LiDAR (光検出と測距) は測距アプリケーションにおける重要な技術となっています。技術が成熟し、製品価格が手頃になるにつれて、その応用範囲はますます広がっています。この記事では、LiDARテクノロジーの開発とROHMのレーザー ダイオード ソリューションについて説明します。
物体間の距離を正確に感知できるLiDAR技術
LiDARは、周囲の状況を感知するために使用されるToF（Time of Flight）システム（光源、ToFセンサーまたは画像センサーなど）で構成されています。通常、ターゲットまでの距離やその他のパラメータを測定するためにパルスレーザーが使用されます。LiDARは、測量および地図作成、考古学、地理学、地形学、地震学、林業、リモートセンシング、大気物理学などの分野で応用されています。さらに、この技術は、航空機搭載レーザーマッピング、レーザー高度測定、LiDAR輪郭描画などの特定のアプリケーションにも使用されます。
LiDARの最も基本的な動作原理は、無線レーダーの原理と変わりません。つまり、レーダー送信システムから送信された信号は、ターゲットによって反射された後、受信システムによって収集され、反射光の実行時間を測定することによってターゲットまでの距離が決定されます。光の速度はわかっているので、レーザーと物体間の距離は、放射された光の放射時間と後方散乱光の受信時間の差に応じて計算することができ、これがLiDARが距離を測定できる原理です。
レーザーダイオード（LD）はLiDARのキーデバイスです。半導体を動作物質とするレーザー発生装置の一種であり、固体レーザー発生装置に属する。ほとんどのレーザーダイオードは、構造的には一般的なダイオードと似ています。この種の電子機器は1962年にすでに登場しており、初期段階では低輝度の赤色光しか放射できませんでしたが、その後、他の単色バージョンが開発されました。現在では、発せられる光は可視光線、赤外線、紫外線にまで広がり、明るさも非常に高くなっています。レーザーダイオードには、高効率、小型、長寿命などの利点があります。
より遠く、より正確で、より低消費電力のレーザーダイオード
近年、距離を正確に測定し、空間を識別できるLiDARは、清掃ロボット、AGV（無人搬送車）、自動運転車など、自動化が求められる幅広い用途で普及が進んでいます。このような状況では、より遠く、より正確に、より低い消費電力で情報を検出するために、光源としてのレーザーダイオードの性能を向上させるためのより高い要件が提示されています。
世界的に有名な半導体メーカーであるロームは、LEDやVCSEL（垂直共振器面発光レーザー）製品を含むFPレーザーダイオードの開発と供給に注力してきました。最近では、掃除ロボットや監視カメラなどの分野でToFセンサー光源などの用途で人気が高まっています。
同時に、ロームは、さまざまな製品の立ち上げ過程で蓄積された光部品の開発経験と技術を活用し、部品の性能をより発揮させ、出力をさらに向上させる研究開発を継続的に推進しています。また、ロームは、部品開発やモジュール化により、さまざまな特長を持つセンサー光源製品を多数開発しており、測距・空間認識システムの精度向上に貢献しています。
75Wの高出力レーザーダイオード
最近、ロームは高出力の半導体レーザーダイオードRLD90QZW3を開発しました。これは、AGV、測距および空間識別用のLiDARを備えた産業機器分野のサービスロボット、民生用電子機器分野の掃除ロボット、およびその他のアプリケーションに非常に適しています。
ROHMは、レーザーの放射幅を狭くする独自の特許技術を有しており、これによりLiDARはより長い距離をサポートし、より高い精度を実現できます。25Wの高出力レーザーダイオードRLD90QZW5は2019年から量産されており、主に民生用電子機器分野での用途が増えています。今回、ロームは市場が拡大する産業機器分野への適用拡大を図るため、75Wの高出力レーザーダイオード「RLD90QZW3」を開発しました。
RLD90QZW3は、3D ToFシステムを使用した測距および空間識別用のLiDAR用に開発された、75Wの高出力赤外線レーザー ダイオードです。ROHMの部品開発技術により、業界同等出力のレーザーダイオードで225μmの超狭発光幅を実現しました。従来品の発光幅290μm、温度相関0.25nm/℃に比べ、発光幅を22%狭くし、高いビーム性能を実現しました。
同時に、光度の均一化とレーザー波長の低い温度相関を利用することで、レーザー波長の温度相関は0.15nm/℃と低く、従来品に比べて40％低減でき、温度変化の影響を受けにくいため、安定して高い性能を発揮することができ、LiDARがさまざまな環境で長距離アプリケーションを実現するのに役立つだけでなく、測定距離が等しい条件下でより高い精度を実現するのにも役立ちます。また、発光幅の狭さとトレードオフの関係にある光電変換効率（PCE）も従来品と同じ21％（順方向電流24A、75W時）に達しており、RLD90QZW3採用による消費電力増加の心配もありません。詳細については、RLD90QZW3製品ページをご覧ください: https://www.rohm.com/products/laser-diodes/high-power-lasers/rld90qzw3-product。
現在、ロームは120Wの高出力や車載分野向け（AEC-Q102規格準拠）のレーザーダイオード製品を開発中です。ロームは今後も、自動車分野をはじめ、安全で便利なLiDAR応用製品の開発に貢献してまいります。
製品開発をスピードアップするサポートツールの多様化
ロームでは、お客様の新製品開発を支援し、迅速な市場投入をサポートするため、駆動回路の設計手法をまとめたアプリケーションガイド、基板開発用データ、シミュレーションモデル（SPICEモデル、Rayデータ）など、新製品の評価・導入に必要な豊富な設計データを公式サイトで無償提供しています。
さらに、ロームはシングルチャネルLiDAR（REFLD001）リファレンスデザインも発表しました。これはシングルチャネルLiDARデモボードであり、LiDAR ToFレンジテクノロジーを使用した高速光学フロントエンドの動作を確認でき、測定距離は50mに達します。
REFLD001リファレンス デザインはLiDAR ToFテクノロジーに基づいており、顧客によるさらなる開発に簡単に使用できます。さらに、高速スイッチングにより低消費電力で長距離通信を実現できます。REFLD001は、長距離をサポートし、同じLD電力条件下でより省電力な15nsecパルス レーザーを提供できるROHM 905nm 75W RLD90QZW3不可視レーザー ダイオードを使用しており、すべてのシステムは単一の電源を使用します。LiDAR ToFアーキテクチャは、自動車、民生用、産業用の機械に適用できます。LiDAR、測距ツール、安全センサー/近接センサー、BIM(Building Information Model)、駐車支援システム、ロボット掃除機、AGVなどの製品に幅広く使用できます。
結論
高出力レーザーダイオードの導入により、LiDARアプリケーションのパフォーマンスはますます向上し、市場での受け入れも徐々に高まっています。ROHMが発表した75W高出力の赤外線レーザーダイオードは、高精度と低消費電力を実現しています。完全な技術サポートを提供し、LiDARアプリケーションに最適なデバイスの選択肢となります。