利用MEMS掃描鏡技術(shù)提高汽車安全性

Mic roVision 公司系統(tǒng)工程與先進應(yīng)用部門總監(jiān)Jari Honkanen，他向我介紹了MicroVision公司發(fā)明的令人稱奇的MEMS移動鏡技術(shù)。

圖1：我手里捏著的就是單個微型MEMS掃描鏡組件。

2016年底MicroVision公司和意法半導(dǎo)體公司宣布合作開發(fā)、銷售和推廣激光束掃描（LBS）技術(shù)。目前這兩家公司正利用其LBS解決方案開發(fā)微型投影儀和平視顯示器（HUD）市場，兩家公司還有意進一步開發(fā)新興市場與應(yīng)用，包括虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實（VR，AR）、3D檢測以及先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）。

另外，MicroVision和意法半導(dǎo)體還期望探索在未來的技術(shù)開發(fā)方面進行合作的方案，包括LBS產(chǎn)品聯(lián)合路線圖。這些合作將充分整合意法半導(dǎo)體公司的工藝設(shè)計與制造專長和MicroVision公司的LBS系統(tǒng)與解決方案。

業(yè)界對用于ADAS的激光雷達技術(shù)趨之若騖

這是業(yè)內(nèi)的熱門話題，很多大公司都想從中分得一杯羹。英飛凌去年通過收購Innoluce獲得了激光雷達專用技術(shù)。ADI公司也從Vescent Photonics公司收購了LBS技術(shù)，以支持主流汽車激光雷達系統(tǒng)的普及。我希望未來會有更多同類的收購案發(fā)生，使這個市場火熱起來。

獨特的MicroVision MEMS 掃描鏡構(gòu)造和工作原理

圖2：MEMS鏡組件中有一個反射鏡懸浮在常平架（Gimbal Frame）內(nèi)，常平架上有一個微加工的通電線圈。MEMS裸片周圍安裝有永磁體，用于提供磁場。只要給MEMS線圈施加一個電流，就能在常平架上產(chǎn)生一個磁力扭矩，并沿旋轉(zhuǎn)軸的兩個方向產(chǎn)生分量。

這種設(shè)計的一個關(guān)鍵特性是只有一個驅(qū)動信號輸入到MEMS。為了產(chǎn)生雙軸移動，垂直和水平移動的波形只需做簡單的疊加。

圖3：扭矩的一個分量使常平架繞其撓曲懸架旋轉(zhuǎn)（左）；另一個分量則激發(fā)掃描鏡諧振模式的振動，使反射鏡繞常平架的撓曲懸架旋轉(zhuǎn)（右）。

這種復(fù)合的鏡驅(qū)動波形由60Hz垂直掃描鋸齒波函數(shù)和激發(fā)水平掃描諧振的高頻正弦波疊加而成（圖4）。

圖4：復(fù)合驅(qū)動波形。

兩個所需掃描角度的位置反饋是用壓阻式（PZR）應(yīng)變傳感器產(chǎn)生的，應(yīng)變傳感器是通過微加工做到反射鏡撓曲懸架和常平架撓曲懸架上的（圖5）。

圖5：圖中所示的MEMS掃描鏡裸片與用于垂直掃描位置反饋的壓阻式應(yīng)變傳感器靠得很近。位置系統(tǒng)反饋信號可以提高投影式顯示器長時間使用和在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。

紅、藍和綠色激光二極管與 MEMS掃描鏡集成在一起形成一個緊湊的彩色顯示引擎，如圖6所示。掃描鏡系統(tǒng)在設(shè)計中使用了MEMS和小型激光器，包含光源在內(nèi)，整個體積不超過5cm3，高度僅6mm。

圖6：包含MEMS掃描鏡和激光光源的掃描引擎子系統(tǒng)。

PicoP激光束掃描技術(shù)工作原理

圖7：PicoP掃描技術(shù)的工作原理。

當(dāng)需要顯示某種顏色的單個像素時，系統(tǒng)中的激光器會打開。若由于圖像內(nèi)容而不需使用三個激光器中的某一個時，可將其關(guān)閉，從而最大程度地減小功耗。

這個系統(tǒng)可以產(chǎn)生720p、1280×720的圖形顯示分辨率，亮度可達25lm，在1.1m的投影距離上可以形成對角線尺寸約為1m的圖像。因此這種設(shè)計具有功耗低和體積小的特點。使用激光光源的另外一個優(yōu)勢是，圖像在任何投影距離點都處于聚焦?fàn)顟B(tài)，不需要任何調(diào)整。使用激光光源還能給顯示器提供很寬的色域，產(chǎn)生鮮艷生動的顏色，如圖8中的CIE色度圖。

圖8：激光光源可以提供很寬的色域，并且能夠產(chǎn)生鮮艷的色彩。

圖9：顯示引擎與視頻和MEMS驅(qū)動電路集成在一起。這種系統(tǒng)形成了PicoP掃描引擎。

圖10：基于MicroVision PicoP掃描技術(shù)的引擎。這個器件的體積比一個硬幣大不了多少，但其將圖像投影到任何表面而不失真的強大功能令人稱奇。它還能用作圖像捕獲器件。

掃描引擎由兩個單元組成：

一體化光電模塊（IPM）

電子平臺模塊（EPM）

MicroVision公司的嵌入式解決方案采集和處理來自數(shù)據(jù)源的信號，用于對單個像素的顏色混合和布局進行控制和同步。通過改變每個激光光源的強度，可以形成一個顏色漸變的完整調(diào)色板。微型投影儀中的MEMS 掃描鏡將光束導(dǎo)向投影表面就是一個很好的例子（圖11）。

在平視顯示器中，專門的光部件將光束導(dǎo)向掃描引擎外部的光學(xué)器件，因此駕駛員可以在前向視野中直接看到圖像。

圖11：圖中所示的紅、藍、綠激光光源可以產(chǎn)生幾乎所有可見可辨的顏色。MEMS掃描器利用這樣的光源，能夠產(chǎn)生總是處于聚焦?fàn)顟B(tài)的明亮的投影圖像。

高清圖像

為了形成鮮艷的高清圖像，這種嵌入式解決方案通過重復(fù)的水平與垂直掃描移動來排列像素。這個過程可以產(chǎn)生豐富的內(nèi)容，但不會增加外形尺寸（器件尺寸）和功耗（圖12）。

圖12：生成光柵圖形案的水平與垂直掃描移動。

MicroVision公司采用Honkanen 的技術(shù)，使用平視顯示器疊層將關(guān)鍵信息投影到汽車擋風(fēng)玻璃上作為駕駛場景的一部分，這樣駕駛員的雙眼不用離開路面就能瀏覽到這些信息（圖13）。在MEMS與傳感器執(zhí)行大會上，Honkanen演示了這一應(yīng)用。

圖13：平視顯示器示例。

Honk anen還演示了如何使用MicroVision公司配備了近紅外（IR）激光器和紅外光電探測器的激光束掃描技術(shù)開發(fā)基于MEMS的掃描式激光雷達系統(tǒng)。