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.
Τα ρομπότ και το μετασύμπαν είναι ένα από τα πιο καυτά θέματα στη Διεθνή Έκθεση Καταναλωτικής Ηλεκτρονικής 2022 (CES). Σήμερα, τα μη{1}}μη ανθρωποειδή μηχανήματα που λειτουργούν για εμάς είναι συνηθισμένα, όπως ρομπότ παράδοσης, αυτο-αυτοκίνητα, ρομπότ σκουπίσματος και εναέρια drones. Δεδομένου του αντίκτυπου του CES, μπορεί να βρισκόμαστε στα πρόθυρα μιας νέας εποχής: Κάθε σπίτι θα έχει τουλάχιστον ένα ρομπότ από μια σκηνή ταινίας επιστημονικής- φαντασίας όπως το Star Wars.
Από την άλλη πλευρά, καθώς οι ανέπαφες υπηρεσίες συνεχίζουν να επιταχύνονται κατά τη διάρκεια της πανδημίας του COVID-19, οι υπηρεσίες metaverse που συνδυάζουν την εικονική και την πραγματικότητα κερδίζουν δημοτικότητα και η ζήτηση για τέτοιες υπηρεσίες αυξάνεται εκθετικά. Πολλοί άνθρωποι αρχίζουν να χρησιμοποιούν την τεχνολογία επαυξημένης πραγματικότητας (AR, επαυξημένης πραγματικότητας) ή εικονικής πραγματικότητας (VR, Virtual Reality). Σύντομα, οι συσκευές AR και VR θα κυκλοφορούν σαν smartphone. Αυτό θα εγκαινιάσει μια νέα εποχή όπου οι υπηρεσίες θα είναι διαθέσιμες ανά πάσα στιγμή, οπουδήποτε, πράγμα που σημαίνει ότι δεν χρειάζεται πλέον να επισκεπτόμαστε τράπεζες ή κατασκευαστές και μπορούμε να συντηρούμε προϊόντα χωρίς να μπαίνουμε στο εργοστάσιο.
Εικόνα 1: Ρομπότ παράδοσης Ocado
Eye of the Machine (Machine Vision)
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.
Είναι όμως οι εικόνες υψηλής ανάλυσης-απαραίτητα κατάλληλες για μηχανική όραση; Για τα μάτια των μηχανημάτων αιχμής που είναι υπεύθυνα για την ασφάλεια και την ασφάλεια, ακόμη και τα πιο ευκρινή δεδομένα εικόνας δύο-διαστάσεων (2D) δεν είναι αρκετά για να λειτουργήσουν στη θέση των ανθρώπων. Ένα τέτοιο μηχάνημα ενδέχεται να μην μπορεί να εκτελέσει αποστολές σε τακτικές λειτουργίες όπως το R2-D2. Αλλά για αυτοκίνητα-αυτοκίνητα και μη επανδρωμένα αεροσκάφη, είναι απαραίτητο να προσδιορίζεται με ακρίβεια η στιγμή πέδησης κατά την οδήγηση υψηλής-ταχύτητας. για συσκευές αναγνώρισης προσώπου, είναι απαραίτητο να σαρώσετε με ακρίβεια πρόσωπα αντί για επίπεδες εικόνες. για συσκευές AR, σε πραγματικό χρόνο{10}}Σαρώστε μεγάλους χώρους για επαυξημένη πραγματικότητα. Αυτά τα μηχανήματα απαιτούν όχι μόνο δεδομένα εικόνας 2D, αλλά και τρισδιάστατη (3D) τεχνική υποστήριξη. Ένα μηχάνημα μπορεί να λάβει τρισδιάστατα δεδομένα μέσω μιας σύνθετης υπολογιστικής διαδικασίας χωρίς κάμερα, με βοηθήματα όπως εξοπλισμό υπερήχων ή λέιζερ. Ωστόσο, ένα μηχάνημα με τόσα πρόσθετα εξαρτήματα θα απορριφθεί από τους καταναλωτές ως προς το σχεδιασμό και την τιμή.
Εικόνα 2: Απαραίτητα χαρακτηριστικά του ματιού της μηχανής
Με τη συνεργασία των ματιών και του εγκεφάλου, οι άνθρωποι μπορούν να δουν τα αντικείμενα στερεοσκοπικά και να αναγνωρίσουν το βάθος και την απόσταση. Μέσω ενός παρόμοιου μηχανισμού, οι μηχανές μπορούν επίσης να αναγνωρίζουν πολυδιάστατα αντικείμενα και να μετρούν αποστάσεις μέσω τριγωνισμού. Για παράδειγμα, η στερεοφωνική όραση χρησιμοποιεί δύο κάμερες και έναν επεξεργαστή για να επιτύχει το εφέ αναγνώρισης. Ωστόσο, τέτοιοι μηχανισμοί υποφέρουν επίσης από μειονεκτήματα όπως η υπολογιστική πολυπλοκότητα, η έλλειψη ακρίβειας στη μέτρηση των επιπέδων αποστάσεων και η χαμηλή ακρίβεια σε σχετικά σκοτεινά μέρη, τα οποία περιορίζουν το εύρος τέτοιων μηχανισμών. Πρόσφατα, η μέθοδος-of-Flight (ToF) έχει τεθεί σε πρακτική χρήση ως εναλλακτική μέθοδος για την αντιμετώπιση αυτών των ελλείψεων. Το ToF είναι ένας απλός τρόπος μέτρησης της απόστασης υπολογίζοντας το χρόνο που χρειάζεται για να αναπηδήσει το φως από ένα αντικείμενο. Αυτή η μέθοδος είναι εύκολη και γρήγορη στην εκτέλεση και έχει το πρόσθετο πλεονέκτημα της ακριβούς μέτρησης των αποστάσεων ανεξάρτητα από το περιβάλλον φωτισμού, επειδή χρησιμοποιεί ξεχωριστή πηγή φωτός.
ToF: η απόσταση λαμβάνεται με τη μέτρηση του χρόνου γύρο-του εκπεμπόμενου φωτός
Στερεοσκοπική όραση: δύο οπτικά συστήματα που βλέπουν το ίδιο αντικείμενο από δύο διαφορετικά σημεία σε σχέση με την ίδια γραμμή βάσης
Εικόνα 3: Σύγκριση μεθόδων αναγνώρισης Stereo Vision και ToF Object
μέθοδος ώρας πτήσης
Το ToF μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες: άμεσο ToF (d-ToF, άμεσο ToF) και έμμεσο ToF (i-ToF, έμμεσο ToF). Η απόσταση υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τη διαφορά φάσης του επιστρεφόμενου φωτός. Η SK hynix ανέπτυξε αυτές τις δύο τεχνολογίες αισθητήρων ToF για να τις χρησιμοποιήσει σε διάφορα προϊόντα. Πιθανώς, τα ρομπότ του μέλλοντος θα έχουν το ένα μάτι που χρησιμοποιεί το i-ToF για να αναγνωρίζει αντικείμενα σε κοντινή απόσταση και το άλλο μάτι που θα χρησιμοποιεί το d-ToF για να εξερευνά μακρινά αντικείμενα.
Ο σκοπός αυτού του άρθρου είναι να αποσαφηνίσει την τεχνολογία i-ToF του SK hynix.
Εικόνα 4: Συγκριτική ανάλυση του έμμεσου ToF και του άμεσου ToF
Η μέθοδος i-ToF υπολογίζει τη διαφορά φάσης από την πηγή φωτός με την αναλογία των φορτίων που συσσωρεύονται σε περισσότερες από δύο διαφορετικές μνήμες μέσα σε ένα pixel και μετρά την απόσταση ανάλογα. Σε σύγκριση με το d-ToF, αυτός ο μηχανισμός έχει ορισμένους περιορισμούς στη μέτρηση της απόστασης, επειδή όταν το φως επιστρέφει από απόσταση, υπάρχουν λιγότερα σήματα που μπορούν να διαχωριστούν λόγω μειωμένης έντασης. Ωστόσο, σε σύγκριση με το d-ToF, έχει το πλεονέκτημα της υψηλότερης ανάλυσης, λόγω του απλού κυκλώματος του, το pixel μπορεί να διαχωρίσει το σήμα από μόνο του και είναι εύκολο να συρρικνωθεί το pixel. Για να αντισταθμιστούν οι περιορισμοί του i-ToF και να μεγιστοποιηθούν τα πλεονεκτήματά του, γίνεται τώρα μεγάλη έρευνα για να βελτιωθεί ο λόγος σήματος προς-θόρυβο (SNR), να αυξηθεί η κβαντική απόδοση (QE) πηγών υπέρυθρου φωτός ή χρησιμοποιήστε τεχνικές για την αφαίρεση του φωτός φόντου (BGL). και επεκτείνονται.
Η τρέχουσα δομή εικονοστοιχείων i-ToF μπορεί χονδρικά να χωριστεί σε δομή πύλης και δομή διάχυσης. Η μέθοδος δομής πύλης δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού εφαρμόζοντας μια διαμορφωμένη τάση στο πλέγμα για τη συλλογή των γύρω ηλεκτρονίων. Η δομή διάχυσης, από την άλλη πλευρά, δρα ως φωτονικός αποδιαμορφωτής-με τη βοήθεια ρεύματος (CAPD) για τη συλλογή ηλεκτρονίων χρησιμοποιώντας το ρεύμα που παράγεται με την εφαρμογή μιας διαμορφωμένης τάσης στο υπόστρωμα. Σε σύγκριση με το πρώτο, το δεύτερο μπορεί να ανιχνεύσει γρήγορα ηλεκτρόνια που δημιουργούνται σε βαθύτερες περιοχές, καθιστώντας τη μεταφορά πιο αποτελεσματική, αλλά απαιτεί περισσότερη διασπορά ισχύος επειδή χρησιμοποιεί ένα πολύ-κατώτερο ρεύμα. Επιπλέον, καθώς τα pixel γίνονται μικρότερα και ο αριθμός των pixel αυξάνεται λόγω υψηλής ανάλυσης, η κατανάλωση ενέργειας αυξάνεται περαιτέρω.
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.
Πλεονεκτήματα της τεχνολογίας VFM Pixel
Υπάρχουν διάφορα κριτήρια για να κρίνουμε έναν καλό αισθητήρα μέτρησης απόστασης, αλλά πρώτα και κύρια, θα πρέπει να μπορεί να ανιχνεύει με ακρίβεια την απόσταση και να μειώνει τα προβλήματα θέρμανσης μέσω της χαμηλότερης κατανάλωσης ενέργειας. Με άλλα λόγια, ένας καλός αισθητήρας πρέπει να ανιχνεύει τα σήματα γρήγορα με υψηλή απόδοση και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, ενώ πρέπει επίσης να διαχωρίζει με ακρίβεια τα σήματα με βάση τις διαφορές φάσης.
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.
Εικόνα 5: Σύγκριση μπροστινού-φωτισμένου και πίσω-φωτισμένου (διαπερατότητα και συλλογή φωτός ανά πάχος)
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).
Εικόνα 6: i-Τιμή συσσώρευσης χρέωσης ToF για διαφορετικές μεθόδους φωτισμού (ανάλογα με την άντληση νερού υπόγεια και την κοπή δέντρων σε πυκνά δάση)
Αυτό το πλεονέκτημα του οπίσθιου-φωτισμού μπορεί να επιτευχθεί με συνδυασμό με την τεχνολογία οπίσθιου- φωτισμού CIS της SK hynix, η οποία διαθέτει την τεχνολογία δημιουργίας pixel μικρότερα από 1 micron.
2. Οπτικός κυματοδηγός δομής μικρής διάταξης φακών (SLA) και κβαντική απόδοση
Σύμφωνα με τον μηχανισμό i-ToF που χρησιμοποιεί τον ρυθμό συσσώρευσης φορτίου, χρειαζόμαστε το μέγιστο επίπεδο σήματος για να λάβουμε ακριβή δεδομένα απόστασης σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Επομένως, το υψηλό QE στο εύρος μήκους κύματος υπερύθρων είναι απαραίτητο.
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, λόγω της υψηλής διεισδυτικής ισχύος της υπέρυθρης πηγής φωτός, η ένταση φωτός της είναι ασθενέστερη από αυτή του ορατού φωτός, επομένως το βάθος συλλογής φωτός είναι βαθύ. Ένας τρόπος για να το αντιμετωπίσετε αυτό είναι να σχηματίσετε σκόπιμα δομές μικροφακού (φακοί μικρού-μεγέθους διατεταγμένοι σύμφωνα με το μέγεθος και τον αριθμό των pixel κάτω από τον φακό της κάμερας) ψηλά για να επιτευχθεί καλύτερη συλλογή φωτός, αλλά το ύψος είναι περιορισμένο λόγω τεχνικούς περιορισμούς. Η SK hynix έχει υιοθετήσει μια διαφορετική προσέγγιση για να ξεπεράσει αυτό το μειονέκτημα. Τοποθετώντας πολλούς φακούς σε κάθε εικονοστοιχείο που είναι μικρότεροι από το μέγεθος του εικονοστοιχείου, αυτή η μέθοδος αυξάνει το βάθος συλλογής-του φωτός, αυξάνοντας έτσι τη συνολική ποσότητα φωτός που λαμβάνεται.
Επιπλέον, το SK hynix σκάβει επίσης μια ειδική δομή σχεδίου στο πίσω μέρος, έτσι ώστε το προσπίπτον φως να αγγίζει τη δομή και να ανακλάται από αυτήν, επεκτείνοντας τη διαδρομή μετάδοσης του φωτός και εστιάζοντας το φως στην περιοχή διαμόρφωσης, μειώνοντας έτσι τον ρυθμό απώλειας φωτός και βελτιώνοντας την απόδοση μετάδοσης κάτω από την ίδια ένταση φωτός επιτυγχάνει το αποτέλεσμα της θανάτωσης δύο πουλιών με μια πέτρα. Στην πραγματικότητα, αυτό επιβεβαιώνει ότι το QE είναι υπερδιπλασιασμένο κάτω από την πηγή φωτός 940nm. Σε υψηλότερο QE, επιτυγχάνει να μειώσει το σφάλμα μεταξύ πραγματικών και μετρούμενων αποστάσεων κατά σχεδόν 55 τοις εκατό σε σύγκριση με προηγούμενες μεθόδους.
Εικόνα 7: SLA (αριστερά) και δομημένος οπτικός κυματοδηγός με τάφρο- (δεξιά)
3. Εξασφαλίστε χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και υψηλή απόδοση
Εξαιρουμένης της κατανάλωσης ενέργειας της πηγής φωτός, ο αισθητήρας ToF καταναλώνει τη μεγαλύτερη ισχύ στο κύκλωμα που διαμορφώνει το σήμα όταν λειτουργεί. Η ισχύς του κυκλώματος κίνησης διαμόρφωσης είναι ανάλογη με το ρεύμα που διαρρέει την πλακέτα. Με άλλα λόγια, μπορούμε να μειώσουμε την κατανάλωση ρεύματος μειώνοντας το ρεύμα του υποστρώματος. Επιπλέον, οι ακριβείς και ακριβείς μετρήσεις απόστασης απαιτούν μικρότερες περιόδους διαμόρφωσης και γρήγορη ανίχνευση σήματος. Το όχημα (φωτόνιο) πρέπει να επιταχύνει πατώντας το πεντάλ του γκαζιού για να διανύσει γρήγορα την ίδια απόσταση (πάχος πυριτίου), η οποία καταναλώνει πολύ καύσιμο (ή ρεύμα). Ως άλλο παράδειγμα, η άντληση νερού από ένα βαθύ πηγάδι απαιτεί πολλή δύναμη για την ανύψωση της τροχαλίας. Τι θα γινόταν όμως αν μπορούσατε να αντλήσετε τα υπόγεια ύδατα; Μπορείτε να τραβήξετε όλο το νερό που χρειάζεστε με λίγη προσπάθεια, απλά ανοίξτε τη βρύση.
Η μέθοδος VFM αυξάνει την περιοχή εξάντλησης βελτιστοποιώντας τις συνθήκες και τη δομή της εμφύτευσης ιόντων pixel, επιτρέποντάς της να λειτουργεί σαν αντλία και ενισχύοντας το κατακόρυφο ηλεκτρικό πεδίο. Ως εκ τούτου, η δύναμη του ηλεκτρικού πεδίου προστίθεται στο ρεύμα, το οποίο μπορεί να συλλέξει αποτελεσματικά ηλεκτρόνια και ταυτόχρονα, μπορεί επίσης να επιτύχει γρήγορη συλλογή υπό συνθήκες μικρού ρεύματος και να αυξήσει την κατανάλωση ενέργειας. Εκτεταμένα πειράματα έχουν δείξει ότι όταν αυξάνεται το ρεύμα, χάνεται η απόδοση του εικονοστοιχείου VFM, πράγμα που σημαίνει ότι είναι πιο κατάλληλη δομή για χαμηλή ισχύ και το ρεύμα δεν είναι πλέον σημαντικός παράγοντας. Με άλλα λόγια, η μέθοδος βελτιώνει την απόδοση του εικονοστοιχείου ελέγχοντας το ρεύμα μέσω ενός σχεδιασμού που επιτρέπει ένα ισχυρό κατακόρυφο ηλεκτρικό πεδίο έτσι ώστε να λειτουργεί μόνο ως οδηγός. Σε σύγκριση με τον αισθητήρα κλάσης QVGA-ToF, ο αισθητήρας κλάσης ToF 5um VGA-έχει μικρότερο μέγεθος pixel και υψηλότερη ανάλυση, αλλά το ρεύμα ανά εικονοστοιχείο μειώνεται και η αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας είναι σχεδόν μηδενική .
Εικόνα 8: Ως αισθητήρας ToF, η δομή VFM έχει πιο αποδοτική κατανάλωση ενέργειας
Συνοψίζω
Η SK hynix συμβάλλει στη δημιουργία οικονομικής και κοινωνικής αξίας δίνοντας τη δυνατότητα σε διάφορους κατασκευαστές δομοστοιχείων να εισέλθουν σε ένα ευρύ φάσμα αγορών εφαρμογών παρέχοντας στενή τεχνική υποστήριξη και αισθητήρες ενώ αναπτύσσει την τεχνολογία αισθητήρων 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.
