安全驾驶的“红外光源”:Stanley红外LED和VCSEL有助于提高驾驶员监控系统的性能

2023-10-15
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为了提高车辆的安全性,业界一直致力于开发用于监控驾驶员、乘员和车辆内部的系统,并将其安装在车辆上。由于这些系统需要更强的传感性能,因此传感器所用的光源也需要进步。斯坦雷电气(Stanley Electric)已迅速采取行动来满足这些需求,致力于将车载红外VCSEL推向市场并扩大其红外LED的产品阵容。


新车载应用所需要的光源进步发展


汽车行业在不断开发各种车载应用,以确保车辆安全并增强驾驶员的车内体验。ADAS(高级驾驶辅助系统)就是一个例子。ADAS和自动驾驶(AD)利用摄像头、雷达、激光雷达和超声波等多种传感器来监控车辆周围的行人以及其他驾驶环境要素,并向驾驶员发出警报或进行驾驶控制。


对ADAS来说,为了满足ADAS和AD对高性能的技术要求,外部和内部传感技术都在加速发展。其中包括驾驶员监控系统(DMS),该系统利用摄像头监控驾驶员的面部,以检测他们是否在打瞌睡或视线是否游离。中国和欧洲的汽车制造商在DMS的采用方面处于领先地位。此外,欧盟还规定,到2026年,所有在欧洲销售的新车都必须配备DMS。DMS市场预计将在2023-2024年正式启动,并预计今后会实现快速增长。据日本矢野经济研究所2022年11月发布的预测,全球配备DMS的车辆销量将从2022年的858万辆增长到2035年的6574万辆。除了现有的2D监控外,业界还在开发3D乘员监控系统(OMS),以通过监控乘员和物体来增强安全性,并提供多种个性化的娱乐享受。


这就需要确保DMS和OMS对物体的感知在范围和精度上都是最佳。因此需要改进处理图像的软件(算法)和提升摄像头模块的性能。摄像头模块中与图像传感器配合使用的红外光源,存在着新的市场需求。


红外LED主要用作图像传感器的光源,但随着DMS/OMS有更高性能的需求使得现有红外LED难以满足要求。在许多情况下,不同车型会将DMS摄像头安装在不同的位置,例如方向盘、立柱或中控台上。这需要使用可以控制配光的红外光源来优化摄像头的视场角(FoV)。由于OMS用于监控整个车辆内部,因此迫切需要具有更高输出功率的红外光源,并且在用于传感器时要能以更高的分辨率检测人和物体。


DMS和OMS使用光源发出的红外线照射驾驶员和乘客,然后利用CMOS摄像头记录图像。通过分析记录的图像,了解驾驶员视线和眼睑的运动,即可P判断驾驶员的注意力和疲劳程度,并向驾驶员发出警报。该系统还可以检测到遗留在后座的物品,并向驾驶员的智能手机发送警报。由摄像头和VCSEL等红外光源组成的3D飞行时间(ToF)技术,可实现高分辨率图像分析,并提高这些DMS/OMS应用功能的性能。


斯坦雷扩大了其红外光源产品阵容,以满足这些需求。该公司自20世纪70年代以来一直致力于红外LED的开发和商业化,并占据了一定的市场份额。近年来,斯坦雷专注于开发用于车载应用的VCSEL(垂直腔面发射激光器)。该公司利用红外VCSEL和红外LED的各自特性扩大了产品阵容,其规格也使其易于用作DMS和OMS传感器的光源。


适合用作DMS/OMS传感器光源的红外VCSEL/LED示例


支持3D传感系统的红外VCSEL


红外VCSEL是一种从基板垂直发射激光的半导体激光器。这种器件由于具有高方向性,且受温度条件或驱动方式(使用大电流激活)的影响较小,因而具有稳定的性能。另一个特点是,由于其发射光谱比红外LED窄得多,因此可使带通滤波器的通带做得更紧,从而抑制太阳光(干扰光)的影响。


VCSEL和LED的主要区别在于其照射图案和响应度。


LED的照射图案在中心最强,并呈圆形扩散。红外VCSEL利用扩散器对元件发出的激光进行散射,实现广角均匀的视场照射,同时防止激光聚焦,从而保证人眼的安全。LED与透镜结合使用来聚集或分散光线以照射广泛的空间,而红外VCSEL则采用扩散器来分散光线并均匀地照亮矩形形状的表面。DMS/OMS所需高分辨率传感的实现,利用到了红外VCSEL均匀照射矩形形状的特性,以便均匀照亮摄像头的FoV。


红外LED和红外VCSEL两种器件在结构和配光上的差异


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