2019年真的會成為MEMS激光雷達(dá)技術(shù)路線元年嗎？

據(jù)麥姆斯咨詢報道，一直以來，MEMS激光雷達(dá)都被視為在自動駕駛領(lǐng)域最快落地的商業(yè)LiDAR技術(shù)路線。2019年才過去四分之一，MEMS激光雷達(dá)領(lǐng)域投資的新聞以及各家新品的推出，讓我們強烈地感受其落地的腳步聲越走越近！

剛剛過去的3月，MEMS激光雷達(dá)廠商Innoviz Technologies（與寶馬合作，計劃在2021年將MEMS激光雷達(dá)集成于汽車）宣布完成C輪共計1.32億美元的融資，投資方除了以色列投資機構(gòu)以外，也出現(xiàn)了中國投資機構(gòu)的身影（中國招商局資本、深創(chuàng)投和聯(lián)新資本）。今年1月在美國拉斯維加斯舉辦的CES 2019，中國激光雷達(dá)領(lǐng)軍企業(yè)速騰聚創(chuàng)和禾賽科技分別推出自家的MEMS激光雷達(dá)：RS-LiDAR-M1和PandarGT 3.0。在此之前，速騰聚創(chuàng)和禾賽科技是機械式激光雷達(dá)技術(shù)路線的佼佼者。在從機械式激光雷達(dá)向固態(tài)激光雷達(dá)的演變過程中，一些企業(yè)選擇直接進(jìn)入全固態(tài)激光雷達(dá)，也有許多企業(yè)深耕于混合固態(tài)技術(shù)路線——MEMS激光雷達(dá)。那么，2019年真的會成為MEMS激光雷達(dá)技術(shù)路線元年嗎？

從Yole最新發(fā)布的《汽車和工業(yè)應(yīng)用的激光雷達(dá)-2019版》報告中可以看出：MEMS和Flash技術(shù)路線更受到激光雷達(dá)制造商的青睞

我們知道，機械式激光雷達(dá)體積龐大且價格昂貴，如Velodyne 的32線激光雷達(dá)HDL-32E需要32組發(fā)射光源與32組接收光源進(jìn)行一一對應(yīng)調(diào)試，對裝配要求非常高，量產(chǎn)出貨效率堪憂；或者使用旋轉(zhuǎn)鏡，在不同方位和下傾角度，以略微不同的傾斜角度來控制單束脈沖激光，如法雷奧SCALA。光學(xué)相控陣（OPA）激光雷達(dá)作為全固態(tài)激光雷達(dá)之一，體積大幅減少，裝配時間也可控，可靠性高，但受到芯片成熟度不足等各種問題的牽制，離落地還有一段較長的路要走。閃光（Flash）激光雷達(dá)暫時無法同時滿足遠(yuǎn)近成像的要求，但隨著單光子面陣探測技術(shù)的成熟，有望成為未來的激光雷達(dá)技術(shù)路線方向。

美好的故事開局：醞釀多年的MEMS微振鏡

MEMS微振鏡也稱為MEMS掃描鏡、MEMS微鏡，本文統(tǒng)一采用MEMS微振鏡表達(dá)。按原理區(qū)分，主要包括四種：靜電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、電熱驅(qū)動、壓電驅(qū)動。其中前兩種技術(shù)比較成熟，應(yīng)用也更廣泛。德州儀器（TI）在1996年就將靜電驅(qū)動的MEMS微振鏡成功實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。

MEMS微振鏡工作示意圖

何為MEMS激光雷達(dá)？本文將“采用半導(dǎo)體‘微動’器件——MEMS微振鏡（代替宏觀機械式掃描器）在微觀尺度上實現(xiàn)激光雷達(dá)發(fā)射端的光束操縱方式”稱為“混合固態(tài)”。同時，把采用上述光束操縱方式的激光探測和測距系統(tǒng)稱為混合固態(tài)激光雷達(dá)或MEMS激光雷達(dá)。那么，為什么產(chǎn)生“混合固態(tài)”的概念呢？因為MEMS微振鏡是一種硅基半導(dǎo)體元器件，屬于固態(tài)電子元件；但是MEMS微振鏡并不“安分”，內(nèi)部集成了“可動”的微型鏡面；由此可見MEMS微振鏡兼具“固態(tài)”和“運動”兩種屬性，故稱為“混合固態(tài)”?？梢哉f，MEMS微振鏡是傳統(tǒng)機械式激光雷達(dá)的革新者，引領(lǐng)激光雷達(dá)的小型化和低成本化。

MEMS激光雷達(dá)工作原理圖

之所以業(yè)界將MEMS激光雷達(dá)視為最快落地的技術(shù)路線，主要原因來自三個方面：

一是MEMS微振鏡幫助激光雷達(dá)擺脫了笨重的馬達(dá)、多棱鏡等機械運動裝置，毫米級尺寸的微振鏡大大減少了激光雷達(dá)的尺寸，無論從美觀度、車載集成度還是成本角度來講，其優(yōu)勢都令人驚嘆！

第二，MEMS微振鏡的引入可以減少激光器和探測器數(shù)量，極大地降低成本。傳統(tǒng)的機械式激光雷達(dá)要實現(xiàn)多少線束，就需要多少組發(fā)射模塊與接收模塊。而采用二維MEMS微振鏡，僅需要一束激光光源，通過一面MEMS微振鏡來反射激光器的光束，兩者采用微秒級的頻率協(xié)同工作，通過探測器接收后達(dá)到對目標(biāo)物體進(jìn)行3D掃描的目的。與多組發(fā)射/接收芯片組的機械式激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)相比，MEMS激光雷達(dá)對激光器和探測器的數(shù)量需求明顯減少。從成本角度分析，N線機械式激光雷達(dá)需要N組IC芯片組：跨阻放大器（TIA）、低噪聲放大器（LNA）、比較器（Comparator）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等。麥姆斯咨詢估算每組的芯片成本約200美元，僅16組的芯片成本就高達(dá)3200美元。Innoluce曾發(fā)布一款MEMS激光雷達(dá)設(shè)計方案，采用MEMS微振鏡，并將各種分立芯片集成設(shè)計到激光雷達(dá)控制芯片組，這樣下來激光雷達(dá)的成本控制在200美元以內(nèi)。

Innoluce采用MEMS微振鏡的MEMS激光雷達(dá)設(shè)計方案，成本低于200美元

第三，MEMS微振鏡并不是為激光雷達(dá)而誕生的器件，它已經(jīng)在投影顯示領(lǐng)域商用化應(yīng)用多年。最成功的應(yīng)用案例就是德州儀器（TI）的DLP（Digital Light Processing，數(shù)字光處理）顯示，其核心技術(shù)則是德州儀器獨有的“黑科技”——采用靜電原理的MEMS微振鏡組成的陣列，每一面微振鏡構(gòu)成一個單色像素，由微振鏡下層的寄存器控制特定鏡片在開關(guān)狀態(tài)間的高速切換，將不同顏色的像素糅合在一起。此外，在3D攝像頭、條形碼掃描、激光打印機、醫(yī)療成像、光通訊等領(lǐng)域，MEMS微振鏡也不乏成功應(yīng)用案例。

時至今日，真正車規(guī)級的激光雷達(dá)只有一款，那就是來自法雷奧的機械式激光雷達(dá)SCALA，配置于奧迪2017年發(fā)布的Level 3自動駕駛汽車——奧迪A8。SCALA采用直接飛行時間法（Direct Time of Flight，DToF）測距，光束操作單元是旋轉(zhuǎn)掃描鏡，光源是高功率激光二極管，探測器是具有三個敏感單元的雪崩光電二極管（APD）陣列。當(dāng)然，法雷奧還將計劃推出采用MEMS微振鏡的激光雷達(dá)：SCALA 3。那么，為什么MEMS激光雷達(dá)充滿希望，并且MEMS微振鏡技術(shù)在其它應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)成熟，但還未出現(xiàn)真正車規(guī)級的MEMS激光雷達(dá)呢？

曲折的故事情節(jié)：MEMS微振鏡從消費級走向車規(guī)級的鴻溝

首先，就MEMS微振鏡本身來講，技術(shù)門檻就很高。德州儀器的DLP技術(shù)傲視群雄，背面的故事則是：這項技術(shù)在1987年問世，最初僅用于國防，直到1996年才投入商業(yè)化應(yīng)用，整整九年的時間，這家資金雄厚、技術(shù)開發(fā)能力強大的公司才獲得了成功。其難度可窺見一斑。技術(shù)成熟且量產(chǎn)的MEMS微振鏡企業(yè)基本集中在國外，比如被德國英飛凌收購的Innoluce、美國Mirrorcle、日本濱松、瑞士意法半導(dǎo)體、美國MicroVision等?？上驳氖?，中國MEMS微振鏡企業(yè)近些年發(fā)展迅速，如西安知微傳感、***Opus、蘇州希景科技等。

其次，MEMS微振鏡在投影顯示等領(lǐng)域的成功無法復(fù)制到車載激光雷達(dá)。MEMS微振鏡屬于振動敏感性器件，車載環(huán)境下的振動和沖擊容易對它的使用壽命和工作穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，使得激光雷達(dá)的測量性能惡化。因此，有必要對MEMS微振鏡的隔離振動技術(shù)進(jìn)行深入研究。激光雷達(dá)作為“人命關(guān)天”的關(guān)鍵傳感器，要符合車規(guī)同時滿足量產(chǎn)，要逾越的鴻溝尚需技術(shù)的提升和時日的堆砌。

再次，相比于用于機械式激光雷達(dá)的多棱鏡和擺鏡，MEMS微振鏡尺寸確實大大縮小了，但帶來的問題是限制了MEMS激光雷達(dá)的光學(xué)口徑、掃描角度，視場角也會變小。

為了獲得最大化的光學(xué)口徑，MEMS激光雷達(dá)廠商追求大尺寸MEMS鏡面。但集成電路制造的從業(yè)人員都知道，芯片尺寸越大，成本越高；同時對缺陷越敏感，同一片晶圓制造出來的芯片良率與單顆芯片尺寸成反比，因此會大大增加制造難度和成本。同時，尺寸大帶來的問題是掃描頻率的降低，可能無法滿足車載激光雷達(dá)實時測距和成像的要求，MEMS激光雷達(dá)設(shè)計人員必然面對權(quán)衡尺寸和頻率的難題。

同時，為了獲得較大的掃描角度，需要大偏轉(zhuǎn)角度的MEMS微振鏡。但是，掃描系統(tǒng)分辨率由鏡面尺寸與最大偏轉(zhuǎn)角度的乘積共同決定，鏡面尺寸與偏轉(zhuǎn)角度是一對無法調(diào)和的“冤家”。解決該問題的方向有兩個：（1）通過調(diào)制驅(qū)動電壓頻率，讓MEMS微振鏡處于諧振工作狀態(tài)，此時最大偏振角度會被放大；（2）通過光學(xué)組件（如透鏡、衍射光學(xué)元件、液晶空間調(diào)制器）進(jìn)行擴束，放大最大偏振角度。不過，擴束又會帶來眾多紛繁復(fù)雜的技術(shù)問題，這里不展開討論。

機械式激光雷達(dá)（左）、MEMS激光雷達(dá)（中）和OPA激光雷達(dá)（右）掃描方式對比，受限于MEMS微振鏡的鏡面尺寸和偏轉(zhuǎn)角度，MEMS激光雷達(dá)掃描角度偏小

目前，美國MEMS微振鏡制造商Mirrorcle通過鍵合的方法，在加工完驅(qū)動器后，將另外加工的大鏡面組裝在驅(qū)動器上面，提高填充比，因此可提供尺寸大至7.5mm的MEMS鏡面，從而受到眾多MEMS激光雷達(dá)系統(tǒng)廠商的青睞。但是，Mirrorcle大尺寸鏡面的MEMS微振鏡價格在數(shù)千元。作為前期演示產(chǎn)品（DEMO），咬咬牙也就忍了，但一旦上量，如此高的成本是無法商用的。在這種情況下，我們看到國內(nèi)外的一些激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈廠商，通過自研或者投資/收購公司的方式，掌握MEMS激光雷達(dá)的命脈。如英飛凌收購荷蘭Innoluce，為MEMS激光雷達(dá)廠商提供芯片和方案；速騰聚創(chuàng)投資希景科技，布局MEMS激光雷達(dá)，據(jù)麥姆斯咨詢此前報道，希景科技開發(fā)的MEMS微振鏡鏡面直徑為5mm，已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段；禾賽科技的PandarGT 3.0中用到的MEMS微振鏡則是由自研團隊提供。

Mirrorcle官網(wǎng)提供的MEMS微振鏡產(chǎn)品報價單

工作溫度范圍也是MEMS微振鏡通過車規(guī)的一大門檻。通常情況下，車規(guī)級產(chǎn)品需要核心元器件滿足-40℃到125℃的工作范圍。在實際應(yīng)用過程中，MEMS微振鏡的材料屬性（如楊氏模量和剪切模量）會隨著環(huán)境溫度的改變而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致微振鏡運動特性的變化。因此材料的選擇和制造工藝對實現(xiàn)車規(guī)級MEMS微振鏡來說，是巨大的挑戰(zhàn)。

受限于MEMS微振鏡的鏡面尺寸，MEMS激光雷達(dá)接收端的收光孔徑非常小，成為其量產(chǎn)路上的棘手問題。這里補充一些激光雷達(dá)接收端的知識。由于只有一小部分脈沖發(fā)射的光子可以到達(dá)接收端光電探測器的有效區(qū)域。如果大氣衰減沿脈沖路徑不變化，激光光束發(fā)散度可忽略不計，光斑尺寸小于目標(biāo)物體時，入射角垂直于探測器且反射體是朗伯體（所有方向均反射），則光接收峰值功率P(R)為：

其中，P0為發(fā)射激光脈沖的光峰值功率， ρ為目標(biāo)反射率，A0為接收器的孔徑面積，η0為探測光的光譜透射，γ為大氣衰減系數(shù)。

根據(jù)上面的公式，我們可以知道，光接收峰值功率與接收器孔徑面積成正比。因此，MEMS微振鏡的鏡面尺寸小的“硬傷”，讓MEMS激光雷達(dá)在接收信號時收光孔徑大大受限，光接收峰值功率也難以達(dá)到要求！

故事的結(jié)局會是完美的嗎？

針對MEMS激光雷達(dá)固有的問題，研究機構(gòu)和企業(yè)也提出了不少嘗試方案。比如在光源的選擇上，選用1550nm光纖激光器；在光電探測器方面，選用陣列接收器。與MEMS微振鏡取長補短，打造車載可用的MEMS激光雷達(dá)。

比如，禾賽科技在2019年年初發(fā)布的MEMS激光雷達(dá)PandarGT 3.0，選擇是1550 nm光纖激光器。1550 nm波段的激光，其人眼安全閾值遠(yuǎn)高于905nm激光。因此在安全范圍內(nèi)可以大幅度提高1550 nm光纖激光器的激光功率，從而提高接收端的峰值功率，更適用于遠(yuǎn)距離探測。

禾賽科技推出的PandarGT 3.0實物圖

豐田旗下一個實驗室Toyota Central R&D Labs發(fā)布過MEMS微振鏡 + SPAD（單光子雪崩二極管）陣列實現(xiàn)了20米測量距離的激光雷達(dá)系統(tǒng)（Opt. Express 20, 11863(2012)）。

豐田（Toyota）Central R&D Labs采用SPAD面陣接收方式實現(xiàn)MEMS激光雷達(dá)

總之，自動駕駛的賽道已經(jīng)開放，各種激光雷達(dá)技術(shù)路線都在這條賽道上競相追逐。雖然MEMS激光雷達(dá)的實力讓我們看好，但是面對嚴(yán)苛的汽車芯片“零缺陷”要求，MEMS微振鏡能否順利通過考核？固態(tài)激光雷達(dá)劇情是否會出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點？有待時間見證！在此之前，我們有必要對各種激光雷達(dá)技術(shù)路線進(jìn)行全面的學(xué)習(xí)和理解。或許您能做出正確的抉擇，把握自動駕駛機遇！