Welke LiDAR-golflengte zal automotive toepassingen domineren?

In het snel evoluerende landschap van geavanceerde bestuurdersassistentesystemen (ADAS) en autonome voertuigen, is de keuze van LiDAR-golflengte een cruciale beslissing die prestaties, kosten en veiligheid vormt. Dit artikel onderzoekt de technische, markt- en economische factoren die de huidige voorkeur voor near-infrared (NIR) LiDAR over short-wave infrared (SWIR) drijven en biedt een evidence-gebaseerd perspectief op welke golflengte waarschijnlijk zal prevaleren.

Sensor Fusion: De ruggengraat van autonoom waarnemen

ADAS en autonoom rijden vertrouwen op een trio van complementaire sensoren: camera's, radar en LiDAR. Elke modaliteit bijdraagt unieke sterktes – visuele detail van camera's, snelheidsdata van radar, en nauwkeurige 3-D diepte van LiDAR. Door deze stromen te fuseren, kunnen voertuigen een robuust, redundants waarnemingsmodel bouwen dat essentieel is voor levenskritische besluitvorming.

Afbeelding 1: Fusie van camera, radar en LiDAR data levert uitgebreide situatiebewustzijn.

LiDAR Marktdynamiek

Automotive LiDAR staat voor explosieve groei, stijgend van $39 miljoen in 2020 naar een geprojecteerde $1,75 miljard in 2025, volgens Yole Développement. Meer dan 100 bedrijven concurreren nu in de ruimte, met cumulatieve investeringen van meer dan $1,5 miljard in 2020 – ver vooruit op de instroom van SPAC-gedreven IPO's die volgden. Dergelijke concentratie suggereert onvermijdelijke consolidatie, zoals geschiedenis toont met Ethernet en VHS.

Voertuig OEMs vragen sensoren die laagprijs, hoogbetrouwbaar zijn en capabel zijn om laag-reflectiviteit doelen te detecteren. Wanneer een leverancier aan deze criteria voldoet, zijn OEMs grotendeels indifferent ten aanzien van de onderliggende golflengte-technologie. De vraag wordt dus: welke golflengte zal domineren?

LiDAR Architecturen: Direct Time-of-Flight vs. Frequency-Modulated Continuous Wave

Direct time-of-flight (dToF) LiDAR blijft de industriestandaard. Het emiteert korte laserpulsen en berekent afstand door terugkeertijd te meten, een eenvoudige toepassing van het licht-snelheidsprincipe. Frequency-modulated continuous wave (FMCW) LiDAR, ook bekend als coherente LiDAR, mengt getransmitteere en gereflecteerde signalen om simultaan bereik en snelheid te extraheren. FMCW biedt overtuigende voordelen maar is minder gemeen door hogere complexiteit en kosten.

Afbeelding 2 illustreert een typisch dToF blokdiagram, met de laser, optische zender/ontvanger, detector en signaalverwerkingsketen.

Afbeelding 2: Kerncomponenten van een dToF LiDAR-systeem.

Fabrikanten en golflengtekeuzes

De meeste commerciële LiDARs opereren bij NIR-golflengtes (rond 905 nm) omdat silicium-gebaseerde fotodetectors en GaAs-lasers goedkoop en volwassen zijn. Een minderheid van bedrijven richt zich op SWIR (1,5 µm) golflengtes om hogere oog-veiligheidsmarges en potentiëel langer bereik te exploiteren. Tabel 1 lijst sleutelspelers, onderscheidend tussen NIR en SWIR portfolios.

Tabel 1: Geselecteerde LiDAR-fabrikanten en hun golflengte-focus.

Verschillende fysieke factoren beïnvloeden deze verdeling:

• Zonnestraling is ongeveer drie keer hoger op 905 nm dan op 1550 nm, wat omgevingsruis voor NIR-systemen verhoogt.
• Silicium-fotodiodes, die NIR-detectie domineren, kunnen op schaal gefabriceerd worden op CMOS-foundries, wat kosten verlaagt en yield verbetert.
• III/V materialen (InGaAs, InGaAsP) vereist voor SWIR-sensoren en lasers zijn duur, hebben lagere wafer-yields en missen volwassen supply chains.

Fotodetector Technologieën

Fotodetectors converteren incidente fotonen in elektriciteitssignalen. PIN-fotodiodes, vroege LiDAR-sensoren, bieden geen interne gain en worstelen met zwakke returns. Avalanche-fotodiodes (APDs) bieden matige gain maar vereisen hoge bias en lijden onder non-uniformiteit. De huidige industrieleider is de single-photon avalanche diode (SPAD), leverend hoge gain en photon-counting enabelend. Silicium-gebaseerde SPAD-arrays (SiPMs) zijn steeds gemeener in NIR LiDAR, terwijl SWIR SPADs nasent blijven door integratie-uitdagingen.

Afbeelding 4: Evolutie van fotodetectors gebruikt in LiDAR.

Laser Bronnen

Twee laserarchiechten domineren de markt:

• Edge-emitting lasers (EELs) – kosteneffectief, hoge output, maar uitdagend te arrayen en vertonen temperatuur-gedreven golflengte-drift.
• Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) – top-emitterend, makkelijker in arrays te packen, en wordend efficiënter, hoewel momenteel duurder.

Zowel EELs als VCSELs zijn beschikbaar bij NIR (GaAs) en SWIR (InGaAsP) golflengtes, maar GaAs-wafers zijn groter en goedkoper, wat NIR een rand geeft in productie-economie.

Afbeelding 5: Edge-emitting vs. VCSEL laser structuren.

Oog-veiligheid Overwegingen

IEC-60825 specificeert toelaatbare blootstellingslimieten. NIR-licht penetrateert de hoornvlies om het netvlies te bereiken, wat striktere limieten eist dan SWIR, wat grotendeels in de hoornvlies geabsorbeerd wordt. Gevolglik kan een 1550 nm LiDAR veilig hogere piekvermogens emiteren, wat foton-return verbetert. Niettemin, compliant ontwerp moet rekening houden met pulsenergie en bundeldivergentie ongeacht golflengte.

Afbeelding 6: IEC-60825 oog-veilige blootstellingslimieten.

Prestatievergelijking

Systeem-niveau modellering van identieke dToF-architecturen – met 16-kanaal detectors en 80° horizontale sweep – toont:

• Een 1550 nm LiDAR bereikt ~500 m bereik voor laag-reflectiviteit doelen met 99% kans.
• Een 905 nm LiDAR behoudt >200 m bereik onder dezelfde voorwaarden.
• SWIR's prestaties degraderen sneller in regen/mist door hogere waterabsorptie.

Afbeelding 10 presenteert de simulatiegegevens, bevestigend dat NIR LiDAR aan automotive lange-afstand vereisten voldoet terwijl SWIR marginale winsten biedt die de kosten misschien niet rechtvaardigen.

Afbeelding 10: Bereikskans vs. golflengte.

Kostenanalyse

Volgens IHS Markit (Amsrud, 2019), kunnen SWIR-componenten 10–100x meer kosten dan hun NIR-tegenhangers. Geschatte per-kanaal kosten voor 2025 zijn $2–10 voor NIR en $155 voor SWIR. Gezien LiDAR-arrays tientallen kanalen bevatten, wordt het kostenverschil beslissend, vooral voor kostenbewuste OEMs en industriële gebruikers.

Tabel 3: Componentkostenvergelijking voor NIR vs. SWIR LiDAR.

Conclusie

Hoewel SWIR LiDAR theoretische voordelen biedt in bereik en oogveiligheid, maakt het huidige ecosysteem – gedomineerd door volwassen silicium-fotonica, lagere laserkosten en gevestigde supply chains – NIR de praktische keuze voor automotive toepassingen vandaag. NIR LiDAR voldoet al aan lange-afstand prestatiedoelstellingen en is veel meer kostenefficiënt, wat zijn continue dominantie garandeert tot SWIR-technologie rijpt en schaalt. Consolidatie is waarschijnlijk in het komende decennium, spiegelend historische verschuivingen in automotive sensormarkten.

Referenties

• Yole Développement (2020). LiDAR for Automotive and Industrial Applications – Market and Technology Report 2020.
• Amsrud, P. (2019). The race to a low-cost LIDAR system. Automotive LIDAR 2019, Detroit, MI. IHS Markit.
• Hadji, B. (2023). Director of Business Development, Automotive Sensing, ON Semiconductor.

Origineel artikel gepubliceerd op EE Times.

Gerelateerde inhoud

• ADAS experts overwegen sensorintegratie in toekomstige voertuigen
• Slimme steden: het pleidooi voor lidar in intelligente transportsystemen
• Wat drijft verandering in automotive elektronicasystemen
• Time-of-flight technologie belooft verbeterde nauwkeurigheid
• Waarom FIR sensing-technologie essentieel is voor volledig autonoom rijden

Voor meer embedded technologie inzichten, abonneer u op Embedded's wekelijkse nieuwsbrief.