消費級 LiDAR/VCSEL 安規解析：IEC 60825-1 擴散片失效分析與 Class 1 硬體鎖定

Sonya Chan
2天前
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在過去的五年中，消費性電子硬體發生了一場無聲的革命。隨著 iPhone 引入 Face ID（結構光）以及掃地機器人和自動駕駛車輛普及 LiDAR（光達），我們身邊突然充滿了無數看不見的「雷射發射器」。

這帶來了一個極其嚴肅且強制性的安規議題：光生物安全（Photobiological Safety）。

不同於電源的電擊或電池的起火，光的危害是無聲、無痛且不可逆的。特別是垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）的大量應用，使得傳統上僅適用於工業實驗室的 IEC 60825-1 雷射安全標準，成為了消費性硬體設計必須跨越的強制門檻。

本文將探討消費級雷射產品如何在硬體層面上實現「Class 1」安全等級，深入解析視網膜熱危害的物理機制、擴散片（Diffuser）失效的單一故障分析，以及微秒級硬體互鎖（Interlock）電路的設計邏輯。

物理本質：為何雷射比 LED 更致命？

在安規工程中，區分 LED（發光二極體）與 Laser（雷射）至關重要，因為它們適用不同的標準（IEC 62471 vs. IEC 60825-1），且危害等級天差地遠。

相干性與視網膜聚焦

雷射（即使是像 VCSEL 這樣的小功率雷射）與普通光源最大的區別在於光的相干性（Coherence）與準直性（Collimation）。

光瞳的放大鏡效應： 人眼的結構就像一個精密的凸透鏡相機。當平行光（準直雷射）射入眼睛時，角膜和水晶體會將這些光束聚焦在視網膜上一個極其微小的點（直徑可能僅有幾微米）。
能量密度的暴增： 透過這種聚焦作用，視網膜上的能量密度（Irradiance）會比進入角膜時的能量密度高出十萬倍以上。
熱危害： 這種瞬間的高能量密度會導致視網膜細胞內的黑色素吸收過多熱量，產生微爆破或熱凝固。由於視網膜缺乏痛覺神經，使用者往往在視力出現永久黑斑後才察覺受傷。

因此，IEC 60825-1 的核心目標，就是限制進入人眼的可接觸發射極限（AEL），確保產品在任何情況下都處於 Class 1（本質安全，長時間直視也無害） 的範圍內。

硬體失效分析：擴散片 (Diffuser) 的破碎

消費級產品（如 Face ID 模組）通常使用成百上千個微小的 VCSEL 點陣作為光源。為了讓這些雷射光點均勻覆蓋臉部並降低能量密度，光學路徑中必須放置一個關鍵的光學元件：擴散片（Diffuser）或繞射光學元件（DOE）。

這塊小小的玻璃或塑膠片，是安規上的「關鍵安全零部件」。

單一故障條件：光束的重組

在進行 IEC 60825-1 的單一故障條件（SFC）分析時，工程師必須問一個可怕的問題：「如果這塊擴散片破裂或脫落了，會發生什麼？」

正常情況： 雷射光束通過擴散片，角度被發散，能量被均勻攤平。人眼接收到的只是一個柔和的光斑，能量密度低於安全限值（MPE）。
失效情況（擴散片移除）： 如果擴散片破裂脫落，原本發散的光束將瞬間變回數百束高準直、高能量的原始雷射光束（Zero-order beam）。這些「光劍」若直接射入人眼，其強度將遠超 Class 1 的限制，達到 Class 3B 甚至 Class 4 的危險等級。

這就是為什麼在硬體設計上，我們不能僅僅依賴擴散片的存在，必須假設它隨時會消失。

硬體防護邏輯：光電互鎖 (Safety Interlock)

為了應對擴散片失效的風險，強制性認證要求必須具備主動的硬體偵測機制。軟體偵測往往太慢（毫秒級），而雷射傷害是微秒級的。因此，這通常依賴純硬體的安全互鎖迴路。

1. ITO 導電路徑偵測

這是一種常見於高階 ToF 模組的硬體設計：

原理： 在玻璃擴散片的表面，鍍上一條極細的、人眼看不見的透明導電線路（如 ITO 銦錫氧化物），並將其串聯在雷射驅動器的供電迴路中。
運作： 只要擴散片保持完整，電路就是導通的。一旦擴散片發生物理破裂（Crack），ITO 線路就會隨之斷裂（Open Circuit）。
結果： 電流路徑被物理切斷，VCSEL 在微秒內失去電力，確保在擴散片完全脫落前，雷射已經熄滅。這是一種典型的失效安全（Fail-Safe）設計。

2. 光二極體 (PD) 能量比對

另一種方法利用內建的光二極體（Monitor PD）進行閉迴路監控。

原理： 在光學模組內部設置一個 PD，用於接收擴散片反射回來的微量雜散光。
邏輯： 正常情況下，擴散片會反射一定比例的光回到 PD，形成一個穩定的參考電壓。如果擴散片脫落，反射光會瞬間消失或劇烈變化。
比較器電路： 硬體比較器（Comparator）會持續監測 PD 的電壓。一旦電壓超出預設的「安全窗口」，比較器會直接觸發驅動晶片（Driver IC）的 Disable 腳位，強制關斷雷射。

脈衝模式與工作週期 (Duty Cycle) 的陷阱

現代 VCSEL 應用通常使用脈衝光（Pulsed Light）而非連續波（CW）。這給安規測量帶來了極大的複雜性。

頻率效應

IEC 60825-1 規定，對於脈衝雷射，必須同時評估三個限制條件：

單脈衝限制： 任何單個脈衝的能量不能超過限制。
平均功率限制： 在一段時間內的總平均能量不能超過限制。
脈衝串修正（C5 係數）： 這是最容易被忽略的。當脈衝頻率很高時，視網膜的熱損傷具有「累積效應」。即使每個單脈衝都是安全的，連續快速的轟擊也可能導致細胞熱累積而受損。因此，標準要求對重複脈衝的限值進行嚴格的降額（Derating）計算。

硬體看門狗的必要性

如果控制雷射脈衝的 MCU 當機了，導致原本應該是 1% 工作週期的脈衝變成了 100% 的連續光（CW），會發生什麼？

能量將瞬間暴增 100 倍，直接燒穿視網膜。

因此，雷射驅動電路必須包含一個獨立的硬體看門狗（Hardware Watchdog）或最大導通時間限制器（Max On-time Limiter）。這通常是一個簡單的 RC 充放電路，限制驅動訊號的最大脈寬。一旦驅動訊號卡在「高電位」超過預定時間（例如 1ms），電容充飽會觸發電晶體強行拉低閘極電壓，切斷雷射。這個機制完全不依賴軟體，確保了絕對的硬體安全性。