레이저 다이오드로 동작 감지 및 광 기반 거리 측정(LiDAR)

이 기사에서 ROHM은 모션 감지 및 LiDAR에서 레이저 다이오드의 역할과 그 속성 및 한계에 대해 설명합니다.

백색광은 가시 스펙트럼의 모든 색상으로 구성되며, 여러 색상은 주파수와 파장이 서로 다릅니다. 결과적으로 이러한 유형의 빛을 단일 지점에 비추는 것은 매우 어렵습니다. 전자 장치 및 장비의 시각적 표시에 일반적으로 사용되는 LED는 다양한 주파수의 전자파를 포함하는 빛을 생성합니다.

반면에 레이저 다이오드(LD)는 특정 주파수와 파장의 집중된 광선으로 구성된 "간섭광"을 생성합니다. 고유한 특성으로 인해 오늘날과 같이 빠르게 변화하는 세상에서 매우 유용합니다.

많은 디자이너가 겉으로 보기에 둘 중 하나를 선택해야 하는 LD에 대한 두 가지 겉보기 상충되는 요구 사항이 있습니다. 대부분의 사람들은 둘 다 필요로 합니다. 향상된 감지 정확도와 LD에서 더 긴 감지 거리. 정확도 향상은 전통적으로 레이저 빔 스폿의 크기를 줄임으로써 달성되었습니다. 증가된 감지 거리는 레이저의 광 출력을 증가시켜 전통적으로 달성되었습니다. 그러나 이 두 가지 상충되는 요구를 동시에 실현하는 것은 쉽지 않습니다.

LiDAR에서 레이저 다이오드의 역할은 무엇입니까?

LD는 기능면에서 LED와 유사하지만 일관된 레이저 광을 생성할 수 있는 반도체 장치입니다. LED는 전자발광(electroluminescence)을 통해 빛을 생성합니다. 이는 전류를 장치에 통과시켜 과잉 전자와 정공 쌍을 생성하여 광자를 생성하는 과정입니다. 반면에 LD는 방사선의 유도 방출을 통해 가시광선을 증폭합니다.

레이저 광에는 다음과 같은 고유한 속성이 있습니다.

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일관성: 레이저 광은 방출되는 광파의 파장이 위상이 같기 때문에 간섭성이라고 할 수 있습니다.

고강도 및 강도: 레이저는 단위 표면적당 더 많은 전력으로 연속 방출에 의해 방출되기 때문에 매우 밝습니다.

단색: 레이저는 단일 파장의 광파로 구성됩니다.

방향: 레이저 다이오드에서 방출되는 빛은 발산을 최소화하므로 방향성이 높습니다.

레이저 다이오드는 n형 및 p형 층을 생성하기 위해 알루미늄 갈륨 비소와 같은 반도체 재료를 도핑하여 설계되었습니다. 도핑은 순수한 반도체에 소량의 불순물을 첨가하여 전도성을 향상시키는 과정입니다.

LD는 소자에 전류가 가해지면 반도체 재료의 정공과 전자가 p-n 접합(유도 방출이라고도 함)에서 상호 작용할 때 빛을 발산합니다. 또한 레이저 빔의 선형성을 활용하여 물체의 모양과 거리를 정확하게 측정할 수 있습니다. 이 기술을 LiDAR(Light Detection and Ranging)이라고 합니다.

ToF(Time of Flight) 방식은 LiDAR에서 가장 많이 사용되는 거리 측정 방식입니다. 아래 이미지와 같이 ToF 방식은 광원에서 방출된 빛이 물체에 반사되어 디텍터로 되돌아오는 시간(비행시간)을 측정하여 거리를 계산합니다.

그림 1. 비행 시간(ToF) 방법의 개념도. ROHM의 이미지

고출력 레이저 다이오드의 광범위한 응용 분야

선형성, 일관성, 펄스 응답 특성 및 단색성으로 인해 LD는 감지 및 거리 측정을 위한 광범위한 전자 장치에서 매우 유용합니다. 주요 애플리케이션은 로봇 청소기와 자율주행 차량에서 자동화 제어 시스템에 이르기까지 산업, 소비자 및 자동차를 망라합니다.

이러한 많은 응용 분야에서 정확도와 거리에 대한 요구가 증가함에 따라 고출력 레이저 다이오드는 설계자의 상충되는 요구 사항을 충족하기 위한 자연스러운 선택입니다.

자동 제어

고출력 레이저 다이오드는 상업, 산업 및 주거 시설에서 사용되는 HVAC 시스템을 포함하여 장비의 비접촉 제어를 위한 모션 감지 및 LiDAR 기능을 제공합니다.

보안 및 감시

LD는 공장, 개인 시설, 건설 현장 등에서 침입자의 존재를 감지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이를 통해 보안 및 감시 시스템이 열악한 조명 조건에서도 이미지와 비디오 장면을 캡처할 수 있습니다.

수송

기차역과 같은 상업용 운송 시설에서 레이저 다이오드는 LiDAR를 사용하여 기차 플랫폼 도어에 사람의 존재를 감지하여 자동 작동을 가능하게 합니다. 유사하게, LD는 운전자의 눈꺼풀과 얼굴 특징의 변화를 감지하기 위해 현대 자동차의 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)에 사용될 수 있습니다.

VR/AR 및 게임 시스템

레이저 다이오드는 가상 현실/증강 현실 시스템 및 게임 콘솔에서 동작 감지를 가능하게 합니다.

로봇 청소기

LD는 로봇 청소기에서 최적의 청소 경로를 찾기 위해 작업 전에 전체 공간의 모양을 측정하기 위한 레이저 빔을 전달하는 데 사용됩니다.

3D 스캐너

산업용 및 소매용 3D 스캐너에서 레이저 다이오드는 LiDAR를 사용하여 다양한 물체의 모양에서 좌표 데이터를 얻습니다.

측정기

레이저 다이오드는 레이저 거리 측정기에서 정확한 측정을 위해 좁은 빔을 제공합니다. 이 장치는 물체에서 방출된 빛과 반사된 빛 사이의 위상차를 계산하여 거리를 측정합니다(TOF 방법이라고도 함). 반도체 레이저의 고간섭성 광 특성이 없으면 이 응용이 불가능합니다.

드론 및 UAV

레이저 다이오드는 지상까지의 거리 측정, 3D 매핑 및 자동 착륙을 위한 군용/상업용 드론 및 UAV에서 장거리 LiDAR 기능을 제공합니다.

그림 2. TOF 방식을 사용한 LiDAR 기술의 응용. ROHM의 이미지

자동 안내 차량

레이저 다이오드는 다양한 산업 분야에서 활용되는 AGV(Automated Guided Vehicles)의 내비게이션을 위한 매우 안정적인 감각 기능을 가능하게 합니다. 공장, 조립 공장 및 창고에서 자재를 운반하는 데 사용되는 휴대용 로봇이 그 예입니다.

공급망

레이저 다이오드는 LiDAR를 사용하여 창고에 있는 물체의 모양과 상태를 감지하여 보다 정확한 재고를 확보함으로써 물류 효율성을 높이는 데 도움이 됩니다.

자율주행 차량

자율 주행 차량의 레이저 다이오드는 주변 환경의 3D 표현 및 장애물 감지를 위해 LiDAR를 활용합니다. 최대 125W 정격의 LD는 광범위한 작동 온도에서 안정적인 성능으로 자동차 애플리케이션의 고전력 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

레이저 다이오드의 한계

오늘날 사용 가능한 대부분의 레이저 다이오드는 25,000~50,000시간의 일반적인 수명을 달성하는 반도체 재료 및 제조 공정을 사용하여 제조됩니다. 그러나 설계자들은 신뢰성이 작동 온도 조건에 크게 좌우된다는 점에 주목합니다. 레이저 다이오드의 장기 성능은 고온에서 사용할 때 크게 저하되는 경향이 있습니다. 그럼에도 불구하고 오늘날의 산업 응용 분야에는 고온 및 고압 환경에서 안정적으로 작동할 수 있는 구성 요소가 필요합니다.

ROHM Semiconductor의 고출력 LD 솔루션

ROHM은 광전자 사업부를 통해 모션 감지 및 측정을 위한 고성능 LD 솔루션을 제조하는 업계 최고의 제조업체입니다. ROHM의 RLD 계열 레이저 다이오드는 4가지 감지 방법 중 하나를 사용합니다. 삼각측량, TOF(Time of Flight), 플래시 TOF 및 구조광. 감지 범위는 630-640nm 및 800-950nm의 파장으로 3m ~ 50m입니다.

ROHM 레이저 다이오드는 더 높은 전력 효율, 광범위한 작동 온도(-40°C ~ +85°C), 경량 및 작은 설치 면적을 포함하여 많은 이점을 제공합니다. 전체 범위의 LD 솔루션은 웹사이트와 공인 대리점을 통해 판매되고 있습니다.

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