固態光達 光達 MEMS CES 機械式光達 Lidar

簡化結構並降低成本 固態/混合固態光達奔向L4

2022-03-24
在車用感測器中,光達(LiDAR)具有高量測距離、高精度、高辨識度,是邁向L3自駕不可欠缺的關鍵要素。發展較早的傳統機械式光達,由於體積過大、價格高昂導致車廠難以普及化,為此業界轉向朝固態光達研發,近年來各界逐漸對此寄予厚望,期盼固態光達順利突破技術瓶頸,成為接下來的布局焦點。

光達主要分為三種,機械式光達、混合固態光達和固態光達。機械式光達通常安裝於汽車頂部,進行360度機械式旋轉掃描,但因為價格昂貴、體積大、重量高而未被大量採用。國立中興大學電機工程學系教授裴靜偉(圖1)表示,汽車採用機械式光達因為安裝於車頂,導致掃描角度發生盲點狀況,且電動機件長時間使用後容易故障,引發安全考量,但其解析度、遠距離和視角廣闊等特性,仍優於毫米波(mmWave)雷達和攝影機。

而車廠為了加快L3目標進程,業界開始投入混合固態光達和固態光達開發,它們得以廣泛受到市場重視的優點包括:資料擷取速度快、解析度高、對於溫度和振動的適應性強。透過波束控制,探測點可以任意分布,例如在高速公路主要掃描前方遠處,對於側面稀疏掃描但並不完全忽略,在十字路口則加強側面掃描。而機械式光學雷達是無法執行這種精細操作的。

新舊交接過渡期

固態雷射光達的型態可分成基於相位陣列、Flash、MEMS三種方式。過去大多認定不旋轉就是固態光達,裴靜偉表示,MEMS為微機電系統,機械部件整合到單個晶片,但其實仍有旋轉機構,並搭配微機電振鏡,從嚴格意義上來說不能算純固態光學雷達,雖然具備多項固態光達的性能特點,如解析度高、有限水平FOV(前向而非360°)等,但卻與機械式光達一樣有角度限制、震動等問題。現階段開發的MEMS光達水平視角為40度,垂直角度為22度。

MEMS因為並非採用機械旋轉結構,可根本性降低光達成本,車廠因此開始大量生產販售,BMW提供L3級自動駕駛量產光達的Innoviz,就是基於MEMS方案。市場接受度也以MEMS較高,而Flash、相位陣列則處於研發階段。

純固態光達成新興發展

純固態光達內部沒有任何機械部件,耐用和可靠度優勢不在話下,且順應了自動駕駛對光達小型化和低成本化的趨勢,因此成為各界發展重點。Flash光達屬於非掃描式雷達,採用閃爍式的開發設計,以2D或3D圖像為光達的重點輸出內容。且以純半導體製程生產,穩定性和成本不錯,體積小,並且由於不存在旋轉的部件,在運作途中不需考量振動問題。

圖1  國立中興大學電機工程學系教授裴靜偉認為若MEMS降低成本,將來會取代機械式光達,但如展望中長期,相控陣光達最有機會助力自駕車發展。

但目前其探測距離較近和技術可靠性方面還存在問題。裴靜偉解釋其原理,3D Flash技術的固態光達,運作射出一次閃爍雷射光,因此有高功率需求,但也因為偵測器的解析度要很足夠,生產成本非常高昂。目前有廠商宣稱Flash固態光達可達到200公尺,實際上整體距離仍只有20~50公尺之內,有待更高發光源。

相位陣列是最有機會成就L3的固態光達,透過訊號對相位進行嚴格的控制,實現光束指向掃描。並且實現無機械結構模式運作,透過調節發射陣列中每個發射單元的相位差來改變雷射的出射角度。裴靜偉指出,OPA模式的優點包含體積小、掃描速度快、掃描精度或指向精度高、可控性好,缺點則是製程難度高,且因光學波長很短,目前距離僅為30~40公分。

光達成本仍須解決

光達架構包括雷射、接收器、旋轉器、訊號處理器,機械式光達造價動輒高達數萬美元,迄今仍難大規模應用。對於光達成本如何解,裴靜偉表示,由於投入成本相對比回收不平衡,若市場大量生產的話,勢必有機會降低成本。

機械式光達在地圖領域較為成熟,從發明到現在已10年左右。現今產業技術上仍以機械式旋轉光達發展較純熟,裴靜偉表示,若純粹從商業面,現在真正能夠出貨量產的大宗還是以混合機械為主。目前市場上偏向車前角度約為120~150度的混合機械光達,主流大多為120度,中國廠商禾賽科技(Hesai)早已推出混合機械光達。

針對未來混合固態和固態光達的前景,裴靜偉認為,MEMS可以緩衝傳統機械式光達的昂貴價格,以及相控陣列純固態光達暫時還無法落地的尷尬。現今MEMS基本動輒數千美元,若能順利降低成本,MEMS將來會取代機械式光達,但如展望中長期,相控陣光達技術最有機會達到高度發展的自駕車。

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