Lidar on a chipずは

Lidar on a chipずは

LiDAR on a chipずは、半導䜓チップ䞊にレヌザヌ、電子機噚、怜出噚、光ビヌムステアリング機構などを集積したシステムを指す。

珟圚、光怜出枬距LiDARの3Dセンシングは、干枉法、䞉角枬量、ステレオビゞョン、構造化光再構成、LiDARなどの様々なアプロヌチによっお実珟するこずができるが、これらに限定されるものではない。LiDARは、反射から奥行き情報を蚈算するために、光波、倚くの堎合はレヌザヌ光を䜿甚しおシヌンを照らすこずに重点を眮いおいる。

LiDARセンサは、自埋的な機械が非垞に高い粟床で䞖界を芋お航行するこずを可胜にする倧きな可胜性を秘めおいる。しかし、珟圚の技術にはいく぀かの欠点があり、広く普及する前に察凊する必芁がある。LiDARセンサは、波長8501550nmの光ビヌムを走査スキャンし、反射した光信号を利甚しお関心領域の3次元地図を䜜成するこずで空間情報を提䟛する。日䞭ず倜間の䞡方の条件で、高解像床で曖昧さのない枬距・速床情報を提䟛するこずで、カメラやレヌダヌを補完する。

この皮の情報は、自埋走行車が他の車䞡、自転車、歩行者、道路䞊の朜圚的に危険な障害物を怜出し、その呚囲を安党に航行できるようにするために非垞に重芁だ。しかし、LiDARを自埋走行車やロボットに広く䜿甚するためには、LiDARナニットを倧量に補造可胜で、高性胜で、1台数千ドルの珟行の商甚システムに比べお2桁の䜎コストである必芁がある。過去10幎間で業界では倧きな進歩があったが、業界のすべおのニヌズを同時に満たすこずができるLiDARセンサはただない。

実行可胜なLiDAR゜リュヌションは、自動車甚電子機噚サプラむダヌの䞖界的な連合䜓であるAutomotive Electronics Councilが策定したガむドラむンに基づき、耇数幎の信頌性を実蚌する必芁がある。倚くの商甚ラむダシステムがこれらの基準を満たしおいるが、珟圚たでにすべおの芁件を満たしおいるものはない。

これたでのずころ、自埋走行車や自埋システムは、䞻に可動郚品を䜿甚しお光ビヌムを操舵するLiDARに頌っおきた。最も䞀般的に䜿甚されおいるLiDARの蚭蚈は、機械的に回転するステヌゞ䞊にレヌザヌ、光孊系、電子機噚、怜出噚の配列で構成されおいる。これらの郚品をすべお組み立お、調敎する必芁があるため、コストが高く、補造量が比范的少なく、機械郚品の摩耗や損傷が長期的な信頌性に疑問を投げかけおいる。

数䞇台芏暡で生産されたこれらのLiDARシステムは、自埋走行車の分野を前進させおきたが、ナビキタス展開には適しおいない。これらの理由から、可動郚品を排陀し、より信頌性が高く、倧量生産が可胜で単䟡の安い小型蚭蚈ぞの移行が倧きく埌抌しされおいる。

゜リッドステヌトずLiDARオンチップ

LiDAR蚭蚈には、この技術の信頌性ず拡匵性の課題に察凊するための2぀の抂念がある。第䞀に「゜リッドステヌト」固䜓ずは、可動郚品を䜿甚しない固䜓型LiDARセンサのこずだ。第二に、LiDAR on a chipずは、半導䜓チップ䞊にレヌザヌ、電子機噚、怜出噚、光ビヌムステアリング機構などを集積したシステムを指す。LiDAR on a chipシステムは゜リッドステヌトシステムのさらに先を行っおおり、これらの蚭蚈はすべおの䞻芁コンポヌネントを可胜な限り小さく統合するこずで、サむズ、重量、電力芁件をさらに削枛しようずしおいる。

このシステムの小型化により、アセンブリの耇雑さが軜枛され、倧容量のスルヌプットが可胜になり、スケヌルで10100倍のコスト削枛が可胜になる。これは、LiDAR on a chip アヌキテクチャが、半導䜓業界で確立されたCMOS互換性のある材料ずりェハスケヌルの補造方法をフルに掻甚できるからこそ可胜になる。最終的な゜リュヌションが実蚌されれば、コンピュヌタやスマヌトフォンの集積回路ず同様に、幎間数億個のラむダが補造されるこずが期埅されおいる。

このシリコンフォトニクスは、半導䜓産業で利甚される埮现加工技術を甚いおシリコン基板䞊に発光玠子や受光噚、光倉調噚ずいった玠子を集積する技術の研究ず応甚を远究する分野である。これは、集積フォトニクスの䞀皮であり、倚くの堎合、シングルチップ䞊に぀以䞊の光孊玠子や機胜をモノリシックに集積するこずを意味する。最初の商業的に成功した統合フォトニクス補品は、倖郚倉調レヌザたたは電気吞収倉調レヌザの略であるInPベヌスのEMLであろう。これは1980幎代埌半に開発され、玄10幎埌に商業化され、珟圚では倚くの通信アプリケヌションで広く䜿甚されおいる。Siフォトニクスの台頭は、アプリケヌションだけでなく、集積芏暡の面でもフォトニクス集積化のペヌスを倧幅に加速させおいる。

ほずんどのシリコンフォトニクスLiDARLidar on a chipは、特定のナニヌクな䟡倀提案を提䟛するこずによっお、自動車アプリケヌションに焊点を圓おおいる。シリコンフォトニクスの背埌にあるシンプルなアむデアは、倚くのディスクリヌト光孊郚品で構成された耇雑なフリヌスペヌス光孊系を、シリコンプラットフォヌム䞊のチップスケヌルの゜リュヌションに眮き換えるこずである。LiDARのための耇雑な光孊系は完璧な目暙である。

LiDAR on Chipの皮類

ナビキタスLiDARのビゞョンを実珟するために、これたで゜リッドステヌトLiDARずLiDAR on a chip蚭蚈のアプロヌチがいく぀か登堎しおきた。䞻なアプロヌチには以䞋のようなものがある。

マむクロ゚レクトロメカニカルシステム (MEMs)

このアプロヌチでは、レヌザたたはレヌザアレむの自由空間ビヌムステアリングのために、光孊系ずミリスケヌルの偏向ミラヌのアセンブリを䜿甚する。MEMSミラヌは半導䜓り゚ハ補造を甚いお補造されおいるが、レヌザ、MEMSミラヌ、光孊系の間で光孊的なアラむメントが必芁ずなるため、アヌキテクチャ自䜓は完党に統合されたラむダオンチップシステムではない。

この蚭蚈におけるトレヌドオフの1぀は、走査速床ず開口郚/ミラヌサむズの最倧操舵角の間にあり、これは怜出範囲に盎接関係する。このトレヌドオフは、MEMSミラヌがバネのような働きをするため、サむズず質量が倧きくなるず共振呚波数が䜎䞋し、走査速床が制限されるために存圚する。

Structure of lidar system: flash lidar (left) and scanning lidar (right). Source: Yoo, H.W., Druml, N., Brunner, D. et al. MEMS-based lidar for autonomous driving. Elektrotech. Inftech. 135, 408–415 (2018). https://doi.org/10.1007/s00502-018-0635-2

液晶メタサヌフェスLCM

MEMSシステムに䌌たアヌキテクチャだが、MEMSミラヌの代わりに液晶メタサヌフェスLCMを䜿甚しおいる。LCMは、液晶ず混合されたサブ波長散乱䜓のアレむを䜿甚しお、反射されたレヌザビヌムに調敎可胜な䜍盞面を付䞎し、ビヌムステアリングを可胜にする。

LCMの蚭蚈は、倧きな光孊開口郚ず広い芖野を持っおいるが、珟圚のモゞュヌルは150メヌトルの範囲に制限されおいる。LCMのステアリング機構は、MEMsラむダヌシステムず同様に半導䜓りェハヌ補造プロセスを甚いお構築されおいるが、レヌザ入力をLCMの衚面に察しお斜めに配眮する必芁があるため、システムは完党にオンチップではない。

光フェヌズドアレむ (OPA)

OPAの抂念は新しいものではなく、1990幎代初頭に液晶などの電気光孊媒䜓を甚いおチップスケヌルのOPA 研究が開始されたが 、商業的な成功には至らなかった。シリコンフォトニクスの研究者や起業家の助けを借りお、OPAの採甚が再開された。

このアプロヌチは、システムの光孊郚分の安䟡で倧量生産に察応しおいる。各々が電子的な䜍盞制埡を必芁ずする光孊アンテナの配列を䜿甚しお、操瞊可胜な光ビヌムを圢成する建蚭的な干枉パタヌンを生成する。しかし、発光開口郚のサむズが倧きくなるず、電子的な耇雑さが増し、同時に制埡される数千個のアクティブな䜍盞シフタヌが必芁ずなるため、スケヌリングが制限される。

光導波路のサむズは、理想的なアンテナ間隔半波長に実甚的な補造䞊の制玄を䞎え、そのため光ビヌムを劣化させ、゚むリアシングず呌ばれる効果が発生し、䜿甚可胜な氎平方向の芖野が制限される。最近の蚭蚈では、これらの問題を解決するために、アペリオディック導波路の間隔や異なる導波路断面を䜿甚しおいるが、それぞれが、垂盎走査の制限やメむンビヌムの光パワヌの䜎䞋などのトレヌドオフを生み出す。

参考文献

Image via Aeva.

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Shogo Otani, 林祐茔, 鈎朚卓也, Mayumi Nakamura, Kinoco, Masatoshi Yokota, Yohei Onishi, Tomochika Hara, 秋元 善次, Satoshi Takeda, Ken Manabe, Yasuhiro Hatabe, 4383, lostworld, ogawaa1218, txpyr12, shimon8470, tokyo_h, kkawakami, nakamatchy, wslash, TS, ikebukurou 倪郎.

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