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深圳海納光學(xué)有限公司
主營(yíng)產(chǎn)品： 激光護(hù)目鏡，可飽和吸收鏡，衍射光學(xué)元件，光束整形器，太赫茲透鏡，太陽(yáng)能模擬器，太赫茲相機(jī)，激光測(cè)量?jī)x，離軸拋物面鏡，微透鏡陣列 |
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多光束光斑分析儀在3D感應(yīng)系統(tǒng)，面部識(shí)別方面的應(yīng)用
2020-6-12 閱讀(469)
普通光束分析儀一般情況下一次只能測(cè)量一個(gè)光束。然而，隨著新技術(shù)的發(fā)展對(duì)光斑分析儀提出了更高的要求。例如激光二極管的市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，像手勢(shì)識(shí)別，自動(dòng)駕駛，高性能激光器等許多新興應(yīng)用都是基于多光束并行發(fā)射的概念，并行發(fā)射的實(shí)現(xiàn)則需要由很多個(gè)激光器組成，并都從一個(gè)晶片發(fā)射出來(lái)。例如蘋(píng)果的新款iPhone10，其發(fā)射了約30,000個(gè)光束點(diǎn)并將其投影到用戶(hù)的臉部，而反射的信息被接收后再重建3D臉部特征以進(jìn)行識(shí)別。另一個(gè)例子是垂直表面發(fā)射激光器VCSEL系列，由于使用功率低，已經(jīng)迅速成為世界上較*的技術(shù)之一。
目前，這些新技術(shù)在光源的光束的均勻性，光束輪廓特性（如平頂或高斯），熱穩(wěn)定性，單芯片輸出功率＞1 kW / cm 2等性能方面都需要嚴(yán)格評(píng)估。對(duì)于所有這些應(yīng)用，不僅要測(cè)量陣列的總輸出功率，而且還要測(cè)量給定芯片上每個(gè)VCSEL激光器的相對(duì)發(fā)射水平和光束分布，這一點(diǎn)是十分重要的。在這個(gè)多光束器件行業(yè)當(dāng)中，一個(gè)芯片內(nèi)部可以含有一到兩個(gè)激光器，還可以將三萬(wàn)多個(gè)激光器密集地封裝在一個(gè)芯片內(nèi)。
分束器DOE在高功率激光器的分束中表現(xiàn)出非常重要的地位，甚至被行業(yè)專(zhuān)家認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的關(guān)鍵器件。一臺(tái)高功率激光器可以分為多束激光，能夠并行地執(zhí)行材料的處理，直接將傳統(tǒng)激光器設(shè)備的加工效率成倍提高。下圖展示了將一個(gè)光束分成多個(gè)光束的典型案例。
圖1：高功率硬焊分束器與一分十六光束的分束器
VCSEL陣列技術(shù)允許將多個(gè)激光器封裝在一個(gè)芯片上。在這種情況下，VCSEL的輸出激光可以按大小進(jìn)行線(xiàn)性縮放，每一個(gè)激光器都是相互獨(dú)立且特性基本相同的。芯片上的激光器越多，其輸出功率就越大，將它們?nèi)窟B接到同一個(gè)電源上會(huì)導(dǎo)致它們?nèi)坎⑿邪l(fā)射，要是將它們連接在不同的電源上就可以產(chǎn)生不同的模式。但是，也會(huì)有一些負(fù)面作用例如溫度升高，幾何形狀不正確和不規(guī)則，這些將會(huì)導(dǎo)致各種激光以不同的能量和發(fā)散來(lái)發(fā)射。一臺(tái)好的VCSEL光束分析儀可以并行分析多個(gè)不同的信號(hào)源，并即時(shí)分析比較VCSEL激光的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的輸出。
各種應(yīng)用對(duì)激光測(cè)量提出了一個(gè)很高要求，以提供一種敏捷，準(zhǔn)確的光束測(cè)量技術(shù)，來(lái)同時(shí)并行測(cè)量幾束到幾千束的激光光束。每束激光均可進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量分析，以便得到它們之間的相對(duì)強(qiáng)弱或相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系，這些多光束光斑分析儀都應(yīng)覆蓋較寬的光譜范圍和較大的功率跨度。
為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，深圳海納光學(xué)專(zhuān)業(yè)代理的DUMA廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)了一種高分辨率光束輪廓儀Beamon U3（2.4兆像素，尺寸為11x7mm），用于實(shí)時(shí)分析平行激光的輪廓。該設(shè)計(jì)允許根據(jù)所要測(cè)試的芯片，來(lái)靈活地選擇要測(cè)試的激光數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率光束輪廓的分析。使用快速激光輪廓儀，該技術(shù)適用于批量生產(chǎn)和過(guò)程檢驗(yàn)。為了應(yīng)對(duì)測(cè)量大功率激光的挑戰(zhàn)，DUMA特制了衰減器和光束采樣器，滿(mǎn)足各種大功率測(cè)試的需求。
圖2：用BeamOn U3大功率光束輪廓儀測(cè)試典型高功率VCSEL陣列的2D與3D圖
如圖2所示，典型的單芯片激光器陣列應(yīng)該進(jìn)行測(cè)試，并且與上文所述的各種參數(shù)做對(duì)比。此外，遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)也應(yīng)該被測(cè)試，這可以通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)：將聚焦透鏡安裝到光束輪廓儀上，并在透鏡處于無(wú)限遠(yuǎn)位置時(shí)進(jìn)行測(cè)量，然后聚焦在芯片的表面上。另外，對(duì)于不是快速擴(kuò)展的光束，通過(guò)將光束輪廓儀移動(dòng)到靠近模具或遠(yuǎn)離模具的位置來(lái)進(jìn)行。基于高分辨率攝像機(jī)的光束輪廓儀進(jìn)行的典型測(cè)量，實(shí)際上是通過(guò)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行劃分，每個(gè)區(qū)域測(cè)試單一光束，用戶(hù)可以選擇自行劃分或通過(guò)軟件提供的自動(dòng)較佳劃分，來(lái)同時(shí)進(jìn)行多光束測(cè)量。
這個(gè)設(shè)置就像是把一個(gè)光斑分析儀變成多個(gè)獨(dú)立的光束輪廓儀，每個(gè)輪廓儀分析一個(gè)光束，其中所有光束均進(jìn)行平行分析，隨后出現(xiàn)的典型測(cè)試結(jié)果（例如：光束之間的距離，相對(duì)亮度，輪廓和長(zhǎng)期穩(wěn)定性）都被收集起來(lái)，并進(jìn)一步分析。
圖3：在窗口中顯示每條光束的測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行3D多光束的重建
如圖3所示，多光束光斑分析儀除了可以顯示每個(gè)激光光束的實(shí)時(shí)相對(duì)亮度之外，用戶(hù)還可以打開(kāi)或關(guān)閉帶有各自編號(hào)的“結(jié)果”窗口，以獲取每個(gè)虛擬光束輪廓儀的詳細(xì)信息。典型的信息包括光束在三個(gè)層次上的尺寸、位置和更多的信息以非圖形的方式顯示為實(shí)時(shí)文件。為了獲得生動(dòng)清晰的信息，將多光束輪廓儀記錄的所有模具光束進(jìn)行3D重建，展示了在各條光束和分束效果。
為了進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散的計(jì)算，光束輪廓儀應(yīng)包括一個(gè)不失真的透鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位置恰好距檢測(cè)器的表面一個(gè)焦距，在這種情況下，對(duì)于小光束，每個(gè)激光器的光束發(fā)散度由下式給出：
對(duì)于高功率的應(yīng)用，將會(huì)直接就進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)該使用光束采樣器，以使大部分功率被引向了光束收集器，而只有一小部分應(yīng)被引向測(cè)量?jī)x器。如果涉及到非常高的功率，則應(yīng)如圖2所示對(duì)光束采樣器本身進(jìn)行冷卻，通過(guò)將壓縮空氣吹到棱柱形光束采樣器上來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻。此外，這種加壓冷卻將為光束采樣器提供防護(hù)簾，并主動(dòng)清除顆粒，進(jìn)而防止在其表面上堆積，這將適用于并行測(cè)量高功率激光束。
高質(zhì)量、高分辨率的光束輪廓儀可以測(cè)試多條并行的激光源或激光束，這種技術(shù)在新興市場(chǎng)上具有一定的潛力。激光雷達(dá)，材料加工，醫(yī)療應(yīng)用等應(yīng)用都將會(huì)受益于并行光束分析技術(shù)，以獲得更好，更精密的相關(guān)應(yīng)用設(shè)備和材料。除了以上特點(diǎn)，這些設(shè)備還可以大大減少測(cè)試時(shí)間和提高高通量激光系統(tǒng)的GONO-GO決策。
