Los diodos láser permiten la detección de movimiento y las mediciones de distancia basadas en la luz (LiDAR)

En este artículo, ROHM discutirá el papel de los diodos láser en la detección de movimiento y LiDAR, así como sus propiedades y limitaciones.

La luz blanca comprende todos los colores del espectro visible, con múltiples colores que tienen diferentes frecuencias y longitudes de onda. Como resultado, es muy difícil emitir este tipo de luz en un solo punto. Los LED que se utilizan comúnmente para la indicación visual en dispositivos y equipos electrónicos generan luz que contiene ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias.

Los diodos láser (LD), por otro lado, producen "luz coherente", que consiste en un haz de luz enfocado de una frecuencia y longitud de onda específicas. Sus propiedades únicas los hacen muy útiles en el mundo cambiante de hoy.

Hay dos necesidades aparentemente opuestas para los LD entre las que muchos diseñadores tienen que elegir:la mayoría de la gente necesita ambos precisión de detección mejorada y mayor distancia de detección de sus LD. La mejora de la precisión se ha logrado tradicionalmente reduciendo el tamaño del punto de un rayo láser; El aumento de la distancia de detección se ha logrado tradicionalmente aumentando la salida óptica del láser. Sin embargo, no es fácil darse cuenta de estas dos necesidades en competencia al mismo tiempo.

¿Cuál es la función de los diodos láser en LiDAR?

Los LD son dispositivos semiconductores de función similar a los LED, pero capaces de producir luz láser coherente. Los LED generan luz a través de la electroluminiscencia, el proceso de pasar una corriente eléctrica a través del dispositivo para crear fotones mediante la creación de pares de electrones y huecos en exceso. Los LD, por otro lado, amplifican la luz visible a través de la emisión estimulada de radiación.

La luz láser tiene las siguientes propiedades distintas:

• Coherencia: La luz láser puede denominarse coherente ya que la longitud de onda de las ondas de luz emitidas está en fase.
• Alta potencia e intensidad: El láser es increíblemente brillante ya que es emitido por emisiones continuas con más potencia por unidad de superficie.
• Monocromaticidad: El láser comprende ondas de luz de una sola longitud de onda.
• Direccionalidad: La luz emitida por los diodos láser es altamente direccional, ya que muestra una mínima divergencia.

Los diodos láser se diseñan dopando materiales semiconductores como el arseniuro de galio y aluminio para crear capas de tipo ny tipo p. El dopaje es el proceso de agregar pequeñas cantidades de impurezas a semiconductores puros para mejorar la conductividad.

Los LD emiten luz cuando la corriente eléctrica aplicada al dispositivo hace que los huecos y los electrones en un material semiconductor interactúen en la unión p-n, también conocida como emisión estimulada. También pueden medir con precisión la forma y la distancia de un objeto aprovechando la linealidad del rayo láser. Esta tecnología se conoce como detección y rango de luz (LiDAR).

El método de tiempo de vuelo (ToF) es el método de medición de distancia más utilizado en LiDAR. En el método ToF, como se muestra en la imagen a continuación, la distancia se calcula midiendo el tiempo que tarda el objeto en reflejar la luz emitida por la fuente de luz y devolverla al detector (tiempo de vuelo).

Figura 1. Diagrama conceptual del método del tiempo de vuelo (ToF). Imagen de ROHM

Una amplia gama de aplicaciones para diodos láser de alta potencia

Debido a su linealidad, coherencia, características de respuesta de pulso y monocromaticidad, los LD son muy útiles en una amplia gama de dispositivos electrónicos para detección y medición de distancia. Las aplicaciones clave abarcan la industria, el consumidor y la automoción, desde aspiradoras robóticas y vehículos autónomos hasta sistemas de control automatizados.

En muchas de estas aplicaciones, a medida que aumenta la necesidad de precisión y distancia, los diodos láser de alta potencia son una opción natural para satisfacer las necesidades del diseñador que de otro modo competirían.

Control automatizado

Los diodos láser de alta potencia brindan detección de movimiento y capacidades LiDAR para el control sin contacto de equipos, incluidos los sistemas HVAC utilizados en instalaciones comerciales, industriales y residenciales.

Seguridad y vigilancia

Los LD pueden ayudar a detectar la presencia de intrusos en fábricas, instalaciones privadas, sitios de construcción y más. Permiten que los sistemas de seguridad y vigilancia capturen imágenes y secuencias de video incluso en condiciones de poca iluminación.

Transporte

En las instalaciones de transporte comercial, como las estaciones de tren, los diodos láser utilizan LiDAR para detectar la presencia humana en las puertas de la plataforma del tren, lo que permite el funcionamiento automático. De manera similar, los LD se pueden usar en sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) en automóviles modernos para detectar variaciones en los párpados y rasgos faciales del conductor.

VR / AR y sistemas de juegos

Los diodos láser permiten la detección de movimiento en sistemas de realidad virtual / realidad aumentada y consolas de juegos.

Aspiradoras robóticas

Los LD se utilizan en aspiradoras robóticas para emitir un rayo láser para medir la forma de toda la habitación antes de la operación para encontrar una ruta de limpieza óptima.

Escáneres 3D

En los escáneres 3D para aplicaciones industriales y minoristas, los diodos láser utilizan LiDAR para obtener los datos de coordenadas de las formas de diferentes objetos.

Máquinas de rango

Los diodos láser entregan un haz estrecho para mediciones precisas en telémetros láser. Estos dispositivos miden la distancia calculando la diferencia de fase entre la luz emitida y reflejada por un objeto, también conocido como método TOF. Sin las características de luz de alta coherencia de los láseres semiconductores, esta aplicación no es factible.

Drones y UAV

Los diodos láser proporcionan capacidades LiDAR de largo alcance en drones militares / comerciales y UAV para medir la distancia al suelo, mapeo 3D y aterrizaje automático.

Figura 2. Aplicaciones de la tecnología LiDAR utilizando el método TOF. Imagen de ROHM

Vehículos guiados automatizados

Los diodos láser permiten funciones sensoriales altamente confiables para la navegación de vehículos guiados automatizados (AGV) utilizados en una amplia gama de industrias. Los ejemplos incluyen robots portátiles utilizados para transportar materiales en fábricas, plantas de ensamblaje y almacenes.

Cadena de suministro

Los diodos láser ayudan a mejorar la eficiencia de la logística al emplear LiDAR para detectar la forma y el estado de los objetos en los almacenes, lo que permite un inventario más preciso.

Vehículos autónomos

Los diodos láser en vehículos autónomos utilizan LiDAR para la representación 3D del entorno y la detección de obstáculos. Los LD de hasta 125 W pueden cumplir con los requisitos de alta potencia de las aplicaciones automotrices con un rendimiento estable en una amplia gama de temperaturas de funcionamiento.

Limitaciones de los diodos láser

La mayoría de los diodos láser disponibles en la actualidad se fabrican con materiales semiconductores y procesos de fabricación que alcanzan una vida útil típica de entre 25.000 y 50.000 horas. Sin embargo, los diseñadores señalan que la confiabilidad depende en gran medida de las condiciones de temperatura de funcionamiento. El rendimiento a largo plazo de los diodos láser tiende a degradarse significativamente cuando se utilizan a altas temperaturas. No obstante, las aplicaciones industriales actuales requieren componentes que puedan funcionar de manera confiable en entornos de alta temperatura y presión.

Soluciones LD de alta potencia de ROHM Semiconductor

ROHM es un fabricante líder en la industria de soluciones LD de alto rendimiento para detección de movimiento y rango a través de su división de optoelectrónica. Los diodos láser de la serie RLD de ROHM utilizan cualquiera de los cuatro métodos de detección; triangulación, tiempo de vuelo (TOF), flash TOF y luz estructurada. El rango de detección es de 3 ma 50 m con longitudes de onda de 630-640nm y 800-950nm.

Los diodos láser ROHM ofrecen una serie de beneficios, que incluyen una mayor eficiencia energética, una amplia gama de temperaturas de funcionamiento (-40 ° C a + 85 ° C), construcciones livianas y de tamaño reducido. Su gama completa de soluciones LD está disponible para la venta en su sitio web y a través de distribuidores autorizados.

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