車載混合型固態激光雷達成本低擇優推薦 北醒光子科技有限公司

說到激光雷達，近幾年，很多先進的硬核設備都引入了激光雷達，像、無人車、機器人、3D打印設備等，而激光雷達系統的發展和普及離不開音圈馬達的助推。激光雷達是通過發射激光束，再接收從遠處物體反射回來的光束，通過測量光束的飛行時間而獲得遠處物體的距離信息。不過，激光束非常窄，并且它們不會發生散射，因此單束激光雷達脈沖只能感知一個非常小的物體。

激光雷達

通常激光雷達可以分為兩大類：機械式激光雷達和固態激光雷達。機械式激光雷達采用機械旋轉部件作為光束掃描的實現方式，可以實現大角度掃描，但是裝配困難、掃描頻率低。固態激光雷達，目前的實現方式有微機電系統（micro-electro-mechanical system，MEMS）、面陣閃光（Flash）技術和光學相控陣（optical phased array，OPA）技術。MEMS采用微掃描振鏡，達到了一定的集成度，但是受限于振鏡的偏轉范圍；Flash技術已有商用，但是視場角受限，掃描速率較低；OPA掃描技術是基于微波相控陣掃描理論和技術發展起來的新型光束指向控制技術，具有無慣性器件、穩定、方向可任意控制等優點，成為近年來研究的熱點，液晶、集成波導光學相控陣等固態技術方法層出不窮。激光雷達在無人駕駛、機器人等人工智能領域也將向著小型化的趨勢發展。

MEMS激光雷達

二維掃描的MEMS微振鏡是激光雷達的關鍵器件，主要可以通過電熱效應、靜電效應、電磁效應和壓電效應驅動。有研究小組通過對電熱雙壓電晶片驅動的微振鏡加熱，金屬鋁的形變大于介質硅，從而形成微結構的振動。實驗可以施加電壓2.3V，獲得9°的偏轉角。但是電熱效應引起微振鏡偏轉通常響應速度較低，有實驗通過施加12mW的電功率，響應速度只有74Hz。電磁效應驅動的MEMS系統需要在內部封裝可動磁性物質或者可動線圈產生磁場，如圖3所示，通過施加磁場形成洛倫茲力使得線圈產生偏轉，從而驅動MEMS振鏡偏轉，響應速度可以超過10kHz。壓電效應需要異質材料的介入，壓電材料（PZT）具有、響應速度快等優點。日本研究小組采用電鍍的方法在硅上沉積PZT薄膜，加工形成MEMS結構并進行光學掃描，實驗獲得11.2kHz的響應速度，39°的視場角。靜電效應驅動MEMS具有尺寸小、可單片全集成的優點，受到廣泛研究。通常，采用靜電效應驅動微反射鏡的方式需要在真空環境下，以獲得更高的驅動效率，10V電壓驅動可以實現大約10°的掃描角度。瑞典KTH的研究小組近期驗證了一種新方法，如圖4所示，通過MEMS改變光柵周期實現衍射光角度偏轉，在20V電壓驅動下達到5.6°的掃描角度，功率消耗在微瓦量級。

Flash激光雷達

20世紀90年代，有研究者就提出了非掃描式的激光雷達概念，屬于3D成像激光雷達。如圖7所示，Flash激光雷達采用類似照相機的工作模式，感光元件與普通相機不同，每個像素點可以記錄光子飛行時間信息。發射的面陣激光照射到目標上，目標對入射光產生散射，由于物體具有三維空間屬性，從而照射到物體不同部位的光具有不同的飛行時間，被焦平面探測器陣列探測，輸出為具有深度信息的“三維”圖像。如圖8 所示，Flash激光雷達也經歷了小型化發展歷程，所占空間從起初的車廂級到辦公桌級，再到現在的厘米級，這都得益于緊湊型激光器陣列、探測器陣列的發展。