LED
顯示技術新世代倒數計時 迎接Micro LED商業化時代
19世紀末Karl Ferdinand Braun用陰極射線讓真空管上的螢光粉發光,直到1940年代,CRT映像管電視才開始流行;1888年,奧地利化學家Friedrich Reinitzer發現了液晶,1960年代第一台液晶顯示器(LCD)誕生,2006年液晶電視才開始普及,成為現在顯示器的主要技術來源。每個技術的開發到其應用,其實都受到當時的環境、相關配套技術的發展成熟度、人們的生活方式等因素的影響。1962年有了第一個發光二極體(紅光),1980年代實用型OLED開始開發。而下一世代的主流顯示技術會是什麼,成為最近人們熱烈討論的話題,Micro LED會取代現有的顯示技術嗎?
應用場景決定顯示技術發展
從1980年代起,IT資訊產業,無論是軟體或硬體皆快速發展,個人電腦普及率大幅提升,LCD也讓筆記型電腦走進實用化(最早的筆電其實是PDP)這時CRT與LCD還沒有替代關係。直到顯示器從CRT過渡到LCD時,桌上型電腦用的顯示器是最先開始更換的。隨著網路的進步、人們工作形態的轉變,筆記型電腦、手機使用率與普及率大幅上升,LCD的確是一個不錯的技術應用。隨著LCD的製程技術越來越成熟,電視也就開始大量地從CRT移轉到LCD了。但在2000年代,電視市場上還有PDP電漿電視的競爭。
2000年代初期,因LCD工廠的玻璃世代線不大(5世代線,Gen 5),能做的電視尺寸也不大,影像品質不如電漿電視。但隨著全球LCD面板廠的大量投資,玻璃世代線越蓋越大(到2020年量產生產線的主流世代線為Gen 8,另外還有5條Gen 10+),上下游供應鏈亦趨成熟完整,最終電漿電視不敵LCD,在2014年全面退出市場。當時LCD與PDP對技術的競爭與進步都是持續在進行的。但若從應用面來看,LCD在個人電腦的顯示器、筆記型電腦、手機都已有很高的滲透率,且出貨量還不斷成長。對於面板廠來說,產品彼此之間的技術與製程基本上差異不大,所以LCD在各產品領域的應用及布局,對比PDP來說是要完整許多。就可攜式移動產品來說,功耗是很關鍵的指標,而以PDP的驅動顯示原理來看,應該很難應用在手機、筆電等產品。
OLED目前在手機與電視都有產品量產,這幾年也開始應用在AR/VR的產品上。但不論是手機、電視或是未來的AR/VR,都是屬於高階的產品。而除了手機外,其他的市場占有率都不高。價格高是主要的因素。但高價格的背後是在於OLED能提供給消費者超過LCD的價值有多少?如果差距不大,那價格還是普及的一個關鍵要素,因此若OLED想成為顯示主流技術,整個OLED產業鏈是否能提供足夠成本競爭力是最大關鍵。
目前全球有將近30座OLED工廠,其中只有2座Gen 8有實際在生產運作,其餘的都是Gen 6以下的世代線,生產以手機面板為主。OLED的生產線投資較高,大尺寸的OLED生產線投資更高。從機台設備、材料、相關零組件都比LCD廠高,所以OLED的產品成本自然也就不低。價格降不下來,市場上較難成為主流產品,目前使用OLED面板的智慧型手機約只占全部手機市場的35%。未來OLED的生產線要擴展也主要在Gen 6以下的投資來提高OLED手機的滲透率。
而大世代線的工廠只有韓國LGD的2座Gen 8生產大尺寸電視。OLED TV從2014年量產發展到現今的市占率不到2%,再加上LGD近期對於Gen 8+OLED產線的擴產投資暫緩及延後,可以看出對於大尺寸OLED的策略還在觀察,這樣一來設備、材料的成本難以降低,OLED的生產線的投資也就還是一直居高不下。這讓OLED產品在市場上局限於智慧手機的應用,無法擴大OLED的應用領域,將難以形成主流技術。
手機、筆記型電腦、Pad等可攜式的產品需求在於輕、薄、省電,因此OLED自發光的特性,相較於LCD只需一片玻璃,是不錯的選擇;而在大尺寸顯示器,像是在電視的應用上,除了輕薄外,暗態更暗,可視對比更高,動態影像的畫質表現都比LCD要好。但OLED在大尺寸顯示器及電視的占有率卻沒有手機市場來得高。成本、價格高固然是一個因素,但從市場消費行為的角度來看,消費者對於一個產品是屬於個人專屬的要比起多人共同使用的,更願意付出較高的價格換來更高階的產品。所以在大尺寸的應用上,OLED的滲透率就不高。Micro LED與OLED一樣,屬於自發光型態的顯示器,擁有極黑的暗態畫面、可視對比高、動態影像畫質優異等優點,在顯示器的應用上是相當不錯的技術,應用領域上從穿戴式的手表、AR/VR、手機到大尺寸的電視,以及戶外看板等,理論上應用領域比OLED更廣。但Micro LED的發展要比OLED來得晚,整體產業鏈還不夠成熟完整,與OLED產品一樣初期面臨著成本過高的問題使得市場難以打開。雖然現在Micro LED的樣品展示從小尺寸的車用螢幕、可攜式產品的應用到大尺寸的電視都有,但目前還沒真正看到商業化成為消費等級的產品出現,消費者對Micro LED的產品還不熟悉,尚未感受到Micro LED帶來的優勢與好處。第一個應用Micro LED的商業化產品就相當關鍵了。Micro LED的晶粒尺寸小,對於畫素極小、極高Pixel Per Inch(PPI)的AR/VR顯示器應用來說相當適合。然而AR/VR屬於高階且是特殊領域的應用場景,而LCD的技術成熟、產業鏈完整、價格極具優勢,Micro LED要從目前的大眾產品出發,推廣普及也會面臨挑戰。
Micro...
Power Integrations推GaN功率級LED驅動器
Power Integrations日前宣布推出適用於智慧型照明應用之LYTSwitch-6系列的安全絕緣LED驅動器的新成員–LYT6078C。這款新型LYTSwitch-6IC採用Power Integrations的PowiGaN氮化鎵(GaN)技術來提供效率與效能優勢,該公司還發布了最新設計範例報告(DER-920)加以佐證。
基於PowiGaN的LYT6078C IC納入了一個750V功率切換開關,可提供高達90W的無閃爍輸出,此系列的其他成員則可提供高達110W的無閃爍輸出。在PFCStage與LYTSwitch-6LED驅動器雙雙加持之下,系統效率超過90%。採用微型InSOP-24表面接合封裝的LYTSwitch-6IC具備先進的過熱保護系統,能在發生異常狀況時透過降低輸出功率來限制裝置溫度,同時維持光輸出。LYTSwitch-6IC還整合了Power Integrations的FluxLink通訊技術,毋需光耦合器即可進行二次側控制,並在線路、負載、溫度和製造過程中提供優於±3%的定電流和定電壓(CC/CV)調節。所有LYTSwitch-6 IC都具有快速暫態反應,並輕鬆支援脈衝寬度調變(PWM)調光。
LYT6078C的效能優勢在全新設計報告(DER-920)中展露無遺,這份報告還詳細介紹了可調光LED鎮流器所採用的雙級升壓式功率因數修正(PFC)和隔離返馳式架構(Topology)。此裝置採用LYTSwitch-6LYT6078C IC和Power Integrations的HiperPFS-4PFS7624CPFC控制器,當在220VAC至277VAC的輸入電壓範圍內於1350mA下驅動48VLED燈串時,峰值效率超過91%。在待機模式下,系統功耗低於80mW,可讓工程師在設計照明控制(尤其是光線暗淡至關閉電路)時擁有絕佳靈活性。
LED照明產品行銷總監Hubie Notohamiprodjo表示,Power Integrations新推出之基於PowiGaN的LYTSwitch-6 IC為照明製造商節省了智慧型照明電源供應器的空間和系統成本。本公司在最新設計報告中的主要設計目標是實現高功率因數(PF)、低諧波含量、高效率以及輸出電流為0至100%的3合1調光。藉由將全新LYT6078C驅動IC與HiperPFS-4PFC控制器整合在一起,輕鬆化解所有設計挑戰。
3M認可PearlSurface UV-C LED消毒系統穩定性
紫外線(UV)LED消毒技術廠商AquiSense在其官網發布消息,指出其PearlSurface UV-C LED系統在3M所發表的技術公告〈在美國對例如N95口罩等3M過濾式呼吸防護具(Filtering Facepiece Respirators, FFR)的消毒〉中,已成為面罩消毒的選項之一。
AquiSense是UV-C LED消毒技術的廠商,對於能在3M關於N95口罩/呼吸防護具重複使用的最新公告中被列為消毒工具的考慮選項,Aquisense感到非常榮幸。PearlSurface在3M公布的選項當中,是一種UV-C LED消毒法。可在保持N95口罩/呼吸防護具關鍵效能的同時,對其進行消毒處理。
PearlSurface能在安全方便的設備中提供一致的UV-C LED性能,以進行表面消毒。是專為高接觸裝置和個人防護用具(PPE)所需求的自動化、免接觸、非化學等消毒需求而設計。目的是讓基層工作者能夠安心,因為他們的物品是在自己可控制的範圍內,使用可靠的方法完成消毒。PearlSurface採用配備光線追蹤(ray-tracing)軟體的先進光學設計。AquiSense團隊並運用其系統設計經驗,設計了可高達2,000 mJ/cm2紫外線曝露劑量的雙面消毒系統。除了口罩、面罩及其他PPE,也可用於其他手持器具的消毒。而因為發現紫外線無法僅從一側穿透N95面罩呼吸器的每一層,近期發表的期刊論文(註2)更顯示了雙面紫外線消毒的重要性。
3M FFR消毒技術公告旨在傳達消毒方法對某些口罩式呼吸器型號的影響,而非建議使用特定類型的消毒方法。每種消毒方法都必須通過過濾效率以及適用性等相關評估。3M的公告並確認,使用PearlSurface進行消毒,面罩可重複使用20次,是其他傳統UV處理方式的兩倍。
AquiSense的CEO Oliver Lawal表示,被列入3M消毒技術公告,是AquiSense引領經過驗證的UV-C LED技術工程性能的又一個例子。該公司團隊直接與3M合作,提供PearlSurface如何在不影響呼吸器效能的情况下持續消毒的數據,並且已和FDA充份就緊急使用授權(Emergency Use Authorization, EUA)進行配合。
紫外線殺菌應用再創新 微型模組內建UVC LED問世
大儀今日宣布與國內合作夥伴共同開發的微型模組內建UVC LED殺菌產品正式問世。預期將為國內飲用水龍頭市場帶來革命性的衝擊。
UVC殺菌技術自崛起以來,各種商機應運而生。許多廠商也不斷在技術面和應用面上投入研發資源。大儀身為美國Aquisense和日本Nikkiso大中華區代理商,同時掌握了來自Aquisense的UVC殺菌技術和來自Nikkiso的UVC LED晶片模組。在擁有頂尖軟體及硬體的雙重優勢下,順利和國內龍頭製造大廠合作,率先開發出全球第一組外型精巧的模組內建UVC LED殺菌龍頭。與目前市面上其他需要額外安裝空間的模組外掛型產品相比,這款將模組整合在本體內的龍頭,成功使得深紫外線的水殺菌應用技術更進一步。
此外,有別於許多使用超頻技術來提高功率但壽命不長的UVC LED產品,大儀與合作夥伴所開發出來的這組龍頭,其UVC LED本身就具備極高的功率強度,並且LED壽命長達1萬小時。同時,在99.99%的極高殺菌能力下,還可達到2LPM的高出水量。綜觀國、內外市場,這款龍頭所具備的綜合優勢在短期內將難以被超越。展望未來商機,大儀也樂見這次的成功模式能夠繼續複製,進一步與國內、外更多有意開發殺菌龍頭或其他UVC殺菌應用的廠商合作,持續開發出更多因應民生需求並搶占市場先機的UVC LED產品。
關鍵晶圓製程技術再創新 VCSEL光輸出性能更上層樓
通常,與邊射型雷射(EEL)和發光二極管(LED)之類的替代產品相比,VCSEL的優勢在於成本低、光學效率高,以及體積小。VCSEL的優勢還包括在溫度範圍內的波長穩定性,並且可以定向集中以使輸出的效率最高。由於VCSEL是頂部發光(與LED一樣),因此可以在晶圓上對其進行測試、也可以將其與更簡單的光學器件集成並作為晶片安裝在印刷電路板上,或者與雷射、驅動和控制邏輯在同一封裝內集成。其功率輸出雖然小於EEL,但可以通過創建單個VCSEL的陣列而擴充輸出。
手機/汽車應用推動VCSEL需求
現在,許多不同品牌的高階智慧型手機,例如蘋果(Apple),三星,華為,小米和OPPO,都將VCSEL集成於3D傳感應用,用於在正面(屏幕一側)以及/或者面向外界的傳感器之中。此類移動式和消費類應用是VCSEL批量生產的最大驅動力,而汽車和工業市場的需求雖小但也在不斷增長。市場研究人員預測,未來五年,全球VCSEL市場的複合年增長率將為17%至31%。
目前推動大量研究和產品開發的另一項應用是將VCSEL用於光學雷達(LiDAR)技術中,該技術監測相對距離和移動,對於自動駕駛汽車的開發至關重要。LiDAR的工作原理與雷達類似,但是通過發送脈衝光而不是無線電波並來接收周圍的物體的反光。通過反射脈衝回到LiDAR傳感器的時間可以計算出物體的相對距離。與雷達的無線電波波長(~1mm)相比,紫外/可見/紅外光的波長更短(100nm-100~m),就可以檢測更小的物體並獲取更清晰的圖像。
VCSEL在短距離應用中效果很好,例如手機中的人臉識別或汽車中的駕駛員注意力監控。但是,由於VCSEL的輸出功率低於其他IR光源,因此在自動駕駛所需的更長距離的感測中會面臨挑戰。當以較高功率和較低波長的VCSEL進行長距離感測時,也存在着對其在人眼安全方面的擔憂。人眼安全是牽涉諸如功率、發散角、脈衝持續時間、曝光方向和波長等多種因素的複雜組合。通過使用短脈沖調整VCSEL的波長,並優化光學感測,可以實現使用低功耗VCSEL陣列(圖1)的人眼安全的遠距離感測。
圖1 VCSEL 陣列
電漿蝕刻為VCSEL關鍵晶圓製程
VCSEL是藉由分子束磊晶技術(MBE)或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)製程,在基板上沉積出複雜多層結構而成。磊晶層包括產生光子的有源層,該有源層夾在兩個分佈式布拉格鏡面層(DBR)之間,該反射鏡的鏡面將光多次來回反射通過有源區域,以放大信號。每個DBR由多個磊晶反射鏡對(通常超過20對)組成,其中透過每個磊晶層的折射率和厚度的定制,可以引起光建設性干涉,從而產生所需的光波波長。
在製造VCSEL時,可透過創建光圈將電流限制在有源層的微小區域內,這可以通過對某些磊晶層進行選擇性離子佈植或氧化來實現。例如,在基於GaAs的VCSEL的情況下,AlGaAs層被部分氧化會造成光圈周圍形成非導電區域。電流集中會降低產生雷射發射的閾值電流並控制光束寬度。
交感耦合電漿(ICP)用於蝕刻形成VCSEL的垂直或錐形檯面結構。新一代VCSEL的關鍵要求是平滑蝕刻(圖2),沒有側壁損壞或任何層優先被蝕刻。不均勻的側壁會導致VCSEL側面的光損耗。使用濕蝕刻很難獲得最佳的平滑輪廓,因為濕蝕刻本質上是等向性的蝕刻,可能會導致在磊晶層中產生缺口。ICP乾式蝕刻是更具方向性的,可以進行定制以產生更平滑的輪廓。蝕刻深度的精確控制對於VCSEL性能至關重要,在批量生產應用中,使用通過雷射干涉儀或直讀光譜儀(OES)進行條紋計數即可實現精確的終點檢測。
圖2 具平滑側壁表面的錐形VCSEL蝕刻
VCSEL製造商使用電漿體增強化學氣相沉積(PECVD)來沉積最高質量的氮化矽層。最關鍵的應用是抗反射塗層,該塗層可通過腔體來最大化光輸出以來提高雷射性能。這裡,要求厚度和折射率的不均勻性盡可能達到最小。氮化矽還用於提供應力補償層,以最大程度地減少薄基板、鈍化層和硬掩模層的彎曲和翹曲性。
物理氣相沉積(PVD)技術用於沉積TiW/Au晶種層和Au,作為觸點以從器件正面提供電流或幫助散熱。也可以沉積具有定制應力特性的PVD層以補償晶圓應力,否則一旦晶圓變薄並從載體上剝離下來,就會產生晶圓翹曲。
自2016年下半年以來,半導體製造商對SPTS所提供的VCSEL晶圓處理技術需求激增。生產廠商之所以選擇SPTS的Omega蝕刻、Delta PECVD和Sigma PVD解決方案,是因為它們具有精確的製程能力、豐富的製程資料庫,以及SPTS多年為客戶提供的相關技術和產品(如GaAs RF器件和LED)的批量生產的經驗。
(本文作者任職於KLA旗下的SPTS)
不讓視力拉警報 HP首款硬體抗藍光顯示器獲德國萊因認證
隨著消費性電子產品發展快速,濾藍光技術也不斷進化。現代人使用手機和電腦螢幕時間過長,易導致眼睛出現乾眼症狀。當長時間近距離使用電子產品時,LED所發出的藍光會對視網膜細胞造成傷害,可能引發睡眠困難、眼晴疲勞等問題。因此,防藍光已成為近年來護眼的重要議題。德國萊因新一代的硬體抗藍光解決方案強調LCD面板設計的改良更有助於減少有害藍光。HP以新推出的E系列顯示器獲認證,是全球首家通過德國萊因硬體抗藍光解決方案的顯示器廠商。
從護眼技術上來說,有軟體和硬體兩種修正方法可以達到不同程度的濾藍光效果,以往很多顯示裝置會使用軟體修正方式,導致畫面有偏黃失真現象,但隨廠商技術及材料革新,現在已可以用提升硬體品質的方式來直接過濾掉最有危害的藍光範圍,給消費者更正面的保護。德國萊因已為顯示裝置開發出新一代的硬體抗藍光檢測技術,除了將最危害的藍光波段降低,保留不具傷害的藍光外,並增加廣色域的測試,確保使用者可以同時兼顧低藍光護眼及高色彩追求。
新型HP E系列顯示器內建藍光濾鏡HP Eye Ease,從硬體層面的源頭就解決藍光問題,不影響色彩準確性或造成畫面偏黃情況。經德國萊因檢測後顯示,新一代的硬體抗藍光顯示器比起前一代用軟體抗藍光的LCD顯示器,因技術的提升而能有效降低41.7%的藍光。除此之外,該顯示器具有高度調節,傾斜,旋轉等人體工學設計,有助於優化使用者的觀看舒適度。該系列顯示器採用 85% 可回收材料製成,為提高可回收效率,HP進一步採用100%可回收包裝,易於回收利用。
德國萊因是目前市面上顯示器驗證較多的權威機構,不但是全球擁有多個TCO認可的人體工學實驗室,亦是美國EPA認可的實驗室。 2014年,TÜV萊因首開全球風氣之先,將獨家開發的低藍光安全檢測要求帶入顯示器行業,引導產業不斷改進有害藍光的管理。德國萊因也針對顯示器的不閃頻、反光、眩光等護眼問題開發出不同的螢幕安全檢測方法,讓廠商及消費者能從驗證標誌能更易了解顯示器有哪些護眼特色。
顯示器通過TÜV萊因認證,代表已通過嚴格安全檢測要求,消費者已可放心指明購買。然而由於硬體抗藍(光)的顯示器成本較高,在同級顯示產品中若有硬體抗藍標誌,代表該產品的潛在CP值可能較高。德國萊因以消費者健康為中心,讓消費者觀看更輕鬆,眼睛保護更全面。
英飛凌新線性驅動IC為低電流LED燈條設計提升自由度
英飛凌科技(Infineon)推出一款恆定電流的線性 LED 驅動IC BCR431U,能在調節 LED 電流時提供較低的電壓降。該產品為新一代 BCR 系列的第二款產品,具有低壓降特性,針對最高 37 mA 的電流所設計。新款 BCR431U 的典型應用包括 LED 燈條、廣告招牌、建築 LED 照明、LED 顯示器,以及緊急、零售和家電照明。
此整合式驅動 IC 在 15 mA 電流下的壓降僅 105...
模擬皮膚吸收/散射光源 光學式心率感測橫越萬重山
PPG感測器重皮膚模擬
PPG感測器為光學式心律感測器,可分為穿透式或反射式。反射式PPG感測器之量測區域較不受限,因此可運用於手腕上量測,目前已廣泛應用於消費市場中,如:運動手環、智慧手表。反射式PPG感測器架構包含LED光源、光偵測器、擋牆與蓋板。LED光源與光偵測器放置於同側,光線由LED光源出發,入射皮膚組織與血管後,產生反射散射光,最終由光偵測器接收。
圖1 PPG感測器原理示意圖
要於光學軟體中設計PPG感測器,皮膚組織的模擬就顯得特別的重要,皮膚組織屬於生物組織的一種,生物組織具有兩項重要的光學屬性:吸收與
散射。吸收特性的模擬,通常以穿透率表達。假設光線通過厚度為L的組織,則穿透率計算遵循比爾-朗伯定律(Beer–Lambert law):
其中ma為吸收係數,單位為mm-1 。射特性則由Henyey Greenstein散射模型描述,以下為公式:
其中q為散射角度,g為異向性係數,此係數值介於-1至+1之間,可影響散射的分布。
圖2 Henyey Greenstein散射模型之異向性係數變化
LightTools提供多種體散射材料模型,包含Henyey Greenstein散射模型,可用於生物組織之模擬。
圖3 LightTools體散射材料模型
透過Henyey Greenstein體散射模型,可自訂生物組織材料,如:皮膚。設定之係數包含:折射率、吸收率、平均自由程MFP (mm)/散射係數(μs) /傳播散射係數(μs’)、異向性係數(g)與穿透率。
圖4 LightTools之Henyey Greenstein體散射模型
LightTools提供內建之生物組織材料資料庫,這些材料使用Henyey Greenstein體散射模型進行定義,使用者可以直接選擇適當的生物組織材料進行使用。
圖5 LightTools生物組織材料資料庫
皮膚組織模型的建構可直接套用材料資料庫中內建的生物組織材料,模型各層之間的介面則可使用自動光膠功能,去除中間的空氣層,確保模擬正確性。
圖6 皮膚組織架構與光膠設定
在LightTools中以平行光源入射皮膚模型的模擬結果(圖7)。
圖7 皮膚模型、光線預覽與照度分布結果
模擬/設計/分析
以下內容將介紹PPG感測器之案例,說明如何在LightTools中建立模型,並進行模擬、分析與設計。PPG感測器模型包含:LED 光源、光偵測器、擋牆、底座、外殼、封裝膠與蓋板。透過LightTools內建之物件功能與布林運算功能可建立PPG感測器之幾何模型。
圖8 運動手環主體與PPG感測器
光偵測器、擋牆、底座與外殼之表面光學材質設定為吸收,蓋板與封裝膠表面光學材質為平滑光學,設定非涅爾損耗。蓋板材料折射率為1.43,封裝膠則使用內建資料庫材料DowcorningMS_1003_Moldable_Silicone。
圖9 封裝膠使用內建之Dowcorning MS_1003 Silicone材料
光源以表面光源建構,光強度Imax為1.5 mcd。光譜之波段為綠光,中心波長為:535 nm。光形與光譜則如圖10與11。
圖10 LED光源光形
圖11 LED光源光譜
在光偵測器物件之上表面直接建構表面接收器,偵測器之光譜響應則可以利用鍍膜功能進行設定。
圖12 接收器之光譜響應
如果希望模擬外在環境光對於PPG感測器的影響,使用內建太陽光源工具建立太陽光源。
圖13 太陽光源實用工具
圖14 太陽光譜與日曬資料
直射太陽光與漫射太陽光皆設定光源定位區域,限定光線朝向定位區域追跡,以提升光線採樣效率。
圖15 太陽光源之定位區域設定
初步的模擬結果如圖16,LED光源入射皮膚組織,經皮膚組織體散射後追跡至光偵測器,此光線路徑通常為弧狀的路線,稱之為Banana-Shaped Light。
圖16 PPG 感測器模擬之Banana-Shaped Light光線預覽
光偵測器接收的光線可能來自LED光源或外在環境光,有用的訊號為LED光源入射皮膚組織,經體散射至光偵測器的光線,其他的雜散光則可能干擾有用的訊號。雜散光的來源可能來自LED光源入射蓋板表面,反射至光偵測器,或者當蓋板未完全接觸皮膚表面時,LED光源入射皮膚表面,反射至光偵測器。除此之外,也可能由環境光間接入射光偵測器。在LightTools中使用接收器過濾器、區域分析與光線路徑功能,可區分出這些光線,協助後續分析與設計。
此案例使用的過濾器包含光源過濾器與體積介面過濾器。光源過濾器可分析LED光源或環境光的貢獻,體積介面過濾器則可分析經皮膚組織體散射的光線。
圖17 接收器過濾器設定
若要顯示過濾器過濾出的光線預覽,則可使用區域分析功能。將區域尺寸與網格範圍設定相同的大小,切換過濾器條件時,即可顯示相對應的預覽光線。
圖18 區域分析功能
為了方便分析不同的過濾器條件之狀態,可透過配置功能,在同一個模型下設定多種配置條件,使用者可快速切換至不同的配置進行模擬或分析。
圖19 配置功能
圖20 不同配置條件的結果
雜散光分析則可藉由光線路徑功能,記錄光線在系統行進的所有光學路徑,結果包含各路徑的功率、光線數與循序經過每個表面的資訊。
圖21 LED光源之雜散光分析
當系統中無擋牆設計時,LED光源光線入射蓋板之前後表面,反射至光偵測器形成雜散光,加入擋牆後,蓋板前表面之反射已阻隔,仍有蓋板後表面之反射,但能量已減弱。
圖22 加入擋牆前後的差異
藉由參數分析程式進行分析,可探討擋牆厚度變化對於蓋板後表面反射雜光的影響,此工具可掃描不同的模型條件,並自動化儲存網格數據、圖像與模型於特定資料夾中。
圖23 參數分析程式
擋牆寬度需設定為變數,接收器的入射功率則設定為評價函數進行掃描,寬度由0.1 mm到0.4 mm,每0.05mm掃描一個值,共7筆數據,最終設計中,寬度在0.35mm時,已可阻擋大部分的雜光。
圖24 掃描不同擋牆厚度的結果
光源與光偵測器間距亦會影響有效訊號與雜散光,因此第二部份我們試著改變光源與光偵測器間距,分析有效訊號與雜散光之間的能量變化,以設計出較佳的結果。利用參數控制定義LED與光偵測器之距離參數,並建立訊號與雜訊之比例運算式。
圖25 參數控制設定
再藉由參數分析程式進行分析,將光源與光偵測器的間距設定為變數,各接收器的入射功率與能量值設定為評價函數,掃描光源與光偵測器的間距,由1.5mm到2.3mm,每0.1mm掃描一個值,共9筆數據。
圖26 光源與光偵測器的間距掃描結果
由掃描結果可得知,光源與光偵測器的間距為1.5 mm時,LED光源之皮膚組織體散射能量較強,LED光源之雜散光能量較低,訊雜比為2.36。
圖27 光源與光偵測器間距為1.5mm的結果
最後,將光源數量增加為兩顆LED,LED以對稱方式排布,可提高有效訊號的能量,降低環境光的影響。
圖28 最終設計的PPG感測器模型
最終的模型,皮膚組織的體散射能量增加,訊雜比則由原本2.36提升至3.99。
圖29 雙顆LED光源的設計結果
(本文作者為思渤科技應用工程師)
健康檢測需求強勁 穿戴裝置光電二極體使用量倍增
根據TrendForce調查,雖然在新冠肺炎影響下,2020年穿戴裝置(含智慧手錶及手環)的出貨量成長略微放緩,但隨著強化健康檢測性能的需求增溫,相關零組件市場仍維持強勁動能。例如為了提升感測數據的準確度,穿戴裝置廠商會使用更多的綠光LED與紅外線LED,並增加光電二極體(Photodiode)體積,使得顆數需求呈現倍數成長。
TrendForce指出,穿戴裝置多採用光體積變化描記圖法 (Photoplethysmography, PPG) 技術,以光學方式取得使用者的心跳、血氧、甚至是血壓、血糖、水分汗液等數據。產品設計分為發射端與接收端,發射端一般以綠光LED搭配紅外線LED,偵測特定時間流經手腕的血液量,來得到心跳的數值。若以紅光LED搭配紅外線LED,可得到特定時間去氧血紅素與含氧血紅素的差異,藉此換算血氧濃度。
接收端產品設計則多採用光電二極體 (Photodiode),具有低暗電流的大面積光電二極體,可提供快速響應時間,並完整接收LED能量。例如Apple Watch 4的使用顆數就是Apple Watch 3的四到五倍。
圖 Apple Watch 3。來源:蘋果
TrendForce預估,光體積變化描記圖法市場產值將從2019年的3,810萬美元,成長至2020年的6,333萬美元,年成長率66.2%。而PPG產品設計將從光學感測元件(Discrete)逐漸轉往模組化,提供品牌廠商更簡單方便且誤差更小的感測零組件。PPG主要供應鏈包含歐司朗光電半導體 (OSRAM Opto Semiconductors)、光寶、DOWA、晶電、光鋐與光磊。
以產品發展來看,受到新冠肺炎疫情的影響,健康醫療領域更受重視,而智慧穿戴裝置本身就具備健康檢測功能,這也使得強化生理數據功能及精準度成為廠商的重要發展方向。例如Fitbit已在多款產品上推出血氧濃度變化檢測功能,並且與學術單位合作發展疾病前期預警功能;三星(Samsung)則在智慧手錶上提供血壓量測功能。除此之外,血壓和血糖也是品牌想積極切入的應用,預期將成為下一波裝置性能提升的重點目標。
LED顯示屏間距持續微縮 2020年市場持續成長
根據TrendForce LED研究(LEDinside)調查,受惠於LED顯示屏間距持續微縮,2020年顯示屏用LED出貨持續成長,市場產值雖較疫情前預估的22.61億美元,下修至19.46億美元,但仍比2019年成長3.7%。而2020下半年則因為政府刺激經濟的政策,市場需求可望回升。
TrendForce指出,以整體LED顯示屏供應鏈狀況來看,經過2019年第四季傳統旺季後,多數LED顯示屏廠商在2020年第一季零組件庫存水位較低,因此於農曆年後積極備貨,即便疫情爆發,上游的LED與驅動IC廠商如宏齊、聚積、集創北方等在第一季營收仍繳出不錯的成績單。
而下游應用端,第一季與群聚活動相關的應用受疫情影響較大,如舞臺租賃、電影院、酒店會議室、商業零售等均出現訂單遞延或者削減的情況。加上四月起疫情擴散至歐美市場,使得四月多數LED顯示屏廠商的歐美訂單受到較大影響,而第二季整體市場需求仍取決於歐美疫情的控制程度。展望2020年,後續各國政府可能會推出各項經濟刺激政策,如增加公共建設支出等,包括戶外顯示在內的相關顯示屏市場需求有機會於下半年開始回升。
根據TrendForcey在2020全球LED 顯示屏市場展望─企業會議、銷售渠道與價格趨勢報告中題到,2019年全球LED顯示屏產值約63億美元,較2018年成長8.5%,市場持續擴張亦帶動廠商營收成長,尤其在高階商用(如企業會議室)以及高階民用(如家庭影院)等應用領域。此外,LED顯示屏間距微縮趨勢繼續發酵,吸引眾多顯示屏廠商持續佈局並推出更小間距的產品,目前可量產的最小間距已經來到P0.6。TrendForce預估,未來幾年P1.2~P1.6以及超小間距P1.1以下的產品將最具成長動能。
從2018到2019年全球LED顯示屏廠商營收排名來看,前六名維持不變,除美國廠商達科外,其餘皆為中國廠商。但在近年間距微縮的趨勢下,已吸引更多廠商投入發展Mini LED和Micro LED顯示,除了傳統的顯示屏廠商利亞德、洲明科技等,過去主導消費性電子顯示器的國際廠商如三星(Samsung)、Sony、LG也紛紛投入LED顯示屏領域,並陸續推出P1.0以下的超小間距產品,帶動2019年三星首次擠進前七名,前七家廠商市占約達54%。