據(jù)麥姆斯咨詢介紹，激光雷達設(shè)計面臨最大的挑戰(zhàn)是在達到性能和魯棒性目標的同時，以合理的價格實現(xiàn)量產(chǎn)。位于德國慕尼黑的激光雷達（LiDAR）企業(yè)Blickfeld創(chuàng)始人Florian Petit在接受Geospatial World的獨家采訪時談到，目前設(shè)計的傳統(tǒng)激光雷達更像一臺機械旋轉(zhuǎn)設(shè)備，很可能無法實現(xiàn)上述目標，過去幾年的許多努力已經(jīng)證明了這一點。
Geospatial World：請您詳細介紹MEMS激光雷達技術(shù)及其相比機械式激光雷達的優(yōu)勢！
Florian Petit：MEMS微鏡是非常值得選用的光束操縱單元。硅基MEMS微鏡通過光刻、刻蝕等工藝完成。MEMS技術(shù)的優(yōu)勢在于其精度高達納米級，且可擴展性非常優(yōu)秀。一般來講，從一片標準尺寸的晶圓（例如直徑為200毫米）上可以生產(chǎn)出數(shù)百顆MEMS微鏡，所有晶圓都是在高度精確的管控下進行批量生產(chǎn)。
如今，最常見激光雷達的光束操縱方式是機械式旋轉(zhuǎn)。這類非常復(fù)雜的機械設(shè)備又大又重，生產(chǎn)效率低且成本高昂。機械式激光雷達的復(fù)雜性主要源于光束操縱單元，光束操縱單元的作用是使光束（激光和反射光）發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這些旋轉(zhuǎn)部件，如齒輪和馬達，會受到摩擦和磨損。激光雷達對精度要求非常高（典型的激光雷達應(yīng)用要求角度精度小于0.5度），這樣的旋轉(zhuǎn)部件對精度影響非常大。而且，旋轉(zhuǎn)部件容易磨損甚至失效，需要定期維護。這一問題激發(fā)了對固態(tài)激光雷達的需求，人們期待固態(tài)激光雷達能實現(xiàn)穩(wěn)健和持久的工作。
MEMS微鏡已經(jīng)存在多年，甚至在視頻投影機這樣的日常設(shè)備中得到了應(yīng)用。當今MEMS微鏡的問題在于很難將其用于遠距離激光雷達。遠距離探測和大視場角是激光雷達的關(guān)鍵性能指標。典型的MEMS微鏡的鏡面尺寸小，偏轉(zhuǎn)角度較小，因此無法達到理想的探測距離和視場角。
為了突破這些限制，Blickfeld為激光雷達開發(fā)了特殊的MEMS微鏡。這是專門為激光雷達應(yīng)用而設(shè)計的，并針對最遠探測距離和視場角等問題進行了優(yōu)化。鏡面尺寸大于10毫米，因此可以將最大程度地入射光引導(dǎo)至光電探測器，確保150米及以上的遠距離和對低反射率物體的探測能力。此外，MEMS微鏡可以實現(xiàn)高達120°的偏轉(zhuǎn)角度，從而獲得廣闊的視野。它采用標準硅基工藝生產(chǎn)，成本合理，可實現(xiàn)高度自動化生產(chǎn)。
這款MEMS微鏡的另一巨大優(yōu)勢是，根據(jù)其優(yōu)化后的激光雷達設(shè)計變得非常簡單：除了一些標準光學元件外，還有一顆激光器、一顆二維MEMS微鏡和一顆探測器。這些組件組裝后的尺寸僅為80mm x 60mm x 50mm。激光發(fā)射到微鏡后，微鏡對光線進行反射，完成機械式激光雷達的旋轉(zhuǎn)射出。入射的反射光被微鏡操縱集成到同一光路，最后被探測器接收。這種所謂的同軸方式具有相同的輸入／輸出光路，具有很高的日光抑制優(yōu)點，從而實現(xiàn)高信噪比。
Geospatial World：除了自動駕駛汽車，MEMS技術(shù)還有其它應(yīng)用嗎？
Florian Petit：MEMS技術(shù)已經(jīng)廣泛用于各種應(yīng)用，如噴墨打印機、顯示器、汽車的加速度計（例如安全氣囊打開）。而將MEMS技術(shù)應(yīng)用于激光雷達則是一種全新的概念。MEMS的尺寸縮小，帶來的問題是與用戶對光學傳感器期待截然相反的結(jié)果，因為更大的尺寸意味著能捕捉更多的光，從而探測到更多的光。我們所做的是根據(jù)這些要求設(shè)計MEMS微鏡，在利用MEMS的優(yōu)勢（尺寸小、可量測）的同時，增加MEMS微鏡的孔徑，實現(xiàn)遠距離探測和開闊的視野。
Geospatial World：您如何預(yù)測固態(tài)激光雷達的未來？短期內(nèi)是否有可能會出現(xiàn)前沿創(chuàng)新技術(shù)擾亂市場？
Florian Petit：固體激光雷達具有廣闊的發(fā)展前景。它們功能強大、成本更低、體積更小、集成度高，非常適合于自動化應(yīng)用。關(guān)于如何實現(xiàn)激光雷達的固態(tài)化，有幾種技術(shù)路線。但我們認為，真正對市場帶來干擾將是以兼具合理成本和高性能的量產(chǎn)級固態(tài)激光雷達——我們相信，這將通過MEMS技術(shù)實現(xiàn)。
Geospatial World：請您預(yù)測下認為激光雷達產(chǎn)業(yè)的趨勢？還會沿著之前的軌跡發(fā)展嗎？
Florian Petit：大多數(shù)專家都同意激光雷達在不久的將來成為每輛自動駕駛汽車不可或缺的傳感器。Yole在最新出版的《汽車和工業(yè)應(yīng)用的激光雷達－2019版》中預(yù)計，到2021年自動駕駛汽車的總量將達到44000輛。與此同時，激光雷達市場也因此受益，預(yù)計將從2018年的13億美元增長到2024年的60億美元。其中，汽車應(yīng)用占據(jù)激光雷達市場的70％份額。
關(guān)于成本、尺寸、精度和魯棒性要求，固態(tài)激光雷達都被認為比傳統(tǒng)的機械式激光雷達更優(yōu)秀。我們相信激光雷達將成為大眾產(chǎn)品，全面進入現(xiàn)代生活的不同領(lǐng)域，為機器提供環(huán)境建模與導(dǎo)航。
Geospatial World：您認為如何讓激光雷達成為主流傳感器且價格合理？
Florian Petit：在我們看來，解決方案不是簡單地購買昂貴的組件，并用它們制造昂貴的激光雷達，寄希望于批量生產(chǎn)時會變得更便宜。同時，采用需要數(shù)十年研究才能完成的技術(shù)也不會得到具有時效性的解決方案。
我們認為，目前已有許多性能優(yōu)秀的元器件和技術(shù)供選擇以建立一套合適的激光雷達系統(tǒng)。市場上部署的數(shù)百萬臺設(shè)備正在對元器件進行大量使用和測試。例如，車規(guī)級激光器（905nm激光二極管），分辨率很高的探測器如可以探測單光子的硅光電倍增管（SiPMs），或硅基微鏡（MEMS微鏡）。然而，這些器件還沒有針對激光雷達應(yīng)用進行優(yōu)化——或者說還沒有找到適合這些元器件的激光雷達設(shè)計。
因此，我們認為關(guān)鍵是讓每一種元器件與整個激光雷達系統(tǒng)之間進行適應(yīng)、調(diào)整和優(yōu)化。因此，要對激光器／探測器的光電特性進行調(diào)整，滿足發(fā)射／接收光學系統(tǒng)和光束操縱單元的要求。對激光雷達進行整體設(shè)計（同軸設(shè)計），盡可能抑制干擾光（陽光）。而且，可能最重要的是在兼顧距離、視場和環(huán)境條件方面的因素對光束探測單元進行優(yōu)化。這項任務(wù)非常復(fù)雜，因為其中的元器件本身很復(fù)雜，激光雷達的設(shè)計也很復(fù)雜，而且還有更多的邊界條件，比如對高度自動化生產(chǎn)的需求。
這對開發(fā)團隊來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，需要來自光學、MEMS、信號處理、電子、軟件和生產(chǎn)技術(shù)等各個學科的專家攜手合作。
Blickfeld確定了機械式光束操縱單元的復(fù)雜性是激光雷達的主要問題。這個問題影響性能和生產(chǎn)的可擴展性。因此，我們發(fā)明了一種專門為激光雷達應(yīng)用設(shè)計的硅基光束操縱單元——MEMS微鏡，可以創(chuàng)建性能和制造均可擴展的激光雷達模組。這有助于我們克服機械式旋轉(zhuǎn)激光雷達的許多問題。
Geospatial World：高價格是激光雷達的主要制約因素，您認為成本會大幅下降嗎？
Florian Petit：通過使用硅基MEMS微鏡技術(shù)和現(xiàn)有元器件，在批量生產(chǎn)時，相比機械式激光雷達，成本可以大幅降低。
Geospatial World：激光雷達還能為普通消費者帶來哪些“福利”？
Florian Petit：激光雷達是一種用于3D環(huán)境感知的傳感技術(shù)。激光雷達可以提供高精度的環(huán)境距離圖像。捕獲的三維數(shù)據(jù)能直接表達場景的基本幾何特征，如形狀、大小和距離。在移動應(yīng)用中，當涉及到運動，在一定時間內(nèi)覆蓋一定距離時，這種三維數(shù)據(jù)對于安全感知周圍環(huán)境以及在其中進行操作和導(dǎo)航至關(guān)重要。因此，汽車中的大多數(shù)感知傳感器，無論是超聲波傳感器、毫米波雷達，還是具有圖像處理功能的二維攝像頭，都在致力于收集三維信息。激光雷達特別適合這項任務(wù)，因為它們可以直接提供高分辨率和精確的三維點云，其質(zhì)量是其它傳感器技術(shù)無法比擬的。
激光雷達是一種可應(yīng)用于各行各業(yè)的關(guān)鍵傳感技術(shù)。激光雷達在許多領(lǐng)域都充當推動者的角色，將推動自動駕駛、智慧城市、機器人、無人機等應(yīng)用的發(fā)展。大多數(shù)普通消費者將間接體驗到激光雷達廣泛部署的好處。他們不會陷入交通堵塞，可以從A地到B地乘坐自動駕駛汽車，物流鏈優(yōu)化也將包裹更快送達。
Geospatial World：英特爾旗下的Mobileye開發(fā)了一種新的自動駕駛系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用高清攝像頭而不是激光雷達。這會對汽車激光雷達行業(yè)產(chǎn)生影響嗎？
Florian Petit：與激光雷達相比，攝像頭在自動駕駛汽車上的功能則不同。攝像頭探測的二維彩色圖像能“看到”交通燈或道路標志。然而，當涉及到測量距離或速度時，攝像頭面臨著很大的挑戰(zhàn)。要從攝像頭的圖像中獲取距離或速度信息，需要復(fù)雜的算法，即使這樣，也存在局限性。激光雷達提供準確的長短距離和高分辨率的三維環(huán)境信息，可用于ADAS應(yīng)用，如停車和堵車輔助、盲點檢測、車道保持、自動緊急制動和自適應(yīng)巡航控制，是L4級和L5級自動駕駛車輛的必需傳感器。
Geospatial World：激光雷達行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？
Florian Petit：激光雷達技術(shù)作為存在了幾十年的技術(shù)，已有達到高性能標準的產(chǎn)品供選擇。然而，今天的激光雷達的魯棒性還不夠強，非常重要的是無法以合理的價格大范圍推廣使用。這對于激光雷達進入汽車市場來講是個巨大的問題。激光雷達在當今高度自動化的測試車輛中有著廣泛的應(yīng)用，并且有望成為自動汽車傳感器組合的基本元器件，甚至未來在每輛車上會部署多個激光雷達。
Geospatial World：請您談?wù)凚lickfeld的情況及愿景？
Florian Petit：Blickfeld于2017年在德國慕尼黑成立，開發(fā)基于硅基MEMS微鏡和現(xiàn)有元件的領(lǐng)先激光雷達技術(shù)。Blickfeld的激光雷達能以最高性能滿足大眾市場所需的成本和尺寸要求。2019年，Blickfeld將推出首款系列產(chǎn)品Cube，主要為自動導(dǎo)航、高清地圖和其他激光雷達應(yīng)用而設(shè)計。
Geospatial World：請您詳細介紹MEMS激光雷達技術(shù)及其相比機械式激光雷達的優(yōu)勢！
Florian Petit：MEMS微鏡是非常值得選用的光束操縱單元。硅基MEMS微鏡通過光刻、刻蝕等工藝完成。MEMS技術(shù)的優(yōu)勢在于其精度高達納米級，且可擴展性非常優(yōu)秀。一般來講，從一片標準尺寸的晶圓（例如直徑為200毫米）上可以生產(chǎn)出數(shù)百顆MEMS微鏡，所有晶圓都是在高度精確的管控下進行批量生產(chǎn)。
如今，最常見激光雷達的光束操縱方式是機械式旋轉(zhuǎn)。這類非常復(fù)雜的機械設(shè)備又大又重，生產(chǎn)效率低且成本高昂。機械式激光雷達的復(fù)雜性主要源于光束操縱單元，光束操縱單元的作用是使光束（激光和反射光）發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這些旋轉(zhuǎn)部件，如齒輪和馬達，會受到摩擦和磨損。激光雷達對精度要求非常高（典型的激光雷達應(yīng)用要求角度精度小于0.5度），這樣的旋轉(zhuǎn)部件對精度影響非常大。而且，旋轉(zhuǎn)部件容易磨損甚至失效，需要定期維護。這一問題激發(fā)了對固態(tài)激光雷達的需求，人們期待固態(tài)激光雷達能實現(xiàn)穩(wěn)健和持久的工作。
MEMS微鏡已經(jīng)存在多年，甚至在視頻投影機這樣的日常設(shè)備中得到了應(yīng)用。當今MEMS微鏡的問題在于很難將其用于遠距離激光雷達。遠距離探測和大視場角是激光雷達的關(guān)鍵性能指標。典型的MEMS微鏡的鏡面尺寸小，偏轉(zhuǎn)角度較小，因此無法達到理想的探測距離和視場角。
為了突破這些限制，Blickfeld為激光雷達開發(fā)了特殊的MEMS微鏡。這是專門為激光雷達應(yīng)用而設(shè)計的，并針對最遠探測距離和視場角等問題進行了優(yōu)化。鏡面尺寸大于10毫米，因此可以將最大程度地入射光引導(dǎo)至光電探測器，確保150米及以上的遠距離和對低反射率物體的探測能力。此外，MEMS微鏡可以實現(xiàn)高達120°的偏轉(zhuǎn)角度，從而獲得廣闊的視野。它采用標準硅基工藝生產(chǎn)，成本合理，可實現(xiàn)高度自動化生產(chǎn)。
這款MEMS微鏡的另一巨大優(yōu)勢是，根據(jù)其優(yōu)化后的激光雷達設(shè)計變得非常簡單：除了一些標準光學元件外，還有一顆激光器、一顆二維MEMS微鏡和一顆探測器。這些組件組裝后的尺寸僅為80mm x 60mm x 50mm。激光發(fā)射到微鏡后，微鏡對光線進行反射，完成機械式激光雷達的旋轉(zhuǎn)射出。入射的反射光被微鏡操縱集成到同一光路，最后被探測器接收。這種所謂的同軸方式具有相同的輸入／輸出光路，具有很高的日光抑制優(yōu)點，從而實現(xiàn)高信噪比。
Geospatial World：除了自動駕駛汽車，MEMS技術(shù)還有其它應(yīng)用嗎？
Florian Petit：MEMS技術(shù)已經(jīng)廣泛用于各種應(yīng)用，如噴墨打印機、顯示器、汽車的加速度計（例如安全氣囊打開）。而將MEMS技術(shù)應(yīng)用于激光雷達則是一種全新的概念。MEMS的尺寸縮小，帶來的問題是與用戶對光學傳感器期待截然相反的結(jié)果，因為更大的尺寸意味著能捕捉更多的光，從而探測到更多的光。我們所做的是根據(jù)這些要求設(shè)計MEMS微鏡，在利用MEMS的優(yōu)勢（尺寸小、可量測）的同時，增加MEMS微鏡的孔徑，實現(xiàn)遠距離探測和開闊的視野。
Geospatial World：您如何預(yù)測固態(tài)激光雷達的未來？短期內(nèi)是否有可能會出現(xiàn)前沿創(chuàng)新技術(shù)擾亂市場？
Florian Petit：固體激光雷達具有廣闊的發(fā)展前景。它們功能強大、成本更低、體積更小、集成度高，非常適合于自動化應(yīng)用。關(guān)于如何實現(xiàn)激光雷達的固態(tài)化，有幾種技術(shù)路線。但我們認為，真正對市場帶來干擾將是以兼具合理成本和高性能的量產(chǎn)級固態(tài)激光雷達——我們相信，這將通過MEMS技術(shù)實現(xiàn)。
Geospatial World：請您預(yù)測下認為激光雷達產(chǎn)業(yè)的趨勢？還會沿著之前的軌跡發(fā)展嗎？
Florian Petit：大多數(shù)專家都同意激光雷達在不久的將來成為每輛自動駕駛汽車不可或缺的傳感器。Yole在最新出版的《汽車和工業(yè)應(yīng)用的激光雷達－2019版》中預(yù)計，到2021年自動駕駛汽車的總量將達到44000輛。與此同時，激光雷達市場也因此受益，預(yù)計將從2018年的13億美元增長到2024年的60億美元。其中，汽車應(yīng)用占據(jù)激光雷達市場的70％份額。
關(guān)于成本、尺寸、精度和魯棒性要求，固態(tài)激光雷達都被認為比傳統(tǒng)的機械式激光雷達更優(yōu)秀。我們相信激光雷達將成為大眾產(chǎn)品，全面進入現(xiàn)代生活的不同領(lǐng)域，為機器提供環(huán)境建模與導(dǎo)航。
Geospatial World：您認為如何讓激光雷達成為主流傳感器且價格合理？
Florian Petit：在我們看來，解決方案不是簡單地購買昂貴的組件，并用它們制造昂貴的激光雷達，寄希望于批量生產(chǎn)時會變得更便宜。同時，采用需要數(shù)十年研究才能完成的技術(shù)也不會得到具有時效性的解決方案。
我們認為，目前已有許多性能優(yōu)秀的元器件和技術(shù)供選擇以建立一套合適的激光雷達系統(tǒng)。市場上部署的數(shù)百萬臺設(shè)備正在對元器件進行大量使用和測試。例如，車規(guī)級激光器（905nm激光二極管），分辨率很高的探測器如可以探測單光子的硅光電倍增管（SiPMs），或硅基微鏡（MEMS微鏡）。然而，這些器件還沒有針對激光雷達應(yīng)用進行優(yōu)化——或者說還沒有找到適合這些元器件的激光雷達設(shè)計。
因此，我們認為關(guān)鍵是讓每一種元器件與整個激光雷達系統(tǒng)之間進行適應(yīng)、調(diào)整和優(yōu)化。因此，要對激光器／探測器的光電特性進行調(diào)整，滿足發(fā)射／接收光學系統(tǒng)和光束操縱單元的要求。對激光雷達進行整體設(shè)計（同軸設(shè)計），盡可能抑制干擾光（陽光）。而且，可能最重要的是在兼顧距離、視場和環(huán)境條件方面的因素對光束探測單元進行優(yōu)化。這項任務(wù)非常復(fù)雜，因為其中的元器件本身很復(fù)雜，激光雷達的設(shè)計也很復(fù)雜，而且還有更多的邊界條件，比如對高度自動化生產(chǎn)的需求。
這對開發(fā)團隊來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，需要來自光學、MEMS、信號處理、電子、軟件和生產(chǎn)技術(shù)等各個學科的專家攜手合作。
Blickfeld確定了機械式光束操縱單元的復(fù)雜性是激光雷達的主要問題。這個問題影響性能和生產(chǎn)的可擴展性。因此，我們發(fā)明了一種專門為激光雷達應(yīng)用設(shè)計的硅基光束操縱單元——MEMS微鏡，可以創(chuàng)建性能和制造均可擴展的激光雷達模組。這有助于我們克服機械式旋轉(zhuǎn)激光雷達的許多問題。
Geospatial World：高價格是激光雷達的主要制約因素，您認為成本會大幅下降嗎？
Florian Petit：通過使用硅基MEMS微鏡技術(shù)和現(xiàn)有元器件，在批量生產(chǎn)時，相比機械式激光雷達，成本可以大幅降低。
Geospatial World：激光雷達還能為普通消費者帶來哪些“福利”？
Florian Petit：激光雷達是一種用于3D環(huán)境感知的傳感技術(shù)。激光雷達可以提供高精度的環(huán)境距離圖像。捕獲的三維數(shù)據(jù)能直接表達場景的基本幾何特征，如形狀、大小和距離。在移動應(yīng)用中，當涉及到運動，在一定時間內(nèi)覆蓋一定距離時，這種三維數(shù)據(jù)對于安全感知周圍環(huán)境以及在其中進行操作和導(dǎo)航至關(guān)重要。因此，汽車中的大多數(shù)感知傳感器，無論是超聲波傳感器、毫米波雷達，還是具有圖像處理功能的二維攝像頭，都在致力于收集三維信息。激光雷達特別適合這項任務(wù)，因為它們可以直接提供高分辨率和精確的三維點云，其質(zhì)量是其它傳感器技術(shù)無法比擬的。
激光雷達是一種可應(yīng)用于各行各業(yè)的關(guān)鍵傳感技術(shù)。激光雷達在許多領(lǐng)域都充當推動者的角色，將推動自動駕駛、智慧城市、機器人、無人機等應(yīng)用的發(fā)展。大多數(shù)普通消費者將間接體驗到激光雷達廣泛部署的好處。他們不會陷入交通堵塞，可以從A地到B地乘坐自動駕駛汽車，物流鏈優(yōu)化也將包裹更快送達。
Geospatial World：英特爾旗下的Mobileye開發(fā)了一種新的自動駕駛系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用高清攝像頭而不是激光雷達。這會對汽車激光雷達行業(yè)產(chǎn)生影響嗎？
Florian Petit：與激光雷達相比，攝像頭在自動駕駛汽車上的功能則不同。攝像頭探測的二維彩色圖像能“看到”交通燈或道路標志。然而，當涉及到測量距離或速度時，攝像頭面臨著很大的挑戰(zhàn)。要從攝像頭的圖像中獲取距離或速度信息，需要復(fù)雜的算法，即使這樣，也存在局限性。激光雷達提供準確的長短距離和高分辨率的三維環(huán)境信息，可用于ADAS應(yīng)用，如停車和堵車輔助、盲點檢測、車道保持、自動緊急制動和自適應(yīng)巡航控制，是L4級和L5級自動駕駛車輛的必需傳感器。
Geospatial World：激光雷達行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？
Florian Petit：激光雷達技術(shù)作為存在了幾十年的技術(shù)，已有達到高性能標準的產(chǎn)品供選擇。然而，今天的激光雷達的魯棒性還不夠強，非常重要的是無法以合理的價格大范圍推廣使用。這對于激光雷達進入汽車市場來講是個巨大的問題。激光雷達在當今高度自動化的測試車輛中有著廣泛的應(yīng)用，并且有望成為自動汽車傳感器組合的基本元器件，甚至未來在每輛車上會部署多個激光雷達。
Geospatial World：請您談?wù)凚lickfeld的情況及愿景？
Florian Petit：Blickfeld于2017年在德國慕尼黑成立，開發(fā)基于硅基MEMS微鏡和現(xiàn)有元件的領(lǐng)先激光雷達技術(shù)。Blickfeld的激光雷達能以最高性能滿足大眾市場所需的成本和尺寸要求。2019年，Blickfeld將推出首款系列產(chǎn)品Cube，主要為自動導(dǎo)航、高清地圖和其他激光雷達應(yīng)用而設(shè)計。
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