ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาภาพยนตร์ชุด "Star Wars" ได้สร้างความตกตะลึงให้กับหัวใจของนักดูหนังนับไม่ถ้วนเสมอไม่ว่าจะเป็นอัศวินเจไดที่ต่อสู้กับกองกําลังชั่วร้ายแม้จะมีความชั่วร้ายหรือความกล้าหาญและการเสียสละขององค์กรต่อต้านในการเผชิญกับการกดขี่และในที่สุดก็ผ่านกลยุทธ์ที่ยอดเยี่ยมที่จะชนะ นอกเหนือจากนั้นการดวลไลท์เซเบอร์ที่ยอดเยี่ยมในภาพยนตร์รวมถึงการกระทําของดรอยด์เช่น R2-D2, C-3PO และ BB-8 นั้นน่าประทับใจ ถ้าไม่มีดรอยด์พวกนี้ สตาร์ วอร์ส อาจจะไม่ได้มีตอนจบที่น่าอัศจรรย์
หุ่นยนต์และ metaverse เป็นหนึ่งในหัวข้อที่ร้อนแรงที่สุดในงานแสดงสินค้าอิเล็กทรอนิกส์สําหรับผู้บริโภคระหว่างประเทศ (CES) ปี 2022 ทุกวันนี้เครื่องจักรที่ไม่ใช่มนุษย์ที่ทํางานให้กับเราเป็นเรื่องธรรมดาเช่นหุ่นยนต์ส่งของรถยนต์ที่ขับเองหุ่นยนต์กวาดและโดรนทางอากาศ เมื่อพิจารณาถึงผลกระทบของงาน CES เราอาจใกล้จะถึงยุคใหม่: ทุกบ้านจะมีหุ่นยนต์อย่างน้อยหนึ่งตัวจากฉากภาพยนตร์ไซไฟเช่น Star Wars
ในทางกลับกันเนื่องจากบริการแบบไร้สัมผัสยังคงเร่งตัวขึ้นในช่วงการแพร่ระบาดของ COVID-19 บริการ metaverse ที่รวมเสมือนและความเป็นจริงกําลังได้รับความนิยมและความต้องการบริการดังกล่าวกําลังเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ หลายคนเริ่มใช้เทคโนโลยี Augmented Reality (AR, Augmented Reality) หรือความเป็นจริงเสมือน (VR, ความเป็นจริงเสมือน) ในไม่ช้าอุปกรณ์ AR และ VR จะถูกพกพาไปรอบ ๆ เช่นสมาร์ทโฟน สิ่งนี้จะนําในยุคใหม่ที่บริการจะพร้อมใช้งานทุกที่ทุกเวลาซึ่งหมายความว่าเราไม่จําเป็นต้องไปที่ธนาคารหรือผู้ผลิตอีกต่อไปและเราสามารถรักษาผลิตภัณฑ์โดยไม่ต้องเข้าสู่โรงงาน
รูปที่ 1: หุ่นยนต์จัดส่ง Ocado
ดวงตาของเครื่อง (การมองเห็นของเครื่อง)
ได้รับการสนับสนุนจากความก้าวหน้าที่น่าทึ่งในการประมวลผลเซมิคอนดักเตอร์และเทคโนโลยีการประมวลผลสัญญาณภาพ (ISP, การประมวลผลสัญญาณภาพ) ราคาที่ลดลงและประสิทธิภาพสูงที่ยอดเยี่ยมเทคโนโลยีเซนเซอร์ภาพ CMOS (CIS) ได้กลายเป็นแกนหลักของอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่นสมาร์ทโฟน "ตา" พิกเซลคือสิ่งที่กําหนดประสิทธิภาพของกล้อง และการแข่งขันรอบตัวได้ผลักดันเทคโนโลยีกล้องให้เหลือ 600 ล้านพิกเซลเกินกว่าสายตามนุษย์
แต่ภาพความละเอียดสูงจําเป็นต้องเหมาะสําหรับการมองเห็นของเครื่องหรือไม่ สําหรับสายตาของเครื่องจักรที่ทันสมัยที่รับผิดชอบด้านความปลอดภัยและความปลอดภัยแม้แต่ข้อมูลภาพสองมิติ (2D) ที่คมชัดที่สุดก็ไม่เพียงพอสําหรับพวกเขาที่จะทํางานแทนมนุษย์ เครื่องดังกล่าวอาจไม่สามารถปฏิบัติภารกิจในปฏิบัติการทางยุทธวิธีเช่น R2-D2 ได้ แต่สําหรับรถยนต์และโดรนที่ขับเองจําเป็นต้องระบุช่วงเวลาเบรกอย่างถูกต้องในระหว่างการขับขี่ความเร็วสูง สําหรับอุปกรณ์จดจําใบหน้าจําเป็นต้องสแกนใบหน้าอย่างถูกต้องแทนที่จะเป็นภาพแบน สําหรับอุปกรณ์ AR สแกนพื้นที่ขนาดใหญ่แบบเรียลไทม์เพื่อความเป็นจริงที่เพิ่มขึ้น เครื่องเหล่านี้ไม่เพียง แต่ต้องการข้อมูลภาพ 2 มิติเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการสนับสนุนทางเทคนิคสามมิติ (3 มิติ) ด้วย เครื่องสามารถรับข้อมูล 3 มิติผ่านกระบวนการคํานวณที่ซับซ้อนโดยไม่ต้องใช้กล้องด้วยเครื่องช่วยเช่นอัลตราซาวนด์หรืออุปกรณ์เลเซอร์ อย่างไรก็ตามเครื่องที่มีส่วนประกอบเพิ่มเติมจํานวนมากจะถูกปฏิเสธโดยผู้บริโภคในแง่ของการออกแบบและราคา
รูปที่ 2: คุณสมบัติที่จําเป็นของดวงตาของเครื่อง
ด้วยความร่วมมือของดวงตาและสมองผู้คนสามารถเห็นวัตถุแบบสามมิติและรับรู้ความลึกและระยะทาง ด้วยกลไกที่คล้ายกันเครื่องจักรยังสามารถระบุวัตถุหลายมิติและวัดระยะทางผ่านระบบสามสกุล ตัวอย่างเช่น การมองเห็นแบบสเตอริโอใช้กล้องสองตัวและตัวประมวลผลเพื่อให้ได้เอฟเฟ็กต์การรู้จํา อย่างไรก็ตามกลไกดังกล่าวยังประสบกับข้อเสียเช่นความซับซ้อนในการคํานวณการขาดความแม่นยําในการวัดระยะทางของระนาบและความแม่นยําต่ําในสถานที่ที่ค่อนข้างมืดซึ่งทําให้ขอบเขตของกลไกดังกล่าวแคบลง เมื่อเร็ว ๆ นี้วิธีการ Time-of-Flight (ToF) ได้รับการนําไปใช้ในทางปฏิบัติเป็นทางเลือกในการเอาชนะข้อบกพร่องเหล่านี้ TOF เป็นวิธีที่ง่ายในการวัดระยะทางโดยการคํานวณเวลาที่ใช้ในการให้แสงกระเด้งออกจากวัตถุ วิธีนี้ใช้งานง่ายและรวดเร็วและมีข้อได้เปรียบเพิ่มเติมของการวัดระยะทางอย่างถูกต้องโดยไม่คํานึงถึงสภาพแวดล้อมแสงเนื่องจากใช้แหล่งกําเนิดแสงแยกต่างหาก
ToF: ระยะทางได้มาจากการวัดเวลาไปกลับของแสงที่ปล่อยออกมา
การมองเห็นด้วยกล้องสามมิติ: ระบบออปติคอลสองระบบที่ดูวัตถุเดียวกันจากจุดที่แตกต่างกันสองจุดเมื่อเทียบกับพื้นฐานเดียวกัน
รูปที่ 3: การเปรียบเทียบการมองเห็นแบบสเตอริโอและวิธีการจดจําวัตถุ TOF
เวลาของวิธีการบิน
ToF สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: ToF โดยตรง (d-ToF, ToF โดยตรง) และ ToF ทางอ้อม (i-ToF, ToF ทางอ้อม) ระยะทางจะคํานวณโดยใช้ความแตกต่างเฟสของแสงที่ส่งคืน SK hynix ได้พัฒนาเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ ToF ทั้งสองนี้เพื่อนําไปใช้ในผลิตภัณฑ์ต่างๆ อาจเป็นไปได้ว่าหุ่นยนต์แห่งอนาคตจะมีตาข้างหนึ่งที่ใช้ i-ToF เพื่อจดจําวัตถุในระยะใกล้และอีกตาหนึ่งที่ใช้ d-ToF เพื่อสํารวจวัตถุที่อยู่ห่างไกล
วัตถุประสงค์ของบทความนี้คือการชี้แจงเทคโนโลยี i-ToF ของ SK hynix
รูปที่ 4: การวิเคราะห์เปรียบเทียบ ToF ทางอ้อมและ ToF โดยตรง
วิธี i-ToF จะคํานวณความแตกต่างของเฟสจากแหล่งกําเนิดแสงด้วยอัตราส่วนของประจุที่สะสมในความทรงจําที่แตกต่างกันมากกว่าสองความทรงจําภายในพิกเซลและวัดระยะทางตามนั้น เมื่อเทียบกับ d-ToF กลไกนี้มีข้อ จํากัด บางประการในการวัดระยะทางเพราะเมื่อแสงกลับมาจากระยะไกลมีสัญญาณน้อยลงที่สามารถแยกได้เนื่องจากความเข้มลดลง อย่างไรก็ตามเมื่อเทียบกับ d-ToF มันมีข้อได้เปรียบของความละเอียดที่สูงขึ้นเนื่องจากวงจรที่เรียบง่ายพิกเซลสามารถแยกสัญญาณได้ด้วยตัวเองและง่ายต่อการลดขนาดพิกเซล เพื่อชดเชยข้อ จํากัด ของ i-ToF และเพิ่มข้อได้เปรียบสูงสุดขณะนี้มีการวิจัยจํานวนมากเพื่อปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน (SNR) เพิ่มประสิทธิภาพควอนตัม (QE) ของแหล่งกําเนิดแสงอินฟราเรดหรือใช้เทคนิคในการลบแสงพื้นหลัง (BGL) และขยาย
โครงสร้างพิกเซล i-ToF ปัจจุบันสามารถแบ่งออกเป็นโครงสร้างประตูและโครงสร้างการแพร่กระจาย วิธีการโครงสร้างประตูสร้างความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นโดยใช้แรงดันไฟฟ้าแบบปรับได้กับตะแกรงเพื่อรวบรวมอิเล็กตรอนโดยรอบ ในทางกลับกันโครงสร้างการแพร่กระจายทําหน้าที่เป็นตัวลดระดับโฟโตนิก (CAPD) ที่ช่วยในปัจจุบันเพื่อรวบรวมอิเล็กตรอนโดยใช้กระแสไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยใช้แรงดันไฟฟ้าแบบปรับได้กับพื้นผิว เมื่อเทียบกับอดีตหลังสามารถตรวจจับอิเล็กตรอนที่สร้างขึ้นในพื้นที่ลึกได้อย่างรวดเร็วทําให้การถ่ายโอนมีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่ต้องการการกระจายพลังงานมากขึ้นเนื่องจากใช้กระแสที่ด้อยกว่าหลายโหลด นอกจากนี้เมื่อพิกเซลเล็กลงและจํานวนพิกเซลเพิ่มขึ้นเนื่องจากความละเอียดสูงการใช้พลังงานจะเพิ่มขึ้นอีก
เพื่อเพิ่มข้อได้เปรียบสูงสุดของ CAPD และลดข้อ จํากัด SK hynix ได้พัฒนาเทคโนโลยีพิกเซลระดับ QVGA และ 5um VGA 10um โดยใช้โครงสร้างใหม่ที่เรียกว่า VFM (Vertical Field Modulator) ต่อไปเรามาดําดิ่งสู่เทคโนโลยี VFM และประโยชน์ของมัน
ข้อดีของเทคโนโลยี VFM Pixel
มีเกณฑ์ต่าง ๆ สําหรับการตัดสินเซ็นเซอร์วัดระยะทางที่ดี แต่ก่อนอื่นควรสามารถตรวจจับระยะทางได้อย่างแม่นยําและลดปัญหาความร้อนผ่านการใช้พลังงานที่ต่ํากว่า กล่าวอีกนัยหนึ่งเซ็นเซอร์ที่ดีจะต้องตรวจจับสัญญาณอย่างรวดเร็วด้วยประสิทธิภาพสูงและการใช้พลังงานต่ําในขณะที่ต้องแยกสัญญาณอย่างถูกต้องตามความแตกต่างของเฟส
1. เทคโนโลยี CIS ที่ได้รับแสงด้านหลัง (BSI) ของ SK hynix และการรวมกัน
เช่นเดียวกับ CIS การประมวลผลที่ส่องสว่างด้านหลังจะนําข้อดีหลายประการมาสู่การออกแบบหรือประสิทธิภาพการทํางานของเซ็นเซอร์ ToF แหล่งกําเนิดแสงที่ใช้ในการคํานวณเวลาของการบินคือแสงอินฟราเรด (IR) เนื่องจากจะต้องมองไม่เห็นด้วยตามนุษย์ และคํานวณระยะทางที่แม่นยําแม้ในสภาพแวดล้อมที่มีแสงน้อย อินฟราเรดมีความยาวคลื่นที่ยาวกว่าเมื่อเทียบกับแสงที่มองเห็นได้ซึ่งหมายความว่าโดยไม่ต้องใช้เวเฟอร์หนากว่า CIS แสงส่วนใหญ่จะถูกเจาะส่งผลให้ระดับสัญญาณต่ํามากในพิกเซล แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าความหนาจะเติบโตได้อนันต์ เป็นการยากที่จะรวบรวมอิเล็กตรอนที่ผลิตในภูมิภาคที่ลึกกว่าอย่างรวดเร็วเช่นเดียวกับการตกปลาในทะเลลึกนั้นยากกว่าการตกปลาที่จุดตกปลา เมื่อใช้ไฟส่องสว่างด้านหลังแทนการส่องสว่างด้านหน้า (FSI) สามารถตรวจจับสัญญาณได้อย่างรวดเร็วเนื่องจากการส่องสว่างด้านหลังช่วยให้สามารถเก็บแสงได้ใกล้ชิดกันมากขึ้นซึ่งสนามไฟฟ้าซึ่งทําหน้าที่เป็นสายการประมงจะถูกฉายจากฝั่งตรงข้ามโดยแข็งแกร่งขึ้นด้วยแสง
รูปที่ 5: การเปรียบเทียบไฟหน้าและไฟแบ็คส่องสว่าง (การซึมผ่านและการเก็บแสงต่อความหนา)
ประสิทธิภาพของ i-ToF ขึ้นอยู่กับความสามารถในการแยกสัญญาณตามอัตราการสะสมของประจุ ในเรื่องนี้เซ็นเซอร์ที่ส่องสว่างด้านหน้าอาจทําให้เกิดข้อผิดพลาดในระยะไกลเพราะเมื่อแสงผ่านพื้นผิวพิกเซลมีแนวโน้มที่จะเข้าสู่โหนดการตรวจจับโดยตรงโดยไม่สนใจความแตกต่างของเฟส มันเหมือนกับมีนักเรียนคนอื่น ๆ ในห้องเรียนเมื่อโทรไปม้วนเกิดขึ้น ในไฟหน้ายังมีข้อ จํากัด มากมายในการเดินสายโลหะเพื่อให้แน่ใจว่าปัจจัยการเติมที่สูงขึ้นในขณะที่การส่องสว่างด้านหลังช่วยให้สามารถเลือกสายไฟโลหะได้กว้างขึ้นเช่นการดึงน้ําจากพื้นดินมากกว่าการตัดต้นไม้ในป่าทึบการเก็บน้ําฝนมีประสิทธิภาพมากขึ้น (รูปที่ 6)
รูปที่ 6: อัตราการสะสมของประจุ i-ToF สําหรับวิธีการให้แสงที่แตกต่างกัน (คล้ายกับการดึงน้ําใต้ดินและตัดต้นไม้ในป่าทึบ)
ข้อดีของการส่องสว่างด้านหลังนี้สามารถทําได้โดยการรวมกับเทคโนโลยี CIS ที่ได้รับแสงด้านหลังของ SK hynix ซึ่งมีเทคโนโลยีในการสร้างพิกเซลที่เล็กกว่า 1 ไมครอน
2. อาร์เรย์เลนส์ขนาดเล็ก (SLA) & โครงสร้างร่องลึกประสิทธิภาพคลื่นแสงและควอนตัม
ตามกลไก i-ToF โดยใช้อัตราการสะสมของประจุเราต้องการระดับสัญญาณสูงสุดเพื่อให้ได้ข้อมูลระยะทางที่ถูกต้องในระยะทางไกล ดังนั้น QE สูงในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรดจึงเป็นสิ่งจําเป็น
ดังที่ได้กล่าวมาแล้วเนื่องจากพลังการเจาะสูงของแหล่งกําเนิดแสงอินฟราเรดความเข้มของแสงจึงอ่อนแอกว่าแสงที่มองเห็นได้ดังนั้นความลึกของการเก็บแสงจึงลึก วิธีหนึ่งในการจัดการกับเรื่องนี้คือการสร้างโครงสร้างไมโครเลนโดยเจตนา (เลนส์ขนาดเล็กที่จัดเรียงตามขนาดและจํานวนพิกเซลใต้เลนส์กล้อง) สูงขึ้นเพื่อให้ได้การสะสมแสงที่ดีขึ้น แต่ความสูงมี จํากัด เนื่องจากข้อ จํากัด ทางเทคนิค SK hynix ได้ใช้วิธีการที่แตกต่างกันเพื่อเอาชนะข้อบกพร่องนี้ โดยการวางเลนส์หลายตัวในแต่ละพิกเซลที่มีขนาดเล็กกว่าขนาดของพิกเซลวิธีนี้จะเพิ่มความลึกในการรวบรวมแสงซึ่งจะเป็นการเพิ่มปริมาณแสงทั้งหมดที่ได้รับ
นอกจากนี้ SK hynix ยังขุดโครงสร้างรูปแบบพิเศษที่ด้านหลังเพื่อให้แสงที่เกิดเหตุการณ์สัมผัสกับโครงสร้างและสะท้อนโดยมันขยายเส้นทางการส่งผ่านแสงและเน้นแสงในพื้นที่ปรับซึ่งจะช่วยลดอัตราการสูญเสียแสงและปรับปรุงประสิทธิภาพการส่งผ่านภายใต้ความเข้มแสงเดียวกันบรรลุผลของการฆ่านกสองตัวด้วยหินก้อนเดียว ในความเป็นจริงสิ่งนี้ยืนยันว่า QE มากกว่าสองเท่าภายใต้แหล่งกําเนิดแสง 940nm ที่ QE ที่สูงขึ้นจะประสบความสําเร็จในการลดข้อผิดพลาดระหว่างระยะทางจริงและระยะทางที่วัดได้เกือบ 55% เมื่อเทียบกับวิธีการก่อนหน้านี้
รูปที่ 7: SLA (ซ้าย) และคลื่นแสงที่มีโครงสร้างร่องลึก (ขวา)
3.ให้แน่ใจว่าการใช้พลังงานต่ําและมีประสิทธิภาพสูง
เซ็นเซอร์ ToF จะใช้พลังงานมากที่สุดในวงจรที่ปรับสัญญาณเมื่อใช้งาน พลังของวงจรไดรฟ์แบบปรับเป็นสัดส่วนกับกระแสที่ไหลผ่านบอร์ด กล่าวอีกนัยหนึ่งเราสามารถลดการใช้พลังงานโดยการลดกระแสสารตั้งต้น นอกจากนี้การวัดระยะทางที่แม่นยําและแม่นยํายังต้องการระยะเวลาการปรับที่สั้นลงและการตรวจจับสัญญาณที่รวดเร็ว ยานพาหนะ (โฟตอน) จะต้องเร่งโดยการเหยียบคันเร่งเพื่อเดินทางในระยะทางเดียวกัน (ความหนาของซิลิคอน) อย่างรวดเร็วซึ่งใช้เชื้อเพลิงมาก (หรือกระแสไฟฟ้า) อีกตัวอย่างหนึ่งการวาดน้ําจากบ่อน้ําลึกต้องใช้แรงมากในการยกรอก แต่ถ้าคุณสามารถปั๊มน้ําใต้ดินขึ้น? คุณสามารถดึงน้ําทั้งหมดที่คุณต้องการออกได้โดยใช้ความพยายามเพียงเล็กน้อยเพียงแค่เปิดก๊อกน้ํา
วิธีการ VFM จะเพิ่มพื้นที่พร่องโดยการปรับสภาพและโครงสร้างของการฝังไอออนพิกเซลให้เหมาะสมทําให้สามารถทําหน้าที่เหมือนปั๊มและเสริมสร้างสนามไฟฟ้าแนวตั้ง ดังนั้นแรงของสนามไฟฟ้าจะถูกเพิ่มเข้าไปในกระแสไฟฟ้าซึ่งสามารถรวบรวมอิเล็กตรอนได้อย่างมีประสิทธิภาพและในเวลาเดียวกันก็ยังสามารถรวบรวมได้อย่างรวดเร็วภายใต้เงื่อนไขของกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กและเพิ่มการใช้พลังงาน การทดลองที่กว้างขวางแสดงให้เห็นว่าเมื่อกระแสเพิ่มขึ้นประสิทธิภาพของพิกเซล VFM จะหายไปซึ่งหมายความว่าเป็นโครงสร้างที่เหมาะสมกว่าสําหรับพลังงานต่ําและกระแสไฟฟ้าไม่ได้เป็นปัจจัยสําคัญอีกต่อไป กล่าวอีกนัยหนึ่งวิธีการนี้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของพิกเซลโดยการควบคุมกระแสผ่านการออกแบบที่ช่วยให้สนามไฟฟ้าแนวตั้งที่แข็งแกร่งเพื่อให้ทําหน้าที่เป็นแนวทางเท่านั้น เมื่อเทียบกับเซ็นเซอร์ ToF ระดับ QVGA เซ็นเซอร์ ToF ระดับ 5um VGA มีขนาดพิกเซลที่เล็กกว่าและความละเอียดที่สูงกว่า แต่ปัจจุบันต่อพิกเซลจะลดลงและการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นเกือบเป็นศูนย์
รูปที่ 8: ในฐานะที่เป็นเซ็นเซอร์ ToF โครงสร้าง VFM มีการใช้พลังงานที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
สรุป
SK hynix มีส่วนช่วยในการสร้างมูลค่าทางเศรษฐกิจและสังคมโดยช่วยให้ผู้ผลิตโมดูลต่างๆเข้าสู่ตลาดแอปพลิเคชันที่หลากหลายโดยให้การสนับสนุนด้านเทคนิคและเซ็นเซอร์อย่างใกล้ชิดในขณะที่พัฒนาเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ ToF
ในอนาคตเราจะสามารถใช้อุปกรณ์ AR / VR เพื่อเดินทางไปทั่วโลกใช้โดรนเพื่อส่งมอบพัสดุให้หุ่นยนต์ที่บ้านนําพัสดุมาให้เราขอให้หุ่นยนต์กวาดทําความสะอาดให้เราและแม้แต่นั่งในรถยนต์ขับเคลื่อนด้วยตนเองที่ขับเคลื่อนด้วยการจดจําใบหน้า ดูข่าวในรถ เราคาดว่าสถานการณ์เหล่านี้จะเกิดขึ้นในโลกใหม่ว่าเทคโนโลยีการแก้ปัญหาเชิงลึกของ SK hynix กําลังจะเปิดขึ้น
