～ レーザー光源回路の設計負荷削減と測距精度向上に貢献 ～

＜要旨＞
ローム株式会社(本社：京都市)は、レーザー光源用VCSEL(*1)の高出力化により、空間認識・測距システム(TOFシステム(*2))の高精度化を実現する、VCSELモジュール技術を確立しました。

従来、VCSELを採用するレーザー光源では、光源となるVCSEL製品、光源を駆動するMOSFET製品を基板上にそれぞれ個別に実装していました。このとき、製品間の配線長(寄生インダクタンス(*3))が、意図せず光源の駆動時間や出力に影響してしまうため、高精度のセンシングに必要な短パルスかつ高出力の光源を実現するには限界がありました。

今回の新技術では、ロームが開発したモジュール用の新しいVCSEL素子とMOSFET素子を、1パッケージにモジュール化しています。素子間の配線長を極小化したことで、各素子の性能を最大限に引き出し、太陽光による外部ノイズの影響を受けにくくする光源の短パルス(10ナノ秒以内)駆動と、従来構成比で約30%高出力化の両方を達成しました。

実際にこの技術を採用したVCSELモジュールは、レーザー光源(VCSELモジュール)、TOFセンサ(イメージセンサなどの受光センサ)、コントロールICで構成される空間認識・測距システムで評価する場合、TOFセンサへの反射光量も従来構成比で約30%増加させることができるため、TOFシステムの高精度化に貢献することが可能です。

今後ロームは、本技術採用のVCSELモジュールを、高精度のセンシングを必要とするモバイル機器の顔認識システムや産業機器のAGV(無人搬送ロボット)などに向けて、2021年3月までの製品化を目指します。また、車載用LiDAR(*4)などに対応する高出力レーザーの技術開発も進めていきます。

＜背景＞
VCSELは、近年、スマートフォンの顔認証システムやタブレット端末の空間認識システムに、レーザー光源として採用されたことで急速に普及しています。また、分野を問わず、AGVやジェスチャー認識・形状認識を応用した産業用の検査システムなどでも採用が進んでおり、今後ますますVCSELの需要は増大していくと見られています。

その中で、自動化を必要とするアプリケーションにおいては、より高精度のセンシングを実現するために、光源の短パルス駆動と高出力化が求められています。

ロームが、すでに量産しているVCSEL製品をさらに高出力化するために、新たに確立したVCSELモジュール技術は、短パルス駆動と高出力化を同時に達成することで空間認識・測距システムのさらなる高精度化に貢献します。


＜ロームのレーザー光源分野への取り組み＞
ロームは、LEDをはじめファブリペロー型レーザーダイオードやVCSELを開発・提供しており、最近ではプリンタや自動掃除ロボットなどに採用されています。
同時に、さまざまな製品化の際に培ったオプティカルデバイスの開発ノウハウを活かしながら、VCSEL素子の性能を最大限に引き出し、より高出力化するために、VCSELモジュール技術の研究開発に取り組んできました。
ロームは、研究開発により生み出される光源・素子に対して、今回のような応用技術を適用することで、特長あるレーザー光源製品を開発しており、空間認識・測距システムの高精度化に貢献しています。

＜VCSELモジュール技術について＞
本技術は、ロームが開発したモジュール用の新しいVCSEL素子とMOSFET素子を、最適な形で1パッケージにモジュール化することにより実現します。素子の性能を最大限に引き出すため、回路の配線長に比例する素子間の寄生インダクタンスを極小化しており、高速駆動と高出力化を可能にしています。これにより、太陽光による外部ノイズの影響を受けにくくする短パルス(10ナノ秒以内)駆動と、モジュール化していない従来構成と比較して約30%の高出力化の両方を達成しました。
また、本技術は、1パッケージ化による実装面積と回路設計負荷の削減はもちろんのこと、高速駆動や高出力化による駆動効率の向上(より素早く、より低電圧で動作できる)により、アプリケーションの省電力化にも貢献することができます。

＜用語説明＞
*1) VCSEL：
Vertical Cavity Surface Emitting LASER(垂直共振器面発光レーザー)の略称。従来は、通信用途で採用されていたが、近年ではセンシングシステムの発光部光源としても採用されている。

*2) TOFシステム：
TOFはTime of Flightの略で、光源となる光の飛行時間を測ることで距離を割り出し、空間をセンシングする手法。それを用いた空間認識・測距システムのこと。

*3) 寄生インダクタンス：
電子回路の配線長に依存し、エンジニアが意図せず、回路図に現れないコイル成分(インダクタ)のこと。交流などの電気信号を通しにくくする。

*4) LiDAR：
Light Detection and Rangingの略で、TOFシステム(光源およびTOFセンサやイメージセンサ)などを用いて構成され、周囲の状況をセンシングするアプリケーション。