LiDAR（光検出と測距）は距離と空間を正確に測定することができ、自律運転、清掃ロボット、一部の産業用アプリケーションで広く使用されています。LiDARテクノロジーの成熟と製品価格の競争力の高まりにより、市場は急速に発展しました。この記事では、LiDARの技術開発と、ローム セミコンダクターが紹介するLiDAR高出力レーザー ダイオードと高速ゲート ドライバーのリファレンス デザインを紹介します。
LiDARが新たなサービスの革新を推進
LiDARは、対象物にパルスレーザー光線を照射して対象物までの距離などを測定する光学リモートセンシング技術です。自動車業界では以前から応用されており、物体の距離を正確に測定したり、自動運転のためのスペースを決定したりするために使用できます。また、掃除ロボットや無人搬送車（AGV）など、他の応用分野でも急速に発展しています。このようなアプリケーションでは、LiDARを使用して障害物を検出し、アルゴリズムを通じて前方ルートを計算できます。LiDARは、渋滞を回避するために高速道路の交通状況をキャプチャしたり、3D図面に基づく地図データ サービスにも使用されます。
さらに、LiDARで取得したリアルタイムの点群データをAIアルゴリズムと組み合わせることで、物体認識や行動予測を実現できます。LiDARを通じて得られる重要なデータと高精度に対する需要が大幅に高まっています。LiDARの特性がさらに向上することで、自動車市場だけでなく産業・インフラ分野にも需要が広がり、新たなサービスのイノベーションを牽引していくことが期待されます。
LiDARおよび物体検出アプリケーションを目的として、物体位置の精度、物体検出距離の延長、物体検出画像の高度な精細化、および物体検出アルゴリズムの精度を向上させるために、LiDARセンサーには、より長い検出距離と高解像度、および高精度で高出力のビーム ソースが必要です。そのため、レーザーダイオードの発光特性を向上させるだけでなく、レーザーダイオードをより高速かつ高出力で駆動することが必要となります。
レーザー光源と高周波駆動技術
現在、CMOSイメージセンサーとレーザーダイオード光源を組み合わせた画像センシング技術がさまざまな分野で広く利用されています。この技術の特徴は、測定対象物との距離や測定対象物の形状を非接触で計測できる点です。産業機器や車載分野では、さまざまなロボット自動化や自動運転を目的としたLiDARモジュールを使用したイノベーションが大いに期待されています。
LiDARモジュールによって取得される距離データは通常、「ポイント クラウド マップ」または「3D深度マップ」と呼ばれ、その画像データの各ピクセルにはLiDARモジュールと測定対象物間の距離が格納されます。特に自動運転の分野では、より長い距離をカバーできなければならないため、業界の関連メーカーは、より高解像度の点群画像技術の開発に多大な努力を払ってきました。ポイントクラウドの解像度は、1つのピクセルがカバーできる範囲によって決まり、1つのピクセルのサイズは、感光素子のピクセル サイズ、レーザー ビームのスキャン距離、およびレーザー ビーム スポットのサイズによって決まります。
LiDARは数十メートル以上の長距離に適しているため、解像度を向上させるには、レンズの出射ビームの発散角を減らすことが非常に重要です。そのため、できるだけ小さいサイズの半導体レーザーと、焦点距離が最も長いレンズを選択する必要があります。
一方、LiDAR用途では、狭パルス信号を送信でき、より高精度な画像システムを構築できるため、高周波駆動が可能なGaNデバイスが最適です。SiCデバイスとともに注目されているワイドバンドギャップ半導体の一つであるGaNデバイスは、従来のSi半導体に比べて単位面積あたりのオン抵抗を大幅に低減することができます。同一オン抵抗品ではチップサイズを縮小でき、スイッチング損失を大幅に低減できます（Si比約65％）。SiCデバイスはより高い耐電圧とより大きな電力に向けて進化し続けており、一方GaNデバイスはより高い周波数駆動に向けて発展しています。
LiDARアプリケーションの主なソリューション
ROHMは、拡大するLiDARアプリケーション市場に対応するため、LiDARの特性向上のキーパーツとなるレーザーダイオード、GaN HEMT（EcoGaN™）、GaNゲートドライバなどのソリューションを提供しています。
ROHMは独自の特許技術により、高精度な画像が得られる高出力レーザーダイオードの開発に成功しました。RLD90QZW3は、75W製品として、レーザーダイオードの狭発光幅を実現しており、競合製品の290µmに比べて22%縮小された225µmとなっています。高いビーム能力、狭い発光領域、高い光密度を実現し、より高い解像度と広い検出範囲を実現できます。さらに、レーザー波長の温度依存性は競合製品の0.25nm/℃に比べて40%改善され、0.15nm/℃となっているため、狭波長帯域のバンドパスフィルターを使用して狭い波長範囲でのシステム設計が可能になります。これにより、信号対雑音比（S/N比）が向上し、より長い距離にある物体を正確に測定できるようになります。さらに、ローム独自の技術により、PCE（電力光変換効率）も業界トップクラスの21％に達し、消費電力の増加を抑制します。
車載用途では、さらに測距範囲を拡大する必要があり、より高出力の半導体レーザーが強く求められています。そこでロームはRLD90QZW3に加えて、120WクラスのRLD90QZW8も発売し、その定格出力光パワーはRLD90QZW3の1.6倍となっている。 一般的に、出力光パワーを増加させるためには、光源のサイズを大きくする必要があります。RLD90QZW8の光源サイズはRLD90QZW3の約1.2倍です。
車載用途では測距範囲が100m以上となるため、高出力光パワーのレーザーダイオードを選択する必要があり、同時にレンズから出射されるビームの発散角をできるだけ小さく抑えられる光学設計技術が製品に求められます。RLD90QZW8は、120Wの高出力と20度の高速軸発散角を備えた業界初の製品です。ロームは今後も、業界トップクラスの超高ビーム品質技術の優位性を発揮し、高品質なレーザーダイオード製品を通じて画像センシング分野のイノベーションに貢献してまいります。
ロームはこれらの先進技術を活用し、LiDARに用いられるレーザーダイオードのラインアップを拡充し、高出力化の市場トレンドをリードしていきます。ROHMは、製品のパッケージングに加え、金型の提供も行っております。ユーザーはこれをマルチチップパッケージモジュールの開発に適用することで、より特徴的なLiDARシステムを設計できるようになります。
現在、ロームはGaNデバイスの量産体制を確立しています。競合製品に比べ、ゲート・ソース間の耐電圧が8Vに増加し、スイッチング動作時のオーバーシュート破壊のマージンも約30%増加しており、回路設計が容易なデバイスです。また、放熱性の高い表面実装型パッケージを採用しており、実装が容易になっています。パッケージ寄生インダクタンスを従来パッケージより55%低減した構造で、特性劣化を抑制します。
ROHMは、GaN HEMTの駆動に最適な高速ゲートドライバIC（BD2311NVX-C）のサンプル提供を開始しました。BD2311NVX-Cは、入力信号の出力遅延を3.4 ns (ターンオン)/3.0 ns (ターンオフ) に短縮し、GaN HEMT駆動に最適化された高速1チャネル ゲート ドライバです。EcoGaN™と同様に表面実装型パッケージの採用により実装が容易な製品です。
GaN HEMTおよびGaN HEMTドライブ用のゲート ドライバ ソリューションは、GaN HEMTの特徴である高周波駆動を可能にします。LiDARのレーザー駆動だけでなく、GaNデバイスの特長を生かした高周波DC/DCコンバータにも応用できます。
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完全なレーザー駆動リファレンス設計
ロームは、顧客の製品開発を加速させるため、レーザーダイオード、GaN HEMT（EcoGaN ）、GaN駆動用ゲートドライバなど、レーザー駆動に重要な役割を果たすデバイスを組み合わせたREFLD002™リファレンスデザインを開発しました。
一般的に、LiDARレーザーダイオードの駆動には、高速でオン・オフを切り替えることができるGaN HEMTが使用され、方形波または共振波回路で構成されます。方形波回路は、電源に接続されたレーザーダイオードに直列に接続されたスイッチをオン/オフしますが、立ち上がり/立ち下がり時間は半導体スイッチの速度と回路内に形成されるループインダクタンスによって制限されます。高周波駆動回路では共振波回路が一般的ですが、回路定数の設計には高周波の知識が必要です。ROHMでは、両方の回路のリファレンスデザインを開発し、公開しています。設計データ（回路図、PCBガーバー、BOM）や評価データが公開されており、ユーザーはそれを参考にしてリファレンスデザインを自由に変更することができます。また、シミュレーション回路はWeb上で無料で利用できるシミュレーター「ROHM Solution Simulator」上に公開されているため、ユーザーは簡単に両回路をシミュレーションすることができます。回路定数の変更に伴う波形の変化を即座に確認できるため、初期設計検討に活用できます。
リファレンスデザインデータに加え、アプリケーションノート、シミュレーションモデル（SPICEモデル、Rayデータ）、個別製品のPCBライブラリデータもWeb上で公開しています。リファレンスデザイン、リファレンスデザイン回路シミュレーション、製品データを活用することで、設計・評価工数を大幅に削減し、製品の市場投入までのプロセスを加速することができます。
REFLD002は、高出力レーザーダイオードの高速駆動EcoGaNのリファレンスデザインです。™ LiDAR用高速ゲートドライバ。リファレンスデザインには、高速駆動LiDARアプリケーションのキーデバイスであるレーザーダイオードを搭載したREFLD002-1、REFLD002-2と、次世代デバイス「EcoGaN™」（GaN HEMT）を駆動するための矩形波回路や共振回路を含む高速ゲートドライバ（BD2311NVX-C）が含まれており、ADAS LiDAR、産業用LiDAR、スイーピングロボット、無人搬送車（AGV）などの製品に適用できます。
結論
今後、LiDARの応用・導入が拡大していく中、ロームはLiDARの特性向上のキーパーツとなるレーザーダイオード、GaN HEMT（EcoGaN™）、GaN駆動用ゲートドライバなど、さまざまなソリューションを展開しています。ROHMでは、ユーザー向け製品の市場導入プロセスを加速させるため、設計の参考としてリファレンスデザインを導入しています。関連製品の詳細については、次のウェブサイトをご覧ください。 こちら