LiDARシステムを冷却し続ける方法

LiDAR（ライダー：光検出と測距）は3Dでの物体検出と測距を行う地図作成技術です。これはレーザーパルスの光が物体に反射し戻ってくる時間を測ることで距離を測定しようというものです。熱管理はほとんどのレーザーシステムで重要であり、LiDARレーザーも同様です。LiDARシステム内で安定な温度が性能を最適にするうえで重要で、温度がバラつくとレーザーの波長が変化するため測距の誤差が大きくなります。過熱するとレーザーの性能が劣化し、信頼性が低下します。もし熱を適切に管理しなければ部品の故障にもつながります。そのシステム設計や、必要な消費電力、動作環境、意図した使い方などにもよりますが、LiDARシステムでは最適性能と精度を維持するため積極的な冷却ソリューションが要求されるものもあります。

LiDAR技術は広い範囲の応用機器に使われる　*AI生成された画像（Bingのコパイロットから）

LiDARシステムの部品

LiDARシステムは光源として半導体レーザーを使います。半導体レーザーは動作中にかなりの量の熱を発生します。特に高い周波数でパルスを発射するときや高出力レベルで動作するときには発熱します。半導体レーザーの性能は、温度が推奨温度範囲を超えると即座に劣化します。LiDARシステムでは15℃～35℃（59℉～95℉）が推奨温度範囲です。温度が変化するとレーザー波長が変わり、出力パワーやビーム品質、スペクトル幅、コヒーレンス長に悪影響を及ぼし、測距の誤差を大きくしホッピングが増えてしまいます。

熱の複雑さが加わると、データ収集回路や信号処理回路、制御回路などを含む部品が動作中に発熱します。効率の高い冷却ソリューションは、過熱を防ぎ、これらの部品の信頼性の高い性能を確保するのに欠かせません。

LiDARシステムではまた、レンズやミラー、光検出器などの光学部品も熱に敏感です。熱が揺らぐと、部品が膨らんだり収縮したりしますのでアラインメントミスにつながり測定精度に悪い影響を及ぼします。これらの影響を最も小さくするために熱を能動的に安定にする技術が必要になります。

冷却技術の要求

LiDARシステムはさまざまな環境状態で使われることがよくあります。極端な温度や湿度、さらにはゴミやデブリなどの環境です。冷却ソリューションは、いろいろな環境条件でも最適な動作温度を維持できるほど十分頑丈でなければなりません。システム性能や信頼性に妥協できないからです。厳しい環境に晒される応用機器としては次のような応用があります：

• 自動車
  自動運転車やADAS（先進ドライバー支援システム）に使われるLiDARは、車体上に取り付けられることがよくあり、変わりやすい環境状態にさらされます。レーザーや関連する電子回路が発する熱は、太陽光のような外部要素と結びついて、温度の揺らぎにつながり、システム精度と信頼性に悪影響を及ぼします。
• 航空および国防
  厳しい製造現場や鉱業、森林などに使われるLiDARの部品は、十分な熱を発生するため、最適性能を維持し損傷を防ぐことが重要になってきます。
• 航空および国防
  無人飛行体（UAV）や衛星、軍用偵察機などは熱問題に直面しています。高度での飛行や急激な温度変化、強烈な放射線などに晒される可能性のある所で動作するためです。
• 大気調査
  LiDARシステムは、大気の調査や気象、環境モニターなどに使われて、さまざまな気候や高度の所で動作する可能性があります。そこでは、温度の違いが測定精度に影響します。熱管理は、正確なデータ収集や測定器の安定性を確保するのに重要です。
• 長距離測定
  地形図の作成や都市計画、地質調査のような長距離に渡るスキャニングができるように設計されたLiDARシステムは、高出力レーザーや高度な光学系を必要とします。これらの部品から発生する熱を管理することはビーム品質を維持し、熱による歪みを避けるためにとても重要です。

冷却ソリューション

LiDARシステムの設計者は、熱に弱い部品をスポットで冷却するためのTEC（熱電冷却器）を選択する人が多いです。LiDARシステムではTECは半導体レーザーに直接接触させて実装することができます。こうすると半導体レーザーとTECとの熱を効率よく移動させることができます。TECは半導体レーザーからの熱を吸収し汲み出しますので、安定な動作温度を維持できるようになります。必要なら、TECをレンズやミラー、光検出器のそばにおいて熱を除去することもできます。

ペルチェ冷却器として知られる熱電冷却器は、丈夫な固体冷却デバイスですので、環境条件が変化しても、重要な部品の温度を調整できます。熱電冷却器は小型・軽量でエネルギー効率の高い冷却ソリューションで、LiDARシステムの信頼性高い動作を可能にします。かさ張るような大きな外部冷却装置は必要ありません。

レアードサーマルシステムズの「熱管理の達人」のようなツールは、今日では使える道具であり、設計エンジニアが最適な熱電冷却器ソリューションを選択するのを即座に支援します。もしQcの要求仕様がわからないなら、半導体レーザーの冷却計算器は、最初の絶好の場所です。

もし探しているものをすでに知っているのなら、広範囲の標準TECソリューションから選ぶことができます。
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結論

効率の良い放熱特性を持つLiDARシステムを設計すると、熱の問題を和らげ、全体の性能と信頼性を向上させます。正確な温度制御と小型でエネルギー効率の高い冷却ソリューションが求められるような広い範囲のLiDAR応用機器では、TECは大きなメリットを与えられます。TECは、消費電力が低く、小さな形状で使えますので、従来の冷却方法が使えなかったり信頼できなかったりするような厳しい環境でも、レーザー光源や光学系アセンブリなどの重要な部品の温度安定性を維持します。