SiLC的3D和4D机器视觉解决方案

2024-06-08

硅光芯片(SiLC)技术公司是一家硅光子学初创公司,它开发了一种频率调制连续波(FMCW)片上激光雷达,作为四维(4D)机器视觉解决方案,使机器人、车辆和其他机器能够获得高分辨率和高精确度的短距离或长距离物体分类所需的数据。

三维(3D)机器视觉解决方案正在通过光探测和测距(LiDAR)技术改变世界。然而,由于成本、尺寸和性能问题,这些解决方案的使用仅限于汽车应用。

当前三维机器视觉技术的问题

现有的三维机器视觉技术依赖于高灵敏度的探测器和使用飞行时间(TOF)架构的905纳米高功率激光器。这些技术已经在汽车应用中证明了其有效性,例如在自动驾驶汽车试验中。

然而,昂贵的装配工艺限制了三维视觉技术的成本效益扩展和分辨率。多用户干扰/串扰也阻碍了这些技术的广泛采用。

尽管TOF LiDAR在夜间可以有效运作,但白天来自太阳的明亮光子会干扰信号,在接收信号中产生噪音。当一个TOF系统接收来自附近的其他几个TOF LiDAR的脉冲时,它的正常运作也会受到影响,导致多用户串扰。

为了解决这个问题,引入了编码技术,将发射信号分割成几个脉冲。然而,将可用的能量分割成多个脉冲会导致测距性能的下降,因为它与TOF系统的峰值功率成正比。

此外,眼睛安全问题限制了TOF系统的范围和功率量。现代TOF激光雷达系统通常在850和905纳米波长之间工作,这与可见光谱极为接近。太阳辐照度在850至905纳米波长段内明显较高,导致较高的日光干扰。

基于FMCW的相干激光雷达作为一种潜在的解决方案

基于FMCW的相干LiDAR允许更高的探测精度和灵敏度。相干检测方法发射并依靠低功率的频率啁啾来代替简单的脉冲。

因此,FMCW LiDAR中的信噪比与传输的光子总数成正比,而不是与激光峰值功率成正比。由于其更高的灵敏度,FMCW LiDAR也可以在比脉冲TOF LiDAR低得多的平均功率下发射。

反射的啁啾声以频移的形式包含了测量点的距离。此外,当测量点具有径向速度时,反射的啁啾声也会增加一个多普勒频移。

相干激光雷达可以使用下行和上行的啁啾声瞬间解决每个像素的速度和范围,而这是TOF激光雷达无法实现的。速度是机器周围的物体和人的一个极其重要的属性,如自主车辆。

FMCW LiDAR光子电路将传出的相干激光光部分与接收到的光结合起来,这提供了一个独特的 "解锁 "钥匙,有效地阻止任何LiDAR干扰或背景辐射。

此外,接收信号和本地振荡器的相干混合,在被平衡光电探测器检测到之前,通过构造干扰产生了一个放大的节拍频率。

因此,正确实施的FMCW LiDAR是没有干扰的。每个像素/4D传感的速度信息为自主系统提供了更安全、更透明的环境感知。

在单个光子学芯片上集成所有部件以实现成本目标,只能使用短波红外(SWIR)波段的FMCW来实现,因为片上波导在这些波长上是低损耗和透明的。此外,光电子学的集成使得使用光学相位阵列进行固态光束转向成为可能。

SiLC技术公司是少数专注于FMCW的LiDAR公司之一,也是唯一一家展示了硅光子学芯片的公司。该公司利用其专有的工艺技术和硅光子学专业知识,将所有的光子学元件,包括激光器、探测器和相干探测引擎,集成到一个芯片中,以实现成本目标。

关于SiLC技术公司

SiLC Technologies, Inc.是一家位于南加州蒙罗维亚的机器视觉创新企业,提供相干视觉和芯片级LiDAR解决方案,使智能相机、机器人和自动驾驶汽车能够像人类一样看东西。

SiLC由拥有数十年商业产品制造和开发经验的硅光子行业的资深人士于2018年成立,致力于通过更多的数据和集成、更高的分辨率和更远的距离使机器感知更像人类的感知。

这家硅光子集成电路半导体供应商利用他们专有的硅光子集成平台,为机器视觉开发了一个完全集成的光子学解决方案。

SiLC还利用其在硅光子学方面的专业知识,推进相干4D成像解决方案在多个应用领域的部署,包括增强现实、机器人、安全和监控、工业机器视觉和自主移动。

SiLC采用硅基半导体制造工艺来制造其芯片,并采用标准和自动化集成电路式的光子学组装和制造工艺来开发成本效益高、结构紧凑和坚固的解决方案。

SiLC用于机器视觉的全集成相干LiDAR芯片

SiLC在一个高性价比的硅平台上成功地集成了一个FMCW成像系统,首次开发出基于相干检测方法的全集成FMCW LiDAR芯片。该光学引擎利用1550纳米波长的FMCW,这大大增加了LiDAR的范围、性能和安全性。

1550纳米的FMCW技术可以有效地解决有关眼睛安全的监管问题,并在有限的多用户串扰下实现批量部署。然而,由于成本较高和所需组件数量较多,这种方法直到现在还没有得到广泛的应用。

SiLC的硅光子学集成平台为这一问题提供了有效的解决方案,它通过既定的半导体制造工艺将所有需要的高性能元件集成到一个硅芯片中,从而开发出一个紧凑、低功耗和低成本的解决方案。

SiLC的技术平台还能满足其他关键的性能指标,包括超低相位噪声、与偏振无关的操作、低背反射、高光功率处理和极低损耗。

硅制造促进了复杂技术和设备的大批量扩展,而且价格低廉。因此,SiLC的方法可以促进工业和汽车机器人领域大规模采用LiDAR。

集成的FMCW LiDAR测试芯片的初步性能结果表明,仅用4.7毫瓦的光峰值功率就能达到112米的探测范围,这大大低于传统脉冲LiDAR系统中数百/数千瓦的光峰值功率。此外,SiLC的LiDAR解决方案在高达100 mW的峰值功率水平下不会对相机、传感器或眼睛造成任何损害。

完全集成的片上FMCW LiDAR的未来展望

SiLC的芯片集成了实现低成本、低功耗的相干4D视觉传感器所需的每一项光子学功能,而且占地面积极小。该公司已经推出了Eyeonic视觉传感器,这是市场上第一个商业化的芯片集成FMCW LiDAR传感器,适用于超远程和超短距离的机器视觉应用,如机器人、安全和移动。

该传感器可以提供瞬时速度和超远程信息,使机器和机器人能够准确感知和分类它们的环境。最近,SiLC将Eyeonic视觉传感器的探测范围扩大到1000米。该公司还宣布与位于香港的云光公司建立生产合作关系,大规模生产Eyeonic视觉传感器。

参考资料

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SiLC Technologies launches new Silicon Photonics LiDAR chip [Online] Available at (Accessed on 13 March 2023)

SiLC Rolls Out Chip-Integrated FMCW LiDAR Sensor [Online] Available at (Accessed on 13 March 2023)

Roos, G. (2022) SiLC extends vision sensor range to 1 km [Online] Available at (Accessed on 13 March 2023)

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作者Samudrapom Dam

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