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.
Roboti i metaverzum su jedna od najtoplijih tema na Međunarodnom sajmu potrošačke elektronike (CES) 2022. Danas su ne-mašine koje rade za nas uobičajene, kao što su roboti za dostavu,-automobili koji se samostalno voze, roboti za čišćenje i dronovi. S obzirom na uticaj CES-a, možda smo na rubu nove ere: svaki dom će imati barem jednog robota iz scene iz naučno-fantastičnog filma kao što je Ratovi zvijezda.
S druge strane, kako beskontaktne usluge nastavljaju da se ubrzavaju tokom pandemije COVID-19, usluge metaverzuma koje kombinuju virtuelnu i stvarnost postaju sve popularnije i potražnja za takvim uslugama eksponencijalno raste. Mnogi ljudi počinju koristiti tehnologiju proširene stvarnosti (AR, proširena stvarnost) ili virtualne stvarnosti (VR, virtualna stvarnost). Uskoro će se AR i VR uređaji nositi kao pametni telefoni. Ovo će otvoriti novu eru u kojoj će usluge biti dostupne bilo kada i bilo gdje, što znači da više ne moramo posjećivati banke ili proizvođače i možemo održavati proizvode bez ulaska u tvornicu.
Slika 1: Ocado robot za dostavu
Oko mašine (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.
Ali da li su slike visoke{0}}rezolucije nužno prikladne za mašinski vid? Za oči najsavremenijih-mašina odgovornih za sigurnost i sigurnost, čak ni najoštriji dvodimenzionalni (2D) podaci o slici nisu dovoljni da rade umjesto ljudi. Takva mašina možda neće moći da obavlja misije u taktičkim operacijama kao što je R2-D2. Ali za automobile i bespilotne letjelice koje samostalno voze, potrebno je precizno identifikovati moment kočenja tokom vožnje velikom brzinom; za uređaje za prepoznavanje lica potrebno je precizno skenirati lica umjesto ravnih slika; za AR uređaje, u stvarnom-vremenskom vremenu Skenirajte velike prostore za proširenu stvarnost. Ove mašine ne zahtevaju samo 2D slikovne podatke, već i trodimenzionalnu (3D) tehničku podršku. Mašina može dobiti 3D podatke kroz složeni računski proces bez kamere, uz pomoć kao što je ultrazvuk ili laserska oprema. Međutim, mašina sa toliko dodatnih komponenti bila bi odbačena od strane potrošača u smislu dizajna i cene.
Slika 2: Neophodne karakteristike oka mašine
Uz saradnju očiju i mozga, ljudi mogu stereoskopski vidjeti predmete i prepoznati dubinu i udaljenost. Kroz sličan mehanizam, mašine također mogu identificirati više-dimenzionalne objekte i mjeriti udaljenosti putem triangulacije. Na primjer, stereo vid koristi dvije kamere i procesor za postizanje efekta prepoznavanja. Međutim, takvi mehanizmi imaju i nedostatke kao što su složenost računanja, nedostatak tačnosti u mjerenju udaljenosti ravnine i niska preciznost na relativno tamnim mjestima, što sužava opseg takvih mehanizama. Nedavno je metoda Time--Time of Flight (ToF) stavljena u praktičnu upotrebu kao alternativna metoda za prevazilaženje ovih nedostataka. ToF je jednostavan način mjerenja udaljenosti izračunavanjem vremena koje je potrebno svjetlosti da se odbije od objekta. Ova metoda je laka i brza za izvođenje, a ima dodatnu prednost u preciznom mjerenju udaljenosti bez obzira na svjetlosno okruženje jer koristi poseban izvor svjetlosti.
ToF: udaljenost se dobija mjerenjem povratnog-vremena putovanja emitiranog svjetla
Stereoskopski vid: dva optička sistema koji posmatraju isti objekat sa dve različite tačke u odnosu na istu osnovnu liniju
Slika 3: Poređenje Stereo Vision i ToF metoda prepoznavanja objekata
metoda vremena leta
ToF se može podijeliti u dvije kategorije: direktni ToF (d-ToF, direktni ToF) i indirektni ToF (i-ToF, indirektni ToF). Udaljenost se izračunava koristeći faznu razliku povratnog svjetla. SK hynix je razvio ove dvije tehnologije ToF senzora kako bi ih koristio u različitim proizvodima. Moguće je da će roboti budućnosti imati jedno oko koje koristi i-ToF za prepoznavanje objekata iz blizine, a drugo oko koje koristi d-ToF za istraživanje udaljenih objekata.
Svrha ovog članka je razjasniti i-ToF tehnologiju SK hynixa.
Slika 4: Komparativna analiza indirektnog ToF-a i direktnog ToF-a
Metoda i-ToF izračunava faznu razliku od izvora svjetlosti s omjerom naboja akumuliranih u više od dvije različite memorije unutar jednog piksela i u skladu s tim mjeri udaljenost. U poređenju sa d-ToF, ovaj mehanizam ima neka ograničenja u mjerenju udaljenosti jer kada se svjetlost vrati iz daljine, postoji manje signala koji se mogu razdvojiti zbog smanjenog intenziteta. Međutim, u poređenju sa d-ToF, ima prednost veće rezolucije, jer zbog svog jednostavnog kola piksel može sam odvojiti signal, a piksel je lako smanjiti. Kako bi se kompenzirala ograničenja i-ToF-a i maksimizirale njegove prednosti, sada se radi mnogo istraživanja kako bi se poboljšao odnos signala-prema-šumu (SNR), povećao kvantna efikasnost (QE) infracrvenih izvora svjetlosti, ili koriste tehnike za uklanjanje pozadinskog svjetla (BGL). i proširiti.
Trenutna struktura i-ToF piksela može se grubo podijeliti na strukturu kapije i strukturu difuzije. Metoda strukture gejta stvara razliku potencijala primjenom moduliranog napona na rešetku za prikupljanje okolnih elektrona. Difuziona struktura, s druge strane, djeluje kao fotonski demodulator (CAPD) potpomognut strujom za prikupljanje elektrona koristeći struju generiranu primjenom moduliranog napona na supstrat. U poređenju sa prvim, potonji može brzo detektirati elektrone generirane u dubljim regijama, čineći prijenos efikasnijim, ali zahtijeva više disipacije energije jer koristi struju sa više-opterećenja. Osim toga, kako pikseli postaju manji, a broj piksela se povećava zbog visoke rezolucije, potrošnja energije se dodatno povećava.
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.
Prednosti VFM Pixel tehnologije
Postoje različiti kriterijumi za procenu dobrog senzora za merenje udaljenosti, ali prvo i najvažnije, trebalo bi da bude u stanju da precizno detektuje udaljenost i smanji probleme sa grejanjem kroz manju potrošnju energije. Drugim rečima, dobar senzor mora brzo detektovati signale sa visokom efikasnošću i malom potrošnjom energije, a mora i precizno odvojiti signale na osnovu faznih razlika.
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.
Slika 5: Poređenje prednjeg-osvijetljenog i stražnjeg{2}}osvijetljenog (propusnost i sakupljanje svjetlosti po debljini)
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).
Slika 6: i-Stope akumulacije ToF naboja za različite metode osvjetljenja (analogno crpljenju vode iz zemlje i sječi drveća u gustim šumama)
Ova prednost zadnjeg-osvjetljenja može se postići kombinovanjem sa CIS tehnologijom stražnjeg-osvjetljenja SK hynixa, koja ima tehnologiju stvaranja piksela manjih od 1 mikrona.
2. Mali niz sočiva (SLA) rovovska struktura optičkog talasovoda i kvantna efikasnost
Prema i-ToF mehanizmu koji koristi stopu akumulacije punjenja, potreban nam je maksimalni nivo signala da dobijemo tačne podatke o udaljenosti na većim udaljenostima. Zbog toga je visok QE u opsegu infracrvenih talasnih dužina od suštinskog značaja.
Kao što je već spomenuto, zbog velike prodorne moći infracrvenog izvora svjetlosti, njegov intenzitet svjetlosti je slabiji od intenziteta vidljive svjetlosti, tako da je dubina sakupljanja svjetlosti duboka. Jedan od načina da se riješi ovo je da se namjerno formiraju strukture mikrosočiva (mala-sočiva raspoređena prema veličini i broju piksela ispod sočiva kamere) visoko uvis kako bi se postigla bolja kolekcija svjetla, ali visina je ograničena zbog tehnička ograničenja. SK hynix je preuzeo drugačiji pristup kako bi prevazišao ovaj nedostatak. Postavljanjem nekoliko sočiva na svaki piksel koja su manja od veličine piksela, ova metoda povećava dubinu-prikupljanja svjetlosti, čime se povećava ukupna količina primljene svjetlosti.
Osim toga, SK hynix također iskopava posebnu strukturu uzorka na poleđini, tako da upadna svjetlost dodiruje strukturu i reflektuje se od nje, produžavajući put prijenosa svjetlosti i fokusirajući svjetlost na područje modulacije, čime se smanjuje stopa gubitka svjetlosti. i poboljšanje efikasnosti prenosa pod istim intenzitetom svetlosti postiže se efekat ubijanja dve muve jednim udarcem. U stvari, ovo potvrđuje da je QE više nego udvostručen pod izvorom svjetlosti od 940 nm. Kod većeg QE, uspijeva smanjiti grešku između stvarne i izmjerene udaljenosti za skoro 55 posto u poređenju sa prethodnim metodama.
Slika 7: SLA (lijevo) i rov{1}}strukturirani optički talasovod (desno)
3. Osigurajte nisku potrošnju energije i visoke performanse
Ne računajući potrošnju energije izvora svjetlosti, ToF senzor troši najviše energije u krugu koji modulira signal kada radi. Snaga modulacijskog pogonskog kola je proporcionalna struji koja teče kroz ploču. Drugim riječima, možemo smanjiti potrošnju energije smanjenjem struje supstrata. Dodatno, tačna i precizna mjerenja udaljenosti zahtijevaju kraće periode modulacije i brzu detekciju signala. Vozilo (foton) se mora ubrzati gaženjem papučice gasa kako bi brzo prešlo istu udaljenost (debljina silicijuma), što troši mnogo goriva (ili struje). Kao još jedan primjer, izvlačenje vode iz dubokog bunara zahtijeva puno sile da bi se remenica podigla. Ali šta ako biste mogli da pumpate podzemnu vodu? Uz malo truda možete izvući svu potrebnu vodu, samo otvorite slavinu.
VFM metoda povećava područje iscrpljivanja optimizirajući uslove i strukturu implantacije jona piksela, omogućavajući mu da djeluje kao pumpa i jača vertikalno električno polje. Stoga se struji dodaje sila električnog polja, koja može efikasno sakupljati elektrone, a istovremeno može postići i brzo sakupljanje pod uslovima male struje i povećati potrošnju energije. Opsežni eksperimenti su pokazali da kada se struja poveća, performanse VFM piksela se gube, što znači da je prikladnija struktura za male snage, a struja više nije važan faktor. Drugim riječima, metoda poboljšava performanse piksela kontroliranjem struje kroz dizajn koji omogućava snažno vertikalno električno polje tako da djeluje samo kao vodič. U poređenju sa ToF senzorom QVGA-klase, ToF senzor 5um VGA-klase ima manju veličinu piksela i veću rezoluciju, ali je struja po pikselu smanjena, a povećanje potrošnje energije je skoro nulo .
Slika 8: Kao ToF senzor, VFM struktura ima efikasniju potrošnju energije
Sažmite
SK hynix doprinosi stvaranju ekonomske i društvene vrijednosti omogućavajući različitim proizvođačima modula da uđu na širok spektar tržišta aplikacija pružajući blisku tehničku podršku i senzore dok razvija tehnologiju ToF senzora.
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.
