MEMSミラーがマスマーケット向けのLiDARセンサーを実現する

これまでLiDARシステムは、自動車産業で使用するための効率性と堅牢性に欠けているという多くの問題に悩まされてきました。さらに大きな問題は、LiDARシステムのコストでした。自動車のマスマーケットにはあまりにも高価だったのです。Blickfeld社は、この問題に取り組み、大衆市場向けのLiDARセンサーを開発しました。ミュンヘンに拠点を置くこのスタートアップ企業の技術は、MEMSシリコン部品と高度に自動化された生産に依存しており、自律走行車への道を切り開いているのです。

課題：堅牢性の欠如と高い生産コスト

LiDARテクノロジーは新しい発明ではなく、1960年代から大気調査における排出ガス測定や考古学におけるリモートセンシングなど、さまざまなアプリケーションで使用されてきました。しかし、これまでLiDARシステムはいくつかの深刻な問題に直面してきました。

• LiDARは非常に大きなシステムであること。
• 使用するメカニックは、振動、熱、寒さなどの過酷な環境条件に弱いこと。
• 従来のLiDARシステムの範囲は、多くのアプリケーションにとって十分ではないこと。
• そして、今日のLiDARセンサーは、大量に入手できるわけでも、手頃な価格で手に入るわけでもないこと。

これらの点は、特に自動車業界にとって大きな問題で、自動車業界は、堅牢で生産スケールの大きい設計の高性能LiDARシステムを切実に求めています。なぜでしょうか？なぜなら、LiDARは未来の自律走行車にとって不可欠だからです。モビリティは距離と速度が重要です。道路交通では、衝突しないことが重要です。LiDARセンサーは、即座に、そして確実に検出します。そのため、専門家の予測では、将来的には自動車1台につき数個のLiDARセンサーが必要になると言われています。しかし、そのためには、これまで述べてきたような問題を克服しなければなりません。

その問題の根源は何でしょうか？

従来の機械的に回転するLiDARのコンセプトは壊れやすく、設計や生産が複雑であるため、寸法が大きくなり、価格も高くなります。光学フェーズドアレイやフラッシュLiDARなどの他の技術やデザインは、LiDARのサイズやコストを大幅に削減できる可能性がありますが、まだ開発の初期段階にあるか、または範囲が非常に狭いなど、システムに関するデメリットを抱えています。

ソリューション：マスマーケット向けのMEMSベースのLiDARセンサー

MEMSミラーをベースとしたLiDARセンサーは、有望なソリューションです。そのシリコン構造はすでに十分に進んでおり、多くの自動車用アプリケーションで非常にうまく実装されています。さらに、MEMSテクノロジーは回転部品を必要としないため、機械式LiDARシステムよりもはるかに堅牢で耐久性に優れています。現在市販されているMEMSミラーは、従来のアプリケーションではそれらで十分であったため、ミラーサイズが小さく、偏向角も小さいです。そのため、距離や視野角の面で性能に限界があります。

Blickfeld社のソリューション特に大型のミラー

Blickfeld社のLiDARシステムは、MEMSを利用しています。しかし、彼らのシステムは、他のMEMSベースのLiDARとどのように違うのでしょうか。センサーの範囲を拡大するために、Blickfeld 社は独自のMEMS ミラーを開発しました。ミラーの直径が10ミリメートル以上という余裕のある寸法で、入射光の高い割合を光検出器に向けることができます。そのため、180m以上離れた弱い反射の物体も確実に検出することができます。これに対し、従来のMEMSミラーは直径が数mmと小さく、偏向角も小さいため、LiDARに使用した場合、その分視野や範囲が狭くなります。

Blickfeld社の製品に使用されているMEMSミラーのさらなる利点は以下の通り：

• 偏向角が大きいため、約100°×30°の走査角を実現し、広視野角を確保できること。
• 同軸設計による空間フィルター効果：レーザーから照射され、MEMSミラーによってシーンに偏向された光は、フィールド内のオブジェクトによって反射され、光学的にほぼ同じ経路を辿って検出器に戻されます。つまり、レーザーが照射した方向からしか光は集まらないのです。これにより、例えば太陽や他のLiDARからの背景光が最小限に抑えられ、非常に高いSN比が得られるため、測距に有利となります。

Blickfeld社はどのように生産性の問題に対処しているのでしょうか？

Blickfeld社が開発したMEMSミラーは、上記の4つの問題のうち3つを解決：同社のLiDARは、省スペース、堅牢性、性能の高さを兼ね備えています。しかし、Blickfeld社は、生産コストの問題にどのように対処しているのでしょうか？それは、低コストで高精度、かつ拡張性の高いフォトリソグラフィ生産技術、いわゆるMEMSシリコン製造によって、ミラーを製造することです。直径200mmの標準的なシリコンウエハを、何百もの高度に自動化されたMEMS部品に同時加工するのです。この方法は、半導体産業で何十年も試行錯誤されてきたもので、このテクノロジーによってマスマーケットを制覇することができるのです。

MEMSミラーは、「商用オフザシェルフ」構造、すなわち市販の標準部品に組み込まれています。市販されているレーザーと検出器のユニットにより、費用対効果が高く、スケーラブルなセンサーの生産が可能になります。

自律走行車とその他多くの分野

LiDARセンサーのアプリケーションは、自動車産業にとどまらず、多岐にわたっています。このテクノロジーを活用するために、Blickfeld社はLiDARシステムの大きな問題点を解消し、マスマーケットへの参入を可能にしたのです。LiDARの時代はまだ始まったばかりなのです