自從蘋果公司(Apple
Inc.)於 2017 年首次在 iPhone X 推出 Face ID 人臉辨識功能,取代行之有年的 Touch ID 指紋辨識,其中最關鍵的零件是面射型激光VCSEL。
VCSEL 是 Vertical Cavity Surface Emitting Laser 的縮寫,意即「垂直共振腔面射型激光」,自從 1962 年的第一個半導體激光二極體出現後,陸續有類似結構的零件出現。現代公認的
VCSEL 發明者是日本東京工業大學的伊賀健一(Kenichi lga)教授,他於 1977 年在實驗室手提電腦畫出第一個 VCSEL 圖形,並且於 1979 年以液相磊晶(Liquid Phase Epitaxy, LPE)技術製出 InGaAs/InP 物料的
VCSEL,開啟後續一連串的學術研究及商業應用。
人類視覺與機械視覺最大的差異是,人類能夠將看到的畫面直接解讀成具有深淺的三維空間訊息,機械視覺是針對獲取畫面的每一個像素進行編碼,只能得到二維平面影像,而沒有物體遠近訊息,因此3D感測技術是提升機械視覺能力,甚至進一步賦予機械與環境互動及行動化能力的關鍵。
3D 感測模組包含有「發射源」及「偵測器」兩個部分,偵測器大致區分為 Si based CMOS 以及 III-V 類型,如 InGaAs 類的物料或是量子點等技術,根據不同的接收波段選擇適用的偵測器。發射源目前的主流是使用紅外光源(Infra-Red, IR),因為相比可見光,紅外光源有更佳的訊噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)。由於紅外光波段有好幾個適合的波長,像是近紅外光(Near-IR, NIR)的 850nm、905nm、940nm 波段,短波紅外光(Short-Wave IR, SWIR)的 1350nm、1550nm 波段,因此目前各家廠商各自選擇不同波段及發展相對應的模組。
若以零件結構來區分紅外光的發射源,可以分成三大類:
1. 發光二極體(Light-Emitting diodes, LED)
2. 邊發射雷射器(Edge Emitting Laser, EEL)
3. 垂直共振腔面射型雷射 VCSEL
雖然 LED 及 EEL 仍有價格上的優勢,但考量零件穩定性及量產性,VCSEL 能在更大的溫度範圍內維持波長的穩定性,也更容易進行陣列封裝。VCSEL 在高輸出功率、高轉換效率和高品質光束各方面都優勝,因此被廣泛應用在 3D 感測的應用領域。
VCSEL 除了在光通訊及智能手機的感測光源應用之外,汽車自動駕駛系統的關鍵感測零件-光學雷達(又稱光達、LiDAR)是下一個帶動 VCSEL 發展的重大應用。LiDAR 全文為「Light Detection and Ranging」,是利用激光感知探測距離的方法,藉由發射激光脈衝並收集前方物體反射回來訊號的時間差,來進行距離推算,達到測量距離的目的,而車用光達系統利用同時發射並處理多點激光脈衝的數據,就能構築成一個具有深度資訊的 3D 環境模型,再透過識別道路標誌、汽車、行人等靜態及動態物體的位置動作,達到自主感知的目的,幫助車輛檢測路徑中的障礙物,進而實現避障、煞停、路徑規劃等自動駕駛應用,此外深度感測系統亦可安裝於車內,進行座艙內監測和乘客手勢感測,達到駕駛輔助與提升乘車舒適度。
汽車產業一直朝著高級駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance System, ADAS)的智能自駕車方向發展,汽車光學雷達和深度感測系統已是必然趨勢。VCSEL 零件和模組要應用在車載領域,就必須通過車規 AEC-Q10 2的高標準驗證,範圍涵蓋晶圓製造、零件封裝、電性與光學功能及可靠度驗證等。在車用零件驗證的範疇裡,著重在如何有效降低失效率,其終極目標是 AEC-Q004 所要求的零失效。整體車用光學離散零件驗證流程,藉由應用 6δ、統計製程控制 SPC(Statistical Process Control)等品質管理手法來有效控制失效率,並且藉由提高驗證樣品數量來保證更低的失效率。