感測器的核心—— 光達 LiDAR 的MEMS技術

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為了滿足汽車需求, LiDAR 必須具有高性能和可擴展性。 基於MEMS的 LiDAR 是合適的解決方案。 但是如何定義MEMS掃描鏡?

MEMS 光達 LiDAR

“基於MEMS的 Lidar 感測器通常價格較低,但其高性能不足以用在自動駕駛車輛。”我們經常聽到這樣的說法。在這篇文章中,我們將解釋我們的感測器如何使這一假設失效,我們如何為我們的 Lidar 找到完美的鏡面尺寸,以及在我們的決定中考慮了什麽因素。

一、汽車應用要求性能和可擴展性

Lidar 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,必須具有可擴展性,以便能夠生產和安裝在數百萬輛汽車上。 Lidar 製造商想了一系列的辦法來應對這些挑戰。機械式 Lidar 系統是如今最常用的系統,電機轉動從而移動光束偏轉單元。儘管機械式 Lidar 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、生產成本高。總體來說,機械式 Lidar 只滿足高性能這一個要求。

另一種應對這些挑戰的方法是MEMS(微機電系統)技術。這種技術,組件是用矽來製造的,具有可擴展的優勢:由於這項技術經過多年的嘗試和測試,完全相同的組件可以以經濟高效的方式大量生產。

但是基於MEMS的 Lidar 系統是如何應對性能這一挑戰的呢?

二、在合適雷射光源的幫助下實現遠距離探測

要想讓自動駕駛車能夠高速行駛,它們必須能夠“看見”並感知周圍的世界——不僅是近處,而且在更遠的距離內。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,以便能夠及時做出反應。因此,感測器需要檢測到遠距離才能在高速公路上實現自動駕駛。

為了使 Lidar 感測器達到這個探測距離,發射器或探測器都需要專門針對這一應用進行優化。

首先可能調整的一個點是激光源。通常,應用到 Lidar 感測器的雷射光源波長有兩種。一些雷達製造商採用波長為1550納米的光纖雷射器。這種波長的激光不會聚焦到人眼視網膜上,因此即使在高能量水平下,也符合人眼安全標準。這類型 Lidar 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雷射器體積大、製造複雜,導致 Lidar 外殼尺寸較大並且成本很高。

故此,許多 Lidar 應用都使用雷射脈衝發射波長為905nm的激光二極管。它們的顯著優點是體積很小,並且很早之就已經在其他領域廣泛應用。實際上,這些二極管價格低廉,能夠在市場上大量購買。然而,眼睛安全法規要求二極管的光束強度低於1550nm雷射器。因此,發射器的優化是有限的。

MEMS 光達 LiDAR

三、尋找鏡片合適的尺寸

那麽探測器如何優化呢?光圈在實現遠距離探測方面起著重要作用。在基於MEMS的設計中,孔徑與鏡面尺寸相對應。為了盡可能捕捉光,需要一個大的光圈——換句話說,盡可能大的鏡片是必需的。然而,鏡片的尺寸也受到某些因素的限制,因此在考慮這些因素的同時,有必要計算出鏡片的最佳尺寸。這些因素包括:接收光子數、準直、偏轉角、共振頻率。

1.光子數

一方面,在 Lidar 中使用的鏡片的大小取決於必須發射多少光子才能有足夠數量的光子返回,從而探測到目標。可以根據鏈路估值精確計算最小光子數。這種測量包括通過這段距離和低反射表面損失光子數、光的均勻散射和探測器的效率。通過這種方法,就有可能計算出必須發射多少光子,或者孔徑多大,才能再次檢測到最小數量的光子。除此之外,感測器採用同軸設計,這意味著只有從發射的同一方向返回的光線才能被重新捕獲。對於感測器來說,這是有利的,可以防止捕獲到其他的干擾光訊號或者偽造的圖像。

2.準直

為了獲得高分辨率數據,可靠地識別小目標,雷射必須準確地擊中目標。這是通過在雷射器前面放置一個透鏡來實現的。現在,鏡片的尺寸又起作用了:鏡片必須足夠大,以使所有被透鏡準直的光偏轉。這取決於最佳準直所需的焦距,從而獲得高分辨率。

3.共振頻率

MEMS反射鏡以一定的諧振頻率震蕩。它們由集成執行器觸發,因此不需要電機或任何其他機械手段。這是一個明顯的優勢,因為電機和運動部件很快就會磨損,需要定期維護。如果震蕩是由集成執行器觸發的,則不會出現這些問題。反射鏡振蕩的共振頻率取決於反射鏡的尺寸和安裝方式。為此,我們開發了一種嵌入反射鏡的專有技術,以便能夠使用特別大的鏡面尺寸。由於直徑異常的大,大量的光子可以被引導到周圍環境中並返回到探測器上。這使得 Lidar 感測器能夠實現精確的遠距離探測。此外,由於尺寸較大,這些鏡片比直徑只有幾毫米的傳統產品更堅固。虹科 Lidar 中使用的反射鏡因為其結構輕巧,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,因為同軸結構,光子將通過探測器。

4.專為 Lidar 應用設計的MEMS技術

總之,鏡片的尺寸是由一系列因素決定的。為了製造基於MEMS的高性能 Lidar ,反射鏡必須具有專門研發的成分、尺寸和嵌入方式。只有將MEMS技術與 Lidar 應用結合起來,才能實現遠距離、寬視場和高分辨率的要求。

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