微鏡MEMS激光雷達相機上天下地，有望進入汽車視野

激光雷達（LiDAR）無疑是當今自動駕駛汽車和機器人市場上一個時髦的詞匯，其理由相當充分。3月4日，火星表面首次試行駛的NASA（美國國家航空航天局）“毅力號”（Perseverance）就搭載了一種計算機視覺創(chuàng)新實現(xiàn)的類似于激光雷達的探測器。“毅力號”于去年7月發(fā)射，今年2月在火星成功著陸。

“毅力號”在火星表面首次試行駛

1、激光雷達變化多端

隨著技術的進步，激光雷達出現(xiàn)了多種變體，“毅力號”采用的是MEMS激光雷達，歸類為“掃描式激光雷達”，而不是非掃描式激光雷達。

為了更好地了解這一技術，還得從頭說起。掃描式激光雷達可以引導激光束覆蓋廣闊的區(qū)域，以有效捕捉大視場（FOV）。這個過程本身可以采用機械或非機械掃描的形式。前者利用激光系統(tǒng)中的運動部件，體積很大；后者沒有運動部件，體積小巧。

1.閃光激光雷達；

2.光學相控陣（OPA）激光雷達；

3.機動掃描激光雷達；

4.MEMS激光雷達

對于許多應用來說，MEMS激光雷達已被證明是一個有用的解決方案，因為它在一個小型封裝中提供了高速度、小尺寸、高分辨率的特性，可以滿足很多應用（如汽車）必不可少的要求。

2、業(yè)界最小的投影引擎

早在2015年，意法半導體（STMicroelectronics）就透露了其開發(fā)的微鏡可以在感知計算中提供更高精確性，并宣布將為英特爾的感知計算計劃提供微鏡和控制器件。

納米激光加微型反射鏡 

除了ASIC控制器件外，ST還提供了一個微小的MEMS掃描鏡，它每秒移動數(shù)千次來掃描紅外線光束，在它前面的物體上畫出一個不可見的網(wǎng)格。從物體反射回來的光被捕獲并進行分析，用于3D成像和手勢應用。

利用MEMS技術來實現(xiàn)反射鏡，可以將具有高性能和低能耗特性的小型穩(wěn)固系統(tǒng)用于各種消費類設備，為人與技術的自然互動創(chuàng)造了新的維度。

MEMS將機械和電氣原理融合到微型機器中，可以感知運動、環(huán)境或驅動移動液體（如噴墨熱敏打印頭）或物體（如投影系統(tǒng)中的鏡子）。新器件中的“機器”是一個非常小的鏡子，它用與能夠讓我們的頭發(fā)豎立起來的靜電原理驅動。

ST的MEMS專業(yè)技術幫助英特爾開發(fā)出業(yè)界最小、最纖細的投影引擎，可安裝在筆記本電腦或平板電腦的屏幕上，并提供超寬的視野。此外，采用ST最先進的智能電源技術制造的微鏡，在硅片上安裝了特殊的靜電驅動，極低的功耗和硬件安全機制，可防止故障黑和客攻擊。

英特爾深度相機工程總監(jiān)Sagi Ben Moshe說：“感知計算帶來的自然用戶界面革命即將到來，ST開發(fā)的微鏡技術是一項重要貢獻。我們和合作伙伴正在重新定義人們如何通過一流的深度傳感器與設備交互，以實現(xiàn)游戲、娛樂和內容創(chuàng)作。該傳感器可為PC和平板電腦提供全新的、沉浸式體驗的3D視覺。”

ST模擬、MEMS和傳感器部門執(zhí)行副總裁兼總經理Benedetto Vigna說：“利用影響深遠的MEMS技術，我們多年來通過運動、觸摸和聲音為用戶界面的重大進步做出了貢獻，感知計算的采用增加了3D視覺，是一個令人興奮的飛躍。ST的全方位專業(yè)知識解決了功率、驅動、慣性和抖動方面的各種難題，構建了正確的微鏡，并將模擬前端和數(shù)字邏輯集成到單個低功耗芯片上，以實現(xiàn)主流設備集成所需的尺寸。”

3、多年修成正果

歷經六年的研發(fā)，英特爾和ST推出了一款高分辨率MEMS激光雷達相機——Intel® RealSense™高分辨率激光雷達深度相機L515。我們來看看這款激光雷達的設計細節(jié)。

Intel RealSense L515由ST的MEMS掃描鏡驅動 

被譽為世界上最小的微鏡掃描產品的L515每秒可捕獲數(shù)百萬個深度點，可以對環(huán)境進行空間掃描。基于微鏡的激光雷達系統(tǒng)為工業(yè)應用提供高分辨率掃描，例如用于垃圾箱揀選、體積測量、物流和3D掃描的機械臂。

內置于L515中的小尺寸ST微鏡幫助英特爾實現(xiàn)了冰球大?。ㄖ睆?1mm x高度26mm）的產品尺寸。微鏡可以在整個視野內進行連續(xù)的激光掃描。通過與定制光電二極管傳感器的結合，L515可以渲染整個場景的3D深度圖。

Vigna說：“ST公司的第二代微鏡每秒30幀，視場為70°×55°。L515利用ST的MEMS掃描功能，提供無插值像素的高分辨率深度、控制視野的能力，并提供由低50ns曝光時間驅動的接近零的像素模糊（pixel blur）。”

英特爾新興成長孵化部門首席孵化官、公司副總裁兼總經理Sagi BenMoshe說：“英特爾RealSense™ 技術已被用于開發(fā)用于機器人、物流、掃描和其他計算機視覺應用的產品和解決方案。L515采用ST的微鏡提供無與倫比的精度，是世界上最小的高分辨率激光雷達深度相機，使其適用于各種使用場景。”

Intel RealSense激光雷達相機L515結構 

據(jù)介紹，該相機射程可以達到9米，深度精度大于14毫米，同時還能測量230萬個深度點。MEMS掃描鏡為激光雷達打開了許多應用大門，特別是其緊湊的尺寸無疑帶來了更多應用機會。

4、MEMS掃描鏡如何工作？

MEMS激光雷達是激光雷達的一種準機械形式，不像激光雷達的旋轉結構，激光本身不發(fā)生物理運動，而是通過移動MEMS掃描鏡（反射鏡）來控制和調制激光，而系統(tǒng)的其余部分都是靜止的。

高FoM（品質因數(shù)）2D準靜態(tài)諧振掃描MEMS掃描鏡：（a）電磁致動器；（b）電熱致動器；（c）靜電致動器；（d）壓電致動器

MEMS是什么？是微機電系統(tǒng)，其最大特點就是“微型”，所以它也叫微電子機械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機械等，是尺寸在幾毫米乃至更小的微型裝置。MEMS的內部結構一般在微米甚至納米量級，是一種獨立的智能系統(tǒng)（芯片）。

對于掃描式激光雷達而言，MEMS掃描鏡是決定視野的關鍵因素。ST的微鏡技術是英特爾RealSense LiDAR相機L515成功的關鍵因素。那么，這些器件在系統(tǒng)級是如何工作的呢？

MEMS掃描鏡非常緊湊，與其他機械掃描激光雷達方法相比，其系統(tǒng)尺寸更小，控制速度更快，光轉向更精確。MEMS掃描鏡通常需要一個高壓驅動IC來控制鏡面的位置。例如，典型MEMS掃描鏡需要200V-300V范圍的驅動電壓。高壓鏡驅動器從系統(tǒng)中的微控制器或FPGA獲得輸入，該驅動器負責確定需要施加的驅動電壓。同一微控制器還負責控制驅動同步操作的激光二極管和掃描鏡。高分辨率數(shù)字模擬轉換器（DAC）連接控制器的數(shù)字輸出與放大器的模擬輸入，其功能取決于系統(tǒng)的分辨率和速度要求。在閉環(huán)系統(tǒng)中，光電二極管可用于反饋。

典型MEMS掃描鏡系統(tǒng)框圖

5、天上飛的地上跑的都能用

這項計算機視覺的創(chuàng)新技術不僅為英特爾的消費類電子產品提供了前所未有的功能，也為NASA的火星探測器擴大了視野。在下降過程中，火星探測器使用激光雷達創(chuàng)建著陸點地圖，當火星探測器接近地表時，激光雷達會對地表拍照，并將所看到的情況與地圖進行比較。然后，火星探測器將搜索另一個安全著陸區(qū)的機載地圖，使其能夠重定向并在最安全的區(qū)域著陸。

“毅力號”依靠AI和計算機視覺實現(xiàn)“迄今為止最精確的著陸”

事實上，“毅力號”火星探測器的大小就相當于一輛大型SUV，上面還搭載了其他類型的傳感器用來搜索生物信號，包括采用高精度變焦技術的Mastcam-Z超級攝像頭，可以向感興趣的物體發(fā)射激光，并產生小的等離子云，科學家可以據(jù)此對其進行分析，以確定物體的化學成分。

至于微鏡MEMS激光雷達，既然可以用在火星探測器上，地上跑的車輛當然更能用，英特爾不是也提到了“物流”嗎？