Optimale Eigenschaften für die Sensorik
Was ist eigentlich ein VCSEL?
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Anwendungen von VCSEL
Bei den optischen Parametern von VCSEL sticht die über die Temperatur sehr geringe Wellenlängenänderung hervor. Diese beträgt typischerweise 0,07 nm/°C. Mit zunehmender Temperatur steigt die Wellenlänge nur geringfügig. Das liegt daran, dass die emittierte Wellenlänge vom Resonator bestimmt wird und nicht von der Bandlücke des PN-Übergangs. Eine Änderung im Brechungsindex und der Dicke der Bragg-Spiegel in Abhängigkeit der Temperatur führt zwar zu einer Verschiebung der stehenden Welle, doch dieser Effekt ist relativ gering, sodass sich die Emissionswellenlänge nur wenig ändert.
Die Abstrahlung des Lichts erfolgt bei VCSEL ohne jegliche Optik „donutförmig“. Bild 5 zeigt die Strahlungsverteilung projiziert auf eine ebene Fläche. Die Leistungsspitze liegt bei einem Winkel von etwa 5 bis 10° außerhalb des Zentrums; die Gesamtbreite des Lichtkegels von VCSEL liegt zwischen 15° und 25°. Weil eine derartige Abstrahlcharakteristik jedoch nur für wenige Anwendungen geeignet ist, werden VCSEL Arrays oft mit Linsen ausgestattet, die für eine großflächige Abstrahlcharakteristik sorgen. Bild 6 zeigt die Strahlungsverteilung eines solchen VCSEL Arrays mit Diffusor Linse. Aus der ursprünglich donutförmigen Abstrahlung wird ein annäherndes Rechteck mit homogener Leistungsverteilung. Dieses sogenannte Field-of-Illumination (FOI) oder auch Field-of-View (FOV) wird in Winkeln für x-Richtung und y-Richtung angegeben (siehe Tabelle in Bild 3). Je nach Linse ergeben sich unterschiedliche FOVs mit Winkeln von üblicherweise 50° x 40° bis zu etwa 120° x 90°. Bild 7 zeigt einen VCSEL der Firma Lextar in einem Keramik Package mit Diffusor Linse.
Neben den hier behandelten Parametern gibt es natürlich noch weitere wie z.B. Betriebstemperaturbereich, thermischer Widerstand, Rise/Fall-Zeiten etc., doch diese und deren Bedeutung sind allgemein bekannt und gelten mit der gleichen Bedeutung auch für VCSEL.
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Wie bereits erwähnt, werden VCSEL seit langem für optische Datenübertragung verwendet, weil sie durch niedrige Kosten und hohe Datenraten im Gbps-Bereich überzeugen. Solche VCSEL mit kleiner optischer Leistung im mW-Bereich finden nun aber auch Anwendung in Näherungssensoren, Lichtschranken oder auch Time-of-Flight-Sensoren zur Abstandsmessung, weil der schmale Abstrahlwinkel und die hohen Modulationsraten auch für diese Anwendungen von Vorteil sind.
Die von Beck Elektronik vertriebenen VCSEL Arrays mit Leistungen im Watt-Bereich sind seit einiger Zeit populär im Einsatz von 3D-Time-of-Flight-Kameras. Die hohen Modulationsraten von derzeit bis zu etwa 100 MHz sowie die annähernd rechteckförmige Abstrahlung von VCSEL mit Linsen prädestinieren sie für den Einsatz in 3D-Time-of-Flight-Systemen. Auch für bestehende Anwendungen als Ersatz von IR LEDs, wie z.B. für Überwachungskameras oder Nachtsichtgeräte bringen VCSEL technische Verbesserungen und somit Vorteile wie z.B. gleichmäßigere Ausleuchtung mit sich.
Unabhängig von den Anforderungen, ob Automotive oder industrielle Anwendungen, ob als Ersatz für IR LEDs oder für neuartige Anwendungen: VCSEL decken einen großen Bereich an unterschiedlichen Spezifikationen ab und lassen sich daher vielfältig einsetzen.
- Was ist eigentlich ein VCSEL?
- Technische Besonderheiten im Blick
- Anwendungen von VCSEL
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