從消費(fèi)電子市場到工業(yè)應(yīng)用，隨著新應(yīng)用在各領(lǐng)域的不斷出現(xiàn)，3D傳感技術(shù)的市場在不斷地發(fā)展壯大。現(xiàn)今幾乎所有的智能電視及操作系統(tǒng)都已經(jīng)能支持動(dòng)作識別的相關(guān)功能，完成諸如畫面縮放和頻道切換等功能；傳感器能夠通過探測生產(chǎn)線的移動(dòng)和表面質(zhì)量，從而控制產(chǎn)品在生產(chǎn)線中的流向；設(shè)計(jì)人員也可以對復(fù)雜的形狀進(jìn)行掃描并通過3D打印機(jī)進(jìn)行復(fù)制；監(jiān)控系統(tǒng)也已能確保動(dòng)物和人類遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的區(qū)域。

    如今的傳感器也已可以探測到極端細(xì)微的動(dòng)作和特征。現(xiàn)代的傳感器不僅能夠探測到點(diǎn)頭之類的動(dòng)作，還可以精確地識別是誰點(diǎn)的頭；除了識別功能，現(xiàn)代的傳感器還可以用來檢測心跳和情感交流時(shí)細(xì)微的面部特征；現(xiàn)今，3D傳感器也已經(jīng)應(yīng)用于室外，這意味著傳感技術(shù)已能應(yīng)對高亮度或復(fù)雜光照等環(huán)境下的監(jiān)測需要。

    一系列的市場研究報(bào)告展示了3D傳感市場的廣闊前景。據(jù)市場調(diào)研公司Marketsandmarkets預(yù)計(jì)，動(dòng)作識別和非觸碰感應(yīng)技術(shù)的市場規(guī)模，將在未來數(shù)年間取得79%的增長；據(jù)CompaniesandMarkets.com網(wǎng)站發(fā)布的報(bào)告預(yù)測，截至2018年，動(dòng)作識別及非觸碰感應(yīng)市場的復(fù)合年均增長率將保持在50.7%的水平，市場規(guī)模將達(dá)到71.5億美元；另外，思邁汽車信息咨詢公司（IHSAutomotive）也發(fā)布報(bào)告表明，2030年動(dòng)作識別及非觸碰感應(yīng)產(chǎn)品在汽車行業(yè)的使用量將超過3800萬套。3D傳感市場的快速增長和應(yīng)用數(shù)量的持續(xù)增加，主要得益于光學(xué)和照明技術(shù)的進(jìn)步帶來的器件微型化和低成本。

    3D傳感是如何工作的

    從本質(zhì)上來說，3D傳感技術(shù)主要是指對物體隨時(shí)間變化的特征和位置進(jìn)行追蹤。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，人類的眼睛擁有兩種不同波長的傳感器（晶狀體和視神經(jīng)），大腦是一個(gè)復(fù)雜的處理器。通過眼睛和大腦協(xié)同工作，人類實(shí)現(xiàn)可以對波長在390-700nm范圍內(nèi)的光線進(jìn)行觀測。3D傳感設(shè)備的工作原理與此基本一致，只不過通常還會配備一個(gè)照明光源。

    試想一下這樣的場景，一位游戲玩家在一臺3D傳感器面前揮動(dòng)高爾夫球桿。在這種情況下，傳感設(shè)備中的照明元件發(fā)射出不可見的光“照亮”玩家及其四周的環(huán)境。由于光會從玩家的身上反射回傳感設(shè)備，而光學(xué)濾波器則會將雜光和環(huán)境光屏蔽，只允許近紅外光譜通過光學(xué)傳感器。通過對光線變化的解讀，傳感器便可以繪制出玩家動(dòng)作的3D數(shù)字圖像，并將圖像不斷反饋給游戲程序。

    為了完成上述的過程，盡管不同類型的3D傳感系統(tǒng)的配置和軟件會有所不同，但它們的基本硬件卻是一樣的：

    •照明光源—通常會使用LED或激光二極管來發(fā)射紅外光譜或近紅外光譜

    •光學(xué)控件—光學(xué)鏡片能優(yōu)化環(huán)境照明效果，將反射光聚焦到探測器表面，而帶通濾波器則只允許與照明光譜匹配的反射光到達(dá)光傳感器，對環(huán)境光線以及其他雜光進(jìn)行消除

    •深度攝像頭—這種高性能的光學(xué)接收器可以對過濾之后的反射光進(jìn)行偵測，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，由固件進(jìn)行處理

    •固件—超高速ASIC或DSP芯片對接收到的信號進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換成終端應(yīng)用程序可以識別的格式

    圖1.基本3D傳感組件

    照明光源

    憑借優(yōu)異的光譜準(zhǔn)確性以及光電信號轉(zhuǎn)換效率，激光二極管成為諸多消費(fèi)類電子應(yīng)用設(shè)備首選的照明光源。通常這些消費(fèi)電子應(yīng)用設(shè)備的特點(diǎn)是電源功率有限且元器件十分密集，這就要求盡量減小耗散功率。同時(shí)，由于和激光二極管配套使用的光學(xué)濾波器和光學(xué)傳感器對光線的波長十分敏感，這就要求在較大溫度范圍內(nèi)光線的波長保持穩(wěn)定。

    在光線波長可選范圍和照明準(zhǔn)確性方面，LED照明系統(tǒng)的處于劣勢。對于短波長激光，傳感器的量子效率（QE）要比LED照明的波段高得多。商用成品LED擁有相對較寬的光照錐，經(jīng)常有高達(dá)50%的光起不到有效照明作用。綜合這兩點(diǎn)因素及下表中所列舉的優(yōu)勢可以看出，使用激光二極管做照明光源系統(tǒng)的3D傳感設(shè)備，其總體性能要比采用LED的3D傳感設(shè)備高出5到10倍。

    表1.激光二極管與LED的性能對比

    單模激光二極管的特點(diǎn)是折射率導(dǎo)引、單模波導(dǎo)，它可以提供高功率、低散光、窄光譜、以及單空間模式高斯遠(yuǎn)場光線，之外，它能以低工作電流產(chǎn)生高功率的光線。此類激光二極管，可以在60°C的高溫和200毫瓦高功率下也可以非常可靠的工作。Fabry-Perot垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）擁有極高的功率密度（單橫模~1W）和效率，且可靠性也很好。基于上述這些優(yōu)勢，它們非常適用于像3D傳感器這樣對整體性能和功率密度要求都很高的設(shè)備。更重要的是，VCSEL能適應(yīng)晶片規(guī)模的測試及組裝，并適用于超大規(guī)模的應(yīng)用設(shè)備。

    光學(xué)濾波器

    3D傳感系統(tǒng)中使用的光學(xué)濾波器一般都是窄帶寬近紅外濾波器，它的工作角度寬廣，在要求的帶寬范圍內(nèi)信噪比很低，在其他波段則會被徹底屏蔽。光學(xué)濾波器的元件通常會作為一層鍍膜涂在攝像頭的鏡片上，或者是作為一個(gè)獨(dú)立的元件單獨(dú)存在。

    通過對進(jìn)入傳感器的光線加以限制，光學(xué)濾波器可以把與3D傳感進(jìn)程無關(guān)的數(shù)據(jù)清除，再加上應(yīng)用軟件中搭載的抑噪功能，使得固件的處理負(fù)荷極大降低。

    技術(shù)的進(jìn)步

    在3D傳感市場，決定一款元件成敗的因素有三個(gè)：尺寸、效率和工藝。對可穿戴用品而言，“小型化”是新興應(yīng)用的前提條件，舉個(gè)例子，一副眼鏡框的尺寸很有限，無法將照明光源、傳感器、處理器以及電源系統(tǒng)融合于一身；元件效率的提升，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的小型化，同時(shí)還能夠有效降低設(shè)備的能耗；工藝的改善可以有效降低成本，從而實(shí)現(xiàn)消費(fèi)類設(shè)備的規(guī)模化生產(chǎn)。

    照明光源

    隨著激光二極管技術(shù)的發(fā)展，二極管的厚度目前已經(jīng)降至2-3毫米，相比于人類視網(wǎng)膜大約0.5毫米的厚度，尺寸對于激光二極管的發(fā)展來說已不是問題。

    設(shè)計(jì)的優(yōu)化，也將激光二極管的效率提升到了新的高度。效率的提升意味著使用較少的電量便可以產(chǎn)生更多的光。這對3D傳感系統(tǒng)的影響主要集中在兩個(gè)方面：照明系統(tǒng)所需要的電量越少，意味著3D傳感系統(tǒng)核心的處理系統(tǒng)能獲得更多的電能；電池可以更小，處理能力可以更強(qiáng)。另外，效率越高，設(shè)備的散熱也就越少。

    針對照明需求和能源消耗的矛盾問題，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在有了更好的選擇。3D傳感系統(tǒng)在激光二極管在全功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的性能最好，此時(shí)激光二極管提供的高亮度使傳感器有極高的分辨率。不過，即使即使設(shè)計(jì)的電源功率較小，最新式的激光二極管也同樣可以提供充足的照明。

    某些新式的激光二極管擁有較為穩(wěn)定的波長，這使得匹配合適的濾光片變得相對容易。當(dāng)需要對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化以更好地適應(yīng)復(fù)雜的光線環(huán)境時(shí)，調(diào)整激光或?yàn)V波器的波長是解決問題的關(guān)鍵所在，尤其是對于較暗環(huán)境下運(yùn)行的設(shè)備而言，這種方法更加重要。

    最后，新式芯片取消了氣密封裝的設(shè)計(jì)，從而方便用戶使用成本更低的成品集成芯片和LED套件，而不必再額外定制套件，這一進(jìn)步大大提高了生產(chǎn)速度并降低了生產(chǎn)成本，最終降低了終端產(chǎn)品的售價(jià)。

    圖2.激光二極管量產(chǎn)封裝現(xiàn)場（JDSU公司提供）

    光學(xué)濾波器

    隨著傳感器分辨率和照明光源功率的提升，高信噪比（SNR）和低角度變化成為必然的發(fā)展趨勢。尤其對于移動(dòng)設(shè)備而言，更傾向于采用大視場薄膜干涉濾光片，但因?yàn)樗鼘嵌鹊淖兓浅Ｃ舾校祟悶V光片的帶通也會隨角度變化。

    薄膜制程專利技術(shù)的發(fā)展，使得濾波器的性能更加穩(wěn)定且不再隨著角度的改變而出現(xiàn)顯著的變化。這意味著3D傳感系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)域的邊緣也擁有很好的性能，同時(shí)也減少了室外環(huán)境光線的影響，從而擴(kuò)大了3D系統(tǒng)的適用范圍。

    圖3.低角度變化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)角度變化設(shè)計(jì)

    上述新技術(shù)可以在分立的濾波器上鍍膜或直接在CMOS傳感器上鍍膜。雖然直接在傳感器鏡片上鍍膜的費(fèi)用較高，但它可以縮小設(shè)備的尺寸。盡管最新的制造工藝已經(jīng)可以采用0.2毫米厚的玻璃進(jìn)行濾波器的大規(guī)模生產(chǎn)，光程的任何一點(diǎn)縮減都會十分重要。

    分辨率

    對于手臂或手部動(dòng)作的感應(yīng)并不要求傳感器具有極高的分辨率，但對于面部表情的識別則不然：心跳動(dòng)作和眼部動(dòng)作的感應(yīng)要求較高的智能水平，因此，傳感器也應(yīng)當(dāng)具備更高的分辨率。目前市面上最新式的高清智能手機(jī)的像素已高達(dá)4100萬，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)前任何一款3D傳感設(shè)備對圖像細(xì)節(jié)的要求。

    解決分辨率問題的關(guān)鍵，在于數(shù)據(jù)處理的功率是否達(dá)標(biāo)。處理器技術(shù)的提升通常會造成成本和能耗的增加，而這對于量產(chǎn)設(shè)備，尤其是消費(fèi)類電子產(chǎn)品而言，通常是難以承受的。目前，軟件開發(fā)商已經(jīng)開發(fā)出多種復(fù)雜的新算法，可以輕松處理各種分辨率的數(shù)據(jù)。

    不過，對于固定式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備而言，成本和能耗都不是問題：最新式的激光二極管、濾波器以及高分辨率傳感器的結(jié)合可以達(dá)到非常高的3D傳感性能。

    應(yīng)用的發(fā)展

    近期3D系統(tǒng)對環(huán)境光的處理技術(shù)新進(jìn)展對車載應(yīng)用十分關(guān)鍵。對于汽車而言，主要的感應(yīng)區(qū)域位于擋風(fēng)玻璃的正下方，而這一區(qū)域同時(shí)又是最容易暴露在陽光下或被車頭燈照到的區(qū)域。已有商家展示了在任何光照條件下對車載信息顯示系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致的非觸控式操控，此類傳感設(shè)備很有可能將被逐漸應(yīng)用于從豪華車型到經(jīng)濟(jì)車型等各個(gè)價(jià)位的汽車當(dāng)中，因?yàn)榇祟悅鞲性O(shè)備不僅十分方便，同時(shí)也可以顯著提高汽車的安全性。停車輔助系統(tǒng)以及預(yù)碰撞安全監(jiān)測系統(tǒng)，也是3D傳感技術(shù)在汽車領(lǐng)域不斷增長的發(fā)展方向。

    3D臉部識別技術(shù)可以精確測量人臉部的幾何數(shù)據(jù)，與指紋技術(shù)的準(zhǔn)確性不相上下。就實(shí)用性而言，搭載3D傳感技術(shù)的計(jì)算機(jī)、甚至包括ATM自動(dòng)取款機(jī)在內(nèi)的設(shè)備，可以在用戶打開設(shè)備時(shí)，立刻對用戶進(jìn)行識別和認(rèn)證，因此3D臉部識別技術(shù)的出現(xiàn)，意味著繁瑣的登錄系統(tǒng)已經(jīng)成為過去式。的確，世界上處處可見的“電子密碼鎖”將會因此改變，一旦用戶通過臉部識別的認(rèn)證，就可以方便地使用應(yīng)用程序和信息數(shù)據(jù)，甚至是開門入室。

    “小型化”趨勢使得可穿戴用品的發(fā)展獲得了很大的推動(dòng)力。谷歌正在推進(jìn)一個(gè)名為“ProjectTango”的項(xiàng)目，一款支持室內(nèi)繪圖、功能強(qiáng)大的3D智能手機(jī)的設(shè)計(jì)工作。一旦谷歌眼鏡之類的設(shè)備在市場上得到推廣，用戶在走路的過程中便可以在錯(cuò)綜復(fù)雜的高樓大廈之間快速找到對的路線。對于視力障礙群體而言，該產(chǎn)品亦擁有巨大的市場潛力。

    元件制造

    想象3D傳感系統(tǒng)的應(yīng)用很容易。創(chuàng)建高效的系統(tǒng)、藍(lán)本和小批量的設(shè)備并不簡單，而持續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)可靠的、高性能、小型化照明光源和光學(xué)濾波器，則更加困難！

    圖4.光學(xué)濾波器制造過程（JDSU公司提供）

    類似3D傳感系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)要求其元件能夠以低錯(cuò)誤率、低退化率進(jìn)行長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，這其中的關(guān)鍵問題仍在于制造工藝。對于大規(guī)模、低利潤的消費(fèi)電子元件而言，其成本的構(gòu)成，直接決定這是發(fā)明人的幻想或是產(chǎn)生利潤的產(chǎn)品。小型生產(chǎn)廠和特約制造商或許能夠生產(chǎn)少量的高性能概念型產(chǎn)品或藍(lán)本，但嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)數(shù)以百萬計(jì)的部件則是全然不同的挑戰(zhàn)，而且消費(fèi)電子產(chǎn)品利潤率極低。放眼全球，能夠大規(guī)模生產(chǎn)3D傳感元件的制造商，更是屈指可數(shù)。

    作者:JDSU 公司商業(yè)激光二極管 產(chǎn)品線總監(jiān) Andr eWong 博士，他先后畢業(yè)于加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)和英屬哥倫比亞大學(xué)，分獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位和物理學(xué)博士學(xué)位；JDSU公司光學(xué)濾光片產(chǎn)品線高級經(jīng)理MarkusBilger先生，他畢業(yè)于美國金門大學(xué)，獲有會計(jì)學(xué)學(xué)士和工商管理碩士學(xué)位。