多光束轮廓仪助力三维传感

来源:国际工业激光商情

发布时间:2020年4月22日下午 12:04:15

在激光束轮廓分析技术中,通常的行业标准是一次测量一束激光。然而,激光二极管市场最近在激光束轮廓分析的规模和新技术概念上都有所增长:许多新的应用,如手势识别、自动驾驶、高性能激光器等,都是基于由多个激光器组成的平行发射而构成。典型的例子如iPhone10:通过创建大约30,000个点并将这些点投射到用户的脸上,而反射的信息则被用来重建3D面部特征从而可以进行面部识别。另一个例子如VCSEL垂直表面发射激光器系列,由于VCSEL低功率,良好的光束特性以及在一个晶片上可构建多个激光源的能力,它已迅速发展为世界上最先进的技术之一。
在激光束轮廓分析技术中,通常的行业标准是一次测量一束激光。然而,激光二极管市场最近在激光束轮廓分析的规模和新技术概念上都有所增长:许多新的应用,如手势识别、自动驾驶、高性能激光器等,都是基于由多个激光器组成的平行发射而构成。典型的例子如iPhone10:通过创建大约30,000个点并将这些点投射到用户的脸上,而反射的信息则被用来重建3D面部特征从而可以进行面部识别。另一个例子如VCSEL垂直表面发射激光器系列,由于VCSEL低功率,良好的光束特性以及在一个晶片上可构建多个激光源的能力,它已迅速发展为世界上最先进的技术之一。
 
 
用户们所感兴趣的点在于:光束的均匀性、光束的平值峰值或高斯分布特性、热稳定性以及超过1kW/cm2的单芯能否高功率输出。在大功率应用中,VCSEL阵列通常与冷却器配套使用,冷却器的重要作用是监控激光器的稳定性,以避免激光二极管的失灵。对于所有这些应用来说,重要的是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。在这个多源的产业中,既可以找到仅带有一个或两个激光器的单芯片,也可以找到密集封装了30,000多个激光器的芯片。
 
DOE(衍射光学元件)组件在能够提高工业4.0的性能的高功率激光器的分光中起着越来越重要的作用。一台高功率激光器可以分为多束光,并能平行执行材料处理。Holo/Or提供的图1显示一个光束分裂成多个光束的典型例子。
 
 
图 1: 用于钎焊的高能束分裂
 
VCSEL技术则允许将多个激光器封装在一个芯片上。在这种情况下,VCSEL的输出可按大小线性缩放。每一个激光器都是独立并且一模一样的。同时,芯片上的激光越多,输出的功率就越大。将激光器全部连接到单个电源会使它们全部并行发射,区域中不同的布线方式让其可以发射出不同的图案。然而,诸如加热、几何误差和不规则等副作用会导致各种激光以不同的功率和不同的发散度发射。然而精心设计的光束轮廓仪则可以同时分析光源并即时比较近场和远场的输出。
 
图 2:光束分成 16 个子光束。 图片由 Holo / Or 提供
 
各种各样的应用向如何才能提供一种灵活而准确的光束测量技术提出了挑战,这要求该技术能够同时测量几束到数千束的多束光束,并且测量时需要提供轮廓信息和光束之间的相对相互关系。此外,测量还需要在较宽的功率水平和波长范围内进行。
 
让测量更轻松
 
为了应对这一挑战,一种高分辨率光束轮廓仪(240万像素,尺寸为11x7毫米)被发开出来,可以用于实时分析平行激光的轮廓。这种设计能够根据被检查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分析。快速激光束轮廓仪的应用技术也同样适用于大批量生产和在线检测。通过配置特殊的衰减器和光束采样器,它可以用于测量包括高功率激光在内的各种功率级别的光束。
 
 
图 3:典型的二维高功率 VCSEL 阵列(图片由 Finisar Corporation 提供)
 
如图3和图4所示,需要检查和比较一个典型的一模多路激光阵列的上述各种参数。此外,还要检查远场和近场——此项操作可以通过在光束轮廓仪上附加一个聚焦透镜来实现,并可以在透镜处于无限位置时进行测量,然后将其聚焦在芯片的表面上。或者,对于不是快速扩展的光束,则通过实际上将光束轮廓仪移动到靠近模具或远离模具的位置来进行测量。典型测量由基于高分辨率相机的光束轮廓仪执行,并根据用户划分或软件提供的自动最佳划分划分为多个部分。
 
 
图 4: 一模多路激光阵列
 
该装置的工作原理类似于多个独立的光束轮廓仪:每个轮廓仪分析一个光束,所有光束平行分析,并收集典型的结果,如:光束之间的距离、相对亮度、轮廓和长期稳定性等,以便于进一步进行分析。
 
如图5所示,除了每个光束的实时相对亮度之外,用户还可以打开或关闭明确编号的“结果”窗口,以获取每个虚拟光束轮廓仪的详细信息。典型的信息包括三个层级的光束轮廓大小、位置,其他更多的信息则以非图形实时文件显示。
 
 
图 5:平行显示的多个实际光束,包括显示每个光束结果的弹出窗 口(图片由 Duma Optronic 提供)
 
至于如何获得生动清晰的信息,则需要通过虚拟多光束轮廓仪对所有模具的光束进行三维重建,来显示出相机表面的光束和分割情况。
 
对于远场散度的计算,光束轮廓仪需要包括一个不失真的透镜系统,该系统需要位于距检测器表面正好一个焦距的位置。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:2ωo/f,(其中ωo是13.5%层级时光束轮廓的半径)
 
 
图 6:三维多光束重建(图片由 Duma Optronics 提供)
 
针对高功率应用,不可能进行直接测量,因此,需要使用反射光束采样器。通过反射光束采样器能将大部分的功率定向到光束收集器,只有一小部分应该引向到测量仪器。图7显示了一个典型的装置。如果涉及到极高的功率,则需要对图7所示的光束采样器本身进行通过将压缩空气吹到棱镜光束采样器上实现的冷却。此外,这种加压冷却将为光束采样器可以提供一个保护幕,并能主动清除颗粒,防止颗粒在表面堆积从而平行测量高功率激光束。
 
 
图 7: BeamOn U3 高功率光束轮廓仪,内含具有内置空冷的高功率光 束采样器
 
高质量和高分辨率的光束轮廓仪有潜力协助新兴市场测量平行工作的多个激光源或激光束。激光雷达,材料加工,医疗应用等应用都将受益于并行光束分析,从而给市场提供更好,更准确的设备。除了拥有更高的质量以外,这些设备还可以大大减少测试时间和提高针对大吞吐量激光系统的决策效率。
 

 

 

作者:Oren Aharon, Duma Optronics , 首席技术官

 

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