Тестирование матрицы лазерных диодов для трехмерных сканеров при помощи источников-измерителей 2602B или 2606B и графического сэмплирующего мультиметра DMM7510

Введение

Потребность в измерении расстояния и скорости в трёх-мерном пространстве стала насущной необходимостью во многих приложениях – от автономного вождения в автомобильной промышленности, дополненной реальности в играх и бытовых приборах до интерфейсов опера-тора и роботизированных устройств в промышленной автоматике. Для получения информации о глубине в трехмерных приложениях широко применяются полу-проводниковые лазеры с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL). Например, метод времени пролёта (TOF) основан на измерении времени прохождения одиночного лазерного импульса или последовательности импульсов от облучателя до объекта и обратно в фокальную плоскость. Этот метод позволяет получить полную пространственную и временную информацию, необходимую для построения объёмного изображения. Возможно даже динамическое распознание жестов с применением непрерывно подаваемых им-пульсов в реальном масштабе времени.

Лазеры VCSEL для трехмерных сканеров

Существуют два распространённых метода трехмерного сканирования. Первый метод, называемый методом структурированной подсветки, использует для расчёта глубины лазерную триангуляцию по сигналам облучателя и приёмника. Кроме того, для расчёта глубины с помощью стандартной двумерной камеры этот метод может комбинировать проекцию оптического изображения с отражённым, но искажённым оптическим изображением. Другой метод, получивший название TOF, оценивает задержку от излучения света до его обнаружения. Камера TOF опирается в своей работе на два принципа. Непрерывное модулированное световое из-лучение используется для определения разности фаз между излучённым и принятым синусоидальным сигналом для вычисления времени прохождения и, тем самым, косвенного определения расстояния. Импульс света используется для непосредственного измерения времени прохождения от устройства до объекта и обратно. Кроме того, импульс света от одного облучателя VCSEL может использоваться для сканирования в двух направлениях. Одним из наиболее передовых приборов, использующих этот принцип, является камера TOF на основе матричного массива, которая измеряет глубину по одному снимку с помощью матричного датчика трехмерного изображения.

Измерение тока и напряжения матрицы VCSEL

Радиус действия облучателя прямо пропорционален мощности источника света. Один VCSEL может излучать всего лишь несколько милливатт, но матрица излучателей VCSEL, содержащая сотни VCSEL на квадратный миллиметр, может излучать свет мощностью несколько ватт и освещать значительно большие пространства. Матрицы VCSEL, используемые в трехмерных сканерах, обладают достаточной мощностью для расширения радиуса действия до нескольких сотен метров.

Матрицу VCSEL можно создать, объединив параллель-но несколько тысяч одновременно работающих излучателей. Помимо этого, излучатели можно объединить в адресуемые группы или банки, которые можно включать и выключать индивидуально. Кроме того, некоторые группы могут иметь отдельные контакты, позволяющие управлять ими независимо или синхронно. Для управления группами применяются серии синхронизированных импульсов тока. Во время кратковременного включения группы выполняется точный замер напряжения по вершине импульса. Для дальнейшего анализа, в зависимости от измеренной величины напряжения, может потребоваться дополнительное измерение температуры и тока фотодиода. Кроме того, с помощью анализатора спектра или спектрометра выполняется мониторинг спектра оптической мощности.

Сценарий обработки

Приборы со встроенным процессором сценариев тестирования (TSP) компании Keithley идеально подходят для подачи сложных сигналов и выполнения описанных выше измерений, в то же время обеспечивая максимальную производительность в условиях производства. Например, источники-измерители (SMU) 2602B или 2606B можно использовать в качестве быстродействующих прецизионных генераторов импульсов тока для синхронного возбуждения лазерных диодов и измерения прямого падения напряжения. Несколько цифровых мультиметров можно точно засинхронизировать с задержкой менее 1 мкс для измерения температуры (путём измерения со-противления встроенных в матрицу VCSEL терморезисторов) и оптической мощности (путём измерения тока фотодиода).

Основное преимущество применения с этой целью источников-измерителей заключается в том, что они оборудованы встроенным процессором сценариев тестирования. TSP позволяет гибко управлять испытательными последовательностями, поддерживая условные ветвления типа if..then, do..while, расширенные вычисления, принятие решений «годен/не годен», создание пользовательских функций и точное взаимодействие с другими приборами, пробниками и устройствами управления через цифровые каналы ввода/вывода, каналы синхронизации TSP-Link и т. п. Это существенно снижает объём информации, передаваемой между ПК и прибором по внешним интерфейсам, таким как GPIB, LAN или USB. В результате снижается загрузка системы и существенно повышается пропускная способность производственных линий. Используя мощные возможности TSP и канала TSP-Link, свипирующие измерения тока и напряжения лазеров (LIV) можно выполнять с аппаратными скоростями, не за-висящими от быстродействия ПК и каналов связи.

Показанная на рисунке 4 среда разработки Keithley Test Script Builder позволяет исполнять код TSP на при-боре, включая проверку работы программы и выходных сигналов. Такой подход к проектированию позволяет проверять отдельные блоки программного кода до переноса их в другие испытательные среды, такие как VB.NET, LabVIEW® и т. п.

Кроме того, каждый прибор оснащен встроенным буфером данных для хранения результатов измерений. По завершении теста сохранённые в буфере результаты можно передать в ПК для последующего анализа.

Ещё одним интерфейсом, который можно использовать для синхронизации испытательной последовательности, является интерфейс Trigger Link. Если измеритель и коммутатор соединены кабелем Trigger Link, они могут взаимосинхронизироваться, повышая тем самым скорость исполнения теста. Благодаря этой встроенной шине большинством системных функций можно управлять без прямого участия компьютера. При правильной настройке Trigger Link компьютер занимается только инициализацией те-ста и получением данных от системы.

Система запуска приборов Keithley серии 2600B

Система запуска источников-измерителей серии Keithley 2600B обладает мощным набором функций, позволяющим синхронизировать подачу нескольких импульсов с измерением напряжения и тока. Показанная на рисунке 5 система демонстрирует все элементы системы запуска 2600B SMU, которые включают два генератора сигналов запуска, восемь таймеров, одну кнопку ручного запуска на лицевой панели, шесть обработчиков событий, 14 аппаратных линий запуска (цифровой ввод/вывод), три аппаратных канала запуска TSP-Link, пять каналов запуска LAN и программный формирователь команд запуска.

Запускаемые устройства, например, таймеры, можно использовать для определения периода следования им-пульсов, длительности импульса и измерения задержки с помощью единой точки отсчета времени. Три аппаратных канала запуска TSP-Link синхронизируют время начала импульса, время окончания импульса и начало измерения, а также соединенные последовательно при-боры всей системы с точностью до нескольких сотен наносекунд.

На рисунке 6 показана модель синхронизации запуска, применённая для свипирующих LIV-измерений матрицы VCSEL с помощью источника-измерителя серии 2600B. Точный контроль длительности импульса, периода следования импульсов и задержки измерения легко реализуется с помощью комбинации таймеров и связи с другими приборами через каналы запуска TSP-Link.

Сценарий TSP, описывающий модель синхронизации запуска, показанную на рисунке 7.

-- Настройка ожидания
smua.source.output = smua.OUTPUT _OFF smua.source.func = smua.OUTPUT _ DCAMPS smua.source.rangei = 123-3
smua.source.limiti = 1

-- Настройка импульса smua.trigger.source.listi({40e-3}) smua.trigger.source.action = smua.ENABLE smua.trigger.endpulse.action = smua.SOURCE _ IDLE smua.trigger.arm.count = 1
smua.trigger.arm.stimulus = 0 smua.trigger.count = pulse _ count

-- Настройка задержки конца импульса
trigger.timer[1].reset()
trigger.timer[1].delay = 5.67e-3
trigger.timer[1].count = 1
trigger.timer[1].stimulus = smua.trigger.SOURCE _ COMPLETE _ EVENT _ ID smua.trigger.endpulse.stimulus = trigger.timer[1].EVENT _ ID

Система запуска DMM7510

Keithley DMM7510 представляет собой TSP-совместимый прибор, который легко интегрируется с источниками-измерителями 2602B и 2606B через TSP-Link и обеспечивает синхронизацию с точностью до 1 мкс в пределах всей системы. Система запуска DMM7510 очень похожа на систему запуска 2602B и 2606B и со-стоит из восьми генераторов сигнала запуска, четырёх таймеров, одной кнопки ручного запуска на лицевой панели, двух обработчиков событий, шести аппаратных линий запуска (цифровой ввод/вывод), трёх аппаратных каналов запуска TSP-Link, одного канала запуска Trigger Link VMC, восьми каналов запуска LAN, программного формирователя команд запуска и аналоговой схемы за-пуска (рисунок 8).

Мультиметр DMM7510 не имеет фиксированной модели запуска, аналогичной той, что показана на рисунке 6 для источников-измерителей серии 2600B. Однако он предлагает возможность создания любой модели запуска для любой испытательной последовательности. На рисунке 9 приведён полный перечень блоков, который можно использовать для построения модели запуска, включая цикл, детектор событий (WAIT), измерение (ACTION), задержку (DELAY) и т.п.

Модель запуска, определённая фрагментом сценария TSP, создаётся для каждого DMM7510, показанного на рисунке 3. Каждый DMM7510 ждёт появления синхроимпульса от соответствующего SMU, в ответ на который за-пускает измерение температуры или тока фотодиода. Измерение температуры выполняется путём интегрирования сопротивления термиорезистора за время дли-тельности импульса или за весь период импульсной последовательности.

Оцифровка тока и напряжения в графическом мультиметре

Кроме интегрирования сопротивления DMM7510 поддерживает режим оцифровки, который позволяет захватывать ток или напряжения со скоростью один миллион выборок в секунду во всём рабочем диапазоне прибора. Например, мультиметр может оцифровать ток в диапазоне от 100 фА до 10 А с интервалом 1 мкс и разрешением 18 разрядов. Поскольку в условиях производства наиболее критичным показателем является время тестирования, возможность определения окна измерения с точностью до 1 мкс путём простого изменения числа выборок даёт огромное преимущество.

Следующий фрагмент сценария TSP демонстрирует модель запуска, созданную для выполнения измерений температуры, запускаемых по таймеру, по сети или по аппаратным цифровым сигналам ввода/вывода. Алгоритм, соответствующий этой модели запуска, показан на рисунке 10.

Кроме того, DMM7510 автоматически обновляет сред-нее значение всех показаний, находящихся в буфере. Это дополнительно упрощает обработку данных измерений, выполненных на вершине импульса. Вы можете извлечь среднее значение буфера и очистить буфер для следующего импульса.

На рисунке 11 показана последовательность импульсов тока, захваченная мультиметром DMM7510 в режиме оцифровки тока. Мультисенсорный экран позволяет даже растянуть каждый импульс лёгким прикосновением пальца.

Заключение

TSP-совместимые источники-измерители 2602B и 2606B, а также мультиметр DMM7510 компании Keithley позволяют без особого труда объединить настольные приборы в единую систему и достичь лучшей в отрасли синхронизации запуска и максимальной пропускной способности в любой автоматизированной производственной среде.

Процессор сценариев тестирования и канал TSP-Link компании Keithley являются двумя ключевыми технологиями, обеспечивающими поддержку более эффективных и надёжных электрических тестов в таких новых приложениях, как трехмерное сканирование.

Об авторе

Крис Годфри работает менеджером по техническому маркетингу в компании Tektronix. Он обладает более чем 22-летним опытом работы в области технического маркетинга в коммерческих структурах таких компаний, как Ericsson Mobile Communications, Ferranti Technologies и Tunstall Group Components, а также глобальных дистрибьюторов, таких как Premier Farnell. Основное направление деятельности Криса – это проектирование и привлечение инженеров-разработчиков в таких секторах рынка, как радио-связь, промышленные системы питания и промышленная автоматизация. Он имеет степень бакалавра Сандерлендского университета, Великобритания.