由于中國企業的參與,全球第一激光雷達廠商已敗退中國市場,主要是產品在中國失去了價格競爭力。面前,中國激光雷達廠商在技術方面已不輸國外,在20多家中排名靠前的包括禾賽科技、速騰聚創、鐳神智能、北科天繪、華為、北醒光子、佳光科技、砝石激光、覽沃科技、砝石激光等。這些公司中采用MEMS(微機電系統)微鏡技術的有7家；采用ToF(飛行時間)技術有4家(其中一家有兩種技術)。
MEMS微鏡已成為激光雷達主流
激光雷達是自動駕駛中用到的眾多傳感器之一,特斯拉等少數公司只使用攝像頭,有些場景(如純白或純色)場景可能難以識別,而激光雷達可以很快計算出距離、速度等各種信息,實現對環境的高分辨率識別。以往的機械式激光雷達光學和電學系統非常復雜,只有谷歌、百度等科技公司還在使用,無法大規模量產。最新技術是采用MEMS掃描微鏡的激光雷達,國內一些Tier 1已經在使用國產MEMS微鏡芯片開始定點項目量產。
中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所沈文江博士表示,現在,在MEMS掃描微鏡領域,國內和國外已經處在同一技術水平,但國內此類芯片代工仍存在困難,在一定程度上加劇了汽車缺芯的情況,亟待破局。
激光雷達有哪些形態?
激光雷達發展到現在走過了哪些路徑呢?現在的微鏡激光雷達和其他類型相比又有什么優勢呢?沈文江表示,最早的激光雷達是機械式的,即使現在,機械式也是占了大壁江山,因為現在用激光雷達的不是傳統車企,而是做自動駕駛方案的初創企業。之前一個64線雷達大概賣7萬美元,由于中國企業(如禾賽)的市場參與,現在便宜了一些,國內類似的產品水平很高,整體質量更好,北美好多企業都在買。
1．機械式激光雷達;2．Flash激光雷達;3．OPA激光雷達;4．MEMS激光雷達 機械式雷達之后是固態雷達,有好幾種,有一種叫flash(閃光),相當于用閃光燈把激光打出去,用探測器來接收信號。由于是全固態的,體積小了很多,但問題是近距離會過曝,遠距離測不到(能力不夠),所以目前一般flash雷達測距在50米以內。還有一種純固態雷達是OPA(光學相控陣),類似于采用射頻信號的毫米波雷達,用相控陣聚焦來掃描。它是在光學波長尺度上實現的,所以比毫米波技術難度大,也有公司在做方案。
MEMS微鏡與激光雷達
沈文江介紹說,MEMS掃描微鏡也叫振鏡,微鏡沿著x、y兩個方向掃描,可以實現非常高頻率的掃描。現在用于激光掃描投影的MEMS芯片,掃描頻率可以達到40kHz,相當于一秒鐘掃描4萬次。微鏡是一個硅結構的微型機械裝置。有些微鏡是用靜電力來驅動的,蘇州納米所的微鏡產品是用的電磁力驅動的,芯片上有一個線圈,在磁場中,通上電流即可產生一個安培力,從而驅動微鏡掃描。因為車載雷達不同于消費類產品,有更多特殊性,需要符合各種車規要求,所以開發車載激光雷達需要做很多工作。
他說,激光雷達的角度分辨率已達到0．2度,比如100米外的一輛車可以掃描到很多點,可以把車的輪廓計算并標示出來。與其他傳感器比,目前的MEMS激光雷達的每秒點云數據量在100萬左右,比圖像還是小得多,對處理器算力的要求沒有那么高。 MEMS方案更靠譜,易于商用。
沈文江認為,現在大家普遍覺得MEMS方案比較靠譜,能夠很快落地。與機械式相比,MEMS的優勢很多,如安裝簡單、體積更小、價格便宜,最有希望在乘用車上普及。機械式雷達是在一個臺子上面放激光探測器,64線需要64組激光器和探測器一一對應,然后供電讓它轉起來,電源、信號要通過轉臺連到下面的電路,所以它是一個非常復雜的光學和電學系統,不利于大規模的量產。
激光雷達脈沖發射方式比較 MEMS激光雷達只需要一個激光器和MEMS微鏡組合就能實現激光脈沖的掃描,裝配起來很簡單。從成本考慮,由于采用半導體工藝,量大了成本也會很便宜。另外,從分辨率考慮,比如MEMS激光雷達實現64線,只需要MEMS微鏡把單個激光器發出的脈沖掃描成的點陣能組成64條線就可以了,所以非常容易實現高分辨率,體積也非常小。未來MEMS激光雷達的成本有望控制在千元人民幣以內。
MEMS激光雷達原理 從全球總共5家激光雷達上市公司情況也可看出技術上的端倪,在其中4家美國公司,1家以色列公司,五家上市公司中有兩家用的是MEMS方案。所以MEMS方案還是業界和投資界比較看好的。 MEMS微鏡與自動駕駛
蘇州納米所是中科院的一個研究所,2006年與江蘇省三方共建,方向是半導體光電器件、各個波段的激光器和探測器,另外還有生物醫學影像、干細胞等,以及碳材料和輕量化材料。
該所一直在鼓勵科技成果產業化。沈文江說,自己在納米所的團隊在MEMS微鏡這個小眾專業領域做的挺不錯,跟國內很多做激光雷達的企業都有合作。納米所在國際上最早開始做大鏡面電磁驅動的MEMS微鏡。傳統的MEMS微鏡是在2000年前后,光通信熱潮中的MEMS光開關基本上是靜電驅動的,鏡面大小一般在1mm左右。目前國際大公司包括ST、博世、英飛凌、濱松、Intel都在做MEMS掃描微鏡,技術發展越來越快,市場競爭也會越來越激烈。他認為,現在納米所的技術在國際上屬于領先水平,在某些技術指標上還優于國外產品。其用在激光雷達的芯片已經有Tier 1企業采用生產激光雷達,并已定點線量產。
已量產MEMS激光雷達 現在,華為、特斯拉等造車新勢力把自動駕駛炒的火熱,他們不像傳統車企,為了體現科技感和先進性,各種最新的科技都用在汽車這個載體上。不過,他倒是覺得全自動駕駛可能還得再沉淀幾年,需要從智能輔助駕駛逐漸過渡到更高級別的自動駕駛,但是自動駕駛對造車新勢力來講,這肯定是一個賣點。
機會很多,困境仍在
蘇州納米專注芯片設計和芯片樣品的研究開發,產品量產要靠MEMS代工廠。事實上,MEMS器件的工藝制程并不高,只是微米級。整體來說,國內現在MEMS代工企業還屬于起步階段,目前比較成熟的產品有麥克風和壓力傳感器等。MEMS代工的特點是“一種器件、一套工藝”,所以MEMS微鏡對于代工廠來說是比較新的產品,工藝的導入和量產中都需要解決很多新的問題,要跟MEMS代工廠合作,要慢慢地去“培養”MEMS代工廠,和代工廠一起成長。 MEMS微鏡已經很小,未來走向哪里?
MEMS微鏡現在已經很小了,未來還會怎么發展呢?沈文江認為,其發展方向主要是針對特定的應用市場開發特定的MEMS微鏡。比如激光雷達用的MEMS微鏡需要大鏡面,鏡面大了光學發射出去的脈沖就更聚焦,能打得更遠,接收的脈沖信號就更強;再比如在激光掃描投影應用中,要求掃描頻率更高,這樣能夠實現更高的投影分辨率。微鏡的另一個很大的應用場景是光通信,包括光開關、光交換機等,現在大部分是從美國、加拿大進口的芯片,這應該是光通信領域國產替代的一個重要方向。
