Laserdioden ermöglichen Bewegungserkennung und lichtbasierte Distanzmessungen (LiDAR)

In diesem Artikel wird ROHM die Rolle von Laserdioden bei der Bewegungserfassung und LiDAR sowie deren Eigenschaften und Grenzen diskutieren.

Weißes Licht umfasst jede Farbe des sichtbaren Spektrums, wobei mehrere Farben unterschiedliche Frequenzen und Wellenlängen haben. Daher ist es sehr schwierig, diese Art von Licht auf einen einzigen Punkt zu richten. LEDs, die üblicherweise zur visuellen Anzeige in elektronischen Geräten und Geräten verwendet werden, erzeugen Licht mit elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Frequenzen.

Laserdioden (LDs) hingegen erzeugen „kohärentes Licht“, das aus einem fokussierten Lichtstrahl einer bestimmten Frequenz und Wellenlänge besteht. Ihre einzigartigen Eigenschaften machen sie in der sich schnell verändernden Welt von heute sehr nützlich.

Es gibt zwei scheinbar gegensätzliche Bedürfnisse für LDs, zwischen denen viele Designer scheinbar wählen müssen:Die meisten Leute brauchen beide verbesserte Erfassungsgenauigkeit und längerer Erfassungsabstand von ihren LDs. Die Verbesserung der Genauigkeit wurde traditionell durch die Verringerung der Größe des Laserstrahlflecks erreicht; Ein erhöhter Erfassungsabstand wurde traditionell durch Erhöhen der optischen Leistung des Lasers erreicht. Es ist jedoch nicht einfach, diese beiden konkurrierenden Bedürfnisse gleichzeitig zu verwirklichen.

Welche Rolle spielen Laserdioden in LiDAR?

LDs sind Halbleiterbauelemente, die in ihrer Funktion LEDs ähnlich sind, aber kohärentes Laserlicht erzeugen können. LEDs erzeugen Licht durch Elektrolumineszenz – der Prozess, bei dem ein elektrischer Strom durch das Gerät geleitet wird, um Photonen zu erzeugen, indem überschüssige Elektronen- und Lochpaare erzeugt werden. LDs hingegen verstärken sichtbares Licht durch stimulierte Strahlungsemission.

Laserlicht hat die folgenden unterschiedlichen Eigenschaften:

• Kohärenz: Laserlicht kann als kohärent bezeichnet werden, da die Wellenlänge der emittierten Lichtwellen in Phase ist.
• Hohe Leistung und Intensität: Der Laser ist unglaublich hell, da er durch kontinuierliche Emissionen mit mehr Leistung pro Flächeneinheit emittiert wird.
• Monochromatizität: Laser besteht aus Lichtwellen einer einzigen Wellenlänge.
• Direktionalität: Das von Laserdioden emittierte Licht ist stark gerichtet, da es eine minimale Divergenz aufweist.

Laserdioden werden durch Dotieren von Halbleitermaterialien wie Aluminium-Gallium-Arsenid entwickelt, um n-Typ- und p-Typ-Schichten zu erzeugen. Dotierung ist der Prozess, bei dem reinen Halbleitern kleine Mengen an Verunreinigungen hinzugefügt werden, um die Leitfähigkeit zu verbessern.

LDs geben Licht ab, wenn an das Gerät angelegter elektrischer Strom bewirkt, dass die Löcher und Elektronen in einem Halbleitermaterial am p-n-Übergang wechselwirken, was auch als stimulierte Emission bekannt ist. Sie können auch die Form und Entfernung eines Objekts genau messen, indem sie die Linearität des Laserstrahls nutzen. Diese Technologie wird als Light Detection and Ranging (LiDAR) bezeichnet.

Die Flugzeitmethode (ToF) ist die am häufigsten verwendete Entfernungsmessungsmethode in LiDAR. Bei der ToF-Methode, wie in der Abbildung unten dargestellt, wird die Entfernung berechnet, indem die Zeit gemessen wird, die das von der Lichtquelle emittierte Licht benötigt, um vom Objekt reflektiert und zum Detektor zurückzukehren (Flugzeit).

Abbildung 1. Konzeptionelles Diagramm der Flugzeitmethode (ToF). Bild von ROHM

Ein breites Anwendungsspektrum für Hochleistungs-Laserdioden

Aufgrund ihrer Linearität, Kohärenz, Impulsantwortcharakteristik und Monochromatizität sind LDs in einer Vielzahl von elektronischen Geräten zur Erfassung und Entfernungsmessung sehr nützlich. Die wichtigsten Anwendungen umfassen Industrie, Verbraucher und Automobil, von Roboterstaubsaugern und autonomen Fahrzeugen bis hin zu automatisierten Steuerungssystemen.

In vielen dieser Anwendungen sind Hochleistungs-Laserdioden eine natürliche Wahl, da sowohl die Genauigkeit als auch der Abstand zunehmen, um den ansonsten konkurrierenden Anforderungen des Designers gerecht zu werden.

Automatisierte Steuerung

Hochleistungs-Laserdioden bieten Bewegungserkennungs- und LiDAR-Funktionen für die berührungslose Steuerung von Geräten, einschließlich HLK-Systemen, die in Gewerbe-, Industrie- und Wohnanlagen verwendet werden.

Sicherheit und Überwachung

LDs können helfen, die Anwesenheit von Einbrechern in Fabriken, privaten Einrichtungen, Baustellen und mehr zu erkennen. Sie ermöglichen es Sicherheits- und Überwachungssystemen, auch bei schlechten Lichtverhältnissen Bilder und Videomaterial aufzunehmen.

Transport

In kommerziellen Transporteinrichtungen wie Bahnhöfen verwenden Laserdioden LiDAR, um die Anwesenheit von Personen an Bahnsteigtüren zu erkennen, was einen automatischen Betrieb ermöglicht. In ähnlicher Weise können LDs in fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) in modernen Autos verwendet werden, um Variationen in den Augenlidern und Gesichtsmerkmalen eines Fahrers zu erkennen.

VR/AR- und Spielsysteme

Laserdioden ermöglichen die Bewegungserkennung in Virtual-Reality-/Augmented-Reality-Systemen und Spielkonsolen.

Roboter-Staubsauger

LDs werden in Roboterstaubsaugern verwendet, um einen Laserstrahl zur Messung der gesamten Raumform vor der Operation zu liefern, um einen optimalen Reinigungspfad zu finden.

3D-Scanner

In 3D-Scannern für Industrie- und Einzelhandelsanwendungen verwenden Laserdioden LiDAR, um die Koordinatendaten aus den Formen verschiedener Objekte zu erhalten.

Entfernungsmaschinen

Laserdioden liefern einen schmalen Strahl für präzise Messungen in Laserentfernungsmessern. Diese Geräte messen die Entfernung, indem sie die Phasendifferenz zwischen emittiertem und reflektiertem Licht von einem Objekt berechnen, auch bekannt als TOF-Methode. Ohne die hochkohärenten Lichteigenschaften von Halbleiterlasern ist diese Anwendung nicht möglich.

Drohnen und UAVs

Laserdioden bieten LiDAR-Fähigkeiten mit großer Reichweite in militärischen/kommerziellen Drohnen und UAVs zum Messen der Entfernung zum Boden, 3D-Mapping und automatische Landung.

Abbildung 2. Anwendungen der LiDAR-Technologie mit der TOF-Methode. Bild von ROHM

Automatisierte Transportsysteme

Laserdioden ermöglichen hochzuverlässige sensorische Funktionen für die Navigation von Fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTS), die in einer Vielzahl von Industrien eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind tragbare Roboter, die für den Materialtransport in Fabriken, Montagewerken und Lagerhallen verwendet werden.

Lieferkette

Laserdioden tragen dazu bei, die Effizienz der Logistik zu steigern, indem sie mithilfe von LiDAR die Form und den Zustand von Objekten in Lagerhallen erkennen und so eine genauere Bestandsaufnahme ermöglichen.

Autonome Fahrzeuge

Laserdioden in selbstfahrenden Fahrzeugen nutzen LiDAR zur 3D-Darstellung der Umgebung und zur Hinderniserkennung. LDs mit einer Nennleistung von bis zu 125 W können die hohen Leistungsanforderungen von Automobilanwendungen mit stabiler Leistung über einen weiten Betriebstemperaturbereich erfüllen.

Einschränkungen von Laserdioden

Die meisten heute verfügbaren Laserdioden werden unter Verwendung von Halbleitermaterialien und Herstellungsverfahren hergestellt, die typische Lebensdauern von 25.000 bis 50.000 Stunden erreichen. Konstrukteure stellen jedoch fest, dass die Zuverlässigkeit stark von den Betriebstemperaturbedingungen abhängt. Die Langzeitleistung von Laserdioden verschlechtert sich bei Verwendung bei hohen Temperaturen tendenziell erheblich. Dennoch erfordern heutige industrielle Anwendungen Komponenten, die in Hochtemperatur- und Druckumgebungen zuverlässig funktionieren.

Hochleistungs-LD-Lösungen von ROHM Semiconductor

ROHM ist über seine Optoelektronik-Sparte ein branchenführender Hersteller von Hochleistungs-LD-Lösungen für Bewegungserkennung und Entfernungsmessung. Die Laserdioden der RLD-Serie von ROHM verwenden eine von vier Methoden zur Erfassung; Triangulation, Time of Flight (TOF), Flash TOF und strukturiertes Licht. Der Erfassungsbereich beträgt 3m bis 50m bei Wellenlängen von 630-640nm und 800-950nm.

ROHM-Laserdioden bieten eine Vielzahl von Vorteilen, darunter eine höhere Energieeffizienz, einen breiten Betriebstemperaturbereich (-40°C bis +85°C), ein geringes Gewicht und eine kompakte Bauweise. Das gesamte Angebot an LD-Lösungen ist auf seiner Website und über autorisierte Händler erhältlich.

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