今日の市場における多くのアプリケーションでは、産業、消費者、自動車分野など、深度センシングの正確な測定機能が求められています。製品には、自動誘導車両（AGV）、清掃ロボット、無人航空機、自動運転車などがあり、大きな市場開発の可能性を秘めています。この記事では、深度センシング技術の原理、Arrow Electronicsが紹介するLiDARのリファレンス デザイン、このソリューションで使用されるROHM、onsemi、ADI、Murataの主要デバイスの製品特性について説明します。
深度検知技術には長所と短所がある
深度センシングを適用するには、標準CMOSイメージ センサーを使用したステレオ三角測量、位相検出ピクセル、構造化光など、さまざまな方法があります。
2台の異なるカメラから受信した光を三角測量することにより、ステレオ三角測量を使用して距離を測定できます。カメラで撮影した画像間の物体の位置の差を比較することで、カメラと物体間の距離を計算できます。ステレオ三角測量には、パッシブ方式と標準画像センサーの利点がありますが、2台のカメラを使用する必要があること、最大距離がカメラ間の距離に依存すること、照明条件に大きく依存すること、計算コストが必要であることなどの欠点もあります。
位相検出ピクセル方式では、単一のカメラを使用してシーン内のポイントの距離を取得します。ピクセルレベルでは、イメージセンサーは、異なる位置にあるライトシールドを備えたピクセルのペアから受信した光の位相差によって、またはiPhoneカメラのオートフォーカスのように、同じマイクロレンズの下にある複数のフォトダイオードを使用して深度を計算します。位相検出ピクセル方式には、パッシブ方式と標準画像センサーの利点がありますが、深度解像度が低い、光条件に大きく依存する、計算コストが高い、距離が短いなどの欠点もあります。
構造化光は、従来のCMOSイメージ センサーを備えたカメラを使用して、受信した赤外線のパターンを分析し、シーンの歪みによる深度を計算します。パターンの歪みを利用して、オブジェクトの3D形状を取得できます。構造化光は近距離に適しているという利点があるが、アクティブ方式であり周囲光の影響を受けやすいという欠点もあり、距離が長くなるにつれて深度誤差が大きくなり、遠距離には適していないものの、顔認識には活用できる。
LiDARは高い深度検知能力を持つ
LiDARは深度 と角度の解像度が高いため、他の方法よりも深度検知能力が高く、赤外線送信機と受信機を使用するアクティブな方法であるため、あらゆる照明条件下で動作できます。LiDARは、自動車、産業、ロボット工学、消費者向け拡張現実および仮想現実 (AR/VR) アプリケーションなど、さまざまなアプリケーションや使用例向けに、さまざまな市場で広く導入されています。
一般的に、LiDARは、送信された信号とその戻りエコー間の時間遅延を計算する直接飛行時間 (dToF) 測定技術と、間接飛行時間 (iToF) 測定技術を採用します。どちらもパルス変調または連続変調によって実装できます。
パルスToFシステム向けLiDARソリューション
顧客の製品開発を加速するために、Arrow ElectronicsのOpenlabはパルスdToF LiDARソリューションのリファレンス設計を開始しました。距離測定を目的として、Arrow ElectronicsのLiDAR ToFソリューションはパルスToFシステムを採用しています。LiDAR ToFシステムの信号処理部分では、時間-デジタル変換器 (TDC) またはアナログ-デジタル変換器 (ADC) による距離推定方式が採用されています。TDCベースの方法では、高精度のクロック デバイスを使用して開始/停止イベントを時間差としてカウントしますが、ADCベースの方法では、一定の間隔で戻り信号を測定してデジタル化し、時間差を推定します。
このLiDAR ToFシステムの距離分解能は、アナログ部品 (レーザー ダイオード、レーザー ドライバー、低ノイズ アンプ、光検出器) の立ち上がり時間と応答時間の合計に反比例します。TDCベースの方法はアナログ領域の解像度の問題を解決できますが、ADCベースの方法は複雑なデジタル戻り信号検出方式、ベースバンド システム、およびソフトウェアを通じていくつかの問題を解決できます。
Arrow ElectronicsのLiDAR ToFソリューションはTDCベースの方法を選択し、アナログ ハードウェア設計に重点を置いて、より優れた立ち上がり時間と応答動作を実現し、Arrow ElectronicsのLiDARソリューションで最高の測距アプリケーションを実現します。
パルスToFシステムを使用する場合、905nmの波長が使用されます。これは、905nmシステム（赤外線）が最大75Wまでの最大光出力に適しているためです。一方、650nmレーザー（可視赤色光）は、一般にパワーオンパルス動作を実現できず、最大光出力は約100mWです。
狭パルス動作により動作範囲を拡大できる
Arrow ElectronicsのLiDAR ToFソリューションのハードウェア設計では、アナログ領域でLiDARの最適なパフォーマンスを実現するためにROHM方式が採用されています。レーザートリガーパルスを短縮するために、Arrow ElectronicsのLiDAR ToFソリューションではROHM RLD90QZW3パルスレーザーダイオードが使用されています。このダイオードは、従来のLiDARソリューションで一般的に使用されているパルス幅が30ナノ秒であるのに対し、15ナノ秒のパルス幅の狭パルス動作をサポートできます。パルス幅を50% 削減することで、同じ動作条件下でより高い光パワーを提供できるようになり、動作範囲が拡大します。
この短いパルス幅を使用することで、Arrow ElectronicsのLiDAR ToFソリューションはマルチパルス操作をサポートし、複数の測定を平均化または統計的に分析することで測定精度を向上させ、環境ノイズや干渉を排除することができます。このソリューションでは、レーザーダイオードにGaN FETを使用することでスイッチング速度を高速化し、伝送遅延効率をさらに向上させます。GaN FETトランジスタは従来のMOSFETトランジスタの代わりとして使用され、10倍の高速スイッチング動作を実現できるため、 レーザー伝送経路の立ち上がり時間を短縮します。
このソリューションはPCBレイアウトも強化し、レーザー ドライバー セクションの遅延時間をさらに短縮します。PCBレイアウトは、特にこのようなマルチ電源システムではレーザー伝送パスのスイッチング動作に重要な役割を果たしており、LDトリガー パルスを生成するために、レーザー ダイオードとGaN FETに25 V、レーザー ゲート ドライバーに5 V、MCUシステムに3.3 Vを供給する必要があります。さらに、最適な信号リターンパスを使用することで高速スイッチングと伝送遅延の最適化を実現するために、GNDプレートの設計も非常に重要です。
さらに、このソリューションでは、従来のアバランシェフォトダイオード (APD) の代わりにオンセミコンダクタのRDシリーズ シリコン光電子増倍管 (SiPM) を使用することで、Rx応答時間をさらに改善します。SiPMのFAST OUT端子は、APD標準出力端子よりも50% 低い500ピコ秒未満の立ち上がり時間応答を提供できます。
TxおよびRxパス検出システムでは、より高速なコンパレータを使用して、Rx応答時間をさらに改善できます。コンパレータ回路は、タイミング計算のためにアナログRxおよびTx信号をTDCパルス開始およびパルス停止入力に変換するために使用されるため、コンパレータの伝播遅延も測定精度にとって非常に重要です。ADIのADPCM600高速コンパレータを使用すると、遅延時間は30mV入力信号レベルでわずか3ナノ秒となり、LiDAR受信パスで最適な遅延時間を実現します。
業界をリードするデバイスが完全なソリューションを構成
Arrow ElectronicsのLiDAR ToFソリューション全体の主要コンポーネントには、75W 905nm不可視光パルス レーザー ダイオードであるROHM RLD90QZW3レーザー ダイオード、オンセミコンダクタのSiPM MicroRD-10035-MLP RDシリーズ、および伝播遅延が5.5ナノ秒の超高速TTL/CMOSコンパレータであるADI ADCMP600高速コンパレータが含まれます。ADI HMC589AST89E高速アンプは、InGaP HBTゲイン モジュールMMICアンプ (DC-4GHz) です。
さらに、入力電圧範囲が広く、3V～40Vの入力電圧をサポートできるADI LT8330 DC/DCブーストコンバータ、1Aおよび60Vスイッチングブーストコンバータ、ADI LT3082 200mA低ノイズ低ドロップアウトレギュレータ（LDO）、NXP LPC546XXシリーズ32ビットARM Contex-M4マイクロコントローラ、TI TDC7201 TDC、Murata WMRAG32K76CS1C00R0 32.768 kHz MEMS共振器などがあります。®追加の処理能力や機械学習を必要とする開発向け。
ROHMレーザー ダイオードRLD90QZW3は、LiDAR用に特別に設計された75W赤外線高光出力レーザー ダイオードで、AGVなどの3D ToFシステムでの距離測定や空間認識サービスに使用されます。ロームは独自のデバイス開発技術により、従来品より22%狭い等価光出力時の発光幅225μmを実現し、ビーム特性も向上しました。
同時に、均一な発光強度とレーザー波長の温度依存性が低いため、パフォーマンスの安定性が確保され、さまざまなLiDARアプリケーションでより高い精度とより長い距離を実現できます。また、標準品（順方向電流24A、出力75W）と同じ電力変換効率21％（発光幅が狭いこととのトレードオフ）を実現しており、消費電力を増やすことなく使用できます。
ROHMは、次世代デバイス「EcoGANTM」、GaNゲートドライバ「BD2311NVX-C」、LiDARセンサーの特性（距離や解像度）向上に役立つGaN HEMT高速ゲートドライバなど、レーザーダイオード制御に使用できるリファレンスデザインも発表している。
onsemi SiPMは、可視光から近赤外波長までの検出に使用される高ゲインの単一光子感度センサーです。Onsemiが発表したRBシリーズ センサーは、RシリーズのSiPMの2番目のリリースです。これらのセンサーは、電磁スペクトルの赤色および近赤外線 (NIR) 領域での感度をさらに向上させます。
onsemiは、市場をリードするRDMプロセスに基づくSiPMピクセルのモノリシック1×12アレイである新しいSiPMアレイシリーズ、ArrayRDM−0112A20−QFNも発表しました。RDMプロセスは、通常LiDARおよび3D dToF測距アプリケーションで使用される、905/940nm NIR波長で高いPDE (光子検出効率) を備えた製品を作成するために特別に開発されています。
onsemiのSiPMアレイは堅牢なQFNパッケージにパッケージ化されており、12個の個別のピクセルにアクセスできます。自動車用LiDARアプリケーションの要件を満たすため、この製品はAEC-Q102規格に準拠しています。
NXP LPC546xx Arm Cortes M4 MCUファミリは、最大220 MHzのパフォーマンス、イーサネット サポート、TFT LCDコントローラ、2つのCAN FDモジュールを提供するLiDARシステムで使用され、Cortex-M4が100 µA/MHzのアクティブ モード電流を実現することで、機能統合と電力効率の適切なバランスを実現しています。
より高度なコンピューティングや機械学習を必要とする開発向けに、NXPは最大150 MHzで動作するデュアルArm® Cortex®-M33コアを搭載した新しいMCX Nシリーズも提供しました。この高度なシリーズでは、NXPが設計したニューラル プロセッシング ユニット (NPU) の新しいインスタンスが導入されています。統合されたNPUは、CPUコア単独と比較して最大30倍高速な機械学習 (ML) スループットを実現し、起動時間を短縮して全体的な電力消費を削減します。低電力キャッシュによりシステム パフォーマンスが向上し、デュアル バンク フラッシュとフルECC RAMによりシステムの安全性がサポートされ、保護と保証がさらに強化されます。
ADCMP600、ADCMP601、ADCMP602は非常に高速なコンパレータです。 ADI独自のプロセスXFCB2で製造されたトランジスタです。このデバイスは、標準供給電流3 mAで5 nsの伝播遅延と10 mVのオーバードライブを提供します。TOF測定やLiDARアプリケーションなど、時間が重要となるアプリケーションに非常に適しています。
ADIのLT8330は、単一のフィードバック ピンを使用して正または負の出力電圧を生成できる電流モードDC/DCコンバータです。ブースト、SEPIC、反転として構成可能 コンバーター、および 静止した 消費電流は6Aと低くなります。低リップルのバースト モード動作により、一般的なアプリケーションで出力リップルを15mV未満に抑えながら、非常に低い出力電流で高い効率を維持できます。
村田製作所が開発した車載用チップ積層セラミックコンデンサは、自動車の電源システムや安全装置に最適です。エンジンECU、エアバッグ、ABSなどの安全装置の駆動系制御に使用できます。温度サイクルや湿度負荷試験においても、一般製品（GRMシリーズ）よりも厳しい試験条件をクリアしています。セラミックコンデンサは125℃、150℃の温度範囲で使用可能で、エンジンルーム内でも使用可能な150℃の製品もシリーズ化しています。° °° また、セラミックコンデンサーは、はんだ付け性に優れた外部電極Snメッキを採用しています。
結論
深度センシングの応用範囲が広がるにつれて、LiDARは徐々に許容できる価格帯まで下がり、関連製品の市場開発スペースが徐々に拡大しました。Arrow Electronicsが導入したLiDAR ToFソリューションは、ROHM、onsemi、ADI、Murataなどの業界をリードするデバイスを採用しており、優れたパフォーマンスを保証しており、関連製品の開発に関心のあるメーカーによるさらなる理解と採用に値します。