週六. 8 月 17th, 2019

刷臉時代來臨–三分鐘搞懂臉部辨識的幕後功臣

Apple在2017年推出臉部辨識功能手機iPhone X後,3D感測所需的「VCSEL」成為近幾年最夯的話題,那什麼是VCSEL呢?

 

VCSEL

 

VCSEL的全名為:Vertical Cavity Surface Emitting Laser,垂直共振腔面射雷射。顧名思義它是一種雷射(Laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的縮寫)技術,雷射的運用相信大家都不陌生,在工業、消費電子都可以看到它的身影,例如:焊接、切割、雷射筆、CD、DVD、醫療等等。VCSEL廣泛應用在光通訊產業,為光源的主要元件,光源用來把光發射出去,光源主要分成發光二極體(LED)及雷射二極體(LD),VCSEL屬於雷射二極體(LD)的一種,由於VCSEL的光是由「表面」發射出去,故為一種「面射型雷射(SEL:Surface Emitting Laser)」,另一種發光的方式是從側面,稱作「邊射型雷射(EEL:Edge Emitting Laser)」,例如:Fabry-Perot(FP)半導體雷射。

雷射應用

知識延伸

※什麼是光纖通訊(fiber-optic communications)?

 

光通訊產業分成光纖材料、光零組件、光通訊設備。光通訊基本的運作概念為:將訊息(例如:聲音、影像、數據傳輸)由電訊號轉為光訊號傳輸,以光纖為傳輸媒介傳送到接收端,再透過接收元件將光訊號還原電訊號,完成訊息的傳遞,把電能轉成光能傳遞訊息的好處是能更快速、低耗損,在5G世代的來臨、光纖到府的需求推升下,光纖通訊扮演舉足輕重的角色。

其中,光零組件中的「光主動元件」用於「光與電能量的互相轉換」,包括光收發模組及光放大器,光收發模組整合光傳送器(transmitter) 及光接收器(receiver)兩大功能,以達到用「光」來做資訊傳輸的需求:

( 1 ) 光傳送器(transmitter)將電能轉為光能,為光源的發射器,主要分成發光二極體(LED)及雷射二極體(LD)兩種光源。

( 2 ) 光接收器(receiver)將電能轉為光能,檢光器為重要的關鍵組件,光纖通訊常用的檢光器有PIN 二極體和APD (Avalanche Photodiode)二種。

半導體雷射LD為我們今天討論的主角,可分成三大類:Fabry-Perot(FP)半導體雷射、單頻半導體雷射(DFB 雷射)、垂直共振腔面射型雷射

(VCSEL),VCSEL的光源性能優越,傳輸上可進行短距離大量資訊傳輸,主要應用在資料中心(Data Center)、光通訊、3D感測等等。

光通訊產業架構

雷射二極體(EEL與SEL)

VCSEL應用

由於面射型雷射的VCSEL具有比邊射型雷射更低功耗、高效率及高速等特性,故VCSEL適合短程的快速資料傳輸,追溯至好幾十年前,VCSEL最初的應用於光通訊,作為光源的元件,像是資料中心(Data Center)的應用。但在2017年Apple推出的iPhone X手機幫VCSEL立了一個新的里程碑,3D感測人臉辨識帶動VCSEL在測距技術上的大躍進,這類的應用容易讓人聯想到無人車的自動駕駛,也是需要透過感測技術來偵測前方是否有障礙物。雖然說以上兩種主要的應用:光通訊與測距,都是透過VCSEL元件來完成,但是事實上兩者的VCSEL設計方向天差地遠,光通訊強調高傳輸效能,因為資料要求傳輸越快越好;測距技術則強調低損耗,降低外在環境的干擾辨識的結果。

VCSEL應用—(1)光通訊

 

VCSEL最早的應用就為光通訊,現今以850奈米的VCSEL為主流,適合短距離多模光纖(Multi-Mode Fiber, MMF)資料通訊應用。從2017年開始,資料中心數據傳輸從25G朝向100G,目前要準備推向400G前進,由此可見在資料中心高寬頻的帶動下,VCSEL扮演資料中心收發模主最主要的關鍵。因VCSEL主要以多模組(MMF)為主,易使在光纖傳輸中受到距離、速度限制,因此VCSEL適合短程傳輸,最適合用於資料中心的傳輸距離。因此Data Center的蓬勃發展,帶動VCSEL強勁的需求。

 

VCSEL應用—(2)測距感測

 

VCSEL在測距感測的應用近年越來越受重視,例如:3D 感測、手勢辨識、時差測距模組(ToF)、無人駕駛的光達技術等,這類技術主要是透過不同的距離與反射程度來辨認,例如:因為人的五官是立體的,光打到不同鼻子、臉頰的時間不同,藉由每個延遲時間計算出人臉的起伏,來做為辨認依據。VCSEL技術在消費性應用為關鍵的元件,手機臉部解鎖功能、自動駕駛市場、資料中心的高寬頻需求。

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