Over the years, the "Star Wars" series of movies have always shocked the hearts of countless moviegoers: whether it is the Jedi knights who fought against the evil forces despite the sinister, or the courage and sacrifice of the resistance organization in the face of oppression, and finally through the excellent The strategy to win... Beyond that, the brilliant lightsaber duels in the movie, as well as the actions of droids like R2-D2, C-3PO, and BB-8, are impressive. Without these droids, Star Wars might not have had such an amazing ending.
Robot dan metaverse adalah salah satu topik paling hangat di Pameran Elektronik Pengguna Antarabangsa (CES) 2022. Hari ini, mesin bukan-humanoid yang berfungsi untuk kami adalah perkara biasa, seperti robot penghantaran,-kereta memandu sendiri, robot penyapu dan dron udara. Memandangkan kesan CES, kita mungkin berada di ambang era baharu: Setiap rumah akan mempunyai sekurang-kurangnya satu robot daripada adegan filem-saintis seperti Star Wars.
Sebaliknya, apabila perkhidmatan tanpa sentuh terus meningkat semasa pandemik COVID-19, perkhidmatan metaverse yang menggabungkan maya dan realiti semakin popular dan permintaan untuk perkhidmatan sedemikian berkembang dengan pesat. Ramai orang mula menggunakan teknologi Augmented Reality (AR, Augmented Reality) atau Virtual Reality (VR, Virtual Reality). Tidak lama lagi, peranti AR dan VR akan dibawa kemana-mana seperti telefon pintar. Ini akan membawa kepada era baharu di mana perkhidmatan akan tersedia pada bila-bila masa, di mana-mana sahaja, yang bermakna kita tidak perlu lagi melawat bank atau pengilang, dan kita boleh mengekalkan produk tanpa memasuki kilang.
Rajah 1: Robot penghantaran Ocado
Mata Mesin (Penglihatan Mesin)
Supported by amazing advances in semiconductor processing and Image Signal Processing (ISP, Image Signal Processing) technology, falling prices, and excellent high-resolution high performance, CMOS image sensor (CIS) technology has become the mainstay of various devices such as smartphones. "Eye". Pixels are what determines camera performance, and competition around them has pushed camera technology to 600 megapixels beyond the human eye.
Tetapi adakah imej{0}}beresolusi tinggi semestinya sesuai untuk penglihatan mesin? Bagi mata-mesin canggih yang bertanggungjawab untuk keselamatan dan keselamatan, walaupun data imej dua-meningkat (2D) yang paling tajam tidak mencukupi untuk mereka berfungsi menggantikan manusia. Mesin sedemikian mungkin tidak dapat melaksanakan misi dalam operasi taktikal seperti R2-D2. Tetapi untuk-kereta dan dron yang memandu sendiri, adalah perlu untuk mengenal pasti dengan tepat momen brek semasa pemanduan-tinggi; untuk peranti pengecaman muka, adalah perlu untuk mengimbas wajah dengan tepat dan bukannya imej rata; untuk peranti AR, masa nyata-Imbas ruang besar untuk realiti tambahan. Mesin ini memerlukan bukan sahaja data imej 2D, tetapi juga sokongan teknikal tiga dimensi (3D). Mesin boleh memperoleh data 3D melalui proses pengiraan yang kompleks tanpa kamera, dengan bantuan seperti peralatan ultrasound atau laser. Walau bagaimanapun, mesin dengan begitu banyak komponen tambahan akan ditolak oleh pengguna dari segi reka bentuk dan harga.
Rajah 2: Ciri-ciri yang Diperlukan bagi Mata Mesin
Dengan kerjasama mata dan otak, orang boleh melihat objek secara stereoskopik dan mengenali kedalaman dan jarak. Melalui mekanisme yang serupa, mesin juga boleh mengenal pasti-objek berbilang dimensi dan mengukur jarak melalui triangulasi. Contohnya, penglihatan stereo menggunakan dua kamera dan pemproses untuk mencapai kesan pengecaman. Walau bagaimanapun, mekanisme sedemikian juga mengalami kelemahan seperti kerumitan pengiraan, kekurangan ketepatan dalam mengukur jarak satah, dan ketepatan yang rendah di tempat yang agak gelap, yang menyempitkan skop mekanisme tersebut. Baru-baru ini, kaedah Time-of-Flight (ToF) telah digunakan secara praktikal sebagai kaedah alternatif untuk mengatasi kelemahan ini. ToF ialah cara mudah untuk mengukur jarak dengan mengira masa yang diperlukan untuk cahaya melantun dari objek. Kaedah ini mudah dan pantas dijalankan, serta mempunyai kelebihan tambahan iaitu mengukur jarak dengan tepat tanpa mengira persekitaran pencahayaan kerana ia menggunakan sumber cahaya yang berasingan.
ToF: jarak diperoleh dengan mengukur -masa perjalanan pusingan cahaya yang dipancarkan
Penglihatan stereoskopik: dua sistem optik melihat objek yang sama dari dua titik berbeza berbanding garis dasar yang sama
Rajah 3: Perbandingan Penglihatan Stereo dan Kaedah Pengecaman Objek ToF
kaedah masa penerbangan
ToF boleh dibahagikan kepada dua kategori: ToF langsung (d-ToF, ToF langsung) dan ToF tidak langsung (i-ToF, ToF tidak langsung). Jarak dikira menggunakan perbezaan fasa cahaya yang dikembalikan. SK hynix membangunkan kedua-dua teknologi penderia ToF ini untuk menggunakannya dalam pelbagai produk. Mungkin, robot masa hadapan akan mempunyai satu mata yang menggunakan i-ToF untuk mengecam objek pada jarak dekat dan mata satu lagi yang menggunakan d-ToF untuk meneroka objek yang jauh.
Tujuan artikel ini adalah untuk menjelaskan teknologi i-ToF SK hynix.
Rajah 4: Analisis perbandingan ToF tidak langsung dan ToF langsung
Kaedah i-ToF mengira perbezaan fasa daripada sumber cahaya dengan nisbah cas terkumpul dalam lebih daripada dua ingatan berbeza dalam piksel dan mengukur jarak dengan sewajarnya. Berbanding d-ToF, mekanisme ini mempunyai beberapa had dalam mengukur jarak kerana apabila cahaya kembali dari jarak jauh, terdapat lebih sedikit isyarat yang boleh dipisahkan kerana keamatan yang berkurangan. Walau bagaimanapun, berbanding dengan d-ToF, ia mempunyai kelebihan peleraian yang lebih tinggi, kerana litarnya yang ringkas, piksel boleh memisahkan isyarat dengan sendirinya dan ia mudah untuk mengecilkan piksel. Untuk mengimbangi had i-ToF dan memaksimumkan kelebihannya, banyak penyelidikan sedang dilakukan untuk menambah baik isyarat-ke-nisbah hingar (SNR), meningkatkan kecekapan kuantum (QE) sumber cahaya inframerah, atau menggunakan teknik untuk mengeluarkan cahaya latar belakang (BGL). dan mengembang.
Struktur piksel i-ToF semasa boleh dibahagikan secara kasar kepada struktur get dan struktur resapan. Kaedah struktur get menjana beza keupayaan dengan menggunakan voltan termodulat pada parut untuk mengumpul elektron di sekeliling. Struktur resapan, sebaliknya, bertindak sebagai-arus penyahmodulasi fotonik (CAPD) untuk mengumpul elektron menggunakan arus yang dijana dengan menggunakan voltan termodulat pada substrat. Berbanding dengan yang pertama, yang kedua dengan cepat boleh mengesan elektron yang dijana di kawasan yang lebih dalam, menjadikan pemindahan lebih cekap, tetapi memerlukan lebih banyak pelesapan kuasa kerana ia menggunakan arus inferior berbilang-beban. Di samping itu, apabila piksel menjadi lebih kecil dan bilangan piksel meningkat disebabkan resolusi tinggi, penggunaan kuasa meningkat lagi.
In order to maximize the advantages of CAPD and reduce its limitations, SK hynix has developed 10um QVGA-class and 5um VGA-class pixel technology, using a new structure called VFM (Vertical Field Modulator). Next, let's take a deep dive into VFM technology and its benefits.
Kelebihan Teknologi Piksel VFM
Terdapat pelbagai kriteria untuk menilai sensor pengukuran jarak yang baik, tetapi pertama sekali, ia harus dapat mengesan jarak dengan tepat dan mengurangkan masalah pemanasan melalui penggunaan kuasa yang lebih rendah. Dalam erti kata lain, penderia yang baik mesti mengesan isyarat dengan cepat dengan kecekapan tinggi dan penggunaan kuasa yang rendah, sementara ia juga mesti memisahkan isyarat dengan tepat berdasarkan perbezaan fasa.
1. SK hynix's CIS back-illuminated (BSI) technology and combination
Like CIS, back-illuminated processing brings a number of advantages to ToF sensor design or performance. The light source used to calculate the time of flight is infrared light (IR) because it must be invisible to the human eye. And, it calculates accurate distances even in low-light environments. Infrared has a longer wavelength compared to visible light, which means that without using a thicker wafer than CIS, most of the light is penetrated, resulting in extremely low signal levels in the pixels. But that doesn't mean the thickness can grow infinitely. It is difficult to quickly collect electrons produced in deeper regions, just as deep-sea fishing is more difficult than fishing at fishing spots. When backside illumination is used instead of front illuminated (FSI), the signal can be detected quickly because backside illumination allows the light to be collected closer together, where the electric field, which acts as a fishing line, is also projected from the opposite side by become stronger with light.
Rajah 5: Perbandingan depan-bercahaya dan belakang-bercahaya (kebolehtelapan dan pengumpulan cahaya setiap ketebalan)
The performance of i-ToF depends on its ability to separate signals according to the rate of charge accumulation. In this regard, front-illuminated sensors may cause errors in distance, because when light passes through the pixel surface, it is more likely to directly enter the detection node, ignoring the phase difference. It's like there are other students in the classroom when the roll call is taking place. In front-illuminated, there are also many restrictions on metal wiring to ensure a higher fill factor, while back-illuminated allows a wider choice of metal wiring, like drawing water from the ground than cutting down trees in a dense forest Collecting rainwater is more efficient (Figure 6).
Rajah 6: i-Kadar pengumpulan caj ToF untuk kaedah pencahayaan yang berbeza (bersamaan dengan menarik air di bawah tanah dan menebang pokok di hutan tebal)
Kelebihan pencahayaan-belakang ini boleh dicapai dengan menggabungkan teknologi bercahaya belakang-CIS SK hynix, yang mempunyai teknologi untuk mencipta piksel yang lebih kecil daripada 1 mikron.
2. Susunan Lensa Kecil (SLA) Struktur Parit Pandu Gelombang Optik dan Kecekapan Kuantum
Menurut mekanisme i-ToF menggunakan kadar pengumpulan cas, kami memerlukan tahap isyarat maksimum untuk mendapatkan data jarak yang tepat pada jarak yang lebih jauh. Oleh itu, QE tinggi dalam julat panjang gelombang inframerah adalah penting.
Seperti yang dinyatakan di atas, disebabkan oleh kuasa penembusan tinggi sumber cahaya inframerah, keamatan cahayanya lebih lemah daripada cahaya yang boleh dilihat, jadi kedalaman pengumpulan cahaya adalah dalam. Satu cara untuk menangani perkara ini adalah dengan sengaja membentuk struktur kanta mikro (kanta bersaiz kecil-disusun mengikut saiz dan bilangan piksel di bawah kanta kamera) tinggi untuk mencapai pengumpulan cahaya yang lebih baik, tetapi ketinggiannya terhad disebabkan oleh kekangan teknikal. SK hynix telah mengambil pendekatan berbeza untuk mengatasi kelemahan ini. Dengan meletakkan beberapa kanta pada setiap piksel yang lebih kecil daripada saiz piksel, kaedah ini meningkatkan-kedalaman pengumpulan cahaya, sekali gus meningkatkan jumlah cahaya yang diterima.
Selain itu, SK hynix juga mencungkil struktur corak khas di bahagian belakang, supaya cahaya kejadian menyentuh struktur dan dipantulkan olehnya, memanjangkan laluan penghantaran cahaya dan memfokuskan cahaya pada kawasan modulasi, dengan itu mengurangkan kadar kehilangan cahaya dan meningkatkan kecekapan penghantaran di bawah keamatan cahaya yang sama mencapai kesan membunuh dua burung dengan satu batu. Malah, ini mengesahkan bahawa QE adalah lebih daripada dua kali ganda di bawah sumber cahaya 940nm. Pada QE yang lebih tinggi, ia berjaya mengurangkan ralat antara jarak sebenar dan jarak yang diukur sebanyak hampir 55 peratus berbanding kaedah sebelumnya.
Rajah 7: SLA (kiri) dan parit-pandu gelombang optik berstruktur (kanan)
3. Pastikan penggunaan kuasa rendah dan prestasi tinggi
Tidak termasuk penggunaan kuasa sumber cahaya, penderia ToF menggunakan paling banyak kuasa dalam litar yang memodulasi isyarat apabila ia beroperasi. Kuasa litar pemacu modulasi adalah berkadar dengan arus yang mengalir melalui papan. Dalam erti kata lain, kita boleh mengurangkan penggunaan kuasa dengan mengurangkan arus substrat. Selain itu, ukuran jarak yang tepat dan tepat memerlukan tempoh modulasi yang lebih pendek dan pengesanan isyarat yang cepat. Kenderaan (foton) perlu dipercepatkan dengan memijak pedal gas untuk menempuh jarak yang sama (ketebalan silikon) dengan cepat, yang menggunakan banyak bahan api (atau arus). Sebagai contoh lain, pengambilan air dari perigi dalam memerlukan banyak daya untuk mengangkat takal. Tetapi bagaimana jika anda boleh mengepam air bawah tanah? Anda boleh mengeluarkan semua air yang anda perlukan dengan sedikit usaha, hanya hidupkan paip.
Kaedah VFM meningkatkan kawasan penyusutan dengan mengoptimumkan keadaan dan struktur implantasi ion piksel, membolehkannya bertindak seperti pam dan mengukuhkan medan elektrik menegak. Oleh itu, daya medan elektrik ditambah kepada arus, yang boleh mengumpul elektron secara berkesan, dan pada masa yang sama, ia juga boleh mencapai pengumpulan pantas di bawah keadaan arus kecil, dan meningkatkan penggunaan kuasa. Eksperimen yang meluas telah menunjukkan bahawa apabila arus meningkat, prestasi piksel VFM hilang, yang bermaksud bahawa ia adalah struktur yang lebih sesuai untuk kuasa rendah, dan arus tidak lagi menjadi faktor penting. Dalam erti kata lain, kaedah itu meningkatkan prestasi piksel dengan mengawal arus melalui reka bentuk yang membolehkan medan elektrik menegak yang kuat supaya ia hanya bertindak sebagai panduan. Berbanding dengan penderia ToF kelas-QVGA, penderia ToF kelas 5um VGA-mempunyai saiz piksel yang lebih kecil dan peleraian yang lebih tinggi, tetapi arus setiap piksel dikurangkan dan peningkatan dalam penggunaan kuasa hampir sifar .
Rajah 8: Sebagai penderia ToF, struktur VFM mempunyai penggunaan kuasa yang lebih cekap
ringkaskan
SK hynix menyumbang kepada penciptaan nilai ekonomi dan sosial dengan membolehkan pelbagai pengeluar modul memasuki pelbagai pasaran aplikasi dengan menyediakan sokongan teknikal dan penderia yang rapat sambil membangunkan teknologi penderia ToF.
In the future, we will be able to use AR/VR equipment to travel around the world, use drones to deliver packages, let home robots bring packages to us, ask sweeping robots to clean for us, and even sit in self-driving cars powered by facial recognition. Watch the news in the car. We expect these scenarios to be realized in the new world that SK hynix's deep solution technology is about to open up.
