Diodos a laser permitem detecção de movimento e medições de distância com base na luz (LiDAR)

Neste artigo, ROHM discutirá a função dos diodos laser na detecção de movimento e LiDAR, bem como suas propriedades e limitações.

A luz branca compreende todas as cores do espectro visível, com várias cores com diferentes frequências e comprimentos de onda. Como resultado, é muito desafiador irradiar esse tipo de luz em um único ponto. LEDs comumente utilizados para indicação visual em dispositivos e equipamentos eletrônicos geram luz contendo ondas eletromagnéticas de frequências variadas.

Os diodos laser (LDs), por outro lado, produzem "luz coerente", que consiste em um feixe de luz focalizado de frequência e comprimento de onda específicos. Suas propriedades exclusivas os tornam altamente úteis no mundo em rápida mudança de hoje.

Existem duas necessidades aparentemente conflitantes para LDs que muitos designers aparentemente precisam escolher:a maioria das pessoas precisa de ambos precisão de detecção aprimorada e maior distância de detecção de seus LDs. A melhoria da precisão tem sido tradicionalmente alcançada reduzindo o tamanho do ponto de um feixe de laser; o aumento da distância de detecção é tradicionalmente alcançado pelo aumento da saída óptica do laser. Não é fácil, entretanto, perceber essas duas necessidades concorrentes ao mesmo tempo.

Qual é a função dos diodos a laser no LiDAR?

LDs são dispositivos semicondutores semelhantes em função aos LEDs, mas capazes de produzir luz laser coerente. Os LEDs geram luz por meio da eletroluminescência - o processo de passar uma corrente elétrica pelo dispositivo para criar fótons, criando pares de elétrons e lacunas em excesso. Os LDs, por outro lado, amplificam a luz visível por meio da emissão estimulada de radiação.

A luz laser tem as seguintes propriedades distintas:

• Coerência: A luz laser pode ser considerada coerente, uma vez que o comprimento de onda das ondas de luz emitidas está em fase.
• Alta potência e intensidade: O laser é incrivelmente brilhante, pois é emitido por emissões contínuas com mais potência por unidade de área de superfície.
• Monocromaticidade: O laser compreende ondas de luz de um único comprimento de onda.
• Direcionalidade: A luz emitida por diodos de laser é altamente direcional, pois mostra divergência mínima.

Os diodos laser são projetados por dopagem de materiais semicondutores, como o arsenieto de alumínio e gálio, para criar camadas do tipo n e do tipo p. Dopagem é o processo de adicionar pequenas quantidades de impurezas a semicondutores puros para melhorar a condutividade.

LDs emitem luz quando a corrente elétrica aplicada ao dispositivo faz com que os buracos e os elétrons em um material semicondutor interajam na junção p-n, também conhecida como emissão estimulada. Eles também podem medir com precisão a forma e a distância de um objeto, aproveitando a linearidade do feixe de laser. Essa tecnologia é conhecida como Light Detection and Ranging (LiDAR).

O método de tempo de vôo (ToF) é o método de medição de distância mais usado no LiDAR. No método ToF conforme representado na imagem abaixo, a distância é calculada medindo o tempo que leva para a luz emitida pela fonte de luz ser refletida pelo objeto e retornada ao detector (tempo de voo).

Figura 1. Diagrama conceitual do método do tempo de vôo (ToF). Imagem do ROHM

Uma ampla gama de aplicações para diodos laser de alta potência

Devido à sua linearidade, coerência, características de resposta de pulso e monocromaticidade, LDs são altamente úteis em uma ampla gama de dispositivos eletrônicos para detecção e medição de distância. As principais aplicações abrangem industrial, consumidor e automotivo, variando de aspiradores de pó robóticos e veículos autônomos para sistemas de controle automatizados.

Em muitas dessas aplicações, à medida que a necessidade de precisão e distância aumenta, os diodos laser de alta potência são uma escolha natural para atender às necessidades conflitantes do projetista.

Controle automatizado

Os diodos de laser de alta potência fornecem recursos de detecção de movimento e LiDAR para controle de equipamentos sem contato, incluindo sistemas HVAC usados ​​em instalações comerciais, industriais e residenciais.

Segurança e vigilância

LDs podem ajudar a detectar a presença de intrusos em fábricas, instalações privadas, canteiros de obras e muito mais. Eles permitem que os sistemas de segurança e vigilância capturem imagens e vídeos, mesmo em condições de iluminação insuficiente.

Transporte

Em instalações de transporte comercial, como estações de trem, os diodos laser utilizam LiDAR para detectar a presença humana nas portas da plataforma do trem, permitindo a operação automática. Da mesma forma, LDs podem ser usados ​​em sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) em carros modernos para detectar variações nas pálpebras e características faciais de um motorista.

VR / AR e sistemas de jogos

Os diodos laser permitem a detecção de movimento em sistemas de realidade virtual / realidade aumentada e consoles de jogos.

Aspiradores de pó robóticos

LDs são usados ​​em aspiradores de pó robóticos para fornecer um feixe de laser para medir a forma de toda a sala antes da operação para encontrar um caminho de limpeza ideal.

Scanners 3D

Em scanners 3D para aplicações industriais e de varejo, diodos de laser utilizam LiDAR para obter os dados de coordenadas das formas de diferentes objetos.

Máquinas de alcance

Os diodos laser fornecem um feixe estreito para medições precisas em telêmetros a laser. Esses dispositivos medem a distância calculando a diferença de fase entre a luz emitida e refletida de um objeto, também conhecido como método TOF. Sem as características de luz de alta coerência dos lasers semicondutores, esta aplicação não é viável.

Drones e UAVs

Os diodos laser fornecem recursos de LiDAR de longo alcance em drones militares / comerciais e UAVs para medir a distância até o solo, mapeamento 3D e pouso automático.

Figura 2. Aplicações da tecnologia LiDAR usando o método TOF. Imagem do ROHM

Veículos guiados automatizados

Os diodos laser permitem funções sensoriais altamente confiáveis ​​para navegação de veículos guiados automatizados (AGVs) utilizados em uma ampla gama de indústrias. Os exemplos incluem robôs portáteis usados ​​para transportar materiais em fábricas, montadoras e depósitos.

Cadeia de suprimentos

Os diodos laser ajudam a aumentar a eficiência da logística, empregando o LiDAR para detectar a forma e a condição dos objetos nos depósitos, permitindo um inventário mais preciso.

Veículos Autônomos

Os diodos laser em veículos autônomos utilizam LiDAR para representação 3D dos arredores e detecção de obstáculos. LDs com classificação de até 125 W podem atender aos requisitos de alta potência de aplicações automotivas com desempenho estável em uma ampla faixa de temperaturas operacionais.

Limitações de diodos a laser

A maioria dos diodos laser disponíveis hoje é fabricada com materiais semicondutores e processos de fabricação que atingem uma vida útil típica de 25.000 a 50.000 horas. No entanto, os projetistas observam que a confiabilidade é altamente dependente das condições de temperatura operacional. O desempenho de longo prazo dos diodos de laser tende a degradar significativamente quando usados ​​em altas temperaturas. No entanto, as aplicações industriais de hoje requerem componentes que possam ter um desempenho confiável em ambientes de alta temperatura e pressão.

Soluções LD de alta potência da ROHM Semiconductor

A ROHM é um fabricante líder da indústria de soluções LD de alto desempenho para detecção de movimento e abrangência por meio de sua divisão de optoeletrônica. Os diodos laser da série RLD do ROHM utilizam qualquer um dos quatro métodos de detecção; triangulação, tempo de voo (TOF), Flash TOF e luz estruturada. O intervalo de detecção é de 3m a 50m com comprimentos de onda de 630-640nm e 800-950nm.

Os diodos laser ROHM oferecem uma série de benefícios, incluindo maior eficiência de energia, uma ampla faixa de temperaturas operacionais (-40 ° C a + 85 ° C), construções leves e com dimensões reduzidas. Sua linha completa de soluções LD está disponível para venda em seu site e através de distribuidores autorizados.

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