激光測距傳感器的原理及應用（二）

如今，激光雷達系統有2個主要發展方向，紅外激光雷達系統加上微電機械系統（MEMS Micro-Electro-Mechanical System）（配上轉動的激光發射器），或者采用固定狀態的激光雷達系統。

在簡要地討論這些技術的區別以前，需要對接收系統解釋一下。

接收系統的主要功能是識別從發射器發出的和從物體上反射的光束。因此探測器需要非常靈敏，以至能夠探測到單個的光子。如今，最新的相關設備采用了SPAD(Single-Photon Avalanche Diode單光子雪崩二極管) 技術。

該技術的原理很簡單，如圖11所示。這個二極管有特殊的偏移PN結結構，所以單個的光子就能在二極管內造成雪崩電流（由一點小電流引發的大量電流，類似雪崩現象，故名）。快速增大的二極管電流會被相應的電路探測到，然后產生數字信號，用于后期處理。

圖12顯示的是采用SPAD傳感器測量距離的工作原理。在時間為X時，激光發射器發出一個脈沖光信號，這一信號會被物體反射回來，經過Y時間后一個（或更多）光子到達傳感器，到該物體間的距離可以從光線傳播的時間長短計算出來。

如果一束或多束光線從轉動的鏡面或微型機械系統中發射出來，而又有一個由數個傳感器元件組成的陣列，那么三維立體的物體也能被探測出來。圖13和14就展示了兩種基本的激光探測系統的測量過程。

當采用基于MEMS技術的微型鏡面系統時，單一束的激光信號會以線形形式被發散和反射回來，反射的光子被相對應的SPAD元件中的光敏傳感器檢測到。這對于鏡面系統準確性、工作壽命、可調節度和可靠性有非常高的要求。畢竟這是一個內部帶有可動部件的系統。

乍一看上去，一個沒有可動零件的系統似乎更容易實現。但在這一系統中，需要數個（超過100個）激光二極管以及一個相對較大的接收器陣列。激光二極管必須能發出脈沖寬度在毫微秒級上的、電流達數個安培的信號能力，這對半導體制造商是很大的挑戰。

兩種系統都還在開發中。從一個半導體制造商的角度上來看，系統所需的半導體元件在技術上是可行的，但是SPAD陣列所需的空間面積不好實現。要想激活和控制激光二極管陣列，并實現大約100美元的目標成本，則需要新的方法。相應的微電機械系統也正在研發當中。