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.
Robotit ja metaversumi ovat yksi vuoden 2022 International Consumer Electronics Show (CES) kuumimmista aiheista. Nykyään meille toimivat muut kuin-humanoidikoneet, kuten jakelurobotit, itse-ajavat autot, lakaisurobotit ja ilmadronit, ovat yleisiä. Kun otetaan huomioon CES:n vaikutukset, saatamme olla uuden aikakauden kynnyksellä: jokaisessa kodissa on vähintään yksi robotti sci-fi-elokuvasta, kuten Star Warsista.
Toisaalta, kun kontaktittomat palvelut kiihtyvät edelleen COVID-19-pandemian aikana, virtuaalista ja todellisuutta yhdistävät metaversaalit palvelut yleistyvät ja tällaisten palvelujen kysyntä kasvaa eksponentiaalisesti. Monet ihmiset alkavat käyttää lisättyä todellisuutta (AR, Augmented Reality) tai virtuaalitodellisuutta (VR, Virtual Reality) -tekniikkaa. Pian AR- ja VR-laitteita kuljetetaan mukana kuten älypuhelimia. Tämä avaa uuden aikakauden, jossa palvelut ovat saatavilla milloin tahansa ja missä tahansa, mikä tarkoittaa, että meidän ei enää tarvitse vierailla pankeissa tai valmistajilla, ja voimme huoltaa tuotteita ilman tehtaalle pääsyä.
Kuva 1: Ocado-toimitusrobotti
Koneen silmä (Machine Vision)
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.
Mutta soveltuvatko korkearesoluutioiset{0}}kuvat välttämättä konenäköön? Turvallisuudesta ja turvallisuudesta vastaavien uusimpien-koneiden silmissä edes terävimmät kaksiulotteiset (2D) kuvatiedot eivät riitä toimimaan ihmisten sijasta. Tällainen kone ei ehkä pysty suorittamaan tehtäviä taktisissa operaatioissa, kuten R2-D2. Mutta itse-autoille ja droneille on välttämätöntä tunnistaa tarkasti jarrutusmomentti{8}}suurnopeuksisen ajon aikana. kasvojentunnistuslaitteissa on tarpeen skannata kasvot tarkasti tasaisten kuvien sijaan; AR-laitteissa reaaliaikainen{10}}Skannaa laajoja tiloja lisättyä todellisuutta varten. Nämä koneet eivät vaadi vain 2D-kuvadataa, vaan myös kolmiulotteista (3D) teknistä tukea. Kone voi saada 3D-dataa monimutkaisen laskentaprosessin kautta ilman kameraa apuvälineillä, kuten ultraääni- tai laserlaitteistolla. Kuluttajat hylkäsivät kuitenkin niin paljon lisäkomponentteja sisältävän koneen suunnittelun ja hinnan suhteen.
Kuva 2: Koneen silmän välttämättömät ominaisuudet
Silmien ja aivojen yhteistyöllä ihmiset voivat nähdä esineitä stereoskooppisesti ja tunnistaa syvyyden ja etäisyyden. Samanlaisen mekanismin avulla koneet voivat myös tunnistaa moniulotteisia kohteita ja mitata etäisyyksiä kolmioiden avulla. Esimerkiksi stereonäössä käytetään kahta kameraa ja prosessoria tunnistustehosteen saavuttamiseksi. Tällaisilla mekanismeilla on kuitenkin myös haittoja, kuten laskennallinen monimutkaisuus, tasoetäisyyksien mittauksen tarkkuus ja alhainen tarkkuus suhteellisen pimeissä paikoissa, mikä kaventaa tällaisten mekanismien soveltamisalaa. Äskettäin Time{1}}of-Flight (ToF) -menetelmä on otettu käytännössä käyttöön vaihtoehtoisena menetelmänä näiden puutteiden voittamiseksi. ToF on yksinkertainen tapa mitata etäisyys laskemalla aika, joka kuluu valon pomppimiseen kohteesta. Tämä menetelmä on helppo ja nopea käyttää, ja sen lisäetuna on se, että se mittaa tarkasti etäisyydet valaistusympäristöstä riippumatta, koska siinä käytetään erillistä valonlähdettä.
ToF: etäisyys saadaan mittaamalla lähetetyn valon kiertoaika-
Stereoskooppinen näkö: kaksi optista järjestelmää, jotka tarkastelevat samaa kohdetta kahdesta eri pisteestä suhteessa samaan perusviivaan
Kuva 3: Stereo Vision- ja ToF-objektien tunnistusmenetelmien vertailu
lentoajan menetelmä
ToF voidaan jakaa kahteen luokkaan: suora ToF (d-ToF, suora ToF) ja epäsuora ToF (i-ToF, epäsuora ToF). Etäisyys lasketaan palautetun valon vaihe-eron avulla. SK hynix kehitti nämä kaksi ToF-anturiteknologiaa hyödyntääkseen niitä erilaisissa tuotteissa. Mahdollisesti tulevaisuuden roboteilla on yksi silmä, joka käyttää i-ToF:a tunnistaakseen lähietäisyydellä olevia kohteita, ja toinen silmä, joka käyttää d-ToF:ää etäisten kohteiden tutkimiseen.
Tämän artikkelin tarkoituksena on selventää SK hynixin i-ToF-tekniikkaa.
Kuva 4: Epäsuoran ToF:n ja suoran ToF:n vertaileva analyysi
i-ToF-menetelmä laskee vaihe-eron valonlähteestä pikselin sisällä useammassa kuin kahdessa eri muistissa kertyneiden varausten suhteen ja mittaa etäisyyden sen mukaisesti. Verrattuna d-ToF:iin tällä mekanismilla on joitain rajoituksia etäisyyden mittaamisessa, koska kun valo palaa kaukaa, on vähemmän signaaleja, jotka voidaan erottaa heikentyneen intensiteetin vuoksi. Sen etuna on kuitenkin d-ToF:ään verrattuna korkeampi resoluutio, sillä sen yksinkertaisen piirin ansiosta pikseli pystyy erottamaan signaalin itsestään ja pikseliä on helppo kutistaa. i-ToF:n rajoitusten kompensoimiseksi ja sen etujen maksimoimiseksi tehdään nyt paljon tutkimusta signaalin---kohinasuhteen (SNR) parantamiseksi, infrapunavalolähteiden kvanttitehokkuutta (QE) tai käyttää taustavalon (BGL) poistamistekniikoita. ja laajentaa.
Nykyinen i-ToF-pikselirakenne voidaan karkeasti jakaa porttirakenteeseen ja diffuusiorakenteeseen. Hilarakennemenetelmä luo potentiaalieron kohdistamalla moduloitua jännitettä hilaan keräämään ympäröivät elektronit. Diffuusiorakenne toisaalta toimii virtaavusteisena fotonidemodulaattorina (CAPD), joka kerää elektroneja käyttämällä virraa, joka syntyy kohdistamalla moduloitu jännite substraattiin. Edelliseen verrattuna jälkimmäinen pystyy nopeasti havaitsemaan syvemmillä alueilla syntyneet elektronit, mikä tekee siirrosta tehokkaamman, mutta vaatii enemmän tehonhäviötä, koska se käyttää moni-kuormituksen huonompaa virtaa. Lisäksi kun pikselit pienenevät ja pikselien määrä kasvaa korkean resoluution vuoksi, virrankulutus kasvaa edelleen.
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.
VFM Pixel Technologyn edut
Hyvän etäisyysmittausanturin arvioinnissa on useita kriteerejä, mutta ennen kaikkea sen pitäisi pystyä havaitsemaan etäisyys tarkasti ja vähentämään lämmitysongelmia pienemmän virrankulutuksen ansiosta. Toisin sanoen hyvän anturin on tunnistettava signaalit nopeasti korkealla hyötysuhteella ja pienellä virrankulutuksella, ja sen on myös erotettava signaalit tarkasti vaihe-erojen perusteella.
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.
Kuva 5: Etu--- ja takavalaistun-valaistuksen vertailu (läpäisevyys ja valonkeräys paksuutta kohti)
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).
Kuva 6: i-ToF-latauksen kertymisnopeudet eri valaistusmenetelmille (vastaavasti veden vetämiseen maan alle ja puiden kaatamiseen tiheissä metsissä)
Tämä taustavalon-etu voidaan saavuttaa yhdistämällä SK hynixin CIS-taustavalaistu-teknologiaan, jolla on tekniikka, joka luo alle 1 mikronin pikseleitä.
2. Small Lens Array (SLA) kaivannon rakenne optinen aaltoputki ja kvanttitehokkuus
Varauksen kertymisnopeutta käyttävän i-ToF-mekanismin mukaan tarvitsemme signaalin maksimitason saadaksemme tarkkoja etäisyystietoja pitemmiltä etäisyyksiltä. Siksi korkea QE infrapuna-aallonpituusalueella on välttämätöntä.
Kuten edellä mainittiin, infrapunavalonlähteen suuresta läpäisevyydestä johtuen sen valon intensiteetti on näkyvää valoa heikompi, joten valon keräämisen syvyys on syvä. Yksi tapa ratkaista tämä on muodostaa tarkoituksella mikrolinssirakenteita (pieni-kokoisia objektiiveja, jotka on järjestetty kameran linssin alla olevien pikselien koon ja lukumäärän mukaan) korkealle paremman valonkeräyksen saavuttamiseksi, mutta korkeus on rajoitettu johtuen teknisiä rajoituksia. SK hynix on omaksunut toisenlaisen lähestymistavan tämän puutteen voittamiseksi. Asettamalla jokaiseen pikseliin useita pikselin kokoa pienempiä linssejä, tämä menetelmä lisää valon{1}}keräyssyvyyttä, mikä lisää vastaanotetun valon kokonaismäärää.
Lisäksi SK hynix kaivaa esiin myös erityisen kuviorakenteen selästä, jolloin tuleva valo koskettaa rakennetta ja heijastuu siitä, laajentaen valonläpäisyreittiä ja keskittää valon modulaatioalueelle, mikä vähentää valohäviönopeutta. ja parantamalla lähetystehoa samalla valovoimakkuudella saavutetaan vaikutus, joka tappaa kaksi kärpästä yhdellä iskulla. Itse asiassa tämä vahvistaa, että QE on yli kaksinkertainen 940 nm:n valonlähteen alla. Korkeammalla QE:llä se onnistuu pienentämään todellisen ja mitatun etäisyyden välistä virhettä lähes 55 prosenttia aiempiin menetelmiin verrattuna.
Kuva 7: SLA (vasemmalla) ja trench{1}}rakenteinen optinen aaltoputki (oikealla)
3. Varmista alhainen virrankulutus ja korkea suorituskyky
Valonlähteen virrankulutusta lukuun ottamatta ToF-anturi kuluttaa eniten virtaa piirissä, joka moduloi signaalia, kun se toimii. Modulaatiokäyttöpiirin teho on verrannollinen levyn läpi kulkevaan virtaan. Toisin sanoen voimme vähentää virrankulutusta vähentämällä substraattivirtaa. Lisäksi tarkat ja tarkat etäisyysmittaukset vaativat lyhyempiä modulaatiojaksoja ja nopeaa signaalin havaitsemista. Ajoneuvoa (fotonia) on kiihdytettävä painamalla kaasupoljinta, jotta se ajaa saman matkan (piin paksuus) nopeasti, mikä kuluttaa paljon polttoainetta (tai virtaa). Toisena esimerkkinä veden ottaminen syvästä kaivosta vaatii paljon voimaa hihnapyörän nostamiseksi. Mutta entä jos voisit pumpata pohjaveden ylös? Voit vetää kaiken tarvitsemasi veden pienellä vaivalla, avaa vain hana.
VFM-menetelmä lisää tyhjennysaluetta optimoimalla pikseli-ioni-istutuksen olosuhteita ja rakennetta, jolloin se toimii pumpun tavoin ja vahvistaa pystysuoraa sähkökenttää. Siksi sähkökentän voima lisätään virtaan, joka voi tehokkaasti kerätä elektroneja, ja samalla se voi myös saavuttaa nopean keräämisen pienen virran olosuhteissa ja lisätä virrankulutusta. Laajat kokeet ovat osoittaneet, että virran kasvaessa VFM-pikselin suorituskyky menetetään, mikä tarkoittaa, että se on sopivampi rakenne pienelle teholle, eikä virta ole enää tärkeä tekijä. Toisin sanoen menetelmä parantaa pikselin suorituskykyä ohjaamalla virtaa rakenteella, joka mahdollistaa vahvan pystysuuntaisen sähkökentän siten, että se toimii vain ohjeena. QVGA{0}}-luokan ToF-anturiin verrattuna 5um VGA--luokan ToF-anturilla on pienempi pikselikoko ja suurempi tarkkuus, mutta virta pikseliä kohden on pienempi ja virrankulutuksen lisäys on lähes nolla. .
Kuva 8: ToF-anturina VFM-rakenteella on tehokkaampi virrankulutus
Tee yhteenveto
SK hynix myötävaikuttaa taloudellisen ja sosiaalisen arvon luomiseen mahdollistamalla useiden moduulivalmistajien pääsyn useille sovellusmarkkinoille tarjoamalla läheistä teknistä tukea ja antureita kehittäessään ToF-anturitekniikkaa.
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.
