無可動(dòng)元件，真正的全固態(tài)方案

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，激光雷達(dá)（LiDAR）可對遠(yuǎn)距離（200米及以上）的物體進(jìn)行探測、定位和分類，受到高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）和新興自動(dòng)駕駛汽車行業(yè)的熱捧。車載激光雷達(dá)通常用于行人識(shí)別、碰撞避免和緊急制動(dòng)。目前面臨的主要挑戰(zhàn)是：如何平衡測距范圍、分辨率和幀率等性能參數(shù)要求與尺寸、可靠性和成本等商業(yè)可行性之間的關(guān)系。

總部位于美國西雅圖市的初創(chuàng)企業(yè)Lumotive推出首款商用固態(tài)激光雷達(dá)，采用了基于液晶超表面（liquid-crystal metasurface，簡稱LCM）的獨(dú)創(chuàng)性光束操縱技術(shù)。LCM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對光束方向的操縱，形成的全固態(tài)解決方案有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)兼具高性能和商業(yè)可行性的激光雷達(dá)。

LCM是一種二維陣列形態(tài)的新型亞波長光學(xué)元件。當(dāng)受到電信號(hào)調(diào)制時(shí)，液晶的折射率發(fā)生變化，改變進(jìn)入納米級諧振器與從諧振器重新發(fā)射出來的延遲光子量。因此，每個(gè)諧振器充當(dāng)了可編程相位延遲元件的角色。

無可動(dòng)元件，真正的全固態(tài)方案

因此，Lumotive的技術(shù)類似于相控陣?yán)走_(dá)，這是一種利用天線陣列實(shí)現(xiàn)的相位控制電子掃描雷達(dá)，可產(chǎn)生一束無線電波，無需移動(dòng)天線就可通過電子化方式實(shí)現(xiàn)不同方向轉(zhuǎn)向。Lumotive指出，其LCM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無需可動(dòng)元件的全固態(tài)激光雷達(dá)解決方案。

顯然，相比機(jī)械式激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)，沒有了運(yùn)動(dòng)部件，全固態(tài)激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)更緊湊、性能更可靠，并且更具成本效益。LCM可以利用CMOS代工廠的常規(guī)材料和圖案化工藝在硅晶圓上實(shí)現(xiàn)。液晶與芯片用蓋玻片進(jìn)行密封封裝，這與硅基液晶（LCOS）顯示元件的封裝方式類似。再將標(biāo)準(zhǔn)液晶顯示器（LCD）驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行貼裝，提供驅(qū)動(dòng)諧振器的電壓。

Lumotive的激光雷達(dá)系統(tǒng)包含兩顆LCM芯片，分別用于發(fā)送和接收。當(dāng)使用常規(guī)液晶時(shí)，Lumotive的LCM芯片切換速度約為25微秒，這比LCOS和LCD的切換速度典型值（毫秒級）快得多。

Lumotive激光雷達(dá)系統(tǒng)包含兩顆LCM芯片，激光束從頂部發(fā)射，在底部被接收

掙脫光學(xué)孔徑“桎梏”

汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)之所以難以設(shè)計(jì)，是因?yàn)樗璧墓鈱W(xué)孔徑與視場角參數(shù)難以滿足。獲得較大的光學(xué)孔徑至關(guān)重要，因?yàn)榻邮斩斯鈱W(xué)孔徑的大小決定了系統(tǒng)對光的聚集能力，從而決定測量距離、分辨率和幀率等參數(shù)。光學(xué)孔徑大還意味著可以傳輸功率更大的激光束，并且不會(huì)超出人眼安全的功率密度閾值。而采用MEMS微鏡作為光束操縱元件的MEMS激光雷達(dá)機(jī)械掃描系統(tǒng)，隨著孔徑大小的增加，視場角也會(huì)減小。

Lumotive的LCM通過調(diào)整超表面的液晶涂層可以實(shí)現(xiàn)光束在120 x 30度的視場角內(nèi)有效分布，并獲得最大25 mm x 25 mm的光學(xué)孔徑。因此，新型LCM光束操縱技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的探測距離。Lumotive已為其固態(tài)光束操縱技術(shù)申請了專利，該公司稱該技術(shù)可以滿足激光雷達(dá)對測量距離、視場角、分辨率和系統(tǒng)尺寸的要求。

Lumotive已經(jīng)發(fā)布了兩款基于LCM技術(shù)的激光雷達(dá)系統(tǒng)：X20和Z20，分別針對汽車和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。X20的測量距離達(dá)到120米以上。Z20的測量距離較短，約50米，但垂直視場角為70度，非常適合各種工業(yè)應(yīng)用。滿足消費(fèi)者和移動(dòng)市場需求的Lumotive M20將于2021年推出（相關(guān)新聞：《蘋果新款iPad Pro示范效應(yīng)，汽車激光雷達(dá)廠商跨界手機(jī)應(yīng)用》）。

Lumotive激光雷達(dá)原型X10（左），首款量產(chǎn)激光雷達(dá)X20（中）

Lumotive聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官William Colleran談到“大家知道，一種3D傳感系統(tǒng)無法同時(shí)滿足不同應(yīng)用的需求。我們的基礎(chǔ)架構(gòu)使我們能夠有效地?cái)U(kuò)展技術(shù)以滿足特定的市場需求，同時(shí)采用CMOS制造工藝實(shí)現(xiàn)具有明顯的成本優(yōu)勢?！?。

Lumotive激光雷達(dá)系統(tǒng)包括發(fā)射、接收和光束操縱模塊。汽車產(chǎn)業(yè)Tier 1供應(yīng)商或工業(yè)傳感器供應(yīng)商可以采購任意模塊，以構(gòu)建或改善自己的激光雷達(dá)產(chǎn)品。

Yole分析師Alexis Debray表示：“用于ADAS和自動(dòng)駕駛汽車的激光雷達(dá)市場規(guī)模將在2019年至2025年期間出現(xiàn)顯著增長，有望從1.17億美元增長至23億美元。”按照Yole預(yù)測，2019~2025年期間激光雷達(dá)市場規(guī)模的復(fù)合年增長率將達(dá)到64%。