レーザーダイオードにより、モーションセンシングと光ベースの距離測定（LiDAR）が可能になります

この記事では、ロームがモーションセンシングとLiDARにおけるレーザーダイオードの役割、およびそれらの特性と制限について説明します。

白色光は可視スペクトルのすべての色で構成され、複数の色が異なる周波数と波長を持っています。その結果、このタイプの光を単一のポイントに照射することは非常に困難です。電子機器や機器の視覚的表示に一般的に使用されるLEDは、さまざまな周波数の電磁波を含む光を生成します。

一方、レーザーダイオード（LD）は、特定の周波数と波長の集束光ビームで構成される「コヒーレント光」を生成します。それらの独自の特性により、今日の急速に変化する世界で非常に役立ちます。

LDには、一見奇妙な2つのニーズがあり、多くの設計者がどちらかを選択する必要があります。ほとんどの人は両方を必要とします。 検出精度が向上し、LDからの検出距離が長くなります。精度の向上は、従来、レーザービームのスポットのサイズを小さくすることで達成されてきました。検出距離の増加は、従来、レーザーの光出力を増加させることによって達成されてきました。しかし、これら2つの競合するニーズを同時に実現することは容易ではありません。

LiDARにおけるレーザーダイオードの役割は何ですか？

LDは、機能的にはLEDと似ていますが、コヒーレントレーザー光を生成できる半導体デバイスです。 LEDは、エレクトロルミネッセンスを介して光を生成します。これは、デバイスに電流を流して、過剰な電子と正孔のペアを生成することによって光子を生成するプロセスです。一方、LDは、誘導放出を介して可視光を増幅します。

レーザー光には、次のような明確な特性があります。

• 一貫性： 放出される光波の波長が同相であるため、レーザー光はコヒーレントと呼ぶことができます。
• 高出力と強度： レーザーは、単位表面積あたりの出力が大きい連続放射によって放射されるため、非常に明るいです。
• 単色性： レーザーは単一波長の光波で構成されています。
• 方向性： レーザーダイオードから放出される光は、発散が最小限であるため、指向性が高くなります。

レーザーダイオードは、ヒ化アルミニウムガリウムなどの半導体材料をドープして、n型およびp型の層を作成することによって設計されています。ドーピングは、導電性を向上させるために純粋な半導体に少量の不純物を加えるプロセスです。

LDは、デバイスに電流を流すと、半導体材料の正孔と電子がp-n接合で相互作用するときに光を放出します。これは、誘導放出とも呼ばれます。また、レーザービームの直線性を利用して、物体の形状と距離を正確に測定することもできます。このテクノロジーは、Light Detection and Ranging（LiDAR）として知られています。

飛行時間（ToF）法は、LiDARで最も使用されている距離測定方法です。下の画像に示されているToF法では、距離は、光源から放出された光が物体によって反射されて検出器に戻るまでにかかる時間（飛行時間）を測定することによって計算されます。

図1。 飛行時間（ToF）法の概念図。 ROHMからの画像

高出力レーザーダイオードの幅広いアプリケーション

LDは、直線性、コヒーレンス、パルス応答特性、および単色性により、センシングおよび距離測定用の幅広い電子デバイスで非常に役立ちます。主要なアプリケーションには、ロボット掃除機や自動運転車から自動制御システムに至るまで、産業、消費者、自動車が含まれます。

これらのアプリケーションの多くでは、精度と距離の両方の必要性が高まるにつれて、高出力レーザーダイオードは、設計者の競合するニーズに合わせて自然に選択されます。

自動制御

高出力レーザーダイオードは、商業施設、産業施設、住宅施設で使用されるHVACシステムなど、機器の非接触制御のためのモーションセンシングおよびLiDAR機能を提供します。

セキュリティと監視

LDは、工場、民間施設、建設現場などでの侵入者の存在を検出するのに役立ちます。これらは、セキュリティおよび監視システムが、劣悪な照明条件でも画像やビデオ映像をキャプチャできるようにします。

輸送

駅などの商業輸送施設では、レーザーダイオードがLiDARを利用して、プラットホームのドアにいる人間の存在を検出し、自動操作を可能にします。同様に、LDは、ドライバーのまぶたや顔の特徴の変化を検出するために、現代の自動車の先進運転支援システム（ADAS）で使用できます。

VR / ARおよびゲームシステム

レーザーダイオードは、仮想現実/拡張現実システムおよびゲーム機でのモーションセンシングを可能にします。

ロボット掃除機

LDはロボット掃除機で使用され、手術前に部屋全体の形状を測定して最適な掃除経路を見つけるためのレーザービームを供給します。

3Dスキャナー

産業用および小売用の3Dスキャナーでは、レーザーダイオードはLiDARを利用して、さまざまなオブジェクトの形状から座標データを取得します。

レンジングマシン

レーザーダイオードは、レーザー距離計で正確な測定を行うための細いビームを提供します。これらのデバイスは、TOF法とも呼ばれる、物体から放出された光と反射された光の位相差を計算することによって距離を測定します。半導体レーザーの高コヒーレンス光特性がなければ、このアプリケーションは実現可能ではありません。

ドローンとUAV

レーザーダイオードは、軍用/商用ドローンおよびUAVで、地上までの距離の測定、3Dマッピング、および自動着陸のための長距離LiDAR機能を提供します。

図2。 TOF法を使用したLiDARテクノロジーのアプリケーション。 ROHMからの画像

無人搬送車

レーザーダイオードは、幅広い産業で利用されている無人搬送車（AGV）のナビゲーションのための信頼性の高い感覚機能を可能にします。例としては、工場、組立工場、倉庫で資材を輸送するために使用されるポータブルロボットがあります。

サプライチェーン

レーザーダイオードは、LiDARを使用して倉庫内のオブジェクトの形状と状態を検出し、より正確な在庫を可能にすることで、ロジスティクスの効率を高めるのに役立ちます。

自動運転車

自動運転車のレーザーダイオードは、周囲の3D表現と障害物の検出にLiDARを利用しています。最大定格125WのLDは、幅広い動作温度で安定した性能を発揮し、自動車アプリケーションの高電力要件を満たすことができます。

レー​​ザーダイオードの制限

現在入手可能なレーザーダイオードの大部分は、半導体材料と製造プロセスを使用して製造されており、25,000〜50,000時間の一般的な寿命を実現しています。ただし、設計者は、信頼性は動作温度条件に大きく依存することに注意してください。レーザーダイオードの長期性能は、高温で使用すると大幅に低下する傾向があります。それにもかかわらず、今日の産業用アプリケーションには、高温高圧環境で確実に機能するコンポーネントが必要です。

ロームセミコンダクターのハイパワーLDソリューション

ROHMは、オプトエレクトロニクス部門を介したモーションセンシングおよびレンジング用の高性能LDソリューションの業界をリードするメーカーです。ロームのRLDシリーズレーザーダイオードは、4つの方法のいずれかを使用して検出します。三角測量、飛行時間（TOF）、フラッシュTOF、および構造化照明。検出範囲は3mから50mで、波長は630-640nmと800-950nmです。

ロームのレーザーダイオードは、より高い電力効率、幅広い動作温度（-40°C〜 + 85°C）、軽量、およびフットプリントの小さい構造など、多くの利点を提供します。その全範囲のLDソリューションは、そのWebサイトおよび認定販売代理店を通じて販売されています。

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