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機(jī)器視覺作為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化和智能化的關(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)器視覺對于人工智能的意義，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)器視覺賦予“智慧之光”。機(jī)器視覺正快速擴(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)用和新功能推動了對激光光源更大功率，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光博會（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)新帶來的產(chǎn)品升級是機(jī)器視覺行業(yè)規(guī)模擴(kuò)大的核心驅(qū)動力。掃地機(jī)器人是近年來增長迅猛的智能機(jī)器人領(lǐng)域。當(dāng)前在掃地機(jī)器人移動導(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)。按傳感器種類來劃分，SLAM技術(shù)主要分為兩類，一類是基于激光測距傳感器的LDS SLAM技術(shù)，另一類是基于機(jī)器視覺的VSLAM技術(shù)。LDS SLAM目前為市場主流技術(shù)。表一對三種主流的LDS SLAM方案進(jìn)行了對比。立體視覺方案憑借其在分辨率、測量精度、抗干擾性和成本等方面的綜合優(yōu)勢，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)，但相對成本較高。結(jié)構(gòu)光方案由于測量距離受限和抗干擾性相對較弱，應(yīng)用也相對受限。在應(yīng)用相對廣泛的立體視覺和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方案對比

一、面向三角法測量立體視覺方案的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。該產(chǎn)品已通過多家激光雷達(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）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)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域帶來諸多優(yōu)勢。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，基于多結(jié)VCSEL的點(diǎn)激光準(zhǔn)直模組可望優(yōu)勢替代傳統(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)器人視覺領(lǐng)域。

圖二：檸檬光子多結(jié)VCSEL芯片實(shí)測LI和PCE數(shù)據(jù)（測試條件：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。其相對傳統(tǒng)的EEL線光源的優(yōu)勢如下：

- 行業(yè)首創(chuàng)大角度平頂光場：無邊緣斷線的120度大角度平頂光場分布，邊緣能量更強(qiáng)，更利于大角度雷達(dá)彌補(bǔ)邊緣能量（見圖四中與傳統(tǒng)EEL模組的光場分布對比）；

- 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線光源的光場圖對比：（a）檸檬VCSEL線光源實(shí)現(xiàn)120度光場，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分布，邊緣能量不滿足傳感信號需求，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，可同時(shí)滿足激光雷達(dá)普及應(yīng)用對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的激光波段，從而實(shí)現(xiàn)更長的3D感測距離、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利用率；

- 優(yōu)異的偏振度利于傳感探測和光學(xué)合束；

- 簡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傳感方案具有相對較高的方案集成度，以及相對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)場發(fā)散角，很難通過diffuser直接形成相對低成本、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整形過后的光場銳利度和均勻度，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)過同一120度 x 1度diffuser之后的光場效果對比。

圖五：VCSEL和HCSEL芯片經(jīng)120度 x 1度diffuser的光場對比：（a）VCSEL不通過準(zhǔn)直鏡，光場無法被diffuser壓縮，光束發(fā)散，雜散光形成噪聲；（b）HCSEL直接通過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，已有多家國際知名廠商采用HCSEL芯片技術(shù)方案。

檸檬光子致力于開發(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，誠邀業(yè)界有識之士加盟，聯(lián)系email：[email protected]。

檸檬光子簡介：

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。