ToF LiDAR
Detectarea tridimensională a mediului înconjurător capătă o importanță din ce în ce mai mare în tot mai multe scenarii de utilizare, de la telefoane inteligente și mașini până la industrie.
ams Osram și Chronoptics au dezvoltat un sistem de camere 3D ToF care depășește puterea camerelor iToF moderne. (Sursa: www.chronoptics.com) ▶
Una dintre metode este ToF (Time of flight), care utilizează sisteme LiDAR (light detection and ranging). Metoda ToF permite detectarea poziției, formei și mișcării persoanelor și obiectelor. Principiul fundamental este simplu: o sursă de lumină emite fascicule de lumină care sunt reflectate de mediul înconjurător. O cameră ToF corespunzătoare captează lumina reflectată, iar distanța este calculată pe baza vitezei cunoscute a luminii și a timpului de deplasare măsurat al luminii. Există două abordări diferite. Pentru ToF indirect (iToF), sursa de lumină este modulată, iar schimbarea de fază a luminii reflectate este detectată. Deoarece această metodă este relativ insensibilă la sincronizarea internă, este potrivită în special pentru distanțe mai scurte.
Cu ToF direct (dToF), senzorul măsoară timpul direct, așa cum s-a descris mai sus. LiDAR este o metodă cheie pentru dToF. La fel ca radarul, este un proces de detecție și telemetrie (DAR), însă LiDAR folosește undele luminoase pentru a face acest lucru, în timp ce radarul folosește undele radio. Dioda laser din senzorul LiDAR emite un impuls luminos, care este utilizat pentru a determina distanța dintre senzor și obstacol. Acest lucru se face folosind o bază de timp foarte precisă. Modificările minime ar avea un impact semnificativ pe distanțe scurte, motiv pentru care LiDAR este potrivit în principal pentru distanțe medii sau lungi, de peste 100 m.
Câmp de vizibilitate mai mare, rezoluție mai mare
Diverse tehnici de măsurare pentru detecția luminii și măsurarea distanței (Sursa: ams Osram)
O diodă laser este utilizată ca sursă de lumină într-un senzor LiDAR. Deoarece aceasta generează un fascicul de lumină foarte mic și extrem de focalizat, poate fi măsurată doar distanța până la un punct la fel de mic. Acest lucru nu este suficient pentru detecția 3D, de exemplu pentru recunoaștere facială, sisteme de asistență pentru șoferi sau chiar pentru conducerea autonomă. Există diverse soluții pentru mărirea zonei de detecție, cunoscută sub numele de câmp vizual (FoV).
În cazul senzorilor flash LiDAR, fasciculul de lumină este împrăștiat de elemente optice, mărind astfel unghiul de emisie. Totuși, acest lucru creează o lumină difuză și semnificativ mai slabă. Tehnologia LiDAR cu scanare elimină acest neajuns. Ea utilizează microoglinzi mobile pentru a direcționa fasciculul de lumină peste FoV care urmează să fie detectat printr-un anumit proces de scanare. Însă, senzorii LiDAR cu scanare nu sunt potriviți pentru utilizarea în vehicule. Cu dimensiuni de aproximativ 10,5 cm × 6 cm × 10 cm, aceștia sunt foarte mari, în timp ce oglinzile mobile sunt, de asemenea, sensibile la vibrații, șocuri, praf și temperaturi extreme, care nu pot fi evitate pe vehicule.
Senzorii LiDAR cu semiconductori sunt mai mici și mai rezistenți. Aceștia utilizează semiconductori în locul componentelor mecanice pentru a direcționa fasciculul de lumină. În cazul senzorilor LiDAR cu oglinzi bazate pe tehnologia MEMS, există o matrice de micro-oglinzi care comută înainte și înapoi între două poziții de câteva mii de ori pe secundă datorită câmpurilor electrostatice.
Sursă de lumină IRED, EEL sau VCSEL
Comparație între tehnologia circuitelor integrate și capsulele acestora pentru LED-uri cu infraroșu de înaltă performanță și lasere VCSEL și EEL. (Sursa: ams Osram)
Sursa de lumină în sine poate fi un LED în infraroșu (IRED), un laser EEL (Edge-Emitting Laser) sau un laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser).
IRED-urile și EEL-urile s-au impus în multe aplicații. Principalele avantaje ale IRED-urilor sunt lumina omogenă și densitatea mare de putere. În plus, acestea au un cost relativ scăzut și oferă o încapsulare facilă. În schimb, EEL-urile oferă o intensitate luminoasă mai mare, o putere mai mare și o eficiență mai mare – ceea ce duce la raze de acțiune mai mari.
VCSEL-urile oferă o combinație între încapsularea ușoară a IRED-urilor și lățimea spectrală și viteza unui EEL. Densitatea lor de putere se situează în prezent între cea a unui IRED și cea a unui EEL. Deși VCSEL-urile necesită ceva mai mult spațiu decât EEL-urile, acest lucru este compensat de avantajele lor pentru anumite aplicații. Caracteristicile lor de emisie le califică pentru sistemele flash LiDAR și au, de asemenea, o bună stabilitate a lungimii de undă în cazul creșterii temperaturii.
Rezonatorul într-un VCSEL, în care este generat fasciculul laser, este format din două oglinzi Bragg dispuse paralel cu planul pastilei de siliciu. Oglinzile în sine sunt alcătuite din mai multe straturi, obținând o reflexie de peste 99% și – împreună cu tehnologia planară a oglinzilor – o calitate remarcabilă a fasciculului circular, cu o divergență redusă și un curent de prag scăzut. Acest lucru înseamnă că nu este necesară o optică secundară sau externă, spre deosebire de emițătoarele ‘edge’ convenționale. În plus, această construcție face ca VCSEL-urile să fie insensibile la vibrațiile mecanice. Cu toate acestea, ele permit o focalizare bună și o cuplare ușoară cu fibra optică și un consum redus de putere.
Pentru aplicațiile dToF care necesită o densitate mare de putere pentru măsurători la distanțe de peste 200 m, laserele EEL sunt, în general, cele mai potrivite. O gamă largă, cu diferite modele de capsule (TO, plastic, SMT) și clase de putere, este disponibilă la ams Osram. Aceste EEL-uri furnizează cele mai ridicate puteri de pe piață și sunt ușor de utilizat în tehnologiile de montare pe suprafață (SMT) “pick and place” și lipire prin reflux (reflow).
Pentru aplicațiile cu senzori 3D care acoperă distanțe mai scurte, ams Osram a dezvoltat modulele laser în infraroșu din seria Bidos. Seria include componente VCSEL de până la 100 W și o lungime de undă de 850 nm sau 940 nm.
Matricea de putere VCSEL de 940 nm oferă o putere optică la ieșire de 3W cu timpi de creștere și scădere tipici de 0,5ns. Fotodioda de control integrată permite atât calibrarea puterii optice la ieșire, cât și controlul automat al puterii, împreună cu detectarea problemelor de siguranță legate de laser, cum ar fi defecțiunea lentilelor sau contactul cu pielea, care trebuie evitate întotdeauna în aplicațiile cu laser.
Lasere puternice pentru conducerea autonomă
În cazul vehiculelor autonome, siguranța este prioritatea numărul unu. Acest lucru necesită sisteme LiDAR cu rază lungă de acțiune și viteză mare − ceea ce înseamnă lasere foarte puternice. Cu două EEL-uri nou-nouțe, ams Osram permit acum sistemelor 3D să aibă o rezoluție mai mare și, astfel, semnale de măsurare îmbunătățite, care sunt esențiale pentru vehiculele autonome. Cele două noi lasere SPL S4L90A_3 A01 și SPL S1L90A_3 A01 au o putere de 125W la 40A pe canal. Datorită rezistenței lor termice scăzute de numai 30 K/W la versiunea cu un singur canal (SPL S1L90A_3) și de 17 K/W la versiunea cu patru canale (SPL S4L90A_3), acestea permit un control facil al caldurii chiar și la curenți mari. Versiunea cu patru canale (SPL S4L90A_3) dispune de un cip cu patru game de emisie, care asigură o putere optică excelentă, de 480 W. Cu dimensiuni de numai 3,35 mm × 2,45 mm × 0,65 mm, componenta este doar puțin mai mare decât versiunea cu un singur canal (2,0 mm × 2,3 mm × 0,65 mm), dar acoperă un domeniu de detecție larg. În colaborare cu Efficient Power Conversion (EPC) și GaN Systems, ams Osram au dezvoltat un kit de evaluare pentru fiecare versiune de laser.
Aplicații ToF
În funcție de arhitectura LiDAR, se poate alege un laser EEL sau VCSEL (cu cât cercul este mai plin, cu atât laserul este mai potrivit pentru aplicația respectivă). Cu toate acestea, aplicabilitatea concretă depinde în mare măsură de proiectarea sistemului. (Sursa: ams Osram)
Pe baza tehnologiilor VCSEL în infraroșu de la ams Osram și a algoritmilor de procesare a adâncimii brevetați de Chronoptics, cele două companii au dezvoltat împreună un sistem de camere 3D ToF care depășește cele mai recente camere iToF în ceea ce privește performanța. Sistemul de camere Chronoptics KEA 3D ToF este extraordinar de bine adaptat pentru aplicații precum conducere autonomă, sisteme de identificare biometrică și deblocarea dispozitivelor mobile. Cu dimensiunile sale compacte de numai 100 mm × 40 mm × 35 mm, camera este proiectată pentru o distanță de lucru cuprinsă între 0,2 și 15 metri și este insensibilă la lumina ambientală de până la 120.000 Lux. Aceasta este echipată cu Bidos P2433Q VCSEL de la ams Osram. Are un design compact, o putere de ieșire de top pe piață și o eficiență unitară de 38%, urmând ca modulele viitoare să ajungă până la 50%. Conceptul său de ambalare este potrivit pentru producția de serie pe scară largă.
Vishay oferă un senzor de proximitate cu laser VCSEL de înaltă performanță. VCNL36687S, cu o rază de detecție de până la 20 cm, integrează, de asemenea, o fotodiodă, un circuit integrat de procesare a semnalului și un convertor A/D pe 12-biți într-o capsulă SMD mică de 3,05 mm × 2 mm × 1 mm LLP (capsulă fără plumb). Datorită domeniului de detecție relativ mic, nu sunt necesare bariere mecanice pentru a izola optic detectorul și emițătorul. Acest lucru permite implementarea și utilizarea foarte ușoară a unei funcții de detecție de proximitate. Datorită lobului direcțional extrem de îngust al VCSEL de ±3°, senzorul este potrivit pentru un domeniu de detecție restrâns și nu necesită lentile. VCNL36687S este proiectat pentru aplicații industriale și de consum pentru telefoane inteligente, tablete, căști de realitate virtuală / realitate augmentată (VR/AR) și alte dispozitive alimentate de la baterii, de exemplu pentru a preveni riscul de operare nedorită sau pentru a detecta dacă utilizatorul poartă o cască VR/AR.
Autor:
Alain Bruno Kamwa, Product Sales Manager Opto la Rutronik
Rutronik | https://www.rutronik.com 