據(jù)麥姆斯咨詢介紹，激光雷達（LiDAR）可對遠距離（200米及以上）的物體進行探測、定位和分類，受到高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）和新興自動駕駛汽車行業(yè)的熱捧。車載激光雷達通常用于行人識別、碰撞避免和緊急制動。目前面臨的主要挑戰(zhàn)是：如何平衡測距范圍、分辨率和幀率等性能參數(shù)要求與尺寸、可靠性和成本等商業(yè)可行性之間的關系。

總部位于美國西雅圖市的初創(chuàng)企業(yè)Lumotive推出首款商用固態(tài)激光雷達，采用了基于液晶超表面（liquid-crystal metasurface，簡稱LCM）的獨創(chuàng)性光束操縱技術。LCM技術可實現(xiàn)對光束方向的操縱，形成的全固態(tài)解決方案有望同時實現(xiàn)兼具高性能和商業(yè)可行性的激光雷達。

LCM是一種二維陣列形態(tài)的新型亞波長光學元件。當受到電信號調制時，液晶的折射率發(fā)生變化，改變進入納米級諧振器與從諧振器重新發(fā)射出來的延遲光子量。因此，每個諧振器充當了可編程相位延遲元件的角色。

無可動元件，真正的全固態(tài)方案

因此，Lumotive的技術類似于相控陣雷達，這是一種利用天線陣列實現(xiàn)的相位控制電子掃描雷達，可產生一束無線電波，無需移動天線就可通過電子化方式實現(xiàn)不同方向轉向。Lumotive指出，其LCM技術實現(xiàn)了無需可動元件的全固態(tài)激光雷達解決方案。

顯然，相比機械式激光雷達的結構，沒有了運動部件，全固態(tài)激光雷達的結構更緊湊、性能更可靠，并且更具成本效益。LCM可以利用CMOS代工廠的常規(guī)材料和圖案化工藝在硅晶圓上實現(xiàn)。液晶與芯片用蓋玻片進行密封封裝，這與硅基液晶（LCOS）顯示元件的封裝方式類似。再將標準液晶顯示器（LCD）驅動器進行貼裝，提供驅動諧振器的電壓。

Lumotive的激光雷達系統(tǒng)包含兩顆LCM芯片，分別用于發(fā)送和接收。當使用常規(guī)液晶時，Lumotive的LCM芯片切換速度約為25微秒，這比LCOS和LCD的切換速度典型值（毫秒級）快得多。

Lumotive激光雷達系統(tǒng)包含兩顆LCM芯片，激光束從頂部發(fā)射，在底部被接收

掙脫光學孔徑“桎梏”

汽車激光雷達系統(tǒng)之所以難以設計，是因為所需的光學孔徑與視場角參數(shù)難以滿足。獲得較大的光學孔徑至關重要，因為接收端光學孔徑的大小決定了系統(tǒng)對光的聚集能力，從而決定測量距離、分辨率和幀率等參數(shù)。光學孔徑大還意味著可以傳輸功率更大的激光束，并且不會超出人眼安全的功率密度閾值。而采用MEMS微鏡作為光束操縱元件的MEMS激光雷達機械掃描系統(tǒng)，隨著孔徑大小的增加，視場角也會減小。

Lumotive的LCM通過調整超表面的液晶涂層可以實現(xiàn)光束在120 x 30度的視場角內有效分布，并獲得最大25 mm x 25 mm的光學孔徑。因此，新型LCM光束操縱技術可以實現(xiàn)更遠的探測距離。Lumotive已為其固態(tài)光束操縱技術申請了專利，該公司稱該技術可以滿足激光雷達對測量距離、視場角、分辨率和系統(tǒng)尺寸的要求。

Lumotive已經發(fā)布了兩款基于LCM技術的激光雷達系統(tǒng)：X20和Z20，分別針對汽車和工業(yè)自動化應用。X20的測量距離達到120米以上。Z20的測量距離較短，約50米，但垂直視場角為70度，非常適合各種工業(yè)應用。滿足消費者和移動市場需求的Lumotive M20將于2021年推出（相關新聞：《蘋果新款iPad Pro示范效應，汽車激光雷達廠商跨界手機應用》）。

Lumotive激光雷達原型X10（左），首款量產激光雷達X20（中）

Lumotive聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官William Colleran談到“大家知道，一種3D傳感系統(tǒng)無法同時滿足不同應用的需求。我們的基礎架構使我們能夠有效地擴展技術以滿足特定的市場需求，同時采用CMOS制造工藝實現(xiàn)具有明顯的成本優(yōu)勢。”。

Lumotive激光雷達系統(tǒng)包括發(fā)射、接收和光束操縱模塊。汽車產業(yè)Tier 1供應商或工業(yè)傳感器供應商可以采購任意模塊，以構建或改善自己的激光雷達產品。

Yole分析師Alexis Debray表示：“用于ADAS和自動駕駛汽車的激光雷達市場規(guī)模將在2019年至2025年期間出現(xiàn)顯著增長，有望從1.17億美元增長至23億美元。”按照Yole預測，2019~2025年期間激光雷達市場規(guī)模的復合年增長率將達到64%。