2020年激光雷達市場現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析
二維激光雷達在服務(wù)機器人領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用空間。目前激光雷已經(jīng)開始應(yīng)用于物流機器人、商用清潔機器人、送餐機器人等移動機器人領(lǐng)域，尤其近兩年來新興的商用清潔機器人，激光雷達已經(jīng)成為標配。
激光雷達種類
激光雷達是一種通過探測遠距離目標的散射光特性來獲取目標相關(guān)信息的光學遙感技術(shù)。激光雷達分辨率遠高于攝像頭、超聲波雷達等傳感器，被廣泛應(yīng)用于測繪、機器人、無人駕駛等領(lǐng)域。
按照激光雷達的掃描維度，激光雷達可分為一維激光雷達、二維激光雷達和三維激光雷達。
一維激光雷達主要用于距離測量，主要廠家如博世、徠卡等;二維激光雷達主要用于輪廓測量、定位和區(qū)域監(jiān)控，主要廠家有日本Hokuyo、德國SICK、德國IBEO等;三維激光雷達則可用于三維動態(tài)建模，主要應(yīng)用于移動機器人、無人駕駛等領(lǐng)域。
二維激光雷達在服務(wù)機器人市場應(yīng)用前景廣闊
二維激光雷達在服務(wù)機器人領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用空間。目前激光雷已經(jīng)開始應(yīng)用于物流機器人、商用清潔機器人、送餐機器人等移動機器人領(lǐng)域，尤其近兩年來新興的商用清潔機器人，激光雷達已經(jīng)成為標配。
但在家用掃地機器人市場，激光雷達滲透率則較低，其主要制約因素為成本。目前市場上絕大部分掃地機器人使用的傳感器為視覺攝像頭及超聲波傳感器，其傳感器成本僅需幾元，僅有極少部分高端掃地機器人會使用到激光雷達，所使用的二維激光雷達的價格在幾百到幾千不等。
相對于超聲波傳感器和視覺攝像頭，激光雷達的測距精度更高，不存在累計誤差，構(gòu)建的地圖可以直接用于路徑規(guī)劃，且不受環(huán)境光影響。因此，激光雷達才更適合做掃地機器人的“眼睛”。
早在2009年，激光雷達就開始被嘗試應(yīng)用于掃地機器人領(lǐng)域。
Neato成立于2005年，是一家位于美國加州硅谷的機器人研發(fā)、制造公司。2009年，Neato發(fā)布了一款成本極低的激光雷達，利用激光發(fā)射器與接收器之間的三角測距方法測得與障礙物之間的距離，激光測距傳感器安裝在電機上，通過旋轉(zhuǎn)測得一圈360°范圍內(nèi)的距離，并基于此繪制室內(nèi)地圖，以30美金的超低價格在機器人圈中引起不小的轟動。
經(jīng)過多年的改進，旋轉(zhuǎn)激光雷達方案已經(jīng)成為Neato掃地機器人的重要特征。不過這種激光探頭的最大缺點就是壽命短。雖然業(yè)界皆給予Neato高評價，但是由于激光探頭的缺點，而且產(chǎn)品價格昂貴，所以Neato掃地機器人一直沒能得以普及。
科沃斯2015年上市的地寶9系也采用了LDS激光雷達技術(shù)，可以精確構(gòu)建地圖，實現(xiàn)智能化清潔。
2019年，石頭科技推出一款全新掃地機器人P5，P5搭載了Lidarvision專利激光雷達，能夠360°全局巡航掃描，并對家中環(huán)境進行高精度測距與建圖。
目前，在激光導航類掃地機器人市場，石頭科技占據(jù)大部分市場份額。
除了國外企業(yè)日本Hokuyo、德國SICK外，目前國內(nèi)廠商如鐳神智能、思嵐科技、探維、星秒等陸續(xù)加入了2D激光雷達研發(fā)隊伍，其產(chǎn)品在成本上具有較大優(yōu)勢。
低成本、小型化推動激光雷達在服務(wù)機器人領(lǐng)域應(yīng)用
固態(tài)化、小型化、低成本是激光雷達的主要未來發(fā)展趨勢。目前，市場上的2D激光雷達主要為單線程激光雷達，主要應(yīng)用于服務(wù)機器人領(lǐng)域，但價格仍普遍在幾百元以上。激光雷達的固態(tài)化則能有效降低成本，同時縮小激光雷達體積。目前，固態(tài)激光雷達由于存在掃描角度有限、加工難度高、旁瓣問題、信噪比差等問題，短時間內(nèi)難以應(yīng)用推廣。未來隨著固態(tài)激光雷達技術(shù)進步，激光雷達在服務(wù)機器人領(lǐng)域市場應(yīng)用有望加速。
以上數(shù)據(jù)來源于前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國激光雷達行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》
來源 ： 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院 發(fā)布時間 : 2020-05-26
激光在光伏行業(yè)中的應(yīng)用：光伏背板玻璃激光鉆孔技術(shù)
雙玻組件自問世以來，便展現(xiàn)了其對抗嚴苛氣候條件和安裝暴力的“硬漢形象”，壽命長(30年壽命)、抗揍(不易產(chǎn)生電池隱裂紋)、PID衰減低，兼容雙玻組件生產(chǎn)成為新設(shè)計產(chǎn)線繞不開的考慮條件。
刺激雙玻組件需求增長的有利因素主要如下：
(一)在光伏行業(yè)對降低度電成本的不懈追求中，雙面發(fā)電技術(shù)成為市場主流：雙面PERC電池成為PERC產(chǎn)線標配，新型N型電池也主推雙面技術(shù)路線，例如Top-con雙面電池、HJT雙面電池；雙面技術(shù)對雙玻組件的推廣應(yīng)用具有顯著的促進作用，但少部分雙面組件采用透明背板工藝；
(二)2019年6月，美國貿(mào)易代表辦公室(USTR)批準的201條款對雙玻組件和電池的關(guān)稅豁免，明顯推動了其它國家和地區(qū)對中國產(chǎn)雙玻組件的需求。
TestPV對2020年全球雙玻組件市場需求預計：3-4GW中國出口，5-6GW美國裝機，10GW國內(nèi)裝機，5GW美國以外的海外市場供應(yīng)，全部市場需求總額20-24GW
雙玻組件的背板玻璃鉆孔技術(shù)非常關(guān)鍵，目前主要有機械法和激光法，兩種技術(shù)對比如下：
● 投入費用方面：機械鉆孔固定投資低，但后期維護成本大，主要是因為需要更換易耗品玻璃鉆頭，另外機械法需要冷卻水噴淋和收集裝置；
● 加工孔類型和大?。耗壳凹庸ば枨笥袌A孔、方孔、腰形孔等異形孔，孔徑3-30mm，激光鉆孔均可自由組合切換；
● 加工良率：2.5mm厚度玻璃加工良率方面，激光法鉆孔高于機械鉆孔5%左右；光伏玻璃未來發(fā)展趨勢為輕薄，市場已經(jīng)在推廣1.6mm-2.0mm的玻璃，采用機械鉆孔的良品率會大幅下降，所以光伏玻璃廠商幾乎都在尋求激光打孔解決方案；
● 加工品質(zhì)和加工精度：激光加工具備無錐度孔，孔內(nèi)壁干凈、基本無粉塵殘留、損傷低等優(yōu)點，崩邊指標明顯優(yōu)于機械鉆孔，可開發(fā)缺陷檢測功能；另外激光鉆孔法精度高。
通過以上機械法和激光法的多方面對比，顯然激光加工技術(shù)是雙玻組件背板玻璃鉆孔的主要發(fā)展趨勢。大族光伏裝備專注于光伏行業(yè)的激光精密加工技術(shù)開發(fā)及研究，針對光伏玻璃精密激光鉆孔技術(shù)研發(fā)出整線系統(tǒng)。
該整線系統(tǒng)設(shè)備包含加速段、旋轉(zhuǎn)定位、激光鉆孔、玻璃圓孔倒角、旋轉(zhuǎn) 、減速段等，可采用橫豎兩種方式進料；設(shè)備可實現(xiàn)高精度、高效率、低成本的連續(xù)生產(chǎn)；激光鉆孔機擁有三頭切割工位，可實現(xiàn)孔位置精度達±0.5mm，孔位誤差穩(wěn)定在±0.5mm，崩邊小于或等于0.3mm，三孔激光鉆孔加工時間(φ2.0mm)小于7s。
上圖是以50X放大觀察最大崩邊。激光鉆孔未形成錐度孔、孔內(nèi)壁干凈、基本無粉塵殘留，其中激光出射面孔崩邊在50μm左右，激光入射面孔崩邊小于200μm。
激光鉆孔法精度高、污染低，可以提高產(chǎn)品良率。激光鉆孔完成后，進入倒角程序，倒角機對激光切割后的玻璃圓孔進行倒角加工。倒角機采用CCD系統(tǒng)進行精度為±0.01mm的定位，利用定制集成系統(tǒng)補圓弧倒角，可實現(xiàn)玻璃上下表面同時作業(yè);全幅面內(nèi)任意孔均可倒角，倒角效率高達0.2s/孔，倒角尺寸C為 0.2-0.5mm;設(shè)備的運行成本低，穩(wěn)定性可靠。
目前為配合行業(yè)客戶需求，大族光伏裝備在整線系統(tǒng)還增設(shè)打孔后段的缺陷檢測功能。隨著光伏玻璃的市場需求量及光伏裝機量的增大，光伏激光加工設(shè)備的需求也隨之增加，并對加工技術(shù)和工藝提出更高 要求。大族光伏裝備緊隨光伏市場發(fā)展與客戶需求，創(chuàng)新驅(qū)動、升級優(yōu)化，不斷為光伏行業(yè)提供高質(zhì)量、創(chuàng)新性的激光加工解決方案。
來源 ： 大族激光顯視與半導體 發(fā)布時間 : 2020-05-12
高穩(wěn)定性、低噪聲鎖模飛秒激光器用于時間分發(fā)
在過去幾年中，由于受到熱致模式不穩(wěn)定性和非線性效應(yīng)的影響，單一光纖放大器所能產(chǎn)生的平均功率、脈沖能量和峰值功率等性能指標，已經(jīng)遇到難以克服的瓶頸。解決該問題的有效途徑是利用多路光纖放大器分別放大超快脈沖，之后進行多光束相干合成。該技術(shù)有望顯著提高超快光纖激光的性能參數(shù)(如高重復速率下的焦耳級脈沖能量)，進一步拓展其更廣泛的應(yīng)用（比如應(yīng)用于強場物理、激光粒子加速等)。
德國Jena課題組是該技術(shù)的開拓者。他們在2017年報道了利用集成化程度比較高的16個分離的光纖放大通道對光束進行放大再合束 [1]，實驗裝置如圖1所示。在主放大器之前，通過脈沖展寬器將脈沖展寬并用空間光調(diào)制器調(diào)節(jié)其相位，隨后又經(jīng)過3個PM980光纖、兩個聲光耦合器、2級模場直徑分別為42 μm及56 μm的大軸距光纖進行了預放大，得到了50 w左右的功率。在該工作中，主放大器增益光纖為大模場面積棒狀光纖?？臻g合成系統(tǒng)在分束時是用偏振分光器和半波片把光束先分為上下兩束再進一步把上下的光束各分成并列的八束。為了提高合成效率和光束品質(zhì)，該系統(tǒng)利用半波片及四分之一波片對非線性偏振旋轉(zhuǎn)進行補償；每個通道均有壓電驅(qū)動的反射鏡，用于穩(wěn)定每路的相位。最終通過集成的布儒斯特型薄膜偏振器完成合束后，再利用Treacy型光柵壓縮器對脈沖進行壓縮。
圖1 基于16個單一光纖放大器的多路相干合成摻鐿超快光纖激光系統(tǒng)
在合束結(jié)果方面，空間合成系統(tǒng)最終的總功率為1830 w，合束效率為82％，光譜寬度10.2 nm（圖2左），脈沖寬度為234 fs（圖2右），其變換極限脈寬為200 fs。未進行最終合束的上下兩層光束功率均為1 kw左右，上下兩層的合束效率分別為95％和91％，光束的質(zhì)量因子均為1.3。
圖2 合束后光譜（左）和自相關(guān)曲線（右）
光束為偏橢圓形的高斯光束（圖3左），光束的質(zhì)量因子大約為3，質(zhì)量較差，主要來源于用于合束的偏振器的熱效應(yīng)（圖3右）。將來可以通過將該偏振器換成具有低吸收鍍膜的薄膜偏振器，避免熱透鏡效應(yīng)；另一個可改進之處是將最后的透鏡式telescope換成mirror telescope。通過這兩項改進，可以提高光束質(zhì)量，有望獲得2 kw功率、合束效率90％且光束質(zhì)量因子小于1.3的高能量飛秒脈沖。
圖3 空間合成后的光束（左）和展示了熱透鏡效應(yīng)的TFP熱成像圖（右）
為了進一步小型化該系統(tǒng)，Jena課題組對上述方案進行了重大改進，改進后的系統(tǒng)如圖4所示 [2]。
圖4 基于集成器件的16通道相干合成摻鐿超快光纖激光系統(tǒng)
該系統(tǒng)放大的主體部分是多纖芯的摻鐿光纖(如圖5所示），集成化程度更高，顯著降低了系統(tǒng)的復雜程度。
圖5 16纖芯光纖端面示意圖
(a)光纖端面 (b)放大的自發(fā)輻射 (c)放大信號輸出
該系統(tǒng)使用兩組分段鏡面分束器將一束入射光在空間上分成16個光束。這種分束器由一塊高反鏡以及一個包含并排的四種不同反射率區(qū)域的鏡面組成，反射率分別為0、50％、66％、75％，把初始光束分為4×4的矩陣，再用偏振分光器或4焦距系統(tǒng)來調(diào)節(jié)光束矩陣的間距，送到多纖芯光纖的端面。
多纖芯光纖合成系統(tǒng)則將光束通過了一個4×4的壓電調(diào)控鏡面矩陣來維持相位穩(wěn)定（圖6），借由鏡面反射過程中發(fā)生的光束水平豎直方向翻轉(zhuǎn)減小了在最后telescope處的球差。鏡面矩陣之前放置了透鏡矩陣，把鏡面安裝時微小的傾斜轉(zhuǎn)化為橫向的光束偏移，從而減小光束矩陣的畸變。之后，利用四分之一波片調(diào)節(jié)光束的偏振。為避免各個通道之間存在熱耦合，該課題組優(yōu)化了纖芯直徑以及各纖芯之間的間距。整個系統(tǒng)為filled-aperture結(jié)構(gòu)，有利于提高合束效率。
圖6 用于相位調(diào)節(jié)反饋的信號光束（未良好干涉光束，多為高階模光束）
經(jīng)過多纖芯光纖放大后的光束又一次經(jīng)過兩級分段鏡面，從而把16束光合束，其光束質(zhì)量因子小于1.2（圖7左），可以獲得近衍射極限大小的光斑（圖7右）。
圖7 多纖芯光纖系統(tǒng)光束M2測量（左）和合成后光束（右）
目前基于多纖芯光纖的合成系統(tǒng)還處于發(fā)展初期，Jena課題組只是進行了原理驗證。在該實驗中，系統(tǒng)平均功率僅有70 w功率，脈寬為40 ps，合束效率為80％。多纖芯光纖合成系統(tǒng)的進一步研究，依賴于提高多纖芯光纖的制造工藝，使得纖芯矩陣排列更均勻，同時減小高階模傳輸帶來的損耗，并避免不同纖芯間的模式耦合。增加多纖芯光纖的纖芯數(shù)量也有利于進一步提高功率，但也要仔細研究如何對該種光纖進行熱量管理。
參考文獻：
[1] M. Mueller, A. Klenke, H. Stark, J. Buldt, T. Gottschall, J. Limpert, and A. Tünnermann, "16 Channel Coherently-Combined Ultrafast Fiber Laser," in Laser Congress 2017 (ASSL, LAC), OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2017), paper AW4A.3.
[2] A. Klenke, M. Müller, H. Stark, F. Stutzki, C. Hupel, T. Schreiber, A. Tünnermann, and J. Limpert, "Coherently combined 16-channel multicore fiber laser system," Opt. Lett. 43, 1519-1522 (2018)
來源：光波常 ，作者賈雪琦
來源 ： 光波常 作者： 賈雪琦 發(fā)布時間 : 2020-03-18
