LiDRA 감지가 더 높은 정확도와 더 긴 거리를 달성하도록 하는 방법은 무엇입니까? 광원의 관점에서 분석
키워드: LiDAR FPLD VCSEL
[안내] LiDAR가 더 긴 탐지 범위와 더 안정적인 성능을 달성하는 것은 시스템 수준의 문제입니다. 그러나 광원은 모든 것의 기초이며 광원 선택을 우선시하는 것이 좋습니다. 이 기사에서는 광원의 특정 매개변수가 LiDAR 시스템의 성능에 어떤 영향을 미치는지 분석합니다.
LiDAR는 1960년대에 탄생한 것으로 Light와 Radar의 합성어로 기본적인 동작 원리는 네이밍에서 알 수 있다 무선탐지와 유사한 방식을 이용하여 측정대상물에 빛을 발산하여 측정하는 방식의 시차 반환 값은 거리를 계산하는 데 사용됩니다. LiDAR 기술의 지속적인 발전으로 최근 몇 년 동안 환경에 대한 3D 인식을 구현하기 위해 iPhone 및 자율 주행 자동차에 널리 사용되어 대중에게 잘 알려져 있습니다.
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Yole의 예측에 따르면 전체 LiDAR 시장은 2019년에서 2025년까지 약 19%의 복합 성장률로 2025년에 38억 달러에 이를 것입니다. LiDAR 애플리케이션의 전체 비용이 감소함에 따라 로봇 공학, 자율 주행 및 산업의 보급률이 증가할 것입니다.
LiDAR 시스템: 광전자공학, 아날로그 및 디지털의 조합
일반적인 LiDAR 시스템에는 광전자 칩, 광학 구조, 아날로그 회로, 디지털 회로 및 주 제어 장치가 포함되며 광원은 펄스 레이저 다이오드를 사용하여 펄스 광 신호를 방출하고 해당 스위치 및 드라이브 칩 및 회로 설계가 백엔드에 있습니다. . ; 방출된 빛은 특정 광학 구조를 통해 분류되어야 하며, 빛을 받는 부분은 이미징 장치이며 PD(photodiode), APD(avalanche 다이오드) 또는 SPD(single photon avalanche diode)와 같은 광전자 소자도 필요합니다. ), 그리고 백엔드의 신호 변환 회로; 그런 다음 ToF의 다른 처리 방법에 따라 나중에 TDC 또는 위상 비교를 거쳐 마지막으로 모든 높은 데이터는 제어 장치(SoC/MCU, 등.). 다음 그림은 dToF 방식의 LiDAR 시스템의 구체적인 예를 보여줍니다.
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LiDAR 애플리케이션의 경우 탐지 정확도, 거리, 범위, 해상도 등이 가장 중요한 성능 지표이며, 세 가지 중 선택은 다양한 기술 솔루션을 선택하기 위해 특정 애플리케이션 시나리오를 기반으로 해야 합니다. 시스템 차원에서 전력 소모와 비용도 고려해야 할 중요한 요소이기 때문에 현재의 LiDAR 기술도 매우 풍부하고 각 회사의 기술 경로도 다릅니다. 그러나 위의 그림과 같은 LiDAR 시스템의 해체로부터 우리는 광원이 전체 시스템에서 가장 기본적인 장치 중 하나이며 가장 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있습니다. 성능.
로옴은 최근 베이징에서 기자간담회를 열고 LiDAR의 광원 기술을 공유했으며, 이 기사에서도 이러한 관점에서 분석을 중점적으로 다룹니다.
LiDAR 주류 광전자 장치: FPLD 및 VCSEL
LED, Vcsel, FP 레이저 다이오드 및 기타 유형의 광원이 있으며, 그 중 LiDAR에 필요한 펄스 광 신호는 주로 서로 다른 3DToF 응용 분야에 해당하는 Vcsel 및 FPLD 광학 장치를 포함합니다. ROHM Beijing Technology Center의 엔지니어인 Mr. Wu Bo에 따르면 FPLD는 에지 방출 LD라고도 하며 주로 회전하는 3DToF에 사용됩니다. 에지 방출 LD의 레이저 빛은 렌즈에 의해 성형되어 폴리곤 미러에 닿고 폴리곤 미러는 360도 연속 회전하여 전방위 스캔을 수행합니다. 이러한 종류의 거리 측정 방법은 더 나은 집광 특성을 가지므로 거리 측정은 100미터 이상에 도달할 수 있는 비교적 멀리 있습니다. 해상도는 기계 요소의 스캔 속도에 따라 다릅니다. VCSEL은 조명 3DToF에 적용됩니다. VCSEL에서 방출된 빛은 디퓨저를 통과하여 예를 들어 약 120도의 수평 각도로 확산되고 120도의 수평 각도 내에서 물체를 스캔합니다. Illuminated 3DToF는 일반적으로 더 나은 해상도를 갖지만 빛 에너지가 상대적으로 산란되기 때문에 장거리 거리 측정에 사용하기가 더 어렵습니다.
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FPLD와 VCSEL의 광 전송 경로도 완전히 다르며 아래 그림과 같이 FPLD의 광 신호는 칩 측면에서 방출되고 VCSEL의 광 신호는 칩의 윗면에서 조명됩니다. 시스템 통합을 수행할 때 광원의 배열도 다릅니다.
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전송 전력, 광 파장, 파장 드리프트, 변조 주파수, 광전 변환율 및 선폭 램프는 특히 LiDAR 시스템의 전체 감지 기능에 직접적인 영향을 미치는 발광 장치의 중요한 매개변수입니다.
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ROHM은 1984년부터 30년 이상의 기술 개발과 침전 끝에 780nm FPLD의 양산을 달성했다고 합니다. 위의 그림과 같이 로옴의 기존 레이저 다이오드 제품 레이아웃은 635nm에서 780nm까지 100mW 이하의 파워를 가진 제품에 집중되어 있는 반면, 현재의 파장은 820-905nm로 확장되고 파워 레벨은 25W와 75W로 높아졌습니다. Wu Bo 씨는 ROHM의 레이저에 대한 두 가지 향후 개발 방향이 있다고 말했습니다. 하나는 905nm의 고출력 FPLD 시리즈이고, 다른 하나는 VCSEL이 4W 미만 및 100W 이상으로 두 가지 방향으로 제품 라인을 확장할 것이라는 것입니다.
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매우 좁은 선폭, 가벼운 모양 및 온도 의존성이 LiDAR의 성능에 미치는 영향
레이저의 많은 매개변수가 위에서 언급되었지만 특히 성능에 대한 선폭의 영향은 많은 사람들에게 명확하지 않습니다. 로옴이 최근 출시한 75W급 FPLD 제품인 RLD90QZW3은 업계 최초로 225μm의 광폭을 실현했다. FPLD에서 방출된 빛은 스캐닝 검출을 위해 쏘아지기 전에 평행광을 형성하기 위해 렌즈를 통과해야 하기 때문에 레이저 자체의 선폭이 좁을수록 렌즈를 통과한 후 평행점이 작아질수록 더 강해진다. 스폿의 중심에 광도가 있으므로 감지 거리가 더 멀고 정확도가 높아집니다. RLD90QZW3 레이저의 선폭은 충분히 좁아서 라이더 애플리케이션에 매우 좋은 기능입니다.
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라이다의 성능 안정성은 또한 더 나은 달성을 위해 레이저의 지원이 필요합니다.레이저의 관점에서 볼 때 빛의 모양과 온도 의존성은 두 가지 중요한 지표입니다. 좁은 선폭 외에도 RLD90QZW3의 또 다른 장점은 가벼운 모양이 매우 좋다는 것입니다. 아래 그림과 같이 전체 선폭 범위의 광도가 기존 제품보다 균일하고 발광부 가장자리의 광도가 크게 감소하거나 감쇠하지 않아 라이더가 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 더 높은 정밀도 성능. 또한 RLD90QZW3의 온도 드리프트 성능도 더 두드러지며 온도 의존성은 일반 제품에 비해 40% 증가합니다. LiDAR 시스템의 관점에서 광검출기(이미징 측)는 특정 파장 범위의 빛만 통과시킬 수 있으므로 다른 온도에서 빛의 파장 변화가 작을수록 라이더의 성능이 더 안정적입니다. 따라서 RLD90QZW3의 낮은 온도 의존성은 LiDAR가 보다 안정적인 이미징 감지를 달성하도록 보장할 수 있습니다.
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선폭을 추구하면서 PCE(광전변환효율)가 저하됩니다. 그러나 ROHM의 RLD90QZW3는 PCE에 타협하지 않고 75W 전력 클래스 제품에서 매우 좁은 선폭을 구현하면서 일반 제품과 동일한 21%의 PCE 성능을 달성했습니다. 따라서 고객은 이 전력 수준의 LiDAR 시스템에서 더 긴 감지 범위를 추구하면서 전력 소비에 대해 고민할 필요가 없습니다.
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PCE에 영향을 주지 않고 매우 좁은 선 너비와 우수한 조명 모양을 달성하는 방법은 무엇입니까? 로옴은 특허를 받은 생산 공정과 수직적으로 통합된 생산 시스템을 통해 이점을 얻었다고 말했다. MOCVD 기반의 결정성장 기술과 Wet-Dry Etching과 결합된 정제된 공정기술이 유리하며, 설계부터 패키징, 테스트까지 수직적 통일생산체제로 제품 품질의 안정성을 보장합니다. 구체적인 기술적 세부 사항은 공개할 수 없지만 새로운 광결정 레이저 다이오드 제품도 개발 중인 것으로 알려졌다.
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