4. 光源与照明系统：LED、激光器、VCSEL的选择，照明均匀性设计，光学准直技术
光源选型，是光学触控系统里最容易被低估的一环。很多人觉得“不就是个灯嘛，亮就行”。但实际做下来你会发现，光源选错了，后面整个光学设计都得推倒重来。我最早做红外触摸框的时候，就吃过这个亏——选了便宜的LED，结果均匀性一塌糊涂，算法怎么调都救不回来。
这一章，我们就把光源这件事彻底讲透。从器件选型到均匀性设计，再到准直技术，一条线捋清楚。
4.1 三种主流光源：LED、激光器、VCSEL
先看一张对比表，心里有个底：
| 参数 | LED（红外LED） | 激光器（EEL） | VCSEL |
|---|---|---|---|
| 发光方式 | 自发辐射，宽光谱 | 受激辐射，窄光谱 | 受激辐射，垂直腔面 |
| 典型波长 | 850nm / 940nm | 780nm ~ 980nm | 850nm / 940nm |
| 光束质量 | 朗伯体发散，~120° | 高斯光束，发散角小 | 低发散角，圆形光斑 |
| 功率密度 | 低（mW级） | 高（W级） | 中高（百mW~W） |
| 成本 | 极低 | 高 | 中等 |
| 可靠性 | 高（>50000h） | 中等（静电敏感） | 高（抗静电好） |
| 典型应用 | 低成本触摸框 | 远距离、高精度 | 消费电子、结构光 |
4.1.1 LED：性价比之王，但均匀性是大坑
LED是光学触控里用得最多的光源。便宜、好买、驱动简单。但它的光场分布是典型的朗伯体——说白了，就是中间亮、四周暗，像个馒头。
我在做55寸红外触摸框时，用了两排LED对射。结果屏幕中间区域信号饱和，边缘区域信号弱到检测不到。后来加了扩散膜和二次透镜才勉强拉平。所以，用LED做照明，均匀性设计是必修课。
4.1.2 激光器：精度高，但别乱用
激光器（EEL）的光束质量好，发散角小，适合做远距离、高精度的触控。比如大尺寸交互平板、电子白板，用激光做扫描式触控，精度能做到亚毫米级。
但激光器有个致命问题——散斑。激光的相干性太强，照到粗糙表面会产生干涉条纹，严重影响图像质量。我见过一个项目，用激光做背光照明，结果图像上全是“雪花”，算法直接崩溃。
4.1.3 VCSEL：消费电子的新宠
VCSEL是这几年火起来的光源。它结合了LED的低成本和激光器的高光束质量。垂直腔面发射，可以做成阵列，功率密度高，而且抗静电能力比EEL强很多。
iPhone的Face ID用的就是VCSEL阵列。在光学触控里，VCSEL适合做结构光照明、飞行时间（ToF）照明。它的光斑是圆形的，准直起来比LED容易得多。
但VCSEL也有缺点：温度敏感。波长随温度漂移大约0.07nm/°C。如果你做窄带滤波，温度变化会导致信号衰减。我建议在VCSEL旁边加一个温度传感器，做主动补偿。
4.2 照明均匀性设计
均匀性，是光学触控系统里最“玄学”的部分。理论上，我们希望整个触摸区域的照度完全一致。但实际上，光源的发光角度、安装位置、反射杂光都会破坏均匀性。
我一般用照度均匀度U来量化：
U = E_min / E_maxU越接近1，均匀性越好。一般消费级产品要求U > 0.6，工业级要求U > 0.8。
4.2.1 均匀性设计的三个层次
- 光源排布优化：调整LED间距、角度、数量。我常用光学仿真软件（如TracePro、LightTools）做参数扫描，找到最优排布。
- 二次光学设计：加透镜、反射杯、导光板。把朗伯体光场重新分配。
- 匀光元件：扩散膜、微透镜阵列、光棒。把光“打散”再“混合”。
4.2.2 我常用的均匀性优化流程
嗯，这里我直接给一个步骤清单，照着做基本不会翻车：
- 确定触摸区域尺寸和光源安装高度
- 用仿真软件建立初始模型（单颗LED光场）
- 做阵列排布，计算照度分布
- 调整间距和角度，使U > 0.7
- 如果U不够，加扩散膜或微透镜阵列
- 打样实测，用照度计在9点或25点位置测量
- 根据实测结果微调
我曾经在一个项目里，仿真做到U=0.85，结果实测只有0.55。查了半天，发现是外壳反射造成的。所以，仿真永远不能替代实测。
4.3 光学准直技术
准直，就是把发散的光变成平行光。在光学触控里，准直主要用于两个场景：
- 光源侧：让出射光以接近平行的方式照射触摸区域
- 接收侧：让接收器只接收特定方向的光，抑制杂光
4.3.1 准直方案对比
| 方案 | 原理 | 准直角度 | 效率 | 成本 |
|---|---|---|---|---|
| 透镜准直 | 凸透镜将点光源变为平行光 | ±1° ~ ±5° | 高（>80%） | 中等 |
| 反射杯准直 | 抛物面反射镜 | ±3° ~ ±10° | 中等（60%~70%） | 低 |
| 微透镜阵列 | 多个小透镜阵列 | ±5° ~ ±15° | 中等 | 高 |
| 光阑+透镜 | 限制发光角度再准直 | ±0.5° ~ ±2° | 低（<50%） | 低 |
4.3.2 透镜准直的设计要点
透镜准直是最常用的方案。核心公式是：
tan(θ/2) = D / (2f)其中θ是光源发散角，D是透镜直径，f是焦距。你要做的，就是让透镜的数值孔径（NA）大于光源的发散角，否则光会“漏”出去。
我习惯用非球面透镜做准直。球面透镜有球差，准直后的光束边缘会发散。非球面透镜可以校正球差，准直效果更好。当然，价格也贵一些。
4.3.3 准直系统的调试
准直系统装好后，怎么判断它准不准？我一般用两种方法：
- 光斑法：在远处放一个白屏，看光斑大小。光斑越小，准直越好。
- 剪切干涉法：用剪切干涉仪看条纹。条纹越直，波前越平。
光斑法简单，但精度有限。剪切干涉法精度高，但需要仪器。我建议量产阶段用光斑法做快速抽检，研发阶段用剪切干涉法做标定。
4.4 本章知识体系
下面这张图，把光源选型、均匀性设计、准直技术串起来了。你可以把它当作一个决策流程图：
本章核心要点：
- LED适合低成本方案，但均匀性需要精心设计
- 激光器精度高，但必须处理散斑问题
- VCSEL是消费电子的趋势，注意温度补偿
- 均匀性设计遵循“仿真→打样→实测”三步走
- 准直方案根据精度要求和成本预算选择
光源选型没有“最好”，只有“最合适”。你想想看，一个做教育白板的客户，成本压得很死，你给他推VCSEL阵列，那不是找骂吗？反过来，一个做高端医疗触控的，你给他用5毛钱的LED，他也不敢用。
我的建议是：先定指标，再选光源，最后做光学设计。指标包括触摸精度、响应速度、工作距离、环境光抑制能力。把这些定死了，光源选型就是一道填空题，不是开放题。