इन वर्षों में, फिल्मों की "स्टार वार्स" श्रृंखला ने हमेशा अनगिनत फिल्मकारों के दिलों को चौंका दिया है: चाहे वह जेडी शूरवीरों ने भयावह के बावजूद बुरी ताकतों के खिलाफ लड़ाई लड़ी हो, या उत्पीड़न के चेहरे में प्रतिरोध संगठन के साहस और बलिदान, और अंत में जीतने के लिए उत्कृष्ट रणनीति के माध्यम से ... इसके अलावा, फिल्म में शानदार लाइटसेबर द्वंद्वयुद्ध, साथ ही साथ R2-D2, C-3PO, और BB-8 जैसे droids के कार्य, प्रभावशाली हैं। इन droids के बिना, स्टार वार्स इस तरह के एक अद्भुत अंत नहीं हो सकता है.
रोबोट और metaverse 2022 अंतर्राष्ट्रीय उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स शो (CES) में सबसे गर्म विषयों में से एक हैं। आज, गैर-humanoid मशीनें जो हमारे लिए काम करती हैं, वे आम हैं, जैसे कि डिलीवरी रोबोट, स्व-ड्राइविंग कारें, व्यापक रोबोट और हवाई ड्रोन। सीईएस के प्रभाव को देखते हुए, हम एक नए युग के कगार पर हो सकते हैं: हर घर में स्टार वार्स जैसे विज्ञान-फाई फिल्म दृश्य से कम से कम एक रोबोट होगा।
दूसरी ओर, जैसा कि कोविड -19 महामारी के दौरान संपर्क रहित सेवाओं में तेजी जारी है, आभासी और वास्तविकता को संयोजित करने वाली मेटावर्स सेवाएं लोकप्रियता प्राप्त कर रही हैं और ऐसी सेवाओं की मांग तेजी से बढ़ रही है। बहुत से लोग संवर्धित वास्तविकता (एआर, संवर्धित वास्तविकता) या आभासी वास्तविकता (वीआर, वर्चुअल रियलिटी) तकनीक का उपयोग करना शुरू कर देते हैं। जल्द ही, एआर और वीआर उपकरणों को स्मार्टफोन की तरह चारों ओर ले जाया जाएगा। यह एक नए युग की शुरुआत करेगा जहां सेवाएं कभी भी, कहीं भी उपलब्ध होंगी, जिसका अर्थ है कि हमें अब बैंकों या निर्माताओं का दौरा करने की आवश्यकता नहीं है, और हम कारखाने में प्रवेश किए बिना उत्पादों को बनाए रख सकते हैं।
चित्रा 1: Ocado वितरण रोबोट
मशीन की आंख (Machine Vision)
अर्धचालक प्रसंस्करण और छवि सिग्नल प्रोसेसिंग (आईएसपी, छवि सिग्नल प्रोसेसिंग) प्रौद्योगिकी में अद्भुत प्रगति द्वारा समर्थित, गिरती कीमतों, और उत्कृष्ट उच्च-रिज़ॉल्यूशन उच्च प्रदर्शन, CMOS छवि सेंसर (सीआईएस) तकनीक स्मार्टफोन जैसे विभिन्न उपकरणों का मुख्य आधार बन गई है। "आंख"। पिक्सेल वे हैं जो कैमरे के प्रदर्शन को निर्धारित करते हैं, और उनके चारों ओर प्रतिस्पर्धा ने कैमरा तकनीक को मानव आंखों से परे 600 मेगापिक्सेल तक धकेल दिया है।
लेकिन क्या उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवियां मशीन दृष्टि के लिए आवश्यक रूप से उपयुक्त हैं? सुरक्षा और सुरक्षा के लिए जिम्मेदार अत्याधुनिक मशीनों की आंखों के लिए, यहां तक कि सबसे तेज दो-आयामी (2 डी) छवि डेटा भी उनके लिए मनुष्यों के स्थान पर काम करने के लिए पर्याप्त नहीं है। ऐसी मशीन R2-D2 जैसे सामरिक संचालन में मिशन करने में सक्षम नहीं हो सकती है। लेकिन स्व-ड्राइविंग कारों और ड्रोन के लिए, उच्च गति ड्राइविंग के दौरान ब्रेकिंग पल की सटीक पहचान करना आवश्यक है; चेहरे की पहचान उपकरणों के लिए, फ्लैट छवियों के बजाय चेहरों को सटीक रूप से स्कैन करना आवश्यक है; एआर उपकरणों के लिए, वास्तविक समय संवर्धित वास्तविकता के लिए बड़े स्थान स्कैन करें। इन मशीनों को न केवल 2 डी छवि डेटा की आवश्यकता होती है, बल्कि तीन आयामी (3 डी) तकनीकी सहायता की भी आवश्यकता होती है। एक मशीन एक कैमरे के बिना एक जटिल कम्प्यूटेशनल प्रक्रिया के माध्यम से 3 डी डेटा प्राप्त कर सकती है, जिसमें अल्ट्रासाउंड या लेजर उपकरण जैसे एड्स होते हैं। हालांकि, इतने सारे अतिरिक्त घटकों के साथ एक मशीन को डिजाइन और मूल्य के संदर्भ में उपभोक्ताओं द्वारा अस्वीकार कर दिया जाएगा।
चित्रा 2: मशीन की आंख की आवश्यक विशेषताएं
आंखों और मस्तिष्क के सहयोग से, लोग वस्तुओं को स्टीरियोस्कोपिक रूप से देख सकते हैं और गहराई और दूरी को पहचान सकते हैं। एक समान तंत्र के माध्यम से, मशीनें बहु-आयामी वस्तुओं की पहचान भी कर सकती हैं और त्रिकोणीय के माध्यम से दूरी को माप सकती हैं। उदाहरण के लिए, स्टीरियो विजन मान्यता प्रभाव प्राप्त करने के लिए दो कैमरों और एक प्रोसेसर का उपयोग करता है। हालांकि, इस तरह के तंत्र भी कमियों से पीड़ित हैं जैसे कि कम्प्यूटेशनल जटिलता, विमान की दूरी को मापने में सटीकता की कमी, और अपेक्षाकृत अंधेरे स्थानों में कम सटीकता, जो इस तरह के तंत्र के दायरे को संकीर्ण करते हैं। हाल ही में, टाइम-ऑफ-फ्लाइट (टीओएफ) विधि को इन कमियों को दूर करने के लिए एक वैकल्पिक विधि के रूप में व्यावहारिक उपयोग में रखा गया है। टीओएफ एक साधारण तरीका है जो प्रकाश को किसी वस्तु से उछालने में लगने वाले समय की गणना करके दूरी को मापने का एक सरल तरीका है। यह विधि चलाने के लिए आसान और तेज़ है, और प्रकाश वातावरण की परवाह किए बिना दूरी को सही ढंग से मापने का अतिरिक्त लाभ है क्योंकि यह एक अलग प्रकाश स्रोत का उपयोग करता है।
ToF: उत्सर्जित प्रकाश के राउंड-ट्रिप समय को मापने से दूरी प्राप्त की जाती है
स्टीरियोस्कोपिक दृष्टि: दो ऑप्टिकल सिस्टम एक ही आधार रेखा के सापेक्ष दो अलग-अलग बिंदुओं से एक ही वस्तु को देखते हैं
चित्रा 3: स्टीरियो विजन और ToF ऑब्जेक्ट पहचान विधियों की तुलना
उड़ान काल विधि
टीओएफ को दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: प्रत्यक्ष टीओएफ (डी-टीओएफ, प्रत्यक्ष टीओएफ) और अप्रत्यक्ष टीओएफ (आई-टीओएफ, अप्रत्यक्ष टीओएफ)। दूरी की गणना लौटाए गए प्रकाश के चरण अंतर का उपयोग करके की जाती है। एसके hynix विभिन्न उत्पादों में उन्हें उपयोग करने के लिए इन दो ToF सेंसर प्रौद्योगिकियों को विकसित किया। संभवतः, भविष्य के रोबोटों की एक आंख होगी जो वस्तुओं को करीब से पहचानने के लिए आई-टीओएफ का उपयोग करती है, और दूसरी आंख जो दूर की वस्तुओं का पता लगाने के लिए डी-टीओएफ का उपयोग करती है।
इस लेख का उद्देश्य एसके हाइनिक्स की आई-टीओएफ तकनीक को स्पष्ट करना है।
चित्रा 4: अप्रत्यक्ष ToF और प्रत्यक्ष ToF का तुलनात्मक विश्लेषण
i-ToF विधि एक पिक्सेल के भीतर दो से अधिक अलग-अलग यादों में संचित आवेशों के अनुपात के साथ प्रकाश स्रोत से चरण अंतर की गणना करती है, और तदनुसार दूरी को मापती है। डी-टीओएफ की तुलना में, इस तंत्र की दूरी को मापने में कुछ सीमाएं हैं क्योंकि जब प्रकाश दूरी से लौटता है, तो कम संकेत होते हैं जिन्हें कम तीव्रता के कारण अलग किया जा सकता है। हालांकि, डी-टीओएफ की तुलना में, इसमें उच्च रिज़ॉल्यूशन का लाभ है, क्योंकि इसके सरल सर्किट के कारण, पिक्सेल सिग्नल को अपने आप से अलग कर सकता है, और पिक्सेल को सिकोड़ना आसान है। आई-टीओएफ की सीमाओं की भरपाई करने और इसके फायदों को अधिकतम करने के लिए, सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) में सुधार करने, अवरक्त प्रकाश स्रोतों की क्वांटम दक्षता (क्यूई) बढ़ाने या पृष्ठभूमि प्रकाश (बीजीएल) को हटाने के लिए तकनीकों को नियोजित करने के लिए अब बहुत सारे शोध किए जा रहे हैं। और विस्तार करें।
वर्तमान आई-टीओएफ पिक्सेल संरचना को मोटे तौर पर एक गेट संरचना और एक प्रसार संरचना में विभाजित किया जा सकता है। गेट संरचना विधि आसपास के इलेक्ट्रॉनों को इकट्ठा करने के लिए झंझरी के लिए एक मॉडुलित वोल्टेज लागू करके एक संभावित अंतर उत्पन्न करती है। दूसरी ओर, प्रसार संरचना, सब्सट्रेट पर एक मॉडुलित वोल्टेज लागू करके उत्पन्न वर्तमान का उपयोग करके उत्पन्न वर्तमान का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों को इकट्ठा करने के लिए एक वर्तमान-सहायता प्राप्त फोटोनिक डेमोड्यूलेटर (सीएपीडी) के रूप में कार्य करती है। पूर्व की तुलना में, उत्तरार्द्ध जल्दी से गहरे क्षेत्रों में उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों का पता लगा सकता है, जिससे हस्तांतरण अधिक कुशल हो जाता है, लेकिन अधिक शक्ति अपव्यय की आवश्यकता होती है क्योंकि यह एक बहु-लोड अवर वर्तमान का उपयोग करता है। इसके अलावा, जैसे-जैसे पिक्सेल छोटे हो जाते हैं और उच्च रिज़ॉल्यूशन के कारण पिक्सेल की संख्या बढ़ जाती है, बिजली की खपत और बढ़ जाती है।
सीएपीडी के फायदों को अधिकतम करने और इसकी सीमाओं को कम करने के लिए, एसके हाइनिक्स ने 10um QVGA-class और 5um VGA-class पिक्सेल तकनीक विकसित की है, जिसमें VFM (Vertical Field Modulator) नामक एक नई संरचना का उपयोग किया गया है। अगला, आइए वीएफएम तकनीक और इसके लाभों में एक गहरी गोता लगाएं।
VFM Pixel Technology के फायदे
एक अच्छी दूरी माप सेंसर का न्याय करने के लिए विभिन्न मानदंड हैं, लेकिन सबसे पहले और सबसे महत्वपूर्ण, यह सटीक रूप से दूरी का पता लगाने और कम बिजली की खपत के माध्यम से हीटिंग समस्याओं को कम करने में सक्षम होना चाहिए। दूसरे शब्दों में, एक अच्छे सेंसर को उच्च दक्षता और कम बिजली की खपत के साथ संकेतों का जल्दी से पता लगाना चाहिए, जबकि इसे चरण अंतर के आधार पर संकेतों को भी सटीक रूप से अलग करना चाहिए।
1. एसके hynix सीआईएस वापस प्रबुद्ध (बीएसआई) प्रौद्योगिकी और संयोजन
सीआईएस की तरह, बैक-प्रबुद्ध प्रसंस्करण ToF सेंसर डिज़ाइन या प्रदर्शन के लिए कई फायदे लाता है। उड़ान के समय की गणना करने के लिए उपयोग किया जाने वाला प्रकाश स्रोत अवरक्त प्रकाश (आईआर) है क्योंकि यह मानव आंखों के लिए अदृश्य होना चाहिए। और, यह कम रोशनी वाले वातावरण में भी सटीक दूरी की गणना करता है। इन्फ्रारेड में दृश्यमान प्रकाश की तुलना में एक लंबा तरंग दैर्ध्य होता है, जिसका अर्थ है कि सीआईएस की तुलना में एक मोटे वेफर का उपयोग किए बिना, अधिकांश प्रकाश में प्रवेश किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप पिक्सेल में बहुत कम सिग्नल स्तर होता है। लेकिन इसका मतलब यह नहीं है कि मोटाई असीम रूप से बढ़ सकती है। गहरे क्षेत्रों में उत्पादित इलेक्ट्रॉनों को जल्दी से इकट्ठा करना मुश्किल है, जैसे कि मछली पकड़ने के स्थानों पर मछली पकड़ने की तुलना में गहरे समुद्र में मछली पकड़ना अधिक कठिन है। जब सामने प्रबुद्ध (एफएसआई) के बजाय बैकसाइड रोशनी का उपयोग किया जाता है, तो सिग्नल का जल्दी से पता लगाया जा सकता है क्योंकि बैकसाइड रोशनी प्रकाश को एक साथ इकट्ठा करने की अनुमति देती है, जहां बिजली का क्षेत्र, जो मछली पकड़ने की रेखा के रूप में कार्य करता है, को प्रकाश के साथ मजबूत होने से विपरीत पक्ष से भी प्रक्षेपित किया जाता है।
चित्रा 5: सामने-प्रबुद्ध और पीछे-प्रबुद्ध की तुलना (पारगम्यता और मोटाई प्रति प्रकाश संग्रह)
आई-टीओएफ का प्रदर्शन चार्ज संचय की दर के अनुसार संकेतों को अलग करने की इसकी क्षमता पर निर्भर करता है। इस संबंध में, फ्रंट-प्रबुद्ध सेंसर दूरी में त्रुटियों का कारण बन सकते हैं, क्योंकि जब प्रकाश पिक्सेल सतह से गुजरता है, तो चरण अंतर को अनदेखा करते हुए सीधे पता लगाने वाले नोड में प्रवेश करने की अधिक संभावना होती है। ऐसा लगता है कि कक्षा में अन्य छात्र हैं जब रोल कॉल हो रहा है। सामने-प्रकाशित में, एक उच्च भरने के कारक को सुनिश्चित करने के लिए धातु के तारों पर कई प्रतिबंध भी हैं, जबकि बैक-प्रबुद्ध धातु तारों के व्यापक विकल्प की अनुमति देता है, जैसे घने जंगल में पेड़ों को काटने की तुलना में जमीन से पानी खींचना बारिश का पानी इकट्ठा करना अधिक कुशल है (चित्रा 6)।
चित्रा 6: i-ToF विभिन्न प्रकाश विधियों के लिए संचय दरों को चार्ज करता है (पानी को भूमिगत खींचने और घने जंगलों में पेड़ों को काटने के अनुरूप)
बैक-रोशनी का यह लाभ एसके हाइनिक्स की सीआईएस बैक-प्रबुद्ध तकनीक के साथ संयोजन करके प्राप्त किया जा सकता है, जिसमें 1 माइक्रोन से छोटे पिक्सेल बनाने की तकनीक है।
2. छोटे लेंस सरणी (SLA) और ट्रेंच संरचना ऑप्टिकल वेवगाइड और क्वांटम दक्षता
चार्ज संचय की दर का उपयोग करके आई-टीओएफ तंत्र के अनुसार, हमें लंबी दूरी पर सटीक दूरी डेटा प्राप्त करने के लिए सिग्नल के अधिकतम स्तर की आवश्यकता होती है। इसलिए, अवरक्त तरंग दैर्ध्य सीमा में उच्च QE आवश्यक है।
जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, अवरक्त प्रकाश स्रोत की उच्च मर्मज्ञ शक्ति के कारण, इसकी प्रकाश तीव्रता दृश्य प्रकाश की तुलना में कमजोर है, इसलिए प्रकाश संग्रह की गहराई गहरी है। इससे निपटने का एक तरीका जानबूझकर माइक्रोलेंस संरचनाओं (कैमरा लेंस के नीचे पिक्सेल के आकार और संख्या के अनुसार व्यवस्थित छोटे आकार के लेंस) को बेहतर प्रकाश संग्रह प्राप्त करने के लिए उच्च बनाना है, लेकिन तकनीकी बाधाओं के कारण ऊंचाई सीमित है। एसके हाइनिक्स ने इस कमी को दूर करने के लिए एक अलग दृष्टिकोण अपनाया है। पिक्सेल के आकार से छोटे प्रत्येक पिक्सेल पर कई लेंस रखकर, यह विधि प्रकाश-संग्रह की गहराई को बढ़ाती है, जिससे प्राप्त प्रकाश की कुल मात्रा बढ़ जाती है।
इसके अलावा, एसके हाइनिक्स भी पीठ पर एक विशेष पैटर्न संरचना को खोदता है, ताकि घटना प्रकाश संरचना को छूता है और इसके द्वारा परिलक्षित होता है, प्रकाश संचरण पथ का विस्तार करता है और मॉडुलन क्षेत्र पर प्रकाश को केंद्रित करता है, जिससे प्रकाश हानि दर कम हो जाती है और एक ही प्रकाश तीव्रता के तहत संचरण दक्षता में सुधार एक पत्थर के साथ दो पक्षियों को मारने का प्रभाव प्राप्त होता है। वास्तव में, यह पुष्टि करता है कि क्यूई 940एनएम प्रकाश स्रोत के तहत दोगुना से अधिक है। उच्च QE पर, यह पिछले तरीकों की तुलना में लगभग 55% तक वास्तविक और मापा दूरी के बीच त्रुटि को कम करने में सफल होता है।
चित्रा 7: SLA (बाएं) और खाई-संरचित ऑप्टिकल वेवगाइड (दाएं)
3. कम बिजली की खपत और उच्च प्रदर्शन सुनिश्चित करें
प्रकाश स्रोत की बिजली की खपत को छोड़कर, ToF सेंसर सर्किट में सबसे अधिक शक्ति का उपभोग करता है जो सिग्नल को संचालित होने पर मॉड्युलेट करता है। मॉडुलन ड्राइव सर्किट की शक्ति बोर्ड के माध्यम से बहने वाली धारा के लिए आनुपातिक है। दूसरे शब्दों में, हम सब्सट्रेट वर्तमान को कम करके बिजली की खपत को कम कर सकते हैं। इसके अतिरिक्त, सटीक और सटीक दूरी माप के लिए कम मॉडुलन अवधि और तेजी से सिग्नल का पता लगाने की आवश्यकता होती है। वाहन (फोटॉन) को गैस पेडल पर कदम रखकर तेज किया जाना चाहिए ताकि उसी दूरी (सिलिकॉन मोटाई) को जल्दी से यात्रा की जा सके, जो बहुत अधिक ईंधन (या वर्तमान) की खपत करता है। एक अन्य उदाहरण के रूप में, एक गहरे कुएं से पानी खींचने के लिए चरखी को उठाने के लिए बहुत बल की आवश्यकता होती है। लेकिन क्या होगा यदि आप भूजल को पंप कर सकते हैं? आप थोड़े से प्रयास के साथ आवश्यक सभी पानी को बाहर निकाल सकते हैं, बस नल को चालू कर सकते हैं।
VFM विधि पिक्सेल आयन आरोपण की स्थितियों और संरचना को अनुकूलित करके कमी क्षेत्र को बढ़ाती है, जिससे यह पंप की तरह कार्य करने और ऊर्ध्वाधर विद्युत क्षेत्र को मजबूत करने में सक्षम होता है। इसलिए, विद्युत क्षेत्र का बल वर्तमान में जोड़ा जाता है, जो प्रभावी रूप से इलेक्ट्रॉनों को इकट्ठा कर सकता है, और साथ ही, यह छोटे वर्तमान की स्थिति में तेजी से संग्रह भी प्राप्त कर सकता है, और बिजली की खपत को बढ़ा सकता है। व्यापक प्रयोगों से पता चला है कि जब वर्तमान बढ़ता है, तो वीएफएम पिक्सेल का प्रदर्शन खो जाता है, जिसका अर्थ है कि यह कम शक्ति के लिए एक अधिक उपयुक्त संरचना है, और वर्तमान अब एक महत्वपूर्ण कारक नहीं है। दूसरे शब्दों में, विधि एक डिजाइन के माध्यम से वर्तमान को नियंत्रित करके पिक्सेल के प्रदर्शन में सुधार करती है जो एक मजबूत ऊर्ध्वाधर विद्युत क्षेत्र को सक्षम बनाती है ताकि यह केवल एक गाइड के रूप में कार्य करे। QVGA-क्लास ToF सेंसर की तुलना में, 5um VGA-class ToF सेंसर में एक छोटा पिक्सेल आकार और उच्च रिज़ॉल्यूशन है, लेकिन प्रति पिक्सेल वर्तमान कम हो जाता है, और बिजली की खपत में वृद्धि लगभग शून्य है।
चित्रा 8: एक ToF सेंसर के रूप में, VFM संरचना अधिक कुशल बिजली की खपत है
संक्षेप
एसके hynix विभिन्न मॉड्यूल निर्माताओं को सक्षम करके आर्थिक और सामाजिक मूल्य के निर्माण में योगदान देता है ताकि टीओएफ सेंसर प्रौद्योगिकी विकसित करते समय करीबी तकनीकी सहायता और सेंसर प्रदान करके आवेदन बाजारों की एक विस्तृत श्रृंखला में प्रवेश किया जा सके।
भविष्य में, हम दुनिया भर में यात्रा करने के लिए एआर / वीआर उपकरणों का उपयोग करने में सक्षम होंगे, पैकेज वितरित करने के लिए ड्रोन का उपयोग कर सकते हैं, होम रोबोट हमारे लिए पैकेज लाते हैं, हमारे लिए साफ करने के लिए व्यापक रोबोट पूछते हैं, और यहां तक कि चेहरे की पहचान द्वारा संचालित स्व-ड्राइविंग कारों में भी बैठते हैं। कार में खबर देखो। हम उम्मीद करते हैं कि इन परिदृश्यों को नई दुनिया में महसूस किया जाएगा कि एसके हाइनिक्स की गहरी समाधान तकनीक खुलने वाली है।
