机器视觉是许多现实世界应用中的基本特征,它使机器能够感知和觉察周围的世界。SiLC Technologies, Inc.(SiLC)推出了Eyeonic视觉传感器,向更广泛的市场提供连续的视觉和芯片级集成。SiLC的最新视觉传感器通过提供双偏振强度信息,同时能够抵御多用户和环境干扰,将激光雷达的性能提升到一个新的水平。

 

车厂正在引入越来越先进的ADAS解决方案,目的是有朝一日达到L4自动驾驶。另一个具有挑战性的应用是自主机器人,机器视觉引导机器人穿过仓库,避开路径上的所有障碍物,以此来改善物流链。

 

机器视觉解决方案需要先进的传感器,能以实时行为获取数据,在固件或硬件层面进行处理,并为决策算法(最终基于AI)提供高级信息。适用于汽车和机器人机器视觉应用的传感器技术的例子是雷达和激光雷达。在这篇文章中,我们将介绍SiLC开发的一种新颖的激光雷达技术,依靠相干的传感器来实现汽车、机器人和工业应用的4D视觉。

 

Eyeonic视觉传感器于2021年12月推出,并在CES 2022上展示,它是一种FMCW(frequency modulated continuous wave)激光雷达,不仅可以提供深度信息,还能提供速度和偏振强度数据。

 

SiLC的业务发展和营销副总裁Ralf Muenster在接受采访时说:“创新之处在于,第一次有人真正将实现相干视觉传感器所需的所有光子学功能集成在一个芯片上。”

 

Eyeonic传感器是基于FMCW方法,它在技术上比传统的激光雷达更复杂,但提供了额外的功能,并能将系统缩小到芯片级规模。Eyeonic是第一个商业化的芯片集成的FMCW激光雷达,它的体积小,甚至可以满足最严格的低成本和低功耗标准。

 

下图显示了传感器的内部,它将一个超低线宽的激光器、一个半导体光放大器、锗探测器和光路(波导)整合到硅光子芯片上。

 

 

 

SiLC的Eyeonic传感器与其他类似的竞争解决方案不同,后者需要2、3个甚至4个芯片,并要求它们用某种耦合光学器件或光纤连接。Muenster说:“此外,每次你这样做,都会损失3-10分贝,你真的负担不起,因为光子很珍贵,你不想浪费它们。”

 

与传统激光雷达的另一个显著区别是在系统层面上安装该设备所使用的技术。通过使用ToF技术,目前的3D视觉系统依赖于波长905nm的高功率激光器和高灵敏度的探测器。这些技术的早期版本已经非常成功,足以在自动驾驶测试中进行早期部署。然而,昂贵的制造工艺限制了其分辨率和成本效益。此外,人眼安全问题也限制了它们的探测距离,而多用户串扰可能会限制它们的广泛采用。

 

基本上,基于ToF的传感器发射一个或多个激光脉冲,等待它们返回探测器,然后计算往返时间,大概可实现厘米级的精度,或大部分只是几厘米精度。

 

Muenster说:“有些人对ToF很感兴趣,因为950nm的波长需要容易制造和低成本的CMOS探测器。然而,这种解决方案需要多个芯片,这些芯片必须非常小心地对齐。”

 

为了解决人眼安全的监管问题,并允许在多用户干扰较少的情况下进行批量实施,人们普遍认为应转向1550nm波长的FMCW技术。由于费用和所需组件的数量,这种方法在过去没有得到广泛使用。

 

据SiLC称,其硅光子集成平台是一个具有成本效益的解决方案,利用现有的半导体制造工艺将所需的所有高性能元件组合到一个硅芯片中;从而形成一个低成本、紧凑和低功耗的解决方案。芯片制造使复杂的小工具和技术能够以较低的成本得到大量的扩展。

 

FMCW是一种广泛用于相干多普勒雷达的技术。有了它,一个FMWC就可以随时间的推移进行传输。然后,当返回脉冲回来时,可以计算出发射和接收脉冲之间的频率差(偏移)。由于多普勒效应,该偏移是被探测(反射)物体的距离和速度的函数。这就是相干激光器的工作原理。

 

FMCW有很多优势。首先,它可以在任何照明条件下工作,并且不受环境干扰和串扰的影响。这意味着它不能通过用镜子将阳光直接反射到传感器的中心而被破坏。即使在很远的距离,其精度也非常高(毫米级),而且也可以进行远距离探测。

 

另一个FMCW的关键因素是在相同探测距离下与ToF相比所需功率要小得多。由于其相干性,Eyeonic传感器增加了提供目标速度的瞬时测量的能力,实际上成为了一个真正的4D传感器。此外,SiLC还提供双偏振强度,除了芯片集成外,还能进行材料识别和表面分析(见下图)。

 

 

 

Muenster说:“速度可以让机器视觉系统在检测到的物体周围画出轮廓,而偏振强度可以帮助确定该物体是什么。由于你有一个速度矢量,你已经知道物体接下来会在哪里。因此,你不必通过使用机器学习和神经网络训练来推断这些信息。”

 

SiLC的解决方案与扫描器也是无关的,这意味着它可以与任何类型的扫描器一起工作。帧率和分辨率是完全可配置的,取决于具体的应用。

 

Eyeonic传感器提供尾纤和无纤两种配置。前者通过支持FMCW激光雷达收发器和扫描单元位于不同位置的配置,实现了设计的灵活性,而后者在紧凑型配置中具有最低的成本。

 

从2022年二季度开始,SiLC的Eyeonic视觉系统将提供给战略客户,它将提供一个完整的视觉系统,使系统集成商和终端用户能够轻松、快速地评估。它将是市场上可用的紧凑而强大的FMCW激光雷达系统,具有广泛的配件,以适应任何客户的应用。

 

[参考文章]

FMCW LiDAR Empowers 4D Vision in Robotics and Autonomous Vehicles — Maurizio Di Paolo Emilio