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結構光

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多鏡頭結合感測應用帶來強勁需求 相機模組市場規模步步高

據研究機構Yole Developpement預估,在智慧型手機競相採用雙鏡頭、甚至多鏡頭的設計趨勢,加上結構光感測等基於飛時(ToF)原理的測距應用需求帶動下,全球相機模組的市場規模將從2019年的313億美元成長到2025年的510億美元,複合年增率(CAGR)約10.5%。 Yole Developpement分析師Richard Liu表示,智慧型手機大約從2015~2016年這段期間開始流行起雙鏡頭設計,並在2018~2019年間升級成三鏡頭。從2020年起,搭載四鏡頭的智慧型手機,將開始出現在市場上。隨著手機上搭載的鏡頭數量越來越多,市場對相機模組的需求也跟著水漲船高,成為支撐相機模組市場成長的最主要動能。 另一方面,除了用來取得影像的相機模組外,為了各種感測應用而設計的特殊鏡頭,在手機上的使用量也越來越多。舉例來說,用來執行3D臉部感測的結構光感測模組、為擴增實境(AR)應用提供距離量測數據的飛時測距(ToF)模組,以及安裝在手機螢幕下方的光學指紋感測模組,本質上也都是相機模組。 除了手機之外,隨著先進駕駛輔助系統(ADAS)幾乎成為新車的標準配備,車載相機模組的市場規模也呈現快速成長的態勢。2019年時,車載相機模組的市場規模已達到40億美元,成為繼智慧型手機之外,另一個相機模組的主要市場。  
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ams整合IR照明 強化臉部識別/後置相機3D功能

艾邁斯半導體(ams)日前宣布推出Merano Hybrid產品,該模組產品將紅外線(IR)泛光照明器的所有電子和光學零組件以及VCSEL驅動器整合到單一的緊密封裝,協助OEM廠商較易掌握熱門的3D功能。 ams副總裁暨3D感測模組和解決方案事業部門總經理Lukas Steinmann表示,得益於ams在先進光電技術方面的專業知識,Merano Hybrid模組是可以量產方案中,面積較小且帶有VCSEL驅動器的IR泛光照明系統。現在,手機製造商可以大幅減少開發時間並降低3D功能的開發風險,放心採納此一效能經過驗證的商用泛光照明解決方案。 高能源效率的2W Merano-Hybrid適用於最新的3D感測技術,包括飛時測距(ToF)和結構光方法。包括臉部識別、擴增現實、3D物件掃描和3D圖像渲染等應用以及其他工業和汽車應用都將是Merano Hybrid的適用範圍。 泛光照明器包括一個IR雷射發射器,一個控制雷射運作的驅動器,一個用於形成光束的透鏡和擴散器以及各種安全和保護功能,可提供調變後的光輸出,例如,行動電話的臉部識別系統於用戶使用時即時偵測。 隨著Merano Hybrid的推出,OEM廠商可以使用一個完整的、可立即投入生產的模組。該模塊採用表面安裝的5.5mm×3.6mm封裝,高度僅為3.7mm。相較於由分離元件組裝而成的大型系統,整合在優化模組封裝中得以明顯節省空間,使得泛光照明器系統更容易被設計於手機的空間內。而ams還在Merano Hybrid模組中內建了專用的光電二極管和互鎖迴路(Interlock Loop),用於眼睛安全監控。這大幅減少了OEM廠商欲獲得Class 1 眼睛安全認證所需的額外工程付出。
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智慧型手機3D感測模組2020年成長率53.1%

TrendForce旗下拓墣產業研究院表示,隨著iPhone全面搭載結構光方案的3D感測功能,使得全球智慧型手機3D感測市場規模從2017年的8.1億美元,成長到2018年的30.8億美元,但由於2019年智慧型手機廠商的布局多聚焦於屏下指紋辨識,預估2019年全球智慧型手機3D感測市場年成長率為26.3%,規模為38.9億美元,2020年隨著蘋果將可望採ToF技術,將加速整體市場發展,年成長率達53.1%。 拓墣產業研究院分析師蔡卓卲指出,智慧型手機3D感測市場規模成長主要還是來自於蘋果的iPhone的帶動,雖然包含LG、Samsung等品牌廠商今年持續推出搭載3D感測模組的手機,但僅限於部分旗艦機款式,全年總計出貨量僅約3,300萬台,對市場規模成長的帶動較不顯著。 相較於結構光方案,ToF(Time of Flight)方案的優勢為較低的技術門檻和方案供應商較多,因而手機廠商有意轉進ToF方案。然而,ToF方案適合的是遠距離、廣範圍的環境感測應用,用來做人臉辨識並不見得比結構光方案更符合使用效益,而品牌廠商又缺乏具吸引力的AR應用服務,再加上高解析度的ToF方案模組成本不見得低於結構光,更限制品牌廠商今年大幅搭載3D感測模組的意願,因此預估2019年智慧型手機3D感測的滲透率將僅由2018年的8.4%提升至12.3%。   觀察主導智慧型手機3D感測市場發展的蘋果動態,蔡卓卲指出,雖然蘋果3D感測的發展上態度最為積極,但考量到自家AR應用發展的布局還未完善,並不會立即追隨其他競爭對手的腳步於今年推出搭載ToF方案模組的新機。拓墣產業研究院預估,或許蘋果要等到2020年才有機會在iPhone後方加上ToF方案模組,搭配各種類型的AR應用。 隨著2020年蘋果可望推出搭載ToF方案的3D感測模組的新機,再搭配AR應用的推出,將可望再次吸引其他品牌廠商的跟進,進而再次加速3D感測市場的發展,預估2020年全球智慧型手機3D感測市場規模將會成長到59.6億美元,滲透率可望提升至20%。  
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3D感測/機器視覺強強聯手 AI升級智慧製造商機無限

AI人工智慧讓智慧製造能力再上一層樓,而應用已久的機器視覺,亦從成熟的光學檢測AOI,蛻變為內含深度學習(Deep Learning)技術的電腦視覺,搖身一變成為智慧製造的核心技術,影像與視訊內容的自動擷取、處理、分析與應用更加迅速、普遍與成熟。這樣的轉變不僅展現在生產效率的提升上,更可以進一步精簡人力成本,未來AI系統甚至可以針對機台的問題進行自我檢測,分析問題與成因,然而這僅僅是十八般武藝的開端。 近來,許多新興技術發展並與機器視覺結合,進一步擴大了其功能與應用範疇,3D感測技術包括飛時測距(Time of Flight, ToF)、立體雙目視覺(Stereo Vision)、結構光(Structured Light)等技術可以建立三維感測資訊,尤其測距應用的延伸,將使電腦視覺的功力不斷提升,本活動介紹機器視覺技術架構與應用最新動態,加上多個感測技術的加持,並剖析其與AI結合的發展與應用趨勢。 機器視覺助智慧製造一臂之力 而製造業從工業4.0口號被打響以來,製造系統從自動化進入智慧化的另一個全新的發展境界,機器視覺(Machine Vision)/電腦視覺(Computer Vision)就是達成此目標非常關鍵的技術。倢恩科技研發部經理邱威堯(圖1)提到,導入機器視覺可以使傳統製造業產線的生產方法更具彈性與可變性,並改善作業人員工作環境,遠離危險惡劣的工作流程。使用機器視覺的生產線,讓產品從人工檢測進步到自動品質管理,可增進品管重現性/一致性,以達成高度品質管制,降低人員因疲勞或情緒不佳誤判所造成的損失,同時讓檢測數據數值化,自動產生統計報表以便於管理與決策分析。 圖1 倢恩科技研發部經理邱威堯提到,導入機器視覺可以使傳統製造業產線的生產方法更具彈性與可變性,並改善作業人員工作環境。 機器視覺的基本要點包括:檢測(Inspection)、物件識別(Object Recognition)、量測(Gauging)、機器導引與定位(Machine Guiding and Positioning)。 檢測Inspection 利用機器視覺技術自動檢驗製程中工業產品之瑕疵,例如印刷電路板上的線路是否短路、斷路,半導體晶圓之表面缺陷及LCD面板之缺陷等。 物件識別Object Recognition 用於確認物件的身分,例如車牌辨識、條碼辨識、IC元件之光學字元辨識(OCR)及鍵盤檢視、人臉辨識、指紋辨識、瑕疵分類等。 量測Gauging 以機器視覺技術進行非接觸式的量測,例如工件之尺寸、夾角、真圓度及印刷電路板之線寬等。 機器導引與定位Machine Guiding and Positioning 利用機器視覺引導自動化機器之路徑,例如引導銲接機器人之銲道,無人搬運車之行進軌跡;亦可用於決定目標物位置,如SMT、PCB自動裝配作業的定位與機器人的行走路徑等。 機器視覺影像處理要點 進入作業程序後,機器視覺系統針對擷取到的影像進行處理則是另外一個重點,邱威堯進一步說明,影像強化、影像分割、影像編碼、影像還原等為主要的技術。影像強化是使處理過的影像比原始影像更適合於某一特殊應用,方式包括空間域(Spatial Domain)與頻率域(Frequency Domain)。影像分割則是凸顯出影像中感興趣的部分。 影像編碼就是使用較少的位元來顯示一幅影像,壓縮是最常見的方法。影像還原則是改善或重建一幅遭到破壞的影像,邱威堯說,影像還原技術通常需要大量運算時間,且還原後的效果不見得可以接受,建議由取像環境、設備與技術來改善影像的品質。 機器視覺硬體選擇無唯一解 在機器視覺硬體部分,主要由打光、鏡頭與相機組成。邱威堯指出,打光是機器視覺中非常困難的一部分,需要許多直覺與實驗,而打光技術也無通則,但對於特定應用場合已有經驗可循,而打光的方法是根據待測物的光學特性來決定,打光的目的則包括,取得與強化待測物中有興趣之特徵,使前景與背景明顯不同,強化訊噪比,以得到更高品質的影像,凍結移動中物體的運動並去除鏡反射(Specular Refection)等。 而打光的方式則分為正向打光、背向打光與結構打光。並可再進一步細分為擴散式正向打光、直向式正向打光、低角度斜向打光、同軸打光、擴散式背向打光、遮背式背向打光等多種,端視需要的效果而定。光源部分則以人工光源最常用,種類包括白熾燈的鎢絲燈泡、鹵素燈;放電燈的螢光燈、水銀燈、高壓鈉氣燈、複金屬燈、氙氣燈;固態光源的LED與固體雷射。其中,近年在實務應用上LED燈儼然已是主流。 另一個重點就是鏡頭,邱威堯強調,這部分的選擇同樣沒有最佳解,端視需求與使用者掌握的資源而定,選擇的要素包括視野、焦距、工作距離、相機底座、相機格式(感光元件尺寸)、景深、光圈值、相機型式等。以景深為例,其代表聚焦清晰的範圍,長景深表示聚焦清楚範圍大,短景深表示聚焦清楚範圍小,一般景深可以透過縮小鏡頭光圈來增加,但是照明的亮度也要相對提升,原則上要避免出現短景深的情況,以追求長景深為目標。 3D感測加值機器視覺 3D感測技術並不是全新的技術,由於iPhone X的人臉辨識解鎖應用,讓市場大為驚艷,帶動的發展熱潮逐漸滲透到不同領域。目前主要技術為立體雙目視覺、結構光與飛時測距,艾邁斯半導體(ams)資深應用工程師湯治邦(圖2)表示,這三個技術都需要搭配光源,現階段主流光源是垂直腔體表面雷射(VCSEL),並使用不可見的紅外光,波長850nm與940nm為主,因有極少部分人可看見850nm的紅外光,所以近年940nm使用比例逐漸提升。 圖2 艾邁斯半導體資深應用工程師湯治邦表示,飛時測距、立體雙目視覺、結構光技術特性有些差異,造成不同應用與需求各有優勢。 發光源的部分,除了熱門的VCSEL之外,LED與邊射型雷射(Edge Emitters Laser, EEL)都是常見的光源,以技術特性來深入比較,湯治邦指出,VCSEL雷射光的光線集中,LED則呈現散射方式,因此VCSEL波長範圍穩定,可產生波長最精準的光線,操作溫度最高可達200℃,溫度特性比LED與EEL優異,製造成本與半導體製程的簡易度也有相對優勢,是該技術受到高度注目的原因。 此外,主流的三個3D感測技術,技術特性有些許差異,造成不同應用與需求下各有優勢,立體雙目是由兩個攝影機分別擷取影像,理論與人眼相似,透過三角函數可以測知物體的深度,與其他兩個技術相較由於感測元件技術成熟成本較低,但模組體積較大、耗電量較高,也易受環境變化影響,如天候昏暗就會影響感測品質與準確性。 因為iPhone...
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DLP技術結構光助力 3D掃描準確度再提升

3D掃描應用更勝2D 簡易的二維(2D)檢測系統已經問世多年,其應用技術通常是照亮物件並拍照,然後將拍攝的圖像與已知的「黃金」2D參考基準進行比較。3D掃描增加了結合體積訊息的功能。導入Z維數據可以測量物件的體積、平整度或粗糙度。對於印刷電路板(PCB)、錫膏(Solder Paste)、機械零件檢測等產業而言,測量上述增加的幾何結構特性是至關重要的,而這也是2D檢測系統所無法達到的。此外,3D掃描還可應用於醫療、牙科和助聽器等。 三次元量床(CMM)是最早用來收集3D訊息的工業解決方案之一。探針物理性地接觸物件表面,並結合每個點的位置數據來建構3D表面模型(圖1)。接著,光學方法的出現,如:結構光(圖2)。結構光是將一組圖案投射到物件上並用相機或感測器捕捉圖案失真的過程。接著,使用三角剖分演算法計算數據並輸出成3D點雲,而成為用於測量、檢測、偵測、建模或機器視覺系統中所需要計算的各種數據。光學3D掃描之所以會受到青睞,在於不須接觸被測物件,並且可以快速且即時地獲取數據。 圖1  三次元量床(CMM)探針示意 圖2 利用結構光進行光學3D掃描 DLP技術快速生成光圖像 對於光學3D掃描設備而言,DLP技術通常在系統中用作結構光的光源。DLP晶片是一種高反射的鋁微型鏡陣列,稱為數位微型反射鏡元件(DMD)。 當DMD與照明光源和光學元件相結合時,這一種微機電系統(MEMS)便可以為各種投影系統和空間光調變系統提供動力。 由於DMD是一種靈活、快速、且可高度編程的圖形產生器,設計人員經常將DLP技術用於結構光的應用。與具有固定圖形集的雷射掃描機或繞射光學元件(DOEs)不同,它可以將不同位深的多種圖形編程至一個DMD。採用DLP技術的結構光解決方案非常適合需要達到毫米甚至微米範圍的精密量測,應用也相當多元。 .3D AOI 3D自動光學檢測(AOI)是一種用於生產製造的強大技術,可提供有關零件品質即時、在線、決定性的測量數據。例如,3D量測就非常適合用於錫膏檢查(SPI),因為它會測量出在零件放置之前沉積的錫膏的實際體積,有助於防止劣質的焊點(圖3)。在PCB的生產製造中,也會在零件放置、回焊、最終檢查和返工(Rework)操作後進行線上3D AOI,大幅提高品質與可靠性。隨著3D檢測功能的日益普及,有幾個新興的工廠檢測點已開始採用3D AOI系統。 圖3 PCB 3D SPI示意圖 .醫療 3D掃描技術在醫療產業中的應用快速的成長。例如,牙科中使用口內掃描儀(IOS)直接採集光學印模(圖4)。在製作假體修復體時,如嵌體(Inlays)、高嵌體(Onlays)、蓋冠(Copings)、牙冠(Crowns),需要達到微米級的3D圖像精準度。IOS簡化牙醫的臨床操作程序,節省對石膏模型的需求並減輕患者的不適。 圖4 牙科口內掃描儀 另一個快速成長的應用是3D耳道掃描。光學成像系統能夠精確地採集耳朵的3D模型,而毋須再使用矽膠耳模。3D耳道掃描技術未來還可應用於為消費者訂製耳塞、助聽器、及保護聽力的設備。 .工業計量和檢測 許多不同的工業計量和檢測系統已經開始轉向採用3D光學掃描技術。光學3D表面檢測顯微鏡是離線CMM系統的一種替代方案。此類顯微鏡可以測量更多有關高度、粗糙度以及電腦輔助設計(CAD)數據比較的資訊。另外,生產機械加工、鑄模、沖壓製品的工廠也是光學檢測的另一大應用領域。 它們可以更輕鬆和準確地進行X、Y、Z三軸方向的量測,提高品質的保障。市場上也出現了結合內嵌3D視覺系統與機器人手臂的解決方案(圖5)。這些解決方案可大幅地提高汽車(圖6)和其他生產線工廠的速度和品質。在裝配和生產過程中的特定階段,增設3D檢測有助於及早發現品質問題,減少浪費和返工。3D掃描系統甚至可以在電腦數值控制(CNC)設備和3D印表機內運用,即時地對生產過程進行測量。 圖5 帶有3D掃描機的機器人手臂 圖6 3D結構光掃描在汽車檢測中的應用 .Prosumer 3D掃描機 Prosumer 3D掃描機是一可提供專業人士和業餘愛好者以3D數據格式採集實物完整細節特徵的攜帶式工具(圖7)。 圖7 桌面式Prosumer 3D掃描機 採集而來的數據可應用於產品設計、零件工程、3D內容開發或作為3D列印的輸入訊息。例如,線上零售商可以藉由對其產品進行3D掃描,於線上呈現真實、高品質的3D模型(而非2D圖片)。遊戲玩家也可以對自己進行3D掃描並在遊戲中創建自己的角色。 .3D生物辨識和身份驗證3D 3D掃描在生物辨識和身份驗證的應用不斷增加,通常用於安全鎖定或解鎖的裝置、安檢和金融交易。透過3D掃描技術採集的面部、指紋或虹膜特徵,可以使身份驗證更安全且可靠,可大幅減少駭客和其他攻擊的機率(圖8)。 圖8 透過3D掃描所繪製的指紋 整合DLP技術系統設計優勢多 無論是檢查PCB品質還是製作精密的牙科配件,使用DLP技術的結構光3D掃描設備都具備許多顯而易見的系統優勢。DMD微鏡具有微秒級的快速切換功能以及每秒超過1,000個圖案的8位元相移速率,藉由高速的數據捕捉速率實現對測量非常有幫助的即時3D掃描。高速DLP晶片還具有編程靈活性,可在運行中對圖案進行選擇和重新排列。這有助於確保將最佳圖像應用於特定的物件位置或視野內,同時可獲取最準確的3D訊息用於分析。圖像的持續時間及亮度可被控制,以確保物件反射的最佳光量,並使相機的動態範圍最大化。 DLP技術可與各種光源結合使用,且兼容紫外光(UV),可見光及近紅外光(NIR)波長(圖9)。這為基於目標物件的反射率所客製的3D掃瞄系統提供了額外的變通性。DLP晶片可與多種光源和相機相結合的靈活性,使得只須創建一個設備便可測量多個物件,這也使得汽車、工業和醫療產業在設計下一代3D掃描設備時,會優先選擇DLP晶片。在使用DLP技術設計解決方案時,系統整合商可透過靈活的圖像控制和新的結構光算法進行創新。 圖9 可見光及遠紅外光光譜示意圖 此外,開發商還可以最佳化光學架構,以符合檢驗掃描的關鍵解析度及照明要求。令人振奮的是,設計人員可以利用先進的可編程特性將3D掃描提升到新的水準,從而最佳化在光譜、空間及時間三個領域的性能。 DLP產品組合考量因素多 進階光學控制產品組合提供優於傳統顯示器的DMD和輔助控制器成像功能。值得一提的是,DMD晶片可支援波長範圍在363nm至2,500nm之間,二位元的圖形速率高達32kHz,並且可提供更精準的像素準確度控制。以下是進階光學控制的DLP晶片如何最佳化結構光系統的說明。 .DMD特性 1.解析度:在撰寫本文時,DMD的解析度就已達到了0.2至410萬像素(MP)。在需要較大掃描區域或光照度較強的環境中時,傾向於使用較大的1-MP、2-MP或4-MP DMD。例如,在汽車組裝或配向製程(Alignment Process)中的3D檢測,需要在明亮的工廠地板上進行大範圍的掃描。小於1-MP的DMD則傾向於放置在比較好攜帶及低功耗的小型攜帶式或桌面式設備中。 2.電源:最小的晶片組功耗低於 200mW,非常適合攜帶式或電池供電系統。例如,口內掃描儀就是充分利用小型DMD的外型及適用於電池供電的低功耗特性的優勢。 3.波長:使用者可以根據物件的反射特性在採用DLP技術的系統中調整顏色和照明強度。因為DMD可以與各種光源組合,包括發光二極體(LED)和雷射。DMD最佳化了針對紫外光(363~420nm),可見光(400~700nm)近紅外光(700~2,500nm)的使用。對於生物辨識3D掃描解決方案而言,近紅外光波長因其不可侵入性的特性而廣受青睞。紫外光有時候是最佳化金屬反射特性的最適選擇。對白光圖像而言,LED光學引擎是一合適的單色解決方案。 .控制器特性 1.預存模式:DLP控制器為可靠、高速的DMD控制提供了方便的介面。他們可支援預先儲存的結構光圖像,因而不須外部的影片處理器來傳輸圖像。 有一些DLP控制器可以使用一維(1D)編碼預先儲存1000多個結構光行列圖像(參見圖10)。1D圖像利用單一行及列,並在整個陣列中不斷重複該行及該列。Prosumer 3D掃描機產品通常使用1D圖像來幫助降低成本並提高掃描速度。更先進的控制器支援多達400個預存的2D全幀模式(圖11),根據應用或被掃描物件的需要,可以更適應於X和Y。 圖10 1D示意圖 圖11 2D示意圖 2.模式精準度和速度:DLP控制器是用來顯示用於機器視覺或數位曝光的圖案,並支援多變的高速圖案顯示速率,每秒高達32,000個圖案,並具有相機同步的功能。這些圖像速率對於高準確度和高速的3D掃描尤其重要。 從簡單到複雜的系統,DLP技術在設計客製化的結構光系統硬體時,可為客戶提供驚人的圖像靈活性。 對於擴展的3D光學量測應用市場而言,使用結構光的3D掃描是一理想技術。 當選擇3D掃描和機器視覺解決方案時,DLP技術絕對是一有力且首要的選項,因為它具有強大的多功能性,能夠以極高的速度定製圖案,並能夠與多個光源和波長配對。這種多功能性還可以推動客戶創新,將3D掃描系統功能推向新的高度。 (本文作者為德州儀器DLP產品工業經理人、DLP Pico產品行銷以及DLP產品工業業務發展經理)
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