红外光雷射照明与3D感测应用

光与照明

光、或被称为可见光，通常被定义是一种人类肉眼可以观测到的电磁波。光在自然界中最主要的来源，即是我们每天举目可见的太阳。而因为太阳的存在，地球也有了白天与黑夜的概念。
在19世纪前，夜晚因为缺乏有效且长时间稳定的照明技术，而使得人们的活动范围受到极大限制。直到第一个电灯被发明后，人类才第一次摆脱了对油灯或烛光的依赖。白炽灯泡的使用代表了人类的文明由蒸气时代进化到电力时代，工厂开始不分昼夜的运行，各种商品可以大量且迅速的被生产并推广到市场上。利用电力而产生的人造光源照明技术不仅点亮了世界，更成为第二次工业革命最具指标性的象征。

二极管雷射照明技术

自白炽灯泡以来，人们对于照明技术的研究便从未停下脚步。从卤素灯、水银灯、萤光灯、到LED灯，其发光原理各有不同，科学家与工程师们不断的追求更高的发光效率及更长的使用寿命。而照明技术的进步，也使得其应用范围从工厂或家用的照明，扩展到科研、舞台、投影、监测、军事等各种领域。近年来，因为对照明工具性能的要求不断提升，利用二极管雷射(Laser diode, LD)做为照明光源的技术也随之兴起。
与其他照明方式相比，二极管雷射有以下几项的特点：

1. 高发光功率： PN接面上发生的电子-电洞结合放出光子，并在特定的增益介质与两层反射面所构成的共振腔中形成驻波，最终放出高强度的雷射光。雷射是目前人类已知可以产生最强大的可控光源的方式。

 

2. 高光电转换效率： (Wall-plug efficiency, WPE)指的是输入电流转换成光功率的效率。以二极管雷射和LED而言，电流输入后的能量转换过程中，除了产生光之外，同时也产生热能。 WPE的低落代表的不仅是发光时更为耗电，其产生的热能会进一步导致二极管本身的电子结构发生变化，使发光波长偏移甚至是WPE劣化的恶性循环。 LED有更高的效率。提供节能、稳定、高亮度的光源。

 

3. 光的同调性与单色性： (coherence)与单色性(monochromaticity)是雷射最大的特点。前面有提到二极管雷射会在共振腔中形成驻波后放光，故其放光后将具有一致的相位与波长。因为这个特点，雷射光在3D扫描、光通讯等需要利用特殊波长与相位特性的领域上，可以说是无可取代的。

 

      红外光雷射照明应用

紅外光(Infrared, IR)指的是波長760nm ~ 1mm間的電磁波，而被常用來使用在照明領域的屬於其中的近紅外光波段(波長760nm ~ 1400nm)。雖然其波長與紅光接近，但無法被人眼觀察。將看不見的光用來照明聽起來似乎有些弔詭，但正因為它無法以肉眼觀測，才會在特殊照明的領域中大放異彩。以下我們會介紹幾項最典型的應用。

1. 夜視應用

首先要介绍的是利用红外光照明的夜视技术。此技术在第二次世界大战中首次被使用，当时是以一组红外光源照明，搭配夜视仪接收物体反射的影像来观测战场。正因为红外光是肉眼不可观测的，因此配备有红外线夜视仪的一方，将具有「敌明我暗」的巨大优势。
在战争结束后，此技术也扩展应用到民生领域。以一般家门前或街头随处可见的监视摄影机为例，在白天时监视器利用日光可以直接观测到周围环境。到了夜晚则会切换至夜视模式，开启红外光光源做为照明，借此达到全天候的安全防护。与此类似的应用还有夜视摄影机所配备的红外光投射系统等，都是应用红外光结合CCD摄影机的夜视方式。
那么红外光雷射二极管在夜视应用领域扮演什么样的角色呢？虽然LED等其它发光方式一样可以产生红外光，但在搭配雷射使用后，夜视领域的应用可以提升到完全不同的层次。
  Fig. 1 以CCD进行红外线夜视观测原理示意

一般利用非雷射光源照明时，因为光源能量与发散角度等因素，可清楚照明的范围大多仅在数米至数十米之间。这对于家用需求或许足够，但对于需要长距离观测的大型工厂监视、田野森林观测、高速公路监测等户外广范围区域的使用上，势必需要更高瓦数的光源。而在军事应用上更是如此，因为夜视设备已在各国普及使用，只能使用在短距离的红外光源反而会暴露自己的位置造成危险。传统光源在试图提升发光功率时，一般是将许多低功率的光源排成阵列同时发光来达成。但这种方式也造成其光源模组体积过于庞大，在使用上受到许多限制。尤其对于需要隐密性与可携带性的应用需求来说，只有具备高功率且光束集中特性的雷射光源才是唯一合理的选择。
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2. 夜间模拟应用

夜间模拟技术是因应红外线夜视技术而产生的需求。其主要使用在军事训练、飞行模拟等领域。因为物质对于不同波长的光会有不同的吸收与反射，使得在同样的场景中，可见光与红外光反射所形成的影像将会相当不同。红外线夜视仪的使用者若没有经过模拟训练，很可能会将红外线影像判读错误。这在需要精密操作的工作中可能会导致灾难性的后果。

Fig. 2 模拟训练用红外线雷射投影机使用示意

模拟训练用红外线雷射投影机即是因应此需求而生。将实际或模拟出的红外线夜视场景记录储存后，利用红外线雷射投影机将各种资料画面投影到训练场所中，让配备红外线夜视仪的受训者可以在安全的环境下，学习如何判断理解眼前的影像。

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3. 3D感测

自iPhone X手机开始导入人脸辨识功能以来，3D感测可以说是近年来红外线雷射应用最热门的领域。 3D感测不仅仅是用在手机人脸辨识，VR/AR、光学雷达(Light Detection and Ranging, LiDAR)等诸多应用都是依靠3D感测所建立的技术。其原理是使用一组红外光雷射发射器与搭配接受器，根据接收到的红外光反射的状况来计算环境空间。而目前最主要的运作方式又可分为结构光(Structure Light)与飞时测距(Time of Flight, ToF)两种。
结构光的设计是将红外光雷射利用绕射式光学元件(Diffractive Optical Element, DOE)投射出特定图型(Pattern)，此图型投影至被侦测物上时，会因为被侦测物的表面外型产生不同的扭曲变化并反射回接收器内，红外光接收器便可依照接收到的讯号来计算空间资讯。 iPhone X手机的3D感测就是使用此结构光技术。
而飞时测距则是将红外光雷射以脉冲模式下运作，投射出的雷射光会经过一组光学漫射器(Diffuser)，形成一个均匀的光面。此光面在遇到物体反射回红外光接收器后，系统便可以根据光反射的时间差与相位变化来计算空间资讯。
不论是结构光或是飞时测距，其侦测范围都与光源的强度有正相关。极短距离侦测如手机人脸辨识，其光源仅需要毫瓦(mW)等级便已足够；而长距离侦测如车用或无人飞行器用LiDAR，则要用到瓦(W)级高功率光源。根据所使用的雷射光源强度不同，小至让扫地机器人判断房间中的障碍物，大至让飞行器在空中扫描绘制地型图，在所有的空间辨识应用中都占有举足轻重的地位。同时这也赋予了各种无人自动化机械3D化的视觉，对未来工业技术的演进将会是一股不可忽视的力量。
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      适合红外线照明应用的二极体雷射光源

目前可以做为红外光照明应用的二极体雷射，其常用的波长808m, 830nm, 850nm, 940nm等数个波段。华信光电做为台湾最大的专业二极体雷射制造商，对红外光二极体雷射有长年的生产与研发经验。对各种需求皆可以提供完整的解决方案，且在夜视应用与3D感测上皆有商业化使用的实绩。
特别是近年华信光电专注研发的高功率雷射产品，推出了可应用于高功率夜视技术需求的808nm/830nm TO9 (Ø 9mm)封装雷射源，在连续出光模式下其功率可高达2W 。产品使用寿命长的同时具有高可靠度，不会产生COD(catastrophic optical damage, )，在操作温度60℃下的平均失效时间(Mean-Time-Between-Failure, MTBF)远高于标准的2万小时。适合应用在夜视监视器、红外线摄影补光灯、雷射投影机等各种设备上。
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在3D感测的光源上，华信光电除TO封装形式的各波段产品外，2020年也推出一系列可使用表面贴合封装的新式SMD LD (Surface Mount Device Laser Diode)的产品，波长有830nm 、850nm、940nm三种波段可供选择。因为日照干扰的因素，其中830nm与850nm波长适合提供给在无日光的状态(夜间或室内)下进行操作的设备使用。而日光中940nm波长容易被大气层中的水气吸收，难以传递至地表，故在户外日光下使用940nm红外光雷射做为3D感测光源时，可以不受干扰得到最佳侦测数据。
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除网页中可以查询到的量产品外，华信光电也提供各种客制化设计的服务。若您有红外光雷射照明与3D感测相关的需求，欢迎与本公司的业务或工程人员联络讨论。
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