作者：美國(guó)萊特太平洋公司編譯

近年來(lái)，激光測(cè)距市場(chǎng)一直都在持續(xù)增長(zhǎng)。人們最早研發(fā)激光傳感器是用于軍事和工業(yè)領(lǐng)域中的高端應(yīng)用，現(xiàn)在激光傳感器已經(jīng)進(jìn)入大眾消費(fèi)領(lǐng)域，價(jià)格也不再像以前那樣昂貴。在激光測(cè)距應(yīng)用中，最核心的部件是價(jià)格便宜的高性能激光二極管和光電二極管。

人們?cè)谧匀唤缰芯涂梢杂^察到非接觸式測(cè)距和定位應(yīng)用。一個(gè)眾所周知的例子就是蝙蝠可以在完全黑暗的環(huán)境中導(dǎo)航，確定位置和方向。它們使用回波定位和回聲測(cè)距，從背反回來(lái)的信號(hào)中提取出障礙物的方位和距離信息。

受此啟發(fā)，科學(xué)家開(kāi)始研究如何將這種技術(shù)應(yīng)用于人類。比如將定位系統(tǒng)應(yīng)用在機(jī)器上或服務(wù)于盲人。VISTAC研發(fā)出一套很有創(chuàng)意的產(chǎn)品—— 激光輔助白手杖（見(jiàn)圖1）。手杖中帶有激光傳感器，其中包含激光二極管和探測(cè)器。激光輔助白手杖方面攜帶，可以幫助有視覺(jué)障礙和失明的人。

圖1：定位系統(tǒng)——激光輔助白手杖

單靠移動(dòng)手杖，沒(méi)有辦法發(fā)現(xiàn)盲人頭部或上半身的前方的障礙物。而手杖上面的激光二極管可以發(fā)射發(fā)散的激光光束，如果盲人頭部或上半身的前方有障礙物，光束就會(huì)反射回來(lái)，手杖上的探測(cè)器探測(cè)到這些背反光，傳感器模塊就會(huì)震動(dòng)，告知盲人前方有障礙物。就像上面提到的自然界中蝙蝠的例子，空間方向是否可以行走就可以確定了。

 該技術(shù)還應(yīng)用到了汽車工業(yè)領(lǐng)域，用于輔助駕駛更加方便、安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2005年一年，在歐洲就有4萬(wàn)多人死于車禍。為此，歐洲委員會(huì)發(fā)起e-Safety計(jì)劃，目標(biāo)是到2010年將上述車禍死亡人數(shù)減少一半。為了提高駕駛安全性，輔助駕駛系統(tǒng)中增加了許多功能，如車距提醒（見(jiàn)圖2）、車道協(xié)助和緊急制動(dòng)系統(tǒng)等，例如在距離其他車輛太近的時(shí)候，就會(huì)啟動(dòng)緊急制動(dòng)。這些功能可以告知實(shí)時(shí)的周邊環(huán)境、提前預(yù)警、協(xié)助停車，大大提高了駕駛的安全性。

圖2：汽車輔助駕駛系統(tǒng)——測(cè)量距離和相對(duì)速度

如何使用先進(jìn)的激光測(cè)距技術(shù)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)幾千米的非接觸式測(cè)距通過(guò)一個(gè)小型、便攜設(shè)備或集成了測(cè)距儀的觀察鏡或雙筒望遠(yuǎn)鏡即可實(shí)現(xiàn)。這種系統(tǒng)已經(jīng)在生活中獲得了具體應(yīng)用，如高爾夫球手使用這些系統(tǒng)來(lái)提高標(biāo)準(zhǔn)桿數(shù)，獵人也可以用該系統(tǒng)更好地瞄準(zhǔn)目標(biāo)。測(cè)距儀內(nèi)部的半導(dǎo)體激光器功率非常低，屬于人眼安全的1級(jí)激光，因此使用者不用擔(dān)心眼睛會(huì)受到傷害。

激光測(cè)距的基礎(chǔ)是根據(jù)時(shí)間渡越（time of flight，TOF）原理進(jìn)行光學(xué)測(cè)距。這種非接觸式方法可以測(cè)量幾個(gè)厘米到幾千米的距離和速度。

激光測(cè)距工作原理

激光測(cè)距的工作原理是時(shí)間渡越。時(shí)間渡越法測(cè)量的方案如下：經(jīng)過(guò)調(diào)制的脈沖激光，經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后發(fā)射。記錄下反射回來(lái)的激光回到測(cè)距儀的時(shí)間，由此可確定光束的傳輸時(shí)間Δt，光速c是已知量，需要測(cè)量的距離便可計(jì)算得到，即

 其中，n為周圍環(huán)境介質(zhì)的折射率。

 渡越時(shí)間測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)快，響應(yīng)時(shí)間很短。渡越時(shí)間法可以用于測(cè)量從1米到幾萬(wàn)米范圍的距離。這種方法的缺點(diǎn)是需要在很短的時(shí)間（ns到ps）內(nèi)完成測(cè)量，很難達(dá)到厘米精度的分辨率。為了簡(jiǎn)化測(cè)量方案，一般采用調(diào)頻激光或高頻信號(hào)調(diào)制的激光光束。

圖3：時(shí)間渡越方法的工作原理

發(fā)射光源：激光器

常見(jiàn)的激光二極管都是連續(xù)激光輸出，輸出功率從幾毫瓦到幾瓦。這種激光二極管只能很有限地承受過(guò)載驅(qū)動(dòng)，如果輸出光功率超過(guò)最大值，就算只持續(xù)很短的時(shí)間，也會(huì)破壞激光二極管的內(nèi)部諧振腔。

 脈沖激光二極管（Pulsed Laser Diodes，PLD）是專為短時(shí)間、強(qiáng)烈過(guò)載驅(qū)動(dòng)脈沖設(shè)計(jì)的，因此最適合用于渡越時(shí)間測(cè)量。為了達(dá)到這樣的峰值功率水平，二極管必須工作在非常低的占空比條件下，一般占空比是0.1%。例如，一個(gè)100ns脈寬的脈沖后面緊接著有100µs的時(shí)間是不出光的。要達(dá)到千赫茲的脈沖頻率，要求脈沖持續(xù)時(shí)間很短。總的來(lái)說(shuō)，脈沖激光二極管實(shí)現(xiàn)了上升沿時(shí)間很短的、脈寬幾十納秒的脈沖。為了得到這樣的脈沖，必須有強(qiáng)電流脈沖驅(qū)動(dòng)二極管，電流值應(yīng)該為幾安到幾十安。要得到這么強(qiáng)的電流脈沖并不容易，除了需要其他元件外，還要有特制的開(kāi)關(guān)晶體管，導(dǎo)線長(zhǎng)度也不能太長(zhǎng)。

發(fā)射波長(zhǎng)是選擇PLD的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)激活層采用的不同材料，可以發(fā)射不同的波長(zhǎng)。從激光測(cè)距在消費(fèi)、工業(yè)和汽車領(lǐng)域的應(yīng)用來(lái)看，905nm（人眼不可見(jiàn)）的脈沖激光二極管已成為標(biāo)準(zhǔn)選擇。硅探測(cè)器在這個(gè)波段的響應(yīng)度最高，因此其已成為最合適的接收器。

“多結(jié)”技術(shù)

905nm激光二極管采用的是AlGaAs材料。AlGaAs材料結(jié)構(gòu)可靠性好，光束特性優(yōu)異，溫度穩(wěn)定性佳。單個(gè)發(fā)射極就可以達(dá)到40W的輸出功率，效率約為1W/A（見(jiàn)圖4a）。

如果需要更高的輸出功率，則需要用到“多結(jié)”技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是Laser Components研發(fā)成功的。將幾個(gè)發(fā)射極外延疊放在一個(gè)芯片上，相鄰兩個(gè)發(fā)射極之間的距離只有4µm，這樣一個(gè)二極管就可以實(shí)現(xiàn)75W的輸出功率。優(yōu)化發(fā)射極的堆棧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以得到更高的峰值功率（見(jiàn)圖4c），如峰值功率220W、脈寬100ns的激光輸出。如果脈寬更短些，峰值功率還可以超過(guò)400W。

圖4：PLD結(jié)構(gòu)圖

a）單發(fā)射極結(jié)構(gòu)；b）多結(jié)芯片結(jié)構(gòu)（3個(gè)發(fā)射極）；c）堆棧結(jié)構(gòu)（3個(gè)芯片）

除了波長(zhǎng)和電光參數(shù)以外，穩(wěn)定性是選擇PLD的另一個(gè)重要指標(biāo)。與其他光源（特別是半導(dǎo)體激光器）一樣，光源的使用壽命取決于其工作環(huán)境。對(duì)于脈寬足夠短（幾個(gè)ns）或重復(fù)頻率不高的PLD，可以承受極大的過(guò)載驅(qū)動(dòng)，不會(huì)損壞PLD。PLD在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用，如彈藥光學(xué)點(diǎn)火，只需要單個(gè)激光脈沖。但是工業(yè)應(yīng)用（如安全掃描器）常常需要常年工作在每天24小時(shí)、每周7天的工作狀態(tài)下。

對(duì)于905nm PLD的平均無(wú)故障時(shí)間（MTTF）的計(jì)算，一般使用下面來(lái)自多年測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)公式：

MTTF= k x {P/L}-6x tw-2 x F-1 x f(T)

其中：

Po/L         (mW/µm)為光學(xué)峰值功率/發(fā)射極的尺寸；tw (ns)為脈沖寬度；F(kHz)為重復(fù)頻率；

f(T) = 1 @ 25°C，為倍增因子，取決于外殼的溫度；k為常數(shù)，取決于激光發(fā)射極材料（對(duì)于Laser Components公司的905nm PLD，k=1.7 x 10²¹）。

集成PLD芯片的外殼對(duì)該P(yáng)LD的性能和穩(wěn)定性也很重要。直到現(xiàn)在，那些要求低成本的應(yīng)用仍然僅限于塑料封裝的PLD。Laser Components公司推出了905DxxUA系列（見(jiàn)圖6）PLD，其采用金屬TO56封裝，屬于高端/低成本產(chǎn)品。根據(jù)不同的型號(hào)和芯片結(jié)構(gòu)，峰值功率范圍為5～75W。采用金屬封裝具有如下明顯的優(yōu)勢(shì)：

-          玻璃窗片有助于改善發(fā)射激光的光學(xué)特性

-          能非常精確地固定芯片在封裝外殼上的位置

-          優(yōu)異的熱穩(wěn)定性

-          可靠性高

-          可以承受過(guò)載驅(qū)動(dòng)

-          弱電感，能實(shí)現(xiàn)很短的上升沿時(shí)間

接收器

為了探測(cè)PLD發(fā)射的短脈沖激光，激光測(cè)距儀中通常采用Si PIN光電二極管或雪崩光電二極管（APD）作探測(cè)器，其響應(yīng)范圍覆蓋400～1100nm，最大響應(yīng)波長(zhǎng)約900nm。使用壽命并不是這些元件主要應(yīng)該考慮的因素，如果使用得當(dāng)，APD幾乎不會(huì)老化。

傳統(tǒng)的PIN光電二極管接收入射的光子，形成電子-空穴對(duì)（電荷載流子），得到可測(cè)量的電流。因此，入射光子的能量被轉(zhuǎn)化為電能。而APD在各個(gè)方面都更進(jìn)一步。與常規(guī)的PIN光電二極管不同，光子入射APD后，形成雪崩的電荷載流子。因此，雪崩光電二極管可以極大提高響應(yīng)靈敏度，但其前提是需要加載偏壓，擴(kuò)大耗盡區(qū)。在這個(gè)耗盡區(qū)中，入射光產(chǎn)生的電荷載流子經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速，通過(guò)碰撞電離，產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)。由此產(chǎn)生的電流可以計(jì)算如下：

I=R_o x M x P_s

其中，R_o（A/W）為APD的光譜靈敏度；M為內(nèi)部增益；P_s（W）為入射光功率。APD的增益取決于加載的偏壓（見(jiàn)圖5）。

圖5：Si-APD（500μm）的增益與電壓和溫度曲線

選擇APD還是PIN二極管

比較APD和PIN二極管的性能，單是簡(jiǎn)單地對(duì)比噪聲特性是不夠的，起決定性因素的是整個(gè)系統(tǒng)的信噪比。因此，判斷一個(gè)PIN二極管的性能時(shí)，同時(shí)也要考慮相應(yīng)的前置放大器。PIN二極管和前置放大器，哪個(gè)器件的噪聲特性起作用，取決于頻率。只要APD可以明顯提高信號(hào)，而不顯著增加整個(gè)系統(tǒng)的噪聲，APD的性能總是比PIN二極管更好。探測(cè)中、高頻率的弱光時(shí)，APD是首選。

為了避免APD影響系統(tǒng)噪聲，需要控制內(nèi)部增益，使得探測(cè)器的噪聲約等于其后的放大器或電阻的輸入噪聲。

與帶有前置放大器的PIN二極管相比，APD（帶有10-1000內(nèi)部增益）可以將信噪比提高2～5倍不等，這取決于不同的應(yīng)用。增加系統(tǒng)帶寬會(huì)增加APD和PIN二極管的噪聲。因此，用戶應(yīng)認(rèn)真權(quán)衡所有選擇，減少帶寬。

 為了降低環(huán)境和雜散光帶來(lái)的噪聲，可以在接收端增加一個(gè)合適的帶通光學(xué)濾光片。Laser Components公司也在提供這方面的高端/低成本產(chǎn)品。SARF500F2非常適合與905nm脈沖激光二極管配合使用。SARF系列（見(jiàn)圖6）采用了一個(gè)905nm的帶通濾光片，集成在很小的TO封裝外殼中。230μm和500μm的APD芯片都在905nm處做了優(yōu)化，保證最佳的性能。直接將濾光片集成于封裝外殼中的優(yōu)點(diǎn)在于：無(wú)需在外部另外組裝濾光片，既減少了成本、縮小了尺寸，還使系統(tǒng)在905nm波長(zhǎng)測(cè)量做了優(yōu)化。帶有濾光片的APD一般采用改裝的TO46封裝或SMD封裝。

圖6：PLD和集成905nm帶通濾光片的APD

總結(jié)

激光傳感器的應(yīng)用持續(xù)增加�；�于時(shí)間渡越原理的激光測(cè)距儀，已經(jīng)開(kāi)始采用高端/低成本的組件。這樣的高端/低成本組件包括金屬封裝的脈沖激光二極管和集成帶通濾光片的雪崩光電二極管。