汽車自駕系統元件新選擇,智能產品的視覺關鍵元件–VCSEL

2022/08/25

圖文引用自:technews

自從蘋果公司(Apple Inc.)於 2017 年首次在 iPhone X 推出 Face ID 人臉辨識功能,取代了行之有年的 Touch ID 指紋辨識之後,各家手機廠商才開始注意到這個以往只有在電影場景裡出現的黑科技。這個讓電子產品猶如擁有視覺般,得以辨別使用者立體輪廓的就是 3D 感測模組,而其中最關鍵的元件就屬近期紅透半邊天的面射型雷射–VCSEL。

VCSEL 是 Vertical Cavity Surface Emitting Laser 的縮寫,意即「垂直共振腔面射型雷射」(註1)。自從 1962 年的第一個半導體雷射二極體展示之後,陸續有類似結構的元件發表。而現代公認的 VCSEL 發明者則是日本東京工業大學的伊賀健一(Kenichi lga)教授,他於 1977 年在實驗室筆記本上畫出了第一個 VCSEL 圖形(圖二),並且於 1979 年以液相磊晶(Liquid Phase Epitaxy, LPE)技術製備出 InGaAs/InP 材料的 VCSEL,開啟了後續一連串的學術研究及商業應用。

人類視覺 vs. 機器視覺

說起人類視覺與機器視覺最大的差異,在於人類能將看到的畫面直接解讀成具有深淺的三維空間訊息,機器視覺則是針對獲取畫面的每一個像素進行編碼,只能得到二維平面影像,而沒有物體遠近的訊息。因此,3D感測技術是提升機器視覺能力,甚至進一步賦予機器與環境互動及行動化能力的關鍵。

3D 感測模組包含有「發射源」及「偵測器」兩個部分,偵測器大致區分為 Si based CMOS 以及 III-V 類型,如 InGaAs 類的材料或是量子點等技術,根據不同的接收波段選擇適用的偵測器。發射源目前的主流是使用紅外光源(Infra-Red, IR),因為相較於可見光,紅外光源有更佳的訊噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)。而由於紅外光波段有好幾個適合的波長,像是近紅外光(Near-IR, NIR)的 850nm、905nm、940nm 波段,短波紅外光(Short-Wave IR, SWIR)的 1,350nm、1,550nm 波段,因此目前各家廠商各自選擇不同的波段及發展相對應的模組。

3D 感測模組:紅外光發射源,三大元件結構大比拚

若以元件結構來區分紅外光的發射源,則可以分成三大類,如圖三所示,包括:1. 發光二極體(Light-Emitting diodes, LED)、2. 邊發射雷射器(Edge Emitting Laser, EEL),以及3. 垂直共振腔面射型雷射 VCSEL。雖然 LED 及 EEL 仍有價格上的優勢,但考量元件穩定性及量產性,VCSEL 能在更大的溫度範圍內維持波長的穩定性,也更容易進行陣列封裝。綜整比較,VCSEL 在高輸出功率、高轉換效率和高品質光束各方面都勝出,因此被廣泛應用在 3D 感測的應用領域。

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