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.
Roboty i metaverse to jeden z najgorętszych tematów na Międzynarodowych Targach Elektroniki Konsumenckiej (CES 2022). Obecnie powszechne są maszyny inne niż-humanoidalne, które dla nas pracują, takie jak roboty dostawcze, samojeżdżące-samochody, roboty zamiatające i drony. Biorąc pod uwagę wpływ targów CES, możemy być u progu nowej ery: w każdym domu będzie co najmniej jeden robot ze sceny filmu science-fi, takiej jak Gwiezdne wojny.
Z drugiej strony, ponieważ usługi zbliżeniowe nadal przyspieszają podczas pandemii COVID-19, usługi metaverse, które łączą wirtualną i rzeczywistość, zyskują na popularności, a popyt na takie usługi rośnie wykładniczo. Wiele osób zaczyna korzystać z technologii Augmented Reality (AR, Augmented Reality) lub Virtual Reality (VR, Virtual Reality). Wkrótce urządzenia AR i VR będą noszone jak smartfony. To zapoczątkuje nową erę, w której usługi będą dostępne zawsze i wszędzie, co oznacza, że nie będziemy już musieli odwiedzać banków ani producentów, a także będziemy mogli konserwować produkty bez wchodzenia do fabryki.
Rysunek 1: Robot dostarczający Ocado
Oko maszyny (Wizja maszynowa)
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.
Ale czy obrazy o wysokiej -rozdzielczości są koniecznie odpowiednie do widzenia maszynowego? Oczom najnowocześniejszych-maszyn odpowiedzialnych za bezpieczeństwo i ochronę nawet najostrzejsze dane obrazu dwu-wymiarowego (2D) nie wystarczą, aby mogły zastąpić ludzi. Taka maszyna może nie być w stanie wykonywać misji w operacjach taktycznych, takich jak R2-D2. Jednak w przypadku samojezdnych samochodów i dronów-niezbędna jest dokładna identyfikacja momentu hamowania podczas jazdy z dużą-prędkością; w przypadku urządzeń do rozpoznawania twarzy konieczne jest dokładne skanowanie twarzy zamiast płaskich obrazów; dla urządzeń AR w czasie -rzeczywistym Skanuj duże przestrzenie, aby uzyskać rozszerzoną rzeczywistość. Maszyny te wymagają nie tylko danych obrazu 2D, ale także trójwymiarowego (3D) wsparcia technicznego. Maszyna może uzyskiwać dane 3D w złożonym procesie obliczeniowym bez kamery, za pomocą urządzeń takich jak ultradźwięki lub sprzęt laserowy. Jednak maszyna z tak wieloma dodatkowymi komponentami zostałaby odrzucona przez konsumentów pod względem wzornictwa i ceny.
Rysunek 2: Niezbędne cechy oka maszyny
Przy współpracy oczu i mózgu ludzie mogą widzieć przedmioty stereoskopowo oraz rozpoznawać głębię i odległość. Dzięki podobnemu mechanizmowi maszyny mogą również identyfikować obiekty wielo-wymiarowe i mierzyć odległości za pomocą triangulacji. Na przykład wizja stereofoniczna wykorzystuje dwie kamery i procesor, aby uzyskać efekt rozpoznawania. Jednak takie mechanizmy mają również wady, takie jak złożoność obliczeniowa, brak dokładności w pomiarach odległości w płaszczyźnie oraz niska dokładność w stosunkowo ciemnych miejscach, co zawęża zakres takich mechanizmów. Ostatnio metoda Time-of-Flight (ToF) została wdrożona w praktyce jako alternatywna metoda przezwyciężenia tych niedociągnięć. ToF to prosty sposób na zmierzenie odległości poprzez obliczenie czasu potrzebnego na odbicie światła od obiektu. Ta metoda jest łatwa i szybka w obsłudze, a jej dodatkową zaletą jest dokładny pomiar odległości niezależnie od oświetlenia, ponieważ wykorzystuje oddzielne źródło światła.
ToF: odległość uzyskuje się mierząc okrężny-czas podróży emitowanego światła
Widzenie stereoskopowe: dwa systemy optyczne oglądające ten sam obiekt z dwóch różnych punktów względem tej samej linii bazowej
Rysunek 3: Porównanie metod widzenia stereofonicznego i rozpoznawania obiektów ToF
metoda czasu lotu
ToF można podzielić na dwie kategorie: bezpośrednie ToF (d-ToF, bezpośrednie ToF) i pośrednie ToF (i-ToF, pośrednie ToF). Odległość jest obliczana na podstawie różnicy faz światła zwrotnego. Firma SK hynix opracowała te dwie technologie czujników ToF, aby wykorzystać je w różnych produktach. Możliwe, że roboty przyszłości będą miały jedno oko, które używa i-ToF do rozpoznawania obiektów z bliskiej odległości, a drugie oko, które używa d-ToF do badania odległych obiektów.
Celem tego artykułu jest wyjaśnienie technologii i-ToF w SK hynix.
Rysunek 4: Analiza porównawcza pośredniego ToF i bezpośredniego ToF
Metoda i-ToF oblicza różnicę faz od źródła światła do stosunku ładunków zgromadzonych w więcej niż dwóch różnych pamięciach w obrębie jednego piksela i odpowiednio mierzy odległość. W porównaniu z d-ToF, ten mechanizm ma pewne ograniczenia w mierzeniu odległości, ponieważ gdy światło powraca z dużej odległości, jest mniej sygnałów, które można oddzielić ze względu na mniejszą intensywność. Jednak w porównaniu z d-ToF ma tę zaletę, że ma wyższą rozdzielczość, ponieważ ze względu na prosty obwód piksel może sam oddzielić sygnał i łatwo jest go zmniejszyć. Aby zrekompensować ograniczenia i-ToF i zmaksymalizować jego zalety, przeprowadza się obecnie wiele badań mających na celu poprawę stosunku sygnału-do-szumów (SNR), zwiększenie wydajność kwantowa (QE) źródeł światła podczerwonego lub zastosowanie technik usuwania światła tła (BGL). i rozwijaj.
Obecną strukturę pikseli i-ToF można z grubsza podzielić na strukturę bramkową i strukturę dyfuzyjną. Metoda struktury bramkowej generuje różnicę potencjałów poprzez przyłożenie modulowanego napięcia do siatki w celu zebrania otaczających elektronów. Z drugiej strony struktura dyfuzyjna działa jak wspomagany prądem-demodulator fotoniczny (CAPD) do zbierania elektronów przy użyciu prądu generowanego przez przyłożenie modulowanego napięcia do podłoża. W porównaniu z pierwszymi, ten drugi może szybko wykrywać elektrony generowane w głębszych obszarach, dzięki czemu transfer jest bardziej wydajny, ale wymaga większego rozpraszania mocy, ponieważ wykorzystuje gorszy prąd o wielu-obciążeniach. Ponadto, gdy piksele stają się mniejsze, a liczba pikseli wzrasta ze względu na wysoką rozdzielczość, zużycie energii dalej wzrasta.
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.
Zalety technologii pikseli VFM
Istnieją różne kryteria oceny dobrego czujnika do pomiaru odległości, ale przede wszystkim powinien on być w stanie dokładnie wykryć odległość i zmniejszyć problemy z nagrzewaniem dzięki mniejszemu zużyciu energii. Innymi słowy, dobry czujnik musi szybko wykrywać sygnały z wysoką wydajnością i niskim zużyciem energii, a jednocześnie musi dokładnie oddzielać sygnały w oparciu o różnice faz.
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.
Rysunek 5: Porównanie przedniej-oświetlonej i tylnej-oświetlonej (przepuszczalność i odbiór światła na grubość)
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).
Rysunek 6: Wskaźniki akumulacji opłat i-ToF dla różnych metod oświetlenia (analogicznie do wciągania wody pod ziemię i ścinania drzew w gęstych lasach)
Tę zaletę-podświetlenia tylnego można osiągnąć, łącząc z technologią tylnego-podświetlenia CIS firmy SK hynix, która wykorzystuje technologię tworzenia pikseli mniejszych niż 1 mikron.
2. Mała matryca soczewkowa (SLA) Struktura wykopu optycznego falowodu i wydajności kwantowej
Zgodnie z mechanizmem i-ToF wykorzystującym szybkość akumulacji ładunku, potrzebujemy maksymalnego poziomu sygnału, aby uzyskać dokładne dane o odległości na większych odległościach. Dlatego wysoka QE w zakresie długości fal podczerwonych jest niezbędna.
Jak wspomniano powyżej, ze względu na dużą penetrację źródła światła podczerwonego, jego natężenie światła jest słabsze niż światło widzialne, przez co głębokość zbierania światła jest głęboka. Jednym ze sposobów radzenia sobie z tym jest celowe formowanie struktur mikrosoczewkowych (małych-rozmiarów ułożonych zgodnie z rozmiarem i liczbą pikseli pod obiektywem aparatu) wysoko w celu uzyskania lepszego zbierania światła, ale wysokość jest ograniczona ze względu na ograniczenia techniczne. SK hynix przyjęło inne podejście do przezwyciężenia tego niedociągnięcia. Dzięki umieszczeniu kilku soczewek na każdym pikselu, które są mniejsze niż rozmiar piksela, ta metoda zwiększa głębokość-zbierania światła, tym samym zwiększając całkowitą ilość odbieranego światła.
Ponadto SK hynix wykopuje również specjalną strukturę wzoru z tyłu, dzięki czemu padające światło dotyka struktury i jest przez nią odbijane, wydłużając drogę transmisji światła i skupiając światło na obszarze modulacji, zmniejszając w ten sposób współczynnik utraty światła a poprawa wydajności transmisji przy tym samym natężeniu światła pozwala na zabicie dwóch ptaków jednym kamieniem. W rzeczywistości potwierdza to, że QE jest ponad dwukrotnie większe przy źródle światła 940 nm. Przy wyższym QE udało się zmniejszyć błąd między rzeczywistymi a zmierzonymi odległościami o prawie 55 procent w porównaniu z poprzednimi metodami.
Rysunek 7: SLA (po lewej) i strukturalny falowód -profilowy (po prawej)
3. Zapewnij niskie zużycie energii i wysoką wydajność
Wyłączając pobór mocy źródła światła, czujnik ToF zużywa najwięcej energii w obwodzie, który moduluje sygnał podczas pracy. Moc obwodu sterującego modulacją jest proporcjonalna do prądu przepływającego przez płytkę. Innymi słowy, możemy zmniejszyć zużycie energii poprzez zmniejszenie prądu podłoża. Dodatkowo dokładne i precyzyjne pomiary odległości wymagają krótszych okresów modulacji i szybkiego wykrywania sygnału. Pojazd (foton) trzeba rozpędzić, naciskając pedał gazu, aby szybko przebyć tę samą odległość (grubość krzemu), co wiąże się z dużym zużyciem paliwa (lub prądu). Jako inny przykład, czerpanie wody z głębokiej studni wymaga dużej siły, aby podnieść bloczek. Ale co by było, gdybyś mógł pompować wody gruntowe? Możesz bez wysiłku wyciągnąć całą potrzebną wodę, po prostu odkręć kran.
Metoda VFM zwiększa obszar zubożenia poprzez optymalizację warunków i struktury implantacji jonów pikseli, umożliwiając jej działanie jak pompa i wzmocnienie pionowego pola elektrycznego. Dlatego siła pola elektrycznego jest dodawana do prądu, który może skutecznie zbierać elektrony, a jednocześnie może również osiągać szybkie odbieranie w warunkach małego prądu i zwiększać zużycie energii. Szeroko zakrojone eksperymenty wykazały, że gdy prąd wzrasta, wydajność piksela VFM jest tracona, co oznacza, że jest to bardziej odpowiednia struktura dla małej mocy, a prąd nie jest już ważnym czynnikiem. Innymi słowy, metoda poprawia wydajność piksela, kontrolując prąd za pomocą konstrukcji, która umożliwia silne pionowe pole elektryczne, dzięki czemu działa tylko jako przewodnik. W porównaniu z czujnikiem ToF klasy QVGA-, czujnik ToF klasy 5um VGA- ma mniejszy rozmiar piksela i wyższą rozdzielczość, ale prąd przypadający na piksel jest zmniejszony, a wzrost zużycia energii jest prawie zerowy .
Rysunek 8: Jako czujnik ToF, struktura VFM ma bardziej efektywne zużycie energii
Podsumować
SK hynix przyczynia się do tworzenia wartości ekonomicznej i społecznej, umożliwiając różnym producentom modułów wejście na szeroką gamę rynków aplikacji, zapewniając ścisłe wsparcie techniczne i czujniki podczas opracowywania technologii czujników 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.
