Laserdiodes maken bewegingsdetectie en op licht gebaseerde afstandsmetingen (LiDAR) mogelijk

In dit artikel bespreekt ROHM de rol van laserdiodes in motion sensing en LiDAR, evenals hun eigenschappen en beperkingen.

Wit licht omvat elke kleur van het zichtbare spectrum, met meerdere kleuren met verschillende frequenties en golflengten. Daardoor is het een hele uitdaging om dit soort licht op één punt te stralen. LED's die gewoonlijk worden gebruikt voor visuele indicatie in elektronische apparaten en apparatuur, genereren licht dat elektromagnetische golven van verschillende frequenties bevat.

Laserdiodes (LD's) produceren daarentegen "coherent licht", dat bestaat uit een gefocusseerde lichtstraal met een specifieke frequentie en golflengte. Hun unieke eigenschappen maken ze zeer nuttig in de snel veranderende wereld van vandaag.

Er zijn twee schijnbaar tegenstrijdige behoeften voor LD's waar veel ontwerpers schijnbaar tussen moeten kiezen:de meeste mensen hebben beide nodig verbeterde detectienauwkeurigheid en langere detectieafstand vanaf hun LD's. De verbetering van de nauwkeurigheid werd traditioneel bereikt door de grootte van de plek van een laserstraal te verkleinen; een grotere detectieafstand werd traditioneel bereikt door de optische output van de laser te vergroten. Het is echter niet eenvoudig om deze twee concurrerende behoeften tegelijkertijd te realiseren.

Wat is de rol van laserdiodes in LiDAR?

LD's zijn halfgeleiderapparaten die qua functie vergelijkbaar zijn met LED's, maar die coherent laserlicht kunnen produceren. LED's genereren licht via elektroluminescentie - het proces waarbij een elektrische stroom door het apparaat wordt geleid om fotonen te creëren door overtollige elektronen- en gatenparen te creëren. LD's daarentegen versterken zichtbaar licht via gestimuleerde emissie van straling.

Laserlicht heeft de volgende onderscheidende eigenschappen:

• Samenhang: Laserlicht kan coherent worden genoemd omdat de golflengte van de uitgezonden lichtgolven in fase is.
• Hoog vermogen en intensiteit: Laser is ongelooflijk helder omdat het wordt uitgezonden door continue emissies met meer vermogen per oppervlakte-eenheid.
• Monochromaticiteit: Laser bestaat uit lichtgolven van een enkele golflengte.
• Directionaliteit: Licht dat wordt uitgestraald door laserdiodes is zeer gericht, omdat het minimale divergentie vertoont.

Laserdiodes zijn ontworpen door halfgeleidermaterialen zoals aluminium galliumarsenide te doteren om n-type en p-type lagen te creëren. Doping is het proces van het toevoegen van kleine hoeveelheden onzuiverheden aan zuivere halfgeleiders om de geleidbaarheid te verbeteren.

LD's geven licht af wanneer elektrische stroom die op het apparaat wordt toegepast, ervoor zorgt dat de gaten en elektronen in een halfgeleidermateriaal op de pn-overgang interageren, ook bekend als gestimuleerde emissie. Ze kunnen ook nauwkeurig de vorm en afstand van een object meten door gebruik te maken van de lineariteit van de laserstraal. Deze technologie staat bekend als Light Detection and Ranging (LiDAR).

De time of flight (ToF) methode is de meest gebruikte afstandsmeetmethode in LiDAR. In de ToF-methode zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, wordt de afstand berekend door de tijd te meten die nodig is voordat het licht dat door de lichtbron wordt uitgezonden door het object wordt gereflecteerd en naar de detector wordt teruggestuurd (vliegtijd).

Figuur 1. Conceptueel diagram van de time of flight (ToF)-methode. Afbeelding van ROHM

Een breed scala aan toepassingen voor krachtige laserdiodes

Vanwege hun lineariteit, coherentie, pulsresponskarakteristieken en monochromaticiteit zijn LD's zeer nuttig in een breed scala aan elektronische apparaten voor detectie en afstandsmeting. De belangrijkste toepassingen zijn industriële, consumenten- en automobielindustrie, variërend van robotstofzuigers en autonome voertuigen tot geautomatiseerde besturingssystemen.

In veel van deze toepassingen, aangezien de behoefte aan zowel nauwkeurigheid als afstand toeneemt, zijn laserdiodes met hoog vermogen een natuurlijke keuze om te voldoen aan de anders concurrerende behoeften van de ontwerper.

Geautomatiseerde besturing

Krachtige laserdiodes bieden bewegingsdetectie en LiDAR-mogelijkheden voor contactloze besturing van apparatuur, inclusief HVAC-systemen die worden gebruikt in commerciële, industriële en residentiële voorzieningen.

Beveiliging en bewaking

LD's kunnen helpen bij het detecteren van de aanwezigheid van indringers in fabrieken, privéfaciliteiten, bouwplaatsen en meer. Ze stellen beveiligings- en bewakingssystemen in staat om zelfs bij slechte lichtomstandigheden foto's en videobeelden vast te leggen.

Vervoer

In commerciële transportfaciliteiten, zoals treinstations, gebruiken laserdiodes LiDAR om menselijke aanwezigheid bij perrondeuren te detecteren, waardoor automatische werking mogelijk is. Evenzo kunnen LD's worden gebruikt in geavanceerde rijhulpsystemen (ADAS) in moderne auto's voor het detecteren van variaties in de oogleden en gelaatstrekken van een bestuurder.

VR/AR- en spelsystemen

Laserdiodes maken bewegingsdetectie mogelijk in virtual reality/augmented reality-systemen en gameconsoles.

Robotstofzuigers

LD's worden gebruikt in robotstofzuigers om een ​​laserstraal te leveren voor het meten van de vorm van de hele kamer vóór de operatie om een ​​optimaal reinigingspad te vinden.

3D-scanners

In 3D-scanners voor industriële en retailtoepassingen gebruiken laserdiodes LiDAR om de coördinaatgegevens te verkrijgen van de vormen van verschillende objecten.

Rangschikmachines

Laserdiodes leveren een smalle bundel voor nauwkeurige metingen in laserafstandsmeters. Deze apparaten meten de afstand door het faseverschil te berekenen tussen het uitgestraalde en gereflecteerde licht van een object, ook wel bekend als de TOF-methode. Zonder de zeer coherente lichtkarakteristieken van halfgeleiderlasers is deze toepassing niet haalbaar.

Drones en UAV's

Laserdiodes bieden LiDAR-mogelijkheden op lange afstand in militaire/commerciële drones en UAV's voor het meten van de afstand tot de grond, 3D-mapping en automatische landing.

Figuur 2. Toepassingen van LiDAR-technologie met behulp van de TOF-methode. Afbeelding van ROHM

Automatisch geleide voertuigen

Laserdiodes maken zeer betrouwbare sensorische functies mogelijk voor navigatie van automatisch geleide voertuigen (AGV's) die in een breed scala van industrieën worden gebruikt. Voorbeelden zijn draagbare robots die worden gebruikt voor het transporteren van materialen in fabrieken, assemblagefabrieken en magazijnen.

Toeleveringsketen

Laserdiodes helpen de efficiëntie van de logistiek te verbeteren door LiDAR te gebruiken om de vorm en toestand van objecten in magazijnen te detecteren, wat een nauwkeurigere inventaris mogelijk maakt.

Autonome voertuigen

Laserdiodes in zelfrijdende voertuigen maken gebruik van LiDAR voor 3D-weergave van de omgeving en obstakeldetectie. LD's met een vermogen tot 125 W kunnen voldoen aan de hoge vermogensvereisten van automobieltoepassingen met stabiele prestaties over een breed scala aan bedrijfstemperaturen.

Beperkingen van laserdiodes

De meeste laserdiodes die tegenwoordig beschikbaar zijn, worden vervaardigd met behulp van halfgeleidermaterialen en productieprocessen die een typische levensduur van 25.000 tot 50.000 uur bereiken. Ontwerpers merken echter op dat de betrouwbaarheid sterk afhankelijk is van de bedrijfstemperatuur. De langetermijnprestaties van laserdiodes hebben de neiging aanzienlijk te verminderen bij gebruik bij hoge temperaturen. Desalniettemin vereisen de industriële toepassingen van vandaag componenten die betrouwbaar kunnen presteren in omgevingen met hoge temperaturen en onder druk.

High Power LD-oplossingen van ROHM Semiconductor

ROHM is een toonaangevende fabrikant van hoogwaardige LD-oplossingen voor bewegingsdetectie en bereik via zijn opto-elektronica-divisie. ROHM's RLD-serie laserdiodes maken gebruik van een van de vier methoden voor detectie; triangulatie, Time of Flight (TOF), Flash TOF en gestructureerd licht. Het detectiebereik is 3 m tot 50 m met golflengten van 630-640 nm en 800-950 nm.

ROHM-laserdiodes bieden een groot aantal voordelen, waaronder een hogere energie-efficiëntie, een breed scala aan bedrijfstemperaturen (-40°C tot +85°C), lichtgewicht en kleine constructies. Het volledige assortiment LD-oplossingen is te koop op haar website en via geautoriseerde distributeurs.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.