光焱科技 胜焱电子科技 Enlitech
Previous slide
Next slide
Tell us more, we’ll
Enlighten Your Ideas!

LiDAR微型化的障碍与解决方法

在 2023 年 4 月号的《ADAS & Autonomous Vehicles International》杂志中,Sabbir Rangwala 博士发表了一篇关于激光雷达(LiDAR)传感器微型化的封面特色文章。

重点摘要

  1. LiDAR微型化的障碍:
    • 激光制程效率和自由空间传输方面的挑战。
    • 传输-接收过程效率低和眼睛安全方面的担忧。
    • 激光效率低且对温度敏感,需要复杂的封装。
  2. 目前的方法:
    • 基于固态技术的无移动部件视场(FoV)方法。
    • 使用单一激光脉冲或电子扫描数组来处理FoV。
    • 利用半导体技术的进步来开发LiDAR。
    • 提及特定公司及其LiDAR技术。

LiDAR微型化的障碍

LiDAR微型化的主要障碍在于其所使用的激光技术。从电子产生称为光子的光粒子是一个复杂且效率低的过程。20世纪90年代,电信革命在将半导体激光器从研究实验室推进到大规模生产设施并将其整合到陆地和海底光纤网络中发挥了关键作用。然而,LiDAR由于需要在自由空间中传输激光能量,因此面临独特的挑战。

在LiDAR中发送和接收激光信号的过程效率低下,因为它受到大气吸收和与传输距离有关的光学连接损失的影响。实现高分辨率图像和快速帧率覆盖广泛视场(FoV)需要半导体激光难以提供的功率水平。这导致采用光学放大技术(使用光纤激光器)、使用大型激光数组(例如VCSELs)或在时间和空间上共享激光能量(通过扫描机构)等技术。

安全性是一个重要关注点,尤其是涉及到人眼的情况。一些LiDAR系统使用波长在800-900nm范围内的激光,对于眼睛的安全性有限。使用1,300-1,500nm的激光可以提高安全性,但仍然存在维持特定性能水平所需的安全功率密度的限制。设计安全的解决方案需要笨重的系统封装和专用光学组件。

激光系统以其效率低下和对温度的敏感性而闻名。激光器使用的电能中的大部分(约70-80%)被转化为热量,需要有效的管理策略。汽车温度变化带来额外的挑战,导致激光波长变化并进一步降低效率。常用于激光器的III-V半导体(例如GaAs或InGaAs)在较高温度和潮湿环境中降解更快。为了应对这些问题,需要使用主动冷却和更复杂的封装解决方案。

在更广泛的LiDAR系统背景下,成功的微型化需要使用多种材料进行混合集成:复杂的III-V半导体、基于硅的电子组件、玻璃纤维、大型光学组件(例如聚焦镜头和隔离器)、扫描机构、有效的热管理和复杂的封装方法。

目前的做法

视野(FoV)的问题在于目前的固态方法中正在解决,这些方法不涉及移动部件。有两种主要方法来实现这一目标:

  1. 单脉冲雷射或闪光:在这种方法中,使用单脉冲雷射或闪光来同时定位所有图像像素。一些采用此方法的知名公司包括PreAct、TriEye和Ouster。
  2. 电子扫描阵列:此方法使用由单晶硅SPAD(单光子雪崩二极管)和GaAs VCSELs(垂直腔面发射激光器)组成的单片硅电子扫描数组,以序列方式定位视野中的不同区域。Opsys和Hesai等公司利用了这项技术。

VCSEL-SPAD方法得益于智能手机中ToF(飞行时间)LiDAR的进步、商品化和集成,通常在905/940nm波长下运行(确切值可能有所不同且属专有信息)。另一种技术涉及通过称为光学相位阵列(OPAs)和波长分散的相位调整天线的组合进行光学扫描。这是在芯片尺寸的硅光子学平台上实现的,而Analog Photonics是该领域的一个显著参与者。该平台与调频连续波(FMCW)相干LiDAR兼容,可同时测量距离和径向速度,并在1,500nm波长范围内运行。

PreAct专注于机舱内和面向道路的短程LiDAR。他们的方法是创新的,使用低成本、现成的CCD数组和LED光源(而非雷射)来生成基于间接飞行时间(iToF)原则的3D图像,类似于游戏应用程序中使用的原则。他们的TrueSense T30 LiDAR以惊人的高帧率150Hz运作,这对于需要快速反应的短程应用,如盲点避障和行人安全,至关重要。该设备的尺寸包括一个8MP RGB相机和将可见光和3D影像合并的电子组件。通过消除RGB传感器,可以进一步减小尺寸。

TriEye的SEDAR(光谱增强检测和测距)是一种闪光LiDAR系统,采用基于1.3Mp CMOS的锗硅SWIR(短波红外)探测器阵列和内部开发的、Q开关、高峰值功率、固态泵浦二极管激光器来照亮整个视场。使用更高波长可以提高眼睛的安全边际,从而允许利用更高功率的激光。

Opsys采用独特的电子可寻址高功率VCSEL和SPAD数组来实现无可动部件的固态LiDAR。该系统可以在汽车温度范围内运作,无需任何形式的主动冷却或温度稳定。

Hesai正在积极为多个汽车客户生产AT128长程LiDAR(使用机械扫描的HFoV)。FT120是一款完全固态LiDAR,采用电子扫描VCSEL和SPAD数组,针对短程应用进行了优化(盲点检测、机舱内等)。该公司于2023年1月上市,目前处于休整期。这表明他们的LiDAR技术仍在不断发展中。

原文连结:

Loading

发表回复