¿Cómo hacer que la detección LiDRA logre una mayor precisión y una mayor distancia? Análisis desde la perspectiva de la fuente de luz
Palabras clave: LiDAR FPLD VCSEL
[Guía] Es un problema a nivel de sistema para LiDAR lograr un rango de detección más largo y un rendimiento más estable. Pero la fuente de luz es la base de todo, y recomendamos dar prioridad a la elección de la fuente de luz. Este artículo analiza cómo los parámetros específicos de la fuente de luz afectan el rendimiento del sistema LiDAR.
LiDAR se originó en la década de 1960. Es una combinación de las palabras Luz y Radar. El principio de funcionamiento básico se puede ver en el nombre. Utiliza un método similar a la detección de radio para emitir luz al objeto que se va a medir y medir La diferencia de tiempo de su retorno se utiliza para calcular la distancia. Con el desarrollo continuo de la tecnología LiDAR, se ha utilizado ampliamente en iPhones y automóviles autónomos para realizar la percepción 3D del entorno en los últimos años y, por lo tanto, es bien conocido por el público.
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Según la predicción de Yole, el mercado general de LiDAR alcanzará los 3.800 millones de dólares estadounidenses en 2025, con una tasa de crecimiento compuesta de aproximadamente el 19% de 2019 a 2025. A medida que disminuya el costo general de las aplicaciones LiDAR, aumentará la tasa de penetración en robótica, conducción autónoma e industria.
Sistema LiDAR: una combinación de optoelectrónica, analógica y digital
Un sistema LiDAR típico incluye chips optoelectrónicos, estructuras ópticas, circuitos analógicos, circuitos digitales y unidades de control principales. La fuente de luz utiliza diodos láser pulsados ​​para emitir señales de luz pulsada, y hay interruptores correspondientes, chips de control y diseños de circuitos en la parte posterior. .; La luz emitida debe clasificarse a través de una determinada estructura óptica; la parte que recibe la luz es la unidad de imagen, y también requiere dispositivos optoelectrónicos como PD (fotodiodo), APD (diodo de avalancha) o SPD (diodo de avalancha de fotón único) ), y el circuito de conversión de señal en la parte posterior; luego, de acuerdo con los diferentes métodos de procesamiento de ToF, pasará por TDC o comparación de fase más tarde, y finalmente todos los datos altos serán procesados ​​por la unidad de control (SoC / MCU, etc.). La siguiente figura muestra un ejemplo específico de un sistema LiDAR tipo dToF.
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Para las aplicaciones LiDAR, los indicadores de rendimiento más importantes son la precisión de detección, la distancia, el alcance, la resolución, etc. La elección de los tres debe basarse en escenarios de aplicación específicos para elegir diferentes soluciones técnicas. A nivel de sistema, el consumo de energía y el costo también son factores importantes que deben tenerse en cuenta, por lo que la tecnología LiDAR actual también es muy rica y las rutas técnicas de cada empresa también son diferentes. Pero a partir de la deconstrucción del sistema LiDAR que se muestra en la figura anterior, podemos ver que la fuente de luz es uno de los dispositivos más básicos en todo el sistema y juega el papel más crítico; el rendimiento de la fuente de luz afectará directamente el rendimiento.
ROHM celebró recientemente una conferencia de prensa en Beijing para compartir la tecnología de fuente de luz de LiDAR Este artículo también se centrará en el análisis desde esta perspectiva.
Dispositivos optoelectrónicos convencionales LiDAR: FPLD y VCSEL
Existen LED, Vcsel, diodo láser FP y otros tipos de fuentes de luz, entre las que la señal de luz pulsada requerida por LiDAR incluye principalmente dispositivos ópticos Vcsel y FPLD, que corresponden a diferentes aplicaciones 3DToF. Según el Sr. Wu Bo, ingeniero de ROHM Beijing Technology Center, FPLD también se llama LD de emisión de bordes, que se utiliza principalmente en 3DToF giratorio. La luz láser del LD que emite bordes es moldeada por la lente y golpea el espejo poligonal, que gira 360 grados continuamente para realizar un escaneo completo. Este tipo de método de medición de distancia tiene mejores propiedades de captación de luz, por lo que la medición de distancia es relativamente lejana, que puede alcanzar más de 100 metros. La resolución depende de la velocidad de escaneo del elemento mecánico. VCSEL se aplica para iluminar 3DToF: la luz emitida por VCSEL pasa a través de un difusor, por ejemplo, se difunde en un ángulo horizontal de aproximadamente 120 grados y escanea un objeto dentro del ángulo horizontal de 120 grados. El 3DToF iluminado generalmente tiene una mejor resolución, pero debido a que la energía de la luz está relativamente dispersa, es más difícil de usar para distancias largas.
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Las rutas de transmisión de luz de FPLD y VCSEL también son completamente diferentes. Como se muestra en la figura siguiente, la señal óptica de FPLD se emite desde el lado del chip, mientras que la señal óptica de VCSEL se ilumina desde la superficie superior del chip. Al realizar la integración del sistema, la disposición de las fuentes de luz también es diferente.
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La potencia de transmisión, la longitud de la onda de luz, la deriva de la longitud de onda, la frecuencia de modulación, la tasa de conversión fotoeléctrica y la lámpara de ancho de línea son parámetros particularmente importantes para los dispositivos emisores de luz, que también tienen un impacto directo en la capacidad de detección general del sistema LiDAR.
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Se informa que ROHM ha logrado una producción en masa de 780 nm FPLD desde 1984, y después de más de 30 años de desarrollo tecnológico y precipitación. Como se muestra en la figura anterior, el diseño de producto de diodo láser anterior de ROHM se concentra en productos con potencia por debajo de 100 mW de 635 nm a 780 nm, mientras que la longitud de onda actual se ha extendido a 820-905 nm y el nivel de potencia se ha aumentado a 25 W y 75 W. Wu Bo dijo que hay dos direcciones de desarrollo futuro para los láseres de ROHM: una es la serie FPLD de alta potencia a 905 nm y la otra es que VCSEL expandirá su línea de productos en dos direcciones por debajo de 4 W y por encima de 100 W.
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Cómo el ancho de línea ultra estrecho, la forma de la luz y la dependencia de la temperatura afectan el rendimiento de LiDAR
Muchos parámetros del láser se han mencionado anteriormente, pero la influencia del ancho de línea en el rendimiento en particular no está clara para muchas personas. El producto FPLD de grado 75W RLD90QZW3 lanzado recientemente por ROHM ha logrado el ancho de línea luminoso ultra estrecho de 225 µm de la industria. Debido a que la luz emitida por el FPLD necesita pasar a través de la lente para formar una luz paralela antes de dispararse para la detección de escaneo, cuanto más estrecha es la línea del láser, más pequeño es el punto paralelo después de pasar a través de la lente y más fuerte es la intensidad de luz en el centro del punto, por lo que la distancia de detección es mayor y la precisión es mayor. El ancho de línea del láser RLD90QZW3 es lo suficientemente estrecho, lo cual es una característica muy buena para aplicaciones LIDAR.
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La estabilidad del rendimiento de LIDAR también necesita el apoyo de los láseres para lograr mejor. Desde la perspectiva de los láseres, la forma de la luz y la dependencia de la temperatura son dos indicadores importantes. Además del estrecho ancho de línea, otra ventaja de RLD90QZW3 es que su forma ligera es muy buena. Como se muestra en la figura a continuación, la intensidad luminosa en todo el rango de ancho de línea es más uniforme que los productos tradicionales, y la intensidad luminosa en el borde de la parte emisora ​​de luz no se reduce o atenúa significativamente, lo que puede ayudar al lidar a lograr mayor rendimiento de precisión. Además, el rendimiento de variación de temperatura de RLD90QZW3 también es más prominente, y la dependencia de la temperatura aumenta en un 40% en comparación con los productos ordinarios. Desde la perspectiva del sistema LiDAR, el fotodetector (lado de la imagen) solo puede permitir que pase la luz dentro de un cierto rango de longitud de onda, por lo que cuanto menor sea la longitud de onda de la luz cambia a diferentes temperaturas, más estable será el rendimiento del lidar. Por lo tanto, la dependencia de la temperatura baja de RLD90QZW3 puede garantizar que LiDAR logre una detección de imágenes más estable.
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Mientras se busca el ancho de línea, la PCE (eficiencia de conversión fotoeléctrica) disminuirá. Pero el RLD90QZW3 de ROHM no comprometió el PCE, mientras que logró un ancho de línea ultra estrecho en productos de clase de potencia de 75 W, el rendimiento de PCE alcanzó un 21% de coherencia con los productos ordinarios. Por lo tanto, los clientes no necesitan preocuparse por el consumo de energía mientras buscan un rango de detección más largo en el sistema LiDAR de este nivel de energía.
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¿Cómo lograr un ancho de línea ultra estrecho y una excelente forma de luz sin afectar al PCE? ROHM dijo que esto se benefició de su proceso de producción patentado y sistema de producción unificado verticalmente. Los procesos ventajosos incluyen la tecnología de crecimiento de cristales basada en MOCVD y la tecnología de procesamiento refinada combinada con el grabado en seco y húmedo; y el sistema de producción unificado vertical desde el diseño hasta el empaque y las pruebas asegura la estabilidad de la calidad de su producto. No se pueden revelar detalles técnicos específicos, pero se informa que sus nuevos productos de diodo láser de cristal fotónico también están en desarrollo.
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