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2020年激光雷达市场现状与发展前景分析

二维激光雷达在服务机器人领域具有广阔应用空间。目前激光雷已经开始应用于物流机器人、商用清洁机器人、送餐机器人等移动机器人领域,尤其近两年来新兴的商用清洁机器人,激光雷达已经成为标配。

激光雷达种类

激光雷达是一种通过探测远距离目标的散射光特性来获取目标相关信息的光学遥感技术。激光雷达分辨率远高于摄像头、超声波雷达等传感器,被广泛应用于测绘、机器人、无人驾驶等领域。

按照激光雷达的扫描维度,激光雷达可分为一维激光雷达、二维激光雷达和三维激光雷达。

一维激光雷达主要用于距离测量,主要厂家如博世、徕卡等;二维激光雷达主要用于轮廓测量、定位和区域监控,主要厂家有日本Hokuyo、德国SICK、德国IBEO等;三维激光雷达则可用于三维动态建模,主要应用于移动机器人、无人驾驶等领域。

二维激光雷达在服务机器人市场应用前景广阔

二维激光雷达在服务机器人领域具有广阔应用空间。目前激光雷已经开始应用于物流机器人、商用清洁机器人、送餐机器人等移动机器人领域,尤其近两年来新兴的商用清洁机器人,激光雷达已经成为标配。

但在家用扫地机器人市场,激光雷达渗透率则较低,其主要制约因素为成本。目前市场上绝大部分扫地机器人使用的传感器为视觉摄像头及超声波传感器,其传感器成本仅需几元,仅有极少部分高端扫地机器人会使用到激光雷达,所使用的二维激光雷达的价格在几百到几千不等。

相对于超声波传感器和视觉摄像头,激光雷达的测距精度更高,不存在累计误差,构建的地图可以直接用于路径规划,且不受环境光影响。因此,激光雷达才更适合做扫地机器人的“眼睛”。

早在2009年,激光雷达就开始被尝试应用于扫地机器人领域。

Neato成立于2005年,是一家位于美国加州硅谷的机器人研发、制造公司。2009年,Neato发布了一款成本极低的激光雷达,利用激光发射器与接收器之间的三角测距方法测得与障碍物之间的距离,激光测距传感器安装在电机上,通过旋转测得一圈360°范围内的距离,并基于此绘制室内地图,以30美金的超低价格在机器人圈中引起不小的轰动。

经过多年的改进,旋转激光雷达方案已经成为Neato扫地机器人的重要特征。不过这种激光探头的最大缺点就是寿命短。虽然业界皆给予Neato高评价,但是由于激光探头的缺点,而且产品价格昂贵,所以Neato扫地机器人一直没能得以普及。

科沃斯2015年上市的地宝9系也采用了LDS激光雷达技术,可以精确构建地图,实现智能化清洁。

2019年,石头科技推出一款全新扫地机器人P5,P5搭载了Lidarvision专利激光雷达,能够360°全局巡航扫描,并对家中环境进行高精度测距与建图。

目前,在激光导航类扫地机器人市场,石头科技占据大部分市场份额。

除了国外企业日本Hokuyo、德国SICK外,目前国内厂商如镭神智能、思岚科技、探维、星秒等陆续加入了2D激光雷达研发队伍,其产品在成本上具有较大优势。

低成本、小型化推动激光雷达在服务机器人领域应用

固态化、小型化、低成本是激光雷达的主要未来发展趋势。目前,市场上的2D激光雷达主要为单线程激光雷达,主要应用于服务机器人领域,但价格仍普遍在几百元以上。激光雷达的固态化则能有效降低成本,同时缩小激光雷达体积。目前,固态激光雷达由于存在扫描角度有限、加工难度高、旁瓣问题、信噪比差等问题,短时间内难以应用推广。未来随着固态激光雷达技术进步,激光雷达在服务机器人领域市场应用有望加速。

以上数据来源于前瞻产业研究院中国激光雷达行业市场前瞻与投资战略规划分析报告


来源 : 前瞻产业研究院 发布时间 : 2020-05-26

激光在光伏行业中的应用:光伏背板玻璃激光钻孔技术

双玻组件自问世以来,便展现了其对抗严苛气候条件和安装暴力的“硬汉形象”,寿命长(30年寿命)、抗揍(不易产生电池隐裂纹)、PID衰减低,兼容双玻组件生产成为新设计产线绕不开的考虑条件。

刺激双玻组件需求增长的有利因素主要如下:

(一)在光伏行业对降低度电成本的不懈追求中,双面发电技术成为市场主流:双面PERC电池成为PERC产线标配,新型N型电池也主推双面技术路线,例如Top-con双面电池、HJT双面电池;双面技术对双玻组件的推广应用具有显著的促进作用,但少部分双面组件采用透明背板工艺;

(二)2019年6月,美国贸易代表办公室(USTR)批准的201条款对双玻组件和电池的关税豁免,明显推动了其它国家和地区对中国产双玻组件的需求。

TestPV对2020年全球双玻组件市场需求预计:3-4GW中国出口,5-6GW美国装机,10GW国内装机,5GW美国以外的海外市场供应,全部市场需求总额20-24GW

双玻组件的背板玻璃钻孔技术非常关键,目前主要有机械法和激光法,两种技术对比如下:

● 投入费用方面:机械钻孔固定投资低,但后期维护成本大,主要是因为需要更换易耗品玻璃钻头,另外机械法需要冷却水喷淋和收集装置;

● 加工孔类型和大小:目前加工需求有圆孔、方孔、腰形孔等异形孔,孔径3-30mm,激光钻孔均可自由组合切换;

● 加工良率:2.5mm厚度玻璃加工良率方面,激光法钻孔高于机械钻孔5%左右;光伏玻璃未来发展趋势为轻薄,市场已经在推广1.6mm-2.0mm的玻璃,采用机械钻孔的良品率会大幅下降,所以光伏玻璃厂商几乎都在寻求激光打孔解决方案;

● 加工品质和加工精度:激光加工具备无锥度孔,孔内壁干净、基本无粉尘残留、损伤低等优点,崩边指标明显优于机械钻孔,可开发缺陷检测功能;另外激光钻孔法精度高。

通过以上机械法和激光法的多方面对比,显然激光加工技术是双玻组件背板玻璃钻孔的主要发展趋势。大族光伏装备专注于光伏行业的激光精密加工技术开发及研究,针对光伏玻璃精密激光钻孔技术研发出整线系统。

该整线系统设备包含加速段、旋转定位、激光钻孔、玻璃圆孔倒角、旋转 、减速段等,可采用横竖两种方式进料;设备可实现高精度、高效率、低成本的连续生产;激光钻孔机拥有三头切割工位,可实现孔位置精度达±0.5mm,孔位误差稳定在±0.5mm,崩边小于或等于0.3mm,三孔激光钻孔加工时间(φ2.0mm)小于7s。

上图是以50X放大观察最大崩边。激光钻孔未形成锥度孔、孔内壁干净、基本无粉尘残留,其中激光出射面孔崩边在50μm左右,激光入射面孔崩边小于200μm。

激光钻孔法精度高、污染低,可以提高产品良率。激光钻孔完成后,进入倒角程序,倒角机对激光切割后的玻璃圆孔进行倒角加工。倒角机采用CCD系统进行精度为±0.01mm的定位,利用定制集成系统补圆弧倒角,可实现玻璃上下表面同时作业;全幅面内任意孔均可倒角,倒角效率高达0.2s/孔,倒角尺寸C为 0.2-0.5mm;设备的运行成本低,稳定性可靠。

目前为配合行业客户需求,大族光伏装备在整线系统还增设打孔后段的缺陷检测功能。随着光伏玻璃的市场需求量及光伏装机量的增大,光伏激光加工设备的需求也随之增加,并对加工技术和工艺提出更高 要求。大族光伏装备紧随光伏市场发展与客户需求,创新驱动、升级优化,不断为光伏行业提供高质量、创新性的激光加工解决方案。

来源 : 大族激光显视与半导体 发布时间 : 2020-05-12

高稳定性、低噪声锁模飞秒激光器用于时间分发

在过去几年中,由于受到热致模式不稳定性和非线性效应的影响,单一光纤放大器所能产生的平均功率、脉冲能量和峰值功率等性能指标,已经遇到难以克服的瓶颈。解决该问题的有效途径是利用多路光纤放大器分别放大超快脉冲,之后进行多光束相干合成。该技术有望显著提高超快光纤激光的性能参数(如高重复速率下的焦耳级脉冲能量),进一步拓展其更广泛的应用(比如应用于强场物理、激光粒子加速等)。

德国Jena课题组是该技术的开拓者。他们在2017年报道了利用集成化程度比较高的16个分离的光纤放大通道对光束进行放大再合束 [1],实验装置如图1所示。在主放大器之前,通过脉冲展宽器将脉冲展宽并用空间光调制器调节其相位,随后又经过3个PM980光纤、两个声光耦合器、2级模场直径分别为42 μm及56 μm的大轴距光纤进行了预放大,得到了50 w左右的功率。在该工作中,主放大器增益光纤为大模场面积棒状光纤。空间合成系统在分束时是用偏振分光器和半波片把光束先分为上下两束再进一步把上下的光束各分成并列的八束。为了提高合成效率和光束品质,该系统利用半波片及四分之一波片对非线性偏振旋转进行补偿;每个通道均有压电驱动的反射镜,用于稳定每路的相位。最终通过集成的布儒斯特型薄膜偏振器完成合束后,再利用Treacy型光栅压缩器对脉冲进行压缩。

图1 基于16个单一光纤放大器的多路相干合成掺镱超快光纤激光系统

在合束结果方面,空间合成系统最终的总功率为1830 w,合束效率为82%,光谱宽度10.2 nm(图2左),脉冲宽度为234 fs(图2右),其变换极限脉宽为200 fs。未进行最终合束的上下两层光束功率均为1 kw左右,上下两层的合束效率分别为95%和91%,光束的质量因子均为1.3。

图2 合束后光谱(左)和自相关曲线(右)

光束为偏椭圆形的高斯光束(图3左),光束的质量因子大约为3,质量较差,主要来源于用于合束的偏振器的热效应(图3右)。将来可以通过将该偏振器换成具有低吸收镀膜的薄膜偏振器,避免热透镜效应;另一个可改进之处是将最后的透镜式telescope换成mirror telescope。通过这两项改进,可以提高光束质量,有望获得2 kw功率、合束效率90%且光束质量因子小于1.3的高能量飞秒脉冲。

图3 空间合成后的光束(左)和展示了热透镜效应的TFP热成像图(右)

为了进一步小型化该系统,Jena课题组对上述方案进行了重大改进,改进后的系统如图4所示 [2]。

图4 基于集成器件的16通道相干合成掺镱超快光纤激光系统

该系统放大的主体部分是多纤芯的掺镱光纤(如图5所示),集成化程度更高,显著降低了系统的复杂程度。

图5 16纤芯光纤端面示意图

(a)光纤端面 (b)放大的自发辐射 (c)放大信号输出

该系统使用两组分段镜面分束器将一束入射光在空间上分成16个光束。这种分束器由一块高反镜以及一个包含并排的四种不同反射率区域的镜面组成,反射率分别为0、50%、66%、75%,把初始光束分为4×4的矩阵,再用偏振分光器或4焦距系统来调节光束矩阵的间距,送到多纤芯光纤的端面。

多纤芯光纤合成系统则将光束通过了一个4×4的压电调控镜面矩阵来维持相位稳定(图6),借由镜面反射过程中发生的光束水平竖直方向翻转减小了在最后telescope处的球差。镜面矩阵之前放置了透镜矩阵,把镜面安装时微小的倾斜转化为横向的光束偏移,从而减小光束矩阵的畸变。之后,利用四分之一波片调节光束的偏振。为避免各个通道之间存在热耦合,该课题组优化了纤芯直径以及各纤芯之间的间距。整个系统为filled-aperture结构,有利于提高合束效率。

图6 用于相位调节反馈的信号光束(未良好干涉光束,多为高阶模光束)

经过多纤芯光纤放大后的光束又一次经过两级分段镜面,从而把16束光合束,其光束质量因子小于1.2(图7左),可以获得近衍射极限大小的光斑(图7右)。

图7 多纤芯光纤系统光束M2测量(左)和合成后光束(右)

目前基于多纤芯光纤的合成系统还处于发展初期,Jena课题组只是进行了原理验证。在该实验中,系统平均功率仅有70 w功率,脉宽为40 ps,合束效率为80%。多纤芯光纤合成系统的进一步研究,依赖于提高多纤芯光纤的制造工艺,使得纤芯矩阵排列更均匀,同时减小高阶模传输带来的损耗,并避免不同纤芯间的模式耦合。增加多纤芯光纤的纤芯数量也有利于进一步提高功率,但也要仔细研究如何对该种光纤进行热量管理。

参考文献:

[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)

来源:光波常 ,作者贾雪琦

来源 : 光波常 作者: 贾雪琦 发布时间 : 2020-03-18

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