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3D传感技术成功应用到光源照明领域并发展

文章出处:卓信智诚科技 人气:发表时间:2017年03月02日

从消费电子市场到工业应用,随着新应用在各领域的不断出现,3D传感技术的市场在不断地发展壮大。现今几乎所有的智能电视及操作系统都已经能支持动作识别的相关功能,完成诸如画面缩放和频道切换等功能;传感器能够通过探测生产线的移动和表面质量,从而控制产品在生产线中的流向;设计人员也可以对复杂的形状进行扫描并通过3D打印机进行复制;监控系统也已能确保动物和人类远离危险的区域。

如今的传感器也已可以探测到极端细微的动作和特征。现代的传感器不仅能够探测到点头之类的动作,还可以精确地识别是谁点的头;除了识别功能,现代的传感器还可以用来检测心跳和情感交流时细微的面部特征;现今,3D传感器也已经应用于室外,这意味着传感技术已能应对高亮度或复杂光照等环境下的监测需要。

一系列的市场研究报告展示了3D传感市场的广阔前景。据市场调研公司Marketsandmarkets预计,动作识别和非触碰感应技术的市场规模,将在未来数年间取得79%的增长;据CompaniesandMarkets.com网站发布的报告预测,截至2018年,动作识别及非触碰感应市场的复合年均增长率将保持在50.7%的水平,市场规模将达到71.5亿美元;另外,思迈汽车信息咨询公司(IHSAutomotive)也发布报告表明,2030年动作识别及非触碰感应产品在汽车行业的使用量将超过3800万套。3D传感市场的快速增长和应用数量的持续增加,主要得益于光学和照明技术的进步带来的器件微型化和低成本。

3D传感是如何工作的

从本质上来说,3D传感技术主要是指对物体随时间变化的特征和位置进行追踪。为了实现这一目的,人类的眼睛拥有两种不同波长的传感器(晶状体和视神经),大脑是一个复杂的处理器。通过眼睛和大脑协同工作,人类实现可以对波长在390-700nm范围内的光线进行观测。3D传感设备的工作原理与此基本一致,只不过通常还会配备一个照明光源。

试想一下这样的场景,一位游戏玩家在一台3D传感器面前挥动高尔夫球杆。在这种情况下,传感设备中的照明元件发射出不可见的光“照亮”玩家及其四周的环境。由于光会从玩家的身上反射回传感设备,而光学滤波器则会将杂光和环境光屏蔽,只允许近红外光谱通过光学传感器。通过对光线变化的解读,传感器便可以绘制出玩家动作的3D数字图像,并将图像不断反馈给游戏程序。

为了完成上述的过程,尽管不同类型的3D传感系统的配置和软件会有所不同,但它们的基本硬件却是一样的:

•照明光源—通常会使用LED或激光二极管来发射红外光谱或近红外光谱

•光学控件—光学镜片能优化环境照明效果,将反射光聚焦到探测器表面,而带通滤波器则只允许与照明光谱匹配的反射光到达光传感器,对环境光线以及其他杂光进行消除

•深度摄像头—这种高性能的光学接收器可以对过滤之后的反射光进行侦测,并将其转换成电信号,由固件进行处理

•固件—超高速ASIC或DSP芯片对接收到的信号进行处理,将其转换成终端应用程序可以识别的格式

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基本3D传感组件

照明光源

凭借优异的光谱准确性以及光电信号转换效率,激光二极管成为诸多消费类电子应用设备选择的照明光源。通常这些消费电子应用设备的特点是电源功率有限且元器件十分密集,这就要求尽量减小耗散功率。同时,由于和激光二极管配套使用的光学滤波器和光学传感器对光线的波长十分敏感,这就要求在较大温度范围内光线的波长保持稳定。

在光线波长可选范围和照明准确性方面,LED照明系统的处于劣势。对于短波长激光,传感器的量子效率(QE)要比LED照明的波段高得多。商用成品LED拥有相对较宽的光照锥,经常有高达50%的光起不到有效照明作用。综合这两点因素及下表中所列举的优势可以看出,使用激光二极管做照明光源系统的3D传感设备,其总体性能要比采用LED的3D传感设备高出5到10倍。

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激光二极管与LED的性能对比

单模激光二极管的特点是折射率导引、单模波导,它可以提供高功率、低散光、窄光谱、以及单空间模式高斯远场光线,之外,它能以低工作电流产生高功率的光线。此类激光二极管,可以在60°C的高温和200毫瓦高功率下也可以非常可靠的工作。Fabry-Perot垂直腔面发射激光器(VCSEL)拥有极高的功率密度(单横模~1W)和效率,且可靠性也很好。基于上述这些优势,它们非常适用于像3D传感器这样对整体性能和功率密度要求都很高的设备。更重要的是,VCSEL能适应晶片规模的测试及组装,并适用于超大规模的应用设备。

光学滤波器

3D传感系统中使用的光学滤波器一般都是窄带宽近红外滤波器,它的工作角度宽广,在要求的带宽范围内信噪比很低,在其他波段则会被彻底屏蔽。光学滤波器的元件通常会作为一层镀膜涂在摄像头的镜片上,或者是作为一个独立的元件单独存在。

通过对进入传感器的光线加以限制,光学滤波器可以把与3D传感进程无关的数据清除,再加上应用软件中搭载的抑噪功能,使得固件的处理负荷极大降低。

技术的进步

在3D传感市场,决定1款元件成败的因素有三个:尺寸、效率和工艺。对可穿戴用品而言,“小型化”是新兴应用的前提条件,举个例子,一副眼镜框的尺寸很有限,无法将照明光源、传感器、处理器以及电源系统融合于一身;元件效率的提升,不仅能够实现设备的小型化,同时还能够有效降低设备的能耗;工艺的改善可以有效降低成本,从而实现消费类设备的规模化生产。

照明光源

随着激光二极管技术的发展,二极管的厚度目前已经降至2-3毫米,相比于人类视网膜大约0.5毫米的厚度,尺寸对于激光二极管的发展来说已不是问题。

设计的优化,也将激光二极管的效率提升到了新的高度。效率的提升意味着使用较少的电量便可以产生更多的光。这对3D传感系统的影响主要集中在两个方面:照明系统所需要的电量越少,意味着3D传感系统核心的处理系统能获得更多的电能;电池可以更小,处理能力可以更强。另外,效率越高,设备的散热也就越少。

针对照明需求和能源消耗的矛盾问题,设计人员现在有了更好的选择。3D传感系统在激光二极管在全功率运转时的性能更好,此时激光二极管提供的高亮度使传感器有极高的分辨率。不过,即使即使设计的电源功率较小,新式的激光二极管也同样可以提供充足的照明。

某些新式的激光二极管拥有较为稳定的波长,这使得匹配合适的滤光片变得相对容易。当需要对系统进行优化以更好地适应复杂的光线环境时,调整激光或滤波器的波长是解决问题的关键所在,尤其是对于较暗环境下运行的设备而言,这种方法更加重要。

更后,新式芯片取消了气密封装的设计,从而方便用户使用成本更低的成品集成芯片和LED套件,而不必再额外定制套件,这一进步大大提高了生产速度并降低了生产成本,更终降低了终端产品的售价。

激光二极管量产封装现场.jpg

激光二极管量产封装现场

光学滤波器

随着传感器分辨率和照明光源功率的提升,高信噪比(SNR)和低角度变化成为必然的发展趋势。尤其对于移动设备而言,更倾向于采用大视场薄膜干涉滤光片,但因为它对角度的变化非常敏感,此类滤光片的带通也会随角度变化。

薄膜制程专利技术的发展,使得滤波器的性能更加稳定且不再随着角度的改变而出现显著的变化。这意味着3D传感系统监测区域的边缘也拥有很好的性能,同时也减少了室外环境光线的影响,从而扩大了3D系统的适用范围。

低角度变化设计和标准角度变化设计.jpg

低角度变化设计和标准角度变化设计

上述新技术可以在分立的滤波器上镀膜或直接在CMOS传感器上镀膜。虽然直接在传感器镜片上镀膜的费用较高,但它可以缩小设备的尺寸。尽管新的制造工艺已经可以采用0.2毫米厚的玻璃进行滤波器的大规模生产,光程的任何一点缩减都会十分重要。

分辨率

对于手臂或手部动作的感应并不要求传感器具有极高的分辨率,但对于面部表情的识别则不然:心跳动作和眼部动作的感应要求较高的智能水平,因此,传感器也应当具备更高的分辨率。目前市面上新式的高清智能手机的像素已高达4100万,这远远超过了当前任何1款3D传感设备对图像细节的要求。

解决分辨率问题的关键,在于数据处理的功率是否达标。处理器技术的提升通常会造成成本和能耗的增加,而这对于量产设备,尤其是消费类电子产品而言,通常是难以承受的。目前,软件开发商已经开发出多种复杂的新算法,可以轻松处理各种分辨率的数据。

不过,对于固定式监控系统设备而言,成本和能耗都不是问题:新式的激光二极管、滤波器以及高分辨率传感器的结合可以达到非常高的3D传感性能。

应用的发展

近期3D系统对环境光的处理技术新进展对车载应用十分关键。对于汽车而言,主要的感应区域位于挡风玻璃的正下方,而这一区域同时又是更容易暴露在阳光下或被车头灯照到的区域。已有商家展示了在任何光照条件下对车载信息显示系统进行细致的非触控式操控,此类传感设备很有可能将被逐渐应用于从豪华车型到经济车型等各个价位的汽车当中,因为此类传感设备不仅十分方便,同时也可以显著提高汽车的安全性。停车辅助系统以及预碰撞安全监测系统,也是3D传感技术在汽车领域不断增长的发展方向。

3D脸部识别技术可以精确测量人脸部的几何数据,与指纹技术的准确性不相上下。就实用性而言,搭载3D传感技术的计算机、甚至包括ATM自动取款机在内的设备,可以在用户打开设备时,立刻对用户进行识别和认证,因此3D脸部识别技术的出现,意味着繁琐的登录系统已经成为过去式。的确,世界上处处可见的“电子密码锁”将会因此改变,一旦用户通过脸部识别的认证,就可以方便地使用应用程序和信息数据,甚至是开门入室。

“小型化”趋势使得可穿戴用品的发展获得了很大的推动力。谷歌正在推进一个名为“ProjectTango”的项目,1款支持室内绘图、功能强大的3D智能手机的设计工作。一旦谷歌眼镜之类的设备在市场上得到推广,用户在走路的过程中便可以在错综复杂的高楼大厦之间快速找到对的路线。对于视力障碍群体而言,该产品亦拥有巨大的市场潜力。

元件制造

想象3D传感系统的应用很容易。创建高效的系统、蓝本和小批量的设备并不简单,而持续大规模生产可靠的、高性能、小型化照明光源和光学滤波器,则更加困难!

光学滤波器制造过程.jpg

光学滤波器制造过程

类似3D传感系统的高速数据处理系统要求其元件能够以低错误率、低退化率进行长时间的运转,这其中的关键问题仍在于制造工艺。对于大规模、低利润的消费电子元件而言,其成本的构成,直接决定这是发明人的幻想或是产生利润的产品。小型生产厂和特约制造商或许能够生产少量的高性能概念型产品或蓝本,但严格按照标准生产数以百万计的部件则是全然不同的挑战,而且消费电子产品利润率极低。放眼全球,能够大规模生产3D传感元件的制造商,更是屈指可数。

作者:JDSU 公司商业激光二极管 产品线总监 Andr eWong 博士,他先后毕业于加拿大达尔豪斯大学和英属哥伦比亚大学,分获理学学士学位和物理学博士学位;JDSU公司光学滤光片产品线高级经理MarkusBilger先生,他毕业于美国金门大学,获有会计学学士和工商管理硕士学位。

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