在從(cong) 機械式激光雷達向固態激光雷達的演變過程中，一些企業(ye) 選擇直接進入全固態激光雷達，也有許多企業(ye) 深耕於(yu) 混合固態技術路線——MEMS激光雷達。那麽(me) ，2019年真的會(hui) 成為(wei) MEMS激光雷達技術路線元年嗎？

一直以來，MEMS激光雷達都被視為(wei) 在自動駕駛領域最快落地的商業(ye) LiDAR技術路線。2019年才過去四分之一，MEMS激光雷達領域投資的新聞以及各家新品的推出，讓我們(men) 強烈地感受其落地的腳步聲越走越近！

剛剛過去的3月，MEMS激光雷達廠商Innoviz Technologies（與(yu) 寶馬合作，計劃在2021年將MEMS激光雷達集成於(yu) 汽車）宣布完成C輪共計1.32億(yi) 美元的融資，投資方除了以色列投資機構以外，也出現了中國投資機構的身影（中國招商局資本、深創投和聯新資本）。今年1月在美國拉斯維加斯舉(ju) 辦的CES 2019，fun88官网平台雷達領軍(jun) 企業(ye) 速騰聚創和禾賽科技分別推出自家的MEMS激光雷達：RS-LiDAR-M1和PandarGT 3.0。在此之前，速騰聚創和禾賽科技是機械式激光雷達技術路線的佼佼者。在從(cong) 機械式激光雷達向固態激光雷達的演變過程中，一些企業(ye) 選擇直接進入全固態激光雷達，也有許多企業(ye) 深耕於(yu) 混合固態技術路線——MEMS激光雷達。那麽(me) ，2019年真的會(hui) 成為(wei) MEMS激光雷達技術路線元年嗎？

從(cong) Yole最新發布的《汽車和工業(ye) 應用的激光雷達-2019版》報告中可以看出：MEMS和Flash技術路線更受到激光雷達製造商的青睞

我們(men) 知道，機械式激光雷達體(ti) 積龐大且價(jia) 格昂貴，如Velodyne 的32線激光雷達HDL-32E需要32組發射光源與(yu) 32組接收光源進行一一對應調試，對裝配要求非常高，量產(chan) 出貨效率堪憂；或者使用旋轉鏡，在不同方位和下傾(qing) 角度，以略微不同的傾(qing) 斜角度來控製單束脈衝(chong) 激光，如法雷奧SCALA。光學相控陣（OPA）激光雷達作為(wei) 全固態激光雷達之一，體(ti) 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製，離落地還有一段較長的路要走。閃光（Flash）激光雷達暫時無法同時滿足遠近成像的要求，但隨著單光子麵陣探測技術的成熟，有望成為(wei) 未來的激光雷達技術路線方向。

美好的故事開局：醞釀多年的MEMS微振鏡

MEMS微振鏡也稱為(wei) MEMS掃描鏡、MEMS微鏡，本文統一采用MEMS微振鏡表達。按原理區分，主要包括四種：靜電驅動、電磁驅動、電熱驅動、壓電驅動。其中前兩(liang) 種技術比較成熟，應用也更廣泛。德州儀(yi) 器（TI）在1996年就將靜電驅動的MEMS微振鏡成功實現了商業(ye) 化應用。

MEMS微振鏡工作示意圖

何為(wei) MEMS激光雷達？本文將“采用半導體(ti) ‘微動’器件——MEMS微振鏡（代替宏觀機械式掃描器）在微觀尺度上實現激光雷達發射端的光束操縱方式”稱為(wei) “混合固態”。同時，把采用上述光束操縱方式的激光探測和測距係統稱為(wei) 混合固態激光雷達或MEMS激光雷達。那麽(me) ，為(wei) 什麽(me) 產(chan) 生“混合固態”的概念呢？因為(wei) MEMS微振鏡是一種矽基半導體(ti) 元器件，屬於(yu) 固態電子元件；但是MEMS微振鏡並不“安分”，內(nei) 部集成了“可動”的微型鏡麵；由此可見MEMS微振鏡兼具“固態”和“運動”兩(liang) 種屬性，故稱為(wei) “混合固態”。可以說，MEMS微振鏡是傳(chuan) 統機械式激光雷達的革新者，引領激光雷達的小型化和低成本化。

MEMS激光雷達工作原理圖

之所以業(ye) 界將MEMS激光雷達視為(wei) 最快落地的技術路線，主要原因來自三個(ge) 方麵：

一是MEMS微振鏡幫助激光雷達擺脫了笨重的馬達、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的尺寸，無論從(cong) 美觀度、車載集成度還是成本角度來講，其優(you) 勢都令人驚歎！

第二，MEMS微振鏡的引入可以減少激光器和探測器數量，極大地降低成本。傳(chuan) 統的機械式激光雷達要實現多少線束，就需要多少組發射模塊與(yu) 接收模塊。而采用二維MEMS微振鏡，僅(jin) 需要一束激光光源，通過一麵MEMS微振鏡來反射激光器的光束，兩(liang) 者采用微秒級的頻率協同工作，通過探測器接收後達到對目標物體(ti) 進行3D掃描的目的。與(yu) 多組發射/接收芯片組的機械式激光雷達結構相比，MEMS激光雷達對激光器和探測器的數量需求明顯減少。從(cong) 成本角度分析，N線機械式激光雷達需要N組IC芯片組：跨阻放大器（TIA）、低噪聲放大器（LNA）、比較器（Comparator）、模數轉換器（ADC）等。麥姆斯谘詢估算每組的芯片成本約200美元，僅(jin) 16組的芯片成本就高達3200美元。Innoluce曾發布一款MEMS激光雷達設計方案，采用MEMS微振鏡，並將各種分立芯片集成設計到激光雷達控製芯片組，這樣下來激光雷達的成本控製在200美元以內(nei) 。

Innoluce采用MEMS微振鏡的MEMS激光雷達設計方案，成本低於(yu) 200美元

第三，MEMS微振鏡並不是為(wei) 激光雷達而誕生的器件，它已經在投影顯示領域商用化應用多年。最成功的應用案例就是德州儀(yi) 器（TI）的DLP（Digital Light Processing，數字光處理）顯示，其核心技術則是德州儀(yi) 器獨有的“黑科技”——采用靜電原理的MEMS微振鏡組成的陣列，每一麵微振鏡構成一個(ge) 單色像素，由微振鏡下層的寄存器控製特定鏡片在開關(guan) 狀態間的高速切換，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、醫療成像、光通訊等領域，MEMS微振鏡也不乏成功應用案例。

時至今日，真正車規級的激光雷達隻有一款，那就是來自法雷奧的機械式激光雷達SCALA，配置於(yu) 奧迪2017年發布的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掃描鏡，光源是高功率激光二極管，探測器是具有三個(ge) 敏感單元的雪崩光電二極管（APD）陣列。當然，法雷奧還將計劃推出采用MEMS微振鏡的激光雷達：SCALA 3。那麽(me) ，為(wei) 什麽(me) MEMS激光雷達充滿希望，並且MEMS微振鏡技術在其它應用領域已經成熟，但還未出現真正車規級的MEMS激光雷達呢？

曲折的故事情節：MEMS微振鏡從消費級走向車規級的鴻溝

首先，就MEMS微振鏡本身來講，技術門檻就很高。德州儀(yi) 器的DLP技術傲視群雄，背麵的故事則是：這項技術在1987年問世，最初僅(jin) 用於(yu) 國防，直到1996年才投入商業(ye) 化應用，整整九年的時間，這家資金雄厚、技術開發能力強大的公司才獲得了成功。其難度可窺見一斑。技術成熟且量產(chan) 的MEMS微振鏡企業(ye) 基本集中在國外，比如被德國英飛淩收購的Innoluce、美國Mirrorcle、日本濱鬆、瑞士意法半導體(ti) 、美國MicroVision等。可喜的是，中國MEMS微振鏡企業(ye) 近些年發展迅速，如西安知微傳(chuan) 感、台灣Opus、蘇州希景科技等。

其次，MEMS微振鏡在投影顯示等領域的成功無法複製到車載激光雷達。MEMS微振鏡屬於(yu) 振動敏感性器件，車載環境下的振動和衝(chong) 擊容易對它的使用壽命和工作穩定性產(chan) 生不良影響，使得激光雷達的測量性能惡化。因此，有必要對MEMS微振鏡的隔離振動技術進行深入研究。激光雷達作為(wei) “人命關(guan) 天”的關(guan) 鍵傳(chuan) 感器，要符合車規同時滿足量產(chan) ，要逾越的鴻溝尚需技術的提升和時日的堆砌。

再次，相比於(yu) 用於(yu) 機械式激光雷達的多棱鏡和擺鏡，MEMS微振鏡尺寸確實大大縮小了，但帶來的問題是限製了MEMS激光雷達的光學口徑、掃描角度，視場角也會(hui) 變小。

為(wei) 了獲得最大化的光學口徑，MEMS激光雷達廠商追求大尺寸MEMS鏡麵。但集成電路製造的從(cong) 業(ye) 人員都知道，芯片尺寸越大，成本越高；同時對缺陷越敏感，同一片晶圓製造出來的芯片良率與(yu) 單顆芯片尺寸成反比，因此會(hui) 大大增加製造難度和成本。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實時測距和成像的要求，MEMS激光雷達設計人員必然麵對權衡尺寸和頻率的難題。

同時，為(wei) 了獲得較大的掃描角度，需要大偏轉角度的MEMS微振鏡。但是，掃描係統分辨率由鏡麵尺寸與(yu) 最大偏轉角度的乘積共同決(jue) 定，鏡麵尺寸與(yu) 偏轉角度是一對無法調和的“冤家”。解決(jue) 該問題的方向有兩(liang) 個(ge) ：（1）通過調製驅動電壓頻率，讓MEMS微振鏡處於(yu) 諧振工作狀態，此時最大偏振角度會(hui) 被放大；（2）通過光學組件（如透鏡、衍射光學元件、液晶空間調製器）進行擴束，放大最大偏振角度。不過，擴束又會(hui) 帶來眾(zhong) 多紛繁複雜的技術問題，這裏不展開討論。

機械式激光雷達（左）、MEMS激光雷達（中）和OPA激光雷達（右）掃描方式對比，受限於(yu) MEMS微振鏡的鏡麵尺寸和偏轉角度，MEMS激光雷達掃描角度偏小

目前，美國MEMS微振鏡製造商Mirrorcle通過鍵合的方法，在加工完驅動器後，將另外加工的大鏡麵組裝在驅動器上麵，提高填充比，因此可提供尺寸大至7.5mm的MEMS鏡麵，從(cong) 而受到眾(zhong) 多MEMS激光雷達係統廠商的青睞。但是，Mirrorcle大尺寸鏡麵的MEMS微振鏡價(jia) 格在數千元。作為(wei) 前期演示產(chan) 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(men) 看到國內(nei) 外的一些激光雷達產(chan) 業(ye) 鏈廠商，通過自研或者投資/收購公司的方式，掌握MEMS激光雷達的命脈。如英飛淩收購荷蘭(lan) Innoluce，為(wei) MEMS激光雷達廠商提供芯片和方案；速騰聚創投資希景科技，布局MEMS激光雷達，據麥姆斯谘詢此前報道，希景科技開發的MEMS微振鏡鏡麵直徑為(wei) 5mm，已經進入量產(chan) 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官網提供的MEMS微振鏡產(chan) 品報價(jia) 單

工作溫度範圍也是MEMS微振鏡通過車規的一大門檻。通常情況下，車規級產(chan) 品需要核心元器件滿足-40℃到125℃的工作範圍。在實際應用過程中，MEMS微振鏡的材料屬性（如楊氏模量和剪切模量）會(hui) 隨著環境溫度的改變而發生變化，從(cong) 而導致微振鏡運動特性的變化。因此材料的選擇和製造工藝對實現車規級MEMS微振鏡來說，是巨大的挑戰。

受限於(yu) MEMS微振鏡的鏡麵尺寸，MEMS激光雷達接收端的收光孔徑非常小，成為(wei) 其量產(chan) 路上的棘手問題。這裏補充一些激光雷達接收端的知識。由於(yu) 隻有一小部分脈衝(chong) 發射的光子可以到達接收端光電探測器的有效區域。如果大氣衰減沿脈衝(chong) 路徑不變化，激光光束發散度可忽略不計，光斑尺寸小於(yu) 目標物體(ti) 時，入射角垂直於(yu) 探測器且反射體(ti) 是朗伯體(ti) （所有方向均反射），則光接收峰值功率P(R)為(wei) ：

其中，P0為(wei) 發射激光脈衝(chong) 的光峰值功率， ρ為(wei) 目標反射率，A0為(wei) 接收器的孔徑麵積，η0為(wei) 探測光的光譜透射，γ為(wei) 大氣衰減係數。

根據上麵的公式，我們(men) 可以知道，光接收峰值功率與(yu) 接收器孔徑麵積成正比。因此，MEMS微振鏡的鏡麵尺寸小的“硬傷(shang) ”，讓MEMS激光雷達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到要求！

故事的結局會是完美的嗎？

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

比如，禾賽科技在2019年年初發布的MEMS激光雷達PandarGT 3.0，選擇是1550 nm光纖激光器。1550 nm波段的激光，其人眼安全閾值遠高於(yu) 905nm激光。因此在安全範圍內(nei) 可以大幅度提高1550 nm光纖激光器的激光功率，從(cong) 而提高接收端的峰值功率，更適用於(yu) 遠距離探測。

禾賽科技推出的PandarGT 3.0實物圖

豐(feng) 田旗下一個(ge) 實驗室Toyota Central R&D Labs發布過MEMS微振鏡 + SPAD（單光子雪崩二極管）陣列實現了20米測量距離的激光雷達係統（Opt. Express 20, 11863(2012)）。

豐(feng) 田（Toyota）Central R&D Labs采用SPAD麵陣接收方式實現MEMS激光雷達

總之，自動駕駛的賽道已經開放，各種激光雷達技術路線都在這條賽道上競相追逐。雖然MEMS激光雷達的實力讓我們(men) 看好，但是麵對嚴(yan) 苛的汽車芯片“零缺陷”要求，MEMS微振鏡能否順利通過考核？固態激光雷達劇情是否會(hui) 出現轉折點？有待時間見證！在此之前，我們(men) 有必要對各種激光雷達技術路線進行全麵的學習(xi) 和理解。