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VCSEL-TOF測量解決方案
VCSEL（Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，垂直共振腔表面放射激光）是一種垂直于襯底面射出激光的半導體激光器，有區別于傳統的邊發射半導體激光器如F-P激光器(法布里-珀羅激光器)、DFB（分布式反饋激光器）。當前以砷化鎵半導體為基礎材料的VCSEL居多，發射波長主要為近紅外波段，其可以在襯底上多個方向上排列多個激光器，從而形成并行光源或者面陣光源，是光纖通信或者光感測領域的主要光源之一。
VCSEL集高輸出功率、高轉換效率和高質量光束等優點于一身，相比于LED和邊發射激光器EEL，在精確度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占優勢。
IR LED、EEL、VCSEL出光質量比較
一、工作原理
VCSEL結構一般由上、下布拉格反射鏡(DBR)和中間有源區三部分組成，2.其典型的外延結構如下圖所示從下到上依次是襯底、N型接觸層、N型DBR、量子阱有源區、P型DBR、P型接觸層。其中有源區為器件最重要的組成部分，由于VCSEL腔長極短，需要腔內有源介質對激射模式提供較大的增益補償。
典型VCSEL結構剖面示意圖
VCSEL 器件有兩種基本結構，一種是長一層增透膜以提高激光光束質量，最后將增：采用MOCVD 技術在N型GaAs 襯底上生長而成，以DBR 作為激光腔鏡，量子阱有源區夾在N-DBR 和P-DBR 之間。另一種是底發射結構，一般用于產生976-1064nm 波段，通常將襯底減薄到150μm 以下以減少襯底吸收損耗，再生長一層增透膜以提高激光光束質量，最后將增益芯片安裝在熱沉上。
激光器就是利用半導體中的電子光躍遷引起光子受激發射而產生光振蕩器和光放大器的總稱，其產生激光同樣要滿足以下三個基本條件：
1、建立有源區內載流子的反轉分布；
2、合適的諧振腔使受激輻射在其中得到多次反饋形成激光振蕩；
3、提供足夠強的電流注入使得光增益大于或者等于各種損耗之和，滿足一定的電流閾值條件。
二、測量方案
n TOF（Time of flight）飛行時間法
TOF飛行時間法是一種深度信息測量方案，主要由紅外光投射器和接收模組構成。因為其原理簡單，精度達到厘米級，具有儀器體積小、測程遠、功耗低、測量快速、易于實現、抗干擾能力強等優點。對于工業應用與技術研究而言有著重要的意義，得到了廣泛的應用。例如，iPhone 12手機的TOF相機，能實現拍攝時的人像3D建模，輔助成像算法、還有測距儀、Face ID人臉識別解鎖的功能；掃地機器人的自動避障、汽車上的激光雷達、無人駕駛功能都應用到了TOF技術。時至今日，連門鎖、筆記本電腦都出現了TOF的身影，未來TOF能夠突破性的將現實世界物體、人像、空間虛擬化，必將是5G移動互聯網最重要的應用場景之一。下面就對TOF的基本原理展開描述。
TOF原理
TOF技術是將時間維度的信息轉換為空間維度信息的方法，基本原理是通過連續發射光脈沖到被測物體上，然后接收從物體反射回去的光脈沖，通過探測光脈沖的飛行（往返）時間來計算被測物體離探測器的距離。
其本質原理是我們在小學時就學過的公式：距離 = 速度 * 時間
所以只要測定出光的運動時間，就能測出其飛行距離。自然界有很多動物天生就具備類似的能力，最典型的就是我們熟知的蝙蝠和海豚。它們都能夠通過發出特定頻率的聲波并捕捉回聲，進而判斷前方物體的距離。
蝙蝠回聲定位
海豚回聲定位
但聲波的傳播速度為340米/秒，而光在真空中的速度是299792458米/秒，使用激光去測量距離響應更快。利用這個信息，以及光飛行的時間，就可以求出光源和目標之間的距離。
搭建實驗光路如下圖所示，控制兩個高速PD到光源的距離相等，這時探測到的響應時間是一致的，把測試高速PD后移30cm（光走過路程多 30cm），探測到的響應時間就差距1ns。
VCSEL-TOF測試方案（TOF飛行時間法）整體實物圖
? 實驗光路
步驟1：
TOF飛行時間法測量原理圖1
步驟2：
TOF飛行時間法測量原理圖2（測試高速PD后移30cm）
? 實物展示
TOF飛行時間法測量實物圖1
TOF飛行時間法測量實物圖1（測試高速PD后移30cm）
? 數據說明
飛行時間測試-原始光路測試數據
飛行時間測試-測試高速PD后移30cm后測試數據
在實際使用中，通常由激光發射器同時發射兩束激光驅動脈沖。其中一束用于產生計時起始信號，時間測量電路接收到起始信號時開始計時；另一束驅動激光器發射激光至目標表面，由目標反射后回到回波檢測電路并由回波檢測電路產生計時結束信號，時間測量電路接收到計時結束信號時停止計時。最終根據時間測量電路計時結果并結合激光飛行速度計算距離。激光飛行時間測量值是測距誤差的主要來源，所以高精度的探測器尤為重要。
萊森光學高速PD帶寬范圍≥1.4 GHz，可以檢測從恒定光到高速上升時間低至 280 ps 的光信號，可以精確捕捉到飛行時間。高速激光光譜功率積分球測試儀由萊森光學專門針對高速激光雷達發射VCSEL激光測試而設計，不需要進行復雜的LIV、PCE功能測試分析和研發，該系統性價比高，且小型化、輕量化，小體積，方便安裝，特別適合于工業用戶和自動化集成廠商。
n 高速納秒級激光峰值功率測量
萊森光學高速PD帶寬范圍從 DC 到 1.4 GHz，可以檢測從恒定光到高速上升時間低至 280 ps 的光信號，測試功率范圍3-1500mW，光譜范圍320-1000nm，可以檢測ns級別的脈沖激光功率。高速激光光譜功率積分球測試儀由萊森光學專門針對高速激光雷達發射VCSEL激光測試，不需要進行復雜的LIV、PCE功能測試分析測試研發而成，該系統性價比高，特別適合于工業用戶和自動化集成廠商。小型化、輕量化，小體積，方便安裝。根據VCESL/LD的發散角和輸出功率要求，可選擇不同規格的積分球，積分球內徑尺寸分為：1/2吋、1吋、2吋、4吋、3吋、6吋、8吋等。
高速納秒級激光峰值功率測量方案整體實物圖
? 實驗光路
高速納秒級激光峰值功率測量原理圖
? 實物展示
高速納秒級激光峰值功率測量局部圖
高速積分球功率探頭局部圖
高速功率探頭實物圖
型號 | LS-HPD200-DS | LS-HPD200-UV |
上升沿時間 | < 175 ps | < 175 ps |
帶寬 | > 2.0 GHz | > 2.0 GHz |
光譜范圍 | 320 - 1100 nm | 170 - 1100 nm |
量子效率（峰值處） | 85% | 85% |
敏感區 | 400 / 0.126 μm / mm2 | 400 / 0.126 μm / mm2 |
噪聲等效功率 | 1.5 ×10-15 W/√Hz | 1.5 ×10-15 W/√Hz |
暗電流 | 0.001 nA | 0.001 nA |
材料 | Si | Si |
光學入口/光窗類型 | Diffuse，quartz | Diffuse，quartz |
射頻輸出連接器類型 | BNC | BNC |
? 數據說明
峰值功率測試數據
? 方案技術參數
名稱 | 技術參數 | |
高速PD | 波長范圍 | 320-1000nm |
帶寬 | ≥1.4GHz | |
上升時間 | ≤280Ps | |
傳播延遲 | ≤750Ps | |
功率量程 | 3-1500mW | |
積分球 | 尺寸 | 0.5-2吋 可選 |
采樣口徑 | 5-85mm可選 | |
積分球是否支持遠程操控 | 支持 | |
是否配FC/SMA轉接頭 | 是 | |
光譜儀
| 光譜范圍 | 200-1100nm（可選） |
波長精度 | ±0.1nm | |
光譜分辨率FWHM | 0.1nm | |
示波器 | 帶寬 | 6 GHz |
通道 | 4 | |
采樣率 | 20 Gsample/s | |
最大存儲深度 | 2 Gpts | |
光路模塊 | 導軌、升級臺、分光鏡、光學支架、光纖、底座、光學治具等 | |
驅動源表 | 脈沖電流表 | |
n 平均功率測量
脈沖激光的平均功率可由脈寬、峰值功率、周期算出。在實現納秒級激光功率測量的同時，它還可以集成iSpec-VCS-IND光譜功率積分球測試儀監測激光平均功率，比較高速PD與光譜功率積分球測試儀兩者測量結果可以檢驗測量結果是否準確。
iSpec-VCS-IND光譜功率積分球測試儀支持在線集成測量和機臺集成商二次開發，可實現連續和脈沖激光功率（光譜峰值功率、平均功率）、光譜峰值波長、FWHM、占空比等功能的測量。可以設置采用頻率，PD和光譜儀觸發同步測量。可選配溫度控制模塊，控溫范圍5℃~95℃。同時配有NIST溯源標定，根據DUT發散角和功率大小，可選擇1吋- 8吋不同尺寸激光功率積分球。
? 實驗光路
n平均功率測量實驗光路示意圖1
平均功率測量實驗光路示意圖2
? 實物展示
一體式激光功率光譜測量儀
分體式激光功率光譜測量儀
? 技術參數
型號 | iSpec-VCS-IND |
功率測量范圍 | ≤100W（更大范圍可選配） |
光譜儀光譜范圍 | 200-1700nm（可選） |
光譜儀分辨率（FMHM） | 0.1-0.3nm（800-1100nm） |
功率光譜范圍 | 350-1100nm/800-1700nm |
功率準確性 | ≤1%@940nm |
光譜波長準確性 | ±0.1nm（800-1100nm） |
積分球 | 1吋/2吋/4吋/6吋/8吋 |
最高采樣速率 | 1MS/s |
電流范圍 | 10pA --20mA |
最小分辨率 | 100pA |
電流精度 | ±0.05% |
AD分辨率 | 16bit |
溫控溫度范圍 | 5℃-95℃（可選項） |
控溫精度 | ±1℃ |
控制接口 | USB/GPIO/TRI |
尺寸/重量 | 440*272*124mm /10.3kg |
三、應用領域
隨著VCSEL芯片技術的成熟，以其作為核心元件的3D Sensing走入應用，在活體檢測、VR（虛擬現實）/AR（增強現實）/MR（混合現實）技術、人臉識別、虹膜識別、汽車自動駕駛、智能設備的3D感測、3D成像、物聯網、數據中心/云計算、手勢偵測以及機器人識別和機器人避險、自動駕駛輔助等應用領域得到發展。
3D成像
汽車自動駕駛
3D檢測行人和車輛規避風險
智能設備的3D感測-掃地機器人
人臉識別
虹膜識別
手勢偵測
物聯網-客流統計分析系統
VR（虛擬現實）/AR（增強現實）/MR（混合現實）技術
蘋果iPad Pro中的VCSEL
數據中心/云計算
第一顆由量子技術控制的衛星計劃于2027年發射到太空
當我們進行VCSEL-TOF測量時，配件的選擇同樣不可小覷。整套解決方案的每個部分都和測量結果的可靠性和準確性密切相關。接下來我們就VCSEL-TOF測量解決方案光譜配件進行詳細分析。
? 激光功率積分球：
主要針對激光進行設計，是測量激光光輻射總功率的理想選擇。得益于激光功率積分球獨特的幾何結構，激光束功率測量不會受到激光束的偏振和校準的影響。激光功率積分球能夠滿足用戶在VCSEL、激光功率測量、激光和激光二極管輸出特性檢測等應用方面的需求。
萊森光學激光功率積分球需要搭配萊森光學功率主機和LiSpecView-VCS光譜功率測量軟件實現光譜功率測量，用戶也可以靈活搭配自己的電流表進行功率測量。
? 高分辨率光譜儀：
LiSpec-HR系列高分辨率光譜儀采用了2048/4096像元CMOS探測器，其獨有的大焦距光學平臺設計，使得信噪比更高，速度更快，可靠性穩定性好，更適合于高分辨率光譜波長的檢測，同時結構緊湊、具有雜散光低及良好的熱穩定性，最短積分時間可達0.5ms高速測量，抗干擾性能強
光譜儀可根據不同應用需求配置不同的光柵實現不同光譜范圍應用，同時可以搭配不同光學附件以實現吸光度、透反射、熒光、LIBS、輻射測量等應用CMOS探測器正在逐步發展并替代CCD，可以應用于激光和LED等光源波長的表征，等離子氣體放電、LIBS激光誘導、原子發射元素光譜測量等方面，非常適合工業和科研應用領域。
? NF近場/FF遠場測試
NF 近場特性測試可實時監測光點數統計、壞點/異常點標記，各發光點光功率一致性統計、光束束腰直徑、近場發散角、光束質量因子M2；
FF 遠場特性測試可測量光斑發散角和能量空間分布，進而計算光斑準直度和對稱度，可測量光斑在不同距離的能量密度，用于激光安全性評價。
近場測試模塊原理 遠場測試模塊原理
若您想對萊森光學關于NF近場特性測試/FF遠場特性測試的產品應用有更深入透徹的了解認識，可跳轉以下鏈接進行閱讀。
VCSEL/LD近場測試系統：http://www.tl20191.com/vcsel/ldjcclxt/751.html
VCSEL/LD遠場測試系統：http://www.tl20191.com/vcsel/ldycclxt/752.html
推薦：
iSpec-VCS-IND光譜功率積分球測試儀
iSpec-VCS-IND光譜功率積分球測試儀由萊森光學專門針對VCSEL/LD工作頻率要求不高，不需要進行復雜的LIV、PCE功能測試分析測試研發而成，該系統性價比高，特別適合于工業用戶和自動化集成廠商。
LS-VCS-NF近場測試系統
隨著物聯網、AI、5G技術的發展，VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直共振腔表面放射激光）技術作為3D成像和傳感系統的核心技術，目前在人臉識別、3D感測、汽車自動駕駛、手勢偵測和VR(虛擬現實)/AR(增強現實)/MR(混合現實等應用領域越來越受到關注。LS-VCS-NF近場測試系統是直接耦合成像鏡頭和光路模塊的一體化設計，可實時監測光點數統計、壞點/異常點標記，各發光點光功率一致性統計、光束束腰直徑、近場發散角、光束質量因子M2等。
LS-VCS-FF遠場系統
LS-VCS-FF遠場系統由萊森光學專門針對VCSEL遠場測試研發，可測量光斑發散角、DIP（光斑中心凹陷）和能量空間分布，進而計算光斑準直度和對稱度，可測量光斑在不同距離的能量密度，用于EC-60825-2激光人眼安全評測。
