跨越五大障礙，激光雷達(dá)有望實(shí)現(xiàn)新突破

　　打破成本壁壘

　　縮小LiDAR系統(tǒng)尺寸背后相同的技術(shù)和思路，也可以用于大幅節(jié)約成本!半導(dǎo)體VCSEL，特別是940nm波長(zhǎng)的VCSEL激光器，利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝，針對(duì)手機(jī)等大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，使用硅基芯片代替了1550nm激光器和傳感器中價(jià)格更昂貴的磷化銦(InP)和銦鎵砷(InGaAs)器件。

　　當(dāng)您將這些工藝和材料所節(jié)省的成本整合計(jì)算后，每個(gè)LiDAR單元的成本可以降至200美元或更低，而目前許多機(jī)械和1550nm解決方案的成本都超過(guò)1000美元。以這樣的價(jià)格，在無(wú)人駕駛汽車上使用多個(gè)LiDAR單元以獲得先進(jìn)的傳感能力和更高的安全性要實(shí)際得多。

　　提高可靠性

　　當(dāng)今的LiDAR技術(shù)大多是基于旋轉(zhuǎn)鏡或MEMS微鏡。這些技術(shù)包含很多運(yùn)動(dòng)部件，它們的生產(chǎn)成本和故障率都很高。值得注意的是，許多LiDAR系統(tǒng)必須在不太理想的氣候和高振動(dòng)環(huán)境下運(yùn)行。理想的940nm波長(zhǎng)的VCSEL模塊化激光技術(shù)可在通過(guò)AEC-Q100認(rèn)證的一級(jí)溫度范圍內(nèi)(-40°C至125°C)的汽車中工作。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在電信領(lǐng)域應(yīng)用了二十多年，可靠性極高。此外，這些新型VCSEL激光器已經(jīng)針對(duì)遠(yuǎn)程LiDAR的功率要求和AEC-Q100認(rèn)證一級(jí)溫度范圍，進(jìn)行了數(shù)百萬(wàn)小時(shí)的等效運(yùn)行測(cè)試，性能沒(méi)有出現(xiàn)任何意外降低。

　　擴(kuò)大探測(cè)范圍

　　通常，由于人眼安全限制，905nm波長(zhǎng)的邊緣發(fā)射激光器(EEL)只能在100米左右的范圍內(nèi)使用，而1550nm波長(zhǎng)的激光器可用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離并對(duì)人眼安全的照明。然而，在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，1550nm波長(zhǎng)激光器和傳感器的成本是令人望而卻步的。LiDAR行業(yè)流傳著自己的傳說(shuō)，認(rèn)為實(shí)現(xiàn)這一長(zhǎng)距離探測(cè)的唯一方法，只有通過(guò)使用這些昂貴的1550nm波長(zhǎng)的激光器和傳感器。

　　940nm波長(zhǎng)的VCSEL激光器結(jié)合了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，既利用了太陽(yáng)光譜在940nm的大幅下降(太陽(yáng)光干擾較小)，又利用了大規(guī)模、低成本的VCSEL技術(shù)。940nm處環(huán)境光噪聲的降低，使得在較低的激光功率下可以獲得更廣的探測(cè)范圍?，F(xiàn)在，已經(jīng)在移動(dòng)電話中使用了940nm波長(zhǎng)的VCSEL激光器，以便在極低功率和短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)3D傳感?，F(xiàn)在，VCSEL技術(shù)可以在相當(dāng)遠(yuǎn)的距離內(nèi)使用，并且還能保護(hù)人眼安全。

　　針對(duì)人眼安全的創(chuàng)新

　　由于人眼安全限制，905nm波長(zhǎng)的EEL激光器通常只能限制在100米左右的范圍內(nèi)使用。盡管紅外激光附近的高功率連續(xù)波會(huì)穿透視網(wǎng)膜并損傷視力，對(duì)人眼產(chǎn)生傷害，但是人眼可以承受(人眼安全)在較低占空比下極短脈沖(十億分之一秒脈沖)的高功率940nm波長(zhǎng)的光源。如今的940nm波長(zhǎng)VCSEL陣列與EEL激光器等高亮度點(diǎn)光源完全不同。

　　940nm波長(zhǎng)的VCSEL陣列包含很多單顆VCSEL激光器，每個(gè)激光器功率相對(duì)較低，使用短脈沖，因此對(duì)人眼比較安全。該技術(shù)使用窄脈沖(十億分之一秒)以非常低的重復(fù)頻率運(yùn)行。當(dāng)這些VCSEL組合成陣列時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生具有很高輸出功率的分布式光源，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離探測(cè)，但其平均功率很低，并且分布式光源不會(huì)損壞視網(wǎng)膜。例如，TriLumina開(kāi)發(fā)出了對(duì)人眼安全的倒裝芯片940nm波長(zhǎng)脈沖VCSEL陣列，其600W峰值光功率可以支持超過(guò)250米的探測(cè)距離，具有低占空比的特點(diǎn)，平均光功率僅為半瓦。

圖2 TriLumina開(kāi)發(fā)出了對(duì)人眼安全的倒裝芯片940nm波長(zhǎng)脈沖VCSEL陣列

　　LiDAR的廣泛部署有望實(shí)現(xiàn)

　　雖然現(xiàn)在MEMS和機(jī)械式LiDAR面臨的挑戰(zhàn)確實(shí)是廣泛部署LiDAR技術(shù)的主要障礙，但這可以通過(guò)有望在2019年初完成車規(guī)認(rèn)證的新型VCSEL激光技術(shù)來(lái)克服。想象一下在車內(nèi)和車外都有感應(yīng)功能的無(wú)人駕駛汽車，將可以大大減少每年超過(guò)3.7萬(wàn)的交通事故死亡人數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。

　　這些目標(biāo)只能通過(guò)控制成本、減小尺寸、滿足汽車可靠性要求和擴(kuò)大探測(cè)距離，同時(shí)確保人眼安全來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用正確的激光技術(shù)，LiDAR將可以采取下一步措施邁向更廣泛的部署。

　　TriLumina目前正為汽車ADAS(Advanced Driver Assistance Systems，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng))應(yīng)用開(kāi)發(fā)VCSEL產(chǎn)品，并針對(duì)性能、尺寸、成本、人眼安全和汽車一級(jí)資質(zhì)等各個(gè)特定領(lǐng)域進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)LiDAR的廣泛部署。這是基于專利倒裝芯片和背發(fā)射VCSEL陣列，而該陣列可將高脈沖功率陣列、集成微光學(xué)器件和電子束轉(zhuǎn)向集成在一個(gè)芯片上。