用于三维深度探测的垂直腔面发射激光器

文章作者:M. Di Paolo Emilio

现代工业应用越来越需要先进的传感器、高性能的硬件和软件。根据应用领域的不同，不同的技术被专门和建立起来。手势控制、运动监测和距离测量、质量控制、对象识别、产品缺陷检测、安全、人机交互是一系列应用的例子，各种解决方案已经被实施。

垂直腔表面发射激光器（VCSEL）技术逐渐成为采用TOF（飞行时间）测量的3D传感器市场的主要趋势，因此由于快速扫描，长距离，高效率和优异的抵抗力等优点环境光。VCSEL器件主要适用于3D深度检测模块的光源的发射，提供具有不同波长，亮度，尺寸和光束角度选择的解决方案。

ToF型3D摄像机通过调制光源来“照亮”场景。传感器检测反射光脉冲，将它们转换为电信号，并将它们传输到ToF处理器，ToF处理器测量发射光和反射光之间的相位滑移，这是一个参数，它可以推断出物体的距离。

VCSEL已经成为短程数据通信网和局域网的参考技术，从而取代了边缘发射激光器。它的成功主要归功于VCSEL较低的生产成本和与竞争对手相比更高的可靠性。

VCSEL技术

垂直腔面发射激光器(VCSELs)是一种相对较新的激光器类型，它由一层一层生长在外延衬底(Epi)上的半导体材料组成。这种生长通常通过分子束(MBE)或MOCVD(金属有机化学气相沉积)技术在外延中进行。然后晶圆片被相应地加工以生产单个的器件。

VCSEL中的激光束是在两层分布布拉格镜(distributed Bragg reflector, DBR)之间产生的，这两层分布布拉格镜平行于二极管基部的半导体晶片表面，并被一个或多个负责“产生”光束的量子阱隔开。

每个DBR镜子由薄层的交替构成（每个DBR镜的交替由具有高且低折射率的材料制成的薄层：这种配置确保了高反射率指数（约99％以防止约30标准激光器的百分比，更大的电效率。结果，光垂直于层振荡，并从装置的顶部（或底部）出来。

VCSEL提供直接发射的相干光，具有更高的功率密度，并且具有类似器件的简单封装。与电鳗(边缘发射激光器)相比，它的结构更容易组装。椭圆型的FP-EEL(法布里-珀罗边缘发射激光器)和DFB激光器的半径形状为圆点。这种简单的光束结构大大降低了耦合/波束整形光学(涉及边缘发射器)的复杂性和成本，并提高了与光纤或其他介质耦合的效率。这是VCSEL技术在低电力市场的一个优势。

VCSEL技术的优势可以总结为以下几点:

• 波长稳定性:VCSEL中的激光波长是非常稳定的，因为它已经被法布里-珀罗腔设定为一个固定的值。与边缘发射器不同，垂直致发射器只能在单一的纵向模式下工作。
• 高温操作：VCSEL器件可以在没有冷却系统的情况下运行，因为它们可以操作高达80°C。结果，所需的冷却系统可以是小，稳健和便携的。
• 成本:通过使用简单的制造，与等效的边缘发射棒相比，封装VCSEL阵列变得容易得多。

应用程序

ToF技术可以应用于不同的部门:从汽车到工业和消费部门。应用程序可以专用于手势控制(脸，手，手指)，游戏机，智能电视，或便携式计算设备。

在汽车行业，这些激光的使用将增加激光雷达系统和先进的驾驶辅助系统的下一代自动驾驶汽车。乘员监控系统将作为一种先进的车载摄像头，让车辆了解司机和乘客的位置、尺寸和活动。基于飞行时间的测量(ToF)和3D扫描，这些系统可以实时改变驾驶舱，从使小乘客的安全气囊失效到在事故发生时对汽车内部进行预调整(图1)。

图1:汽车VCSEL激光雷达[来源:ams]LIDAR是一种光学检测技术，可以通过用激光束照射它们来测量附近物体的距离和方向并检测物体的反射。光发射的脉冲击中物体，反射并返回到接收器检测到返回光脉冲的激光雷达系统。知道时间允许您计算距离。

VCSEL设备可以识别人类并检测其高度，允许监控老年人/儿童。此外，对于检测驾驶员疲劳，VCSEL器件可以检测对疲劳的反应，包括闭孔，头部弯曲，提高驾驶员的安全性。

设备

Lextar.vcsel pv88m系列组件用于3D深度检测，提供各种波长，亮度，尺寸和光束角度选择（45°至100°）的产品。通过驾驶员的面部识别，可以应用该系列来检查车辆的安全性。此外，它能够识别和检测人类高度，适合监测老年人/儿童，检测老年人的跌落（图2）。

图2:VCSEL PV88M[来源:Lextar]司机分心是在谈到道路事故时关注的重要原因。语音识别技术类似于计算机和智能手机中使用的技术，允许使用语音命令来控制其他数字系统。然而，它的范围非常有限，仍然是司机分心的迹象。

欧司朗光电半导体提供其VCSELBidoS®PLPVQ940A产品系列，为3D检测等新的应用领域铺平了道路。该器件用作光源，均匀地用红外光照射面，作为具有用于捕获用户的显着功能的相机的检测器。然后将图像与存储在系统中的用户的图像进行比较：如果两个匹配，则设备将解锁。

Ams VCSEL技术包括外延结构和芯片设计与前端和后端信号处理。Ams VCSELs可在150°C的环境温度下工作。

的装置Finisar HVS7000产品系列旨在集成光学器件，是AECQ和JEDEC资格，在-40°C至+ 125°C的温度范围内操作。Vertilite提供广泛的VCSEL产品，包括CAS8502W。典型的应用包括ToF、汽车传感和红外照明(图3)。

图3：在智能手机中应用VCSEL [来源：finisar]德州仪器已经开发了一个系统（芯片组），可以集成到新的3D成像设备中。它包括基于软孔的深度技术的TOF类型3D传感器，其支持高于50 MHz的调制频率，并提供高信噪比（SNR）。VL53L0X传感器非常高级，并集成VCSEL激光驱动器，SPAD二极管读数和设备管理部件，包括I2C接口的校准，测量和数据转换。下图显示了传感器的框图（图4）。

图4:VL53L0X的框图[来源:ST Microelectronics]结论

VCSEL所发射的光具有单色性、均匀稳定性、均匀照度、高亮度等特点。VCSELs将成为增强现实行业的重要组成部分，并将成为消费电子时代的领导者。光源将直接决定投影系统的质量。