高功率激光器循序漸進(jìn)助推自動(dòng)駕駛落地

自動(dòng)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(chǎng)漫長的馬拉松，怎樣才能有的放矢，把控自如？從目前自動(dòng)駕駛落地情況看，不論國內(nèi)國外，基本上都是低速場(chǎng)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(tái)首先實(shí)現(xiàn)的是安全性更高的封閉、半封閉場(chǎng)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(chǎng)景自動(dòng)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(cè)距原理，通過測(cè)量光從光源發(fā)出到從對(duì)象物返回過程的飛行時(shí)間來反推光源到對(duì)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(duì)象的距離，還可以獲得對(duì)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(shí)別、手勢(shì)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(dòng)駕駛的激光雷達(dá)等?？梢钥闯?，隨著測(cè)距距離要求越來越遠(yuǎn)，對(duì)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(duì)象上，用一個(gè)感光元件接收對(duì)象反射光，再外加一個(gè)MCU對(duì)發(fā)射光和反射光信號(hào)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得出光源到對(duì)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(cè)距方式測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)距要求，長距離一般使用大功率FPLD激光器；短距離測(cè)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(duì)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(dòng)方式

那么，F(xiàn)PLD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(chǎng)，包括CD、DVD、激光打印機(jī)及PM2.5檢測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)景商業(yè)模式的落地，同時(shí)也為掃地機(jī)器人、AGV和自動(dòng)駕駛汽車等需要自動(dòng)化工作的廣泛應(yīng)用提供解決方案。

75W高功率激光二極管

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(cè)距和空間識(shí)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225μm的超窄線寬專利技術(shù)。與線寬290μm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(cè)，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(cè)的精度更高，這一點(diǎn)對(duì)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(duì)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(chǎng)，羅姆免費(fèi)提供評(píng)估和所需的豐富設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，包括驅(qū)動(dòng)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(cè)距參考設(shè)計(jì)測(cè)試板。

參考設(shè)計(jì)測(cè)試板

選擇激光器因應(yīng)用而異

為了提高測(cè)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(cè)器接收到的光脈沖往往會(huì)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(jí)（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。