MSME激光雷達和短波紅外

測距方式

• 三角測距法
       三角法的優點是原理簡單、成本低廉，只需要普通的激光發射器和線陣 CCD 探測器即可實現測距。在近距離下探測精度較高，比如在雙目視覺、結構光測距上使用。缺點是在遠距離探測時，探測誤差會呈幾何量級增長導致探測效果較差。另外，在陽光直射的情況下，反射光斑通常會淹沒在太陽光中也會導致失效，
• PTOF測距法
       由於光的飛行速度極快，因此需要一個非常精細的時鐘電路（要求皮秒（ps）級），以及脈寬極窄的激光發射電路（要求是 ns 級），因此開發難度和門檻較高，但能達到百米級別的探測距離。
• AMCW（調幅連續波）
       光的飛行時間極快，直接測量光子飛行時間難度較大，AMCW通過間接的方式獲取光的飛行時間。通過將光波的強度進行調製（如正弦波或三角波等），使光波在投射到物體後返回探測器的過程中在光強波形上形成一個相位差，那麼通過測量相位差，就可以間接獲取光的飛行時間，從而計算距離。另外，其獨特的探測方式比較方便實現固態面陣 FLASH 掃描。

MEMS激光雷達

介紹
     和光學相控陣（OPA）激光雷達作爲全固態激光雷達相比，MEMS體積大幅減少，裝配可靠性高，但受到芯片成熟度不足等各種問題的牽制，離落地還有一段較長的路要走。閃光（Flash）激光雷達暫時無法同時滿足遠距離成像的要求，但隨着單光子面陣探測技術的成熟，有望成爲未來的激光雷達技術路線方向。
     MEMS微鏡振動按原理區分，主要包括四種：靜電驅動、電磁驅動、電熱驅動、壓電驅動。其中前兩種技術比較成熟，MEMS微振鏡代替宏觀機械式掃描器在微觀尺度上實現激光雷達發射端的光束操縱方式”稱爲“混合固態”。同時，把採用上述光束操縱方式的激光探測和測距系統稱爲混合固態激光雷達或MEMS激光雷達。MEMS微振鏡是一種硅基半導體元器件，屬於固態電子元件；但是MEMS微振鏡並不“安分”，內部集成了“可動”的微型鏡面；由此可見MEMS微振鏡兼具“固態”和“運動”兩種屬性，
爲何可以降低成本
     MEMS微振鏡的引入可以減少激光器和探測器數量，極大地降低成本。傳統的機械式激光雷達要實現多少線束，就需要多少組發射模塊與接收模塊。而採用二維MEMS微振鏡，僅需要一束激光光源，通過一面MEMS微振鏡來反射激光器的光束，兩者採用微秒級的頻率協同工作，通過探測器接收後達到對目標物體進行3D掃描的目的。與多組發射/接收芯片組的機械式激光雷達結構相比，MEMS激光雷達對激光器和探測器的數量需求明顯減少。從成本角度分析，N線機械式激光雷達需要N組IC芯片組：跨阻放大器（TIA）、低噪聲放大器（LNA）、比較器（Comparator）、模數轉換器（ADC）等。
技術難點
     MEMS微振鏡在投影顯示等領域的成功無法複製到車載激光雷達。MEMS微振鏡屬於振動敏感性器件，車載環境下的振動和衝擊容易對它的使用壽命和工作穩定性產生不良影響，使得激光雷達的測量性能惡化。因此，有必要對MEMS微振鏡的隔離振動技術進行深入研究。MEMS微振鏡尺寸縮小了，但帶來的問題是限制了MEMS激光雷達的光學口徑、掃描角度，視場角也會變小。爲了獲得最大化的光學口徑，MEMS激光雷達廠商追求大尺寸MEMS鏡面。但芯片尺寸越大，成本越高,同時對缺陷越敏感，同一片晶圓製造出來的芯片良率與單顆芯片尺寸成反比。同時，尺寸大帶來的問題是掃描頻率的降低，可能無法滿足車載激光雷達實時測距和成像的要求，需要權衡尺寸和頻率。
     同時，爲了獲得較大的掃描角度，需要大偏轉角度的MEMS微振鏡。但是，掃描系統分辨率由鏡面尺寸與最大偏轉角度的乘積共同決定，鏡面尺寸與偏轉角度是一對無法調和的“冤家”。解決該問題的方向有兩個：（1）通過調製驅動電壓頻率，讓MEMS微振鏡處於諧振工作狀態，此時最大偏振角度會被放大；（2）通過光學組件（如透鏡、衍射光學元件、液晶空間調製器）進行擴束，放大最大偏振角度。不過，擴束又會帶來衆多紛繁複雜的技術問題，

              機械式激光雷達（左）            MEMS激光雷達（中）            OPA激光雷達（右）

     受限於MEMS微振鏡的鏡面尺寸，MEMS激光雷達接收端的收光孔徑非常小，目前MEMS微振鏡面尺寸在5mm左右價格在千元以上，受限於MEMS微振鏡的鏡面尺寸和偏轉角度，MEMS激光雷達掃描角度偏小。

     目前MEMS微振鏡很難滿足-40℃到125℃的工作範圍。在實際應用過程中，MEMS微振鏡的材料屬性（如楊氏模量和剪切模量）會隨着環境溫度的改變而發生變化，從而導致微振鏡運動特性的變化。
     關於激光雷達接收端，只有一小部分脈衝發射的光子可以到達接收端光電探測器的有效區域。如果大氣衰減沿脈衝路徑不變化，激光光束髮散度可忽略不計，光斑尺寸小於目標物體時，入射角垂直於探測器且反射體是朗伯體（所有方向均反射），則光接收峯值功率$P(R)$爲：

     其中，$P0$爲發射激光脈衝的光峯值功率，$ρ$爲目標反射率，$A0$爲接收器的孔徑面積，$η0$爲探測光的光譜透射，$γ$爲大氣衰減係數。
根據公式，光接收峯值功率與接收器孔徑面積成正比。因此，MEMS微振鏡的鏡面尺寸小的“硬傷”，讓MEMS激光雷達在接收信號時收光孔徑大大受限，光接收峯值功率也難以達到要求！
     在光源的選擇上，選用1550nm短波紅外光纖激光器 其人眼安全閾值遠高於905nm激光。因此在安全範圍內可以大幅度功率，從而提高接收端的峯值功率，更適用於遠距離探測；在光電探測器方面，選用陣列接收器。

短波紅外(SWIR)

    - 近紅外 NIR(Near Infrared) : 750~1100nm
    - 短波紅外SWIR (Short Wave Infrared) : 1100~2500nm 
    - 中波紅外MWIR (Mid Wave Infrared) : 3000~5000nm  
    - 長波紅外 LWIR(Long Wave Infrared) : 7000~14000nm 

     短波紅外(SWIR)的範圍佔據了電磁頻譜略高於近紅外。在1050到2500納米之間，短波紅外範圍遠遠超出了標準硅基成像傳感器的探測能力。硅的量子效率在800納米以上迅速衰減，因此，由於這種SWIR傳感器往往建立在替代化學成分的基礎上，包括銦鎵砷化鎵(InGaAs)和汞碲化鎘(MCT)，InGaAs傳感器也能提供高檢測性能和快速響應，更多的用在軍事、科研和航空航天應用。也有更現代的SWIR成像儀也在利用單個傳感器架構，比如量子點技術，使用CMOS工藝技術。

     SWIR最有前途的視覺應用之一，可以檢測由每種材料的化學和物理特性所確定的獨特光譜響應。比如水在1450納米和1900納米都有很強的吸附性，所以成像幾乎是黑色的。因此，使用合適的光源或過濾器可以檢測物體的水分含量。也可以穿透塑料，

     中波紅外(MWIR)光譜是MCT相機更有效的地方。位於該光譜附近的SWIR波長具有該光譜區域捕捉物體發射能量的能力。在這個範圍內的光子不太容易受到較小直徑粒子引起的瑞利散射的影響，因爲它們的波長相對較長，可以透過煙霧、沙粒、雨滴等障礙。