现代化3D感测应用依赖于垂直腔面发射激光器(VCSEL)的性能和精确性
1960年,来自美国加州马里布市(Malibu)休斯研究实验室(Hughes Research Laboratories)的Theodor Maiman在一个由合成橡胶和照相闪光灯组成的圆柱体上制造出了世界上第一台激光设备。1虽然阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)早在1917年就在他的受激发射理论中描述过该概念,但直到数十年之后,随着微波光谱学在20世纪50年代的发展,Charles Townes和Arthur Schawlow才对这一概念进行了详细的验证。2他们凭借1958年发表的一篇论文获得了“辐射受激发射光放大”装置(即激光器)专利。
激光的一大特征在于它的一致性,这意味着激光二极管发出的波长在空间和时间上都是同相的。这使得激光器通常是单色的,并且功率非常高,同时也更加危险,因为它们可以在非常小的区域上储存大量的能量。如今,激光器在市场上以及我们的日常生活中无处不在,从光纤通信、眼科矫正手术到超市扫描仪,应用范围十分广泛。
Logitech MX3是使用近红外激光感测进行操作的最新计算机鼠标型号之一。
垂直腔面发射激光器(VCSEL)
1977年,Kenichi Iga发明了第一台垂直腔面发射激光器(VCSEL)。在接下来的十多年里,来自贝尔实验室(Bell Labs)的Jack Jewell等人进一步开发了这项技术。自此以后,VCSEL在许多工业、商业和消费类设备应用中变得无处不在,特别是在依赖于近红外光(NIR)的3D感测领域。
VSCEL由在外延基板上作为单个晶圆生长的半导体材料层组成。每个VCSEL二极管在平行于晶片表面的两层布拉格反射镜(分布式布拉格反射镜,“DBR”)之间产生光线,形成带有多个量子阱的空腔或谐振器区域。不同于边缘发射激光二极管(EEL)(光线从芯片的边缘出射),这种单片式激光谐振器将光线垂直发射到半导体芯片的表面。尽管这种垂直发射架构可以产生较低功率的光线,但VCSEL的光束质量通常高于EEL或用于NIR近红外光感测应用的LED,这是为了实现更佳的性能和可靠性而进行的权衡。/p>
VCSEL、EEL和LED光源在光束方向和空间光分布方面的比较。(图片: 来源)
垂直设计架构具有多种优点:“VCSEL可以提供直接发射、高功率密度和简单封装的一致光线。相比EEL,VCSEL结构更易于装配……而相比边缘发射器,VCSEL的简单光束结构极大地降低了耦合/光束整形光学元件的复杂性和成本,并提高了效率。”3
典型的VCSEL结构:两个分布式布拉格反射器(DBR)层,两层之间包含量子阱,从该装置的顶部发射光线。(图片:Osram)
VCSEL具有许多不同的使用方式,其中一些最常见的应用是在精密感测和高速通信领域。事实上,VCSEL已经在“3D感测、激光雷达(LiDAR)、自动驾驶和制造、高速数据通信、激光打印机、光学鼠标和智能手机”4以及生物医学、气体感测和高速计算等领域占有一席之地。这种多用途性推动了VCSEL市场的繁荣,据预计,VCSEL的市场规模将从2020年的11亿美元收入增长到2025年的29亿美元收入(该期间内的复合年增长率为23.7%)5,增加近两倍,到2027年将超过50亿美元收入。6
生产中的VCSEL晶圆片。(图片:Photonics Media)
VCSEL 3D感测应用
基于VCSEL的感测系统已广泛应用于面部和手势识别、眼动追踪和虹膜检测、激光雷达和自动驾驶车辆感测、驾驶员监控系统和乘员监控系统(DMS和OMS)以及用于手势和运动控制的多模态感测领域。VCSEL成为3D感测应用首选技术的原因之一在于,其可用于飞行时间(ToF)测量。ToF设备发射一束近红外光,测量信号从光源(比如:VCSEL或LED)发射出来至信号被物体反射后返回之间的时间间隔。
返回的信号将被NIR近红外光相机捕获。发射与返回之间的时间差是信号的“飞行”时间,其表示物体的距离。这种深度测量可以实现对物体的3D测量,比如人脸(用于面部识别应用)或道路上的障碍物(用于车载激光雷达应用)。
使用近红外光发射器(比如:VCSEL)进行飞行时间测量图示。
在飞行时间(ToF)应用中,VCSEL具有“快速扫描、较长的工作距离、高效率以及出色的抗环境光干扰能力等优点。在3D深度检测模块中,VCSEL允许进行波长、亮度、大小和光束角度选择,以满足特定的应用需求。”7
来自Lextar的VCSEL PV88m,用于3D深度检测,可进行调节,以实现适当的波长、亮度、尺寸和光束角度(45°-100°范围内)。(图片:©Lextar)
需要对VCSEL发射器进行测量以确保精确性和安全性
在3D感测应用中,通常使用波长为810 nm-940 nm的VSCEL发射器。然而,这些波长的近红外光对于人眼是不可见的,长时间暴露可能会对人眼造成损伤。因此,需要特别小心,以确保激光的发射在预期的性能参数范围以内。
VCSEL设备制造商在生产过程中必须使用测试设备,以确保近红外光强度和分布的准确性。瑞淀提供专为在实验室和生产线使用而设计的NIR近红外光测量解决方案,以确保这些发射器的一致性和质量。
VSCEL测量解决方案
瑞淀光学系统的NIR近红外光辐射强度测量镜头系统是一种一体化的相机/镜头解决方案,可测量近红外光发射器(包括VCSEL和LED)的角度分布和辐射强度。该系统使用傅里叶光学元件,可通过单次测量采集到±70度范围内的完整数据锥体,非常快速地提供极其准确的结果,是生产线上质量控制的理想选择。
瑞淀的近红外光VCSEL发射器和LED测量解决方案:将NIR近红外光辐射强度测量镜头与ProMetric® Y-16辐射计搭配使用。
3D感测技术制造商可以采用NIR近红外光辐射强度测量镜头解决方案,直接对近红外光LED、激光器和由衍射光学元件(DOE)产生的结构光模式进行角度测量。该镜头安装在瑞淀光学系统ProMetric® Y16 成像辐射计上,并配备ProMetric 或TrueTest™ 软件,可实现直观的系统设置和可定制的自动化测量序列。
TT-NIRI™ 软件测试套件提供针对近红外光发射测量的额外测试。用户可以在数秒钟内对测试进行定序,以快速评估显示器的所有相关特性,并可将多个选定的测试应用于相机采集的单个图像。用于近红外光分析的独特测试包括:
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近红外光发射器的角度分布,由NIR近红外光辐射强度测量镜头通过单个图像采集,并以TT-NIRI分析软件生成的伪彩色(热图)极坐标图显示。
在人类身上及其周围使用的眼动追踪、面部识别、车载激光雷达等应用必须进行严格的测试,以确保符合行业标准。瑞淀的测量解决方案可以对近红外光光源的输出进行表征,为制造商们提供有用的数据,用于根据行业标准测试这些光源。
使用NIR近红外激光发射器进行3D感测的新一代设备需要采用新的产品质量测试方法,以确保性能和精确性。瑞淀的NIR近红外光辐射强度测量镜头解决方案在速度、尺寸和软件方面具有显著的优点,可以对3D感测系统进行精确测量。
引用文献
- “A History of the VCSEL”, Photonics Media, May 18, 2020.
- “This Month in Physics History: December 1958: Invention of the Laser”, American Physical Society (APS) News, Vol. 12, No.11, December 2003.
- Emilio, M., “Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers Hit the Target for Depth Detection,” EETimes Europe, January 1, 2020.
- Ahmed, F., “Low-Powered VCSELs Find a Wide Variety of Uses, Photonics Spectra, December, 2018.
- “VCSEL Market by Type (Single-mode, Multimode), Material….and Geography – Forecast to 2025”, Markets and Markets Report, April 2020.
- Wadhwani, P., and Yadav, S., “VCSEL Market Size Worth Over $5bn by 2027,” Global Market Insights, February 1, 2021.
- Emilio, M., “Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers Hit the Target for Depth Detection,” EETimes Europe, January 1, 2020.