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跨越五大障碍,激光雷达有望实现新突破

2019-02-10 00:15
来源: 微迷网

打破成本壁垒

缩小LiDAR系统尺寸背后相同的技术和思路,也可以用于大幅节约成本!半导体VCSEL,特别是940nm波长的VCSEL激光器,利用现有的半导体工艺,针对手机等大规模生产的产品进行优化,使用硅基芯片代替了1550nm激光器和传感器中价格更昂贵的磷化铟(InP)和铟镓砷(InGaAs)器件。

当您将这些工艺和材料所节省的成本整合计算后,每个LiDAR单元的成本可以降至200美元或更低,而目前许多机械和1550nm解决方案的成本都超过1000美元。以这样的价格,在无人驾驶汽车上使用多个LiDAR单元以获得先进的传感能力和更高的安全性要实际得多。

提高可靠性

当今的LiDAR技术大多是基于旋转镜或MEMS微镜。这些技术包含很多运动部件,它们的生产成本和故障率都很高。值得注意的是,许多LiDAR系统必须在不太理想的气候和高振动环境下运行。理想的940nm波长的VCSEL模块化激光技术可在通过AEC-Q100认证的一级温度范围内(-40°C至125°C)的汽车中工作。这项技术已经在电信领域应用了二十多年,可靠性极高。此外,这些新型VCSEL激光器已经针对远程LiDAR的功率要求和AEC-Q100认证一级温度范围,进行了数百万小时的等效运行测试,性能没有出现任何意外降低。

扩大探测范围

通常,由于人眼安全限制,905nm波长的边缘发射激光器(EEL)只能在100米左右的范围内使用,而1550nm波长的激光器可用于实现远距离并对人眼安全的照明。然而,在可以预见的未来,1550nm波长激光器和传感器的成本是令人望而却步的。LiDAR行业流传着自己的传说,认为实现这一长距离探测的唯一方法,只有通过使用这些昂贵的1550nm波长的激光器和传感器。

940nm波长的VCSEL激光器结合了独特优势,既利用了太阳光谱在940nm的大幅下降(太阳光干扰较小),又利用了大规模、低成本的VCSEL技术。940nm处环境光噪声的降低,使得在较低的激光功率下可以获得更广的探测范围。现在,已经在移动电话中使用了940nm波长的VCSEL激光器,以便在极低功率和短距离内实现3D传感。现在,VCSEL技术可以在相当远的距离内使用,并且还能保护人眼安全。

针对人眼安全的创新

由于人眼安全限制,905nm波长的EEL激光器通常只能限制在100米左右的范围内使用。尽管红外激光附近的高功率连续波会穿透视网膜并损伤视力,对人眼产生伤害,但是人眼可以承受(人眼安全)在较低占空比下极短脉冲(十亿分之一秒脉冲)的高功率940nm波长的光源。如今的940nm波长VCSEL阵列与EEL激光器等高亮度点光源完全不同。

940nm波长的VCSEL阵列包含很多单颗VCSEL激光器,每个激光器功率相对较低,使用短脉冲,因此对人眼比较安全。该技术使用窄脉冲(十亿分之一秒)以非常低的重复频率运行。当这些VCSEL组合成阵列时,它会产生具有很高输出功率的分布式光源,从而来实现长距离探测,但其平均功率很低,并且分布式光源不会损坏视网膜。例如,TriLumina开发出了对人眼安全的倒装芯片940nm波长脉冲VCSEL阵列,其600W峰值光功率可以支持超过250米的探测距离,具有低占空比的特点,平均光功率仅为半瓦。

跨越五大障碍,激光雷达有望实现新突破

图2 TriLumina开发出了对人眼安全的倒装芯片940nm波长脉冲VCSEL阵列

LiDAR的广泛部署有望实现

虽然现在MEMS和机械式LiDAR面临的挑战确实是广泛部署LiDAR技术的主要障碍,但这可以通过有望在2019年初完成车规认证的新型VCSEL激光技术来克服。想象一下在车内和车外都有感应功能的无人驾驶汽车,将可以大大减少每年超过3.7万的交通事故死亡人数,并且实现无人驾驶。

这些目标只能通过控制成本、减小尺寸、满足汽车可靠性要求和扩大探测距离,同时确保人眼安全来实现。利用正确的激光技术,LiDAR将可以采取下一步措施迈向更广泛的部署。

TriLumina目前正为汽车ADAS(Advanced Driver Assistance Systems,高级驾驶辅助系统)应用开发VCSEL产品,并针对性能、尺寸、成本、人眼安全和汽车一级资质等各个特定领域进行研究,以实现LiDAR的广泛部署。这是基于专利倒装芯片和背发射VCSEL阵列,而该阵列可将高脉冲功率阵列、集成微光学器件和电子束转向集成在一个芯片上。

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