汽車應用所需：高性能和可量產(chǎn)

　　激光雷達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，必須具有可量產(chǎn)性，以便能夠生產(chǎn)和安裝在數(shù)百萬輛汽車上。激光雷達制造商想了一系列的辦法來應對這些挑戰(zhàn)。機械式激光雷達系統(tǒng)是目前最常用的系統(tǒng)，電機轉(zhuǎn)動從而帶動光束偏轉(zhuǎn)單元。盡管機械式激光雷達擁有廣闊的視野和遠距離探測的特性，但它們的機械裝置需要定期維護，而且體積大、重量大、生產(chǎn)成本高。總體來說，機械式激光雷達只滿足高性能這一個要求。

　　另一種應對這些挑戰(zhàn)的是MEMS(微電子機械系統(tǒng))技術。這種技術，組件是用硅來制造的，具有可量產(chǎn)的優(yōu)勢：由于這項技術經(jīng)過多年的應用和測試，所有組件均可以以經(jīng)濟高效的方式大量生產(chǎn)。

　　基于MEMS技術的激光雷達是如何應對高性能這一挑戰(zhàn)的呢?

　　選擇合適激光源，實現(xiàn)遠距離探測

　　要想讓自動駕駛車能夠高速安全行駛，它們必須能夠“看見”并感知周圍的世界——不僅是近處，而且在更遠的距離也應如此。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，以便能夠及時作出反應。因此，傳感器需要檢測到遠距離才能在高速公路上實現(xiàn)自動駕駛。

　　為了使激光雷達傳感器達到這個探測距離，發(fā)射器或探測器都需要專門針對這一應用進行優(yōu)化。首先可能調(diào)整的是激光源。通常，應用到激光雷達傳感器的激光源波長有兩種。一些雷達制造商采用波長為1550納米的光纖激光器。人眼視網(wǎng)膜不會聚焦這種波長的激光，因此即使在高能量水平下，也符合人眼安全標準。這類型激光雷達的激光源能量越高，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的激光器體積大、制造復雜，導致激光雷達外殼尺寸較大并且成本很高。

　　故此，許多激光雷達應用都使用激光脈沖發(fā)射波長為905nm的激光二極管。它們的顯著優(yōu)點是體積很小，并且很早之就已經(jīng)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，人眼安全法規(guī)要求二極管的光束強度要低于1550nm激光器的光束強度，因此在發(fā)射極側(cè)的優(yōu)化受到限制。

　　為鏡片尋找合適的尺寸

　　那么如何優(yōu)化探測器呢?孔徑在實現(xiàn)遠距離探測中起著重要作用。在基于MEMS的設計中，孔徑與鏡面尺寸相對應。為了捕捉盡可能多的光，需要一個大的光圈——換句話說，就是一個盡可能大的鏡子。然而，鏡片的尺寸也受到某些因素的限制，因此有必要結(jié)合考慮這些因素，計算出鏡片的最佳尺寸。這些因素包括：接收光子數(shù)、準直、偏轉(zhuǎn)角、共振頻率。

　　光子數(shù)

　　一方面，在激光雷達中使用的鏡片的大小取決于必須發(fā)射多少光子才能有足夠數(shù)量的光子返回，從而探測到目標。可以根據(jù)鏈路估值精確計算最小光子數(shù)。這一測量需要考慮通過這段距離和通過低反射表面損失光子數(shù)、光的均勻散射以及探測器的效率。通過這種方法，就有可能計算出必須發(fā)射多少光子，或者孔徑多大，才能再次檢測到最小數(shù)量的光子。除此之外，傳感器采用同軸設計，這意味著只有從發(fā)射的同一方向返回的光才能被重新捕獲。對于傳感器來說，這是有利的，可以防止捕獲到其他的干擾光信號。

　　激光準直

　　為了獲得高分辨率數(shù)據(jù)，可靠地識別小目標，激光必須準直地擊中目標。這是通過在激光器前面放置一個透鏡來實現(xiàn)的?，F(xiàn)在，鏡片的尺寸又起作用了：鏡片必須足夠大，足以偏轉(zhuǎn)所有被透鏡準直的光。

　　共振頻率

　　MEMS反射鏡以一定的諧振頻率振蕩。它們由集成執(zhí)行器觸發(fā)，因此不需要電機或任何其他機械裝置。這是一個明顯的優(yōu)勢，因為電機和運動部件很快就會磨損，需要定期維護。如果振蕩是由集成執(zhí)行器觸發(fā)的，則不會出現(xiàn)這些問題。反射鏡的共振頻率取決于反射鏡的尺寸和安裝方式。為此，我們開發(fā)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。由于直徑非常大，大量的光子直接進入周圍環(huán)境并返回到探測器上。這使得激光雷達傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)精確的遠距離探測。此外，由于尺寸較大，這些鏡片比直徑只有幾毫米的傳統(tǒng)產(chǎn)品更耐用。虹科激光雷達中使用的反射鏡因為其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的存在，探測器依然能夠接收到足夠數(shù)量的光子。

　　專為激光雷達應用定制設計的MEMS技術

　　總之，鏡片的尺寸是由一系列因素決定的。為了制造基于MEMS的高性能激光雷達，必不可少需要對反射鏡組成成分、尺寸和嵌入方式等方面進行研究。只有將MEMS技術與激光雷達應用結(jié)合起來，才能實現(xiàn)遠距離、寬視場和高分辨率的要求。