本文來(lái)源：智車科技

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激光雷達(dá)（LiDAR）無(wú)疑是當(dāng)今自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人市場(chǎng)上一個(gè)時(shí)髦的詞匯，其理由相當(dāng)充分。3月4日，火星表面首次試行駛的NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）“毅力號(hào)”（Perseverance）就搭載了一種計(jì)算機(jī)視覺(jué)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)的類似于激光雷達(dá)的探測(cè)器�！耙懔μ�(hào)”于去年7月發(fā)射，今年2月在火星成功著陸。

激光雷達(dá)變化多端

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

為了更好地了解這一技術(shù)，還得從頭說(shuō)起。掃描式激光雷達(dá)可以引導(dǎo)激光束覆蓋廣闊的區(qū)域，以有效捕捉大視場(chǎng)（FOV）。這個(gè)過(guò)程本身可以采用機(jī)械或非機(jī)械掃描的形式。前者利用激光系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件，體積很大；后者沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，體積小巧。

1．閃光激光雷達(dá)；2．光學(xué)相控陣（OPA）激光雷達(dá)；3．機(jī)動(dòng)掃描激光雷達(dá)；4．MEMS激光雷達(dá)

對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，MEMS激光雷達(dá)已被證明是一個(gè)有用的解決方案，因?yàn)樗�在一個(gè)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(yīng)用（如汽車）必不可少的要求。

業(yè)界最小的投影引擎

早在2015年，意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）就透露了其開(kāi)發(fā)的微鏡可以在感知計(jì)算中提供更高精確性，并宣布將為英特爾的感知計(jì)算計(jì)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(gè)微小的MEMS掃描鏡，它每秒移動(dòng)數(shù)千次來(lái)掃描紅外線光束，在它前面的物體上畫(huà)出一個(gè)不可見(jiàn)的網(wǎng)格。從物體反射回來(lái)的光被捕獲并進(jìn)行分析，用于3D成像和手勢(shì)應(yīng)用。

利用MEMS技術(shù)來(lái)實(shí)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(fèi)類設(shè)備，為人與技術(shù)的自然互動(dòng)創(chuàng)造了新的維度。

MEMS將機(jī)械和電氣原理融合到微型機(jī)器中，可以感知運(yùn)動(dòng)、環(huán)境或驅(qū)動(dòng)移動(dòng)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(jī)器”是一個(gè)非常小的鏡子，它用與能夠讓我們的頭發(fā)豎立起來(lái)的靜電原理驅(qū)動(dòng)。

ST的MEMS專業(yè)技術(shù)幫助英特爾開(kāi)發(fā)出業(yè)界最小、最纖細(xì)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(jìn)的智能電源技術(shù)制造的微鏡，在硅片上安裝了特殊的靜電驅(qū)動(dòng)，極低的功耗和硬件安全機(jī)制，可防止故障黑和客攻擊。

英特爾深度相機(jī)工程總監(jiān)Sagi Ben Moshe說(shuō)：“感知計(jì)算帶來(lái)的自然用戶界面革命即將到來(lái)，ST開(kāi)發(fā)的微鏡技術(shù)是一項(xiàng)重要貢獻(xiàn)。我們和合作伙伴正在重新定義人們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)一流的深度傳感器與設(shè)備交互，以實(shí)現(xiàn)游戲、娛樂(lè)和內(nèi)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(yàn)的3D視覺(jué)�！�

ST模擬、MEMS和傳感器部門執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理Benedetto Vigna說(shuō)：“利用影響深遠(yuǎn)的MEMS技術(shù)，我們多年來(lái)通過(guò)運(yùn)動(dòng)、觸摸和聲音為用戶界面的重大進(jìn)步做出了貢獻(xiàn)，感知計(jì)算的采用增加了3D視覺(jué)，是一個(gè)令人興奮的飛躍。ST的全方位專業(yè)知識(shí)解決了功率、驅(qū)動(dòng)、慣性和抖動(dòng)方面的各種難題，構(gòu)建了正確的微鏡，并將模擬前端和數(shù)字邏輯集成到單個(gè)低功耗芯片上，以實(shí)現(xiàn)主流設(shè)備集成所需的尺寸。”

多年修成正果

歷經(jīng)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(dá)相機(jī)——Intel? RealSense?高分辨率激光雷達(dá)深度相機(jī)L515。我們來(lái)看看這款激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

Intel RealSense L515由ST的MEMS掃描鏡驅(qū)動(dòng)

被譽(yù)為世界上最小的微鏡掃描產(chǎn)品的L515每秒可捕獲數(shù)百萬(wàn)個(gè)深度點(diǎn)，可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行空間掃描�；�于微鏡的激光雷達(dá)系統(tǒng)為工業(yè)應(yīng)用提供高分辨率掃描，例如用于垃圾箱揀選、體積測(cè)量、物流和3D掃描的機(jī)械臂。

內(nèi)置于L515中的小尺寸ST微鏡幫助英特爾實(shí)現(xiàn)了冰球大�。ㄖ睆�61mm x高度26mm）的產(chǎn)品尺寸。微鏡可以在整個(gè)視野內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的激光掃描。通過(guò)與定制光電二極管傳感器的結(jié)合，L515可以渲染整個(gè)場(chǎng)景的3D深度圖。

Vigna說(shuō)：“ST公司的第二代微鏡每秒30幀，視場(chǎng)為70°×55°。L515利用ST的MEMS掃描功能，提供無(wú)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(shí)間驅(qū)動(dòng)的接近零的像素模糊（pixel blur）。”

英特爾新興成長(zhǎng)孵化部門首席孵化官、公司副總裁兼總經(jīng)理Sagi BenMoshe說(shuō)：“英特爾RealSense? 技術(shù)已被用于開(kāi)發(fā)用于機(jī)器人、物流、掃描和其他計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用的產(chǎn)品和解決方案。L515采用ST的微鏡提供無(wú)與倫比的精度，是世界上最小的高分辨率激光雷達(dá)深度相機(jī)，使其適用于各種使用場(chǎng)景�！�

Intel RealSense激光雷達(dá)相機(jī)L515結(jié)構(gòu)

據(jù)介紹，該相機(jī)射程可以達(dá)到9米，深度精度大于14毫米，同時(shí)還能測(cè)量230萬(wàn)個(gè)深度點(diǎn)。MEMS掃描鏡為激光雷達(dá)打開(kāi)了許多應(yīng)用大門，特別是其緊湊的尺寸無(wú)疑帶來(lái)了更多應(yīng)用機(jī)會(huì)。

MEMS掃描鏡如何工作？

MEMS激光雷達(dá)是激光雷達(dá)的一種準(zhǔn)機(jī)械形式，不像激光雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，激光本身不發(fā)生物理運(yùn)動(dòng)，而是通過(guò)移動(dòng)MEMS掃描鏡（反射鏡）來(lái)控制和調(diào)制激光，而系統(tǒng)的其余部分都是靜止的。

高FoM（品質(zhì)因數(shù)）2D準(zhǔn)靜態(tài)諧振掃描MEMS掃描鏡：（a）電磁致動(dòng)器；（b）電熱致動(dòng)器；（c）靜電致動(dòng)器；（d）壓電致動(dòng)器

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

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

MEMS掃描鏡非常緊湊，與其他機(jī)械掃描激光雷達(dá)方法相比，其系統(tǒng)尺寸更小，控制速度更快，光轉(zhuǎn)向更精確。MEMS掃描鏡通常需要一個(gè)高壓驅(qū)動(dòng)IC來(lái)控制鏡面的位置。例如，典型MEMS掃描鏡需要200V－300V范圍的驅(qū)動(dòng)電壓。高壓鏡驅(qū)動(dòng)器從系統(tǒng)中的微控制器或FPGA獲得輸入，該驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)確定需要施加的驅(qū)動(dòng)電壓。同一微控制器還負(fù)責(zé)控制驅(qū)動(dòng)同步操作的激光二極管和掃描鏡。高分辨率數(shù)字模擬轉(zhuǎn)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

天上飛的地上跑的都能用

這項(xiàng)計(jì)算機(jī)視覺(jué)的創(chuàng)新技術(shù)不僅為英特爾的消費(fèi)類電子產(chǎn)品提供了前所未有的功能，也為NASA的火星探測(cè)器擴(kuò)大了視野。在下降過(guò)程中，火星探測(cè)器使用激光雷達(dá)創(chuàng)建著陸點(diǎn)地圖，當(dāng)火星探測(cè)器接近地表時(shí)，激光雷達(dá)會(huì)對(duì)地表拍照，并將所看到的情況與地圖進(jìn)行比較。然后，火星探測(cè)器將搜索另一個(gè)安全著陸區(qū)的機(jī)載地圖，使其能夠重定向并在最安全的區(qū)域著陸。

“毅力號(hào)”依靠AI和計(jì)算機(jī)視覺(jué)實(shí)現(xiàn)“迄今為止最精確的著陸”

事實(shí)上，“毅力號(hào)”火星探測(cè)器的大小就相當(dāng)于一輛大型SUV，上面還搭載了其他類型的傳感器用來(lái)搜索生物信號(hào)，包括采用高精度變焦技術(shù)的Mastcam－Z超級(jí)攝像頭，可以向感興趣的物體發(fā)射激光，并產(chǎn)生小的等離子云，科學(xué)家可以據(jù)此對(duì)其進(jìn)行分析，以確定物體的化學(xué)成分。

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