為了提高車輛的安全性，業(yè)界一直致力于開發(fā)用于監(jiān)控駕駛員、乘員和車輛內(nèi)部的系統(tǒng)，并將其安裝在車輛上。由于這些系統(tǒng)需要更強(qiáng)的傳感性能，因此傳感器所用的光源也需要進(jìn)步。斯坦雷電氣（Stanley Electric）已迅速采取行動(dòng)來滿足這些需求，致力于將車載紅外VCSEL推向市場(chǎng)并擴(kuò)大其紅外LED的產(chǎn)品陣容。
新車載應(yīng)用所需要的光源進(jìn)步發(fā)展
汽車行業(yè)在不斷開發(fā)各種車載應(yīng)用，以確保車輛安全并增強(qiáng)駕駛員的車內(nèi)體驗(yàn)。ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）就是一個(gè)例子。ADAS和自動(dòng)駕駛（AD）利用攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)和超聲波等多種傳感器來監(jiān)控車輛周圍的行人以及其他駕駛環(huán)境要素，并向駕駛員發(fā)出警報(bào)或進(jìn)行駕駛控制。
對(duì)ADAS來說，為了滿足ADAS和AD對(duì)高性能的技術(shù)要求，外部和內(nèi)部傳感技術(shù)都在加速發(fā)展。其中包括駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS），該系統(tǒng)利用攝像頭監(jiān)控駕駛員的面部，以檢測(cè)他們是否在打瞌睡或視線是否游離。中國(guó)和歐洲的汽車制造商在DMS的采用方面處于領(lǐng)先地位。此外，歐盟還規(guī)定，到2026年，所有在歐洲銷售的新車都必須配備DMS。DMS市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在2023-2024年正式啟動(dòng)，并預(yù)計(jì)今后會(huì)實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。據(jù)日本矢野經(jīng)濟(jì)研究所2022年11月發(fā)布的預(yù)測(cè)，全球配備DMS的車輛銷量將從2022年的858萬輛增長(zhǎng)到2035年的6574萬輛。除了現(xiàn)有的2D監(jiān)控外，業(yè)界還在開發(fā)3D乘員監(jiān)控系統(tǒng)（OMS），以通過監(jiān)控乘員和物體來增強(qiáng)安全性，并提供多種個(gè)性化的娛樂享受。
這就需要確保DMS和OMS對(duì)物體的感知在范圍和精度上都是最佳。因此需要改進(jìn)處理圖像的軟件（算法）和提升攝像頭模塊的性能。攝像頭模塊中與圖像傳感器配合使用的紅外光源，存在著新的市場(chǎng)需求。
紅外LED主要用作圖像傳感器的光源，但隨著DMS/OMS有更高性能的需求使得現(xiàn)有紅外LED難以滿足要求。在許多情況下，不同車型會(huì)將DMS攝像頭安裝在不同的位置，例如方向盤、立柱或中控臺(tái)上。這需要使用可以控制配光的紅外光源來優(yōu)化攝像頭的視場(chǎng)角（FoV）。由于OMS用于監(jiān)控整個(gè)車輛內(nèi)部，因此迫切需要具有更高輸出功率的紅外光源，并且在用于傳感器時(shí)要能以更高的分辨率檢測(cè)人和物體。
DMS和OMS使用光源發(fā)出的紅外線照射駕駛員和乘客，然后利用CMOS攝像頭記錄圖像。通過分析記錄的圖像，了解駕駛員視線和眼瞼的運(yùn)動(dòng)，即可P判斷駕駛員的注意力和疲勞程度，并向駕駛員發(fā)出警報(bào)。該系統(tǒng)還可以檢測(cè)到遺留在后座的物品，并向駕駛員的智能手機(jī)發(fā)送警報(bào)。由攝像頭和VCSEL等紅外光源組成的3D飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高分辨率圖像分析，并提高這些DMS/OMS應(yīng)用功能的性能。
斯坦雷擴(kuò)大了其紅外光源產(chǎn)品陣容，以滿足這些需求。該公司自20世紀(jì)70年代以來一直致力于紅外LED的開發(fā)和商業(yè)化，并占據(jù)了一定的市場(chǎng)份額。近年來，斯坦雷專注于開發(fā)用于車載應(yīng)用的VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）。該公司利用紅外VCSEL和紅外LED的各自特性擴(kuò)大了產(chǎn)品陣容，其規(guī)格也使其易于用作DMS和OMS傳感器的光源。
適合用作DMS/OMS傳感器光源的紅外VCSEL/LED示例
支持3D傳感系統(tǒng)的紅外VCSEL
紅外VCSEL是一種從基板垂直發(fā)射激光的半導(dǎo)體激光器。這種器件由于具有高方向性，且受溫度條件或驅(qū)動(dòng)方式（使用大電流激活）的影響較小，因而具有穩(wěn)定的性能。另一個(gè)特點(diǎn)是，由于其發(fā)射光譜比紅外LED窄得多，因此可使帶通濾波器的通帶做得更緊，從而抑制太陽光（干擾光）的影響。
VCSEL和LED的主要區(qū)別在于其照射圖案和響應(yīng)度。
LED的照射圖案在中心最強(qiáng)，并呈圓形擴(kuò)散。紅外VCSEL利用擴(kuò)散器對(duì)元件發(fā)出的激光進(jìn)行散射，實(shí)現(xiàn)廣角均勻的視場(chǎng)照射，同時(shí)防止激光聚焦，從而保證人眼的安全。LED與透鏡結(jié)合使用來聚集或分散光線以照射廣泛的空間，而紅外VCSEL則采用擴(kuò)散器來分散光線并均勻地照亮矩形形狀的表面。DMS/OMS所需高分辨率傳感的實(shí)現(xiàn)，利用到了紅外VCSEL均勻照射矩形形狀的特性，以便均勻照亮攝像頭的FoV。
紅外LED和紅外VCSEL兩種器件在結(jié)構(gòu)和配光上的差異
紅外VCSEL的響應(yīng)速度明顯高于LED。LED的脈沖上升和下降時(shí)間為10-15 ns，而紅外VCSEL的脈沖上升和下降時(shí)間則為1 ns。因此，通過簡(jiǎn)單計(jì)算，VCSEL的響應(yīng)速度比LED快10倍以上。當(dāng)用作ToF傳感器的光源時(shí)，VCSEL可以實(shí)現(xiàn)比LED光源更高的ToF圖像分辨率、更寬的角度以及更接近實(shí)時(shí)的性能（更低的延遲）。正是由于這些特性，紅外VCSEL已成為OMS 3D傳感或以3D方式識(shí)別駕駛員極其復(fù)雜的動(dòng)作和手勢(shì)并將其用作反饋來控制車輛等應(yīng)用的最佳選擇。
紅外VCSEL和LED的響應(yīng)速度比較；采用高響應(yīng)速度的紅外VCSEL作為ToF傳感器的光源，
可獲得更清晰的ToF圖像
斯坦雷已開始量產(chǎn)UDN1ZE65和UEN1ZA9，光輸出功率分別為2.1 W和2.8 W。兩者的波長(zhǎng)均為940 nm。它們符合AEC-Q102汽車質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，在人眼安全方面可滿足IEC 60825-1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)激光產(chǎn)品CFR Part 1040.10標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)（本安型設(shè)計(jì)）的要求。
另一個(gè)特點(diǎn)是封裝中不使用銀。當(dāng)在電子元件封裝和電極等應(yīng)用中使用銀時(shí)，接觸到環(huán)境中的硫時(shí)會(huì)導(dǎo)致銀硫化，生成硫化銀，進(jìn)而導(dǎo)致元器件不良。因此，業(yè)界的基本做法是避免在車載元器件中使用銀，而斯坦雷則已采取全面措施防止其紅外VCSEL發(fā)生硫化。
斯坦雷還提供配備光電二極管（PD）的產(chǎn)品，可接收來自擴(kuò)散器的反射光?；谶@種機(jī)制，如果擴(kuò)散器脫落，PD將接收不到反射光，在檢測(cè)到這種情況后，即可判定為異常。斯坦雷計(jì)劃為其未來開發(fā)的所有產(chǎn)品提供配備PD的封裝。
紅外VCSEL器件結(jié)構(gòu)及控制配光引起的照度變化
此外，光功率為9.2 W的紅外VCSEL也在開發(fā)中。該產(chǎn)品的光功率明顯高于現(xiàn)有的產(chǎn)品，以滿足歐洲等地日益增長(zhǎng)的觀察整個(gè)車輛內(nèi)部的需求，在這些國(guó)家，DMS的安裝已成為強(qiáng)制要求。9.2 W產(chǎn)品工程樣品已發(fā)貨，預(yù)計(jì)2023年底發(fā)布。
從小功率到大功率、從窄角到廣角的多種紅外LED系列
雖然具有高速響應(yīng)的紅外VCSEL非常適合某些應(yīng)用，例如ToF傳感器和手勢(shì)控制等，但事實(shí)證明市場(chǎng)對(duì)紅外LED的需求仍然相當(dāng)大，并且其比紅外VCSEL性價(jià)比更高。
斯坦雷多年來一直涉足紅外LED車載應(yīng)用業(yè)務(wù)。公司根據(jù)這些經(jīng)驗(yàn)擴(kuò)展了用于DMS和OMS的V系列車規(guī)產(chǎn)品，并在波長(zhǎng)、輸出、空間分布等特性方面提供了越來越多的變化。所有這些產(chǎn)品均符合AEC-Q102汽車質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
斯坦雷擴(kuò)展了具有高輻射強(qiáng)度的大功率紅外LED的產(chǎn)品陣容
公司擴(kuò)展了角度為60°或45°的窄配光型產(chǎn)品陣容，以滿足僅需要看清駕駛員面部的DMS應(yīng)用所需。除了過去主打的945 nm產(chǎn)品外，斯坦雷又新增了855 nm VMGN1107MS。945 nm的波長(zhǎng)可以抵抗環(huán)境光的影響，但隨著DMS/OMS中所使用的攝像頭數(shù)量的增加，光源發(fā)出的光線會(huì)產(chǎn)生相互干擾。因此，公司開發(fā)了不易受干擾的VMGN1107MS。945 nm產(chǎn)品方面，公司新增了VMNN110CMS，輻射強(qiáng)度（1A時(shí)）達(dá)到1160 mW/sr，指向角為45°。指向角為60°的1150 mW/sr產(chǎn)品也在開發(fā)中。
由于其兼具窄配光和大功率特性，因此還具有可使二次透鏡變得更小或省去二次透鏡的優(yōu)點(diǎn)。這就能直接促進(jìn)光學(xué)單元的小型化。
需要看到整個(gè)車輛內(nèi)部的OMS，則越來越多地使用寬配光產(chǎn)品?，F(xiàn)有產(chǎn)品的指向角度為120°，而150°的產(chǎn)品也正在開發(fā)中。斯坦雷還在推進(jìn)輻射強(qiáng)度更高的120°新產(chǎn)品的開發(fā)。
增加具有不同光分布和光功率特性的紅外LED，也能促進(jìn)光學(xué)設(shè)計(jì)的減少。如上所述，攝像頭視場(chǎng)配光和照射距離的要求，取決于DMS/OMS攝像頭安裝位置的變化。當(dāng)紅外LED的選擇有限時(shí)，可能需要添加光學(xué)器件或系統(tǒng)，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)靈活性降低，成本增加。
紅外LED的開發(fā)也著眼于未來的車載應(yīng)用，例如通過人臉識(shí)別進(jìn)行支付或通過生物識(shí)別解鎖安全功能。對(duì)于這些應(yīng)用，規(guī)格為810 nm波長(zhǎng)，適合虹膜識(shí)別；指向角度為50°；輻射強(qiáng)度為600 mW/sr。
中國(guó)市場(chǎng)使用率不斷提高
通過開始批量生產(chǎn)紅外VCSEL并擴(kuò)大紅外LED產(chǎn)品陣容，斯坦雷現(xiàn)已擁有滿足DMS/OMS傳感需求的產(chǎn)品系列。
紅外VCSEL和紅外LED設(shè)計(jì)的中標(biāo)數(shù)量已達(dá)26家汽車制造商和30個(gè)不同類型的平臺(tái)，目前還有20多個(gè)其他項(xiàng)目正在提議或評(píng)估。中國(guó)的進(jìn)步尤其引人注目。歐洲市場(chǎng)因車輛DMS強(qiáng)制要求而有望擴(kuò)大，而中國(guó)無論立法如何，都有著強(qiáng)烈增加新功能的傾向。為此，許多汽車制造商都在積極采用DMS和OMS，斯坦雷的紅外VCSEL已應(yīng)用于中國(guó)汽車制造商的車輛上。
在DMS搭載方面領(lǐng)先的日本和對(duì)此積極的中國(guó)，以及在搭載義務(wù)化開始的歐洲等市場(chǎng)的推動(dòng)下，配備DMS/OMS的車輛數(shù)量必將增加。因此，這將造成傳感器光源的規(guī)格更加差異化。在這種情況下，斯坦雷擁有VCSEL和LED兩種紅外光源，并且正在繼續(xù)擴(kuò)大這兩個(gè)產(chǎn)品系列的陣容，因此斯坦雷將會(huì)成為DMS/OMS設(shè)計(jì)人員的可靠合作伙伴。
