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VCSELs für ToF-Anwendungen - Wie VCSELs ihre volle Wirkung entfalten

Erstellt von Alain Bruno Kamwa, Product Sales Manager Opto bei Rutronik, und Markus Oberascher, Senior FAE bei Lextar |

VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) sind LEDs überlegen, wenn es um eine schnelle Schaltzeit und ein schmales optisches Spektrum geht – und damit die beste Wahl für Time-of-Flight- (ToF) Anwendungen. Um die Fähigkeiten von VCSEL-Chips voll auszunutzen, müssen jedoch auch Gehäuse-Design und -Technologie optimal abgestimmt sein.

Ein kurzer Blick auf das ToF-Prinzip hilft, die Vorteile von VCSELs besser beurteilen zu können. ToF nutzt die Laufzeit des Lichts, um Entfernungen zu messen oder – in einer ToF-Kamera – dreidimensionale Bilder zu erfassen. Hierfür gibt es zwei Methoden: das direkte und das indirekte ToF.

Das direkte ToF misst die Zeit vom Aussenden eines optischen Pulses bis zum Eintreffen des reflektierten Lichtpulses.

Das indirekte ToF sendet Bursts aus mehreren Pulsen mit hoher Modulationsfrequenz (im MHz-Bereich) und misst die Phasenverschiebung zwischen dem ausgehenden und dem eingehenden, reflektierten Lichtsignal. Abbildung 1 zeigt, wie diese Funktionsweise von ToF-Kameras zur Erfassung von 3D-Bildern genutzt wird.

 

Steigende Modulationsfrequenz erfordert niederinduktives Design

Der erste wichtige Aspekt eines VCSELs ist die Modulationsfrequenz. Je höher sie ist, desto besser sind die Tiefenauflösung und Kurzstreckenerfassung der ToF-Kamera. Aktuell kommen Modulationsfrequenzen von bis zu 100MHz zum Einsatz, das entspricht einer Periodendauer von 10ns. Bei einem Tastverhältnis zwischen 30% und 50% bedeutet das eine Einschaltdauer des VCSELs von nur 3ns bis 5ns. Das heißt: Die Anstiegs- und Fallzeit der Lichtquelle muss deutlich kürzer sein als die Einschaltzeit - für eine Modulationsfrequenz von 100MHz typischerweise unter 1ns. VCSEL-Chips bieten Anstiegs- und Fallzeiten von deutlich unter 1ns und sind damit den LEDs, die meist nur etwa 10ns erreichen, weit überlegen.

Allerdings ist ein besonders niederinduktives Design des Gehäuses erforderlich, damit es das überlegene Schaltverhalten des VCSEL-Chips nicht verschlechtert. Hierfür ist das Substratdesign entscheidend.

 

Sichtfeld – das Runde muss eckig werden

Der zweite wichtige Aspekt ist die Lichtabstrahlungscharakteristik. Das Sichtfeld (Field of View, FoV) oder Beleuchtungsfeld wird in einem vertikalen und horizontalen Winkel ausgedrückt, üblicherweise gemessen bei voller Breite bei halbem Maximum (Full Width at Half Maximum, FWHM). Es beschreibt den beleuchteten Bereich, der nahezu rechteckig geformt ist, um das Sichtfeld der Kamera bestmöglich auszuleuchten. Ein nackter VCSEL-Chip hat jedoch ein ringförmiges Strahlungsmuster mit einer Strahldivergenz, also einer Aufweitung des Strahls mit zunehmender Entfernung von der Quelle, von etwa 15° bis 25°. Eine Diffusorlinse bringt den Strahl in die rechteckige Form (Abbildung 3).

Aber nicht nur die Form ist wichtig, sondern auch die Lichtverteilung innerhalb des FoV. Abbildung 4 zeigt die horizontale und vertikale Abstrahlcharakteristik eines VCSELs des Herstellers Lextar. Die höchste Strahlungsintensität liegt hier nicht in der Mitte (bei 0°) sondern an den Außenseiten. Dieses badewannenförmige Muster sorgt für eine gleichmäßige Ausleuchtung der Szene. Das zeigt Abbildung 5: Hier ist die Lichtverteilung auf einer ebenen Fläche zu sehen. Die Lichtintensität ist gleichmäßig über einen großen Winkel verteilt - das heißt, das FoV der ToF-Kamera ist gleichmäßig ausgeleuchtet. Auch hier punkten die VCSELs vor LEDs, die ein kreisförmiges Lichtmuster mit dem Maximum auf der 0°-Achse haben.

 

Sicherheit für die Augen

Treffen die Laserstrahlen eines VCSELs auf das Auge, können sie erhebliche Schäden verursachen. Die Gefahr besteht insbesondere bei Anwendungen wie der Fahrerüberwachung oder Personenzählung, wenn die Linse des VCSELs durch mechanische Überbeanspruchung gebrochen oder abgefallen ist. Denn dadurch ändert sich das Strahlungsmuster, was zu einer deutlich intensiveren Strahlung führen kann.

Um das zu verhindern, hat Lextar neben dem VCSEL-Chip eine Überwachungsfotodiode in das VCSEL-Gehäuse integriert (Abbildung 6). Sie nutzt einen Teil des abgestrahlten Lichts, der durch die Linse zurück zur Fotodiode reflektiert wird: Eine gebrochene oder abgefallene Linse ergibt eine andere (oder gar keine) Lichtreflexion zur Fotodiode und damit einen anderen Fotostrom. Wird ein abnormaler Fotostrom registriert, kann der VCSEL sofort abgeschaltet und schädliche Laserstrahlung damit verhindert werden.

 

Thermomanagement ermöglicht Kameras mit großer Reichweite

Damit eine ToF-Kamera eine große Reichweite erzielt, werden VCSELs mit hohen Strömen von mehreren Ampere betrieben. Das erfordert ein gutes thermisches Design des Gehäusesubstrats für eine effiziente Wärmeableitung. Hierfür kommen keramische Gehäuse und Die-Bonding-Pasten mit hohem Silberanteil zum Einsatz.

Der VCSEL-Chip zusammen mit einem guten Package bildet eine Lichtquelle mit herausragenden Eigenschaften in Bezug auf Strahlungsintensität, Modulationsfrequenz und optischen Eigenschaften, mit denen leistungsfähigere ToF-Systeme möglich sind als mit LEDs.

Für verschiedene Anwendungen bietet Lextar VCSELs mit zwei typischen ToF-Betriebswellenlängen von 850 und 940nm an. 940nm sind für das menschliche Auge unsichtbar, während bei 850nm VCSEL noch ein roter Punkt am VCSEL sichtbar ist - vor allem bei Dunkelheit. Die Empfindlichkeit der Kameras ist bei 850nm um 50 bis 100% höher als bei 940nm. Das heißt, der Signal-Rausch-Abstand SNR ist bei 850nm besser als bei 940nm. In Bezug auf die Sonnenlicht-Robustheit sind hingegen 940nm oft die bessere Wahl, da in diesem Bereich die Intensität der Sonnenstrahlung deutlich geringer ist.

 

Optimale Treiberschaltung verbessert das Gesamtsystem

Zu einer vollständigen Beleuchtungseinheit gehört neben dem VCSEL der Treiber. Bei seiner Auswahl sollten folgende technische Parameter berücksichtigt werden:

  • kurze Lieferzeit: Zu den wichtigsten Komponenten einer Treiberschaltung gehören das Gate eines Feldeffekttransistors (FET), der Gate-Treiber und passive Elemente. Diese sind in der Regel sofort verfügbar, so dass sich ein Prototyp einer Beleuchtungseinheit innerhalb kurzer Zeit realisieren lässt.
  • Design-Flexibilität: Eine Ansteuerungsschaltung mit diskreten Komponenten bietet mehr Flexibilität und lässt sich an unterschiedliche Designanforderungen anpassen, z.B. Spitzenstrom, Impulsform, einstellbare Anstiegszeiten.
  • Leistung: GaN-FET-Schalter haben im Allgemeinen einen geringeren Widerstand (RdsON) als entsprechende Silizium-Varianten. Dadurch kann der Treiber einen höheren Spitzenstrom verarbeiten, was die Effizienz der gesamten Beleuchtungseinheit steigern kann.
  • skalierbare Treiberparameter: Idealerweise unterstützt die Treiberelektronik Modulationsfrequenzen bis zu 100MHz und mehr.

Beispielsweise bietet IC-Haus den 6-Kanal-Laser-Treiber iC-HG, der das spikefreie Schalten von VCSELs mit wohldefinierten Strömen bei Frequenzen von CW (Continuous Wave) bis 200MHz ermöglicht. Die Kanäle können für volle 3A CW-Betrieb und insgesamt 9A gepulsten Strom parallelgeschaltet werden. Über TTL- oder LVDS-Eingänge lässt sich der VCSEL damit einfach ein- und ausschalten oder zwischen verschiedenen Strompegeln umschalten, die durch die Spannungen an den Steuereingängen CIx definiert werden. Die integrierte thermische Abschaltung schützt den iC-HG vor Schäden durch Übertemperatur. Der iC-HG30 ermöglicht sogar eine Frequenz von 250MHz und 6A CW-Betrieb bzw. 30A Pulsstrom. Er ist zudem für eine AEC-Q100-Qualifikation eingetaktet.

 

Zahlreiche Anwendungsgebiete

Eine ToF-Kamera kann im Auto dazu beitragen, den Komfort und die Fahrsicherheit zu erhöhen, z.B. indem sie Fahrer, Beifahrer und Objekte im Fahrgastraum überwacht. Dann kann das System erkennen, wenn der Fahrer abgelenkt oder müde ist, bevor es zu einem Unfall kommt. Mit einer Innenraumüberwachung ist es auch möglich, Kopf- und Körperpositionen zu erfassen, etwa für eine optimale Airbag-Steuerung; außerdem lassen sich damit Bedienelemente per Gesten steuern. Im Außenbereich des Fahrzeugs kann eine ToF-Lösung das assistierte und autonome Fahren unterstützen.

Speziell für die Innenraumüberwachung im Auto hat Melexis ein Demokit für die Infrarot-Beleuchtung bei ToF-Anwendungen entwickelt. Das Demoboard verfügt über eine hohe On-Board-Verarbeitung für die Handgestenerkennung und eine hohe Bildauflösung für die Objektklassifizierung. Damit eignet es sich nicht nur für die Gestenerkennung und Fahrerüberwachung, sondern auch für die Skelettverfolgung, Personen- und Hinderniserkennung sowie für die Verkehrsüberwachung.

Das Demoboard ist mit einem VCSEL aus der PV85Q-Serie von Lextar ausgestattet. Sie zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad und eine schmale spektrale Bandbreite (1,8nm) aus. Ihre verschiedenen optischen Leistungsoptionen ermöglichen die Erkennung mehrerer Objekte, 3D-Tiefenassistenz und die Anwesenheitserkennung. Für die Augensicherheit enthält der VCSEL eine Fotodiode. Der voll integrierte optische ToF-Bildsensor MLX75027 VGA (640x480) kommt mit 10x10µm DepthSense®-Pixeln.

Doch VCSELs sind nicht auf ToF-Anwendungen beschränkt. Auch 2D-Vision-Systeme sowie neue Anwendungen, z.B. die optische Datenkommunikation, können von der hohen Modulationsrate und Intensität der VCSELs profitieren.

 


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