一、雷射雷達簡介
早在1960年雷射雷達概念就已提出，近些年來雷射雷達才進入迅速發展時期，學術界和產業界一致認為雷射雷達是無人駕駛（包括自動駕駛車輛，AGV，UAV等）不可或缺的探測和傳感部件。雷射雷達可用於物體探測與規避，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展，對於雷射雷達的需求日益增長。
調製雷射可以用於距離探測和測量，但傳統的雷射測距儀（laser rangefinder）僅能測量瞬時視場範圍內的距離。為了形成更大視場範圍內的3D形貌識別與模型構建，必須在既定的視場範圍內實現雷射光束的偏轉和全局掃描。
二、MEMS雷射雷達簡介
MEMS，微機電系統，尺寸在毫米級或者更小的傳感器、執行器或者微型系統。常見產品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、陀螺儀、微馬達、微泵、MEMS振鏡及其集成產品。
MEMS振鏡（MEMS mirror）屬於一種光學MEMS執行器晶片，可以在驅動作用下對雷射光束進行偏轉、調製、開啟閉合及相位控制。目前廣泛應用於投影、顯示、光通信等場景中。
MEMS LiDAR，採用MEMS振鏡作為雷射光束掃描元件，具有體積小、宏觀結構簡單、可靠性高、功耗低等優勢，是目前雷射雷達實現落地應用的最合適的技術路徑。
三、MEMS振鏡及其選型參數
1. MEMS雷射雷達振鏡技術指標及選型
單軸和雙軸MEMS振鏡均可根據工作模式劃分為諧振狀態、非諧振狀態和半諧振狀態。
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。
業內部分知名學者對於雷射雷達的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
雷射雷達的掃描角度，包括水平和豎直方向，對於自動駕駛雷射雷達，更大的掃描角度意味著更大的視場角。
（2）Optical Aperture光學孔徑：
MEMS振鏡的光學特性與雷射雷達的空間解析度、探測距離等參數息息相關。
其中空間解析度與雷射波長、雷射光束質量正相關，與雷射光斑大小負相關，市場期望雷射雷達的角解析度儘可能小於1mrad，因此有著較好的雷射光束質量時，MEMS振鏡的直徑應不小於1mm。
探測距離則與發射雷射功率、透射效率、障礙物發射率、接收端半徑等參數相關。
（3）Scanning speed and Frequency掃描速度及諧振頻率：
對於自動駕駛應用的雙軸MEMS雷射雷達，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，雷射雷達的解析度、幀率及魯棒性均更佳。
（4）Mirror Size and Weight振鏡尺寸及重量
MEMS雷射雷達得到產業界青睞的原因之一便是體積小、便於集成。因此在滿足OpticalAperture和諧振頻率的前提下，MEMS的尺寸應儘可能優化。
（5）FoM (Figure of Merit)品質因數：
以上參數均為MEMS振鏡的本徵參數。FoM(figure of merit)則是將以上重要參數融合後形成的描述雷射雷達性能的綜合指標。根據行業經驗，雷射雷達為獲得良好性能，所選用的MEMS振鏡的FoM值應更高，針對自動駕駛的雷射雷達，FoM值至少為0.7。FoM值來源具體如下：
FoM=θe·de·fe 其中，θe是雷射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. 多種用途雷射雷達的MEMS振鏡參考
總體而言，MEMS振鏡的FoM值越大，越利於雷射雷達性能提升。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。
美國佛羅裡達大學的謝會開教授團隊針對多用途的雷射雷達的MEMS振鏡選型給出基礎要求，如表-1所示。
表-1 不同應用的雷射雷達對於MEMS振鏡技術參數的最低要求
四、基於雙軸MEMS振鏡的雷射雷達
圖1 雙軸MEMS振鏡的雷射雷達以「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°。
美國佛羅裡達大學的謝會開教授領導的研究團隊對市面上34款不同規格的雙軸MEMS振鏡的本徵參數和FoM值進行了深入的研究和計算，其中僅有6款MEMS振鏡的FoM值大於0.7，其餘28款MEMS振鏡的FoM均小於0.7。
五、基於單軸MEMS振鏡的雷射雷達
圖2 單軸MEMS振鏡的雷射雷達以「線」掃「面」
基於單軸振鏡的MEMS雷射雷達中，單軸MEMS振鏡配合配合雷射擴束透鏡，可以使得一維MEMS振鏡實現雷射光束在水平方向和豎直方向的同步掃描。上圖為Infineon開發的基於單軸振鏡的MEMS雷射雷達的原理圖。單軸MEMS振鏡的雷射雷達工作狀態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，以實現二維掃描。
圖3放置於旋轉電機上單軸MEMS振鏡
同樣，美國佛羅裡達大學的謝會開教授領導的研究團隊也對市面上二十餘款不同規格的單軸MEMS振鏡的本徵參數和FoM值進行了深入的研究和計算，其中FoM值大於1的MEMS振鏡超過50%，FoM大於0.7的超過14款，且單軸MEMS振鏡的雷射雷達以「線」掃「面」，天然上擁有更高的幀率。
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