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MEMS激光扫描投影技术

2020.10.06

你能想象现在的科学技术已经可以把之前几十公斤重的激光雷达塞进一块比指甲盖还小的芯片中而且还能完成同样的工作吗?利用新世纪的集成电路和 3D 加工技术，一块小小的芯片能够承载比我们以往任何时代都多的功能，而这一技术的潜在应用领域也让芯片业巨头挤破了头去收购相关技术。

　　2012 年，微机电系统(MEMS)行业巨头 STMicroelectronics 收购以色列生产手机投影设备的公司 bTendo，获得这家公司的静电驱动一维 MEMS 激光扫描投影技术。2015 年，Intel 并购瑞士生产微型投影设备的公司 Lemoptix，现在已经将这家公司的 MEMS 激光扫描芯片应用于自己的 Remote EyeSight 增强现实眼镜上。2016 年，汽车半导体巨头英飞凌收购荷兰一家以一维 MEMS 激光扫描技术研制激光雷达的创业公司 Innoluce。

　　什么是 MEMS?微机电系统(MEMS)是利用集成电路制造和三维硅微加工技术，把微米甚至纳米尺度的结构、传感器、控制处理电路甚至接口、通信和电源等制造在一块或多块芯片上的微型智能系统，它可以提供智能装置对外界环境的感知甚至处理的能力。MEMS 的微型化、高效能、低成本属性，使得其可以应用到几乎所有产品上，具有革命性的意义。例如 AR/MR 智能眼镜、激光抬头显示器(HUD)、MEMS 激光雷达、智能激光车头灯、生医检测影像扫描、人际交互感应、全息投影、3D 深度摄像头等领域，都需要用到 MEMS。在 MEMS 出现之前，这些产品无论是体积、成本还是能耗，都一直让产品开发人员头疼，同时也是制约技术进步的难题。

　　以激光雷达为例，在早期的 Google 自驾驶汽车上，相关的设备及传感器的成本，尤其是扮演自驾车眼睛角色、位于车顶的传统机械式激光雷达就占据了整车上路前制造成本的一半以上。目前随着技术的进步，即便 Google 自驾驶汽车上的相关设备体积小了很多，但车顶的激光雷达仍有赖于微型化的 MEMS 激光传感器才可能达到低成本、低风阻、甚至释放车体设计自由度的美观要求。如果使用 MEMS 技术，激光雷达可以做到跟汽车雷达一样小巧的体积，直接安装在保险杠上，在不影响美观的同时还能完成一样的扫描、监测任务。

　　世界上多家顶级视觉、图像公司都在寻求应用于 AR、MR 领域的 MEMS 微投影方案，当前需要外加磁铁、体积大的电磁驱动 MEMS 以及静电驱动的一维 MEMS 技术仍为主流，但更低耗能、体积更小的静电驱动二维 MEMS 激光扫描技术，提供更微型化、更简洁的光机架构才是发展趋势。

　　2014 年 11 月，欧盟 Lab4MEMS II 计划启动，全力支持静电驱动二维 MEMS 扫描芯片技术。二维 MEMS 扫描芯片技术可以应用于激光微投影、3D 深度摄像头、微光谱仪、激光雷达等设备上。与此同时，不少厂家，比如英飞凌的 MEMS 激光雷达尺寸已经可以做到比硬币还小，制作成本也将进一步下降。

　　一家客户名单让人羡慕的技术型创业公司

　　今天，TECH2IPO/创见将向各位介绍一家名叫 Opus Microsystems 的创业公司。Opus 成立于美国硅谷和中国台湾两地，2002 年起开始研究 MEMS 激光扫描芯片，2010 年开始研究静电式二维 MEMS 激光扫描投影平台技术，2015 年开始应用于智能硬件产品方案，2016 年与赫赫有名的 Facebook 和 Magic Leap 就 AR/MR 的应用签署协议，2017 年初开始与欧姆龙合作 MEMS 激光雷达的开发。

　　Opus 在 2016 年研发了全球最小的高清二维 MEMS 芯片以及 AR 激光抬头显示器。这么描述各位可能难以想象是什么东西，但如果提起使用这一技术的 HoloLens 或者汽车挡风玻璃的 HUD 的话，或许更好理解。Opus 的 MEMS 非常小巧，可以塞进任何移动设备中，不需要像传统的投影仪一样对焦就可以将高色彩饱和度、广色域、高对比度的高清图像在任何表面进行投影，5 吋手机秒变 50 吋大电视。更关键的是，因为采用的高效率激光投影技术，产品的功耗也相当低，是智能手机、平板电脑等移动设备可以承受的。

　　2016 年可穿戴设备博览会上，日本 Sharp 展示了与 Opus 的合作成果。利用 Opus 的激光微投影方案，夏普公司展示了可以投射出 50 吋色彩饱和高清图像的激光微投影仪，还有同样不需要对焦、可以穿戴在身上的微投影仪，以及用于人机交互的悬浮投影技术，科幻电影里的场景出现在现实生活中，令人为之震惊(见下图)。

Opus 创始人洪昌黎博士对 TECH2IPO/创见表示，2016 年对于 Opus 来说是具备里程碑意义的一年。在这一年里，Opus 跟 Magic Leap 和 Facebook 公司分别签署了协议，但是因为签署了 NDA 协议，具体合作内容我们不得而知。不过从 Magic Leap 和 Facebook 自己以及国外媒体曝光的信息来看，他们的 MR 产品或许应用了 Opus 的相关技术。

　　而在 MEMS 激光雷达领域，Opus 取得了突破性的技术进步和应用。Google 的自驾驶汽车上装备的是机械式脉冲激光发射器，而 Opus 的 MEMS 激光雷达可以完全取代这些笨重的设备，以一枚硬币的大小安装在汽车保险杠上，MEMS 的效果比机械式激光雷达的效果还要好。更关键的是 Google 自驾驶汽车上的机械式激光雷达成本高达 7000 美元，Opus 的成本只有 50 美元，不仅成本降为原来的 1% 不到，而且体积也缩小了 100 倍。

　　洪昌黎博士在美国斯坦福大学取得硕士、博士学位(28 岁博士学位、2 年兵役)，掌握着 27 项发明ZL。在 Opus 的团队中，还有多年集成电路设计产业经验、来自美国康奈尔大学的电机工程硕士黄世才，来自 UC 伯克利的博士后杨学安，以及多位美国南加大、马里兰大学海归和台大、清华、交大硕士毕业的人才，专业涵盖微机电、集成电路设计、光学、软硬件设计等领域。团队成员均有多年相关的技术背景，技术实力雄厚。也与国际知名的厂商进行了战略合作，建立起了微机电芯片大量生产的供应链。

　　创业艰辛，曾遭日本客户质疑方案无法重现

　　在众人甚至战略合作伙伴眼中，Opus 目前的发展轨道或许是让人称羡的，但跟众多创业公司一样，Opus 一路走来历经许多波折，甚至面临关闭的危机。1998 年洪博士离开了与朋友共同创立的一家公司，这家公司曾经拿到台积电与宏基电脑的投资，后被美国 Amkor Technology 并购。之后加入了新加坡汇亚基金负责风险投资业务，参与阿里巴巴第一笔融资，开始进入投资领域。与此同时，硅谷的投资人也开始了对 MEMS 激光技术领域的疯狂投资。

　　互联网泡沫破裂 2 年后，Opus 成立了。当时硅谷尚未恢复元气，但是基于对技术和市场趋势的了解，洪博士坚信 MEMS 在激光扫描应用更巨大的机会将会来临。在取得台湾一品光学董事长天使投资后，便投入一维 MEMS 芯片的开发与光学系统的合作。一年后的会议上，Opus 的产品收获了来自日本客户的订单，但也因为芯片规格原因需要重新设计架构。历经数次规格提升，两年后 Opus 的产品终于满足了日本客户的苛刻的「工匠精神」的要求。但不巧的是，亚洲金融风暴发生了。洪博士回忆，2007 年时客户合作计划，公司面临资金断链的危机。不过通过严格控制现金流、开发新产品、新客户，公司顺利渡过难关，同时也完成了从产品到解决方案的转型。

　　在访谈中，洪博士向我们透露，在众多合作的国外客户中，他依然清楚地记得一次跟日本客户合作时的波折与客户对产品的希冀。在一次跟某位日本客户合作中，Opus 顺利的提供了 MEMS 光机设计方案与样品，但对方的一位技术主管在自行尝试重现设计方案时，指责 Opus 并质疑该设计方案不可行，要求提供额外的样品以配合其开发进度。

　　事后该技术主管向其研究所所长报告 Opus 的方案无法实现，所长非常不高兴，亲自到 Opus 对方案进行查证。在 Opus 技术团队依据设计方案现场做出样品后，当下该所长即向 Opus 的代表道歉并打电话责备日本下属失职，此后该公司技术团队始终对 Opus 保持信任与尊重的态度，双方也更加紧密的合作。

　　技术实力加可靠的产品再加上多种前瞻型技术产品对 MEMS 芯片的需求，让 Opus 在全球范围内得到了大量的订单。Opus 现在与夏普、欧姆龙、Blue Optech、Magic Leap、Facebook、小优智能、LG Innotek、上海汉缔等公司在 3D 深度摄像头、AR/MR 智能眼镜、激光抬头显示器、激光雷达、虚拟浮空投影等领域开展合作。

对于未来发展，洪博士有自己的想法，他非常看重中国内地的市场。下一步 Opus 将在中国内地设立分公司，发展基于 MEMS 核心技术的终端智能硬件和应用，对接国内客户与市场，并与国内晶圆厂合作推动 MEMS 芯片的本地化生产。

　　另外，Opus 还将计划在内地设立先进微纳米系统科技研究院，加大对 MEMS 技术及其对机器视觉、AR/MR 领域的应用技术研究。同时也将在美国和日本开设营运网点，在需求旺盛的市场里进行产品和技术对光。他向 TECH2IPO/创见透露，Opus 正在与国内多个地方政府进行交流、谈判，落地中国的目标很快就会实现。

　　洪博士告诉我们，目前市场对于 MEMS 激光传感器有极其强烈的需求，尤其是 3D 深度摄像头。利用 3D 深度摄像头，可以完成 3D 物体扫描建模、AR/MR/VR 物体建模、AR 空间定位、环境感知等对技术和设备要求高的任务，现在面世的高端 AR 眼镜都配备了 3D 深度摄像头。

　　根据 Allied Market Research 预测，到 2020 年全球 3D 深度摄像头市场规模将达到 76 亿美元，复合年增长率接近 40%，到 2020 年全球几乎一半的手机都将配备 3D 摄像头。但是目前市面上的 3D 深度摄像头都存在或多或少的问题，而这些问题正是各大科技巨头争相希望解决的。采取传统的结构光投影或 ToF 方式的 3D 深度摄像头，都存在分辨率过低的问题，采用双镜头的方案则需在明亮环境下才能有效工作。无论是 Google、Intel 还是苹果，都暂时没有很好的解决方案。Opus 即将生产的 MEMS 3D 深度摄像头解决了传统激光传感器分辨率低的问题，提供高分辨率的 3D 扫描和面部识别功能，可以达到毫米级以下的精度。当然，体积会更小，价格也会更低。

　　体积小、价格低，这两个理由难道还不足以让产品实现商业化吗?足矣!相信很快我们就可以在市场上看到基于 Opus MEMS 激光扫描投影技术的 AR/MR 智能眼镜、AR 车载抬头显示器、3D 深度摄像头，以及搭载 Opus MEMS 激光雷达的无人驾驶汽车。

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