无可动元件，真正的全固态方案

据麦姆斯咨询介绍，激光雷达（LiDAR）可对远距离（200米及以上）的物体进行探测、定位和分类，受到高级驾驶员辅助系统（ADAS）和新兴自动驾驶汽车行业的热捧。车载激光雷达通常用于行人识别、碰撞避免和紧急制动。目前面临的主要挑战是：如何平衡测距范围、分辨率和帧率等性能参数要求与尺寸、可靠性和成本等商业可行性之间的关系。

总部位于美国西雅图市的初创企业Lumotive推出首款商用固态激光雷达，采用了基于液晶超表面（liquid-crystal metasurface，简称LCM）的独创性光束操纵技术。LCM技术可实现对光束方向的操纵，形成的全固态解决方案有望同时实现兼具高性能和商业可行性的激光雷达。

LCM是一种二维阵列形态的新型亚波长光学元件。当受到电信号调制时，液晶的折射率发生变化，改变进入纳米级谐振器与从谐振器重新发射出来的延迟光子量。因此，每个谐振器充当了可编程相位延迟元件的角色。

无可动元件，真正的全固态方案

因此，Lumotive的技术类似于相控阵雷达，这是一种利用天线阵列实现的相位控制电子扫描雷达，可产生一束无线电波，无需移动天线就可通过电子化方式实现不同方向转向。Lumotive指出，其LCM技术实现了无需可动元件的全固态激光雷达解决方案。

显然，相比机械式激光雷达的结构，没有了运动部件，全固态激光雷达的结构更紧凑、性能更可靠，并且更具成本效益。LCM可以利用CMOS代工厂的常规材料和图案化工艺在硅晶圆上实现。液晶与芯片用盖玻片进行密封封装，这与硅基液晶（LCOS）显示元件的封装方式类似。再将标准液晶显示器（LCD）驱动器进行贴装，提供驱动谐振器的电压。

Lumotive的激光雷达系统包含两颗LCM芯片，分别用于发送和接收。当使用常规液晶时，Lumotive的LCM芯片切换速度约为25微秒，这比LCOS和LCD的切换速度典型值（毫秒级）快得多。

Lumotive激光雷达系统包含两颗LCM芯片，激光束从顶部发射，在底部被接收

挣脱光学孔径“桎梏”

汽车激光雷达系统之所以难以设计，是因为所需的光学孔径与视场角参数难以满足。获得较大的光学孔径至关重要，因为接收端光学孔径的大小决定了系统对光的聚集能力，从而决定测量距离、分辨率和帧率等参数。光学孔径大还意味着可以传输功率更大的激光束，并且不会超出人眼安全的功率密度阈值。而采用MEMS微镜作为光束操纵元件的MEMS激光雷达机械扫描系统，随着孔径大小的增加，视场角也会减小。

Lumotive的LCM通过调整超表面的液晶涂层可以实现光束在120 x 30度的视场角内有效分布，并获得最大25 mm x 25 mm的光学孔径。因此，新型LCM光束操纵技术可以实现更远的探测距离。Lumotive已为其固态光束操纵技术申请了专利，该公司称该技术可以满足激光雷达对测量距离、视场角、分辨率和系统尺寸的要求。

Lumotive已经发布了两款基于LCM技术的激光雷达系统：X20和Z20，分别针对汽车和工业自动化应用。X20的测量距离达到120米以上。Z20的测量距离较短，约50米，但垂直视场角为70度，非常适合各种工业应用。满足消费者和移动市场需求的Lumotive M20将于2021年推出（相关新闻：《苹果新款iPad Pro示范效应，汽车激光雷达厂商跨界手机应用》）。

Lumotive激光雷达原型X10（左），首款量产激光雷达X20（中）

Lumotive联合创始人兼首席执行官William Colleran谈到“大家知道，一种3D传感系统无法同时满足不同应用的需求。我们的基础架构使我们能够有效地扩展技术以满足特定的市场需求，同时采用CMOS制造工艺实现具有明显的成本优势。”。

Lumotive激光雷达系统包括发射、接收和光束操纵模块。汽车产业Tier 1供应商或工业传感器供应商可以采购任意模块，以构建或改善自己的激光雷达产品。

Yole分析师Alexis Debray表示：“用于ADAS和自动驾驶汽车的激光雷达市场规模将在2019年至2025年期间出现显著增长，有望从1.17亿美元增长至23亿美元。”按照Yole预测，2019~2025年期间激光雷达市场规模的复合年增长率将达到64%。