Dioda Laser Mengaktifkan Sensor Gerak dan Pengukuran Jarak Berbasis Cahaya (LiDAR)

Dalam artikel ini, ROHM akan membahas peran dioda laser dalam penginderaan gerak dan LiDAR, serta sifat dan keterbatasannya.

Cahaya putih terdiri dari setiap warna dari spektrum yang terlihat, dengan beberapa warna yang memiliki frekuensi dan panjang gelombang yang berbeda. Akibatnya, sangat sulit untuk menyorotkan jenis cahaya ini ke satu titik. LED yang biasa digunakan untuk indikasi visual pada perangkat dan peralatan elektronik menghasilkan cahaya yang mengandung gelombang elektromagnetik dengan frekuensi yang bervariasi.

Dioda laser (LDs), di sisi lain, menghasilkan "cahaya koheren," yang terdiri dari berkas cahaya terfokus pada frekuensi dan panjang gelombang tertentu. Sifat uniknya membuatnya sangat berguna di dunia yang berubah dengan cepat saat ini.

Ada dua kebutuhan yang tampaknya tidak biasa untuk LD yang tampaknya harus dipilih oleh banyak desainer:kebanyakan orang membutuhkan keduanya akurasi penginderaan yang lebih baik dan jarak deteksi yang lebih jauh dari LD mereka. Peningkatan akurasi secara tradisional dicapai dengan mengurangi ukuran titik sinar laser; peningkatan jarak deteksi secara tradisional dicapai dengan meningkatkan output optik laser. Namun, tidak mudah untuk mewujudkan dua kebutuhan yang saling bersaing ini pada saat yang bersamaan.

Apa Peran Dioda Laser dalam LiDAR?

LD adalah perangkat semikonduktor yang fungsinya mirip dengan LED, tetapi mampu menghasilkan sinar laser yang koheren. LED menghasilkan cahaya melalui electroluminescence — proses melewatkan arus listrik melalui perangkat untuk membuat foton dengan menciptakan pasangan elektron dan lubang berlebih. LDs, di sisi lain, memperkuat cahaya tampak melalui emisi radiasi terstimulasi.

Sinar laser memiliki sifat yang berbeda sebagai berikut:

• Koherensi: Sinar laser dapat disebut koheren karena panjang gelombang gelombang cahaya yang dipancarkan sefasa.
• Daya tinggi dan Intensitas: Laser sangat terang karena dipancarkan oleh emisi berkelanjutan dengan daya lebih besar per satuan luas permukaan.
• Monokromatisitas: Laser terdiri dari gelombang cahaya dengan panjang gelombang tunggal.
• Pengarahan: Cahaya yang dipancarkan dari dioda laser sangat terarah, karena menunjukkan divergensi minimal.

Dioda laser dirancang dengan mendoping bahan semikonduktor seperti aluminium gallium arsenide untuk membuat lapisan tipe-n dan tipe-p. Doping adalah proses menambahkan sejumlah kecil pengotor ke semikonduktor murni untuk meningkatkan konduktivitas.

LD mengeluarkan cahaya ketika arus listrik yang diterapkan ke perangkat menyebabkan lubang dan elektron dalam bahan semikonduktor berinteraksi di persimpangan p-n, juga dikenal sebagai emisi terstimulasi. Mereka juga dapat secara akurat mengukur bentuk dan jarak objek dengan memanfaatkan linearitas sinar laser. Teknologi ini dikenal sebagai Light Detection and Ranging (LiDAR).

Metode time of flight (ToF) adalah metode pengukuran jarak yang paling banyak digunakan di LiDAR. Dalam metode ToF seperti yang digambarkan pada gambar di bawah, jarak dihitung dengan mengukur waktu yang dibutuhkan cahaya yang dipancarkan dari sumber cahaya untuk dipantulkan oleh objek dan dikembalikan ke detektor (waktu terbang).

Gambar 1. Diagram konseptual dari metode time of flight (ToF). Gambar dari ROHM

Berbagai Aplikasi untuk Dioda Laser Daya Tinggi

Karena linieritas, koherensi, karakteristik respons pulsa, dan monokromatisitasnya, LD sangat berguna dalam berbagai perangkat elektronik untuk penginderaan dan pengukuran jarak. Aplikasi utama mencakup industri, konsumen, dan otomotif, mulai dari penyedot debu robotik dan kendaraan otonom hingga sistem kontrol otomatis.

Dalam banyak aplikasi ini, karena kebutuhan akan akurasi dan jarak meningkat, dioda laser berdaya tinggi adalah pilihan alami untuk memenuhi kebutuhan desainer yang bersaing.

Kontrol Otomatis

Dioda laser berdaya tinggi menyediakan penginderaan gerak dan kemampuan LiDAR untuk kontrol peralatan non-kontak, termasuk sistem HVAC yang digunakan di fasilitas komersial, industri, dan perumahan.

Keamanan dan Pengawasan

LD dapat membantu mendeteksi keberadaan penyusup di pabrik, fasilitas pribadi, lokasi konstruksi, dan banyak lagi. Mereka memungkinkan sistem keamanan dan pengawasan untuk menangkap gambar dan rekaman video bahkan dalam kondisi pencahayaan yang buruk.

Transportasi

Di fasilitas transportasi komersial, seperti stasiun kereta api, dioda laser menggunakan LiDAR untuk mendeteksi keberadaan manusia di pintu peron kereta, yang memungkinkan pengoperasian otomatis. Demikian pula, LD dapat digunakan dalam sistem bantuan pengemudi (ADAS) tingkat lanjut di mobil modern untuk mendeteksi variasi kelopak mata dan fitur wajah pengemudi.

VR/AR dan Sistem Permainan

Dioda laser memungkinkan pendeteksi gerakan dalam sistem realitas virtual/augmented reality dan konsol game.

Penghisap Debu Robotik

LD digunakan dalam penyedot debu robot untuk mengirimkan sinar laser guna mengukur bentuk seluruh ruangan sebelum operasi guna menemukan jalur pembersihan yang optimal.

Pemindai 3D

Dalam pemindai 3D untuk aplikasi industri dan ritel, dioda laser menggunakan LiDAR untuk mendapatkan data koordinat dari bentuk objek yang berbeda.

Mesin Pengatur Jarak

Dioda laser menghasilkan sinar sempit untuk pengukuran presisi dalam pengukur jarak laser. Perangkat ini mengukur jarak dengan menghitung perbedaan fase antara cahaya yang dipancarkan dan dipantulkan dari suatu objek, juga dikenal sebagai metode TOF. Tanpa karakteristik cahaya koherensi tinggi dari laser semikonduktor, aplikasi ini tidak mungkin dilakukan.

Drone dan UAV

Dioda laser memberikan kemampuan LiDAR jarak jauh di drone militer/komersial dan UAV untuk mengukur jarak ke tanah, pemetaan 3D, dan pendaratan otomatis.

Gambar 2. Aplikasi teknologi LiDAR menggunakan metode TOF. Gambar dari ROHM

Kendaraan Pemandu Otomatis

Dioda laser memungkinkan fungsi sensorik yang sangat andal untuk navigasi kendaraan berpemandu otomatis (AGV) yang digunakan di berbagai industri. Contohnya termasuk robot portabel yang digunakan untuk mengangkut material di pabrik, pabrik perakitan, dan gudang.

Rantai Pasokan

Dioda laser membantu meningkatkan efisiensi logistik dengan menggunakan LiDAR untuk mendeteksi bentuk dan kondisi objek di gudang, memungkinkan inventaris yang lebih akurat.

Kendaraan Otonom

Dioda laser pada kendaraan self-driving menggunakan LiDAR untuk representasi 3D dari lingkungan dan deteksi rintangan. LD dengan nilai hingga 125W dapat memenuhi persyaratan daya tinggi aplikasi otomotif dengan kinerja yang stabil pada berbagai suhu pengoperasian.

Keterbatasan Dioda Laser

Mayoritas dioda laser yang tersedia saat ini diproduksi menggunakan bahan semikonduktor dan proses manufaktur yang mencapai masa pakai yang khas antara 25.000 hingga 50.000 jam. Namun, desainer mencatat bahwa keandalan sangat bergantung pada kondisi suhu pengoperasian. Kinerja jangka panjang dioda laser cenderung menurun secara signifikan bila digunakan pada suhu tinggi. Meskipun demikian, aplikasi industri saat ini memerlukan komponen yang dapat bekerja dengan andal di lingkungan dengan suhu dan tekanan tinggi.

Solusi LD Daya Tinggi dari Semikonduktor ROHM

ROHM adalah produsen terkemuka di industri solusi LD berkinerja tinggi untuk penginderaan gerak dan jangkauan melalui divisi optoelektronikanya. Dioda laser seri RLD ROHM menggunakan salah satu dari empat metode untuk penginderaan; triangulasi, Time of Flight (TOF), Flash TOF, dan cahaya terstruktur. Jangkauan deteksi adalah 3m hingga 50m dengan panjang gelombang dari 630-640nm dan 800-950nm.

Dioda laser ROHM menawarkan sejumlah manfaat, termasuk efisiensi daya yang lebih tinggi, rentang suhu pengoperasian yang luas (-40 ° C hingga +85 ° C), ringan, dan konstruksi tapak kecil. Rangkaian lengkap solusi LD tersedia untuk dijual di situs webnya dan melalui distributor resmi.

Artikel Industri adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang bermanfaat dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak sesuai dengan konten editorial. Semua Artikel Industri tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan tujuan menawarkan kepada pembaca berita, keahlian teknis, atau cerita yang bermanfaat. Sudut pandang dan pendapat yang diungkapkan dalam Artikel Industri adalah dari mitra dan belum tentu dari All About Circuits atau penulisnya.