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知微传感发布MEMS激光雷达核心组件扫描模组新成员：P1150

judy — Thu, 21 Apr 2022 02:17:54 +0000

近日，西安知微传感技术有限公司（简称：知微传感）发布了MEMS单轴扫描模组新型号--P1150，目前，知微传感MEMS单轴模组系列产品已发布4个型号，分别为：

P1100(φ1.3mm) P1130(φ3mm)

P1150(φ5mm) P1220(20mm*12mm)

关于MEMS单轴扫描模组

知微传感早在成立之初，就已针对MEMS激光雷达开发了基于MEMS微振镜的单轴扫描模组，其内部集成了微振镜驱动、控制及位置检测功能。

该系列产品将传统导航激光雷达中的旋转装置芯片化，具有高分辨率、高可靠性、低成本、小尺寸、易集成等优势，主要应用于激光雷达、激光打印以及机器视觉等领域。

P1150

P1150单轴扫描模组，相比此前已发布的P1100和P1130镜面直径增加到了5mm，扫描频率为400±10%Hz，是一款兼顾大镜面与高可靠性的产品。

MEMS单轴扫描模组--P1150基本参数如下：

知微传感研制的MEMS单轴扫描模组均具备实时输出微振镜角度位置的功能，且支持用户根据应用要求配置微振镜的扫描角度以及角度标志脉冲的间隔角度。其中，可输出的实时扫描角度范围为0°-60°，角度的最小间隔为0.05°。

此外，知微传感还提供适配的检测开发板，用户可通过开发板进行可视化设置并查看模组的工作状态，方便用户进行快速评估。

宇称电子推出单线激光雷达SPAD：MPX102Q

judy — Thu, 31 Mar 2022 03:03:33 +0000

近日，宇称电子正式推出适用于单线激光雷达的SPAD芯片：MPX102Q。此款产品针对扫地机器人、服务机器人、AGV的ToF方案接收端集成化需求而开发，该产品的发布进一步提升了单线激光雷达性能，同时兼具成本和集成度优势。目前已经量产，并在多家下游导入。

区别于传统3D感知路线，dToF方案通过直接测量发出光子的飞行时间来确定深度信息，同时统计单位时间内的光子能量来确定灰度信息。这个感知路线具有高增益、高帧率、高精准度、低功耗、低算法需求等优势。

在单线激光雷达的领域里，与双目和三角法方案相比，基于dToF原理进行测距的MPX102Q具有更优化的器件性能及更高的系统集成度。

MPX102Q有效探测距离达到15m，全量程误差

MPX102Q片上还集成了电源管理和时钟模块，支持3.3V单电源供电方式，不需要片外DC-DC、LDO等器件，外围应用电路简单，在缩小模组体积的同时，大大降低了系统集成复杂度。时间分辨率小于百皮秒，搭配发射端（VCSEL或EEL）后实际工作测量线性度高，不需要做查找表标定补偿。

MPX102Q在满负荷工作下功耗约为60mW，采用了QFN封装。

MPX102Q样片已开始接受预订，如需送样，请联系：韩先生 / 182 6869 1001 hanshuai@microparity.com

宇称电子MicroParity是由一群从海外学成回国创业的物理/电子/光学博士所组建的集成电路设计公司，主要从事基于dToF技术的单光子敏感探测器SiPM&SPAD及高精度微电子信号处理芯片ASIC的研发与设计，致力于发展为在这个领域全球最顶尖的公司。www.microparity.com

基于MEMS焦平面开关阵列的硅光子激光雷达

judy — Thu, 17 Mar 2022 01:44:31 +0000

作者：麦姆斯咨询殷飞，文章来源：MEMS

3D传感技术可以帮助机器感知世界、绘制地图并实现与周围环境的互动。但机械式激光雷达（LiDAR）的尺寸缩小通常会受到机械式扫描仪的阻碍。基于焦平面开关阵列（FPSA）的3D传感器是固态激光雷达的希望之星，这是由于它们无需机械运动部件便能实现电子扫描。然而，目前基于FPSA的3D传感器分辨率常被限制在512像素甚至更低。

近年来，研发人员针对在宽视场角（FoV）中实现高速运行、高分辨率以及低功耗的集成光束扫描仪进行了深入的研究，这些特点是固态激光雷达的关键要求。光学相控阵（OPA）和焦平面开关阵列（FPSA）是固态激光雷达的两种常见光束操纵技术。

FPSA使用了类似可见光相机的光学系统，将视场角内的每个角度逐一映射到成像透镜后焦平面开关阵列上的像素单元。FPSA中的光开关网络并非在每个像素单元处整合测距单元。而是允许所有像素单元共享同一个（或多个）激光雷达测距单元，每个像素单元仅由一个光学天线和一个开关组成，这使得在单芯片上集成大阵列成为可能。

据麦姆斯咨询报道，美国加利福尼亚大学伯克利分校（University of California，Berkeley）电气工程和计算机科学系教授、伯克利传感器和执行器中心联合主任Ming C. Wu研究团队在Nature期刊上发表了以“A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR”为主题的研究论文。

这项研究采用搭载了单片集成128 × 128像素MEMS FPSA（引线键合128 × 96子阵列，并经过了实验测试）的硅光子调频连续波（FMCW）成像激光雷达，最终分辨率达到16384像素。该系统采用5mm焦距的复合透镜，可以在70°×70°视场角内、以0.05°发散角和微秒级切换时间，将激光束随机定向到16384个不同的方向。这是迄今为止所报道的最大阵列的单片集成MEMS FPSA。将FPSA光操纵技术与FMCW测距方法相结合，可实现更清晰的3D成像与传感。这项研究中的FPSA具有高度可扩展性。在过去几十年中，摩尔定律推动了CMOS图像传感器的爆发式增长，类似摩尔定律的扩展也使百万像素3D成像激光雷达变成可能。

FPSA架构和工作原理

将FPSA与调频激光器和相干接收器相结合，构成了该研究中的成像激光雷达。该研究中FMCW测距系统的组件为片外连接，但其也可以集成在片上。采用迭代学习法获得预失真波形，利用直接调制型1550nm波长分布式反馈（DFB）激光器产生了偏移量8.6GHz、斜坡时间80 μs的线性频率啁啾。从目标对象返回的光与光电探测器处的参考光相混合。然后，利用傅里叶变换提取出与目标距离成比例的拍频。这项研究中主要采用单站配置，其中FPSA上使用了相同的光栅天线，主要用于发射FMCW调制光并接收来自目标对象的反射光。

这项研究开发出的激光雷达的3D成像效果

为了进一步提高激光雷达的分辨率，可以通过增加芯片尺寸、缩小像素占位尺寸等方式实现。通过优化MEMS执行器和开关耦合器的设计，可以缩小当前像素的占位尺寸。FPSA的一个显著特点是，与马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型热光开关不同，MEMS开关在OFF状态下的损耗几乎为零（其中唯一的损耗是波导传播损耗）。MEMS光开关是光通信网络中的常用技术，但这是该技术首次被应用于激光雷达；与热光开关相比，MEMS光开关体积较小、功耗低、开关快且光损耗非常低。这使得在高密度FPSA中保持低的光插入损耗成为可能。FPSA采用标准半导体制造工艺，可在商用CMOS代工厂实现量产。

FPSA激光雷达的另一项独特优势是其灵活性。视场角和角度分辨率可以通过选择不同焦距的成像透镜轻松调整，进而可以充分利用为各种各样焦距和CMOS图像传感器尺寸而设计和优化的相机镜头。例如，智能手机的相机镜头适用于小型FPSA芯片，以达到小尺寸和大视场角；而为专业相机设计的镜头则适用于大型FPSA芯片，以实现低发散和高角度分辨率；鱼眼镜头还可实现全180°甚至更大的视场角。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04415-8

硅光电倍增管用于直接飞行时间测距应用（一）：直接ToF测距系统的设计

judy — Fri, 04 Mar 2022 03:07:44 +0000

本白皮书旨在协助开发基于硅光电倍增管(SiPM)的激光雷达(LiDAR，光探测和测距)系统。下面的章节包含了以下信息：直接飞行时间(ToF)测距仪的激光器、计时和光学参数的设计和实现，以及详细分析将SiPM整合到此类系统中时必须考虑的关键方面。

前言

LiDAR是一种测距技术，正越来越多地用于移动测距、汽车ADAS(先进驾驶辅助系统)、手势识别和3D绘图等应用。与雪崩光电二极管(APD)、PIN二极管和PMT等替代性传感器技术相比，采用硅光电倍增管(SiPM)作为光敏传感器有许多优势，特别是对于移动和大批量产品而言。

安森美(onsemi)的SiPM提供：

从250纳米到1100纳米的单光子探测

低电压——易于实现系统要求

低功耗——较低的工作电压和简单的读出电子装置实现低功耗设计

高带宽和快速响应时间——最小化测距时间

能够利用低激光功耗直接ToF测距技术的优势

低噪声和高增益——可实现好的信噪比(SNR)

标准CMOS制造工艺——成本低，高度一致性，可扩展生产

小尺寸SMT封装——可提供1毫米的传感器

与其他传感器相比，迁移到SiPM传感器技术会带来一系列不同的限制。本白皮书旨在帮助用户充分利用该技术的优势，并尽快实现采用SiPM传感器的工作设置。

为此，安森美创建了三个工具来帮助用户；一个用于仿真的MATLAB测距模型，一个测距演示器硬件装置，以及本文文件。

我们创建了一个直接ToF系统的详细MATLAB模型，以便于仿真基于SiPM的测距应用。该模型可用于支持测距系统的设计，并可进行修改以仿真各种应用和实施。

一个基于SiPM的LiDAR演示系统已建成。对这个“第一代”系统进行了测量，并用于验证MATLAB模型的仿真结果。

本文文件旨在帮助新用户开发基于SiPM的直接ToF测距系统。它讨论了各种系统和环境因素对所产生的信噪比的影响。

直接ToF测距系统的设计

一个直接的ToF测距系统所需的基本组件，如图1所示

一个带有准直光学系统的脉波激光器

一个带有检测光学组件的传感器

计时和数据处理电子装置

图1. 直接ToF测距技术概览

本文档聚焦激光器、传感器、读出器和应用环境的系统设计。本白皮书中的单点、直接ToF基线工作可以扩展到更复杂的扫描和成像系统。在直接ToF技术中，一个周期性的激光脉波被指向目标，通常采用对眼睛安全的红外区功率和波长。

目标扩散并反射激光光子，一些光子被反射回传感器。传感器将检测到的激光光子(和一些由于噪声而检测到的光子)转换为电讯号，然后由计时电子装置进行时间标记。这个飞行时间t，可用来计算到目标的距离D，计算公式D=ct/2，其中c=光速，t=飞行时间。传感器必须将返回的激光光子从噪声(环境光)中区分出来。每个激光脉波至少捕获一个时间标记。这称为单次测量。

结合许多单次测量的数据以产生一个测量值，信噪比可以得到极大的改善，从中可提取出检测到的激光脉波计时，具有高精度。有几种不同的读出技术可从检测到的激光光子脉波中获取计时信息，总结如下：

测距读出技术

LED(前缘识别)——涉及对多光子讯号的上升沿的检测。计时的准确性是由辨别返回的光讯号的上升沿的能力决定的。这种技术不受激光脉波宽度的影响。

全波形数字化——全波形被数字化，可以过采样以提高精度。对于短激光脉波或高重复率源来说，可能难以实现。

TCSPC(时间相关的单光子计数)——提供最高的精度和最大的环境光抑制。这种技术要求每个激光脉波检测不到一个讯号光子。这种技术可以不受环境光的影响，但需要短脉波时间、高重复率和快速计时电子装置，以实现快速和准确的测量。

SPSD(单光子同步检测)——TCSPC的一种形式，提供高环境光抑制。必须设计电子装置来处理范围模糊的问题。

建模一个直接ToF测距系统

我们创建了一个直接ToF系统的MATLAB模型。该模型的框图如图2所示。该模型给定一组与表1中所示相似的系统参数，目的是预测系统的整体性能。第一步包括分析计算传感器的光照度(包括环境光和激光)，给定一个选定的光学场景，可以通过改变相应的系统参数来改变。通过比较计算出的光照度与传感器的饱和极限，可以验证所选择的设置是否适合测距。在特定设置不适合测距的情况下，可以通过改变系统参数来评估设置本身的改进。

该模型的第二部分包括一个Monte Carlo 仿真器，其中传感器的随机特性，主要是光子探测效率(PDE)和时间抖动，被再现。这一步允许通过仿真获得传感器的现实输出。与分析部分相比，这一步考虑到了计时信息，如采集时间、激光的重复率和激光脉波宽度。Monte Carlo 仿真的结果被传递给一个读出模型，通常是一个鉴别器，然后是一个TDC(时间到数字转换器)，它产生一个时间戳的柱状图，从中可以提取一个范围测量。

图2. 光照度的计算结合Monte Carlo仿真器，从而可以再现完整的系统输出。

表1. SiPM直接ToF测距系统中的变量

测距直方图

每次发出激光脉波时，采集系统都会进行一次单次测量。取决于许多因素，包括激光功率和与目标的距离，每个脉波检测到的激光光子数量可能很低。理想情况下，每个检测到的光子都会用时间标记。但每个单次测量的时间标记数量可能受到TDC死区时间的限制。通常情况下，许多单次测量的时间，各包含一个或多个时间标记，结合起来可产生一帧。在一帧过程中获得的完整计时数据可以以直方图的形式绘制出来，如图3所示。

系统测距性能受到直方图数据质量的限制，而直方图又受到系统参数的影响。从第7页“改变系统变量的影响”一节中详述的系统参数分析中可以看出，有一些限制因素和一些可以作出的取舍。下面使用的测距直方图也提供了一个直观的表示，这对于描述各种参数对所采集数据的影响是很有用的。基本直方图讯号和计时参数说明如下。

直方图的信噪比，SNRH，是讯号峰值与最大噪声峰值之比。SNRH = 讯号峰值/噪声峰值。

在模型中，以下术语适用于测量时间：f = 激光频率。

激光重复率限制了可以测量的最大ToF，无失真，这定义了每次单次测量的时间。

单次测量时间，tss = 1/f。

帧大小是指每张直方图的单次测量数。较大的帧大小可以提高SNRH，产生更好质量的直方图。测距速度由帧率定义：帧率=每秒测距次数 = 1/ tacq

图3. 显示讯号、噪声和飞行时间的仿真直方图实例