機器視覺作為實現(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)展最快的一個分支。機器視覺對于人工智能的意義，正如眼睛之于人類的價值。激光光源作為機器視覺最為關(guān)鍵的部分之一，直接影響到圖像的質(zhì)量和感知的精度，為機器視覺賦予“智慧之光”。機器視覺正快速擴展至消費電子、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)用于機器視覺的激光光源芯片及模組產(chǎn)品，憑借其先進的激光芯片技術(shù)和光學(xué)設(shè)計能力，旨在打造一站式智能機器人行業(yè)激光雷達光源解決方案。

激光雷達行業(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)品升級是機器視覺行業(yè)規(guī)模擴大的核心驅(qū)動力。掃地機器人是近年來增長迅猛的智能機器人領(lǐng)域。當(dāng)前在掃地機器人移動導(dǎo)航領(lǐng)域的主流技術(shù)是 SLAM （Simultaneous Localization and Mapping）即時定位與地圖構(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，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點激光準(zhǔn)直模組

檸檬光子的VCSEL系列點激光準(zhǔn)直模組（如圖一）采用定制的VCSEL單點芯片，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，可靠性高，易于封裝和性價比高等優(yōu)勢。該產(chǎn)品已通過多家激光雷達方案商和智能機器人終端客戶性能及可靠性驗證，并進入批量生產(chǎn)。

圖一：檸檬光子面向三角法測量激光雷達的VCSEL點光源準(zhǔn)直模組

二、面向dToF方案的多結(jié)VCSEL點激光準(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，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)的下一個飛躍，為機器視覺應(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熱負(fù)載；高斜率效率可以降低脈沖電流，進而提升驅(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激光雷達方案能夠更廣泛地應(yīng)用于機器人視覺領(lǐng)域。

圖二：檸檬光子多結(jié)VCSEL芯片實測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)計的大角度線鏡，可實現(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，更利于大角度雷達彌補邊緣能量（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)小：是EEL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，可同時滿足激光雷達普及應(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，從而實現(xiàn)更長的3D感測距離、更高信噪比和人眼安全防護。

相比VCSEL及EEL，HCSEL芯片技術(shù)優(yōu)勢如下：

- 超高的功率，可實現(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：hr@lemon-photonics.com。

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)團隊和風(fēng)險投資以及產(chǎn)業(yè)投資機構(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。