2020年激光雷達(dá)市場(chǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析
二維激光雷達(dá)在服務(wù)機(jī)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(jī)器人、商用清潔機(jī)器人、送餐機(jī)器人等移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域，尤其近兩年來(lái)新興的商用清潔機(jī)器人，激光雷達(dá)已經(jīng)成為標(biāo)配。
激光雷達(dá)種類
激光雷達(dá)是一種通過(guò)探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的散射光特性來(lái)獲取目標(biāo)相關(guān)信息的光學(xué)遙感技術(shù)。激光雷達(dá)分辨率遠(yuǎn)高于攝像頭、超聲波雷達(dá)等傳感器，被廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、機(jī)器人、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域。
按照激光雷達(dá)的掃描維度，激光雷達(dá)可分為一維激光雷達(dá)、二維激光雷達(dá)和三維激光雷達(dá)。
一維激光雷達(dá)主要用于距離測(cè)量，主要廠家如博世、徠卡等;二維激光雷達(dá)主要用于輪廓測(cè)量、定位和區(qū)域監(jiān)控，主要廠家有日本Hokuyo、德國(guó)SICK、德國(guó)IBEO等;三維激光雷達(dá)則可用于三維動(dòng)態(tài)建模，主要應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域。
二維激光雷達(dá)在服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊
二維激光雷達(dá)在服務(wù)機(jī)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(jī)器人、商用清潔機(jī)器人、送餐機(jī)器人等移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域，尤其近兩年來(lái)新興的商用清潔機(jī)器人，激光雷達(dá)已經(jīng)成為標(biāo)配。
但在家用掃地機(jī)器人市場(chǎng)，激光雷達(dá)滲透率則較低，其主要制約因素為成本。目前市場(chǎng)上絕大部分掃地機(jī)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(jī)器人會(huì)使用到激光雷達(dá)，所使用的二維激光雷達(dá)的價(jià)格在幾百到幾千不等。
相對(duì)于超聲波傳感器和視覺攝像頭，激光雷達(dá)的測(cè)距精度更高，不存在累計(jì)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(dá)才更適合做掃地機(jī)器人的“眼睛”。
早在2009年，激光雷達(dá)就開始被嘗試應(yīng)用于掃地機(jī)器人領(lǐng)域。
Neato成立于2005年，是一家位于美國(guó)加州硅谷的機(jī)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(dá)，利用激光發(fā)射器與接收器之間的三角測(cè)距方法測(cè)得與障礙物之間的距離，激光測(cè)距傳感器安裝在電機(jī)上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)測(cè)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(jià)格在機(jī)器人圈中引起不小的轟動(dòng)。
經(jīng)過(guò)多年的改進(jìn)，旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)方案已經(jīng)成為Neato掃地機(jī)器人的重要特征。不過(guò)這種激光探頭的最大缺點(diǎn)就是壽命短。雖然業(yè)界皆給予Neato高評(píng)價(jià)，但是由于激光探頭的缺點(diǎn)，而且產(chǎn)品價(jià)格昂貴，所以Neato掃地機(jī)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(dá)技術(shù)，可以精確構(gòu)建地圖，實(shí)現(xiàn)智能化清潔。
2019年，石頭科技推出一款全新掃地機(jī)器人P5，P5搭載了Lidarvision專利激光雷達(dá)，能夠360°全局巡航掃描，并對(duì)家中環(huán)境進(jìn)行高精度測(cè)距與建圖。
目前，在激光導(dǎo)航類掃地機(jī)器人市場(chǎng)，石頭科技占據(jù)大部分市場(chǎng)份額。
除了國(guó)外企業(yè)日本Hokuyo、德國(guó)SICK外，目前國(guó)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(dá)研發(fā)隊(duì)伍，其產(chǎn)品在成本上具有較大優(yōu)勢(shì)。
低成本、小型化推動(dòng)激光雷達(dá)在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用
固態(tài)化、小型化、低成本是激光雷達(dá)的主要未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。目前，市場(chǎng)上的2D激光雷達(dá)主要為單線程激光雷達(dá)，主要應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，但價(jià)格仍普遍在幾百元以上。激光雷達(dá)的固態(tài)化則能有效降低成本，同時(shí)縮小激光雷達(dá)體積。目前，固態(tài)激光雷達(dá)由于存在掃描角度有限、加工難度高、旁瓣問(wèn)題、信噪比差等問(wèn)題，短時(shí)間內(nèi)難以應(yīng)用推廣。未來(lái)隨著固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)步，激光雷達(dá)在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域市場(chǎng)應(yīng)用有望加速。
以上數(shù)據(jù)來(lái)源于前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國(guó)激光雷達(dá)行業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》
來(lái)源 ： 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院 發(fā)布時(shí)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(wèn)世以來(lái)，便展現(xiàn)了其對(duì)抗嚴(yán)苛氣候條件和安裝暴力的“硬漢形象”，壽命長(zhǎng)(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(jì)產(chǎn)線繞不開的考慮條件。
刺激雙玻組件需求增長(zhǎng)的有利因素主要如下：
(一)在光伏行業(yè)對(duì)降低度電成本的不懈追求中，雙面發(fā)電技術(shù)成為市場(chǎng)主流：雙面PERC電池成為PERC產(chǎn)線標(biāo)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(duì)雙玻組件的推廣應(yīng)用具有顯著的促進(jìn)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(guó)貿(mào)易代表辦公室(USTR)批準(zhǔn)的201條款對(duì)雙玻組件和電池的關(guān)稅豁免，明顯推動(dòng)了其它國(guó)家和地區(qū)對(duì)中國(guó)產(chǎn)雙玻組件的需求。
TestPV對(duì)2020年全球雙玻組件市場(chǎng)需求預(yù)計(jì)：3-4GW中國(guó)出口，5-6GW美國(guó)裝機(jī)，10GW國(guó)內(nèi)裝機(jī)，5GW美國(guó)以外的海外市場(chǎng)供應(yīng)，全部市場(chǎng)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(jī)械法和激光法，兩種技術(shù)對(duì)比如下：
● 投入費(fèi)用方面：機(jī)械鉆孔固定投資低，但后期維護(hù)成本大，主要是因?yàn)樾枰鼡Q易耗品玻璃鉆頭，另外機(jī)械法需要冷卻水噴淋和收集裝置；
● 加工孔類型和大小：目前加工需求有圓孔、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(jī)械鉆孔5%左右；光伏玻璃未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)為輕薄，市場(chǎng)已經(jīng)在推廣1.6mm-2.0mm的玻璃，采用機(jī)械鉆孔的良品率會(huì)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(wú)錐度孔，孔內(nèi)壁干凈、基本無(wú)粉塵殘留、損傷低等優(yōu)點(diǎn)，崩邊指標(biāo)明顯優(yōu)于機(jī)械鉆孔，可開發(fā)缺陷檢測(cè)功能；另外激光鉆孔法精度高。
通過(guò)以上機(jī)械法和激光法的多方面對(duì)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(shì)。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(duì)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(jìn)料；設(shè)備可實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、低成本的連續(xù)生產(chǎn)；激光鉆孔機(jī)擁有三頭切割工位，可實(shí)現(xiàn)孔位置精度達(dá)±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(shí)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(wú)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(jìn)入倒角程序，倒角機(jī)對(duì)激光切割后的玻璃圓孔進(jìn)行倒角加工。倒角機(jī)采用CCD系統(tǒng)進(jìn)行精度為±0.01mm的定位，利用定制集成系統(tǒng)補(bǔ)圓弧倒角，可實(shí)現(xiàn)玻璃上下表面同時(shí)作業(yè);全幅面內(nèi)任意孔均可倒角，倒角效率高達(dá)0.2s/孔，倒角尺寸C為 0.2-0.5mm;設(shè)備的運(yùn)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(cè)功能。隨著光伏玻璃的市場(chǎng)需求量及光伏裝機(jī)量的增大，光伏激光加工設(shè)備的需求也隨之增加，并對(duì)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(chǎng)發(fā)展與客戶需求，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、升級(jí)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(lái)源 ： 大族激光顯視與半導(dǎo)體 發(fā)布時(shí)間 : 2020-05-12
高穩(wěn)定性、低噪聲鎖模飛秒激光器用于時(shí)間分發(fā)
在過(guò)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(biāo)，已經(jīng)遇到難以克服的瓶頸。解決該問(wèn)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(jìn)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(fù)速率下的焦耳級(jí)脈沖能量)，進(jìn)一步拓展其更廣泛的應(yīng)用（比如應(yīng)用于強(qiáng)場(chǎng)物理、激光粒子加速等)。
德國(guó)Jena課題組是該技術(shù)的開拓者。他們?cè)?017年報(bào)道了利用集成化程度比較高的16個(gè)分離的光纖放大通道對(duì)光束進(jìn)行放大再合束 [1]，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在主放大器之前，通過(guò)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(guò)3個(gè)PM980光纖、兩個(gè)聲光耦合器、2級(jí)模場(chǎng)直徑分別為42 μm及56 μm的大軸距光纖進(jìn)行了預(yù)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(chǎng)面積棒狀光纖?？臻g合成系統(tǒng)在分束時(shí)是用偏振分光器和半波片把光束先分為上下兩束再進(jìn)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(duì)非線性偏振旋轉(zhuǎn)進(jìn)行補(bǔ)償；每個(gè)通道均有壓電驅(qū)動(dòng)的反射鏡，用于穩(wěn)定每路的相位。最終通過(guò)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(duì)脈沖進(jìn)行壓縮。
圖1 基于16個(gè)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(jìn)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(lái)源于用于合束的偏振器的熱效應(yīng)（圖3右）。將來(lái)可以通過(guò)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(gè)可改進(jìn)之處是將最后的透鏡式telescope換成mirror telescope。通過(guò)這兩項(xiàng)改進(jìn)，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(jìn)一步小型化該系統(tǒng)，Jena課題組對(duì)上述方案進(jìn)行了重大改進(jìn)，改進(jìn)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(fù)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(hào)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(gè)光束。這種分束器由一塊高反鏡以及一個(gè)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(lái)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(guò)了一個(gè)4×4的壓電調(diào)控鏡面矩陣來(lái)維持相位穩(wěn)定（圖6），借由鏡面反射過(guò)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(shí)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(gè)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(gè)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(hào)光束（未良好干涉光束，多為高階模光束）
經(jīng)過(guò)多纖芯光纖放大后的光束又一次經(jīng)過(guò)兩級(jí)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(cè)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(jìn)行了原理驗(yàn)證。在該實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)減小高階模傳輸帶來(lái)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(jìn)一步提高功率，但也要仔細(xì)研究如何對(duì)該種光纖進(jìn)行熱量管理。
參考文獻(xiàn)：
[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(lái)源：光波常 ，作者賈雪琦
來(lái)源 ： 光波常 作者： 賈雪琦 發(fā)布時(shí)間 : 2020-03-18
