智能机器人迎新机遇，激光雷达光源解决方案再提升！柠檬光子来了！

机器视觉正快速扩展至消费电子、汽车电子和工业控制等新应用领域。

作为实现工业自动化和智能化的核心技术，机器视觉毫无疑问已经成为人工智能发展的主要分支。对于人工智能而言，机器视觉的价值与人类眼睛类似。其中，激光光源是机器视觉中非常关键的部分，直接影响着图像质量和感知精度，为机器视觉赋予着“智慧之光”。

新应用和新功能推动了对激光光源更大功率，更高效率和更小体积的需求。9月16日至18日中国光博会（CIOE 2021）在深圳举办，坐落于“深圳激光谷”的柠檬光子展示了多款应用于机器视觉的激光光源芯片及模组产品，这让许多参观者驻足围观。

激光雷达行业技术处于生命周期初期，多维度、多元化技术创新不断涌现。技术创新带来的产品升级是机器视觉行业规模扩大的核心驱动力。凭借其先进的激光芯片技术和光学设计能力，柠檬光子旨在打造一站式智能机器人行业激光雷达光源解决方案，他们的思考有几个。

▍应用场景的深度挖掘

扫地机器人是近年来增长迅猛的智能机器人领域，当前在扫地机器人移动导航领域的主流技术是 SLAM （Simultaneous Localization and mapping）即时定位与地图构建技术。按传感器种类来划分，SLAM 技术可以再主要细分为两类，一类是基于激光测距传感器的LDS SLAM 技术，另一类是基于机器视觉的VSLAM技术。目前LDS SLAM为市场主流。

将三种主流的LDS SLAM方案进行对比（如表一）可以发现具体原因：由于立体视觉方案凭借其在分辨率、测量精度、抗干扰性和成本等方面的综合优势，才成为被广泛采用的方案。而ToF方案的地图构建能力更强，但相对成本较高。结构光方案由于测量距离受限和抗干扰性相对较弱，应用也相对受限。

表一：三种主流LDSSLAM方案对比

▍产品解决方案一览

在应用相对广泛的立体视觉和ToF方案中，传统的激光雷达光源一般采用边发射激光器（EEL）。针对于此，柠檬光子基于自主研发的高性能垂直腔面发射激光芯片（VCSEL）和水平腔面发射激光芯片（HCSEL），为主流的LDS SLAM系统提供性能更优异的激光光源方案。

分别是：

面向三角法测量立体视觉方案的VCSEL点激光准直模组

面向dToF方案的多结VCSEL点激光准直模组

面向结构光方案的大角度平顶光场VCSEL线激光模组

面向ToF方案的大角度平顶光场HCSEL线激光模组

下文是详细技术介绍。

1.面向三角法测量立体视觉方案的VCSEL点激光准直模组

柠檬光子的VCSEL系列点激光准直模组（如图一）采用定制的VCSEL单点芯片，相比于传统EEL准直模组，具有温漂系数小，光斑圆度和均匀度高，抗静电能力强，可靠性高，易于封装和性价比高等优势。该产品已通过多家激光雷达方案商和智能机器人终端客户性能及可靠性验证，并进入批量生产。

图一：柠檬光子面向三角法测量激光雷达的VCSEL点光源准直模组

2.面向dToF方案的多结VCSEL点激光准直模组

在展会现场柠檬光子还推出了业界领先的多结VCSEL芯片系列产品，该产品峰值电光转换效率可达56%（如图二）。

可以看出，该系列产品具有高功率密度、高可靠性和优异的高温性能等特点，广泛适用于短脉冲（ns级）和高峰值功率应用。多结技术代表着 VCSEL 行业的下一个飞跃，为机器视觉应用领域带来诸多优势。高功率密度可以减小封装尺寸，优化系统架构，而高电光转换效率可以降低整机热负载，高斜率效率则可以降低脉冲电流，进而提升驱动芯片的切换速度。

结合上文所述，VCSEL技术相较于EEL的诸多优势，基于多结VCSEL的点激光准直模组可望优势替代传统EEL模组，使得dToF激光雷达方案能够更广泛地应用于机器人视觉领域。

图二：柠檬光子多结VCSEL芯片实测LI和PCE数据（测试条件：200ms脉冲宽度，1%占空比）

3.面向结构光方案的大角度平顶光场VCSEL线激光模组

柠檬光子VCSEL系列线激光模组采用定制VCSEL阵列芯片和特殊设计的大角度线镜，可实现高质量线型光场。其相对传统的EEL 线光源的优势如下：

（1）行业首创大角度平顶光场：无边缘断线的120度大角度平顶光场分布，边缘能量更强，更利于大角度雷达弥补边缘能量（见图四中与传统EEL模组的光场分布对比）；

（2）激光线宽更窄：能量更集中，在空域有效提高信噪比；

（3）温漂系数小：是EEL的1/5，接收端可采用更窄带滤光片，在频域有效提高信噪比；

（4）更高可靠性：VCSEL发光面比EEL更大，相对功率密度低，可靠性更好；

（5）性价比高：VCSEL在芯片、封装和模组组装等方面提供更优化的成本

图三：柠檬光子面向线结构光避障雷达的VCSEL线激光模组

图四：柠檬光子VCSEL线光源和EEL线光源的光场图对比：（a）柠檬VCSEL线光源实现120度光场，其中平顶光分布大于90度；（b）传统EEL线光源呈近高斯光场分布，边缘能量不满足传感信号需求，且大角度处出现断线

4.面向ToF方案的大角度平顶光场HCSEL线激光模组

柠檬光子的HCSEL激光芯片结合了EEL高功率输出和VCSEL更适合大规模量产的优势，可同时满足激光雷达普及应用对激光光源的三大需求：更高峰值功率、更小光谱温度漂移和更长的激光波段，从而实现更长的3D感测距离、更高信噪比和人眼安全防护。

相比VCSEL及EEL，HCSEL芯片技术优势如下：

（1）超高的功率，可实现单管峰值功率数百瓦；

（2）大输出口径赋予芯片更高的可靠性；

（3）光谱线宽窄，波长稳定，便于3D传感和LiDAR应用有效滤除噪声；

（4）优异的光束质量降低光学整形难度和提高光场利用率；

（5）优异的偏振度利于传感探测和光学合束；

（6）简单的芯片制造工艺从理论上保证更可控的成本。

由于线扫描的3D传感方案具有相对较高的方案集成度，以及相对低成本的更成熟的线阵光电接收芯片，使得线扫描方案已经越来越多的受到传感行业的关注。

而传统的EEL和VCSEL激光芯片由于其较大的远场发散角，很难通过diffuser直接形成相对低成本、小体积的均匀线光斑。

柠檬光子的新型HCSEL激光芯片凭借其一个方向近乎准直的出光发散角，可以大大提高经diffuser整形过后的光场锐利度和均匀度，在较小的封装尺寸内，实现理想的线光斑。这点从2W VCSEL和HCSEL经过同一120度 x 1度diffuser之后的光场效果对比（图五）可见。

图五：VCSEL和HCSEL芯片经120度 x 1度diffuser的光场对比：（a）VCSEL不通过准直镜，光场无法被diffuser压缩，光束发散，杂散光形成噪声；（b）HCSEL直接通过diffuser便形成锐利的线光斑，线宽更窄，均匀度更好

图六：基于4037封装形式的HCSEL线激光投射模组

柠檬光子的HCSEL新型半导体激光器芯片作为下一代新型ToF光源，将会以更高性能、更高可靠性和更低成本的特性，将3D传感应用提升到一个新的高度。

目前柠檬光子可提供2~50W峰值功率的HCSEL线激光投射光源，已有多家国际知名厂商采用HCSEL芯片技术方案。

▍结语与展望

近年来，近红外VCSEL半导体激光器被广泛应用于消费电子、汽车、通讯、医疗、工业和安防等领域，预计未来三年市场年复合增长率达到35％。

柠檬光子借助国际领先的半导体激光技术和工艺，着眼于以自主的核心技术为基础，垂直整合半导体激光器的各个制造环节，并延伸至其应用的开发和拓展。可以说当前柠檬光子研发的下一代半导体激光芯片在众多应用领域比现有的激光芯片技术具有更优异的性能、更高的可靠性，以及更低廉的制造成本。

目前，柠檬光子的产品已成功进入手机、机器视觉、安防、车载激光雷达和生物识别等多个行业重点客户，并与多家上市公司签订战略合作协议。

当前，柠檬光子正致力于开发高性能激光芯片及光源模组，努力为蓬勃发展的智能机器人行业提供一站式半导体激光光源解决方案。

同时，柠檬光子也正持续研发新技术，迭代新产品，柠檬光子诚邀业界有识之士加盟，联系email：hr@lemon-photonics.com。

▍关于柠檬光子

柠檬光子是一家由半导体激光行业海归专业团队和风险投资以及产业投资机构共同创办的高科技企业，致力于高端半导体激光芯片以及激光投射光源模组的产业化。公司拥有国际领先的全方位半导体激光技术和工艺，包括独家拥有的新一代激光芯片技术。公司以自主的核心技术为基础，致力于打造一站式半导体激光芯片及光源解决方案的核心光源元器件供应商。

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