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激光二极管实现运动传感和基于光的距离测量(激光雷达)

一天前通过罗姆半导体

在这篇文章中,ROHM将讨论激光二极管在运动传感和激光雷达中的作用,以及它们的特性和局限性。

白光由可见光谱中的各种颜色组成,有多种颜色的光具有不同的频率和波长。因此,将这种类型的光发射到单个点上是非常具有挑战性的。led通常用于电子设备和设备的视觉指示产生含有不同频率电磁波的光。

另一方面,激光二极管产生“相干光”,它由特定频率和波长的聚焦光束组成。它们独特的特性使它们在当今快速变化的世界中非常有用。

许多设计师似乎不得不在两种看似矛盾的ld需求中做出选择:大多数人都需要ld这两个改善了感测的精度和较长距离LDS的检测距离。传统上通过减少激光束斑点的大小来实现精度的提高;通过增加激光的光输出,传统上实现了传统上增加了检测距离。然而,同时实现这两个竞争需求并不容易。

激光二极管在激光器中的作用是什么?

LDS是用于LED的功能的半导体器件,但能够产生相干激光。LED通过电致发光产生光 - 通过器件通过电流来通过产生多余的电子和孔对来产生光子的过程。另一方面,LDS通过刺激的辐射发射扩增可见光。

激光具有以下独特的特性:

  • 一致性:由于发出的光波的波长是同相的,所以激光可以称为相干光。
  • 大功率和强度:激光非常明亮,因为它是通过连续排放的连续排放,每单位面积更多。
  • 单色性:激光包括单波长的光波。
  • 方向:激光二极管发出的光是高度定向的,因为它显示出最小的发散。

激光二极管是通过掺杂像铝砷化镓这样的半导体材料来制造n型和p型层。掺杂是在纯半导体中加入少量的杂质以提高导电性的过程。

当施加到器件的电流时,LDS熄灭光导致半导体材料中的孔和电子在P-N结处的相互作用,也称为受刺激的发射。它们还可以通过利用激光束的线性来准确地测量物体的形状和距离。该技术称为光检测和测距(LIDAR)。

飞行时间法(ToF)是激光雷达中最常用的测距方法。在如下图所示的ToF方法中,距离是通过测量从光源发出的光被物体反射并返回到探测器所需的时间(飞行时间)来计算的。

图1所示。飞行时间(ToF)方法的概念图。图片来自罗门哈斯

广泛的高功率激光二极管应用

由于它们的线性,连贯,脉冲响应特性和单色性,LDS在广泛的电子设备中非常有用,用于感测和距离测量。主要应用包括工业,消费者和汽车,从机器人吸尘器和自动车辆到自动控制系统。

在这些应用中,随着精度和距离的增加,高功率激光二极管是一个自然的选择,以适应设计师的其他竞争需求。

自动控制

高功率激光二极管为设备的非接触控制提供运动传感和激光雷达功能,包括用于商业、工业和住宅设施的暖通空调系统。

安全与监测

LDS可以帮助检测工厂,私人设施,建筑工地等入侵者的存在。它们使安全和监控系统即使在较差的照明条件下也能够捕获图像和视频镜头。

运输

在商业交通设施,如火车站,激光二极管利用激光雷达检测人在火车月台门,使自动操作。类似地,led可以用于现代汽车的高级驾驶员辅助系统(ADAS),用于检测驾驶员眼睑和面部特征的变化。

VR/AR和游戏系统

激光二极管可以在虚拟现实/增强现实系统和游戏控制台中进行运动感测。

机器人吸尘器

LDS用于机器人吸尘器,以提供激光束,用于在操作之前测量整个房间的形状,以找到最佳清洁路径。

3D扫描仪

在工业和零售应用的3D扫描仪中,激光二极管利用LiDAR从不同物体的形状中获取坐标数据。

包括机器

在激光测距仪中,激光二极管提供窄光束进行精确测量。这些设备通过计算从一个物体发射和反射的光之间的相位差来测量距离,也被称为TOF方法。没有半导体激光器的高相干光特性,这种应用是不可行的。

无人驾驶飞机和无人机

激光二极管在军用/商业无人机和无人机中提供远程LIDAR功能,用于测量与地面,3D映射和自动着陆的距离。

图2。激光雷达技术应用TOF法的应用。图片来自罗门哈斯

自动引导车

激光二极管为自动导航车辆(agv)的导航提供了高可靠的传感功能,agv在很多行业中都得到了应用。例如,用于工厂、装配厂和仓库运输材料的便携式机器人。

供应链

激光二极管通过使用激光雷达来检测仓库中物体的形状和状态,从而帮助提高物流效率,从而实现更准确的库存。

自主车辆

自动驾驶汽车中的激光二极管利用LiDAR进行环境三维表示和障碍物检测。led额定功率高达125W,可以满足汽车应用的高功率要求,在广泛的工作温度范围内性能稳定。

激光二极管的局限性

目前,大多数激光二极管都是使用半导体材料和制造工艺制造的,其典型寿命在2.5万至5万小时之间。然而,设计人员注意到可靠性高度依赖于工作温度条件。在高温条件下使用,激光二极管的长期性能明显下降。然而,当今的工业应用需要能够在高温和高压环境下可靠运行的组件。

来自ROHM半导体的高功率LD解决方案

RoHM是一种用于运动传感和通过光电子划分的运动传感和测距的高性能LD解决方案的行业领先的制造商。RoHM的RLD系列激光二极管利用四种传感方法中的任何一种;三角测量,飞行时间(TOF),闪光TOF和结构光。检测范围为3m至50米,波长为630-640nm和800-950nm。

RoHM激光二极管提供了许多福利,包括更高的功率效率,各种工作温度(-40°C至+ 85°C),轻质和小型占地面积。它的全系列LD解决方案可在其上销售网站并通过授权经销商。

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1评论
  • G
    GrahamRounce 5月07,2021

    我认为这篇文章没有提到飞行时间距离测量的实际问题,以及如何克服这些问题是很遗憾的。
    1米外物体反射的光在6纳秒后返回。为了精确到1mm,返回时间必须测量到30pS以内,脉冲上升时间可能是这个的十分之一?
    作为一个对此知之甚少的人,我很有兴趣听一听(a)这是否正确,(b)现在这是否容易实现,以及(c)如何实现?
    谢谢,

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