I årenes løb har "Star Wars" -serien af film altid chokeret utallige biografgængeres hjerter: hvad enten det er Jedi-ridderne, der kæmpede mod de onde kræfter på trods af det uhyggelige, eller modstandsorganisationens mod og offer i lyset af undertrykkelse og endelig gennem den fremragende Strategien for at vinde ... Ud over det er de strålende lyssværdsdueller i filmen såvel som handlingerne fra droider som R2-D2, C-3PO og BB-8 imponerende. Uden disse droider havde Star Wars måske ikke haft en så fantastisk afslutning.
Robotter og metaverset er et af de hotteste emner på International Consumer Electronics Show (CES) i 2022. I dag er ikke-humanoide maskiner, der arbejder for os, almindelige, såsom leveringsrobotter, selvkørende biler, fejende robotter og luftdroner. I betragtning af virkningen af CES kan vi være på randen af en ny æra: Hvert hjem vil have mindst en robot fra en sci-fi-filmscene som Star Wars.
På den anden side, da kontaktløse tjenester fortsætter med at accelerere under COVID-19-pandemien, vinder metaverse tjenester, der kombinerer virtuel og virkelighed, popularitet, og efterspørgslen efter sådanne tjenester vokser eksponentielt. Mange mennesker begynder at bruge Augmented Reality (AR, Augmented Reality) eller Virtual Reality (VR, Virtual Reality) teknologi. Snart vil AR- og VR-enheder blive båret rundt som smartphones. Dette vil indvarsle en ny æra, hvor tjenester vil være tilgængelige når som helst og hvor som helst, hvilket betyder, at vi ikke længere behøver at besøge banker eller producenter, og vi kan vedligeholde produkter uden at komme ind på fabrikken.
Figur 1: Ocado leveringsrobot
Maskinens øje (Machine Vision)
Understøttet af fantastiske fremskridt inden for halvlederbehandling og Billedsignalbehandling (ISP, Image Signal Processing) -teknologi, faldende priser og fremragende høj ydeevne i høj opløsning er CMOS-billedsensorteknologi (CIS) blevet grundpillen i forskellige enheder såsom smartphones. "Øje". Pixels er det, der bestemmer kameraets ydeevne, og konkurrencen omkring dem har skubbet kamerateknologien til 600 megapixel ud over det menneskelige øje.
Men er billeder i høj opløsning nødvendigvis egnede til maskinsyn? For øjnene af banebrydende maskiner, der er ansvarlige for sikkerhed og sikkerhed, er selv de skarpeste todimensionelle (2D) billeddata ikke nok til, at de kan fungere i stedet for mennesker. En sådan maskine kan muligvis ikke udføre missioner i taktiske operationer som R2-D2. Men for selvkørende biler og droner er det nødvendigt at identificere bremsemomentet nøjagtigt under højhastighedskørsel; for ansigtsgenkendelsesanordninger er det nødvendigt at scanne ansigter nøjagtigt i stedet for flade billeder; for AR-enheder, Scan store rum i realtid for augmented reality. Disse maskiner kræver ikke kun 2D-billeddata, men også tredimensionel (3D) teknisk support. En maskine kan få 3D-data gennem en kompleks beregningsproces uden kamera med hjælpemidler som ultralyd eller laserudstyr. En maskine med så mange ekstra komponenter ville imidlertid blive afvist af forbrugerne med hensyn til design og pris.
Figur 2: Nødvendige funktioner i maskinens øje
I samarbejde mellem øjnene og hjernen kan folk se objekter stereoskopisk og genkende dybde og afstand. Gennem en lignende mekanisme kan maskiner også identificere flerdimensionelle objekter og måle afstande gennem triangulering. For eksempel bruger stereo vision to kameraer og en processor til at opnå genkendelseseffekten. Sådanne mekanismer lider imidlertid også af ulemper som beregningsmæssig kompleksitet, manglende nøjagtighed ved måling af planafstande og lav nøjagtighed på relativt mørke steder, hvilket indsnævrer omfanget af sådanne mekanismer. For nylig er Time-of-Flight (ToF) -metoden blevet taget i praktisk brug som en alternativ metode til at overvinde disse mangler. ToF er en enkel måde at måle afstand på ved at beregne den tid, det tager for lys at hoppe af et objekt. Denne metode er nem og hurtig at køre og har den ekstra fordel, at den nøjagtigt måler afstande uanset belysningsmiljøet, fordi den bruger en separat lyskilde.
ToF: afstanden opnås ved at måle returrejsetiden for det udsendte lys
Stereoskopisk syn: to optiske systemer, der ser det samme objekt fra to forskellige punkter i forhold til den samme basislinje
Figur 3: Sammenligning af stereosyn og ToF-objektgenkendelsesmetoder
tidspunkt for flyvning metode
ToF kan opdeles i to kategorier: direkte ToF (d-ToF, direkte ToF) og indirekte ToF (i-ToF, indirekte ToF). Afstanden beregnes ved hjælp af faseforskellen for det returnerede lys. SK hynix udviklede disse to ToF-sensorteknologier til at udnytte dem i forskellige produkter. Muligvis vil fremtidens robotter have et øje, der bruger i-ToF til at genkende objekter på tæt hold, og det andet øje, der bruger d-ToF til at udforske fjerne objekter.
Formålet med denne artikel er at præcisere SK hynix's i-ToF-teknologi.
Figur 4: Sammenlignende analyse af indirekte ToF og direkte ToF
i-ToF-metoden beregner faseforskellen fra lyskilden med forholdet mellem de ladninger, der er akkumuleret i mere end to forskellige minder inden for en pixel, og måler afstanden i overensstemmelse hermed. Sammenlignet med d-ToF har denne mekanisme nogle begrænsninger i måling af afstand, fordi når lys vender tilbage fra en afstand, er der færre signaler, der kan adskilles på grund af reduceret intensitet. Sammenlignet med d-ToF har den imidlertid fordelen ved højere opløsning, på grund af sit enkle kredsløb kan pixlen adskille signalet af sig selv, og det er let at krympe pixlen. For at kompensere for begrænsningerne i i-ToF og maksimere dens fordele gøres der nu en hel del forskning for at forbedre signal-støj-forholdet (SNR), øge kvanteeffektiviteten (QE) af infrarøde lyskilder eller anvende teknikker til at fjerne baggrundslys (BGL). og udvide.
Den nuværende i-ToF pixelstruktur kan groft opdeles i en portstruktur og en diffusionsstruktur. Portstrukturmetoden genererer en potentiel forskel ved at anvende en moduleret spænding på gitteret for at opsamle omgivende elektroner. Diffusionsstrukturen fungerer derimod som en strømassisteret fotonisk demodulator (CAPD) til at indsamle elektroner ved hjælp af den strøm, der genereres ved at påføre en moduleret spænding på substratet. Sammenlignet med førstnævnte kan sidstnævnte hurtigt detektere elektroner genereret i dybere områder, hvilket gør overførslen mere effektiv, men kræver mere strømafledning, fordi den bruger en multi-load ringere strøm. Derudover, når pixels bliver mindre, og antallet af pixels stiger på grund af høj opløsning, øges strømforbruget yderligere.
For at maksimere fordelene ved CAPD og reducere dens begrænsninger har SK hynix udviklet 10um QVGA-klasse og 5um VGA-klasse pixelteknologi ved hjælp af en ny struktur kaldet VFM (Vertical Field Modulator). Lad os derefter tage et dybt dyk ned i VFM-teknologien og dens fordele.
Fordele ved VFM Pixel Technology
Der er forskellige kriterier for at bedømme en god afstandsmålesensor, men først og fremmest skal den være i stand til nøjagtigt at registrere afstand og reducere varmeproblemer gennem lavere strømforbrug. Med andre ord skal en god sensor registrere signaler hurtigt med høj effektivitet og lavt strømforbrug, mens den også nøjagtigt skal adskille signalerne baseret på faseforskelle.
1. SK hynix's CIS back-illuminated (BSI) teknologi og kombination
Ligesom CIS giver baggrundsbelyst behandling en række fordele for ToF-sensordesign eller ydeevne. Lyskilden, der bruges til at beregne flyvetiden, er infrarødt lys (IR), fordi det skal være usynligt for det menneskelige øje. Og det beregner nøjagtige afstande selv i miljøer med svagt lys. Infrarød har en længere bølgelængde sammenlignet med synligt lys, hvilket betyder, at uden at bruge en tykkere wafer end CIS, trænger det meste af lyset ind, hvilket resulterer i ekstremt lave signalniveauer i pixels. Men det betyder ikke, at tykkelsen kan vokse uendeligt. Det er vanskeligt hurtigt at indsamle elektroner produceret i dybere områder, ligesom dybhavsfiskeri er vanskeligere end fiskeri på fiskepladser. Når der anvendes bagsidebelysning i stedet for frontbelyst (FSI), kan signalet registreres hurtigt, fordi bagsidebelysningen gør det muligt at samle lyset tættere sammen, hvor det elektriske felt, der fungerer som en fiskelinje, også projiceres fra den modsatte side ved at blive stærkere med lys.
Figur 5: Sammenligning af frontbelyst og baggrundsbelyst (permeabilitet og lysopsamling pr. tykkelse)
Udførelsen af i-ToF afhænger af dens evne til at adskille signaler i henhold til ladningsakkumuleringshastigheden. I denne henseende kan frontbelyste sensorer forårsage fejl i afstanden, for når lys passerer gennem pixeloverfladen, er det mere sandsynligt, at det kommer direkte ind i detektionsknuden og ignorerer faseforskellen. Det er, som om der er andre elever i klasseværelset, når navneopråbet finder sted. I frontbelyst er der også mange begrænsninger for metalledninger for at sikre en højere påfyldningsfaktor, mens baggrundsbelyst giver et bredere udvalg af metalledninger, som at trække vand fra jorden end at fælde træer i en tæt skov Opsamling af regnvand er mere effektivt (figur 6).
Figur 6: i-ToF-ladningsakkumuleringshastigheder for forskellige belysningsmetoder (analogt med at trække vand under jorden og fælde træer i tætte skove)
Denne fordel ved baggrundsbelysning kan opnås ved at kombinere med CIS-bagbelyst teknologi fra SK hynix, som har teknologien til at skabe pixels mindre end 1 mikron.
2. Small Lens Array (SLA) & Trench Structure Optisk bølgeleder og kvanteeffektivitet
I henhold til i-ToF-mekanismen ved hjælp af ladningsakkumuleringshastigheden har vi brug for det maksimale signalniveau for at opnå nøjagtige afstandsdata på længere afstande. Derfor er høj QE i det infrarøde bølgelængdeområde afgørende.
Som nævnt ovenfor, på grund af den høje gennemtrængende effekt af infrarød lyskilde, er dens lysintensitet svagere end for synligt lys, så dybden af lysopsamling er dyb. En måde at håndtere dette på er bevidst at danne mikrolinsestrukturer (små linser arrangeret efter størrelsen og antallet af pixels under kameralinsen) højt oppe for at opnå bedre lysopsamling, men højden er begrænset på grund af tekniske begrænsninger. SK hynix har taget en anden tilgang til at overvinde denne mangel. Ved at placere flere linser på hver pixel, der er mindre end pixelens størrelse, øger denne metode lysopsamlingsdybden og derved øger den samlede mængde modtaget lys.
Derudover graver SK hynix også en speciel mønsterstruktur på bagsiden, så det indfaldende lys berører strukturen og reflekteres af den, udvider lystransmissionsvejen og fokuserer lyset på moduleringsområdet og derved reducerer lystabshastigheden og forbedrer Transmissionseffektiviteten under samme lysintensitet opnår effekten af at dræbe to fugle med en sten. Faktisk bekræfter dette, at QE er mere end fordoblet under 940nm lyskilden. Ved højere QE lykkes det at reducere fejlen mellem faktiske og målte afstande med næsten 55% sammenlignet med tidligere metoder.
Figur 7: SLA (venstre) og grøftstruktureret optisk bølgeleder (højre)
3. Sørg for lavt strømforbrug og høj ydeevne
Eksklusive lyskildens strømforbrug bruger ToF-sensoren mest strøm i kredsløbet, der modulerer signalet, når det fungerer. Effekten af moduleringsdrevkredsløbet er proportional med strømmen, der strømmer gennem tavlen. Med andre ord kan vi reducere strømforbruget ved at reducere substratstrømmen. Derudover kræver nøjagtige og præcise afstandsmålinger kortere moduleringsperioder og hurtig signaldetektering. Køretøjet (foton) skal accelereres ved at træde på gaspedalen for hurtigt at rejse den samme afstand (siliciumtykkelse), hvilket bruger meget brændstof (eller strøm). Som et andet eksempel kræver det meget kraft at trække vand fra en dyb brønd for at løfte remskiven. Men hvad nu hvis du kunne pumpe grundvandet op? Du kan trække alt det vand, du har brug for, ud med lidt indsats, bare tænd for vandhanen.
VFM-metoden øger udtømningsområdet ved at optimere betingelserne og strukturen af pixelionimplantationen, så den kan fungere som en pumpe og styrke det lodrette elektriske felt. Derfor tilføjes kraften i det elektriske felt til strømmen, som effektivt kan samle elektroner, og samtidig kan den også opnå hurtig indsamling under betingelse af lille strøm og forbedre strømforbruget. Omfattende eksperimenter har vist, at når strømmen stiger, går VFM-pixlens ydeevne tabt, hvilket betyder, at det er en mere passende struktur til lav effekt, og strømmen er ikke længere en vigtig faktor. Med andre ord forbedrer metoden pixelens ydeevne ved at kontrollere strømmen gennem et design, der muliggør et stærkt lodret elektrisk felt, så det kun fungerer som en guide. Sammenlignet med QVGA-klassen ToF-sensor har 5um VGA-klasse ToF-sensoren en mindre pixelstørrelse og højere opløsning, men strømmen pr. Pixel reduceres, og stigningen i strømforbruget er næsten nul.
Figur 8: Som ToF-sensor har VFM-strukturen et mere effektivt strømforbrug
Sammenfatte
SK hynix bidrager til at skabe økonomisk og social værdi ved at gøre det muligt for forskellige modulproducenter at komme ind på en bred vifte af applikationsmarkeder ved at yde tæt teknisk support og sensorer, mens de udvikler ToF-sensorteknologi.
I fremtiden vil vi være i stand til at bruge AR / VR-udstyr til at rejse rundt i verden, bruge droner til at levere pakker, lade hjemmerobotter bringe pakker til os, bede fejende robotter om at rengøre for os og endda sidde i selvkørende biler drevet af ansigtsgenkendelse. Se nyhederne i bilen. Vi forventer, at disse scenarier vil blive realiseret i den nye verden, som SK hynix' dybe løsningsteknologi er ved at åbne op.
