3D感測技術:將VCSEL推入智慧手機市場中
/文 編 陳庭亞
2017年，Apple推出了iPhone X，在五花八門的新功能中，其中一個特別受媒體注意的便是”Face ID”。這項新功能取代了原本的” Touch ID ” 利用使用者的指紋去解鎖手機，現在只要面對著你的手機，手機就可以利用你的面孔，完成解鎖或支付的功能。Apple指出這項功能只有百萬分之一的失誤率，相較於Touch ID的五萬分之一還要準確許多。你可能會好奇這項新功能究竟是如何辦到的，但其實答案就悄悄的藏在你的手機前鏡頭中──一顆顆如沙子大小的雷射就是背後的最大功臣。
讓我先告訴你這顆雷射的名字: Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers，中文名字是垂直表面共振腔發射雷射（中文並沒有讓你多明白幾分，對吧？）通常在文章中我們會使用VCSEL作為簡稱（提醒你，念法同” Vixel ”）。但你知道嗎? 這種雷射其實在1989年就被發明出來了，這項技術在發展成熟後的二十年被逐漸埋沒，多被利用在電腦滑鼠與雷射列印上，直到因為智慧手機而爆出突如其來關注，各個廠商紛紛投入人臉辨識的研發中，也因此改變了VCSEL供應鏈的關係。
在介紹VCSEL前，你可能會納悶:雷射要如何運用在人臉辨識上面? 提到日常生活中的雷射，你可能第一個想起的是雷射筆，但你可能很難想像把雷射筆發射出來的光照在臉上，但其實人臉辨識的雷射有那麼一點點的不同，因為在Apple手機中的VCSEL發出的是近紅外光( near infrared, NIR)，它落在人類可看到的可見光範疇之外，因此使用智慧型手機的時候，我們往往不會注意到VCSEL正悄悄的藏在裏頭，照亮著我們的臉孔。
讓我們以iPhone X的前置鏡頭為例，放大一點，好好地細看、了解人臉辨識要如何運作。如圖1所展示的，在前置鏡頭中，其實悄悄放置了好幾個VCSEL晶片:如點陣投射器(Dot projector)、接近傳感器(Proximity sensor)及泛光照明器(Flood illuminator)等。先別被這幾個名詞給嚇到了，其實它們運作的原理很簡單，讓我娓娓道來。
1.點陣投射器(Dot projector):作為實現臉部辨識的主要構造，它會將超過30,000光點投射到使用者的臉部，由於每個人的臉部起伏有不同的特徵，感測器接受到了反射光點，就會進一步來計算出人臉深度分布，臉部辨識的計算方式通常分成” Time of Flight”與”結構光”兩種方式，後面我們會再深入介紹這兩種的不同。
2.接近傳感器(Proximity sensor):當你在接聽電話時，手機會自動關閉螢幕，讓你不會在講電話的同時誤觸其他按鈕，是不是很熟悉的功能？其實接近傳感器就是這項功能的小功臣，它會投射出紅外光，當你接近時，感測器接受到的紅外光反射會增強，手機就會知道你靠近了。
3.泛光照明器(Flood illuminator):它投射出的紅外光能夠讓感測器能夠判別你是不是正對直視著手機，避免臉部辨識偵測到路人的臉孔。泛光照明器投射出人類看不到的紅外光，也讓這項功能在黑暗中也可以使用。
2017年推出的iPhone X使用的臉部辨識是屬於結構光，而近期DigiTimes指出蘋果將於2020年推出具有ToF鏡頭的手機，讓我來進一步解釋這樣的改變究竟對於臉部辨識功能有什麼好處吧！
結構光(structured light)技術簡單來說就是對物體(也就是你的臉!) 投射出光班圖案(pattern)，感測器會接收反射的圖形，並利用反射圖形的變形回推物體的3D圖形，但其容易受到周遭的光源的影響，並局限於短範圍的量測。
而Time of Flight (ToF)則是將光投射在物體上面，再利用感測器接收回來的光，利用時間差計算出距離(Distance)，得出物體的3D形狀。藉由ToF技術，蘋果手機可以實現更快速的3D 臉部解鎖，並量測到更遠的物體(最遠可能會到4公尺!) ，更棒的是，ToF所需要的運算需求比較低，只是相較於結構光，這項技術還不能說是非常成熟，因此在近期內所看到的臉部辨識都估計還不會用到這項技術。
為什麼使用VCSEL?
現在你了解VCSEL如何被使用在智慧型手機上了！你知道它會將紅外光投影到你的臉上，進而實現各式各樣的手機功能，但你可能還是不太清楚它究竟是什麼東西，到底如何產生紅外光雷射的呢？讓我們逐步了解這種雷射。
雷射工作原理
首先，組成雷射最主要的三個要件包括激發源 (pumping source)、增益介質(Gain medium)以及共振腔(Cavity)。當激發源打入後，光就會在兩面鏡子形成的共振腔內反覆來回振盪，當光經過介質時，介質會讓光變得越來越強，產生高強度的“雷射”，而你可以想像其中一面鏡子的防護沒有那麼嚴密，它會讓少許的雷射光穿透，於是這就是我們看到的雷射光了。
而究竟為什麼穿過介質後光會逐漸放大呢? 其實光在介質中主要會發生三件事情:吸收(Absorption)、自發性發射(Spontaneous emission)與激發發射(Stimulated emission)
首先，我們先放大再放大，把打入的光看成一顆顆小小的光子（Photon)，每一顆光子都夾帶著能量，而光子進去的地方，有一堆電子位在不同的能階（Energy state)上面，你可以想像成電子住在一棟大樓裡，有人住在低樓層（也就是低能階），當然也有人住在比較高的樓層（高能階），而光子進去，就會擾亂住在樓層中的居民，發生不同的事情。
吸收：當光子進入後，會給予電子能量，讓它”爬”到更高的樓層，這種過程被稱為激發(Excited)。
自發性發射：相反的，當電子下樓時，它就會把多出來的能量丟掉，放出光子。
吸收與自發性發射都會不斷的發生，但如果只有這兩種情況的話，光就不會被放大再放大了，因此需要對雷射最重要的一個機制：激發發射。
激發發射：位於高樓層的電子如果受到光子的影響，有可能會促使下樓，丟出一個光子，這時候，原本的光子不會消失，也就是說一個光子進入產生了兩個光子，光就是如此被放大的！
VCSEL作為臉部辨識的優勢
現在，你對於雷射有了簡單的認識，那你可能會問為什麼我們選用這種特別的雷射來作為臉部辨識的零件？其實雷射主要分為兩種：SEL(Surface emitting laser)和EEL(Edge emitting laser)，你可以從VCSEL的名字中發現它是屬於SEL，而這兩種究竟差在哪裡呢？
從上圖（右）可知SEL是一層層材料堆疊而成的，而它的出光方向恰與堆疊的方向相同；而EEL如上圖（左）出光的方向則是與堆疊方向垂直的。因此你可以想像：當我們要量產雷射的時候，當你堆疊完一整片材料，要做出EEL就要一次次的切開，才能測試它是不是做成功的，而SEL則不用切開就能夠測試了！因此SEL一個很大的優勢就是它方便製造。
當然，SEL也是有它的弱點，就是它發出的雷射不比EEL強，但是不用擔心，SEL不但方便製造，也可以一次使用很多顆SEL，如此一來整體的強度就增加了，這樣的技術我們稱為VCSEL陣列（Array）
面臨到的問題
如前面所說，VCSEL相較之下便於製作、成本低廉，又已經被成熟的運用在商業中，在2017年Apple推出iPhone X後，各家廠商如OPPO、Samsung也紛紛跟進研發臉部辨識功能後，製造商為什麼還沒有大量製造VCSEL，讓每家廠商都能使用，進而讓臉部辨識廣泛應用於手機市場呢? 這是因為當製作少量的VCSEL時，材料尺寸都是很小的，但一旦用於手機，想要大量製造VCSEL晶片時，整個材料體積就放大許多，這時候缺陷（Defect)的控管就相當困難，特別是對於手機這種高單價且精細的產品而言格外重要，因此在現階段的VCSEL生產上，仍有許多製造層面問題需要改進。
未來應用
總結來說，我們可以說智慧手機的3D感測技術打開了VCSEL市場的大門，突破它原本被侷限的功能，隨著它的蓬勃發展，技術也逐漸成熟，我們能期待VCSEL未來在將被利用在更多用途上，舉例來說:汽車工業。
行駛安全的議題，長久以來都是汽車製造商關注的議題，駕駛在行車時的分心、不適都會造成莫大的安全危害，每天有關汽車意外的新聞也層出不窮。想像在汽車的內部，有數個眼睛看著你，注意你是否分心，或是甚至代替你看著前方的路況，而在這個情況下，你可以想像VCSEL就是那一雙雙的眼睛。
車內監控(In-Cabin Monitoring)
觀測頭部或是眼皮的動作，或甚至藉由測量頭部到方向盤的距離，能夠更精準的確保駕駛的安全。
LiDAR
藉由VCSEL 陣列去掃描前方的路況，如果與前方車輛的距離太近時，汽車能在短時間內替駕駛做出反應，避免危險，另外，這樣的陣列還能透過精準地控制單個VCSEL，控制掃描的順序(Sequence)與速度進而得到更精確的結果。
總結上文來說，VCSEL市場不斷蓬勃發展，我們可以期待它在未來將人類從2D帶向3D，為此，讓我們繼續關注它的發展與動向。
參考資料
Smartphone market pulls VCSELs into the mainstream
The 2020 iPhone Is Getting This Very Cool 3D Laser Camera System
VCSEL array as core component for Ibeo’s solid-state lidar
延伸閱讀
作者/ 陳庭亞
在新竹邁入第五年時光，VCSEL和PCA研究的菜鳥。
