3D傳感技術(shù)在光源照明等領(lǐng)域取得多項進(jìn)展

　　從消費電子市場(chǎng)到工業(yè)應用，隨著(zhù)新應用在各領(lǐng)域的不斷出現，3D傳感技術(shù)的市場(chǎng)在不斷地發(fā)展壯大?，F今幾乎所有的智能電視及操作系統都已經(jīng)能支持動(dòng)作識別的相關(guān)功能，完成諸如畫(huà)面縮放和頻道切換等功能;傳感器能夠通過(guò)探測生產(chǎn)線(xiàn)的移動(dòng)和表面質(zhì)量，從而控制產(chǎn)品在生產(chǎn)線(xiàn)中的流向;設計人員也可以對復雜的形狀進(jìn)行掃描并通過(guò)3D打印機進(jìn)行復制;監控系統也已能確保動(dòng)物和人類(lèi)遠離危險的區域。

　　如今的傳感器也已可以探測到極端細微的動(dòng)作和特征?，F代的傳感器不僅能夠探測到點(diǎn)頭之類(lèi)的動(dòng)作，還可以精確地識別是誰(shuí)點(diǎn)的頭;除了識別功能，現代的傳感器還可以用來(lái)檢測心跳和情感交流時(shí)細微的面部特征;現今，3D傳感器也已經(jīng)應用于室外，這意味著(zhù)傳感技術(shù)已能應對高亮度或復雜光照等環(huán)境下的監測需要。

　　一系列的市場(chǎng)研究報告展示了3D傳感市場(chǎng)的廣闊前景。據市場(chǎng)調研公司Marketsandmarkets預計，動(dòng)作識別和非觸碰感應技術(shù)的市場(chǎng)規模，將在未來(lái)數年間取得79%的增長(cháng);據CompaniesandMarkets.com網(wǎng)站發(fā)布的報告預測，截至2018年，動(dòng)作識別及非觸碰感應市場(chǎng)的復合年均增長(cháng)率將保持在50.7%的水平，市場(chǎng)規模將達到71.5億美元;另外，思邁汽車(chē)信息咨詢(xún)公司(IHSAutomotive)也發(fā)布報告表明，2030年動(dòng)作識別及非觸碰感應產(chǎn)品在汽車(chē)行業(yè)的使用量將超過(guò)3800萬(wàn)套。3D傳感市場(chǎng)的快速增長(cháng)和應用數量的持續增加，主要得益于光學(xué)和照明技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)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(lái)說(shuō)，3D傳感技術(shù)主要是指對物體隨時(shí)間變化的特征和位置進(jìn)行追蹤。為了實(shí)現這一目的，人類(lèi)的眼睛擁有兩種不同波長(cháng)的傳感器(晶狀體和視神經(jīng))，大腦是一個(gè)復雜的處理器。通過(guò)眼睛和大腦協(xié)同工作，人類(lèi)實(shí)現可以對波長(cháng)在390-700nm范圍內的光線(xiàn)進(jìn)行觀(guān)測。3D傳感設備的工作原理與此基本一致，只不過(guò)通常還會(huì )配備一個(gè)照明光源。

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

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

　　•照明光源—通常會(huì )使用LED或激光二極管來(lái)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(xiàn)以及其他雜光進(jìn)行消除

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

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

　　照明光源

　　憑借優(yōu)異的光譜準確性以及光電信號轉換效率，激光二極管成為諸多消費類(lèi)電子應用設備首選的照明光源。通常這些消費電子應用設備的特點(diǎn)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(shí)，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(xiàn)的波長(cháng)十分敏感，這就要求在較大溫度范圍內光線(xiàn)的波長(cháng)保持穩定。

　　在光線(xiàn)波長(cháng)可選范圍和照明準確性方面，LED照明系統的處于劣勢。對于短波長(cháng)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(diǎn)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的3D傳感設備，其總體性能要比采用LED的3D傳感設備高出5到10倍。

　　單模激光二極管的特點(diǎn)是折射率導引、單模波導，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(chǎng)光線(xiàn)，之外，它能以低工作電流產(chǎn)生高功率的光線(xiàn)。此類(lèi)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?。Fabry-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備。更重要的是，VCSEL能適應晶片規模的測試及組裝，并適用于超大規模的應用設備。

　　光學(xué)濾波器

　　3D傳感系統中使用的光學(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信噪比很低，在其他波段則會(huì )被徹底屏蔽。光學(xué)濾波器的元件通常會(huì )作為一層鍍膜涂在攝像頭的鏡片上，或者是作為一個(gè)獨立的元件單獨存在。

　　通過(guò)對進(jìn)入傳感器的光線(xiàn)加以限制，光學(xué)濾波器可以把與3D傳感進(jìn)程無(wú)關(guān)的數據清除，再加上應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(jìn)步

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

　　照明光源

　　隨著(zhù)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(lèi)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(lái)說(shuō)已不是問(wèn)題。

　　設計的優(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(zhù)使用較少的電量便可以產(chǎn)生更多的光。這對3D傳感系統的影響主要集中在兩個(gè)方面：照明系統所需要的電量越少，意味著(zhù)3D傳感系統核心的處理系統能獲得更多的電能;電池可以更小，處理能力可以更強。另外，效率越高，設備的散熱也就越少。

　　針對照明需求和能源消耗的矛盾問(wèn)題，設計人員現在有了更好的選擇。3D傳感系統在激光二極管在全功率運轉時(shí)的性能最好，此時(shí)激光二極管提供的高亮度使傳感器有極高的分辨率。不過(guò)，即使即使設計的電源功率較小，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定的波長(cháng)，這使得匹配合適的濾光片變得相對容易。當需要對系統進(jìn)行優(yōu)化以更好地適應復雜的光線(xiàn)環(huán)境時(shí)，調整激光或濾波器的波長(cháng)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在，尤其是對于較暗環(huán)境下運行的設備而言，這種方法更加重要。

　　最后，新式芯片取消了氣密封裝的設計，從而方便用戶(hù)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(jìn)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(jià)。

　　光學(xué)濾波器

　　隨著(zhù)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(dòng)設備而言，更傾向于采用大視場(chǎng)薄膜干涉濾光片，但因為它對角度的變化非常敏感，此類(lèi)濾光片的帶通也會(huì )隨角度變化。

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

　　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(jìn)行濾波器的大規模生產(chǎn)，光程的任何一點(diǎn)縮減都會(huì )十分重要。

　　分辨率

　　對于手臂或手部動(dòng)作的感應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(dòng)作和眼部動(dòng)作的感應要求較高的智能水平，因此，傳感器也應當具備更高的分辨率。目前市面上最新式的高清智能手機的像素已高達4100萬(wàn)，這遠遠超過(guò)了當前任何一款3D傳感設備對圖像細節的要求。

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

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

　　應用的發(fā)展

　　近期3D系統對環(huán)境光的處理技術(shù)新進(jìn)展對車(chē)載應用十分關(guān)鍵。對于汽車(chē)而言，主要的感應區域位于擋風(fēng)玻璃的正下方，而這一區域同時(shí)又是最容易暴露在陽(yáng)光下或被車(chē)頭燈照到的區域。已有商家展示了在任何光照條件下對車(chē)載信息顯示系統進(jìn)行細致的非觸控式操控，此類(lèi)傳感設備很有可能將被逐漸應用于從豪華車(chē)型到經(jīng)濟車(chē)型等各個(gè)價(jià)位的汽車(chē)當中，因為此類(lèi)傳感設備不僅十分方便，同時(shí)也可以顯著(zhù)提高汽車(chē)的安全性。停車(chē)輔助系統以及預碰撞安全監測系統，也是3D傳感技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域不斷增長(cháng)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據，與指紋技術(shù)的準確性不相上下。就實(shí)用性而言，搭載3D傳感技術(shù)的計算機、甚至包括ATM自動(dòng)取款機在內的設備，可以在用戶(hù)打開(kāi)設備時(shí)，立刻對用戶(hù)進(jìn)行識別和認證，因此3D臉部識別技術(shù)的出現，意味著(zhù)繁瑣的登錄系統已經(jīng)成為過(guò)去式。的確，世界上處處可見(jiàn)的“電子密碼鎖”將會(huì )因此改變，一旦用戶(hù)通過(guò)臉部識別的認證，就可以方便地使用應用程序和信息數據，甚至是開(kāi)門(mén)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(dòng)力。谷歌正在推進(jìn)一個(gè)名為“ProjectTango”的項目，一款支持室內繪圖、功能強大的3D智能手機的設計工作。一旦谷歌眼鏡之類(lèi)的設備在市場(chǎng)上得到推廣，用戶(hù)在走路的過(guò)程中便可以在錯綜復雜的高樓大廈之間快速找到對的路線(xiàn)。對于視力障礙群體而言，該產(chǎn)品亦擁有巨大的市場(chǎng)潛力。

　　元件制造

　　想象3D傳感系統的應用很容易。創(chuàng )建高效的系統、藍本和小批量的設備并不簡(jiǎn)單，而持續大規模生產(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(lèi)似3D傳感系統的高速數據處理系統要求其元件能夠以低錯誤率、低退化率進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的運轉，這其中的關(guān)鍵問(wèn)題仍在于制造工藝。對于大規模、低利潤的消費電子元件而言，其成本的構成，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(chǎng)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，但嚴格按照標準生產(chǎn)數以百萬(wàn)計的部件則是全然不同的挑戰，而且消費電子產(chǎn)品利潤率極低。放眼全球，能夠大規模生產(chǎn)3D傳感元件的制造商，更是屈指可數。

　　作者:JDSU 公司商業(yè)激光二極管 產(chǎn)品線(xiàn)總監 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(xiàn)高級經(jīng)理MarkusBilger先生，他畢業(yè)于美國金門(mén)大學(xué)，獲有會(huì )計學(xué)學(xué)士和工商管理碩士學(xué)位。