基于MEMS微镜的激光雷达架构比较
2026-07-05 15:50:22 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本研究提出了一种面向MEMS激光雷达的混合架构，通过融合同轴和双轴两种架构的优势，在简化系统设计的同时实现性能最大化。研究团队设计了一种结构简单、成本低廉的系统配置方案，将其自主量产的MEMS微镜与现成的飞行时间（ToF）激光测距组件相集成。
具有竞争力的激光雷达（LiDAR）设计大多采用扫描方式，其核心差异主要体现在所使用的扫描架构和具体硬件配置上，而整个行业的共同目标是摆脱体积庞大的机械电机式扫描系统，转向基于硅基MEMS微镜技术的紧凑型扫描方案。
单轴MEMS微镜和双轴MEMS微镜已被分别用于实现二维（2D LiDAR）和三维（3D LiDAR）点云感知，其底层飞行时间（ToF）传感器可以采用多种形式，例如激光测距仪或单点激光雷达，并可采用各种常见工作波长及测距方式，包括脉冲式ToF、调幅连续波（AMCW）、调频连续波（FMCW）等。当ToF传感器与扫描元件组合配置时，会引发一系列具有挑战性的设计权衡。不同激光雷达架构主要体现在发射端与接收端采用同轴（Coaxial）还是双轴（Biaxial）布局方案，这两种方案各有优劣势。
据麦姆斯咨询报道，Mirrorcle公司的研究人员提出了一种混合架构——基于同步双MEMS微镜的激光雷达（SyMPL），该架构通过取消分光器和光束收集器等器件，显著简化了同轴光路设计，并提高了系统效率。此外，研究人员还对多种激光雷达原型系统进行了比较和评估，评价指标涵盖信噪比（SNR）、扫描速度、抗冲击与抗振动能力、人眼安全性，以及抵抗相互干扰和回波信号的能力。上述研究成果以“Comparison of MEMS mirror LiDAR architectures”为题发表于SPIE OPTO会议论文集MOEMS and Miniaturized Systems XIX。
基于MEMS微镜的激光雷达架构
所有扫描式激光雷达系统在本质上均由发射端（辐射源）、接收端（探测器）、扫描单元以及控制器组成。控制器负责对发射端、接收端和扫描单元进行协调控制，使系统能够测量光束经目标反射后的飞行时间（ToF），从而获取目标距离信息。这种高度通用的系统组成方式衍生出大量不同的系统配置和测量方法，因此形成了众多激光雷达架构。一方面，这是设计人员追求技术创新和知识产权（IP）布局的自然结果；另一方面，不同应用场景对激光雷达系统性能存在不同需求，因此对各种架构在性能、成本、复杂度等方面的权衡也各有侧重。
在同轴（Coaxial）架构中，激光雷达利用同一个MEMS微镜同时实现发射激光束的扫描和反射光的接收；而在双轴（Biaxial）架构中，接收传感器相对于发射器及扫描单元采用偏置布置。同轴架构的优势在于发射和接收路径之间没有干扰，但通常需要尺寸更大的MEMS微镜，从而导致扫描速度和系统抗冲击性能下降。相比之下，双轴架构能够采用尺寸更小、带宽更高的MEMS微镜，因此可实现更高的扫描速度；同时，小尺寸MEMS微镜具有更高的固有谐振频率，使其具有更优异的抗冲击和抗振动性能。
图1 集成MEMS微镜的同轴激光雷达架构示意图
图2 集成MEMS微镜的双轴激光雷达架构示意图及商业化产品
混合架构——基于同步双MEMS微镜的激光雷达（SyMPL）
鉴于同轴和双轴两种主流MEMS激光雷达架构各具优势与不足，因此有必要探索二者的混合架构，以实现性能最大化并简化系统设计。SyMPL正是这样一种基于MEMS微镜的激光雷达的混合架构方案，其设计旨在充分发挥同轴和双轴架构优势的同时，尽可能减小各自的局限性。SyMPL激光雷达系统采用Mirrorcle公司成熟的MEMS微镜作为核心扫描单元。该MEMS微镜采用单晶硅结构，并在动态倾转轴两端集成静电梳齿驱动器。与压电驱动或其它振镜扫描技术相比，纯静电驱动方式具有诸多优势，包括结构可靠性高、重复定位精度高、功耗极低（<1 mW），并且由于器件内部不存在会随时间发生磨损或老化的运动部件，因此理论上具有几乎无限的使用寿命。因此，采用此类无万向节静电驱动MEMS微镜构建的激光雷达可被视为真正意义上的固态激光雷达，其使用寿命主要受限于激光光源的寿命。
如图3a和图4b所示，SyMPL架构使用两个同步扫描的MEMS微镜；其中一个MEMS微镜负责扫描发射光束，另一个MEMS微镜负责将目标反射光引导至接收器。在该架构中，发射器和接收器始终指向相同的角度，同时两者不会因彼此遮挡或受到分光光学元件的影响而降低性能，从而克服了传统同轴设计的技术挑战。在这种架构下，收发组件的设计也得到简化。发射器和接收器仅需分别与各自对应的MEMS微镜进行光学对准，而两个MEMS微镜则可以通过协同调校，即可保证两者在整个视场（FoV）范围内始终具有相同的扫描角度。此外，该架构在MEMS微镜选型方面具有较高的灵活性，可根据系统需求在镜面尺寸、扫描角度和动态性能之间进行权衡。通过对MEMS微镜进行标定或训练，能够确保系统达到预期的角分辨率并满足视场角要求。同时，发射端的MEMS微镜还可以集成额外的传感器来实时监控镜面的位置，以满足激光安全考量（与激光驱动器实现安全互锁），并在必要时将MEMS微镜置于闭环控制之下。
需要指出的是，在上述激光雷达系统配置下能够简便地实现高性能，主要归功于中所采用的静电驱动无万向节MEMS微镜具有极佳的机械重复精度。
图3 SyMPL 3D激光雷达架构及其处理的场景图像和生成的点云
图4 SyMPL 3D激光雷达的第一个商用版本及其三维示意图
SyMPL（如图3所示）的初期原型机开发采用了OEM激光测距仪（LRF）传感器，目前市面上有许多此类现成的激光测距仪组件，可在众多应用场景中直接用作“单点激光雷达”。通常，这类激光测距仪在发射端配有一个输出透镜，在接收端旁边配有一个接收透镜，两者的设计均具有非常窄的瞬时视场角（iFOV），用于对远距离空间中的单个点进行测量并输出其距离信息。如果将这两个光学轴分别与MEMS微镜对应匹配，使其能够在期望方向上进行偏转，并且两个MEMS微镜能够实现同步指向，那么就可以将单点激光雷达快速扩展为三维激光雷达系统（见图4b）。
MEMS微镜选型
针对同轴、双轴以及SyMPL混合扫描激光雷达架构，研究团队对Mirrorcle公司产品线中的许多不同MEMS微镜器件进行了评估。从中挑选了四款最具代表性的设计进行更深入的研究，具体如图5所示。这四款MEMS微镜均设计用于双轴准静态（点对点）光束偏转。
图5 推荐可应用于大多数激光雷达的MEMS微镜
激光雷达软件
研究团队开发了两款软件应用程序，以实现与激光雷达系统的通信与控制。第一款是 MirrorcleLiDAR，这是一款基于Windows系统的C++应用程序，用于生成激光雷达的扫描图样，并处理主机（PC）与激光雷达之间的数据流。MirrorcleLiDAR允许用户设置各种扫描参数，例如扫描尺寸、旋转速度、位置/偏移量、扫描线数，以及控制波形和返回数据的滤波方式。此外，MirrorcleLiDAR还能实时绘制数据截面的极坐标图，从而提供来自激光雷达的即时数据反馈（图6b）。第二款软件应用程序是MirrorcleCloud，这是一个基于C#（Unity引擎）开发的应用程序，专门用于实现三维点云的可视化。MirrorcleCloud具备控制视角、位置、视场角和缩放等功能，以便清晰地对3D点云进行视觉呈现并在点云空间中进行漫游导航（图6c）。
图6 MirrorcleLiDAR和MirrorcleCloud软件呈现的SyMPL扫描结果
最后，研究团队对所提出的SyMPL激光雷达系统的机械抗冲击、环境温度稳定性、使用寿命等关键性能作了评估。
结论
综上所述，本研究提出了一种面向MEMS激光雷达的混合架构，通过融合同轴和双轴两种架构的优势，在简化系统设计的同时实现性能最大化。研究团队设计了一种结构简单、成本低廉的系统配置方案，将其自主量产的MEMS微镜与现成的飞行时间（ToF）激光测距组件相集成。随着高速、符合人眼安全标准的激光测距仪的日益成熟，将其通过光机耦合方式与MEMS微镜及专用微镜驱动器进行集成，可将传统激光测距仪的探测能力扩展至三维空间。进一步配备紧凑、高效的控制单元，为软件及应用程序接口（API）提供统一接口后，整个系统即可实现完整的软硬件集成，并支持软件配置和功能定制。
论文链接：https://doi.org/10.1117/12.2556248
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