标签: 生物特征识别

作为先进技术与热门应用的跨界营销，目的就是为消费电子这个热门领域以互补性平添一份立体感和纵深感，当然这里所说的互补，更多是指对于用户体验的补充。 不谈大的宏观趋势，不讲太多技术细节，后退一步，以光之名，换个维度了解光电技术可实现的基本功能？这些基本功能又会关联哪些基础参数？延伸发散出哪些产品形态或应用场景？艾迈斯欧司朗亚太区健康监测高级市场经理王亚琴在研讨开始就定下了不同以往的基调。 光电技术在与消费电子的“跨界营销”中将扮演什么样的角色？全面梳理，共同探讨。 1 、 以光之名的底层逻辑 “光是什么？光能用来做什么？” 研讨之处，用2个与光有关的基本问题带领大家回归初心——光是一种电磁波，根据波长的不同，它可分为紫外光、可见光、红外光…… “至于光的用途，若从科技、工程的维度来看，可以将其简化成2种：1. 作为 能量 ；2. 作为 信号 。”这样的角度让人耳目一新。 基于此，后续的分析也能在很大程度上得到简化，例如当光的用途是作为能量时，我们关注的数据指标就是它的 电光转换效率 ， 波长的匹配 ，以及系统维度的 散热性能 。 反之，如果它的用途是作为信号，由于一般LED 是经过脉冲驱动或者是频率调制的，此时它的响应速度，系统的抗干扰性能即信噪比，以及光谱带宽的匹配就显得尤为重要。 “将原理充分简化，我们再从底层逻辑逐步推导出每个实际功能的最终交付价值。以消费电子领域的光电器件为例，我在这里选取3个方向—— 生物特征识别，生命状态检测以及3D 传感和交互 ，带领大家一一感受。” 2 、 生物特征识别：如何打造个性化的钥匙 生物特征识别，即识别生物的一些特征，并用它来建立ID，如果应用端要做身份的验证或者个性化配置时， 这个ID就成为一把钥匙。 对于生物特征识别，市场已延展多种主流方式，例如指纹识别、虹膜识别、2D人脸识别和3D人脸识别。其中光学指纹识别、虹膜识别以及2D跟3D人脸识别都需要利用主动光源来照明，这时就会用到红外LED或者是VCSEL。 以其中的红外LED为例具体来看需要从哪些维度去考虑光源的参数。 上图呈现的基本原理并不复杂，但由于目标场景的不同，对目标面积、距离以及识别精度的要求都是不一样的。所以我们会根据实际使用场景对应推导出所需光源的光功率、角度、波长，甚至是它的封装散热等，尽管工作原理相同，这些要求仍会有差别。 “讲到现在，因为参数的列举，大家可能会立即联想到红外LED正是我们刚刚所讲典型的基于 光的能量的应用 。” 保证光的能量，当然需要从底层芯片技术谈起。 据悉，基于面发光芯片技术，艾迈斯欧司朗不断创新，通过水平比例缩放，扩大芯片的面积（ 因为在一定程度内光源的发光功率跟发光面积大概是线性比例的关系 ），此外，实现了多层芯片在垂直方向上的堆叠。最终，在双维度下成功实现“光源光功率近乎翻倍”的效果。 具体来看，例如采用刚介绍的水平比例缩放、垂直堆叠的技术，一个1平方毫米的红外LED芯片，在1A，在3.1V正向电压的时候，能够输出一个1.5W的光功率， 这个数据大约是单层芯片的1.8 倍，而它的电光转换效率接近50%。 “这在大功率红外LED芯片领域是一个非常领先的水平了。” 不仅光功率，对于一个光源来说，波长、角度也会根据具体应用场景的不同而改变。 以2D人脸识别应用为例，“大家可以清晰看到我们对此应用配备了不同型号的光源，而且还远远不止这些，”王亚琴解释道：“它们的封装尺寸、角度，甚至波长都是不一样的。” 回归生物识别技术的具体应用场景，更是不一而足。手机中，可通过2D/3D人脸识别来实现解锁，当然，这同样适用于笔记本、平板这类终端，目前，智能手表、甚至在日渐“消费电子化”的智能汽车中，生物识别技术正延展出更多的应用场景，带来更具个性化的体验，而这都离不开领先的光电技术。 3 、 求“新”求变的生命状态监测 健康，这个“全球话题”让生命状态监测成为近年来可穿戴市场发展的又一大助力。 从智能手机，到当前普遍的手表手环，以及引领新穿戴潮流的耳机，甚至是一种作为助听器的耳机，都会在上面集成光电式的生命状态监测。 “我们已经看到了非常丰富的应用场景，例如考虑佩戴舒适性，很多厂家也将此类功能集成到戒指或者衣物当中，”王亚琴介绍道：“更有AR、VR应用，例如可以将心率数值跟游戏内容匹配来考虑该游戏对于玩家的吸引程度或者它的刺激程度。” 若将此类应用扩展到智能汽车，更可以考虑在一些高端车的方向盘外套中嵌入生命状态监测应用，通过对驾驶员心率的监测，更有效地对酒驾、事故等进行分析处理，还可以跟车险数据做关联，“事实上，已经有保险公司在跟具体的设备厂配合了。” “但我今天想强调的是一个‘ 新’穿戴 的概念，”王亚琴解释道：“‘新’是与前几年的可穿戴对比有几点区别。” 首先，需要医疗级测试的准确度。 不论某个可穿戴设备是否过了FDA，都需要它具备足够的准确度，甚至是可以基于此做一些医疗指导。 其次，就是持续监测。 很多人每年都做体检，里面的指标虽多，但它们大多仅能反映某个具体时间点的身体状况。但现在的可穿戴健康讲求持续监测，做长期跟踪。因此，即便是针对一个比较简单的生命特征，比如体温，或者心率，持续监测带来的数据累积，对于我们判断身体健康状况和它的趋势都具有非常重要的意义。 第三，即数据解读的能力。 可穿戴行业发展至今，整个生态系统都在逐步发展、完善，这个行业对于不断累积数据的解读要求也在不断提高。“当前已经有非常专业的公司，通过对多个生命指标的交叉对比，寻找它们背后的关联。” 在了解了“新”穿戴的意义后，还是以问题先行—— 以心率测量为例，此类生命状态监测是基于光的能量还是光的信号的应用？ “ 光的信号 。” 王亚琴同时强调说：“但还需另外补充一点，因为我们谈的是可穿戴健康设备，这类设备的电池容量通常比较有限，所以，即便是对应光的信号的应用，我们也会较多地去关注光电器件的功耗，也即它的能量。” 回归到用于心率测量发射端的LED光源，基本上艾迈斯欧司朗会从外延和芯片设计上去提高它的光效，同时去降低它的正向电压。 以艾迈斯欧司朗做心率监测顶级的这款绿光LED CT DBLP31.12 2218为例，它的突出特点即在20mA时正向电压非常低，仅为2.3V，是一个特殊的低电压设计。 带来的好处？ 通过数据具体来看，在保证同样光电流输出时，这颗绿灯LED的功耗是同类竞品的 不到30% ， “这也就回到我刚才讲的功耗对于可穿戴健康设备来讲非常重要的论点。” 对于接收端？ 首先要提的是一种滤光膜技术，即发射端与接收端的光谱匹配。 如上图所示，有些光电二极管的器件表面全都是黑色，这就是典型的在封装材料里面通过掺杂实现滤光——过滤可见光，保留红外光。 如果想要改善这种滤光技术，艾迈斯欧司朗有研发 基于芯片级的镀膜滤光技术 。 以上图中SFH2240为例，从它纵截面剖面图能看到在硅基的芯片表层有一个5μm的多层光栅滤光膜，它能极大程度降低光从不同角度入射的差异度，因此也无需配备额外的滤光器件。 艾迈斯欧司朗在可穿戴健康领域已经开发了系列产品，有分立式，也有半集成式，“后续也会陆续推出很多新产品，对于客户来讲，我们的技术支持工程师也会在众多产品里面针对你的结构设计、对于准确度要求去优选适合的型号产品，”王亚琴进一步说明。 4 、 从3D传感到交互，应用版图持续扩张 “当你在使用一个智能设备时，你对它的预期是什么？” 在介绍3D传感与交互中的光电技术时，王亚琴先抛出了上述问题。 假设是一个智能机器人，首先你可能希望它要实时地感知周围的环境，而且要能感知周围环境的变化，同时因为你是主体，所以你希望这个机器人能够感知你跟它之间是怎样来做一个三维交互的，因此，这里会用到光电3D传感。 直接来看基于摄像头的3D传感跟交互（如上图所示），左下角是发光光源，光源的光被调制，然后打到空间物体上面，这时候 CMOS 摄像头要去检测反射回来的光的相位的变化，因此iToF就可以测出这个空间里物体深度的信息，然后把它表现为五彩图或者点云图。“这里面的光源有不同种，但比较多用到的是 VCSEL，因此我们也将重点介绍。” “对应VCSEL芯片部分，艾迈斯欧司朗已有多层芯片的堆叠技术，当前量产的有双层、三层的技术，甚至已经在对应研发五层的技术，可以说就多层芯片的堆叠技术，艾迈斯欧司朗一直在致力发展。” 据悉，上图只是艾迈斯欧司朗所有封装VCSEL的部分产品，在850nm和940nm的陶瓷封装产品中，目前最高的一个单体封装是做到了10W的功率。 当前，3D传感的应用场景已经在多维展开，比如手机，iPhone上3D人脸识别的另外一个用途就是辅助拍照，利用3D探知不同物体的深度实现虚化。此外，还可以实现3D建模。再比如说很多AR、VR体感游戏设备中都已经配备了3D传感，从而能去感知你的体势或手势的变化。 当然，这个应用的市场容量非常大，将目光扩展到消费电子领域外，其实3D传感已经用于在汽车外饰做 LiDAR 应用。 那么回归到最初的问题，刚刚介绍的3D传感与交互的VCSEL光源，到底是基于光的能量的应用还是基于光的信号的应用呢？