LIDAR、光学距离和飞行时间传感器
用于短距离传感应用的完全集成 dToF 模组和 iToF VCSEL 照明器。用于长距离 LIDAR 系统的激光源。
光学距离传感器
有很多方法可以直接测量从激光源到反射目标并返回传感器的光程长度，包括 LIDAR 和飞行时间传感器，这些方法存在相同的原理。
主要系统类型总结见下表。它们主要由以下关键参数定义：
- 光学距离测量原理：这是测量 z 维光学深度的方法。主要方法是间接飞行时间（iToF）、直接飞行时间（dToF）和调频连续波（FMCW）。
- 扫描架构：这是系统测量 x 维和 y 维上的多个深度点的方法，用来创建 3D 深度图。本文提到的主要方法是具有传感器阵列的单个发射器、发射器阵列加传感器阵列和仅具有单个光源/探测器的扫描镜系统。
- 光学孔径/光功率：光功率和孔径尺寸以及可实现范围之间的权衡。有两个关键类别：紧凑型低功率短距离系统，例如用于消费电子产品的带有晶圆级光学元件的集成模组；以及更大规模的较长距离系统，使用离散组件、更强大的光源和更大孔径的体光学元件构建。
这些系统一般都在红外光谱中工作，因而，通过在接收器上使用匹配的红外带通滤波器可以最大限度地减少来自环境光的干扰，用户也几乎看不可见系统的存在。
光学距离测量原理
直接飞行时间 (dToF)
对激光光源进行脉冲，测量每个脉冲发射并返回传感器所花费的时间，并根据光速将该时间转换为距离。dToF系统能够实现稳健且低功耗的距离测量。然而，接收器通常用单光子雪崩探测器和定时电路实现。由于可以实现的阵列尺寸有限，因此固态系统的分辨率通常小于100个深度点。
间接飞行时间 (iToF)
激光光源是可调幅的。测量透射光与反射到传感器的光之间的相位差，将该相位差转换成时间，然后根据光速转换成距离。接收器可以作为专用图像传感器的一部分实现，无需移动部件即可实现高分辨率。然而，iToF 容易受到串扰和多路径干扰的影响，因而不如 dToF 系统稳健。通常仅在短距离、高分辨率系统中使用 iToF。
调频连续波 (FMCW)
激光源是连续波，并使用锯齿波形（“Chirp”）进行调频。反射信号与激光源的参考信号进行光学混合。产生的信号包含与距离相对应的“节拍”频率，该频率通过频谱分析提取。与 dToF 相比，FMCW 更稳健，性能更高，包括射程长、发射功率低、对环境光的高抗扰度并且能够直接测量径向速度。然而，由于光学复杂性，目前通常只为更专业的系统部署 FMCW。
扫描架构
单个发射器 + 探测器阵列
固态 iToF 和 dToF 系统最常用的方法是使用单个泛光照明器和探测器阵列。 在短距离模组下， 发射器是带有扩散器光学元件的CSEL，用以实现所需的视场，并在探测器上匹配成像光学元件。在较长距离的“flash LIDAR”系统中，则使用 dToF 方法，配合更高功率的 VCSEL 阵列或EEL边发射激光源，每侧需要更大的孔径。
发射器阵列 + 探测器阵列
dToF/flash LIDAR 系统的性能受到多个实际因素的限制。为了保证眼睛安全，最大光功率收到限制，继而影响了探测范围。此外，每个深度点都需要一个时间检测电路，这又限制了实际可达到的分辨率。真固态（TSS）激光雷达系统使用像素化发射器阵列依次照亮场景的不同部分这使得每个脉冲的可用光功率更聚焦，并允许共享像素 TDC，因而使问题得到解决。然而，这是以牺牲额外的发射复杂性为代价的。
扫描镜
最长距离的 LIDAR 系统使用单个光源和探测器，并在整个场景中扫描。该方法能够通过使用聚焦源和高保真时间检测来优化范围。此外，由于只有一个通道，也可以通过部署更复杂但性能更高的 FMCW 的方法来解决问题。可以使用多种扫描配置，包括使用 MEM 镜进行二维扫描，以及使用旋转多边镜进行一维扫描。
直接飞行时间传感器模组
艾迈斯欧司朗提供完全集成的直接飞行时间传感器模组。这些紧凑型、低功率设备集成了 940 nm VCSEL（激光）、SPAD（单光子雪崩光电二极管）像素阵列、时间数字转换器（TDC）和所有必要的信号处理，以便在 I2C 上直接读取距离。
高达 8×8 的单区和多区设备的封装尺寸最小可达 2.2×3.6×1.0 mm，操作范围和视场最大可达 5米和 63°。
应用场景包括相机和投影仪的自动对焦、机器人和无人机的障碍物检测、摄像系统的低功耗唤醒、无接触控制和手势识别。
了解更多信息，请参见我们的白皮书：了解飞行时间传感。
用于间接飞行时间传感的 VCSEL 和 VCSEL 模组
艾迈斯欧司朗为 iToF 系统提供了多种红外 VCSEL 和 VCSEL 模组，波长为 850 nm 和 940 nm。例如，
- BIDOS® P2433 VCSEL 模组在 2.4 × 3.3 × 1.2 mm 封装中提供高达 6.5W的功率，集成光电二极管，视野为60°×45°和72°×58°。
我们的合作厂商提供了完整的 iToF 系统参考设计：
- 来自 Chronoptics 的 KEA 飞行时间摄像头开发套件 （如图所示）采用了我们的 940 nm BIDOS VCSEL 照明器，它是一个完整的解决方案，可以加速和简化 3D 深度传感与产品的集成。
- Melexis EVK75027 iToF evaluation kit features our automotive qualified TARA-2000-AUT-SAFE VCSEL illuminator. It demonstrates a complete VGA depth camera system for in cabin monitoring and gesture sensing. Further details of the eye safe illumination system implementation can be found in this white paper. Melexis EVK75027 iToF 评估套件采用了我们车规级TARA-2000-AUT-SAFE VCSEL 照明器。该套件为您带来用于舱内监控和手势感知的完整 VGA 深度摄像系统。有关人眼安全照明系统实现的更多详细信息，请参见本白皮书。
用于长距离 LIDAR 的 VCSEL 和 EEL
艾迈斯欧司朗提供 VCSEL 和边发射激光器（EEL），适用于 LIDAR 系统的脉冲操作模式。两种类型的激光器提供不同的配置，如 VCSEL 阵列或单通道至多通道边发射激光器，以及用于各种系统和光学设计方法的多种功率水平。得益于我们专有的边发射激光器波长稳定技术，这些发射器现在提供了与 VCSEL 相似水平的低温相关波长漂移。
我们的产品包括：
- SPL S4L90A_3 艾迈斯欧司朗 LiDAR 产品组合的旗舰产品： QFN 包中的 4 通道 SMT 激光器，波长稳定，905 nm，220 µm，AEC-Q102
- SPL S1L90A_3 QFN 包中的 1 通道 SMT 激光器，905 nm，125 W 220 µm
- SPL DP90_3 Nanostack 脉冲激光二极管，905 nm，65W，110 µm，AEC-Q102