为了满足汽车需求，激光雷达需要具有高性能和可扩展性。基于mems的激光雷达是一个合适的解决方案。但是MEMS微镜的孔径这一影响LiDAR性能最重要的指标，如何做大呢？大尺寸MEMS反射镜的可靠性又是如何的呢?

“基于mems的激光雷达传感器通常更便宜更小巧，但它们的性能/可靠性不足以用于汽车的智能辅助驾驶。”我们经常听到这样的说法。下面我们将解释inSync的MEMS微镜阵列如何解决这些问题，并且我们如何为激光雷达研发了MEMS大孔径微镜阵列技术，以及我们如何实现足够大的孔径以获得更好的激光雷达结构，以及系统层面决策的考虑。

(1)汽车应用需求:性能、可靠性和可扩展性

为了在智能辅助驾驶中使用，LiDAR必须满足两个基本要求: 一，它们必须提供高性能，包括长距离和宽视场角。二，它们还必须是可扩展的、可靠的，以便能够大批量生产并安装在车辆上。激光雷达制造商通过各种方法来应对这些挑战。转镜/机械式激光雷达系统，其光束偏转单元通过电机上的多边形镜体转动，至今仍是广泛使用的系统。尽管这些设备拥有大的视场角——机械式的甚至可以达到360°——而且探测距离远，但它们的机械结构需要定期维护，而且体积大、重量重、制造成本高。因此，机械激光雷达系统只能解决传感器行业的两大需求中的性能方面的问题。

应对这些挑战的另一种方法是MEMS(微机电系统)技术。这里的MEMS扫描器是基于硅晶圆设计和制造的，具有可扩展性的优势:由于这项技术已经经过多年的试验和测试，因此可以以经济高效的方式大量生产相同的组件。除其他外，这种方法也用于其他MEMS传感器的生产。

基于mems的激光雷达系统如何应对性能方面的挑战呢?

(2)在合适的激光源的帮助下可以实现远程的方法

为了使自动驾驶汽车能够高速行驶，它们必须能够“看到”和感知周围的世界——不仅是在它们附近，而且在更远的地方。在高速公路上行驶时，这一点尤其重要，因为车辆行驶速度更快，因此必须在更远的距离上可靠地检测到物体、弯道和其他车辆，以便能够及时做出反应。因此，为了在高速公路上实现自动驾驶，传感器需要很长的探测距离。为了用激光雷达传感器实现这一范围，发射器或探测器都需要针对该应用进行优化。

这种调整的一个可能的出发点是激光源。通常，LiDAR中使用两种不同波长的激光器。一些激光雷达制造商依靠波长为1550纳米的光纤激光器。这种波长不能被人眼吸收，因此即使在高能量水平下也可以以眼睛安全的方式使用。这导致了更长的范围——使用的能量越多，设备“看到”的距离就越远。然而，这种类型的激光源也有一个决定性的缺点:1550纳米激光器体积大，制造复杂，这导致了更高的价格和较大的激光雷达外壳尺寸。

因此，许多其他LiDAR使用激光二极管发射波长为905纳米的激光脉冲。它们具有非常小的明显优点，并且已经在各种应用中使用了很长时间。因此，这些二极管价格低廉，在市场上大量可用。但是，人眼安全法规要求二极管的光束强度低于1550nm激光器的光束强度。因此，发射器端的优化是有限的。

(3)寻找更大的MEMS Mirror镜面孔径

那么如何对探测器进行优化呢?在这里，孔径在实现远距离拍摄方面起着重要作用。它影响了探测器的有效面积大小。在我们的MEMS mirror阵列设计中，孔径对应于镜像尺寸。为了捕获尽可能多的光，需要一个大孔径---换句话说，一个尽可能大的镜子-通常高达1-2百平方毫米，并且还要考虑这些光机部分的因素：要接收的光子数、准直度、偏转角度和共振频率。

(4)光子数量

一方面，激光雷达单元中使用的反射镜的大小影响发射多少光子才能使足够数量的光子返回，从而检测到物体。这个最小光子数可以根据链路预算精确计算出来。这一测量包括有多少光子在远距离和通过低反射表面损失，光的均匀散射和探测器效率低下。这样，就可以计算出必须发射多少光子，或者必须有多大的孔径才能再次探测到最小数量的光子。此外，同轴设计通常是一种结构，这意味着只有从发射方向相同的光才会被重新捕获。这是优点，因为它可以防止其他随机光信号被拾取和干扰或伪造图像。

(5)光路准直

为了获得高分辨率的数据，甚至可以可靠地识别小物体，激光必须以准直的形式发射扫描目标物体。这种准直是通过在激光器前面放置一个准直透镜来实现的。现在MEMS Mirror的尺寸又起作用了:镜子必须足够大，以偏转所有由镜头准直的光(通常直径10毫米或更大更好)。这也取决于最佳准直和高分辨率所需的焦距。

(6)谐振频率

MEMS Mirror以一定的谐振频率振荡。它们由硅刻蚀的电路执行器触发，因此不需要电机。这是一个明显的优势，因为电机的负载重量很快磨损，需要定期维护。如果谐振的MEMS mirror是非常小的负载重量触发的，则不会出现这些问题。

MEMS Mirror的谐振频率和镜子的大小和光路设计方式也有关。为此，我们开发的专有的MEMS Mirror Array技术，实现了MEMS Mirror在大的等效孔径尺寸下工作。由于实现了超大孔径，大量的光子可以被引导到周围环境并返回到探测器上，这使得激光雷达传感器能够实现精确的远距离探测。此外，由于它们的阵列化设计，这些小镜子比直径几毫米（4-5mm左右）的传统产品更坚固。

(7)inSync为激光雷达应用设计的大孔径MEMS微镜阵列技术

总之，扫描器孔径是LiDAR性能的最重要的因素之一。为了构建基于MEMS的高性能激光雷达，MEMS Mirror必须具有更优化的设计，更大的尺寸，并且必须足够可靠，以满足汽车测试标准。而且，只有在考虑到激光雷达应用的情况下设计的大孔径的MEMS Mirror，才能实现远距离、宽视场和高分辨率以及高可靠性、大批量低成本生产的要求。

激光探测和测距，简称激光雷达，是一种使用激光光束来测量与目标物体之间距离的探测技术。然而，激光雷达不是对单点光源进行测距，而是扫描他们前方的区域形成扫描面，创建他们周围环境的2D距离地图，这可以让计算机系统识别障碍物和物体。

为了使激光雷达发挥作用，需要激光束扫描一个区域，而首先用于激光雷达系统的是转镜来实现。虽然旋转镜是一种有效的方法，但它也非常笨重。旋转反射镜的使用也会对轴承造成磨损，实际上转镜随着使用时间推移产生的精度下降是不容忽视的。

激光雷达系统设计人员也可以选择MEMS Mirror这种方案。MEMS Mirror是在晶圆上制造的微型反射镜，通常与微机械部件相连，通过电压驱动。因此，镜子可以非常快的偏转在特定的角度，消除了机械磨损。当然，MEMS Mirror最重要的好处是它的尺寸和精度，以及高的扫描频率；MEMS LiDAR尺寸可以从一个20立方厘米的大小缩小到和网络摄像头大小相当的设备。

（1）激光雷达代表光探测和测距，其工作方式与微波雷达非常相似。光源（通常是激光）发射一束光，光束被发射、反射和被传感器探测到之间的时间被精确的测量后，可以计算出光源和远处物体之间的距离，一般成为ToF飞行时间法。另外，还有使用相位差检测的方法用于短距离精度测量的应用，即出射光和入射光之间的相位差可以用来解算出距离。

（2）激光雷达是一项有许多实际应用的技术，包括自动驾驶汽车、全自动无人机和3D空间测绘。然而，当前激光雷达有几个问题阻碍了它的广泛应用，这也使它变得昂贵。第一个问题来自于需要一个机械反射镜来偏转激光束，这需要一个马达来旋转反射镜。这样的电机不仅消耗大量的能量，而且还使系统变得非常笨重。这样的转镜通常也很昂贵（因其对镜面平整度和镜面间角度控制精度的要求非常高，另外笨重的转动镜体随时间可能导致轴承的旋转出现偏差，从而种种引起整体光路调制精度下降），最终的结果是一个庞大而沉重的系统，只能实际集成到较大的设备中。当然页可以通过改变旋转镜，例如使用摆镜等方法来降低成本，但又会减小视场角，但许多应用中需要LiDAR的宽视场角。

激光雷达整体架构更小、更便宜、更标准化（模块化）将有助于将其集成到许多应用中，包括工业应用、自动驾驶汽车和测绘等。这样应用场合需要对对象跟踪，对象识别和对象回避，这可能是camera难以实现的任务。与摄像系统相比，激光雷达具有优势，因为它提供高精度的距离测量，LiDAR可以高速高精度的区分前景或背景中的物体，而不需要通过AI的运算之后再实现。虽然摄像头可以根据物体的外观(颜色、形状和大小)识别物体，但激光雷达可以用于识别物体的轮廓。激光雷达系统的分辨率足够高，可以绘制出物体的光滑轮廓。总的来说，激光雷达是一种快速技术，对于需要即时距离测量的自动驾驶汽车来说非常有用，而不需要AI算法来识别平面2D图像中的物体。此外，毫米波雷达，3D或4D，其分辨率远远低于激光雷达，因此对于多种使用交叉的情况，摄像头和毫米波雷达、激光雷达在智能驾驶中的应用是互补的。

（1）MEMS指微机电系统，可以被认为是由电驱动的微型机器。这些可以包括硅梁、锚点、铰链和悬臂，用于生产大多数传感器，包括陀螺仪、加速度计和振动传感器。MEMS反射镜是一种微型反射镜，它附着在一个硅微加工成型的um级机构上，当驱动电流/电压开启时，该微小机构会在安培力或洛伦兹力作用下发生偏转，并可用于将反射镜面指向不同的角度。

（2）几年前，佛罗里达大学的一组研究人员认识到MEMS反射镜可以用于激光偏转，他们创造了一个MEMS Mirror原型激光雷达系统，不仅具有广阔的视野，而且功耗非常低，可以很容易地安装在小型应用中。该激光雷达系统利用MEMS反射镜作为激光雷达系统的扫描元件，由于MEMS反射镜激光雷达系统所需功率小，因此可以使用电池为激光雷达设备供电。此外，一些LiDAR还集成了一个被动红外传感器(通常用于安全系统)，以检测个人的存在，如果没有检测到，则系统断电。这使得原型非常适合使用智能环境控制系统(包括供暖和空调系统)的住宅和商业应用。之后随着机器人、智能汽车的发展，对物体识别的需求提高使得LiDAR又在更大的市场和应用领域得到更为广泛的应用。

① 示波器的带宽是以正弦波幅度衰减－3dB 点为带宽定义的。

② 数字示波器中对于波形和上升时间的描绘都是通过实时采样电路和高速 A/D 变换器获得波形数据，再通过插值运算得到的。

③ 在泰克的示波器中，有实时的处理电路完成所谓的正弦内插功能，在信号采集电路部分完成。当然，很多示波器也是通过示波器的主处理器进行数学运算完成的，这个时候会花比较多的时间。

④ 对于您测量的信号，恐怕使用 100MHz 的示波器是无法进行。50MHz 的方波，理论上应该使用450MHz 以上的示波器才能将信号中最重要的 9 次以下谐波准确重新，从而保证波形不失真。更何况，您恐怕还要考虑信号上升时间的问题，理论上，示波器的上升时间应该比信号快 5 倍以上。

⑤ 探头也一样，由于普通探头在测量高压的时候会产生高频失真的效应，您应该采用特别的差分探头或者高压探头比如，泰克的 P5205，P5100 进行测量。