Les diodes laser permettent la détection de mouvement et les mesures de distance basées sur la lumière (LiDAR)

Dans cet article, ROHM discutera du rôle des diodes laser dans la détection de mouvement et le LiDAR, ainsi que leurs propriétés et leurs limites.

La lumière blanche comprend toutes les couleurs du spectre visible, avec plusieurs couleurs ayant des fréquences et des longueurs d'onde différentes. En conséquence, il est très difficile de diffuser ce type de lumière sur un seul point. Les LED couramment utilisées pour l'indication visuelle dans les appareils et équipements électroniques génèrent une lumière contenant des ondes électromagnétiques de fréquences variables.

Les diodes laser (LD), en revanche, produisent une « lumière cohérente », qui consiste en un faisceau lumineux focalisé d'une fréquence et d'une longueur d'onde spécifiques. Leurs propriétés uniques les rendent très utiles dans le monde en évolution rapide d'aujourd'hui.

Il y a deux besoins apparemment contradictoires pour les LD entre lesquels de nombreux concepteurs doivent apparemment choisir :la plupart des gens ont besoin des les deux une précision de détection améliorée et une distance de détection plus longue de leurs LD. L'amélioration de la précision a été traditionnellement obtenue en réduisant la taille du spot d'un faisceau laser ; une distance de détection accrue a été traditionnellement obtenue en augmentant la sortie optique du laser. Il n'est cependant pas facile de réaliser ces deux besoins concurrents en même temps.

Quel est le rôle des diodes laser dans LiDAR ?

Les LD sont des dispositifs semi-conducteurs dont la fonction est similaire aux LED, mais capables de produire une lumière laser cohérente. Les LED génèrent de la lumière par électroluminescence - le processus consistant à faire passer un courant électrique à travers l'appareil pour créer des photons en créant un excès de paires d'électrons et de trous. Les LD, quant à eux, amplifient la lumière visible via une émission stimulée de rayonnement.

La lumière laser a les propriétés distinctes suivantes :

• Cohérence : La lumière laser peut être qualifiée de cohérente car la longueur d'onde des ondes lumineuses émises est en phase.
• Haute puissance et intensité : Le laser est incroyablement lumineux car il est émis par des émissions continues avec plus de puissance par unité de surface.
• Monochromaticité : Le laser comprend des ondes lumineuses d'une seule longueur d'onde.
• Directionnalité : La lumière émise par les diodes laser est hautement directionnelle, car elle montre une divergence minimale.

Les diodes laser sont conçues en dopant des matériaux semi-conducteurs comme l'arséniure de gallium et d'aluminium pour créer des couches de type n et de type p. Le dopage est le processus consistant à ajouter de petites quantités d'impuretés à des semi-conducteurs purs pour améliorer la conductivité.

Les LD émettent de la lumière lorsque le courant électrique appliqué à l'appareil provoque l'interaction des trous et des électrons d'un matériau semi-conducteur au niveau de la jonction p-n, également appelée émission stimulée. Ils peuvent également mesurer avec précision la forme et la distance d'un objet en tirant parti de la linéarité du faisceau laser. Cette technologie est connue sous le nom de Light Detection and Ranging (LiDAR).

La méthode du temps de vol (ToF) est la méthode de mesure de distance la plus utilisée dans LiDAR. Dans la méthode ToF illustrée dans l'image ci-dessous, la distance est calculée en mesurant le temps nécessaire à la lumière émise par la source lumineuse pour être réfléchie par l'objet et renvoyée vers le détecteur (temps de vol).

Figure 1. Schéma conceptuel de la méthode du temps de vol (ToF). Image de ROHM

Une large gamme d'applications pour les diodes laser haute puissance

En raison de leur linéarité, cohérence, caractéristiques de réponse impulsionnelle et monochromaticité, les LD sont très utiles dans une large gamme de dispositifs électroniques pour la détection et la mesure de distance. Les applications clés englobent l'industrie, la consommation et l'automobile, allant des aspirateurs robotiques et des véhicules autonomes aux systèmes de contrôle automatisés.

Dans bon nombre de ces applications, à mesure que le besoin de précision et de distance augmente, les diodes laser haute puissance sont un choix naturel pour répondre aux besoins autrement concurrents du concepteur.

Contrôle automatisé

Les diodes laser haute puissance offrent des capacités de détection de mouvement et de LiDAR pour le contrôle sans contact des équipements, y compris les systèmes CVC utilisés dans les installations commerciales, industrielles et résidentielles.

Sécurité et surveillance

Les LD peuvent aider à détecter la présence d'intrus dans les usines, les installations privées, les chantiers de construction, etc. Ils permettent aux systèmes de sécurité et de surveillance de capturer des images et des séquences vidéo même dans de mauvaises conditions d'éclairage.

Transports

Dans les installations de transport commercial, telles que les gares, les diodes laser utilisent le LiDAR pour détecter la présence humaine aux portes des quais, permettant un fonctionnement automatique. De même, les LD peuvent être utilisés dans les systèmes avancés d'assistance à la conduite (ADAS) des voitures modernes pour détecter les variations des paupières et des traits du visage du conducteur.

Systèmes de VR/AR et de jeu

Les diodes laser permettent la détection de mouvement dans les systèmes de réalité virtuelle/réalité augmentée et les consoles de jeux.

Aspirateurs robots

Les LD sont utilisés dans les aspirateurs robotiques pour fournir un faisceau laser permettant de mesurer toute la forme de la pièce avant l'opération afin de trouver un chemin de nettoyage optimal.

Scanner 3D

Dans les scanners 3D pour les applications industrielles et de vente au détail, les diodes laser utilisent LiDAR pour obtenir les données de coordonnées à partir des formes de différents objets.

Télémètres

Les diodes laser délivrent un faisceau étroit pour des mesures précises dans les télémètres laser. Ces appareils mesurent la distance en calculant la différence de phase entre la lumière émise et réfléchie par un objet, également connue sous le nom de méthode TOF. Sans les caractéristiques lumineuses à haute cohérence des lasers à semi-conducteurs, cette application n'est pas réalisable.

Drones et drones

Les diodes laser offrent des capacités LiDAR à longue portée dans les drones militaires/commerciaux et les drones pour mesurer la distance au sol, la cartographie 3D et l'atterrissage automatique.

Figure 2. Applications de la technologie LiDAR utilisant la méthode TOF. Image de ROHM

Véhicules guidés automatisés

Les diodes laser permettent des fonctions sensorielles très fiables pour la navigation des véhicules à guidage automatique (AGV) utilisés dans un large éventail d'industries. Les exemples incluent les robots portables utilisés pour transporter des matériaux dans les usines, les usines d'assemblage et les entrepôts.

Chaîne d'approvisionnement

Les diodes laser contribuent à améliorer l'efficacité de la logistique en utilisant le LiDAR pour détecter la forme et l'état des objets dans les entrepôts, ce qui permet un inventaire plus précis.

Véhicules autonomes

Les diodes laser dans les véhicules autonomes utilisent LiDAR pour la représentation 3D de l'environnement et la détection d'obstacles. Les LD allant jusqu'à 125 W peuvent répondre aux exigences de puissance élevée des applications automobiles avec des performances stables sur une large plage de températures de fonctionnement.

Limites des diodes laser

La majorité des diodes laser disponibles aujourd'hui sont fabriquées à l'aide de matériaux semi-conducteurs et de procédés de fabrication qui atteignent des durées de vie typiques allant de 25 000 à 50 000 heures. Cependant, les concepteurs notent que la fiabilité dépend fortement des conditions de température de fonctionnement. Les performances à long terme des diodes laser ont tendance à se dégrader de manière significative lorsqu'elles sont utilisées à des températures élevées. Néanmoins, les applications industrielles d'aujourd'hui nécessitent des composants capables de fonctionner de manière fiable dans des environnements à haute température et pression.

Solutions LD haute puissance de ROHM Semiconductor

ROHM est un fabricant leader de solutions LD hautes performances pour la détection et la télémétrie de mouvement via sa division optoélectronique. Les diodes laser de la série RLD de ROHM utilisent l'une des quatre méthodes de détection; triangulation, temps de vol (TOF), flash TOF et lumière structurée. La plage de détection est de 3 m à 50 m avec des longueurs d'onde de 630 à 640 nm et de 800 à 950 nm.

Les diodes laser ROHM offrent de nombreux avantages, notamment une efficacité énergétique supérieure, une large plage de températures de fonctionnement (-40°C à +85°C), des constructions légères et à faible encombrement. Sa gamme complète de solutions LD est disponible à la vente sur son site Internet et via des distributeurs agréés.

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