來源：汽車之心
作者：周彥武
牛牛敲黑板：
綜合考慮性能、車規、成本、體積、生態，MEMS電磁振鏡激光雷達恐怕是這5年內大多數廠家最好的選擇。
上海車展在即。
今年，小鵬、蔚來、極狐、R 汽車等多家汽車品牌都將帶來搭載激光雷達的自動駕駛量產車型。
自動駕駛這件事上，中國車企這次集體站在了特斯拉的對立面。
特斯拉認為，純視覺可以實現完全自動駕駛。
今天主流的中國車企，則開始量產帶激光雷達的自動駕駛方案。
為什麼説激光雷達是 L3 級智能駕駛必備的傳感器？
自動駕駛的感知任務就是去實時建立一個準確的 3D 環境模型。
深度學習加單目、三目視覺是無法完成這個任務的。
單目/三目攝像頭的致命缺陷就是這類系統必須先識別才能探測得知目標的信息，目標識別（分類）和探測（Detection）是一體無法分割的。
深度學習算法的認知範圍來源於數據集的廣度和豐富性，而數據集永遠是有限的，因此深度學習算法肯定會出現漏檢。
如果無法識別目標，系統會認為前方不存在障礙物。特斯拉多次事故大多都是這個原因。
以上，也就是説單目/三目的系統漏檢是無法避免的，因此它只能用於 L2 的系統。
L2 以上，則必須要有激光雷達，激光雷達將帶來壓倒性的安全優勢。
某種意義上，激光雷達廠商的角色可以算是系統集成商。
傳統激光行業可以提供包括激光發射與接收部分的成熟零組件，行業內這些零組件都有超過 15 年的技術沉澱，像 1550 納米的激光接收二極管。
激光雷達公司們在激光二極管領域的技術沉澱最多也不會超過 3 年，因此它們的主要工作是設計掃描器。
掃描器也可以採購現成的產品。
如日本 Nidec 的多邊形掃描器，Mirrorcle 的 MEMS 振鏡。
一定程度上，研發激光雷達產品的門檻沒有那麼高。
激光雷達廠家要想掌握核心技術，就是自研自產掃描器。
1、理想與現實的碰撞：當下激光雷達量產的最優解
理想的激光雷達技術非Flash 莫屬。
無論從性能、生態、成本、體積、車規來考慮，Flash 激光雷達都是幾乎完美的。
但是目前 Flash 激光雷達的瓶頸是性能太差，這主要是 Flash 激光雷達的激光發射端是 VCSEL 陣列。
而 VCSEL 陣列的功率密度遠不能和傳統的激光二極管比，一旦突破這個瓶頸，Flash 激光雷達即可橫掃市場。
但目前來看，Flash 激光雷達要實現量產突破至少還要 5 年時間。
另一個技術路線是硅光電的 FMCW 激光雷達，技術成熟度還低於 Flash，並且即便技術成熟，價格也要比 Flash 激光雷達要高。
FMCW 激光雷達需要昂貴的飛秒級激光發生器，調諧器工作在太赫茲頻段，即便大規模量產，成本也要遠高於 Flash 激光雷達。
目前激光雷達掃描器可以分為機械式與光學式兩大類，機械類再可分為微機械、MEMS和SLAM。
SLAM 比較罕見，目前市面主要看到的產品就是微機械和 MEMS。
微機械再可分為四小類，分別是旋轉式（包括旋轉鏡和多邊形掃描）、電流計式（Velarray）、多稜鏡和音圈式。
MEMS 分為 MEMS 振鏡和 DMD 微鏡兩大類。
MEMS 振鏡再可分為壓電、電磁和靜電三大類。
2、MEMS路線為什麼異軍突起？巨大的成本優勢
激光雷達的發展方向是朝 Flash 的全固態發展。
法雷奧是目前唯一有量產客户的激光雷達廠家，長距離車規級產品 SCALA 採用轉鏡式設計，短距離的產品採用 Flash。
然而，法雷奧的下一代長距離的 SCALA 卻是 MEMS 激光雷達，這是為何？
法雷奧激光雷達發展路線圖
法雷奧是車規級轉鏡激光雷達鼻祖，也最清楚轉鏡式激光雷達的缺點，那就是成本下降空間有限。
當下法雷奧在售的 SCALA 第二代轉鏡式激光雷達，成本恐難低於 400 美元。
這裏，我們來分析一下激光雷達的成本結構。
激光雷達成本可以分為 BOM 成本、生產成本和研發成本。
先來看 BOM 成本。
以 Velodyne 的 Puck VLP-16 16 線激光雷達為例， 其零售價為 3800 美元，BOM 成本大約 1000 美元。
這當中主要是激光發射二極管和激光接收二極管，16 線需要 16 個發射，16 個接收。
發射二極管的價格一般是 20-25 美元，典型的如 Excelitas 的 TPGEW1S09H，905 納米，峯值光功率 70 瓦，輸入 12V，峯值電流 30A。
1550 納米激光二極管價格大約是 905 納米硅激光二極管價格的 3-5 倍，但其光功率很低，通常用在激光通信領域。
在激光雷達中需要選用到成本更高的 1550 納米光纖激光器才能達到瓦級光功率，合計大約 580-740 美元。
電機和外殼以及結構件大約 50 美元，電路板大約 100 美元，光學鏡頭、濾光片和保護罩等光學器件也需要 100 美金以上。
這樣的機械旋轉式激光雷達合計 BOM 成本大約 830 - 990 美元。
資料來源：techinsights
在主要的元件中，兩個芯片比較貴。
一個是德州儀器的 ADC08500，這是個高速 ADC，高達 500MSPS，因此價格比較昂貴，千顆以上採購規模要 30 美元一片，這是德州儀器收購國際半導體所帶來的產品線。
另外一個是英特爾收購的 Altera 的 FPGA，型號為 EP3C16U256C7N，價格大約 14美元。
資料來源：techinsights
背面主要是三顆芯片，主數據處理芯片 Altera的FPGA，型號為 EP3C25F324I7，價格大約 22 美元。
還有兩片存儲器，價格估計只有 5 美元。
還有一些比較貴的高精度晶振，激光雷達是納秒級產品，時鐘精度要求極高。用的元件精度普遍都要很高。
芯片及主動元件大約佔 80 美元，被動元件佔 15 美元，PCB 大約 5 美元。
上圖是法雷奧的 SCALA 這樣的旋轉鏡激光雷達成本結構，年產量達十萬級。
其 BOM 成本大約 300 美元，16 線需要增加 12 套發射與接收，也就是大約 400 美元。
這已經是年產量十萬級的規模。
這個價格顯然有點高了。
對於 MEMS 激光雷達，發射和接收激光器大幅度減少，即使做到等效上百線，有些只有幾個發射，接收可以用單線的 SiPM，也可以用陣列，比較靈活。
BOM 成本大幅度降低，其主要成本集中在 MEMS 振鏡上，大規模量產 MEMS 振鏡可以降低到 30 到 50 美元，目前從外採購則是 1000 美元上下。
基於振鏡和光源不同，MEMS 激光雷達 BOM 成本目前大約 450 到 1200 美元。
對於 Flash激光雷達，沒有掃描器，高功率 VCSEL 和高性能 SPAD 都處於萌芽階段，目前價格都很高，萬級像素的 Flash 激光雷達 BOM 大約 700-1000 美元左右。
未來大規模生產可以輕鬆降低到 100 美元以下。
那麼 MEMS的缺點是什麼？
缺點就是信噪比和有效距離及FOV 太窄。
因為 MEMS 只用一組發射激光和接收裝置，那麼信號光功率必定遠低於機械激光雷達。
同時 MEMS 激光雷達接收端的收光孔徑非常小，遠低於機械激光雷達，而光接收峯值功率與接收器孔徑面積成正比，這導致功率進一步下降。
這就意味着最小信號探測能力的降低，同時也意味着有效距離的縮短。
掃描系統分辨率由鏡面尺寸與最大偏轉角度的乘積共同決定，鏡面尺寸與偏轉角度是矛盾的，鏡面尺寸越大，偏轉角度就越小。
最後 MEMS 振鏡的成本和尺寸也是正比，目前 MEMS 振鏡最大尺寸是 Mirrorcle，可達 7.5 毫米，售價高達1199 美元。
速騰聚創投資的希景科技開發的 MEMS 微振鏡鏡面直徑為 5mm，已經進入量產階段。
禾賽科技的 PandarGT 3.0 中用到的 MEMS 微振鏡則是由自研團隊提供。
英飛凌收購的 Innoluce 也能自研 MEMS 振鏡。
MEMS 振鏡主要供應商 Mirrorcle 的產品一覽，很明顯，尺寸越大，角度越小。
3、電磁式 MEMS 振鏡：激光雷達最佳選擇
怎麼解決或者改善這個問題，那就是電磁振鏡。
按照驅動方式的不同，MEMS掃描鏡可以分為靜電驅動、電磁驅動、壓電驅動和電熱驅動四種驅動方式。
電熱驅動是利用電能轉換為熱能，再轉換為機械能驅動，其優點是驅動力和驅動位移較大，但是響應速度較慢。
壓電驅動是利用壓電材料的壓電效應實現驅動，具有驅動力大、響應速度快等優點，但是壓電材料存在遲滯現象。
電磁驅動是利用電磁或者永磁體實現驅動，具有較大的驅動力力和驅動位移，缺點是可能會受到電磁幹擾。
靜電驅動是利用帶電導體間的靜電作用力實現驅動，具有功耗低、速度快、兼容性好等優點。是目前使用廣泛的驅動方式。
靜電驅動是比較成熟的方式，上述 Mirrorcle 還有某以色列廠家都是採用靜電驅動。
靜電式 MEMS 振鏡原理圖
靜電驅動 MEMS 掃描鏡採用單晶硅製造，工藝簡單、成熟、成本低，芯片尺寸非常小，驅動功耗極低，封裝也比較簡單，屬電壓驅動型器件。
缺點是力也有點小，且是非線性的，此外存在吸合現象。
電磁式MEMS振鏡
電磁驅動的力密度大，電磁驅動 MEMS 掃描鏡也獲得廣泛的應用，其掃描角度大，可以實現線性掃描。
電磁驅動器件工藝涉及數十微米厚度的電磁線圈的製造，封裝需要配置永磁鐵，器件模塊尺寸稍大些。
該器件屬電流驅動型器件，驅動電流達數十毫安，驅動功耗較高。
器件既可工作於諧振狀態，也可以工作於非諧振狀態，當工作與諧振狀態時，驅動功耗可以大幅度降低。
電磁式的缺點是工藝複雜，門檻高，成本略高，體積略大，響應速度略慢於靜電，響應速度這點倒不成問題.
因為目前後端的數據處理能力有限，現在激光雷達數據處理除傳統算法外基本都採用了深度學習算法，也用激光雷達識別目標，與視覺傳感器融合.
不過，由於數據量巨大，一般只能承受 10-15Hz 的幀率，電磁式可以做到 30Hz，靜電式更高，但意義不大。
另一個電磁幹擾問題很容易解決，那就是增加磁屏蔽和加大磁場密度：採用目前最強的磁體 NdFeB，即釹鐵硼。
至於退磁問題，燒結釹鐵硼的居里温度點是 312 攝氏度，居里温度越高，磁材的工作温度也相對越高，並且温度穩定性更好。
燒結釹鐵硼原料中加入鈷、鋱、鏑等元素可提高其居里温度。
EH 牌號的釹鐵硼工作温度可達 200 攝氏度，較低的 H 牌號也可以達 120 攝氏度，足以適應車載環境。
MEMS 振鏡的可靠性一直被拿來作為攻擊標靶，説 MEMS 振鏡像薯片一樣脆薄。
靜電式或許真有點如此，但電磁式就不同了，其體積大，懸臂可以做的強度更高，電磁振鏡可以做到 300G 以上的抗衝擊，遠超車規要求的 50G。
在軍用及航天中的慣性制導系統普遍採用 MEMS技術，能夠承受超過 500g 的過載加速度。
該應用領域時限已經超過 30 年，而技術也逐步由軍工轉向民用，並非新技術。
相比之下，機械式激光雷達使用的旋轉電機，達到 50G 抗衝擊也有困難。
實際在車上已經有不少 MEMS產品，包括陀螺儀、加速度計、壓力傳感器、MEMS 硅麥克風、AR-HUD 和大燈用的 DMD 振鏡。
DMD 振鏡是德州儀器獨家供應，即 DLP 技術，DLP 技術已經使用超過 20 年，可靠性毋容置疑。
林肯大陸和導航員使用的是德州儀器早期 DMD 芯片 DLP3030，只有 40 萬像素。
奔馳 AR HUD 使用德州儀器最新的 DMD 芯片 DLP5531（2018年下半年才量產，所以林肯沒用上）有 130 萬像素，FOV 為 10X5°，VID 距離為 33 英尺即 10 米，奔馳稱這相當於 77 英寸顯示器。
不僅在 HUD 上使用了 DLP 投影，在車大燈上，奔馳還極盡奢華使用了 DLP 投影，也是 DLP5531。
使用MEMS微鏡的投影大燈
温度方面由温度超高的 DLP 投影背書，自然不成問題，實際 MEMS 振鏡可以看成一個半導體芯片。硅基半導體的温度範圍可輕易做到攝氏零下 40 到 125 度。
機械式激光雷達使用的旋轉電機因為潤滑油的原因：
低温狀態下油凝結成脂，出現難以啟動或者無法啟動的現象。
高温狀態下，油會揮發到鏡面上，循環往復次數多了，會累積成油滴乾擾光路。
這兩個問題在目前機械式雷達中普遍存在。法雷奧特別增加了 PTC 加熱和冷卻設施。
對傳統車廠來説，車規比性能重要，因此近距離選擇 Flash 激光雷達。
對新興車廠來説，性能比車規重要，因此選擇 Luminar，而介於兩者之間的廠家多選擇 MEMS，如寶馬，儘管 Innoviz 諸多不順，但寶馬並未放棄 MEMS 路線。
因為交期問題，Innoviz 不得已在初期選擇靜電振鏡，但正在轉向電磁振鏡。
綜合考慮性能、車規、成本、體積、生態，MEMS 電磁振鏡激光雷達恐怕是這 5 年內大多數廠家最好的選擇。
編輯/Jeffy