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力策科技:机械式LiDAR保障财务健康,相控阵LiDAR追赶科技前沿
2018-11-02 14:50:37   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

力策科技成立于2013年10月,技术团队由来自光电子、信息与计算机科学等专业博士组成,面向机器人、工业自动化、智能家居、无人机等高科技行业,以开发消费级高性能激光雷达(LiDAR)为目标,致力于推动新型激光雷达在不同行业的实用化。

微访谈:力策科技总经理张忠祥

采访背景:深圳市力策科技有限公司(以下简称“力策科技”)成立于2013年10月,技术团队由来自光电子、信息与计算机科学等专业博士组成,面向机器人、工业自动化、智能家居、无人机等高科技行业,以开发消费级高性能激光雷达(LiDAR)为目标,致力于推动新型激光雷达在不同行业的实用化。

力策科技从创立之初就以“让科技走进生活与生产”作为基本理念,既不片面追逐热门科技概念,也不盲目挖掘技术深度,而是孜孜不倦地寻找科学技术改善与改变人们生活和工业生产的点点滴滴。今年12月21日,由麦姆斯咨询在深圳会展中心主办的『第二十五届“微言大义”研讨会:激光雷达技术及应用』上,力策科技总经理张忠祥受邀将到会发表主题演讲,那就让我们提前了解力策科技及其团队情况吧!

力策科技总经理张忠祥

力策科技总经理张忠祥

麦姆斯咨询:张博士,您好!激光雷达圈内人士都拜读过您写的一篇博文《激光雷达固态化:技术进化与创业江湖》,麦姆斯咨询的微信公众号(MEMS)也曾转载。您在文中将激光雷达的发展历史、技术流派及难易点梳理得非常清楚,我们受益匪浅。首先请您介绍下自己,然后谈谈创建力策科技的初衷吧!

张忠祥:谢谢您的肯定,写那篇文章的出发点是理清一些媒体曝光比较多的技术内容,同时也是方便我们后续融资的时候跟投资人讲清楚技术要点。文章发出来后也确实引发了不少同行与投资人的有益探讨,在此一并感谢。我本科毕业于中国科学技术大学,专业偏计算机方向。2007年本科毕业后赴香港中文大学攻读电子工程专业,于2011年拿到了博士学位,专业方向偏硬件的光电子方向。毕业后在香港生产力促进局工作了两年多,算是完成了我从学术界转向产业界的过渡,拿到孔雀计划后回深圳创业。

谈到创办力策科技的初衷,或者说创业的初衷,可能跟我的个人经历有关系吧!我是从偏应用的软件学习转到偏物理的光电子领域,一直以来,我也秉承这一个理念来学习,那就是技术的未来是应用,我对技术的兴奋点还是在于能够深入改变我们的生活和生产领域。而彼时(2014年)的激光雷达虽然还没那么火热,但是作为一个高效的非接触式信息获取工具,其应用前景已经可以预期了。

麦姆斯咨询:力策科技的技术服务涵盖激光雷达系统、激光雷达应用软件、微器件设计与加工。您能谈谈具体的服务展开方式吗?

张忠祥:我们前几年的产品研发阶段,以技术服务作为一个创收手段,主要为客户提供一些定制化的turn-key(一站式)技术方案,期间我们执行的一些项目包括向Velodyne的代理商提供技术支持和应用拓展方案、MEMS器件加工等。激光雷达是一个光、机、电一体的精密系统,特别考验团队的协作能力。力策科技虽然团队规模不大,但是这几年通过自己的产品研发和对外提供的技术服务,技术能力慢慢磨练出来了,团队成员在各自领域都有独立担当能力。在财务上,这些技术服务项目在融资前也养活了我们。2017年之后,我们基本以自主产品研发和产品销售为主了。

麦姆斯咨询:我们了解到,力策科技团队在2015年2月将研发方向从拉曼传感激光雷达转向测距型激光成像雷达(飞行时间测距+光学相控阵成像)。请您从技术角度为大家解释下拉曼传感激光雷达与测距型激光成像雷达两者之间的异同,以及您们作此决策的原因。

张忠祥:力策科技创立之初,我们确实是打算做拉曼传感激光雷达的,用于短距离(若干米)的材料检测,例如玻璃。选择这个方向,源于以前我在香港工作期间的一些技术积累和客户基础,资金上有深圳市外专局留学生创业补贴项目的支持,同时也得到了一些大玻璃厂的配合。大概持续了小半年的市场接触后,发现这个方向的应用比较窄,在进行市场拓展时我们遇到了很大的困难。而那时机器人创业非常火热,导航型激光雷达的市场需求非常明确,我们当时办公地址所在的深圳留学生创业大厦楼上楼下就能找到客户,于是我们在2015年初果断转向了测距型激光雷达研发。

至于拉曼传感激光雷达和测距型激光雷达之间的技术差异,我们做拉曼传感激光雷达时是以做仪器的态度来进行的,在成本控制、体积等方面的目标都很容易达到,但是系统复杂度会高于测距型激光雷达,对信噪比的要求也远高于测距型激光雷达。然而测距型导航雷达的挑战来自于产品,成本控制、体积、功耗等方面的要求都高于仪器。拉曼传感激光雷达可能会更像用于测绘的测距激光雷达,作为一个仪器而存在。

所以我们当时切换方向,主要受市场情况的驱动。当然我们认为,在市场成熟的时候,拉曼传感激光雷达也会慢慢走上测距激光雷达的消费化道路。

麦姆斯咨询:请您谈谈力策科技的激光雷达产品布局和进展情况?以及有哪些典型客户?

张忠祥:目前,力策科技的激光雷达产品规划主要包括以下三代:

第一代是机械式单线激光雷达,针对测量距离在30~50m范围的应用,包括服务机器人和AGV(自动导引运输车)。目前这款激光雷达提供用户试用已经有一年了,今年4月份开始批量出货。国内多家服务机器人制造商和SLAM(即时定位与地图构建)方案商都在批量使用我们的单线激光雷达。同时我们也正在提供技术支持给数十家服务机器人公司,争取在他们产品迭代过程中替换原来在用的进口激光雷达。而在AGV领域,我们跟富士康及其一级供应商有长期的互动,我们在他们的一些自动化改造项目中有非常高的参与度,这些项目预计在今年年底或明年年初会结出硕果。目前,我们正在紧张调试单线激光雷达的迭代版本,争取今年11月前交付用户。我们在迭代版本的单线激光雷达上做了较多的改良,测量距离维持不变的基础上,刷新率提高到15~30Hz,数据采样率也由15kHz提高到30kHz,体积比原来缩小三分之一,精度和信噪比也会有较大的优化,而且价格会基本维持不变。

力策科技的机械式单线激光雷达

力策科技的机械式单线激光雷达

第二代为机械式4线激光雷达,与IBEO针对汽车等远距离应用的4线激光雷达不同,我们还是定位于服务机器人和AGV,针对现有单线激光雷达客户做性能提升。预计这款4线激光雷达在今年会推出来,目前已经完成了光学模具的开模生产。其实,我们在2017年初demo(演示)过8线激光雷达,但是基于对市场的判断,我们在这款产品的开发进度上放得比较慢,不过明年我们将实现8线激光雷达的量产。我们的4/8线激光雷达的市场策略是做单线激光雷达客户用得起的多线激光雷达,寻找成本和性能之间的最佳平衡点。

第三代产品才是针对汽车市场的固态激光雷达。激光雷达固态化是一个热门话题,是不是必须要固态化也是一个存在争议的热门话题。我想关于这个问题,并不存在固态激光雷达好还是机械式激光雷达好的疑问,机械化在光电集成过程中引入的问题是大家都看得见的。这个问题的答案在于各个固态激光雷达方案能否解决自身的问题,如果所有的固态方案都走不通,毫无疑问激光雷达会依旧停留在优化的机械式方案上。力策科技作为一个追求技术深度的团队,自然会在这方面去布局。我们去年年初在MEMS激光雷达和光学相控阵(OPA)激光雷达两种技术方案之间徘徊过,甚至一度想两个方案都做,先做MEMS激光雷达作为过渡,然后做OPA激光雷达。后来我们对MEMS微镜扫描方案做简短的技术验证后放弃了,决定直接将精力投入到难度更高的OPA方案上。目前我们的OPA芯片已经经历了两轮流片,正在做第三轮流片,预计明年年初会达到预期效果。

力策科技研发的OPA芯片

力策科技研发的OPA芯片

麦姆斯咨询:力策科技在机械式激光雷达和固态激光雷达产品都有规划,请问您认可激光雷达固态化这一未来趋势吗?激光雷达会不会停留在机械式激光雷达这个技术状态?

张忠祥:激光雷达是一个光、机、电一体的精密传感器。单独从任何一方面来看,都很容易做稳定,但是融合到一块之后,问题就多了。做过机械式激光雷达硬件产品的企业应该都有同样的体会,而且其中机械部分是最容易出问题也是生产过程消耗时间最多的一部分。从这个层面上看,固态激光雷达是具有天然优势的,最后能否走向固态化,取决于固态激光雷达技术自身的突破。否则,行业会一直徘徊在机械系统的优化上,这未尝不是一条出路,但是必然会限制激光雷达在很多消费领域的市场拓展。

麦姆斯咨询:另外,在激光雷达专利方面,你们有哪些布局?

张忠祥:这几年我们都有针对性的申请专利保护我们的一些技术点,涉及到器件、光源、系统等方面,其实一些已经获得了授权。关于更底层芯片架构专利,我们会在流片充分验证某些技术细节后,于近期提交。

麦姆斯咨询:Quanergy是首家将光学相控阵(OPA)激光雷达带入投资人和公众视野的企业,为OPA描绘出无比美好的前景,但前段时间也传出遭遇发展瓶颈的负面新闻。力策科技作为OPA技术流派的拥护者,贵司的技术和Quanergy、Strobe、Blackmore等代表企业有哪些异同?对OPA激光雷达的发展持什么观点?

张忠祥:OPA这个技术方案的确为激光雷达行业描绘了一种非常美好甚至是终极的技术状态。这些性能是很多其他技术方案不可比拟的,特别是在动态扫描方面,可以提供给算法非常大的弹性。但是OPA方案所面临的技术难题也是巨大,这些问题在学术上的讨论要远早于Quanergy的创立时间。而Quanergy在企业层面将光学相控阵(Optical Phased Array,OPA)技术带到车用激光雷达领域,用资本的力量撬动OPA技术的产业化,从这点上看,我认为Quanergy是一家非常值得尊敬的技术创新企业,所做的尝试无论对于硅光领域,还是对激光雷达领域,都是有益的。所有的技术创新都是有风险的,这也恰恰是初创企业挑战老牌企业的底气所在吧!

根据我们的了解,Quanergy、Strobe、Blackmore这几家采用的OPA方案都是波导光调制的,但是产品进展未必固守于OPA。例如Quanergy有机械式激光雷达M8,Blackmore目前也主要在宣传FMCW(调频连续波)激光雷达,虽然其官网上还是硅基OPA+FMCW。国内也有多个研究组在跟进硅基OPA的研发。硅基OPA方案所面临的技术问题,是可以通过计算和仿真预见的。诸多研究团队和企业对硅基OPA依然不遗余力地追求,最大的驱动力来自硅光平台和硅基制造工艺的成熟度,物理问题解决后,产业化的路会相对平坦。我理解硅基OPA方案面临技术困难的物理根源,但是并没有解决方案,硅光并不是我擅长的领域。硅光是一个比较成熟的领域,特别是在片上高速数据传输方面,国内华为、光迅等企业在这些方面都有深厚的积累。硅基应用在激光雷达领域所面临的困境,很大程度源于片上与自由空间的耦合,激光通过grating(光栅)耦合进与通过antenna(天线)阵列耦合出都引入了巨大的损耗,硅波导的相互耦合cross talk(串扰)也导致天线的设计受限。针对这些问题,力策科技的OPA方案走的是空间光调制(spatial light modulator,SLM)技术路线。空间光调制方式很多,最为成熟的就是液晶SLM,但是液晶SLM非常慢(毫秒级别),远远满足不了成像的要求。力策科技的OPA方案,相当于做了个高速的SLM,完成一个单波长激光的高速空间调制。

硅基OPA与空间光调制SLM

硅基OPA与空间光调制SLM

在众多的技术方案里,我们依然认为OPA方案提供给激光雷达领域的想象力是巨大的,前景也是最具吸引力的,所面临的技术问题也会在学术界和产业界的共同努力下会得到突破,而且这个时间不会很长。

麦姆斯咨询:力策科技选择脉冲式飞行时间(ToF)测距方式的激光雷达,这也是目前大多数汽车激光雷达厂商的技术路线。不过,我们也看到有一些厂商正在研究连续波测距方法,例如,IFM和北醒正在研究相移测距方法,而Blackmore和Oryx正在研究频率调制测距方法。您能分析下这两种测距方式在激光雷达应用上的优势和短板吗?

张忠祥:相比成像方式,测距方式其实相对要成熟很多。首先,我们需要稍微理清测距技术方案之间的主要差异。主流的测距方法包括三角测距、脉冲ToF、相位ToF、调频连续波(FMCW)等。三角法测量距离很短,车用激光雷达基本排除。脉冲飞行时间(ToF)测距是目前最为成熟的测距方式,目前大部分的机械式激光雷达,包括Velodyne、Sick这些主流品牌,采用的都是脉冲ToF测距方法。这种测距方式技术积累深厚,优点是测距精度高、抗背景干扰能力强、测距速度快,而且零部件供应链成熟且价格可控,这样给激光雷达量产过程中的零部件供应和成本控制带来很大的便利。但缺点是传统的脉冲测距方法抗人为干扰能力弱,激光雷达A和激光雷达B发出的光脉冲是没法区分的,目前还没有非常有效的方法解决这个问题。相位ToF是目前单点测距仪常用的测距方法,具有低成本、高精度等优点,远距离成像激光雷达用的比较少,主要是因为测距速度较慢,而且精度随距离增长而衰减。但是在一些基于传统CCD/CMOS阵列测距方案里面,由于相位ToF容易依靠传统集成电路完成信号处理,应用也较为广泛,例如Espros的面阵芯片EPC660,需要克服的主要问题还是保证人眼安全的功率下实现更远的测量距离。

Blackmore、Oryx和Strobe这几家其实用的都是调频连续波(FMCW)测距方法。调频连续波中的“调频”其实是有细分的,既可以是激光作为载波,也可以是调节激光频率。对于前者,跟相位法是非常类似的,属于幅度调节,严格来说应该称为调幅连续波AMCW(amplitude modulated CW),只不过幅度不是正弦调制而是chirp调制。而刚刚列举的几家,都是调节激光频率的。可调谐激光本身就是一个很大的研究课题,应用在测距上,还会有集成度、调谐线性度、调谐带宽等问题。传统测距仪器在不介意体积、成本的前提下,获得一个FMCW系统并不是很困难,但是要实现集成的消费级传感器应用,还有不少的问题需要解决。每一个团队都会通过创新引入一些新技术去解决这些问题,例如Strobe希望引入Whispering Gallery Mode(WGM)微谐振腔实现激光调频。不管哪一种技术方案,跟OPA激光雷达的扫描芯片、Flash激光雷达的面阵芯片一样,都需要时间来打磨。而且FMCW的吸引力在于诸多方面的优点,例如可以同时测量速度,相干测量保证了强大的抗干扰能力和系统信噪比。

力策科技对于测距方案的选择是非常弹性的,并不会坚守某种测距方案。脉冲ToF是目前最成熟能量产的方案,因此力策科技的机械式单线和4/8线激光雷达选择了脉冲ToF。我们也看好FMCW,但是跟硅基OPA选择FMCW的动机不一样。大部分硅基OPA团队都会选择FMCW是因为硅基OPA的波导调制要实现双轴扫描非常困难,另外一个轴的扫描需要依赖调频光源。但是我们的扫描方案里面不存在这个问题,我们的扫描芯片从一开始设计就是针对不依赖光源的双轴扫描。力策科技从2015年开始就进行调频光源方面的研发,而且在这方面还有一个已经获得授权的发明专利。未来我们会根据系统的实际需要,配置不同的测距模块。

麦姆斯咨询:目前业界普遍认为采用MEMS微镜的混合固态激光雷达是最快落地的商业化激光雷达产品。您是否认同这个观点?如果认同,您认为力策科技的OPA激光雷达产品如何度过MEMS激光雷达的过渡期?

张忠祥:采用MEMS微镜的混合固态激光雷达确实是目前固态激光雷达里面最容易商业落地的技术方案,请注意这里有个对比范围“固态激光雷达里面”。得益于MEMS微镜在投影仪等消费领域的技术积累,MEMS激光雷达在器件成熟度方面确实是最好的。相比之下,Flash激光雷达需要开发面阵芯片、OPA激光雷达需要开发光调制芯片。但是MEMS激光雷达并不是真正意义的固态,仅仅是机械微型化,自然在成熟度方面会面临机械式激光雷达的竞争。机械式扫描激光雷达技术也是在逐渐演化的,像IBEO/Valeo装在奥迪A8上的4线激光雷达,采用的就是机械最小化的方案,旋转的部件只有一面镜子。类似的机械最小化的激光雷达方案,国产厂商如北科天绘也有布局。如果要做成熟度相似的对比,我觉得MEMS激光雷达跟这类机械式激光雷达方案做对比其实更为合理。MEMS激光雷达就是朝机械最小化方向往前再走了一步。相比宏观的机械式扫描,MEMS微镜扫描方式更具有弹性,速度更快,集成度也更高,但是系统光学设计更为复杂,通常需要引入扩束光路和更复杂的接收光路,而且系统稳定性和量产一致性会非常依赖MEMS微镜的稳定性和量产一致性。

我们在2017年初demo过基于国内外若干款微镜的MEMS激光雷达,但是最后都没法跟我们预设的系统参数匹配,稳定性和一致性方面也发现了不少问题。所以我们当时认为如果要走MEMS激光雷达方向,最佳选择是自主开发一款适用的微镜,其实Innoviz就是这么干的,我们于是选择了放弃MEMS方向而主攻OPA方向。作为OPA的过渡方案,我们选择了只有反射镜旋转的机械最小化方案,我们目前单线迭代版、4/8线激光雷达都采用这种架构。

麦姆斯咨询:目前,国内外涌现出非常多的激光雷达初创企业,投资并购事件也是频繁发生,有人评论“吹泡泡”的激光雷达企业不少。您怎么看待现在激光雷达的投资热潮和其中的泡沫?

张忠祥:资本火热一定会催生一定程度的泡沫,但是比起一些互联网项目的泡沫,这种泡沫在激光雷达这样一个纯技术领域,我认为积极的方面要多很多。激光雷达是一个已经发展了几十年的传统技术,现在要迁移到消费领域,各种新技术的引入需要不同的团队去做尝试,这些尝试对于激光雷达或者类似器件相关领域的发展是有益的。力策科技在做OPA芯片的时候,也考虑了作为一款光调制芯片的可拓展性,在激光雷达市场成熟前,这些芯片完全可以先应用在其它领域,例如光通信里面的光开关芯片等。深入到企业微观层面,每个团队从技术成功到商业成功的道路也不一样,先有产品还是先“吹泡泡”把资本门槛垒起来,不同团队有不一样的选择,在很多领域后者成功的概率往往更大。力策科技是一个纯技术出身的团队,我们专注于技术和产品。在看清楚产品和技术前景之前,资本运作上我们倾向于保守,但是我们也需要资本的支持,这两年我们也完成了两轮融资。

麦姆斯咨询:目前国内激光雷达初创企业在国际舞台上也很耀眼,不过国内激光雷达产业链还不够成熟,如APD/SPAD等关键器件的设计加工都被欧洲企业“扼制”,国产车用VCSEL的商业化也有一段时间才能完成。您认为国内激光雷达企业要发展,国内需要提供哪些配套措施和资源支持?

张忠祥:每个行业的发展都需要依赖上下游产业链的发展。国内有一些研究所在单点和线阵APD器件领域其实做得非常好,市场上替换进口产品则需要适应时间。光源方面,VCSEL并不是车用激光雷达的唯一选择。如果谈850nm或者905nm波长范围的VCSEL,国产脉冲激光器相对欠缺,但是如果采用连续波(CW)测距方案,国产激光器的选择还是不少的。VCSEL在光斑质量等方面相比传统的二极管更有优势,但这两年国内VCSEL企业也逐渐成熟了,与国外的差距其实并不是特别大,堪用是没问题的,后续优化需要时间。如果是1550nm的光纤激光器,国内也有相当不错的厂商,传统激光打标等应用积累起来的光纤激光技术也可以直接迁移过来,而且激光雷达应用对参数要求反而变低了。

我认为国内国外差距比较大的是固态激光雷达的基础制造工艺及设施。芯片的开发与制造依赖的是微纳米加工工艺线。一部分面阵芯片,例如CMOS面阵、硅基SPAD面阵是可以通过标准的流片平台获得的,但这些平台还是以国外为主。OPA的硅光芯片,国内外都有成熟的流片平台,这块国内与国外的差距并不算大。差距比较大的是两个部分,一是III-V族的面阵工艺,另外一个是一些非标准工艺。力策科技的OPA芯片工艺流程包含了一些非标准工艺,这些也增加了我们在工艺上的时间消耗。选择不一样的技术路线,感受到的国内外配套差异也会不一样。总体而言,激光雷达产业配套的完善还需要国内厂商在基础器件和基础工艺两大方面去努力。

麦姆斯咨询:力策科技最近是否有融资计划?如果有,请您介绍下融资需求以及资金用途吧。

张忠祥:力策科技在去年和今年分别完成了一轮融资,投资人包括元禾原点和高捷资本。目前还没有融资需求。下一轮预计会在明年上半年我们完成OPA整体样机之后启动。

麦姆斯咨询:请您谈谈力策科技的未来五年规划吧!

张忠祥:未来几年,在产品方面力策科技会坚持“两条腿走路”。“一条腿”是针对现有机器人和AGV市场的机械式激光雷达不断优化和提升性能,“另一条腿”是针对汽车等市场的固态激光雷达研发和OPA芯片等可拓展市场进行开发。前者是我们实现公司财务健康的基础,后者是我们追赶世界科技前沿的底气。在2019年时机成熟的时候,我们应该会自建微纳米生产线,实现非标工艺的自主化,在量产过程中更好地跟标准工艺线做配合,保证量产一致性的前提下有效控制成本。融资方面,明年我们应该还会做一轮融资,资金主要是用于支持微纳米平台的建设,实现固态OPA芯片的量产。

麦姆斯咨询:非常感谢力策科技对“微言大义”研讨会的关注,作为去年同期同主题研讨会的观众,今年您将以演讲嘉宾的身份出席『第二十五届“微言大义”研讨会:激光雷达技术及应用』,心情一定不一样。您能谈谈对这场研讨会的期望,以及您将在会议上和大家做哪些分享吗?

张忠祥:感谢麦姆斯咨询提供这样一个高效的交流平台,让激光雷达这个行业进行一年一次的信息互通和交流。去年我也确实作为听众参与了麦姆斯咨询组织的研讨会,从同行那里学到了很多东西,也听到了很多之前完全不知道的信息。今年我们很荣幸受邀作为演讲嘉宾出席,届时我会和大家分享下我们这几年对激光雷达行业的观察,还有我们在机械式激光雷达和固态激光雷达产品研发方面的一些进展。预祝本届研讨会获得圆满成功!

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