През годините поредицата филми "Междузвездни войни" винаги са шокирали сърцата на безброй кинолюбители: независимо дали именно джедаите рицари са се борили срещу злите сили въпреки зловещите, или смелостта и жертвата на организацията на съпротивата в лицето на потисничеството, и накрая чрез отличната Стратегията за победа... Отвъд това, брилянтните дуели на светлинния меч във филма, както и действията на дроиди като R2-D2, C-3PO, и BB-8, са впечатляващи. Без тези дроиди, Междузвездни войни може да не е имал толкова невероятен край.
Роботите и метаверса са една от най-горещите теми на Международното изложение за потребителска електроника 2022 (CES). Днес не-хуманоидните машини, които работят за нас, са обичайни, като роботи за доставка, самоуправляване на автомобили, метещи роботи, и дронове за дронове от всякъде. Като се има предвид въздействието на CES, може да сме на прага на нова ера: Всеки дом ще има поне един робот от научно-фи филмова сцена като Междузвездни войни.
От друга страна, тъй като безконтактните услуги продължават да се ускоряват по време на пандемията COVID-19, метаверсните услуги, които съчетават виртуална и реалност, набират популярност и търсенето на такива услуги нараства експоненциално. Много хора започват да използват технологията Augmented Reality (AR, Augmented Reality) или Виртуална реалност (VR, Виртуална реалност). Скоро, AR и VR устройства ще се пренасят наоколо като смартфони. Това ще въведе нова ера, в която услугите ще бъдат достъпни по всяко време и навсякъде, което означава, че вече няма нужда да посещаваме банки или производители, и можем да поддържаме продукти, без да влизаме във фабриката.
Фигура 1: Робот за доставка на Ocado
Око на машината (Машинно виждане)
Подкрепена от невероятния напредък в полупроводниковия процес и технологията обработка на сигнали за изображения (ISP, Обработка на сигнали за изображения), падащи цени и отлична висока производителност с висока разделителна способност, технологията cMOS сензор за изображения (CIS) се превърна в основна опора на различни устройства като смартфони. "Око". Пикселите са това, което определя производителността на камерата, а конкуренцията около тях е избутала технологията на камерата до 600 мегапиксела отвъд човешкото око.
Но дали изображенията с висока разделителна способност са непременно подходящи за машинно виждане? За очите на авангардните машини, отговорни за безопасността и сигурността, дори най-острите двуизмерни (2D) данни за изображенията не са достатъчни, за да могат те да работят на мястото на хората. Такава машина може да не е в състояние да изпълнява мисии в тактически операции като R2-D2. Но за самоуправляване на автомобили и безпилотни самолети е необходимо точно да се идентифицира спирачният момент по време на високоскоростно шофиране; за устройствата за лицево разпознаване е необходимо точно да се сканират лица вместо плоски изображения; за AR устройства, сканиране в реално време големи пространства за добавена реалност. Тези машини изискват не само 2D данни за изображението, но и триизмерна (3D) техническа поддръжка. Една машина може да получи 3D данни чрез сложен изчислителна процес без камера, със спомагателни средства като ултразвук или лазерно оборудване. Машина с толкова много допълнителни компоненти обаче би била отхвърлена от потребителите по отношение на дизайна и цената.
Фигура 2: Необходими характеристики на окото на машината
Със сътрудничеството на очите и мозъка, хората могат да виждат обекти стереоскопично и да разпознават дълбочината и разстоянието. Чрез подобен механизъм машините могат да идентифицират и многоизмерни обекти и да измерват разстоянията чрез триангулация. Например стерео зрението използва две камери и процесор, за да постигне ефекта на разпознаване. Такива механизми обаче страдат и от недостатъци като изчислителна сложност, липса на точност при измерване на равнинните разстояния и ниска точност на сравнително тъмни места, които стесняват обхвата на такива механизми. Наскоро методът Time-of-Flight (ToF) е въведен в практическа употреба като алтернативен метод за преодоляване на тези недостатъци. ToF е прост начин за измерване на разстоянието чрез изчисляване на времето, необходимо за светлината, за да отскочи от обект. Този метод е лесен и бърз за изпълнение, и има добавеното предимство от точното измерване на разстоянията независимо от средата на осветление, защото използва отделен източник на светлина.
ToF: разстоянието се получава чрез измерване на двупосочното време на излъчваната светлина
Стереоскопично зрение: две оптични системи, разглеждащи един и същ обект от две различни точки спрямо една и съща изходна линия
Фигура 3: Сравнение на стерео визията и ToF методите за разпознаване на обекти
време на полетния метод
ToF може да бъде разделен на две категории: директен ToF (d-ToF, директен ToF) и индиректен ToF (i-ToF, косвен ToF). Разстоянието се изчислява с помощта на фазовата разлика на върната светлина. SK hynix разработи тези две ToF сензорни технологии, за да ги утихне в различни продукти. Вероятно роботите на бъдещето ще имат едно око, което използва i-ToF, за да разпознава обекти от близко разстояние, а другото око, което използва d-ToF, за да изследва далечни обекти.
Целта на тази статия е да изясни i-ToF технологията на SK hynix.
Фигура 4: Сравнителен анализ на непреки ToF и преки ToF
Методът i-ToF изчислява фазовата разлика от източника на светлина със съотношението на зарядите, натрупани в повече от два различни спомени в рамките на пиксел, и съответно измерва разстоянието. В сравнение с d-ToF, този механизъм има някои ограничения в измерването на разстоянието, защото когато светлината се върне от разстояние, има по-малко сигнали, които могат да бъдат разделени поради намалена интензивност. Въпреки това, в сравнение с d-ToF, той има предимството на по-висока разделителна способност, поради простата си верига, пикселът може да раздели сигнала от само себе си и е лесно да се свие пиксела. За да се компенсират ограниченията на i-ToF и да се максимизират предимствата му, сега се прави голямо количество изследвания за подобряване на съотношението сигнал към шум (SNR), повишаване на квантовата ефективност (Ке) на инфрачервените източници на светлина или техники за наемане на работа за премахване на фоновата светлина (BGL). и да се разшири.
Текущата i-ToF пикселна структура може да бъде грубо разделена на порта структура и дифузионна структура. Методът на структурата на портата генерира потенциална разлика чрез прилагане на модулирано напрежение върху настъргването за събиране на околните електрони. Дифузионната структура, от друга страна, действа като асистенционен фотонен демодулатор (CAPD) с помощта на ток, генериран чрез прилагане на модулирано напрежение върху субстрата. В сравнение с първите, последните могат бързо да откриват електрони, генерирани в по-дълбоки региони, което прави прехвърлянето по-ефективно, но изисква по-голямо разсейване на мощността, защото използва многотоварен по-нисш ток. Освен това, тъй като пикселите стават по-малки и броят на пикселите се увеличава поради високата разделителна способност, консумацията на енергия се увеличава допълнително.
За да увеличи максимално предимствата на CAPD и да намали ограниченията си, SK hynix разработи 10um QVGA-клас и 5um VGA-клас пиксел технология, като използва нова структура, наречена VFM (Модулатор на вертикално поле). След това да се гмуркаме дълбоко във VFM технологията и ползите от нея.
Предимства на VFM Пиксел технология
Има различни критерии за преценка на добър сензор за измерване на разстоянието, но преди всичко, той трябва да може точно да открива разстояние и да намалява проблемите с отоплението чрез по-ниска консумация на енергия. С други думи, добрият датчик трябва да открива сигнали бързо с висока ефективност и ниска консумация на енергия, като същевременно той също трябва точно да отдели сигналите въз основа на фазовите разлики.
1. Технологията и комбинацията на SK hynix за обратно осветени (BSI)
Подобно на CIS, бек-осветената обработка носи редица предимства на ToF сензорния дизайн или производителност. Източникът на светлина, използван за изчисляване на времето на полета, е инфрачервена светлина (IR), защото трябва да е невидим за човешкото око. И, тя изчислява точни разстояния дори и в среди с ниска светлина. Инфрачервената има по-дълга дължина на вълната в сравнение с видимата светлина, което означава, че без да се използва по-дебела вафла от ОНД, по-голямата част от светлината се прониква, което води до изключително ниски нива на сигнала в пикселите. Но това не означава, че дебелината може да расте безкрайно. Трудно е бързо да се съберат електрони, произведени в по-дълбоки региони, точно както дълбоководният риболов е по-труден от риболова на риболовните места. Когато се използва осветяване на задната страна вместо предно осветено (FSI), сигналът може да се открие бързо, защото осветяването на задната страна позволява светлината да се събира по-близо заедно, където електрическото поле, което действа като въдица, също се прожектира от противоположната страна, като стане по-силно със светлина.
Фигура 5: Сравнение на светеща отпред и обратно осветена (пропускливост и събиране на светлина на дебелина)
Производителността на i-ToF зависи от способността му да разделя сигналите според скоростта на натрупване на заряд. В тази връзка, предосветените сензори могат да причинят грешки в разстояние, защото когато светлината премине през пикселната повърхност, е по-вероятно директно да навлезе в възела за откриване, пренебрегвайки фазовата разлика. Сякаш има и други ученици в класната стая, когато се провежда ролката. В осветените отпред има и много ограничения върху металното окабеляване, за да се гарантира по-висок коефициент на запълване, докато обратно осветените позволява по-широк избор на метално окабеляване, като изчертаване на вода от земята, отколкото рязане на дървета в гъста гора Събиране на дъждовна вода е по-ефективно (фигура 6).
Фигура 6: коефициенти на натрупване на заряд i-ToF за различни методи на осветление (аналогични на изтеглянето на вода под земята и рязането на дървета в гъсти гори)
Това предимство на бек-осветяването може да се постигне чрез комбиниране с оНД бек-осветената технология на SK hynix, която има технологията да създава пиксели, по-малки от 1 микрон.
2. Малък масив обектив (SLA) & окопа структура оптичен waveguide и квантова ефективност
Според механизма i-ToF, използващ скоростта на натрупване на заряд, се нуждаем от максималното ниво на сигнала, за да получим точни данни за разстоянието на по-дълги разстояния. Затова високото QE в диапазона на инфрачервената дължина на вълната е от съществено значение.
Както бе споменато по-горе, поради високата проникваща сила на инфрачервения източник на светлина, неговата светлинна интензивност е по-слаба от тази на видимата светлина, така че дълбочината на събиране на светлината е дълбока. Един от начините да се справите с това е умишлено да формирате микролени структури (малки по размер лещи, подредени според размера и броя на пикселите под обектива на фотоапарата) високо, за да се постигне по-добро събиране на светлина, но височината е ограничена поради технически ограничения. SK hynix възприе различен подход за преодоляване на този недостатък. С поставянето на няколко лещи на всеки пиксел, които са по-малки от размера на пиксела, този метод увеличава дълбочината на събиране на светлина, като по този начин увеличава общото количество получена светлина.
Освен това SK hynix изкопава и специална структура на модела на гърба, Така че светлината на инцидента да докосне структурата и да бъде отразена от нея, разширяването на пътя за предаване на светлина и фокусирането на светлината върху зоната на модулация, като по този начин се намалява скоростта на загуба на светлина и се подобрява ефективността на преноса под еднаква светлинна интензивност, се постига ефект на убиване на две птици с един камък. Всъщност, това потвърждава, че Ке е повече от удвоена под източника на светлина 940nm. При по-високо КЕ успява да намали грешката между действителните и измерените разстояния с близо 55% в сравнение с предишните методи.
Фигура 7: SLA (вляво) и оптичен вълнообразен уейвгид с изкопна конструкция (вдясно)
3. Осигурете ниска консумация на енергия и висока производителност
С изключение на консумацията на енергия на източника на светлина, ToF сензорът консумира най-много мощност в веригата, която модулира сигнала, когато работи. Мощността на модулационната задвижваща верига е пропорционална на тока, който тече през дъската. С други думи, можем да намалим консумацията на енергия чрез намаляване на субстратния ток. Освен това точните и прецизни измервания на разстоянието изискват по-кратки периоди на модулация и бързо откриване на сигнала. Превозното средство (фотон) трябва да бъде ускорено чрез стъпване на педала на газа, за да се изминава бързо същото разстояние (силициева дебелина), което консумира много гориво (или ток). Като друг пример, рисуването на вода от дълбок кладенец изисква много сила, за да се вдигне пулта. Но ако можеше да изпомпваш подпочвените води нагоре? Можете да извадите цялата вода, от която се нуждаете с малко усилия, просто включете кранчето.
Методът VFM увеличава региона на изчерпване, като оптимизира условията и структурата на имплантацията на пикселните йони, като му дава възможност да действа като помпа и укрепва вертикалното електрическо поле. Следователно, силата на електрическото поле се добавя към тока, който може ефективно да събира електрони, а в същото време, той може да постигне и бързо събиране при условие на малък ток, и да засили консумацията на енергия. Обширните експерименти показаха, че когато токът се увеличи, се губи производителността на VFM пиксела, което означава, че той е по-подходяща структура за ниска мощност, а токът вече не е важен фактор. С други думи, методът подобрява производителността на пиксела, като контролира тока чрез дизайн, който позволява силно вертикално електрическо поле, така че да действа само като ръководство. В сравнение със сензора QVGA клас ToF, 5um VGA-клас ToF сензорът е с по-малък размер на пиксела и по-висока разделителна способност, но токът на пиксел е намален, а увеличаването на консумацията на енергия е почти нула.
Фигура 8: Като ToF сензор VFM структурата има по-ефективна консумация на енергия
Обобщим
SK hynix допринася за създаването на икономическа и социална стойност, като дава възможност на различни производители на модули да навлязат в широк спектър от пазари на приложения, като предоставят тясна техническа поддръжка и сензори, като същевременно разработват toF сензорна технология.
В бъдеще ще можем да използваме оборудване ar/VR, за да пътуваме по целия свят, да използваме безпилотни летателни апарати за доставка на пакети, да оставим домашните роботи да ни донесат пакети, да помолят метещите роботи да почистват за нас и дори да седят в самоуправляване на автомобили, задвижвани от разпознаване на лица. Гледайте новините в колата. Очакваме тези сценарии да бъдат реализирани в новия свят, които технологията за дълбоко решение на SK hynix предстои да се отвори.
