世界是三维的。这句话如此容易理解，以至于大多数人从未怀疑过自己感知世界的方式。但事实上，人的每只眼睛每次可捕获一幅平面图像，就像相机一样。根据双眼捕获的两幅平面图像形成 3D 感知，这个神奇的过程只会发生在人的大脑中。
如今，我们越来越需要数字系统与 3D 世界交互——无论是解读手势控制、进行面部识别，还是让汽车进行自动驾驶。为了完成这些任务，我们需要至少给数字系统赋予人类的一些深度感知能力。
深度传感
数字成像领域使用两种基本的 3D（深度）传感方法：三角测量和飞行时间 (time-of-flight, ToF) 测量。这两种技术有时甚至结合使用。
三角测量基于几何学。双眼视觉是三角测量的一种形式，是人类 3D（立体）视觉的工作方式。人的双眼呈水平分开。这意味着两只眼睛分别从略微不同的角度看世界。这种角度差异会产生视差，即，物体相对于背景的位置会根据你用哪只眼睛看而发生偏移。然后，大脑利用这些视差信息来感知视野范围内物体的深度（距离），并产生对世界的统一单次 3D 感知。
然而，立体视觉可能依赖于照明条件，且需要独特的纹理表面。这导致难以可靠地实现立体视觉。相反，计算机视觉系统使用三角测量的另一种形式，依赖于结构光。“结构光”这个名称听起来很深奥，其实就是指将图案（例如，一系列线条或无数光点）投射到物体上，并从略微不同的角度分析图案的畸变程度。相较于重建真实的双眼视觉，这种方法对处理能力的要求低很多，而且使计算机能够快速计算深度信息并重建 3D 场景。
在其中一种形式的三角测量深度传感技术中，结构光图案被投射在场景中，再由成像系统分析图案的畸变程度，以获得照明区域的深度信息
三角测量法在处理表面的高分辨率绘图方面具有优势。这种方法在短距离应用中效果最佳，因此对于面部识别等任务非常有用。
飞行时间 (ToF) 成像技术有两种不同的形式。在“直接飞行时间”（direct Time-of-Flight, dToF）技术中，场景被光脉冲照亮，系统会测量光脉冲反射回来所需的时间。由于光速是已知的，因此这个回程时间可直接转换为距离。如果针对图像的每个像素独立进行这项计算，即可得出场景中每个点的深度值。
ToF 技术的第二种形式是“间接飞行时间”（indirect Time-of-Flight, iToF）。在 iToF 技术中，照明源是连续的调制信号。系统会在返回光中测量这种调制模式的相移。这样可提供用于计算物体距离的数据。
ToF 技术的优势在于能够快速完成大面积和长距离的测量。这使它非常适合虚拟现实头戴式设备中的房间扫描或机器人导航中的障碍物检测等任务。
直接飞行时间传感技术测量光脉冲的往返行程时间，并将测得的时间转换为距离
3D 传感光源要求
光源的特性是决定三角测量和 ToF 3D 传感方法的有效性和准确性的关键因素。每种应用都有独特的照明要求，但也有某些共同需求。
三角测量使用相干光源有许多好处，有助于更灵活地创建图案。还能够形成更高分辨率的结构化图案，并在更长的距离内保持图案完整性。
三角测量光源还需要具有稳定的光束指向特性。这种特性的任何波动都可能导致深度测量不准确。
ToF 系统要求光源能够发射精确的短光脉冲 (dToF) 或可进行高频调制的连续输出 (iToF)。要进行准确的距离测量，精确且升降时间很短的脉冲时间和调制频率至关重要。
ToF 系统（尤其是使用泛光照明来覆盖大面积或长距离的系统）通常需要比三角测量系统更高的输出功率。这可确保返回光具有足够的强度，能被检测到，并确保系统在有强烈环境光的情况下能够正常运行。
随着输出功率的提高，对功率效率（光输出功率与输入电功率之比）的需求变得更加重要。对于便携式设备（由电池供电），效率尤其重要。
激光器助力实现更高质量的深度传感
二极管激光器比任何其他光源都能更好地满足这些要求（对于三角测量和 TOF 传感）。早就有一些 3D 传感应用部署了发光二极管 (Light emitting diode, LED)，因为 LED 容易获得且成本相对较低。但随着对 3D 传感系统性能和效率的需求不断提高，LED 变得不太符合要求。
其中一个原因是，二极管激光器具有几个独特的特性：光谱输出窄、相干性、亮度高。这些特性使二极管激光器非常适用于创建精确、高对比度、稳定的结构化光图案。
由于激光器的光谱输出窄，使得可以轻而易举地在检测系统中过滤掉环境光。这样可提高各种传感系统在明亮的阳光下或其他光线充足的场景中的性能。
二极管激光器具有更高亮度，这可进一步提高返回信号的功率。特别是对于 TOF 应用来说，这意味着更短的光闸时间、更高的帧速率，以及能够更敏锐地看到反射性不高的物体。同样，这将会提高系统在光线充足的场景中的性能。由于强度较低，因此 LED 难以实现同样水平的细节分辨率和深度分辨率。
此外，与 LED 相比，二极管激光器在功耗和尺寸方面具有明显优势。二极管激光器外形小巧，而又能够发射强信号，因此成为了由电池供电的紧凑型设备的理想之选。
最后，二极管激光器的切换或调制速率比 LED 快得多。这种快速调制使得可以采用准确性更高的先进 ToF 技术。
Coherent 高意在 3D 传感领域出类拔萃
Coherent 高意是 3D 传感照明源领域的全球领导者之一，我们的出货量累计超过 20 亿件！我们的产品组合包括激光器、光学元件和完整的照明模块。
我们的光源包括垂直腔面发射激光器 (vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)、VCSEL 阵列和边缘发射二极管激光器 (edge-emitting diode laser, EEL)。
特别是，VCSEL 阵列（典型输出为 940 nm）如今已成为主要的 3D 传感光源。这有几个原因。其中一个原因是，VCSEL 从设备顶部发射光，而不是像 EEL 一样从侧面发射光。这使得更容易在电路板上将 VCSEL 与其他组件集成。此外，在 3D 传感使用的功率水平下，VCSEL 的成本低于 EEL。因此，EEL 通常仅部署在高性能 VCSEL 尚不可用的较长波长 (>1200 nm) 处。这些较长波长的关键优势是，在明亮的阳光下具有更稳健的性能（几乎能够过滤掉所有阳光），以及对眼睛更安全（功率水平可能比近红外波长高 10 倍）。
在 6 英寸 GaAs 晶圆的基础上，Coherent 高意打造了成熟的 VCSEL 和 EEL 制造平台。这使我们成为了这一技术领域的销量佼佼者，并能够始终如一地提供具有出色可靠性和性能的设备。
3D 传感光源通常配置为泛光照明器或图案投影器。泛光照明器可在特定角度提供均匀的光覆盖范围，用于面部识别和手势检测等应用。此类应用的特点是，光在整个视野范围内的均匀分布是确保测量准确性的关键。
图案投影器实际上用于三角测量和 ToF 系统。将光图案与 ToF 测量相结合可提高信噪比并减少多路径产生的测量误差。这种误差是指由于光在到达传感器之前在多个表面上发生了反弹而造成的不准确性。
在这两种配置中，光学元件都用于形成和转变激光器输出，以满足应用的确切要求。通常可使用相对简单、低成本的模压塑料透镜来生产泛光照明器。但是，对结构光源的要求则更为严格。
Coherent 高意的衍射光学元件 (diffractive optical element, DOE) 和超构光学技术可满足结构光照明需求。超构光学技术利用纳米结构（比光波长更小的物理性质）来改变传播特性。这可能包括改变光束形状、发散角和强度分布，以及分离光束以创建结构光图案。
Coherent 高意超构光学技术的一大优点是，能够将多种光学功能（例如光束准直和光束分离）整合到一个紧凑的元件中。这样可缩减光学系统的尺寸并降低系统复杂性，还可提高 3D 传感模块的整体性能。
Coherent 高意的另一个关键差异化因素是，我们能够设计并垂直整合整个照明模块解决方案。这种整合可确保光源、光学元件、驱动器 IC 和封装全都经过优化，能够无缝协同工作，为我们的客户提供可靠、高性能且经济实惠的产品，以供随时大规模部署在要求严苛的应用中。
Coherent 高意制造的泛光照明模块和点阵投影模块
例如，我们的 3D 传感照明模块旨在尽量减少电气寄生现象（不必要的电容、电感或电阻）。这对于提供高精度 ToF 传感器所依赖的纳秒脉冲宽度和亚纳秒升降时间至关重要。此外，我们强调眼睛安全的重要性，纳入了用于监控设备完整性和输出功率的功能，以确保光输出在任何情况下都始终保持在规定的安全水平范围内。消费类设备必须做到这一点。
综上所述，Coherent 高意不仅只是提供一流的组件：我们的团队了解复杂的 3D 传感技术，可提供完善的集成解决方案来提高设备性能并确保用户安全。通过与我们合作，我们追求卓越的传统以及坚持不懈的光子产品创新开发能为您提供依靠。
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