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展時期，學術界和產(chan) 業(ye) 界一致認為(wei) 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(chuan) 感部件。激光雷達可用於(yu) 物體(ti) 探測與(yu) 規避，物體(ti) 識別與(yu) 跟蹤，即時定位與(yu) 地圖構建等。隨著無人駕駛的快速發展，對於(yu) 激光雷達的需求日益增長。

調製激光可以用於(yu) 距離探測和測量，但傳(chuan) 統的激光測距儀(yi) （laser rangefinder）僅(jin) 能測量瞬時視場範圍內(nei) 的距離。為(wei) 了形成更大視場範圍內(nei) 的3D形貌識別與(yu) 模型構建，必須在既定的視場範圍內(nei) 實現激光光束的偏轉和全局掃描。

二、MEMS激光雷達簡介

MEMS，微機電係統，尺寸在毫米級或者更小的傳(chuan) 感器、執行器或者微型係統。常見產(chan) 品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、陀螺儀(yi) 、微馬達、微泵、MEMS振鏡及其集成產(chan) 品。

MEMS振鏡（MEMS mirror）屬於(yu) 一種光學MEMS執行器芯片，可以在驅動作用下對激光光束進行偏轉、調製、開啟閉合及相位控製。目前廣泛應用於(yu) 投影、顯示、光通信等場景中。

MEMS LiDAR，采用MEMS振鏡作為(wei) 激光光束掃描元件，具有體(ti) 積小、宏觀結構簡單、可靠性高、功耗低等優(you) 勢，是目前激光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振鏡均可根據工作模式劃分為(wei) 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(wei) 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(ye) 內(nei) 部分知名學者對於(yu) 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(ti) 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，對於(yu) 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(yu) 激光雷達的空間分辨率、探測距離等參數息息相關(guan) 。

其中空間分辨率與(yu) 激光波長、激光光束質量正相關(guan) ，與(yu) 激光光斑大小負相關(guan) ，市場期望激光雷達的角分辨率盡可能小於(yu) 1mrad，因此有著較好的激光光束質量時，MEMS振鏡的直徑應不小於(yu) 1mm。

探測距離則與(yu) 發射激光功率、透射效率、障礙物發射率、接收端半徑等參數相關(guan) 。

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

對於(yu) 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(chan) 業(ye) 界青睞的原因之一便是體(ti) 積小、便於(yu) 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(you) 化。

（5）FoM (Figure of Merit)品質因數：

以上參數均為(wei) MEMS振鏡的本征參數。FoM(figure of merit)則是將以上重要參數融合後形成的描述激光雷達性能的綜合指標。根據行業(ye) 經驗，激光雷達為(wei) 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，FoM值至少為(wei) 0.7。FoM值來源具體(ti) 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(wei) rad；

de是MEMS振鏡有效尺寸，單位為(wei) mm；

fe是MEMS振鏡的有效諧振頻率，單位為(wei) kHz；

2. 多種用途激光雷達的MEMS振鏡參考

總體(ti) 而言，MEMS振鏡的FoM值越大，越利於(yu) 激光雷達性能提升。相較而言，單軸MEMS振鏡因整體(ti) 結構更為(wei) 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。

美國佛羅裏達大學的謝會(hui) 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於(yu) MEMS振鏡技術參數的最低要求

四、基於(yu) 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“麵”

雙軸MEMS振鏡因其具有兩(liang) 個(ge) 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(wei) 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(wei) 15°×11°，一般需要配合外圍光學器件才可將FoV擴展到45°×11°。

美國佛羅裏達大學的謝會(hui) 開教授領導的研究團隊對市麵上34款不同規格的雙軸MEMS振鏡的本征參數和FoM值進行了深入的研究和計算，其中僅(jin) 有6款MEMS振鏡的FoM值大於(yu) 0.7，其餘(yu) 28款MEMS振鏡的FoM均小於(yu) 0.7。

五、基於(yu) 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“麵”

基於(yu) 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振鏡實現激光光束在水平方向和豎直方向的同步掃描。上圖為(wei) Infineon開發的基於(yu) 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分為(wei) 諧振式和非諧振式兩(liang) 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(yu) 旋轉電機上單軸MEMS振鏡

同樣，美國佛羅裏達大學的謝會(hui) 開教授領導的研究團隊也對市麵上二十餘(yu) 款不同規格的單軸MEMS振鏡的本征參數和FoM值進行了深入的研究和計算，其中FoM值大於(yu) 1的MEMS振鏡超過50%，FoM大於(yu) 0.7的超過14款，且單軸MEMS振鏡的激光雷達以“線”掃“麵”，天然上擁有更高的幀率。