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[導(dǎo)讀]各種形態(tài)的移動(dòng)和可穿戴電子設(shè)備,需要大量的光學(xué)系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)支持。對(duì)于新興的可穿戴設(shè)備而言,光學(xué)系統(tǒng)的能力更是其整體產(chǎn)品表現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

今年是ams OSRAM合并的第一年,兩家歷史悠久的半導(dǎo)體廠商攜手后,開(kāi)啟了第二個(gè)百年征程。一切都圍繞著“光”來(lái)展開(kāi),ams OSRAM將會(huì)注重在傳感、光源和可視化三大領(lǐng)域構(gòu)建技術(shù)平臺(tái),從而提供業(yè)界最為完整和領(lǐng)先的光學(xué)解決方案。

“某些公司擁有單獨(dú)的一項(xiàng)兩項(xiàng)技術(shù),但沒(méi)有任何一家公司可以在三大技術(shù)平臺(tái)上都提供核心器件、傳感和算法?!卑~斯歐司朗高級(jí)副總裁陳平路在近日召開(kāi)的首屆光學(xué)技術(shù)論壇開(kāi)幕詞上分享到,“ams OSRAM能夠提供所有核心器件集成的全面解決方案,我們是毫無(wú)爭(zhēng)議的光學(xué)解決方案領(lǐng)導(dǎo)者,繼續(xù)保持這種領(lǐng)先地位也是公司未來(lái)的愿景?!?

其實(shí),光學(xué)傳感已經(jīng)深入到了人們生活的方方面面。在此次光學(xué)技術(shù)論壇的“移動(dòng)與可穿戴”分論壇上,來(lái)自amsOSRAM的三位技術(shù)專家給我們進(jìn)行了深入的分享。


光學(xué)傳感器革新:助力智能設(shè)備持續(xù)創(chuàng)新

近幾年智能手機(jī)的快速發(fā)展,離不開(kāi)光學(xué)傳感器的演進(jìn)。從2016年至今,圍繞著屏幕的創(chuàng)新層出不窮:超窄邊框、劉海屏、水滴屏和折疊屏等。但其實(shí)屏幕的背后,離不開(kāi)光學(xué)傳感器的發(fā)展。

據(jù)ams OSRAM資深市場(chǎng)經(jīng)理郭海波分享,光學(xué)傳感器尺寸越來(lái)越小,最新的趨勢(shì)中已經(jīng)將光接近傳感器放置在OLED下,從而騰出手機(jī)頂部寶貴空間,值得靈活的工業(yè)設(shè)計(jì)變?yōu)榭赡?。ams OSRAM在智能手機(jī)上主要提供兩大類的產(chǎn)品方案,分別是屏幕管理和攝像頭3A(AF、AWB和AE)。

【智能手機(jī):屏幕管理】

接近傳感器在手機(jī)中用于感應(yīng)人體或其他物體是否存在,常用于防誤觸、自動(dòng)滅屏等具體應(yīng)用。主要原理就是通過(guò)紅外LED發(fā)射紅外線,靠表面發(fā)射回來(lái)的能量強(qiáng)弱來(lái)判斷接近遠(yuǎn)離。基于這種工作原理,接近傳感器極易受到外部環(huán)境中的紅外光干擾,例如太陽(yáng)光等。

艾邁斯歐司朗的接近傳感器里面集成了先進(jìn)的光學(xué)濾片,該光學(xué)濾片一個(gè)作用就是能夠?yàn)V除環(huán)境的干擾,另外還可以將本身光學(xué)傳感器的響應(yīng)曲線和人眼的響應(yīng)曲線做一個(gè)模擬,從而得到人眼能夠感受到的環(huán)境光的變化。

另一個(gè)在屏幕管理應(yīng)用中的關(guān)鍵傳感器是環(huán)境光傳感器。環(huán)境光傳感器分為三大類:傳統(tǒng)的檢測(cè)亮度的環(huán)境光傳感器;顏色類的RGBCW,也就是紅綠藍(lán)檢測(cè)的顏色傳感器;以及多區(qū)的光譜類的傳感器。

通過(guò)感知周圍亮度,從而反饋給手機(jī)去智能地實(shí)現(xiàn)屏幕亮度調(diào)整,是環(huán)境光傳感器在智能設(shè)備上的主要用途。這種智能亮度調(diào)節(jié),可以優(yōu)化設(shè)備的電池消耗,減少屏幕強(qiáng)光對(duì)于人眼的刺激。

艾邁斯歐司朗提供了一種自適應(yīng)顯示技術(shù),通過(guò)先進(jìn)的XYZ傳感器,提供比傳統(tǒng)RGBC更精準(zhǔn)的人眼響應(yīng)曲線的模擬。除此外,該傳感器還能夠?qū)ⅵV以及G-M shift抓取出來(lái),通過(guò)實(shí)時(shí)上報(bào)環(huán)境光色溫信息,實(shí)現(xiàn)屏幕智能化調(diào)節(jié)。

【智能手機(jī):攝像頭3A】

環(huán)境光線對(duì)于拍照的白平衡影響顯著,特別是混合照明和反射光。這時(shí)候就需要傳感器來(lái)準(zhǔn)確快速實(shí)現(xiàn)環(huán)境光的測(cè)量,消除閃爍影響。ams OSRAM為此提供了傳統(tǒng)的RGBCWF傳感器優(yōu)化方案和光譜傳感器方案,來(lái)助力實(shí)現(xiàn)AWB和AE的提升。

如上圖中的表格所示,相對(duì)于普通的攝像頭而言,ams OSRAM的RGBCWF傳感器來(lái)說(shuō)有著更快的響應(yīng)速度;通過(guò)添加的擴(kuò)散片,獲得更大的視場(chǎng)角;攝像頭中集成了Flicker光源閃爍的功能,從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境光源閃爍頻率檢測(cè),幫助消除其影響;CW通道用于計(jì)算IR成分,提供準(zhǔn)確的CCT信息。

而全新的光譜傳感器則在RGBCWF傳感器的優(yōu)秀性能基礎(chǔ)上更進(jìn)一步,實(shí)現(xiàn)了更高的CCT精度和更準(zhǔn)確的環(huán)境光源光譜的還原,去除反射光對(duì)于CCT造成的誤差 。

如上圖所示,直接測(cè)量得出的光譜信息中疊加了反射光,因此得到的色溫值并不準(zhǔn)確。而ams OSRAM的光譜傳感器可以預(yù)先檢測(cè)到光源信息,通過(guò)預(yù)估還原之后,將更準(zhǔn)確的CCT值預(yù)估出來(lái)。郭海波表示,這種光譜還原能力在大面積純色背景中,對(duì)于整個(gè)攝像頭的白平衡提升有著極大的幫助。

除了上面提到的白平衡和自動(dòng)曝光外,另一個(gè)攝像頭上非常重要的傳感器應(yīng)用是針自動(dòng)對(duì)焦。ams OSRAM提供了多合一的ToF傳感器模組,將激光發(fā)射器、計(jì)時(shí)器、SPAD接收器和信號(hào)處理都集成在一個(gè)模組中。

該ToF模組是目前業(yè)界最小的封裝,非常適合像智能手機(jī)等非常緊湊外型的設(shè)計(jì)需求。此外該ToF模組內(nèi)部集成了艾邁斯歐司朗自產(chǎn)自研的高性能的光學(xué)濾膜,它可以極大地抵御環(huán)境光紅外線的干擾;在10萬(wàn)lux的環(huán)境光照明條件下,依然能夠達(dá)到60公分以上的探測(cè)距離。

【新興可穿戴設(shè)備:環(huán)境光+紫外線檢測(cè)】

所謂的新興可穿戴設(shè)備,指的是AR、VR和智能眼鏡等。針對(duì)這種終端設(shè)備,ams OSRAM提供了超薄的環(huán)境光集成UVA檢測(cè)的傳感器——TSL25853P。該器件特點(diǎn)是在非常小的尺寸上實(shí)現(xiàn)了功能高度集成:除了可以智能地準(zhǔn)確地檢測(cè)環(huán)境光之外,它還集成了UVA的檢測(cè),能夠?qū)崿F(xiàn)紫外線的預(yù)估。

AR智能眼鏡需要佩戴外出,所以外型上需要盡量輕巧。因此環(huán)境光傳感器的尺寸要足夠小巧,才能夠滿足外出佩戴的外型需求。而集成了UVA之后,傳感器就可以直接檢測(cè)外部紫外線指數(shù),將其顯示在眼睛屏幕上,從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)UVI提醒的功能。


生命體征監(jiān)測(cè)應(yīng)用于可穿戴設(shè)備

可穿戴設(shè)備上的生命體征監(jiān)測(cè)已經(jīng)逐漸向更全面、更專業(yè)的方向發(fā)展,呼吸、心率、心電圖、血氧等基礎(chǔ)生命體征參數(shù)的采集,可以通過(guò)算法反饋出被監(jiān)測(cè)人的壓力、情緒乃至是基礎(chǔ)代謝信息。

而心率與血氧的監(jiān)測(cè)也離不開(kāi)光學(xué)傳感的參與。據(jù)艾邁斯歐司朗應(yīng)用技術(shù)經(jīng)理黃三豪分享,一個(gè)生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常包含五大部分,分別是:光電前端(OFE)、模擬前端(AFE)、MCU、運(yùn)動(dòng)傳感器和算法。ams OSRAM主要提供光電前端和模擬前端兩類器件和解決方案。

【帶有發(fā)射器的第二代集成光學(xué)前端解決方案】

SFH7070是ams OSRAM推出的第二代集成光學(xué)前端解決方案。相比第一代的產(chǎn)品,在光電元器件的布局上進(jìn)行了革新,采用了對(duì)稱式的布局,將PD放在了兩個(gè)綠光芯片中間。PD的吸收光頻譜中也有特別處理,通過(guò)IR-Cut鍍膜技術(shù)濾除了環(huán)境中紅外干擾,從而保證用更純凈的綠光實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測(cè)。

黃三豪表示,消費(fèi)者在佩戴可穿戴設(shè)備時(shí),為了舒適并不會(huì)綁定的非常緊,所以在某些運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下,不能保證設(shè)備時(shí)刻緊貼皮膚,有時(shí)候設(shè)備一端會(huì)翹起。這時(shí)候采用對(duì)稱式布局,就可以有效避免在這種情況下,傳感器采集不到信號(hào),一端的傳感器采集不到,另一端的傳感器仍可以采集到,確保至少一端的LED可以接觸皮膚,捕捉到良好的信號(hào)。

SFH7072是在SFH7070的基礎(chǔ)上,添加了血氧的檢測(cè)功能。隨著新冠疫情的發(fā)展,血氧的檢測(cè)也愈發(fā)受到關(guān)注。而這種多傳感信號(hào)的高集成度并不是那么簡(jiǎn)單,SFH7072已經(jīng)將LED和PD等擋墻、間距設(shè)計(jì)全部處理好,因此用戶直接拿到加上改版就可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)心率和血氧測(cè)量。

SFH7074則是一個(gè)多PD的產(chǎn)品,在一個(gè)器件中提供了三個(gè)PD。兩個(gè)紅色的PD上同樣使用了IR-Cut鍍膜技術(shù),而另一個(gè)遠(yuǎn)端PD上則沒(méi)有鍍膜,采用的是全通道的采樣方式。

首屆光學(xué)技術(shù)論壇,艾邁斯歐司朗展示移動(dòng)與可穿戴的全面光學(xué)解決方案

如上圖所示,該產(chǎn)品的另一大特色在于其中間的LED擋墻采用了白色,PD擋墻采用黑色。白色是為了將底部的光反射出來(lái),黑色則是為了讓PD接收的信號(hào)更純粹。這種黑白色擋墻的設(shè)計(jì)可以讓采樣的心率和血氧信號(hào)更加純粹。

【AS7050和AS7057:PPG+ECG的AFE】

針對(duì)心電圖等檢測(cè)需求,ams OSRAM提供了PPG+ECG的AFE。AS7050動(dòng)態(tài)輸入104dB;具備極低功耗表現(xiàn),25Hz的采樣頻率只需要20微安;內(nèi)置6個(gè)PD通道和8個(gè)LED通道,提供更高的設(shè)計(jì)靈活性。更重要的是,它集成了醫(yī)療級(jí)的心電圖ECG功能,ECG和PPG兩者可以同步進(jìn)行檢測(cè),適用于拓展出像代謝率、情緒、呼吸率等更多應(yīng)用。

AS7057則是更緊湊封裝的AFE產(chǎn)品,保持了和AS7050同樣的低功耗表現(xiàn),但動(dòng)態(tài)輸入范圍提高到了120dB。因?yàn)槌叽缈s小,所以通道數(shù)減少到了三個(gè)(綠光、紅光和紅外),但同樣可以滿足心率+血氧的檢測(cè)需求。緊湊的封裝、低功耗的特性和完備的傳感能力,讓其非常適合于耳機(jī)等小尺寸的可穿戴設(shè)備。

黃三豪總結(jié)道,ams OSRAM在可穿戴上的應(yīng)用,不管是發(fā)射管或者接收管都相當(dāng)多元。再加上AFE,整個(gè)前端的硬件服務(wù)都可以一站式到位,所以用戶可以很容易地得到一站式完整的服務(wù)與支持。


AR眼鏡中的光科技

作為元宇宙的最為重要的硬件設(shè)備,VR/AR眼鏡的發(fā)展備受關(guān)注。ams OSRAM提供了非常全面的傳感器方案。具體應(yīng)用涉及到佩戴檢測(cè)、眼球追蹤、屏幕管理、手勢(shì)識(shí)別、近眼顯示和眼球追蹤等。

【不同顯示技術(shù)和用戶需求之間的平衡】

在此次光學(xué)技術(shù)論壇上,艾邁斯歐司朗的系統(tǒng)方案工程師孫文軒重點(diǎn)分享了AR眼鏡的光源技術(shù)趨勢(shì)和解決方案。當(dāng)前的AR眼鏡的顯示技術(shù)存在多種路線,主要分為被動(dòng)式微顯示技術(shù)、主動(dòng)式微顯示技術(shù)和掃描顯示技術(shù)。

如上表所示,不同的技術(shù)路線各自存在不同的優(yōu)缺點(diǎn),具體哪種技術(shù)路線可以走出產(chǎn)業(yè)規(guī)模,還需要一段時(shí)間來(lái)觀察。而進(jìn)入應(yīng)用層面,必須要考量AR顯示的應(yīng)用要求和我們目前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn);另一方面,不同應(yīng)用市場(chǎng)(例如工業(yè)和消費(fèi))的用戶需求也有著顯著差異。

如上圖所示,應(yīng)用要求需要考量的點(diǎn)多達(dá)十幾項(xiàng),而在當(dāng)前技術(shù)水平下,勢(shì)必要做出取舍。孫文軒表示,“以目前的AR顯示技術(shù)方案來(lái)看,并沒(méi)有萬(wàn)能的解決方案,我們需要基于需求去設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)進(jìn)而決定相關(guān)的顯示方案?!?

【光機(jī)體積縮小是用戶體驗(yàn)優(yōu)化的關(guān)鍵】

ams OSRAM提供了DLP、LCoS被動(dòng)顯示系統(tǒng)所需的RGB LEDs和掃描顯示系統(tǒng)所需的RGB Laser Diodes兩種不同的光源方案。

在LED微顯示系統(tǒng)中,分色鏡和導(dǎo)光柱兩種傳統(tǒng)合光LED方案的基礎(chǔ)上,ams OSRAM推出了一種全新的LED。在原本的RGB芯片一字形排列的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了這兩顆MOSAIC LED,芯片呈田字形排列,有RGGB四芯片版本和RRGGBB六芯片版本。它相對(duì)于原本的一字型排列LED,極大改善了顏色均勻度。封裝表面距離進(jìn)一步減小,光學(xué)部件可以離芯片更近,從而收光更容易,顏色更均勻。

傳統(tǒng)LED+分色鏡的兩通道方案,可以實(shí)現(xiàn)的光機(jī)體積大概在5到10 cc,而MOSAIC LED搭配DLP/LCOS,一般可以做到大概3到5 cc的光機(jī)體積。

但為實(shí)現(xiàn)更好的消費(fèi)者的使用體驗(yàn),3~5cc的光機(jī)體積還是太大,因此ams OSRAM針對(duì)LBS方案開(kāi)發(fā)了一款RGB集成的激光器,使用該激光器搭配MEMS,可以將光機(jī)體積縮小到1cc以下。

展望AR眼鏡的未來(lái)發(fā)展,除了目前較熱的Micro LED方案外,有一種基于LBS擴(kuò)展的方案可以將光機(jī)體積做的更小,那就是MBS(Multi-Beam Scanning:多光束掃描)。也就是一顆激光器同時(shí)可以有多個(gè)點(diǎn)點(diǎn)亮進(jìn)行掃描,這對(duì)于提高顯示分辨率和均勻性而言幫助很大。針對(duì)這種多光束掃描的方案,ams OSRAM也在與合作伙伴積極開(kāi)發(fā)中。


總結(jié)

此次光學(xué)技術(shù)論壇是ams OSRAM合并之后的首屆,也是集合了兩家公司在光學(xué)和傳感器方面的絕大部分優(yōu)勢(shì)技術(shù),進(jìn)行的集中展示和講解?;谌绱她嫶蠖詈竦姆e累,我們相信ams OSRAM會(huì)像陳平路所提到的那樣,繼續(xù)延續(xù)其在光學(xué)解決方案上的領(lǐng)導(dǎo)地位,向下一個(gè)百年邁進(jìn)。

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