VCSEL技术在三维重建中的应用优势与原理解析

VCSEL技术在三维重建中的应用优势与原理解析

一、什么是VCSEL ？

VCSEL（全称Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser），垂直腔面发射激光器（又译垂直共振腔面射型激光），是一种新型光电半导体激光器，其激光垂直于顶面射出，是一种出光方向垂直与谐振腔表面的 f-p 激光器。与一般用切开的独立芯片制程，激光由边缘射出的边射型激光不同，该类型激光器具有快速调变功能，并可得到稳定、持续、有一定功率的高质量激光。自1977年日本东京工业大学的伊贺健教授首次提出VCSEL概念以来，这项技术在光通信等领域得到了广泛应用，并经过四十余年的发展，已日臻成熟。

在三维扫描领域，VCSEL技术的应用显著提升了扫描性能。iReal 3D系列的三维扫描仪均采用了红外VCSEL技术来实现散斑面扫描。iReal M3三维扫描仪配备了红外VCSEL作为其光源之一，而iReal 2E三维扫描仪则采用了三个红外VCSEL组成的光源，以实现散斑面扫描技术。

二、VCSEL投射红外散斑码进行三维重建的原理是什么？

VCSEL在三维重建中的应用，主要体现在其投射红外散斑码的能力上。以下是该技术的核心原理：

• 投射散斑码：利用VCSEL发射的红外激光，通过特制的光学系统投射出散斑码图案。
• 光学成像：散斑码图案照射到物体表面后，经过散射，由相机捕捉散射光形成的图像。
• 图像匹配：将捕捉到的散斑图像与原始散斑码进行匹配，通过相关性计算，提取物体表面的三维信息。
• 三维重建：基于匹配结果，运用三角测量原理，计算出物体表面各点与相机之间的距离，从而实现精确的三维重建。

三、跟LED投影散斑码进行三维重建，VCSEL的优势是什么？

在采用投影散斑码进行三维重建的过程中，与LED光源相比，VCSEL（垂直腔面发射激光器）具有以下显著优势：

• 高相干性：VCSEL提供的高相干性光源能够产生更清晰的散斑图案，从而在三维重建中实现更高的测量精度，特别是在捕捉物体细节方面。
• 抗环境光干扰：红外VCSEL的波长特性使其在强光环境下受到的干扰较小，保证了三维重建的稳定性和可靠性。此外，由于红外是不可见光，VCSEL可以实现无光扫描，尤其在扫描人体等敏感场合时，提供了更加友好和无干扰的扫描体验。

iReal M3和iReal 2E均支持户外三维扫描，显示了其在不同光照条件下的适应性。

• 广泛的适用性：VCSEL适用于多种不同特性的表面，包括黑色或高反光材质，使得三维重建技术更加灵活和通用。iReal M3和iReal 2E的材质适应性表明，它们能够扫描黑色、黑亮、反光等物品（如汽车脚垫），大多数情况下不需要喷粉即可扫描。

• 低功耗特性：VCSEL的功耗相对较低，适合于便携式设备和需要长时间运行的应用，如实时三维扫描。iReal M3的扫描速度最高可达60帧/秒，而iReal 2E则为15帧/秒，均展现了VCSEL在扫描速度上的优势。
• 温度稳定性：VCSEL在温度变化下的性能稳定性较高，确保了在不同环境条件下三维重建的准确性。

具体来说，VCSEL在智能手机的3D面部识别、自动驾驶系统的物体检测等领域已有显著应用。例如，VCSEL的效率可以达到30%以上，远高于LED的效率，这使得VCSEL在三维重建中能够提供更稳定的光源。红外VCSEL的无光扫描特性，在户外应用或需要隐蔽操作的场合尤为重要，它不仅减少了环境光的干扰，还提升了扫描过程的安全性和舒适性。

综上所述，通过对VCSEL的结构、原理及其在三维重建中的应用优势的阐述，我们可以看出VCSEL技术在现代光电领域的独特地位和广阔前景。