世界是三維的。 這句話如此容易理解，以至于大多數(shù)人從未懷疑過自己感知世界的方式。 但事實(shí)上，人的每只眼睛每次可捕獲一幅平面圖像，就像相機(jī)一樣。根據(jù)雙眼捕獲的兩幅平面圖像形成 3D 感知，這個(gè)神奇的過程只會(huì)發(fā)生在人的大腦中。

Coherent 是 3D 感測(cè)先進(jìn)照明解決方案的大型供應(yīng)商。

如今，我們?cè)絹碓叫枰獢?shù)字系統(tǒng)與 3D 世界交互——無論是解讀手勢(shì)控制、進(jìn)行面部識(shí)別，還是讓汽車進(jìn)行自動(dòng)駕駛。 為了完成這些任務(wù)，我們需要至少給數(shù)字系統(tǒng)賦予人類的一些深度感知能力。

深度感測(cè)

數(shù)位成像領(lǐng)域使用兩種基本的 3D（深度）感測(cè)方法：三角測(cè)量和飛行時(shí)間 （time-of-flight， ToF） 測(cè)量。這兩種技術(shù)有時(shí)甚至結(jié)合使用。

三角測(cè)量基于幾何學(xué)。 雙眼視覺是三角測(cè)量的一種形式，是人類 3D（立體）視覺的工作方式。 人的雙眼呈水平分開。 這意味著兩只眼睛分別從略微不同的角度看世界。 這種角度差異會(huì)產(chǎn)生視差，即，物體相對(duì)于背景的位置會(huì)根據(jù)你用哪只眼睛看而發(fā)生偏移。 然后，大腦利用這些視差信息來感知視野范圍內(nèi)物體的深度（距離），并產(chǎn)生對(duì)視野的 3D 感知。

然而，立體視覺可能依賴于照明條件，且需要獨(dú)特的紋理表面。 這導(dǎo)致難以可靠地實(shí)現(xiàn)立體視覺。 相反，計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)使用三角測(cè)量的另一種形式，依賴于結(jié)構(gòu)光。 “結(jié)構(gòu)光”這個(gè)名稱聽起來很深?yuàn)W，其實(shí)就是指將圖案（例如，一系列線條或無數(shù)光點(diǎn)）投射到物體上，并從略微不同的角度分析圖案的畸變程度。 相較于重建真實(shí)的雙眼視覺，這種方法對(duì)處理能力的要求低很多，而且使計(jì)算機(jī)能夠快速計(jì)算深度信息并重建 3D 場(chǎng)景。

在其中一種形式的三角測(cè)量深度感測(cè)技術(shù)中，結(jié)構(gòu)光圖案被投射在場(chǎng)景中，再由成像系統(tǒng)分析圖案的畸變程度，以獲得照明區(qū)域的深度信息

三角測(cè)量法在處理表面的高分辨率繪圖方面具有優(yōu)勢(shì)。 這種方法在短距離應(yīng)用中效果最佳，因此對(duì)于面部識(shí)別等任務(wù)非常有用。

飛行時(shí)間 （ToF） 成像技術(shù)有兩種不同的形式。 在“直接飛行時(shí)間”（direct Time-of-Flight，dToF）技術(shù)中，場(chǎng)景被光脈沖照亮，系統(tǒng)會(huì)測(cè)量光脈沖反射回來所需的時(shí)間。 由于光速是已知的，因此這個(gè)回程時(shí)間可直接轉(zhuǎn)換為距離。 如果針對(duì)圖像的每個(gè)像素獨(dú)立進(jìn)行這項(xiàng)計(jì)算，即可得出場(chǎng)景中每個(gè)點(diǎn)的深度值。

ToF 技術(shù)的第二種形式是“間接飛行時(shí)間”（indirect Time-of-Flight， iToF）。 在 iToF 技術(shù)中，照明光源是連續(xù)的調(diào)變信號(hào)。系統(tǒng)會(huì)在返回光中測(cè)量這種調(diào)變模式的相移。這樣可提供用于計(jì)算物體距離的數(shù)據(jù)。

ToF 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠快速完成大面積和長(zhǎng)距離的測(cè)量。 這使它非常適合虛擬實(shí)境頭戴式裝置中的房間掃描或機(jī)器人導(dǎo)航中的障礙物檢測(cè)等任務(wù)。

直接飛行時(shí)間感測(cè)光脈沖的往返行程時(shí)間，并將測(cè)得的時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離

3D 感光源要求

光源的特性是決定三角測(cè)量和 ToF 3D 感測(cè)方法的有效性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。每種應(yīng)用都有獨(dú)特的照明要求，但也有某些共同需求。

三角測(cè)量使用Coherent光源有許多好處，有助于更靈活地創(chuàng)建圖案。還能夠形成更高分辨率的結(jié)構(gòu)化圖案，并在更長(zhǎng)的距離內(nèi)保持圖案完整性。

三角測(cè)量光源還需要具有穩(wěn)定的光束指向特性。 這種特性的任何波動(dòng)都可能導(dǎo)致深度測(cè)量不準(zhǔn)確。

ToF 系統(tǒng)要求光源能夠發(fā)射精確的短光脈沖（dToF）或可進(jìn)行高頻調(diào)變的連續(xù)輸出（iToF）。 要進(jìn)行準(zhǔn)確的距離測(cè)量，精確且升降時(shí)間很短的脈沖時(shí)間和調(diào)變頻率至關(guān)重要。

ToF 系統(tǒng)（尤其是使用泛光照明來覆蓋大面積或長(zhǎng)距離的系統(tǒng)）通常需要比三角測(cè)量系統(tǒng)更高的輸出功率。 這可確保返回光具有足夠的強(qiáng)度，能被檢測(cè)到，并確保系統(tǒng)在有強(qiáng)烈環(huán)境光的情況下能夠正常運(yùn)行。

隨著輸出功率的提高，對(duì)功率效率（光輸出功率與輸入電功率之比）的需求變得更加重要。對(duì)于便攜式設(shè)備（由電池供電），效率尤其重要。

激光幫助實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的深度感測(cè)

二極管雷射比任何其他光源都能更好地滿足這些要求（對(duì)于三角測(cè)量和 TOF 感測(cè)）。 早就有一些 3D 感測(cè)應(yīng)用部署了發(fā)光二極管 （Light emitting diode， LED），因?yàn)?LED 容易獲得且成本相對(duì)較低。但隨著對(duì) 3D 感測(cè)系統(tǒng)性能和效率的需求不斷提高，LED 變得不太符合要求。

其中一個(gè)原因是，二極管激光具有幾個(gè)獨(dú)特的特性：光譜輸出窄、光束相干性、亮度高。 這些特性使二極管激光非常適用于創(chuàng)建精確、高對(duì)比度、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)化光圖案。

由于雷射的光譜輸出窄，使得可以輕而易舉地在檢測(cè)系統(tǒng)中過濾掉環(huán)境光。這樣可提高各種感測(cè)系統(tǒng)在明亮的陽光下或其他光線充足的場(chǎng)景中的性能。

二極管激光具有更高亮度，這可進(jìn)一步提高返回信號(hào)的功率。特別是對(duì)于 TOF 應(yīng)用來說，這意味著更短的光閘時(shí)間、更高的幀速率，以及能夠更敏銳地看到反射性不高的物體。 同樣，這將會(huì)提高系統(tǒng)在光線充足的場(chǎng)景中的性能。由于強(qiáng)度較低，因此LED難以實(shí)現(xiàn)同樣水平的細(xì)節(jié)分辨率和深度分辨率。

此外，與LED相比，二極管雷射在功耗和尺寸方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。 二極管激光外形小巧，而又能夠發(fā)射強(qiáng)信號(hào)，因此成為了由電池供電的小型設(shè)備的理想之選。

最后，二極管激光的切換或調(diào)變速率比 LED 快得多。這種快速調(diào)變使得可以采用準(zhǔn)確性更高的先進(jìn)ToF技術(shù)。

COHERENT 在3D 感測(cè)領(lǐng)域出類拔萃

Coherent 是 3D 感測(cè)照明源領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者之一，我們的出貨量累計(jì)超過 20 億件！ 我們的產(chǎn)品群組包括雷射、光學(xué)元件和完整的照明模塊。

我們的光源包括垂直腔面發(fā)射雷射 （Vertical Cavity Surface Emitting Laser， VCSEL）、VCSEL 陣列和邊緣發(fā)射二極管激光 （edge-emitting diode laser， EEL）。

特別是，VCSEL 陣列（典型輸出為 940 nm）如今已成為主要的 3D 感光源。 這有幾個(gè)原因。其中一個(gè)原因是，VCSEL 從裝置頂部發(fā)射光，而不是像EEL一樣從側(cè)面發(fā)射光。 這使得更容易在電路板上將 VCSEL 與其他元件整合。此外，在 3D 感測(cè)使用的功率水平下，VCSEL 的成本低于 EEL。因此，EEL 通常僅部署在高性能 VCSEL 尚不可用的較長(zhǎng)波長(zhǎng) （>1200 nm） 處。這些較長(zhǎng)波長(zhǎng)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，在明亮的陽光下具有更穩(wěn)健的性能（幾乎能夠過濾掉所有陽光），以及對(duì)眼睛更安全（功率水平可能比近紅外波長(zhǎng)高 10 倍）。

在 6 吋 GaAs 晶圓的基礎(chǔ)上，Coherent 打造了成熟的 VCSEL 和 EEL 制造平臺(tái)。 這使我們成為了這一技術(shù)領(lǐng)域的銷量佼佼者，并能夠始終如一地提供具有出色可靠性和性能的設(shè)備。

3D 感光源通常配置為泛光照明器或圖案投影器。泛光照明器可在特定角度提供均勻的光覆蓋范圍，用于面部識(shí)別和手勢(shì)檢測(cè)等應(yīng)用。此類應(yīng)用的特點(diǎn)是，光在整個(gè)視野范圍內(nèi)的均勻分布是確保測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。 

圖案投影器實(shí)際上用于三角測(cè)量和 ToF 系統(tǒng)。將光圖案與 ToF 測(cè)量相結(jié)合可提高信噪比并減少多路徑產(chǎn)生的測(cè)量誤差。這種誤差是指由于光在到達(dá)傳感器之前在多個(gè)表面上發(fā)生了反彈而造成的不準(zhǔn)確性。

在這兩種配置中，光學(xué)元件都用于形成和轉(zhuǎn)換激光輸出，以滿足應(yīng)用的確切要求。通?？墒褂孟鄬?duì)簡(jiǎn)單、低成本的模壓塑膠透鏡來生產(chǎn)泛光照明器。 但是，對(duì)結(jié)構(gòu)光源的要求則更為嚴(yán)格。

Coherent 的衍射光學(xué)元件 （diffractive optical element， DOE） 和微透鏡光學(xué)技術(shù)可滿足結(jié)構(gòu)光照明需求。微透鏡光學(xué)技術(shù)利用奈米結(jié)構(gòu)（比光波長(zhǎng)更小的物理性質(zhì)）來改變傳播特性。這可能包括改變光束形狀、發(fā)散角和強(qiáng)度分布，以及分離光束以創(chuàng)建結(jié)構(gòu)光圖案。 

Coherent 微透鏡光學(xué)技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)是，能夠?qū)⒍喾N光學(xué)功能（例如光束準(zhǔn)直和光束分離）整合到一個(gè)緊湊的元件中。 這樣可縮減光學(xué)系統(tǒng)的尺寸并降低系統(tǒng)復(fù)雜性，還可提高 3D 感測(cè)模塊的整體性能。

Coherent 的另一個(gè)關(guān)鍵差異化因素是，我們能夠設(shè)計(jì)并垂直整合整個(gè)照明模塊解決方案。 這種整合可確保光源、光學(xué)元件、驅(qū)動(dòng)器IC和封裝全都經(jīng)過優(yōu)化，能夠無縫協(xié)同工作，為我們的客戶提供可靠、高性能且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的產(chǎn)品，以供隨時(shí)大規(guī)模使用在要求嚴(yán)苛的應(yīng)用中。

Coherent 制造的泛光照明模塊和點(diǎn)陣投影模塊

例如，我們的 3D 感測(cè)照明模塊旨在盡量減少電氣寄生現(xiàn)象（不必要的電容、電感或電阻）。 這對(duì)于提供高精度ToF傳感器所依賴的奈秒脈沖寬度和亞奈秒升降時(shí)間至關(guān)重要。 此外，我們強(qiáng)調(diào)眼睛安全的重要性，納入了用于監(jiān)控設(shè)備完整性和輸出功率的功能，以確保光輸出在任何情況下都始終保持在規(guī)定的安全水平范圍內(nèi)。 消費(fèi)型裝置必須做到這一點(diǎn)。

綜上所述，Coherent 不僅只是提供一流的元件：我們的團(tuán)隊(duì)了解復(fù)雜的 3D 感測(cè)技術(shù)，可提供完善的整合解決方案來提高設(shè)備性能并確保使用者安全。 通過與我們合作，我們追求卓越的傳統(tǒng)以及堅(jiān)持不懈的光子產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)能為您提供依靠。