Whoscored中文官网 | 编译自 SPIE
根据世界卫生组织的数据，每24秒就有一人死在路上。仅在美国，每年就有超过46,000人死于车祸，另有440万人受伤严重，需要医疗护理。这些数字是惊人的，而且这不仅仅是人的代价。根据国际道路安全旅行协会的数据，2014年，道路碰撞的经济和社会影响使美国公民损失了8710亿美元。美国是所有高收入国家中遭受路祸死亡人数最多的国家，比西欧、加拿大、澳大利亚和日本的同类国家高出约50%。
汽车制造商已经用一连串的安全功能做出了回应，其中包括自主紧急制动和碰撞预警系统等自主安全技术。今天生产的汽车上的安全系统，已经使用了雷达、超声波传感器和摄像头，但死亡和受伤人数仍没有减少的迹象。为了减少这些数字，汽车行业正在转向激光雷达来加强这些安全功能。
光检测和测距，或更常见的激光雷达，是完全自动驾驶汽车的一项基石技术。它在当前道路车辆的驾驶安全系统中也有一定作用。然而，它的发展正朝着不同的方向前进，一些制造商专注于开发自主测试车或谷歌街道测绘车上的机械激光雷达系统。其他公司则将固态激光雷达或片上激光雷达作为未来的发展方向。
完全自主驾驶将需要一个能够探测到前方数百码的物体的系统。这就是激光雷达发挥作用的地方。挑战在于，当你想看到300米外的轮胎这样的东西。因为轮胎是黑色的，它们只会反射大约10%的激光雷达发出的光。
但是自动驾驶汽车仍在图纸上，在它们被开发的同时，激光雷达将在现代生产汽车的安全方面发挥重要作用。现在大多数汽车都具有高级驾驶辅助系统（ADAS）。这些系统包括主动驾驶辅助、自动紧急制动、车道保持辅助和自适应巡航控制。这些系统使用摄像头、超声波传感器和雷达的组合，但它们有局限性。美国汽车协会去年在美国进行了一项研究，发现支持ADAS的传感器每8英里就会出现一次故障或出现假阳性或阴性。
Luminar的IRIS激光雷达系统在空气动力学上与汽车的车顶线融为一体。图片来源：Luminar
Luminar公司的联合创始人兼首席技术官Jason Eichenholz是那些认为机械激光雷达系统在改善汽车安全方面可以发挥关键作用的人之一。他说："目前的ADAS系统的性能是乏善可陈的，而且司机对许多新的安全功能感到难以置信的不满。许多人关掉了他们的ADAS系统"。
一个机械扫描的激光雷达系统可以从多达360度的区域收集数据。为了提高其汽车的安全性，沃尔沃在其2022年11月推出的EX90车型中整合了Luminar的IRIS激光雷达系统。这款SUV具有传统的摄像头、传感器和雷达，以及一个安装在车顶的激光雷达系统。
Eichenholz说："我们正在利用我们今天拥有的激光雷达，它是机械的，我们正在把它投入生产。这将首次实现驾驶员的环外操作。我们看到了一个机会，那就是激光雷达系统，它拥有一个提供空间分辨率和类似雷达的探测范围。因此，我们可以同时解锁自动驾驶，从消费者的高速公路开始，并通过主动安全将安全提升到新的水平"。 也就是说，如果传感器套件是通过激光雷达为自动驾驶而设计的，那么无论如何，其额外的好处是提高了道路上的安全性。
在沃尔沃EX90中，激光雷达在空气动力学上被整合到汽车的车顶。它看起来与收音机或XM天线没有区别。"花了很长时间，但我们正在与汽车制造商交谈，他们的汽车内已经有十几个马达，所以如果正确地增加几个马达（这才是关键）并不是他们要反抗的事情"，Eichenholz补充说。
Eichenholz解释说，十年来他一直听到这样的说法：当涉及到下一代汽车领域的应用时，今天的机械激光雷达并不适合。但当谈到优势时，他指出了视野问题。他说："你不能有一个狭窄的视野，因为它不能检测到从侧面接近的物体。汽车制造商要求120度的视野，即使在高速公路应用中也是如此，而没有任何固态解决方案能够提供这种视野。"
在所有需要的部件中，激光器对整个激光雷达系统的性能起着最重要的作用。因此，在确定激光雷达系统应用的数据采集要求时，通常是由激光器的规格来确定系统的成本、性能和可行性。固体激光雷达传感器阵列对所发射的光束从前方物体上反弹回来的往返时间进行计数。这种对物体和传感器之间距离的测量被称为飞行时间（ToF）。由于几乎没有移动部件，固态传感器比扫描激光雷达更便宜、更可靠。
作为其发展计划的一部分，Luminar公司最近收购了Freedom Photonics公司及其二极管-激光技术。Freedom Photonics公司最近创造了一项世界纪录，即一个1550纳米的二极管激光放大器的连续波光功率超过5瓦，光束质量近乎衍射极限。它是以前记录的两倍。Freedom Photonics公司正在与Luminar公司合作，将这种新的激光器集成到Luminar公司的下一代汽车激光雷达系统中。
传统的广域、边缘发射二极管激光器具有出色的功率转换效率，但存在光束质量差的问题。在过去的30年里，该技术一直保持不变。亮度和效率的提高是稳定的，但也是渐进的。基于锥形或喇叭形放大器几何形状的二极管激光器为提高亮度提供了巨大的潜力，但在高工作电流下，长期以来一直遭受着光束质量下降的问题。
Freedom Photonics公司的研究副总裁Paul Leisher解释说："几十年来，二极管激光器领域一直有一个目标，如果你能产生相当于光纤激光器或固体激光器的功率，并具有近乎衍射极限的光束质量，你就不再需要光纤激光器或固体激光器了。当然，这是一个粗糙的简化，但你可以想象为什么这将是二极管激光器开发者的一个目标。"
Leisher坚持认为，Freedom Photonics公司正在做的事情与其他大多数公司在激光雷达用于自动驾驶领域采取的途径有所不同。"他说："有很多激光雷达系统可以用二极管激光器制造，而不用光纤激光器，但这些系统在其范围方面是有限的，特别是在探测黑暗物体的能力方面。亮度是功率除以光束质量的目标函数，因此目标是拥有一个高功率的激光器，而光束参数非常低。这个亮度数字是限制你探测远处黑暗物体的能力的目标函数。
Freedom Photonics公司的芯片级激光技术被Luminar公司收购，用于激光雷达系统。图片来源：Luminar
"用我们的Aura芯片开发的东西改变了这个公式"，Leisher继续说。"它首次允许使用二极管，甚至在300米外你要寻找轮胎的角落里。目前只有一种方法可以用光纤激光器做到这一点。在二极管激光器领域，光束质量和功率之间一直存在着一种平衡，如果你想要好的光束质量，就需要限制功率。相反，如果你想要更大的功率，光束质量就会很糟糕。“
"我们的架构是基于一种叫做锥形放大器的二极管激光器设计方法，它也已经存在了30多年"，Leisher说。"这种特殊的架构一直受到光束质量问题的困扰。当你推动的功率越来越大时，光束质量就会下降。" 这种情况一直困扰着整个行业。二极管激光器的圣杯是在产生10或更多瓦的二极管激光器中提供衍射极限的光束质量，特别是在1550纳米处。
"大约四年前，我们开始了这方面的工作，我不能说我们是如何解决这个问题的，但我可以说它涉及到确定驱动光束质量限制的根本原因--物理学，并解决这些问题"，Leisher说。"这就像一个童话故事，你去了，在一个大家都认为无法解决的问题上工作，然后意识到有几件事被忽略了。没有什么魔力。你很难理解驱动这些设备的物理学，并开发出巧妙的设计，这其实是解决物理学限制的根源"。
并非所有的汽车制造商都同意Luminar公司和Freedom Photonics公司采取的利用激光雷达改善道路安全的方法。许多欧洲和亚洲的汽车制造商都希望在他们的汽车上安装多个小型化的激光雷达系统。据位于荷兰的研究机构imec的光学3D传感项目经理Marcus Dahlem称，当涉及到汽车领域的下一代应用时，今天的机械激光雷达技术不适合的原因有很多。首先，它们太笨重，成本太高，无法优雅地集成到汽车中。更重要的是，移动解决方案是由移动部件组成的，这使它们容易受到振动和冲击的影响。
Dahlem认为，解决激光雷达的局限性的方法是将所有的部件组合成一个集成电路。这将使它们变得紧凑，不包含移动部件，并且可以以相对较低的单件成本进行大规模生产。
"激光雷达对道路安全和自动驾驶汽车的发展至关重要"，他说。"当我们看激光雷达时，趋势是朝着小型化和更便宜的模块发展，降低成本和尺寸，并允许这可以通过大批量生产来扩展。我们正在努力开发下一代激光雷达系统，它将完全集成在一个光子芯片上。"
Dahlem承认，大多数参与者都在研究基于机械的扫描系统，在波长为900纳米的ToF工作，这些系统笨重且昂贵。他说："这是今天的大公司经营和销售产品的地方。我们相信这个行业最终会朝着另一个方向发展，专注于固态光束转向，并且是在电信波长。所有这些都是由小型化和降低成本驱动的。它需要硅基光电子学在单个芯片上建立完整的系统。"
成本对于激光雷达进一步渗透到主流汽车市场至关重要。Luminar公司已经将汽车制造商的成本降低到1000美元左右，他们的目标是进一步降低到500美元。
尽管迫切需要改善道路安全，但在目前的成本水平下，激光雷达不太可能出现在任何东西上，除非制造商的成本降低到100美元左右的水平。Eichenholz坚定地认为，成本不应该阻止汽车采用激光雷达，但他对道路上的死亡事件的不屑一顾持谨慎态度。他解释说，美国每天在道路上的死亡人数相当于一架737飞机从天空中坠落。如果这种情况每天都发生，人们就会对飞行保持警惕，但在驾驶汽车时却没有这种沉默。
他说："作为一个社会，人们已经对车祸死亡事件感到不屑一顾。但是人类是可怕的驾驶员。多年来，我一直听到人们向我谈论关于自动驾驶汽车的道德问题。我有一个相反的观点。纯粹以成本为由选择不在汽车上安装激光雷达系统的伦理问题呢？"
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