激光二极管实现运动传感和基于光的距离测量 (LiDAR)

在本文中，ROHM 将讨论激光二极管在运动传感和 LiDAR 中的作用，以及它们的特性和局限性。

白光包括可见光谱的每一种颜色，多种颜色具有不同的频率和波长。因此，将这种类型的光照射到单个点上非常具有挑战性。通常用于电子设备和设备中的视觉指示的 LED 会产生包含不同频率电磁波的光。

另一方面，激光二极管 (LD) 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瞬息万变的世界中非常有用。

LD 有两种看似矛盾的需求，许多设计师似乎不得不在两者之间做出选择：大多数人两者都需要 提高了传感精度并延长了与 LD 的检测距离。传统上，精度的提高是通过减小激光束光斑的尺寸来实现的；传统上通过增加激光的光输出来增加检测距离。然而，同时实现这两种相互竞争的需求并不容易。

激光二极管在 LiDAR 中的作用是什么？

LD 是功能类似于 LED 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 - 使电流通过设备以通过产生多余的电子和空穴对来产生光子的过程。另一方面，LDs 通过受激辐射来放大可见光。

激光具有以下独特的特性：

• 连贯性： 激光可以称为相干光，因为发射的光波的波长是同相的。
• 高功率和强度： 激光非常明亮，因为它是连续发射的，单位表面积的功率更大。
• 单色性： 激光由单一波长的光波组成。
• 方向性： 从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。

激光二极管的设计是通过掺杂砷化铝镓等半导体材料来创建 n 型和 p 型层。掺杂是在纯半导体中加入少量杂质以提高导电性的过程。

当施加到器件上的电流导致半导体材料中的空穴和电子在 p-n 结相互作用时，LD 会发光，也称为受激发射。他们还可以利用激光束的线性度来准确测量物体的形状和距离。这项技术被称为光探测和测距 (LiDAR)。

飞行时间（ToF）方法是激光雷达中最常用的距离测量方法。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检测器所需的时间（飞行时间）来计算的。

图 1。 飞行时间（ToF）方法的概念图。图片来自罗姆

高功率激光二极管的广泛应用

由于其线性、相干性、脉冲响应特性和单色性，LD 在用于传感和距离测量的各种电子设备中非常有用。关键应用包括工业、消费和汽车，从机器人真空吸尘器和自动驾驶汽车到自动控制系统。

在许多这些应用中，随着对精度和距离的需求不断增加，高功率激光二极管是满足设计人员其他竞争需求的自然选择。

自动化控制

高功率激光二极管为设备的非接触式控制提供运动传感和 LiDAR 功能，包括用于商业、工业和住宅设施的 HVAC 系统。

安全和监控

LD 可以帮助检测工厂、私人设施、建筑工地等场所是否存在入侵者。它们使安全和监控系统即使在光线不足的情况下也能捕获图像和视频片段。

交通

在火车站等商业交通设施中，激光二极管利用激光雷达检测列车站台门口是否有人，从而实现自动运行。同样，LD 可用于现代汽车的高级驾驶辅助系统 (ADAS)，以检测驾驶员眼睑和面部特征的变化。

VR/AR 和游戏系统

激光二极管可在虚拟现实/增强现实系统和游戏机中实现运动传感。

机器人吸尘器

LD 用于机器人真空吸尘器，在操作前发出激光束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。

测距机

激光二极管提供窄光束，可在激光测距仪中进行精确测量。这些设备通过计算物体发射光和反射光之间的相位差来测量距离，也称为 TOF 方法。没有半导体激光器的高相干光特性，该应用是不可行的。

无人机和无人机

激光二极管为军用/商用无人机和 UAV 提供远程 LiDAR 功能，用于测量到地面的距离、3D 映射和自动着陆。

图 2。 使用 TOF 方法的 LiDAR 技术应用。图片来自罗姆

自动导引车

激光二极管为广泛行业中使用的自动导引车 (AGV) 的导航提供了高度可靠的感官功能。示例包括用于在工厂、装配厂和仓库中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检测仓库中物品的形状和状况，帮助提高物流效率，从而实现更准确的库存。

自动驾驶汽车

自动驾驶汽车中的激光二极管利用 LiDAR 进行周围环境的 3D 表示和障碍物检测。额定功率高达 125W 的 LD 可满足汽车应用的高功率要求，并在较宽的工作温度范围内具有稳定的性能。

激光二极管的局限性

当今可用的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，其典型使用寿命为 25,000 至 50,000 小时。然而，设计人员注意到可靠性高度依赖于工作温度条件。在高温下使用时，激光二极管的长期性能往往会显着降低。尽管如此，当今的工业应用需要能够在高温和高压环境中可靠运行的组件。

ROHM Semiconductor 的大功率 LD 解决方案

ROHM 是行业领先的运动传感和测距高性能 LD 解决方案制造商，通过其光电部门。 ROHM 的 RLD 系列激光二极管利用四种方法中的任何一种进行传感；三角测量、飞行时间 (TOF)、Flash TOF 和结构光。检测范围为 3m 至 50m，波长为 630-640nm 和 800-950nm。

ROHM 激光二极管具有许多优点，包括更高的功率效率、宽广的工作温度范围（-40°C 至 +85°C）、重量轻和结构紧凑。其全系列 LD 解决方案可在其网站和授权经销商处销售。

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