無可動元件,真正的全固態方案

2020-11-26 電子發燒友

無可動元件，真正的全固態方案

發表於 2020-07-08 15:06:01

據麥姆斯諮詢介紹，雷射雷達（LiDAR）可對遠距離（200米及以上）的物體進行探測、定位和分類，受到高級駕駛員輔助系統（ADAS）和新興自動駕駛汽車行業的熱捧。車載雷射雷達通常用於行人識別、碰撞避免和緊急制動。目前面臨的主要挑戰是：如何平衡測距範圍、解析度和幀率等性能參數要求與尺寸、可靠性和成本等商業可行性之間的關係。

總部位於美國西雅圖市的初創企業Lumotive推出首款商用固態雷射雷達，採用了基於液晶超表面（liquid-crystal metasurface，簡稱LCM）的獨創性光束操縱技術。LCM技術可實現對光束方向的操縱，形成的全固態解決方案有望同時實現兼具高性能和商業可行性的雷射雷達。

LCM是一種二維陣列形態的新型亞波長光學元件。當受到電信號調製時，液晶的折射率發生變化，改變進入納米級諧振器與從諧振器重新發射出來的延遲光子量。因此，每個諧振器充當了可編程相位延遲元件的角色。

無可動元件，真正的全固態方案

因此，Lumotive的技術類似於相控陣雷達，這是一種利用天線陣列實現的相位控制電子掃描雷達，可產生一束無線電波，無需移動天線就可通過電子化方式實現不同方向轉向。Lumotive指出，其LCM技術實現了無需可動元件的全固態雷射雷達解決方案。

顯然，相比機械式雷射雷達的結構，沒有了運動部件，全固態雷射雷達的結構更緊湊、性能更可靠，並且更具成本效益。LCM可以利用CMOS代工廠的常規材料和圖案化工藝在矽晶圓上實現。液晶與晶片用蓋玻片進行密封封裝，這與矽基液晶（LCOS）顯示元件的封裝方式類似。再將標準液晶顯示器（LCD）驅動器進行貼裝，提供驅動諧振器的電壓。

Lumotive的雷射雷達系統包含兩顆LCM晶片，分別用於發送和接收。當使用常規液晶時，Lumotive的LCM晶片切換速度約為25微秒，這比LCOS和LCD的切換速度典型值（毫秒級）快得多。

Lumotive雷射雷達系統包含兩顆LCM晶片，雷射束從頂部發射，在底部被接收


掙脫光學孔徑「桎梏」

汽車雷射雷達系統之所以難以設計，是因為所需的光學孔徑與視場角參數難以滿足。獲得較大的光學孔徑至關重要，因為接收端光學孔徑的大小決定了系統對光的聚集能力，從而決定測量距離、解析度和幀率等參數。光學孔徑大還意味著可以傳輸功率更大的雷射束，並且不會超出人眼安全的功率密度閾值。而採用MEMS微鏡作為光束操縱元件的MEMS雷射雷達機械掃描系統，隨著孔徑大小的增加，視場角也會減小。

Lumotive的LCM通過調整超表面的液晶塗層可以實現光束在120 x 30度的視場角內有效分布，並獲得最大25 mm x 25 mm的光學孔徑。因此，新型LCM光束操縱技術可以實現更遠的探測距離。Lumotive已為其固態光束操縱技術申請了專利，該公司稱該技術可以滿足雷射雷達對測量距離、視場角、解析度和系統尺寸的要求。

Lumotive已經發布了兩款基於LCM技術的雷射雷達系統：X20和Z20，分別針對汽車和工業自動化應用。X20的測量距離達到120米以上。Z20的測量距離較短，約50米，但垂直視場角為70度，非常適合各種工業應用。滿足消費者和移動市場需求的Lumotive M20將於2021年推出（相關新聞：《蘋果新款iPad Pro示範效應，汽車雷射雷達廠商跨界手機應用》）。

Lumotive雷射雷達原型X10（左），首款量產雷射雷達X20（中）


Lumotive聯合創始人兼執行長William Colleran談到「大家知道，一種3D傳感系統無法同時滿足不同應用的需求。我們的基礎架構使我們能夠有效地擴展技術以滿足特定的市場需求，同時採用CMOS製造工藝實現具有明顯的成本優勢。」。

Lumotive雷射雷達系統包括發射、接收和光束操縱模塊。汽車產業Tier 1供應商或工業傳感器供應商可以採購任意模塊，以構建或改善自己的雷射雷達產品。

Yole分析師Alexis Debray表示：「用於ADAS和自動駕駛汽車的雷射雷達市場規模將在2019年至2025年期間出現顯著增長，有望從1.17億美元增長至23億美元。」按照Yole預測，2019~2025年期間雷射雷達市場規模的複合年增長率將達到64%。

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