VCSEL激光LiDAR成自动驾驶汽车必备，测试给未来更强保障

2021-07-27 12:13:47 来源: 互联网

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随着激光雷达成为自动驾驶汽车的必备，越来越多的企业加入对激光雷达的新应用开发和对先进技术的追求，核心传感器成为科技企业的战略重地，特别是组成固态车载雷达的主体VCSEL激光LiDAR成为必争之地。新的VCSEL激光LiDAR需求中，即有远程测距的高功率雷达，也有替代红外与超声波等环境感知传感器的普通VCSEL激光LiDAR。

在远程测距方面，超远程测距由于留给自动驾驶的机器判别时间较长，仍然可以采用双摄像头视觉传感器和毫米波LiDAR来完成；在150~250M安全避障距离内，DTOF VCSEL激光LiDAR传感器由于机器计算时间少，硬件反应速度更快，硬件可靠性更高、集成难度更低，体积更小，正在成为行业共同突破的重点。除了可以测距之外，VCSEL激光LiDAR还有“识物”的功能。在近距离的低速强制避障部分，合理布局的DTOF VCSEL激光LiDAR传感器能够快速无盲区地连续生成3D环境地图，是目前理想的无风险避障措施。

对于DTOF VCSEL激光LiDAR传感器，VCSEL在窄脉冲（通常是纳秒量级）情况下的峰值功率、工作电流、工作电压、转化效率、近远场光学特性等参数对于芯片供应商、封装服务商、模组集成商等都非常重要。

从VCSEL 阵列测试到吉时利源表、采样电流计

几乎所有现代的激光都由激光二极管产生，这里不得不提到目前光电行业里最炙手可热的名词： VCSEL （Vertical Cavity Surface Emitting Laser）垂直腔面发射激光器，它属于面发射激光器的一种。业界预测VCSEL的产量在未来几年因光通讯、手机3D摄像头、汽车自动驾驶等新兴应用，LiDAR应用呈爆发式增长：

1) 类半导体制程可直接在Wafer上完成工艺制作与测试，成本低廉，适于大规模商用。

2) 相比边沿发生激光器，VCSEL可集成为2D阵列，适用不同光功率和传输距离的应用。

3) 波长稳定，尤其是环境温度对光波长的影响小。

4) 光斑窄且圆、阈值电流小，功耗低。

VCSEL和 VCSEL阵列，以及各类激光二极管的标准检测有很多重要参数要测量，来表征一个激光器的LIV （光-电流-电压）特性。其中一项是激光器发光功率的测量。依据ANSI美国国家激光安全标准规定，各波长的激光有对应的功率输出上限，以保护人体尤其人眼安全。而近红外光激光应用于3D人脸识别、注视感知，实现真正的大规模商用，使用者的安全是第一要素。因此，VCSEL阵列的光功率测试在Face ID的量产测试中变得至关重要，必不可少。

泰克旗下的Keithley 品牌的源表（SMU）和高精度高采样万用表（DMM）是光电行业VCSEL激光器、各类激光二极管、光电二极管、二极管等光学器件的行业测试标准。随着科技的日新月异，新的测试挑战也层出不穷，泰克科技的测试仪器也与时俱进，参与到最先进的未来科技Face ID的测试中。

图5. 典型的激光器光功率测试原理

使用吉时利的源表和采样电流计搭建标准的激光器光功率测试系统：源表作为精密的电流脉冲源，驱动激光器发出不同波长的激光，激光通过特制的积分球进行收光和光电转换，然后使用采样电流计进行超小电流的快速采样，来精准测算激光器发出的激光功率。经典的测试原理，还要结合测试仪器卓越的性能和指标才能够完成一个复杂而挑战的测试系统的搭建。

柯泰发布基于TOF技术的3D传感VCSEL阵列测试

基于目前无源VCSEL阵列的TR/TF评价性测试的现状，综合考虑测试的通用性、便捷性和可重复性，泰克合作伙伴柯泰测试研制了基于通用驱动器和通用仪器的测试系统。

图6：柯泰基于TOF技术的3D传感VCSEL阵列测试系统

使用该测试系统的主要目标场景包括：3D传感模组研发、阵列模组封装测试、3D传感系统厂商来料检测和故障分析、VCSEL芯片性能评估。CTA-LTC1激光器测试台适用于实验室环境，提供了驱动器固定、PD定位、滤光片切换、遮光、电缆连接等多种结构，能快速实现实验环境搭建。其外观尺寸为330mm x 330mm x 600mm（不含支撑脚）。

柯泰测试系统中提供的通用驱动板需要通过细致调谐方可和被测件配合得到最佳TR/TF结果。柯泰测试提供了KTS-TRTF-A01自动测试软件可完成这个细腻而繁琐的工作。基于对测试仪器的专业理解和测试方法的深入分析，柯泰选择最佳的仪表组合，并辅以细致的触发方式、采样方式和测量参数设置，让用户仅需提供工作点相关扫描范围，软件即可将最佳工作点推荐值以列表方式呈现。

DTOF系统的VCSEL窄脉冲LIV和近远场测试

柯泰测试结合产业界需求和自身知识经验，推出了指标领先的窄脉冲测试方案，覆盖窄脉冲LIV、近场光学测试和远场光学测试。这一系统的主要目标场景包括：

• VCSEL芯片性能评估和压力测试
• 阵列模组封装测试
• 3D传感模组研发
• 3D传感系统厂商来料检测和故障分析

测试系统的主要特点：

• 使用定制的测试治具，实现非破坏性的快速测试；
• 使用通用测试仪器，测试条件可控性和重复性优于传统定制系统，系统中的仪器亦可在其它测试中使用，通用性好；
• 集成测试台，提高系统搭建效率；
• 一键式自动化测试软件，自动扫描工作点，提高工作效率；
• 可根据需要替换测试系统组件，从而实现更高的测试要求。