De-a lungul anilor, seria de filme "Star Wars" a șocat întotdeauna inimile nenumăraților cinefili: fie că este vorba de cavalerii Jedi care au luptat împotriva forțelor răului în ciuda sinistrei, fie de curajul și sacrificiul organizației de rezistență în fața opresiunii și, în cele din urmă, prin excelenta Strategie de a câștiga... Dincolo de asta, duelurile geniale cu sabie din film, precum și acțiunile unor roboti precum R2-D2, C-3PO și BB-8, sunt impresionante. Fără aceste roboti, Star Wars nu ar fi putut avea un astfel de final uimitor.
Roboții și metaversul sunt unul dintre cele mai fierbinți subiecte la Salonul Internațional de Electronice de Consum (CES) 2022. Astăzi, mașinile non-umanoide care funcționează pentru noi sunt obișnuite, cum ar fi roboții de livrare, mașinile autonome, roboții care mătură și dronele aeriene. Având în vedere impactul CES, este posibil să fim în pragul unei noi ere: Fiecare casă va avea cel puțin un robot de pe o scenă de film SF precum Star Wars.
Pe de altă parte, pe măsură ce serviciile contactless continuă să se accelereze în timpul pandemiei covid-19, serviciile metaverse care combină realitatea virtuală câștigă popularitate, iar cererea pentru astfel de servicii crește exponențial. Mulți oameni încep să folosească tehnologia Augmented Reality (AR, Augmented Reality) sau Virtual Reality (VR, Virtual Reality). În curând, dispozitivele AR și VR vor fi purtate ca smartphone-urile. Acest lucru va inaugura o nouă eră în care serviciile vor fi disponibile oricând, oriunde, ceea ce înseamnă că nu mai trebuie să vizităm băncile sau producătorii și putem menține produsele fără a intra în fabrică.
Figura 1: Robotul de livrare Ocado
Ochiul mașinii (Machine Vision)
Susținută de progrese uimitoare în procesarea semiconductorilor și tehnologia de procesare a semnalului de imagine (ISP, Image Signal Processing), prețuri în scădere și performanțe excelente de înaltă rezoluție, tehnologia senzorului de imagine CMOS (CSI) a devenit pilonul principal al diferitelor dispozitive, cum ar fi smartphone-urile. "Ochi". Pixelii sunt ceea ce determină performanța camerei, iar concurența în jurul lor a împins tehnologia camerei la 600 de megapixeli dincolo de ochiul uman.
Dar imaginile de înaltă rezoluție sunt în mod necesar potrivite pentru vederea mașinii? Pentru ochii mașinilor de ultimă oră responsabile de siguranță și securitate, chiar și cele mai clare date de imagine bidimensionale (2D) nu sunt suficiente pentru ca acestea să funcționeze în locul oamenilor. Este posibil ca o astfel de mașină să nu poată efectua misiuni în operațiuni tactice precum R2-D2. Dar pentru mașinile autonome și drone, este necesar să se identifice cu precizie momentul de frânare în timpul conducerii de mare viteză; pentru dispozitivele de recunoaștere facială, este necesar să se scaneze cu precizie fețele în loc de imagini plate; pentru dispozitivele AR, scanați în timp real spații mari pentru realitate augmentată. Aceste mașini necesită nu numai date de imagine 2D, ci și suport tehnic tridimensional (3D). O mașină poate obține date 3D printr-un proces computațional complex fără cameră, cu ajutoare precum ultrasunete sau echipamente laser. Cu toate acestea, o mașină cu atât de multe componente suplimentare ar fi respinsă de consumatori în ceea ce privește designul și prețul.
Figura 2: Caracteristicile necesare ale ochiului mașinii
Cu cooperarea dintre ochi și creier, oamenii pot vedea obiecte stereoscopic și pot recunoaște adâncimea și distanța. Printr-un mecanism similar, mașinile pot identifica, de asemenea, obiecte multidimensionale și pot măsura distanțele prin triangulație. De exemplu, stereo vision utilizează două camere și un procesor pentru a obține efectul de recunoaștere. Cu toate acestea, astfel de mecanisme suferă, de asemenea, de dezavantaje precum complexitatea computațională, lipsa de precizie în măsurarea distanțelor plane și precizia scăzută în locuri relativ întunecate, care îngustează domeniul de aplicare al unor astfel de mecanisme. Recent, metoda Time-of-Flight (ToF) a fost utilizată în practică ca metodă alternativă pentru a depăși aceste deficiențe. ToF este o modalitate simplă de a măsura distanța calculând timpul necesar pentru ca lumina să ricoșeze de pe un obiect. Această metodă este ușor și rapid de rulat și are avantajul suplimentar de a măsura cu precizie distanțele, indiferent de mediul de iluminare, deoarece utilizează o sursă de lumină separată.
ToF: distanța se obține prin măsurarea timpului dus-întors al luminii emise
Vedere stereoscopică: două sisteme optice care vizualizează același obiect din două puncte diferite în raport cu aceeași linie de bază
Figura 3: Compararea viziunii stereo și a metodelor de recunoaștere a obiectelor ToF
ora de zbor metoda
ToF poate fi împărțit în două categorii: ToF direct (d-ToF, ToF direct) și ToF indirect (i-ToF, ToF indirect). Distanța se calculează folosind diferența de fază a luminii returnate. SK hynix a dezvoltat aceste două tehnologii de senzori ToF pentru a le utiliza în diverse produse. Eventual, roboții viitorului vor avea un ochi care folosește i-ToF pentru a recunoaște obiectele la distanță apropiată și celălalt ochi care folosește d-ToF pentru a explora obiecte îndepărtate.
Scopul acestui articol este de a clarifica tehnologia i-ToF a SK hynix.
Figura 4: Analiza comparativă a tof indirecte și a tof-ului direct
Metoda i-ToF calculează diferența de fază față de sursa de lumină cu raportul dintre sarcinile acumulate în mai mult de două memorii diferite dintr-un pixel și măsoară distanța în consecință. Comparativ cu d-ToF, acest mecanism are unele limitări în măsurarea distanței, deoarece atunci când lumina revine de la distanță, există mai puține semnale care pot fi separate datorită intensității reduse. Cu toate acestea, în comparație cu d-ToF, are avantajul unei rezoluții mai mari, datorită circuitului său simplu, pixelul poate separa semnalul de la sine și este ușor să micșorați pixelul. Pentru a compensa limitările i-ToF și pentru a maximiza avantajele sale, o mare parte din cercetare se face acum pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot (SNR), pentru a crește eficiența cuantică (QE) a surselor de lumină infraroșie sau pentru a utiliza tehnici pentru a elimina lumina de fundal (BGL). și extindeți-vă.
Structura actuală a pixelilor i-ToF poate fi împărțită aproximativ într-o structură de poartă și o structură de difuzie. Metoda structurii porții generează o diferență de potențial prin aplicarea unei tensiuni modulate la grilaj pentru a colecta electronii din jur. Structura de difuzie, pe de altă parte, acționează ca un demodulator fotonic asistat de curent (CAPD) pentru a colecta electroni folosind curentul generat prin aplicarea unei tensiuni modulate pe substrat. Comparativ cu primul, acesta din urmă poate detecta rapid electronii generați în regiuni mai profunde, făcând transferul mai eficient, dar necesită mai multă disipare a puterii, deoarece utilizează un curent inferior cu mai multe sarcini. În plus, pe măsură ce pixelii devin mai mici și numărul de pixeli crește datorită rezoluției ridicate, consumul de energie crește și mai mult.
Pentru a maximiza avantajele CAPD și pentru a reduce limitările sale, SK hynix a dezvoltat tehnologia pixelilor din clasa QVGA 10um și 5um din clasa VGA, folosind o nouă structură numită VFM (Vertical Field Modulator). Apoi, să aruncăm o privire profundă în tehnologia VFM și beneficiile acesteia.
Avantajele tehnologiei VFM Pixel
Există diverse criterii pentru a judeca un senzor bun de măsurare a distanței, dar, în primul rând, ar trebui să poată detecta cu precizie distanța și să reducă problemele de încălzire prin consum mai mic de energie. Cu alte cuvinte, un senzor bun trebuie să detecteze rapid semnalele cu eficiență ridicată și consum redus de energie, în timp ce trebuie, de asemenea, să separe cu precizie semnalele pe baza diferențelor de fază.
1. Tehnologia și combinația CIS (BSI) de la SK hynix
La fel ca CSI, procesarea iluminată din spate aduce o serie de avantaje designului sau performanței senzorului ToF. Sursa de lumină utilizată pentru a calcula timpul de zbor este lumina infraroșie (IR), deoarece trebuie să fie invizibilă pentru ochiul uman. Și, calculează distanțe precise chiar și în medii cu lumină scăzută. Infraroșuul are o lungime de undă mai mare în comparație cu lumina vizibilă, ceea ce înseamnă că fără a utiliza o plăcuță mai groasă decât CSI, cea mai mare parte a luminii este penetrată, rezultând niveluri de semnal extrem de scăzute în pixeli. Dar asta nu înseamnă că grosimea poate crește infinit. Este dificil să se colecteze rapid electroni produși în regiuni mai profunde, la fel cum pescuitul la mare adâncime este mai dificil decât pescuitul în locurile de pescuit. Atunci când iluminarea din spate este utilizată în loc de iluminarea frontală (FSI), semnalul poate fi detectat rapid, deoarece iluminarea din spate permite ca lumina să fie colectată mai aproape împreună, unde câmpul electric, care acționează ca o linie de pescuit, este, de asemenea, proiectat din partea opusă de a deveni mai puternic cu lumina.
Figura 5: Comparație între iluminarea frontală și iluminarea din spate (permeabilitate și colectarea luminii pe grosime)
Performanța i-ToF depinde de capacitatea sa de a separa semnalele în funcție de rata de acumulare a sarcinii. În acest sens, senzorii iluminați frontal pot provoca erori la distanță, deoarece atunci când lumina trece prin suprafața pixelilor, este mai probabil să intre direct în nodul de detecție, ignorând diferența de fază. E ca și cum ar mai fi și alți elevi în clasă atunci când are loc apelul nominal. În partea frontală iluminată, există, de asemenea, multe restricții privind cablurile metalice pentru a asigura un factor de umplere mai mare, în timp ce iluminarea din spate permite o gamă mai largă de cabluri metalice, cum ar fi extragerea apei din pământ decât tăierea copacilor într-o pădure deasă Colectarea apei pluviale este mai eficientă (Figura 6).
Figura 6: Ratele de acumulare a taxelor i-ToF pentru diferite metode de iluminare (similare cu extragerea apei subterane și tăierea copacilor în pădurile dense)
Acest avantaj al iluminării din spate poate fi obținut prin combinarea cu tehnologia CIS iluminată din spate a SK hynix, care are tehnologia de a crea pixeli mai mici de 1 microni.
2. Small Lens Array (SLA) & Trench Structura optical Waveguide și quantum efficiency
Conform mecanismului i-ToF care utilizează rata de acumulare a sarcinii, avem nevoie de nivelul maxim de semnal pentru a obține date exacte privind distanța la distanțe mai mari. Prin urmare, QE ridicat în intervalul lungimii de undă infraroșii este esențial.
După cum sa menționat mai sus, datorită puterii ridicate de penetrare a sursei de lumină infraroșie, intensitatea luminii sale este mai slabă decât cea a luminii vizibile, astfel încât adâncimea de colectare a luminii este profundă. O modalitate de a face față acestui lucru este de a forma în mod intenționat structuri de microleni (lentile de dimensiuni mici dispuse în funcție de dimensiunea și numărul de pixeli de sub obiectivul camerei) ridicate pentru a obține o mai bună colectare a luminii, dar înălțimea este limitată din cauza constrângerilor tehnice. SK hynix a adoptat o abordare diferită pentru a depăși acest neajuns. Prin plasarea mai multor lentile la fiecare pixel care sunt mai mici decât dimensiunea pixelului, această metodă crește adâncimea de colectare a luminii, crescând astfel cantitatea totală de lumină primită.
În plus, SK hynix sapă, de asemenea, o structură specială de model pe spate, astfel încât lumina incidentă atinge structura și este reflectată de aceasta, extinzând calea de transmisie a luminii și concentrându-se lumina pe zona de modulare, reducând astfel rata de pierdere a luminii și îmbunătățind eficiența transmisiei sub aceeași intensitate a luminii obține efectul de a ucide două păsări cu o singură piatră. De fapt, acest lucru confirmă faptul că QE este mai mult decât dublat sub sursa de lumină 940nm. La QE mai mare, reușește să reducă eroarea dintre distanțele reale și măsurate cu aproape 55% în comparație cu metodele anterioare.
Figura 7: SLA (stânga) și ghid de undă optic structurat pe șanțuri (dreapta)
3. Asigurați un consum redus de energie și performanțe ridicate
Excluzând consumul de energie al sursei de lumină, senzorul ToF consumă cea mai mare putere din circuit care modulează semnalul atunci când funcționează. Puterea circuitului de acționare a modulației este proporțională cu curentul care curge prin placă. Cu alte cuvinte, putem reduce consumul de energie prin reducerea curentului substratului. În plus, măsurătorile precise și precise ale distanței necesită perioade de modulare mai scurte și detectarea rapidă a semnalului. Vehiculul (fotonul) trebuie accelerat prin pedala de gaz pentru a parcurge rapid aceeași distanță (grosimea siliciului), care consumă mult combustibil (sau curent). Ca un alt exemplu, extragerea apei dintr-o fântână adâncă necesită multă forță pentru a ridica scripetele. Dar dacă ai putea pompa apele subterane în sus? Puteți scoate toată apa de care aveți nevoie cu puțin efort, trebuie doar să porniți robinetul.
Metoda VFM crește regiunea de epuizare prin optimizarea condițiilor și structurii implantării ionilor pixeli, permițându-i să acționeze ca o pompă și consolidând câmpul electric vertical. Prin urmare, forța câmpului electric este adăugată curentului, care poate colecta în mod eficient electronii și, în același timp, poate realiza, de asemenea, colectarea rapidă în condițiile curentului mic și poate spori consumul de energie. Experimentele ample au arătat că atunci când curentul crește, performanța pixelului VFM se pierde, ceea ce înseamnă că este o structură mai potrivită pentru putere scăzută, iar curentul nu mai este un factor important. Cu alte cuvinte, metoda îmbunătățește performanța pixelului prin controlul curentului printr-un design care permite un câmp electric vertical puternic, astfel încât să acționeze doar ca un ghid. Comparativ cu senzorul ToF din clasa QVGA, senzorul ToF din clasa VGA de 5um are o dimensiune mai mică a pixelilor și o rezoluție mai mare, dar curentul per pixel este redus, iar creșterea consumului de energie este aproape zero.
Figura 8: Ca senzor ToF, structura VFM are un consum de energie mai eficient
Rezuma
SK hynix contribuie la crearea de valoare economică și socială, permițând diferiților producători de module să intre într-o gamă largă de piețe de aplicații, oferind suport tehnic și senzori apropiați, dezvoltând în același timp tehnologia senzorilor ToF.
În viitor, vom putea folosi echipamente AR/VR pentru a călători în întreaga lume, vom putea folosi drone pentru a livra pachete, vom permite roboților de acasă să ne aducă pachete, vom putea cere roboților de măturat să facă curățenie pentru noi și chiar să stăm în mașini autonome alimentate de recunoaștere facială. Urmăriți știrile din mașină. Ne așteptăm ca aceste scenarii să fie realizate în noua lume pe care tehnologia de soluții profunde a SK hynix este pe cale să o deschidă.
