Yıllar boyunca, "Star Wars" serisi her zaman sayısız sinemaseverin kalbini şok etti: ister kötü güçlere rağmen kötü güçlere karşı savaşan Jedi şövalyeleri olsun, ister direniş örgütünün baskı karşısında cesareti ve fedakarlığı olsun, ve son olarak mükemmel Kazanma stratejisi aracılığıyla... Bunun ötesinde, filmdeki parlak ışın kılıcı düellolarının yanı sıra R2-D2, C-3PO ve BB-8 gibi droidlerin eylemleri etkileyici. Bu droidler olmasaydı, Star Wars'un böyle inanılmaz bir sonu olmayabilirdi.
Robotlar ve metaverse, 2022 Uluslararası Tüketici Elektroniği Fuarı'nın (CES) en sıcak konularından biridir. Bugün, teslimat robotları, kendi kendine giden arabalar, süpürme robotları ve hava dronları gibi bizim için çalışan insansı olmayan makineler yaygındır. CES'in etkisi göz önüne alındığında, yeni bir çağın eşiğinde olabiliriz: Her evde Star Wars gibi bir bilim kurgu film sahnesinden en az bir robot olacak.
Öte yandan, COVID-19 salgını sırasında temassız hizmetler hızlanmaya devam ettikçe, sanal ve gerçekliği birleştiren metaverse hizmetler popülerlik kazanıyor ve bu tür hizmetlere olan talep katlanarak artıyor. Birçok kişi Artırılmış Gerçeklik (AR, Artırılmış Gerçeklik) veya Sanal Gerçeklik (VR, Sanal Gerçeklik) teknolojisini kullanmaya başlar. Yakında, AR ve VR cihazları akıllı telefonlar gibi taşınacak. Bu, hizmetlerin her zaman, her yerde mevcut olacağı yeni bir dönemi başlatacak, bu da artık bankaları veya üreticileri ziyaret etmemize gerek olmadığı ve fabrikaya girmeden ürünlerin bakımını yapabileceğimiz anlamına geliyor.
Şekil 1: Ocado teslimat robotu
Makinenin Gözü (Makine Görüşü)
Yarı iletken işleme ve Görüntü Sinyali İşleme (ISS, Görüntü Sinyali İşleme) teknolojisindeki inanılmaz gelişmeler, düşen fiyatlar ve mükemmel yüksek çözünürlüklü yüksek performans ile desteklenen CMOS görüntü sensörü (CIS) teknolojisi, akıllı telefonlar gibi çeşitli cihazların dayanağı haline gelmiştir. "Göz". Kamera performansını belirleyen piksellerdir ve etraflarındaki rekabet kamera teknolojisini insan gözünün ötesinde 600 megapiksele itti.
Ancak yüksek çözünürlüklü görüntüler makine görüşü için mutlaka uygun mudur? Güvenlik ve emniyetten sorumlu son teknoloji makinelerin gözleri için, en keskin iki boyutlu (2D) görüntü verileri bile insanların yerine çalışmaları için yeterli değildir. Böyle bir makine R2-D2 gibi taktik operasyonlarda görev yapamayabilir. Ancak kendi kendine giden otomobiller ve dronlar için, yüksek hızlı sürüş sırasında frenleme anını doğru bir şekilde tanımlamak gerekir; yüz tanıma cihazları için düz görüntüler yerine yüzleri doğru bir şekilde taramak gerekir; AR cihazları için, artırılmış gerçeklik için geniş alanları gerçek zamanlı tarayın. Bu makineler sadece 2D görüntü verileri değil, aynı zamanda üç boyutlu (3D) teknik destek gerektirir. Bir makine, ultrason veya lazer ekipmanı gibi yardımlarla kamera olmadan karmaşık bir hesaplama işlemiyle 3D veri elde edebilir. Ancak, bu kadar çok ek bileşene sahip bir makine, tasarım ve fiyat açısından tüketiciler tarafından reddedilir.
Şekil 2: Makinenin Gözünün Gerekli Özellikleri
Gözlerin ve beynin işbirliği ile insanlar nesneleri stereoskopik olarak görebilir ve derinliği ve mesafeyi tanıyabilir. Benzer bir mekanizma ile makineler çok boyutlu nesneleri tanımlayabilir ve nirengi yoluyla mesafeleri ölçebilir. Örneğin, stereo görüş tanıma efektini elde etmek için iki kamera ve bir işlemci kullanır. Bununla birlikte, bu tür mekanizmalar, hesaplama karmaşıklığı, düzlem mesafelerini ölçmede doğruluk eksikliği ve nispeten karanlık yerlerde düşük doğruluk gibi dezavantajlardan da muzdariptir ve bu da bu mekanizmaların kapsamını daraltır. Son zamanlarda, Uçuş Zamanı (ToF) yöntemi bu eksiklikleri gidermek için alternatif bir yöntem olarak pratik kullanıma haline getirilmiştir. ToF, ışığın bir nesneden sektirme süresini hesaplayarak mesafeyi ölçmenin basit bir yoludur. Bu yöntemin çalıştırıcısı kolay ve hızlıdır ve ayrı bir ışık kaynağı kullandığından aydınlatma ortamından bağımsız olarak mesafeleri doğru bir şekilde ölçme avantajına sahiptir.
ToF: yayılan ışığın gidiş-dönüş süresi ölçülerek mesafe elde edilir
Stereoskopik görüş: aynı nesneyi aynı taban çizgisine göre iki farklı noktadan görüntüleyen iki optik sistem
Şekil 3: Stereo Görme ve ToF Nesne Tanıma Yöntemlerinin Karşılaştırılması
uçuş zamanı yöntemi
ToF iki kategoriye ayrılabilir: doğrudan ToF (d-ToF, doğrudan ToF) ve dolaylı ToF (i-ToF, dolaylı ToF). Mesafe, döndürülen ışığın faz farkı kullanılarak hesaplanır. SK hynix, bu iki ToF sensör teknolojisini çeşitli ürünlerde kullanmak için geliştirdi. Muhtemelen, geleceğin robotları yakın mesafedeki nesneleri tanımak için i-ToF kullanan bir göze, uzak nesneleri keşfetmek için d-ToF kullanan diğer göze sahip olacak.
Bu makalenin amacı SK hynix'in i-ToF teknolojisini açıklığa kavuşturmaktır.
Şekil 4: Dolaylı ToF ve doğrudan ToF'un karşılaştırmalı analizi
i-ToF yöntemi, bir piksel içinde ikiden fazla farklı anıda biriken yüklerin oranıyla ışık kaynağından faz farkını hesaplar ve mesafeyi buna göre ölçer. d-ToF ile karşılaştırıldığında, bu mekanizmanın ölçüm mesafesinde bazı sınırlamaları vardır, çünkü ışık uzaktan döndüğünde, daha az yoğunluk nedeniyle ayrılabilen daha az sinyal vardır. Bununla birlikte, d-ToF ile karşılaştırıldığında, daha yüksek çözünürlük avantajına sahiptir, çünkü basit devresi nedeniyle, piksel sinyali kendi kendine ayırabilir ve pikseli küçültmek kolaydır. i-ToF'un sınırlamalarını telafi etmek ve avantajlarını en üst düzeye çıkarmak için, sinyal-gürültü oranını (SNR) iyileştirmek, kızılötesi ışık kaynaklarının kuantum verimliliğini (QE) artırmak veya arka plan ışığını (BGL) kaldırmak için teknikler geliştirmek için büyük bir araştırma yapılmaktadır. ve genişletin.
Mevcut i-ToF piksel yapısı kabaca bir kapı yapısına ve bir difüzyon yapısına ayrılabilir. Kapı yapısı yöntemi, çevredeki elektronları toplamak için ızgaraya modüle edilmiş bir voltaj uygulayarak potansiyel bir fark yaratır. Difüzyon yapısı ise, alt tabakaya modüle edilmiş bir voltaj uygulanarak üretilen akımı kullanarak elektronları toplamak için akım destekli bir fotonik demodülatör (CAPD) görevi görür. İlkine kıyasla, ikincisi daha derin bölgelerde üretilen elektronları hızlı bir şekilde tespit edebilir, bu da transferi daha verimli hale getirir, ancak çok yüklü bir düşük akım kullandığı için daha fazla güç dağılımı gerektirir. Buna ek olarak, pikseller küçüldükçe ve yüksek çözünürlük nedeniyle piksel sayısı arttıkça, güç tüketimi daha da artar.
SK hynix, CAPD'nin avantajlarını en üst düzeye çıkarmak ve sınırlamalarını azaltmak için VFM (Dikey Alan Modülatörü) adı verilen yeni bir yapı kullanarak 10um QVGA sınıfı ve 5um VGA sınıfı piksel teknolojisi geliştirmiştir. Ardından, VFM teknolojisine ve avantajlarına derinlemesine bir göz atalım.
VFM Piksel Teknolojisinin Avantajları
İyi bir mesafe ölçüm sensörünü yargılamak için çeşitli kriterler vardır, ancak her şeyden önce, mesafeyi doğru bir şekilde algılayabilmeli ve daha düşük güç tüketimi yoluyla ısıtma sorunlarını azaltabilmelidir. Başka bir deyişle, iyi bir sensör yüksek verimlilik ve düşük güç tüketimi ile sinyalleri hızlı bir şekilde algılamalı, aynı zamanda faz farklılıklarına göre sinyalleri doğru bir şekilde ayırmalıdır.
1. SK hynix'in CIS arkadan aydınlatmalı (BSI) teknolojisi ve kombinasyonu
CIS gibi, arkadan aydınlatmalı işleme de ToF sensör tasarımına veya performansına bir dizi avantaj sağlar. Uçuş zamanını hesaplamak için kullanılan ışık kaynağı kızılötesi ışıktır (IR) çünkü insan gözüyle görülemez olmalıdır. Ayrıca, düşük ışıklı ortamlarda bile doğru mesafeleri hesaplar. Kızılötesi görünür ışığa kıyasla daha uzun bir dalga boyuna sahiptir, bu da CIS'den daha kalın bir gofret kullanmadan ışığın çoğunun nüfuz ettiği ve piksellerde son derece düşük sinyal seviyelerine neden olduğu anlamına gelir. Ama bu kalınlığın sonsuz büyüyebileceği anlamına gelmez. Derin deniz balıkçılığı, balıkçılık noktalarında balık tutmaktan daha zor olduğu gibi, daha derin bölgelerde üretilen elektronları hızlı bir şekilde toplamak zordur. Ön aydınlatma (FSI) yerine arka aydınlatma kullanıldığında, sinyal hızlı bir şekilde algılanabilir, çünkü arka aydınlatma ışığın birbirine daha yakın toplanmasını sağlar, burada bir olta görevi gören elektrik alanı da ışıkla güçlenerek karşı taraftan yansıtılmıştır.
Şekil 5: Önden aydınlatmalı ve arkadan aydınlatmalı (kalınlık başına geçirgenlik ve ışık toplama) karşılaştırması
i-ToF'un performansı, sinyalleri şarj birikimi oranına göre ayırma yeteneğine bağlıdır. Bu bağlamda, önden aydınlatmalı sensörler uzakta hatalara neden olabilir, çünkü ışık piksel yüzeyinden geçtiğinde, faz farkını göz ardı ederek algılama düğümüne doğrudan girme olasılığı daha yüksektir. Yoklama yapılırken sınıfta başka öğrenciler de var gibi. Önden aydınlatmalı olarak, daha yüksek bir dolgu faktörü sağlamak için metal kablolamada da birçok kısıtlama vardır, arka aydınlatmalı ise yoğun bir ormandaki ağaçları kesmektense yerden su çekmek gibi daha geniş bir metal kablolama seçeneği sağlar Yağmur suyu toplamak daha verimlidir (Şekil 6).
Şekil 6: Farklı aydınlatma yöntemleri için i-ToF şarj biriktirme oranları (yeraltına su çekmeye ve yoğun ormanlardaki ağaçları kesmeye benzer)
Arka aydınlatmanın bu avantajı, 1 mikrondan küçük pikseller oluşturma teknolojisine sahip SK hynix'in CIS arka aydınlatmalı teknolojisi ile birleştirilerek elde edilebilir.
2. Küçük Lens Dizisi (SLA) ve Hendek Yapısı Optik Dalga Kılavuzu ve Kuantum Verimliliği
Şarj birikimi hızını kullanan i-ToF mekanizmasına göre, daha uzun mesafelerde doğru mesafe verilerini elde etmek için maksimum sinyal seviyesine ihtiyacımız vardır. Bu nedenle, kızılötesi dalga boyu aralığında yüksek QE gereklidir.
Yukarıda belirtildiği gibi, kızılötesi ışık kaynağının yüksek nüfuz gücü nedeniyle, ışık yoğunluğu görünür ışığınkinden daha zayıftır, bu nedenle ışık toplama derinliği derindir. Bununla başa çıkmanın bir yolu, daha iyi ışık toplama elde etmek için kasıtlı olarak mikrolens yapıları (kamera lensinin altındaki piksellerin boyutuna ve sayısına göre düzenlenmiş küçük boyutlu lensler) oluşturmaktır, ancak teknik kısıtlamalar nedeniyle yükseklik sınırlıdır. SK hynix bu eksikliği aşmak için farklı bir yaklaşım benimsemiş. Her piksele pikselin boyutundan daha küçük birkaç lens yerleştirerek, bu yöntem ışık toplama derinliğini arttırır, böylece alınan toplam ışık miktarını arttırır.
Buna ek olarak, SK hynix ayrıca arkadaki özel bir desen yapısını kazar, böylece olay ışığı yapıya dokunur ve onun tarafından yansıtılır, ışık iletim yolunu genişletir ve ışığı modülasyon alanına odaklar, böylece ışık kaybı oranını azaltır ve aynı ışık yoğunluğu altında iletim verimliliğini artırır, bir taşla iki kuşu öldürme etkisi elde eder. Aslında, bu QE'nin 940nm ışık kaynağı altında iki katından fazla olduğunu doğruluyor. Daha yüksek QE'de, gerçek ve ölçülen mesafeler arasındaki hatayı önceki yöntemlere kıyasla yaklaşık% 55 oranında azaltmayı başarır.
Şekil 7: SLA (solda) ve hendek yapısı optik dalga kılavuzu (sağda)
3. Düşük güç tüketimi ve yüksek performans sağlayın
Işık kaynağının güç tüketimi hariç, ToF sensörü çalışırken sinyali modüle eden devrede en fazla gücü tüketir. Modülasyon tahrik devresinin gücü, karttan akan akımla orantılıdır. Başka bir deyişle, substrat akımını azaltarak güç tüketimini azaltabiliriz. Ayrıca, doğru ve hassas mesafe ölçümleri daha kısa modülasyon süreleri ve hızlı sinyal algılama gerektirir. Aracın (foton) aynı mesafeyi (silikon kalınlığı) hızlı bir şekilde kat edebilmesi için gaz pedalına basılarak hızlandırılması gerekir, bu da çok fazla yakıt (veya akım) tüketir. Başka bir örnek olarak, derin bir kuyudan su çekmek, kasnak kaldırmak için çok fazla güç gerektirir. Peki ya yeraltı suyunu pompalayabilirsen? İhtiyacınız olan tüm suyu az çabayla çekebilirsiniz, sadece musluğu açın.
VFM yöntemi, piksel iyon implantasyonunun koşullarını ve yapısını optimize ederek tükenme bölgesini arttırır, pompa gibi davranmasını sağlar ve dikey elektrik alanını güçlendirir. Bu nedenle, elektrik alanının kuvveti, elektronları etkili bir şekilde toplayabilen akıma eklenir ve aynı zamanda küçük akım koşulu altında hızlı toplama elde edebilir ve güç tüketimini artırabilir. Kapsamlı deneyler, akım arttığında VFM pikselinin performansının kaybolduğunu, bu da düşük güç için daha uygun bir yapı olduğu ve akımın artık önemli bir faktör olmadığı anlamına geldiğini göstermiştir. Başka bir deyişle, yöntem, yalnızca bir kılavuz görevi görebilmesi için güçlü bir dikey elektrik alanı sağlayan bir tasarım aracılığıyla akımı kontrol ederek pikselin performansını artırır. QVGA sınıfı ToF sensörü ile karşılaştırıldığında, 5um VGA sınıfı ToF sensörü daha küçük bir piksel boyutuna ve daha yüksek çözünürlüğe sahiptir, ancak piksel başına akım azalır ve güç tüketimindeki artış neredeyse sıfırdır.
Şekil 8: ToF sensörü olarak VFM yapısı daha verimli güç tüketimine sahiptir
Özetle
SK hynix, ToF sensör teknolojisini geliştirirken yakın teknik destek ve sensörler sağlayarak çeşitli modül üreticilerinin çok çeşitli uygulama pazarlarına girmesini sağlayarak ekonomik ve sosyal değerin yaratılmasına katkıda bulunur.
Gelecekte, ar/VR ekipmanlarını dünyayı dolaşmak, paketleri teslim etmek için drone'ları kullanmak, ev robotlarının bize paket getirmesine izin vermek, süpürme robotlarından bizim için temizlik yapmasını istemek ve hatta yüz tanıma ile çalışan kendi kendine giden arabalarda oturmak için kullanabileceğiz. Arabada haberleri izle. Sk hynix'in derin çözüm teknolojisinin açılmak üzere olduğu yeni dünyada bu senaryoların gerçekleşmesini bekliyoruz.
