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在激光雷達(dá)中,發(fā)射端是價值量高、壁壘高的環(huán)節(jié)之一。在發(fā)射端中,隨著國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈崛起以及產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)路線調(diào)整,905nm VCSEL激光芯片等產(chǎn)品有望在市場實現(xiàn)突破。此外,1550nm光源也具備獨特優(yōu)勢,與主流的905nm形成錯位競爭,未來隨著FMCW測距路線的逐步發(fā)展,預(yù)計其份額還有進(jìn)一步增長的空間。發(fā)射端的“心臟”就是光源,光源的選擇制約因素主要有性能、成本、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度、人眼安全四大要素。光源選擇完之后,需要解決光源校準(zhǔn)、溫漂、無熱化三大問題。那么為何有905nm與1550nm兩條路線,而不是其他波長?這首先受到激光傳播窗口的限制。大氣吸收譜限制了哪些激光波長能夠在空氣中使用,比如300nm以下的短波會被臭氧吸收,1微米以上的紅外波長又經(jīng)常會被水蒸氣吸收,所以激光器通常只能在少數(shù)特定窗口工作,如下圖白色背景部分(可以注意到很大一部分與可見光波長重合)。白色窗口中又有一大段是可見光,如果直接采用可見光又會對人眼產(chǎn)生視覺干擾,所以剩余的傳播窗口是有限的。圖中四條紅線從左到右分別代表865nm、905nm、1310nm、1550nm波長,均處于白色窗口中,都能在空氣中正常工作。
最終選擇哪個波長還與現(xiàn)存的產(chǎn)業(yè)鏈成熟度有關(guān)。1550nm光纖激光器是光通信領(lǐng)域應(yīng)用最廣的光源之一,而905則與消費電子共用產(chǎn)業(yè)鏈(手機(jī)上的3D ToF傳感器通常使用940nm光源,與905基本屬于同種半導(dǎo)體激光器,可以共用GaAs材料體系),所以都有一定的發(fā)展基礎(chǔ)。1550nm的波長允許的峰值功率高,更具有探測優(yōu)勢,而905nm波長使用的材料體系則更有成本優(yōu)勢。同時由于905nm更接近可見光,視網(wǎng)膜對其更敏感,液態(tài)水對其吸收也更少,因此這種光線更容易直達(dá)視網(wǎng)膜。相比而言,1550nm容易被水吸收,因此在抵達(dá)視網(wǎng)膜之前已經(jīng)被玻璃體等前部結(jié)構(gòu)進(jìn)行一輪吸收,抵達(dá)視網(wǎng)膜的較少。同時1550nm光折射率更大,即便是抵達(dá)視網(wǎng)膜,也不容易聚焦成很小的光點,能量相對分散,進(jìn)一步減小了損傷。綜上所述,在考慮了人眼限制的因素上,1550nm路線的探測距離優(yōu)勢明顯,而受到材料限制,905nm路線的成本優(yōu)勢也同樣明顯,因此二者構(gòu)成錯位競爭。預(yù)計1550nm激光雷達(dá)將主要用于以安全性為核心賣點的車輛(如沃爾沃等)、價位和品牌定位較為高檔的車輛(如蔚來、奔馳、上汽飛凡R等)、重卡(剎車距離較長,奔馳重卡采用1550nm激光雷達(dá))等特殊定位的車輛。其余車輛受限于成本,則更適合采用905nm激光雷達(dá)。
發(fā)射端如果想要保證持續(xù)可靠的工作,還需要注意的一點就是盡量避免發(fā)熱的影響。如果發(fā)熱得不到有效控制,則溫度上升,不僅會導(dǎo)致激光器溫漂,還會導(dǎo)致其他元件變形,對光路產(chǎn)生影響。由于VCSEL功耗等原因需要進(jìn)行無熱化設(shè)計。所謂無熱化,主要是指補(bǔ)償設(shè)計,當(dāng)溫度發(fā)生改變,光學(xué)器件發(fā)生形變,但系統(tǒng)中不同部件的形變效果幾乎恰好抵消,使得光學(xué)系統(tǒng)的效果幾乎不受溫度影響。
在激光雷達(dá)中,通常主要的發(fā)熱部件就是芯片和激光器,針對芯片,通常采用傳導(dǎo)熱能量快、熱阻低的陶瓷材料封裝,輔以導(dǎo)熱膠或?qū)峁柚畛溥M(jìn)行充分散熱,以免熱量影響自身以及其他部件工作實現(xiàn)良好的散熱。針對大功率激光器主要是采用熱沉進(jìn)行散熱,熱沉(heat sink)通常是指一些能夠持續(xù)吸收熱量或者將熱量導(dǎo)走而又保持溫度穩(wěn)定的物體,比如導(dǎo)熱率可達(dá)200W/M.K的氮化鋁陶瓷基板。以高效導(dǎo)熱著稱的金剛石熱沉其熱導(dǎo)率更是氮化鋁的50~100倍。陶瓷材料與硅片相近的熱膨脹系數(shù)更其適合于解決芯片封裝中的熱應(yīng)力失配問題。多年來斯利通一直致力于陶瓷新型材料的電路板制造研發(fā),目前可批量生產(chǎn)的陶瓷電路板厚度涵括0.1-8.0mm范圍,實現(xiàn)線寬線距40um的微電子技術(shù)。
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