Wie kann die LiDRA-Erkennung eine höhere Genauigkeit und eine größere Entfernung erreichen? Analyse aus der Perspektive der Lichtquelle
Schlüsselwörter: LiDAR FPLD VCSEL
[Anleitung] Es ist ein Problem auf Systemebene für LiDAR, einen längeren Erfassungsbereich und eine stabilere Leistung zu erreichen. Aber die Lichtquelle ist die Grundlage von allem, und wir empfehlen, der Wahl der Lichtquelle Vorrang zu geben. In diesem Artikel wird analysiert, wie sich die spezifischen Parameter der Lichtquelle auf die Leistung des LiDAR-Systems auswirken.
LiDAR entstand in den 1960er Jahren. Es ist eine Kombination aus den Wörtern Licht und Radar. Das grundlegende Funktionsprinzip ist aus der Namensgebung ersichtlich. Es verwendet eine der Funkerkennung ähnliche Methode, um Licht auf das zu messende Objekt auszusenden und den Zeitunterschied zu messen seiner Rückkehr wird verwendet, um die Entfernung zu berechnen. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der LiDAR-Technologie wurde sie in den letzten Jahren häufig in iPhones und selbstfahrenden Autos eingesetzt, um eine 3D-Wahrnehmung der Umgebung zu realisieren, und ist daher in der Öffentlichkeit bekannt.
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Laut Yoles Prognose wird der gesamte LiDAR-Markt im Jahr 2025 3,8 Milliarden US-Dollar erreichen, mit einer durchschnittlichen Wachstumsrate von etwa 19% von 2019 bis 2025. Da die Gesamtkosten von LiDAR-Anwendungen sinken, wird die Penetrationsrate in der Robotik, beim autonomen Fahren und in der Industrie zunehmen.
LiDAR-System: eine Kombination aus Optoelektronik, analog und digital
Ein typisches LiDAR-System umfasst optoelektronische Chips, optische Strukturen, analoge Schaltungen, digitale Schaltungen und Hauptsteuereinheiten.Die Lichtquelle verwendet gepulste Laserdioden, um gepulste Lichtsignale zu emittieren, und am Backend befinden sich entsprechende Schalter und Treiberchips und Schaltungsdesigns . ; Das emittierte Licht muss durch eine bestimmte optische Struktur sortiert werden; der Teil, der das Licht empfängt, ist die Abbildungseinheit und erfordert auch optoelektronische Geräte wie PD (Photodiode), APD (Avalanche-Diode) oder SPD (Single Photon Avalanche Diode) ) und Die Signalumwandlungsschaltung am Backend; dann wird es gemäß den verschiedenen Verarbeitungsmethoden von ToF später durch den TDC- oder Phasenvergleich gehen, und schließlich werden alle hohen Daten von der Steuereinheit (SoC / MCU, etc.). Die folgende Abbildung zeigt ein konkretes Beispiel für ein LiDAR-System vom dToF-Typ.
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Für LiDAR-Anwendungen stellen Erkennungsgenauigkeit, Entfernung, Reichweite, Auflösung usw. die wichtigsten Leistungsindikatoren dar. Die Auswahl der drei sollte sich an spezifischen Anwendungsszenarien orientieren, um unterschiedliche technische Lösungen auszuwählen. Auf Systemebene stellen auch Stromverbrauch und Kosten wichtige Faktoren dar. Daher ist die aktuelle LiDAR-Technologie auch sehr reichhaltig und die technischen Wege der einzelnen Unternehmen sind ebenfalls unterschiedlich. Aber aus der Dekonstruktion des LiDAR-Systems in der obigen Abbildung können wir sehen, dass die Lichtquelle eines der grundlegendsten Geräte im gesamten System ist und die wichtigste Rolle spielt; die Leistung der Lichtquelle wird sich direkt auf das Gesamtsystem auswirken Leistung.
ROHM hat kürzlich in Peking eine Pressekonferenz abgehalten, um die Lichtquellentechnologie von LiDAR vorzustellen.Dieser Artikel wird sich auch auf die Analyse aus dieser Perspektive konzentrieren.
LiDAR Mainstream optoelektronische Geräte: FPLD und VCSEL
Es gibt LED, Vcsel, FP-Laserdioden und andere Arten von Lichtquellen.Unter ihnen umfasst das von LiDAR benötigte gepulste Lichtsignal hauptsächlich optische Vcsel- und FPLD-Geräte, die verschiedenen 3DToF-Anwendungen entsprechen. Laut Wu Bo, Ingenieur des ROHM Beijing Technology Centers, wird FPLD auch als kantenemittierendes LD bezeichnet, das hauptsächlich beim rotierenden 3DToF verwendet wird. Das Laserlicht der kantenemittierenden LD wird durch die Linse geformt und trifft auf den Polygonspiegel Der Polygonspiegel dreht sich kontinuierlich um 360 Grad, um einen Rundum-Scan durchzuführen. Diese Art der Entfernungsmessung hat bessere Lichtsammeleigenschaften, so dass die Entfernungsmessung relativ weit ist, die mehr als 100 Meter erreichen kann. Die Auflösung hängt von der Scangeschwindigkeit des mechanischen Elements ab. VCSEL wird verwendet, um 3DToF zu beleuchten – das von VCSEL emittierte Licht geht durch einen Diffusor, z. Beleuchtetes 3DToF hat im Allgemeinen eine bessere Auflösung, aber da die Lichtenergie relativ gestreut wird, ist es schwieriger für die Entfernungsmessung zu verwenden.
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Auch die Lichtübertragungswege von FPLD und VCSEL sind völlig unterschiedlich: Wie in der Abbildung unten gezeigt, wird das optische Signal von FPLD von der Seite des Chips emittiert, während das optische Signal von VCSEL von der Oberseite des Chips beleuchtet wird. Bei der Systemintegration ist auch die Anordnung der Lichtquellen unterschiedlich.
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Sendeleistung, Lichtwellenlänge, Wellenlängendrift, Modulationsfrequenz, photoelektrische Wandlungsrate und Linienbreite der Lampe sind besonders wichtige Parameter für lichtemittierende Vorrichtungen, die auch einen direkten Einfluss auf die Gesamtdetektionsfähigkeit des LiDAR-Systems haben.
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Es wird berichtet, dass ROHM seit 1984 und nach mehr als 30 Jahren technologischer Entwicklung und Fällung eine Massenproduktion von 780-nm-FPLD erreicht hat. Wie in der Abbildung oben gezeigt, konzentriert sich das bisherige Laserdioden-Produktlayout von ROHM auf Produkte mit einer Leistung unter 100 mW von 635 nm bis 780 nm, während die aktuelle Wellenlänge auf 820 bis 905 nm erweitert und der Leistungspegel auf 25 W und 75 W erhöht wurde. Herr Wu Bo sagte, dass es zwei zukünftige Entwicklungsrichtungen für die Laser von ROHM gibt: eine ist die Hochleistungs-FPLD-Serie bei 905 nm, und die andere ist, dass VCSEL seine Produktlinie in zwei Richtungen unter 4 W und über 100 W erweitern wird.
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Wie sich ultraschmale Linienbreite, Lichtform und Temperaturabhängigkeit auf die Leistung von LiDAR . auswirken
Viele Parameter des Lasers wurden oben erwähnt, aber insbesondere der Einfluss der Linienbreite auf die Leistung ist vielen Menschen nicht klar. Das kürzlich von ROHM auf den Markt gebrachte 75-W-FPLD-Produkt RLD90QZW3 hat die ultraschmale Leuchtlinienbreite von 225 µm realisiert. Da das emittierte Licht des FPLD die Linse passieren muss, um paralleles Licht zu bilden, bevor es für die Abtastdetektion ausgeschossen wird, ist der parallele Fleck nach dem Durchgang durch die Linse umso kleiner, je schmaler die Linienbreite des Lasers selbst ist, und desto stärker ist die Lichtintensität in der Mitte des Spots, so dass die Erkennungsentfernung weiter und die Genauigkeit höher ist. Die Linienbreite des RLD90QZW3-Lasers ist schmal genug, was für Lidar-Anwendungen eine sehr gute Eigenschaft ist.
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Auch die Leistungsstabilität von Lidar benötigt zur besseren Erzielung der Laserunterstützung: Aus Sicht des Lasers sind die Lichtform und die Temperaturabhängigkeit zwei wichtige Indikatoren. Neben der schmalen Strichbreite ist ein weiterer Vorteil des RLD90QZW3 die sehr gute Lichtform. Wie in der Abbildung unten gezeigt, ist die Lichtstärke im gesamten Linienbreitenbereich gleichmäßiger als bei herkömmlichen Produkten und die Lichtstärke am Rand des lichtemittierenden Teils wird nicht wesentlich reduziert oder abgeschwächt, was dem Lidar helfen kann, dies zu erreichen höhere Präzisionsleistung. Darüber hinaus ist die Temperaturdriftleistung des RLD90QZW3 ebenfalls ausgeprägter und die Temperaturabhängigkeit ist im Vergleich zu herkömmlichen Produkten um 40% erhöht. Aus Sicht des LiDAR-Systems kann der Photodetektor (Abbildungsseite) nur Licht innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs passieren lassen. Je kleiner die Wellenlänge des Lichts bei verschiedenen Temperaturen ändert, desto stabiler ist die Leistung des Lidars. Daher kann die geringe Temperaturabhängigkeit von RLD90QZW3 sicherstellen, dass LiDAR eine stabilere Bilderfassung erreicht.
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Während die Linienbreite verfolgt wird, nimmt die PCE (photoelektrischer Umwandlungswirkungsgrad) ab. Der RLD90QZW3 von ROHM ging jedoch keine Kompromisse in Bezug auf PCE ein – während er bei Produkten der 75-W-Leistungsklasse eine ultraschmale Linienbreite erreichte, erreichte die PCE-Leistung 21% im Vergleich zu herkömmlichen Produkten. Daher müssen sich Kunden nicht durch den Stromverbrauch beunruhigen, während sie einen längeren Erfassungsbereich auf dem LiDAR-System dieser Leistungsstufe verfolgen.
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Wie erreicht man eine ultraschmale Linienbreite und eine hervorragende Lichtform, ohne das PCE zu beeinträchtigen? ROHM sagte, dass dies von seinem patentierten Produktionsprozess und dem vertikal vereinheitlichten Produktionssystem profitierte. Zu den vorteilhaften Prozessen gehören die MOCVD-basierte Kristallzüchtungstechnologie und eine verfeinerte Verarbeitungstechnologie in Kombination mit Nass-Trocken-Ätzen, und das vertikale einheitliche Produktionssystem vom Design bis zur Verpackung und Prüfung gewährleistet die Stabilität der Produktqualität. Spezifische technische Details können nicht bekannt gegeben werden, aber es wird berichtet, dass sich auch seine brandneuen Produkte mit photonischen Kristall-Laserdioden in der Entwicklung befinden.
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