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氮化铝陶瓷基板赋予激光雷达更高的可靠性和稳定性

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激光雷达的定义

激光:原子受激辐射的光,故名“激光”。原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到低能级的时候,所释放的能量以光子的形式放出。被引诱(激发)出来的光子束(激光),其中的光子光学特性高度一致。因此激光相比普通光源单色性、方向性好,亮度更高。

雷达:探测和测距。

激光雷达:是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达即Lidar,是以激光为载体进行测距和探测的传感器。是通过发射的激光进行信息获取。

激光雷达的工作原理

工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

探测距离探测距离很好理解,就是激光雷达能够探测的范围,或者说半径。  激光雷达的测距能力与被测物体的反射率相关。反射率就是射到目标物的激光能够被反射回来的比率。  目标反射率越高,雷达能够检测到的有效回波就越多,所以能测量的距离越远。  所以探测距离一般和反射率一起出现,比如150米@10%,就是指在目标反射率为10%的情况下探测距离为150米。

激光雷达的测距原理主要由两种:三角测距,飞行时间(Time of Flight,ToF)测距。其中飞行时间测距又分为直接飞行时间测距(direct Time of Flight,dToF)和间接飞行时间测距(indirect Time of Flight, iToF)。

①三角测距原理:

如图所示,激光雷达发射激光,反射光通过接收透镜打再线阵CCD/CMOS上,根据打在CCD/CMOS上的光点与主光轴的距离d,利用相似三角形原理计算出物体与激光雷达的距离D。

可以想象:当距离很远时(即D很大,d很小时),此时d的变化就对D的变化不再敏感,激光雷达的精度大打折扣。因此三角测距原理的激光雷达一般只适用于家用扫地机器人等小场景。

飞行时间(Time of Flight,ToF)dToF直接飞行时间测距原理

直接的飞行时间测距就是通过激光从发射到返回的时间t来测量距离,即D = c * t / 2。由于是利用光速测距,因此理论上不会因为距离远而有精度的下降,因此dToF的有效探测距离很远。

但是dToF测距也有其缺陷,那就是关于往返飞行时间t的测量:假如物体A与物体B距离相差1.5m,则二者的往返时间t1与t2的差值约为0.00000001s,这给予计时器的测量精度极大的压力,因此通常dToF的图像分辨率不会很高。

③间接飞行时间测距(indirect Time of Flight, iToF)

iToF顾名思义时采用间接的方法测量飞行时间,具体地说是测量接收波与发射波的相位差,转换成具体的飞行时间,再计算飞行距离。

由于iToF并不直接测量飞行时间,因此不需要高精度的时间测量,所以相比于dToF,iToF的图像分辨率较高。

但是如果距离过远的话,接收波的波形会出现信噪比减小、相位模糊等问题,因此iToF的有效探测距离不如dToF。

 优缺点总结

(自动驾驶场景通常需要较远距离的探测,因此主流选择dToF测距的激光雷达)

激光雷达的组成部分

由发射系统、接收系统 、信息处理等部分组成.

发射系统是各种形式的激光器,如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成;接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器,如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式,探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。

激光雷达的类型及分类

由于当前激光雷达技术方案的分歧点在于扫描方式,所以通常按照扫描方式来分,可以分为:机械旋转激光雷达,混合半固态激光雷达和全固态激光雷达(Flash型和相控阵)。

自动驾驶汽车激光雷达的作用是什么

激光雷达在自动驾驶中的作用,主要是3D/4D环境感知,探测车辆行驶过程中的路况和障碍物,把数据和信号传递给自动驾驶的大脑,再做出相应的驾驶动作。激光雷达可以说是自动驾驶中无形的眼睛.

激光雷达和氮化铝陶瓷基板

 激光雷达的激光发生器--VCSEL激光器全名为垂直共振腔表面放射激光器,简称面射型激光器。它以砷化镓半导体材料为基础研制,是一种半导体激光器。VCSEL的固态激光雷达具有更高的可靠性、稳定性并尺寸小型化,为汽车领域大规模应用激光雷达奠定了基础。

VCSEL芯片功率转化效率较低,这就意味着散热肯定有问题,面临热电分离的难题,而陶瓷基板就是为解决热电分离诞生的。根据有关拆解图片来看,VCSEL芯片安装在一块氮化铝原料的DPC陶瓷基板上,氮化铝基板又贴装于一个陶瓷基座底部。

VCSEL运行时会产生较大热量。其一,一个是热量需要通过基板及时散发出去;其次,VCSEL芯片功率密度很高,需要考虑芯片和基板热膨胀失配导致的应力问题。因此,实现高效散热、热电分离及热膨胀系数匹配成为VCSEL元件封装基板选择的重要考量。

一般情况下,半导体激光器的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm/℃,光谱宽度随之增加,影响颜色鲜艳度。另外,当正向电流流经pn结,发热性损耗使结区产生温升,在室温附近,温度每升高1℃,半导体激光器的发光强度会相应地减少1%左右,激光器时刻保持色纯度与发光强度非常重要,以往多采用减少其驱动电流的办法,降低结温,多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。但是,半导体激光器的光输出会随电流的增大而增加,很多功率型半导体激光器的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级,需要改进封装结构才能保证激光器的寿命,全新的半导体激光器封装设计理念采用低热阻封装结构及技术,改善热特性。

这就要求选择与芯片材料匹配的热膨胀系数接近的且有高热导的的封装基板--氮化铝的DPC陶瓷基板。请看下表:

氮化铝的热膨胀系数不仅与砷化镓半导体材料和非常接近,且具备180W/M*K)的热导率。

直接镀铜陶瓷基板DPC陶瓷基板极大地满足了VCSEL元件的这种封装要求。由于DPC陶瓷基板具备了高导热、高绝缘、高线路精准度、高表面平整度及热膨胀系数与芯片匹配等诸多特性,在高功率VCSEL元件封装中占有重要地位。

由于VCSEL的结构是垂直结构,斯利通DPC陶瓷电路板具有独特的高解析度、高平整度及高可靠垂直互联等技术优势更适用于其垂直共晶焊接。

陶瓷本身的稳定性确保传感器信号不会失真;陶瓷基板与芯片的热膨胀系数匹配,使得产品更加可靠,即使在汽车高温,高震动,含腐蚀性的环境下仍然可以保正信号的高效,灵敏,准确。

(部分图片来源网络,如有侵权请联系删除)

 

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