【经验】红外线光电开关中VCSEL与LED光源的比较分析

时间： 2021-10-16 来源：新亮光子

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众所周知，光电开关是由光发射器和光接收器组成，其原理是：通过发射器发出的光线到光接收传感器，检测到物体经过发射器和接收器之间阻断或者反射光线时，光电开关就产生开关信号。目前市面上常见的光源是红外（IR）LED，新一代光源VCSEL也逐渐占领市场。

LED与VCSEL光源的主要区别

同作为发光源，由于发光方式的区别，LED与VCSEL有很多差异，例如：

· VCSEL有阈值电流而LED没有。

· VCSEL的发散角度更小。

VCSEL的发散角度一般在20°左右比LED的180°小很多。在经过光学透镜准直后，VCSEL光电开光角度最小可达1°，（其中新亮光子的25-30mW VCSEL 最小可达7°，50-60mW VCSEL最小可达14°），而光学准直后LED最小光发散角为20°。

· VCSEL 电光转换效率（PCE）更高。

新亮光子VCSEL电光转换效率高达56%远大于LED 20%左右。在碳中和的市场需求下，相同的感应距离，VCSEL的功耗只有LED的1/5~1/10。因此对于光幕应用，VCSEL具有绝对的优势。

对射式光电开关

由于光源的差异，采用VCSEL对射式光电开关相较于LED对射式光电开光具有诸多优势，同等驱动电流下，VCSEL反射式光电开光探测距离是LED的7倍，对于低功耗应用、电池驱动应用中更有优势。另外VCSEL的上升下降时间更短，响应速度高，适合实时性高和高速数据传输的应用场景。有实验室做过参数对比，以下为实验数据：

当光功率较大时，光接收器的下降时间成为对射式光电开关性能的主要考虑因素，VCSEL对射式光电开关由于线宽更窄，再加上特殊光圈或透镜使用，能降低接收器环境光的干扰，提高灵敏度。

新亮光子生产优质的VCSEL对射式光电开关，发射光功率低至8mW, 总功率低只有32mW，响应时间短。性能如下表。

8mW对射式光电开关参数

反射式光电开关

反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关的发射器发出光线经过反射，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。

新亮光子反射式光电开关检测响应速度快、解析高、精度高，反应灵敏。其采用贴片封装尺寸小，易散热，使用寿命比较长50000小时，是新一代的环保节能光源。

对管式光电开关

新亮光子还提供最常用的VCSEL对管式光电开关，单独的一发一收插件和贴片封装，结构简单，实行灵活多样，无缝替换市面上常见的LED光电开关。

例如，940nm 70mW塑封VCSEL插件阈值电流低至3.5mA；发射角度小，Φ3mm塑封插件角度只有15°，Φ5mm塑封插件角度只有10°；易于准直，调制宽度>2 GHz。

光电开关（对射管）型号表

在实际案例中，例如高2m的电梯光幕应用，假设每台电梯使用对射管（一个红外发射管配一个PD接收管）20套。采用LED对射管方案，每套LED对管功耗150-200mW,总功耗为3-4W；采用VCSEL对射管方案，每套VCSEL对管功耗约为20mW,总功耗为400mW。VCSEL极大的节省了能耗，符合未来碳中和的市场趋势。

新亮光子的VCSEL芯片与同行相比，同等功率情况下，发光区面积较小，功率密度较高，有利于光学设计。VCSEL二极管广泛应用于智能门锁接近感应，智能扫地机器人的悬崖传感、安全光幕、智能水龙头开光、激光医疗，手势识别等，能完美替换LED。

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