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原标题:Lumotive光束操纵技术将革新激光雷达,激光雷达新

浏览次数:186 时间:2019-09-01

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据麦姆斯咨询报道,获比尔盖茨投资的美国西雅图激光雷达创业公司Lumotive,近日公布了一种基于超材料的LiDAR光束操纵技术,这是一种非比寻常的创新技术方案,其它竞争对手鲜有应用。

文 | 大壮旅

在众多用于先进驾驶辅助系统和自动驾驶汽车的传感器中,火热的LiDAR仍然是各种创新技术的摇篮。不过,欣欣向荣的另一面也反应LiDAR市场仍处于萌芽状态,百家争鸣的同时难言哪种技术方案能够真正获得成功。根据著名市场研究机构Yole发布的《汽车和工业应用的激光雷达-2018版》报告,近几年来,全球已涌现出60到70家LiDAR创业公司,吸引了超过8亿美元投资。

来自新智驾的报道

Lumotive刚刚进入这个竞争激烈的创新领域,希望利用其超材料技术,超越那些更为成熟的竞争对手。Lumotive专利保护的创新技术方案被称为“液晶超表面”(Liquid crystal metasurfaces, LCM)技术。

3 月 19 日,位于美国西雅图的激光雷达新创公司 Lumotive(2018 年才正式成立)公布了新的激光雷达技术,他们将这一技术描述为“液晶超颖表面”,其核心是超颖材料。

Lumotive联合创始人兼首席执行官Bill Colleran称超材料是一种“关键技术”,为Lumotive开发真正全固态LiDAR打开了新大门。基于超材料的光弯曲特性,Lumotive液晶超表面芯片可以不依赖传统机械LiDAR中的旋转部件,而操纵激光束的偏转。

凭借这项技术,Lumotive 有希望从竞争激烈的激光雷达行业脱颖而出。

当然,Lumotive并不是第一个提出非机械扫描的LiDAR厂商。众多采用MEMS反射镜或光学相控阵的竞争对手已经宣称,它们的LiDAR不包含或使用很少的机械运动部件。

在 ADAS 和自动驾驶系统的传感器“武器库”中,激光雷达毫无疑问是真正自带流量的产品。过去几年里,全球诞生了六七十家激光雷达新创公司,它们获得风投的融资超过 8 亿美元。

不过,Colleran强调,Lumotive的差异化优势在于液晶超表面半导体芯片具有更大的光学孔径(25 x 25 mm)。这使其LiDAR可以获得更大的探测范围。据Lumotive称,120度视场结合快速随机接入波束控制技术,确保了LiDAR系统的高性能。

不过,光鲜的外表之下,激光雷达行业又面临着非常尴尬的现实,这项技术过于碎片化,而且整个市场还徘徊在起步阶段。

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Lumotive 敢于来这一市场分蛋糕是因为,Lumotive 相信借助超颖材料公司就能在激光雷达行业实现弯道超车。

上图显示将激光照射到Lumotive的液晶超表面芯片,通过芯片上的电信号编程,可以将反射光引导到120度视场内的任何方向

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产品上市计划

在接受外媒 EE Times 采访时,Lumotive 创始人兼 CEO Bill Colleran 称超颖材料是公司的定海神针,有了它,固态激光雷达才得以真正落地。得益于超颖材料能弯曲光线的特性,LCM 能直接导引激光向不同方向发射,传统机械激光雷达必须不停旋转的工作方式被彻底抛弃。

对于产品发布计划,Lumotive首席执行官Colleran表示,样品将在今年第三季度上市,车规级产品可能还需要两年多的时间。不过,Colleran对于“迟到”的车规级产品表示很淡定,因为他们LiDAR的市场机遇可以拓展至汽车应用以外的领域,包括工业、机器人和无人机等。

当然,Lumotive 并非第一个让激光雷达脱离传统机械扫描结构的厂商,MEMS 反射镜或光学相控阵技术都在助推固态激光雷达快速发展,

Lumotive预计其LiDAR还可以进入售后市场。Lumotive似乎看起来有很长远的规划,期望以更低的成本进入大规模量产汽车市场,不过,Colleran认为这仍然需要数年时间。

作为 Lumotive 的竞争对手,采用这些技术的厂商也宣称自家产品用了更少的零部件或实现了“无机械部件”。

根据Yole的研究报告,投资有些过热的LiDAR市场未来将分“阶段”发展。第一波浪潮源自竞争激烈的传统机械LiDAR;从今年开始的第二波浪潮是采用MEMS技术的LiDAR,将比上一代LiDAR更小、更便宜;光学相控阵LiDAR、闪光LiDAR以及Lumotive的液晶超表面LiDAR等完全不同的技术方案将代表未来的第三波浪潮。

不过,Colleran 还是强调“我们不一样”,因为 Lumotive 的半导体芯片拥有更大的光学孔径(25 x 25 mm)。这样一来,激光雷达的探测距离就能远上不少,就像装上了望远镜。再加上 120 度的视场和超快的随机存取及光束控制,Lumotive 的系统性能就得到了加成。

超材料

除了成本和性能优势,Lumotive 的 LCM 激光雷达还能整合进小型系统中,因此非常适合工业甚至消费级产品。

Lumotive和超材料技术密不可分。

法国 Yole 公司分析师 Debray 称 Lumotive 的技术原创度相当高,而且非常有趣。不过,由于这家公司还没拿出原型产品,因此一切还都是刚刚开始而已。

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那么,这么牛的产品什么时候开卖呢?

用于光束操纵的液晶超表面芯片

Lumotive CEO 称今年第三季度就能拿出样品。至于达到车规级别的时间点,Colleran 称要等两年以后了。虽然动作有点慢,但 Colleran 还是信心满满,因为这类激光雷达不用吊死在汽车这一棵树上,还可以应用在机器人、无人机和工业应用等场景。除此之外,Lumotive 的产品可能还会出现在售后市场。

超材料被定义为一种“人工结构材料”。超材料的优势是可以对其特性或相关器件进行前所未有的控制。超材料不是一种特定的物质,而是一种“设计方法”,是可以实现光束操纵及其它电磁波激发的新方法。

显然,Lumotive 玩的是放长线钓大鱼,它想用最低的成本吃进最大的市场份额。

Lumotive公司顾问、美国杜克大学(Duke University)物理学教授、超材料研究领域的先驱David Smith解释说,超材料商业应用的一个很好的例子是Kymeta公司的平板天线技术。Kymeta公司已经将一种新的基于超材料的卫星天线成功商业化。David Smith同时也是Kymeta公司的高级顾问。

在 Debray 看来,现在的激光雷达市场投资活动已经显示出过热的迹象,未来会按阶段进化:

Kymeta公司利用了超材料的“特殊架构”,其天线可以在无需移相器、相关放大器或其他组件的情况下,在其表面的每个点进行电子调向。David Smith表示,过多的移相器和放大器需要成本、功耗以及冷却装置。

第一阶段就是过去几年,传统机械激光雷达厂商搭台唱戏;

通过应用超材料设计原理,与相控阵相比,Kymeta能够显著提高其平板天线中天线元件的密度。可以简单地通过激活或停用天线元件,控制其相位和振幅。

第二阶段今年正式启动,MEMS 唱主角,新一代 LiDAR 产品的体积和价格都会有所下降;

应用于Kymeta天线的超材料架构可以适用于Lumotive的LiDAR。David Smith解释说,不同之处在于,超表面概念之前应用于微波频率,但是,Lumotive是第一次为光学应用开发的动态超材料。

至于光学相控阵激光雷达,Flash 激光雷达和 Lumotive 这样的 LCM 激光雷达,则是第三阶段的明星。

Lumotive利用人工结构化表面来控制电磁波是独一无二的。“但是,将超材料应用到光学领域涉及一系列问题,”David Smith说,“首先,光学方面的竞争更加艰难,因为光学相控阵LiDAR的开发早已经开始了。但基于相控阵的LiDAR也有自己的挑战,包括它们的密度和热力学问题,这为我们的超材料技术带来了机遇。”

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超材料的商业化,Lumotive的专利壁垒优势

什么是超颖材料?

发现超材料是一回事,能否将其成功商业化完全是另外一回事。

要把 Lumotive 的故事说清楚,就不能不提超颖材料。

David Smith以其在电磁超材料方面的理论和实验研究而闻名,他一直是揭示超材料潜力的先驱。他与著名的发明科学基金合作密切,ISF是高智(Intellectual Ventures)的投资基金。Intellectual Ventures则是由微软的Nathan Myhrvold和Edward Jung于2000年创立的知识产权风险投资公司,是美国专利的五大所有人之一(也是一家著名的“专利流氓”)。

所谓的超颖材料其实就是“人工合成材料,具有许多自然材料不具备的特性”,而它的强大之处在于可控性。在这里,超颖材料并不特指哪种物质,它其实是一种“设计方法”,目的是找到控制光线运动的新方法。

虽然其他人也在努力将超材料技术商业化,但David Smith称,由于Intellectual Ventures拥有世界领先的超材料专利组合,且ISF拥有自己的创业孵化器ISF Incubator,因此,Lumotive最有可能将这项技术商业化,并且也确实取得了实质进展。

杜克大学物理学教授 David Smith 指出,超颖材料并非什么新概念,Kymeta 公司在平面天线技术中就已经实现了超颖材料的商业应用。

Lumotive始于ISF孵化器,拥有这种LiDAR特定应用的超材料架构的“独家许可”。和已经成功商业化的Kymeta公司一样,Lumotive也已经从Intellectual Ventures独立出来运营。

在这里,Kymeta 公司就利用了超颖材料的“特殊架构”,让天线在没有移相器、相关放大器和其它表面零部件的情况下靠电来移动,而省下的移相器和放大器可都是成本,别忘了它们功耗还不小,还需要相关冷却设备支持。

代工制造

应用了超颖材料的设计原则后,Kymeta 就能在平面天线中大幅增加天线单元密度,这样一来传统的相控阵天线瞬间就过时了。此外,这样的设计还能通过激活或关闭天线单元轻松控制相位和振幅。

液晶超表面芯片使用基于超材料原理的可调谐亚波长元件来控制激光。因为它采用半导体制造工艺,Lumotive有信心使其基于液晶超表面芯片的LiDAR“更可靠、更具成本效益并且可以批量生产”。

据悉,Lumotive 的激光雷达也用上了 Kymeta 天线的超颖材料架构。两者之间的不同在于 Lumotive 第一次用上了专为光学系统开发的动态超颖材料,这是技术上的巨大突破。

目前,Keymeta选择了夏普作为其代工厂,那么Lumotive如何解决其芯片制造问题?

Lumotive 用超颖表面控制电磁波确实创新满满。“不过在光学系统上应用超颖材料还是有两个函待解决的问题。”Smith 说道。首先,光学领域的竞争可要激烈多了,研发中的光学相控阵激光雷达就是拦路虎之一。“好在光学相控阵激光雷达也有自己的软肋——密度和发热问题,”他解释。“这就给超颖表面留了机会。”

Colleran称:“在过去一年半的时间里,我们已经找了几家知名的代工厂。”虽然他表示公司计划将专注于一家代工厂,但目前拒绝透露这家代工合作伙伴。

第二大问题就是如何将这项技术推向市场。

多方面的竞争

眼下,有关超颖材料的知识产权有很多都掌握在创造科学基金中,而 ISF 旗下也有自己的新创公司和孵化器,它们是商业化该技术的主力军。Lumotive 也是从 ISF 孵化器走出来的,因此它手上有许多超颖材料架构的独家许可。

如今,主流的LiDAR主要基于机械旋转组件。Waymo也在近期宣布,它将开始向不与Waymo自动驾驶计划竞争的公司出售其Laser Bear Honeycomb激光雷达。

在哪造 LCM 芯片?

Waymo在宣布该消息时称,它正在向自动驾驶以外的供应商提供这些传感器,例如机器人、安防和农业技术等。Waymo的Laser Bear Honeycomb比在自动驾驶汽车车顶上旋转的现代LiDAR小得多,但它们的基本技术仍然是机械旋转式的。

对于未来激光雷达产品的制造,Lumotive 还是很有信心的,因为它用的是半导体制造工艺,制造技术已经非常成熟。就拿 Keymeta 来说,它找了夏普帮忙。那么 Lumotive 会找谁帮忙呢?

福特汽车投资10亿美元的自动驾驶创业公司Argo AI也有自己的LiDAR,由位于美国新泽西的Princeton Lightwave开发(2017年被Argo AI收购)。Princeton Lightwave是一家Flash LiDAR开发商,采用了盖革模式LiDAR(Geiger-mode LiDAR)技术,能够实时数字化探测并处理光子。

Colleran 表示:“过去一年半时间里,我们用到了两家铸造厂”,而其中一家未来会成为主要供货商。不过,现在他还不愿透露合伙伙伴到底姓甚名谁。

这些自动驾驶领先开发商都已经拥有了自己的LiDAR技术。那么,像Lumotive这样的创业公司如何打入市场呢?

Lumotive 能从竞争中脱颖而出吗?

Colleran表示:“首先,这是个好消息。因为它暗示了行业需求还远未满足,促使这些领先厂商开发自己的LiDAR。当然,坏消息是这些自动驾驶领先厂商无法成为Lumotive的潜在客户了。”

眼下,主流的激光雷达产品依然是机械结构设计。本月,Waymo 就宣布开卖自家激光雷达,不过买家在自动驾驶领域不能和 Waymo 有竞争关系。虽然体积上比现有激光雷达小了不少,但其基础技术依然是机械式的。

从Yole的分析报告来看,对于众多LiDAR创业公司来说,它们的首要任务是与Tier 1建立密切的合作伙伴关系,成为供应链的一部分。

福特旗下的 Argo AI 用的也是自家激光雷达,它由 Princeton Lightwave(2017 年被 Argo AI 并购)打造,采用“盖革模式 激光雷达技术”(属于 Flash 激光雷达),能实时探测并处理数码光子。

Lumotive暂未透露其种子轮融资的资金规模,并表示将在今年晚些时候寻求第一轮融资。

也就是说,除了激光雷达市场上的老面孔,许多自动驾驶巨头都有了自己的激光雷达技术。那么,Lumotive 这样的新创公司该如何破局?

Colleran 倒是有自己的主意。

“首先,这是个好消息。巨头们自研激光雷达也说明市场供应确实无法满足它们的需要。”当然,坏消息是,有了自己的技术,恐怕它们未来就当不成 Lumotive 的客户。

所以,对许多激光雷达新创公司来说,想活下来就必须与一级供应商打成一片。它们必须成为供应链上的一环,与一级供应商建立紧密的合作关系。

好在,机会多得是,因为 2018-2024 年间 ADAS 与自动驾驶系统对激光雷达的需求可能分别会达到 7.21 亿和 63 亿美元。

眼下,Lumotive 还不愿透露自己的种子轮融资,但消息显示比尔盖茨是这家公司的股东。不过 Colleran 表示,今年年末 Lumotive 的 A 轮融资可能就会敲定。

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