【经验】关于垂直腔表面发射激光器（VCSEL）和红外发光二极管（LED）在传感上应用的优劣势对比分析
TT Electronics 是一家专注于向国防和航空航天、医疗、运输、能源和工业电子市场的领先制造商提供产品和服务的全球化电子集团,产品广泛应用于通讯、汽车、工业、军事等领域。
TT Electronics 推出的垂直腔表面发射激光器（VCSEL）和红外发光二极管都可用于非接触式位置感测、光电传感器、光学编码器、光幕，光电开关，但是二者在同一应用上有优势和劣势，本文做了对比。世强代理了TT推出的OPV202，OPV230等IR VCSEL产品和OP265W，OP241,OP505,OPB608等IR LED产品，用户可以在世强上选购适合自己项目应用的产品。
图1 LED和VCSEL电气原理图
LED的典型电流范围介于5 mA（毫安）和100 mA之间。 为了获得足够的轴功率（朝向指定位置的功率），LED可以以超过1A的电流脉动。 在没有透镜的封装中使用LED和VCSEL，可以对两种元件进行很好的比较来证明二者的差异。如Ee（光功率）与IF（正向电流）（见图2）所示 ，LED的电流大多是线性的，从2 mA到50 mA，而VCSEL达到指定的电流水平（通常在3 mA和5 mA之间）之后才会打开。 这被称为元件的阈值电流（ITH）。
图2 LED和VCSEL正向电流和光功率关系图
为了查看LED和VCSEL光功率之间的差异，以对数标度绘制轴功率（Ee），并且以线性标度绘制正向电流（IF）。用于图2的正向电流对于LED为0 mA至50 mA，对于VCSEL为0 mA至20 mA。这些是正向电流的优选范围，其可以提供非常高可靠性的产品并满足功耗考虑。在非常低的电流下，低于VCSEL的阈值电流，LED具有比VCSEL更好的输出功率。在达到VCSEL的阈值电流后，其轴上光功率远大于LED的光功率。
选择平面透镜装置进行测试，以显示器件的真实特性并最小化封装的影响。在平面透镜（T-1）LED的半功率点上，总的夹角为60°，整个区域的功率相对平坦（见图3）。图4-A示出了在平面透镜（T-1）封装中的VCSEL的典型特性，其包含的半功率角小于12°。
图 3 LED-平面透镜
图4-A VCSEL- 平面透镜
图4-B VCSEL- 圆顶透镜
透射开关中的LED和VCSEL
透射光开关有时被称为中断开关或开槽开关。透射开关的概念是允许光信号击中光接收器传感器，并且在光路中检测物体时断开光束。透射开关的一些用途是用于编码器，安全和安全屏蔽以及物体感测。工业中的典型发光器件是红外（IR）LED。随着VCSEL的发明，这可能对于某些应用发生改变。正如前一节中关于LED和VCSEL之间主要差异的说明所述，VCSEL相对于LED具有更大的轴上功率。这意味着对于更低的电流，来自VCSEL的可用光功率（其具有比LED更窄的光束角）大于LED。
图5 VCSEL（OPV230)实物图
采用LED和高驱动电流（高达100 mA）的典型透射式开关，有效距离可达5英寸（0.13米）。 通过使用VCSEL可以扩展典型距离达3英尺（0.9米）。 通过添加SDD（同步驱动器检测器）和适当的镜头，LED的距离可以增加到3英尺（0.9米），VCSEL的距离可以增加到20英尺（6.1米）。 SDD 另外一个优点是通过脉冲系统和寻找光照水平的变化来最小化环境光的影响。
图6显示了LED（OP265W）与VCSEL（OPV230）之间的耦合关系，该电压以10 mA电流驱动至光电晶体管（OP505）。这是利用光电晶体管的典型光开关。另一种流行的传感器是Photologic®（具有逻辑，高或低输出的光学传感器）设备，减少了与标准电气接口连接所需的额外电子设备。通过使用VCSEL，驱动电流可降至5 mA范围，使该器件可轻松用于电池供电应用。 VCSEL带来的另一个好处是设备的开启和关闭速度。 VCSEL的上升和下降时间在200皮秒范围内，LED的典型值为500纳秒。 因此，VCSEL是适用于任何电池驱动应用的最佳设备。
图 6 OPV230和OP265与OP505的耦合特性
观察LED和VCSEL的光功率波束图（见图3和图4），LED更容易与远程目标对准，并且发射区域的功率比VCSEL更加一致。VCSEL的光束图案显示出主要的峰和谷，因此传感装置的输出可以在对准的最小偏移中而变化很大，对于短距离和使用Photologic®设备，应尽量减少这种影响。每当存在高光功率时，接收器的下降时间可能成为问题，并且可能需要特殊光圈（阻挡一些光）以优化透射开关的性能。
反射开关中的LED和VCSEL
反射光学开关是一种在物体上照射红外光并寻找反射信号的装置。 这些类型的开关可用作物体传感器以及条形码阅读器。
图 7 反射光学开关实物图
光从LED或VCSEL发射，并且光从一个表面反射以供传感器检测。 根据应用的特性，传感器可以是光电晶体管，Photologic®或SDD器件。 反射开关可以是聚焦的也可以是非聚焦的。 聚焦开关使发射和传感装置指向距装置表面“D”距离的点，其通常用于光反射回传感器表面的识别。这些可以包括物体感测和条形码读取应用。非聚焦开关通常用于感测物体的存在。 OPB608型非聚焦反射开关的反射距离如图8所示，12 mA驱动电流的可用距离为0.2英寸，当驱动电流为20 mA时，可用距离增加到0.3英寸。 通过将VCSEL放在同一封装中，12 mA驱动电流下的有用反射距离为0.8英寸，并且在20mA时增加到1.0英寸。 因此，在非透镜非聚焦开关中添加VCSEL可将反射距离增加到LED的4倍。
条形码应用需要与OP265类似的小光斑或一致的光源。 OPV230的光束分析（见图4）显示了很多光功率峰值和谷值，因此它可能不是条形码扫描仪的最佳光源。如果正确使用镜头，可以使用VCSEL设备给出高强度的光斑。 增加镜头可以将激光安全类别从1M级改为3B级或更高级（涉及到激光安全性问题）。如果控制驱动电流以保持可接受的功率水平，则可以将聚焦的VCSEL保持在1M范围内。 通过将VCSEL组装在壳体中（例如在透射开关中）来限制观察也可以满足激光安全要求。 文中的所有分析都是在无透镜VCSEL和LED上进行的，以保持数据一致性，并保持1M类激光器的安全等级。
图 8 OPB608 Ic(ON)与距离关系图
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LG0903010212 Lv5. 技术专家 2019-12-08这样的文章比较好，受教了 -
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ZF Lv4. 资深工程师 2019-01-11不错 -
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半颗糖 Lv4. 资深工程师 2018-11-08学习 -
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猪哥哥 Lv7. 资深专家 2018-08-30学习了。了解了
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产品型号
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品类
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Package
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Continuous Forward Current(mA)
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LED Peak Wavelength(nm)
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Forward Voltage(V)
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Total Beam Angle(°)
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Operating Temperature(℃)
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EE(APT)(Min.)(mW/cm²)
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OP123
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Hermetic Infrared Emitting Diode
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Pill
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100mA
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935nm
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24°
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-65℃~125℃
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产品型号
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On-State Collector Current(mA)
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Collector-Dark Current(nA、µA)
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Peak Wavelength(nm)
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Power Dissipation(mW)
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Operating Temperature(℃)
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OP505A
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NPN Silicon Phototransistor
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T-1
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30V
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5.95mA
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100nA
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100mW
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