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激光雷達光學元件面臨哪些挑戰(zhàn)?

2019-04-10

  毫無疑問,技術創(chuàng)新正在重塑汽車行業(yè)。將汽車轉(zhuǎn)變成智能機器的概念,提供了終極的出行便利性,同時也顯著提高了安全性,著實極具誘惑且令人興奮。將激光雷達(LiDAR)技術融合到自動駕駛汽車(AV)專用傳感器組合中,有望使汽車變得更加智能。過去幾年來,激光雷達已經(jīng)在消費電子領域的無數(shù)3D深度感測應用中證明了其準確性和可靠性。

  目前,激光雷達系統(tǒng)的設計體積往往較龐大,且沒有設計美感,一般被安裝在汽車頂部,可以探測汽車周圍360度的環(huán)境。同時,在這些測試車輛的后備箱里還裝滿了影響日常使用的計算機。其挑戰(zhàn)在于成本和性能之間的平衡。目前的激光雷達系統(tǒng)存在信號不足的問題,沒有足夠的反射光返回傳感器以實現(xiàn)長距離感測。在此背景下,要使系統(tǒng)更小、成本更低將面臨更大的挑戰(zhàn)。

  據(jù)麥姆斯咨詢介紹,帶通濾波器、分束器和窗口,對激光雷達系統(tǒng)的整體信噪比至關重要。光子信號不足的系統(tǒng)需要盡可能最好的光學器件,以便實現(xiàn)100米以上長距離探測,以及應對雨、霧、雪等各種不利的光照條件。每個光子的丟失,都會對激光雷達系統(tǒng)的性能帶來負面影響。從光學角度來看,激光雷達系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)與信噪比有關:

 ?。?明亮的光線會增加噪音

  - 雨、霧、雪等不利條件會導致信號減弱

  上述兩種不利因素都會導致激光雷達系統(tǒng)信噪比降低,影響系統(tǒng)以可接受的分辨率、可靠地探測并識別物體的距離。因此,必須從打造最佳信噪比的高性能光學組件開始。

  汽車耐久性要求

  激光雷達系統(tǒng)光學元件的另一個關鍵特性,是它們需要滿足汽車耐久性要求。溫度、濕度、振動和紫外線輻射共同構成了一個非常具有挑戰(zhàn)性的使用環(huán)境。對于傳感器外部窗口尤其如此。這些窗口是激光雷達系統(tǒng)和外部環(huán)境之間的接口。

  激光雷達系統(tǒng)典型的光學組件根據(jù)采用的方案不同有所差異,以下列出的示例旨在展示可能包含的組件:

  發(fā)射端(Tx)

  - 光源

 ?。?擴散片

  - 用于光束操縱的光學器件

 ?。?分束器

  - 常見的外部窗口

  接收端(Rx)

 ?。?常見的外部窗口

 ?。?透鏡

  - 帶通濾波器

 ?。?分束器

 ?。?傳感器/探測器

  光學元件的開發(fā)重點是在激光雷達系統(tǒng)和外部之間創(chuàng)建一個合適的接口。創(chuàng)建這樣的“窗口”并不簡單。系統(tǒng)開發(fā)人員起初往往會低估光學設計方面所面臨的挑戰(zhàn),嘗試使用廉價的塑料窗口,或?qū)⑾到y(tǒng)安置在前大燈總成內(nèi)或擋風玻璃后方。這些方案都不適用于基于高性能激光器的光學系統(tǒng)。VIAVI Solutions(唯亞威)針對傳感器窗口擁有專門的產(chǎn)品開發(fā)計劃,旨在打造具有以下性能的窗口:

 ?。?耐刮擦

 ?。?疏水

  - 疏油

 ?。?在可見光范圍不透明

 ?。?在廣角范圍內(nèi)對近紅外入射光具有高透射率

  預先針對腔內(nèi)探測應用設計擴散片等光整形器件。腔內(nèi)探測的關鍵性能參數(shù)是光場均勻性以及無任何零級光。有些激光雷達系統(tǒng)應用線擴散片,將光束轉(zhuǎn)換成線光源,然后使用MEMS微鏡或機械鏡進行垂直掃描。

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  激光雷達系統(tǒng)是高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和自動駕駛所需的整體傳感套件的關鍵要素。如果系統(tǒng)架構師和制造商能夠克服當前面臨的技術和成本挑戰(zhàn),那么我們可以期待激光雷達在短期內(nèi)的大量應用。這為光學元件制造商開辟了一個全新的市場。在可接受的成本范圍內(nèi)對高性能光學涂層的需求,將使那些具有一定的規(guī)模和車規(guī)級質(zhì)量系統(tǒng)的公司成為高要求汽車行業(yè)的可靠供應商。符合標準的供應商不多,需要滿足嚴格的質(zhì)量要求,橫跨多個市場、歷經(jīng)數(shù)十年的應用驗證和獲得市場認可的專業(yè)技術。

  除了大眾汽車市場,激光雷達還可以成為其它運輸車輛的關鍵部件,如卡車、公共汽車、穿梭巴士以及工程車輛等。最初的應用可能有利于其中有限的一些用例,不會在紛亂的環(huán)境中面對所有復雜的駕駛狀況。


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