3D傳感技術(shù)在光源照明等領(lǐng)域取得多項進展

　　從消費電子市場到工業(yè)應(yīng)用，隨著新應(yīng)用在各領(lǐng)域的不斷出現(xiàn)，3D傳感技術(shù)的市場在不斷地發(fā)展壯大?，F(xiàn)今幾乎所有的智能電視及操作系統(tǒng)都已經(jīng)能支持動作識別的相關(guān)功能，完成諸如畫面縮放和頻道切換等功能;傳感器能夠通過探測生產(chǎn)線的移動和表面質(zhì)量，從而控制產(chǎn)品在生產(chǎn)線中的流向;設(shè)計人員也可以對復(fù)雜的形狀進行掃描并通過3D打印機進行復(fù)制;監(jiān)控系統(tǒng)也已能確保動物和人類遠離危險的區(qū)域。

　　如今的傳感器也已可以探測到極端細微的動作和特征?，F(xiàn)代的傳感器不僅能夠探測到點頭之類的動作，還可以精確地識別是誰點的頭;除了識別功能，現(xiàn)代的傳感器還可以用來檢測心跳和情感交流時細微的面部特征;現(xiàn)今，3D傳感器也已經(jīng)應(yīng)用于室外，這意味著傳感技術(shù)已能應(yīng)對高亮度或復(fù)雜光照等環(huán)境下的監(jiān)測需要。

　　一系列的市場研究報告展示了3D傳感市場的廣闊前景。據(jù)市場調(diào)研公司Marketsandmarkets預(yù)計，動作識別和非觸碰感應(yīng)技術(shù)的市場規(guī)模，將在未來數(shù)年間取得79%的增長;據(jù)CompaniesandMarkets.com網(wǎng)站發(fā)布的報告預(yù)測，截至2018年，動作識別及非觸碰感應(yīng)市場的復(fù)合年均增長率將保持在50.7%的水平，市場規(guī)模將達到71.5億美元;另外，思邁汽車信息咨詢公司(IHSAutomotive)也發(fā)布報告表明，2030年動作識別及非觸碰感應(yīng)產(chǎn)品在汽車行業(yè)的使用量將超過3800萬套。3D傳感市場的快速增長和應(yīng)用數(shù)量的持續(xù)增加，主要得益于光學(xué)和照明技術(shù)的進步帶來的器件微型化和低成本。

　　3D傳感是如何工作的

　　從本質(zhì)上來說，3D傳感技術(shù)主要是指對物體隨時間變化的特征和位置進行追蹤。為了實現(xiàn)這一目的，人類的眼睛擁有兩種不同波長的傳感器(晶狀體和視神經(jīng))，大腦是一個復(fù)雜的處理器。通過眼睛和大腦協(xié)同工作，人類實現(xiàn)可以對波長在390-700nm范圍內(nèi)的光線進行觀測。3D傳感設(shè)備的工作原理與此基本一致，只不過通常還會配備一個照明光源。

　　試想一下這樣的場景，一位游戲玩家在一臺3D傳感器面前揮動高爾夫球桿。在這種情況下，傳感設(shè)備中的照明元件發(fā)射出不可見的光“照亮”玩家及其四周的環(huán)境。由于光會從玩家的身上反射回傳感設(shè)備，而光學(xué)濾波器則會將雜光和環(huán)境光屏蔽，只允許近紅外光譜通過光學(xué)傳感器。通過對光線變化的解讀，傳感器便可以繪制出玩家動作的3D數(shù)字圖像，并將圖像不斷反饋給游戲程序。

　　為了完成上述的過程，盡管不同類型的3D傳感系統(tǒng)的配置和軟件會有所不同，但它們的基本硬件卻是一樣的：

　　•照明光源—通常會使用LED或激光二極管來發(fā)射紅外光譜或近紅外光譜

　　•光學(xué)控件—光學(xué)鏡片能優(yōu)化環(huán)境照明效果，將反射光聚焦到探測器表面，而帶通濾波器則只允許與照明光譜匹配的反射光到達光傳感器，對環(huán)境光線以及其他雜光進行消除

　　•深度攝像頭—這種高性能的光學(xué)接收器可以對過濾之后的反射光進行偵測，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，由固件進行處理

　　•固件—超高速ASIC或DSP芯片對接收到的信號進行處理，將其轉(zhuǎn)換成終端應(yīng)用程序可以識別的格式

　　照明光源

　　憑借優(yōu)異的光譜準(zhǔn)確性以及光電信號轉(zhuǎn)換效率，激光二極管成為諸多消費類電子應(yīng)用設(shè)備首選的照明光源。通常這些消費電子應(yīng)用設(shè)備的特點是電源功率有限且元器件十分密集，這就要求盡量減小耗散功率。同時，由于和激光二極管配套使用的光學(xué)濾波器和光學(xué)傳感器對光線的波長十分敏感，這就要求在較大溫度范圍內(nèi)光線的波長保持穩(wěn)定。

　　在光線波長可選范圍和照明準(zhǔn)確性方面，LED照明系統(tǒng)的處于劣勢。對于短波長激光，傳感器的量子效率(QE)要比LED照明的波段高得多。商用成品LED擁有相對較寬的光照錐，經(jīng)常有高達50%的光起不到有效照明作用。綜合這兩點因素及下表中所列舉的優(yōu)勢可以看出，使用激光二極管做照明光源系統(tǒng)的3D傳感設(shè)備，其總體性能要比采用LED的3D傳感設(shè)備高出5到10倍。

　　單模激光二極管的特點是折射率導(dǎo)引、單模波導(dǎo)，它可以提供高功率、低散光、窄光譜、以及單空間模式高斯遠場光線，之外，它能以低工作電流產(chǎn)生高功率的光線。此類激光二極管，可以在60°C的高溫和200毫瓦高功率下也可以非?？煽康墓ぷ鳌abry-Perot垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)擁有極高的功率密度(單橫模~1W)和效率，且可靠性也很好?；谏鲜鲞@些優(yōu)勢，它們非常適用于像3D傳感器這樣對整體性能和功率密度要求都很高的設(shè)備。更重要的是，VCSEL能適應(yīng)晶片規(guī)模的測試及組裝，并適用于超大規(guī)模的應(yīng)用設(shè)備。

　　光學(xué)濾波器

　　3D傳感系統(tǒng)中使用的光學(xué)濾波器一般都是窄帶寬近紅外濾波器，它的工作角度寬廣，在要求的帶寬范圍內(nèi)信噪比很低，在其他波段則會被徹底屏蔽。光學(xué)濾波器的元件通常會作為一層鍍膜涂在攝像頭的鏡片上，或者是作為一個獨立的元件單獨存在。

　　通過對進入傳感器的光線加以限制，光學(xué)濾波器可以把與3D傳感進程無關(guān)的數(shù)據(jù)清除，再加上應(yīng)用軟件中搭載的抑噪功能，使得固件的處理負荷極大降低。

　　技術(shù)的進步

　　在3D傳感市場，決定一款元件成敗的因素有三個：尺寸、效率和工藝。對可穿戴用品而言，“小型化”是新興應(yīng)用的前提條件，舉個例子，一副眼鏡框的尺寸很有限，無法將照明光源、傳感器、處理器以及電源系統(tǒng)融合于一身;元件效率的提升，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的小型化，同時還能夠有效降低設(shè)備的能耗;工藝的改善可以有效降低成本，從而實現(xiàn)消費類設(shè)備的規(guī)?；a(chǎn)。

　　照明光源

　　隨著激光二極管技術(shù)的發(fā)展，二極管的厚度目前已經(jīng)降至2-3毫米，相比于人類視網(wǎng)膜大約0.5毫米的厚度，尺寸對于激光二極管的發(fā)展來說已不是問題。

　　設(shè)計的優(yōu)化，也將激光二極管的效率提升到了新的高度。效率的提升意味著使用較少的電量便可以產(chǎn)生更多的光。這對3D傳感系統(tǒng)的影響主要集中在兩個方面：照明系統(tǒng)所需要的電量越少，意味著3D傳感系統(tǒng)核心的處理系統(tǒng)能獲得更多的電能;電池可以更小，處理能力可以更強。另外，效率越高，設(shè)備的散熱也就越少。

　　針對照明需求和能源消耗的矛盾問題，設(shè)計人員現(xiàn)在有了更好的選擇。3D傳感系統(tǒng)在激光二極管在全功率運轉(zhuǎn)時的性能最好，此時激光二極管提供的高亮度使傳感器有極高的分辨率。不過，即使即使設(shè)計的電源功率較小，最新式的激光二極管也同樣可以提供充足的照明。

　　某些新式的激光二極管擁有較為穩(wěn)定的波長，這使得匹配合適的濾光片變得相對容易。當(dāng)需要對系統(tǒng)進行優(yōu)化以更好地適應(yīng)復(fù)雜的光線環(huán)境時，調(diào)整激光或濾波器的波長是解決問題的關(guān)鍵所在，尤其是對于較暗環(huán)境下運行的設(shè)備而言，這種方法更加重要。

　　最后，新式芯片取消了氣密封裝的設(shè)計，從而方便用戶使用成本更低的成品集成芯片和LED套件，而不必再額外定制套件，這一進步大大提高了生產(chǎn)速度并降低了生產(chǎn)成本，最終降低了終端產(chǎn)品的售價。

　　光學(xué)濾波器

　　隨著傳感器分辨率和照明光源功率的提升，高信噪比(SNR)和低角度變化成為必然的發(fā)展趨勢。尤其對于移動設(shè)備而言，更傾向于采用大視場薄膜干涉濾光片，但因為它對角度的變化非常敏感，此類濾光片的帶通也會隨角度變化。

　　薄膜制程專利技術(shù)的發(fā)展，使得濾波器的性能更加穩(wěn)定且不再隨著角度的改變而出現(xiàn)顯著的變化。這意味著3D傳感系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)域的邊緣也擁有很好的性能，同時也減少了室外環(huán)境光線的影響，從而擴大了3D系統(tǒng)的適用范圍。

　　上述新技術(shù)可以在分立的濾波器上鍍膜或直接在CMOS傳感器上鍍膜。雖然直接在傳感器鏡片上鍍膜的費用較高，但它可以縮小設(shè)備的尺寸。盡管最新的制造工藝已經(jīng)可以采用0.2毫米厚的玻璃進行濾波器的大規(guī)模生產(chǎn)，光程的任何一點縮減都會十分重要。

　　分辨率

　　對于手臂或手部動作的感應(yīng)并不要求傳感器具有極高的分辨率，但對于面部表情的識別則不然：心跳動作和眼部動作的感應(yīng)要求較高的智能水平，因此，傳感器也應(yīng)當(dāng)具備更高的分辨率。目前市面上最新式的高清智能手機的像素已高達4100萬，這遠遠超過了當(dāng)前任何一款3D傳感設(shè)備對圖像細節(jié)的要求。

　　解決分辨率問題的關(guān)鍵，在于數(shù)據(jù)處理的功率是否達標(biāo)。處理器技術(shù)的提升通常會造成成本和能耗的增加，而這對于量產(chǎn)設(shè)備，尤其是消費類電子產(chǎn)品而言，通常是難以承受的。目前，軟件開發(fā)商已經(jīng)開發(fā)出多種復(fù)雜的新算法，可以輕松處理各種分辨率的數(shù)據(jù)。

　　不過，對于固定式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備而言，成本和能耗都不是問題：最新式的激光二極管、濾波器以及高分辨率傳感器的結(jié)合可以達到非常高的3D傳感性能。

　　應(yīng)用的發(fā)展

　　近期3D系統(tǒng)對環(huán)境光的處理技術(shù)新進展對車載應(yīng)用十分關(guān)鍵。對于汽車而言，主要的感應(yīng)區(qū)域位于擋風(fēng)玻璃的正下方，而這一區(qū)域同時又是最容易暴露在陽光下或被車頭燈照到的區(qū)域。已有商家展示了在任何光照條件下對車載信息顯示系統(tǒng)進行細致的非觸控式操控，此類傳感設(shè)備很有可能將被逐漸應(yīng)用于從豪華車型到經(jīng)濟車型等各個價位的汽車當(dāng)中，因為此類傳感設(shè)備不僅十分方便，同時也可以顯著提高汽車的安全性。停車輔助系統(tǒng)以及預(yù)碰撞安全監(jiān)測系統(tǒng)，也是3D傳感技術(shù)在汽車領(lǐng)域不斷增長的發(fā)展方向。

　　3D臉部識別技術(shù)可以精確測量人臉部的幾何數(shù)據(jù)，與指紋技術(shù)的準(zhǔn)確性不相上下。就實用性而言，搭載3D傳感技術(shù)的計算機、甚至包括ATM自動取款機在內(nèi)的設(shè)備，可以在用戶打開設(shè)備時，立刻對用戶進行識別和認證，因此3D臉部識別技術(shù)的出現(xiàn)，意味著繁瑣的登錄系統(tǒng)已經(jīng)成為過去式。的確，世界上處處可見的“電子密碼鎖”將會因此改變，一旦用戶通過臉部識別的認證，就可以方便地使用應(yīng)用程序和信息數(shù)據(jù)，甚至是開門入室。

　　“小型化”趨勢使得可穿戴用品的發(fā)展獲得了很大的推動力。谷歌正在推進一個名為“ProjectTango”的項目，一款支持室內(nèi)繪圖、功能強大的3D智能手機的設(shè)計工作。一旦谷歌眼鏡之類的設(shè)備在市場上得到推廣，用戶在走路的過程中便可以在錯綜復(fù)雜的高樓大廈之間快速找到對的路線。對于視力障礙群體而言，該產(chǎn)品亦擁有巨大的市場潛力。

　　元件制造

　　想象3D傳感系統(tǒng)的應(yīng)用很容易。創(chuàng)建高效的系統(tǒng)、藍本和小批量的設(shè)備并不簡單，而持續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)可靠的、高性能、小型化照明光源和光學(xué)濾波器，則更加困難!

　　類似3D傳感系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)要求其元件能夠以低錯誤率、低退化率進行長時間的運轉(zhuǎn)，這其中的關(guān)鍵問題仍在于制造工藝。對于大規(guī)模、低利潤的消費電子元件而言，其成本的構(gòu)成，直接決定這是發(fā)明人的幻想或是產(chǎn)生利潤的產(chǎn)品。小型生產(chǎn)廠和特約制造商或許能夠生產(chǎn)少量的高性能概念型產(chǎn)品或藍本，但嚴格按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)數(shù)以百萬計的部件則是全然不同的挑戰(zhàn)，而且消費電子產(chǎn)品利潤率極低。放眼全球，能夠大規(guī)模生產(chǎn)3D傳感元件的制造商，更是屈指可數(shù)。

　　作者:JDSU 公司商業(yè)激光二極管 產(chǎn)品線總監(jiān) Andr eWong 博士，他先后畢業(yè)于加拿大達爾豪斯大學(xué)和英屬哥倫比亞大學(xué)，分獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位和物理學(xué)博士學(xué)位;JDSU公司光學(xué)濾光片產(chǎn)品線高級經(jīng)理MarkusBilger先生，他畢業(yè)于美國金門大學(xué)，獲有會計學(xué)學(xué)士和工商管理碩士學(xué)位。