IR-Laser: VCSELs in der modernen optischen Sensorik

Das Wort LASER ist ein Akronym: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Der Begriff wurde 1957 vom Physiker Gordon Gould geprägt. Was Laserlicht von LED-Licht unterscheidet, ist nicht seine Farbe oder Quelle, sondern drei optische Eigenschaften, die nur beim Laser zusammenkommen:

• Monochromatik — das Licht entsteht bei einer einzigen Wellenlänge, oft innerhalb eines Bruchteils eines Nanometers. Eine LED hingegen verteilt ihre Abstrahlung über 20 bis 40 nm.
• Kohärenz — jedes Photon entsteht in Phase mit seinen Nachbarphotonen, wie eine Marschkapelle im Gleichschritt. Kohärenz ist es, was Laser für hochpräzise Abstandsmessungen nutzbar macht.
• Kollimation — der Strahl ist schmal und bleibt schmal. Ein Laserpointer zeichnet auch aus fünfzig Metern einen kleinen Punkt; eine LED mit gleicher Leistung würde eine ganze Wand ausleuchten.

Dieser Artikel befasst sich mit IR-Lasern und einer ihrer beiden Bauformen, dem VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser).

Der Aufbau von VCSELs

Der VCSEL wurde 1977 von Kenichi Iga am Tokyo Institute of Technology erfunden und in den 1990er Jahren kommerzialisiert. VCSELs besitzen einen sehr komplexen Aufbau, der ihr charakteristisches Verhalten ermöglicht.

Ein VCSEL lässt sich als ein mikroskopisches Sandwich aus mehreren Dutzend dünnen Schichten beschreiben.

Die gesamte Schichtstruktur wird auf einem Kristallfundament, dem sogenannten Substrat (üblicherweise Galliumarsenid), epitaktisch aufgewachsen. Das Substrat bietet mechanischen Halt; der Laser selbst entsteht aus den Halbleiterschichten darüber. Ein reiner Halbleiterkristall leitet für sich allein kaum Strom. Damit die Schichten nutzbar werden, werden sie „dotiert" — durch das gezielte Einbringen kleiner Mengen Fremdelemente in das Kristallgitter.

Die unteren Schichten werden mit einem Element dotiert, dessen Atome überschüssige Elektronen besitzen, sodass freie Elektronen durch den Kristall wandern können. Da Elektronen negativ geladen sind, nennt man diese Region n-Typ, wobei n für negativ steht.

Die oberen Schichten werden mit einem Element dotiert, das ein Elektron zu wenig besitzt, sodass im Kristallgitter Fehlstellen entstehen — sogenannte Löcher —, die sich wie positive Ladungsträger verhalten. Diese Region heißt daher p-Typ, wobei p für positiv steht.

An Ober- und Unterseite des Sandwichs befinden sich zwei spezielle Spiegel — am unteren Ende der n-DBR (n-Distributed Bragg Reflector) und am oberen Ende der p-DBR. Beide reflektieren mehr als 99 % des Lichts. Der untere Spiegel ist mit rund 99,9 % etwas reflektiver als der obere mit 99,5 % — ein gewollter Unterschied, da der Laserstrahl nach oben austreten muss.

Der Raum zwischen den Spiegeln heißt Kavität — eine kleine Kammer, die auf genau eine Wellenlänge des Lichts abgestimmt ist; das ist die Wellenlänge, die der Laser emittiert. Die Kavität enthält die aktive Schicht, in der Licht erzeugt wird. Legt man eine Spannung zwischen dem p-Kontakt oben und dem n-Kontakt unten an, strömen Elektronen von der n-Seite nach oben und Löcher von der p-Seite nach unten; sie treffen genau in der aktiven Schicht zusammen und rekombinieren unter Aussendung von Licht.

Ein spezieller Prozess erzeugt einen schmalen leitenden Kanal in der Mitte einer angrenzenden Schicht, während der Rest zu einem Isolator umgewandelt wird. Dadurch wird der Stromfluss auf den Bereich konzentriert, in dem das Licht entsteht. Die dort erzeugten Lichtphotonen werden zwischen den beiden Spiegeln hin- und herreflektiert, bis ihre Anzahl so groß ist, dass ein Teil durch eine zentrale Öffnung in der Metallelektrode nach oben austritt. Zusammen bilden sie einen feinen Laserstrahl.

Die Einführung von Apple Face ID im iPhone X im Jahr 2017 machte den VCSEL zum Massenprodukt: Ein Nahinfrarot-VCSEL-Array hinter einem DOE (Diffraktives Optisches Element) projiziert 30.000 unsichtbare Punkte auf das Gesicht des Nutzers, ein weiteres VCSEL-plus-Sensor-System misst die Tiefe per Time-of-Flight, und das Telefon rekonstruiert daraus ein 3D-Modell des Gesichts.

Was Sensortechnologie leistet — und warum sie einen Laser braucht

Zwei VCSEL-basierte Messtechniken prägen den heutigen industriellen VCSEL-Bedarf:

• Time-of-Flight (ToF) Abstandsmessung
• Strukturiertes Licht

Beide nutzen VCSELs auf unterschiedliche Weise, und es lohnt sich, den technischen Mechanismus hinter jedem Verfahren zu verstehen. Diese Messungen liefern die Eingangsdaten für die Auswertung durch 3D Vision.

Time-of-Flight

ToF misst Abstände, indem die Zeit gemessen wird, die das Licht benötigt, um vom Laser zum Zielobjekt und wieder zurück zu gelangen. Es gibt zwei Varianten — direkt und indirekt.

• Direktes ToF (dToF) — der VCSEL sendet einen kurzen Puls aus. Dieser trifft auf das Ziel, wird reflektiert, und ein kleiner Bruchteil gelangt zum Detektor — dem SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) —, der jeden eintreffenden Photon präzise zeitstempelt. Eine Schaltung namens TDC (Time-to-Digital Converter) misst die Zeit zwischen Aussendung und Empfang.
• Indirektes ToF (iToF) — statt eines kurzen Pulses wird eine Dauerwelle ausgesendet. Das reflektierte Licht trifft mit einer Phasenverschiebung am Detektor ein, da es den Hin- und Rückweg zurücklegen musste. Durch Abtastung des rückkehrenden Lichts in mehreren Phasenfenstern (üblicherweise vier: bei 0°, 90°, 180° und 270°) berechnet das System die Phasenverschiebung und daraus den Abstand.

Strukturiertes Licht

Während ToF Abstände über die Zeit misst, misst strukturiertes Licht Abstände über den Raum — indem es auswertet, wie sich ein projiziertes Muster über die Szene verformt.

Strukturiertes Licht projiziert ein Lichtmuster auf eine Szene und liest die 3D-Form der Szene aus der Verformung dieses Musters auf der Zieloberfläche ab. Stellen Sie sich vor, Sie projizieren ein Punktraster auf eine flache Wand — jeder Punkt erscheint genau dort, wo man ihn erwartet. Projiziert man dasselbe Raster auf ein Gesicht, schmiegen sich die Punkte an die Konturen: Sie rücken zusammen, wo die Oberfläche näher am Projektor ist, und spreizen sich auseinander, wo sie weiter entfernt ist. Eine IR-Kamera neben dem Projektor kann diese Verschiebungen messen und daraus die 3D-Form rekonstruieren.

Die Lichtquelle ist ein VCSEL hinter einem DOE (Diffraktives Optisches Element) — ein kleines Glas- oder Polymerstück mit einer präzise geätzten mikroskopischen Oberflächenstruktur. Wenn der VCSEL-Strahl hindurchgeht, spaltet die Beugung den einzelnen Strahl in Tausende einzelner Strahlbündel auf, die jeweils in leicht unterschiedlichen Winkeln austreten und zusammen das Punktfeld erzeugen.

Das Punktmuster ist nicht zufällig. Es ist so gestaltet, dass jede kleine Gruppe von Punkten an beliebiger Stelle im Sichtfeld lokal eindeutig ist. Diese Eindeutigkeit ermöglicht es der Software, jeden in der Kamera erfassten Punkt seiner Sollposition im projizierten Muster zuzuordnen. Die Abweichung zwischen Soll- und Istposition — als Disparität bezeichnet — ergibt über eine einfache geometrische Triangulation zwischen Emitter, Kamera und Oberflächenpunkt direkt die Tiefe.

3D Vision

Ein Sensor wie ToF oder strukturiertes Licht misst die Welt. 3D Vision interpretiert, was diese Messungen bedeuten. Der Sensor liefert eine lange Liste von Tiefenwerten — zunächst nur Zahlen. 3D Vision ist die Software, die diese Zahlen in etwas umwandelt, worauf die Maschine reagieren kann: „Eine Person ist zwei Meter nach vorne getreten." „Dieses Bauteil ist um 23 Grad verdreht." „Die Flasche hat eine Delle auf der linken Seite." Ohne 3D Vision misst der Sensor nur. Mit 3D Vision sieht und handelt das System.

Was VCSELs verändern, ist wie leicht es geworden ist, den Sensorteil für nah- und mittelreichweitige 3D-Systeme aufzubauen. In der Vergangenheit erforderte hochwertige 3D-Datenerfassung in diesem Bereich in der Regel sperrige mechanische Scanner. VCSEL-Arrays haben eine kompaktere Alternative eröffnet.

VCSEL-Portfolio

Edison Opto stellt zwei unterschiedliche VCSEL-Familien her, die jeweils auf verschiedene Anwendungsbereiche ausgerichtet sind.

Hochleistungs-VCSEL-Portfolio

Die Hochleistungsfamilie treibt ToF- und Strukturiertes-Licht-Systeme an, bei denen Ausgangsleistung und Impulstreue entscheidend sind. Die drei Typen dieser Familie sind für kurze, hochstrombegrenzte Impulse statt Dauerbetrieb optimiert. Kurze Tastzyklen ermöglichen es Bauteilen mit bescheidener Durchschnittsleistung, für die wenigen Nanosekunden eines Messimpulses hohe Spitzenleistungen zu liefern.

EDVCSEL-IC ist das ToF-Arbeitspferd — mit nur 1,45 mm Bauhöhe das flachste der drei Typen und einer gepulsten Strahlungsleistung von bis zu 2,8 W. Dieser Typ wird eingesetzt, wenn die Empfangsseite aus einem SPAD-Detektor mit Zeitmesskette besteht.

EDVCSEL-BH ist höher gebaut, da er ein integriertes diffraktives optisches Element (DOE) enthält. Das DOE teilt den VCSEL-Strahl in ein dichtes Punktfeld auf — der richtige Typ für strukturiertes Licht und 3D-Scanning, bei dem die Empfangsseite eine Kamera zur Erfassung der Punktpositionen ist. Verfügbar in drei Konfigurationen: 62°×64° (11.232 Punkte), 80°×60° (10.980 Punkte) und 93°×70° (15.372 Punkte).

EDVCSEL-FC verwendet eine geformte Linse für Anwendungen, bei denen ein kontrolliertes Strahlprofil wichtiger ist als maximale Reichweite.

Niedrigenergie-VCSEL-Portfolio

Nicht jede Laseranwendung erfordert Watt an Spitzenleistung. Eine Smartwatch, die Herzratenvariabilität durch die Haut misst, ein Fingerabdrucksensor unter einem Glasdeckel, ein tragbares Gerät für Lichttherapie auf der Haut — alle benötigen eine kleine, stromsparende Laserquelle, oft bei einer Wellenlänge, die gezielt auf die Wechselwirkung mit dem Gewebe abgestimmt ist. Die Niedrigenergiefamilie zielt auf Wearables, biometrische Sensorik und Consumer-Gesundheitsgeräte, bei denen Größe und Stromverbrauch die eigentlichen Einschränkungen sind.

Edisons Niedrigenergie-VCSEL-Familie deckt genau diese Nische ab. Das Gehäuse ist klein und aus Kunststoff — 3 × 1,4 × 0,7 mm bei den kleinsten Typen. Betriebsströme liegen im Bereich von 9 bis 12 mA; optische Leistungen von 3 bis 14 mW. Mehrere Wellenlängen stehen zur Verfügung, um das biologische Zielgewebe optimal anzusprechen.

Der 660 nm RTSA ist ein sichtbarer roter VCSEL für die biometrische Sensorik, bei der die Wellenlänge so gewählt wird, dass sie kontrolliert mit Hämoglobin und Hautpigmentierung interagiert.

Der 940 nm RTST liegt im tiefen Nahinfrarotbereich — für das Auge unsichtbar und mit starker Gewebepenetration; er wird in derselben Bande für die Pulsoximetrie am Handgelenk eingesetzt.

Der RTHS ist der kompakte Verwandte des Hochleistungs-EDVCSEL-BH für strukturiertes Licht — ein Mehrwellenlängen-VCSEL für Anwendungen, die mehrere Sensorbänder in einem Gehäuse erfordern.

Die Rolle von Telcona

Telconas Aufgabe ist es, das optische Portfolio von Edison Opto in die europäische Sensorindustrie einzubringen — zusammen mit dem Engineering-Support, den Kunden benötigen. Edisons Katalog umfasst den gesamten optoelektronischen Stack: Anzeige-LEDs, fotoelektrische und ToF-Emitter, Hochleistungs-VCSELs für ToF und strukturiertes Licht, Niedrigenergie-VCSELs für Wearables und Biometrie, kantenemittierende Laser für Medizin- und Industrieanwendungen, Lichtschranken, optische Encoder, Fotodioden und vollständige dToF-Entfernungsmodule.

Über die Komponenten hinaus ermöglicht Edisons LDMS (Lighting Design Manufacturing Service) Telcona, Kunden mehr als nur Bauteile anzubieten: co-entwickelte Baugruppen mit kundenspezifischer Optik, angepassten Wellenlängen, integrierten VCSEL-plus-DOE-Modulen und vollständigen Sensor-Front-Ends. Das ist entscheidend, wenn ein Sensorprogramm mehr als eine Teilenummer braucht — wenn die Aufgabe lautet „Hilf uns, die optische Einheit für unsere nächste 3D-Kamera zu entwickeln". Diese Arbeit geht weit über den Katalogvertrieb hinaus — und dort verdienen Telcona und Edison gemeinsam ihren Platz auf der Stückliste des Kunden.

Vierzig Jahre Fokus auf die Brücke zwischen asiatischer Komponentenfertigung und europäischen Engineering- und Lieferkettenanforderungen — das ist es, was Telcona in jedes Projekt einbringt: Preisdisziplin aus etablierten asiatischen Partnerschaften, Qualitätskontrolle durch regelmäßige Werksaudits, technischer Support durch Telconas eigenes Engineering-Team in Belgrad und ein einziger europäischer Vertrag statt einem Geflecht überseeischer Beziehungen.

👉 Für Komponentenauswahl, kostenlose Muster, kundenspezifische Optik, integrierte ToF- oder Strukturiertes-Licht-Module, Augensicherheitsberatung oder eine vollständige Stücklistenanalyse — kontaktieren Sie Telcona, Ihren Partner von der Konzeptphase bis zur Serienproduktion.