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    多光束光斑分析仪在3D感应系统,面部识别方面的应用



  • 随着新技术的发展对光斑分析仪提出了更高的要求,由于普通光束分析仪一般情况下一次只能测量一个光束,进而满足不了市场的需求。例如激光二极管的市场不断扩大,像手势识别,自动驾驶,高性能激光器等许多新兴应用都是基于多光束并行发射的概念,并行发射的实现则需要由很多个激光器组成,并都从一个晶片发射出来。例如苹果的新款手机iPhone10,其发射了约30,000个光束点并将其投影到用户的脸部,而反射的信息被接收后再重建3D脸部特征以进行识别。另一个例子是垂直表面发射激光器VCSEL系列,由于使用功率低,已经*成为世界上较先进的技术之一。
    目前,这些新技术在光源的光束的均匀性,光束轮廓特性(如平**或高斯),热稳定性,单芯片输出功率>1 kW / cm 2等性能方面都需要严格评估。对于所有这些应用,不仅要测量阵列的总输出功率,而且还要测量给定芯片上每个VCSEL激光器的相对发射水平和光束分布,这一点是十分重要的。在这个多光束器件行业当中,一个芯片内部可以含有一到两个激光器,还可以将三万多个激光器密集地封装在一个芯片内。
    分束器DOE在高功率激光器的分束中表现出非常重要的地位,甚至被行业*认为是实现工业4.0的关键器件。一台高功率激光器可以分为多束激光,能够并行地执行材料的处理,直接将传统激光器设备的加工效率成倍提高。下图展示了将一个光束分成多个光束的典型案例。
     
    图1:高功率硬焊分束器与一分十六光束的分束器
    VCSEL阵列技术允许将多个激光器封装在一个芯片上。在这种情况下,VCSEL的输出激光可以按大小进行线性缩放,每一个激光器都是相互独立且特性基本相同的。芯片上的激光器越多,其输出功率就越大,将它们全部连接到同一个电源上会导致它们全部并行发射,要是将它们连接在不同的电源上就可以产生不同的模式。但是,也会有一些负面作用例如温度升高,几何形状不正确和不规则,这些将会导致各种激光以不同的能量和发散来发射。一台好的VCSEL光束分析仪可以并行分析多个不同的信号源,并即时分析比较VCSEL激光的近场和远场的输出。
    各种应用对激光测量提出了一个很高要求,以提供一种敏捷,准确的光束测量技术,来同时并行测量几束到几千束的激光光束。每束激光均可进行单独测量分析,以便得到它们之间的相对强弱或相互关联的关系,这些多光束光斑分析仪都应覆盖较宽的光谱范围和较大的功率跨度。
    为了应对这一挑战,深圳维尔克斯专业代理DUMA厂家开发了一种高分辨率光束轮廓仪Beamon U3(2.4兆像素,尺寸为11x7mm),用于实时分析平行激光的轮廓。该设计允许根据所要测试的芯片,来灵活地选择要测试的激光数量,从而实现高分辨率光束轮廓的分析。使用快速激光轮廓仪,该技术适用于批量生产和过程检验。为了应对测量大功率激光的挑战,DUMA特制了衰减器和光束采样器,满足各种大功率测试的需求。
     
    图2:用BeamOn U3大功率光束轮廓仪测试典型高功率VCSEL阵列的2D与3D图
    如图2所示,典型的单芯片激光器阵列应该进行测试,并且与上文所述的各种参数做对比。此外,远场和近场也应该被测试,这可以通过以下方法实现:将聚焦透镜安装到光束轮廓仪上,并在透镜处于无限远位置时进行测量,然后聚焦在芯片的表面上。另外,对于不是快速扩展的光束,通过将光束轮廓仪移动到靠近模具或远离模具的位置来进行。基于高分辨率摄像机的光束轮廓仪进行的典型测量,实际上是通过对探测器进行划分,每个区域测试单一光束,用户可以选择自行划分或通过软件提供的自动较佳划分,来同时进行多光束测量。
    这个设置就像是把一个光斑分析仪变成多个独立的光束轮廓仪,每个轮廓仪分析一个光束,其中所有光束均进行平行分析,随后出现的典型测试结果(例如:光束之间的距离,相对亮度,轮廓和长期稳定性)都被收集起来,并进一步分析。
     
    图3:在窗口中显示每条光束的测试结果,进行3D多光束的重建 
    如图3所示,多光束光斑分析仪除了可以显示每个激光光束的实时相对亮度之外,用户还可以打开或关闭带有各自编号的“结果”窗口,以获取每个虚拟光束轮廓仪的详细信息。典型的信息包括光束在三个层次上的尺寸、位置和更多的信息以非图形的方式显示为实时文件。为了获得生动清晰的信息,将多光束轮廓仪记录的所有模具光束进行3D重建,展示了在各条光束和分束效果。 
    为了进行远场发散的计算,光束轮廓仪应包括一个不失真的透镜系统,该系统的位置恰好距检测器的表面一个焦距,在这种情况下,对于小光束,每个激光器的光束发散度由下式给出:
     
    对于高功率的应用,将会直接就进行测量,应该使用光束采样器,以使大部分功率被引向了光束收集器,而只有一小部分应被引向测量仪器。如果涉及到非常高的功率,则应如图2所示对光束采样器本身进行冷却,通过将压缩空气吹到棱柱形光束采样器上来实现冷却。此外,这种加压冷却将为光束采样器提供防护帘,并主动清除颗粒,进而防止在其表面上堆积,这将适用于并行测量高功率激光束。
    高质量、高分辨率的光束轮廓仪可以测试多条并行的激光源或激光束,这种技术在新兴市场上具有一定的潜力。激光雷达,材料加工,医疗应用等应用都将会受益于并行光束分析技术,以获得更好,更精密的相关应用设备和材料。除了以上特点,这些设备还可以大大减少测试时间和提高高通量激光系统的GONO-GO决策。



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