Как повысить точность обнаружения LiDRA и увеличить расстояние? Анализ с точки зрения источника света
Ключевые слова: LiDAR FPLD VCSEL
[Руководство] Это проблема системного уровня для LiDAR, заключающаяся в достижении большей дальности обнаружения и более стабильной работы. Но источник света - это основа всего, и мы рекомендуем отдавать приоритет выбору источника света. В этой статье анализируется, как конкретные параметры источника света влияют на производительность системы LiDAR.
LiDAR возник в 1960-х годах. Он представляет собой комбинацию слов Light и Radar. Основной принцип работы можно увидеть из названия. Он использует метод, аналогичный радиообнаружению, для излучения света на объект, который нужно измерить, и измерения Разница во времени его отдачи используется для расчета расстояния. Благодаря постоянному развитию технологии LiDAR, в последние годы она широко использовалась в iPhone и беспилотных автомобилях для реализации трехмерного восприятия окружающей среды, и поэтому хорошо известна публике.
1
Согласно прогнозу Йоле, общий рынок LiDAR достигнет 3,8 миллиарда долларов США в 2025 году с совокупным темпом роста примерно 19% с 2019 по 2025 год. По мере того, как общая стоимость приложений LiDAR снижается, уровень проникновения в робототехнику, автономное вождение и промышленность будет расти.
Система LiDAR: сочетание оптоэлектроники, аналоговой и цифровой
Типичная система LiDAR включает в себя оптоэлектронные микросхемы, оптические структуры, аналоговые схемы, цифровые схемы и основные блоки управления.Источник света использует импульсные лазерные диоды для излучения импульсных световых сигналов, а на задней стороне имеются соответствующие переключатели, микросхемы привода и схемы. .; Излучаемый свет должен быть рассортирован через определенную оптическую структуру; часть, которая принимает свет, является блоком формирования изображения, а также требует оптоэлектронных устройств, таких как PD (фотодиод), APD (лавинный диод) или SPD (однофотонный лавинный диод ), и схема преобразования сигнала на задней панели; затем, в соответствии с различными методами обработки ToF, она будет проходить через TDC или сравнение фаз позже, и, наконец, все высокие данные будут обрабатываться блоком управления (SoC / MCU, так далее.). На следующем рисунке показан конкретный пример LiDAR-системы типа dToF.
2
Для приложений LiDAR наиболее важными показателями производительности являются точность обнаружения, расстояние, дальность, разрешение и т. Д. Выбор из трех должен основываться на конкретных сценариях применения для выбора различных технических решений. На системном уровне энергопотребление и стоимость также являются важными факторами, которые необходимо учитывать.Поэтому текущая технология LiDAR также очень богата, и технические маршруты каждой компании также различны. Но из деконструкции системы LiDAR, показанной на рисунке выше, мы можем видеть, что источник света является одним из самых основных устройств во всей системе и играет наиболее важную роль; производительность источника света будет напрямую влиять на общую представление.
Компания ROHM недавно провела пресс-конференцию в Пекине, на которой рассказала о технологии источников света LiDAR. Эта статья также будет посвящена анализу с этой точки зрения.
Основные оптоэлектронные устройства LiDAR: FPLD и VCSEL
Существуют LED, Vcsel, лазерные диоды FP и другие типы источников света.Среди них импульсный световой сигнал, необходимый для LiDAR, в основном включает оптические устройства Vcsel и FPLD, которые соответствуют различным приложениям 3DToF. По словам г-на Ву Бо, инженера Пекинского технологического центра ROHM, FPLD также называют LD с торцевым излучением, который в основном используется для вращения 3DToF. Лазерный свет от краевого светодиода формируется линзой и попадает в многоугольное зеркало, которое непрерывно вращается на 360 градусов для выполнения кругового сканирования. Этот метод измерения расстояния имеет лучшие светособирающие свойства, поэтому измерение расстояния относительно далеко, которое может достигать более 100 метров. Разрешение зависит от скорости сканирования механического элемента. VCSEL применяется для освещения 3DToF - свет, излучаемый VCSEL, проходит через диффузор, например, рассеивается под горизонтальным углом около 120 градусов и сканирует объект в пределах горизонтального угла 120 градусов. 3DToF с подсветкой обычно имеет лучшее разрешение, но из-за того, что световая энергия относительно рассеяна, ее труднее использовать для дальних дистанций.
3
Пути передачи света FPLD и VCSEL также полностью различны.Как показано на рисунке ниже, оптический сигнал FPLD излучается со стороны чипа, а оптический сигнал VCSEL освещается с верхней поверхности чипа. При выполнении системной интеграции расположение источников света также отличается.
4
Мощность передачи, длина световой волны, дрейф длины волны, частота модуляции, скорость фотоэлектрического преобразования и ширина линии лампы являются особенно важными параметрами для светоизлучающих устройств, которые также напрямую влияют на общую способность обнаружения LiDAR-системы.
5
Сообщается, что ROHM достигла массового производства 780-нм FPLD с 1984 года и после более чем 30 лет технологического развития и атмосферных осадков. Как показано на рисунке выше, предыдущая компоновка лазерных диодов ROHM сконцентрирована на продуктах с мощностью ниже 100 мВт от 635 до 780 нм, в то время как текущая длина волны была увеличена до 820-905 нм, а уровень мощности был увеличен до 25 Вт и 75 Вт. Г-н У Бо сказал, что есть два будущих направления развития лазеров ROHM: одно - это серия мощных FPLD на 905 нм, а второе - что VCSEL расширит линейку продуктов в двух направлениях: ниже 4 Вт и выше 100 Вт.
6
Как сверхузкая ширина линии, форма света и температурная зависимость влияют на производительность LiDAR
Многие параметры лазера были упомянуты выше, но влияние ширины линии на производительность, в частности, для многих непонятно. Продукт RLD90QZW3 класса FPLD мощностью 75 Вт, недавно выпущенный ROHM, реализовал сверхузкую в отрасли ширину светящейся линии 225 мкм. Поскольку излучаемый свет FPLD должен проходить через линзу, чтобы сформировать параллельный свет, прежде чем его испускают для обнаружения сканирования, чем уже ширина линии самого лазера, тем меньше параллельное пятно после прохождения через линзу и тем сильнее световой поток. интенсивность света в центре пятна, поэтому расстояние обнаружения больше и точность выше. Ширина линии лазера RLD90QZW3 достаточно мала, что является очень хорошей характеристикой для лидарных приложений.
7
Стабильность работы лидара также требует поддержки лазеров для лучшего достижения.С точки зрения лазеров, форма света и температурная зависимость являются двумя важными показателями. Помимо узкой ширины линии, еще одним преимуществом RLD90QZW3 является то, что его светлая форма очень хороша. Как показано на рисунке ниже, сила света во всем диапазоне ширины линии более однородна, чем у традиционных продуктов, а сила света на краю светоизлучающей части существенно не уменьшается или ослабляется, что может помочь лидару в достижении более высокая точность. Кроме того, характеристики температурного дрейфа RLD90QZW3 также более заметны, а температурная зависимость увеличена на 40% по сравнению с обычными продуктами. С точки зрения системы LiDAR, фотодетектор (сторона изображения) может пропускать свет только в определенном диапазоне длин волн, поэтому, чем меньше длина волны света изменяется при разных температурах, тем более стабильной будет работа лидара. Следовательно, низкая температурная зависимость RLD90QZW3 может гарантировать, что LiDAR обеспечивает более стабильное обнаружение изображений.
8
При достижении ширины линии PCE (эффективность фотоэлектрического преобразования) будет уменьшаться. Но RHM RLD90QZW3 не пошел на компромисс с PCE - при достижении сверхузкой ширины линии в продуктах класса мощности 75 Вт производительность PCE достигла 21%, что соответствует обычным продуктам. Таким образом, клиенты не должны беспокоиться о потреблении энергии, стремясь увеличить дальность обнаружения системы LiDAR с таким уровнем мощности.
9
Как добиться сверхузкой ширины линии и отличной формы света, не влияя на PCE? Компания ROHM сообщила, что это извлекло выгоду из ее запатентованного производственного процесса и вертикально унифицированной производственной системы. Выгодные процессы включают технологию выращивания кристаллов на основе MOCVD и усовершенствованную технологию обработки в сочетании с влажным и сухим травлением; а вертикальная унифицированная производственная система от проектирования до упаковки и тестирования обеспечивает стабильность качества продукции. Конкретные технические детали не могут быть раскрыты, но сообщается, что его совершенно новые фотонно-кристаллические лазерные диоды также находятся в стадии разработки.
10