說到激光雷達(dá)，近幾年，很多先進(jìn)的硬核設(shè)備都引入了激光雷達(dá)，像、無人車、機(jī)器人、3D打印設(shè)備等，而激光雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展和普及離不開音圈馬達(dá)的助推。激光雷達(dá)是通過發(fā)射激光束，再接收從遠(yuǎn)處物體反射回來的光束，通過測量光束的飛行時(shí)間而獲得遠(yuǎn)處物體的距離信息。不過，激光束非常窄，并且它們不會發(fā)生散射，因此單束激光雷達(dá)脈沖只能感知一個非常小的物體。

激光雷達(dá)

通常激光雷達(dá)可以分為兩大類：機(jī)械式激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)。機(jī)械式激光雷達(dá)采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件作為光束掃描的實(shí)現(xiàn)方式，可以實(shí)現(xiàn)大角度掃描，但是裝配困難、掃描頻率低。固態(tài)激光雷達(dá)，目前的實(shí)現(xiàn)方式有微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system，MEMS）、面陣閃光（Flash）技術(shù)和光學(xué)相控陣（optical phased array，OPA）技術(shù)。MEMS采用微掃描振鏡，達(dá)到了一定的集成度，但是受限于振鏡的偏轉(zhuǎn)范圍；Flash技術(shù)已有商用，但是視場角受限，掃描速率較低；OPA掃描技術(shù)是基于微波相控陣掃描理論和技術(shù)發(fā)展起來的新型光束指向控制技術(shù)，具有無慣性器件、穩(wěn)定、方向可任意控制等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來研究的熱點(diǎn)，液晶、集成波導(dǎo)光學(xué)相控陣等固態(tài)技術(shù)方法層出不窮。激光雷達(dá)在無人駕駛、機(jī)器人等人工智能領(lǐng)域也將向著小型化的趨勢發(fā)展。

MEMS激光雷達(dá)

二維掃描的MEMS微振鏡是激光雷達(dá)的關(guān)鍵器件，主要可以通過電熱效應(yīng)、靜電效應(yīng)、電磁效應(yīng)和壓電效應(yīng)驅(qū)動。有研究小組通過對電熱雙壓電晶片驅(qū)動的微振鏡加熱，金屬鋁的形變大于介質(zhì)硅，從而形成微結(jié)構(gòu)的振動。實(shí)驗(yàn)可以施加電壓2.3V，獲得9°的偏轉(zhuǎn)角。但是電熱效應(yīng)引起微振鏡偏轉(zhuǎn)通常響應(yīng)速度較低，有實(shí)驗(yàn)通過施加12mW的電功率，響應(yīng)速度只有74Hz。電磁效應(yīng)驅(qū)動的MEMS系統(tǒng)需要在內(nèi)部封裝可動磁性物質(zhì)或者可動線圈產(chǎn)生磁場，如圖3所示，通過施加磁場形成洛倫茲力使得線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動MEMS振鏡偏轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度可以超過10kHz。壓電效應(yīng)需要異質(zhì)材料的介入，壓電材料（PZT）具有、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。日本研究小組采用電鍍的方法在硅上沉積PZT薄膜，加工形成MEMS結(jié)構(gòu)并進(jìn)行光學(xué)掃描，實(shí)驗(yàn)獲得11.2kHz的響應(yīng)速度，39°的視場角。靜電效應(yīng)驅(qū)動MEMS具有尺寸小、可單片全集成的優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛研究。通常，采用靜電效應(yīng)驅(qū)動微反射鏡的方式需要在真空環(huán)境下，以獲得更高的驅(qū)動效率，10V電壓驅(qū)動可以實(shí)現(xiàn)大約10°的掃描角度。瑞典KTH的研究小組近期驗(yàn)證了一種新方法，如圖4所示，通過MEMS改變光柵周期實(shí)現(xiàn)衍射光角度偏轉(zhuǎn)，在20V電壓驅(qū)動下達(dá)到5.6°的掃描角度，功率消耗在微瓦量級。

Flash激光雷達(dá)

20世紀(jì)90年代，有研究者就提出了非掃描式的激光雷達(dá)概念，屬于3D成像激光雷達(dá)。如圖7所示，F(xiàn)lash激光雷達(dá)采用類似照相機(jī)的工作模式，感光元件與普通相機(jī)不同，每個像素點(diǎn)可以記錄光子飛行時(shí)間信息。發(fā)射的面陣激光照射到目標(biāo)上，目標(biāo)對入射光產(chǎn)生散射，由于物體具有三維空間屬性，從而照射到物體不同部位的光具有不同的飛行時(shí)間，被焦平面探測器陣列探測，輸出為具有深度信息的“三維”圖像。如圖8 所示，F(xiàn)lash激光雷達(dá)也經(jīng)歷了小型化發(fā)展歷程，所占空間從起初的車廂級到辦公桌級，再到現(xiàn)在的厘米級，這都得益于緊湊型激光器陣列、探測器陣列的發(fā)展。