OQmented总经理 Dr.Ulrich Hofmann：基于MEMS镜的LIDAR传感器激光扫描

第二届“光”+智能驾驶技术高峰论坛于2019年9月6日举办，本次论坛邀请了政府部门、咨询机构、整车企业、激光雷达制造商、红外夜视、摄像头等传感器重点企业及知名科研院所等到会研讨，共话光与汽车电子行业市场前景。以下为OQmented总经理 Dr.Ulrich Hofmann现场演讲实录：

OQmented总经理 Dr.Ulrich Hofmann

大家下午好！我是Hofmann，QQmented的管理总监，这家公司是比较年轻的初创公司。这个公司也就是去年刚刚成立起来，是Fraunhofer独立出来的小公司，如果你们清楚德国机构的情况，可能听说过Fraunhofer，它遍布德国，同时在美国也有一些分布的点。我们有非常大的实验室、设计室和设备室，对激光雷达系统尤其重要。我们在这个行业耕耘了20年，我个人耕耘了25年时间之多，我们一直都在这块领域做研发。最后我决定去成立我自己的公司，我也是希望能够推动商业化，希望把我的研究成果带到市场上来。这边可以看到我们的设备是怎么做的，是用硅基的波做的。我们的产品也可以大批量生产，我们希望未来出品更多配备MEMS的激光雷达系统。

这是我们很小的一个设备，它是可以放在车上，还有一些大规模的可以放在雷达里面。这个雷达会被安装在各个方面，这个图上有7个激光传感器，尤其车顶也会装，会让车看起来很丑，但是很必须的，因为它可以360度扫描周边的情况。右边是它的基本的参数，它的这个视域是360×25，它也有一些缺点，它的帧率不是很高，是5-15HZ，刷新率也不是很高。它最主要的问题，这些生产上生产的激光雷达设备太贵了，没有大规模生产。而且他们也不是车规级的，没有办法散热，而且非常笨重，整个的形状太大了，所以这些主车厂不愿意装这些东西，而且时间长了之后性能会越来越低。我们希望改善这项技术。我们相信通过使用MEMS这个技术完全可以解决这个问题。

首先简单向大家介绍MEMS镜是怎么回事，它是很小的镜面，是有反射的膜，是用铝做涂层，可以反射激光束。我们可以使用这样的镜面反射这种移动的物体上的光，它可以是一维的也可以是两维的（即二轴），我们就是用这样的结构。2D的形式有两个轴的变化，它可以扫描水平的情况，也可以扫描垂直轴上的情况。这是我们不同类型的驱动，最典型的是静电驱动，只要是动的结构就会使用静电对它进行驱动，用手指就可以进行驱动。背面还有两个轴。

这个图是Microvision，上面有些线圈，这个线圈旁边镶嵌了磁级，这样就可以通过电磁来进行驱动。还有压电驱动，最近吸引很多人入局，它可以通过电压的加强来让旁边的线圈变形驱动中间的镜。这是三种常见的驱动方式。每种都有自己的优缺点，三种都可以支持激光雷达技术，但是我们还是要注意他们各自有各自的优缺点，没有一个是完全完美的，我们需要考虑自己的设计然后选择最适合自己的MEMS。

比如静电的就非常紧凑，但是电磁驱动和压电驱动就会稍微有些笨重，它的紧凑性会欠佳。成本上看也是静电驱动成本低一点。电磁驱动和压电驱动的成本高一些，电磁驱动需要装磁极就需要更大的区域来装驱动器。但是像静电驱动就不用装很多东西。静电驱动发展时间很长，所以成熟度是比较高的，电磁驱动也是如此。这个成熟度没有这么高，而且很依赖于用的材料，使用的PCT材料还会随着时间变化而性能减弱。同时也要看性能迁移，像静电驱动性能不会衰减，压电的性能就会衰减，而且也要看力矩，静电驱动的力矩比较短。另外两种的力矩比较长、比较高。静电驱动的电压会高一些。

我们全球有16家MEMS的生产商，最好的是加拿大和德国的博世，还有像屏幕上列的芬兰的公司。以色列也有，在日本也有很多优秀的企业，在中国大陆地区也是有类似的生产MEMS的公司。

回到第一个问题，如何用MEMS来替代旋转激光雷达呢？是不是可以扫描360度呢？我觉得答案是肯定的。我们有一个欧盟资助的项目MiniFaros，从2009年到2012年，这个项目把MEMS和单向激光雷达结合在一起。我们就可以看到下面的径可以形成圆形的区域，这样就可以扫描360度。它有点像一个灯塔，可以把四面的光都接收住。上面我们可以看到装了很多像传感器，这个传感器也是有360度的感知空间。而在2009年-2012年，大家其实还不太关注激光雷达，主要是做普通雷达的。那时候大家说只要发展雷达就可以了，但是之后我们都知道激光雷达比普通雷达效能更好。

右边是我们开发的MEMS，它的直径是7毫米，旁边都有整个凸起的部分，中间是真空的环境。这样MEMS就可以更大的发挥出自己的效能。这边还有两个正轴，X和Y轴。我也惊奇的发现其他公司，就是两个日本的公司也是最近在开始做这样的项目，他们类似的做这样的方法，也是用一样的方式布局，就中间有一个单向的镜，下面装了凸透镜，这样可以360度扫描。在这张图上可以看到。Murta是使用一样的技术。它和我们2009年到2012年做的项目本质是一样的。

我们未来怎么更好的使用激光雷达系统来达到全自动驾驶呢？这是Yole提供的图，这个车上装了两种激光雷达系统，装了长距离的，长距离的激光雷达系统是角度比较小，但是它的距离比较长，还有一些是短距离的激光雷达系统，角度必须很大。它是需要知道周围的交通参与者的情况，以及车周围有没有其他的车，甚至LeddarTech有两个激光雷达是180度的范围，还有一个很小的长距离雷达，角度比较小，但是距离长，这样也是可以覆盖整个车身的周围。这都是很有挑战性的。因为它的扫描角度非常大，可能除了使用我们公司的产品之外，没有其他产品完成这么大角度的扫描，很多公司聚焦的点是长距离的激光雷达，我们公司主要的焦点是给这些公司提供扫描角度很大的短距激光雷达。

装反射镜，比如有些公司装的60度、80度、96度、100度的反射镜，我们是目前这个阶段唯一一家达到170度的，而且有的时候可以达到180度的广角，我们还在进一步提升我们的产能，之前的产品都是可以支持小角度的雷达，我们是唯一支持广角度的。对于广角的激光雷达有什么样特别需要的需求呢？首先您可以看到有30度的角度和140度的角度，同时还有这样的关于分辨率的需求，1400×300的象素，我们也需要帧率，这个算出来是8.4HZ，8.4HZ是很高的要求了。这给人体的眼睛安全带来了问题，一般的激光器和脉冲的重复率都是100-500千赫兹，对人的眼睛是大问题，有些公司尝试用这样的方法解决这样的问题，采取很多激光器共同采用这样的方法解决这个问题。然后他们把这些激光器照着这个图像整合。

这是一个例子，他们用5.2HZ，这里出现的问题是太多的激光器需要比单个的激光器的扫描速度要难很多，这意味着我们的帧就可能非常低了，可能就在5-20HZ之间，这可能是主要的问题。很明显这是缺点，这是无可厚非的。我们推出完全不同的概念，比方说广角的MEMS的反射镜达到180度广角。这个设备的视野超过170度，它的直径有2mm×4mm，而它扫描的频率是每秒扫描3000次。同时它也有一些优势，那就是它的视野非常大。

这个视频演示了180度的广角度到底能达到多大，后面没有用其他任何光学元件。这个想法其实也有人推出过，通过垂直传送激光，我们在水平方向扫描，我刚才讲到我们的扫描速率是每秒3000次的频率，这是非常大的光长的区域。对垂直以及水平的那些分辨率就需要相应的扫描仪器。

目前为止我们很多竞争对手都忽略了这些设备的使用寿命的问题。有些已经过时了，可能没有办法在非常严苛的环境下使用，比如雨天这样的极端环境。这个方面也是我们需要考虑到的。2006年的时候，我们就开始做了相应的研究和试验。

在这张图上可以看到，他们是研究调查了MEMS疲劳破坏的循环，设备随着时间的推移，有一定的损耗。这个点大部分的设备都损耗了，如果他们没有得到很好的保护，可能就会有受潮的问题。最后会发现MEMS的设备挺过这样的过程，这点显示了没有包装的MEMS的产品是最后被破坏掉的，如果不给设备进行保养和保护的话，就会受到受潮和慢慢损耗的影响。低湿度和高湿度不同的环境下，你会看到损耗和湿度之间的关联性。如果要是湿度比较低，它的损耗也就比较低，这也就告诉我们很重要的是能够有一种非常可靠的保护措施去保养、保护MEMS的设备，如果要是在高湿度的环境下，你的耐用性就没有办法保证了。

为了解决这个问题，10年前，有这么一项科技，是我们独一家创造出来的，首先是MEMS晶片，在上面放玻璃晶片，同时在下面还放置了底层的晶片，垂直腔面是保持长期的耐用性和适用性。几年前这个晶片上面有几百上千个窗口构成的，最后在上面盖上大盖子。最终的产出，这是我们独家MEMS的反射晶片。我们可以看到这里的晶片从这张图不一样，可以看到上面有几百上千个。

最后一张PPT，主要是想告诉你们这个技术涵盖的范围非常广。我们大概可以实现20毫米甚至达到100KHZ的程度。上面小一点的设备可以用于视频的投影，或者是天线或者手机的投影。所以我们这个科技可以应用到不同的市场当中。除此之外我们的直径也有比较大的范围，然后方向也可以达到广角的程度。如果要是有任何人怀疑我们不能达到180度的大广角，可以随时来我们的展厅看，我们随时可以展示。谢谢！

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