5G技術 3D感測 結構光 ToF HMI Infineon AMS ST

個人/車輛/工業/公共安全需求增 3D感測元件進化力挺應用

2020-02-11
5G為科技產業帶來龐大商機,同時也為萬物互聯打造快速又即時的通道,串聯世界各式各樣的行動裝置,然而隨著聯網便利性的提升,延伸而來的安全疑慮也就更值得深思,也間接推升3D感測方案的需求大增。

 


5G逐漸商用化,提供更多的頻寬與更加安全的網路連線,讓大量的用戶和應用進行更快速的連結,因此催生了更多大資料量傳輸、多點對多點、更安全的物聯網及3D感測應用需求。

2020年將會是3D感測在智慧手機應用的一個重要開端。除此之外,更多應用也會開始考慮採用3D感測元件,例如生物辨識應用於安全支付、汽車駕駛及乘客狀態偵測的安全應用、偵測車輛周邊障礙物的辨識,當然在智慧建築、家居、工業自動化及醫療領域也都開始有多元化的發展。

聚焦逆向工程/HMI 結構光邁入工業應用

結構光技術已慢慢從手機應用擴展到工業領域,其中逆向工程與人機介面(HMI)對於偵測精度要求較高,為結構光進入工業領域的敲門磚。 ams台灣區總經理李定翰(圖1)表示,經過幾年的發展,結構光技術及其供應鏈已經趨於成熟,並延伸到其他應用領域,如工業用的人機介面或汽車應用領域。

工研院產經中心電子與系統研究組/零組件研究部產業分析師謝孟玹補充,逆向工程需要對不同工件進行逆向拆解,在終端裝置生產前,需先透過電腦模擬出元件,因此非常需要透過結構光技術進行偵測,提供高精度的模擬元件範本。此外,針對需要精確提供3D掃描的應用,也是結構光可以大放異彩領域。

圖1  ams台灣區總經理李定翰
結構光技術與供應鏈已趨於成熟,2020年將開始滲透進工業應用領域,提供高精度的3D感測技術。

整體來說,結構光在手機市場應用仍然存在,且需求並未縮小,仍有許多高階手機希望採用結構光。如同上述所言,結構光的供應鏈已趨於穩定,且價格相較於過去,已有將近10%以上的降幅,雖說跟3D ToF技術相比,價差還有30~40%的差異,不過考量結構光模組的元件數量,此價差還算是合理的範圍。

但不可否認,結構光的成本仍高於3D ToF,加上ToF本身可以發揮的應用領域非常多,吸引晶片廠商持續投入研發,而不同領域的設備商也蓄勢待發準備將ToF方案導入旗下產品。

支援多元化應用3D ToF方案大舉出籠

以市場面來看,可發現ToF目前在手機應用滲透率逐年攀升,而手機以外的應用,如自動提款機、條碼掃描、智慧建築、掃地(或家用)機器人、室內無人機,甚至是各種穿戴裝置和物聯網應用,皆是ToF可以發揮所長的重要應用環境。看好ToF未來可發展的潛力,感測器廠商也陸續推出新一代3D ToF方案,計畫在下一個關鍵技術轉捩點奪得先機。

ST

意法半導體(ST)影像產品部技術行銷經理張程怡(圖2)表示,目前已有50多家OEM廠商採用ST ToF方案,其中已有150多款手機採用ST ToF,整體手機市場看來,有將近9成以上手機已內建搭載ST的1D ToF方案。

圖2  ST影像產品部技術行銷經理張程怡
2014年累計至今,ST旗下ToF的出貨量高達10億之多,受惠於手機與各類型物聯網應用對於ToF技術需求。

看好ToF在手機的發展機會,ST近期發布一款初階3D ToF方案。張程怡指出,ST新款3D ToF可偵測距離為4公尺,與上一代ToF偵測距離一樣,但接收可視角(FoV)的範圍從27度提升至60度,且可供多點切割的能力,有助於提供更多深度資訊。

由於VCSEL的發射功率受到安規的限制,要從此強化效能的空間有限,故ST從調整整體ToF設計架構與接收端效能進行升級。張程怡談到,目前普遍的照相系統所擷取的畫面通常在60~70度左右,好一點的相機可提供更廣角的偵測範圍,因此為了更貼近照相系統的需求,ST新一代產品將可視角角度調整至60度。

從技術角度來看,ToF是透過時間差偵測距離,點數可以是一點,也可以是多點偵測;假設手機端有1,000萬畫素,就代表著可以提供1,000萬個點,然而點的數量多寡不代表ToF的好壞。換句話說,ToF代表時間差的算法,從獲得不同數據資料做為判斷距離精度的高低,如果每個點都要提供一個數據資料,將導致處理器的工作量暴增,因此以一般ToF數據處理的做法,通常是以多點切割的形式,將點分成一區一區的群組,也就是ROI(Region of Interest)的方式提供數據資料。

多點切割意味著提供更多深度資訊,以目前1D的ToF方案僅能測量點對點的距離,如能更近一步提升深度資訊,就能滿足背景虛化與辨別人與照片的差異,進行初步3D辨識的輔助功能。

Infineon

除了ST之外,事實上早在2019年英飛凌(Infineon)就已經推出3D ToF的解決方案。而2020年在CES展會上,英飛凌再次重磅出擊,推出第五代REAL3晶片3D影像感測器,不僅晶片尺寸縮小至4.4×5.1mm,且只需少數元件即可整合至輕薄的裝置,此外,該晶片以極少的功耗,就能提供最高解析度的資料。

ToF所提供的深度訊息將會是在各種場景的應用上的一個重要指標。所以提供可靠、準確、小型化的ToF單晶片解決方案將會是主要的發展方向。搭配第五代REAL3晶片,英飛凌還同時推出VCSEL驅動器,可以促進模組進一步優化效能、尺寸和成本,以滿足智慧裝置更小型、更省電的需求。

據悉,英飛凌的ToF解決方案已獲數家手機大廠採用,如聯想PHAB2 Pro、ASUS Zenfone AR用於後鏡頭的AR功能、LG G8ThinQ旗艦機種用於前鏡頭的臉部辨識功能,其他如Lighthouse智慧家庭AI監控相機以及Magic Leap One的AR頭盔等。

除了手機市場之外,ToF技術的應用範圍還包括生物辨識的安全支付應用、掃地機器人、智慧城市及建築等。

Artilux

另一方面,同樣在CES發布3D ToF的還有一家台灣新創公司光程研創(Artilux),基於矽鍺化合物半導體(GeSi)技術,打造出運行於1,550nm波段的3D ToF方案,用以消除日光干擾,以及減少或避免可能傷害眼睛的波長。透過與AI應用的結合滿足各項感知應用,提供高精準度、抗光干擾等優勢,可廣泛地應用於智慧型手機、自動駕駛、混合實境、監視系統及機器視覺。

據悉,光程研創採用與台積電合作開發的GeSi製程,不同於大多數3D感測器方案大多運行於850nm和940nm兩個波段,Artilux的3D ToF為首款可運用於850~1,550nm的感測器,利用長波長頻段可有效阻隔太陽光對光感測的干擾,在戶外及室內達到一致的感測效能。一般來說1,200~1,400nm的波段相較於940nm,可提供10倍以上人眼所能承受的安全雷射功率。因此,根據現行國際標準IEC 60825-1:2007規範,即使雷射與人眼之間僅數公釐的距離,仍能保持相當高的安全性。

不過,針對上述說法,英飛凌大中華區射頻及感測元件暨電源管理及多元電子事業處總監麥正奇表示,CMOS是發展相對成熟的感光技術。針對更長波段的頻譜,雖然CMOS會被干擾,但英飛凌與pmdtechnologies合作開發的解決方案具備背光抑制(SBI)技術,在強烈太陽光下亦可維持優異的性能。此外,相對於新的材料,CMOS是目前仍具成本優勢的方案。

麥正奇補充,ToF的偵測範圍角度的提升仰賴於解析度(材料不是關鍵因素),有好的解析度對於優化偵測角度才有實質的意義。

除了3D ToF方案之外,ams日前推出CMOS全局快門(CGSS)近紅外線(NIR)影像感測器,作為最近發表的3D系統的進一步發展。該方案讓臉部識別、支付認證等3D光學感測應用能以遠低於替代方案的功耗運作。OEM客戶將能以更長的單次充電使用時間作為電池供電設備最關鍵的產品區隔,同時支援更複雜的感測器功能。

身為同時具備主動立體視覺(ASV)、ToF及結構光能力的3D感測器廠商,ams的策略是透過單一產品的助力,強化各類型3D感測器的產品差異化,並加速產品上市時間,而新推出的NIR影像感測器充分落實此一策略,並可支援ASV系統、電子鎖、空間掃描、AR/VR以及其他應用。

 


 

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