走进3D视觉系列（四）：红外光源格局改变在即
2017-05-27 15:28:30 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
3D摄像头的红外光源主要有红外LED和激光器两种。而激光器按工作方式分为VCSEL、FP、DFB和EML等几种方式；而按原理区分，VCSEL则完全不同，VCSEL的光发射垂直于半导体衬底，而其他边发射激光器光发射（又称EEL）平行于衬底方向。
重获生机的红外光源市场
1961年，红外LED问世，次年红外激光器问世。红外光源从研发到应用经历了20多年的时间。最初，红外光源主要应用于光通信领域；进入20世纪80年代，红外LED开始被整合到各种消费类应用中，如遥控器；然后，红外光源市场受夜视应用驱动，如安防监控摄像机；近期，随着智能手机的发展，3D成像、自动对焦、虹膜识别、人脸识别等突破性功能正在被整合进手机中，红外LED和激光器重获生机，预计红外光源市场将迎来10年的增长！麦姆斯咨询预计红外光源市场将从2016年4.5亿美元增长至2022年的15.5亿美元，复合年增长率高达22.7%！
2017~2027年红外光源市场预测
从上图可以看出，新兴应用是红外光源市场增长的主要贡献者，这其中3D摄像头功不可没。红外光源是3D摄像头中工作的“源头”，是实现深度测量的主要“功臣”。例如基于ToF 3D摄像头原理：红外光源发射出红外光，经过人手或人脸的反射之后，红外信息（IR Light）被红外光图像传感器所接收，这个图像信息用来计算物体的深度信息。
3D摄像头的红外光“源”来有这些
红外光的波长大于780nm，目前由于摄像头中的CMOS图像传感器对于900nm以上红外光感知较差，同时对低于800nm的红外光因靠近可见光而容易受到环境光的干扰，因此目前红外摄像头的波长普遍在800~900nm之间。
电磁波按波长、频率分类
3D摄像头的红外光源主要有红外LED和激光器两种。而激光器按工作方式分为VCSEL（垂直腔面发射）、FP（法布里-泊罗）、DFB（分布式反馈）和EML（电吸收调制）等几种方式；而按原理区分，VCSEL则完全不同，VCSEL的光发射垂直于半导体衬底，而其他边发射激光器光发射（又称EEL）平行于衬底方向，FP和DFB都属于EEL。VCSEL在设计、功耗、成本上具有突出的优点，更适合短距离传感等商业应用，因此受到消费电子设备特别是3D摄像头的青睐。
三种工作方式不同的红外光源的发射原理、最终光束比较
“突出重围”的红外LED市场
在可见光LED市场杀得血流成河的时候，红外LED被视为潜在的新兴蓝海市场，为可见光LED厂商带来了具有吸引力的商机。过去，只有少数厂商涉足红外LED业务，但是截至2017年第一季度，厂商数量已激增至40多家。欧司朗（Osram）和威世（Vishay）仍然处于领先地位，但是也有一些厂商，如Everlight和Epistar，也获得了可观的投资收益。
普通的红外LED外形和一般可见光LED相似，但发出的是红外线，其选择的半导体材料不同。普通发光二极管的材料有磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP），而红外发光二极管的材料为砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs），其中用得最多的是GaAs。红外LED由红外辐射效率高的材料制成PN结后，外加正向偏压向PN结注入电流激发红外光。
根据应用场景不同，红外LED选择的波长范围也有所差异。比如，静脉识别一般选择760nm波段，车牌识别系统一般选择850nm或940nm的波段，安防监控通常采用850nm或940nm波段，心率监测采用940nm波段，血氧检测则采用940nm波段，虹膜识别通常采用810nm波段。
红外光源市场份额（2016年 vs. 2022年）
2016年，红外LED市场仍占据整个红外光源市场的65%，到2022年其市场份额将被VCSEL吞食20%，降至45%。虽然营收持续增长，但是不能不承认，随着VCSEL技术的成熟，性能的绝对优势必将获得与红外LED“平分天下”的地位。
来势汹汹的VCSEL市场
VCSEL是什么？有什么优势可以获得未来6年里如此强劲的增长？
VCSEL全名为Vertical Cavity Surface Emitting Laser，翻译为垂直腔面发射激光器。以GaAs为衬底，在由高、低折射率介质材料交替生长成的分布布喇格反射器（DBR）之间连续生长单个或多个量子阱有源区所构成。典型的量子阱数目为3~5个，它们被置于驻波场的最大处附近，以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场。在底部还镀有金属层以加强下面DBR的光反馈作用，激光束从顶部透明窗口输出。
VCSEL结构示意图
VCSEL体积可做得非常小，可以获得高封装密度和低阈值电流；可方便地制成单片集成二维VCSEL阵列，是并行光互连最佳光源；芯片生长后无须解理、封装即可进行在片测试。下面这张表是对红外LED，VCSEL和EEL三种光源性能的对比，VCSEL的综合性能是优于其它两者的。
三种红外光源性能比较（注：分值越高，该项参数表现越好）
VCSEL最初应用在通讯领域，在消费领域的应用正在悄然兴起。特别是苹果iPhone 8 即将采用VCSEL技术引起广泛关注，VCSEL + ToF方案打造3D摄像头让消费者翘首以盼。一旦手机市场被撬动，VCSEL的需求量将迅速打开，这就是未来6年VCSEL强劲增长的巨大推动力。
推荐会议：
2017年9月11日，由麦姆斯咨询主办的『“微言大义”研讨会：3D摄像头技术及应用』将在上海隆重举行（同期展会：2017年中国（上海）传感器技术与应用展览会）。本次研讨会内容涉及3D摄像头应用及市场分析、3D摄像头原理及技术路线、3D摄像头模组剖析及算法解析等。已邀请英特尔、Yole Développement、ViaviSolutions、瑷镨锐思（Espros）、图漾科技、西安知微传感、艾普柯等企业进行演讲，如果贵司希望参加演讲或展会，请联系：
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