2023年8月27日星期日

面射型激光 VCSEL


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 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 InGaAsInP 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 850nm905nm940nm 波段,短波紅外光(Short-Wave IR, SWIR)的 1350nm1550nm 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 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 SPCStatistical 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。



2023年8月2日星期三

蘇格蘭研發出 AI 激光滅蟑器

蘇格蘭愛丁堡赫瑞瓦特大學研究人員 Ildar Rakhmatulin 嘗試將具有 AI 機械視覺系統應用於家庭害蟲的防治,一開始以蚊子為主要研究目標,也成功製作出能擊殺蚊子的激光裝置;接著下一個目標便是蟑螂,此一 AI 激光砲台是以 NVIDIA Jetson Nano為核心,Rakhmatulin 和他的團隊使用 1000 張不同照明下的蟑螂圖片,訓練 Nano 識別目標並追蹤蟑螂行動,Nano 上連接兩個攝影鏡頭,負責尋找蟑螂,Nano一旦發現便會立即計算蟑螂的距離,並且將訊息傳送至電流計(Galvanometer),而電流計再調整鏡子的方向以鎖定蟑螂,接著隨即發出激光殲滅目標。這部機器不僅能以高精準度辨別蟑螂,最遠還能夠達到 1.2 m,另外在實驗中也測試了不同激光功率,發現較低功率激光會觸發蟑螂飛行反應,可用於讓蟑螂不在特定的黑暗區域內躲藏。至於較高功率激光能有效擊殺蟑螂。

此技術有望成為傳統滅蟑方式的替代方案,而且成本不算太昂貴,不過研究成果仍需要一段時間才可用於酒店、公共衛生機構等地方,因為若沒有適當的防護措施,激光會對人眼造成傷害。




俄羅斯方塊能治療成癮和 PTSD

最近醫學研究證實,適當玩《俄羅斯方塊》對大腦有益。在上世紀 90 年代的研究中,就有科學家發現,初次玩《俄羅斯方塊》的人,其大腦葡萄糖代謝率( GMR )有顯著提高,意味著在玩遊戲時大腦消耗的能量增加。持續玩 4 至 8 星期後,這些人的 GMR 跌回原本水平,而遊戲分數則...