MEMS激光雷達振鏡技術指標及選型

一、激光雷達簡介

早在1960年激光雷達概念就已提出，近些年來激光雷達才進入迅速發(fā)展時期，學術界和產(chǎn)業(yè)界一致認為激光雷達是無人駕駛（包括自動駕駛車輛，AGV，UAV等）不可或缺的探測和傳感部件。激光雷達可用于物體探測與規(guī)避，物體識別與跟蹤，即時定位與地圖構建等。隨著無人駕駛的快速發(fā)展，對于激光雷達的需求日益增長。

調制激光可以用于距離探測和測量，但傳統(tǒng)的激光測距儀（laser rangefinder）僅能測量瞬時視場范圍內的距離。為了形成更大視場范圍內的3D形貌識別與模型構建，必須在既定的視場范圍內實現(xiàn)激光光束的偏轉和全局掃描。

二、MEMS激光雷達簡介

MEMS，微機電系統(tǒng)，尺寸在毫米級或者更小的傳感器、執(zhí)行器或者微型系統(tǒng)。常見產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、陀螺儀、微馬達、微泵、MEMS振鏡及其集成產(chǎn)品。

MEMS振鏡（MEMS mirror）屬于一種光學MEMS執(zhí)行器芯片，可以在驅動作用下對激光光束進行偏轉、調制、開啟閉合及相位控制。目前廣泛應用于投影、顯示、光通信等場景中。

MEMS LiDAR，采用MEMS振鏡作為激光光束掃描元件，具有體積小、宏觀結構簡單、可靠性高、功耗低等優(yōu)勢，是目前激光雷達實現(xiàn)落地應用的最合適的技術路徑。

三、MEMS振鏡及其選型參數(shù)

1. MEMS激光雷達振鏡技術指標及選型

單軸和雙軸MEMS振鏡均可根據(jù)工作模式劃分為諧振狀態(tài)、非諧振狀態(tài)和半諧振狀態(tài)。

按照 MEMS振鏡的驅動方式不同，可劃分為靜電驅動（ES），電磁驅動（EM），電熱驅動（ET）以及壓電驅動（PE）四種。

業(yè)內部分知名學者對于激光雷達的MEMS振鏡選型及參考指標做了指引性的討論，具體如下：

（1）FoV視場角

激光雷達的掃描角度，包括水平和豎直方向，對于自動駕駛激光雷達，更大的掃描角度意味著更大的視場角。

（2）Optical Aperture光學孔徑：

MEMS振鏡的光學特性與激光雷達的空間分辨率、探測距離等參數(shù)息息相關。

其中空間分辨率與激光波長、激光光束質量正相關，與激光光斑大小負相關，市場期望激光雷達的角分辨率盡可能小于1mrad，因此有著較好的激光光束質量時，MEMS振鏡的直徑應不小于1mm。 探測距離則與發(fā)射激光功率、透射效率、障礙物發(fā)射率、接收端半徑等參數(shù)相關。（3）Scanning speed and Frequency掃描速度及諧振頻率：對于自動駕駛應用的雙軸MEMS激光雷達，MEMS振鏡的橫軸（水平方向，快軸）掃描頻率應在0.5-2KHz之間，縱軸（垂直方向，慢軸）掃描頻率應在10-30Hz之間。 此外，若選用的MEMS振鏡的諧振頻率較高，激光雷達的分辨率、幀率及魯棒性均更佳。（4）Mirror Size and Weight振鏡尺寸及重量

MEMS激光雷達得到產(chǎn)業(yè)界青睞的原因之一便是體積小、便于集成。因此在滿足OpticalAperture和諧振頻率的前提下，MEMS的尺寸應盡可能優(yōu)化。

（5）FoM (Figure of Merit)品質因數(shù)：

以上參數(shù)均為MEMS振鏡的本征參數(shù)。FoM(figure of merit)則是將以上重要參數(shù)融合后形成的描述激光雷達性能的綜合指標。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，激光雷達為獲得良好性能，所選用的MEMS振鏡的FoM值應更高，針對自動駕駛的激光雷達，F(xiàn)oM值至少為0.7。FoM值來源具體如下：

FoM=θe·de·fe其中，θe是激光雷達視場方向的有效光學掃描角，單位為rad； de是MEMS振鏡有效尺寸，單位為mm；

fe是MEMS振鏡的有效諧振頻率，單位為kHz；

2. 多種用途激光雷達的MEMS振鏡參考

總體而言，MEMS振鏡的FoM值越大，越利于激光雷達性能提升。相較而言，單軸MEMS振鏡因整體結構更為簡便，所以更容易得到更大的掃描角度，更大的光學孔徑和更高的諧振頻率。

美國佛羅里達大學的謝會開教授團隊針對多用途的激光雷達的MEMS振鏡選型給出基礎要求，如表-1所示。

表-1 不同應用的激光雷達對于MEMS振鏡技術參數(shù)的最低要求

四、基于雙軸MEMS振鏡的激光雷達

圖1 雙軸MEMS振鏡的激光雷達以“點”掃“面”

雙軸MEMS振鏡因其具有兩個轉動軸，因此有三種掃描模式：雙軸諧振、單軸諧振/單軸非諧振、雙軸均非諧振。

因雙軸MEMS振鏡結構及工藝較為繁雜，其掃描角度一般較小，圖中所示的雙軸振鏡其掃描角度約為15°×11°，一般需要配合外圍光學器件才可將FoV擴展到45°×11°。

美國佛羅里達大學的謝會開教授領導的研究團隊對市面上34款不同規(guī)格的雙軸MEMS振鏡的本征參數(shù)和FoM值進行了深入的研究和計算，其中僅有6款MEMS振鏡的FoM值大于0.7，其余28款MEMS振鏡的FoM均小于0.7。

五、基于單軸MEMS振鏡的激光雷達

圖2 單軸MEMS振鏡的激光雷達以“線”掃“面” 基于單軸振鏡的MEMS激光雷達中，單軸MEMS振鏡配合配合激光擴束透鏡，可以使得一維MEMS振鏡實現(xiàn)激光光束在水平方向和豎直方向的同步掃描。上圖為Infineon開發(fā)的基于單軸振鏡的MEMS激光雷達的原理圖。單軸MEMS振鏡的激光雷達工作狀態(tài)分為諧振式和非諧振式兩種。

另外，也有部分廠商將單軸MEMS振鏡放置在旋轉電機上，以實現(xiàn)二維掃描。

圖3放置于旋轉電機上單軸MEMS振鏡

同樣，美國佛羅里達大學的謝會開教授領導的研究團隊也對市面上二十余款不同規(guī)格的單軸MEMS振鏡的本征參數(shù)和FoM值進行了深入的研究和計算，其中FoM值大于1的MEMS振鏡超過50%，F(xiàn)oM大于0.7的超過14款，且單軸MEMS振鏡的激光雷達以“線”掃“面”，天然上擁有更高的幀率。

六、知微傳感C系列MEMS振鏡介紹

表-2 知微傳感C系列MEMS振鏡

知微傳感是國內MEMS振鏡領域內的領軍企業(yè)，在靜電驅動、電磁驅動兩種驅動技術，以及光學反饋和電容反饋兩種檢測技術上均有深厚的技術積累和布局。目前有4款C系列MEMS芯片已完成量產(chǎn)工藝導入，支持批量交付，其部分本征參數(shù)及FoM值如表-2所示。FoM值均大于0.7，適用于自動駕駛、盲區(qū)監(jiān)測、人機交互、MAVs、機器人等激光雷達應用領域，歡迎垂詢。

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