3D感測
2019年手機3D感測用VCSEL產值達11.39億美元
根據TrendForce LED研究(LEDinside)最新紅外線感測市場報告指出,在2019年智慧型手機整體出貨預估衰退的情況下,手機品牌廠商針對下半年旗艦機祭出規格競賽,3D感測模組成為其中一項重要配備。受此趨勢帶動,預估2019年手機3D感測用VCSEL市場產值有望成長至11.39億美元。
TrendForce表示,2019年除了蘋果iPhone仍將全面搭載臉部3D辨識外,包括三星、華為與Sony也規畫在下半年的旗艦機種搭載後鏡頭3D感測(World Facing 3D Sensing)。到2020年估計將有近10款高階機種可能採用3D感測方案,且部分機種將擴大至前後鏡頭皆採用,進一步拉升VCSEL產值。
目前應用於消費性市場的3D感測方案為結構光與飛時測距(TOF)。結構光是以圖案成像,其深度的準確性極高,然而缺點為成本與運算複雜性高,加上專利主要由蘋果掌握,專利壁壘難以突破。
飛時測距的精度和深度不及結構光,但是反應速度快,辨識範圍也更有優勢。飛時測距分為前鏡頭(Front Facing)和後鏡頭(World Facing),前鏡頭成本相對較高,後鏡頭則需要功率較高的VCSEL。目前主要VCSEL相關供應商為Lumentum、Finisar、OSRAM旗下Vixar、ams、穩懋、宏捷科、VIAVI Solutions Inc.等。隨著3D感測的市場需求興起,未來的手機3D感測將不再只限於單純的臉部辨識與解鎖用途,將進一步延伸至立體景物的辨識以及模型建構及擴增實境等功能。
專訪英飛凌大中華區射頻及感測元件事業處總監麥正奇 英飛凌ToF強攻智慧型手機應用
英飛凌科技(Infineon)日前發表新款3D飛時測距單晶片,並以消費性行動裝置市場為發展重心,特別是以小型鏡頭提供高解析度影像的需求所設計,應用範圍包括:臉部或手勢辨識等用以解鎖裝置及確認支付的安全驗證。此外,3D ToF晶片也可實現擴增實境(AR)、影像變形與拍照(例如散景)等效果或用於掃描室內環境。
新款影像晶片第四代REAL3影像感測晶片IRS2771C面積為4.6×5mm,提供150k(448×336)像素輸出,解析度達HVGA的水準。英飛凌大中華區射頻及感測器部門行銷總監麥正奇表示,其像素陣列對940nm紅外線具高靈敏度,在戶外的使用透過該公司的專利背光抑制(Suppression of Background Illumination, SBI)技術,延長曝光時間,減少過飽和(Saturated)的現象,提升強光環境的感測解析度。
由於具備高整合度,每個影像感測器都是一個微型且單一晶片方案的ToF相機,麥正奇強調,該解決方案可實現全球最小,可整合至智慧手機的相機模組,面積僅約12mm×8mm因此可降低整體材料成本(BoM),同時仍維持效能與低功耗表現。樣品於2019年3月推出,並預計於2019年第四季開始量產,包括前代的解決方案,英飛凌2019年ToF感測晶片出貨能力超過1億片。
ToF可以廣泛地應用在像是臉部辨識等各種生物驗證方法上。此外,麥正奇說明,能以3D掃描物體,不受外部光源所影響,因此無論室內外的辨識率都更為出色,適合實作於擴增實境和虛擬實境(VR)等應用,以Android平台為例,2019年預計出貨1.5億套、2020年成長至2.5億套,2021年再成長至3.6億套,市場前景看好。
英飛凌大中華區射頻及感測元件事業處總監麥正奇表示,其影像感測晶片透過背光抑制技術,提升強光環境的感測解析度。
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%。
手機/汽車鏡頭增加 創新應用趨動CCM市場
互補性氧化金屬半導體相機模組(CMOS Camera Module, CCM)市場目前可以說是非常地活絡。市調機構YoleDéveloppement(Yole)的分析師Pierre Cambou說明,CCM市場的主要驅動因素是智慧型手機和汽車等產品中的鏡頭數量不斷增加。同時,3D感測相機的需求上升也是其中一個原因。
Cambou表示,CCM產業的發展已經到了一個新的階段。2018年全球營收達到271億美元,未來五年市場年複合成長率將維持在9.1%。CCM產業包括了影像感測器、鏡頭、語音線圈馬達(voice coil motor)、照明裝置和相機組件,預計到2024年市場總額將達到457億美元。
現在CCM的生態系統正蓬勃發展,System Plus Consulting的分析師Audrey Lahrach指出,今年已經可以看到一些創新的做法,特別是在智慧型手機產業。主要的創新在於多鏡頭的應用。現在許多新推出的智慧型手機都有三個以上的鏡頭。四年前,智慧型手機平均只有兩個鏡頭。目前,高階智慧型手機款式平均配備四個鏡頭,以便在前置鏡頭中增添其他功能,如人臉識別、紅外線攝影機模組,也可以加強後置鏡頭的變焦。另一項重要的創新則是光學防手震(Optical Image Stabilization, OIS),OIS的快速發展也是驅動CCM市場的因素之一。
另外值得一提的是,發光模組(Illuminator Submodule)創造了一個新市場區隔,這帶來了諸如晶圓級光學鏡頭(Wafer Level Optics , WLO)等新技術。使用3D感測器的發光元件市場總額在2018年將達到了7.2億美元,並將在五年內成長九倍,到了2024年將達到61億美元。這將有可能改善近期智慧型手機、電腦、平板和數位相機出貨量下降的狀況。
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...
功能多樣化 智慧手機仍是感測器成長重要支柱
智慧手機仍是驅動感測器成長的重要標竿。艾邁司半導體(ams)台灣區總經理李定翰表示,為了帶給消費者更好的使用體驗,智慧手機功能持續升級,對於感測器的需求也持續上升,像是目前熱門的3D感測、飛時測距(ToF)等。換言之,智慧手機依舊是感測器市場關鍵成長引擎。
李定翰進一步說明,雖然智慧手機市場趨於飽和,但仍是感測器重要的成長動能。最大原因在於各大手機品牌商,為了提供更好的使用體驗,吸引消費者目光,紛紛在手機上增添許多創新功能,所導入的感測器也越來越多。例如3D感測器、ToF、主動式降噪(ANC)、手勢辨識(Gesture Sensors)、環境光(Ambient Light)、IR Proximity以及色彩感測器(Color Sensing)等,甚至連光譜感測(Spectral Sensing)與生物感測(Bio Sensing)應用也逐漸應用至智慧手機當中。
李定翰指出,上述感測器都已導入智慧手機,實現各種創新應用,且未來勢將持續成長,特別是色彩感測器,其需求量更是明顯增加。原因在於,原本智慧手機大多只安裝Ambient Light及IR Proximity感測器,使手機在較暗或較亮的環境中可以自動調光,讓使用者能更舒適的觀看螢幕。
然而,隨著消費者對於照相功能、螢幕色彩的要求更高,使得手機除了從TFT LCD轉成AMOLED,甚至是未來還將採用MicroLED等;除了螢幕轉變之外,感測器也不單只採用Ambient Light及IR Proximity進行調光,而是開始導入能實現xyz色彩感測器,藉以優化手機螢幕功能,讓消費者在照相、閱讀的時候能有更好的舒適性。
李定翰說,在色彩感測器的需求明顯增加下,未來手機製造商將會逐漸從Ambient Light轉變成Color Sensing,或是兩種感測器都安裝,只為了提供消費者更好的螢幕觀看感受。
總而言之,雖說智慧手機市場日趨飽和,但在手機功能不斷推陳出新的情況下,智慧手機仍是感測器市場的關鍵成長動能。為此,感測器供應商也持續推出新一代解決方案。例如針對色彩感測需求大增,ams便趁勢推出新一代全整合式色彩/環境光/距離感測器模組「TMD3702VC」,此模組能夠準確測量環境光,並且提供照度和色溫值計算,進而支援智慧手機實現顯示幕外觀管理。借助此模組,製造商能夠更加優化智慧手機螢幕的功能,包括在通話過程中自動禁用以及根據環境條件調整螢幕亮度,可讓智慧手機使用起來更舒適,能耗更低。
零組件出口持續成長 台廠3D感測元件前景可期
零組件產業競爭版圖透過智慧科技的創新正快速被重組,人工智慧(AI)感測應用爆發、5G商轉新應用競賽開跑以及智慧介面樣貌的迅速改變,帶動新零組件應用在智慧家庭、智慧零售、智慧製造、健康照護、無人載具與智慧空間的快速來臨,也牽動著顯示器、感測器、等電子零組件的產業趨勢走向。其中,對於台灣廠商而言,3D感測元件將成為最有成長潛力的零組件項目。
工研院產科國際所經理林澤民認為,在2018年,台灣零組件廠商延續了2017年的成長,在2018年前9個月出口成長14.4%。其中,台灣廠商在VCSEL代工、晶圓級光學元件設計、光學鏡頭/項機模組技術能量皆獲Apple認可並具產業領先地位,是台灣廠商實力最為堅強的零組件領域。
展望2019年,工研院觀察指出,除了蘋果(Apple) iPhone /iPad全系列手機/平板電腦皆已導入3D感測Face ID,中國大陸手機業者也跟進規畫導入更多3D感測功能;加上智慧家庭、智慧零售、智慧製造等各多創新應用,可望在不久的將來引爆更大市場動能,全面席捲B2C與B2B市場,衍生更多可觀應用商機,而台、日、中等亞洲業者也看準此一趨勢展開更積極的布局。
除此之外,Apple、pmd公司、奧地利微電子(AMS)、德州儀器(Texas Instruments, TI)等歐美大廠,正持續透過積極購併投資策略,藉此補足3D感測產業鏈缺口,進而打造完善產業生態鏈。同時,近來也有諸多歐美新創業者,投入更多資源於光學雷達(LiDAR)在汽車/工業/建築/國防安全之3D感測之應用,期望建立更大競爭優勢改寫市場版圖。
揮軍臉部辨識市場 歐司朗首款VCSEL產品亮相
臉部辨識前景看好,為搶攻此一商機,光電半導體大廠歐司朗(OSRAM)不久前宣布收購美國垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)供應商Vixar,並於近期宣布推出首款VCSEL產品「Bidos PLPVQ 940A系列」,該系列產品主要針對包括3D感測在內的創新應用領域,像是手機臉部辨識、機器人、無人機、擴增時性(AR)和虛擬實境(VR)等。
根據Inkwood Research的研究報告指出,2016年臉部辨識市場規模為11.1億美元,2017~2025年複合成長率預期達到23.1%,目前VCSEL技術主要應用於行動裝置身分識別,或是醫療、工業、汽車等領域的手勢識別和距離測量。
VCSEL結合了兩種照明技術的顯著優勢,既有IRED的高功率密度和簡單封裝方式,也同時具備雷射的光譜寬度和開關速度。VCSEL晶片在終端應用中更易於安裝,可以使用LED的現有封裝,也可以用作陣列(每顆VCSEL晶片由數百個單獨的發光孔組成)。
使用VCSEL作為光源,其發射的紅外光可均勻地照亮面部,隨即攝影鏡頭可捕捉使用者臉部的重要特徵。所拍攝的圖像與預先存儲在系統中的使用者圖像做對比——兩者匹配後設備解鎖。
而隨著臉部辨識應用興起,VCSEL需求也開始快速增加,為此,歐司朗在收購Vixar不久後便推出首款VCSEL產品--Bidos PLPVQ 940A;該產品特色包含封裝尺寸僅為1.9 mm × 2.20 mm × 0.85 mm、輸出功率為300 mW、照明角度為65° x 78°等
歐司朗光電半導體紅外/雷射器/感測器事業部市場經理Bianka Schnabel表示,與其他紅外線技術相比,VCSEL的光束品質、聚焦更好,體積也更小,目前該公司的紅外線產品組合包括IRED、邊射型雷射以及VCSEL,客戶可依其應用需求選擇合適的解決方案。