文︱立厷

圖︱羅姆、網(wǎng)絡(luò)

自動駕駛是引領(lǐng)當(dāng)代汽車與各種技術(shù)深度融合的應(yīng)用,難度之大可想而知。它猶如一場漫長的馬拉松,怎樣才能有的放矢,把控自如?從目前自動駕駛落地情況看,不論國內(nèi)國外,基本上都是低速場景,從低速車開始先易后難,力求盡快實(shí)現(xiàn)商用落地。

看看國內(nèi)的例子,易成智行支持L2-L4的應(yīng)用平臺首先實(shí)現(xiàn)的是安全性更高的封閉、半封閉場景無人接駁車落地,以解決短途出行最后一公里問題;毫末智行也是按照“從低速到高速、從載物到載人、從商用到民用”的規(guī)律遞進(jìn)式發(fā)展。

在這一漸進(jìn)發(fā)展過程中,激光雷達(dá)(LiDAR)與其他傳感器的融合不可或缺,當(dāng)然要用到激光二極管(激光器),所以,研發(fā)高質(zhì)量的激光發(fā)射元件是半導(dǎo)體廠商責(zé)無旁貸的任務(wù)。最近,羅姆(ROHM)推出了一款激光雷達(dá)用75W高輸出功率激光二極管,這是其推進(jìn)低速場景自動駕駛落地一個(gè)具有象征意義的產(chǎn)品。

激光雷達(dá)光源詳解

關(guān)于激光雷達(dá)原理和使用的光源,羅姆半導(dǎo)體(北京)有限公司技術(shù)中心經(jīng)理吳波表示,激光雷達(dá)原理基于ToF(飛行時(shí)間)測距原理,通過測量光從光源發(fā)出到從對象物返回過程的飛行時(shí)間來反推光源到對象的距離。ToF有很多不同實(shí)現(xiàn)方法,包括1D ToF、3D ToF等。3D ToF不僅可以獲得對象的距離,還可以獲得對象的形狀、位置等信息。

飛行時(shí)間法

ToF的應(yīng)用包括短距離人臉識別、手勢感應(yīng)等,中長距離應(yīng)用有機(jī)器人導(dǎo)航、避障,包括自動駕駛的激光雷達(dá)等�？梢钥闯�,隨著測距距離要求越來越遠(yuǎn),對光源功率的要求也越來越高。

ToF及其用途

所謂3D ToF是激光器將光打到對象上,用一個(gè)感光元件接收對象反射光,再外加一個(gè)MCU對發(fā)射光和反射光信號進(jìn)行對比計(jì)算,得出光源到對象的距離、形狀、位置等各種信息。

3D ToF激光雷達(dá)原理

3D ToF基本有兩種實(shí)現(xiàn)方式,一種是旋轉(zhuǎn)式,一種是照射式,這兩種方式用的光源不太一樣。旋轉(zhuǎn)式3D ToF基本用FPLD(法布里-珀羅激光二極管)。其發(fā)出的激光經(jīng)透鏡整形后打到多棱鏡上,多棱鏡360度不停旋轉(zhuǎn),進(jìn)行全方位掃描。因?yàn)榫酃庑暂^好,這種測距方式測距比較遠(yuǎn),可以達(dá)到100米以上,分辨率取決于機(jī)械元件的掃描速度。

3D測距的激光光源種類

另外一種是照射型3D ToF,用的激光元件叫VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器),其中沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)件,發(fā)出的光經(jīng)一個(gè)擴(kuò)散板擴(kuò)到120度左右水平角,進(jìn)行物體掃描。3D ToF分辨率比較好,但是因?yàn)楣饽芰勘容^分散,用來做長距離測距一般比較困難。不管是旋轉(zhuǎn)式還是照射式3D ToF,都可以獲得對象的距離、形狀、位置信息等,近年來受到了非常廣泛的關(guān)注。

至于光源,根據(jù)不同測距要求,長距離一般使用大功率FPLD激光器;短距離測距有旋轉(zhuǎn)式或照射式不同實(shí)現(xiàn)方法。照射式低成本方案采用LED作光源,對于高分辨率、高精度照射式3D ToF一般采用VCSEL+擴(kuò)散板方案來實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)光的驅(qū)動方式

那么,FPLD和VCSEL這兩種激光器有什么區(qū)別呢?最大的區(qū)別就是激光傳導(dǎo)路徑不一樣。從FPLD芯片截面圖可以看出,上下正負(fù)電極通電后從芯片一邊發(fā)射激光,所以叫邊發(fā)射型LD。VCSEL同樣也有上下正負(fù)電極,正負(fù)電極通電后垂直于芯片直接從上面發(fā)出激光,即垂直腔面發(fā)射。不管是FPLD還是VCSEL都是半導(dǎo)體激光器。

FPLD與VCSEL的區(qū)別

半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)由來已久

羅姆的半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)歷史可以追溯到1984年量產(chǎn)780納米FPLD,不同波長、不同功率的激光器面向不同市場,包括CD、DVD、激光打印機(jī)及PM2．5檢測等。最近兩年,其重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)主要集中在905納米大功率激光器,包括新推出的75W大功率產(chǎn)品。

羅姆激光器以往主要集中在635-780納米波長,輸出功率在100毫瓦內(nèi)。這些小功率激光器有非常高的市場占有率。

羅姆激光二極管輸出功率及波長的演變

2019年羅姆開始量產(chǎn)25W 905納米激光器,未來主要集中在大功率激光器,還有更高功率的陣列激光器。

羅姆的另外一個(gè)重點(diǎn)是VCSEL,今年將量產(chǎn)4W以下小功率VCSEL。100W大功率VCSEL正在開發(fā)中。

作為IDM廠商,羅姆有自己獨(dú)有的技術(shù),包括基于MOCVD的晶體生長技術(shù)、Wet-Dry蝕刻相結(jié)合的精細(xì)化加工技術(shù)。這些技術(shù)有助于羅姆激光器發(fā)光光形更好,光電轉(zhuǎn)換率更高;從芯片生產(chǎn)到成品封裝也都是內(nèi)部完成,可以長期供應(yīng)高品質(zhì)的激光器產(chǎn)品。

高功率激光器助推低速場景

羅姆發(fā)布的75W高輸出功率激光二極管RLD90QZW3具有業(yè)界超窄線寬的高密度發(fā)光,支持長距離和更高精度。這款產(chǎn)品主要是幫助客戶加速實(shí)現(xiàn)日漸成熟的低速車場景商業(yè)模式的落地,同時(shí)也為掃地機(jī)器人、AGV和自動駕駛汽車等需要自動化工作的廣泛應(yīng)用提供解決方案。

吳波介紹說,RLD90QZW3是一款紅外光高輸出功率激光二極管,采用CAN56(TO-56)的金屬管殼封裝,適用于3D ToF系統(tǒng)測距和空間識別激光雷達(dá)。利用羅姆自有的元器件開發(fā)技術(shù),在業(yè)界同等輸出功率激光二極管中實(shí)現(xiàn)了225?m的超窄線寬專利技術(shù)。與線寬290?m的普通產(chǎn)品相比,線寬縮窄了22%,實(shí)現(xiàn)了高光束性能。

窄線寬可以實(shí)現(xiàn)更高精度

激光器發(fā)出的光經(jīng)透鏡整形成平行光打出去進(jìn)行掃描檢測,激光器本身的線寬越窄,經(jīng)過透鏡后得到的平行光斑就越小,光斑中心部分光強(qiáng)越強(qiáng),就可以打得更遠(yuǎn),測的精度更高,這一點(diǎn)對激光雷達(dá)應(yīng)用非常重要。

另一個(gè)特點(diǎn)是光形特別好。市面上一般激光器普遍存在邊緣不清晰的現(xiàn)象。新產(chǎn)品通過各種工藝改良,使中心部分和邊緣部分的發(fā)光強(qiáng)度一樣均勻,沒有任何衰減。這對客戶實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的高精度有一定幫助。

發(fā)光強(qiáng)度比較

此外,利用窄線寬與光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)此消彼長的關(guān)系,新產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了與普通產(chǎn)品同等的21%光電轉(zhuǎn)換效率(正向電流24A、75W輸出時(shí)),因此在使用時(shí)無需擔(dān)心增加功耗。

為了支持客戶盡快導(dǎo)入市場,羅姆免費(fèi)提供評估和所需的豐富設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),包括驅(qū)動電路設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用指南、電路板開發(fā)用的數(shù)據(jù)和仿真用的模型(SPICE模型、Ray數(shù)據(jù))等。羅姆還和艾睿(ARROW)開發(fā)了一個(gè)單通道激光測距參考設(shè)計(jì)測試板。

參考設(shè)計(jì)測試板

選擇激光器因應(yīng)用而異

為了提高測量距離,需要更高的光輸出功率。距離越遠(yuǎn),光輸出功率的返回率越低。這是由空氣中的光衰減引起的,因此,需要更高的光輸出功率才能遠(yuǎn)距離觀察物體。為了提高距離分辨率,必須縮短脈沖寬度。當(dāng)脈沖寬度較長時(shí),探測器接收到的光脈沖往往會重疊,從而難以區(qū)分兩個(gè)或多個(gè)彼此接近的物體,所以需要更短的脈沖來提高距離精度。從眼睛安全的角度來看,較短的脈沖也可以增加最大光輸出功率。每種應(yīng)用所需的距離分辨率和距離范圍都不同,因此,所需的光輸出功率和脈沖寬度都不同,為每個(gè)應(yīng)用選擇正確的器件和設(shè)計(jì)電路非常重要。

飛行時(shí)間法的一些用途

據(jù)了解,目前羅姆正在開發(fā)120W高輸出功率和車規(guī)級(符合AEC-Q102標(biāo)準(zhǔn))激光二極管產(chǎn)品。未來,羅姆將繼續(xù)為包括汽車應(yīng)用在內(nèi)的安全、便捷的激光雷達(dá)的開發(fā)更多產(chǎn)品,為的是滿足更多不同的應(yīng)用要求。