新型FMCW LiDAR號稱可實現「真4D」機器視覺

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times歐洲特派記者

美國新創公司推出以調頻連續波(FMCW)方法為基礎的LiDAR感測器,不僅可提供深度資訊,還可提供速度和極化強度資料...

機器視覺是許多現實世界應用的重要功能,讓機器能夠感覺和感知它們周遭的世界。一家美國新創公司SiLC Technologies推出了Eyeonic視覺感測器,鎖定更廣大的市場,提供同調視覺(coherent vision)和晶片級整合解決方案。SiLC的最新視覺感測器,藉由提供雙極化強度資訊,將光達(LiDAR)性能提升到一個新水準,同時號稱能避免多使用者與環境干擾。

各家車廠正在為新一代車輛導入越來越先進的ADAS解決方案,目標是在某天實現Level 4自動駕駛──也就是車輛能在沒有駕駛員干預的情況下執行所有駕駛功能。另一個具挑戰性的應用是自主機器人,以機器視覺引導機器人在倉庫穿梭,能作為改善物流鏈、避免其行進路徑上任何障礙的一種方法。

機器視覺解決方案需要先進的感測器,以取得即時性的行為資料,並在韌體或硬體層級進行處理,提供高階資訊給決策制定的演算法(最終是以AI為基礎)。適合車用與機器人機器視覺應用的感測器技術案例,包括雷達和LiDAR。SiLC開發的新型LiDAR技術,是仰賴同調感測器為車輛、機器人和工業應用實現4D視覺。

Eyeonic視覺系統

在2021年12月發表,並於1月份CES 2022亮相的Eyeonic視覺感測器是一種調頻連續波(FMCW) LiDAR,不僅可提供深度資訊,還可提供速度和極化強度資料。SiLC業務開發暨行銷副總裁Ralf Muenster接受《EE Times》採訪時表示:「其創新在於這是第一次,有人真正把所有實現同調視覺感測器的光子功能,整合在單一晶片中。」

該Eyeonic感測器(如圖1所示)是以FMCW方法為基礎,在技術上比傳統LiDAR更複雜,但提供了額外的功能性,以及將系統縮小至晶片等級的能力。Eyeonic號稱是首款實現商用的晶片整合FMCW LiDAR感測器,佔位面積小、並能滿足最嚴格的低成本和低功耗指標。

SiLC的Eyeonic感測器不同於其他類似的競爭解決方案,後者往往需要2顆、3顆甚至是4顆晶片,並要求它們連結某種耦合光學元件或光纖。Muenster表示:「此外,每次這麼做都會損失3~10dB,這實在是難以承受,因為光子很珍貴,你不會想浪費它們。」

Eyeonic與傳統LiDAR感測器的另一個顯著區別,是在系統層級上用以該元件安裝的技術。目前的3D視覺系統是透過使用飛行時間(time of flight,ToF)技術,仰賴波長為905奈米的高功率雷射和高靈敏度的探測器;這些早期版本技術已經取得足夠成功,實現在自動駕駛車輛實驗中的早期部署。然而,昂貴的製造程序限制了它們的解析度以及具成本效益之微縮;此外,人眼安全性議題則限制其應用範圍,同時多使用者串擾(multi-user crosstalk)可能會限制其獲得廣泛採用的機會。

 

圖1:Eyeonic感測器內部細節;該感測器在矽光子晶片上整合了超低線寬雷射、半導體光學放大器、鍺(Ge)探測器和光學電路(即波導)儀表。

(圖片來源:SiLC Technologies)

 

基本上,以ToF為基礎的感測器會發射傳輸一個或多個雷射脈衝,等待它們彈回到探測器,然後計算往返時間;精確度或多或少可達到1公分,或著大多數是幾公分。Muenster表示:「有些人對ToF很著迷,因為950奈米波長需要的CMOS探測器易於製造且成本低廉。然而,這個解決方案需要多個晶片,必須非常仔細地對準。」

但為了因應人眼安全相關法規,並允許在幾乎沒有多使用者干擾的情況下大量部署,轉向1,550奈米波長的FMCW技術已經被廣泛認可;不過,因為成本支出所需零組件數量等因素,這種方法過去並未廣泛使用。

根據SiLC的說法,該公司的矽光子整合平台是一個具成本效益的解決方案,能採用現有的半導體製程,將需要的所有高性能零組件整合到單一矽晶片中;從而實現低成本、尺寸小巧、低功耗的解決方案。矽製程使得一些複雜的裝置與技術,能夠以低成本擴大量產規模。

FMCW是一種被廣泛應用於以同調都卜勒(coherent Doppler)架構為基礎之雷達的技術;FMWC會持續發射脈衝,在脈衝返回時計算發射和接收之間的頻率差(即偏移)。由於都卜勒效應,該偏移是偵測(反射)物體距離和速度的函數;這也就是同調雷射的運作原理。

 

圖2:利用極化強度可實現材料識別與表面分析。

 

FMCW具有一系列優勢,首先是可以在任何光線條件下工作,並且不受環境干擾和串擾的影響;這意味著它不能透過用鏡子反射陽光到感測器的中心的方法來破解。即使在遠距離,其精確度也非常高(達到毫米等級),並且可支援長距離偵測。

FMCW的另一個關鍵要素是,它比ToF所需要的功率要小得多,就能實現相同的偵測距離。由於其同調特性,Eyeonic感測器增加了對目標速度進行瞬間量測的能力,成為真正的4D感測器。而且除了晶片整合,SiLC還提供雙極化強度,可實現材料識別和表面分析(如圖2)。

Muenster表示:「速度量測讓機器視覺系統能夠繪製待測物體周遭的輪廓,極化強度則可以幫助判別物體是什麼。因為有速度向量,就可以知道物體接下來會在哪裡,不必用到機器學習和神經網路訓練來推論這些資訊。」

SiLC的解決方案也不挑掃描器(scanner),能與各種類型的掃描器共同運作;影格速率(frame rate)和解析度是完全可配置的,取決於具體應用。

Eyeonic感測器提供配備光纖引線(fiber-pigtailed)以及和無光纖兩種配置;前者透過支援FMCW LiDAR收發器和掃描單元在不同位置的配置,來實現設計靈活性,後者則能實現最低成本的小巧尺寸配置。

SiLC的Eyeonic視覺系統預計從2022年第二季開始提供給策略夥伴客戶,將是一個能讓系統整合商與終端用戶簡單、快速進行評估的完整視覺系統。它會是市場上一個尺寸小巧、功能強大的FMCW LiDAR系統,具有一系列配件,以因應各種各樣的客戶應用。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年5月號

編:Judith Cheng

(參考原文:FMCW LiDAR Empowers 4D Vision in Robotics and Autonomous Vehicles,By Maurizio Di Paolo Emilio)

 

 

 

 

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