如何让LiDRA探测实现更高精度和更长距离？从光源角度分析

LiDAR（激光雷达）最早起源于60年代，是Light和Radar两个词的组合，从命名上就可以看出其基础的工作原理——采用类似无线电检测的方式，向待测对象发射光，测量其返回的时间差来计算距离。随着LiDAR技术的不断发展， 近年来被广泛应用在iPhone和自动驾驶汽车中实现对环境3D感知，从而被大众所熟知。

据Yole的预测到2025年的LiDAR整体市场规模将达到38亿美金，从2019年到2025年复合增长率约为19%。随着LiDAR应用整体成本的降低，在机器人、自动驾驶和工业等普及率会越来越高。

LiDAR系统：光电、模拟和数字的结合

一个典型的LiDAR系统中包含光电芯片、光学结构、模拟电路、数字电路和主控单元等：光源的部分采用脉冲激光二极管用来发射脉冲光信号，后端有相应的开关和驱动芯片以及电路设计；发出的光需要经过一定的光学结构来进行整理；接收光的部分是成像单元，同样也需要譬如PD（光电二极管）、APD（雪崩二极管）或SPD（单光子雪崩二极管）等光电器件，以及后端的信号转换电路；然后根据ToF的处理方式不同，后面又会经过TDC或者相位比较，最终高所有的数据会经过控制单元（SoC/MCU等）来进行处理。下图即一个dToF类型的LiDAR系统的具体示例。

对于LiDAR应用而言，探测的精度、距离、范围、分辨率等是最关键词的性能指标，针对三者的取舍要依据具体的应用场景来选择不同的技术方案。而落实到系统层面，功耗和成本也是需要考虑的重要因素，因此目前LiDAR的技术也非常丰富，各家技术路线也都有所差异。但从上图的LiDAR的系统解构中我们可以看到，光源在整个系统中是最基础的器件之一、起到了最为关键的作用；光源的性能将直接影响到整体的表现。

在近日ROHM在北京召开了发布会，针对LiDAR的光源技术进行了分享，本文也将从这一角度来进行重点的剖析。

LiDAR的主流光电器件：FPLD与VCSEL

光源有LED、Vcsel、FP型激光二极管等类型，其中LiDAR所需的脉冲光信号，主要有Vcsel和FPLD两种光学器件，分别对应着不同的3DToF应用高。据罗姆北京技术中心工程师吴波先生分享，FPLD也叫做边发射型的LD，主要应用于旋转式3DToF。边发射型LD发出的激光经过透镜整形之后打到多棱镜上去，多棱镜360度不停旋转，进行一个全方位的扫描。这种测距方式因为聚光性较好，所以测距比较远，可以达到100米以上。分辨率取决于机械元件扫描速度。VCSEL则应用于照射型3DToF——VCSEL发出的光经过一个扩散板，例如扩散到120度左右的水平角，在120度水平角里面进行一个物体的扫描。照射型的3DToF一般来说分辨率比较好，但是因为光能量比较分散，用来做长距离测距较为困难一些。

FPLD和VCSEL的光传导路径也截然不同，如下图所示FPLD的光信号是从芯片的侧面发射出来的，而VCSEL的光信号则是从芯片的上表面照射出来的，不同的发光方式在其进行系统集成的时候，光源的布置方式也有所差异。

发射功率、光波长度、波长温飘、调制频率、光电转换率和线宽灯是发光器件尤为重要的参数，这也对于LiDAR系统整体的探测能力有着直接的影响。

据悉ROHM从1984年就实现了780nm FPLD的量产 ，此后经过30多年技术发展和沉淀。如上图所示，ROHM以往的激光二极管产品布局集中于635nm～780nm、100mW功率以下的产品，而目前波长已经扩展到820～905nm、功率等级提高到了25W和75W。吴波先生表示，ROHM的激光器未来发展方向有两个：一个是905nm的大功率FPLD系列，一个是VCSEL会在4W以下和100W以上两个方向上拓宽产品线。

超窄线宽、光形、温度依存性如何影响LiDAR的性能

在上文中已经提及到了激光器的诸多参数指标，但其中尤其是线宽对于性能的影响很多人可能并不清楚。近日ROHM推出的75W等级的FPLD产品RLD90QZW3，即实现了行业内超窄的225µｍ发光线宽。因为FPLD的发射光线需要先经过透镜整形成平行光之后再打出去进行扫描检测，所以激光器本身线宽越窄，经过透镜之后的平行光斑就越小，光斑中心部分的光强就越强，所以探测的距离也就更远，精度更高。RLD90QZW3激光器的线宽足够窄，对于激光雷达应用是一个非常好的特点。

激光雷达的性能稳定性也需要激光器的支持才可以更好的实现，从激光器角度来看，出光光形和温度依存性是两个重要指标。除了线宽窄之外，RLD90QZW3的另一个优势在于其出光的光形非常好。如下图所示，在整个线宽范围内的发光强度相比传统产品更均匀，在发光部边缘处的发光强度并没有明显的降低和衰减，可以帮助激光雷达实现更高精度性能。此外RLD90QZW3的随温漂移性能也较为突出，温度依存相较普通产品提高了40%。从LiDAR系统角度来分析，感光测（成像侧）只能允许某一波长范围内的光通过，所以光的波长在不同温度下变化越小，则激光雷达的性能就会越稳定。因此RLD90QZW3的低温度依存特性可以保证LiDAR实现更稳定的成像检测。

在追求线宽的同时，PCE（光电转换效率）就会降低。但ROHM的RLD90QZW3并没有在PCE上妥协——在75W功率等级产品中实现超窄线宽的同时，PCE性能实现了和普通产品一致的21%的表现。因此客户在该功率等级的LiDAR系统上追求更长探测距离的同时，并不需要收到功耗的困扰。

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如何实现的超窄线宽、优秀的出光光形还不影响PCE？ROHM表示这得益于其专利的生产工艺和垂直统一的成产体制。优势工艺包括基于MOCVD的自有晶体生长技术和Wet-Dry蚀刻相结合的精细化加工技术；而从设计到封测垂直的统一成产体制保证了其产品质量的稳定。具体的技术细节并不能够透露，但据悉其全新的光子晶体激光二极管产品也正在研发中。