Z leti je serija filmov "Vojne zvezd" vedno šokirala srca neštetih filmskih gledalcev: ali so se jedi vitezi borili proti zlim silam kljub zlim, ali pogumu in žrtvovanju odporne organizacije ob zatrtju, in končno skozi odlično Strategijo za zmago... Poleg tega so sijajni dueli z svetlobnim saberom v filmu, kot tudi dejanja droidov, kot so R2-D2, C-3PO in BB-8, impresivni. Brez teh droidov vojna zvezd ne bi imela tako neverjetnega konca.
Roboti in metaverza so ena izmed najbolj vročih tem na Mednarodnem šovu potrošniške elektronike 2022 (CES). Danes so nehumanoidni stroji, ki delajo za nas, običajni, kot so roboti za dostavo, samohodni avtomobili, roboti za brskanje in brezpilotni roboti. Glede na vpliv CES smo morda na robu nove dobe: Vsak dom bo imel vsaj enega robota iz sci-fi filmske scene, kot so Vojne zvezd.
Po drugi strani, ker se brezstično delovanje še naprej pospešuje med pandemijo COVID-19, metaverzne storitve, ki združujejo virtualno in resničnost, pridobivajo na priljubljenosti in povpraševanje po takšnih storitvah eksponentno narašča. Veliko ljudi začne uporabljati tehnologijo Augmented Reality (AR, Augmented Reality) ali Virtual Reality (VR, Virtual Reality). Kmalu bodo AR in VR naprave nosili naokoli kot pametni telefoni. To bo v novo obdobje, kjer bodo storitve na voljo kadarkoli, kjerkoli, kar pomeni, da nam ni treba več obiskati bank ali proizvajalcev, in lahko vzdržujemo izdelke brez vstopa v tovarno.
Slika 1: Ocado robot za dostavo
Oko stroja (strojni vid)
Podprto z neverjetnim napredkom v polprevodnični obdelavi in tehnologiji obdelave slikovnih signalov (ISP, Obdelava slikovnih signalov), padanjem cen in odličnim visoko ločljivostnim visoko zmogljivostjo, je tehnologija CMOS slikovnega tipala (CIS) postala glavni sedež različnih naprav, kot so pametni telefoni. "Oko". Piksli so tisto, kar določa delovanje fotoaparata, konkurenca okoli njih pa je tehnologijo fotoaparata potisnila na 600 milijonov slikovnih pik onkraj človeškega očesa.
So slike visoke ločljivosti nujno primerne za strojni vid? Za oči najmodnejših strojev, odgovornih za varnost in varnost, niti najostriji dvodimenzionalni (2D) slikovni podatki niso dovolj za delo na mestu ljudi. Tak stroj morda ne bo mogel opravljati misij v taktičnih operacijah, kot je R2-D2. Toda za samohodne avtomobile in brezpilotene je treba natančno prepoznati zavorni moment med hitro vožnjo; za naprave za prepoznavanje obraza je treba namesto ravnih slik natančno skenirati obraze; za AR naprave, v realnem času Skenirajte velike prostore za povečano resničnost. Ti stroji zahtevajo ne le 2D slikovne podatke, ampak tudi tridimenzionalno (3D) tehnično podporo. Stroj lahko pridobi 3D podatke z zapletenim procesom računalnika brez fotoaparata, s pripomočki, kot so ultrazvok ali laserska oprema. Vendar bi potrošniki v smislu zasnove in cene zavrnili stroj s toliko dodatnimi komponentami.
Slika 2: Potrebne značilnosti očesa stroja
S sodelovanjem oči in možganov lahko ljudje vidijo predmete stereoskopsko in prepoznajo globino in razdaljo. S podobnim mehanizmom lahko stroji prepoznajo tudi večdimenzionalne predmete in merijo razdalje s triangulacijo. Stereo vid na primer uporablja dve kameri in procesor za dosego učinka prepoznavanja. Vendar pa taki mehanizmi trpijo tudi zaradi pomanjkljivosti, kot so komputacialna kompleksnost, pomanjkanje točnosti pri meritvi ravnine razdalje in nizka natančnost v razmeroma temnih krajih, ki zožijo obseg takšnih mehanizmov. V zadnjem času je bila metoda Time-of-Flight (ToF) uporabljena kot alternativna metoda za premagovanje teh pomanjkljivosti. ToF je preprost način za merjenje razdalje z izračunom časa, ki je potreben za svetlobo, da se odbiti od predmeta. Ta metoda je enostavna in hitra za tek, in ima dodano prednost natančno izmerja razdalj ne glede na svetlobno okolje, ker uporablja ločen svetlobni vir.
ToF: razdalja se doseže z izjemo časa okroglega potovanja oddane svetlobe
Stereoskopski vid: dva optična sistema, ki si ogledujeta isti objekt iz dveh različnih točk glede na isto izhodišče
Slika 3: Primerjava metod prepoznavanja objektov Stereo Vision in ToF
čas letenja
ToF se lahko razdeli v dve kategoriji: neposredni ToF (d-ToF, neposredni ToF) in posredni ToF (i-ToF, posredni ToF). Razdalja se izračuna s fazno razliko vrnjene svetlobe. SK Hynix je razvil te dve Tehnologiji senzorjev ToF za uporabo v različnih izdelkih. Morda bodo roboti prihodnosti imeli eno oko, ki uporablja i-ToF za prepoznavanje predmetov iz bližine, in drugo oko, ki uporablja d-ToF za raziskovanje oddaljenih predmetov.
Namen tega članka je pojasniti i-ToF tehnologijo SK hynix.
Slika 4: Primerjalna analiza posrednega tof in neposrednega tof
Metoda i-ToF izračuna fazno razliko od vira svetlobe z razmerjem nabojev, naloženih v več kot dveh različnih spominih znotraj piksla, in ustrezno meri razdaljo. V primerjavi z d-ToF ima ta mehanizem nekaj omejitev pri izmerni razdalji, ker ko se svetloba vrne z razdalje, je manj signalov, ki jih je mogoče ločiti zaradi zmanjšane intenzivnosti. Vendar pa ima v primerjavi z d-ToF prednost višje ločljivosti, zaradi preprostega vezja lahko piksel loči signal sam po sebi, pikslo pa je enostavno skrčiti. Da bi nadomestili omejitve i-ToF in povečali njegove prednosti, se zdaj dela veliko raziskav za izboljšanje razmerja med signalom in hrupom (SNR), povečanje kvantne učinkovitosti (QE) infrardečih svetlobnih virov ali uporabo tehnik za odstranjevanje svetlobe v ozadju (BGL). in razširiti.
Trenutna struktura piksel i-ToF se lahko v grobem razdeli na strukturo vrat in difuzijsko strukturo. Metoda strukture vrat ustvarja potencialno razliko z uporabo modulirane napetosti na rešeto za zbiranje okoliških elektronov. Po drugi strani pa difuzijska struktura deluje kot fotonski demodulator s pomočjo toka (CAPD) za zbiranje elektronov z uporabo toka, ustvarjenega z uporabo modulirane napetosti na substratu. V primerjavi s prejšnjim lahko slednji hitro zazna elektrone, ki nastajajo v globljih regijah, zaradi česar je prenos učinkovitejši, vendar zahteva večjo razčlenjenost moči, ker uporablja večobremenitveni slabši tok. Poleg tega, ko piksli postajajo manjši in se število pik povečuje zaradi visoke ločljivosti, se poraba energije še poveča.
Da bi povečali prednosti CAPD in zmanjšali njegove omejitve, je SK hynix razvil 10um QVGA razreda in 5um VGA razreda pixel tehnologije, z uporabo nove strukture imenovane VFM (vertikalni modulator polja). Nato se globoko potopimo v tehnologijo VFM in njene koristi.
Prednosti tehnologije VFM Pixel
Obstajajo različna merila za presojo dobrega senzorja za merjenje razdalje, predvsem pa bi moral biti sposoben natančno odkriti razdaljo in zmanjšati težave pri ogrevanju z nižjo porabo energije. Z drugimi besedami, dober senzor mora hitro zaznati signale z visoko učinkovitostjo in majhno porabo energije, hkrati pa mora tudi natančno ločiti signale na podlagi faznih razlik.
1. Tehnologija in kombinacija tehnologije in kombinacije CIS (BSI) sk Hynixa
Podobno kot CIS, tudi osvetljena obdelava s hrbtom prinaša številne prednosti oblikovanju ali zmogljivosti senzorja ToF. Svetlobni vir, ki se uporablja za izračun časa leta, je infrardeča svetloba (IR), ker mora biti nevidna človeškemu očesu. In, izračuna točne razdalje tudi v okolju z nizko svetlobo. Infrardeča svetloba ima daljšo valovno dolžino v primerjavi z vidno svetlobo, kar pomeni, da brez uporabe debelejših vosek od CIS- ja večina svetlobe prodre, kar ima za posledico izjemno nizko raven signala v pikslih. Vendar to ne pomeni, da debelina lahko raste neskončno. Težko je hitro zbrati elektrone, proizvedene v globljih regijah, prav tako kot je globokomoranski ribolov težji kot ribolov na ribolovnih mestih. Ko se osvetlitev hrbtne strani uporablja namesto prednje osvetljene (FSI), je signal mogoče zaznati hitro, ker osvetlitev hrbtne strani omogoča, da se svetloba zbere bližje skupaj, kjer je električno polje, ki deluje kot ribiška linija, tudi projicirano z nasprotne strani tako, da postane močnejše s svetlobo.
Slika 5: Primerjava sprednje osvetljene in osvetljene hrbtne svetlobe (premostitev in zbiranje svetlobe na debelino)
Uspešnost i-ToF je odvisna od njegove sposobnosti ločevanja signalov glede na hitrost kopičenja naboja. V zvezi s tem lahko prednji svetlobni senzorji povzročijo napake v razdalji, saj je pri svetlobi, ki gre skozi površino piksla, bolj pomembno, da neposredno vstopi v detekcijo, pri tem pa se ne upošteva fazna razlika. Kot da so v razredu še drugi učenci, ko poteka klic. V prednji osvetlitvi je tudi veliko omejitev na kovinski nažigalnik, da se zagotovi višji faktor polnjenja, medtem ko osvetlitev hrbta omogoča širšo izbiro kovinskih nažičenj, kot je črpanje vode iz tal kot sečnja dreves v gostem gozdu Zbiranje deževnice je učinkovitejše (slika 6).
Slika 6: stopnje kopičenja naboja i-ToF za različne načine osvetlitve (analogno črpanju vode pod zemljo in sekanju dreves v gostih gozdovih)
To prednost osvetlitve hrbta lahko dosežemo s kombinacijo CIS back-osvetljene tehnologije SK hynix, ki ima tehnologijo za ustvarjanje piksel manjših od 1 mikron.
2. Majhna leča Array (SLA) & Jarek struktura Optična valovanje in kvantna učinkovitost
Po mehanizmu i-ToF z uporabo hitrosti kopičenja naboja potrebujemo najvišjo raven signala, da dobimo točne podatke o razdaljah na daljših razdaljah. Zato je bistvena visoka QE v območju infrardeče valovne dolžine.
Kot smo že omenili, je zaradi visoke penetracijoče moči infrardečega vira svetlobe njena svetlobna intenzivnost šibkejša od svetlobe vidne svetlobe, zato je globina zbiranja svetlobe globoka. Eden od načinov za obravnavanje tega je, da namerno oblikujete mikrolene strukture (majhne objektive, razporejane glede na velikost in število pik pod objektivom fotoaparata) visoko za doseganje boljšega zbiranja svetlobe, vendar je višina omejena zaradi tehničnih omejitev. SK Hynix je pristopil drugače, da bi premagal to pomanjkljivosti. S postavitvi več leč na vsako pikslo, ki so manjše od velikosti piksla, ta metoda poveča globino zbiranja svetlobe in s tem poveča skupno količino prejete svetlobe.
Poleg tega SK Hynix izkoplje tudi posebno strukturo vzorcev na hrbtni strani, tako da se svetloba incidenta dotakne strukture in se odbije z njo, podaljšanje svetlobne poti prenosa in osredotočanje svetlobe na modulacijsko območje, s čimer se zmanjša stopnja izgube svetlobe in izboljša učinkovitost prenosa pod isto svetlobno intenzivnostjo doseže učinek ubijanja dveh ptic z enim kamnom. To dejansko potrjuje, da se QE več kot podvoji pod svetlobnim virom 940nm. Pri višjem QE uspe zmanjšati napako med dejanskih in izmerjenimi razdaljami za skoraj 55 % v primerjavi s prejšnjimi metodami.
Slika 7: SLA (levo) in jarek strukturiran optična valovna krilca (desno)
3. Zagotovite nizko porabo energije in visoko zmogljivost
Brez porabe energije vira svetlobe senzor ToF porabi največ moči v vezju, ki modulira signal, ko deluje. Moč modulacijnega pogona je sorazmerna s tokom, ki teče skozi ploščo. Z drugimi besedami, porabo energije lahko zmanjšamo z zmanjšanjem toka substrata. Poleg tega natančne in natančne meritve razdalje zahtevajo krajša obdobja modulacije in hitro zaznavanje signala. Vozilo (foton) je treba pospešiti z zaganjanjem na plinsko pedalo, da hitro prepotujejo isto razdaljo (silicon debelino), ki porabi veliko goriva (ali toka). Kot drug primer, črpanje vode iz globokega vodnjaka zahteva veliko sile za dviganje pulley. Kaj pa, če bi lahko črpal podzemno vodo? Lahko izvlečete vso vodo, ki jo potrebujete z malo truda, samo vklopite cev.
Metoda VFM povečuje izčrpanost z optimizacijo pogojev in strukture ionske implantacije piksla, kar ji omogoča delovanje kot črpalko in krepitev navpičnega električnega polja. Zato se toku doda sila električnega polja, ki lahko učinkovito zbira elektrone, hkrati pa lahko doseže tudi hitro zbiranje pod pogojem majhnega toka in poveča porabo energije. Obsežni poskusi so pokazali, da se ob povečanju toka izgubi učinkovitost VFM piksla, kar pomeni, da gre za primernejšo strukturo za nizko moč, tok pa ni več pomemben dejavnik. Z drugimi besedami, metoda izboljša učinkovitost piksla z nadzorom toka skozi obliko, ki omogoča močno navpično električno polje, tako da deluje le kot vodilo. V primerjavi s tof senzorjem razreda QVGA ima 5um VGA razred ToF manjše velikosti pik in višjo ločljivost, vendar se tok na pikslo zmanjša, povečanje porabe energije pa je skoraj nič.
Slika 8: Kot senzor ToF ima struktura VFM učinkovitejšo porabo energije
Povzeti
SK hynix prispeva k ustvarjanju gospodarske in družbene vrednosti, saj različnim proizvajalcem modulov omogoča vstop na široko paleto aplikacijskih trgov z zagotavljanjem tesne tehnične podpore in senzorjev, hkrati pa razvija tehnologijo senzorjev ToF.
V prihodnosti bomo lahko uporabili AR/VR opremo za potovanje po svetu, z brezpilotni stroji dostavljali pakete, naj nam doma roboti prinesejo pakete, prosijo za čiščenje robotov za čiščenje za nas in celo sedejo v samohodnih avtomobilih, ki jih napaja prepoznavanje obraza. Poglej novice v avtu. Pričakujemo, da se bodo ti scenariji v novem svetu uresničili, da se bo odprla tehnologija globoke rešitve SK Hynix.
