MEMS激光雷達(dá)振鏡

一、激光雷達(dá)簡介

激光雷達(dá)，自1960年提出概念后，直到近年來才進(jìn)入迅速發(fā)展時期。激光雷達(dá)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(gòu)建等，隨著無人駕駛的快速發(fā)展，做為無人駕駛不可或缺的探測和傳感部件，激光雷達(dá)的需求日益增長。

調(diào)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(nèi)的距離。為了形成更大視場范圍內(nèi)的3D形貌識別與模型構(gòu)建，必須在既定的視場范圍內(nèi)實現(xiàn)激光光束的偏轉(zhuǎn)和全局掃描。

二、MEMS激光雷達(dá)簡介

MEMS，微機(jī)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(fēng)、陀螺儀、微馬達(dá)、微泵、MEMS振鏡及其集成產(chǎn)品。

MEMS振鏡(MEMS mirror)屬于一種光學(xué)MEMS執(zhí)行器芯片，可以在驅(qū)動作用下對激光光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)、調(diào)制、開啟閉合及相位控制。目前廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、功耗低等優(yōu)勢，是目前激光雷達(dá)實現(xiàn)落地應(yīng)用的最合適的技術(shù)路徑。

三、MEMS振鏡及其選型參數(shù)

1. MEMS激光雷達(dá)振鏡技術(shù)指標(biāo)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(qū)動方式不同，可劃分為靜電驅(qū)動(ES)，電磁驅(qū)動(EM)，電熱驅(qū)動(ET)以及壓電驅(qū)動(PE)四種。

業(yè)內(nèi)部分知名學(xué)者對于激光雷達(dá)的MEMS振鏡選型及參考指標(biāo)做了指引性的討論，具體如下：

(1)FoV視場角

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

(2)Optical Aperture光學(xué)孔徑：

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

其中空間分辨率與激光波長、激光光束質(zhì)量正相關(guān)，與激光光斑大小負(fù)相關(guān)，市場期望激光雷達(dá)的角分辨率盡可能小于1mrad，因此有著較好的激光光束質(zhì)量時，MEMS振鏡的直徑應(yīng)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(guān)。

(3)Scanning speed and Frequency掃描速度及諧振頻率：

對于自動駕駛應(yīng)用的雙軸MEMS激光雷達(dá)，MEMS振鏡的橫軸(水平方向，快軸)掃描頻率應(yīng)在0.5-2KHz之間，縱軸(垂直方向，慢軸)掃描頻率應(yīng)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(dá)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(dá)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(yīng)盡可能優(yōu)化。

(5)FoM (Figure of Merit)品質(zhì)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(dá)性能的綜合指標(biāo)。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，激光雷達(dá)為獲得良好性能，所選用的MEMS振鏡的FoM值應(yīng)更高，針對自動駕駛的激光雷達(dá)，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(dá)視場方向的有效光學(xué)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(dá)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(dá)性能提升。相較而言，單軸MEMS振鏡因整體結(jié)構(gòu)更為簡便，所以更容易得到更大的掃描角度，更大的光學(xué)孔徑和更高的諧振頻率。

美國佛羅里達(dá)大學(xué)的謝會開教授團(tuán)隊針對多用途的激光雷達(dá)的MEMS振鏡選型給出基礎(chǔ)要求，如表-1所示。

表-1 不同應(yīng)用的激光雷達(dá)對于MEMS振鏡技術(shù)參數(shù)的最低要求

四、基于雙軸MEMS振鏡的激光雷達(dá)

圖1 雙軸MEMS振鏡的激光雷達(dá)以“點”掃“面”

雙軸MEMS振鏡因其具有兩個轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(xué)器件才可將FoV擴(kuò)展到45°×11°。

美國佛羅里達(dá)大學(xué)的謝會開教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)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(jìn)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(dá)

圖2 單軸MEMS振鏡的激光雷達(dá)以“線”掃“面”

基于單軸振鏡的MEMS激光雷達(dá)中，單軸MEMS振鏡配合配合激光擴(kuò)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(dá)的原理圖。單軸MEMS振鏡的激光雷達(dá)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(zhuǎn)電機(jī)上，以實現(xiàn)二維掃描。

圖3放置于旋轉(zhuǎn)電機(jī)上單軸MEMS振鏡

同樣，美國佛羅里達(dá)大學(xué)的謝會開教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)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(jìn)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(dá)以“線”掃“面”，天然上擁有更高的幀率。