2017年11月27日

iPhone X 臉部解鎖的關鍵元件

曲建仲/臺灣大學電機工程學系博士,曾榮獲中華民國96 年度全國優秀青年工程師獎章並獲總統召見,致力臺灣科技教育多年,擅長以淺顯易懂的文字由淺入深帶領非理工背景的讀者們了解艱深困難的科技原理。


TrueDepth 相機
蘋果將iPhone X 所使用的3D 立體影像感測技術稱為「TrueDepth 相機」,TrueDepth 相機為700 萬畫素的CMOS 影像感測器,配合紅外光相機(infrared camera)、泛光照明器(flood illuminator)、接近感測器(proximity sensor)、環境光感測器(ambient light sensor)、點陣投射器(dot projector)等元件,其中泛光照明器、接近感測器使用低功率的紅外光VCSEL,點陣投射器使用高功率的紅外光垂直共振腔面射型雷射(VCSEL),接下來我們介紹這種特別的雷射元件。

雷射的定義
「雷射(laser)」是「light amplification by stimulated emission of radiation 」的縮寫,意思是「利用激勵放射來增加光的強度」, 所謂的「激勵放射(stimulated emission )」, 其實就是完成兩個重要的步驟,第一個是「能量激發(pumping)」,第二個是「共振放大(resonance)」,最後使光產生「同調性(coherence)」與「建設性干涉(constructive interference)」, 下面我們介紹這些專有名詞的意義。

能量激發:半導體雷射大多使用「電激發光(electroluminescence, EL)」,外加能量(電能)激發半導體的電子由價電帶跳到導電帶,當電子由導電帶跳回價電帶時,將能量以光能的型式釋放出來,如圖一(a)所示。

共振放大:在發光區外加一對「共振腔(cavity)」,共振腔其實可以使用一對鏡子組成,使光束在左右兩片鏡子之間來回反射,不停地通過發光區吸收光能,最後產生共振,使光的能量放大。

圖一:半導體雷射的能量激發與共振放大原理示意圖。

我們以「砷化鎵雷射二極體(GaAs laser diode )」為例,先在砷化鎵雷射二極體晶粒(約一粒砂子的大小)上下各蒸鍍一層金屬電極,對著晶粒施加電壓,當晶粒吸收電能產生「能量激發」,則會發出某一種波長(顏色)的光。發射出來的光經左右兩個反射鏡來回反射產生「共振放大」,由於右方的反射鏡設計可以穿透1% 的光,所以高能量的雷射光就會由右方穿透射出,如圖一(b)所示。

同調性
同調性又稱為「相干性」,是用來描述光波在傳遞的時候,時間和空間上的相關特性。簡單的說,同調性代表光波在傳遞時是否整齊,我們把一列行軍的隊伍想像成一束光,則一個個士兵就是一顆顆「光子(photon)」,同調性的意思是指這一列行軍的隊伍裡一個個士兵前進時動作是否整齊,如果士兵的動作(光波)整齊劃一則代表這一列隊伍的「同調性好」,可以產生震懾敵人的能量(雷射光);如果士兵的動作(光波)零亂不堪則代表這一列隊伍的「同調性差」,無法產生震懾敵人的能量(發光二極體的光)。

......【更多內容請閱讀科學月刊第576期】

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