VCSEL在智能手机等领域的应用

VCSEL在智能手机等领域的应用陈磊王凤玲张秋波一.以VCSEL为核心的3DSensing摄像头近年来，智能手机领域相关技术更新迭代十分迅速，由于人们的日常需求逐渐提高，手机的拍照，感应，识别等功能尤其受到关注，故手机摄像头用量提升的趋势仍处于加速态势，特别是3D摄像头等新创新的使用也将为手机摄像头领域提供增益，尤其以VCSEL激光器为核心关键元器件的3DSensing摄像头在iPhoneX机型上的应用，将带动相关市场迎来一轮爆发。而随着苹果新机型的创新应用量产之后，将带动国内市场的全面启动，以华为，OPPO,VIVO等国产品牌为首的高端机型将快速响应与普及，从而进一步扩大VCSEL的需求量。1.3DSensing摄像头3DSensing摄像头相比于传统摄像头除了能够获取平面图像以外，还可以获得拍摄对象的深度信息，即三维的位置及尺寸信息，其通常由多个摄像头+深度传感器组成。3D摄像头实现实时三维信息采集，为消费电子终端加上了物体感知功能，从而引入多个“痛点型应用场景”，包括人机交互、人脸识别、三维建模、安防和辅助驾驶等多个领域，3DSensing摄像头让交互方式从平面变成了立体。而3DSensing摄像头产业链与传统摄像头产业链相比主要新增加红外光源+光学组件+红外传感器等部分，其中最关键的部分就是红外光源。图一：因特尔公司研发的RealSense3D摄像头架构2.VCSEL作为红外光源的优势目前，可以提供800-1000nm波段的近红外光源主要有三种：红外LED、红外LD-EEL（边发射激光二极管）和VCSEL（垂直腔面发射激光器）。早期3D传感系统一般都使用LED作为红外光源，但是随着VCSEL技术的成熟，性价比已经接近红外LED，除此之外，在技术方面，由于LED不具有谐振腔，导致光束更加发散，在耦合性方面很差，而VCSEL在精确度、小型化、低功耗、可靠性全方面占优的情况下，现在常见的3D摄像头系统一般都采用VCSEL作为红外光源。而与传统边发射激光器相比，VCSEL在光束质量、与光纤耦合效率、腔面反射率上都具有较大优势，且因为VCSEL发射光线垂直于衬底而边发射激光器发射光线平行于衬底，因此VCSEL能够实现二维阵列而边发射激光器不行。下图为三种光源的比较图：图二：VCSEL与LED光源性能对比图图三：VCSEL与边发射激光器对比图从近两年上市的具有3D摄像头的产品也能看到，红外光源由LED向VCSEL转变是必定趋势。从2016年意法半导体及AMS旗下Heptagon发布的光学模块新产品来看，均采用VCSEL作为红外线光源，且消费级产品联想Phab2ProAR手机与IntelRealSenseSR300包括iPhoneX均采用了VCSEL作为红外光源。3.VCSEL产品目前VCSEL领域主要厂商共有5家，分别是Lumentum、Finisar、II-VI、PhilipsPhotonics和HLJ华立捷。下图为各个公司的代表产品：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。