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激光雷达核心器件激光器的分类及选择

雷达作为车辆避障的重要手段,现在已经从最初仅有超声波雷达发展到超声波雷达、毫米波雷达和激光雷达互补共存的阶段,激光雷达以其分辨率高的优势,迎来快速增长的时期,无人驾驶技术已是大势所趋,车载的激光雷达近几年出现爆发式增长的局面。


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百度第六代量产无人车Apollo RT 搭载8个激光雷达


今天给大家介绍一下激光雷达核心器件激光器的分类及选择,如有错误或遗漏欢迎加群指正交流。



一、激光雷达技术路线


激光雷达根据扫描方式和测距原理的不同分为不同的激光雷达,不同技术路线的激光雷达有着不同的优势。如TOF技术路线的优势在成熟度,综合成本、FMCW 技术路线优势在于长距离,抗干扰。目前dTOF技术路线为市场主导方案。

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二、激光器的分类


激光光源是车载激光雷达的核心器件之一。目前常见的几种光源主要包括边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、固体激光器以及光纤激光器等。


1、边发射激光器(EEL)


用于激光雷达的边发射激光器,最常用的是InGaAs/GaAs应变量子阱脉冲激光二极管(PLD, Pulsed laser diode),波长以905 nm最为流行。


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905 nm 脉冲激光二极管在测距领域已广泛应用很多年,技术也是突飞猛进。激光器芯片的发射单元结构已由单层发展到两叠层或三叠层甚至四叠层。随着激光雷达对905 nm 脉冲激光二极管输出功率及光学点阵云要求的提高,激光雷达所需的芯片结构也由单通道发展到4通道,甚至6通道或8通道。



欧司朗四通道激光器产品


常见的905 nm PLD的封装结构是TO、蝶式、尾纤以及更好的散热基座上直接安装芯片等。德国欧司朗(Osram)公司是全球905 nm PLD主要的生产商,除此之外还有日本滨松光子、Excelitas Technologies、Laser Components、OSI LaserDiode Inc.、Wavespectrum Laser Group、瑞波光电等。


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滨松陶瓷封装的4通道 PLD


2、垂直腔面发射激光器(VCSEL)


VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)是一种垂直表面出光的新型激光器,其制造工艺与边发射半导体激光器相兼容,且大规模制造的成本很低。另一方面,VCSEL的生长结构更易于芯片级的二维VCSEL阵列,不仅可以提高输出功率,还为设计各种复杂结构的点阵光源提供了可能。


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近年来,车载激光雷达及3D感知发展非常迅速,引得国内外大量厂商在VCSEL领域布局,国外厂商包括Lumentum、Finisar、Osram、II-VI等,国内苏州长光华芯建成投产了国内首条具有完整生产工艺的VCSEL芯片生产线,提供850~940 nm波段的VCSEL产品,适用于飞行时间(ToF)和结构光(Structured light)的方案。


3、光纤激光器


1550 nm波长的激光光源也是某些车载激光雷达产品选择的光。1550 nm激光雷达一般采用光纤激光器作为光源, 主要厂家有法国Lumibird、昂纳(讯石备注:海创光电、AOI)此外也有一些激光雷达公司采用自已开发的光纤激光器,如美国Luminar、镭神智能等。


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4、固体激光器


固体激光器是闪光式车载激光雷达(Flash LiDAR)技术路线的激光光源方案。闪光式激光雷达是真正意义上的固态面激光雷达,激光雷达内部没有任何扫描或运动部件。


三、激光器的选择


激光光源的选择需综合考虑实际应用环境、激光雷达技术方案、性能需求以及成本需求,需要多种类型的激光光源来适应不同的道路环境。


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边发射激光器(EEL)边缘发射激光器具有高功率密度和高脉冲峰值功率,非常适合使用APD探测器的激光雷达系统。


VCSEL 具有很高的吸引力,因为它有可能将2D发射器阵列和2D SPAD探测器阵列组合成一个没有运动部件的激光雷达系统。


光纤激光器输出功率高、光束质量好、速度快,是高性能系统的理想选择,但其复杂性显著增加


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四、激光雷达系统波长的选择


需要从背景噪声、人眼安全、探测器以及系统波长几方面综合考虑。


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相较于1550 nm波长,905 nm的主要优点是硅在该波长处吸收光子,而硅基光电探测器通常比探测1550 nm光所需的铟镓砷(InGaAs)近红外探测器更加成熟,从成本和整体成熟度方面来讲是大批量应用的必然选择,性价比更高。


1550 nm激光远离人眼吸收的可见光光谱,相比于905 nm激光, 同等功率的1550 nm激光人眼安全性提高40倍。


相较于905 nm激光雷达,1550 nm激光雷达在光源及探测器成本、体积以及供应链成熟度上还有明显的不足。


综上,各波长各有优劣,需结合激光雷达的系统设计从而选择合适的波长。根据不同的驾驶环境需要,边发射型半导体激光器,VCSEL激光器,固体激光器,光纤激光器都有各自的用武之地。



文章参考:


  1. 张雪峰、闵大勇《4种常用车载激光雷达光源技术的优缺点解析》
  2. 梁泽春《905nm EEL激光器在LiDAR应用中的系统优势与技术革新》


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