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自从苹果公司（Apple Inc.）于 2017 年首次在 iPhone X 推出 Face ID 人脸辨识功能，取代了行之有年的 Touch ID 指纹辨识之后，各家手机厂商才开始注意到这个「以往只出现在电影场景里的黑科技」。而这个能让电子产品彷佛拥有视觉般，得以辨别使用者立体轮廓的3D感测模块，其中最关键的组件就属近期红透半边天的面射型激光－VCSEL。 |
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图一 人脸辨识功能 （图片来源：科技新报） |
VCSEL 是 Vertical Cavity Surface Emitting Laser 的缩写，意即「垂直共振腔面射型激光」。自从 1962 年的第一个半导体激光二极管展示之后，陆续便有类似结构的组件发表。而现代公认的 VCSEL 发明者则是日本东京工业大学的伊贺健一 （Kenichi lga） 教授，1977 年他在实验室笔记本上画出了第一个 VCSEL 图形（下图二），并于1979年以液相磊晶（Liquid Phase Epitaxy, LPE）技术制备出 InGaAs/InP 材料的 VCSEL，开启后续一连串的学术研究及商业应用。
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图二 手绘 VCSEL 图形 （图片来源：银月光科技） |
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人类视觉vs.机器视觉 |
说起人类视觉与机器视觉最大的差异，在于人类能将看到的画面直接解读成具有深浅的三维空间讯息；机器视觉则是针对获取画面的每一个像素进行编码，只能得到二维平面影像，而没有物体远近的讯息。因此，3D 感测技术是提升机器视觉能力、甚至进一步赋予机器与环境互动及行动化能力的关键。
3D 感测模块包含「发射源」及「侦测器」两个部分，侦测器大致区分为 Si based CMOS 以及 III-V 类型，如 InGaAs 类的材料或是量子点等技术，根据不同的接收波段选择适用的侦测器。发射源目前的主流是使用红外光源（Infra-Red, IR），因为相较于可见光，红外光源有更佳的讯噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）。而由于红外光波段有好几个适合的波长，像是近红外光（Near-IR, NIR）的 850nm、905nm、940nm 波段，短波红外光（Short-Wave IR, SWIR）的 1,350nm、1,550nm 波段，因此，目前各厂商会各自选择波段及发展相对应的模块。
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3D 感测模块-红外光发射源 三大组件结构大比拚 |
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若以组件结构来区分红外光的发射源，则可以分成三大类，如图三所示，包括： （1）垂直共振腔面射型激光（ VCSEL） （2）发光二极管（Light-Emitting diodes, LED） （3）边发射激光器（Edge Emitting Laser, EEL）
虽然 LED 及 EEL 仍有价格上的优势，但考虑组件稳定性及量产性，VCSEL 在更大的温度范围内能维持波长的稳定性，也更容易进行数组封装。综整比较，VCSEL 在高输出功率、高转换效率和高质量光束各方面都胜出，因此被广泛应用在 3D 感测的应用领域。
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图三 3D 成像模块的红外光源种类 |
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VCSEL 新发展—汽车自动驾驶系统 |
VCSEL 除了在光通讯及智能手机的感测光源应用之外，汽车自动驾驶系统的关键感测组件－光学雷达（又称光达、LiDAR），则是下一个带动 VCSEL 发展的重大应用。LiDAR 全文为「Light Detection and Ranging」，是利用激光感知探测距离的方法，藉由发射激光脉冲并收集前方物体反射回来讯号的时间差，来进行距离推算、达到测量距离之目的。车用光达系统藉由同时发射、处理多点激光脉冲的数据，就能构筑成一个具有深度信息的 3D 环境模型，再透过识别道路标志、汽机车、行人等静态及动态物体的位置动作，达到自主感知的目的，帮助车辆检测路径中的障碍物，进而实现避障、煞停、路径规划等自动驾驶的应用。此外，深度感测系统亦可安装于车内，进行座舱内监测和乘客手势感测，达成驾驶辅助或是提升乘客舒适体验。
汽车产业一直朝着搭载高级驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistance System, ADAS）的智能自驾车方向发展，汽车搭载光学雷达和深度感测系统已是必然的趋势。而 VCSEL 组件和模块要应用在车载领域，就必须通过车规 AEC-Q102 的高标准验证，范围涵盖晶圆制造、组件封装、电性与光学功能及可靠度验证等。在车用组件验证的范畴里，着重在如何有效降低失效率，其终极目标则是 AEC-Q004 所要求的零失效。整体车用光学离散组件验证流程如图四，藉由应用 6δ、统计制程控制 SPC （Statistical Process Control）等品管手法来有效控制失效率，并且藉由提高验证样品数量来保证更低的失效率。
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图四 AEC-Q102 验证流程图 （图片来源：AEC-Q102） |
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严格的车规验证耗时漫长？闳康科技建立一站式服务 |
VCSEL 组件的车用可靠度验证，包含了环境应力试验、加速寿命模拟试验、封装强度试验、结构强度可靠度及光学电性验证等五大项试验，为了缩短验证时间，闳康科技建立了 One-Site Service 的一站式服务，特别引进 VCSEL 光学特性量测设备（图五），在 AEC-Q102 验证过程无须再送回客户端执行功能验证，直接在闳康内部即可完成，减少组件来回运送的时间，进而缩短整体验证时间。
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图五 VCSEL 光学特性量测设备 |
闳康科技在 AEC-Q 车用电子验证有非常丰富的经验，并已协助多家客户成功通过严格的车规验证。对于希望进入车用市场的客户，闳康科技能够提供全方位车用验证服务，协助客户顺利取得进入车用市场的门票，让产品能安心安装在汽车上，成为车厂供应链的一员。
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图六 闳康科技全方位车用验证服务 |
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车用组件可靠度服务 |
车用验证流程包含 Die Design、Wafer 制造、组件封装、电性测试到可靠度试验等，每个阶段都有严谨的验证项目。 闳康亦可协助客户进行整体规划方案，包括AEC-Q100、Q101、Q102、Q104、Q200等，详细说明请点此！
