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Hybrid assembled MEMS scanner array with large aperture for fast scanning LIDAR systems

Hybrid-integriertes Mikroscannerarray mit großer Empfangsapertur für schnelle LIDAR-Systeme
 
: Sandner, T.; Grasshoff, T.; Wildenhain, M.; Schwarzenberg, M.

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Technisches Messen : TM 86 (2019), No.3, pp.151-163
ISSN: 0340-837X
ISSN: 0171-8096 (Print)
ISSN: 2196-7113 (Online)
English
Journal Article
Fraunhofer IPMS ()

Abstract
This article presents a large aperture micro scanning mirror (MSM) array especially developed for the panoramic 3D-ToF camera Fovea-3D. The Fovea-3D system uses a fiber amplified pulsed laser ToF technique at lambda = 1550 nm with 1 MVoxel distance measuring rate. It targets for real time 3D imaging with a panoramic optical field of view (FOV) of 360 degrees x 60 degrees (horizontal x vertical) combined with a large distance measurement range of 100 m and a video-like frame rate of 10 Hz. For fast vertical scan axis a MEMS scanner module with large receiver aperture was especially developed. It increases the scanning rate to 3200 Hz which is four times faster in comparison to state-of-the-art fast macroscopic polygon scanning systems used for LIDAR systems. To guarantee at the same time a large reception aperture of D-eff = 23 mm, large FOV of 60 degrees and high vertical scanning rate of 3200 Hz, a hybrid assembled MSM array was developed consisting of 22 reception mirrors and a separate emitting mirror for laser scanning of the target. For Fovea3D hybrid assembly of frequency selected scanner elements was chosen instead of a monolithic MEMS scanner array to guaranty a high yield of MEMS fabrication. All MSM are driven in parametric resonance to enable a fully synchronized operation of all individual MEMS scanner elements. Therefore, piezo-resistive position sensors are integrated on each MEMS chip for position feedback of driving control. The paper discusses details of the MEMS system integration including the synchronized operation of multiple MEMS scanning elements.

 

In diesem Artikel wird ein MEMS- Scannerspiegel Array vorgestellt, welches speziell für zur großen Empfangsapertur schnell scannendes die 3D-ToF Panoramakamera Fovea-3D entwickeltes zur Gewährleitung einer aus synchron scannenden identischen Mikroscannern besteht. In diesem Artikel wird der MEMS basierte Laserscanner Fovea-3D vorgestellt. Dieser zielt auf Echtzeit 3D-Bildgebung mit einem optischen Panorama-Sichtfeld (FOV) von 360°×60° (horizontal × vertikal) in Kombination mit einem großen Entfernungsmessbereich von mindestens 100 m und einer Bildfrequenz von 10 Hz. Die Entfernungsmessung beruht auf einem Pulslaufzeitverfahren mit faserverstärktem Pulslaser bei λ=1550nm und APD-Einzelelementdetektor, resultierend in einer Entfernungsmessrate von 1 MVoxel. Der schnelle vertikale Scan erfolgt über ein 1D-MEMS-Modul mit großer Empfangsapertur, welches die Scanrate auf 3200 Hz erhöht und somit viermal schneller als derzeit für echtzeitfähige Laserscanner verwendete makroskopische Polygon-Scansysteme ist. Um gleichzeitig eine große Empfangsapertur von Deff=23mm, ein großes FOV von 60° und eine Scanrate von 3200 Hz zu gewährleisten, wurde ein hybrid integriertes MSM-Array mit synchron scannenden identischen Mikroscannern entwickelt, das aus 22 Empfangsspiegeln und einem separaten Sendespiegel besteht. Eine Hybridintegration von einzelnen frequenzselektierten MEMS-Spiegeln anstelle eines monolithisch integrierten MEMS-Scannerarrays wurde gewählt, um eine hohe MEMS-Fertigungsausbeute zu gewährleisten. Alle MSM werden in parametrischer Resonanz betrieben, um einen vollständig synchronisierten Betrieb aller Einzelelemente zu gewährleisten. Zur Messung des aktuellen Ablenkwinkels sind piezoresistive Positionssensoren im MEMS-Scanner integriert. Im Artikel werden Details der MEMS-Systemintegration einschließlich des synchronisierten Betriebs mehrerer MEMS-Scannerelemente erörtert.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-549344.html