作者：美國萊特太平洋公司編譯

近年來，激光測距市場一直都在持續(xù)增長。人們最早研發(fā)激光傳感器是用于軍事和工業(yè)領域中的高端應用，現(xiàn)在激光傳感器已經(jīng)進入大眾消費領域，價格也不再像以前那樣昂貴。在激光測距應用中，最核心的部件是價格便宜的高性能激光二極管和光電二極管。

人們在自然界中就可以觀察到非接觸式測距和定位應用。一個眾所周知的例子就是蝙蝠可以在完全黑暗的環(huán)境中導航，確定位置和方向。它們使用回波定位和回聲測距，從背反回來的信號中提取出障礙物的方位和距離信息。

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

圖1：定位系統(tǒng)——激光輔助白手杖

單靠移動手杖，沒有辦法發(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，光束就會反射回來，手杖上的探測器探測到這些背反光，傳感器模塊就會震動，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。

 該技術還應用到了汽車工業(yè)領域，用于輔助駕駛更加方便、安全。據(jù)統(tǒng)計，僅2005年一年，在歐洲就有4萬多人死于車禍。為此，歐洲委員會發(fā)起e-Safety計劃，目標是到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（見圖2）、車道協(xié)助和緊急制動系統(tǒng)等，例如在距離其他車輛太近的時候，就會啟動緊急制動。這些功能可以告知實時的周邊環(huán)境、提前預警、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)——測量距離和相對速度

如何使用先進的激光測距技術，實現(xiàn)長達幾千米的非接觸式測距通過一個小型、便攜設備或集成了測距儀的觀察鏡或雙筒望遠鏡即可實現(xiàn)。這種系統(tǒng)已經(jīng)在生活中獲得了具體應用，如高爾夫球手使用這些系統(tǒng)來提高標準桿數(shù)，獵人也可以用該系統(tǒng)更好地瞄準目標。測距儀內部的半導體激光器功率非常低，屬于人眼安全的1級激光，因此使用者不用擔心眼睛會受到傷害。

激光測距的基礎是根據(jù)時間渡越（time of flight，TOF）原理進行光學測距。這種非接觸式方法可以測量幾個厘米到幾千米的距離和速度。

激光測距工作原理

激光測距的工作原理是時間渡越。時間渡越法測量的方案如下：經(jīng)過調制的脈沖激光，經(jīng)透鏡準直后發(fā)射。記錄下反射回來的激光回到測距儀的時間，由此可確定光束的傳輸時間Δt，光速c是已知量，需要測量的距離便可計算得到，即

 其中，n為周圍環(huán)境介質的折射率。

 渡越時間測量法的優(yōu)點在于反應快，響應時間很短。渡越時間法可以用于測量從1米到幾萬米范圍的距離。這種方法的缺點是需要在很短的時間（ns到ps）內完成測量，很難達到厘米精度的分辨率。為了簡化測量方案，一般采用調頻激光或高頻信號調制的激光光束。

圖3：時間渡越方法的工作原理

發(fā)射光源：激光器

常見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載驅動，如果輸出光功率超過最大值，就算只持續(xù)很短的時間，也會破壞激光二極管的內部諧振腔。

 脈沖激光二極管（Pulsed Laser Diodes，PLD）是專為短時間、強烈過載驅動脈沖設計的，因此最適合用于渡越時間測量。為了達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100ns脈寬的脈沖后面緊接著有100µs的時間是不出光的。要達到千赫茲的脈沖頻率，要求脈沖持續(xù)時間很短�？偟膩碚f，脈沖激光二極管實現(xiàn)了上升沿時間很短的、脈寬幾十納秒的脈沖。為了得到這樣的脈沖，必須有強電流脈沖驅動二極管，電流值應該為幾安到幾十安。要得到這么強的電流脈沖并不容易，除了需要其他元件外，還要有特制的開關晶體管，導線長度也不能太長。

發(fā)射波長是選擇PLD的一個重要指標。根據(jù)激活層采用的不同材料，可以發(fā)射不同的波長。從激光測距在消費、工業(yè)和汽車領域的應用來看，905nm（人眼不可見）的脈沖激光二極管已成為標準選擇。硅探測器在這個波段的響應度最高，因此其已成為最合適的接收器。

“多結”技術

905nm激光二極管采用的是AlGaAs材料。AlGaAs材料結構可靠性好，光束特性優(yōu)異，溫度穩(wěn)定性佳。單個發(fā)射極就可以達到40W的輸出功率，效率約為1W/A（見圖4a）。

如果需要更高的輸出功率，則需要用到“多結”技術。這項技術是Laser Components研發(fā)成功的。將幾個發(fā)射極外延疊放在一個芯片上，相鄰兩個發(fā)射極之間的距離只有4µm，這樣一個二極管就可以實現(xiàn)75W的輸出功率。優(yōu)化發(fā)射極的堆棧結構設計，可以得到更高的峰值功率（見圖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400W。

圖4：PLD結構圖

a）單發(fā)射極結構；b）多結芯片結構（3個發(fā)射極）；c）堆棧結構（3個芯片）

除了波長和電光參數(shù)以外，穩(wěn)定性是選擇PLD的另一個重要指標。與其他光源（特別是半導體激光器）一樣，光源的使用壽命取決于其工作環(huán)境。對于脈寬足夠短（幾個ns）或重復頻率不高的PLD，可以承受極大的過載驅動，不會損壞PLD。PLD在軍事領域中的應用，如彈藥光學點火，只需要單個激光脈沖。但是工業(yè)應用（如安全掃描器）常常需要常年工作在每天24小時、每周7天的工作狀態(tài)下。

對于905nm PLD的平均無故障時間（MTTF）的計算，一般使用下面來自多年測量的經(jīng)驗公式：

MTTF= k x {P/L}-6x tw-2 x F-1 x f(T)

其中：

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

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（對于Laser Components公司的905nm PLD，k=1.7 x 10²¹）。

集成PLD芯片的外殼對該PLD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用仍然僅限于塑料封裝的PLD。Laser Components公司推出了905DxxUA系列（見圖6）PLD，其采用金屬TO56封裝，屬于高端/低成本產(chǎn)品。根據(jù)不同的型號和芯片結構，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：

-          玻璃窗片有助于改善發(fā)射激光的光學特性

-          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

-          可以承受過載驅動

-          弱電感，能實現(xiàn)很短的上升沿時間

接收器

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

傳統(tǒng)的PIN光電二極管接收入射的光子，形成電子-空穴對（電荷載流子），得到可測量的電流。因此，入射光子的能量被轉化為電能。而APD在各個方面都更進一步。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靈敏度，但其前提是需要加載偏壓，擴大耗盡區(qū)。在這個耗盡區(qū)中，入射光產(chǎn)生的電荷載流子經(jīng)過電場加速，通過碰撞電離，產(chǎn)生更多的電子-空穴對。由此產(chǎn)生的電流可以計算如下：

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，單是簡單地對比噪聲特性是不夠的，起決定性因素的是整個系統(tǒng)的信噪比。因此，判斷一個PIN二極管的性能時，同時也要考慮相應的前置放大器。PIN二極管和前置放大器，哪個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，而不顯著增加整個系統(tǒng)的噪聲，APD的性能總是比PIN二極管更好。探測中、高頻率的弱光時，APD是首選。

為了避免APD影響系統(tǒng)噪聲，需要控制內部增益，使得探測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內部增益）可以將信噪比提高2～5倍不等，這取決于不同的應用。增加系統(tǒng)帶寬會增加APD和PIN二極管的噪聲。因此，用戶應認真權衡所有選擇，減少帶寬。

 為了降低環(huán)境和雜散光帶來的噪聲，可以在接收端增加一個合適的帶通光學濾光片。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（見圖6）采用了一個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)點在于：無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波長測量做了優(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

激光傳感器的應用持續(xù)增加�；�于時間渡越原理的激光測距儀，已經(jīng)開始采用高端/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。