面向汽车级ToF激光雷达的MEMS微镜扫描系统
2026-07-12 10:57:42 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员提出了一种基于MEMS微镜的车载ToF激光雷达扫描系统的升级方案。研究团队评估了激光雷达应用中MEMS微镜扫描系统的性能和影响，突出了其相较于传统机械式扫描方案的重大进步。
在汽车激光雷达（LiDAR）领域，采用传统机械驱动反射镜的垂直视场（FORV）扫描系统存在视角范围有限、功耗高、机械磨损等问题。相比之下，MEMS微镜具有更快的速度、更高的效率以及更强的耐用性，能够实现更快、更精确的扫描。实验结果表明，MEMS微镜的驱动角度可达50°，是传统系统的两倍以上，并且工作频率高于100 Hz。
据麦姆斯咨询报道， Amazon Eero和Aeva公司研究团队提出了一种基于MEMS微镜的车载飞行时间（ToF）激光雷达扫描系统的升级方案。研究团队评估了激光雷达应用中MEMS微镜扫描系统的性能和影响，突出了其相较于传统机械式扫描方案的重大进步。此外，研究团队提出了基于AEC-Q和ISO 16750标准的综合测试计划，以验证MEMS微镜在汽车环境中的可靠性和鲁棒性。测试计划包括在极端温度、振动和湿度条件下进行的性能、功耗及耐久性评估，以确保符合汽车级要求。相关研究成果以“Replace Traditional FORV Scanning Systems with a MEMS-based High Actuation Angle Mirror in ToF lidars”为题发表于2026 COMSNETS国际会议。
ToF激光雷达
（1）ToF激光雷达简介
激光雷达技术可以根据其工作原理、扫描机制和预期应用进行大致分类。其中，ToF激光雷达通过测量激光脉冲到达目标并返回所需的时间，提供精确的距离测量结果。典型ToF激光雷达通常由光源、光束扫描仪组件（例如MEMS微镜）以及光接收器组成。
图1 ToF激光雷达的架构
图2 快速回程式（Snapback）ToF激光雷达的扫描模式
光接收器可以是单个或一组光电探测器，用于将光脉冲转换为电流或电压脉冲。随后对这些电信号进行处理，生成像素图。每个像素都包含关键信息，例如目标的X、Y、Z坐标、目标反射率以及距离。这些交错排列的像素阵列被称为激光雷达点云（如图3）。
图3 激光雷达点云
（2）机械式振镜光学扫描系统与MEMS微镜扫描系统
数十年来，传统垂直视场（FORV）系统是激光雷达系统的支柱，通常使用机械旋转或振荡的反射镜工作。多项研究已指出传统FORV扫描系统的局限性。MEMS微镜则提供了一种先进的解决方案，利用MEMS微执行器以远高于传统机械系统的速度和偏转角度扫描光束。
（3）传统垂直视场（FORV）扫描系统的挑战
传统垂直视场（FORV）扫描系统多采用电机或压电驱动的机械式反射镜，四大核心缺陷制约了传统FORV激光雷达的性能：（1）机械限制；（2）驱动角度限制；（3）功耗；（4）振动与对准。
MEMS激光雷达的设计与实现
研究团队采用硅微加工工艺设计了基于MEMS的大驱动角度微镜。根据设计，MEMS镜面的直径通常为1 mm，最大角位移高达45°。该MEMS微镜基于静电驱动原理，利用微机械部件以极低能耗实现精确的角度控制，并具备高速、大角度驱动能力。
图4 MEMS微镜的俯视图
该MEMS微镜是利用梳齿状执行器产生的静电力来驱动的。其中，微执行器由固定梳齿和活动梳齿组成，这些梳齿排列呈锥形渐变，沿垂直于镜面表面方向的梳齿间隙逐渐变窄。当向固定梳齿上施加电压时，会形成电场。电场强度随间隙变窄而增强，从而产生作用于活动梳齿的更大静电力。由此产生的力会使与镜面机械相连的活动梳齿绕其轴线旋转。锥形梳齿设计确保了高效的驱动，使镜面能够在低电压输入下实现大角度运动。这种机制可以精确和快速地控制镜面位置，使其成为需要高速和大角度光束操控应用的理想选择。
研究团队设计了实验装置来比较传统垂直视场（FORV）扫描系统和MEMS微镜扫描系统。该实验通过激光雷达测试平台对MEMS微镜动力学和控制系统进行了评估。该平台同时集成了传统FORV扫描系统和MEMS微镜扫描系统，从而能够直接比较两类系统的性能表现，相关测量结果如图5和图6所示。
图5 传统FORV扫描系统与MEMS微镜扫描系统的驱动角度对比
图6 传统FORV扫描系统与MEMS微镜扫描系统的功耗对比
MEMS微镜扫描系统的可靠性测试
研究团队提出了一种基于AEC-Q和ISO 16750标准的综合测试方案，以验证MEMS微镜在汽车环境中的可靠性和鲁棒性。该计划包括对驱动范围、扫描频率和点云精度的性能评估，以及24小时功耗测试，以确认能源效率。耐久性测试包括高温和低温储存、热循环、振动和湿度暴露，以模拟严苛的汽车环境。此外，还包括机械冲击以验证结构完整性。这些测试旨在确认MEMS微镜符合汽车级要求，并且在可靠性和能效方面优于传统FORV扫描系统。
总结
综上所述，这项研究综合分析了传统FORV扫描系统与基于MEMS微镜的光学扫描系统在汽车激光雷达中的应用。研究结果表明，MEMS微镜扫描系统在驱动范围、速度和能效方面明显优于传统FORV扫描系统。实验结果表明，基于MEMS微镜的光学扫描系统在驱动频率超过100 Hz的情况下实现了高达40°的角位移，超越了传统机械系统在较低频率下其角位移仅能达到20°-30°的限制。此外，基于MEMS微镜的光学扫描系统具有卓越的耐用性、紧凑性和更低的功耗，解决了现代激光雷达系统中的关键挑战。基于AEC-Q和ISO 16750标准的验证方案证实了MEMS微镜扫描系统在严苛汽车环境下的可靠性，进一步巩固了其适用于汽车级应用的优势。
论文链接：https://doi.org/10.1109/COMSNETS67989.2026.11418247
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