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.
ربات ها و متاورس یکی از داغ ترین موضوعات در نمایشگاه بین المللی لوازم الکترونیکی مصرفی (CES) 2022 است. امروزه، ماشینهای غیر انساننما که برای ما کار میکنند، رایج هستند، مانند رباتهای تحویلدهنده، ماشینهای{2}خودران، روباتهای جاروگر، و پهپادهای هوایی. با توجه به تأثیر CES، ممکن است در آستانه عصر جدیدی باشیم: هر خانه حداقل یک ربات از صحنه فیلم علمی{3}} مانند جنگ ستارگان خواهد داشت.
از سوی دیگر، با تسریع خدمات بدون تماس در طول همهگیری COVID-19، سرویسهای متاورس که مجازی و واقعیت را ترکیب میکنند محبوبیت پیدا میکنند و تقاضا برای چنین خدماتی به طور تصاعدی در حال افزایش است. بسیاری از افراد شروع به استفاده از فناوری واقعیت افزوده (AR، واقعیت افزوده) یا واقعیت مجازی (VR، واقعیت مجازی) می کنند. به زودی دستگاههای واقعیت افزوده و واقعیت مجازی مانند گوشیهای هوشمند عرضه خواهند شد. این دوره جدیدی را آغاز می کند که در آن خدمات در هر زمان و هر مکان در دسترس خواهند بود، به این معنی که دیگر نیازی به بازدید از بانک ها یا تولید کنندگان نداریم و می توانیم محصولات را بدون ورود به کارخانه نگهداری کنیم.
شکل 1: ربات تحویل اکادو
چشم ماشین (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.
اما آیا تصاویر با وضوح{0} بالا لزوماً برای بینایی ماشین مناسب هستند؟ برای دستگاههای پیشرفته-که مسئولیت ایمنی و امنیت را بر عهده دارند، حتی واضحترین دادههای تصویر دو بعدی- (2 بعدی) برای کارکردن آنها به جای انسان کافی نیست. چنین ماشینی ممکن است نتواند ماموریت هایی را در عملیات تاکتیکی مانند R2-D2 انجام دهد. اما برای خودروهای خودران و پهپادها، لازم است لحظه ترمز را در حین رانندگی با سرعت بالا به دقت شناسایی کنید. برای دستگاه های تشخیص چهره، اسکن دقیق چهره ها به جای تصاویر مسطح ضروری است. برای دستگاههای واقعیت افزوده،{10}}زمان واقعی فضاهای بزرگ را برای واقعیت افزوده اسکن کنید. این ماشین ها نه تنها به داده های تصویر دوبعدی، بلکه به پشتیبانی فنی سه بعدی (3 بعدی) نیز نیاز دارند. یک ماشین می تواند داده های سه بعدی را از طریق یک فرآیند محاسباتی پیچیده بدون دوربین، با کمک هایی مانند اولتراسوند یا تجهیزات لیزر به دست آورد. با این حال، ماشینی با این همه اجزای اضافی از نظر طراحی و قیمت توسط مصرف کنندگان رد می شود.
شکل 2: ویژگی های ضروری چشم ماشین
با همکاری چشم و مغز، افراد می توانند اشیا را به صورت استریوسکوپی ببینند و عمق و فاصله را تشخیص دهند. از طریق مکانیزم مشابه، ماشینها همچنین میتوانند اجسام چند بعدی-را شناسایی کرده و فواصل را از طریق مثلثسازی اندازهگیری کنند. برای مثال، دید استریو از دو دوربین و یک پردازنده برای دستیابی به افکت تشخیص استفاده می کند. با این حال، چنین مکانیزمهایی از اشکالاتی مانند پیچیدگی محاسباتی، عدم دقت در اندازهگیری فواصل صفحه و دقت پایین در مکانهای نسبتا تاریک نیز رنج میبرند که دامنه چنین مکانیزمهایی را محدود میکند. اخیراً روش-از-پرواز (ToF) به عنوان روشی جایگزین برای غلبه بر این کاستی ها مورد استفاده عملی قرار گرفته است. ToF روشی ساده برای اندازه گیری فاصله با محاسبه زمان جهش نور از یک جسم است. این روش آسان و سریع اجرا می شود و مزیت اضافه اندازه گیری فاصله را بدون توجه به محیط روشنایی دارد زیرا از منبع نور جداگانه استفاده می کند.
ToF: فاصله با اندازهگیری زمان رفت و برگشت نور ساطع شده به دست میآید.
دید استریوسکوپی: دو سیستم نوری که یک جسم مشابه را از دو نقطه متفاوت نسبت به یک خط مبنا مشاهده می کنند.
شکل 3: مقایسه روشهای تشخیص استریو Vision و ToF
روش زمان پرواز
ToF را می توان به دو دسته تقسیم کرد: ToF مستقیم (d-ToF، ToF مستقیم) و ToF غیر مستقیم (i-ToF، ToF غیر مستقیم). فاصله با استفاده از اختلاف فاز نور برگشتی محاسبه می شود. SK hynix این دو فناوری حسگر ToF را برای استفاده از آنها در محصولات مختلف توسعه داد. احتمالاً روباتهای آینده یک چشم خواهند داشت که از i{2}}ToF برای تشخیص اشیاء در فاصله نزدیک و چشم دیگر از d-ToF برای کاوش اجسام دور استفاده میکند.
هدف این مقاله روشن کردن فناوری i-ToF SK hynix است.
شکل 4: تحلیل مقایسه ای ToF غیر مستقیم و ToF مستقیم
روش i-ToF اختلاف فاز از منبع نور را با نسبت بارهای انباشته شده در بیش از دو حافظه مختلف در یک پیکسل محاسبه میکند و فاصله را بر این اساس اندازهگیری میکند. در مقایسه با d-ToF، این مکانیسم دارای محدودیتهایی در اندازهگیری فاصله است، زیرا هنگامی که نور از فاصله دور برمیگردد، سیگنالهای کمتری وجود دارد که میتوان به دلیل کاهش شدت آن را جدا کرد. با این حال، در مقایسه با d-ToF، از مزیت وضوح بالاتر برخوردار است، زیرا به دلیل مدار ساده آن، پیکسل می تواند سیگنال را به خودی خود جدا کند و به راحتی پیکسل را کوچک می کند. برای جبران محدودیتهای i-ToF و به حداکثر رساندن مزایای آن، تحقیقات زیادی در حال انجام است تا نسبت سیگنال به-SNR (SNR) را بهبود بخشد. بهره وری کوانتومی (QE) منابع نور مادون قرمز، یا استفاده از تکنیک هایی برای حذف نور پس زمینه (BGL). و گسترش دهید.
ساختار پیکسل i-ToF کنونی را می توان تقریباً به ساختار دروازه و ساختار انتشار تقسیم کرد. روش ساختار دروازه با اعمال یک ولتاژ مدوله شده به گریتینگ برای جمع آوری الکترون های اطراف، اختلاف پتانسیل ایجاد می کند. از سوی دیگر، ساختار انتشار به عنوان یک دمدولاتور فوتونی به کمک جریان (CAPD) برای جمعآوری الکترونها با استفاده از جریان تولید شده با اعمال ولتاژ مدولهشده به زیرلایه عمل میکند. در مقایسه با اولی، دومی میتواند به سرعت الکترونهای تولید شده در نواحی عمیقتر را شناسایی کند، که انتقال را کارآمدتر میکند، اما به اتلاف توان بیشتری نیاز دارد، زیرا از یک جریان پایینتر چند بار{2} استفاده میکند. علاوه بر این، با کوچکتر شدن پیکسل ها و افزایش تعداد پیکسل ها به دلیل وضوح بالا، مصرف انرژی بیشتر می شود.
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.
مزایای فناوری VFM Pixel
معیارهای مختلفی برای قضاوت در مورد یک سنسور اندازه گیری فاصله خوب وجود دارد، اما اول از همه، باید بتواند فاصله را به دقت تشخیص دهد و مشکلات گرمایش را از طریق مصرف انرژی کمتر کاهش دهد. به عبارت دیگر، یک سنسور خوب باید سیگنال ها را به سرعت با راندمان بالا و مصرف انرژی کم تشخیص دهد، در حالی که باید سیگنال ها را بر اساس اختلاف فاز به طور دقیق جدا کند.
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.
شکل 5: مقایسه نورهای جلویی-و نورانی پشت-(نفوذپذیری و جمع آوری نور در هر ضخامت)
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).
شکل 6: i-نرخ انباشت شارژ ToF برای روشهای مختلف روشنایی (مشابه با برداشت آب از زیر زمین و قطع درختان در جنگلهای انبوه)
این مزیت نورپردازی پشت{0}}را میتوان با ترکیب با فناوری نورپردازی پشت{1} CIS SK hynix، که دارای فناوری ایجاد پیکسلهای کوچکتر از 1 میکرون است، به دست آورد.
2. ساختار عدسی کوچک (SLA) موجبر نوری و راندمان کوانتومی
با توجه به مکانیسم i-ToF با استفاده از نرخ انباشت بار، ما به حداکثر سطح سیگنال برای به دست آوردن اطلاعات فاصله دقیق در فواصل طولانیتر نیاز داریم. بنابراین QE بالا در محدوده طول موج مادون قرمز ضروری است.
همانطور که در بالا ذکر شد، به دلیل قدرت نفوذ بالای منبع نور مادون قرمز، شدت نور آن ضعیف تر از نور مرئی است، بنابراین عمق جمع آوری نور عمیق است. یکی از راههای مقابله با این موضوع این است که عمداً ساختارهای میکرولنز (عدسیهای{0}}کوچک که بر اساس اندازه و تعداد پیکسلهای زیر لنز دوربین چیده شدهاند) در ارتفاع بالا برای دستیابی به جمعآوری نور بهتر است، اما ارتفاع آن به دلیل محدود است. محدودیت های فنی SK hynix برای غلبه بر این نقص رویکرد متفاوتی در پیش گرفته است. با قرار دادن چندین عدسی در هر پیکسل که کوچکتر از اندازه پیکسل هستند، این روش عمق جمعآوری نور را افزایش میدهد و در نتیجه مقدار کل نور دریافتی را افزایش میدهد.
علاوه بر این، SK hynix همچنین ساختار الگوی خاصی را در پشت حفر می کند، به طوری که نور فرودی ساختار را لمس می کند و توسط آن منعکس می شود، مسیر انتقال نور را گسترش می دهد و نور را در ناحیه مدولاسیون متمرکز می کند و در نتیجه نرخ افت نور را کاهش می دهد. و بهبود راندمان انتقال تحت شدت نور یکسان باعث می شود که دو پرنده با یک سنگ کشته شوند. در واقع، این تایید می کند که QE تحت منبع نور 940 نانومتری بیش از دو برابر شده است. در QE بالاتر، در مقایسه با روشهای قبلی، موفق میشود خطای بین فاصلههای واقعی و اندازهگیری شده را نزدیک به 55 درصد کاهش دهد.
شکل 7: SLA (چپ) و موجبر نوری ساختار یافته ترانچ{1}}(راست)
3. از مصرف انرژی کم و عملکرد بالا اطمینان حاصل کنید
بدون احتساب انرژی مصرفی منبع نور، سنسور ToF بیشترین انرژی را در مداری که سیگنال را در هنگام کار تعدیل می کند، مصرف می کند. قدرت مدار محرک مدولاسیون متناسب با جریان عبوری از برد است. به عبارت دیگر می توانیم با کاهش جریان بستر، مصرف برق را کاهش دهیم. علاوه بر این، اندازهگیری دقیق و دقیق فاصله به دورههای مدولاسیون کوتاهتر و تشخیص سریع سیگنال نیاز دارد. وسیله نقلیه (فوتون) باید با پا گذاشتن روی پدال گاز شتاب بگیرد تا همان مسافت (ضخامت سیلیکون) را به سرعت طی کند که سوخت (یا جریان) زیادی مصرف می کند. به عنوان مثال دیگر، کشیدن آب از یک چاه عمیق به نیروی زیادی برای بلند کردن قرقره نیاز دارد. اما اگر بتوانید آب های زیرزمینی را به بالا پمپاژ کنید، چه؟ می توانید تمام آب مورد نیاز خود را با کمی تلاش بیرون بکشید، فقط شیر آب را باز کنید.
روش VFM با بهینه سازی شرایط و ساختار کاشت یون پیکسل، ناحیه تخلیه را افزایش می دهد و آن را قادر می سازد مانند یک پمپ عمل کند و میدان الکتریکی عمودی را تقویت کند. بنابراین، نیروی میدان الکتریکی به جریان اضافه میشود که میتواند به طور موثر الکترونها را جمعآوری کند و در عین حال میتواند در شرایط جریان کم به جمعآوری سریع دست یابد و مصرف برق را افزایش دهد. آزمایشات گسترده نشان داده است که با افزایش جریان، عملکرد پیکسل VFM از بین می رود، به این معنی که ساختار مناسب تری برای توان کم است و جریان دیگر عامل مهمی نیست. به عبارت دیگر، این روش عملکرد پیکسل را با کنترل جریان از طریق طراحی بهبود می بخشد که یک میدان الکتریکی عمودی قوی را امکان پذیر می کند به طوری که تنها به عنوان یک راهنما عمل می کند. در مقایسه با سنسور QVGA{0}}کلاس ToF، سنسور 5um VGA-کلاس ToF دارای اندازه پیکسل کوچکتر و وضوح بالاتر است، اما جریان در هر پیکسل کاهش مییابد و افزایش مصرف انرژی تقریباً صفر است. .
شکل 8: ساختار VFM به عنوان یک سنسور ToF، مصرف انرژی کارآمدتری دارد
خلاصه کنید
SK hynix با فراهم کردن پشتیبانی فنی نزدیک و حسگرها در حالی که فناوری حسگر ToF را توسعه میدهد، به ایجاد ارزش اقتصادی و اجتماعی کمک میکند.
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.