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激光雷達燒壞手機攝像頭,到底發(fā)生了什么?

2023/03/19
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閱讀需 14 分鐘
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不要用手機對著激光雷達錄像

用手機對著激光雷達拍照或錄像,可能會把你的手機攝像頭干廢。

本月初,有用戶在社交平臺小紅書上稱,“夜拍蔚來ET5和銀河,發(fā)現(xiàn)排出來的照片有兩個賊亮的看不到的星,發(fā)現(xiàn)是手機攝像頭被激光雷達打壞了?!?/p>

稍早前,也有網友稱自己在拍攝蔚來新車ES7時,小米12S Ultra的相機受到了損壞,拍攝出的畫面中出現(xiàn)了多條水平綠線。網友稱拍的時候車是停著的,但激光雷達仍在工作。

再向前追溯,2019年CES展會期間,一位索尼手機用戶在拍攝AEye公司的激光雷達時,手機攝像頭同樣出現(xiàn)綠線。

這三個事件中,相同點是都指向了1550nm光源的激光雷達。

那么,1550nm激光雷達是否會燒壞手機攝像頭?

Chat GPT 4.0給出了結論。

但具體為什么會出現(xiàn)這種情況?我們做了些研究。

被燒壞的手機攝像頭

現(xiàn)有的1550nm激光雷達不止一次燒壞過手機攝像頭。

除了上面提到的手機被激光雷達燒壞的案例,據激光雷達從業(yè)人士向HiEV表示,有激光雷達公司在內部測試1550nm產品時,也曾出現(xiàn)過類似情況。

但這是小概率事件。

背后的原因也很好理解,放眼全球范圍,1550nm車載激光雷達正式量產的時間并不長。目前以向蔚來汽車提供產品的圖達通為主,其他激光雷達公司采用的是905nm光源。

此外,1550nm激光雷達也不是遇上手機攝像頭一定會將后者干掉。

弄清楚整個事情之前,我們先來了解兩個東西。

手機攝像頭是什么?

手機攝像頭的專業(yè)術語叫CMOS傳感器,這是一種將光信號轉換成電信號的圖像傳感器。它是數(shù)字相機、手機攝像頭、監(jiān)控攝像頭等數(shù)碼成像設備中最常用的傳感器之一。

CMOS傳感器由成千上萬個微小的光電傳感單元組成,每個傳感單元都能夠將光信號轉換成電信號。

下面是一張CMOS圖像傳感器的簡單原理圖

如圖所示,CMOS傳感器的原理是將光信號轉換成電信號,其中每個像素單元由感光元件、轉換電路和讀出電路三部分組成。

  • 感光元件是一個光敏二極管或光電容,當光線照射到它上面時,就會產生電荷。
  • 轉換電路將感光元件產生的電荷轉換成電壓信號,并且在此過程中放大和整形電荷,使其更容易測量。
  • 讀出電路將電荷轉換成數(shù)字信號,讀出電路一般采用逐行逐列的方式,將每個像素單元的信號逐一讀出,并將其轉換成數(shù)字信號。

最終,由計算機對讀取的數(shù)字信號進行處理和編碼,生成一幅完整的數(shù)字圖像。

激光雷達是什么?

激光雷達可以通過發(fā)射激光脈沖,然后測量脈沖的回波時間和強度,從而確定目標物體的距離、位置、形狀等信息。

激光雷達通常由激光器、掃描器、探測器、處理器等部分組成。

下面是一個簡單的激光雷達的原理圖,可以用來說明激光雷達的基本原理和組成部分:

  • 激光器(Laser):發(fā)射激光脈沖的光源,一般采用固態(tài)激光器、半導體激光器等。
  • 掃描器(Scanner):控制激光束的掃描范圍和速度,一般采用旋轉鏡或微機電系統(tǒng)MEMS)掃描器。
  • 接收器(Receiver):接收目標物體反射回來的激光信號,一般采用光電二極管、光電倍增管等。
  • 計算機(Computer):對接收到的激光信號進行處理,包括測量距離、位置、速度等信息,生成三維點云圖或圖像。

激光器發(fā)出高能量的脈沖激光,掃描器將激光束控制在一定范圍內掃描,接收器接收回波信號并測量回波的時間和強度,計算機對數(shù)據進行處理并生成三維點云圖或圖像。

激光雷達的工作原理是利用激光束在空氣中傳播的速度非???,可以近似地看作光在真空中的傳播速度,因此可以用極高的精度來測量物體的距離和位置。

激光雷達所用的激光波長一般為幾百納米至幾微米不等,常見的波長有905納米、1550納米等,具體的波長根據不同的應用需求而定。

那么,當手機攝像頭拍攝激光雷達時,真的會被燒壞嗎?

一定條件下,會

一般情況下,車載激光雷達發(fā)射的光束在傳輸過程中會逐漸衰減,到達接收器時的光強已經很小。此外,現(xiàn)代激光雷達系統(tǒng)通常都采用濾光片等措施來減少對CMOS傳感器等光敏元件的干擾和損害。

所以,車載激光雷達通常不會燒壞CMOS傳感器。

那么,什么情況下激光雷達會對CMOS傳感器造成損壞?

激光雷達的光束強度和波長都會對其對物體的作用產生影響,因此光束的功率和波長都是需要考慮的因素。

此前有論文對激光對CMOS傳感器的輻照損傷機制和影響因素進行了深入研究。

文章針對不同波長(532、1064和1550 nm)和能量密度(10-1000 mJ/cm2)的激光對CMOS傳感器進行了輻照實驗,通過研究不同條件下CMOS傳感器的輻照后電性能和圖像質量,得出以下結論:

  • 激光波長對CMOS傳感器的輻照損傷產生顯著影響,其中532 nm的激光輻照引起的損傷最為顯著,而1550 nm的激光輻照引起的損傷相對較小。
  • 激光功率對CMOS傳感器的輻照損傷程度有非常顯著的影響,功率越高,對傳感器的損傷也越明顯。在所有測試中,1000 mJ/cm2的激光輻照產生了最嚴重的損傷。
  • 輻照時間也對損傷程度產生影響。較短時間的激光輻照會對傳感器產生暫時性損傷,而較長時間的輻照則會對傳感器產生更為嚴重和持久的損傷。
  • 激光輻照對CMOS傳感器中單元電荷轉移率和電荷收集效率等性能指標產生了影響,同時也對圖像噪聲、動態(tài)范圍等圖像質量指標產生了影響。


從上圖可以看到,隨著激光能量增加,CMOS依次出現(xiàn)光斑損傷、線損傷、十字交叉線面損傷。

通過CMOS失效機理分析、結合損傷CCD仿真模擬,可知:

  • CMOS出現(xiàn)光斑損傷主要是由于微透鏡和濾光片受損,伴隨著部分金屬鋁剝落融化,部分單元像素失效造成的;
  • 出現(xiàn)線損傷主要是由于局部電路短路或斷路導致信號傳輸中斷;
  • 隨著CMOS溫度繼續(xù)升高,晶體硅融化,二氧化硅由于受到熱應力作用發(fā)生變形和斷裂,金屬線路嚴重損壞,出現(xiàn)十字交叉線面損傷,CMOS大面積失效。

回到文章開頭出現(xiàn)的1550nm激光雷達燒壞手機攝像頭案例。

一種觀點認為,1550nm的激光束照射到Si像素上不會被吸收,會直接透射過去,也就是說,1550nm不會燒壞所有的CMOS,純Si工藝的不會燒壞。但是在CIS底層電路中有可能對1550nm較敏感的部分,造成短時間熱效應,燒壞該部分電路。

還有一種分析觀點認為,1550激光雷達脈沖功率較高,人眼是有晶狀體的,含有比較多的水,能夠吸收一部分能量,對光的能量做一些衰減。但有些手機的攝像頭沒有做1550nm的濾波,光直接打到了CMOS上,造成了損壞。

一位接近圖達通的人士告訴HiEV,問題原因目前還沒有明確定論,但基本上能判斷一些影響因素,可能和激光能量、透過率這兩個因素相關。

完善方向也基本上有了。

一方面,對于激光脈沖能量可以通過特殊模式的開發(fā)以進行控制。在還沒有非常完善的研究評判之前,可以開發(fā)一些特殊模式,做到近距離跟車、靜止時刻場景下特殊模式的開發(fā),在特殊模式下能夠對脈沖能量有一些控制。

另一方面,能量是和透過率、鏡頭光圈大小、鏡頭和濾光片的鍍膜是相關的。這三種因素會影響到激光脈沖打到CMOS能量的。其中,濾光片的鍍膜成本會相對低一些,是比較能夠實操的狀態(tài)了。

總體來說,當一輛頂著1550nm激光雷達的汽車從你身邊經過時,保險起見請不要對著拍照,否則真有可能會燒壞手機攝像頭。

同時,欣賞的時候跟激光雷達保持一個安全距離——10cm,離的太近了是突破人眼安全閾值的。

What is more:激光雷達會對人眼有傷害嗎?

激光雷達有可能會燒壞手機攝像頭,那它會燒壞眼睛嗎?

大功率的激光器肯定會。但車載激光雷達,目前并沒有對眼睛造成傷害的公開案例。

從功率上來看,之前有觀點說,對于同樣的功率和激光器類型,905 nm波長的激光的單光子探測器靈敏度相對比1550 nm波長的激光高,因此,可以在較低功率下實現(xiàn)較遠距離的探測和測量。

相比之下,1550 nm波長的激光器單光子探測器靈敏度較低,并且人眼安全閾值高(比905nm高40倍),所以1550nm波長激光雷達普遍會通過提升激光器功率來實現(xiàn)比905nm更遠的探測距離。

在具體應用中,激光器的功率和波長需要根據具體的應用場景和系統(tǒng)參數(shù)進行選擇和調整,以達到最佳的性能和效果。

所以說,離開具體的應用場景和系統(tǒng)參數(shù)來談這兩種波長功率的高低,就是在耍流氓。

從對眼睛的傷害程度來看,之前有觀點稱905nm過量會傷害視網膜,因為它能夠穿透眼睛前部,主要被視網膜黑色素吸收;而1550nm過量會傷害角膜和晶狀體,因為它會被眼球的晶狀體和角膜吸收,兩者在過量的情況下,對于眼球傷害部位不同。

這個觀點不一定正確。

2010年中國科學院理化技術研究所發(fā)表過一篇文章:

波長在可見光和近紅外光的激光,眼屈光介質的吸收率較低,透射率高,而屈光介質的聚焦能力(即聚光力)強。強度高的可見或近紅外光進入眼睛時可以透過人眼屈光介質,聚積光于視網膜上。

此時視網膜上的激光能量密度及功率密度提高到幾千甚至幾萬倍,大量的光能在瞬間聚中于視網膜上,致視網膜的感光細胞層溫度迅速升高,以至使感光細胞凝固變性壞死而失去感光的作用。

遠紅外激光對眼睛的損害主要以角膜為主,這是因為這類波長的激光幾乎全部被角膜吸收,所以角膜損傷最重,主要引起角膜炎和結膜炎,患者感到眼睛痛,異物樣刺激、怕光、流眼淚、眼球充血,視力下降等。

按照ASTM(美國試驗和材料檢測協(xié)會)的定義,可見光的波長范圍為380到780納米,近紅外光的波長范圍為780到2500納米,遠紅外光的波長范圍為2500納米到1毫米。

905nm和1550nm都屬于近紅外光,并沒有找到學術論文研究過他們對眼睛影響的區(qū)別。

出于不同的應用場景和需求,不同的激光雷達制造商在開會選擇不同波長的激光作為其核心技術。

他們會在宣傳和營銷中夸大自己產品的優(yōu)點,甚至詆毀競爭對手的產品。

這也是為什么網上有很多關于905 nm和1550nm激光的優(yōu)缺點討論,并且其中有不少是沒有結合應用場景和需求就下結論的。

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