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EO LIGHTING - MARZO 2022 XIX LIDAR SYSTEMS stata presa questa decisione e le implicazioni che questa comporta. Il nucleo centrale della discussione ruota intor- no alla fisica di base relativa alle proprietà della luce e dei materiali semiconduttori che costituiscono i componenti utilizzati nei LiDAR. I fotoni emessi dal laser in un sistema LiDAR destinati a rimbalzare sugli oggetti ed essere ricevuti dal rilevatore devono “competere” con i fotoni ambientali prodotti dal sole. Osservando lo spettro della radiazione solare e te- nendo in considerazione l’assorbimento atmosferico, si nota che esistono “buchi” nell’irraggiamento a determi- nate lunghezze d’onda che ridurrebbe la quantità di fotoni che si manifestano sotto forma di rumore per il sistema. A una lunghezza d’onda di 905 nm, la quantità di irrag- giamento solare è superiore di un fattore pari a 3 rispetto a quella a 1.550 nm: ciò significa che un sistema che opera nello spetto NIR deve tener conto di un livello di rumo- re superiore che può interferire con il funzionamento del sensore (Fig. 3). Questo, in ogni caso, è solo uno degli elementi da prendere in considerazione nella scelta della lunghezza d’onda di un sistema LiDAR. Uno sguardo ai sensori I componenti che hanno il compito di rilevare i fotoni in un sistema LiDAR sono differenti tipi di fotorilevatori per cui è importante spiegare perchè essi possono essere co- stituiti da differenti materiali semiconduttori in base alla lunghezza d’onda che deve essere rilevata. In un semicon- duttore le bande di valenza e di conduzione sono separa- te da una banda proibita (bandgap) e i fotoni forniscono l’energia che aiuta gli elettroni a superare questa banda proibita e rendere conduttivo il semiconduttore creando così una fotocorrente. L’energia di ogni fotone è correlata alla sua lunghezza d’onda e la banda proibita di un semi- Fig. 3 – Il grafico dell’assorbimento atmosferico evidenza la presenza di picchi conduttore è legata alla sua sensibilità: questo è il motivo per cui sono necessari differenti materiali semiconduttori in base alla lunghezza d’onda della luce che deve essere rilevata. Il silicio, senza dubbio il materiale semicondut- tore più diffuso ed economico da produrre, è sensibile alle lunghezze d’onda nello spettro del visibile e del vicino in- frarosso (NIR) fino a circa 1.000 nm. Per rilevare lunghez- ze d’onda superiori che si trovano nello spettro SWIR è invece necessario formare una lega di semiconduttori dei gruppi III/V (composti cioè da elementi della terza e quinta colonna della tavola periodica degli elementi) per realiz- zare materiali come l’arseniuro di gallio e indio (InGaAs) in grado di rilevare le lunghezze d’onda della luce da 1.000 a 2.500 nm. I primi sistemi LiDAR utilizzavano come sensori fotodio- di PIN. Poiché questi ultimi non prevedono un guadagno intrinseco, non sono in grado di rilevare in modo sempli- ce segnali deboli. I fotodiodi a valanga (APD - Avalanche PhotoDiode) sono il tipo di sensori più utilizzato negli at- tuali sistemi LiDAR e garantiscono un certo guadagno (qui con guadagno si intende la creazione di più di una coppia di portatori per ogni fotone incidente sulla superficie at- tiva). I fotodiodi a valanga, in ogni caso, devono operare in modalità lineare come i fotodiodi PIN per integrare il segnale prodotto dai fotoni in arrivo. Sono caratterizzati da una scarsa uniformità tra componente e componente e richiedono tensioni di polarizzazione molto elevate. La tipologia più recente di sensori che viene utilizzata in mi- sura sempre maggiore nei sistemi LiDAR viene realizzata sfruttando diodi a valanga a fotone singolo (SPAD – Single Photon Avalanche Diode), caratterizzati da un guadagno molto elevato e in grado di produrre una corrente di uscita misurabile da ogni singolo fotone rilevato. I fotomoltipli- catori in silicio (SiPM - Silicon PhotoMultiplier) sono array di SPAD basati su silicio che hanno l’ulteriore vantaggio di essere in grado di distinguere i singoli fotoni tra più foto- ni attraverso l’esame dell’ampiezza del segnale generato. Nella figura 4 sono riportate le principali caratteristiche dei differenti tipi di fotorilevatori. Tornando al tema relativo all’importanza delle lunghezze Fig. 4 – Le principali caratteristiche delle differenti topologie di fotorilevatori usati per rilevare i segnali in un sistema LiDAR