競爭熱度升高 光達市場百家爭鳴

作者 : Junko Yoshida,EE Times首席國際特派記者

光達已經開始滲透先進駕駛輔助系統(ADAS)應用市場。不過汽車產業的觀察家們警告,別預期會有哪一家光達供應商獨大。

根據業界消息,目前市面上流傳著十幾份光達(LiDAR)產品的報價單,顯見光達已經開始滲透先進駕駛輔助系統(ADAS)應用市場。不過汽車產業的觀察家們警告,別預期會有哪一家光達供應商獨大。

在所有致力於增強感測和物體偵測能力的車用感測器種類中,光達是迄今擁有最複雜與多樣化選項的一種;通常每套光達系統採用的技術不僅光源不同,「測距」(ranging)和「成像」(imaging)方法也不同。一些成熟的光達已經可以量產,但新技術──通常號稱更具發展前景──經常是仍在研發或概念驗證階段。不可避免地,那些光達技術在成本、尺寸和性能上有巨大差異。

讓情況更複雜的是,有越來越多公司(估計有70~80家)搶進光達市場,且合併/收購活動層出不窮,其中一些光達業者選擇特殊目的收購公司(SPAC)身份尋求新生,許多新創公司都將SPAC視為募集資金和(借殼)公開上市的替代途徑。此外,因為光達業者採用不同的技術,車廠與Tier One供應商對於如何為哪些應用部署光達意見分歧。

市場研究機構Yole Développement的固態照明暨照明系統分析師Pierrick Boulay對《EE Times》表示:「我們最近訪談過的光達業者聲稱,每家車廠與Tier One要求都不一樣──對整合到車輛中的光達視野、距離和位置,都有特定的需求。」

「因此,不會出現『贏家通吃』的市場;」美國光達業者AEye行銷長Stephen Lambright接受《EE Times》訪問指出,眾家光達業者還在進行各種想法的實驗,「很像生物科技產業。」

當然,把光達技術比擬為生物科技並不會讓人感到安慰,但汽車產業對光達的需求是真實存在的。Lambright發現,光是在ADAS應用領域,該公司就收到15~16種不同的報價需求,而且詢價者都是針對2025~2026年量產的ADAS車輛;「儘管光達市場呈現多頭馬車的發展情況,汽車業者已經開始在接下來的18個月內為四或五年後的部署押注。」

以下讓我們來檢視光達市場的當前與未來景況,包括現有的設計案以及幾家具潛力成為關鍵業者的新公司,如AEye和Opsys。

技術矩陣

檢驗光達技術多樣性的最佳方法是畫一張雙軸圖(參考圖1),X軸度表示成像,Y軸是測距。運用於成像的技術種類廣泛,包括機械式、MEMS、OPA (optical-phased array)與Flash;測距技術則包括脈衝式(Pulse)、FMCW (frequency-modulated continuous-wave)與相位移(phase shift)等類別。

 

圖1:車用光達技術與供應商分類。

(圖片來源:Yole Développement)

 

圖1可見,Yole Développement列出了不同技術類別的業者,描繪出目前光達市場的樣貌;隨著新秀輩出,該鳥瞰圖或許未能涵蓋到所有公司,卻足以展現光達技術的多樣性。

不同光達技術採用的光源也不相同,大多數業者採用905nm邊緣發射器(edge emitter)和累崩式光電二極體(avalanche photodiode,APD),因為這些元件都可大量取得。還有一些光達業者,如Luminar,則已經開始使用1,550nm全光纖雷射光源(all-fiber laser source),對這些業者來說最大的挑戰是降低成本,不過1,550nm雷射能在不危害人眼安全的情況下實現更長探測距離;而905nm雷射的難題在於除了解析度低、探測範圍小,對人眼也不安全。

也不只能選擇邊緣發射器與光纖雷射,源自於Apple iPad Pro 11光達掃描器的垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)迅速獲得光達業者採用。例如採用奧地利微電子(ams) VCSEL技術的德國業者Ibeo贏得了中國長城汽車(Great Wall Motors)的設計案,將進駐2022年推出的車款。

以機械式光達起家的美國新創公司Ouster在2020年推出運用於ADAS、結合VCSEL與單光子累崩二極體(SPAD)的光達,預計2024年量產。以色列業者Opsys也正在開發固態掃描(solid-state scanning)光達,這種光達使用完全可定址(fully addressable) VCSEL收發器和SPAD接收器,號稱可實現200公尺探測距離與1,000 Hz掃描速率,預計今年稍晚問世。

各有優缺點的不同光達技術

光達技術的演進歷程從機械到MEMS、Flash與FMCW,並非單純的一直線。Boulay舉例指出,許多機械式光達技術仍佔據主流,最主要原因就是成本較低,最大的缺點則是機械元件可能會成為故障源;MEMS光達主要優勢則在於尺寸小巧,其固態被認為更可靠,但還是有一些細小的活動零件。

至於Flash光達就絕對沒有活動零件;Boulay指出,Flash光達被認為可靠度更高,但目前的技術仍受困於偵測距離有限。

Yole將FMCW歸類在研發階段,並標註為「待定」(TBD);對此Boulay解釋:「預期FMCW光達在2025年之前不會出現。」Waymo曾在2020年提及要將FMCW運用於該公司未來將自家生產的光達;最重要的是,Mobileye也在今年初討論到FMCW,將之描述為該公司為全自動駕駛車輛所選擇的開發中光達技術。

FMCW採用的同調偵測(coherent detection)比直接偵測靈敏得多,而且性能更佳,例如單脈衝速度量測以及對太陽眩光和其他光源(包括其他車輛使用之光達)的抗干擾能力。但Boulay指出,FMCW光達也面臨嚴峻挑戰,例如矽光子元件生產能力和該技術成本;不過Mobileye認為充分利用英特爾(Intel)的矽光子專長技術──包括自有晶圓廠、產能和IP──就能克服此一挑戰。

進行中的設計案

預測光達市場路線趨勢的最佳方法是檢視現有的設計案,目前已經宣佈的合作包括:Audi A8 與Valeo、Mercedes-Benz與Valeo、BMW與Innoviz,以及Volvo與Luminar。儘管這些設計案大多集中於在ADAS或全自動駕駛車輛安裝一套光達,各家車廠遭遇的最新難題是如何將短、中、長距離光達結合於同一輛車中。

 

圖2:各車廠的結合光達ADAS發展藍圖。

(圖片來源:Yole Développement)

 

舉例來說,Lexus在車輛中部署了4套光達(Denso方案×1,Continental方案×3),Hyundai的車款則部署了兩套光達(先前採用Velodyne,現在改用Valeo方案),Honda車款部署了5套Valeo光達,長城汽車則部署3套Ibeo光達;「混搭」模式已成為一種新趨勢。

Boulay透露,Lexus將部署一套Denso的遠距離光達,同時部署三套Continental的中距離光達。而配備ADAS車輛採用的最新光達技術涵蓋MEMS、光纖雷射與應用於Flash光達的SPAD陣列。

高速公路自動駕駛

直到幾年前,光達仍被認為是一種只有自駕計程車業者才負擔得起的昂貴技術,但情況已非如此,就算Elon Musk曾說出「傻子才用光達」的名言,光達技術如今已經明確地被列在配備ADAS的新車款設計中。

從來自車廠的詢價內容可以判斷出,ADAS應用領域對於「高速公路自動駕駛」(highway autonomy)的需求持續成長。對此AEye的Lambright解釋,車廠期望配備ADAS的車輛能讓駕駛人「放心地」把手從方向盤上移開;「車廠告訴我們,在高速公路上高速行駛的車輛要能偵測出150~200公尺以外道路上的小型物體,還有輪胎、石塊等任何東西。」

儘管小於300公尺的偵測範圍對許多用途來說已經很好,但光達應用要提高性能和安全性,需要能以更高精準度看得更遠。Lambright指出,高速公路自動駕駛可以歸入SAE的Level 3自動駕駛,車輛與駕駛人之間的換手變得至關重要,「能看得越遠,給駕駛人的換手時間就更多,也是更安全的解決方案;」他表示,「目前車廠交給我們的最主要任務,是長距離的小型物體偵測。」

專注於主動式安全和自動駕駛控制技術的應用研究機構VSI Labs,最近監督了AEye在美國加州Byron進行的光達性能測試,其驗證報告確認,AEye的iDAR感測器可以讀取到在1公里外的未改裝Chevy Bolt車輛上的數十個點。VSI Labs負責人Phil Magney告訴《EE Times》:「看到光達能偵測到1公里外的物體真的令人難以置信,這是我們從來沒見過的。」

將光達與其他應用於高速公路自動駕駛的感測器進行比較,Magney表示:「攝影機實在看不到那麼遠,來自攝影機資訊都是估計值。」那雷達呢?「雷達表現好一些,橫向定位卻很糟糕;」而光達是一種「可以為它看到的東西提供精確值的儀器。」

圖3:光達部署位置與規格範例。

(圖片來源:Yole Développement)

 

不過,如果用於高速公路自動駕駛的ADAS車輛需要變換車道,Yole的Boulay明確表示,「那就需要在車側安裝中、短距離光達。」

靈活性的要求

考量到光達的各種預想應用案例,其架構、波長和視野的靈活性變得越來越重要。Opsys雖並非第一家致力於實現高性能SPAD和VCSEL光達解決方案的公司,該公司聲稱,其Micro-Flash光達的偵測距離可超過Flash LiDAR的四倍,而且具有出色的解析度和掃描速率。

Opsys執行董事長Eitan Gertel在接受《EE Times》採訪時表示,該公司將提供200公尺偵測範圍的純固態Micro-Flash光達,它能夠以每秒1,000影格的速率掃描全視野。

 

圖4:Opsys的Micro-Flash光達技術。

(圖片來源:Opsys)

 

對此Yole的Boulay指出:「Opsys是一家比Ouster更年輕的公司,技術背景卻很雄厚(Opsys領導團隊來自光通訊零組件與子系統製造商Finisar);他們是光電系統領域的專家,知道自己在做什麼。」Gertel曾在2008至2015年間擔任Finisar執行長。

Opsys的Micro-Flash光達技術關鍵,是將多個基礎感測器結合到單一光達系統中,從而提供具有靈活視野的整合式單一4D點雲;Gertel指出,這讓Micro-Flash光達可以「客製化」,因此非常適合那些要讓不同類型車輛上擁有不同視野的車廠與Tier One供應商。而且Opsys的專利多波長技術允許在車輛上安裝多個感測器,運作亦不受干擾。

 

圖5:Opsys的Micro-Flash光達技術。

(圖片來源:Opsys)

光達該裝在哪裡?

最後同樣重要的一個問題是,出於美觀和實用的需求,光達應安裝在車輛的哪個位置?對此,VSI Lab的Magney以自家正在進行道路測試的自駕車為例指出:「我們依傳統方法將光達安裝在車頂,但在我們測試的過程中發現,下雪或雨夾雪的天氣下,光達是第一個失效的感測器。」

他解釋:「這在很大程度上取決於感測器本身能發出多少熱來融冰,但是當光達安裝在車頂上,它就完全暴露於天候條件中;如此一來,感測器的清潔也成為一個問題。」

而讓VSI Labs驚訝的是,在評估AEye光達的性能時,他們發現可以將其光達放在擋風玻璃後面,而且對性能的影響很小。對此AEye表示,這對光達的影響是降低性能10%以內,不過因為玻璃──尤其是擋風玻璃──的色散性非常強,AEye的Lambright猜測,這種安裝方法會對FMCW等頻率導向的光達產生相當程度的干擾。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年5月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:Lidar Sweepstakes Draws 15 RFQs, But No Frontrunner,by Junko Yoshida)

 

 

 

 

 

 

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