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IR LED/VCSEL分进合击,智能机生物识别2018年主流产品

文章出处:未知责任编辑:admin人气:发表时间2017-12-22 16:27【
若将IR LED与VCSEL两项技术相比,IR LED光源较适合用于虹膜辨识技术,VCSEL光源则较适合用于须进行3D立体图像分析的脸部辨识。虽擅长领域并不相同,但总体来说,这两项技术着实皆是当今智慧型手机生物辨识等级,足以大幅度跃升的重要推手。

据市调机构Counterpoint指出,2018年搭载指纹辨识功能的智慧手机出货量,预估将超过10亿支,未来指纹辨识可望成为智慧型手机的标准配备。

然而,除了指纹辨识的渗透率快速提升,同属于生物辨识领域的虹膜辨识与脸部辨识现也紧追在后,在智慧型手机大厂三星(Samsung)、苹果(Apple)的领先开发并积极导入红外线二极体(IR LED)、垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)技术下,将带动周边半导体零组件、模组制造、代工商机,规模相当可观,这让不少厂商纷纷于近期出现相关布局动作。

举例而言,LED垂直整合厂隆达电子(Lextar)便于日前推出PR88红外线LED封装模组(图1),该系列模组具有虹膜与脸部生物识别二合一功能,为业界少数具有双重生物识别能力之红外线模组。


图1 隆达电子旗下虹膜与脸部双重生物识别IR模组 图片来源:隆达电子
该虹膜与脸部双重生物识别红外线PR88 LED,具有一颗模组即可达到双重身分认证功能,可充分提高使用者安全性,加上其1.4mm超薄设计,更可大幅节省终端应用产品的设计空间。此系列产品现已分别导入手机与门禁系统,未来将可望应用于笔电、机器人等应用之感测装置。

ams将于淡滨尼新厂 打造VCSEL生产线

除此之外,奥地利微电子(ams)也在近期宣布将在新加坡裕廊集团淡滨尼纳米空间(JTC nanoSpace@Tampines),建立新制造厂。该厂凭藉用于高精度微型光学感测器中的滤波器沉积技术,将实现全自动化的无尘室。ams也表示,将在该厂中投资一条新的VCSEL研发和生产线。

在未来三年,该公司将在新加坡淡滨尼生产专案中,投入近2亿美金,其中包括了无尘室设备的配置、VCSEL新厂房的建造,以及淡滨尼纳米空间工厂感测器的制造生产。

不过,在脸部辨识的部分,近日最大幅度的进展莫过于苹果在今年9月推出的iPhone X中,以TrueDepth相机实现的Face ID。


图2 交通大学光电工程学系特聘教授郭浩中表示,VCSEL的共振腔,使其如同一种进化版的LED。
VCSEL光束集中 脸部扫描非它不可

虽然苹果并未公开说明TrueDepth相机背后的核心技术,但考量到红外线(IR)技术的先天限制,专家认为,该相机惟有采用光波发散角度小、光束集中的VCSEL元件,并搭配时差测距技术才有办法实现。

交通大学光电工程学系特聘教授郭浩中表示,iPhone X内建的TrueDepth相机(图3)100%是采用VCSEL元件。第一个分析面向,是从目前受惠于VCSEL的供应链来看,包括Lumentum、稳懋半导体、大立光等厂商所制造、代工的产品现皆已出货。


图3 iPhone X的Face ID功能是透过TrueDepth相机来执行。 图片来源:Apple
郭浩中进一步表示,第二个分析面向,则是从技术的角度来看,若要运用IR LED技术来达成TrueDepth相机是不可能的,原因在于IR LED光波的半高宽(FWHM)约为20nm,其发散角很大。若用这种光波来扫描物件,最终得到的结果将是模糊的,解析度也比较差,不可能达成TrueDepth相机中,辨识度、安全性很高的脸部辨识。

以生物辨识来说,红外线光波比较适合的应用领域是虹膜辨识。例如三星Galaxy S8/S8+所搭载的虹膜辨识功能,即是以IR LED作为光源。三星的红外线感测模组主要是由810nm的IR LED与CMOS影像感测器组成,该模组可对2D平面的图像进行比对与辨识。郭浩中分析,若虹膜辨识采用VCSEL技术来实现,就如同杀鸡用牛刀,其必要性并不高。

郭浩中指出,VCSEL如同一种进化版的LED,该元件运用共振腔、过滤器来提高光波的同调性与指向性,这是VCSEL的光束不会像普通LED那么发散的关键。但就本质而言,VCSEL最核心的技术仍是LED。

值得一提的是,VCSEL的架构很容易扩展,虽然1个VCSEL约只能发射出5mW的功率,但100个VCSEL便可发射出500mW的功率,且VCSEL雷射元件非常省电,这些因素皆让该元件在进行阵列(Array)排列后,可顺利在智慧型手机上实现3D生物辨识。

iPhone X所使用脸部辨识技术可针对3D立体图像进行辨识,其采用光波半高宽小于1nm的VCSEL,并运用时差测距(Time of Flight, ToF)技术,借由30,000个雷射光源点打出、弹回的时间差,来推算出智慧型手机与脸部各部位之间的距离,再根据脸部各点与点之间的距离差异,来建立人脸立体轮廓的模型。

即便VCSEL的可用性相当大,但过去该元件因技术门槛较高,加上需求规模不大,成本居高不下。若将现阶段的VCSEL与IR LED成本进行相比,由于IR LED少了共振腔的成本,因此整体元件的成本比VCSEL还要低。

TrueDepth相机激励 VCSEL成本可望下探

不过,苹果于新款iPhone X协助实现脸部辨识的TrueDepth相机中,大量使用该类型元件,且光是单支手机元件用量便高达上百颗,可望带动VCSEL元件成本逐步降低。

郭浩中分析,目前VCSEL成本较高,主要原因与该元件的制程较为困难有关,如今有能力生产VCSEL材料的厂商并不多,包括IQE、Avago、Finisar等,且过去碍于需求量、良率的问题,让成本迟迟难以下降。随着苹果将VCSEL元件导入iPhone X中,郭浩中预估,该元件成本在未来3~5年将有机会大幅下降。

VCSEL元件除用于智慧型手机的脸部辨识,现也已应用在苹果的AirPods耳机,该款耳机的无线功能,即是透过VCSEL元件进行定位,让耳机可侦测出使用者何时正将耳机戴上、拿下,并立即进行自动开启、关闭动作,因此该耳机虽是无线的,但使用者并不须要进行电源开关。

不过,此类型应用对VCSEL元件的需求量较少,约3颗左右,仍远不及TrueDepth相机中上百颗的采用量。

郭浩中指出,过去大家对雷射的了解并不多,容易误以为雷射是很困难的技术,实际上不然。VCSEL是一个平面的发光元件(图4),透过雷射测距技术将光波发射出打到标的物后再弹回,借由光波反射的时间来计算出实际距离的长短,像是在苹果iPhone X中的TrueDepth相机,便是大量运用此类型的雷射光源点进行计算。


图4 交通大学郭浩中教授实验室研究用之VCSEL元件(元件经显微镜放大)。
郭浩中进一步分析,苹果在以VCSEL发展脸部辨识技术上,开发时间至少达三年以上,如今能成功以iPhone X发布该项应用,除了技术成熟外,还与苹果旗下行动支付Apple Pay有很大的关联,因在行动支付中,安全性极为重要,这让生物识别的识别率很有必要做更多的提升。
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