如何為激光雷達開發(fā)MEMS技術(shù)

“基于MEMS技術(shù)的激光雷達傳感器價格較低，但其性能不足以用于自動駕駛車輛?！蔽覀兘?jīng)常聽到這樣的說法。本文將解釋我們的傳感器如何使這一說法失效，我們?nèi)绾螢榧す饫走_開發(fā)MEMS技術(shù)，如何為激光雷達找到理想的鏡面尺寸并說明其決定因素。

汽車應用所需：性能和可量產(chǎn)性

激光雷達應用在自動駕駛車上，必須滿足兩個基本要求：一方面，提供高性能，包括遠距離和寬視野。另一方面，必須具有可量產(chǎn)性，以便能夠生產(chǎn)和安裝在數(shù)百萬輛汽車上。激光雷達制造商想了一系列的辦法來應對這些挑戰(zhàn)。機械式激光雷達系統(tǒng)是如今最常用的系統(tǒng)，電機轉(zhuǎn)動從而移動光束偏轉(zhuǎn)單元。盡管機械式激光雷達擁有廣闊的視野（有些可達360°）和遠距離，但它們的機械裝置需要定期維護，而且體積大、重量大、生產(chǎn)成本高?？傮w來說，機械式激光雷達只滿足高性能這一個要求。

另一種應對這些挑戰(zhàn)的是MEMS（微電子機械系統(tǒng)）技術(shù)。這種技術(shù)，組件是用硅來制造的，具有可擴展的優(yōu)勢：由于這項技術(shù)經(jīng)過多年的應用和測試，完全相同的組件可以以經(jīng)濟高效的方式大量生產(chǎn)。

但是基于MEMS技術(shù)的激光雷達是如何應對性能這一挑戰(zhàn)呢？

選擇合適激光源，實現(xiàn)遠距離探測

要想讓自動駕駛車能夠高速安全行駛，它們必須能夠“看見”并感知周圍的世界——不僅是近處，而且在更遠的距離也應如此。在高速公路上行駛時，這一點尤為重要，因為車輛行駛速度很快，因此必須要可靠地檢測到遠距離的物體、彎道和其他車輛，以便能夠及時作出反應。因此，傳感器需要檢測到遠距離才能在高速公路上實現(xiàn)自動駕駛。

為了使激光雷達傳感器達到這個探測距離，發(fā)射器或探測器都需要專門針對這一應用進行優(yōu)化。首先可能優(yōu)化的是激光源。通常，應用到激光雷達傳感器的激光源波長有兩種。一些雷達制造商采用波長為1550納米的激光器。這種波長的激光不會聚焦到人眼視網(wǎng)膜上，因此即使激光源是在高能量水平下，也符合人眼安全標準。這類型激光雷達的激光源能量越高，探測距離也就越長。然而，這種類型的激光源也有一個致命的缺點：1550nm激光器體積大、制造復雜，導致激光雷達外殼尺寸較大并且成本很高。

故此，很多激光雷達都采用激光脈沖發(fā)射波長為905nm的激光二極管。它們的顯著優(yōu)點是體積很小，并且很早之就已經(jīng)在其他領(lǐng)域廣泛應用。實際上，這些二極管價格低廉，能夠在市場上大量購買。然而，眼睛安全法規(guī)要求二極管的光束強度要低于1550nm激光器的光束強度，在發(fā)射極側(cè)的優(yōu)化因此受到限制。

為反射鏡尋找合適的尺寸

那么如何優(yōu)化探測器呢？孔徑在實現(xiàn)遠距離探測中起著重要作用。在基于MEMS的設(shè)計中，孔徑與鏡面尺寸相對應。為了捕捉盡可能多的光，需要一個大的光圈——換句話說，就是一個盡可能大的反射鏡。然而，反射鏡的尺寸也受到某些因素的限制，因此有必要結(jié)合考慮這些因素，計算出反射鏡的最佳尺寸。這些因素包括：接收光子數(shù)、激光準直、偏轉(zhuǎn)角、共振頻率。

光子數(shù)

一方面，在激光雷達中使用的反射鏡的大小取決于必須發(fā)射多少光子才能有足夠數(shù)量的光子返回，從而探測到目標。可以根據(jù)鏈路估值精確計算最小光子數(shù)。這一測量包括通過這段距離和通過反射表面損失光子數(shù)、光的散射以及探測器的效率。通過這種方法，就有可能計算出必須發(fā)射多少光子，或者孔徑多大，才能再次檢測到足夠數(shù)量的光子。除此之外，傳感器采用同軸設(shè)計，這意味著只有從與發(fā)射同一方向返回的光才能被重新捕獲。對于傳感器來說，這是有利的，可以防止捕獲到其他的干擾光信號。

激光準直

為了獲得高分辨率數(shù)據(jù)，可靠地識別小目標，激光必須準直地擊中目標，這是通過在激光器前面放置一個透鏡來實現(xiàn)的。現(xiàn)在，反射鏡的尺寸又起作用了：反射鏡必須足夠大，才能夠偏轉(zhuǎn)所有被透鏡準直的光。

共振頻率

MEMS反射鏡以一定的諧振頻率振蕩。它們由集成執(zhí)行器觸發(fā)，因此不需要電機或任何其他機械裝置。這是一個明顯的優(yōu)勢，因為電機和運動部件很快就會磨損，需要定期維護。如果振蕩是由集成執(zhí)行器觸發(fā)的，則不會出現(xiàn)這些問題。反射鏡的共振頻率取決于反射鏡的尺寸和安裝方式。為此，我們開發(fā)了一種嵌入反射鏡的技術(shù)，以便能夠使用大的鏡面尺寸。直徑足夠大，大量的光子直接透過反射鏡并返回到探測器上。這使得激光雷達傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)精確的遠距離探測。此外，由于尺寸較大，相比直徑只有幾毫米的傳統(tǒng)反射鏡更耐用。虹科激光雷達中使用的反射鏡因為其結(jié)構(gòu)輕巧，具有很高的諧振頻率，這確保了盡可能多的光子返回探測器：如果反射鏡振蕩過快或者過慢，因為同軸結(jié)構(gòu)的存在，探測器依然能夠檢測到大量的光子。

定制設(shè)計的MEMS技術(shù)

總之，反射鏡的尺寸是由一系列因素決定的。為了制造基于MEMS的高性能激光雷達，必不可少需要對反射鏡的組成成分、尺寸和嵌入方式等方面進行研究。只有將MEMS技術(shù)與激光雷達應用結(jié)合起來，才能滿足遠距離、寬視場和高分辨率的要求。