高精度固态激光雷达可靠性强即时留言「北京北醒」

混合固态激光雷达

在激光雷达专题论坛上，多位企业代表就激光雷达的很新技术、产品及发展趋势给出解读。其中，受邀之一北醒CEO李远博士演讲题目是：“混合固态激光雷达为何在此时爆发”。 李远认为，混合固态激光雷达已是影响自动驾驶的变革力量，未来5年，混合固态激光雷达迎来上车爆发期。目前基本所有车型都放弃了传统的机械同轴旋转激光雷达，而使用混合固态激光雷达作为2023-2025年的选型。北醒也将积极推进新一代车载混合固态激光雷达的发展。

MEMS激光雷达

二维扫描的MEMS微振镜是激光雷达的关键器件，主要可以通过电热效应、静电效应、电磁效应和压电效应驱动。有研究小组通过对电热双压电晶片驱动的微振镜加热，金属铝的形变大于介质硅，从而形成微结构的振动。实验可以施加电压2.3V，获得9°的偏转角。但是电热效应引起微振镜偏转通常响应速度较低，有实验通过施加12mW的电功率，响应速度只有74Hz。电磁效应驱动的MEMS系统需要在内部封装可动磁性物质或者可动线圈产生磁场，如图3所示，通过施加磁场形成洛伦兹力使得线圈产生偏转，从而驱动MEMS振镜偏转，响应速度可以超过10kHz。压电效应需要异质材料的介入，压电材料（PZT）具有、响应速度快等优点。日本研究小组采用电镀的方法在硅上沉积PZT薄膜，加工形成MEMS结构并进行光学扫描，实验获得11.2kHz的响应速度，39°的视场角。静电效应驱动MEMS具有尺寸小、可单片全集成的优点，受到广泛研究。通常，采用静电效应驱动微反射镜的方式需要在真空环境下，以获得更高的驱动效率，10V电压驱动可以实现大约10°的扫描角度。瑞典KTH的研究小组近期验证了一种新方法，如图4所示，通过MEMS改变光栅周期实现衍射光角度偏转，在20V电压驱动下达到5.6°的扫描角度，功率消耗在微瓦量级。

Flash激光雷达

20世纪90年代，有研究者就提出了非扫描式的激光雷达概念，属于3D成像激光雷达。如图7所示，Flash激光雷达采用类似照相机的工作模式，感光元件与普通相机不同，每个像素点可以记录光子飞行时间信息。发射的面阵激光照射到目标上，目标对入射光产生散射，由于物体具有三维空间属性，从而照射到物体不同部位的光具有不同的飞行时间，被焦平面探测器阵列探测，输出为具有深度信息的“三维”图像。如图8 所示，Flash激光雷达也经历了小型化发展历程，所占空间从起初的车厢级到办公桌级，再到现在的厘米级，这都得益于紧凑型激光器阵列、探测器阵列的发展。

机械式激光雷达

机械式激光雷达存在精密装配困难、系统庞大等缺点，目前价格仍然居高不下。为了突破这一缺陷，研究者们提出了诸多的解决方案。20世纪90年始出现Flash 3D成像激光雷达，也出现了通过液晶实现的光学相控阵结构，21世纪初出现了MEMS类型的激光雷达组件，迄今各种方案竞相追逐，不断发展。MEMS器件作为机械式向固态LiDAR过渡的解决方案，具有一定程度的小型化、响应速度较快的特点，且MEMS功能性结构能够忍受热压，因此可以承受相对较高的激光能量，但是由于MEMS结构单元尺寸较大，存在机械振动、旋转，受环境因素影响较大。针对全固态激光雷达发展需求，Flash激光雷达可对目标一次照射成像，成像质量终取决于面阵探测器的性能，但是数据庞大，一次成像速度较慢。液晶光学相控阵器件在空间光调制器领域商业化应用成熟，具有全固态、便宜、可大面积制作等特点，但是响应速度较慢、光束可偏转角度较小。数十年来，集成光波导相控阵芯片作为全固态、小型化LiDAR有潜力的解决方案得到了广泛的研究，硅基光学相控阵激光雷达具有CMOS兼容的特点，价格便宜，但是热光效应的扫描速度仍有待提升，可以采用硅基等离子体色散效应的相位调制器来满足更高速的应用需求。