在2016年美国MEMS与传感器执行大会期间,我见到了Mic roVision 公司系统工程与先进应用部门总监Jari Honkanen,他向我介绍了MicroVision公司发明的令人称奇的MEMS移动镜技术。

Figure1 1 图1:我手里捏着的就是单个微型MEMS扫描镜组件。

2016年底MicroVision公司和意法半导体公司宣布合作开发、销售和推广激光束扫描(LBS)技术。目前这两家公司正利用其LBS解决方案开发微型投影仪和平视显示器(HUD)市场,两家公司还有意进一步开发新兴市场与应用,包括虚拟现实和增强现实(VR,AR)、3D检测以及先进驾驶辅助系统(ADAS)。

另外,MicroVision和意法半导体还期望探索在未来的技术开发方面进行合作的方案,包括LBS产品联合路线图。这些合作将充分整合意法半导体公司的工艺设计与制造专长和MicroVision公司的LBS系统与解决方案。

业界对用于ADAS的激光雷达技术趋之若骛

这是业内的热门话题,很多大公司都想从中分得一杯羹。英飞凌去年通过收购Innoluce获得了激光雷达专用技术。ADI公司也从Vescent Photonics公司收购了LBS技术,以支持主流汽车激光雷达系统的普及。我希望未来会有更多同类的收购案发生,使这个市场火热起来。

独特的MicroVision MEMS 扫描镜构造和工作原理

Figure2 图2:MEMS镜组件中有一个反射镜悬浮在常平架(Gimbal Frame)内,常平架上有一个 微加工的通电线圈。MEMS裸片周围安装有永磁体,用于提供磁场。只要给MEMS线圈 施加一个电流,就能在常平架上产生一个磁力扭矩,并沿旋转轴的两个方向产生分量。

这种设计的一个关键特性是只有一个驱动信号输入到MEMS。为了产生双轴移动,垂直和水平移动的波形只需做简单的叠加。

Figure3 图3:扭矩的一个分量使常平架绕其挠曲悬架旋转(左);另一个分量则激发扫描镜谐振 模式的振动,使反射镜绕常平架的挠曲悬架旋转(右)。

这种复合的镜驱动波形由60Hz垂直扫描锯齿波函数和激发水平扫描谐振的高频正弦波叠加而成(图4)。

Figure4 图4:复合驱动波形。

两个所需扫描角度的位置反馈是用压阻式(PZR)应变传感器产生的,应变传感器是通过微加工做到反射镜挠曲悬架和常平架挠曲悬架上的(图5)。

Figure5 图5:图中所示的MEMS扫描镜裸片与用于垂直扫描位置反馈的压阻式应变传感器 靠得很近。位置系统反馈信号可以提高投影式显示器长时间使用和在不同环境条件 下的稳定性。

红、蓝和绿色激光二极管与 MEMS扫描镜集成在一起形成一个紧凑的彩色显示引擎,如图6所示。扫描镜系统在设计中使用了MEMS和小型激光器,包含光源在内,整个体积不超过5cm3,高度仅6mm。

Figure6 图6:包含MEMS扫描镜和激光光源的扫描引擎子系统。

PicoP激光束扫描技术工作原理

Figure7 图7:PicoP扫描技术的工作原理。

当需要显示某种颜色的单个像素时, 系统中的激光器会打开。若由于图像内容而不需使用三个激光器中的某一个时,可将其关闭,从而最大程度地减小功耗。

这个系统可以产生720p、1280×720的图形显示分辨率,亮度可达25lm,在1.1m的投影距离上可以形成对角线尺寸约为1m的图像。因此这种设计具有功耗低和体积小的特点。使用激光光源的另外一个优势是,图像在任何投影距离点都处于聚焦状态,不需要任何调整。使用激光光源还能给显示器提供很宽的色域,产生鲜艳生动的颜色,如图8中的CIE色度图。

Figure8 图8:激光光源可以提供很宽的色域,并且能够产生鲜艳的色彩。

Figure9 图9:显示引擎与视频和MEMS驱动电路集成在一起。这种系统形成了PicoP扫描引擎。

Figure10 图10:基于MicroVision PicoP扫描技术的引擎。这个器件的体积比一个硬币大不了多少,但其将图像投影到任何表面而不失真的强大功能令人称奇。它还能用作图像捕获器件。

扫描引擎由两个单元组成:

  • 一体化光电模块(IPM)

  • 电子平台模块(EPM)

MicroVision公司的嵌入式解决方案采集和处理来自数据源的信号,用于对单个像素的颜色混合和布局进行控制和同步。通过改变每个激光光源的强度,可以形成一个颜色渐变的完整调色板。微型投影仪中的MEMS 扫描镜将光束导向投影表面就是一个很好的例子(图11)。

在平视显示器中,专门的光部件将光束导向扫描引擎外部的光学器件,因此驾驶员可以在前向视野中直接看到图像。

Figure11 图11:图中所示的红、蓝、绿激光光源可以产生几乎所有可见可辨的颜色。MEMS扫描器利用这样的光源,能够产生总是处于聚焦状态的明亮的投影图像。

高清图像

为了形成鲜艳的高清图像,这种嵌入式解决方案通过重复的水平与垂直扫描移动来排列像素。这个过程可以产生丰富的内容,但不会增加外形尺寸(器件尺寸)和功耗(图12)。

Figure12 图12:生成光栅图形案的水平与垂直扫描移动。

MicroVision公司采用Honkanen 的技术,使用平视显示器叠层将关键信息投影到汽车挡风玻璃上作为驾驶场景的一部分,这样驾驶员的双眼不用离开路面就能浏览到这些信息(图13)。在MEMS与传感器执行大会上,Honkanen演示了这一应用。

Figure13 图13:平视显示器示例。

Honk anen还演示了如何使用MicroVision公司配备了近红外(IR)激光器和红外光电探测器的激光束扫描技术开发基于MEMS的扫描式激光雷达系统。

Figure14 图14:基于MEMS的扫描式激光雷达系统。

基于MEMS的扫描式激光雷达的优势是具有很高的水平与垂直分辨率, 并且能够动态改变检测分辨率和帧速率。根据具体的应用或驾驶情况,同一个扫描式激光雷达既可以实现慢速高分辨率的捕获,也可以实现快速低分辨率的捕获。

《电子技术设计》2017年2月刊版权所有,谢绝转载。