MEMS mirrors

センサーの核心 – LiDARのためのMEMSテクノロジー

自動車の要求を満たすために、LiDARは高い性能とスケーラビリティを備えている必要があります。MEMSベースのLiDARは、適切なソリューションと言えます。しかし、ミラーの大きさはどのように定義されるのでしょうか?
Portrait Mathias Müller Blickfeld founder

「MEMSベースのLiDARセンサーは通常、安価ですが、自律走行車に使用するには十分な性能ではありません。」私たちはこのような感想をよく耳にします。このブログでは、私たちのセンサーがこの仮定をいかに効果的に無効にするか、私たちがどのようにLiDAR用のMEMSテクノロジーを開発したか、私たちのLiDARに最適なミラーサイズをいかに見つけたか、そして私たちの決断にどのような考慮がなされたかをご説明します。

自動車アプリケーションに必要とされるもの:性能・スケーラビリティ

自律走行車に搭載するLiDARセンサーには、長距離・広視野角などの高性能を実現することが求められます。一方、数百万個を生産し、車両に搭載できるようなスケーラビリティも必要です。LiDARメーカーは、さまざまなアプローチでこれらの課題に対応しています。現在、最も多く使われているのは、ビーム偏向ユニットをモーターで機械的に動かすメカニカルLiDARシステムです。これらのデバイスは、最大360°の広視野角と長い検出距離を誇りますが、その構造は定期的なメンテナンスを必要とし、大きく、重く、製造コストも高くなります。このように、メカニカルLiDARシステムは、センサー業界に課せられた2つの大きな要求のうち、性能面しか解決しません。

これらの課題を解決するもうひとつのアプローチが、MEMS(Microelectromechanical Systems)テクノロジーです。ここで、部品はケイ素から製造され、スケーラビリティの特長を持ちます。このテクノロジーは長年にわたって試行錯誤が繰り返されてきたため、同一の部品をコスト効率よく、大量に生産することができるのです。このアプローチは、マイクロセンサーの生産などにも用いられています。

しかし、MEMSベースのLiDARシステムは、どのようにして性能上の課題をクリアしているのでしょうか?

適切なレーザー光源で長距離をカバー

自律走行車が高速で走行するためには、周囲の世界、すなわちその近辺だけでなく、もっと離れたところをも「見て」認識することが必要です。特に高速道路を走行する場合、車両の移動速度が速くなるため、より遠くにある物体やカーブ、他の車両を確実に検知し、適切なタイミングで対応する必要があります。そのため、高速道路での自律走行を可能にするためには、センサーに長距離測定レンジが必要となります。

LiDARセンサーでこの距離を達成するためには、エミッターか検出器のどちらかをこのアプリケーション専用に最適化する必要があります。

このような調整の出発点として考えられるのが、レーザー光源です。一般的に、LiDARセンサーには2種類の波長を持つレーザーが使用されています。一部のLiDARメーカーは、1550nmの波長を持つファイバーレーザーを使用しています。この波長は人間の目では焦点を合わせることができないため、高いエネルギーレベルでも目に安全な方法で使用することができます。そのため、使用するエネルギーが大きいほど、デバイスはより遠くまで「見える」ことになります。しかし、このタイプのレーザー光源には決定的な欠点もあります。1550nmのレーザーは大型で製造が複雑なため、価格が高くなり、LiDARの筐体寸法も大きくなってしまいます。

そのため、多くのLiDARアプリケーションでは、波長905 nmのレーザーパルスを発するレーザーダイオードを使用しています。このダイオードは非常に小型で、古くからさまざまなアプリケーションで使用されてきたという特長があります。そのため、それらは安価で大量に市場に出回っています。しかし、目の安全に関する規制により、ダイオードのビーム強度は1550nmのレーザーよりも低くする必要があります。そのため、エミッター側の最適化には限界があります。

MEMS technology for LiDAR

最適なミラーサイズの模索

では、検出器はどうすれば最適化できるのでしょうか?

ここで、長距離を実現するために重要な役割を果たすのが、開口部です。これは、検出器のサイズを表すものです。MEMSを用いた設計の場合、開口部はミラーのサイズに対応します。できるだけ多くの光を取り込むためには、大きな開口部、言い換えればできるだけ大きなミラーが必要です。しかし、ミラーサイズは特定の要因によって制限されるため、それを考慮した上で最適なミラーサイズを算出する必要があります。その要因とは、受光する光子数、コリメーション、偏向角、共振周波数です。

光子数

LiDARに使用するミラーの大きさは、物体を検出するために十分な数の光子が戻ってくるために、どれだけの光子を放射しなければならないかによって決まります。最小限の光子数は、リンクバジェットを基に正確に計算することができます。この指標には、距離や反射率の低い表面、光の均一散乱、検出器の非効率性によって失われる光子の数が含まれます。このようにして、最小限の数の光子を再び検出できるように、どれだけの光子を放出しなければならないか、またはどれだけの開口部を大きくしなければならないかを計算することが可能です。また、Blickfeld社のセンサーは同軸設計であるため、発光した方向と同じ方向から戻ってきた光だけを再捕捉することができます。このため、他のランダムな光信号を拾ってしまい、画像を乱したり、偽ったりすることを防ぐことができるというメリットがあります。

コリメーション

小さな物体も確実に識別できる高解像度のデータを得るためには、レーザーが平行な状態で物体に当たることが必要です。このコリメーションを実現するために、レーザーの前面にレンズを設置します。ここで、再びミラーサイズが重要になります。レンズでコリメートされた光をすべて偏向させるためには、ミラーが十分大きくなる必要があります。これは、最適なコリメーションと高解像度を得るために必要な焦点距離によって決まります。

共振周波数

MEMSミラーは、ある特定の共振周波数で振動します。これらは統合されたアクチュエーターによって作動するため、モーターやその他の機械的手段を必要としません。モーターや可動部品はすぐに摩耗し、定期的なメンテナンスが必要になるため、これは明らかな利点です。アクチュエーター一体型の発振器であれば、このような問題は生じません。

ミラーが発振する共振周波数は、ミラーの大きさや取り付け方によって異なります。そこで、私たちは特に大きなサイズのミラーを使用できるように、ミラーを埋め込むための独自の技術を開発しました。この大きなミラーの直径により、大量の光子を周囲に照射して検出器に戻すことができるため、Blickfeld社のLiDARセンサーは長距離を正確に測定することができます。また、直径数ミリの従来の製品に比べ、大型であるため、より堅牢なミラーとなっています。Blickfeld社のLiDARに使用されているミラーは、その軽量な構造により共振周波数が高く、できるだけ多くの光子を検出器に戻すことができます。ミラーが速く振動しても遅く振動しても、同軸設計により光子は検出器を通過してしまいます。

LiDARアプリケーションのために特別に設計されたMEMSテクノロジー

最後に、ミラーのサイズはさまざまな要因によって決定されます。MEMSを用いた最も高性能なLiDARを作るためには、ミラーの組成、サイズ、埋め込みを特別に開発する必要があります。また、LiDARのアプリケーションを念頭に置いて特別に開発されたMEMSテクノロジーでなければ、長距離、広視野角、高解像度という要件を達成することはできません。

Portrait Mathias Müller Blickfeld founder

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