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从消费电子走进汽车,VCSEL应用的下一次飞跃

来源:新能源汽车网
时间:2021-12-13 12:09:51
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从消费电子走进汽车,VCSEL应用的下一次飞跃本文来源:智车科技/ 导读 /据市场分析公司Yole预测,汽车领域的激光雷达(LiDAR)将是继苹果几年前引爆移动应用激光雷达市场之后

本文来源:智车科技

/ 导读 /

据市场分析公司Yole预测,汽车领域的激光雷达(LiDAR)将是继苹果几年前引爆移动应用激光雷达市场之后,VCSEL(垂直腔面发射激光器)的下一个典型应用场景。Yole《VCSEL——2021年技术和市场趋势》报告指出,尽管目前VCSEL最大的市场是手机和消费电子,其全球市场将在2026年达到24亿美元,年复合增长率为13.6%,但汽车领域的应用正在加速,并有可能成为VCSEL应用的下一次飞跃。

VCSEL是啥?

VCSEL是一种半导体器件,其激光垂直于顶面发射,与一般切开式独立芯片工艺的边缘射出型激光器不同。由于VCSEL激光垂直于反应区,与边射型激光平行于反应区相反,所以可以在3英寸大小的砷化镓芯片上制造出数以万计的VCSEL,密度之大可想而知。

激光器从边射型到现在的VCSEL走了很长一段路,早在2000年,就有了VCSEL公司,不过它已不复存在;直到苹果在iPhone12 Pro和iPad Pro上增加了一个激光雷达传感器,才掀起了VCSEL进入消费产品的风潮,让VCSEL从“旧时王谢堂前燕,飞入寻常百姓家”,也让VCSEL再次获得了关注。

iPhone12 Pro激光雷达传感器

当然,VCSEL具有光电转换效率高、光束质量好、发散角小、波长稳定、可靠性高、阈值电流小、功耗低等优点,易于与光纤耦合,可以单纵模发射和实现高调制频率;而且在大批量生产方面成本可控。这是不少厂商对其不断投入的重要理由。

为什么是VCSEL加SPAD架构?

目前,自动驾驶少不了激光雷达已是行业共识,尽管特斯拉CEO埃隆·马斯克对其嗤之以鼻,但绝大多数主机厂都还是以搭载激光雷达为荣,一方面是因为性能,另一方面搭载激光雷达确实也给品牌提气。

现在,激光雷达还存在很多技术路线之争,而基于VCSEL和SPAD(单光子阵列)的紧凑型全固态解决方案是众多方案之一,Apple的激光雷达扫描仪就是采用这样的搭配,很多人对这个方案抱有极大的希望。

理由很简单,VCSEL加SPAD架构基于纯芯片,没有移动机械结构,且只有纯芯片方案才能够受益于摩尔定律的发展。VCSEL和半导体晶圆工艺非常吻合,摩尔定律的每一步都伴随半导体芯片的发展,会让VCSEL加SPAD的生态方案一起发展。当然,现在的竞争者还有905nm、1500nm和MEMS等,所使用的半导体材料各不不同,性能各有利弊。

VCSEL加SPAD架构

过去几年,VCSEL进一步渗透汽车激光雷达市场,在性能、可靠性和成本方面显示出一定优势,在视野、发射角度、探测范围和对象分类方面效果很好。现在的问题在于,相比发射范围仅为10m的消费类产品,自动驾驶车辆激光雷达的发射范围至少需要200m,功率也必须大幅提高。

车载应用的几个要求

此外,为了大规模商用落地,还要解决目前VCSEL和激光雷达缺乏相关标准,只能根据客户要求进行定制,厂商各自为政的问题,通过应用厂商和上下游生产厂商的更多合作,尽量达成共识,提升VCSEL的使用量,实现应用的市场化和规模化。

用到的感测模式有哪些?

VCSEL的应用场景绝大多数与3D感测有关,汽车应用也是。3D感测模式包括:被动双目、主动双目、结构光和飞行时间,几乎涵盖了现在VCSEL 3D感测的应用场景。

被动双目:使用两个摄像头模拟人眼,从两个点看同一个物体,然后经大脑进行简单几何运算,用VCSEL或算法也可以实现。

3D感测应用场景

主动双目:用两个摄像头加上投影仪主动投射光斑,由两个摄像头接收这些光斑,再进行计算。

结构光:只保留一个摄像头,用投影仪投射光斑,以摄像头接收光斑。苹果Face ID采用的就是这个原理。

飞行时间:包括直接飞行时间(dToF)和间接飞行时间(iToF),是汽车激光雷达主要采用的基本原理。

根据不同应用场景,以上三种结构有不同优势,结构光在短距离时非常精确,超过一定距离(1米左右)精度就会下降,因为是刷脸,苹果Face ID用的是结构光。

iToF是监测发射光和接收光之间的相位差,开始时精度不如结构光,超过1米后就优于结构光了,所以很多远距离应用经常采用。dToF是计算飞出去返回来的时间,对距离不太敏感,特别是长距离非常有优势,超过10米精度很好,所以汽车激光雷达用dToF比较多,这也是苹果激光雷达扫描仪选中它构建外界3D VR环境的原因。

以上VCSEL采用的几个方案并不是相互竞争的,而会在不同场景下有不同的选择,而VCSEL都可以扮演很重要角色。

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