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機(jī)器視覺是許多現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用中的基本特征，它使機(jī)器能夠感知和覺察周圍的世界。SiLC Technologies, Inc.（SiLC）推出了Eyeonic視覺傳感器，向更廣泛的市場(chǎng)提供連續(xù)的視覺和芯片級(jí)集成。SiLC的最新視覺傳感器通過提供雙偏振強(qiáng)度信息，同時(shí)能夠抵御多用戶和環(huán)境干擾，將激光雷達(dá)的性能提升到一個(gè)新的水平。
車廠正在引入越來越先進(jìn)的ADAS解決方案，目的是有朝一日達(dá)到L4自動(dòng)駕駛。另一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用是自主機(jī)器人，機(jī)器視覺引導(dǎo)機(jī)器人穿過倉(cāng)庫(kù)，避開路徑上的所有障礙物，以此來改善物流鏈。
機(jī)器視覺解決方案需要先進(jìn)的傳感器，能以實(shí)時(shí)行為獲取數(shù)據(jù)，在固件或硬件層面進(jìn)行處理，并為決策算法（最終基于AI）提供高級(jí)信息。適用于汽車和機(jī)器人機(jī)器視覺應(yīng)用的傳感器技術(shù)的例子是雷達(dá)和激光雷達(dá)。在這篇文章中，我們將介紹SiLC開發(fā)的一種新穎的激光雷達(dá)技術(shù)，依靠相干的傳感器來實(shí)現(xiàn)汽車、機(jī)器人和工業(yè)應(yīng)用的4D視覺。
Eyeonic視覺傳感器于2021年12月推出，并在CES 2022上展示，它是一種FMCW（frequency modulated continuous wave）激光雷達(dá)，不僅可以提供深度信息，還能提供速度和偏振強(qiáng)度數(shù)據(jù)。
SiLC的業(yè)務(wù)發(fā)展和營(yíng)銷副總裁Ralf Muenster在接受采訪時(shí)說：“創(chuàng)新之處在于，第一次有人真正將實(shí)現(xiàn)相干視覺傳感器所需的所有光子學(xué)功能集成在一個(gè)芯片上。”
Eyeonic傳感器是基于FMCW方法，它在技術(shù)上比傳統(tǒng)的激光雷達(dá)更復(fù)雜，但提供了額外的功能，并能將系統(tǒng)縮小到芯片級(jí)規(guī)模。Eyeonic是第一個(gè)商業(yè)化的芯片集成的FMCW激光雷達(dá)，它的體積小，甚至可以滿足最嚴(yán)格的低成本和低功耗標(biāo)準(zhǔn)。
下圖顯示了傳感器的內(nèi)部，它將一個(gè)超低線寬的激光器、一個(gè)半導(dǎo)體光放大器、鍺探測(cè)器和光路（波導(dǎo)）整合到硅光子芯片上。
SiLC的Eyeonic傳感器與其他類似的競(jìng)爭(zhēng)解決方案不同，后者需要2、3個(gè)甚至4個(gè)芯片，并要求它們用某種耦合光學(xué)器件或光纖連接。Muenster說：“此外，每次你這樣做，都會(huì)損失3-10分貝，你真的負(fù)擔(dān)不起，因?yàn)楣庾雍苷滟F，你不想浪費(fèi)它們。”
與傳統(tǒng)激光雷達(dá)的另一個(gè)顯著區(qū)別是在系統(tǒng)層面上安裝該設(shè)備所使用的技術(shù)。通過使用ToF技術(shù)，目前的3D視覺系統(tǒng)依賴于波長(zhǎng)905nm的高功率激光器和高靈敏度的探測(cè)器。這些技術(shù)的早期版本已經(jīng)非常成功，足以在自動(dòng)駕駛測(cè)試中進(jìn)行早期部署。然而，昂貴的制造工藝限制了其分辨率和成本效益。此外，人眼安全問題也限制了它們的探測(cè)距離，而多用戶串?dāng)_可能會(huì)限制它們的廣泛采用。
基本上，基于ToF的傳感器發(fā)射一個(gè)或多個(gè)激光脈沖，等待它們返回探測(cè)器，然后計(jì)算往返時(shí)間，大概可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的精度，或大部分只是幾厘米精度。
Muenster說：“有些人對(duì)ToF很感興趣，因?yàn)?50nm的波長(zhǎng)需要容易制造和低成本的CMOS探測(cè)器。然而，這種解決方案需要多個(gè)芯片，這些芯片必須非常小心地對(duì)齊。”
為了解決人眼安全的監(jiān)管問題，并允許在多用戶干擾較少的情況下進(jìn)行批量實(shí)施，人們普遍認(rèn)為應(yīng)轉(zhuǎn)向1550nm波長(zhǎng)的FMCW技術(shù)。由于費(fèi)用和所需組件的數(shù)量，這種方法在過去沒有得到廣泛使用。
據(jù)SiLC稱，其硅光子集成平臺(tái)是一個(gè)具有成本效益的解決方案，利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝將所需的所有高性能元件組合到一個(gè)硅芯片中；從而形成一個(gè)低成本、緊湊和低功耗的解決方案。芯片制造使復(fù)雜的小工具和技術(shù)能夠以較低的成本得到大量的擴(kuò)展。
FMCW是一種廣泛用于相干多普勒雷達(dá)的技術(shù)。有了它，一個(gè)FMWC就可以隨時(shí)間的推移進(jìn)行傳輸。然后，當(dāng)返回脈沖回來時(shí)，可以計(jì)算出發(fā)射和接收脈沖之間的頻率差（偏移）。由于多普勒效應(yīng)，該偏移是被探測(cè)（反射）物體的距離和速度的函數(shù)。這就是相干激光器的工作原理。
FMCW有很多優(yōu)勢(shì)。首先，它可以在任何照明條件下工作，并且不受環(huán)境干擾和串?dāng)_的影響。這意味著它不能通過用鏡子將陽(yáng)光直接反射到傳感器的中心而被破壞。即使在很遠(yuǎn)的距離，其精度也非常高（毫米級(jí)），而且也可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)。
另一個(gè)FMCW的關(guān)鍵因素是在相同探測(cè)距離下與ToF相比所需功率要小得多。由于其相干性，Eyeonic傳感器增加了提供目標(biāo)速度的瞬時(shí)測(cè)量的能力，實(shí)際上成為了一個(gè)真正的4D傳感器。此外，SiLC還提供雙偏振強(qiáng)度，除了芯片集成外，還能進(jìn)行材料識(shí)別和表面分析（見下圖）。
Muenster說：“速度可以讓機(jī)器視覺系統(tǒng)在檢測(cè)到的物體周圍畫出輪廓，而偏振強(qiáng)度可以幫助確定該物體是什么。由于你有一個(gè)速度矢量，你已經(jīng)知道物體接下來會(huì)在哪里。因此，你不必通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練來推斷這些信息。”
SiLC的解決方案與掃描器也是無關(guān)的，這意味著它可以與任何類型的掃描器一起工作。幀率和分辨率是完全可配置的，取決于具體的應(yīng)用。
Eyeonic傳感器提供尾纖和無纖兩種配置。前者通過支持FMCW激光雷達(dá)收發(fā)器和掃描單元位于不同位置的配置，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的靈活性，而后者在緊湊型配置中具有最低的成本。
從2022年二季度開始，SiLC的Eyeonic視覺系統(tǒng)將提供給戰(zhàn)略客戶，它將提供一個(gè)完整的視覺系統(tǒng)，使系統(tǒng)集成商和終端用戶能夠輕松、快速地評(píng)估。它將是市場(chǎng)上可用的緊湊而強(qiáng)大的FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)，具有廣泛的配件，以適應(yīng)任何客戶的應(yīng)用。
[參考文章]
FMCW LiDAR Empowers 4D Vision in Robotics and Autonomous Vehicles — Maurizio Di Paolo Emilio
