如何讓LiDRA探測(cè)實(shí)現(xiàn)更高精度和更長(zhǎng)距離？從光源角度分析

LiDAR（激光雷達(dá)）最早起源于60年代，是Light和Radar兩個(gè)詞的組合，從命名上就可以看出其基礎(chǔ)的工作原理——采用類似無(wú)線電檢測(cè)的方式，向待測(cè)對(duì)象發(fā)射光，測(cè)量其返回的時(shí)間差來(lái)計(jì)算距離。隨著LiDAR技術(shù)的不斷發(fā)展， 近年來(lái)被廣泛應(yīng)用在iPhone和自動(dòng)駕駛汽車中實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境3D感知，從而被大眾所熟知。

據(jù)Yole的預(yù)測(cè)到2025年的LiDAR整體市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到38億美金，從2019年到2025年復(fù)合增長(zhǎng)率約為19%。隨著LiDAR應(yīng)用整體成本的降低，在機(jī)器人、自動(dòng)駕駛和工業(yè)等普及率會(huì)越來(lái)越高。

LiDAR系統(tǒng)：光電、模擬和數(shù)字的結(jié)合

一個(gè)典型的LiDAR系統(tǒng)中包含光電芯片、光學(xué)結(jié)構(gòu)、模擬電路、數(shù)字電路和主控單元等：光源的部分采用脈沖激光二極管用來(lái)發(fā)射脈沖光信號(hào)，后端有相應(yīng)的開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)芯片以及電路設(shè)計(jì)；發(fā)出的光需要經(jīng)過(guò)一定的光學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行整理；接收光的部分是成像單元，同樣也需要譬如PD（光電二極管）、APD（雪崩二極管）或SPD（單光子雪崩二極管）等光電器件，以及后端的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路；然后根據(jù)ToF的處理方式不同，后面又會(huì)經(jīng)過(guò)TDC或者相位比較，最終高所有的數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過(guò)控制單元（SoC/MCU等）來(lái)進(jìn)行處理。下圖即一個(gè)dToF類型的LiDAR系統(tǒng)的具體示例。

對(duì)于LiDAR應(yīng)用而言，探測(cè)的精度、距離、范圍、分辨率等是最關(guān)鍵詞的性能指標(biāo)，針對(duì)三者的取舍要依據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)選擇不同的技術(shù)方案。而落實(shí)到系統(tǒng)層面，功耗和成本也是需要考慮的重要因素，因此目前LiDAR的技術(shù)也非常豐富，各家技術(shù)路線也都有所差異。但從上圖的LiDAR的系統(tǒng)解構(gòu)中我們可以看到，光源在整個(gè)系統(tǒng)中是最基礎(chǔ)的器件之一、起到了最為關(guān)鍵的作用；光源的性能將直接影響到整體的表現(xiàn)。

在近日ROHM在北京召開(kāi)了發(fā)布會(huì)，針對(duì)LiDAR的光源技術(shù)進(jìn)行了分享，本文也將從這一角度來(lái)進(jìn)行重點(diǎn)的剖析。

LiDAR的主流光電器件：FPLD與VCSEL

光源有LED、Vcsel、FP型激光二極管等類型，其中LiDAR所需的脈沖光信號(hào)，主要有Vcsel和FPLD兩種光學(xué)器件，分別對(duì)應(yīng)著不同的3DToF應(yīng)用高。據(jù)羅姆北京技術(shù)中心工程師吳波先生分享，F(xiàn)PLD也叫做邊發(fā)射型的LD，主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)式3DToF。邊發(fā)射型LD發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)透鏡整形之后打到多棱鏡上去，多棱鏡360度不停旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行一個(gè)全方位的掃描。這種測(cè)距方式因?yàn)榫酃庑暂^好，所以測(cè)距比較遠(yuǎn)，可以達(dá)到100米以上。分辨率取決于機(jī)械元件掃描速度。VCSEL則應(yīng)用于照射型3DToF——VCSEL發(fā)出的光經(jīng)過(guò)一個(gè)擴(kuò)散板，例如擴(kuò)散到120度左右的水平角，在120度水平角里面進(jìn)行一個(gè)物體的掃描。照射型的3DToF一般來(lái)說(shuō)分辨率比較好，但是因?yàn)楣饽芰勘容^分散，用來(lái)做長(zhǎng)距離測(cè)距較為困難一些。

FPLD和VCSEL的光傳導(dǎo)路徑也截然不同，如下圖所示FPLD的光信號(hào)是從芯片的側(cè)面發(fā)射出來(lái)的，而VCSEL的光信號(hào)則是從芯片的上表面照射出來(lái)的，不同的發(fā)光方式在其進(jìn)行系統(tǒng)集成的時(shí)候，光源的布置方式也有所差異。

發(fā)射功率、光波長(zhǎng)度、波長(zhǎng)溫飄、調(diào)制頻率、光電轉(zhuǎn)換率和線寬燈是發(fā)光器件尤為重要的參數(shù)，這也對(duì)于LiDAR系統(tǒng)整體的探測(cè)能力有著直接的影響。

據(jù)悉ROHM從1984年就實(shí)現(xiàn)了780nm FPLD的量產(chǎn) ，此后經(jīng)過(guò)30多年技術(shù)發(fā)展和沉淀。如上圖所示，ROHM以往的激光二極管產(chǎn)品布局集中于635nm～780nm、100mW功率以下的產(chǎn)品，而目前波長(zhǎng)已經(jīng)擴(kuò)展到820～905nm、功率等級(jí)提高到了25W和75W。吳波先生表示，ROHM的激光器未來(lái)發(fā)展方向有兩個(gè)：一個(gè)是905nm的大功率FPLD系列，一個(gè)是VCSEL會(huì)在4W以下和100W以上兩個(gè)方向上拓寬產(chǎn)品線。

超窄線寬、光形、溫度依存性如何影響LiDAR的性能

在上文中已經(jīng)提及到了激光器的諸多參數(shù)指標(biāo)，但其中尤其是線寬對(duì)于性能的影響很多人可能并不清楚。近日ROHM推出的75W等級(jí)的FPLD產(chǎn)品RLD90QZW3，即實(shí)現(xiàn)了行業(yè)內(nèi)超窄的225μｍ發(fā)光線寬。因?yàn)镕PLD的發(fā)射光線需要先經(jīng)過(guò)透鏡整形成平行光之后再打出去進(jìn)行掃描檢測(cè)，所以激光器本身線寬越窄，經(jīng)過(guò)透鏡之后的平行光斑就越小，光斑中心部分的光強(qiáng)就越強(qiáng)，所以探測(cè)的距離也就更遠(yuǎn)，精度更高。RLD90QZW3激光器的線寬足夠窄，對(duì)于激光雷達(dá)應(yīng)用是一個(gè)非常好的特點(diǎn)。

激光雷達(dá)的性能穩(wěn)定性也需要激光器的支持才可以更好的實(shí)現(xiàn)，從激光器角度來(lái)看，出光光形和溫度依存性是兩個(gè)重要指標(biāo)。除了線寬窄之外，RLD90QZW3的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于其出光的光形非常好。如下圖所示，在整個(gè)線寬范圍內(nèi)的發(fā)光強(qiáng)度相比傳統(tǒng)產(chǎn)品更均勻，在發(fā)光部邊緣處的發(fā)光強(qiáng)度并沒(méi)有明顯的降低和衰減，可以幫助激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)更高精度性能。此外RLD90QZW3的隨溫漂移性能也較為突出，溫度依存相較普通產(chǎn)品提高了40%。從LiDAR系統(tǒng)角度來(lái)分析，感光測(cè)（成像側(cè)）只能允許某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光通過(guò)，所以光的波長(zhǎng)在不同溫度下變化越小，則激光雷達(dá)的性能就會(huì)越穩(wěn)定。因此RLD90QZW3的低溫度依存特性可以保證LiDAR實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的成像檢測(cè)。

在追求線寬的同時(shí)，PCE（光電轉(zhuǎn)換效率）就會(huì)降低。但ROHM的RLD90QZW3并沒(méi)有在PCE上妥協(xié)——在75W功率等級(jí)產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)超窄線寬的同時(shí)，PCE性能實(shí)現(xiàn)了和普通產(chǎn)品一致的21%的表現(xiàn)。因此客戶在該功率等級(jí)的LiDAR系統(tǒng)上追求更長(zhǎng)探測(cè)距離的同時(shí)，并不需要收到功耗的困擾。

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如何實(shí)現(xiàn)的超窄線寬、優(yōu)秀的出光光形還不影響PCE？ROHM表示這得益于其專利的生產(chǎn)工藝和垂直統(tǒng)一的成產(chǎn)體制。優(yōu)勢(shì)工藝包括基于MOCVD的自有晶體生長(zhǎng)技術(shù)和Wet-Dry蝕刻相結(jié)合的精細(xì)化加工技術(shù)；而從設(shè)計(jì)到封測(cè)垂直的統(tǒng)一成產(chǎn)體制保證了其產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。具體的技術(shù)細(xì)節(jié)并不能夠透露，但據(jù)悉其全新的光子晶體激光二極管產(chǎn)品也正在研發(fā)中。