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1 Licht wo Licht gebraucht wird Effiziente Infrarot-Beleuchtung mit VCSEL-Laser-Arrays für Szenenüberwachung und Bildverarbeitungssysteme Jochen Hellmig, Holger Moench und Michael Miller Aktive Infrarot (IR)-Beleuchtung wird in Kamerasystemen zur besseren Identifizierung von Zeichen, Objekten und Personen eingesetzt. IR-Beleuchtung ermöglicht Aufnahmen mit hoher Geschwindigkeit oder von schnell bewegten Objekten (z. B. Lesen von Kfz- Kennzeichen an fahrenden Fahrzeugen). Sie kann zudem Schatten und die Variabilität des Umgebungslichts reduzieren oder eliminieren. Gegenüber sichtbarem Licht verbessert IR-Beleuchtung die Sichtbarkeit bei schwierigen Witterungsverhältnissen wie Nebel, Regen und Schneefall (Abb. 1). Eine passende aktive Lichtquelle erweitert den Einsatzbereich fast aller Kameraanwendungen. Unsichtbare Lichtquellen Die Firma Abb. 1 Bei schwierigen Sichtverhältnissen können IR-Kameras helfen, Personen auf der Fahrbahn zu erkennen. Das menschliche Auge kann nur Licht bestimmter Wellenlängen sehen. Dieser Spektralbereich von nm wird daher auch als sichtbar bezeichnet. Zu längeren Wellenlängen schließt sich der Bereich des nahen IR- von nm an, den viele technische Anwendungen nutzen. Die meisten Kameras weisen eine sehr gute Empfindlichkeit im Bereich nm auf und können mit diesen Wellenlängen genauso gut sehen wie mit sichtbarem Licht. Andererseits ist die Strahlung für das Auge so gut wie unsichtbar und führt daher nicht zu störender Blendung oder Ablenkung. Als IR-Lichtquellen stehen bisher nur Halogenlampen, kantenemittierende Laser und LEDs zur Verfügung. Die LED-Technologie als IR-Lichtquelle hat sich wegen der hohen Lebensdauer, Stabilität und Anpassbarkeit weitestgehend etabliert. Die Leistungsdichte von LEDs ist allerdings beschränkt, sodass eine Beleuchtung mit hohen Intensitäten oder auf große Entfernung nicht möglich ist. Royal Philips Eindhoven, Niederlande Royal Philips, mit Hauptsitz in den Niederlanden, ist ein Unternehmen, das auf Gesundheit und Wohlbefinden ausgerichtet ist. Im Fokus steht die Verbesserung der Lebensqualität der Menschen mit innovativen Lösungen aus den Bereichen Healthcare, Consumer Lifestyle und Lighting. Philips beschäftigt etwa Mitarbeiter in mehr als 100 Ländern. Das Unternehmen ist Marktführer in energieeffizienten Lichtlösungen und betreibt in seinem Unternehmensteil Philips Photonics die Vermarktung von VCSEL-basierenden Lösungen in den Bereichen Datenkommunikation, Konsumenten- und industrielle Anwendungen. Vertical-Cavity-Laser (VCSEL) werden in der neuen Produktionsstätte in Ulm gefertigt. 013 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Brillant Erhaltungssätze erleichtern das Verständnis der Leistungsgrenzen jeden Systems. So würde z. B. niemand erwarten, dass auf einem beleuchteten Objekt mehr Licht ankommt als von der Quelle emittiert wird. Ähnlich nützlich für die Betrachtung optischer Systeme ist die Brillanz. Die Brillanz einer Lichtquelle lässt sich durch optische Systeme nicht erhöhen, sondern bleibt bestenfalls erhalten. In der Optik&Photonik 3/013 47

2 Praxis sorgen unvollkommene Oberflächen und Abbildungssysteme sogar stets für eine Abnahme der Brillanz von der Lichtquelle zum Objekt. Brillanz ist definiert als Leistung/Etendue P P B = = E n A Ω P = n A π (1 cos Θ) P n A π sin Θ Abb. VCSEL-Array: Nahaufnahme und Emission von mehr als 000 VCSELs. wobei die Etendue (oder der optische Leitwert) das Produkt aus der leuchtenden Fläche A, dem abgestrahlten Raumwinkel Ω und dem Brechungsindex n des umgebenden Mediums ist. Bei Rotationssymmetrie um eine Achse lässt sich der Raumwinkel als Funktion des Halbwinkels Θ zu dieser Achse ausdrücken und im Falle kleiner Öffnungswinkel durch den letzten Ausdruck in obiger Gleichung nähern. Alle optischen Systeme verändern nur das Verhältnis von Raumwinkel und Fläche während deren Produkt konstant bleibt. Zum Beispiel bündelt der Spiegel eines Leuchtturmes die von der Lampe in alle Richtungen abgestrahlte Leistung (kleine Fläche, großer Raumwinkel) in einen engen Strahlungskegel. Der Spiegel und damit der abgestrahlte Kegel haben aber eine viel größere Fläche als die Lampe (große Fläche, kleiner Raumwinkel). Eine Lampe mit höherer Brillanz würde den gleichen engen Abstrahlkegel bei einem kleineren Spiegel ermöglichen. Damit entscheidet die Wahl der richtigen Lichtquelle über die mögliche Größe eines Beleuchtungssystems in einer Anwendung mit einer bestimmten geforderten Beleuchtungsstärke. Hier bieten VCSEL-Arrays eine Brillanz von annähernd 10 W/mm²/ster während Halogenlampen und LEDs nur auf ca. 0,1 W/mm²/ster kommen. Entsprechend ist bei der Beleuchtung entfernter Objekte mit VCSEL-Arrays eine fast hundertmal höhere Helligkeit zu erzielen bzw. werden entsprechend kompakte Systeme möglich. Der bislang übliche Scheinwerfer wird durch einen nur wenige Quadratmillimeter großen Chip ersetzt. Hierdurch sind enorme Materialeinsparungen und somit Kostenreduktionen möglich. Infokasten VCSEL-Aufbau Der Aufbau und die Funktion eines Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL) ist erläutert anhand der Abbildung rechts. Die Abbildung zeigt die Überlagerung einer Rasterelektronenmikroskopaufnahme des Querschnittes eines einzelnen VCSELs mit einer Prinzipskizze der vertikalen Struktur. VCSEL sind Halbleiterlaser, die Licht senkrecht zur Oberfläche aussenden (1). Der Laser besteht aus einer wenige Nanometer dicken aktiven Schicht (). In dieser werden die elektrischen Ladungsträger in Licht umgewandelt (3). Ober- und unterhalb der aktiven Schicht finden sich viele Lagen mit variierendem Brechungsindex, die den Resonanzspiegel bilden (4). Dabei erfordert der kurze Aufbau des Lasers eine hohe Reflektivität der Spiegel, um ausreichende Verstärkung erzielen zu können. Neben der optischen Funktion leiten die Spiegelschichten auch den Strom (5) von den Kontakten zur aktiven Schicht. Die Größe der aktiven Fläche wird in der Regel durch eine oxidierte Lage nahe der aktiven Schicht festgelegt (6) Der Schichtaufbau und die vertikale Lichtemission ermöglichen es, komplett funktionsfähige Laser in einem einheitlichen Wachstumsprozess herzustellen. Der gewachsene Wafer wird dem Reaktor entnommen, erhält eine Strukturierung zur Definition der einzelnen Laser und wird mit 1 metallischen Elektroden bedampft. Auf einem 3 4 Zoll großen Wafer finden sich bis zu über einer Million individuelle Laser, die bereits auf dem Wafer betrieben und getestet werden können Optik&Photonik 3/ WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

3 VCSEL-Arrays Abb. 3 Beleuchtungsmodul mit Illustration der Lichtemission. Das Funktionsprinzip des Vertical Cavity Surface Emitting Lasers ist im Infokasten erläutert [1]. Der vertikale Aufbau der VCSEL erlaubt es, viele Laser nebeneinander aufzubauen. Je nach Anwendung, werden diese vereinzelt oder zu Arrays zusammengefasst, d. h. viele eng benachbarte Laser teilen sich die Elektroden. Der Strom steigt durch die elektrisch parallele Anordnung mit der Anzahl der VCSELs in einem Array. Abb. zeigt einen Blick auf die kreisrunden Laseröffnungen mit den umgebenden elektrischen Kontakten; im Überblick sind die mehr als 000 Lichtpunkte der einzelnen Laser zu sehen. Jeder einzelne dieser Laser emittiert eine optische Leistung von einigen Milliwatt, die Strahlung ist stark in die Vertikale gerichtet. Dieser hohe Grad der Kollimation erleichtert die Kombination mit einfachen Optiken und ermöglicht hohe Leistungsdichten auf der Zielfläche. Ein Beispiel für ein VCSEL-Array- Modul zeigt Abb. 3. Der Kern des Moduls ist ein 4 W starkes VCSEL-Array. Der Chip ist auf eine Wärmesenke gelötet, mit elektrischen Zuleitungen versehen und erhält Referenzen für zusätzliche optische Elemente. Das Modul wandelt mit mehr als 30 % Effizienz den elektrischen Strom in IR-Licht der Wellenlänge 808 nm und nm spektraler Bandbreite um. Das Licht ist in einem Kegel mit vollem Öffnungswinkel von 17 (1/e ) nach oben gerichtet. Die Produktionsschritte sind der LED Herstellung entlehnt und profitieren von der bereits hohen Marktdurchdringung der LEDs im sichtbaren Spektralbereich. Die Verwendung einer großen Zahl von Lasern zur Realisierung einer Beleuchtungsverteilung hat zahlreiche Vorteile: Individuelle Unterschiede einzelner Laser verschwinden bei der Überlagerung vieler Laser. Die Abhängigkeit der Lichtverteilung von Umgebungstemperatur und Betriebsstrom ist bei VCSELn geringer als bei LEDs und anderen Diodenlasern, der abgestrahlte Wellenlängenbereich bleibt recht konstant. Selbst der etwaige Ausfall einzelner Laser ist nicht sichtbar und damit ist die erzeugte Lichtverteilung sehr stabil und das Produkt von hoher Lebensdauer. Fällt Laserlicht auf eine Oberfläche oder ein Objekt, dann bilden sich in der beobachtenden Kamera Helligkeitsverteilungen, die von der Oberflächenrauheit und der abbildenden Optik abhängen. Die entstehenden hellen und dunklen Lichtpunkte werden Speckle (englisch für Flecken) genannt und können je nach Ausmaß störend sein, z. B. bei kantenemittierenden Laserdioden. VCSEL-Arrays mit ihrer Vielzahl parallel verwendeter Laser weisen ein so geringes Specklerauschen auf, dass es für die meisten Applikationen irrelevant ist. Unscharfe Abbildung erwünscht Mittels einer externen Linse können die einzelnen Laser als Lichtpunkte in der Ferne abgebildet werden. Dieses Verfahren erzeugt ein Punktmuster auf Abb. 4 Lichtverteilung (links) und Querschnittprofil (rechts). dem Objekt und eignet sich z. B. zur 3D- Objekterkennung. Dazu später mehr. Defokussierung lässt die einzelnen Bildpunkte verschwimmen und resultiert in einer homogenen Ausleuchtung (Abb. 4). Die Fläche wird mit einem Öffnungswinkel von wenigen Grad in horizontaler Richtung beleuchtet. Andere Öffnungswinkel von 5 bis 45 lassen sich durch Anpassung der Brennweite der abbildenden Linse erzeugen. Analog zum Kameraobjektiv lässt sich auch eine Zoomfunktion realisieren, wobei die gewünschte Unschärfe die Anforderung an die Optik deutlich reduziert. Die flache Lichtverteilung mit steilen Flanken führt zu einer hocheffizienten Beleuchtung bei der wenig Licht ungenutzt verloren geht. Die Form der Lichtverteilung entspricht der Form des Chips und kann damit z. B. dem Seitenverhältnis des Kamerasensors (z. B. 16 : 9 für HD Anwendungen) angepasst werden. Beleuchtung in großer Entfernung Beleuchtung mit IR-Licht eignet sich gut als diskrete Beleuchtung, die durch Personen gar nicht oder nur schwer wahrnehmbar ist. Durch den Einsatz passender Filter ist es möglich, eine vom Umgebungslicht unabhängige Beleuchtung zu erreichen. IR-Bilder im Wel- normalisierte Beleuchtung in 00 m Entfernung Abb. 5 Personenerkennung: Lichtbündel (links) und Person in 00 m Entfernung (rechts). 1, 1,0 0,8 0,6 0,4 0, 0, horizontale Position in m 013 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Optik&Photonik 3/013 49

4 lenlängenbereich von 780 bis 1000 nm ähneln Bildern im sichtbaren Licht und können gut von modernen Kamerasensoren aufgenommen werden. Abb. 5 zeigt die Beobachtung einer Straße in 00 m Entfernung. Mit einer Kamera mit einem Objektiv langer Brennweite ist eine Person, die die Straße überquert gut zu erkennen. In der Übersichtsaufnahme wird die stark konzentrierte Lichtverteilung deutlich. Zur Erreichung der gleichen Beleuchtungsstärke bei gleicher Beleuchtungsoptik nimmt die benötigte Lichtleistung mit dem Quadrat der Entfernung zu. Die benötigte Bildqualität und damit auch die benötigte Helligkeit hängt dabei stark von der verwendeten Kamera, Optik und Bildverarbeitung ab. Das Beispiel in Abb. 5 demonstriert, dass eine nur 4 W helle Lichtquelle dank der starken Bündelung zur Beleuchtung und Personenerkennung in 00 m ausreicht. Lichtpulse Noch höhere Beleuchtungsstärken und scharfe Aufnahmen schnell bewegter Objekte lassen sich mit VCSEL-Arrays im gepulsten Betrieb erreichen. Zur Verkehrsüberwachung werden zum Beispiel Lichtpulse verwendet um Nummernschilder zu erkennen, selbst wenn diese durch die Frontscheinwerfer des Fahrzeuges deutlich überstrahlt werden. Die schnelle Ansprechzeit der VCSEL- Arrays in Kombination mit der hohen Intensität ermöglichen einfache Blitzlichtquellen. In anspruchsvolleren gepulsten Applikationen lässt sich die schnelle Abb. 6 VCSEL-Array- Systeme bedienen die Anforderungen (blau) in der Brillanz- und Leistungsanforderungslücke zwischen Lampen, LEDs und traditionellen Lasern. Brillanz (W/mm sr) , ,0 1000,0 100,0 10,0 1,0 0,1 Ansprechzeit zur Unterdrückung von Streulicht durch z. B. Nebel und Reflexionen von nahen Gegenständen verwenden. Im Gegensatz zu normalen Blitzaufnahmen wird bei dem so genannten Range-imaging die Kamerablende erst nach dem Aussenden des Lichtpulses geöffnet. Lichtreflexe die vor dem Öffnen der Kamerablende zurücklaufen, werden nicht abgebildet. Die Verzögerung zwischen Aussendung des Lichtpulses und Öffnen der Blende bestimmt somit die Entfernung des abgebildeten Gebietes. Die Dauer des Lichtpulses bestimmt die Tiefe des Gebietes. 3D-Bilder Neben dem oben beschriebenen Rangeimaging ermöglichen VCSEL-Arrays auch andere 3D-bildgebende Verfahren. Die Beleuchtung eines Objekts oder einer Szene mit einem definierten Lichtmuster (englisch structured light) kann zur Tiefenmessung verwendet werden. Microsofts Kinect ist ein bekanntes Beispiel, bei dem die Tiefeninformation anhand von stereoskopischen Aufnahmen in Kombination mit Fokustiefenmessung gewonnen wird. Für anspruchsvollere 3D-Aufnahmen ist eine Vielzahl von Punkten im Lichtmuster nötig. Diese können effizient entweder aus der Abbildung der einzelnen VC- SEL-oder über die Beleuchtung einer strukturierten Optik gewonnen werden. Die Unsichtbarkeit des IR-Lichtes ist bei vielen Applikationen eine strenge Voraussetzung, da die generierten Punktmuster als besonders störend empfunden werden. traditionelle Laser Löten Drucken Beleuchtung Pumplaser Hautpflege Lampen und LEDs Heizen Trocknen 0, Modulleistung (W) Prozessüberwachung Überwachung mit bildgebenden Verfahren ist integraler Bestandteil moderner industrieller Prozesse. Je nach Applikation werden zur Beleuchtung verschiedenste sicht- und unsichtbare Wellenlängen und deren Kombinationen verwendet. Zur Produktkontrolle wird häufig IR-Licht eingesetzt, um für die Inspektion irrelevante Farbunterschiede zu unterdrücken. VCSEL-Arrays erweitern für den Entwickler die Strahlquellenwahl und eröffnen durch die hohe Brillanz neue Designmöglichkeiten. Insbesondere in der Kombination mit Lasern in der Produktionstechnik, die zum präzisen Schweißen, Schneiden und zur Strukturierung eingesetzt werden, liefern VCSEL-Arrays die ideale Beleuchtung zur Prozessüberwachung und Steuerung. Eine weitere Eigenschaft von VC- SEL-Arrays ist die wenige Nanometer schmale spektrale Bandbreite der Laser. Im Vergleich zu LEDs lassen sich somit wellenlängenspezifischere Systeme entwerfen und störendes Umgebungslicht bzw. die Eigenstrahlung heißer Bauteile effektiv unterdrücken. Auch in der Prozessüberwachung kann die gute Pulsbarkeit der VCSEL- Arrays genutzt werden. Die ständige Frage nach höheren Taktzahlen erfordert dabei höhere Pulsleistung, die VCSEL-Arrays liefern können. Weitere Anwendungen von VCSEL-Arrays In der Lasermaterialbearbeitung kommen Systeme mit einer sehr großen Zahl von VCSEL-Arrays zum Einsatz, denn dort werden für einen hohen Materialdurchsatz oft hohe Leistungen benötigt. Abb. 6 gibt einen Überblick über verschiedene Anwendungen, bei denen meist mit Hilfe der VCSEL-Systeme das Werkstück sehr gezielt und sehr schnell erwärmt wird. Durch Verwendung verschiedener Optiken kann die Brillanz über einen weiten Bereich variiert werden. Die Abbildung verdeutlicht auch die Beschränkung konventioneller Lichtquellen von geringer Brillanz und die bisherige Domäne von Laserbearbeitungssystemen bei sehr hoher Brillanz. Durch die Anwendung von VCSEL-basierten Hochleistungssystemen werden die Vorteile der Produk- 50 Optik&Photonik 3/ WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

5 tion mit Licht auch im Bereich mittlerer Brillanz bei geringen Kosten nutzbar []. Zusammenfassung VCSEL-Arrays ermöglichen eine effiziente Beleuchtung hoher Brillanz durch ein maßgeschneidertes Belichtungsfeld, schmale spektrale Bandbreite und geringes Specklerauschen. Die Einsatzgebiete für VCSEL-Arrays reichen von Prozessüberwachung im Millimeter- bis zu Überwachungsaufgaben im Kilometer-Bereich. Synergien mit der sich rasant entwickelnden LED Technologie ermöglichen eine schnelle Produktentwicklung und niedrige Kosten. [1] R. Michalzik (Hrsg.): VCSELs Fundamentals, Technology and Applications of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, Springer Series in Optical Sciences 166, Springer (013) [] H. Moench, M. Grabherr, J. Pankert und A. Pruijmboom: High Power Vertical Cavity Surface Emitting Laser Systems, Laser Techn. J. 9,, 48 (01) DOI: /opph Die Autoren Holger Moench begann in der Philips Forschung 1991 nach einer Doktorarbeit in der Hochenergiephysik an der RWTH Aachen. Seine derzeitigen Interessen beinhalten die Integration von Halbleitern mit Optiken, alle Arten von Lasern, das Design von VCSEL Strukturen und Systemen und deren Anwendung in der Optoelektronik und Materialbearbeitung. Moench ist Manager für Technologie und Strategie bei Philips Photonics. Jochen Hellmig ist Entwicklungsleiter bei Philips Photonics in Eindhoven. Nach dem Physikstudium an der RWTH Aachen, der Universität Heidelberg und der UC Berkley begann er bei Philips in der Standardisierung von Optical Recording für Blu-ray Disc. Seit 005 entwickelt er VCSEL basierte selbst-mischende Lasersensoren. Er leitet momentan die Entwicklung von Beleuchtungsmodulen mit dem Ziel ein breites Portfolio an VCSEL Array basierten Modulen aufzubauen. Michael Miller studierte von 1991 bis 1997 Physik an der Universität Ulm und promovierte 00 auf dem Gebiet der Halbleiterlaser (VCSEL) an der Universität Ulm. Seit 00 arbei tet er in dem Start-up-Unternehmen U-L-M Photonics, das sich auf die Herstellung und den Vertrieb von VCSEL und Fotodioden spezialisiert hat und 006 von Philips übernommen wurde. Sein Aufgabengebiet liegt in der Projektleitung zur Herstellung von Hochleistungs-VCSELn. Holger Moench, Philips Photonics, Steinbachstraße 15, 5074 Aachen, Jochen Hellmig, Philips Photonics, Kastanjelaan 1000, 5616 LZ Eindhoven, Niederlande, Michael Miller, Philips Photonics, Lise-Meitner-Str. 13, Ulm, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Optik&Photonik 3/013 51

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