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探秘理想L9上的禾赛128线激光雷达

2022/07/27
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理想L9车顶前方的突出物就是禾赛的128线激光雷达,即AT128。除了理想,百度旗下的集度汽车也会使用这款激光雷达。禾赛科技早期生产与Velodyne近似的360度旋转激光雷达,但性能超越Velodyne,特别是独出心裁的40线激光雷达实测效果不逊于Velodyne老旧的64线激光雷达。

禾赛早期的360度旋转激光雷达价格比较高,主要销往国外。但360度旋转激光雷达难以在量产车上落地,主要原因是体积太大,车辆外观造型无法满足其安装空间,同时价格也太高。360度旋转激光雷达硬件成本中大约80%来自激光二极管,车规级激光二极管大约20美元一个,128线360度旋转激光雷达仅激光二极管一项就要2560美元,但硬件成本就超3000美元,显然无法落地。与360度旋转激光雷达近似的转镜式激光雷达,如华为和法雷奥的,线束增加后,成本会快速上升。这也是其主要缺陷。

禾赛的128线激光雷达,最与众不同的地方是其用VCSEL代替了传统的激光二极管,解决了体积与成本的问题。

图片来源:互联网

AT128参数如上,禾赛也是全球范围内第一个采用VCSEL做光源的量产激光雷达厂家。根据专利推测禾赛AT128是属于一颗转镜式混合固态激光雷达,一维转镜通过旋转的多面体反射镜,将激光反射到不同的方向;未来禾赛可能会缩减阵列规模,或者用光纤激光或者用几个激光二极管(LD)代替这个成本应该不低的VCSEL。

图片来源:互联网

这是平视图,摆镜可能是做垂直扫描的,多边形棱镜做水平扫描。

图片来源:互联网

这是内部框架图,用摆镜和多边形棱镜代替MEMS振镜。

VCSEL的功率面积密度自然不如激光二极管,这就需要更高效率的接收光电元件,非SiPM莫属,不过1550纳米激光才能发挥SiPM全部潜力,而VCSEL是做不到1550纳米的。从专利推测,禾赛也在做光纤激光雷达,即1550纳米激光雷达。

此外,禾赛应该用了模块化发射与接收,VCSEL阵列比较适合做模块化。

图片来源:互联网

图片来源:互联网

模块化减少装配时间,光路调整时间,提高生产效率,能有效降低成本,也有助于提升产品质量。

图片来源:互联网

我们主要来看AT128的关键,VCSEL阵列。

图片来源:互联网

激光雷达的光源按技术类型主要有4种。第一种为最常见的激光二极管,简称LD; 第二种是用于FMCW的连续频率调制激光,用于硅光和FMCW激光雷达,成本极高,成熟度非常低; 第三种是VCSEL;最后是光通信常用的光纤激光。

按波长分为NIR和SWIR两种。‍NIR为近红外,即常见的905纳米;SWIR为短波红外,即常见的1550纳米。一般来说SPAD或SiPM要配合SWIR才能发挥最大潜力。SWIR几乎是全天候的,雨雪雾天也没问题,缺点一是贵,二是容易受阳光干扰。

按发光类型分EEL边缘发光与VCSEL垂直发光。边缘发射激光器(EEL)中,又包含DFB (DistributedFeedback Laser Diodes分布式反馈)、FP (Fabry-Perot Edge Emitting Laser法布里-泊罗)、DBR(Distributed Bragg Reflector Laser)、双异质结、量子阱等。EEL的光斑是椭圆的,特点是功率高——光电效率高、照度高(峰值功率125W),激光雷达用的通常是DFB型。

图片来源:互联网

1977 年,日本东京工业大学的伊贺健一(Kenichi Iga)提出 VCSEL 的概念,VCSEL称为垂直腔表面发射激光器。VCSEL从垂直衬底的面发射激光,因此很容易通过平面工艺实现大规模发光阵列;发射激光的束散角较小,光斑近似于圆形;对于光学系统的要求低;工艺与LED兼容,有利于大规模制造,降低成本。缺点是输出功率低,腔长短。长波长的外延很难做,比如光通讯用的1310nm、1550nm。需要使用砷化镓GaAs衬底,这是复合半导体领域,熟悉此领域的厂家很少。

VCSEL器件有两种基本结构:

1)、顶发射结构。采用MOCVD技术在n 型GaAs 衬底上生长而成,以DBR 作为激光腔镜,量子阱有源区夹在n-DBR 和p-DBR 之间。

2)、底发射结构。一般用于产生976-1064nm 波段,通常将衬底减薄到150μm以下以减少衬底吸收损耗,再生长一层增透膜以提高激光光束质量,最后将增益芯片安装在热沉上。

制造工艺是通过MBE(分子束外延生长)或MOCVD在砷化镓的基板上,交替生长GaAs和AlAs,交替生长层最终形成布拉格反射镜。GaAs和AlAs有这显著不同的折射率,但二者的晶格常数基本相同,因此可以交替生长很多层而不产生位错,这也是为什么可以做出高反射率的镜面效果。

全球VCSEL市场集中度极高,Lumentum市场占有率大约42%,II-VI市场占有率约37%,AMS在收购欧司朗后大约有8%,前三强有87%的市场占有率。顺便说一句,II-VI在热门的SiC衬底领域也有一席之地。

Lumentum目前有两种激光雷达用VCSEL阵列。一种针对Flash设计;一种针对机械式或MEMS设计,即M51-100。II-VI目前主要精力放在短距离激光雷达领域,其VCSEL波长是比较罕见的840纳米或940纳米,而Lumentum是常见的905纳米。

M51-100参数

激活面积0.19平方毫米,峰值功率70瓦。

图片来源:互联网

禾赛开创性地以VCSEL代替LD,最大程度模拟了128线机械旋转激光雷达,单论垂直分辨率禾赛毫无疑问应该是第一,应该也是量产车型中性能最强的激光雷达之一。

声明:本文仅代表作者个人观点。

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禾赛科技于2014年创立于中国上海,致力于做“机器人的眼睛”,是全球自动驾驶及高级辅助驾驶(ADAS)激光雷达的领军企业。禾赛在光学、机械、电子、软件等激光雷达核心领域有着卓越的研发能力和深厚的技术积累,在全球范围内拥有数百项专利,其自研芯片、功能安全、主动抗干扰等技术打破了行业多项记录。禾赛的客户包括全球主流自动驾驶公司和顶级汽车厂商、一级供应商、机器人公司等,遍及全球40个国家、90多个城市。

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