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瑞識科技發布行業領先3D dToF VCSEL,光功率提升3倍

3月18日晚,蘋果官網iPad Pro悄然上新。和前代相比,本次發布的iPad Pro的最大亮點是這代產品的攝像頭模塊配置了直接飛行時間(dToF)模組,即蘋果所稱的激光雷達掃描儀(LiDAR)。通過dToF傳感器實現的激光雷達應用,不僅意味著蘋果“All in AR”戰略的加速落地,未來還勢必帶動增強現實(AR)、游戲、智能感知等眾多相關行業快速跟進,促使3D傳感迎來新的爆發期。

圖1:蘋果官網iPad Pro的dToF激光雷達介紹

  實際上,其它手機廠商如華為、三星等,在今年剛發布的幾款產品里,也都在攝像頭上搭載了間接飛行時間(iToF)技術,而蘋果本次新品則是對前者的升級和顛覆,采用了dToF測量方法,通過垂直腔面發射激光器(VCSEL)光源發射高能量激光脈沖,利用單光子雪崩二極管(SPAD)傳感器對光子飛行時間進行直接測量,進而轉換成光子飛行距離。相比于iToF,dToF主要通過像素的脈沖輸出直接進行簡單的模數轉換就可以得到反射回傳感器的光子時間和數量,減少了功耗和運算量;并且通過調整脈沖頻率和能量,可以達到比iToF更遠的測量范圍。

  dToF的工作距離與VCSEL光源的功率直接相關。要想實現遠距離工作,就需要提高發射端VCSEL光源的功率,或者將脈沖周期縮短到納秒級別,以提升脈沖瞬時功率。蘋果dToF所采用的新一代VCSEL,正是在極短的時間內產生了數倍于普通VCSEL的高強度的紅外脈沖激光,從而實現了5m工作范圍內的高精度3D深度感知,同時由于其兼具較高的光電轉換效率(PCE)和小尺寸設計,更利于消費級產品的嵌入集成。

  據了解,dToF用VCSEL芯片光功率的提高,并非簡單的增大電流電壓,或者采用單純的多顆芯片級聯累加的方法,而是需要集成半導體材料學、熱學、光學等諸多技術要素,對芯片半導體外延結構進行顛覆性設計,技術門檻極高。目前國際和國內VCSEL企業對新一代VCSEL技術尚屬空白,多處于初期研究階段。

  據麥姆斯咨詢報道,幾乎與蘋果發布iPad Pro新品時期同步,瑞識科技的新一代dToF VCSEL光源產品日前也已重磅亮相。瑞識科技通過對半導體芯片結構進行顛覆性的創新設計,在不增加芯片面積的情況下,將VCSEL光功率相比iToF VCSEL芯片提高了3倍 (圖2),PCE達到了58%,提升了近10%。可以說,瑞識科技本次的產品,專為dToF應用所需的中遠程高分辨率3D傳感而開發,從景深到AR,實現了最前端ToF的應用集成。

圖2:瑞識科技單孔dToF和iToF VCSEL在相同測試條件下(室溫CW驅動)的光功率(左)和光電轉換效率PCE(右)對比。

  瑞識科技此次發布的新一代VCSEL光源產品,除了圖2中對比的dToF單孔VCSEL芯片產品,還包括了高功率陣列式VCSEL芯片產品,在微小芯片面積上(1平方毫米左右)即可實現高功率。在占空比為1%、周期350us的脈沖驅動條件下,其光功率比相同驅動條件下的iToF陣列VCSEL芯片功率提升了近3倍,只需要4A的電流即可達到瞬時10W的光功率(圖3)。同時,PCE達到54%,領先于目前最頂級iToF VCSEL光電轉換效率不到50%的行業現狀。另外,瑞識科技透露,在更短(1ns)的脈沖驅動下,新的dToF VCSEL可以實現超過100W的峰值功率。

圖3:瑞識科技dToF陣列VCSEL芯片產品SEM實拍(左);dToF與iToF陣列VCSEL光功率比較(右)。

  在量產方面,瑞識科技透露,得益于團隊以往的技術及產業化經驗,新一代dToF VCSEL產品的良率和可靠性管控均已達到量產水平,目前已實現在6寸GaAs晶圓上規模化量產。

圖4:瑞識科技dToF陣列VCSEL芯片產品6寸晶圓光電轉換效率分布(左)與波長分布(右)。

  由于具有不易受干擾、體積小、響應快、精度高以及在中遠距離識別等多個性能優勢,ToF技術正成為了消費、車載等應用領域3D傳感的方案首選,其應用必定不止于景深。正如蘋果在新品發布中提到的:更精準的dToF測距應用和更高分辨率的成像,讓iPad上的 AR 體驗邁向全新的等級。

  除了蘋果之外,很多行業巨頭也都在布局ToF技術在AR生態中的應用。根據Digi-Capital報告顯示,預計到2023年,AR安裝基數將達到25億,AR行業營收將達到700億至750億美元。

  在AR產業即將爆發的趨勢下,瑞識科技透露,下一步將重點關注支持3D dToF VCSEL芯片產品,積極與行業頭部客戶開展廣泛合作,以客戶3D視覺應用需求為出發點,從底層幫助客戶實現硬件性能提升和成本控制,支撐實現更多輕量級的3D傳感消費產品應用創新,助力3D傳感產業生態完善發展。

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