支持安全驾驶的“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

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AD（自动驾驶）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的。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：Field of View）。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。图片来源：斯坦雷

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。图片来源：斯坦雷

红外VCSEL的响应速度明显高于LED。LED的脉冲上升和下降时间为10-15ns，而红外VCSEL的脉冲上升和下降时间则为1ns。因此，通过简单计算，VCSEL的响应速度比LED快10倍以上。当用作ToF传感器的光源时，VCSEL可以实现比LED光源更高的ToF图像分辨率、更宽的角度以及更接近实时的性能（更低的延迟）。正是由于这些特性，红外VCSEL已成为OMS 3D传感或以3D方式识别驾驶员极其复杂的动作和手势并将其用作反馈来控制车辆等应用的最佳选择。

红外VCSEL和LED的响应速度比较。采用高响应速度的红外VCSEL作为ToF传感器的光源，可获得更清晰的ToF图像。图片来源：斯坦雷

斯坦雷已开始量产UDN1ZE65和UEN1ZA9，光输出功率分别为2.1W和2.8W。两者的波长均为940nm。它们符合AEC-Q102汽车质量标准，在人眼安全方面可满足IEC 60825-1国际标准和美国激光产品CFR Part 1040.10标准I级（本安型设计）的要求。

另一个特点是封装中不使用银。当在电子元件封装和电极等应用中使用银时，接触到环境中的硫时会导致银硫化，生成硫化银，进而导致元器件不良。因此，业界的基本做法是避免在车载元器件中使用银，而斯坦雷则已采取全面措施防止其红外VCSEL发生硫化。

斯坦雷还提供配备光电二极管（PD）的产品，可接收来自扩散器的反射光。基于这种机制，如果扩散器脱落，PD将接收不到反射光，在检测到这种情况后，即可判定为异常。斯坦雷计划为其未来开发的所有产品提供配备PD的封装。

红外VCSEL器件结构及控制配光引起的照度变化。图片来源：斯坦雷

此外，光功率为9.2W的红外VCSEL也在开发中。该产品的光功率明显高于现有的产品，以满足欧洲等地日益增长的观察整个车辆内部的需求，在这些国家，DMS的安装已成为强制要求。9.2W产品工程样品已发货，预计2023年底发布。

从小功率到大功率、从窄角到广角的多种红外LED系列

虽然具有高速响应的红外VCSEL非常适合某些应用，例如ToF传感器和手势控制等，但事实证明市场对红外LED的需求仍然相当大，并且其比红外VCSEL性价比更高。

斯坦雷多年来一直涉足红外LED车载应用业务。公司根据这些经验扩展了用于DMS和OMS的V系列车规产品，并在波长、输出、空间分布等特性方面提供了越来越多的变化。所有这些产品均符合AEC-Q102汽车质量标准。

斯坦雷扩展了具有高辐射强度的大功率红外LED的产品阵容。图片来源：斯坦雷

公司扩展了角度为60°或45°的窄配光型产品阵容，以满足仅需要看清驾驶员面部的DMS应用所需。除了过去主打的945nm产品外，斯坦雷又新增了855nm VMGN1107MS。945nm的波长可以抵抗环境光的影响，但随着DMS/OMS中所使用的摄像头数量的增加，光源发出的光线会产生相互干扰。因此，公司开发了不易受干扰的VMGN1107MS。945nm产品方面，公司新增了VMNN110CMS，辐射强度（1A时）达到1160mW/sr，指向角为45°。指向角为60°的1150mW/sr产品也在开发中。

由于其兼具窄配光和大功率特性，因此还具有可使二次透镜变得更小或省去二次透镜的优点。这就能直接促进光学单元的小型化。

需要看到整个车辆内部的OMS，则越来越多地使用宽配光产品。现有产品的指向角度为120°，而150°的产品也正在开发中。斯坦雷还在推进辐射强度更高的120°新产品的开发。

增加具有不同光分布和光功率特性的红外LED，也能促进光学设计的减少。如上所述，摄像头视场配光和照射距离的要求，取决于DMS/OMS摄像头安装位置的变化。当红外LED的选择有限时，可能需要添加光学器件或系统，从而导致设计灵活性降低，成本增加。

红外LED的开发也着眼于未来的车载应用，例如通过人脸识别进行支付或通过生物识别解锁安全功能。对于这些应用，规格为810nm波长，适合虹膜识别；指向角度为50°；辐射强度为600mW/sr。

中国的采用率不断提高

通过开始批量生产红外VCSEL并扩大红外LED产品阵容，斯坦雷现已拥有满足DMS/OMS传感需求的产品系列。

红外VCSEL和红外LED设计的中标数量已达26家汽车制造商和30个不同类型的平台，目前还有20多个其他项目正在提议或评估。中国的进步尤其引人注目。欧洲市场因车辆DMS强制要求而有望扩大，而中国无论立法如何，都有着强烈增加新功能的倾向。为此，许多汽车制造商都在积极采用DMS和OMS，斯坦雷的红外VCSEL已应用于中国汽车制造商的车辆上。

在DMS搭载方面领先的日本和对此积极的中国，以及在搭载义务化开始的欧洲等市场的推动下，配备DMS/OMS的车辆数量必将增加。因此，这将造成传感器光源的规格更加差异化。在这种情况下，斯坦雷拥有VCSEL和LED两种红外光源，并且正在继续扩大这两个产品系列的阵容，因此斯坦雷将会成为DMS/OMS设计人员的可靠合作伙伴。

相关链接

·         斯坦雷电气用于车载应用的红外产品的介绍

（本文由斯坦雷供稿，电子工程专辑对文中陈述、观点保持中立）