MEMS激光雷達(dá)技術(shù)及其相比機(jī)械式激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)！

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，激光雷達(dá)設(shè)計(jì)面臨最大的挑戰(zhàn)是在達(dá)到性能和魯棒性目標(biāo)的同時(shí)，以合理的價(jià)格實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。位于德國(guó)慕尼黑的激光雷達(dá)（LiDAR）企業(yè)Blickfeld創(chuàng)始人FlorianPetit在接受GeospatialWorld的獨(dú)家采訪時(shí)談到，目前設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)激光雷達(dá)更像一臺(tái)機(jī)械旋轉(zhuǎn)設(shè)備，很可能無法實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，過去幾年的許多努力已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。

Blickfeld的遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)拍攝的街景頂視圖。街道顯示為藍(lán)色，樹木顯示為橙色。在白天能實(shí)現(xiàn)距離遠(yuǎn)至120米的200線掃描。

GeospatialWorld：請(qǐng)您詳細(xì)介紹MEMS激光雷達(dá)技術(shù)及其相比機(jī)械式激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)！

FlorianPetit：MEMS微鏡是非常值得選用的光束操縱單元。硅基MEMS微鏡通過光刻、刻蝕等工藝完成。MEMS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其精度高達(dá)納米級(jí)，且可擴(kuò)展性非常優(yōu)秀。一般來講，從一片標(biāo)準(zhǔn)尺寸的晶圓（例如直徑為200毫米）上可以生產(chǎn)出數(shù)百顆MEMS微鏡，所有晶圓都是在高度精確的管控下進(jìn)行批量生產(chǎn)。

如今，最常見激光雷達(dá)的光束操縱方式是機(jī)械式旋轉(zhuǎn)。這類非常復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備又大又重，生產(chǎn)效率低且成本高昂。機(jī)械式激光雷達(dá)的復(fù)雜性主要源于光束操縱單元，光束操縱單元的作用是使光束（激光和反射光）發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這些旋轉(zhuǎn)部件，如齒輪和馬達(dá)，會(huì)受到摩擦和磨損。激光雷達(dá)對(duì)精度要求非常高（典型的激光雷達(dá)應(yīng)用要求角度精度小于0.5度），這樣的旋轉(zhuǎn)部件對(duì)精度影響非常大。而且，旋轉(zhuǎn)部件容易磨損甚至失效，需要定期維護(hù)。這一問題激發(fā)了對(duì)固態(tài)激光雷達(dá)的需求，人們期待固態(tài)激光雷達(dá)能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健和持久的工作。

MEMS微鏡已經(jīng)存在多年，甚至在視頻投影機(jī)這樣的日常設(shè)備中得到了應(yīng)用。當(dāng)今MEMS微鏡的問題在于很難將其用于遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)。遠(yuǎn)距離探測(cè)和大視場(chǎng)角是激光雷達(dá)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。典型的MEMS微鏡的鏡面尺寸小，偏轉(zhuǎn)角度較小，因此無法達(dá)到理想的探測(cè)距離和視場(chǎng)角。

為了突破這些限制，Blickfeld為激光雷達(dá)開發(fā)了特殊的MEMS微鏡。這是專門為激光雷達(dá)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，并針對(duì)最遠(yuǎn)探測(cè)距離和視場(chǎng)角等問題進(jìn)行了優(yōu)化。鏡面尺寸大于10毫米，因此可以將最大程度地入射光引導(dǎo)至光電探測(cè)器，確保150米及以上的遠(yuǎn)距離和對(duì)低反射率物體的探測(cè)能力。此外，MEMS微鏡可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)120°的偏轉(zhuǎn)角度，從而獲得廣闊的視野。它采用標(biāo)準(zhǔn)硅基工藝生產(chǎn)，成本合理，可實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化生產(chǎn)。

這款MEMS微鏡的另一巨大優(yōu)勢(shì)是，根據(jù)其優(yōu)化后的激光雷達(dá)設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單：除了一些標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)元件外，還有一顆激光器、一顆二維MEMS微鏡和一顆探測(cè)器。這些組件組裝后的尺寸僅為80mmx60mmx50mm。激光發(fā)射到微鏡后，微鏡對(duì)光線進(jìn)行反射，完成機(jī)械式激光雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)射出。入射的反射光被微鏡操縱集成到同一光路，最后被探測(cè)器接收。這種所謂的同軸方式具有相同的輸入/輸出光路，具有很高的日光抑制優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高信噪比。

Blickfeld創(chuàng)始人Florian Petit

GeospatialWorld：除了自動(dòng)駕駛汽車，MEMS技術(shù)還有其它應(yīng)用嗎？

FlorianPetit：MEMS技術(shù)已經(jīng)廣泛用于各種應(yīng)用，如噴墨打印機(jī)、顯示器、汽車的加速度計(jì)（例如安全氣囊打開）。而將MEMS技術(shù)應(yīng)用于激光雷達(dá)則是一種全新的概念。MEMS的尺寸縮小，帶來的問題是與用戶對(duì)光學(xué)傳感器期待截然相反的結(jié)果，因?yàn)楦蟮某叽缫馕吨懿蹲礁嗟墓?，從而探測(cè)到更多的光。我們所做的是根據(jù)這些要求設(shè)計(jì)MEMS微鏡，在利用MEMS的優(yōu)勢(shì)（尺寸小、可量測(cè)）的同時(shí)，增加MEMS微鏡的孔徑，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)和開闊的視野。

GeospatialWorld：您如何預(yù)測(cè)固態(tài)激光雷達(dá)的未來？短期內(nèi)是否有可能會(huì)出現(xiàn)前沿創(chuàng)新技術(shù)擾亂市場(chǎng)？

FlorianPetit：固體激光雷達(dá)具有廣闊的發(fā)展前景。它們功能強(qiáng)大、成本更低、體積更小、集成度高，非常適合于自動(dòng)化應(yīng)用。關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的固態(tài)化，有幾種技術(shù)路線。但我們認(rèn)為，真正對(duì)市場(chǎng)帶來干擾將是以兼具合理成本和高性能的量產(chǎn)級(jí)固態(tài)激光雷達(dá)——我們相信，這將通過MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

GeospatialWorld：請(qǐng)您預(yù)測(cè)下認(rèn)為激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)？還會(huì)沿著之前的軌跡發(fā)展嗎？

FlorianPetit：大多數(shù)專家都同意激光雷達(dá)在不久的將來成為每輛自動(dòng)駕駛汽車不可或缺的傳感器。Yole在最新出版的《汽車和工業(yè)應(yīng)用的激光雷達(dá)-2019版》中預(yù)計(jì)，到2021年自動(dòng)駕駛汽車的總量將達(dá)到44000輛。與此同時(shí)，激光雷達(dá)市場(chǎng)也因此受益，預(yù)計(jì)將從2018年的13億美元增長(zhǎng)到2024年的60億美元。其中，汽車應(yīng)用占據(jù)激光雷達(dá)市場(chǎng)的70%份額。

2018~2024年激光雷達(dá)（LiDAR）市場(chǎng)預(yù)測(cè)

關(guān)于成本、尺寸、精度和魯棒性要求，固態(tài)激光雷達(dá)都被認(rèn)為比傳統(tǒng)的機(jī)械式激光雷達(dá)更優(yōu)秀。我們相信激光雷達(dá)將成為大眾產(chǎn)品，全面進(jìn)入現(xiàn)代生活的不同領(lǐng)域，為機(jī)器提供環(huán)境建模與導(dǎo)航。

GeospatialWorld：您認(rèn)為如何讓激光雷達(dá)成為主流傳感器且價(jià)格合理？

FlorianPetit：在我們看來，解決方案不是簡(jiǎn)單地購(gòu)買昂貴的組件，并用它們制造昂貴的激光雷達(dá)，寄希望于批量生產(chǎn)時(shí)會(huì)變得更便宜。同時(shí)，采用需要數(shù)十年研究才能完成的技術(shù)也不會(huì)得到具有時(shí)效性的解決方案。

我們認(rèn)為，目前已有許多性能優(yōu)秀的元器件和技術(shù)供選擇以建立一套合適的激光雷達(dá)系統(tǒng)。市場(chǎng)上部署的數(shù)百萬臺(tái)設(shè)備正在對(duì)元器件進(jìn)行大量使用和測(cè)試。例如，車規(guī)級(jí)激光器（905nm激光二極管），分辨率很高的探測(cè)器如可以探測(cè)單光子的硅光電倍增管（SiPMs），或硅基微鏡（MEMS微鏡）。然而，這些器件還沒有針對(duì)激光雷達(dá)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化——或者說還沒有找到適合這些元器件的激光雷達(dá)設(shè)計(jì)。

因此，我們認(rèn)為關(guān)鍵是讓每一種元器件與整個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)之間進(jìn)行適應(yīng)、調(diào)整和優(yōu)化。因此，要對(duì)激光器/探測(cè)器的光電特性進(jìn)行調(diào)整，滿足發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)和光束操縱單元的要求。對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)（同軸設(shè)計(jì)），盡可能抑制干擾光（陽光）。而且，可能最重要的是在兼顧距離、視場(chǎng)和環(huán)境條件方面的因素對(duì)光束探測(cè)單元進(jìn)行優(yōu)化。這項(xiàng)任務(wù)非常復(fù)雜，因?yàn)槠渲械脑骷旧砗軓?fù)雜，激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)也很復(fù)雜，而且還有更多的邊界條件，比如對(duì)高度自動(dòng)化生產(chǎn)的需求。

這對(duì)開發(fā)團(tuán)隊(duì)來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，需要來自光學(xué)、MEMS、信號(hào)處理、電子、軟件和生產(chǎn)技術(shù)等各個(gè)學(xué)科的專家攜手合作。

Blickfeld確定了機(jī)械式光束操縱單元的復(fù)雜性是激光雷達(dá)的主要問題。這個(gè)問題影響性能和生產(chǎn)的可擴(kuò)展性。因此，我們發(fā)明了一種專門為激光雷達(dá)應(yīng)用設(shè)計(jì)的硅基光束操縱單元——MEMS微鏡，可以創(chuàng)建性能和制造均可擴(kuò)展的激光雷達(dá)模組。這有助于我們克服機(jī)械式旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)的許多問題。

GeospatialWorld：高價(jià)格是激光雷達(dá)的主要制約因素，您認(rèn)為成本會(huì)大幅下降嗎？

FlorianPetit：通過使用硅基MEMS微鏡技術(shù)和現(xiàn)有元器件，在批量生產(chǎn)時(shí)，相比機(jī)械式激光雷達(dá)，成本可以大幅降低。

GeospatialWorld：激光雷達(dá)還能為普通消費(fèi)者帶來哪些“福利”？

FlorianPetit：激光雷達(dá)是一種用于3D環(huán)境感知的傳感技術(shù)。激光雷達(dá)可以提供高精度的環(huán)境距離圖像。捕獲的三維數(shù)據(jù)能直接表達(dá)場(chǎng)景的基本幾何特征，如形狀、大小和距離。在移動(dòng)應(yīng)用中，當(dāng)涉及到運(yùn)動(dòng)，在一定時(shí)間內(nèi)覆蓋一定距離時(shí)，這種三維數(shù)據(jù)對(duì)于安全感知周圍環(huán)境以及在其中進(jìn)行操作和導(dǎo)航至關(guān)重要。因此，汽車中的大多數(shù)感知傳感器，無論是超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)，還是具有圖像處理功能的二維攝像頭，都在致力于收集三維信息。激光雷達(dá)特別適合這項(xiàng)任務(wù)，因?yàn)樗鼈兛梢灾苯犹峁└叻直媛屎途_的三維點(diǎn)云，其質(zhì)量是其它傳感器技術(shù)無法比擬的。

激光雷達(dá)是一種可應(yīng)用于各行各業(yè)的關(guān)鍵傳感技術(shù)。激光雷達(dá)在許多領(lǐng)域都充當(dāng)推動(dòng)者的角色，將推動(dòng)自動(dòng)駕駛、智慧城市、機(jī)器人、無人機(jī)等應(yīng)用的發(fā)展。大多數(shù)普通消費(fèi)者將間接體驗(yàn)到激光雷達(dá)廣泛部署的好處。他們不會(huì)陷入交通堵塞，可以從A地到B地乘坐自動(dòng)駕駛汽車，物流鏈優(yōu)化也將包裹更快送達(dá)。

GeospatialWorld：英特爾旗下的Mobileye開發(fā)了一種新的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用高清攝像頭而不是激光雷達(dá)。這會(huì)對(duì)汽車激光雷達(dá)行業(yè)產(chǎn)生影響嗎？

FlorianPetit：與激光雷達(dá)相比，攝像頭在自動(dòng)駕駛汽車上的功能則不同。攝像頭探測(cè)的二維彩色圖像能“看到”交通燈或道路標(biāo)志。然而，當(dāng)涉及到測(cè)量距離或速度時(shí)，攝像頭面臨著很大的挑戰(zhàn)。要從攝像頭的圖像中獲取距離或速度信息，需要復(fù)雜的算法，即使這樣，也存在局限性。激光雷達(dá)提供準(zhǔn)確的長(zhǎng)短距離和高分辨率的三維環(huán)境信息，可用于ADAS應(yīng)用，如停車和堵車輔助、盲點(diǎn)檢測(cè)、車道保持、自動(dòng)緊急制動(dòng)和自適應(yīng)巡航控制，是L4級(jí)和L5級(jí)自動(dòng)駕駛車輛的必需傳感器。

GeospatialWorld：激光雷達(dá)行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？

FlorianPetit：激光雷達(dá)技術(shù)作為存在了幾十年的技術(shù)，已有達(dá)到高性能標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品供選擇。然而，今天的激光雷達(dá)的魯棒性還不夠強(qiáng)，非常重要的是無法以合理的價(jià)格大范圍推廣使用。這對(duì)于激光雷達(dá)進(jìn)入汽車市場(chǎng)來講是個(gè)巨大的問題。激光雷達(dá)在當(dāng)今高度自動(dòng)化的測(cè)試車輛中有著廣泛的應(yīng)用，并且有望成為自動(dòng)汽車傳感器組合的基本元器件，甚至未來在每輛車上會(huì)部署多個(gè)激光雷達(dá)。

GeospatialWorld：請(qǐng)您談?wù)凚lickfeld的情況及愿景？

FlorianPetit：Blickfeld于2017年在德國(guó)慕尼黑成立，開發(fā)基于硅基MEMS微鏡和現(xiàn)有元件的領(lǐng)先激光雷達(dá)技術(shù)。Blickfeld的激光雷達(dá)能以最高性能滿足大眾市場(chǎng)所需的成本和尺寸要求。2019年，Blickfeld將推出首款系列產(chǎn)品Cube，主要為自動(dòng)導(dǎo)航、高清地圖和其它激光雷達(dá)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。