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。 但事實上，人的每只眼睛每次可捕獲一幅平面圖像，就像相機一樣。根據(jù)雙眼捕獲的兩幅平面圖像形成 3D 感知，這個神奇的過程只會發(fā)生在人的大腦中。

Coherent 是 3D 感測先進照明解決方案的大型供應商。

如今，我們越來越需要數(shù)字系統(tǒng)與 3D 世界交互——無論是解讀手勢控制、進行面部識別，還是讓汽車進行自動駕駛。 為了完成這些任務，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

數(shù)位成像領域使用兩種基本的 3D（深度）感測方法：三角測量和飛行時間 （time-of-flight， ToF） 測量。這兩種技術有時甚至結合使用。

三角測量基于幾何學。 雙眼視覺是三角測量的一種形式，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。 這種角度差異會產(chǎn)生視差，即，物體相對于背景的位置會根據(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物體的深度（距離），并產(chǎn)生對視野的 3D 感知。

然而，立體視覺可能依賴于照明條件，且需要獨特的紋理表面。 這導致難以可靠地實現(xiàn)立體視覺。 相反，計算機視覺系統(tǒng)使用三角測量的另一種形式，依賴于結構光。 “結構光”這個名稱聽起來很深奧，其實就是指將圖案（例如，一系列線條或無數(shù)光點）投射到物體上，并從略微不同的角度分析圖案的畸變程度。 相較于重建真實的雙眼視覺，這種方法對處理能力的要求低很多，而且使計算機能夠快速計算深度信息并重建 3D 場景。

在其中一種形式的三角測量深度感測技術中，結構光圖案被投射在場景中，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

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

飛行時間 （ToF） 成像技術有兩種不同的形式。 在“直接飛行時間”（direct Time-of-Flight，dToF）技術中，場景被光脈沖照亮，系統(tǒng)會測量光脈沖反射回來所需的時間。 由于光速是已知的，因此這個回程時間可直接轉換為距離。 如果針對圖像的每個像素獨立進行這項計算，即可得出場景中每個點的深度值。

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

ToF 技術的優(yōu)勢在于能夠快速完成大面積和長距離的測量。 這使它非常適合虛擬實境頭戴式裝置中的房間掃描或機器人導航中的障礙物檢測等任務。

直接飛行時間感測光脈沖的往返行程時間，并將測得的時間轉換為距離

3D 感光源要求

光源的特性是決定三角測量和 ToF 3D 感測方法的有效性和準確性的關鍵因素。每種應用都有獨特的照明要求，但也有某些共同需求。

三角測量使用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構化圖案，并在更長的距離內保持圖案完整性。

三角測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都可能導致深度測量不準確。

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

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

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

激光幫助實現(xiàn)更高質量的深度感測

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

其中一個原因是，二極管激光具有幾個獨特的特性：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、高對比度、穩(wěn)定的結構化光圖案。

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

二極管激光具有更高亮度，這可進一步提高返回信號的功率。特別是對于 TOF 應用來說，這意味著更短的光閘時間、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，這將會提高系統(tǒng)在光線充足的場景中的性能。由于強度較低，因此LED難以實現(xiàn)同樣水平的細節(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。 二極管激光外形小巧，而又能夠發(fā)射強信號，因此成為了由電池供電的小型設備的理想之選。

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

COHERENT 在3D 感測領域出類拔萃

Coherent 是 3D 感測照明源領域的全球領導者之一，我們的出貨量累計超過 20 億件！ 我們的產(chǎn)品群組包括雷射、光學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。 這有幾個原因。其中一個原因是，VCSEL 從裝置頂部發(fā)射光，而不是像EEL一樣從側面發(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 尚不可用的較長波長 （>1200 nm） 處。這些較長波長的關鍵優(yōu)勢是，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），以及對眼睛更安全（功率水平可能比近紅外波長高 10 倍）。

在 6 吋 GaAs 晶圓的基礎上，Coherent 打造了成熟的 VCSEL 和 EEL 制造平臺。 這使我們成為了這一技術領域的銷量佼佼者，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，用于面部識別和手勢檢測等應用。此類應用的特點是，光在整個視野范圍內的均勻分布是確保測量準確性的關鍵。 

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

在這兩種配置中，光學元件都用于形成和轉換激光輸出，以滿足應用的確切要求。通?？墒褂孟鄬唵?、低成本的模壓塑膠透鏡來生產(chǎn)泛光照明器。 但是，對結構光源的要求則更為嚴格。

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

Coherent 微透鏡光學技術的一大優(yōu)點是，能夠將多種光學功能（例如光束準直和光束分離）整合到一個緊湊的元件中。 這樣可縮減光學系統(tǒng)的尺寸并降低系統(tǒng)復雜性，還可提高 3D 感測模塊的整體性能。

Coherent 的另一個關鍵差異化因素是，我們能夠設計并垂直整合整個照明模塊解決方案。 這種整合可確保光源、光學元件、驅動器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)濟實惠的產(chǎn)品，以供隨時大規(guī)模使用在要求嚴苛的應用中。

Coherent 制造的泛光照明模塊和點陣投影模塊

例如，我們的 3D 感測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間至關重要。 此外，我們強調眼睛安全的重要性，納入了用于監(jiān)控設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。 消費型裝置必須做到這一點。

綜上所述，Coherent 不僅只是提供一流的元件：我們的團隊了解復雜的 3D 感測技術，可提供完善的整合解決方案來提高設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)以及堅持不懈的光子產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)能為您提供依靠。