在2016年美國(guó)MEMS與傳感器執(zhí)行大會(huì)期間，我見(jiàn)到了Mic roVision 公司系統(tǒng)工程與先進(jìn)應(yīng)用部門(mén)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(dòng)鏡技術(shù)。

 

圖1：我手里捏著的就是單個(gè)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(kāi)發(fā)、銷(xiāo)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(kāi)發(fā)微型投影儀和平視顯示器(HUD)市場(chǎng)，兩家公司還有意進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新興市場(chǎng)與應(yīng)用，包括虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(VR，AR)、3D檢測(cè)以及先進(jìn)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(lái)的技術(shù)開(kāi)發(fā)方面進(jìn)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(jì)與制造專長(zhǎng)和MicroVision公司的LBS系統(tǒng)與解決方案。
 

 

這是業(yè)內(nèi)的熱門(mén)話題，很多大公司都想從中分得一杯羹。英飛凌去年通過(guò)收購(gòu)Innoluce獲得了激光雷達(dá)專用技術(shù)。ADI公司也從Vescent Photonics公司收購(gòu)了LBS技術(shù)，以支持主流汽車(chē)激光雷達(dá)系統(tǒng)的普及。我希望未來(lái)會(huì)有更多同類的收購(gòu)案發(fā)生，使這個(gè)市場(chǎng)火熱起來(lái)。

獨(dú)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(gè)反射鏡懸浮在常平架(Gimbal Frame)內(nèi)，常平架上有一個(gè) 微加工的通電線圈。MEMS裸片周?chē)惭b有永磁體，用于提供磁場(chǎng)。只要給MEMS線圈 施加一個(gè)電流，就能在常平架上產(chǎn)生一個(gè)磁力扭矩，并沿旋轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)方向產(chǎn)生分量。

 

這種設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵特性是只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入到MEMS。為了產(chǎn)生雙軸移動(dòng)，垂直和水平移動(dòng)的波形只需做簡(jiǎn)單的疊加。

 

圖3：扭矩的一個(gè)分量使常平架繞其撓曲懸架旋轉(zhuǎn)(左)；另一個(gè)分量則激發(fā)掃描鏡諧振 模式的振動(dòng)，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(dòng)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(dòng)波形。

 

兩個(gè)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(guò)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(hào)可以提高投影式顯示器長(zhǎng)時(shí)間使用和在不同環(huán)境條件 下的穩(wěn)定性。

 

紅、藍(lán)和綠色激光二極管與 MEMS掃描鏡集成在一起形成一個(gè)緊湊的彩色顯示引擎，如圖6所示。掃描鏡系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中使用了MEMS和小型激光器，包含光源在內(nèi)，整個(gè)體積不超過(guò)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(gè)像素時(shí)， 系統(tǒng)中的激光器會(huì)打開(kāi)。若由于圖像內(nèi)容而不需使用三個(gè)激光器中的某一個(gè)時(shí)，可將其關(guān)閉，從而最大程度地減小功耗。

 

這個(gè)系統(tǒng)可以產(chǎn)生720p、1280×720的圖形顯示分辨率，亮度可達(dá)25lm，在1.1m的投影距離上可以形成對(duì)角線尺寸約為1m的圖像。因此這種設(shè)計(jì)具有功耗低和體積小的特點(diǎn)。使用激光光源的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，圖像在任何投影距離點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(gè)器件的體積比一個(gè)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(qiáng)大功能令人稱奇。它還能用作圖像捕獲器件。

 

 

 

MicroVision公司的嵌入式解決方案采集和處理來(lái)自數(shù)據(jù)源的信號(hào)，用于對(duì)單個(gè)像素的顏色混合和布局進(jìn)行控制和同步。通過(guò)改變每個(gè)激光光源的強(qiáng)度，可以形成一個(gè)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(gè)很好的例子(圖11)。

 

在平視顯示器中，專門(mén)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(lán)、綠激光光源可以產(chǎn)生幾乎所有可見(jiàn)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(guò)重復(fù)的水平與垂直掃描移動(dòng)來(lái)排列像素。這個(gè)過(guò)程可以產(chǎn)生豐富的內(nèi)容，但不會(huì)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(dòng)。

 

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(chē)擋風(fēng)玻璃上作為駕駛場(chǎng)景的一部分，這樣駕駛員的雙眼不用離開(kāi)路面就能瀏覽到這些信息(圖13)。在MEMS與傳感器執(zhí)行大會(huì)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(cè)器的激光束掃描技術(shù)開(kāi)發(fā)基于MEMS的掃描式激光雷達(dá)系統(tǒng)。

 

圖14：基于MEMS的掃描式激光雷達(dá)系統(tǒng)。

 

基于MEMS的掃描式激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)是具有很高的水平與垂直分辨率， 并且能夠動(dòng)態(tài)改變檢測(cè)分辨率和幀速率。根據(jù)具體的應(yīng)用或駕駛情況，同一個(gè)掃描式激光雷達(dá)既可以實(shí)現(xiàn)慢速高分辨率的捕獲，也可以實(shí)現(xiàn)快速低分辨率的捕獲。

本文來(lái)源于電子技術(shù)設(shè)計(jì)。