激光雷達，讓無人車看得更清晰
老司機
在吹IP的作者團隊中，有這樣一群小夥伴，他們愛汽車、懂高鐵，時刻關注技術技術動態發展，熱衷探究技術創新和知識產權的關係，他們是IP圈裡專註交通領域的老司機。
在吹IP，他們將會與大家分享交通領域的黑科技，說說地上跑的、天上飛的，新能源汽車、高鐵、智能駕駛……他們有數不盡的話題想和大家聊，還會用他們的專長來剖析時下熱點問題。
今年的除夕之夜，上百輛由百度Apollo無人車組成的車隊亮相2018央視春晚，車隊在無人駕駛模式下完成了交叉跑等動作，令人嘖嘖稱奇。而在近期，根據國外媒體報道，谷歌的母公司Alphabet旗下的無人車子公司Waymo，將在2018年年內在美國鳳凰城推出無人計程車服務，屆時用戶通過App叫車，即可坐在一輛無人駕駛汽車中出行。種種跡象表明，無人駕駛技術，真的就要來了。
百度無人車隊亮相央視2018春晚
無人車在行駛過程中，需要像人工駕駛一樣識別路況並進行對應的操作，如在綠燈或無障礙時勻速或加速行駛，而在遇到紅燈或障礙時進行減速或停止。無人車是如何「看到」路況的呢?
這需要車載感測器去探測無人車所處的環境，目前應用於無人車的感測器主要有四類：攝像機，激光雷達、毫米波雷達和超聲波雷達。其中，激光雷達在目前的無人駕駛技術中應用最為廣泛，谷歌、百度、Uber等公司均有使用。
激光雷達是通過發射激光束來探測目標的位置、速度等特徵量的雷達系統，其工作原理是向目標物體發射激光束，並接受照射到目標物體後反射回來的激光束，根據發射和接收激光束的時間間隔計算出目標物體的距離。通過激光束不斷地掃描目標物體，可得到大量的點雲，點雲在成像處理後可得到目標物體的三維圖像模型，點雲的密度越高，圖像越清晰。
因此，激光雷達具有高精度、高解析度的優勢，且與無人車的控制軟體相結合，還可建立周圍環境的3D模型，從而為無人車的自動駕駛提供更多的環境信息。目前的主流觀點認為，激光雷達已經成為自動駕駛技術中必備的感測器。
在無人駕駛技術中，為保證行車的安全性，激光雷達需要滿足測量距離和測量速度的要求，測量距離通常情況下要達到100-120米，精度在厘米級；測量速度則要求單個激光發射的速率要達到每秒幾萬個點，以達到實時感知外界環境變化的目的。
這種嚴苛的要求導致激光雷達的開發難度提高，進而使成本居高不下。以目前在百度和谷歌無人駕駛汽車上使用的HDL-64激光雷達為例，該激光雷達由業內著名的Velodyne LiDAR公司研發，其售價高達70萬人民幣，已遠超汽車本身的價格。
Waymo的無人駕駛汽車，車頂安裝有激光雷達
激光雷達高昂的售價直接影響了其在市場上的普及度，因此，如何降低激光雷達的成本，已經成為激光雷達領域以及無人駕駛領域的一個重要研究課題，也決定了激光雷達企業的競爭能力。
目前常用的降低激光雷達成本的一個有效手段為「固態化」。何為激光雷達的「固態化」？
激光雷達在工作過程中，其發射的激光需要進行勻速旋轉，激光在旋轉一定的角度後生成一幀完整的數據。為保證激光的旋轉發射，當前市面上可見的車載激光雷達內大多設有用於驅動激光發射器旋轉的機械旋轉部件。機械旋轉部件會造成激光雷達在生產中出現裝配複雜、生產周期長的問題，使激光雷達的成本居高不下。同時，機械旋轉部件在行車環境下的可靠性不高，為行車帶來了安全隱患。因此，為降低激光雷達的成本，同時提高無人車的行車安全性能，需要減少或者取消機械旋轉部件。
借鑒機械硬碟和固態硬碟的對比可知，機械硬碟內部基於機械旋轉部件來讀寫數據，其體積較大且結構複雜，而固態硬碟內部沒有機械旋轉部件，所以其體積小結構簡單，穩定性高。所以，「固態」激光雷達即為基於電子部件，無機械旋轉部件的激光雷達，具有體積小、結構簡單、穩定性高的優勢，其成本可大幅度降低。
激光雷達廠家Velodyne LiDAR已在固態激光雷達設計方面取得了突破性的進展，其新設計可以實現激光雷達的小型化（集成電路小於4平方毫米），且在量產的情況下有望將成本降至50美元以下。
Velodyne LiDAR是如何將激光雷達的成本做到如此之低呢？
筆者在檢索VelodyneLiDAR的專利後，發現了編號US9310471、名稱為Singlechip scanning lidar and method of producing the same（單片掃描激光雷達及其製造方法）的專利，該專利旨在解決機械掃描式激光雷達的體積大和結構複雜的問題，利用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統）技術，將原本體積較大的機械結構通過微電子工藝在硅基晶元上集成微振鏡，由可以旋轉的微振鏡來反射激光器的光線，從而實現掃描，進而實現簡化激光雷達結構的作用，便於進行大規模生產。
筆者翻譯了該專利的獨立權利要求如下：
1、一種製造晶元級掃描激光雷達的方法，包括：
在襯底上形成用於發射光線的二維（2D）掃描微鏡;
在襯底上形成用於接收光線的二維（2D）掃描微鏡;
在襯底上形成激光二極體;
在襯底上形成光電檢測器;
在連接在所述第一波導的一端上的所述襯底上形成第一波導到所述激光二極體的第一端面;
在連接到所述第一波導的另一端的所述襯底上形成第一光柵輸出耦合器;
在連接在所述第二波導的一端上的所述襯底上形成第二波導到所述激光二極體的第二端面;
在連接到第二波導的另一端的襯底上形成第二光柵輸出耦合器;
在第一介電層中形成第一固定微鏡和第二固定微鏡;
在第二介電層中形成第三固定微鏡;
在第三介電層中形成聚焦組件;
將第一、第二和第三電介質層結合在一起以形成複合結構;
將複合結構與激光二極體和光電探測器上的襯底對準;和
將複合結構粘合到激光二極體和光電探測器上方的襯底上。
專利US9310471的附圖
該專利的獨立權利要求保護了將微鏡、激光二極體、光電檢測器等核心部件集成到晶元襯底上的方法，省去了機械式激光雷達中的機械旋轉部件，使得這種晶元級的激光雷達體積更小，重量更輕，功率更小，並且，主要部件運用晶元工藝生產之後，量產能力也得以大幅度提高，有利於降低激光雷達的成本，可以從上千乃至上萬美元降低到數百乃至數十美元。
除了Velodyne LiDAR之外，其他無人駕駛領域的公司也有其簡化激光雷達結構、進而降低成本的技術，筆者檢索了Waymo公司的激光雷達領域專利，發現了編號US8836922、名稱為Devices and methods for a rotating LIDAR platform with a sharedtransmit/receive path（具有共享發射/接收路徑的旋轉激光雷達平台的設備和方法）的專利，在目前常見的激光雷達中，激光光束的發射和接收處是分開的，而該專利中發射接收光束共用了一個光路。
筆者翻譯了該專利的獨立權利要求如下：
1、一種光檢測和測距裝置，包括：
安裝於外殼的透鏡，其中，所述外殼被配置成圍繞軸線旋轉並且具有包括發射塊、接收塊、發射路徑和接收路徑的內部空間，所述發射塊的入射孔徑位於具有反射表面的內壁上，所述接收塊具有入口孔，所述發送路徑從所述出口孔延伸到所述透鏡，並且所述接收路徑由所述反射表面從所述透鏡延伸到所述入口孔;
所述發射塊中具有多個光源，其中，所述多個光源被配置為在多個不同方向上通過所述出射孔徑發射多個光束，所述光束包括具有波長範圍內的波長的光;
所述接收塊中具有多個檢測器，其中，所述多個檢測器被配置為檢測具有所述波長範圍中的波長的光；和
所述透鏡經配置以由所述發射路徑接收所述光束，準直所述光束以供發射到所述光檢測和測距裝置的環境中，收集由來自光檢測和測距設備的環境中的一個或一個以上物體反射的光，並且通過接收路徑將收集的光聚焦到探測器上。
專利US8836922附圖
該專利將激光雷達中的發射和接收光路合二為一，在小型化產品的同時，還可減少細緻校準收發模塊的時間，不會因為細微的誤差而降低整個激光雷達系統的精度，提高了激光雷達的可靠性。
在激光雷達領域，雖然由國外公司掌握了相對成熟的技術，但是隨著國內的無人駕駛技術的進步，國內的激光雷達行業也已進入了快速發展的階段。
筆者對國內的激光雷達的專利申請趨勢進行了檢索分析，國內激光雷達的專利申請量從2007年開始直線上升，在2015年以及2016年達到高峰，分別為607件、776件。
由此可看出國內的激光雷達企業在近幾年進行了大量的技術研發工作。國內的速騰聚創、雷神智能、北科天繪、思嵐科技、北醒光子、禾賽科技、佳光科技等多家企業已在市場上嶄露頭角。
國內激光雷達專利申請趨勢圖
1、一種基於類MEMS振鏡的准固態單線激光雷達，所述激光雷達包括激光器、探測器；其特徵在於：所述激光雷達進一步包括：
振鏡，所述振鏡包括：
底座；
磁鐵，所述磁鐵分別設置在所述底座的相對的兩側，相互隔離的位置相對的磁鐵的極性相反；
線圈，所述線圈的兩端接入交流電；
反射鏡，所述反射鏡連接所述線圈；所述反射鏡將激光器發出的檢測光反射到探測物，探測物上的反射光經過所述反射鏡後進入所述探測器；
扭力桿，所述扭力桿的一端通過固定件固定在所述底座上，另一端連接所述線圈；交流電驅動下的所述線圈在所述磁鐵形成的磁場中產生力矩，帶動所述反射鏡以所述扭力桿為 軸線扭動；
固定件。
該專利公開的固態激光雷達中無需使用電機驅動振鏡，降低了功耗，且使激光雷達結構緊湊、易於加工，極大地降低了單線激光雷達的成本。
由此可見，在激光雷達領域，國內外的多家的企業均已在技術和專利上分別積累起自己的優勢，有利於行業的發展。
作為無人車的「眼睛」，激光雷達目前正在向著小型化和低成本化發展，其普及程度也將進一步提高，對於無人駕駛技術的發展將會起到推動作用，無人車也會「看」得更加清晰。
作者簡介：張寧，集慧智佳專利諮詢師，科技發燒友。
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