3d摄像头的红外光源主要有红外led和激光器两种。而激光器按工作方式分为vcsel、fp、dfb和eml等几种方式;而按原理区分,vcsel则完全不同,vcsel的光发射垂直于半导体衬底,而其他边发射激光器光发射(又称eel)平行于衬底方向。
重获生机的红外光源市场
1961年,红外led问世,次年红外激光器问世。红外光源从研发到应用经历了20多年的时间。最初,红外光源主要应用于光通信领域;进入20世纪80年代,红外led开始被整合到各种消费类应用中,如遥控器;然后,红外光源市场受夜视应用驱动,如安防监控摄像机;近期,随着智能手机的发展,3d成像、自动对焦、虹膜识别、人脸识别等突破性功能正在被整合进手机中,红外led和激光器重获生机,预计红外光源市场将迎来10年的增长!麦姆斯咨询预计红外光源市场将从2016年4.5亿美元增长至2022年的15.5亿美元,复合年增长率高达22.7%!
2017~2027年红外光源市场预测
从上图可以看出,新兴应用是红外光源市场增长的主要贡献者,这其中3d摄像头功不可没。红外光源是3d摄像头中工作的“源头”,是实现深度测量的主要“功臣”。例如基于tof 3d摄像头原理:红外光源发射出红外光,经过人手或人脸的反射之后,红外信息(ir light)被红外光图像传感器所接收,这个图像信息用来计算物体的深度信息。
3d摄像头的红外光“源”来有这些
红外光的波长大于780nm,目前由于摄像头中的cmos图像传感器对于900nm以上红外光感知较差,同时对低于800nm的红外光因靠近可见光而容易受到环境光的干扰,因此目前红外摄像头的波长普遍在800~900nm之间。
电磁波按波长、频率分类
3d摄像头的红外光源主要有红外led和激光器两种。而激光器按工作方式分为vcsel(垂直腔面发射)、fp(法布里-泊罗)、dfb(分布式反馈)和eml(电吸收调制)等几种方式;而按原理区分,vcsel则完全不同,vcsel的光发射垂直于半导体衬底,而其他边发射激光器光发射(又称eel)平行于衬底方向,fp和dfb都属于eel。vcsel在设计、功耗、成本上具有突出的优点,更适合短距离传感等商业应用,因此受到消费电子设备特别是3d摄像头的青睐。
三种工作方式不同的红外光源的发射原理、最终光束比较
“突出重围”的红外led市场
在可见光led市场杀得血流成河的时候,红外led被视为潜在的新兴蓝海市场,为可见光led厂商带来了具有吸引力的商机。过去,只有少数厂商涉足红外led业务,但是截至2017年第一季度,厂商数量已激增至40多家。欧司朗(osram)和威世(vishay)仍然处于领先地位,但是也有一些厂商,如everlight和epistar,也获得了可观的投资收益。
普通的红外led外形和一般可见光led相似,但发出的是红外线,其选择的半导体材料不同。普通发光二极管的材料有磷化镓(gap)、磷砷化镓(gaasp),而红外发光二极管的材料为砷化镓(gaas)、砷铝化镓(gaalas),其中用得最多的是gaas。红外led由红外辐射效率高的材料制成pn结后,外加正向偏压向pn结注入电流激发红外光。
根据应用场景不同,红外led选择的波长范围也有所差异。比如,静脉识别一般选择760nm波段,车牌识别系统一般选择850nm或940nm的波段,安防监控通常采用850nm或940nm波段,心率监测采用940nm波段,血氧检测则采用940nm波段,虹膜识别通常采用810nm波段。
红外光源市场份额(2016年 vs. 2022年)
2016年,红外led市场仍占据整个红外光源市场的65%,到2022年其市场份额将被vcsel吞食20%,降至45%。虽然营收持续增长,但是不能不承认,随着vcsel技术的成熟,性能的绝对优势必将获得与红外led“平分天下”的地位。
来势汹汹的vcsel市场
vcsel是什么?有什么优势可以获得未来6年里如此强劲的增长?
vcsel全名为vertical cavity surface emitting laser,翻译为垂直腔面发射激光器。以gaas为衬底,在由高、低折射率介质材料交替生长成的分布布喇格反射器(dbr)之间连续生长单个或多个量子阱有源区所构成。典型的量子阱数目为3~5个,它们被置于驻波场的最大处附近,以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场。在底部还镀有金属层以加强下面dbr的光反馈作用,激光束从顶部透明窗口输出。
vcsel结构示意图
vcsel体积可做得非常小,可以获得高封装密度和低阈值电流;可方便地制成单片集成二维vcsel阵列,是并行光互连最佳光源;芯片生长后无须解理、封装即可进行在片测试。下面这张表是对红外led,vcsel和eel三种光源性能的对比,vcsel的综合性能是优于其它两者的。
三种红外光源性能比较(注:分值越高,该项参数表现越好)
vcsel最初应用在通讯领域,在消费领域的应用正在悄然兴起。特别是苹果iphone 8 即将采用vcsel技术引起广泛关注,vcsel + tof方案打造3d摄像头让消费者翘首以盼。一旦手机市场被撬动,vcsel的需求量将迅速打开,这就是未来6年vcsel强劲增长的巨大推动力。
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