機(jī)器視覺(jué)作為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化和智能化的關(guān)鍵核心技術(shù),正成為人工智能發(fā)展最快的一個(gè)分支。機(jī)器視覺(jué)對(duì)于人工智能的意義,正如眼睛之于人類的價(jià)值。激光光源作為機(jī)器視覺(jué)最為關(guān)鍵的部分之一,直接影響到圖像的質(zhì)量和感知的精度,為機(jī)器視覺(jué)賦予“智慧之光”。機(jī)器視覺(jué)正快速擴(kuò)展至消費(fèi)電子、汽車電子和工業(yè)控制等新應(yīng)用領(lǐng)域。新應(yīng)用和新功能推動(dòng)了對(duì)激光光源更大功率,更高效率和更小體積的需求。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,9月16日至18日在深圳舉辦的中國(guó)光博會(huì)(CIOE 2021)上,坐落于“深圳激光谷”的檸檬光子將展示多款應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)的激光光源芯片及模組產(chǎn)品,憑借其先進(jìn)的激光芯片技術(shù)和光學(xué)設(shè)計(jì)能力,旨在打造一站式智能機(jī)器人行業(yè)激光雷達(dá)光源解決方案。
激光雷達(dá)行業(yè)技術(shù)處于生命周期初期,多維度、多元化技術(shù)創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)。技術(shù)創(chuàng)新帶來(lái)的產(chǎn)品升級(jí)是機(jī)器視覺(jué)行業(yè)規(guī)模擴(kuò)大的核心驅(qū)動(dòng)力。掃地機(jī)器人是近年來(lái)增長(zhǎng)迅猛的智能機(jī)器人領(lǐng)域。當(dāng)前在掃地機(jī)器人移動(dòng)導(dǎo)航領(lǐng)域的主流技術(shù)是 SLAM (Simultaneous Localization and Mapping)即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)。按傳感器種類來(lái)劃分,SLAM技術(shù)主要分為兩類,一類是基于激光測(cè)距傳感器的LDS SLAM技術(shù),另一類是基于機(jī)器視覺(jué)的VSLAM技術(shù)。LDS SLAM目前為市場(chǎng)主流技術(shù)。表一對(duì)三種主流的LDS SLAM方案進(jìn)行了對(duì)比。立體視覺(jué)方案憑借其在分辨率、測(cè)量精度、抗干擾性和成本等方面的綜合優(yōu)勢(shì),是目前被廣泛采用的LDS SLAM方案。ToF方案的地圖構(gòu)建能力更強(qiáng),但相對(duì)成本較高。結(jié)構(gòu)光方案由于測(cè)量距離受限和抗干擾性相對(duì)較弱,應(yīng)用也相對(duì)受限。在應(yīng)用相對(duì)廣泛的立體視覺(jué)和ToF方案中,傳統(tǒng)的激光雷達(dá)光源一般采用邊發(fā)射激光器 (EEL)。檸檬光子基于自主研發(fā)的高性能垂直腔面發(fā)射激光芯片(VCSEL)和水平腔面發(fā)射激光芯片(HCSEL),為主流的LDS SLAM系統(tǒng)提供性能更優(yōu)異的激光光源方案。
表一:三種主流LDS SLAM方案對(duì)比
一、面向三角法測(cè)量立體視覺(jué)方案的VCSEL點(diǎn)激光準(zhǔn)直模組
檸檬光子的VCSEL系列點(diǎn)激光準(zhǔn)直模組(如圖一)采用定制的VCSEL單點(diǎn)芯片,相比于傳統(tǒng)EEL準(zhǔn)直模組,具有溫漂系數(shù)小,光斑圓度和均勻度高,抗靜電能力強(qiáng),可靠性高,易于封裝和性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)。該產(chǎn)品已通過(guò)多家激光雷達(dá)方案商和智能機(jī)器人終端客戶性能及可靠性驗(yàn)證,并進(jìn)入批量生產(chǎn)。
圖一:檸檬光子面向三角法測(cè)量激光雷達(dá)的VCSEL點(diǎn)光源準(zhǔn)直模組
二、面向dToF方案的多結(jié)VCSEL點(diǎn)激光準(zhǔn)直模組
檸檬光子推出了業(yè)界領(lǐng)先的多結(jié)VCSEL芯片系列產(chǎn)品,峰值電光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)56%(如圖二)。該系列產(chǎn)品具有高功率密度、高可靠性和優(yōu)異的高溫性能等特點(diǎn),廣泛適用于短脈沖(ns級(jí))和高峰值功率應(yīng)用。多結(jié)技術(shù)代表著 VCSEL行業(yè)的下一個(gè)飛躍,為機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)。高功率密度可減小封裝尺寸,優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu);高電光轉(zhuǎn)換效率可以降低整機(jī)熱負(fù)載;高斜率效率可以降低脈沖電流,進(jìn)而提升驅(qū)動(dòng)芯片的切換速度。結(jié)合上文所述VCSEL技術(shù)相較于EEL的諸多優(yōu)勢(shì),基于多結(jié)VCSEL的點(diǎn)激光準(zhǔn)直模組可望優(yōu)勢(shì)替代傳統(tǒng)EEL模組,使得dToF激光雷達(dá)方案能夠更廣泛地應(yīng)用于機(jī)器人視覺(jué)領(lǐng)域。
圖二:檸檬光子多結(jié)VCSEL芯片實(shí)測(cè)LI和PCE數(shù)據(jù)(測(cè)試條件:200μs脈沖寬度,1%占空比)
三、面向結(jié)構(gòu)光方案的大角度平頂光場(chǎng)VCSEL線激光模組
檸檬光子VCSEL系列線激光模組采用定制VCSEL陣列芯片和特殊設(shè)計(jì)的大角度線鏡,可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量線型光場(chǎng)。其相對(duì)傳統(tǒng)的EEL線光源的優(yōu)勢(shì)如下:
- 行業(yè)首創(chuàng)大角度平頂光場(chǎng):無(wú)邊緣斷線的120度大角度平頂光場(chǎng)分布,邊緣能量更強(qiáng),更利于大角度雷達(dá)彌補(bǔ)邊緣能量(見(jiàn)圖四中與傳統(tǒng)EEL模組的光場(chǎng)分布對(duì)比);
- 激光線寬更窄:能量更集中,在空域有效提高信噪比;
- 溫漂系數(shù)?。菏荅EL的1/5,接收端可采用更窄帶濾光片,在頻域有效提高信噪比;
- 更高可靠性:VCSEL發(fā)光面比EEL更大,相對(duì)功率密度低,可靠性更好;
- 性價(jià)比高:VCSEL在芯片、封裝和模組組裝等方面提供更優(yōu)化的成本。
圖三:檸檬光子面向線結(jié)構(gòu)光避障雷達(dá)的VCSEL線激光模組
圖四:檸檬光子VCSEL線光源和EEL線光源的光場(chǎng)圖對(duì)比:(a)檸檬VCSEL線光源實(shí)現(xiàn)120度光場(chǎng),其中平頂光分布大于90度;(b)傳統(tǒng)EEL線光源呈近高斯光場(chǎng)分布,邊緣能量不滿足傳感信號(hào)需求,且大角度處出現(xiàn)斷線
四、面向ToF方案的大角度平頂光場(chǎng)HCSEL線激光模組
檸檬光子的HCSEL激光芯片結(jié)合了EEL高功率輸出和VCSEL更適合大規(guī)模量產(chǎn)的優(yōu)勢(shì),可同時(shí)滿足激光雷達(dá)普及應(yīng)用對(duì)激光光源的三大需求:更高峰值功率、更小光譜溫度漂移和更長(zhǎng)的激光波段,從而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的3D感測(cè)距離、更高信噪比和人眼安全防護(hù)。
相比VCSEL及EEL,HCSEL芯片技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下:
- 超高的功率,可實(shí)現(xiàn)單管峰值功率數(shù)百瓦;
- 大輸出口徑賦予芯片更高的可靠性;
- 光譜線寬窄,波長(zhǎng)穩(wěn)定,便于3D傳感和LiDAR應(yīng)用有效濾除噪聲;
- 優(yōu)異的光束質(zhì)量降低光學(xué)整形難度和提高光場(chǎng)利用率;
- 優(yōu)異的偏振度利于傳感探測(cè)和光學(xué)合束;
- 簡(jiǎn)單的芯片制造工藝從理論上保證更可控的成本。
線掃描的3D傳感方案具有相對(duì)較高的方案集成度,以及相對(duì)低成本的更成熟的線陣光電接收芯片,使得線掃描方案越來(lái)越多的受到傳感行業(yè)的關(guān)注。傳統(tǒng)的EEL和VCSEL激光芯片由于其較大的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角,很難通過(guò)diffuser直接形成相對(duì)低成本、小體積的均勻線光斑。檸檬光子的新型HCSEL激光芯片憑借其一個(gè)方向近乎準(zhǔn)直的出光發(fā)散角,可以大大提高經(jīng)diffuser整形過(guò)后的光場(chǎng)銳利度和均勻度,在較小的封裝尺寸內(nèi),實(shí)現(xiàn)理想的線光斑。圖五是2W VCSEL和HCSEL經(jīng)過(guò)同一120度 x 1度diffuser之后的光場(chǎng)效果對(duì)比。
圖五:VCSEL和HCSEL芯片經(jīng)120度 x 1度diffuser的光場(chǎng)對(duì)比:(a)VCSEL不通過(guò)準(zhǔn)直鏡,光場(chǎng)無(wú)法被diffuser壓縮,光束發(fā)散,雜散光形成噪聲;(b)HCSEL直接通過(guò)diffuser便形成銳利的線光斑,線寬更窄,均勻度更好
圖六:基于4037封裝形式的HCSEL線激光投射模組
檸檬光子的HCSEL新型半導(dǎo)體激光器芯片作為下一代新型ToF光源,將會(huì)以更高性能、更高可靠性和更低成本的特性,將3D傳感應(yīng)用提升到一個(gè)新的高度。目前檸檬光子可提供2~50W峰值功率的HCSEL線激光投射光源,已有多家國(guó)際知名廠商采用HCSEL芯片技術(shù)方案。
檸檬光子致力于開(kāi)發(fā)高性能激光芯片及光源模組,努力為蓬勃發(fā)展的智能機(jī)器人行業(yè)提供一站式半導(dǎo)體激光光源解決方案。檸檬光子持續(xù)研發(fā)新技術(shù),迭代新產(chǎn)品,誠(chéng)邀業(yè)界有識(shí)之士加盟,聯(lián)系email:hr@lemon-photonics.com。
檸檬光子簡(jiǎn)介:
檸檬光子是一家由半導(dǎo)體激光行業(yè)海歸專業(yè)團(tuán)隊(duì)和風(fēng)險(xiǎn)投資以及產(chǎn)業(yè)投資機(jī)構(gòu)共同創(chuàng)辦的高科技企業(yè),致力于高端半導(dǎo)體激光芯片以及激光投射光源模組的產(chǎn)業(yè)化。公司擁有國(guó)際領(lǐng)先的全方位半導(dǎo)體激光技術(shù)和工藝,包括獨(dú)家擁有的新一代激光芯片技術(shù)。公司以自主的核心技術(shù)為基礎(chǔ),致力于打造一站式半導(dǎo)體激光芯片及光源解決方案的核心光源元器件供應(yīng)商。
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