La tecnologia VCSEL di Lextar per il rilevamento 3D della profondità

Welt Electronic è un'azienda fiorentina con alle spalle 30 anni di attività nel settore della distribuzione, vendita e marketing di componenti elettronici e lighting sia standard che custom. Tra i molti marchi presenti nel portafoglio di Welt Electronic vi è l'offerta di Lextar Electronics, azienda verticalmente integrata produttrice di LED, che ha deciso di ampliare il suo portafoglio con moduli VCSEL. Lextar ha infatti lanciato una gamma di prodotti VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), che può essere utilizzata per applicazioni di rilevamento 3D della profondità, tra cui riconoscimento gestuale, rilevamento di persone, riconoscimento facciale e rilevamento della fatica del conducente.

Introduzione

La serie di componenti VCSEL PV88M di Lextar si applica principalmente all'emissione di sorgenti luminose per il modulo di rilevamento 3D della profondità, fornendo prodotti con varie lunghezze d'onda, luminosità, dimensioni del pacchetto e selezione dell'angolo del fascio da 45 a 100 gradi. Questa serie può essere applicata a molti tipi di sistemi di rilevamento in base alla domanda dei clienti.

Secondo Lextar Electronics, la tendenza dominante del rilevamento 3D copre la visione stereo, la luce strutturata e il ToF (Time of Flight). Adottando la misurazione ToF, i componenti VCSEL di Lextar, con vantaggi quali scansione rapida, lunga distanza, alta efficienza e grande resistenza alla luce ambientale, sono diventati gradualmente la principale tendenza del mercato dei sensori 3D. Attraverso VCSEL a profonda coltivazione, Lextar è diventato il fornitore dei principali produttori globali di telefoni cellulari e ha già iniziato a fornire i suoi prodotti; questo spiega il significativo interesse del suo ingresso nel mercato dei sensori 3D.

Prima di addentrarci nell'analisi tecnica e nei vantaggi dei VCSEL, vogliamo evidenziare come tutti i prodotti Lextar insieme a quelli di altri Top Brand del settore Industrial, siano disponibili da Welt Electronic. L'azienda con sede a Firenze ha costruito negli anni un portafoglio con diversi brand (figura 1) e prodotti in grado di soddisfare le aspettative e le richieste di un mercato sempre più esigente, offrendo soluzioni flessibili e in linea con le esigenze del cliente. Welt Electronic oltre a essere un’azienda commerciale di distribuzione di componenti elettronici mira a presentarsi come partner per il successo del nostro cliente, con presenza su tutto il mercato europeo.

Figura 1: Welt Electronic struttura internamente in divisione Industrial e divisione Lighting dispone di un vasto portafoglio di prodotti dai maggiori brand.

PV88M

Nell'evento di Monaco, Electronica 2018, Lextar ha presentato la serie di prodotti VCSEL PV88M (figura 2).

Figura 2: la serie di componenti VCSEL PV88M per il rilevamento 3D, offerta da Lextar.

Integrando moduli fotocamera, software e dispositivi laser e LED, Lextar ha creato un modulo demo 3D ToF per fornire esperienze interattive per i visitatori della fiera. All'interno del modulo erano presenti il package VCSEL PV88, un package di emettitori LED (Lextar dispone di 3 serie nel suo portafoglio: PR35, PR37 e PR88), insieme ad altri elementi come una camera CCM, un chip sensore ToF, un firmware di gestione del modulo, etc. Mettendo insieme tutti questi elementi, Lextar ha creato un modulo dimostrativo di rilevamento 3D della profondità con le specifiche tecniche riportate in tabella 1.

Tabella 1: specifiche tecniche del modulo demo 3D ToF.
Intervallo di misura 0,15 - 1 m / 0,5 - 4 m
Frame rate 30, 60, 90 fps (frame 3D)
Risoluzione da 80x60 fino a 160x120 px
FOV (HxVxD) 77,3° x 61,9° x 90°
Risoluzione di profondità ≤1% per 0,15-1 m / ≤2% per  0,5-4 m
Tipo di emettitore LED/VCSEL
Lunghezza d'onda 850 nm
Processore d'immagine 3D ARM Cortex M7
Consumo di potenza 1,5W per per 0,15-1 m / 2,5 W per 0,5-4 m
Dimensioni 100 x 35 x 21 mm

Applicazioni

Tra le possibili applicazioni dei dispositivi presentati possiamo elencarne alcune:

  1. riconoscimento dei gesti: gli utenti possono intervenire per controllare il sistema di controllo di un veicolo, come ad esempio la regolazione del volume audio, la selezione dal menu e la risposta/riaggancio delle chiamate.
  2. riconoscimento facciale: questa serie, è in grado di leggere i volti e riconoscere le persone dalle foto, ideale per i sistemi di sicurezza.
  3. rilevamento umano: i dispositivi sono grado di riconoscere l'uomo e rilevarne l'altezza, perfetti per il monitoraggio di anziani/bambini, per il rilevamento di caduta degli anziani o per il conteggio delle persone in un centro commerciale.
  4. rilevamento dell'affaticamento del guidatore: i prodotti possono rilevare le reazioni alla stanchezza, inclusi gli occhi chiusi e il capo chino, per migliorare la sicurezza di guida.

In particolare nel settore automotive l'uso di questi laser sarà crescente nei sistemi LIDAR e nei sistemi avanzati di assistenza alla guida per la prossima generazione di veicoli automatizzati. I sistemi di monitoraggio degli occupanti invece agiranno come una forma avanzata di telecamera in cabina,  consentendo al veicolo di comprendere le posizioni, le dimensioni e le attività del conducente e dei passeggeri. Sulla base delle misurazioni del tempo di volo (ToF) e della scansione 3D, questi sistemi potrebbero apportare modifiche in tempo reale alla cabina del veicolo, dalla disabilitazione degli airbag per i passeggeri più piccoli al precondizionamento dell'interno del veicolo in caso di incidente. Dal punto di vista della sicurezza le applicazioni automotive includono: la rilevazione della stanchezza del guidatore, l'evitamento di ostacoli non visibili nel breve raggio e il riconoscimento gestuale per il controllo delle funzioni dell'autoveicolo (figura 3).

Figura 3: rilevamento della stanchezza del pilota, uso dei comandi tramite riconoscimento gestuale e sistema di evitamento degli ostacoli sono 3 esempi di applicazioni automotive dei VCSEL

 

Cosa sono i VCSEL?

Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) sono una tipologia di laser a semiconduttore relativamente recente. Inventati a metà degli anni 80, ben presto hanno guadagnato una reputazione come tecnologia ideale per applicazioni a breve raggio tra le quali canali in fibra, Ethernet e collegamenti intra-sistema. Nei primi due anni di commercializzazione (1996), VCSEL è diventata la tecnologia di scelta per le reti datacom a corto raggio e le reti locali, sostituendo cosi i laser ad emettitore di bordo. Questo successo è dovuto principalmente ai minori costi di produzione di VCSEL e alla maggiore affidabilità rispetto ai concorrenti.

I laser a semiconduttore sono costituiti da strati di materiale semiconduttore cresciuti uno sopra l'altro su un substrato (“Epi”). Per VCSEL e emettitori di bordo, questa crescita viene tipicamente eseguita in un'epitassia da fasci molecolari (MBE) o mediante tecnica MOCVD (Metal Organic Chemical Vapour Deposition). Il wafer viene quindi lavorato di conseguenza per produrre dispositivi individuali. La figura 4 riassume le differenze tra VCSEL ed emettitore di bordo.

Figura 4: differenze nella struttura tecnologica di un VCSEL e di un tradizionale emittitore di bordo.

In un VCSEL, lo strato attivo è inserito tra due specchi altamente riflettenti (doppi riflettori Bragg distribuiti , o DBR) costituiti da diversi strati di semiconduttori spessi  un quarto di lunghezza d'onda con indice di rifrazione alternante tra valori alto e basso. La riflettività di questi specchi è in genere nell'intervallo 99,5 ~ 99,9%. Di conseguenza, la luce oscilla perpendicolare agli strati e fuoriesce dalla parte superiore (o inferiore) del dispositivo. Il confinamento ottico è tipicamente ottenuto attraverso l'ossidazione selettiva di uno strato ricco di alluminio o attraverso l'impianto di ioni o anche per mezzo di entrambe. I VCSEL possono essere progettati per "Emissione dall'alto" (all'interfaccia epi/aria) o "Emissione dal fondo" (attraverso il substrato trasparente).

Al contrario, gli emettitori di bordo sono costituiti da barre tagliate a cubetti dai wafer. A causa dell'alto contrasto tra gli indici di rifrazione dell'aria e del materiale semiconduttore, le due facce tagliate fungono da specchi. Quindi, nel caso di un emettitore di bordo, la luce oscilla parallelamente agli strati e sfugge ai lati. Questa semplice differenza strutturale tra VCSEL e edge-emitter ha implicazioni importanti.

Poiché i VCSEL vengono cresciuti, processati e testati mentre sono ancora nella forma di wafer, esiste una significativa economia di scala derivante dalla capacità di condurre processi paralleli, per cui l'utilizzo e i rendimenti delle apparecchiature sono massimizzati e i tempi di impostazione sono ridotti al minimo. Nel caso di un VCSEL (vedi figura 1), gli specchi e la regione attiva sono sviluppati in sequenza lungo l'asse Y durante la crescita epitassiale. Il wafer VCSEL subisce poi passaggi di etching e metallizzazione per formare i contatti elettrici. Si passa quindi a testare i singoli dispositivi laser. Infine, il wafer viene tagliato a cubetti e i laser vengono suddivisi tra quelli per l'assemblaggio di livello superiore (in genere> 95%) e gli scarti (in genere <5%).

In un semplice emettitore di bordo di Fabry-Pérot il processo di crescita avviene anche lungo l'asse Y, ma solo per creare la regione attiva poichè i rivestimenti per gli specchi vengono successivamente applicati lungo l'asse Z. Dopo la crescita epitassiale, il wafer passa attraverso la fase di metallizzazione e successivamente viene scisso lungo l'asse X formando una serie di strisce di wafer. Le strisce di wafer sono quindi impilate e montate in un dispositivo di rivestimento. I bordi sull'asse Z delle strisce di wafer vengono quindi rivestiti per formare gli specchi del dispositivo. Questo rivestimento è una fase fondamentale del processo per gli emettitori di bordo, poichè qualsiasi imperfezione del rivestimento si potrebbe tradurre in un guasto precoce e catastrofico dei dispositivi. Dopo questa fase di rivestimento, le strisce di wafer vengono tagliate a dadini per formare chip laser discreti, che vengono poi montati su supporti. Infine, i dispositivi laser vengono testati.

È anche importante capire che i VCSEL consumano meno materiale: nel caso di un wafer da 3", un produttore di laser può costruire circa 15.000 dispositivi VCSEL o circa 4.000 emettitori di bordo con livelli di potenza simili.

Vantaggi dei VCSEL

I numerosi vantaggi offerti dalla tecnologia VCSEL possono essere riassunti nei seguenti punti:

  • Stabilità della lunghezza d'onda: La lunghezza d'onda del laser in un VCSEL è molto stabile, poiché è fissata dalla cavità di Fabry-Perot. Contrariamente agli emettitori di bordo, i VCSEL possono funzionare solo in un singolo modo longitudinale.
  • Uniformità della lunghezza d'onda e larghezza spettrale: i VCSEL nei wafer da 3" vengono prodotti con una lunghezza d'onda della cavità con deviazione standard inferiore a 2nm. Al contrario, le barre di emettitori di bordo soffrono di variazioni significative della lunghezza d'onda da barra a barra, risultando in un ampia larghezza di spettro (3 ~ 5nm FWHM).
  • Sensibilità alla temperatura della lunghezza d'onda: La lunghezza d'onda di emissione in VCSEL è ~ 5 volte meno sensibile a variazioni di temperatura rispetto agli emettitori di bordo. Con un cambiamento di temperatura di 20° C, la lunghezza d'onda di emissione in un VCSEL varierà meno di 1,4nm (rispetto a ~ 7nm per gli emettitori di bordo).
  • Funzionamento ad alta temperatura: i dispositivi VCSEL possono funzionare senza refrigerazione, perché possono essere utilizzati a temperature fino a 80 gradi C, il sistema di raffreddamento diventa molto piccolo, robusto e portatile con questo approccio.
  • Maggiore potenza per unità di area: gli emettitori di bordo erogano un massimo di circa 500 W/cm2 a causa dello spazio vuoto tra le barrette che deve essere mantenuto per il flusso del refrigerante, mentre i VCSEL forniscono già adesso 1200W/cm2 e nel prossimo futuro arriveranno a fornire 2-4 kW/cm2.
  • Qualità del fascio: i VCSEL emettono un raggio circolare. Questa semplice struttura del fascio riduce notevolmente la complessità e il costo per ottiche di accoppiamento/beam-shaping (rispetto agli emettitori di bordo) e aumenta l'efficienza di accoppiamento alla fibra o ad un mezzo pompato. Questo è stato un punto di forza per la tecnologia VCSEL nei mercati a bassa potenza.
  • Affidabilità: poiché i VCSEL non sono soggetti a danni ottici catastrofici (COD), la loro affidabilità è di molto superiore a quella degli emettitori di bordo. I valori tipici di FIT (guasti in un miliardo di ore del dispositivo) per VCSEL sono inferiori  a 10.
  • Produttività e resa: a causa di complessi processi di produzione e problemi di affidabilità, gli emettitori di bordo hanno una bassa resa (pompe a 980 nm, circa 500 chip su un wafer da 2"). D'altro canto, i rendimenti per VCSEL superano il 90% (corrisponde a circa 5000 chip ad alta potenza da un wafer da 2").
  • Scalabilità: per applicazioni ad alta potenza, un vantaggio chiave di VCSEL è che possono essere realizzati direttamente in array 2-D monolitici, mentre ciò non è possibile per gli emettitori di bordo (solo gli array monolitici 1-D sono possibili).
  • Packaging e dispersione del calore: il montaggio di grandi array 2D di VCSEL  ad alta potenza in una configurazione "junction-down" è semplice (simile al packaging di un microprocessore), rendendo molto efficiente il processo di rimozione del calore, in quanto il calore deve attraversare solo pochi micron di materiale AlGaAs.
  • Costo: con la semplice tecnologia di produzione e dissipazione del calore diventa molto più facile confezionare array 2-D VCSEL rispetto a una barra di emettitori di bordo equivalente. Attualmente, il costo delle barre laser è il costo dominante per i laser DPSS.

Conclusione

Lextar Electronics Corporation è un leader globale nelle soluzioni a LED. Con oltre 2.000 brevetti in tutto il mondo, Lextar è un innovatore di applicazioni di prodotto, che comprende: LED per auto, retroilluminazione LCD, apparecchi di illuminazione e varie soluzioni di illuminazione. Lextar ha deciso quindi di ampliare il suo portafoglio di prodotti con la serie di componenti VCSEL PV88M per applicazioni di rilevamento 3D della profondità, come: rilevamento facciale, gestuale, riconoscimento, etc.

Per chi fosse interessato ai prodotti Lextar cosi come a quelli di altri produttori può rivolgersi a Welt Electronic. Con oltre 30 anni di attività, Welt Electronic è una società dedicata alla vendita, al marketing e alla distribuzione di componenti elettronici e lighting sia standard che custom e ai relativi servizi di consulenza con presenza diretta sul mercato Italiano e Europeo. Grazie al supporto e alla collaborazione con vari top brand, dispone di un portafoglio prodotti in grado di soddisfare le aspettative e le richieste più esigenti.

Scrivi un commento