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Blickfeld利用MEMS微镜解决传统激光雷达的通病
2019-04-14 10:06:41   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

麦姆斯咨询:MEMS微镜是非常值得选用的激光雷达(LiDAR)光束操纵单元。硅基MEMS微镜通过光刻、刻蚀等工艺完成。MEMS技术的优势在于其精度高达纳米级,且可扩展性非常优秀。

微访谈:Blickfeld创始人Florian Petit

麦姆斯咨询介绍,激光雷达设计面临最大的挑战是在达到性能和鲁棒性目标的同时,以合理的价格实现量产。位于德国慕尼黑的激光雷达(LiDAR)企业Blickfeld创始人Florian Petit在接受Geospatial World的独家采访时谈到,目前设计的传统激光雷达更像一台机械旋转设备,很可能无法实现上述目标,过去几年的许多努力已经证明了这一点。

Blickfeld的远距离激光雷达拍摄的街景顶视图

Blickfeld的远距离激光雷达拍摄的街景顶视图。街道显示为蓝色,树木显示为橙色。在白天能实现距离远至120米的200线扫描。

Geospatial World:请您详细介绍MEMS激光雷达技术及其相比机械式激光雷达的优势!

Florian Petit:MEMS微镜是非常值得选用的光束操纵单元。硅基MEMS微镜通过光刻、刻蚀等工艺完成。MEMS技术的优势在于其精度高达纳米级,且可扩展性非常优秀。一般来讲,从一片标准尺寸的晶圆(例如直径为200毫米)上可以生产出数百颗MEMS微镜,所有晶圆都是在高度精确的管控下进行批量生产。

如今,最常见激光雷达的光束操纵方式是机械式旋转。这类非常复杂的机械设备又大又重,生产效率低且成本高昂。机械式激光雷达的复杂性主要源于光束操纵单元,光束操纵单元的作用是使光束(激光和反射光)发生偏转。这些旋转部件,如齿轮和马达,会受到摩擦和磨损。激光雷达对精度要求非常高(典型的激光雷达应用要求角度精度小于0.5度),这样的旋转部件对精度影响非常大。而且,旋转部件容易磨损甚至失效,需要定期维护。这一问题激发了对固态激光雷达的需求,人们期待固态激光雷达能实现稳健和持久的工作。

MEMS微镜已经存在多年,甚至在视频投影机这样的日常设备中得到了应用。当今MEMS微镜的问题在于很难将其用于远距离激光雷达。远距离探测和大视场角是激光雷达的关键性能指标。典型的MEMS微镜的镜面尺寸小,偏转角度较小,因此无法达到理想的探测距离和视场角。

为了突破这些限制,Blickfeld为激光雷达开发了特殊的MEMS微镜。这是专门为激光雷达应用而设计的,并针对最远探测距离和视场角等问题进行了优化。镜面尺寸大于10毫米,因此可以将最大程度地入射光引导至光电探测器,确保150米及以上的远距离和对低反射率物体的探测能力。此外,MEMS微镜可以实现高达120°的偏转角度,从而获得广阔的视野。它采用标准硅基工艺生产,成本合理,可实现高度自动化生产。

这款MEMS微镜的另一巨大优势是,根据其优化后的激光雷达设计变得非常简单:除了一些标准光学元件外,还有一颗激光器、一颗二维MEMS微镜和一颗探测器。这些组件组装后的尺寸仅为80mm x 60mm x 50mm。激光发射到微镜后,微镜对光线进行反射,完成机械式激光雷达的旋转射出。入射的反射光被微镜操纵集成到同一光路,最后被探测器接收。这种所谓的同轴方式具有相同的输入/输出光路,具有很高的日光抑制优点,从而实现高信噪比。

Blickfeld创始人Florian Petit

Blickfeld创始人Florian Petit

Geospatial World:除了自动驾驶汽车,MEMS技术还有其它应用吗?

Florian Petit:MEMS技术已经广泛用于各种应用,如喷墨打印机、显示器、汽车的加速度计(例如安全气囊打开)。而将MEMS技术应用于激光雷达则是一种全新的概念。MEMS的尺寸缩小,带来的问题是与用户对光学传感器期待截然相反的结果,因为更大的尺寸意味着能捕捉更多的光,从而探测到更多的光。我们所做的是根据这些要求设计MEMS微镜,在利用MEMS的优势(尺寸小、可量测)的同时,增加MEMS微镜的孔径,实现远距离探测和开阔的视野。

Geospatial World:您如何预测固态激光雷达的未来?短期内是否有可能会出现前沿创新技术扰乱市场?

Florian Petit:固体激光雷达具有广阔的发展前景。它们功能强大、成本更低、体积更小、集成度高,非常适合于自动化应用。关于如何实现激光雷达的固态化,有几种技术路线。但我们认为,真正对市场带来干扰将是以兼具合理成本和高性能的量产级固态激光雷达——我们相信,这将通过MEMS技术实现。

Geospatial World:请您预测下认为激光雷达产业的趋势?还会沿着之前的轨迹发展吗?

Florian Petit:大多数专家都同意激光雷达在不久的将来成为每辆自动驾驶汽车不可或缺的传感器。Yole在最新出版的《汽车和工业应用的激光雷达-2019版》中预计,到2021年自动驾驶汽车的总量将达到44000辆。与此同时,激光雷达市场也因此受益,预计将从2018年的13亿美元增长到2024年的60亿美元。其中,汽车应用占据激光雷达市场的70%份额。

2018~2024年激光雷达(LiDAR)市场预测

2018~2024年激光雷达(LiDAR)市场预测

(来源:《汽车和工业应用的激光雷达-2019版》

关于成本、尺寸、精度和鲁棒性要求,固态激光雷达都被认为比传统的机械式激光雷达更优秀。我们相信激光雷达将成为大众产品,全面进入现代生活的不同领域,为机器提供环境建模与导航。

Geospatial World:您认为如何让激光雷达成为主流传感器且价格合理?

Florian Petit:在我们看来,解决方案不是简单地购买昂贵的组件,并用它们制造昂贵的激光雷达,寄希望于批量生产时会变得更便宜。同时,采用需要数十年研究才能完成的技术也不会得到具有时效性的解决方案。

我们认为,目前已有许多性能优秀的元器件和技术供选择以建立一套合适的激光雷达系统。市场上部署的数百万台设备正在对元器件进行大量使用和测试。例如,车规级激光器(905nm激光二极管),分辨率很高的探测器如可以探测单光子的硅光电倍增管(SiPMs),或硅基微镜(MEMS微镜)。然而,这些器件还没有针对激光雷达应用进行优化——或者说还没有找到适合这些元器件的激光雷达设计。

因此,我们认为关键是让每一种元器件与整个激光雷达系统之间进行适应、调整和优化。因此,要对激光器/探测器的光电特性进行调整,满足发射/接收光学系统和光束操纵单元的要求。对激光雷达进行整体设计(同轴设计),尽可能抑制干扰光(阳光)。而且,可能最重要的是在兼顾距离、视场和环境条件方面的因素对光束探测单元进行优化。这项任务非常复杂,因为其中的元器件本身很复杂,激光雷达的设计也很复杂,而且还有更多的边界条件,比如对高度自动化生产的需求。

这对开发团队来说是一个巨大的挑战,需要来自光学、MEMS、信号处理、电子、软件和生产技术等各个学科的专家携手合作。

Blickfeld确定了机械式光束操纵单元的复杂性是激光雷达的主要问题。这个问题影响性能和生产的可扩展性。因此,我们发明了一种专门为激光雷达应用设计的硅基光束操纵单元——MEMS微镜,可以创建性能和制造均可扩展的激光雷达模组。这有助于我们克服机械式旋转激光雷达的许多问题。

Geospatial World:高价格是激光雷达的主要制约因素,您认为成本会大幅下降吗?

Florian Petit:通过使用硅基MEMS微镜技术和现有元器件,在批量生产时,相比机械式激光雷达,成本可以大幅降低。

Geospatial World:激光雷达还能为普通消费者带来哪些“福利”?

Florian Petit:激光雷达是一种用于3D环境感知的传感技术。激光雷达可以提供高精度的环境距离图像。捕获的三维数据能直接表达场景的基本几何特征,如形状、大小和距离。在移动应用中,当涉及到运动,在一定时间内覆盖一定距离时,这种三维数据对于安全感知周围环境以及在其中进行操作和导航至关重要。因此,汽车中的大多数感知传感器,无论是超声波传感器、毫米波雷达,还是具有图像处理功能的二维摄像头,都在致力于收集三维信息。激光雷达特别适合这项任务,因为它们可以直接提供高分辨率和精确的三维点云,其质量是其它传感器技术无法比拟的。

激光雷达是一种可应用于各行各业的关键传感技术。激光雷达在许多领域都充当推动者的角色,将推动自动驾驶、智慧城市、机器人、无人机等应用的发展。大多数普通消费者将间接体验到激光雷达广泛部署的好处。他们不会陷入交通堵塞,可以从A地到B地乘坐自动驾驶汽车,物流链优化也将包裹更快送达。

Geospatial World:英特尔旗下的Mobileye开发了一种新的自动驾驶系统,该系统使用高清摄像头而不是激光雷达。这会对汽车激光雷达行业产生影响吗?

Florian Petit:与激光雷达相比,摄像头在自动驾驶汽车上的功能则不同。摄像头探测的二维彩色图像能“看到”交通灯或道路标志。然而,当涉及到测量距离或速度时,摄像头面临着很大的挑战。要从摄像头的图像中获取距离或速度信息,需要复杂的算法,即使这样,也存在局限性。激光雷达提供准确的长短距离和高分辨率的三维环境信息,可用于ADAS应用,如停车和堵车辅助、盲点检测、车道保持、自动紧急制动和自适应巡航控制,是L4级和L5级自动驾驶车辆的必需传感器。

Geospatial World:激光雷达行业面临的主要挑战是什么?

Florian Petit:激光雷达技术作为存在了几十年的技术,已有达到高性能标准的产品供选择。然而,今天的激光雷达的鲁棒性还不够强,非常重要的是无法以合理的价格大范围推广使用。这对于激光雷达进入汽车市场来讲是个巨大的问题。激光雷达在当今高度自动化的测试车辆中有着广泛的应用,并且有望成为自动汽车传感器组合的基本元器件,甚至未来在每辆车上会部署多个激光雷达。

Geospatial World:请您谈谈Blickfeld的情况及愿景?

Florian Petit:Blickfeld于2017年在德国慕尼黑成立,开发基于硅基MEMS微镜和现有元件的领先激光雷达技术。Blickfeld的激光雷达能以最高性能满足大众市场所需的成本和尺寸要求。2019年,Blickfeld将推出首款系列产品Cube,主要为自动导航、高清地图和其他激光雷达应用而设计。

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麦姆斯咨询
联系人:肖莉
电话:18861567166
E-mail:XiaoLi@memsconsulting.com

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