Come fare in modo che il rilevamento LiDRA raggiunga una maggiore precisione e una distanza maggiore? Analisi dal punto di vista della sorgente luminosa
Parole chiave: LiDAR FPLD VCSEL
[Guida] È un problema a livello di sistema per LiDAR ottenere un raggio di rilevamento più lungo e prestazioni più stabili. Ma la sorgente luminosa è alla base di tutto, e consigliamo di dare priorità alla scelta della sorgente luminosa. Questo articolo analizza come i parametri specifici della sorgente luminosa influenzino le prestazioni del sistema LiDAR.
LiDAR è nato negli anni '60. È una combinazione delle parole Luce e Radar. Il principio di funzionamento di base può essere visto dalla denominazione. Utilizza un metodo simile al rilevamento radio per emettere luce sull'oggetto da misurare e misurare la differenza di tempo del suo ritorno viene utilizzato per calcolare la distanza. Con il continuo sviluppo della tecnologia LiDAR, negli ultimi anni è stata ampiamente utilizzata negli iPhone e nelle auto a guida autonoma per realizzare la percezione 3D dell'ambiente, ed è quindi ben nota al pubblico.
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Secondo la previsione di Yole, il mercato LiDAR complessivo raggiungerà i 3,8 miliardi di dollari nel 2025, con un tasso di crescita composto di circa il 19% dal 2019 al 2025. Con la diminuzione del costo complessivo delle applicazioni LiDAR, aumenterà il tasso di penetrazione nella robotica, nella guida autonoma e nell'industria.
Sistema LiDAR: una combinazione di optoelettronica, analogica e digitale
Un tipico sistema LiDAR include chip optoelettronici, strutture ottiche, circuiti analogici, circuiti digitali e unità di controllo principali. La sorgente luminosa utilizza diodi laser pulsati per emettere segnali di luce pulsata e sul retro sono presenti interruttori, chip di azionamento e design di circuiti corrispondenti . ; La luce emessa deve essere ordinata attraverso una certa struttura ottica; la parte che riceve la luce è l'unità di imaging e richiede anche dispositivi optoelettronici come PD (fotodiodo), APD (diodo a valanga) o SPD (diodo a valanga a fotone singolo ), e Il circuito di conversione del segnale sul back-end; quindi, in base ai diversi metodi di elaborazione di ToF, passerà successivamente al TDC o al confronto di fase e infine tutti i dati alti verranno elaborati dall'unità di controllo (SoC/MCU, eccetera.). La figura seguente mostra un esempio specifico di un sistema LiDAR di tipo dToF.
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Per le applicazioni LiDAR, gli indicatori di prestazione più importanti sono la precisione di rilevamento, la distanza, la portata, la risoluzione, ecc.. La scelta dei tre dovrebbe essere basata su scenari applicativi specifici per scegliere diverse soluzioni tecniche. A livello di sistema, anche il consumo energetico e il costo sono fattori importanti che devono essere considerati, pertanto anche l'attuale tecnologia LiDAR è molto ricca e anche i percorsi tecnici di ciascuna azienda sono diversi. Ma dalla decostruzione del sistema LiDAR mostrata nella figura sopra, possiamo vedere che la sorgente luminosa è uno dei dispositivi più basilari dell'intero sistema e svolge il ruolo più critico; le prestazioni della sorgente luminosa influenzeranno direttamente l'insieme prestazione.
ROHM ha recentemente tenuto una conferenza stampa a Pechino per condividere la tecnologia della sorgente luminosa di LiDAR Questo articolo si concentrerà anche sull'analisi da questa prospettiva.
Dispositivi optoelettronici tradizionali LiDAR: FPLD e VCSEL
Esistono LED, Vcsel, diodo laser FP e altri tipi di sorgenti luminose, tra cui il segnale a luce pulsata richiesto da LiDAR comprende principalmente dispositivi ottici Vcsel e FPLD, che corrispondono a diverse applicazioni 3DToF. Secondo il sig. Wu Bo, ingegnere del ROHM Beijing Technology Center, FPLD è anche chiamato LD a emissione di bordi, che viene utilizzato principalmente nel 3DToF rotante. La luce laser dell'LD che emette dal bordo è modellata dalla lente e colpisce lo specchio poligonale, che ruota di 360 gradi continuamente per eseguire una scansione completa. Questo tipo di metodo di misurazione della distanza ha migliori proprietà di raccolta della luce, quindi la misurazione della distanza è relativamente lontana, che può raggiungere più di 100 metri. La risoluzione dipende dalla velocità di scansione dell'elemento meccanico. VCSEL viene applicato all'illuminazione 3DToF: la luce emessa da VCSEL passa attraverso un diffusore, ad esempio, si diffonde con un angolo orizzontale di circa 120 gradi e scansiona un oggetto all'interno dell'angolo orizzontale di 120 gradi. Il 3DToF illuminato ha generalmente una risoluzione migliore, ma poiché l'energia della luce è relativamente dispersa, è più difficile da usare per le lunghe distanze.
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Anche i percorsi di trasmissione della luce di FPLD e VCSEL sono completamente diversi.Come mostrato nella figura seguente, il segnale ottico di FPLD viene emesso dal lato del chip, mentre il segnale ottico di VCSEL è illuminato dalla superficie superiore del chip. Quando si esegue l'integrazione del sistema, anche la disposizione delle sorgenti luminose è diversa.
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Potenza di trasmissione, lunghezza d'onda della luce, deriva della lunghezza d'onda, frequenza di modulazione, tasso di conversione fotoelettrica e lampada a larghezza di linea sono parametri particolarmente importanti per i dispositivi emettitori di luce, che hanno anche un impatto diretto sulla capacità di rilevamento complessiva del sistema LiDAR.
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È stato riferito che ROHM ha raggiunto la produzione di massa di FPLD a 780 nm dal 1984 e dopo oltre 30 anni di sviluppo tecnologico e precipitazioni. Come mostrato nella figura sopra, il precedente layout del prodotto a diodi laser di ROHM è concentrato su prodotti con potenza inferiore a 100 mW da 635 nm a 780 nm, mentre la lunghezza d'onda attuale è stata estesa a 820-905 nm e il livello di potenza è stato aumentato a 25 W e 75 W. Il signor Wu Bo ha affermato che ci sono due direzioni di sviluppo futuro per i laser di ROHM: una è la serie FPLD ad alta potenza a 905 nm, e l'altra è che VCSEL amplierà la sua linea di prodotti in due direzioni al di sotto di 4 W e al di sopra di 100 W.
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In che modo la larghezza di linea ultra stretta, la forma della luce e la dipendenza dalla temperatura influiscono sulle prestazioni di LiDAR
Molti parametri del laser sono stati menzionati sopra, ma l'influenza della larghezza della linea sulle prestazioni in particolare non è chiara a molte persone. Il prodotto FPLD di grado 75 W RLD90QZW3 recentemente lanciato da ROHM ha realizzato la larghezza della linea luminosa ultra stretta di 225 µm del settore. Poiché la luce emessa dall'FPLD deve passare attraverso l'obiettivo per formare luce parallela prima di essere emessa per il rilevamento della scansione, più stretta è la larghezza della linea del laser stesso, più piccolo è il punto parallelo dopo aver attraversato l'obiettivo e più forte è il intensità della luce al centro del punto, quindi la distanza di rilevamento è maggiore e la precisione è maggiore. La larghezza della linea del laser RLD90QZW3 è abbastanza stretta, caratteristica molto buona per le applicazioni lidar.
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La stabilità delle prestazioni del lidar ha anche bisogno del supporto dei laser per essere raggiunta meglio.Dal punto di vista dei laser, la forma della luce e la dipendenza dalla temperatura sono due indicatori importanti. Oltre alla larghezza della linea ridotta, un altro vantaggio di RLD90QZW3 è che la sua forma leggera è molto buona. Come mostrato nella figura seguente, l'intensità luminosa nell'intera gamma di larghezza della linea è più uniforme rispetto ai prodotti tradizionali e l'intensità luminosa sul bordo della parte che emette luce non è significativamente ridotta o attenuata, il che può aiutare il lidar a raggiungere prestazioni di maggiore precisione. Inoltre, anche le prestazioni di deriva della temperatura di RLD90QZW3 sono più importanti e la dipendenza dalla temperatura è aumentata del 40% rispetto ai prodotti ordinari. Dal punto di vista del sistema LiDAR, il fotorilevatore (lato imaging) può consentire il passaggio della luce entro un determinato intervallo di lunghezze d'onda, quindi minore è la lunghezza d'onda della luce cambia a diverse temperature, più stabile sarà la prestazione del lidar. Pertanto, la dipendenza dalla bassa temperatura di RLD90QZW3 può garantire che LiDAR raggiunga un rilevamento delle immagini più stabile.
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Mentre si persegue la larghezza della linea, la PCE (efficienza di conversione fotoelettrica) diminuirà. Ma RLD90QZW3 di ROHM non ha compromesso il PCE: pur raggiungendo una larghezza di linea ultra-sottile nei prodotti della classe di potenza da 75 W, le prestazioni PCE hanno raggiunto il 21% in linea con i prodotti ordinari. Pertanto, i clienti non devono preoccuparsi del consumo energetico mentre perseguono un raggio di rilevamento più lungo sul sistema LiDAR di questo livello di potenza.
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Come ottenere una larghezza della linea ultra-sottile e un'eccellente forma della luce senza influire sulla PCE? ROHM ha affermato che questo ha beneficiato del suo processo di produzione brevettato e del sistema di produzione unificato verticalmente. I processi vantaggiosi includono la tecnologia di crescita dei cristalli basata su MOCVD e la raffinata tecnologia di elaborazione combinata con l'incisione Wet-Dry; e il sistema di produzione unificato verticale dalla progettazione all'imballaggio e al collaudo garantisce la stabilità della qualità del prodotto. I dettagli tecnici specifici non possono essere divulgati, ma è stato riferito che anche i suoi nuovissimi prodotti a diodi laser a cristalli fotonici sono in fase di sviluppo.
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