加工完驅動器后,將另外加工的大鏡面組裝在驅動器上面,提高填充比,因此可提供尺寸大至7.5mm的MEMS鏡面,從而受到眾多MEMS激光雷達系統廠商的青睞。但是,Mirrorcle大尺寸鏡面的MEMS微振鏡價格在數千元。作為前期演示產品(DEMO),咬咬牙也就忍了,但一旦上量,如此高的成本是無法商用的。在這種情況下,我們看到國內外的一些激光雷達產業鏈廠商,通過自研或者投資/收購公司的方式,掌握MEMS激光雷達的命脈。如英飛凌收購荷蘭Innoluce,為MEMS激光雷達廠商提供芯片和方案;速騰聚創投資希景科技,布局MEMS激光雷達,據麥姆斯咨詢此前報道,希景科技開發的MEMS微振鏡鏡面直徑為5mm,已經進入量產階段;禾賽科技的PandarGT 3.0中用到的MEMS微振鏡則是由自研團隊提供。

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Mirrorcle官網提供的MEMS微振鏡產品報價單

工作溫度范圍也是MEMS微振鏡通過車規的一大門檻。通常情況下,車規級產品需要核心元器件滿足-40℃到125℃的工作范圍。在實際應用過程中,MEMS微振鏡的材料屬性(如楊氏模量和剪切模量)會隨著環境溫度的改變而發生變化,從而導致微振鏡運動特性的變化。因此材料的選擇和制造工藝對實現車規級MEMS微振鏡來說,是巨大的挑戰。

受限于MEMS微振鏡的鏡面尺寸,MEMS激光雷達接收端的收光孔徑非常小,成為其量產路上的棘手問題。這里補充一些激光雷達接收端的知識。由于只有一小部分脈沖發射的光子可以到達接收端光電探測器的有效區域。如果大氣衰減沿脈沖路徑不變化,激光光束發散度可忽略不計,光斑尺寸小于目標物體時,入射角垂直于探測器且反射體是朗伯體(所有方向均反射),則光接收峰值功率P(R)為:

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其中,P0為發射激光脈沖的光峰值功率, ρ為目標反射率,A0為接收器的孔徑面積,η0為探測光的光譜透射,γ為大氣衰減系數。

根據上面的公式,我們可以知道,光接收峰值功率與接收器孔徑面積成正比。因此,MEMS微振鏡的鏡面尺寸小的“硬傷”,讓MEMS激光雷達在接收信號時收光孔徑大大受限,光接收峰值功率也難以達到要求!

故事的結局會是完美的嗎?

針對MEMS激光雷達固有的問題,研究機構和企業也提出了不少嘗試方案。比如在光源的選擇上,選用1550nm光纖激光器;在光電探測器方面,選用陣列接收器。與MEMS微振鏡取長補短,打造車載可用的MEMS激光雷達。

比如,禾賽科技在2019年年初發布的MEMS激光雷達PandarGT 3.0,選擇是1550 nm光纖激光器。1550 nm波段的激光,其人眼安全閾值遠高于905nm激光。因此在安全范圍內可以大幅度提高1550 nm光纖激光器的激光功率,從而提高接收端的峰值功率,更適用于遠距離探測。

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禾賽科技推出的PandarGT 3.0實物圖

豐田旗下一個實驗室Toyota Central R&D Labs發布過MEMS微振鏡 + SPAD(單光子雪崩二極管)陣列實現了20米測量距離的激光雷達系統(Opt. Express 20, 11863(2012))。

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豐田(Toyota)Central R&D Labs采用SPAD面陣接收方式實現MEMS激光雷達

總之,自動駕駛的賽道已經開放,各種激光雷達技術路線都在這條賽道上競相追逐。雖然MEMS激光雷達的實力讓我們看好,但是面對嚴苛的汽車芯片“零缺陷”要求,MEMS微振鏡能否順利通過考核?固態激光雷達劇情是否會出現轉折點?有待時間見證!在此之前,我們有必要對各種激光雷達技術路線進行全面的學習和理解。


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