VCSEL激光器阵列设计：车载LiDAR的940nm波长人眼安全策略

引言

随着自动驾驶技术的飞速发展，车载激光雷达（LiDAR）作为其核心传感器之一，承担着精确感知周围环境的重要任务。垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列凭借其独特的优势，如易于二维集成、低阈值电流、高调制速率等，逐渐成为车载LiDAR光源的热门选择。而在车载应用场景中，人眼安全是至关重要的考量因素，940nm波长的VCSEL激光器阵列设计则为实现人眼安全提供了有效策略。

940nm波长选择的人眼安全优势

人眼对不同波长的吸收特性

人眼组织对不同波长的光具有不同的吸收特性。在可见光及近红外波段，人眼晶状体和角膜对光的吸收相对较少，大部分光能够到达视网膜。然而，随着波长的增加，水对光的吸收逐渐增强。940nm波长处于近红外区域，此时水（人眼组织中含量丰富的成分）对该波长光的吸收系数较大，光在到达视网膜之前就会被大量吸收，从而大大降低了对视网膜的潜在伤害风险。

与其他波长的对比

相较于850nm等波长，940nm波长在人眼安全方面具有明显优势。850nm波长的光能够更深入地穿透人眼组织到达视网膜，若激光功率过高，可能会对视网膜造成不可逆的损伤。而940nm波长由于人眼组织的吸收作用，在相同功率下，到达视网膜的光强显著降低，使得在满足车载LiDAR探测需求的同时，能够更好地保障人眼安全。

VCSEL激光器阵列设计要点

阵列结构与布局

VCSEL激光器阵列的结构和布局直接影响其性能和人眼安全性。常见的阵列结构包括线性阵列和二维阵列。线性阵列适用于一维扫描的LiDAR系统，而二维阵列则可实现更灵活的扫描模式，提高探测效率和分辨率。在设计阵列布局时，需要合理控制激光器之间的间距，以避免相邻激光器之间的热串扰和光串扰，同时确保阵列的整体均匀性和稳定性。

功率控制与调制

为了实现人眼安全，必须对VCSEL激光器阵列的输出功率进行精确控制。一方面，要根据LiDAR系统的探测距离和目标反射率等因素，确定合适的激光发射功率，在保证探测性能的前提下，尽可能降低功率水平。另一方面，采用高速调制技术，如脉冲调制，可以进一步降低平均功率。通过快速开关激光器，使激光以脉冲形式发射，在保证探测精度的同时，减少激光在眼睛中的停留时间，降低对人眼的潜在危害。

光束整形与发散角优化

光束整形和发散角优化对于提高LiDAR系统的性能和人眼安全性至关重要。通过采用微光学元件，如透镜、光栅等，对VCSEL激光器阵列发出的光束进行整形，使其具有更均匀的光强分布和更小的发散角。较小的发散角可以减少激光在空间中的扩散，使更多的光能量集中在探测方向上，提高探测距离和精度，同时降低激光向非探测方向的泄漏，进一步保障人眼安全。

安全评估与测试

在完成VCSEL激光器阵列设计后，必须进行严格的安全评估和测试。依据国际和国内相关的人眼安全标准，如IEC 60825 - 1等，对激光器阵列的输出功率、波长、脉冲特性等进行全面检测。通过模拟不同场景下的人眼暴露情况，评估激光对人眼的潜在危害程度，确保其符合人眼安全要求。

结论

车载LiDAR中采用940nm波长的VCSEL激光器阵列设计，是实现人眼安全的有效策略。通过合理选择波长、优化阵列设计、精确控制功率和调制、进行光束整形以及严格的安全评估与测试，可以在满足LiDAR系统高性能探测需求的同时，最大程度地保障人眼安全。随着自动驾驶技术的不断推进，VCSEL激光器阵列在车载LiDAR领域的应用前景将更加广阔，而人眼安全策略也将不断完善和发展。