紅外光雷射照明與3D感測應用

光與照明

　　光、或被稱為可見光，通常被定義是一種人類肉眼可以觀測到的電磁波。光在自然界中最主要的來源，即是我們每天舉目可見的太陽。而因為太陽的存在，地球也有了白天與黑夜的概念。
　　在19世紀前，夜晚因為缺乏有效且長時間穩定的照明技術，而使得人們的活動範圍受到極大限制。直到第一個電燈被發明後，人類才第一次擺脫了對油燈或燭光的依賴。白熾燈泡的使用代表了人類的文明由蒸氣時代進化到電力時代，工廠開始不分晝夜的運行，各種商品可以大量且迅速的被生產並推廣到市場上。利用電力而產生的人造光源照明技術不僅點亮了世界，更成為第二次工業革命最具指標性的象徵。

二極體雷射照明技術

　　自白熾燈泡以來，人們對於照明技術的研究便從未停下腳步。從鹵素燈、水銀燈、螢光燈、到LED燈，其發光原理各有不同，科學家與工程師們不斷的追求更高的發光效率及更長的使用壽命。而照明技術的進步，也使得其應用範圍從工廠或家用的照明，擴展到科研、舞臺、投影、監測、軍事等各種領域。近年來，因為對照明工具性能的要求不斷提升，利用二極體雷射(Laser diode, LD)做為照明光源的技術也隨之興起。
與其他照明方式相比，二極體雷射有以下幾項的特點：

1. 高發光功率： PN接面上發生的電子-電洞結合放出光子，並在特定的增益介質與兩層反射面所構成的共振腔中形成駐波，最終放出高強度的雷射光。雷射是目前人類已知可以產生最強大的可控光源的方式。

 

2. 高光電轉換效率： (Wall-plug efficiency, WPE)指的是輸入電流轉換成光功率的效率。以二極體雷射和LED而言，電流輸入後的能量轉換過程中，除了產生光之外，同時也產生熱能。WPE的低落代表的不僅是發光時更為耗電，其產生的熱能會進一步導致二極體本身的電子結構發生變化，使發光波長偏移甚至是WPE劣化的惡性循環。LED有更高的效率。提供節能、穩定、高亮度的光源。

 

3. 光的同調性與單色性： (coherence)與單色性(monochromaticity)是雷射最大的特點。前面有提到二極體雷射會在共振腔中形成駐波後放光，故其放光後將具有一致的相位與波長。因為這個特點，雷射光在3D掃描、光通訊等需要利用特殊波長與相位特性的領域上，可以說是無可取代的。

 

      紅外光雷射照明應用

　　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

　　首先要介紹的是利用紅外光照明的夜視技術。此技術在第二次世界大戰中首次被使用，當時是以一組紅外光源照明，搭配夜視儀接收物體反射的影像來觀測戰場。正因為紅外光是肉眼不可觀測的，因此配備有紅外線夜視儀的一方，將具有「敵明我暗」的巨大優勢。
在戰爭結束後，此技術也擴展應用到民生領域。以一般家門前或街頭隨處可見的監視攝影機為例，在白天時監視器利用日光可以直接觀測到周圍環境。到了夜晚則會切換至夜視模式，開啟紅外光光源做為照明，藉此達到全天候的安全防護。與此類似的應用還有夜視攝影機所配備的紅外光投射系統等，都是應用紅外光結合CCD攝影機的夜視方式。
　　那麼紅外光雷射二極體在夜視應用領域扮演什麼樣的角色呢？雖然LED等其它發光方式一樣可以產生紅外光，但在搭配雷射使用後，夜視領域的應用可以提升到完全不同的層次。
  Fig. 1 以CCD進行紅外線夜視觀測原理示意。

　　一般利用非雷射光源照明時，因為光源能量與發散角度等因素，可清楚照明的範圍大多僅在數米至數十米之間。這對於家用需求或許足夠，但對於需要長距離觀測的大型工廠監視、田野森林觀測、高速公路監測等戶外廣範圍區域的使用上，勢必需要更高瓦數的光源。而在軍事應用上更是如此，因為夜視設備已在各國普及使用，只能使用在短距離的紅外光源反而會暴露自己的位置造成危險。傳統光源在試圖提升發光功率時，一般是將許多低功率的光源排成陣列同時發光來達成。但這種方式也造成其光源模組體積過於龐大，在使用上受到許多限制。尤其對於需要隱密性與可攜帶性的應用需求來說，只有具備高功率且光束集中特性的雷射光源才是唯一合理的選擇。
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2. 夜間模擬應用
　　夜間模擬技術是因應紅外線夜視技術而產生的需求。其主要使用在軍事訓練、飛行模擬等領域。因為物質對於不同波長的光會有不同的吸收與反射，使得在同樣的場景中，可見光與紅外光反射所形成的影像將會相當不同。紅外線夜視儀的使用者若沒有經過模擬訓練，很可能會將紅外線影像判讀錯誤。這在需要精密操作的工作中可能會導致災難性的後果。 Fig. 2 模擬訓練用紅外線雷射投影機使用示意。
      模擬訓練用紅外線雷射投影機即是因應此需求而生。將實際或模擬出的紅外線夜視場景記錄儲存後，利用紅外線雷射投影機將各種資料畫面投影到訓練場所中，讓配備紅外線夜視儀的受訓者可以在安全的環境下，學習如何判斷理解眼前的影像。
推薦產品: ADL-83Q21NY 

3. 3D感測

　　自iPhone X手機開始導入人臉辨識功能以來，3D感測可以說是近年來紅外線雷射應用最熱門的領域。3D感測不僅僅是用在手機人臉辨識，VR/AR、光學雷達(Light Detection and Ranging, LiDAR)等諸多應用都是依靠3D感測所建立的技術。其原理是使用一組紅外光雷射發射器與搭配接受器，根據接收到的紅外光反射的狀況來計算環境空間。而目前最主要的運作方式又可分為結構光(Structure Light)與飛時測距(Time of Flight, ToF)兩種。
結構光的設計是將紅外光雷射利用繞射式光學元件(Diffractive Optical Element, DOE)投射出特定圖型(Pattern)，此圖型投影至被偵測物上時，會因為被偵測物的表面外型產生不同的扭曲變化並反射回接收器內，紅外光接收器便可依照接收到的訊號來計算空間資訊。iPhone X手機的3D感測就是使用此結構光技術。
　　而飛時測距則是將紅外光雷射以脈衝模式下運作，投射出的雷射光會經過一組光學漫射器(Diffuser)，形成一個均勻的光面。此光面在遇到物體反射回紅外光接收器後，系統便可以根據光反射的時間差與相位變化來計算空間資訊。
不論是結構光或是飛時測距，其偵測範圍都與光源的強度有正相關。極短距離偵測如手機人臉辨識，其光源僅需要毫瓦(mW)等級便已足夠；而長距離偵測如車用或無人飛行器用LiDAR，則要用到瓦(W)級高功率光源。根據所使用的雷射光源強度不同，小至讓掃地機器人判斷房間中的障礙物，大至讓飛行器在空中掃描繪製地型圖，在所有的空間辨識應用中都佔有舉足輕重的地位。同時這也賦予了各種無人自動化機械3D化的視覺，對未來工業技術的演進將會是一股不可忽視的力量。
推薦產品: ADL-83Y51IY-F1, ADL-85Y51IY-F1, ADL-94Y01IY-F1

      適合紅外線照明應用的二極體雷射光源

　　目前可以做為紅外光照明應用的二極體雷射，其常用的波長808m, 830nm, 850nm, 940nm等數個波段。華信光電做為台灣最大的專業二極體雷射製造商，對紅外光二極體雷射有長年的生產與研發經驗。對各種需求皆可以提供完整的解決方案，且在夜視應用與3D感測上皆有商業化使用的實績。

　　特別是近年華信光電專注研發的高功率雷射產品，推出了可應用於高功率夜視技術需求的808nm/830nm TO9 (Ø 9mm)封裝雷射源，在連續出光模式下其功率可高達2W。產品使用壽命長的同時具有高可靠度，不會產生COD(catastrophic optical damage, )，在操作溫度60℃下的平均失效時間(Mean-Time-Between-Failure, MTBF)遠高於標準的2萬小時。適合應用在夜視監視器、紅外線攝影補光燈、雷射投影機等各種設備上。
< 高功率產品 >

　　在3D感測的光源上，華信光電除TO封裝形式的各波段產品外，2020年也推出一系列可使用表面貼合封裝的新式SMD LD (Surface Mount Device Laser Diode)的產品，波長有830nm、850nm、940nm三種波段可供選擇。因為日照干擾的因素，其中830nm與850nm波長適合提供給在無日光的狀態(夜間或室內)下進行操作的設備使用。而日光中940nm波長容易被大氣層中的水氣吸收，難以傳遞至地表，故在戶外日光下使用940nm紅外光雷射做為3D感測光源時，可以不受干擾得到最佳偵測數據。
< SMD產品 >

除網頁中可以查詢到的量產品外，華信光電也提供各種客製化設計的服務。若您有紅外光雷射照明與3D感測相關的需求，歡迎與本公司的業務或工程人員聯絡討論。
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作者: 宓君緯 博士
雷射應用部 副理
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