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基于3D-SENSING脉冲激光测试方案在半导体领域的应用

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VCSEL-3D TOF 检测解决方案                      

一. VCSEL应用引言

随着苹果将VCSEL-3D SENSING 成像技术引入到iPhone产业链,堪称在消费领域的重大突破,VCSEL-3D SENSING成像技术更是引起广泛关注,业界认为VCSEL-3D SENSING 成像技术进入苹果产业链将是VCSEL业务产业链的重大突破,从此光器件也将从工业领域走向消费领域。

    VCSEL-3D SENSING成像技术随着VCSEL的研究深入以及应用需求的拓展,VCSEL不仅在手机、消费性电子等领域发挥越来越重要的作用,VCSEL还可以用来进行人脸识别、3D感测、手势侦测和VR(虚拟现实)/AR(增强现实)/MR(混合现实)等。VCSEL-3D SENSING将来也可以大量应用在物联网、5G通信、RF元件、ADAS(先进驾驶系统)等, VCSEL-3D SENSING成像技术随着未来快速应用,VCSEL势必会成为市场关注度最高的热点。

二. VCSEL-3D TOF摄像头、TOF传感器工作原理

TOF(Time of Flight,飞行时间)传感器测距原理是什么?莱森光学将带您走近3D摄像头,揭示更多关于TOF传感器的背景原理介绍。在争夺智能手机和汽车市场的战争中,出现了三种领先的3D成像技术。这三种技术分别是双目立体成像、结构光和飞行时间(TOF)。通过这些技术生成的3D数据可实现行人探测、人脸识别、手部运动检测以及提供SLAM(simultaneous localization and mapping,即时定位与地图构建)功能。目前该领域领先的两家公司分别是ams(艾迈斯半导体)和Infineon(英飞凌)。




 

三. 什么是TOF传感器

TOF传感器测量光在某介质中行进一段距离所需的时间。通常,这是对脉冲发射光到达物体并反射回到TOF传感器所用时间的测量。TOF摄像头则利用TOF测量原理(TOF图像传感器)来确定摄像头与物体或周围环境之间距离,并通过测量的点生成深度图像或3D图像。

TOF摄像头的应用包括基于激光的非扫描激光雷达成像系统、运动传感和追踪、运用于机器视觉和自动驾驶的物体检测以及地形测绘等。

但如何实现上述应用领域的深度测量?

下面,介绍三种通过测量飞行时间来确定距离的方法。


上图顶部表达了第一种方法,发射脉冲光并测量它们经反射后返回的时间间隔。

上图中间表达了第二种方法,调制光源的振幅并记录反射光波的相移。

上图底部表达了第三种方法,发射占空比为50%的方波,并记录在特定间隔内到达的返回光量。

3.1毫米级精度ToF摄像头

光波和无线电波以接近300,000,000,000mm/s的速度传播,相当于传播1mm的距离需要大约3.3ps(同时还需要3.3ps返回时间)。这意味着,如果你想要能对你所在房间的所有物体成像并且想要达到1mm分辨率的设备,计时电子器件需要达到皮秒级的分辨率,也就是相当于数百GHz的时钟频率。

设计在GHz级别频率下工作的电子电路既不容易,也不经济,因此,如果设计者希望消费者能够负担得起这些器件,他们就必须想出一种在较低频率下工作的方法。

在合理的sub-GHz频率下工作时,有两种常见的方法可以实现毫米级精度:

² 将正弦调制波的相移与距离相关联

² 使用占空比为50%方波的相移和差分电压来确定距离

在下面的章节中,我们将更详细地讨论这两种方法

  

3.2通过幅度调制波的相移确定距离

假设你正在绘制一间最大长度为15米的小型办公室或大型起居室。为了确定测量该

长度的适宜工作频率,使用公式c=λ⋅ƒ,其中c是光速(c=3x10⁸m/s),λ是波长(λ=15m),ƒ是频率。在此示例中,ƒ=20MHz是一个相对经常使用的频率。

当强光的输出经20MHz正弦信号调制时,测量旅程开启。光波最终会到达测量物体或墙壁,然后调转方向反射回来。原始光经过调制后将返回到接收器。除非物体正好是15m以外的整数倍,否则相位会略微偏移相移可以用来计算波传播的距离。

 


 

如果你能精确地测量相位角,你就能准确地确定反射物体与传感器/探测器之间的距离。

 

3.3如何测量正弦波的相位角

      那么,如何快速测量正弦波的相位角呢?这包括在四个等距点(例如90°或1/4λ的间隔)测量接收信号的幅度。

 

 



在此解释下测量值和相位角之间的关系。A1和A3的差值与A2和A4的差值的比等于相位角的正切值。ArcTan实际上是双变量反正切函数,可映射至适当的象限,当A2=A4并且A1>A3或A3>A1时,分别定义为0°或180°。

 


 

在上图中,图表的最左侧有两条垂直数字线,显示了A1和A3(表示为深黄色)以及A2(表示为蓝色)的相减结果。测量值显示为中间的正弦曲线图中的垂直线

请注意,该图形没有考虑反射(反射会有效地将所有内容移180°)。


3.4如何确定给定距离下的工作频率

回到我们的例子,到目标物的距离由以下公式确定:


 


其中c是光速,φ是相位角(以弧度来度量),ƒ是调制频率。测量一个光子的实际飞行时间需要频率为333GHz的电子设备。这种方法最大需要四倍的调制频率,也就是4 x 20MHz=80MHz。这显著减少了资源的使用。但相信你会更高兴,因为聪明的工程师们找到了进一步降低最大频率的方法。

 

3.5通过带电电容器的差分电压测量确定相移

另一种测量方法含有频闪光源和每个像素中包括两个电容的CMOS图像传感器。时钟源可产生占空比为50%的方波,该方波控制明亮的频闪光源以及与每个像素内电荷存储电容器的连接。

该测量方法的示例如下图所示:




 

 

图显示了每个像素中包括两个电荷存储电容器的CMOS图像传感器,

切换两个电荷存储电容器的连接以记录入射光         

 

光子由光源发射,并从物体上反射回来,被图像传感器像素单元接收,此时光将作为电荷记录在上图所示的电容器CA或CB中。使用相同的时钟源,电容器能够以与照明源相同的频率交替连接至像素单元。




这种巧妙的设计意味着电容中的差分电荷与相位偏移直接相关。相位由波长和到目标的距离决定。

可以根据需要进行多次循环照明,以对电容充电。只要距离恒定,电荷比例将保持不变。

 

.VCSEL-TOF检测解决方

随着VCSEL-TOF传感器在各个领域深入应用,VCSEL-TOF相关光学检测越来越重要,莱森光学®可以为客户提供VCSELVCSEL-3D SENSING/TOF检测解决方案:LIV光谱/功率积分测试、NF近场特性测试、FF远场特性测试、BRDF/BTDF光学材料AR/VR特性测试、VCSEL专用积分球,实现对VCSEL单体、模组、及晶圆芯片的能量分布和均匀性测量、光谱波长及功率测量、近场远场测量等各种定制化应用需求.

 

4.1 工业级VCSEL-LIV光谱功率测试仪

LS-VCS940-IND光谱功率积分测试仪由莱森光学专门针对VCSEL/LD工作频率要求不高,

不需要进行复杂的LIV、PCE功能测试分析测试研发而成,该系统性价比高,特别适合于工业用户和自动化集成厂商。






主要技术特点

1.支持在线集成测量,支持机台集成商二次开发

2. 实现对光谱峰值功率、平均功率、光谱峰值波长、FWHM、占空比等功能的测量

3. 可以设置采用频率,PD和光谱仪触发同步测量

4. NIST溯源标定,功率积分球可选不同规格:根据DUT发散角和功率大小,可选择2吋4吋6吋不同尺寸积分

5. 可选配温度控制模块,控温范围5℃~95℃






LS-VCS940-IND工业级LIV光谱功率积分测试仪主要针对VCESL/LD和模组的LIV光电特性测量,根据VCESL/LD的发散角和输出功率要求,可选择不同规格的积分球,积分球内径尺寸分为:2吋4吋6吋。积分球带已标定功率探头,由于DUT发热量大,温度对DUT输出功率和输出光谱波长有很大的影响,因此需要对样品控温,配置温度控制模块,控温范围5℃~+95℃可选。


 


4.2科研级VCSEL-LIV光谱功率测试系统

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,垂直共振腔表面放射激光)技术目前在在人脸识别、3D感测、汽车自动驾驶、手势侦测和VR(虚拟现实)/AR(增强现实)/MR(混合现实等应用领域越来越受到关注,莱森光学®可以为客户提供VCSELVCSEL-3D SENSING/TOF检测解决方案:LIV光谱/功率积分测试、NF近场特性测试、FF远场特性测试、BRDF/BTDF光学材料AR/VR特性测试、VCSEL专用积分球,实现对VCSEL单体、模组、及晶圆芯片的能量分布和均匀性测量、光谱波长及功率测量、近场远场测量等各种定制化应用需求。



LS-VCS-SCI-LIV精密温控型LIV光谱功率积分测试系统由莱森光学专门针对基于3D-SENSING 脉冲激光LIV光谱测试研发而成,特别适合晶圆和模组封装用户在实验室对VCSEL/LD的研发使用,用于验证VCSEL/LD各个工艺过程中的光电特性。实现对VCSEL/LD单体、模组、及芯片的LIV、EIV、TIE、PCE、光谱波长及功率测量等。

LS-VCS-SCI-LIV精密温控型多功能光谱功率积分测试系统专门针对基于3D-SENSING 脉冲激光、脉冲LD/LED测试研发而成,该系统可用于对VCSEL、LD/LED光电特性检测,以保证VCSEL、LD/LED脉冲激光辐射光谱满足器件光学功能和IEC-60825-2激光安全-人眼安全应用需求。


主要功能特点

1. 强大的专用软件分析功能,可以扫描测量LIV曲线,PCE曲线,温度-峰值波长-光功率曲线,可设置扫描精度和速度,可测量光电转换效率,自动保存测试数据

2. 高精度光学分辨率光谱仪光谱范围400-1100nm可选,光谱分辨率0.1nm,实现光谱峰值波长和半高

3. 全宽(FWHM)测量,最快可实现2kHz采样速率,可扫描测量温度-峰值波长-功率曲线等

4. 手动或全自动探针平台,可实现对晶圆或模组的自动化LIV光谱功率测试

5. 可对样品精确控温,可设置扫描步长,可实现高速同步触发,可预设/自定义测量

6. 多线程联用(大功率高精度电流源、高精度高速数字万用表、多通道同步数字万用表、功率探头、光谱仪、温度控制器等),可以实现光谱、功率、电流、温度等参数的程序化、自动化扫描测量

7. 一体化工控机箱,高分辨液晶显示,自动化集成化操作软件

8. 采用四线测量方法,实时记录实测电流、电压值,功率值,测试更准确

9. 程序可设置连续及脉冲扫描两种模式

10. 寿命老化检测功能:在恒定或脉冲条件下(电流、温度),每隔指定时间间隔测试记录一次光谱和功率数据

3.1毫米级精度ToF摄像头 



VCSEL光谱随电流的变化




温度、峰值波长、光功率扫描曲线




LS-NF-T100近场测试                                          

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,垂直共振腔表面放射激光)技术目前在在人脸识别、3D感测、手势侦测和VR(虚拟现实)/AR(增强现实)/MR(混合现实等应用领域越来越受到关注,莱森光学®可以为客户提供VCSELVCSEL-3D SENSING/TOF检测解决方案:LIV光谱/功率积分测试、NF近场特性测试、FF远场特性测试、BRDF/BTDF光学材料AR/VR特性测试、VCSEL专用积分球,实现对VCSEL单体、模组、及晶圆芯片的能量分布和均匀性测量、光谱波长及功率测量、近场远场测量等各种定制化应用需求。




主要技术特点

1. 光谱范围400-1100nm

2. 可测量光斑范围:45μm – 4 mm

3. 最大功率100mW (可加衰减片OD1 - OD5)

4. 实时监测DUT空间光传输强度分布和发散情况(光斑大小、发散角、功率密度和均匀性)

5. 分光衰减系统(直接耦合成像镜头和光斑分析仪,一体化设计)

 





LS-FF-R35场测试

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,垂直共振腔表面放射激光)技术目前在在人脸识别、3D感测、汽车自动驾驶、手势侦测和VR(虚拟现实)/AR(增强现实)/MR(混合现实等应用领域越来越受到关注,莱森光学®可以为客户提供VCSELVCSEL-3D SENSING/TOF检测解决方案:LIV光谱/功率积分测试、NF近场特性测试、FF远场特性测试、BRDF/BTDF光学材料AR/VR特性测试、VCSEL专用积分球,实现对VCSEL单体、模组、及晶圆芯片的能量分布和均匀性测量、光谱波长及功率测量、近场远场测量等各种定制化应用需求。  

LS-FF-R35远场系统由莱森光学专门针对VCSEL远场测试研发,可测量光斑发散角和能量空间分布,进而计算光斑准直度和对称度,可测量光斑在不同距离的能量密度,用于激光安全性评价。



主要技术特点

1. 高速(200kHz采样)、超高分辨率(1570万像素)红外相机

2. 分辨率10μm,动态范围90dB

3. 标准C-Mount接口,含多倍数物镜系统,精密导轨和固定夹具

4. 定制高度均匀标准反射板,带标定数据

5. 可测量光斑发散角、能量均匀性分布、光斑准直度和能力密度

6. 可测量光斑不同距离能量密度、用于IEC-60825-2激光人眼安全评测





工业级-VCSEL高低温温控制器

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,垂直共振腔表面放射激光)技术目前在人脸识别、3D感测、汽车自动驾驶、手势侦测和VR(虚拟现实)/AR(增强现实)/MR(混合现实)等应用领域越来越受到关注,莱森光学®可以为客户提供VCSEL-3D SENSING/TOF检测解决方案:LIV光谱/功率积分测试、NF近场特性测试、FF远场特性测试、BRDF/BTDF光学材料AR/VR特性测试、VCSEL专用积分球,实现对VCSEL单体、模组、及晶圆芯片的能量分布和均匀性测量、光谱波长及功率测量、近场远场测量等各种定制化应用需求。

LS-TEC-CH2高低温温度控制器由莱森光学专门针对VCSEL/LD模组或晶圆的温度实时控制,温度控制范围0℃-95℃,该模块主要应用于VCSEL/LD寿命老化监测TIE、温度随波长电流、电压、功率变化的监测,特别适合于工业用户和自动化集成厂商。


主要技术特点

1 支持在线集成测量,支持机台集成商二次开发

2. 温度范围0℃-95℃,升温速度快25℃-50℃ 10秒内快速升温

3. 控温精度高,稳定性好:控温精度:±1℃,稳定性:±0.1℃

4. 制冷片通道数可选:1/2/4/8,单路最大功率可达60W

5. 高精度NTC温度传感器(10k)


高光谱响应光学积分球系列

莱森光学高光谱响应积分球系列,主要针对光学性能响应高的透射、反射、红外光谱分析等应用的需求,采用进口的PTFE光学材料,独有内胆光学工艺, PTFE粉料经过特殊工艺改性、铸模,再机械加工成球壳形,最后经抛光、清洗而成。其最大优点是涂层壁厚,永不脱落。我司球体加工精度高,外形多样,可以适用于各种仪器光路设计,在各类光学仪器中得到广泛应用





主要技术特点    

1. 光谱响应在250-2300nm范围内反射率94-99%(取决于内壁的厚度)

2. 积分球出光口均匀性优于0.1%

3. 光谱光学性能反射率高,光谱中性,均匀稳定性好

4. 内胆铸模而成不透光,光学响应效率高;涂层强度高

5. 整体性好,不怕潮湿,甚至可以用于水底测量

6. 耐高温可达200℃,可应用于更恶劣的环境中,如酸、碱、盐水溶液中光测量



不同形状的积分球



246的光谱功率积分球