VCSEL在智能手机等领域的应用.docx
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VCSEL在智能手机等领域的应用
VCSEL在智能手机等领域的应用
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图四:
VCSEL厂商代表性VCSEL产品
从图中可以看到,大部分VCSEL产品波长都在860nm左右,而实际上各大公司已经研发了940nm波长的VCSEL产品。
相比于860nm波长的VCSEL,940nm波长VCSEL具有以下几个方面优势:
(1)测距从840nmVCSEL的最大40cm提升至最大2m,使人脸识别,手势识别等应用更加方便;
(2)由激光器所发射的940nm的波段在环境中数量很少,继而发出的光受到的干扰很小,测量精度会有较高提升;
(3)感应速度有较大提升。
图五:
第一代(860nm)与第二代(940nm)VCSEL产品测距和测量范围比较
二.VCSEL在手机AR功能与投影领域的应用
AR即增强现实技术,它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术,是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过电脑等科学技术,模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验。
而AR最核心技术在于光学,尤其是激光技术,无论是手势识别、三维重构还是成像,光学技术都是决定性基础。
除了3D摄像模块,最关键的就是光学成像模块。
例如微软公司的HoloLens配备两块光导透明全息透镜,虚拟内容采用LCoS(硅基液晶)投影技术,从前方微型投影仪投射至光导透镜后进入人眼。
图六:
HololensAR眼镜的LCoS微型投影仪
LCOS(液晶覆硅技术)是小型化AR头显的关键技术之一。
三片式的LCOS成像系统,首先将投影光源发出的白色光线,通过分光系统系统分成红绿蓝三原色的光线,然后,每一个原色光线照射到一块反射式的LCOS芯片上,系统通过控制LCOS面板上液晶分子的状态来改变该块芯片每个像素点反射光线的强弱,最后经过LCOS反射的光线通过必要的光学折射汇聚成一束光线,经过投影机镜头照射到屏幕上,形成彩色的图像。
目前在投影光源上主要有LED和激光两种方案,由于激光在光束质量、亮度、功耗和使用寿命上无可比拟的优越性,将是未来的发展方向。
以色列Lumus的AR眼镜也采用了微型投影技术,成像关键部件由微型投影仪、光导元件(LOE)和反射波导组成。
植入眼镜的微型投影仪(例如激光投影)将图像画面进行投放,通过光导元件、反射波导形成全反射。
图七:
LumusAR眼镜也采用了微型投影技术
综上,微投成像和3D摄像将是未来AR产业两大核心技术,以VCSEL为代表的半导体激光器件将成为AR光学技术的最基础部件,引领消费电子光学时代。
而随着投影显示技术的发展,人们对投影系统的亮度、解析度、色彩丰富性的要求将会越来越高,光源作为投影系统的重要部件,其发光特性将直接决定投影系统质量。
激光光束色度、照度高度均匀,具有亮度高、单色性好、波长固定等传统光源无可比拟的优势,未来取代LED成为微型投影模块、投影仪、投影电视等设备光源将是大概率事件。
目前,激光显示技术主要有三基色纯激光、荧光粉+蓝光、LED+激光混合光源三种技术,对比来看,三基色纯激光优势较为明显。
三基色激光被业界视为最正统的激光光源,其具有色域广、光效高、寿命长、功耗低、一致性好、色温亮度可调、稳定、安全可靠免维护、应用灵活等优点。
图八:
三基色纯激光显示原理示意图
技术进展来看,红光激光二极管技术(包括VCSEL红光阵列)发展已经十分成熟,蓝光激光二极管价格尚高,绿光激光二极管则还有待发展。
从已披露专利来看,目前已有“红光VCSEL阵列+蓝光VCSEL阵列+绿色全固体激光器”的解决方案,VCSEL单元用于发出圆化激光光束,经过微透镜阵列准直化后作为R、B光输出。
此外,采用VCSEL面阵可以减少VCSEL激光器之间的干涉性,弱化激光散斑,从而提高投影显示质量。
图九:
采用VCSEL作为蓝光/红光阵列,单元光束经微透镜准直化后输出
三.VCSEL在激光雷达领域的应用
日本汽车电子厂家日本电装近期公布了对Trilumina公司的战略投资,该公司主要进行针对雷达设备的高功率VCSEL阵列开发,而这些雷达设备主要面向辅助驾驶和无人驾驶应用。
在CES2017上,Trilumina公司展示了自己基于VCSEL阵列的256像素3D激光雷达解决方案,如若进展顺利,公司开发的光源模块将高清和远距离传感器功能整合进小尺寸、稳定且具成本效益的包装中,可取代目前应用于自动驾驶汽车示范项目的大尺寸、高成本扫描激光雷达。
图十:
Trilumina公司基于VCSEL阵列的激光雷达
图十二:
激光雷达感应周围车距、三维重建
四.总结+思考
消费级、工业级应用市场拓展将带来VCSEL市场跨越式增长。
根据研究机构MarketsandMarkets的预测数据,VCSEL的市场空间预计在2020年将达到约21亿美元。
随着苹果等大客户导入基于VCSEL光源的3D摄像头方案,其他厂商高端智能机以及AR产品将迅速跟进,加上VCSEL阵列技术在激光雷达领域逐渐渗透,未来市场空间将远不止于此。
故必须不断研究并改进VCSEL的结构与工艺,使其达到更适宜的输出功率与输出波长,更低的功耗等,从而扩大应用范围与应用深度。
1.结构方面
普通VCSEL具有多横模激射以及偏振方向不稳定等缺点,因此要想使VCSEL能够在传感器领域使用,就需要改善VCSEL的横向模式、实现激光器基横模工作。
一种方案是采用光子晶体垂直腔面发射激光器。
在光子晶体VCSEL中,光子晶体空气孔结构会对器件的横模引入模式损耗,由于不同阶横模分布位置不同,进而引入的损耗也不相同,高阶横模由于引入模式损耗较大而被抑制,基横模由于引入损耗较小而易于激射。
因此,将光子晶体空气孔结构可以有效的控制VCSEL的模式,使器件工作在基横模状态,从而获得更小的远场发散角、更均匀的光强分布、更窄的光谱线宽。
图十三:
光子晶体VCSEL
(a)(b)(c)
图十四:
光子晶体VCSEL(a)850nm波长PC-VCSEL示意图(b)PhC-VCSEL俯视图(c)刻蚀孔的SEM图
2.安全方面
目前应用VCSEL的领域,无论是智能手机的3D摄像头、AR眼镜与微型投影仪还是激光雷达等,都与人眼关系密切,因此用眼安全也存在问题。
当前常用的850nmVCSEL并不处于绝对安全的波段,且人眼结构将导致此种影响指数级扩大。
激光对于人眼的伤害一般来说对比皮肤表面的伤害要更加显著。
辐射波长在400nm以上到700nm的可见光波,会穿透眼睛的视网膜、水晶体和玻璃体,主要对眼睛的视网膜造成伤害。
近红外波段(780~1400nm)也会造成白内障、视网膜损伤。
但辐射波长在400nm以下以及1400nm以上的激光,几乎都被晶体吸收了,所以不会造成眼球内部的伤害。
图十五:
安全的波长在小于400nm,大于1400nm处
图十六:
不同辐射波长聚焦在眼睛的位置
如上图所示,940nm左右波长的VCSEL在相邻波段吸收最少,相对安全,但仍有损伤。
因此,如何调整VCSEL结构与整个激光系统结构使之对人眼伤害降到最低,又能保持良好的性能,仍然值得研究。
3.其他方面
观察发现,目前许多VCSEL器件都需要要与微型准直透镜和衍射光学元件(DOE)组合使用,以达到应用目的。
是否能改进VCSEL结构,使其更容易与其他元件组合,从而进一步减小整个器件体积。
另外,市面上的AR眼镜都存在一个问题,即视角太小,是否能通过优化VCSEL结构与性能,使其适应整体架构,从而增大视角。
还有,为了进一步提高以VCSEL为核心的3D摄像头与其他设备的感应速度和准确度,如何提升VCSEL的调制速度与输出功率仍然需要研究。