從消費電子市場到工業應用，隨著新應用在各領域的不斷出現，3D傳感技術的市場在不斷地發展壯大。現今幾乎所有的智能電視及操作系統都已經能支持動作識別的相關功能，完成諸如畫面縮放和頻道切換等功能；傳感器能夠通過探測生產線的移動和表面質量，從而控制產品在生產線中的流向；設計人員也可以對復雜的形狀進行掃描并通過3D打印機進行復制；監控系統也已能確保動物和人類遠離危險的區域。

    如今的傳感器也已可以探測到極端細微的動作和特征。現代的傳感器不僅能夠探測到點頭之類的動作，還可以精確地識別是誰點的頭；除了識別功能，現代的傳感器還可以用來檢測心跳和情感交流時細微的面部特征；現今，3D傳感器也已經應用于室外，這意味著傳感技術已能應對高亮度或復雜光照等環境下的監測需要。

    一系列的市場研究報告展示了3D傳感市場的廣闊前景。據市場調研公司Marketsandmarkets預計，動作識別和非觸碰感應技術的市場規模，將在未來數年間取得79%的增長；據CompaniesandMarkets.com網站發布的報告預測，截至2018年，動作識別及非觸碰感應市場的復合年均增長率將保持在50.7%的水平，市場規模將達到71.5億美元；另外，思邁汽車信息咨詢公司（IHSAutomotive）也發布報告表明，2030年動作識別及非觸碰感應產品在汽車行業的使用量將超過3800萬套。3D傳感市場的快速增長和應用數量的持續增加，主要得益于光學和照明技術的進步帶來的器件微型化和低成本。

    3D傳感是如何工作的

    從本質上來說，3D傳感技術主要是指對物體隨時間變化的特征和位置進行追蹤。為了實現這一目的，人類的眼睛擁有兩種不同波長的傳感器（晶狀體和視神經），大腦是一個復雜的處理器。通過眼睛和大腦協同工作，人類實現可以對波長在390-700nm范圍內的光線進行觀測。3D傳感設備的工作原理與此基本一致，只不過通常還會配備一個照明光源。

    試想一下這樣的場景，一位游戲玩家在一臺3D傳感器面前揮動高爾夫球桿。在這種情況下，傳感設備中的照明元件發射出不可見的光“照亮”玩家及其四周的環境。由于光會從玩家的身上反射回傳感設備，而光學濾波器則會將雜光和環境光屏蔽，只允許近紅外光譜通過光學傳感器。通過對光線變化的解讀，傳感器便可以繪制出玩家動作的3D數字圖像，并將圖像不斷反饋給游戲程序。

    為了完成上述的過程，盡管不同類型的3D傳感系統的配置和軟件會有所不同，但它們的基本硬件卻是一樣的：

    •照明光源—通常會使用LED或激光二極管來發射紅外光譜或近紅外光譜

    •光學控件—光學鏡片能優化環境照明效果，將反射光聚焦到探測器表面，而帶通濾波器則只允許與照明光譜匹配的反射光到達光傳感器，對環境光線以及其他雜光進行消除

    •深度攝像頭—這種高性能的光學接收器可以對過濾之后的反射光進行偵測，并將其轉換成電信號，由固件進行處理

    •固件—超高速ASIC或DSP芯片對接收到的信號進行處理，將其轉換成終端應用程序可以識別的格式

    圖1.基本3D傳感組件

    照明光源

    憑借優異的光譜準確性以及光電信號轉換效率，激光二極管成為諸多消費類電子應用設備首選的照明光源。通常這些消費電子應用設備的特點是電源功率有限且元器件十分密集，這就要求盡量減小耗散功率。同時，由于和激光二極管配套使用的光學濾波器和光學傳感器對光線的波長十分敏感，這就要求在較大溫度范圍內光線的波長保持穩定。

    在光線波長可選范圍和照明準確性方面，LED照明系統的處于劣勢。對于短波長激光，傳感器的量子效率（QE）要比LED照明的波段高得多。商用成品LED擁有相對較寬的光照錐，經常有高達50%的光起不到有效照明作用。綜合這兩點因素及下表中所列舉的優勢可以看出，使用激光二極管做照明光源系統的3D傳感設備，其總體性能要比采用LED的3D傳感設備高出5到10倍。

    表1.激光二極管與LED的性能對比

    單模激光二極管的特點是折射率導引、單模波導，它可以提供高功率、低散光、窄光譜、以及單空間模式高斯遠場光線，之外，它能以低工作電流產生高功率的光線。此類激光二極管，可以在60°C的高溫和200毫瓦高功率下也可以非常可靠的工作。Fabry-Perot垂直腔面發射激光器（VCSEL）擁有極高的功率密度（單橫模~1W）和效率，且可靠性也很好。基于上述這些優勢，它們非常適用于像3D傳感器這樣對整體性能和功率密度要求都很高的設備。更重要的是，VCSEL能適應晶片規模的測試及組裝，并適用于超大規模的應用設備。

    光學濾波器

    3D傳感系統中使用的光學濾波器一般都是窄帶寬近紅外濾波器，它的工作角度寬廣，在要求的帶寬范圍內信噪比很低，在其他波段則會被徹底屏蔽。光學濾波器的元件通常會作為一層鍍膜涂在攝像頭的鏡片上，或者是作為一個獨立的元件單獨存在。

    通過對進入傳感器的光線加以限制，光學濾波器可以把與3D傳感進程無關的數據清除，再加上應用軟件中搭載的抑噪功能，使得固件的處理負荷極大降低。

    技術的進步

    在3D傳感市場，決定一款元件成敗的因素有三個：尺寸、效率和工藝。對可穿戴用品而言，“小型化”是新興應用的前提條件，舉個例子，一副眼鏡框的尺寸很有限，無法將照明光源、傳感器、處理器以及電源系統融合于一身；元件效率的提升，不僅能夠實現設備的小型化，同時還能夠有效降低設備的能耗；工藝的改善可以有效降低成本，從而實現消費類設備的規模化生產。

    照明光源

    隨著激光二極管技術的發展，二極管的厚度目前已經降至2-3毫米，相比于人類視網膜大約0.5毫米的厚度，尺寸對于激光二極管的發展來說已不是問題。

    設計的優化，也將激光二極管的效率提升到了新的高度。效率的提升意味著使用較少的電量便可以產生更多的光。這對3D傳感系統的影響主要集中在兩個方面：照明系統所需要的電量越少，意味著3D傳感系統核心的處理系統能獲得更多的電能；電池可以更小，處理能力可以更強。另外，效率越高，設備的散熱也就越少。

    針對照明需求和能源消耗的矛盾問題，設計人員現在有了更好的選擇。3D傳感系統在激光二極管在全功率運轉時的性能最好，此時激光二極管提供的高亮度使傳感器有極高的分辨率。不過，即使即使設計的電源功率較小，最新式的激光二極管也同樣可以提供充足的照明。

    某些新式的激光二極管擁有較為穩定的波長，這使得匹配合適的濾光片變得相對容易。當需要對系統進行優化以更好地適應復雜的光線環境時，調整激光或濾波器的波長是解決問題的關鍵所在，尤其是對于較暗環境下運行的設備而言，這種方法更加重要。

    最后，新式芯片取消了氣密封裝的設計，從而方便用戶使用成本更低的成品集成芯片和LED套件，而不必再額外定制套件，這一進步大大提高了生產速度并降低了生產成本，最終降低了終端產品的售價。

    圖2.激光二極管量產封裝現場（JDSU公司提供）

    光學濾波器

    隨著傳感器分辨率和照明光源功率的提升，高信噪比（SNR）和低角度變化成為必然的發展趨勢。尤其對于移動設備而言，更傾向于采用大視場薄膜干涉濾光片，但因為它對角度的變化非常敏感，此類濾光片的帶通也會隨角度變化。

    薄膜制程專利技術的發展，使得濾波器的性能更加穩定且不再隨著角度的改變而出現顯著的變化。這意味著3D傳感系統監測區域的邊緣也擁有很好的性能，同時也減少了室外環境光線的影響，從而擴大了3D系統的適用范圍。

    圖3.低角度變化設計和標準角度變化設計

    上述新技術可以在分立的濾波器上鍍膜或直接在CMOS傳感器上鍍膜。雖然直接在傳感器鏡片上鍍膜的費用較高，但它可以縮小設備的尺寸。盡管最新的制造工藝已經可以采用0.2毫米厚的玻璃進行濾波器的大規模生產，光程的任何一點縮減都會十分重要。

    分辨率

    對于手臂或手部動作的感應并不要求傳感器具有極高的分辨率，但對于面部表情的識別則不然：心跳動作和眼部動作的感應要求較高的智能水平，因此，傳感器也應當具備更高的分辨率。目前市面上最新式的高清智能手機的像素已高達4100萬，這遠遠超過了當前任何一款3D傳感設備對圖像細節的要求。

    解決分辨率問題的關鍵，在于數據處理的功率是否達標。處理器技術的提升通常會造成成本和能耗的增加，而這對于量產設備，尤其是消費類電子產品而言，通常是難以承受的。目前，軟件開發商已經開發出多種復雜的新算法，可以輕松處理各種分辨率的數據。

    不過，對于固定式監控系統設備而言，成本和能耗都不是問題：最新式的激光二極管、濾波器以及高分辨率傳感器的結合可以達到非常高的3D傳感性能。

    應用的發展

    近期3D系統對環境光的處理技術新進展對車載應用十分關鍵。對于汽車而言，主要的感應區域位于擋風玻璃的正下方，而這一區域同時又是最容易暴露在陽光下或被車頭燈照到的區域。已有商家展示了在任何光照條件下對車載信息顯示系統進行細致的非觸控式操控，此類傳感設備很有可能將被逐漸應用于從豪華車型到經濟車型等各個價位的汽車當中，因為此類傳感設備不僅十分方便，同時也可以顯著提高汽車的安全性。停車輔助系統以及預碰撞安全監測系統，也是3D傳感技術在汽車領域不斷增長的發展方向。

    3D臉部識別技術可以精確測量人臉部的幾何數據，與指紋技術的準確性不相上下。就實用性而言，搭載3D傳感技術的計算機、甚至包括ATM自動取款機在內的設備，可以在用戶打開設備時，立刻對用戶進行識別和認證，因此3D臉部識別技術的出現，意味著繁瑣的登錄系統已經成為過去式。的確，世界上處處可見的“電子密碼鎖”將會因此改變，一旦用戶通過臉部識別的認證，就可以方便地使用應用程序和信息數據，甚至是開門入室。

    “小型化”趨勢使得可穿戴用品的發展獲得了很大的推動力。谷歌正在推進一個名為“ProjectTango”的項目，一款支持室內繪圖、功能強大的3D智能手機的設計工作。一旦谷歌眼鏡之類的設備在市場上得到推廣，用戶在走路的過程中便可以在錯綜復雜的高樓大廈之間快速找到對的路線。對于視力障礙群體而言，該產品亦擁有巨大的市場潛力。

    元件制造

    想象3D傳感系統的應用很容易。創建高效的系統、藍本和小批量的設備并不簡單，而持續大規模生產可靠的、高性能、小型化照明光源和光學濾波器，則更加困難！

    圖4.光學濾波器制造過程（JDSU公司提供）

    類似3D傳感系統的高速數據處理系統要求其元件能夠以低錯誤率、低退化率進行長時間的運轉，這其中的關鍵問題仍在于制造工藝。對于大規模、低利潤的消費電子元件而言，其成本的構成，直接決定這是發明人的幻想或是產生利潤的產品。小型生產廠和特約制造商或許能夠生產少量的高性能概念型產品或藍本，但嚴格按照標準生產數以百萬計的部件則是全然不同的挑戰，而且消費電子產品利潤率極低。放眼全球，能夠大規模生產3D傳感元件的制造商，更是屈指可數。

    作者:JDSU 公司商業激光二極管 產品線總監 Andr eWong 博士，他先后畢業于加拿大達爾豪斯大學和英屬哥倫比亞大學，分獲理學學士學位和物理學博士學位；JDSU公司光學濾光片產品線高級經理MarkusBilger先生，他畢業于美國金門大學，獲有會計學學士和工商管理碩士學位。