Optoelettronica: sempre più integrata ed efficiente

L’optoelettronica sta emergendo nell’ambito della tecnologia elettronica come una delle soluzioni più efficaci relativa alle problematiche più impegnative di sviluppo dell’elettronica nel prossimo futuro. Velocità, immunità al rumore, sicurezza, basso costo ed elevato livello di embedding. I componenti optoelettronici, a parte i LED utilizzati in quasi tutte le applicazioni elettroniche, coprono un vasto ventaglio applicativo, dai sensori di immagine (videocamera, scanner biometrici, ecc.) alla connettività tramite fibra ottica, dal sensing infrarosso all’illuminazione (urbana, domestica, automotive), dal sensing RADAR-LIDAR (Light Detection and Ranging) ai Laser.

L’optoelettronica e l’automotive di nuova generazione

Fig. 1 - Il LED ibrido di Osram Opto Semiconductors è un LED innovativo che consente di generare una emissione di luce strutturata con un principio simile a quello di una immagine ove ogni punto luminoso (pixel) viene controllato individualmente

L’illuminazione, nella sua accezione più generale, è alla base del processo di innovazione tecnologica che sta completamente trasformando la natura dell’automobile insieme all’altra componente tecnologica nota come deep learning. L’illuminazione nell’automobile è una componente funzionale strettamente legata alla sicurezza. L’illuminazione tradizionale non è sufficiente a un’efficace visione della scena e per questo motivo l’illuminazione basata sui LED sta diventando prevalente in quanto, oltre ad essere più economica e più ridotta dimensionalmente, è compatibile con la microelettronica che ne consente un controllo molto sofisticato, praticamente impossibile da realizzare con l’illuminazione tradizionale. I fari intelligenti nelle automobili sono infatti il nuovo paradigma dell’innovazione automotive e sono il risultato di una combinazione di matrici di LED, di sensori di luminosità (LED fotosensibili), di telecamere e di potenti MCU che predispongono l’immagine catturata dalla telecamera e l’intensità luminosa catturata dai fotosensori per elaborare una funzione di controllo della matrice di LED al fine di ottenere un’illuminazione ottimizzata relativamente alla scena di visione che il guidatore ha di fronte a sé istante per istante (modello adattivo).

Fig. 2 – Il sistema Eviyos di Osram permette, tramite un sistema optoelettronico avanzato, di gestire l’illuminazione di un veicolo partendo dai dati rilevati direttamente sulla strada

Alla base di questa tecnologia d’illuminazione per l’automobile c’è una nuova tecnologia LED che Osram Opto Semiconductors (Figura 1) ha recentemente sviluppato e denominata Eviyos.

Eviyos consente di generare un’emissione di luce strutturata con un principio simile a quello di un’immagine in cui ogni punto luminoso (pixel) viene controllato individualmente. Dato che ogni pixel/LED può essere controllato individualmente (acceso/spento o modulabile in intensità), il consumo energetico è ottimizzato al massimo possibile ottenendo elevati risparmi energetici, in quanto si illumina solo quanto è necessario (Figura 2).

Il faro intelligente, oltre a illuminare in maniera da consentire una visione ottimale della scena di guida, gestisce in maniera autonoma il controllo dell’illuminazione in funzione dei veicoli provenienti in direzione opposta, evitando l’abbagliamento e l’azione di disinserimento degli abbaglianti, non sempre tempestiva, da parte del guidatore.

Optoelettronica dell’infrarosso

Fig. 3 - LED a elevata potenza in campo dell’infrarosso (Osram Olson Black) integra anche una lente che consente di non aggiungere al sistema finale un ulteriore sistema di lenti rendendo il radar (LiDaR) che lo incorpora ulteriormente compatto ed economico

L’illuminazione nella gamma dell’infrarosso (LED infrarosso) ha una rilevanza applicativa crescente, soprattutto nella lunghezza d’onda di 850 nanometri in ambito automotive, ciò per prevenire delle collisioni con persone e animali da parte dell’autoveicolo e individuabili anche in condizioni di buio assoluto. I sistemi radar all’infrarosso si sono dimostrati più efficienti sia dal punto di vista funzionale, sia dal punto di vista energetico, dato che l’efficienza dei LED a emissione di luce nella lunghezza d’onda dell’infrarosso è stata costantemente migliorata nella produzione di LED IRES dell’ultima generazione.

I diodi laser a infrarossi (Figura 3) sono alla base di un’altra tecnologia radar molto sviluppata in ambito automotive, il LiDaR (Light Detection and Ranging), un sistema di visione radar che utilizza la luce impulsiva di un diodo laser a infrarosso per ottenere immagini della scena anche di tipo tridimensionale.  Osram Opto Semiconductor ha sviluppato diodi laser impulsivi specificamente ottimizzati per lo sviluppo di sistemi LiDaR a basso costo che possano essere utilizzati per lo sviluppo di autoveicoli a guida autonoma economici.

Sensori Time of Flight

I sensori Time of Fligth (ToF) sono una delle più sofisticate implementazioni microelettroniche dell’optoelettronica, che consentono di eseguire misure laser di ranging in sistemi altamente miniaturizzati (Figura a lato). Per esempio, il VL53L0X di STMicroelectronics è un ToF dell’ultima generazione di piccolissime dimensioni (4,4 x 2,4 x 1,0 mm) che integra un laser VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) a 940 nm, un VCSEL driver, un sensore di ranging con una MCU embedded, misura un range assoluto fino a 2 m. Il VL53L0X integra un Single Photon Avalanche Diode (SPAD) che emette una luce completamente invisibile all’occhio umano, ma estremamente efficace nella misura assoluta di prossimità fino a 2 m, dimostrando una elevata immunità al rumore della luce ambiente e al crosstalk ottico dovuto alla lente.

MOEMS, ovvero Optical MEMS

La tecnologia MEMS (Micro Electro-mechanical systems) come è noto ha aperto un mondo infinito di opportunità applicative grazie alla possibilità di integrare in scala microscopica la meccanica. La possibilità di combinare la tecnologia MEMS con quella della micro-ottica ha permesso di creare una nuova tecnologia di miniaturizzazione in campo optoelettronico nota come MOEMS (Micro Optical Electromechanical Systems).

Rispetto alla micro ottica che era già in fase avanzata di sviluppo, la tecnologia MOEMS alla sua introduzione offriva qualcosa di più importante per le applicazioni di elettronica embedded: la replicabilità tipica dei componenti elettronici (IC). I MOEMS, come i MEMS sono diventati componenti di sistema OTS (off-the-shelf) che hanno consentito lo sviluppo di applicazioni non possibili con il livello tecnologico offerto dalla micro ottica: per esempio i Pico-Proiettori integrabili in sistemi ad elevatissimo livello di embedding come gli smartphone (Samsung Galaxy Beam).

Il chip MOEMS digital mirror integra un array di milioni di microscopici specchi (dimensione di 10 micron – un decimo della sezione del capello umano) montati su micromotori che ne controllano in modalità digitale l’inclinazione (0 = -12° di inclinazione – 1= +12° di inclinazione). I microspecchi sono tutti indipendentemente controllabili per modulare la luce in accordo con la codifica binaria dell’immagine ottenendo in tal modo una immagine proiettabile. Ogni microspecchio consiste di una cella di memoria CMOS.

Ogni microspecchio controlla un pixel dell’immagine consentendo 1024 livelli di grigio e 35 trillioni di possibili colori. Le matrici di microspecchi integrabili nei MOEMS sono 1024 x 768 specchi di 16 x 16 micrometri ognuno.

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