麥姆斯咨詢 編譯
談及激光雷達(dá)（LiDAR），大部分人都會首先想到遠(yuǎn)距離應(yīng)用，例如航空測繪，或是自動駕駛測試車輛頂部的全家桶或大黑盒。但是，激光雷達(dá)最激動人心的用例可能還在于小尺寸和10~20米左右的短距離應(yīng)用，它革命性地改變了無人機地面測繪和AGV車輛導(dǎo)航，帶來了豐富的新用途。
小尺寸、低功耗的短距離激光雷達(dá)模塊可以在機器人和AGV車輛周圍形成一個環(huán)境可視化的安全屏障，以提高安全性并實現(xiàn)自動導(dǎo)航、避障、泊車等新功能。
探測范圍2米和200米的激光雷達(dá)，其價值和應(yīng)用同樣誘人，它們發(fā)射主動光束，穿透復(fù)雜的環(huán)境光到達(dá)物體表面，然后將準(zhǔn)確的距離數(shù)據(jù)附加到場景中的每一個點。這種性能可以幫助應(yīng)用避免災(zāi)難性錯誤，大大降低軟件的計算量，將像素轉(zhuǎn)化為可識別物體或場景的精確3D地圖。
小尺寸、低功耗的短距離激光雷達(dá)可以增強系統(tǒng)的主動安全性，改善工業(yè)機械、機器人和無人機的測繪和導(dǎo)航。如果尺寸足夠小，它們還可以大幅改善智能手機的增強現(xiàn)實（AR）應(yīng)用。
探測距離、尺寸、功率
Lumotive基于高度可擴展的光束控制超表面（LCM?）技術(shù)，打造了從智能手機，到機器人、無人機、AGV以及工業(yè)應(yīng)用，并一直擴展到自動駕駛高性能遠(yuǎn)距離應(yīng)用的激光雷達(dá)。
顯然，上述小型系統(tǒng)可以極大的受益于激光雷達(dá)的環(huán)境感知性能，但它們無法承受目前大尺寸、遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)的尺寸、重量、功耗以及成本。所幸，這四個因素都可以通過大幅縮小激光雷達(dá)的工作范圍來改善，因為它們并不需要自動駕駛所要求的250米探測距離。
對于高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）或工業(yè)/機器人應(yīng)用，將探測距離縮小到20米，就可以采用低功率激光器、更經(jīng)濟的光學(xué)元件和僅為高爾夫球大小的封裝尺寸。再縮小一點，甚至可以獲得尺寸和功耗都與智能手機攝像頭模塊相當(dāng)?shù)募す饫走_(dá)。不過，這些都需要基于非常關(guān)鍵且極具挑戰(zhàn)的技術(shù)改進(jìn)，那就是去除操縱激光束的運動反射鏡，以及其相關(guān)的影響小型化的軸承、定位器等組件。
面向智能手機和AR應(yīng)用的Lumotive U30，探測距離10米
去除運動反射鏡
去除運動反射鏡子系統(tǒng)是可行的，最簡單的方案被稱為Flash照明。類似照相機閃光燈一樣，F(xiàn)lash激光雷達(dá)用單次脈沖照亮整個視場。然后通過鏡頭將場景圖像聚焦在2D飛行時間（ToF）傳感器上，傳感器中的每個像素記錄Flash脈沖和場景反射光之間的相位差。根據(jù)這些相位差，系統(tǒng)可以確定從激光雷達(dá)單元到視場中每個點的距離。
這種系統(tǒng)機械簡單，但面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。Flash脈沖的能量分布在整個視場中，因此任何一點反射脈沖的能量都很低，很容易在強烈的環(huán)境光中丟失。例如，在明亮的陽光下，需要非常強大的Flash脈沖才能讓傳感器檢測到數(shù)據(jù)。這就是為什么微軟Kinect中的Flash激光雷達(dá)在光線昏暗的室內(nèi)工作良好，但在日光下的戶外基本上就“盲”了。
環(huán)境光的影響還不是唯一的挑戰(zhàn)。例如，多路徑問題，當(dāng)脈沖從激光雷達(dá)到場景中的某個點再返回到傳感器時的路徑不止一條時，會導(dǎo)致虛假的距離測量，從而扭曲物體的形狀和距離。對于具有多反射表面的場景，這種偽影問題尤其突出。另外，還有干擾問題，當(dāng)多個激光雷達(dá)裝置在同一區(qū)域工作時，例如多個機器人運行的倉庫或多人游戲中，由于信號干擾也可能導(dǎo)致不準(zhǔn)確的距離讀出。
改良Flash方案
這難不倒工程師的智慧。例如，蘋果工程師改進(jìn)了iPhone 12 Pro的Flash方案，在Flash單元前面添加了一個光學(xué)元件，使垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）發(fā)出的光不是泛光，而是在視場中均勻分布的24 x 24光束陣列。由此可以將更多的能量照射到場景中的每個點，從而克服環(huán)境光影響，使系統(tǒng)能夠在室外正常工作。
當(dāng)然，這種離散光束陣列也是有助于改善但不能完全消除多路徑和干擾問題。在這種架構(gòu)下，有限數(shù)量的光束（24 x 24）生成了分辨率較低的深度圖像。這種分辨率可能會扭曲不規(guī)則物體的形狀，并可能完全丟失尺寸較小的物體，即使它們對應(yīng)用至關(guān)重要。
固態(tài)光束掃描
采用運動反射鏡的激光雷達(dá)系統(tǒng)通過將所有VCSEL能量集中在單個光束中，來克服環(huán)境光和其它Flash方案的問題，不過，它們很難將尺寸做得非常小。而Flash方案可以縮減到小尺寸和低功耗，但它們難以解決環(huán)境光、分辨率以及其它精度問題。相比之下，采用傳統(tǒng)液晶技術(shù)的物理光學(xué)應(yīng)用可以幫助我們擺脫上述困境，其核心是一種固態(tài)器件——一種無需運動組件的光束控制CMOS芯片。
這種架構(gòu)的核心是Lumotive稱之為液晶超表面（LCM）的芯片。設(shè)想一顆小型CMOS集成電路，上面覆蓋著一層非常薄的微型液晶單元陣列，這些液晶單元小到能夠以1/4波長的間距隔開。在這種尺寸下，液晶單元可以像巨大的微型光學(xué)天線陣列一樣，根據(jù)施加到液晶單元上電壓信號確定的角度反射入射光束。通過這種方式，固定的LCM芯片能夠通過軟件控制在視場中掃描光束。
在Lumotive激光雷達(dá)模塊中，LCM芯片通過耦合棱鏡利用VCSEL陣列的反射光（以紅色顯示）掃描視場。場景反射光（以藍(lán)色顯示）再通過透鏡聚焦到一顆飛行時間（ToF）傳感器上。通過將視場中的行照明與來自ToF傳感器的行讀出同步，系統(tǒng)可以通過類似卷簾快門的過程，高效創(chuàng)建場景的高性能3D圖像。
這種方案具有顯著的優(yōu)勢。由于視場中的每個點都能從VCSEL行照明中獲得相對很高的能量，因此相比Flash方案需要的激光功率，LCM激光雷達(dá)方案可以將激光器的功率降低約10倍，或者LCM激光雷達(dá)可以在相同環(huán)境光照條件下提供兩到三倍的有效探測距離。這種情況下，系統(tǒng)的分辨率主要由ToF傳感器而非照明限制，能夠為場景中的表面提供更精確的形狀測繪，并成功捕捉尺寸更小的物體。
由于在任何時刻都只有一條VCSEL行照明視場，因此顯著減少了多路徑和干擾問題。另一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，由于LCM光束轉(zhuǎn)向沒有任何機械慣性，因此光束可以在整個視場中由軟件控制以任何順序轉(zhuǎn)向。例如，可以從對整個視場的均勻掃描切換到對有限區(qū)域的更窄、更快的掃描，以收集感興趣區(qū)域的更豐富數(shù)據(jù)。
同樣重要的是，從系統(tǒng)供應(yīng)商的角度來看，LCM激光雷達(dá)方案所使用的材料和工藝已經(jīng)很成熟，事實上，所有基礎(chǔ)技術(shù)都已經(jīng)在智能手機中有應(yīng)用。因此，Lumotive可以將激光雷達(dá)縮小到高爾夫球大小，甚至小到智能手機攝像頭模組的尺寸。
業(yè)界已經(jīng)注意到，小尺寸、低功耗的經(jīng)濟型激光雷達(dá)有望為充滿前景的應(yīng)用開辟新機遇。然而，包含運動組件的反射鏡光束控制方案很難微型化，去除運動反射鏡的Flash方案又面臨著巨大的性能挑戰(zhàn)。Lumotive基于其專有的固態(tài)光束控制LCM芯片，提供了一種可擴展的激光雷達(dá)架構(gòu)，打破了上述困境，為很多潛在應(yīng)用打開了大門。
作者簡介：
Lumotive聯(lián)合創(chuàng)始人、首席技術(shù)官Gleb Akselrod
Gleb Akselrod在光子學(xué)和光電子領(lǐng)域擁有超過10年的經(jīng)驗。在加入Lumotive之前，他曾擔(dān)任華盛頓Bellevue Intelligent Ventures的光學(xué)技術(shù)總監(jiān)，在那里他領(lǐng)導(dǎo)了一個光學(xué)超材料和納米光子技術(shù)商業(yè)化項目。他于2013年在麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，后在杜克大學(xué)超材料和集成等離子體電子中心做博士后研究，當(dāng)時的研究方向是等離子體納米天線和超表面。
Lumotive成立于2018年，是全硅固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)者，致力于為消費電子、工業(yè)自動化、機器人和汽車應(yīng)用開發(fā)高性能激光雷達(dá)解決方案。Lumotive基于其液晶超表面專利的革命性光束操縱技術(shù)，提供了前所未有的探測范圍、分辨率及幀速率的高性能組合，并已經(jīng)為大規(guī)模應(yīng)用做好了準(zhǔn)備（成本、可靠性及尺寸）。Lumotive的隨機存取光束控制芯片，使業(yè)界首款軟件定義激光雷達(dá)具備了尋址掃描、目標(biāo)跟蹤和高級感知能力。Lumotive的投資方包括比爾·蓋茨基金和Quan基金。
延伸閱讀：
《新興圖像傳感器技術(shù)、應(yīng)用及市場-2021版》
《傳感應(yīng)用的VCSEL技術(shù)及市場-2021版》
《激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)及核心元器件-2020版》
《飛行時間（ToF）傳感器技術(shù)及應(yīng)用-2020版》
