固态激光雷达新突破,智能驾驶拐点将至?

激光雷达不是一个讲故事的行业。
 
生存、爆发还是毁灭,取决于技术。“2016年投资人还会为机械雷达买单,2017年开始看固态激光雷达,但到2018年大家都发现还是有点早,就选择做折中的MEMS,”位于深圳的激光雷达公司力策科技创始人张忠祥博士说。
 
激光雷达作为自动驾驶的“眼睛”,最早进入视野是在2006年。安装了业界元老Velodyne研发多线激光雷达自动驾驶汽车,连续多年包揽美国国防部高级研究计划署(DARPA)赞助的自动驾驶汽车竞赛第一、第二名。
 
但高昂的成本、不稳定的性能,让其难以跨越商业化量产的鸿沟。
 
直到2015年的CES展上,固态激光雷达的先行者Quanergy因提出将硅光子学应用于激光雷达而火爆一时。凭借用芯片替代机械控制光束,而非机械带动光束转动这一核心优势,纯固态激光雷达开始登上舞台。
 
更小的尺寸、更低的成本,也因为其相较于机械更稳定的性能,更容易过车规,固态激光雷达一度被视为激光雷达的“终极未来”。
 
但固态激光雷达商业化的鸿沟主要在于技术难度。估值超过10亿美元的Quanergy出现了各种各样的问题,其产品的研发进度一度遭到外部质疑。
 
但今年以来,固态激光雷达似乎到了一个新拐点。
 
近日,和Quanergy同样主打硅光OPA芯片的Voyant宣布完成430万美金种子轮融资。沉寂许久的Quanergy创始人Eldada近日也再度发声,“我们将在2021年推出最新产品。”Eldada说道。
 
纵观国内,各个激光雷达初创公司都在角逐这个新战场。“几乎看过的激光雷达项目都说未来要做OPA,”一位投资界人士说。

力策已悄然完成OPA芯片的三轮流片。据了解,其OPA芯片为全球首款实现双轴独立控制、大视场角、高速扫描的OPA芯片。
 
所谓OPA即是“光学相控阵”(Optical Phased Array,OPA)技术,其通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变激光的出射角度。这种办法使得在不借助运动部件的情况下,扫描覆盖一个大的范围。

从Quanergy开始,硅光子OPA激光雷达实际已经火热了好几年。作为一个前沿领域,一切都未成定局,新的理论和技术路线还在产生。如今,空间光OPA技术路线开始崛起。
 
“整个激光雷达行业跟随着无人驾驶,从2016年起,经历了一波资本热潮,到了今年,进入冷静期。大家开始思考,哪些方向是目前能真正落地的,哪些是可以下注未来的,”力策科技创始人张忠祥博士说。

ECC   往事与纷争

一般来说,固态激光雷达有MEMS、OPA、Flash三大技术方向。
 
但一般认为,纯粹的固态激光雷达只有两种,一种是光学相控阵OPA,一种是Flash。
 
作为一种折中的方案,MEMS只是把机械微型化,并没有完全消除机械,扫描单元变成了 MEMS 微镜。国内很多激光雷达公司,以及今年融资过亿美元的以色列激光雷达公司Innoviz都在主攻MEMS。“因为它最能交功课”。
 
Flash激光雷达,如其本意,原理也是快闪,它不像MEMS或OPA的方案会去进行扫描,而是短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,再以高度灵敏的面阵接收器,来完成对环境周围图像的绘制,是接收端芯片的良好方案。

但对于远距离车载应用,Flash系统要做到“远近兼顾”非常困难,而且泛光照射还会带来激光安全与串扰的问题。
 
行业内不少人认为,相控阵激光雷达属于未来,但现在我们还停留在机械式或 MEMS 激光雷达的时代,机械式更是处于统治地位。
 
但技术永远需要挑战者的推动。
 
激光雷达一样,相控阵技术,最早也是出现在军事领域。美海军宙斯盾舰上那一块蜂窝状的“板子”就是相控阵雷达。
 
如果要十分精炼的总结OPA芯片的核心价值,就是通过芯片驱动“操控光束的方向”,实现对不同方向的扫描。相对于MEMS,OPA技术路线的电子化更加彻底,完全没有任何机械结构,自然也没有旋转。
 
不仅如此,芯片驱动的电控扫描将给算法和决策层巨大的空间。这意味着,在算法弹性方面,OPA具有巨大的潜力。
 
业界认为,OPA是目前固态激光雷达最理想的方案,但也有很多技术问题需要解决。

难点主要在于OPA芯片原理。OPA作为一个新的芯片流派,芯片的物理原理还在探索中。

先驱Quanergy采用的硅光OPA技术路线,面临着损耗、调制速度、波导串扰、材料非线性等几个基础物理难题,短期内难以突破。而基于液晶的空间光调制方式速度慢,且液晶材料受限于工作温度。

力策的方案是“在硅OPA和液晶空间光调制之间做了个折中”,力策的OPA芯片流片成功无疑证明了折中方案的可行性。

ECC   国内的探索者

作为初创公司的力策科技,也一度在MEMS激光雷达和光学相控阵(OPA)激光雷达两种技术方案之间徘徊过。但作为一支追求技术深度的团队,除了已经稳定量产的机械雷达外,力策选择直指世界性难题——研发OPA芯片驱动的固态激光雷达
 
OPA固态激光雷达路线是一个出现在初创公司的新兴技术领域,理论研究和工程实现成为必须摊在一张桌子上的牌。

作为从学术界走出来的团队,力策从底层出发。创始人张忠祥攻读博士期间研究光学天线,曾成功实验验证远红外三维亚波长光学天线结构并解释其物理机制。

这是当时国际上首次提出全遮蔽的金属平面依然能够透射电磁波的结构,该结构后来被日本和美国科学家跟进,应用于设计相位/幅度独立调制光器件。而他读博期间发表的关于光纤嵌套纳米金属线结构的仿真结果,后来一年内被俄罗斯科学家实验证明。

团队技术人员多为2014年就进入激光雷达领域的“老兵”,力策团队成员在单线、多线及目前较火的固态方案都有所研究,并布局专利。其第一代 ToF 单线激光雷达性能已接近德国Sick 和日本北洋的产品,但价格只是其八分之一左右。

据了解,力策目前已成功完成OPA芯片的三轮流片,通过芯片控制,实现双轴的独立控制扫描,速度达3.48MHz ,角度达60度。可以定点扫描、光点非连续随意切换,也就是“想点哪里点哪里”。

力策的OPA芯片与全球其他公司和机构的同类产品数据比对,在水平和垂直视场角、扫描效率、扫描速度等维度,都有明显的优势。预计年内公司将完成激光雷达系统的搭建。

加了片上光放大SOA

张忠祥博士说,如果OPA芯片激光雷达量产成功,那么固态激光雷达的成本在规模量产后将降低至百美元水平,商业化可期。
 
未来一旦 L3、L4级别 的无人驾驶汽车进入商用,激光雷达的市场规模将是百亿级别的。
 
成本下来了,激光雷达的商业想象空间就可以不限于无人驾驶,还有其他2B领域应用,比如物流低速车、仓储与搬运、安防和交通。

跳出激光雷达的框架,OPA芯片具有应用场景的可拓展性,比如工业自动光学检测。随着5G的兴起,光通信里面的光开关芯片等应用也值得期待。
 
再想得大一些,OPA光束控制相比液晶对于特定波长可提供高至少3个数量级的扫描速度, 与激光(例如VCSEL)集成后可提供高速扫频能力,可以在医学上为眼睛和血管的光学相干断层扫描(OCT)提供更高效的工具。

军事上,作为更高速、更稳定的方案,取代传统液晶,作为激光指向控制的核心器件,也未尝不可。
 
挑战更前沿的技术、建立更高的壁垒、支持未来爆炸性的增长。无人驾驶的中场战事中,力策科技作为行业引领者的故事未完待续。

“‘人们总是高估未来两年的变化,低估未来十年的变革’。这句话形容激光雷达这几年的发展非常准确,资本曾经抱着很高的期待,希望激光雷达技术能在三两年内落地,这是高估了技术的发展速度。至于激光雷达行业能在什么时候迎来变革性的方案,我们相信不需要等十年,”张忠祥博士说。
高捷资本
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产业OPA芯片自动驾驶激光雷达
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激光雷达技术

自动驾驶车辆传感器的一种,采用激光扫描和测距来建立车辆周围环境的详细三维模型。Lidar 图像具有高度准确性,这使得它可以与摄像头、超声波探测器和雷达等常规传感器相提并论。然而激光传感器面临体积过大的问题,同时,它的机械结构非常复杂。

自动驾驶汽车技术

自动驾驶汽车,又称为无人驾驶汽车、电脑驾驶汽车或轮式移动机器人,是自动化载具的一种,具有传统汽车的运输能力。作为自动化载具,自动驾驶汽车不需要人为操作即能感测其环境及导航。

5G技术

第五代移动通信系统(5th generation mobile networks),简称5G,是4G系统后的延伸。美国时间2018年6月13日,圣地牙哥3GPP会议订下第一个国际5G标准。由于物理波段的限制,5G 的网络也将会与其他通信技术并用,包含长距离的其他传统电信波段。

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