一站式智能机器人行业激光光源解决方案

扫地机中采用的线激光避障技术

随着科技的发展，扫地机逐渐走进千家万户。过往扫地机因避障能力差，工作时处处碰壁，被戏称为“人工智障”，经过近几年的发展，扫地机已能很好地解决避障问题，算是对得起“人工智能”的称号了。其实这一进步，恰恰就是核心避障功能模块技术的进步。

常见的避障方案有哪些？

①   红外对管避障（短距离感应且无测距功能）

②   单双目避障（高清晰度，但深度信息不能直接获取）

③   结构光避障（距离远，可测距，一定情况下受环境光干扰）

④   红外PSD传感避障（短距离，可测距，但精度不高）

⑤   3D TOF（更多用于扫地机顶部LIDAR偏向于导航和二维平面建模，辅助避障）

除了红外对管避障和红外PSD传感避障以外，我们来说说目前市面上主流的另外4种避障技术

基于可见光的单目摄像头 和 双目摄像头

基于不可见光-红外光的 3D TOF和 3D结构光--双线激光

单/双目摄像头避障技术——视觉避障

单目避障，障碍物的形状通过单个摄像头来记录，再由算法来识别当前物体的大小和距离，但是对于数据库内不存在的物体则无法进行判断。而双目避障则不会出现这样的情况，除了拥有视觉识别特有的优势以外，双目避障系统通过双摄像头所记录的信息，利用平行拍摄的方法，识别两个摄像头所记录图像的差别，可以提供更多的数据用于识别障碍物的种类。综合来说，从实用性的角度来考量，使用双目识别技术的扫地机器人能更好地适应工作环境，同时就避障性能来说，也能够识别出更多种类的障碍物，然后再通过数据库和算法选择应对方式。

3D TOF避障技术——更多偏向于LIDAR导航和二维平面建模

TOF技术从它的名字上就能大概了解其原理——time of flight，飞行时间，主要是通过发射光线，光线遇到不可穿透物体会发生反射，通过记录反射光达到接收器的时间，由于光速和光波长已知，来计算光源和物体的距离。此技术更多使用单点TOF方案，用于扫地机顶部的LIDAR通过转向扫描获得环境深度信息来辅助避障，但更多的是偏向于最终达到导航和二维平面建模的效果。

3D结构光避障技术——扫地机中更多采用线激光

3D结构光方案，其原理是采用红外光源，发射出来的光经过一定的编码投影在物体上，这些图案通过物体表面反射回来时，随着物体距离的不同会发生不同的形变，图像传感器将形变后的图案拍下来。随后，通过计算拍下来的图案里的每个像素的变形量，来得到对应的视差，进而得到深度值。不过结构光方案测距范围受光斑图案影响，避障范围较小。另外强光环境下表现差，容易受光线影响。

双线激光

两根交叉的线激光共同工作，再通过扫地机的移动来建立立体地图。双线激光避障的优势是对抗环境光干扰能力相对比较强；面对暗光环境，当光线变暗时，相机里的物体就基本看不清了，而在红外光的补光作用下，扫地机依然能够清晰看到前方的路，其实可以理解成扫地机器人一直拿着手电筒照射前方，而这个手电筒出来的光，我们人的肉眼看不到。而对于强光环境，环境光中的红外光比较强烈，这个时候就需要机器里的红外光足够的强来削弱环境光中的干扰。

扫地机里采用的线激光，并不是一直持续输出的，而是按照一定的频率来工作的。在相同的单位时间里，只要线激光模组更频繁地工作，扫地机就能获得更多的信息，从而帮助扫地机更快地判断出障碍物，所以不管是面对突然出现的人，宠物或者是其他杂物，扫地机都能判断障碍并躲开。

图片来源：什么值得买

采用线激光模组是扫地机避障功能未来的一个大趋势

基于线激光技术和SLAM（即时定位和地图构建）智能算法的结合，扫地机可实现家居环境障碍物精细识别，和实现更高的清扫效率和自动化程度。

线激光模组实时扫描周围环境

不仅如此，扫地机采用的双线激光避障方案配合激光雷达技术，在扫描过程中，还可以建立环境3D模型、优化清扫路径、精准躲避障碍物等。由于采用的是红外光，人体用肉眼是无法看到的，只能通过红外摄像头观察到这种线激光，对于人眼来说也是安全的。

红外摄像头下采用线激光模组的扫地机工作情况

图片来源：什么值得买

配合SLAM智能算法和线激光模组的扫地机工作路线情况

图片来源：什么值得买

柠檬光子—性能突出的点/线激光模组供应商

随着激光类器件在机器人产品上的应用越来越广泛，从商用的扫地机、AGV、送餐机等，到民用的扫地机、电动工具等终端应用纷纷出现了点/线激光模组的身影。

柠檬光子作为国内Vcsel芯片的设计和生产企业，不但可以提供行业通用型的点/线激光模组，还可根据终端客户的应用场景，提供个性化定制的产品解决方案。

产品解决方案一览

为了解决不同方案的相关问题，柠檬光子分别针对性地提出了多种解决方案。

分别是：

▶面向三角法测量立体视觉的VCSEL点激光模组方案

▶面向dToF的多结VCSEL点激光模组方案

▶面向ToF的大角度平顶光场VCSEL线激光模组方案

▶面向ToF的大角度平顶光场HCSEL线激光模组方案

以下是详细介绍。

1.面向三角法测量立体视觉的VCSEL点激光模组方案

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。

柠檬光子的VCSEL系列点激光模组（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点光源模组

2.面向dToF的多结VCSEL点激光模组方案

 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）。

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）

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。

综上所述，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。

3.面向TOF的大角度平顶光场VCSEL线激光模组方案

柠檬光子VCSEL系列线激光模组采用定制的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均匀，相对功率密度高，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

(a)                                     （b）     

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

柠檬光子--线激光模组呈M型光场分布，边缘能量强的M型光场分布，更利于大角度雷达弥补边缘能量；远场窄边能量更集中。

柠檬光子-线模组实测光斑

柠檬光子-线模组大角度方向光场分布              小角度方向光场分布

808nm线激光选型表-节选

4.面向ToF的大角度平顶光场HCSEL线激光模组方案

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。

(a)                            （b）

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。

柠檬光子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。

柠檬光子Hcsel线激光模组在扫地机中的应用

随着扫地机市场的发展，扫地机无论从外观还是成本上都会进一步地压缩，或许未来扫地机顶部的雷达会被取代，取而代之的将会是更高集成度的激光模块，而更高集成度的模块不再位于扫地机顶部，而是存在于机身内，柠檬光子的大角度平顶光场Hcsel线激光模组恰恰可以契合扫地机这一未来走势，为扫地机的降本和“瘦身”提供了2个方案选择。

1.  扫地机身2侧配合2组大角度平顶光场Hcsel线激光模组，覆盖扫地机前方大角度面积范围。

2.  扫地机加装1组大角度平顶光场Hcsel线激光模组，再配合柠檬光子独自开发的光学方案，只用1组Hcsel线激光模组就能覆盖远端和近端环境， 并发出8条线激光的效果。

关于柠檬光子

深圳市柠檬光子科技有限公司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。