Los láseres de emisión superficial de cavidad vertical

Los sensores de tiempo de vuelo (ToF) se usan poco a poco más para una serie de aplicaciones de control dentro del vehículo, como la monitorización de la dirección de la mirada y la situación de la cabeza del conductor. Existen múltiples fuentes de luz que pueden usarse en los sistemas TOF para la supervisión en el interior, siendo los diodos transmisores de luz (led) y los láseres transmisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL) 2 de las primordiales soluciones.

Conceptos básicos sobre el tiempo de vuelo

Un dispositivo ToF es un sensor que advierte longitudes de onda de luz. Las ondas de luz se modulan a altas frecuencias -en el rango de los MHz inferiores y superiores- y se reflejan en un objeto de interés. Una fracción de la señal original se devuelve al sensor y se procesa. El tiempo de viaje desde el transmisor al objeto y de vuelta al receptor quiere decir que esa señal reflejada está desfasada respecto a la señal de modulación. El desplazamiento de fase es asimismo proporcional a la distancia, y esto deja determinar la distancia del sensor TOF al objeto.

La señal TOF se emite en rachas, y cada racha contiene pulsos modulados con diferentes fases. Esto deja quitar los cortes y la vaguedad de las lecturas. Las rachas más cortas dismuyen el desenfoque de movimiento a través de una mayor relación señal/ruido. Las más largas aumentan la cantidad absoluta de la señal de retorno, como el alcance y la detectabilidad de objetos poco reflectantes en ciertos casos.

Pese a los beneficios de los sistemas ToF, prosiguen existiendo ciertos desafíos inherentes. El alcance de detección de los sensores ToF depende tanto de la frecuencia de modulación del dispositivo como de la relación señal/ruido. Tras chocar con el objeto, la intensidad de la señal reflejada reduce con el cuadrado de la distancia, con lo que son más precisos a distancias más cortas. El estruendos de los sensores ToF procede de fuentes intrínsecas, como el estruendos del sensor y el de la iluminación.

Melexis ha presentado últimamente los sensores ToF MLX75027 VGA y MLX75026 QVGA , que pueden lograr resoluciones más altas y menos equívocas a grandes distancias usando frecuencias de modulación más bajas. Además de esto, los sensores han sido certificados para su empleo en rangos de funcionamiento desde -cuarenta a ciento cinco °C, lo que los hace convenientes para aplicaciones de automoción. Mas no solo el sensor es esencial en estas mediciones. Otro componente vital es la unidad de iluminación, consistente en los componentes transmisores de luz y el circuito conductor electrónico que los acompaña.

Administrando los desafíos de la iluminación

La unidad de iluminación en los sensores ToF es vital, y si se escoge el componente conveniente, puede asistir a superar el estruendos de iluminación presente en ciertas lecturas. Las fuentes de luz infrarroja (IR) ofrecen el mejor desempeño. Hoy día hay 2 tecnologías de luz IR de estado sólido que compiten entre sí y de las que merece la pena charlar. Se trata de los led y los VCSEL. Como cualquier tecnología, las dos opciones tienen ventajas y desventajas inherentes.

Por una parte, los led son una tecnología más vieja, con lo que están más maduros. No obstante, se ha hecho un enorme esmero para fabricar en masa los VCSEL. Conque, ahora, las dos son capaces de integrarse a gran escala en aplicaciones de alta tecnología. Las dos tecnologías asimismo muestran capacidades de accionamiento de corriente afines, y como el patrón de iluminación de un VCSEL es «afín al de un led», la seguridad ocular de las dos tecnologías es equiparable.

Los LEDs tienen ventajas sobre los VCSELs en ciertas áreas. El primero es el costo. En la actualidad, los led son más asequibles de fabricar que los VCSEL. Incluso de esta forma, los sacrificios de fabricación en masa de los VCSEL hacen bajar el costo, y esta ventaja se está reduciendo poco a poco más, hasta el punto de que posiblemente haya que comprobarla pronto. Los LEDs asimismo se comportan mejor tratándose de la estabilidad de la potencia de salida, en tanto que la salida de un VCSEL es un cincuenta por ciento más sensible a la temperatura.

Asimismo existen algunas ventajas que los VCSEL tienen sobre los led. Una de las primordiales ventajas de emplear VCSEL es su inmunidad a la luz solar. La luz ambiental (como la luz solar diurna y los faros) puede interferir con los dispositivos de seguimiento basados en led, puesto que marchan en un extenso fantasma. Como los VCSEL operan en un fantasma más estrecho, se puede emplear un filtro fantasmal más fino, lo que deja acrecentar la relación señal-estruendos, la sensibilidad y la resistencia a las condiciones ambientales variables, como las asociadas a la conducción.

Si bien los LEDs están más maduros, los mejores dispositivos VCSEL que existen en nuestros días ofrecen mejores eficiencias que los mejores LEDs. Si bien los led tienen una mayor amplitud fantasmal, la estabilidad fantasmal de los VCSEL en un rango de temperaturas más extenso es mucho mejor. Finalmente, los VCSEL tienen un tiempo de subida y bajada considerablemente más veloz, con lo que pueden lograr una resolución considerablemente mayor que los led.

Si bien las dos fuentes de iluminación tienen sus ventajas, tratándose de aplicaciones de monitorización en interior del vehículo, los beneficios de los VCSEL superan a las de los led. Por lo general, esto es debido a que los VCSEL tienen un fantasma de salida estrecho, un bajo factor de temperatura fantasmal y una enorme capacidad de modulación.

Selección de un supervisor VCSEL

Tratándose de escoger la electrónica de supervisor de iluminación ideal para su aplicación, hay múltiples factores que debe estimar, y todos son esenciales.

La primera consideración (y una de las más esenciales para la monitorización en el habítáculo) es revisar que el driver VCSEL está cualificado para el campo de la automoción. Existen múltiples drivers ToF en el mercado, mas poquísimos de ellos son para automoción. El driver de Lumentum es una solución calificada para aplicaciones de grado automotriz, mas el empleo de un circuito de accionamiento con componentes prudentes para automoción es una solución opción alternativa.

Otra cosa que hay que tener en consideración es el plazo de entrega, y lo idóneo es que sea corto. Existen algunos componentes libres en el mercado -desde condensadores hasta diodos y transistores de efecto de campo (FET)- que son para automoción. Si se emplean componentes de simple adquisición, se puede diseñar y fabricar un prototipo de iluminador en poquitas semanas. Asimismo deseará revisar que el sistema que edifique pueda aguantar frecuencias de modulación de hasta 100MHz.

Otro aspecto que hay que tomar en consideración es la flexibilidad del diseño. El empleo de componentes prudentes puede ofrecer una mayor flexibilidad y se puede amoldar a diferentes requisitos de diseño. Estos sistemas pueden amoldarse a las condiciones de conducción, la corriente de pico o bien la manera del pulso. El empleo de arquitecturas modulares deja personalizar sencillamente los tiempos de subida y optimar la eficacia energética del conductor. Además de esto, si se emplean componentes reservados en vez de un driver de un solo chip, con frecuencia se puede lograr un mejor desempeño merced a que el circuito de accionamiento tiene una menor resistencia. En el caso de las aplicaciones de automoción, esto se puede emplear para amoldar el driver de forma que pueda supervisar corrientes de pico más altas.

Puesto que el componente de iluminación IR es una parte vital de los sistemas de sensores ToF, es esencial seleccionar un sistema con las peculiaridades de longitud de onda convenientes para la aplicación prevista. Esto incluye determinar la emisión fantasmal adecuada, el filtrado óptico y las peculiaridades de amplitud que bloquearán la radiación solar de fondo en el vehículo, en tanto que la radiación solar en la cabina cambiará en diferentes géneros de automóviles.

Finalmente, con cualquier instrumento en el que haya una fuente de iluminación, la seguridad de los ojos es esencial. La normativa del láser debe aplicarse conforme con la regla de seguridad láser IEC sesenta ochocientos veinticinco-1:2014. Este es un área compleja de navegar, mas resumiendo, existen muchos aspectos que deberá estimar. Entre ellos, la clase de seguridad del láser, el brillo de la fuente, la manera de la fuente de luz y de qué forma se visualiza en la retina del ojo de una persona, el brillo de la luz en diferentes ángulos, el diámetro de la pupila del ojo de las personas que emplean el instrumento (las pupilas más anchas dejan pasar más luz), la longitud de onda del láser, las distancias máxima y mínima de la fuente y la potencia media del láser (aun cuando el láser es pulsado).

Control del conductor en el habitáculo

Hay múltiples áreas en las que los sistemas VCSEL de ToF pueden emplearse para inspeccionar al conductor en los habitáculos de los vehículos para asistir a suministrar un mayor nivel de comodidad y seguridad. Por una parte, estos sistemas pueden usarse para supervisar los niveles de distracción del conductor y advertir la somnolencia. Por otra parte, exactamente el mismo sensor puede usarse simultáneamente para inspeccionar de forma directa la cabina y medir la situación de la cabeza y el cuerpo para el control del airbag. Exactamente el mismo sensor asimismo puede efectuar funciones auxiliares, como el control de los ademanes. De esta forma, si bien estos sistemas de sensores pueden usar una sola cámara o bien una serie de cámaras, solo se requiere un solo sistema de sensores para la supervisión simultánea del conductor y del habitáculo.

Mayor seguridad para todos

La combinación de sensores ToF para controlar el interior del vehículo y el conductor simultáneamente y la capacidad de advertir objetos enormemente reflectantes y no reflectantes deja que el conductor se sienta considerablemente más seguro mientras que está en la carretera. Estos sistemas no solo dependen de la sensibilidad del propio sensor, sino más bien de la eficiencia de la fuente de iluminación. Si bien los led existen desde hace más tiempo, los beneficios que ofrecen los VCSEL son mucho mayores y, puesto que se han dedicado muchos sacrificios a la fabricación de VCSEL a gran escala, pronto habrían de ser la opción clara asimismo desde el punto de vista económico, y no solo desde la perspectiva del desempeño.