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LiDAR系列报道(三):汽车LiDAR的“革新者”——混合固态LiDAR
2017-11-23 10:24:42   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

为什么产生“混合固态”的概念呢?因为MEMS扫描镜是一种硅基半导体元器件,属于固态电子元件;但是MEMS扫描镜并不“安分”,内部集成了“可动”的微型镜面;由此可见MEMS扫描镜兼具“固态”和“运动”两种属性,故称为“混合固态”。

认识混合固态LiDAR

2016年1月的CES消费电子展会上,Velodyne展示了“混合固态超级冰球”(Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto),由此引入了混合固态激光雷达(LiDAR)的概念。可惜的是这款LiDAR的内部结构一直未揭晓,仅仅只是机械式LiDAR的旋转部件小型化还是将板级电路ASIC化,目前不得而知。世面上对于机械式LiDAR、混合固态LiDAR和全固态LiDAR的叫法和定义不甚清晰。那么,麦姆斯咨询是如何定义的呢?

左图:32线混合固态Ultra Puck Auto,右图:16线机械式VLP-16

左图:32线混合固态Ultra Puck Auto,右图:16线机械式VLP-16。这款高性能32线Ultra PuckAuto和机械式VLP-16相比,外观上除了颜色略有差异以外,尺寸几乎一样(高为72毫米,底部直径为103毫米),具有体积小、重量轻的特点,可以集成在汽车后视镜的位置

在上一篇文章《LiDAR系列报道(二):汽车LiDAR的“先行者”——机械式LiDAR》中,我们谈到了机械式LiDAR,了解到机械式LiDAR在工作时发射系统和接收系统会一直360度地旋转。而混合固态LiDAR工作时,单从外观上是看不到旋转的,巧妙之处是将机械旋转部件做得更加小巧并深深地隐藏在外壳之中。

本文将采用半导体“微动”器件——MEMS扫描镜(代替宏观机械式扫描器)在微观尺度上实现LiDAR发射端的激光扫描方式,定义为“混合固态”。而全固态LiDAR的定义和相关工作原理,我们将在下一期报道中细细道来。为什么产生“混合固态”的概念呢?因为MEMS扫描镜是一种硅基半导体元器件,属于固态电子元件;但是MEMS扫描镜并不“安分”,内部集成了“可动”的微型镜面;由此可见MEMS扫描镜兼具“固态”和“运动”两种属性,故称为“混合固态”。可以说,MEMS扫描镜是传统机械式LiDAR的革新者,引领LiDAR小型化和低成本化。

基于MEMS扫描镜的混合固态LiDAR原理图

基于MEMS扫描镜的混合固态LiDAR原理图

Tips:MEMS扫描镜

传统的扫描成像LiDAR系统一般采用双摆镜、双振镜和旋转多面体反射棱镜的扫描方式,由这些具有宏观尺寸的光学元件所构成的扫描系统体积庞大而笨重。而利用MEMS技术可以直接在硅基芯片上集成体积十分精巧的微型扫描镜,并通过MEMS扫描镜来反射激光器的光线,从而实现微米级的运动扫描,那么宏观上便看不到LiDAR中的任何机械旋转部件。

MEMS扫描镜示意图:微型镜面可以转动,从而实现对激光的操控

MEMS扫描镜示意图:微型镜面可以转动,从而实现对激光的操控

一款MEMS扫描镜的SEM照片

一款MEMS扫描镜的SEM照片

MEMS扫描镜是指光学偏转角度较大(达到10°以上)的一种微镜类型,主要功能是实现激光的指向偏转、图形化扫描。MEMS扫描镜采用光学MEMS技术制造的,把微光反射镜与MEMS执行器集成在一颗半导体芯片上。MEMS扫描镜的运动方式包括平动和扭转两种机械运动。MEMS扫描镜按原理区分,主要包括四种:静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动。其中前两种技术比较成熟,应用也更广泛。

四种原理的MEMS扫描镜性能比较

四种原理的MEMS扫描镜性能比较

目前,技术成熟且量产的MEMS扫描镜企业基本集中在中国大陆地区以外。比如被英飞凌收购的MEMS公司Innoluce、台湾OPUS、美国Mirrorcle的MEMS扫描镜采用的是静电驱动模式;而博世最新推出的全新交互式激光投影微型扫描仪BML050中的MEMS扫描镜、滨松今年发布的MEMS微镜S12237-03P、意法半导体与美国MicroVision公司合作生产的MEMS扫描镜,均采用电磁驱动原理。而国内如无锡微奥科技、西安知微传感、常州创微电子、上海微技术工研院等企业也是在此领域摩拳擦掌,有望成为后起之秀。

更多MEMS微镜知识,麦姆斯咨询曾经在《走进3D视觉系列(五):且难且前行的“MEMS微镜”》中详细谈过,不妨复习一下。

探究混合固态LiDAR的革新奥秘,发现竞争优势

与机械式LiDAR相比,混合固态LiDAR具有小型化和低成本的巨大优势。

首先,来看看机械式LiDAR的结构和工作模式。发射光学系统后端藏有N组发射模块,而在接收光学后端有N组与发射模块一一对应的接收模块(下图中背面遮挡不可见)。当LiDAR开始工作时,N组发射模块和N组接收模块在电路的控制下按照一定的时间顺序轮流工作,例如,在时刻1,发射模块1工作,发射激光脉冲,同时接收模块1接收目标反射的发射模块1发射的激光信号;在时刻2,发射模块2工作,发射激光脉冲,同时接收模块2接收目标反射的发射模块2发射的激光信号;……在时刻N,发射模块N工作,发射激光脉冲,同时接收模块N接收目标反射的发射模块N发射的激光信号。这样的结构,线束与N值对应,16线LiDAR就需要内部布置16组发射模块和接收模块,即使32线LiDAR在结构上优化(据说可以并排,每排16组,从而不增加装置高度),机械式LiDAR想把尺寸再做小的空间也不多了。

机械式LiDAR的结构示意图

机械式LiDAR的结构示意图

而混合固态LiDAR采用MEMS扫描镜,仅需要一束激光光源,通过一面MEMS扫描镜来反射激光器的光线,两者采用微秒级的频率协同工作,通过探测器接收后达到对目标3D扫描的目的。与多组芯片组的机械式LiDAR结构相比,混合固态LiDAR采用单组MEMS扫描镜 + 单束激光光源,对体积减小的效果显而易见。

机械式LiDAR(型号:HDL-64E)与混合固态LiDAR(型号:LeddarVu)尺寸对比

机械式LiDAR(型号:HDL-64E)与混合固态LiDAR(型号:LeddarVu)尺寸对比

从成本角度分析,16线机械式LiDAR就需要16组IC芯片组:跨阻放大器(TIA)、低噪声放大器(LNA)、比较器(Comparator)、模数转换器(ADC)等。麦姆斯咨询估算每组的芯片成本约200美元,仅16组的芯片成本就高达3200美元。Innoluce曾发布一款混合固态LiDAR设计方案,采用MEMS扫描镜,并将各种分立芯片集成设计到一套LiDAR控制芯片组,这样下来LiDAR的成本控制在200美元以内。

16线机械式LiDAR内部芯片组,16组的芯片的成本就高达3200美元

16线机械式LiDAR内部芯片组,16组的芯片的成本就高达3200美元

Innoluce采用MEMS扫描镜的混合固态LiDAR设计方案,成本低于200美元

Innoluce采用MEMS扫描镜的混合固态LiDAR设计方案,成本低于200美元

除了体积和成本的巨大优势,混合固态LiDAR还有其它可圈可点的优势:首先,因为没有宏观的机械转动,不存在机械磨损,可靠性更高;其次,探测距离更远(150米以上),适合远距离汽车环境感知和探测;另外,采用一束激光光源而非多束,功耗更小,更能保障人眼安全。

Tips:光电探测器

光电探测器是将光脉冲转换成电信号的元器件,在LiDAR系统中充当“眼睛”的角色,是关键的传感器。目前主要的光电探测器有雪崩光电二极管(Avalanche PhotonDiode,简称APD)/单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,简称SPAD)、硅光电倍增管(MPPC)和PIN光电二极管。

MPPC、APD和PIN光电二极管的比较

MPPC、APD和PIN光电二极管的比较

1. APD/SPAD

2轴MEMS扫描镜+ SPAD图像传感器在混合固态LiDAR中的应用

2轴MEMS扫描镜+ SPAD图像传感器在混合固态LiDAR中的应用

APD的工作模式分为线性模式和盖革模式两种。当APD的偏置电压低于其雪崩电压时,对入射光电子起到线性放大作用,这种工作状态称为线性模式。在线性模式下,反向电压越高,增益就越大。APD对输入的光电子进行等增益放大后形成连续电流,获得带有时间信息的激光连续回波信号。当偏置电压高于其雪崩电压时,APD增益迅速增加,此时单个光子吸收即可使探测器输出电流达到饱和,这种工作状态称为盖革模式。工作在盖革模式下的APD又被称作SPAD。

APD工作在盖革模式下,单个光子即可使其工作状态实现开、关之间的转换,形成一个陡峭的回波脉冲信号,因而具备单光子成像的能力。该种光电探测器的灵敏度极高,探测距离理论上可以非常远,三千公里都不成问题,若干年前就已在军事领域(隐形飞机、导弹系统)大有所为。因此,APD的盖革模式非常适合用在LiDAR。

APD在线性模式和盖革模式下的光子探测能力比较

APD在线性模式和盖革模式下的光子探测能力比较

2. MPPC

MPPC是一种俗称硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)的新型光半导体器件,根据其原理可称多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter,MPPC)。其由多个工作在盖革模式的APD阵列组成,具有高增益、高探测效率、快速响应、优良时间分辨率和宽光谱响应范围等特点。

当MPPC中的一个像素接收到一个入射光子时,就会输出一个幅度一定的脉冲。多个像素如都接收到入射光子,则每个像素都会输出一个脉冲,这几个脉冲最终会叠加在一起,由一个公共输出端输出,以此达到更大的增益。

相比APD,MPPC的增益可达到10^5~10^6,这样在理论上,可以在更短的时间内得到更长的距离信息,探测带宽也与APD不相上下。另外,拥有小而有效面积、更多像素结构的MPPC不仅具备较快的时间特性(上升时间仅1纳秒左右),还可利用它独特的光子分辨能力,将不同表面反射率的物体识别出来,从而达到测距同时分辨物体表面特性的目的。从这些性能上来看,MPPC非常适合脉冲测距法的应用,是自动驾驶上一维激光雷达的理想“小伙伴”。

滨松于今年正式发布了最新的近红外MPPC研制成果,推出了红外增强型MPPC S13720系列。其在905纳米处具有较高的探测效率,响应速度快,工作温度范围宽,适合各种场合下的激光雷达应用,尤其是使用ToF测距法的长距离测量。

滨松推出的红外增强型MPPC(硅光电倍增管)S13720系列

滨松推出的红外增强型MPPC(硅光电倍增管)S13720系列

3. PIN光电二极管

硅PIN光电二极管成本低,且不易受周围环境光的干扰,但相比APD/SPAD和MPPC,探测距离较短。硅PIN光电二极管的上升和下降时间非常短(通常为10纳秒或更短),因此非常适合于接收25纳秒数量级的光脉冲。此外,硅PIN光电二极管表现出非常高的线性度,甚至在强光条件下都可以检测到非常小的信号。硅PIN光电二极管可形成一维或二维阵列,可以集成于速度快、无运动部件的2D或3D传感器,从而对物体的存在、位置和速度提供快速且准确的信息。

混合固态LiDAR的企业和研究机构梳理

(1)LeddarTech

LeddarTech

LeddarTech公司总部位于加拿大,专注于为自动驾驶汽车和驾驶辅助系统开发自己的LiDAR技术。集成在汽车前大灯中的LeddarTech混合固态LiDAR,视场角60° x 20°,探测距离300米(汽车)、200米(行人)。激光光源通过MEMS扫描镜发射后形成行面阵,对前方物体和路面进行扫描,具有高“距离/功率”比、在能见度较低的情况下完成对目标的探测以及分辨多个目标的能力。

LeddarTech混合固态LiDAR结构示意图

LeddarTech混合固态LiDAR结构示意图

(2)Pioneer

Pioneer

日本著名企业先锋集团(Pioneer),从影碟机技术积累转战LiDAR,从车载娱乐影音、导航延伸到自动驾驶。先锋正在开发一款高性能、紧凑、低成本的3D LiDAR传感器。3D LiDAR采用MEMS扫描镜,具有小孔径透镜的特征,并通过优化光学设计,可以被投入到实际的车载应用中。先锋将向汽车制造商、ICT(信息、通信、技术)相关企业以及日本和海外一些公司提供3D LiDAR样品,预计在2020年投入量产。

先锋近期发布的使用MEMS扫描镜的3D LiDAR

先锋近期发布的使用MEMS扫描镜的3D LiDAR

(3)Cepton

Cepton

Cepton成立于2016年,总部设在美国硅谷,由四位来自斯坦福大学背景、并有丰富经验的半导体行业老兵创立。Cepton的技术比较特殊,团队成员称其技术与MEMS扫描镜是最相近的,但又不是MEMS扫描镜,而是采用Micro-motion(微动原理),并且自己开发了微动器件。这家公司比较神秘,相关的专利还未到公开的时间(专利申请后需18个月才公开)。不过麦姆斯咨询认为Cepton虽然未使用MEMS扫描镜,但仍然采用微动技术的半导体芯片,依然属于混合固态LiDAR大军。究其具体技术,或许明年我们就可以揭开神秘的面纱。

Cepton HR系列LiDAR产品

Cepton HR系列LiDAR产品

(4)Draper

Draper

Draper是一家美国非盈利性研发组织,总部位于美国马萨诸塞州的剑桥,其官方名为“The Charles Stark Draper Laboratory, Inc”。该研究组织专长于设计、开发并应用先进技术解决方案,以解决国家安全、太空探索、健康医疗和能源领域的各种问题。其正在开发的一款混合固态LiDAR传感器采用MEMS扫描镜技术,预计在规模量产后,成本仅需50美元。这款LiDAR传感器将具有300米的探测距离,角分辨率小于0.1度,扫描速率为20帧/秒。

(5)Spectrolab

Spectrolab

Spectrolab是波音公司的全资子公司,是航天器动力系统太阳能电池的全球领先供应商。其推出的MLS 201采用MEMS扫描镜,1550纳米短波红外激光,探测距离为20米,适合室内外物体的探测。

Spectrolab推出的MEMS LiDAR

Spectrolab推出的MEMS LiDAR

目前看来,混合固态LiDAR系统研发方面,国外企业已经具有领先优势。而国内企业如速腾聚创、镭神智能、禾赛科技等则处于蓄势待发的状态。2017年12月22日,由麦姆斯咨询主办的『“微言大义”研讨会:激光雷达技术及应用』上,在混合固态LiDAR系统布局的国内知名LiDAR企业如速腾聚创、镭神智能、禾赛科技,MEMS扫描镜供应商滨松、西安知微传感,光电探测器供应商滨松以及在SPAD研究领域有所造诣的荷兰代尔夫特理工大学都将出席并演讲,欢迎报名参加,共享激光雷达技术的知识盛宴!

推荐会议:

2017年12月22日,由麦姆斯咨询主办的『“微言大义”研讨会:激光雷达技术及应用』将在深圳会展中心隆重举行(同期展会:2017年深圳国际电子展)。本次研讨会内容涉及激光雷达应用及市场分析、激光雷达原理及技术路线、 激光雷达模组剖析及算法解析等。已邀请光珀智能、北醒光子、炬佑智能、ams、禾赛科技、速腾聚创、镭神智能、西安知微传感、滨松、荷兰代尔夫特理工大学、上海技物所等单位进行演讲,如果贵司希望参加会议,请联系:
联系人:王懿
邮箱:WangYi@MEMSConsulting.com
电话:17898818163
详情及报名:www.memseminar.com

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《CMOS图像传感器产业现状-2017版》

《垂直腔面发射激光器(VCSEL)市场-2017版》

《红外LED和激光器技术、应用和产业趋势》

《LeddarTech固态激光雷达(LiDAR)模组:LeddarVu》

《汽车激光雷达传感器市场-2017版》

《激光雷达市场-2016版》

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