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瑞识发布1.5次光学集成技术, 推出红外LED泛光源助力3D传感

2018-12-20
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近日,国际领先的半导体光源方案公司瑞识科技对外宣布,基于其独家专利的1.5次光学集成的封装技术,开发出了专门针对3D传感应用的FRay系列LED泛光源解决方案,大大降低3D结构光光源模组的成本,加速3D视觉技术在消费领域的应用。


全文2434字,阅读需12分钟


随着2017年9月iPhone X的问世,苹果(Apple)公司为消费类3D成像和传感应用设立了新标杆,标志着3D面部识别进入消费级应用。此后,Oppo Find X,华为Mate 20 Pro等一线品牌的旗舰机也都陆续配置了3D结构光面部识别模组。除了面部解锁功能之外,3D结构光技术能应用到更广泛和深层的应用:支付级人脸识别,计算摄影和AR/VR等场景。可以预见的是,3D结构光功能将成为今后手机及终端类产品标配功能。


在手机应用场景下,业内专家认为,目前真正制约3D结构光面部识别方案应用的瓶颈是两个因素:一个是结构光技术的瓶颈,另一个,则是整个模块的成本。从技术架构上来说,结构光模块包含发射端和接收端,发射端包含散斑投射器(Dot Projector)和红外补光的泛光源(Flood Illuminator),接收端包含红外CMOS相机,接收端部分目前在手机领域已有广泛的应用和较为优化的解决方案;所以从模组结构组成上分析,3D结构光面部识别的应用是否能大量的普及,主要攻克核心点在发射端的技术突破和整个模块的成本控制。


图1:iPhone X手机3D结构光模组解析图


在现行的方案中,泛光源均采用VCSEL+Diffuser的光源方案,VCSEL所发出的光经过光学扩散片(Optical Diffuser)后均匀分布在设计的角度范围之内,具有很好的补光效果.但VCSEL芯片成本高,而且扩散片的成本也十分高昂,再加上芯片封装成本,在可以预见的时间内,VCSEL方案的泛光源成本都不太可能降到应用端大量使用的预期值以下。


业内认为,目前可用的降成本方法是使用红外LED代替VCSEL芯片。然而LED朗伯型的出光,需要经过光学透镜处理才能达到应用端的需求。使用普通一次光学透镜,光斑的均匀性完全无法达到算法端精确计算对照明均匀度的要求,此外,该方案也无法有效的收集和利用LED芯片侧面出光,一次透镜的LED产品在亮度方面也无法满足应用需求。如果采用二次光学透镜进行光束整形和匀光处理,封装尺寸又过大,亦无法满足消费类手机应用所需的小体积光源需求。


针对行业痛点,瑞识科技独创“1.5次光学集成技术”,并基于此开发出了专门针对3D传感应用的FRay系列LED泛光源产品。如下图所示,普通红外LED光斑,均匀性比较差,中间光强高,侧面衰减比较大,在应用体现出来的效果是近距离,很小范围照射光强很强,但是往周边扩散光强衰减很快;在较远距离,整体亮度无法达到应用所需的亮度。而瑞识科技的LED泛光源,可以有效提升产品的光强分布的均匀度,通过多层光学界面配合处理LED近似朗伯型光源的光路,获得光强分布均匀的光斑,保证光源对目标物体的均匀补光,达到了类似VCSEL泛光源的效果。瑞识科技1.5次透镜技术在泛光源产品上的成功应用,使泛光源的成本获得有效的降低,为3D结构光方案的大规模普及提供了成本和技术方面的有力保障。


图2:瑞识科技LED泛光源与常规LED泛光源,VCSEL泛光源光斑对比图


瑞识科技的1.5次光学集成封装技术,使得FRay系列的LED泛光源解决方案在应用场景中表现优异,具体呈现的优点为,高效地收拢普通LED器件无法利用的侧面光,其总体出光利用率高,光子效率大大提高,因而产品整体亮度大为增强;另一方面,常规LED中间亮度高,往外扩散亮度衰减大,而通过1.5次透镜技术的方案,能有效抑制中心光强以补充到中心往外的目标区域,实现角度可控的光斑设计,在设计目标范围之内,亮度均匀。


图3:瑞识科技FRay系列3D传感用LED泛光源产品图片


在产品性能及应用方面,1.5次光学集成技术将二次光学器件的尺寸缩小到了器件级,更小的产品尺寸更符合终端应用小型化的趋势要求,尤其适用于消费电子领域;同时光学器件尺寸缩小,材料用量相应减小,系统组装工艺大大简化,系统成本更低;在更重要的光学对准方面(尤其是红外不可见光器件),1.5次光学集成技术因为在器件制造过程中就已经完成芯片和光学透镜的高精度对准匹配,完全避免了二次透镜的安装费用,设备投入以及生产不良导致的高额成本。1.5次光学集成技术无论在性能,成本还是应用方面,都为半导体光源产品提供更多可能性,是器件级光学集成的平台技术,瑞识科技研发团队目前正在积极开发适合更多应用场景的创新性半导体光源产品。


“1.5次光学集成技术”的概念,是瑞识科技在行业技术领域的创新提法。瑞识科技创始人汪洋博士表示,“我们希望通过技术命名,向业界表达我们的光学集成技术与常规光源器件的一次光学透镜和二次光学系统的区别。”


图4:瑞识科技1.5次光学集成技术示意图


据了解,光源器件的一次透镜只有单一光学界面,对光路改变及影响有限;二次光学系统,是独立于光源器件之外的光学组件,尺寸通常远大于器件;而瑞识科技提出的1.5次光学系统,是器件层面的多界面光学系统集成,仅有一次透镜的尺寸却兼具二次光学系统的功能。可以说,1.5次光学集成封装技术,是一次透镜尺寸具备二次透镜的功能的光学集成技术,是真正的器件级光学集成。


此外,瑞识科技还与业界知名的3D算法及解决方案供应商合作,经过测试对比,瑞识科技的FRay系列的LED泛光源,在均匀性和亮度方面,均比供应商此前使用的LED方案有显著地提升,尤其是在远距离(50cm)的补光效果,如下图拍摄的人偶模型所示,之前的LED解决方案,几乎看不清楚细节,而瑞识科技的LED泛光源解决方案能清楚地显示人偶模型。


图5:瑞识科技FRay系列LED泛光源与常规LED泛光源实际使用效果图对比(50cm)


据瑞识科技方面透露,基于1.5次光学集成封装技术,其FRay系列LED泛光源产品目前已通过可靠性验证和光生物安全认证,目前在跟客户配合准备量产导入。


图6:瑞识科技FRay系列LED泛光源高温高湿可靠性验证1000小时数据


据了解,瑞识科技(RAYSEES)是一家源自硅谷的高科技公司,由美国海归博士团队创建。核心团队在半导体光学领域深耕多年,拥有国际领先的光电芯片和器件自主研发和创新能力。瑞识科技目前已掌握包括光芯片设计、光学透镜集成、器件级集成封装、光电系统整合优化等关键技术,并已进行了全方面的专利布局,申请国内外技术发明专利几十项。


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