EEL vs VCSEL vs 光纖激光器---深圳鐳爾特光電

之前我們講到激光雷達根據(jù)接收原理一般分為iTOF/ dTOF（SPAD/ APD），根據(jù)掃描方式又可以分為機械旋轉式激光雷達/ 半固態(tài)(有的也叫混合固態(tài))激光雷達/ 固態(tài)激光雷達/ Flash/OPA 等等。但他們的最小組成單元比較類似：發(fā)射端：光源+發(fā)射透鏡，接收端：sensor+接收透鏡。本文基于目前較多的機械旋轉式/混合固態(tài)式，講講其中的光學原理。

光源

激光雷達的光源當然是激光，常用的一般兩個波段

905nm波段通常是用EEL（Edge-Emitting Laser）邊發(fā)射激光器，VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）垂直腔面發(fā)射激光器。

1550nm波段，通常需要用到光纖激光器。

波長的選擇

為什么會用到這兩個波段呢，主要是根據(jù)兩方面的約束

自然光的光譜

905nm也好，1550nm也好，在自然光光譜中占比重較小，即在相同的自然光強下，這個波段的強度較低，使得經過濾光片過濾后，噪聲較小。這個自然光光譜的具體數(shù)值可以通過ASTM G173查到。

人眼安全

參考IEC60825-1 消費級的激光雷達都會要求人眼安全級別達到class 1，人眼安全除了跟激光的能量強度、FOV、脈沖時間、脈沖峰值功率、平均光功率有關外，還和波長相關。

1550nm的激光會被晶狀體和角膜吸收，所以在class 1的標準下，使用1550nm的光源可以使用更高的功率。當然1550nm的光源也有其他的優(yōu)劣，成本，特定場景下回波能量低之類的，先不在這里展開了。

光束質量

因為光源是激光，是存在快慢軸（快軸是垂直于激光芯片正表面的，慢軸是平行于芯片表面的，一般快軸的發(fā)散角大，慢軸反之）和束腰的，所以激光光束質量的好壞是光源選擇的關鍵。判斷激光光源光束質量的常用表達方式是BPP（Beam-Parameter Product）光參數(shù)積（當然還有M^2，這里就講BPP吧），BPP的定義：

其中ω 是束腰半徑，θ 是遠場發(fā)散半角。BPP是一個恒定值，在不損失能量的情況下，利用光學系統(tǒng)對激光的任意一項進行調整，另一項都會發(fā)生相應的改變?？梢钥闯?，BPP越小，光束能量越集中，光束質量就越好。

而因為部分激光雷達（如車載）有遠距離測距的要求，為了保證足夠的分辨率，需要激光的彌散斑在遠距離也保持的很小，所以需要將激光的出射角準直到很?。ㄟ@里會在下文出射透鏡環(huán)節(jié)進一步講），而又為了回波能量能夠被探測到，所以需要其能量足夠集中嗎。所以選擇一個BPP很小的激光器是關鍵的。

EEL vs VCSEL vs 光纖激光器

這里用個表格來表示吧：

中心波長偏移

通常溫度的變化會給激光器的中心波長帶來變化，不同批次的激光器中心波長也會有一定程度的便宜，這使得對濾光片的帶寬要求變寬，從而會讓更多的環(huán)境光作為噪聲進入sensor，減小信噪比。

發(fā)射透鏡

發(fā)射透鏡主要是為了準直，因為光源是激光，快慢軸需要用柱面鏡分開單獨準直（當然對于快慢軸發(fā)散角一致的光源來說可以用一個凸面鏡來準直），準直后的發(fā)散角一般用m r a d mradmrad(毫弧度)為單位來表示。相同能量下，發(fā)散角越小，激光雷達能測到的距離就更遠，測距分辨率越高。

接收透鏡

接收透鏡與Sensor的類型有關，如果Sensor只有單個pixel，那么接收透鏡是非成像的，只用FOV與發(fā)射透鏡匹配即可。

如果是面陣的Sensor，那就和camera透鏡的方式一致，物像關系需要對應。

Sensor

Sensor的種類之前講過了（不過也還有FMCW OPA沒講），當然不同波長的光源，選用的Sensor也有所不同。

光路分類

主要分兩種方式：旁軸&同軸

這里我畫了兩張圖

旁軸系統(tǒng)

發(fā)射端和接收端是不同的光路，發(fā)射端和接收端之間的物理距離被稱為Baseline，Baseline的大小，光源和發(fā)射透鏡組成的發(fā)射端的發(fā)散角，Sensor和接收透鏡組成的接收端的視場角，共同決定了旁軸光路系統(tǒng)的有效測距范圍（可以用簡單的三角關系來計算）?？梢钥闯?，旁軸系統(tǒng)在近距離是存在盲區(qū)的（即近距離是無法測距的，而其實因為發(fā)散角的邊緣并不是完全無光（定義為1 / e^2的位置），所以因為SPAD的高感光能力，SPAD應用中近距離的盲區(qū)會遠小于理論盲區(qū)）。所以，考慮到分辨率和盲區(qū)大小，旁軸系統(tǒng)會希望Baseline盡可能的小，發(fā)射端的發(fā)散小要盡可能的小，而接收端的視場角需要略大于發(fā)射端，但不能大太多（因為大太多會引入更多的環(huán)境噪聲）。對于同樣一個目標靶來說，旁軸系統(tǒng)接收到的能量隨著距離的遠近的線性度會較差，且會因為極線約束在sensor靶面上的投影也會隨距離偏移（而大多數(shù)sensor不同位置對于能量的響應也是有所不同的）。

同軸系統(tǒng)

發(fā)射端和接收端是相同光路的系統(tǒng)，利用分光鏡來對發(fā)射/接收光線進行半透半反，因為是相同的光路，發(fā)射和接收的角度可以做到相同，且不存在盲區(qū)，同軸的系統(tǒng)不存在極線約束，其能量隨距離的線性度也會更好。然而因為分光鏡的存在，同軸系統(tǒng)對于光源能量的要求更高（在圖中也很好看出，出射能量會被削弱50%，接收能量又會被削弱50%）。且同軸系統(tǒng)的裝配難度及體積也會比旁軸系統(tǒng)要大。

PS. 這里引入了一個reference sensor的概念，因為溫漂會影響發(fā)射系統(tǒng)的出光延時，所以只記錄電路上的start 出光信號時間會受到溫度的影響使得測距的信息不準確，而光的start 信號出光延時是同步的，所以利用reference sensor可以更好的跟隨溫漂后的實際出光時間，獲得更準確的start時間，從而抑制溫漂對TOF測距產生的影響。

光學鏈路分析

分析方式各種paper沒有太過統(tǒng)一，但大致需要考量的因素差不太多。我會分為兩塊來講講我的理解

背景噪聲建模

《Modeling and Analysis of a Direct Time-of-Flight Sensor Architecture for LiDAR Applications》這篇文章提到可以用普朗克黑體輻射定律和泊松分布來建模

信號/回波衰減建模

其他

當然，這里是簡單的模擬，像目標物反射可以用朗伯散射的模型，IR的透過率引入IR的帶通數(shù)值以及太陽光的光譜數(shù)據(jù)（根據(jù)剛才提到的ASTM G173），發(fā)射與接收之間的baseline以及弧面光功率到平面目標物的散射截面積，如SPAD的雪崩觸發(fā)的泊松/負二項分布，電路的散彈噪聲/暗電流/熱電流都可以被考慮到。

（來源：電子發(fā)燒友網）