XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Введение

Трехмерное зондирование — это технология пространственного зондирования, позволяющая расширить возможности камеры при распознавании лиц и объектов в приложениях дополненной реальности, играх, при беспилотном управлении и в большом числе других применений. В трехмерном зондировании используются два принципиально разных метода:

Использование структурированного освещения. Когерентное инфракрасное освещение направляется на объект с использованием структурных шаблонов. Отраженный свет декодируется для создания трёхмерного изображения.

Измерение времени прохождения (ToF). Источник света испускает последовательный инфракрасный поток, а разность фаз отраженных от объекта фотонов используется для определения расстояния до объекта.

Основными оптическими устройствами для выполнения 3D сканирования являются устройства на основе диодов, например, с использованием лазерных диодов, светодиодов с высокой яркостью (HBLED) и фотодиодов.

За последние несколько лет достижения в области лазерных технологий, первоначально разработанные для оптической связи, в настоящее время используются в других крупных рыночных вертикалях, включая потребительскую электронику. Наследие поверхностно излучающих лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL,  the vertical-cavity surface-emitting laser) восходит к новаторской работе профессора Iga в середине 1970-х годов, который впервые продемонстрировал структуру устройства. А затем и Jack Jewell и его команды в Bell Laboratories, которые в конце 1980-х годов изготовили матрицу на один миллион VCSEL  на одной подложке.

С тех пор VCSEL были приняты в значительном количестве важных применений, включая освещение для инфракрасной визуализации, тепловой нагрев и отверждение, оптические датчики, атомные часы, кислородные датчики, оптические сенсорные панели, компьютерные мыши, принтеры и системы мониторинга водителей в автомобилях. Они получили широкое распространение в системах оптической связи, а в последнее время и в трехмерном зондировании.

Среди различных новых приложений для VCSEL 3D-зондирование, несомненно, является одним из недавних коммерческих успехов, оказывающих большое влияние на отрасль. С появлением в смартфонах биометрии лица, 3D-зондирование и VCSEL стали частью нашей повседневной жизни. Многие из достижений, достигнутых в технологии VCSEL за последние пять лет, были вызваны спросом известных брендов в области бытовой электроники, которые интегрируют 3D-камеры в свои смартфоны и планшеты.

Полупроводниковые лазеры для трехмерного зондирования

Поскольку VCSEL и лазеры с краевым излучением расширяют возможности портативных устройств, автомобильного сектора и других областей, становится все более важным понимать различия между этими вариантами лазеров.

Выпуск Apple iPhone X в ноябре 2017 года с аутентификацией «Face ID» по распознаванию лиц выявил разрушительный потенциал трехмерного зондирования с помощью мобильных устройств. Внезапный переход в трехмерном зондировании в мобильных устройствах вызвал беспрецедентный спрос и новый рынок для лазеров с вертикальной полостью и поверхностной эмиссией (VCSEL); и, в более общем плане, для полупроводниковых лазеров GaAs / AlGaAs ближнего инфракрасного диапазона, лежащих в основе этих систем. И хотя полупроводниковые лазеры с краевым излучением (EELs) уже служат традиционным промышленным и телекоммуникационным рынкам, их самый быстрый рост в будущем может быть достигнут в трехмерном зондировании, причем львиная доля уходит на мобильную электронику.

Компактные, эффективные, с узкой и стабильной шириной линии (в отличие от привычных светодиодных источников света, уже встроенных в смартфоны), современное поколение полупроводниковых лазеров GaAs / AlGaAs соответствует потребностям этого растущего рынка, а также других основных областей, таких как автономное зондирование транспортных средств.

1. VCSEL и EELS

Полупроводниковые лазеры InGaAs / AlGaAs бывают трех типов: VCSEL и два типа EEL. VCSEL, как следует из его названия, излучает вертикально, перпендикулярно плоскости устройства, благодаря зеркалам резонатора, выращенным внутри самого эпитаксиального материала. Круговой луч VCSEL имеет числовую апертуру (NA) примерно 0,2 или полный угол примерно 25 градусов.

Для сравнения, EEL имеют эллиптическое излучение с аналогичным произведением NA x * NA y , но с пучком, выходящим параллельно плоскости устройства из отколотого зеркала. Два подтипа EEL, EEL с распределенной обратной связью (DFB) и EEL Fabry-Pérot (FP), имеют общие общие черты, за исключением того, что DFB включают встроенную в структуру решетку длины волны, аналогичную VCSEL.

Все полупроводниковые лазеры требуют как электрического, так и оптического ограничения, обеспечиваемого размещением активного слоя между материалами с более низким показателем преломления. Для EEL несущее и боковое оптическое ограничение могут быть достигнуты несколькими способами (например, через гребенчатый волновод), чтобы уменьшить эффективный показатель преломления. Для VCSEL окисление эпитаксиальной структуры является стандартным методом обеспечения электрического и бокового оптического ограничения для приложений передачи данных. За прошедшие годы этот метод был усовершенствован и оказался чрезвычайно надежным и технологичным. Одним из преимуществ, которые привели к быстрому внедрению VCSEL, является то, что каждый излучатель (или массив излучателей) может быть изготовлен и испытан до нарезки пластин. Для сравнения, EEL требуют раскалывания с последующим диэлектрическим покрытием для формирования зеркал перед обжигом или испытанием. Возможность изготовления и тестирования до нарезки пластин дает преимущество для потребительских приложений с огромными рампами объема (потенциально более 100 миллионов единиц в год), поскольку упрощает внутреннюю сборку и потребности в капитале.

2. Преимущество узкой ширины

Важным фактором для оценки этих лазеров для рынка трехмерного мобильного зондирования является способность работать на улице, в условиях солнечного освещения и при различных температурах. Здесь ключевым отличием как для VCSEL, так и для DELB EEL является решетка, зависящая от длины волны, встроенная в резонатор лазера, которая вызывает генерацию только на этой конкретной длине волны. Решетка также уменьшает сдвиг длины волны с температурой примерно до 0,07 нм / ° C - почти на порядок лучше, чем номинальный дрейф 0,3 нм / ° C для сопоставимого лазера на FP EEL, который не имеет этого элемента решетки. (Светодиоды изменяют длину волны в зависимости от температуры и также страдают от ширины линии более 150 нм, что ограничивает их применение в мобильных устройствах для вспышки камеры.) Важность стабилизации решетки для VCSEL и DELB EEL становится ясной в контексте конкретных приложений, таких как трехмерный датчик на смартфоне. Влага из атмосферы поглощает солнечный свет в нескольких диапазонах длин волн, включая диапазон 940 нм, представляющий наибольший интерес для этих датчиков. Полосовой фильтр, установленный над датчиком, отражает нежелательный фоновый свет для улучшения отношения сигнал / шум (SNR) для датчика. Полоса пропускания фильтра должна учитывать все изменения длины волны, включая изменение встроенной пластины, дрейф длины волны во всем температурном диапазоне, а также производственные допуски на длину волны диэлектрического фильтра. Для DELB EEL и VCSEL, которые стабилизированы решеткой, как изменение встроенной пластины, так и дрейф длины волны в зависимости от температуры значительно ниже, чем для диодов FP. Соответственно, DFB и VCSEL могут использовать полосовой фильтр с шириной примерно 25 нм, тогда как для лазера FP требуется фильтр с шириной полосы около 50 нм. Эта разница ослабляет пропускание солнечного света с 0,55 в FP до 0,4 в других типах лазеров благодаря лучшему перекрытию с минимумом пропускания, обеспечивая дополнительное снижение шума. (Как примечание стороны, преимущество термостабильности для лазеров, стабилизированных решеткой, становится еще большим для применений, связанных с автомобильным рынком, где температуры колеблются от –40 до 125 ° C, по сравнению с 0 до 70 ° C для мобильных сред.) Первоначально приложения для смартфонов предпочитали диодную подсветку с длиной волны от 830 до 850 нм из-за более высокой чувствительности детекторов CMOS и CCD на этих длинах волн. Однако атмосферное поглощение солнечного света при 830–850 нм значительно снижается, что ухудшает SNR. Из-за отсутствия Al в активном слое, диоды 940 нм обеспечивают более высокую надежную мощность, что обеспечивает достаточное преимущество смещения. Таким образом, клиенты переходят на более длинные волны как для VCSEL, так и для EEL, и эта тенденция, вероятно, сохранится.

Надежность EEL InGaAs / AlGaAs давно доказана с момента первого развертывания EEL 980 нм в качестве накачки для оптических усилителей в подводных волоконно-оптических кабелях. Со стороны VCSEL изначально было опасение, что окисленные слои конструкции будут создавать напряжения и дефекты, снижая надежность. Однако годы широкомасштабного развертывания VCSEL в центрах обработки данных на короткие расстояния ослабили эти опасения. А, в связи с недавним распространением технологии распознавания лиц в трехмерных сенсорах в мобильных телефонах статистика развертывания на местах, собранная с сотен миллионов массивов VCSEL, подтвердила их надежность.

3. Мощность, дальность и чувствительность архитектуры

Полупроводниковый лазер, наилучшим образом приспособленный для трехмерного мобильного зондирования, также зависит от расстояния, которое должен пройти датчик, и от выбора трехмерной сенсорной архитектуры для работы. В то время как излучатели VCSEL для передачи данных требуют мощности менее 10 мВт, для распознавания лиц требуется несколько ватт пиковой мощности. Для этого может быть изготовлено несколько сотен отдельных излучателей VCSEL, образующих единый массив, в котором все излучатели или их секции электрически соединены параллельно. Типичная матрица VCSEL имеет диодную площадь 0,5–1 мм 2., в том числе излучатели и накладки. Произвольные шаблоны могут быть легко созданы литографически для создания различных местоположений и размеров излучателей и массивов. С другой стороны, для достижения той же производительности на системном уровне микросхемы DFB обычно составляют примерно половину размера матрицы VCSEL, и для создания дифракционных оптических элементов (DOE) требуется только один излучатель в одном пространственном режиме. Шаблон вывода, который значительно упрощает оптический дизайн.

Фронтальная: дальность < 1 м

Наиболее успешной технологией для фронтальных камер с расстояниями применения менее 1 м является «структурированный свет», при котором точечные узоры освещаются на объектах. (Другой подход, «активное стерео», представляет собой потенциальную гибридную конструкцию, которая дополняет структурированный свет стереоскопическим зрением.) Первым примером потребительского трехмерного датчика на основе структурированного света была система, разработанная Primesense для консоли Microsoft Kinect, которая использовал одномодовый лазер Фабри-Перо для освещения нескольких ДО. Совсем недавно массив VCSEL заменил диод FP EEL. Обе конструкции успешно устранили передачу нулевого порядка, что является проблемой для безопасности глаз.

Направленный на мир (или обращенный назад): радиус действия ~ 5 м

Высококачественные телефоны следующего поколения будут также включать трехмерное зондирование, расположенное на задней панели, с расстояниями до 5 м (например, для обнаружения и измерения объектов в комнате). Однако для достижения того же разрешения на большем расстоянии требуется значительно больше энергии, и риски для безопасности глаз становятся более неприятными. Одним из особых преимуществ всех EEL в этих приложениях является их собственная яркость излучения, которая может помочь расширить диапазон чувствительности. Исходя из компромиссов между стоимостью, размером и производительностью, обнаружение расстояний в этом диапазоне, будь то в мобильных или других приложениях, может отдать предпочтение архитектуре обнаружения, отличной от структурированного света, определения времени полета (ToF). ToF модулирует лазерное излучение от источника матрицы VCSEL и сравнивает временную задержку между исходящим и входящим оптическими импульсами для вычисления расстояния. Архитектура ToF упрощает требования к освещению, поскольку диодная матрица функционирует аналогично монохроматической лампочке, а техническая нагрузка перенаправляется на детекторы (например, матрицы CMOS и CCD) для разрешения и чувствительности.

Вывод

Каждое новое поколение VCSEL разработано так, чтобы оно было быстрее, эффективнее и надежнее предыдущего. Значительные инвестиции в инновации позволили увеличить технологическую платформу GaAs до 150 мм, что является современным уровнем техники. Следующие пять лет принесут еще больше инноваций, поскольку спрос на VCSEL будет еще больше расти, что обусловлено растущими потребностями в полосе пропускания для центров обработки данных, облачных вычислений и беспроводной связи 5G, а также внедрением трехмерного зондирования в захватывающих новых приложениях, таких как дополненная реальность.

Список литературы:

Статья «Полупроводниковые лазеры для трехмерного зондирования»

Статья «Достижения VCSEL: эффективность преобразования энергии VCSEL повышается до 45%»//http://лазер.рф/2020/03/11/16123/

Статья «Использование 3D сканирования повышает надежность распознавания объектов и лиц с помощью камер»//https://ru.tek.com/application/3d-sensing

Код для цитирования: Скопировать