Comment faire en sorte que la détection LiDRA atteigne une plus grande précision et une plus longue distance ? Analyse du point de vue de la source lumineuse
Mots-clés : LiDAR FPLD VCSEL
[Guide] C'est un problème au niveau du système pour LiDAR d'atteindre une plage de détection plus longue et des performances plus stables. Mais la source lumineuse est à la base de tout, et nous recommandons de privilégier le choix de la source lumineuse. Cet article analyse comment les paramètres spécifiques de la source lumineuse affectent les performances du système LiDAR.
LiDAR est né dans les années 1960. Il s'agit d'une combinaison des mots Lumière et Radar. Le principe de fonctionnement de base peut être vu à partir de la dénomination. Il utilise une méthode similaire à la détection radio pour émettre de la lumière vers l'objet à mesurer et mesurer la différence de temps de son retour est utilisé pour calculer la distance. Avec le développement continu de la technologie LiDAR, elle a été largement utilisée dans les iPhones et les voitures autonomes pour réaliser une perception 3D de l'environnement ces dernières années, et est donc bien connue du public.
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Selon les prévisions de Yole, le marché global du LiDAR atteindra 3,8 milliards de dollars américains en 2025, avec un taux de croissance composé d'environ 19 % de 2019 à 2025. À mesure que le coût global des applications LiDAR diminue, le taux de pénétration dans la robotique, la conduite autonome et l'industrie augmentera.
Système LiDAR : une combinaison d'optoélectronique, d'analogique et de numérique
Un système LiDAR typique comprend des puces optoélectroniques, des structures optiques, des circuits analogiques, des circuits numériques et des unités de contrôle principales. . ; La lumière émise doit être triée à travers une certaine structure optique ; la partie qui reçoit la lumière est l'unité d'imagerie, et nécessite également des dispositifs optoélectroniques tels que PD (photodiode), APD (diode à avalanche) ou SPD (diode à avalanche à photon unique) ), et Le circuit de conversion de signal à l'arrière ; puis selon les différentes méthodes de traitement de ToF, il passera par TDC ou comparaison de phase plus tard, et enfin toutes les données hautes seront traitées par l'unité de contrôle (SoC/MCU, etc.). La figure suivante montre un exemple spécifique d'un système LiDAR de type dToF.
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Pour les applications LiDAR, la précision de détection, la distance, la portée, la résolution, etc. sont les indicateurs de performance les plus importants. Le choix des trois doit être basé sur des scénarios d'application spécifiques pour choisir différentes solutions techniques. Au niveau du système, la consommation d'énergie et le coût sont également des facteurs importants qui doivent être pris en compte.Par conséquent, la technologie LiDAR actuelle est également très riche, et les itinéraires techniques de chaque entreprise sont également différents. Mais à partir de la déconstruction du système LiDAR illustrée dans la figure ci-dessus, nous pouvons voir que la source lumineuse est l'un des dispositifs les plus élémentaires de l'ensemble du système et joue le rôle le plus critique ; la performance de la source lumineuse affectera directement l'ensemble performance.
ROHM a récemment tenu une conférence de presse à Pékin pour partager la technologie de source lumineuse du LiDAR.Cet article se concentrera également sur l'analyse de cette perspective.
Dispositifs optoélectroniques LiDAR grand public : FPLD et VCSEL
Il existe des LED, Vcsel, diode laser FP et d'autres types de sources lumineuses.Parmi elles, le signal lumineux pulsé requis par LiDAR comprend principalement des dispositifs optiques Vcsel et FPLD, qui correspondent à différentes applications 3DToF. Selon M. Wu Bo, ingénieur du ROHM Beijing Technology Center, le FPLD est également appelé LD à émission de bord, qui est principalement utilisé dans la rotation 3DToF. La lumière laser du LD émettant par les bords est façonnée par la lentille et frappe le miroir polygonal.Le miroir polygonal tourne à 360 degrés en continu pour effectuer un balayage complet. Ce type de méthode de mesure de distance a de meilleures propriétés de collecte de lumière, de sorte que la mesure de distance est relativement éloignée, pouvant atteindre plus de 100 mètres. La résolution dépend de la vitesse de balayage de l'élément mécanique. VCSEL est appliqué à l'éclairage 3DToF - la lumière émise par VCSEL passe à travers un diffuseur, par exemple, diffuse à un angle horizontal d'environ 120 degrés, et balaie un objet dans l'angle horizontal de 120 degrés. La 3DToF illuminée a généralement une meilleure résolution, mais comme l'énergie lumineuse est relativement dispersée, elle est plus difficile à utiliser pour la télémétrie longue distance.
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Les chemins de transmission de la lumière du FPLD et du VCSEL sont également complètement différents.Comme le montre la figure ci-dessous, le signal optique du FPLD est émis par le côté de la puce, tandis que le signal optique du VCSEL est illuminé par la surface supérieure de la puce. Lors de l'intégration du système, la disposition des sources lumineuses est également différente.
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La puissance de transmission, la longueur d'onde lumineuse, la dérive de longueur d'onde, la fréquence de modulation, le taux de conversion photoélectrique et la lampe à largeur de ligne sont des paramètres particulièrement importants pour les dispositifs électroluminescents, qui ont également un impact direct sur la capacité de détection globale du système LiDAR.
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Il est rapporté que ROHM a réalisé une production de masse de 780 nm FPLD depuis 1984, et après plus de 30 ans de développement technologique et de précipitation. Comme le montre la figure ci-dessus, la disposition précédente des diodes laser de ROHM se concentre sur les produits d'une puissance inférieure à 100 mW de 635 nm à 780 nm, tandis que la longueur d'onde actuelle a été étendue à 820-905 nm et le niveau de puissance a été augmenté à 25 W et 75 W. M. Wu Bo a déclaré qu'il existe deux directions de développement futures pour les lasers de ROHM : l'une est la série FPLD haute puissance à 905 nm, et l'autre est que VCSEL étendra sa gamme de produits dans deux directions en dessous de 4W et au-dessus de 100W.
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Comment la largeur de ligne ultra-étroite, la forme de la lumière et la dépendance à la température affectent les performances du LiDAR
De nombreux paramètres du laser ont été mentionnés ci-dessus, mais l'influence de la largeur de ligne sur les performances en particulier n'est pas claire pour beaucoup de gens. Le produit FPLD de qualité 75W RLD90QZW3 récemment lancé par ROHM a réalisé la largeur de ligne lumineuse ultra-étroite de 225 µm de l'industrie. Étant donné que la lumière émise par le FPLD doit traverser la lentille pour former une lumière parallèle avant d'être projetée pour la détection par balayage, plus la largeur de ligne du laser lui-même est étroite, plus le point parallèle après avoir traversé la lentille est petit et plus le intensité lumineuse au centre du spot, donc la distance de détection est plus éloignée et la précision est plus élevée. La largeur de ligne du laser RLD90QZW3 est suffisamment étroite, ce qui est une très bonne caractéristique pour les applications lidar.
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La stabilité des performances du lidar a également besoin du support des lasers pour être mieux réalisée.Du point de vue des lasers, la forme de la lumière et la dépendance à la température sont deux indicateurs importants. En plus de la largeur de ligne étroite, un autre avantage du RLD90QZW3 est que sa forme légère est très bonne. Comme le montre la figure ci-dessous, l'intensité lumineuse dans toute la plage de largeur de ligne est plus uniforme que les produits traditionnels, et l'intensité lumineuse au bord de la partie émettrice de lumière n'est pas significativement réduite ou atténuée, ce qui peut aider le lidar à atteindre performances de précision plus élevées. De plus, les performances de dérive de température du RLD90QZW3 sont également plus importantes et la dépendance à la température est augmentée de 40 % par rapport aux produits ordinaires. Du point de vue du système LiDAR, le photodétecteur (côté imagerie) ne peut laisser passer la lumière que dans une certaine plage de longueurs d'onde, donc plus la longueur d'onde de la lumière change à différentes températures, plus les performances du lidar seront stables. Par conséquent, la faible dépendance à la température de RLD90QZW3 peut garantir que LiDAR réalise une détection d'imagerie plus stable.
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Tout en poursuivant la largeur de ligne, le PCE (efficacité de conversion photoélectrique) diminuera. Mais le RLD90QZW3 de ROHM n'a pas fait de compromis sur le PCE - tout en atteignant une largeur de ligne ultra-étroite dans les produits de classe de puissance 75 W, les performances du PCE ont atteint 21% en conformité avec les produits ordinaires. Par conséquent, les clients n'ont pas besoin d'être dérangés par la consommation d'énergie tout en poursuivant une plage de détection plus longue sur le système LiDAR de ce niveau de puissance.
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Comment obtenir une largeur de ligne ultra-étroite et une excellente forme de lumière sans affecter le PCE ? ROHM a déclaré que cela bénéficiait de son processus de production breveté et de son système de production verticalement unifié. Les processus avantageux comprennent la technologie de croissance cristalline basée sur MOCVD et la technologie de traitement raffinée combinée à la gravure humide-sec ; et le système de production unifié vertical de la conception à l'emballage et aux tests garantit la stabilité de la qualité de son produit. Les détails techniques spécifiques ne peuvent pas être divulgués, mais il est rapporté que ses tout nouveaux produits de diode laser à cristal photonique sont également en cours de développement.
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