Лазерные диоды позволяют определять движение и измерять расстояние на основе света (LiDAR)

В этой статье ROHM обсудит роль лазерных диодов в обнаружении движения и LiDAR, а также их свойства и ограничения.

Белый свет включает в себя все цвета видимого спектра, причем несколько цветов имеют разные частоты и длины волн. В результате очень сложно направить этот тип света на одну точку. Светодиоды, обычно используемые для визуальной индикации в электронных устройствах и оборудовании, излучают свет, содержащий электромагнитные волны различной частоты.

С другой стороны, лазерные диоды (ЛД) излучают «когерентный свет», который состоит из сфокусированного светового луча определенной частоты и длины волны. Их уникальные свойства делают их очень полезными в современном быстро меняющемся мире.

Есть две, казалось бы, противоречащие друг другу потребности для LD, и многим дизайнерам приходится выбирать между ними:большинству людей нужны и то, и другое повышенная точность обнаружения и увеличенное расстояние обнаружения от их LD. Повышение точности традиционно достигается за счет уменьшения размера пятна лазерного луча; Увеличение дальности обнаружения традиционно достигается за счет увеличения оптической мощности лазера. Однако реализовать эти две конкурирующие потребности одновременно непросто.

Какова роль лазерных диодов в LiDAR?

LD - это полупроводниковые устройства, аналогичные функциям светодиодов, но способные генерировать когерентный лазерный свет. Светодиоды генерируют свет посредством электролюминесценции - процесса прохождения электрического тока через устройство для создания фотонов путем создания избыточных пар электронов и дырок. С другой стороны, LD усиливают видимый свет за счет вынужденного излучения.

Лазерный свет имеет следующие отличительные особенности:

• Согласованность: Лазерный свет можно назвать когерентным, поскольку длина волны излучаемых световых волн синфазна.
• Высокая мощность и интенсивность: Лазер невероятно яркий, поскольку он испускается непрерывным излучением с большей мощностью на единицу площади поверхности.
• Монохромность: Лазер состоит из световых волн одной длины волны.
• Направленность: Свет, излучаемый лазерными диодами, сильно направлен, так как имеет минимальную расходимость.

Лазерные диоды конструируются путем легирования полупроводниковых материалов, таких как арсенид алюминия-галлия, для создания слоев n-типа и p-типа. Легирование - это процесс добавления небольших количеств примесей к чистым полупроводникам для улучшения проводимости.

ЛД излучают свет, когда электрический ток, приложенный к устройству, заставляет дырки и электроны в полупроводниковом материале взаимодействовать на p-n-переходе, также известном как вынужденное излучение. Они также могут точно измерить форму и расстояние до объекта, используя линейность лазерного луча. Эта технология известна как Light Detection and Ranging (LiDAR).

Метод времени пролета (ToF) является наиболее часто используемым методом измерения расстояний в LiDAR. В методе ToF, как показано на изображении ниже, расстояние рассчитывается путем измерения времени, которое требуется, чтобы свет, излучаемый источником света, отражался от объекта и возвращался в детектор (время полета).

Рисунок 1. Концептуальная схема метода времени пролета (ToF). Изображение из ROHM

Широкий спектр применения мощных лазерных диодов

Благодаря своей линейности, когерентности, характеристикам импульсного отклика и монохроматичности, ЛД очень полезны в широком диапазоне электронных устройств для измерения и измерения расстояния. Ключевые приложения охватывают промышленность, бытовую технику и автомобилестроение, от роботов-пылесосов и автономных транспортных средств до автоматизированных систем управления.

Во многих из этих приложений, поскольку требуется как точность, так и увеличение расстояния, мощные лазерные диоды являются естественным выбором для удовлетворения конкурирующих друг с другом потребностей разработчика.

Автоматизированное управление

Мощные лазерные диоды обеспечивают обнаружение движения и возможности LiDAR для бесконтактного управления оборудованием, включая системы HVAC, используемые в коммерческих, промышленных и жилых объектах.

Безопасность и наблюдение

LD могут помочь обнаружить присутствие злоумышленников на заводах, частных объектах, строительных площадках и т. Д. Они позволяют системам безопасности и наблюдения записывать изображения и видеозаписи даже в условиях плохого освещения.

Транспорт

На объектах коммерческого транспорта, таких как вокзалы, лазерные диоды используют LiDAR для обнаружения присутствия человека у дверей железнодорожной платформы, что обеспечивает автоматическую работу. Аналогичным образом, LD могут использоваться в усовершенствованных системах помощи водителю (ADAS) в современных автомобилях для обнаружения изменений в глазах и чертах лица водителя.

VR / AR и игровые системы

Лазерные диоды позволяют определять движение в системах виртуальной / дополненной реальности и игровых консолях.

Роботы-пылесосы

LD используются в роботах-пылесосах для подачи лазерного луча для измерения формы всей комнаты перед операцией, чтобы найти оптимальный путь уборки.

3D-сканеры

В 3D-сканерах для промышленных и розничных приложений лазерные диоды используют LiDAR для получения координатных данных по формам различных объектов.

Машины дальнего боя

Лазерные диоды излучают узкий луч для точных измерений в лазерных дальномерах. Эти устройства измеряют расстояние, вычисляя разность фаз между светом, излучаемым и отраженным от объекта, также известный как метод TOF. Без высококогерентных световых характеристик полупроводниковых лазеров это применение невозможно.

Дроны и БПЛА

Лазерные диоды обеспечивают возможности LiDAR дальнего действия в военных / коммерческих дронах и БПЛА для измерения расстояния до земли, трехмерного картографирования и автоматической посадки.

Рисунок 2 Применение технологии LiDAR с использованием метода TOF. Изображение из ROHM

Автоматизированные транспортные средства

Лазерные диоды обеспечивают высоконадежные сенсорные функции для навигации автоматических управляемых транспортных средств (AGV), используемых в различных отраслях промышленности. Примеры включают портативных роботов, используемых для транспортировки материалов на фабриках, сборочных заводах и складах.

Цепочка поставок

Лазерные диоды помогают повысить эффективность логистики за счет использования LiDAR для определения формы и состояния предметов на складах, что обеспечивает более точную инвентаризацию.

Беспилотные автомобили

Лазерные диоды в беспилотных транспортных средствах используют LiDAR для трехмерного представления окружающей среды и обнаружения препятствий. LD мощностью до 125 Вт могут удовлетворить требования к высокой мощности автомобильных приложений со стабильной производительностью в широком диапазоне рабочих температур.

Ограничения лазерных диодов

Большинство доступных сегодня лазерных диодов производятся с использованием полупроводниковых материалов и производственных процессов, которые достигают типичного срока службы от 25 000 до 50 000 часов. Однако конструкторы отмечают, что надежность во многом зависит от температурных условий эксплуатации. Долговременные характеристики лазерных диодов имеют тенденцию к значительному ухудшению при использовании при высоких температурах. Тем не менее, для современных промышленных приложений требуются компоненты, которые могут надежно работать в условиях высоких температур и давлений.

Решения LD с высокой мощностью от ROHM Semiconductor

ROHM - ведущий производитель высокопроизводительных решений LD для обнаружения движения и определения дальности через свое подразделение оптоэлектроники. В лазерных диодах ROHM серии RLD используется любой из четырех методов измерения; триангуляция, время пролета (TOF), Flash TOF и структурированный свет. Дальность обнаружения составляет от 3 м до 50 м с длинами волн от 630-640 нм и 800-950 нм.

Лазерные диоды ROHM обладают множеством преимуществ, включая более высокую энергоэффективность, широкий диапазон рабочих температур (от -40 ° C до + 85 ° C), легкость и компактность конструкции. Полный спектр решений LD доступен для продажи на ее веб-сайте и у официальных дистрибьюторов.

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.